白新鹏博士工作室

现将主要的功能性低聚糖的生产介绍如下：

 

低聚异麦芽糖(Isomaltooligosacharide，简称IMO )是指葡萄糖基以a-1,6糖苷键结合而成单糖数在2~6不等的一类低聚糖，其主要成份为异麦芽糖((Isomaltose)、潘糖(Panose)、异麦芽三糖(Isomaltotriose)及异麦芽四糖等。

 

低聚异麦芽糖制备大致有以下两种途径：一是利用糖化酶逆合作用，在高浓度葡萄糖溶液中将之逆合生成异麦芽糖、麦芽糖等低聚糖；但由于产率低，产物复杂，生产周期长等缺点而难以工业化大量推广。二是以淀粉制得高浓度葡萄糖浆为底物，通过a-葡萄糖转苷酶催化发生a-葡萄糖基转移反应而得。工业化生产低聚异麦芽糖一般以淀粉为原料采用全酶法工艺，技术以日本最为成熟。

工艺流程

 

 

淀粉加水调制成30 %淀粉乳， 调节pH 6~6.5，加耐高温a-淀粉酶、90 ℃喷射液化液化至DE值为6~10，按1kg淀粉加β-淀粉酶和真菌α-葡萄糖苷转移酶2 ~ 4 g，于pH 5、60 ℃反应72h ，反应完毕进行灭酶，用藻土助滤，滤清后活性碳脱色，再经阴阳树脂混合床离交脱盐，真空浓缩可以得到浓度50 %的糖浆，经喷雾干燥可得50糖粉成品。真空干燥后如果上柱分离葡萄糖、麦芽糖可得到90糖浆，经真空干燥得90粉糖。

(1) 要严格控制连续喷射液化工艺条件，既做到全部糊精化，又控制较低DE值。

① 确定底物浓度

② 选择液化温度和液化酶

③ 选择合适的pH值

④ 控制液化DE值

(2) 要严格控制糖化和转苷等生产关健工序

① 选择合适糖化酶

② a-葡萄糖转苷酶固定化

③ 探索糖化转苷同罐同时进行工艺条件

(3) 利用先进的净化分离技术

在净化分离技术方面，要推广树脂吸附脱色代替活性炭。采用微滤装置过滤糖浆，以进一步提高产品纯度和卫生指标，应用纳滤分离技术使产品低聚异麦芽糖纯度≥90% 。

 

低聚龙胆糖(Gentiooligosaccharide)是一类由葡萄糖以β-1,6糖苷键结合而成低聚糖，主要成分是龙胆二糖、龙胆三糖和龙胆四糖。

低聚龙胆糖有多种制备方法，最早制取低聚龙胆糖是从龙胆属茎、根中提取，由于受原料等限制，使其难以大量生产。此外，还原苦杏仁苯或从酸法水解淀粉副产物中提纯等都可制取低聚龙胆糖。但工业化生产低聚龙胆糖主要通过酶法生产，以高浓度葡萄糖为原料，先通过β-葡萄糖苷酶转糖苷作用及缩合作用，合成低聚龙胆糖混合物，再经分离精制便可制得不同规格低聚龙胆糖制品。

工艺流程

 

配制葡萄糖溶液浓度、固形物含量宜分别大少70%、40%；调整反应液的pH 4.5~7.5，加热物料温度在40~70℃；加酶添加量应为0.2 U/mg原料。如在300 mg D -葡萄糖中添加5.8 ×10⁵ U精制纯酶液500m1，葡萄糖含量约为60 % ，在pH 5.0 、60℃反应48h后，将反应混合液在100 ℃加热3min终止反应，3500 r/ min离心20min，取上清液，酶反应后既可用碳柱、阳离子交换树脂色谱柱等柱分离方法提纯出低聚龙胆糖，也可采用膜分离、晶析法等方法将葡萄糖去除。如上述酶反应液用水稀释40%后，经活性炭脱色、离子交换树脂脱盐后，蒸发浓缩到固形物含量80%左右，然后加入0.5%葡萄糖晶体，置于容积为1L的夹套搅拌式晶析装置中，将温度从45℃缓慢降至20℃，以析出葡萄糖晶体，最后在篮式离心分离器( 80孔目滤布)分离出晶体。

或可以将反应液稀释至40%，经活性碳脱色、离子交换树脂脱盐，蒸发浓缩至含固形物含量60%左右后，在75 ℃下通过内径为2cm ，长度为120 cm的填充了阳离子交换树脂Dawex99的柱子中，然后收集得到低聚龙胆糖组分。

 

低聚果糖(Fructooligsacchride，简称FOS)是指在蔗糖分子果糖残基上通过β(1-2)糖苷键连接1-3个果糖基而成蔗果三糖、蔗果四糖、蔗果五糖及其混合物。工业生产产品有低聚果糖G (纯度为55%-65%)和低聚果糖P (纯度为96%)，低聚果糖P是低聚果糖G进一步精制而成。

 

目前工业生产低聚果糖方法主要有两种：一是以菊芋为原料提取菊粉，再经酶水解而得。第二种方法是以蔗糖为原料，采用固定化酶法进行连续反应，将高浓度蔗糖溶液在50~60℃下以一定速率流过固定化酶柱，利用β-果糖转移酶进行一系列转移反应而获得低聚果糖。该法连续性好、自动化程度高，操作稳定性好，酶能反复使用，利用率高。

固定化酶生产工艺流程

 

 

 

 

现在蔗果低聚糖的工业制造过程则包括酶的发酵生产，酶或菌体固定化及蔗果低聚糖的生产三部分，用生产菌经2~4天通气搅拌培养，以生产含有果糖转移活性的发酵液或菌体， 再加以固定化处理，将固定化生物酶装入固定化管柱或流化床生物反应器中，通以50%~60%蔗糖溶液（每千克基质加入2~5个酶活力单位），于50~60 ℃下反应24h，即可得到含FOS的55 %~60 %糖液。若将生成之产物再脱色、脱盐及浓缩后，可得到固形物含量75 %的液体糖浆，其中的FOS含量占固形物55%，若再进一步分离与控制，可得到FOS占固形物95%的液体、粉末状或颗粒产品。

 

异麦芽酮糖((Isomaltulose)，亦称帕拉金糖(Palatinose )，化学名为6-O -a -D -吡喃葡糖基-D-果糖，是蔗糖经a-葡萄糖基转移酶作用，85%以上蔗糖转化成异麦芽酮糖，另外也有少量1-O-a-D-葡糖基-D-果糖、异麦芽糖、异松三糖、果糖和葡萄糖生成。 

某些菌株内a-葡萄糖基转移酶作用于蔗糖，可使蔗糖上a-1,2糖苷键转移变为a-1,6键而生成异麦芽酮糖。工业上选择使用精脘杆菌酶，采用固定化α-葡萄糖基转移酶柱式反应器进行连续化生产。

工艺流程

 

 

将处理好的固定化细胞置于填充柱内，连续流加50%左右的蔗糖溶液（最佳55 %），通过调整流速，最终转化率能达到90 %以上。通常，在固定化过程中一般选择海藻酸钠作为包埋材料，细胞包埋量约为20 %，CaCl₂作为交联剂；相比于其他材料，利用海藻酸钠包埋稳定性更好，更具有可操作性且成本更低，并且在固定化过程中，蔗糖异构酶的活力不受CaCl₂的浓度以及固定化所用时间的影响。但是在实际操作过程中，凝胶网格大，强度不够， 固定化颗粒易破碎，随着批次转化，大部分细胞会流失，从而造成酶的活性下降，固定化酶的半衰期较短。

目前从酶转化液中提取异麦芽酮糖的主要步骤是：旋转蒸发酶转化液质量浓度至60 %左右， 搅拌使其冷却，得到白色的晶体。在实际操作中，可以在已冷却的溶液中加入少量的异麦芽酮糖晶种，促使结晶速度加快。

偶联糖 (Clycosylsucrose)又叫葡萄糖基蔗糖，由蔗糖分子葡萄糖基上以a-1,4糖苷键结合1至数个葡萄糖基所成低聚糖。

 

工艺流程

 

先将淀粉水解生成葡萄糖、麦芽糖，再用淀粉水解液与蔗糖混合物培养环糊精葡聚糖转移酶，在酶催化作用下，葡萄糖基转移至蔗糖分子葡萄糖基上，葡萄糖基彼此以a-1,4糖苷键相连，最后将反应生成混合物脱色、脱盐、浓缩成为糖浆。

 

低聚乳果糖是由β-D-半乳糖苷，a-D-葡萄糖苷，β-D-K呋喃果糖苷残基组成。低聚乳果糖甜味特性类似于蔗糖，甜度为蔗糖30%，商品低聚乳果糖由于含有蔗糖、乳糖等，甜度要高些。

 

低聚乳果糖(Lactosucrose，简称LS)可采用两种途径合成。一是利用半乳糖苷转移酶将乳糖分解产生β-半乳糖基转移至蔗糖中葡萄糖C₄羟基上，如Sporoboromyces菌和Rahnella菌产生某些酶类。二是以乳糖和蔗糖(1: l)为原料，在节杆菌产生果糖基转移酶β-呋喃果糖苷酶作用下，将蔗糖分解产生果糖基转移到乳糖还原性末端C₁位羟基上，生成半乳糖基蔗糖，即低聚乳果糖。适合酶类有纳豆芽孢杆菌(Bacillus natto)果聚糖蔗糖酶(levansucrase)和节杆菌(Arthrobacter sp.K-1)β-呋喃果糖苷酶(β-ftuctofuransidase)。

工业上主要以节杆菌β-呋喃果糖苷酶生产低聚乳果糖。

工艺流程

 

反应中蔗糖和乳糖比例一般为1: 1，增加乳糖和蔗糖的比例，虽然乳糖的转化率增加， 但每克底物的低聚乳果糖产量下降，最适宜的糖浓度为30%~40%，糖浓度继续增加，低聚乳果糖的产量反而下降，这是由于酶量一定，底物浓度增加，酶的有效浓度降低，培养液经过纯化，将酶源添加至原料中，由β-呋喃果糖苷酶既具有合成低聚乳果糖能力，也能水解蔗糖和低聚乳果糖，所以一般情况最适宜的酶添加量为0.5ml。反应最适温度一般为40~50℃。 温度继续升高，产物含量下降，说明酶转移活力的适宜温度在此温度范围内，超过50℃酶的水解活力仍比较稳定，但转移活力下降。最适pH5.8~6.0。这与该酶在此pH下的稳定性有关系，在将纯化的酶液与1: 1的蔗糖和乳糖反应，在最适宜的pH和温度下，反应12h产物浓度最高，继续反应低聚乳果糖的含量也呈平稳下降趋势。控制乳糖和蔗糖质量比，可生产出形态不同产品；如LS-55 P其蔗糖与乳糖之比为55: 45，而LS-55 L产品蔗糖与乳糖之比为45: 55。

 

低聚半乳糖(Galactooligosaccharide，简称GOS )是大量存在于动物乳汁和乳清中一组功能性低聚糖，是一种具有天然属性低聚糖。低聚半乳糖是在乳糖分子中半乳糖一侧以β(1-3)、β(1-4)、β (1-6)糖苷键连接1~ 4个分子半乳糖形成结合糖。

 

低聚半乳糖是日本Yakult公司首先开发并用于食品。低聚半乳糖生产方法主要有酶法、发酵法和化学法。工业生产中常以高浓度乳糖作原料，用β-半乳糖苷酶催化乳糖水解，同时将催化水解出一个半乳糖残基或葡萄糖残基转移到另一个乳糖或葡萄糖或半乳糖分子上而得产品。

 

 

① 非固定化酶合成 低聚半乳糖以高浓度的乳糖为基料，在具有转糖基活性的β-半乳糖苷酶的作用下，乳糖首先被水解成半乳糖和葡萄糖，半乳糖然后被转移到乳糖的半乳糖基上。自然界中的许多细菌和霉菌都可产生β-半乳糖苷酶。通过这种方法制得的低聚半乳糖一般是在乳糖的半乳糖基一侧结合1~4个分子的半乳糖混合物。此法糖基供体为寡糖，价格便宜。酶来源丰富，性质稳定。充分体现了酶法大量合成低聚糖的实用性。

② 固定化酶合成 将β-半乳糖苷酶以交联、吸附或包埋的方式固定在一定载体上制成固定化酶。固定化酶催化合成低聚糖的能力优于游离酶，原因是固定化酶结构牢固，热稳定性增加，可批次反应，产物易于分离。同时，将酶固定在非水溶性的载体上，形成了一定立体障碍，与乳糖相比，低聚糖分子较大，不易与酶结合，生成的低聚糖不易被酶作用而降解。

 

乳酮糖(Lactulose )学名吡喃半乳糖-果糖，是半乳糖与果糖通过β-1,4糖苷键结合双糖。其甜度仅为蔗糖48%~60%，且带有清凉醇和感觉。

 

工艺流程

 

乳糖→碱液处理→异构化乳糖→去离子→脱色→浓缩→沉淀→产品

一般采用碱液处理乳糖异构化。乳糖在碱性溶液中，加热处理使乳糖分子葡萄糖部分异构化，生成异构化乳糖，然后将溶液用离子交换树脂去离子、脱色、浓缩，并使未反应乳糖析出沉淀，其上清液即为异构化乳糖糖浆。此外，也可用β-半乳糖苷酶进行酶法异构化制取乳酮糖；或以1; 1蔗糖与乳糖为原料，经酶转化而成乳果糖。

低聚木糖(Xylooligosaccharides，简称XO)是由2~7个木糖以β-((1-4)糖苷键结合而构成低聚糖，其中以二糖和三糖为主。

 

生产低聚木糖方法：原料是从玉米芯中提取多聚木糖，由木聚糖酶控制多聚木糖水解，采用超滤和反渗透除去大分子和小分子糖，制取高纯度低聚木糖。

关键技术在于水解过程：以里氏木霉(Trichoderma了reesei Rut C30)为菌种，采用改进的Mandels配方能合成酶活力高达25.5 IU/mL的木聚糖酶，产酶周期3d。在酶用量1%，温度50℃的条件下，酶解35g/L的纯木聚糖4~10h，可获得74.08 %~87.89 %的低聚糖，此时低聚糖与木糖之比为16.76 ~12.30。

 

① 菌种 以美国菌种保藏中心的里氏木霉(Trichoder ma reesei Rut C30)优良突变株为菌种，将其接种到马铃薯-木糖-琼脂斜面上，在30 ℃下恒温培养6~8d，孢子成熟后，4℃冰箱中保存备用。

② 液体种子培养 按改进的Mandels培养液配方配好菌丝体培养液，在121℃条件下灭菌30min。冷却后接入新鲜试管斜面孢子，在30℃，150~175 r/min的恒温振荡器上培养2d。

③ 木聚糖酶的制备 按改进的Mandels营养液配方配好产酶培养基，灭菌，冷却至室温后，接入10 %的液体菌种，在150~175 r/min，pH 4.8，28~301℃条件下培养3d。产酶过程中定期取样，离心除去残渣，所得清液即为木聚糖酶液。

④ 纯木聚糖的制备 将无抽提物、颗粒直径为3 mm左右的玉米芯原料，用亚氯酸钠法制得综纤维素。取综纤维素200 g，加入5 %氢氧化钠溶液2 L，在氮气流的保护下，室温抽提8 h。过滤，滤出的原料渣再按上述方法重复抽提2次。合并所有的滤液，用盐酸中和至pH 6.0。倾入4倍体积的乙醇溶液，离心，白色沉淀先用95%乙醇洗涤3次，再用无水乙醇洗涤2次，离心后得到的产物风干备用。

⑤ 木聚糖定向酶水解 将一定量的底物和酶液在pH4.8，温度50 ℃，转速80~120 r/min的条件下反应2~12h。酶解结束后，将酶失活，冷却，离心，上层清液供HPLC分析和总还原糖的测定。

⑥ 木低聚糖的层析分离 称取一定量的聚丙烯酰胺(Bio-GelP-4)缓缓到入缓冲溶液中，润胀、漂洗、脱气后装入55cm×7.5cm的层析柱中。吸取一定体积的样品小心铺在柱的上端，用蠕动泵输送洗脱液，用超级恒温水浴槽维持柱温，洗脱液的收集采用部分自动收集器。

 

水苏糖(Stachyose)是蔗糖葡萄糖基一侧以1,6糖苷键结合2个a-半乳糖而形成糖类，甜度为蔗糖22%，口感清爽，无异味。

 

水苏糖生产方法有天然提取法和酶法两种，酶法生产水苏糖是最近开发方法，目前尚处于实验室阶段；天然提取法是目前水苏糖工业化生产常用方法。天然提取法以宝塔菜(又名甘露、草石蚕)、毛叶地笋、中药地黄或大豆种子等为原料，经提取、精制而得。

以宝塔菜为原料（干基含糖量达17%）生产水苏糖工艺流程：

 

 

宝塔菜干品为原料，对水苏糖的提纯与精制

① 最佳提取条件是：温度40 ℃，时间1h， 固液比1:14，此时总糖得率可达65.48碱%，水糖得率达46.02 %。

② 经石灰乳澄清处理后，水苏糖提取液总糖收得率为96.6 %，透光率可达86.6 %。

③ 活性炭脱色的最佳工艺条件是：温80℃，用量2% (W/V)，时间40min，脱色处后，可获得色泽浅、澄清、透明度好的提取液。

 

棉子糖(Raffinose )又叫棉实糖、蜜三糖，广泛存在于甜菜、棉籽、蜂蜜、卷心菜、酵母、马铃薯、葡萄、麦类、玉米和豆科植物种子中。

 

比较实用棉子糖生产方法有两种：一是从甜菜糖蜜中提取；另一种是从脱毒棉籽饼粕中提取。棉籽糖在甜菜中含量约为0.1 %，在棉籽中含量为4 %~ 9 %。

① 甜菜生产棉子糖工艺流程

 

 

② 棉籽生产棉子糖工艺流程：