摘要：異麥芽酮糖是一種具有多種功能的新型甜味劑，是健康糖。本文簡述了異麥芽酮糖的理化特性，介紹了異麥芽酮糖生產(chǎn)相關(guān)工藝技術(shù)，包括固定化微生物生產(chǎn)法和蔗糖異構(gòu)酶催化法，并展望了異麥芽酮糖的市場前景，為異麥芽酮糖的生產(chǎn)及其在食品工業(yè)的應(yīng)用提供參考。

ZHANG Wei-wei1,2,3 , LIANG Lei1,2,3 , ZHOU Zheng-xiong1,2,3, AN Yu-xing1,2,3, GU De-sheng4    

Abstract: Isomaltulose is a new health sweetener with many properties. The research progress in the production of isomaltulose was reviewed, including microbe strain immobilization technology and biocatalysis with sucrose isomerase. Commercial application of isomaltulose was prospected. It is in favour of developing isomaltulose production and its application in food industry.

0 前言

異麥芽酮糖(Isomaltulose)亦稱帕拉金糖、益壽 糖、巴糖、異構(gòu)蔗糖，2001 年被美國食品與藥物管 理局 (FDA)確定為普遍公認安全食品 (GRAS)，并對 其攝入量不作限定。研究表明，異麥芽酮糖具有非 致齲齒性，被人體食用后，由于只在小腸中被緩慢 消化吸收，血糖上升指數(shù)較低，因而有益于糖尿病 的防治并可防止脂肪的過多積累，還有改善腸內(nèi)菌 群平衡的作用。作為一種健康食品甜味劑，異麥芽 酮糖可以作為蔗糖的理想替代品應(yīng)用于糖尿病專用 食品、減肥食品、口香糖、谷物食品、飲料、肉制 品、糖果等食品工業(yè)[1]。 1 異麥芽酮糖的理化性質(zhì)

異麥芽酮糖是一種結(jié)晶狀的還原性雙糖，由葡 萄糖與果糖以 α-1,6 糖苷鍵結(jié)合而成。分子式為 C12H22O11·H2O，失水后不呈結(jié)晶狀。含水異麥芽酮糖晶體的相對分子質(zhì)量為 360.32，比旋光度[α] D20 為 97.2° [2]。作為蔗糖異構(gòu)體，其口感和物理性質(zhì) 與蔗糖非常相似，而甜度只有蔗糖的一半；兩者水 溶液的粘度也很接近，而異麥芽酮糖的熔點較蔗糖 低，并且在酸性條件下更穩(wěn)定。近年來異麥芽酮糖 之所以在全球被廣泛應(yīng)用，除具有低吸濕性、高穩(wěn) 定性、高耐受性、低熱量、甜味純正等特點外，主 要是因為不會像其他低 GI 糖一樣導(dǎo)致腸鳴和腹瀉， 資料顯示，人體一次食用 85 g 也不會導(dǎo)致腹瀉 [2]。 表 1 為異麥芽酮糖與其它糖的比較。

2 異麥芽酮糖的生產(chǎn)工藝

異麥芽酮糖難以使用化學(xué)方法合成，到目前為 止，異麥芽酮糖的主要生產(chǎn)方式包括微生物轉(zhuǎn)化法 及酶轉(zhuǎn)化法。 2.1 微生物轉(zhuǎn)化法

微生物轉(zhuǎn)化法包括菌體發(fā)酵與蔗糖轉(zhuǎn)化同步進 行及菌體靜息細胞固定化轉(zhuǎn)化 2 種方式。早期一般 采用同步進行，如 Cho 等 [3]以 Enterobacter sp. FMB-1 為生產(chǎn)菌株，經(jīng) 48 h 后，異麥芽酮糖合成量達 90%。 但這種工藝分離提取較困難，不適用于工業(yè)放大。 隨著固定化技術(shù)越來越成熟，通過物理或化學(xué)手段 將靜息細胞定位于某一空間區(qū)域，既保持菌體本身 催化活性，又方便產(chǎn)物回收，因此廣受歡迎。 Krastanov 等 [4]采用殼聚糖包埋 Serratia plymuthica 細胞，以 400 g/L 的蔗糖溶液為原料，生產(chǎn)異麥芽酮 糖，異麥芽酮糖產(chǎn)率最高達 94%。 2.2 酶轉(zhuǎn)化法

鑒于微生物發(fā)酵法生產(chǎn)異麥芽酮糖存在菌體濃度較低、生產(chǎn)強度較弱的缺陷，目前一般采用從微 生物細胞中提純蔗糖異構(gòu)酶，固定化酶后轉(zhuǎn)化蔗糖 為異麥芽酮糖。酶轉(zhuǎn)化法的一般工藝如圖 1 所示。

2.2.1 蔗糖異構(gòu)酶轉(zhuǎn)化機制

對不同來源的蔗糖異構(gòu)酶結(jié)構(gòu)分析表明，在果 糖結(jié)合位點有一段高度保守區(qū)域 325RLDRD329[5, 6]。 通過對保守區(qū)的三維結(jié)構(gòu)預(yù)測得出蔗糖異構(gòu)酶屬于 α-糖苷酶 13 家族，Arg325 和 Arg328 2 個殘基在果糖 結(jié)合位點與底物依靠氫鍵結(jié)合。對 Arg325 和 Arg328 誘變處理后，活性位點對果糖基團親和力下降，果 糖基團脫落，葡萄糖與活性位點結(jié)合形成異麥芽糖。 與此同時，異麥芽酮糖合成量下降，海藻糖合成量 微弱上升。

基于蔗糖轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物分析及穩(wěn)態(tài)條件下的動力 學(xué)分析，Perlot 等[3]提出蔗糖異構(gòu)酶作用原理為兵乓 機制（圖 2）。酶首先與蔗糖結(jié)合釋放果糖，同時發(fā) 生形變形成蔗糖酶-葡萄糖復(fù)合酶(SI-G)；然后 SI-G 與 H2O 或者葡萄糖結(jié)合釋放出葡萄糖或者異麥芽酮 糖，同時蔗糖異構(gòu)酶本身發(fā)生回復(fù)形變，還原為原 始構(gòu)型。

2.2.2 蔗糖異構(gòu)酶積累菌株

蔗糖異構(gòu)酶來源較廣泛，自然界中積累該酶的 生物包括 Silverleaf whitefly 等昆蟲類及大量的微生 物。但 Silverleaf whitefly 合成的蔗糖異構(gòu)酶只能催 化蔗糖合成海藻酮糖。微生物細胞來源的蔗糖異構(gòu) 酶 又 分 為 異 麥 芽 酮 糖 主 產(chǎn) 型 (70% ～ 85%) ，如 Erwinia rhapontici、 Protaminobacter rubrum、 Serratia plymuthica、 Klebsiella sp.等； 海藻酮糖主產(chǎn)型(85%～ 95%)，如 Agrobacterium radiobacter、 Pseudomonas mesoacidophila 等[7, 8, 9, 10, 11, 12]。 2.2.3 蔗糖異構(gòu)酶積累工程菌

雖然自然界中積累蔗糖異構(gòu)酶的生物較多，但 野生型菌株普遍存在細胞得率低，酶活較低的缺點， 因此，工業(yè)化生產(chǎn)中多采用代謝工程的手段構(gòu)建蔗 糖異構(gòu)酶生產(chǎn)菌株。 Li 等[13]將 E. rhapontici 中編碼 蔗糖異構(gòu)酶的基因 palI 擴增到大腸桿菌(E. coli) Lac 乳糖操縱子表達系統(tǒng)，酶活單位達到野生菌株的 10.3 倍。 Zhang 等[14]將 Klebsiella sp. strain LX3 中蔗 糖異構(gòu)酶基因 palI 過量表達與 E. coli 5α 中，得到 重組酶最高活力 328.0 ± 2.5 U/mg；以蔗糖為底物 時，Km(米氏常數(shù))為 54.6±1.7 mM，且酶活力受 Fe3+、 Hg2+抑制，但 Mn2+、 Mg2+促進酶活力提高。 Ravaud 等[9]將 P. rubrum CBS 547.77 中的蔗糖異構(gòu)酶基因 smuA 基因在 E. coli JM109 中過量表達，得到粗酶液 酶 活 40 U/mg 。 Watzlawick 等 [10] 將 P. mesoacidophila MX-45 中蔗糖異構(gòu)酶基因 mutB 在 E. coli JM109 過量表達，得到上清液酶活 80 U/mg， 純化后酶活達到 900 U/mg。

目前，廣泛用作蔗糖異構(gòu)酶表達載體的菌體除 了 E. coli 外，還有 Saccharomyces cerevisiae、 Lactococcus lactis。 Lee 等 [15] 將 Enterobacter sp. FMB-1 中蔗糖異構(gòu)酶 基因 ESI 在 S. cerevisiae EBY100 細胞表面表達，同時對 S. cerevisiae 及 E. coli 重組菌體穩(wěn)定性進行比較。在底物濃度為 50～ 250 mM 時，蔗糖轉(zhuǎn)化率為 6.4%～7.4%。 Park 等[16] 采用 P170 表達系統(tǒng)將 Enterobacter sp. FMB-1 中蔗 糖異構(gòu)酶基因在 Lactoccus lactis MG1363 過量表達， 在采用信號肽 SP310mut2 將 40%的異構(gòu)酶分泌到胞 外。胞外蔗糖異構(gòu)酶轉(zhuǎn)化 50 g/L 蔗糖合成 72%的異 麥芽酮糖。 2.2.4 蔗糖異構(gòu)酶純化工藝及酶學(xué)特性

蔗糖異構(gòu)酶是一類存在于周質(zhì)空間的胞內(nèi)酶，因 此，對該酶的純化首先需要收集菌體，超聲破碎后收 集上清液得到粗酶液。經(jīng)硫酸銨沉淀、透析、 DEAE-Sepharose 陰離子交換層析、 DEAE-Sepharose 陽離子交換層析后收集活性峰，透析濃縮后儲存 4℃ 冰箱備用。

該酶性質(zhì)穩(wěn)定，在 pH5.0～7.0，酶活力為最大 酶活的 80%以上；在 10～40℃，酶活力為最大酶活 的 85%以上。此外，Ag+、 Hg+完全抑制酶活，Mg2+、 Mn2+促進酶活，Ca2+、 Cu2+、 Zn2+微弱抑制酶活。與 此同時，蔗糖異構(gòu)酶只與單一底物蔗糖反應(yīng)，葡萄 糖和果糖是該酶的競爭性抑制劑，降低底物親和 力 [17]。 3 異麥芽酮糖的提取純化工藝

鑒于蔗糖異構(gòu)酶異構(gòu)化蔗糖生產(chǎn)異麥芽酮糖的 生產(chǎn)中，酶轉(zhuǎn)化液中主要產(chǎn)物為異麥芽酮糖和少量 的海藻糖、果糖、葡萄糖，而海藻糖等其他糖的溶 解度較大，因此常用結(jié)晶的方法從轉(zhuǎn)化液中提取異 麥芽酮糖。一般通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至異麥芽酮糖濃度至 70%左右，冷卻并加入少量晶種，得到白色晶體， 在轉(zhuǎn)化液中添加乙醇等有機溶劑，能夠促進晶體快 速析出，但也會促進蔗糖結(jié)晶，產(chǎn)品異麥芽酮糖晶 體純度不高。為了得到更純的晶體，采用重結(jié)晶可 達到 99%的純度 [18]。通過合理控制結(jié)晶的方法和結(jié) 晶的次數(shù)，酶轉(zhuǎn)化液中 95%以上的異麥芽酮糖能夠 回收。采用雙錐混合全結(jié)晶的方法固化液體異麥芽 酮糖，異麥芽酮糖在二次濃縮時，溫度達 170℃， 水分含量已達到終產(chǎn)品所要控制的水平，處于融溶 狀態(tài)。這種固化方法比通過噴霧與粉狀成粒后再干 燥節(jié)省能耗[19]。 4 異麥芽酮糖的市場前景

異麥芽酮糖由于具有某些獨特的理化性質(zhì)、生 理功能和使用安全性，目前已在 50 多個國家和地區(qū) 使用和銷售，使用它作為甜味劑的產(chǎn)品已達千種。 但總體而言，異麥芽酮糖推向市場的時間還較短， 因此還有較大的上升空間。 2013 年，全球銷售量接 近 40 萬 t，國內(nèi)市場也達到 4 萬 t 以上，且年增長 率保持在 10%以上。但是國內(nèi)僅有 2 家企業(yè)建有異 麥芽酮糖的生產(chǎn)線，且規(guī)模較小，年產(chǎn)量近 5000 t。 隨著國民生活水平的逐漸提高，國內(nèi)肥胖、糖尿病 人的發(fā)病率逐漸增加，消費者也會更加關(guān)注健康飲 食，異麥芽酮糖屬于健康飲食發(fā)展趨勢下的前沿產(chǎn) 品，具有非常大的市場潛力，尤其是在功能性糖果、 能量緩釋運動產(chǎn)品、代餐類食品中，均有機會開發(fā) 出劃時代、促進行業(yè)變革的產(chǎn)品，不僅給消費者帶 來健康的享受，更可為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益和 社會效益，從而將迎來快速的增長期。 5 展望

異麥芽酮糖是一種新型的功能甜味劑，不僅給 消費者帶來健康的享受，更可為企業(yè)帶來良好的經(jīng) 濟效益和良好的社會地位。但目前國內(nèi)異麥芽酮糖 的生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模都還具有非常大的提升空 間。作者認為可從以下幾個方面加強研究開發(fā)，提 高我國異麥芽酮糖的生產(chǎn)水平。

（ 1）蔗糖異構(gòu)酶生產(chǎn)菌株的選育。利用傳統(tǒng)誘 變方法結(jié)合新型離子束注入等新型誘變手段，選育 能生產(chǎn)具有底物專一性強、催化能力高的菌株。

（ 2）構(gòu)建基因工程菌，實現(xiàn)蔗糖異構(gòu)酶的胞外 表達，提高蔗糖異構(gòu)酶的生產(chǎn)效率。

（ 3） 鑒于低溫誘導(dǎo)蔗糖異構(gòu)酶合成異麥芽酮糖 的比例增加，因此可以在基因組水平、蛋白質(zhì)組學(xué) 水平研究低溫作用于蔗糖異構(gòu)酶的結(jié)構(gòu)特性，并通 過各種組學(xué)手段得到高溫條件下仍然為該結(jié)構(gòu)特性 的蔗糖異構(gòu)酶，提高反應(yīng)主產(chǎn)物異麥芽酮糖的產(chǎn)出 率。

（ 4）低成本、高效率的異麥芽酮糖的分離純化 技術(shù)開發(fā)。

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