低聚異麥芽糖理化功能特性及生產(chǎn)方法研究進(jìn)展

車夏寧，林海龍，趙永武，閆廣飚，王滿意*（.中糧營養(yǎng)健康研究院，北京009；.中糧生化能源（公主嶺）有限公司，吉林公主嶺3600）

低聚異麥芽糖理化功能特性及生產(chǎn)方法研究進(jìn)展

車夏寧1，林海龍1，趙永武2，閆廣飚2，王滿意1*
（1.中糧營養(yǎng)健康研究院，北京102209；2.中糧生化能源（公主嶺）有限公司，吉林公主嶺136100）

低聚異麥芽糖是由α-1,6-糖苷鍵結(jié)合的功能性低聚糖，具有優(yōu)良的理化特性和顯著的生理功能，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、保健品及飼料行業(yè)。文中綜述了低聚異麥芽糖的理化特性和生理功能，并從酶催化、分離純化環(huán)節(jié)探討了低聚異麥芽糖的生產(chǎn)技術(shù)。

低聚異麥芽糖；功能特性；生產(chǎn)工藝；葡萄糖轉(zhuǎn)苷酶；分離純化

低聚異麥芽糖（isomaltooligosaccharide，IMO）為淀粉糖的一種，主要成分為α-1,6-糖苷鍵結(jié)合的異麥芽糖（isomaltose，IG2）、潘糖（panose，P）、異麥芽三糖（isomaltotriose，IG3）及四糖（isomaltotetraose，IG4）以上的低聚糖，是我國開發(fā)最早、需求量最大的功能性低聚糖。

低聚異麥芽糖的生產(chǎn)和應(yīng)用最先源于日本，由日本林原商事、日本食品化工、日本昭和產(chǎn)業(yè)、日本資糧工業(yè)聯(lián)合研制開發(fā)成功，1985年由日本昭和產(chǎn)業(yè)率先推廣入市場(chǎng)[1]。我國對(duì)低聚異麥芽糖的開發(fā)研究始于20世紀(jì)90年代，1997年由山東保齡寶生物股份有限公司率先實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，2010年該公司低聚異麥芽糖銷量達(dá)11萬t。目前市場(chǎng)上的低聚異麥芽糖商品有IMO-50和IMO-90兩種，分別有糖漿和糖粉兩種產(chǎn)品形態(tài)。按照GB 20881—2007《低聚異麥芽糖》規(guī)定，IMO-50中低聚異麥芽糖含量需占干物質(zhì)總量的50%以上，其中異麥芽糖、潘糖、異麥芽三糖（簡(jiǎn)稱三糖”）占干物質(zhì)總量的35%以上；IMO-90要求IMO含量達(dá)90%以上，三糖含量達(dá)45%以上[2]。低聚異麥芽糖具有優(yōu)良的理化特性和顯著的生理功能，廣泛應(yīng)用于食品、保健品、醫(yī)藥和飼料行業(yè)。

1 低聚異麥芽糖的理化功能特性

1.1 理化特性

低聚異麥芽糖漿為無色或淡黃色、透明的黏稠液體，其糖粉為無定形白色粉末，甜度為蔗糖的45%～50%，甜味純正，熱量低，是糖尿病人的理想代糖[3]。低聚異麥芽糖漿的黏度高于同濃度的蔗糖，低于麥芽糖，具有良好的保濕性和較高的滲透壓，因此用于糖果、糕點(diǎn)、冷飲中可防止淀粉老化、避免葡萄糖或蔗糖的析出，使產(chǎn)品具有濕潤、細(xì)膩、柔軟的口感[1]。低聚異麥芽糖能夠耐受較低的pH和較高的溫度，可添加于高溫滅菌的食品或酸度較高的飲料。另外，由于低聚異麥芽糖具有還原性末端，在一定條件下可發(fā)生美拉德反應(yīng)，在食品加工過程中需注意。

1.2 生理功能

低聚異麥芽糖最直接的生理功能在于促進(jìn)益生菌的生長。諸多體外實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和人體實(shí)驗(yàn)考察了低聚異麥芽糖對(duì)益生菌的增殖效果，并探討益生菌增殖后對(duì)動(dòng)物生理系統(tǒng)的間接效應(yīng)，對(duì)其作用機(jī)制也進(jìn)行了初步分析。益生菌增殖后引起的間接效應(yīng)有以下幾點(diǎn)：

1）調(diào)節(jié)腸道菌群，抑制致病菌生長，改善便秘。KOHMOTO T等[4-5]進(jìn)行的人體實(shí)驗(yàn)表明，定期攝入一定量的低聚異麥芽糖能夠提高腸道中雙歧桿菌和乳酸菌的數(shù)量和比例，同時(shí)降低某些致病菌如梭狀芽孢桿菌的數(shù)量和比例。益生菌大量繁殖使其所產(chǎn)的短鏈有機(jī)酸數(shù)量上升，降低腸道pH，促進(jìn)腸蠕動(dòng)，改善便秘。KIHARAM等[6]的鯉魚糞便體外發(fā)酵實(shí)驗(yàn)和KETABIA等[7]的小鼠實(shí)驗(yàn)都表明，低聚異麥芽糖能夠促進(jìn)益生菌的增殖，促進(jìn)其合成分泌短鏈脂肪酸。益生菌對(duì)于有害菌或致病菌的抑制作用主要通過以下三個(gè)途徑來實(shí)現(xiàn)[8]：一是益生菌如雙歧桿菌能夠分泌凝集素，可競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合腸黏膜上皮細(xì)胞產(chǎn)生的糖蛋白，形成一道生物屏障，阻止致病菌的定植；二是益生菌大量產(chǎn)酸，降低腸道pH，不利于有害菌的生長；三是分泌非酸類的其他抑制物。

2）合成人體必需維生素，并促進(jìn)礦物質(zhì)吸收。雙歧桿菌能夠產(chǎn)生B族維生素和煙酸、葉酸等人體必需的維生素，腸道中短鏈脂肪酸的大量積累也能促進(jìn)鈣、鐵、鎂等礦質(zhì)元素的吸收[9]。

3）調(diào)節(jié)人體脂類物質(zhì)代謝。YEN C H等[5]進(jìn)行的人體實(shí)驗(yàn)表明，低聚異麥芽糖可以顯著降低血液透析病人或便秘老人血液中總膽固醇和甘油三酯含量，降低低密度脂蛋白水平，對(duì)改善心腦血管疾病有重要意義，但關(guān)于其具體的作用機(jī)理還不是很清楚。

4）提高機(jī)體免疫力，預(yù)防直腸癌。炎癥性腸病、結(jié)直腸癌等疾病與腸道菌群失調(diào)有關(guān)，研究表明腸道內(nèi)益生菌的增殖可調(diào)節(jié)腸道黏膜免疫、消除炎癥、預(yù)防癌癥的發(fā)生[11]。其作用機(jī)理表現(xiàn)在抑制致病菌定植和繁殖、修復(fù)腸上皮屏障功能、抑制腫瘤細(xì)胞增殖、抑制致癌化學(xué)物活性以及抗氧化。

另外，由于低聚異麥芽糖不能被齲齒鏈球菌利用[1]，代替蔗糖應(yīng)用于食品中還可預(yù)防齲齒。

2 低聚異麥芽糖的生產(chǎn)方法

關(guān)于低聚異麥芽糖的制備和生產(chǎn)方法，國內(nèi)外有諸多報(bào)道，研究重點(diǎn)為酶催化環(huán)節(jié)和分離純化環(huán)節(jié)?？傮w來說，低聚異麥芽糖的制備途徑有三種：

第一種以淀粉為原料，經(jīng)液化、糖化、轉(zhuǎn)苷、分離純化得到，該方法也是大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)所采用的方法。

第二種直接以單糖或蔗糖為原料，經(jīng)特異的轉(zhuǎn)苷酶轉(zhuǎn)化聚合得到，這種方法特異性高，可合成只含α-1,6-糖苷鍵的低聚糖，但原料和酶成本都較高，不適于工業(yè)化生產(chǎn)[12]。

第三種是用黑曲霉或重組后的酵母來代替葡萄糖轉(zhuǎn)苷酶進(jìn)行發(fā)酵，以玉米漿或麥芽糖漿為培養(yǎng)基主要成分，生成低聚異麥芽糖[13]。

干昭波等[14]發(fā)明的一項(xiàng)專利以淀粉為原料，順次經(jīng)調(diào)漿→液化→糖化→脫色→離交→轉(zhuǎn)苷→脫色→離交→濃縮→噴霧干燥，制成低聚異麥芽糖漿或糖粉。淀粉經(jīng)液化糖化后轉(zhuǎn)變?yōu)楹倭康途厶堑柠溠刻菨{，再用特定的轉(zhuǎn)苷酶合成含有α-1,6-糖苷鍵的低聚異麥芽糖。該專利還重點(diǎn)保護(hù)了轉(zhuǎn)苷前的脫色、離交工藝，因?yàn)檫@兩步工藝能夠除去糖化液中的蛋白等雜質(zhì)、降低離子強(qiáng)度，避免其影響轉(zhuǎn)苷酶的作用效果。轉(zhuǎn)苷后的脫色和離交工藝同樣也是為了去除糖漿中蛋白、雜質(zhì)和離子，保證終產(chǎn)品的感官品質(zhì)和理化指標(biāo)。上述工藝是制備IMO-50的常用工藝，要制備IMO-90或更高純度的低聚異麥芽糖，還需通過色譜分離、膜過濾或酵母發(fā)酵等方式除去IMO-50中所含的非低聚異麥芽糖成分，主要是葡萄糖、麥芽糖。酶催化和分離純化是制備高純度低聚異麥芽糖的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是多年來研究的熱點(diǎn)。

2.1 酶催化環(huán)節(jié)

酶催化環(huán)節(jié)是低聚異麥芽糖生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，α-葡萄糖轉(zhuǎn)苷酶是生產(chǎn)過程中最關(guān)鍵的一種酶。近些年來，國內(nèi)外對(duì)該環(huán)節(jié)的研究主要集中在以下幾方面：一是提高α-葡萄糖轉(zhuǎn)苷酶的轉(zhuǎn)化效率或篩選高產(chǎn)α-葡萄糖轉(zhuǎn)苷酶的菌株；二是進(jìn)行酶固定化和細(xì)胞固定化研究，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。

微生物中細(xì)菌、酵母、霉菌均能產(chǎn)生α-葡萄糖轉(zhuǎn)苷酶，其中以黑曲霉產(chǎn)酶活力最高，因此，國內(nèi)外有諸多研究采用誘變手段和基因工程的手段來提高黑曲霉葡萄糖轉(zhuǎn)苷酶的表達(dá)和分泌。陳桂光等[15]以黑曲霉GXM-3為出發(fā)菌株進(jìn)行60Co-γ射線與紫外線照射進(jìn)行誘變育種，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，葡萄糖轉(zhuǎn)苷效果最強(qiáng)的突變株比出發(fā)菌株的低聚異麥芽糖轉(zhuǎn)化率提高了37%，發(fā)酵周期縮短了40 h。林永賢等[16]用離子注入技術(shù)對(duì)黑曲霉出發(fā)菌株進(jìn)行誘變處理，選育出一株高產(chǎn)突變株AL7，通過對(duì)產(chǎn)酶條件進(jìn)行優(yōu)化，其產(chǎn)酶量較出發(fā)菌株提高了4.18倍。另外，由于野生型黑曲霉多是胞內(nèi)表達(dá)α-葡萄糖轉(zhuǎn)苷酶，童星等[17]以畢赤酵母Pichia pastorisKM71為宿主菌表達(dá)黑曲霉Aspergillus niger SG136的α-葡萄糖苷酶基因，所選表達(dá)載體pPIC9K含有分泌型信號(hào)肽，能夠促進(jìn)葡萄糖苷酶的胞外表達(dá)。

為了實(shí)現(xiàn)葡萄糖轉(zhuǎn)苷的連續(xù)化進(jìn)行，吳定等[18]用中空型殼聚糖分別固定了α-淀粉酶、β-淀粉酶、切枝普魯蘭酶和α-葡萄糖轉(zhuǎn)苷酶，分步進(jìn)行液化、糖化、轉(zhuǎn)苷，可得到純度38.9%的IMO。周桂榮等[19]分別用海藻酸鹽、殼聚糖和卡拉膠固定α-葡萄糖轉(zhuǎn)苷酶，葡萄糖漿或麥芽糖漿連續(xù)通過轉(zhuǎn)苷反應(yīng)器后，轉(zhuǎn)化率均能達(dá)到IMO-50的標(biāo)準(zhǔn)。固定化酶技術(shù)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)苷過程的連續(xù)化生產(chǎn)，但也存在一些問題：如酶活力下降，最適pH和最適反應(yīng)溫度偏移等。劉宗利等[13]發(fā)明的一項(xiàng)專利采用海藻酸鈉-氯化鈣-殼聚糖法固定黑曲霉細(xì)胞，以麥芽糖漿為原料進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)苷，轉(zhuǎn)苷后發(fā)酵液中三糖含量達(dá)60%以上，優(yōu)于固定化酶的效果。

2.2 分離純化環(huán)節(jié)

圍繞分離除去IMO-50型低聚異麥芽糖中的葡萄糖、麥芽糖和其他非IMO的低聚糖，提高IMO純度，常用的方法有三種：酵母發(fā)酵消耗、色譜分離純化、膜過濾濃縮。

酵母對(duì)不同碳源的利用能力和消耗速度不同，低聚異麥芽糖一般不能被酵母所利用，而葡萄糖和麥芽糖卻是酵母的良好碳源，利用酵母的這一特性，畢金峰等[20]篩選出了一株能夠快速消耗葡萄糖和麥芽糖而不消耗低聚異麥芽糖的酵母，該酵母在接種量5%～10%，pH值為5，溫度31℃，培養(yǎng)基中IMO-50含量為10%的條件下進(jìn)行發(fā)酵，能夠使IMO純度達(dá)99%以上，葡萄糖、麥芽糖含量幾近為零。同樣岳振峰等[21]用馴化后的釀酒酵母As 2.109在pH值為4，溫度30～32℃，低聚異麥芽糖漿濃度250g/L的培養(yǎng)基上進(jìn)行發(fā)酵40 h，可使低聚異麥芽糖純度由54.84%提升至90.83%。干昭波等[22]發(fā)明了一項(xiàng)專利“一種含有高蛋白的低聚異麥芽糖的制備方法”，往糖化轉(zhuǎn)苷后的糖漿中直接加入酵母發(fā)酵，也可得到IMO-90型的產(chǎn)品。上述幾種方法均采用游離酵母發(fā)酵，適用于小規(guī)模生產(chǎn)，對(duì)于大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)具有一定的局限性。固定化酵母發(fā)酵具有細(xì)胞密度高、反應(yīng)速度快、產(chǎn)物易分離、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化大規(guī)模生產(chǎn)等特點(diǎn)。畢金峰等[23]通過研究確定了海藻酸鈣固定酵母細(xì)胞的最佳工藝，分離純化得到的產(chǎn)品IMO含量接近100%。梁磊等[24]發(fā)明了一項(xiàng)專利，利用蜂窩結(jié)構(gòu)的聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）載體來固定酵母，使用壽命長，對(duì)低聚異麥芽糖的純化效果好?？偟膩碚f，利用酵母發(fā)酵純化低聚異麥芽糖工藝簡(jiǎn)單、成本較低、易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，但也存在一些問題，如酵母發(fā)酵過程中會(huì)產(chǎn)生大量的乙醇和有異味的物質(zhì)，如果后續(xù)精制處理不當(dāng)，會(huì)影響產(chǎn)品感官。保齡寶公司采用酵母發(fā)酵純化低聚異麥芽糖的同時(shí)蒸發(fā)回收了酵母產(chǎn)生的乙醇，回收率達(dá)90%，節(jié)能減排，降低了成本[25]。

色譜分離技術(shù)是一種相對(duì)成熟、適用于工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)，它利用待分離物質(zhì)在分離介質(zhì)中遷移速度的不同來實(shí)現(xiàn)不同組分的分離，目前廣泛應(yīng)用在食品、醫(yī)藥、水處理等領(lǐng)域[26]：如制備色譜已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域中手性藥物的分離，大型連續(xù)化離交設(shè)備用于水處理，大型的模擬移動(dòng)床制備色譜用于果糖和葡萄糖的分離。同樣，該技術(shù)也可用于功能糖的分離。劉宗利等[27]的研究表明，采用六柱連續(xù)式模擬移動(dòng)床分離低純度的低聚異麥芽糖漿，可得到三糖（異麥芽糖、潘糖、異麥芽三糖）含量在45%的高純度低聚異麥芽糖和含量75%以上的葡萄糖兩種產(chǎn)品，料水比為1∶1.5至1∶2；采用順序式模擬移動(dòng)床，以強(qiáng)酸型陽離子樹脂為分離介質(zhì)（如鈉型、鉀型），可分離得到3種組分：高純度低聚異麥芽糖、葡萄糖和聚合度＞4的低聚糖，其中，高純度低聚異麥芽糖中三糖（異麥芽糖、潘糖、異麥芽三糖）含量＞80%[28-29]。和酵母發(fā)酵法相比，該方法技術(shù)成熟、可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)化標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，且分離產(chǎn)物純度較高，沒有異味。

膜技術(shù)是用天然或人工合成的有機(jī)膜或無機(jī)膜，以外界能量或化學(xué)位差為推動(dòng)力，對(duì)多組分溶液進(jìn)行分離、分級(jí)、提純或富集的方法。包括反滲透、超濾、微濾、納濾、電滲析、膜電解、擴(kuò)散滲析、透析等，在功能糖的分離純化過程中應(yīng)用廣泛，如麥芽糖醇、赤蘚糖醇、低聚異麥芽糖的分離純化[30]。黃秀娟[31]研究了納濾法去除低聚異麥芽糖中單糖的可行性以及納濾條件對(duì)滲透通量和產(chǎn)品糖組分的影響，結(jié)果表明采用截留分子質(zhì)量150～300 u之間的納濾膜，在0.7 MPa的操作壓力下，純化10倍時(shí)，葡萄糖的去除率達(dá)98.73%。納濾技術(shù)是一種綠色環(huán)保，可連續(xù)化生產(chǎn)的技術(shù)，但也存在一些問題，如：操作壓力較高，用水量大，如果原料體系污濁或膜選擇不當(dāng)，極易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。

除以上三種常用分離方法外，還有研究采用了葡萄糖氧化酶和過氧化氫酶聯(lián)產(chǎn)葡萄糖酸鈣的分離技術(shù)。王勇等[32]發(fā)明的專利，以黑曲霉發(fā)酵的葡萄糖母液為原料，依次加入碳酸鈣、過氧化氫酶和葡萄糖氧化酶把葡萄糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖酸鈣，再經(jīng)結(jié)晶分離分別得到葡萄糖酸鈣和高純度低聚異麥芽糖。姜艷軍等[33]發(fā)明的專利，以碳酸鈣為模板，在層層自組裝技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合仿生硅化及仿生粘合實(shí)現(xiàn)了過氧化氫酶和葡萄糖氧化酶的分隔固定化，酶活性有所降低，但這種方式易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)。

3 展望

低聚異麥芽糖是世界上、也是我國需求量最大的一種功能性低聚糖，多年來，對(duì)其功能特性和生產(chǎn)方法的研究已開展得比較深入。但也存在一些問題，如低聚異麥芽糖調(diào)節(jié)人體脂類物質(zhì)代謝的機(jī)制還不清楚，工業(yè)化生產(chǎn)中α-葡萄糖轉(zhuǎn)苷酶的轉(zhuǎn)化率只能達(dá)到40%～50%，且在生產(chǎn)中利用固定化酶或固定化細(xì)胞實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)的企業(yè)并不多，分離純化技術(shù)還有待優(yōu)化等。因此，圍繞提高酶的轉(zhuǎn)化率、優(yōu)化分離純化技術(shù)、如何實(shí)現(xiàn)連續(xù)化規(guī)?；a(chǎn)、降低生產(chǎn)成本，還將有更多的研究和突破。

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Research progress on physicochemical properties and physiological functions and production of isomaltooligosaccharide

CHE Xianing1,LIN Hailong1,ZHAO Yongwu2,YAN Guangbiao2,WANG Manyi1*
(1.COFCO Nutrition and Health Research Institute,Beijing 102209,China; 2.COFCO Bio-energy and Bio-chemical(Gongzhuling)Co.,Ltd.,Jilin 136100,China)

s:Isomaltooligosaccharide(IMO)is composed of glucose monomers linked byα-1,6 glucosidic linkages with excellent physicochemical properties and physiological functions.It was wildly used in food,medicine,feed and health care products.The physicochemical properties and functions of IMO were reviewed,and the IMO production technologies about enzymes catalytical reactions,separation and purification were discussed as well.

Isomaltooligosaccharide;properties and functions;production technology;transglucosidase;separation and purification

TS245

A

0254-5071（2014）07-0020-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2014.07.004

2014-06-03

吉林省第九批高新技術(shù)特色產(chǎn)業(yè)基地（園區(qū)）項(xiàng)目資金（20130302017NY）

車夏寧（1986-），女，碩士，研究方向?yàn)榧Z油加工、生物分離技術(shù)。

*通訊作者：王滿意（1981-），男，高級(jí)工程師，博士，研究方向?yàn)樯锘ぁ?/p>