自20世紀80年代以來,人們逐漸了解了果寡糖的優良生理特性。1982年,首次工業化生產果寡糖。
1983年,Hidaka果寡糖采用一般食品成分生產工藝分離開發。1988年,Hiraya 研究了黑曲霉中的屁股-呋喃果糖苷酶的性質,分離凈化酶,并采用聚焦色譜法測定酶的純度和等電點。1990年,Fujita得到了β-呋喃果糖苷糖的三種同工酶。
經過美國食品工藝師協會和現代科學研究的反復,得出結論,現代酶工藝酶化蔗糖生產的低聚果糖的分子結構和保健功能與果蔬中的低聚果糖完全相同,是一種天然的雙歧因子。
1998年,中國科學院上海藥學院與北京醫科大學藥學院分離后,對氫1和碳13核磁振進行了測定。根據得到的峰值結果,其分子結構與日本文獻報道GF2、GF3、GF4相同。
低聚果糖主要有兩種生產工藝,一種是以蔗糖為原料,利用微生物發酵生產β-或果糖基轉移酶β-呋喃果糖苷酶轉化而成;
另一種是以菊粉為原料,酶水解生成。
中國、日本、韓國等國家的主流生產方法是以蔗糖為原料,分泌黑曲霉、鐮刀霉、日本曲霉等菌種的第一種方法β-呋喃果糖苷酶和盧-通過過濾、凈化、精制和濃縮,對果糖基轉移酶進行酶反應。
黑曲霉產生的果糖轉移酶通常用于高濃度(50%)-60%)蔗糖溶液通過一系列酶轉移獲得低聚果糖產品。
低聚果糖的生產工藝已從第一代液體發酵技術和第二代固定細胞催化技術發展到第三代固定酶催化生產技術。
(一)酶水解
以菊芋為原料的生產工藝:
菊芋→菊粉→水解→過濾→脫色→脫鹽→濃縮→低聚果糖
該方法生成的低聚果糖鏈較長。
以菊芋為原料,熱水浸提獲得提取液,然后酶法處理提取液,使壓濾液流暢,提高低聚果糖出率達95%以上,應用納濾高純化技術分離去除葡萄糖、果糖和蔗糖,使低聚果糖純度達94. 85%-98. 58%。
(二)黑曲霉發酵高濃度蔗糖法
當基質蔗糖濃度低于蔗糖時0.5%,傾向于水解反應,主要產生葡萄糖和果糖;當基質蔗糖濃度增加到50%時,低聚果糖的收率可超過60%。
首先,將篩選出的高酶活黑曲霉株接種5%-10在%蔗糖液培養基中,28-30℃下振搖培養2-4d,獲得果糖轉移酶活性較高的黑曲霉菌體。為提高酶活性,氮源物質(如蛋白質和蛋白質)可適當添加到培養基中NH4 NO3,0.5%-0.75%)和無機鹽(如MgSO4和KH2PO4,0.1%-0.15%),然后在一定溫度和60%的蔗糖溶液中使用這些菌體pH低聚果糖是由下催化產生的。反應結束后,發酵液的葡萄糖(36%)-38蔗糖(10%)-12果寡三糖(21%)-28果寡四糖(21%)-24果寡五糖(3%)-655%的低聚果糖-60%。雖然該方法大大提高了果寡糖產量,工藝設備簡單,但酶不能重復使用,自動化程度低,生產成本高。
(3) 固定增殖細胞法
黑曲霉等大多數真菌產生的果糖轉移酶屬于細胞酶,因此固定增殖細胞可以直接連續生產低聚果糖,并用載體包埋生產酶細胞以獲得固定顆粒。將包埋產品與蔗糖或葡萄糖溶液反應,獲得低聚果糖溶液,固定酶可重復使用,便于連續生產。固定黑曲霉菌細胞的方法較好采用海藻酸鈣包埋法,其他包括瓊脂包埋法、卡拉膠包埋法和微膠囊法。將黑曲霉孢子與預先滅菌的海藻酸鈉混合,然后滴入氯化鈣溶液固化1h然后收集固定的增殖細胞顆粒。在反應柱中填充顆粒50-60℃以下是50%蔗糖溶液以一定速度通過脫色、脫鹽、濃縮等工藝生產的液體低聚果糖。
(四) 固定化酶法
先用黑曲霉發酵β-或果糖轉移酶β-呋喃果糖苷酶,然后破碎細菌細胞,分離純化β-或果糖轉移酶盧-呋喃果糖苷酶,然后固定。海藻酸鈉一般用于包埋固定菌體。-60%蔗糖糖漿在50-60℃酶催化蔗糖以一定速度通過固定酶柱或固定化床生物反應器轉移,反應時間控制在24h,經過一系列脫色、脫鹽、濃縮等分離凈化步驟,獲得約60%的低聚果糖產品。由于固定酶具有良好的操作穩定性,可重復使用,利用率高,可實現生產工藝的連續性和自動化,降低生產成本,該方法是一種國際研究方法。
(五)共固定法
黑曲霉發酵高濃度蔗糖法、固定化增殖細胞法和固定化酶法生產果寡糖的反應式:
GF(蔗糖)→GF2(果寡三糖) GF3,(果寡四糖) GF4(果寡五糖) G(葡萄糖)
葡萄糖是影響化學驅動力的平衡產物;P-呋喃果糖苷酶的抑制物阻止了蔗糖的進一步轉化。顯然,消除葡萄糖可以提高蔗糖的轉化率。黑曲霉通常用于包埋或與其他酶(異構酶和葡萄糖氧化酶)協同作用。例如,戊二醛和丹寧將葡萄糖氧化酶或異構酶與黑曲霉交聯,然后與海藻酸鈉結合,制成包埋顆粒,然后填充反應柱,在生產低聚果糖的同時異構化或氧化副產物葡萄糖,從而消除葡萄糖的抑制作用,分別獲得63%和71%的低聚果糖。
(六)純化
低聚果糖的低聚果糖含量不高,為50%-60%,該產品也含有30%-3510%葡萄糖,10%葡萄糖-15%蔗糖。這些副產品不僅降低了低聚果糖的功能特性,還導致糖尿病患者和肥胖者無法食用,限制了低聚果糖的應用,不利于低聚果糖的普遍推廣。
在投放市場之前,生產的低聚果糖溶液需要進一步加工,包括脫色、脫鹽、分離純化、濃縮和微生物滅菌。
制備高純度低聚果糖的方法有:凝膠過濾色譜、納濾、發酵、酶和離子交換色譜。低聚果糖產品中的葡萄糖可以通過酵母消化來生產高純度低聚果糖。培養后,將轉化酶活性較弱的酵母添加到總糖濃度為20%的低聚果糖中30℃、250r/min反應24h,可制得的純度為80.24%低聚果糖。
早年,我國色譜分離技術產業化技術不成熟,95%高純度低聚果糖在我國尚未推廣。近年來,利用色譜分離技術凈化功能糖取得突破,成功開發了模擬移動床技術,協助國內低聚果糖企業實現95%高純度低聚果糖的產業化生產,縮小了與國際知名品牌的差距。
在55型低聚果糖產品的基礎上,采用分離純化技術去除大部分葡萄糖和蔗糖,精制成95%高純度低聚果糖。
在眾多分離純化技術中,色譜分離技術經濟實用,分離效率高。通過模擬移動床技術,可以實現低聚果糖的連續生產和分離純化。分離的葡萄糖和蔗糖也可以作為生產果葡糖漿的原料,降低了95%高純度低聚果糖的生產成本,更有利于低聚果糖在大眾食品中的推廣。
脫鹽對低聚果糖的質量也有重要影響。不經脫鹽處理,較終產品的電導率通常很高100-300μS/cm,口感差,糖粉溶解后顏色深,透光率低,存在食品安全隱患,不能滿足下游產品的要求。引入脫鹽產品電導10μS/m其中,口感純正,糖粉溶解后無色,透光率達99%以上,達到國際先進水平,完全滿足下游產品要求。
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