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    低聚半乳糖的制備和應用進展
    發布時間:2012/8/3  閱讀次數:3277  字體大小: 【】 【】【
    本文對目前低聚半乳糖制備的五種方法,天然原料提取、天然多糖酸解、化學合成法、酶法及微生物發酵法進行了較為詳細的介紹,同時也對低聚半乳糖在食品和醫藥行業中的應用進展進行了總結。

            一.引言

            低聚半乳糖(Galacto-OligoSaccharidcs,GOS)是一類在乳糖的半乳糖基一側連接上1個或多個半乳糖分子的的結合寡糖,分子式為(Galactose)n-Ghrcose,半乳糖之間可以β(1→3、4、6)等鍵相結合,以β(1→4)鍵為主。動物的母乳中含有稍高濃度的GOS,是一種具有天然屬性的功能性低聚糖[1];GOS具有出色的保水力和極強的酸熱穩定性;GOS不但可選擇性的促進雙歧桿菌等益生菌增殖,抑制有害菌的代謝,利于B族維生素、煙酸和葉酸的生成,而且能有效刺激腸道蠕動,增加糞便濕潤程度,減少和防止便秘的發生,還能夠能夠促進腸道對鈣、鎂和鉀的吸收,防止骨質疏松[2],因而GOS已經成為一種非常優質食品和飲料加工業的食品添加劑。

            二.低聚半乳糖的制備進展

            GOS因其具有出色的理化和生物性能,成為國內外眾多研究者關注的焦點,如何針對不同需求和基于經濟考量來選擇合適的制取方法亦成為一個研究熱點,到目前為止GOS的制備方法主要有以下五大類:

            1天然原料提取、酸解和化學合成法、

            天然原料中低聚半乳糖濃度超低,且無色和不帶電荷,很難分離提取到。天然多糖酸解的產率低,產物極其復雜,高純度產品不易獲得;瘜W合成法不可避免用到大量有毒易殘留化學試劑,合成時還需要引入多步羥基保護反應和去保護反應,步驟繁瑣,得率低,生產成本高,而且存在環境污染、副產品得率高和分離純化難度大等問題,因此主要限于新型低聚糖的物化特性研究。

            2.酶法

            酶法合成GOS主要以高濃度乳糖或乳清為原料,由β-半乳糖苷酶催化完成。β-半乳糖苷酶除能將乳糖水解為半乳糖和葡萄糖外,還能通過轉半乳糖苷合成GOS。β-半乳糖苷酶的來源十分廣泛,如植物、細菌、霉菌、酵母和動物腸道[3]?紤]到食品中酶殘留的安全性因素,一般以A.niger,A.oryzae,K.lactis及K.fragile等微生物作為酶源。因酶來源廣泛,價格便宜,且原料充足,工藝成熟,酶法已成為目前工業化生產GOS的最優方法。

            2.1游離酶法

            KanT報道了用米曲霉β-半乳糖苷酶制備GOS的方法:乳糖濃度50-90%,溫度55-83℃,自然PH值,如:沸水浴制取80%(w/v)乳糖溶液,冷卻至65℃后,加入β-半乳糖苷酶,反應4h,低聚糖的轉化率可達到31%[4]。而Komika利用嗜熱菌(Thermussp)β-半乳糖苷酶,乳糖初始質量分數為30%,反應溫度70℃,PH值為7.0,反應若干小時,低聚半乳糖的得率則為40%[5]。陜西科技大學的范金波、許牡丹和毛跟年等利用米曲霉以乳清為底物進行了研究,實驗結果顯示最佳條件為:乳清粉濃度為35%,溫度55℃,PH為5.5,加酶量為500U/g(乳清粉),最佳條件下GOS得率可達到30.5%。    2.2非水相酶法

            GOS的合成是利用水解的逆反應轉半乳糖苷制得的,反應體系中水的存在會引起乳糖水解反應,導致GOS的生成減少,因此,降低水的濃度能使GOS的產量增加,非水相酶反應體系就是基于此提出的。但是為了維持酶的構象防止其活性下降,需要合理地控制有機相和水相的比例。1994年,韓國的Hyun-JaeShin等人研究表明95%(v/v)環己烷/5%水的反應體系與游離酶反應體系相比,低聚半乳糖得率從38%提高到45%[6]。歸莉瓊等分別對5%水/95%(體積分數)環己烷和20%水/80%(體積分數)乙酸乙酯的兩相體系進行了研究,發現合成低聚半乳糖的效率比純水相中高。

            2.3固定化酶連續法

            固定化酶在非水溶性的載體上被固定后,可引起一定立體障礙,低聚糖分子較大,酶與之結合困難,因此低聚糖不易被酶作用而降解。以脫鹽乳清粉為原料,陜西科技大學的范金波,許牡丹和毛跟年等選用固定化米曲霉乳糖酶對GOS進行催化合成,能明顯提高GOS的合成率。優化后的最佳工藝條件為:PH5.0,乳清粉濃度50%,乳糖酶量40U/g,溫度55℃,反應時間36小時,在此條件下GOS的合成率為29.78%。天津科技大學用海藻酸鈉-明膠凝膠包埋法制備固定化β-半乳糖苷酶,當乳糖質量分數為41.5%,加酶量為0.14%,反應時間為0.98h,溫度55℃時,GOS得率為41.4%。

            3微生物發酵法

            ShinH-H等人[7]采用細胞發酵的方法,將5ml細胞懸浮液接種于45ml培養基中(乳糖40%,PH值6.0),30℃下往復振蕩器上無菌培養60h,產生232mg/ml的低聚半乳糖,低聚糖的產率達到64%,這在目前所報道的低聚半乳糖的產率中是最高的。細胞固定化技術是利用物化手段將游離細胞定位于限定的空間區域并使之保持活性并可反復使用的一種技術,目前在合成GOS的領域內異;钴S。魏東芝和王筱蘭固定嗜熱脂肪芽孢桿菌,以乳糖為底物,在纖維床反應器中連續合成GOS,最高得率為50.7%。

            三.低聚半乳糖的應用進展

            低聚半乳糖具有獨特理化性質和卓越的生理功能,在食品和醫藥中具有廣泛的應用。

            3.1低聚半乳糖在食品工業中的應用

            GOS廣泛地應用于烘培食品、乳制品、糖果、果醬、清涼及保健飲料、糕點、調味品中。例如因GOS與乳糖結構更相似,可添加到冰激凌原料中以防止乳糖結晶析出[8]。內蒙古伊利集團的一項“含低聚半乳糖和膳食纖維的液態乳制品及其制備方法”的專利中,提到了一種同時添加低聚半乳糖和膳食纖維的乳制品,其成功地解決了添加上述物質后的貨架期穩定性問題,而且所提供的產品具有營養,安全,對腸道健康等特性。應用于焙烤食品不僅能改善食品風味、質地及色澤,還能因為其低能量減少肥胖癥的發生[9]。

            3.2低聚半乳糖在保健品中的應用

            嬰幼兒配方奶粉中添加GOS,可以促進嬰幼兒腸道健康并增強其強抵抗力。 據報道,出生6-7天的人工喂養嬰兒使用含3.6-9g/LGOS的奶粉,連續喂養28天,試驗組嬰兒腸道內雙歧桿菌和乳酸菌的數量顯著高于對照組,其糞便濕潤度和排便次數亦較對照組增加,GOS的添加還進一步提高了嬰幼兒對配方奶粉的生理耐受性。隨著年齡的增長,腸道有益菌明顯下降導致中老年便秘[10],患有便秘的老年病人每日攝食15gGOS,并同時攝食短雙歧桿菌,能建立正常的排便習慣。對于有便秘癥狀的糖尿病人的研究結果表明,攝食低聚半乳糖后,便秘現象緩解[11]。

            3.3低聚半乳糖在現代醫藥中的應用

            微生態制劑對腸胃病的治療效果明顯優于抗生素已成為其首選藥物,由于GOS能被腸道內所有的雙歧桿菌利用,而有害菌幾乎不能加以利用,所以腸道疾病的患者服用低聚半乳糖,能大大縮短療程,避免服用藥物產生的毒副作用[12]。荷蘭祖特梅爾申請了一項專利---含有免疫球蛋白和低聚糖的營養組合物,其中的低聚糖即為GOS,而向嬰兒腸道內給予含有半乳寡聚糖的營養物可用于降低感染的幾率和/或嚴重性,特別是對于呼吸道感染。GOS還能應用于中藥中,公開號101209269的專利中提供了GOS改良傳統膏滋制作的新應用,傳統方法制作的膏滋成分復雜,含糖量高,以致久服易影響腸胃功能,產生高血糖和導致體重增加等缺點,而在膏滋制作中采用GOS,使膏滋質量穩定,熱值低,口感良好,調節腸胃功能。

            四.展望

            在我國,GOS目前只有少量生產工藝相關的報道,而且主要為實驗室研究,產業化水平較低,還未形成規模,主要原因是有兩個,一是GOS分離純化成本太高,二是缺乏性能優良的β-半乳糖苷酶,都制約著GOS產業在我國的發展,F在國內外市場上的低聚半乳糖產品基本上都是用生物酶法合成,因酶源性質不同等因素的差別,反應得到的低聚糖的收率大不相同,同時溶液中還存在相當數量的乳糖、少量葡萄糖和極少量的半乳糖大大降低了低聚半乳糖的生理功效和適用對象的數量,因此加強對GOS產品分離提純方法的研究以及運用生物技術使β-半乳糖苷酶純度更高,活性更強,具有很高的經濟價值和科研意義。

            低聚半乳糖是以乳糖為原料的寡糖類混合物,具有許多其他糖類不可比擬的優點,更被譽為母乳益生元,目前國內低聚半乳糖的主要應用領域為高端嬰幼兒配方食品,尤其是高端嬰幼兒配方奶粉,隨著健康理念的傳播、GOS開發研究的不斷深入,加之我國原材料的豐富,消費市場的無限潛力,相信低聚半乳糖將具有良好的市場前景。

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