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高純度低聚半乳糖生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

來源:泰然健康網(wǎng) 時(shí)間:2024年12月24日 19:19

1、高純度低聚半乳糖生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展低聚半乳糖(簡稱GOS)是天然存在于動(dòng)物乳清和乳汁中的一種功能性低聚糖,是唯一能夠被人體腸內(nèi)雙歧桿菌、乳桿菌等8大有益菌所利用的低聚糖。低聚半乳糖作為一種功能性低聚糖,具有很高的應(yīng)用價(jià)值。首先,低聚半乳糖是一種低分子量膳食纖維,黏度低,水溶性好,不與礦物質(zhì)結(jié)合,具有清爽的口感;再次,低聚半乳糖的甜度低,僅為蔗糖的20%40%,熱值低;最后,低聚半乳糖具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性,在高溫(180)及強(qiáng)酸(pH3.0)的條件下也不會(huì)分解,易于保存,同時(shí)沒有不良質(zhì)地和風(fēng)味1,2等優(yōu)秀性質(zhì)。低聚半乳糖除了具有以上理化特性之外,還具有很好的功能特性,對(duì)人體營養(yǎng)、免疫和疾病的防治與治療發(fā)揮著積極作用。首先,低聚半乳糖作為雙歧桿菌的增值因子具有促進(jìn)有益菌生長,抑制有害菌生長改善腸道微環(huán)境的作用,同時(shí),促進(jìn)人體大量合成B族維生素、煙酸和葉酸,促進(jìn)腸道對(duì)礦物的吸收3,4;其次,低聚半乳糖不會(huì)被口腔中的突變鏈球菌所利用,可降低突變鏈球菌產(chǎn)酸對(duì)牙齒的損害,降低了齲齒的發(fā)生率,起到了抗齲齒的作用;再次,大腸內(nèi)的細(xì)菌在對(duì)低聚半乳糖進(jìn)行發(fā)酵的過程中,可以加速血液中血清的脂質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)閾]發(fā)性的脂

2、肪酸,可以降低總血清的膽固醇濃度5,起到改善脂質(zhì)代謝的作用;最后,低聚半乳糖可促進(jìn)鈣離子的吸收并可起到抑制骨質(zhì)疏松的效果6。低聚半乳糖因其具有較好的理化特性及功能特性,近年來廣泛應(yīng)用于食品、保健和醫(yī)藥領(lǐng)域,特別是在嬰幼兒配方奶粉中全部添加使用,是維護(hù)嬰幼兒腸道健康,提高免疫力的重要成分。2008年,低聚半乳糖被衛(wèi)生部批準(zhǔn)為新資源食品(2008年第20號(hào)公告),同時(shí)被列入食品營養(yǎng)強(qiáng)化劑使用標(biāo)準(zhǔn)(GB14880-2012)中。我國自九十年代末利用自主生產(chǎn)的-半乳糖苷酶生產(chǎn)低聚半乳糖,現(xiàn)在已經(jīng)有保齡寶公司、江門量子高科、云浮市新金山等公司實(shí)現(xiàn)了低聚半乳糖的商業(yè)化生產(chǎn),但主要產(chǎn)品以GOS-27液/粉、GOS-57液為主,產(chǎn)品純度、劑型以及質(zhì)量穩(wěn)定性與國外公司存在較大差距,不能滿足國內(nèi)日益增長的營養(yǎng)健康產(chǎn)品對(duì)高質(zhì)量低聚半乳糖的需求,市場(chǎng)缺口超過2萬噸。另外,低聚半乳糖生產(chǎn)成本遠(yuǎn)高于歐美國家,國際競爭力處于不利境地。因此,在乳制品和營養(yǎng)健康產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,特別是嬰幼兒食品安全問題日益突出的背景下,研究開發(fā)高純度GOS產(chǎn)品的高效制備技術(shù),滿足市場(chǎng)需求,具有極為重要的意義。鑒于此,本文對(duì)高純度低聚半乳糖

3、的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了綜述,為獲得高純度低聚半乳糖提供新的思路和理論支撐。1、低聚半乳糖的制備1.1低聚半乳糖制備方法目前,低聚半乳糖的制備大致分為5種:1)天然提?。簭暮械途郯肴樘堑哪溉榧八卟酥刑崛。ㄏ憬?、洋蔥、菊芋、大豆等);2)通過酸水解天然多糖得到低聚半乳糖;3)化學(xué)合成;4)微生物發(fā)酵法;5)微生物酶法合成。但是,天然存在的低聚半乳糖含量少,而且,低聚半乳糖無色、不帶電荷,后期分離提取難度大,成本高。天然多糖酸解,產(chǎn)率低、產(chǎn)物組分種類復(fù)雜,后期純化困難?;瘜W(xué)合成法使用大量有機(jī)試劑,具有毒性且易殘留,工藝繁瑣,對(duì)環(huán)境也會(huì)造成污染,因此,限制了該方法使用。微生物發(fā)酵法,直接用微生物發(fā)酵制備GOS或全細(xì)胞微生物生產(chǎn)GOS,由于其發(fā)酵液成分復(fù)雜,分離較困難7。微生物酶法合成原料充足、方便易得、無毒性同時(shí)生產(chǎn)成本低,因此,現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)的方法主要是微生物酶法生產(chǎn)低聚半乳糖8。1.2酶法合成低聚半乳糖現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)采用酶法合成低聚半乳糖時(shí),主要以高濃度的乳糖或乳清為原料,由微生物發(fā)酵產(chǎn)-半乳糖苷酶催化合成。-半乳糖苷酶(EC3.2.1.23)屬于糖苷水解酶,存在于多種微生物中9,除了水解活性

4、,某些來源的-半乳糖苷酶也具有轉(zhuǎn)糖基活性,它根據(jù)水或其他碳水化合物的相對(duì)濃度將底物的半乳糖基轉(zhuǎn)移到不同的羥基受體上。而來源不同的酶具有不同的特性,如溫度和pH,酶反應(yīng)合成低聚半乳糖的聚合度、形成糖苷鍵的類型及產(chǎn)率也有所不同。如表1-1所示為不同微生物來源的酶和底物乳糖反應(yīng)生成低聚半乳糖的起始乳糖濃度及轉(zhuǎn)化率10,11,12,13,14,15,16,17,18。表1不同來源酶及反應(yīng)條件對(duì)低聚半乳糖產(chǎn)率的影響酶法合成低聚半乳糖采用途徑有三種;一是游離酶促反應(yīng),是在水溶液進(jìn)行的以游離酶催化合成低聚半乳糖,盡管在水溶液中反應(yīng)具有方法簡單、無污染的優(yōu)點(diǎn),但由于反應(yīng)體系為水溶液,含水量高,半乳糖轉(zhuǎn)苷能力較水解能力弱,因此產(chǎn)物葡萄糖、半乳糖含量較高,低聚半乳糖得率低,酶用量大,成本高,因酶源性質(zhì)不同其成品質(zhì)量差異較大19;二是非水相酶反應(yīng),低聚半乳糖是由轉(zhuǎn)苷反應(yīng)即水解反應(yīng)的逆反應(yīng)制得,當(dāng)水分過多會(huì)不利于轉(zhuǎn)苷反應(yīng)的發(fā)生,使低聚半乳糖收率降低,而非水相體系通過降低水分含量,提高轉(zhuǎn)苷反應(yīng)的發(fā)生,提高了低聚半乳糖收率20。三是固定化酶連續(xù)反應(yīng)21,22,23,隨著固定化技術(shù)的發(fā)展,對(duì)固定化酶的研究越來越多。

5、固定化的酶可以重復(fù)使用,得到的產(chǎn)物不含酶物質(zhì),對(duì)酸堿的耐受性增強(qiáng),熱穩(wěn)定性高,同時(shí)縮短反應(yīng)周期24。2、低聚半乳糖的分離純化目前工業(yè)化生產(chǎn)低聚半乳糖的最嚴(yán)重的問題是純度不夠高,成分復(fù)雜,為了進(jìn)一步的提高低聚半乳糖的純度,需要對(duì)反應(yīng)所得的產(chǎn)物進(jìn)行進(jìn)一步的分離純化,獲得高純度的低聚半乳糖。2.1低聚半乳糖純化方法微生物酶法獲得的低聚半乳糖產(chǎn)品為葡萄糖、半乳糖、乳糖及低聚半乳糖的混合物,對(duì)低聚半乳糖進(jìn)行純化,去除其他雜糖組分能有效地?cái)U(kuò)大低聚半乳糖的應(yīng)用范圍。目前,針對(duì)低聚半乳糖的分離純化技術(shù)主要有色譜柱分離法、酶法分離、膜法分離、微生物法和模擬移動(dòng)床色譜分離技術(shù)。下面我們對(duì)以上幾種方法的原理及利弊進(jìn)行了比較。2.1.1色譜分離法色譜分離技術(shù)的工作原理是根據(jù)待測(cè)液中各組分于色譜柱的填料間結(jié)合力強(qiáng)弱的差異,即各組分在固定相(填料)與流動(dòng)相間分配系數(shù)不同的性質(zhì),從而使混合物中難吸附與易吸附組分分離開來。色譜柱法的優(yōu)點(diǎn)在于,通過數(shù)百次的連續(xù)循環(huán)操作,重復(fù)使用吸附劑,可以充分利用材料、能量和時(shí)間。但由于此法初期設(shè)備投資高,分離效率低,操作復(fù)雜,導(dǎo)致分離后的成本大幅增加而限制了該方法的應(yīng)用25。2.1.

6、2微生物發(fā)酵法微生物發(fā)酵法純化低聚半乳糖,是利用某些酵母細(xì)胞優(yōu)先代謝葡萄糖、半乳糖或乳糖的特異性,將該類雜糖組分通過發(fā)酵的方式而去除的辦法。相比以上幾種分離純化方法,使用微生物發(fā)酵法純化低聚半乳糖產(chǎn)物,操作工藝簡單、設(shè)備投入成本較低且分離效果好,擁有廣闊的工業(yè)前景及重要的研究價(jià)值。2.1.3酶法酶法純化低聚半乳糖是利用酶制劑,將低聚半乳糖產(chǎn)品中的單糖或乳糖專一性地去除,以達(dá)到純化低聚半乳糖產(chǎn)品的目的。例如,葡萄糖氧化酶和纖維二糖脫氫酶能分別將葡萄糖和乳糖氧化為葡萄糖酸、乳糖酸,再通過離子交換樹脂去除。酶法純化低聚半乳糖產(chǎn)物的專一性高,分離效果較好,但是由于酶制劑的價(jià)格昂貴,操作成本過高,亦不適用于工業(yè)生產(chǎn)。2.1.4膜法分離膜分離技術(shù)原理是依據(jù)濾膜孔徑的大小的不同,物質(zhì)可以通過膜孔或因?yàn)檫^大而被膜截留,即通過篩分而使得不同大小的物質(zhì)分離開。利用納濾膜分離法純化低聚半乳糖產(chǎn)品,選擇不同孔徑的納濾膜,即可將單糖、乳糖、低聚半乳糖依次分開,方便有效。但使用該方法的設(shè)備昂貴,純化成本高,且容易出現(xiàn)膜污染,需要經(jīng)常殺菌和清洗26。2.1.5模擬移動(dòng)床色譜分離技術(shù)模擬移動(dòng)(SMB)床是利用色譜分離

7、原理,通過連接裝分離劑的柱子,使液體流動(dòng)的循環(huán)系統(tǒng),是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種目前最適用于連續(xù)性大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的現(xiàn)代分離技術(shù)。它具有分離能力強(qiáng),設(shè)備體積小,投資成本低,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。2.2高純度低聚半乳糖的研究進(jìn)展目前國內(nèi)外市場(chǎng)上的低聚半乳糖產(chǎn)品,反應(yīng)得到的低聚糖(低聚三糖、四糖和五糖)的收率為24%57%,溶液中還存在相當(dāng)量的乳糖、少量葡萄糖和極少量的半乳糖,小分子糖的存在大大降低了低聚半乳糖的生理功效和適用性,近年來對(duì)高純度GOS產(chǎn)品的高效制備技術(shù)研究一直是研究熱點(diǎn)及難點(diǎn)。馮詠梅等27通過對(duì)葡聚糖凝膠過濾層析分離低聚半乳糖的研究發(fā)現(xiàn),用葡聚糖凝膠柱SephadexG25分離純化低聚半乳糖,一次上柱可以使低聚半乳糖純度達(dá)到85.03%,經(jīng)過二次上柱后,低聚半乳糖純度可達(dá)到89.39%。GOULASAK等28將低聚半乳糖混合物先后通過NF-CA-50和DS-5-DL膜,GOS純度可達(dá)98%。馮詠梅等27用截留相對(duì)分子質(zhì)量1000u的GE超濾膜對(duì)低聚半乳糖溶液進(jìn)行分離純化,其低聚半乳糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較未經(jīng)過處理的低聚半乳糖提高了1.59倍。南通立成生物工程有限公司利用芽孢桿菌制得的-

8、半乳糖苷酶糖化低聚半乳糖,反應(yīng)24h36h加入釀酒酵母,釀酒酵母快速發(fā)酵可降低葡萄糖含量,提高了低聚半乳糖的比例及轉(zhuǎn)化率。李良玉等29采用低聚半乳糖粗品為原料,用自制的模擬移動(dòng)色譜(SMB)和順序式模擬移動(dòng)色譜(SSMB)設(shè)備分別純化原料。可使低聚半乳糖的純度達(dá)到95.1%。另外,隨著膜技術(shù)在固定化中的應(yīng)用,用各種膜將酶分子與小分子質(zhì)量的反應(yīng)產(chǎn)物分開,制成了各種固定化酶生物反應(yīng)器。與常規(guī)固定化方法相比,其初始反應(yīng)速率提高13個(gè)數(shù)量級(jí),擴(kuò)散阻礙低,傳質(zhì)效率高,短暫的反應(yīng)時(shí)間即能達(dá)到相當(dāng)?shù)娜樘寝D(zhuǎn)化率。量子高科公司使用新型有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料聚氯乙烯-二氧化硅膜,固定-半乳糖苷酶后形成的膜酶,卷成柱狀裝在圓柱型的容器中,在攪拌狀態(tài)下進(jìn)行反應(yīng),一次轉(zhuǎn)化糖漿中低聚半乳糖含量大于60%,高于普通酶法一次轉(zhuǎn)化糖漿制得低聚半乳糖的含量24%57%。3、結(jié)語與展望由于低聚半乳糖具有特殊的理化性質(zhì)及生理功能,已被廣泛應(yīng)用于各類食品、保健食品中,高純度的低聚半乳糖還可用于醫(yī)藥,然而低聚半乳糖的純度限制著其的應(yīng)用范圍。目前,大規(guī)模的生產(chǎn)低聚半乳糖是以乳糖為原料,利用微生物發(fā)酵產(chǎn)的-半乳糖苷酶生產(chǎn),但受-半乳糖苷

9、酶的活性的制約,低聚半乳糖純度低,可通過酶的固定化或基因工程,研究酶學(xué)性質(zhì),提高酶穩(wěn)定性,增加酶利用率,使其轉(zhuǎn)化生成更多的低聚半乳糖,所得的產(chǎn)品再經(jīng)過分離純化可獲得高純度的低聚半乳糖。分離純化的方法眾多,卻又各有利弊,總之,生產(chǎn)高純度低聚半乳糖應(yīng)將生物法與物理化學(xué)法相結(jié)合,設(shè)計(jì)一套從源頭的低聚半乳糖高產(chǎn)量與高效分離純化方法相結(jié)合的方法,獲取高純度的低聚半乳糖,大力提高我國低聚半乳糖產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率,生產(chǎn)出更高質(zhì)量、更低成本的低聚半乳糖。雖然已有很多研究得到較好的生產(chǎn)工藝,但是采用現(xiàn)代生物技術(shù)提高生產(chǎn)工藝水平仍是我們進(jìn)一步研究開發(fā)的關(guān)鍵問題。參考文獻(xiàn):2徐晨,陳歷俊,石維忱.低聚半乳糖的研究進(jìn)展及應(yīng)用J.中國食品添加劑,2011(1):205-209.4葛文光.大豆低聚糖的生理功能及保健作用J.冷飲與速凍食品工業(yè),1997,3(4):27-30.5鄭建仙,耿立萍.功能性低聚糖析論J.食品與發(fā)酵工業(yè),1997,23(1):39-46.7賈建萍,裘娟萍.低聚半乳糖的研究進(jìn)展J.中國乳品工業(yè),2003,31(1):23-26.24高煥春.乳糖酶的特性及其在乳品工業(yè)中的應(yīng)用J.中國乳品工業(yè),1996,24(3):19-21.26壽洪志,謝廣發(fā),凌志勇,等.膜分離技術(shù)在釀酒業(yè)中的應(yīng)用探討J.中國釀造,2007,26(3):58-6027馮詠梅,常秀蓮,王文華,等.葡聚糖凝膠過濾層析分離低聚半乳糖J.北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,36(1):73-76.29李良玉,賈鵬禹,李朝陽,等.模擬移動(dòng)色譜高效純化低聚半乳糖技術(shù)J.中國食品學(xué)報(bào),2016,16(3):138-145.李泉薈,劉峰,欒慶民,賈慧慧,張莉,李克文,李發(fā)財(cái),張倩,馮濤.高純度低聚半乳糖生產(chǎn)技術(shù)研究J.中國食品添加劑,2020,31(04):164-168.

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