異麥芽酮糖醇的生理活性及生物合成研究進(jìn)展

金利群, 沈驥冬, 柳志強(qiáng), 鄭裕國(guó)

(浙江工業(yè)大學(xué) 生物工程學(xué)院/手性生物制造國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心/浙江省生物有機(jī)合成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310014)

蔗糖憑借其不同于化學(xué)合成甜味劑的優(yōu)越性能,不僅成為食品工業(yè)中不可或缺的甜味劑,還有助于食品本身品質(zhì)的提高以及食品生產(chǎn)工藝的優(yōu)化,但是蔗糖也存在致齲齒性、熱量高等缺點(diǎn)[1],如果長(zhǎng)期大量攝入則會(huì)損害人體健康并誘發(fā)如糖尿病等疾病[2]。近年來(lái),全球糖尿病(其中90%是2型糖尿病)的患病率正在逐年增加,預(yù)計(jì)在2045年將達(dá)到7億人,導(dǎo)致相關(guān)的醫(yī)療支出大幅增加(2021年,糖尿病導(dǎo)致的全球衛(wèi)生支出約為9 660億美元,相比2019年增長(zhǎng)27.1%),并嚴(yán)重影響患病人群的生活質(zhì)量[3]。糖尿病是一種多因素引發(fā)的疾病,其中最相關(guān)的因素是食用過(guò)量的含糖食品[4-5]。因此,開(kāi)發(fā)新型甜味劑作為蔗糖替代品成為食品工業(yè)的研究熱點(diǎn)之一。

目前,針對(duì)糖尿病患者推出的含功能性糖醇加工食品越來(lái)越受到市場(chǎng)的青睞[6-7]。功能性糖醇是糖的不飽和羰基和氫氣發(fā)生加成反應(yīng)后獲得的多元醇化合物,根據(jù)其化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為單糖醇(如木糖醇、山梨糖醇、甘露糖醇等)和多糖醇(如異麥芽酮糖醇、麥芽糖醇、乳糖醇等)[7-8]。大多數(shù)功能性糖醇是白色的水溶性固體,自然界含量很少,存在于一些果蔬中,在工業(yè)生產(chǎn)中通過(guò)糖加氫反應(yīng)獲得[9]。由于其功能特性,功能性糖醇已被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域,在食品和飲料領(lǐng)域中常被用作蔗糖的替代品[10],在烘焙食品、無(wú)糖糖果、口香糖、冰淇淋、風(fēng)味飲料等不同食品中有重要應(yīng)用[11-13]。在醫(yī)藥領(lǐng)域,功能性糖醇被廣泛用于口腔和牙科護(hù)理產(chǎn)品[14-15],可以促進(jìn)益生菌增殖、加快腸道蠕動(dòng)、有助于維護(hù)腸道功能正?；痆16-17],且具有一定的抗菌特性[18]。此外,功能性糖醇在化工、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用,可以增加土壤微生物功能多樣性和酶活性[19],也可以用作螯合肥和殺蟲(chóng)劑[20]。

異麥芽酮糖醇是近年來(lái)新興的功能性食用糖醇,2008年衛(wèi)生部批準(zhǔn)其為新資源食品,有益壽糖之稱。因其具有溶解度低、不吸濕不潮解等特點(diǎn),作為食品配料耐受性高,不易產(chǎn)生腹脹、腸鳴等不良反應(yīng),因此有希望成為蔗糖等傳統(tǒng)甜味劑的理想的替代品之一。本文介紹了異麥芽酮糖醇的生理功能及應(yīng)用,并闡述了兩步法(生物催化法和加氫還原技術(shù))在異麥芽酮糖醇合成過(guò)程中的研究進(jìn)展,為相關(guān)研究工作的開(kāi)展和工業(yè)化生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 異麥芽酮糖醇的生理活性

異麥芽酮糖(isomaltulose)是由一分子葡萄糖和一分子果糖以α-1,6糖苷鍵連接形成的還原型二糖,將異麥芽酮糖氫化還原后可以制得異麥芽酮糖醇(isomalt),是國(guó)際上新興的功能性食用糖醇。異麥芽酮糖和異麥芽酮糖醇最早是由德國(guó)南德制糖公司制得并生產(chǎn),因此商業(yè)名稱為帕拉金糖(palatinose)和帕拉金糖醇(palatinit)[21]。異麥芽酮糖和糖醇在自然界中的分布極其稀少,目前僅在天然蜂蜜中發(fā)現(xiàn)少量的異麥芽酮糖[22],故難以從天然產(chǎn)物中分離提取并利用。

異麥芽酮糖醇是1種包含2種立體異構(gòu)體即α-D-吡喃葡萄糖基-(1,6)-D-山梨醇(GPS)和α-D-吡喃葡萄糖基-(1,1)-D-甘露醇二水合物(GPM)的白色晶狀混合物。GPS和GPM通過(guò)不同比例混合和加工,可以獲得ISOMALT ST[m(GPS)∶m(GPM)=1∶1]、ISOMALT GS[m(GPS)∶m(GPM)=3∶1]、ISOMALT DC(ST型或GS型研磨后制得)和ISOMALT LM(ST型干燥后制得)4種晶體性質(zhì)不同的產(chǎn)品[23]。異麥芽酮糖醇是迄今為止唯一完全由蔗糖衍生獲得的二元糖醇,其甜味純正,甜度約為蔗糖的45%,熱值為蔗糖的50%,稍吸濕,熔點(diǎn)為145～150 ℃。異麥芽酮糖醇能增強(qiáng)食品風(fēng)味的傳遞,因此經(jīng)常與非營(yíng)養(yǎng)或營(yíng)養(yǎng)甜味劑混合使用。對(duì)異麥芽酮糖醇的口感研究表明,異麥芽酮糖醇還能掩蓋一些甜味劑和填充劑的苦味[24]。由于結(jié)構(gòu)不同,異麥芽酮糖醇與蔗糖的生理特性存在明顯區(qū)別,相關(guān)研究表明異麥芽酮糖醇對(duì)維持人體健康有著積極的作用(圖1)。

圖1 異麥芽酮糖醇的主要生理功能Fig.1 Main physiological function of isomalt

1.1 異麥芽酮糖醇在消化吸收方面的生理活性

異麥芽酮糖醇的糖苷鍵穩(wěn)定,難以被水解。研究表明,異麥芽酮糖醇進(jìn)入人體消化道后僅有少部分(10%左右)被水解為山梨醇、甘露醇和葡萄糖,其中葡萄糖快速被消化道吸收,而山梨醇和甘露醇在小腸中被部分吸收。90%的異麥芽酮糖醇在食入后會(huì)完整進(jìn)入結(jié)腸,并參與腸道菌群的代謝活動(dòng),因此具備低消化的特性[25]。研究表明,人體在連續(xù)4周每天服用30 g異麥芽酮糖醇后沒(méi)有出現(xiàn)明顯的不良反應(yīng),其腸道菌群的數(shù)量、種類(lèi)和生理功能相比服用蔗糖的人群發(fā)生明顯改變。與服用蔗糖相比,食用異麥芽酮糖醇的受試者的腸道菌群中雙歧桿菌的數(shù)量和比例分別增加47%和65%;腸道微生物的β-葡萄糖苷酶活力降低40%。體外研究證明,異麥芽酮糖醇能夠被部分雙歧桿菌利用產(chǎn)生高濃度的丁酸,為腸道微生物提供了良好的代謝原料,能夠促進(jìn)益生菌的生長(zhǎng),具有益生元的功能[26]。

1.2 異麥芽酮糖醇在血糖和體重控制方面的生理活性

血糖生成指數(shù)(glycemic index或glycaemic index, GI)能夠反映某一食品引發(fā)人體血糖升高多少,是評(píng)價(jià)食品的一種生理學(xué)參數(shù)。一般認(rèn)為,指數(shù)小于55的是低GI食物[27],食用低GI食物可以降低葡萄糖的吸收效率進(jìn)而降低胰島素濃度峰值和胰島素總需求量,改善胰島素的敏感性[28]。異麥芽酮糖醇的GI值在2～12,人體攝入后血糖應(yīng)答平緩,升高幅度遠(yuǎn)低于攝入葡萄糖,不會(huì)引發(fā)胰島素的顯著提高[29]。此外,異麥芽酮糖醇屬于低消化性碳水化合物,在消化道中吸收緩慢,使體內(nèi)血糖和胰島素的含量維持在適度的水平且變化相對(duì)平緩,避免發(fā)生血糖水平過(guò)低的情況,延長(zhǎng)飽腹感持續(xù)時(shí)間,有利于控制飲食,減少不必要的營(yíng)養(yǎng)攝入。異麥芽酮糖醇的能量值約為大多數(shù)碳水化合物的一半,僅為8 kJ/g,這種低能量值以及低血糖、胰島素應(yīng)答水平的特性使其有利于體重的控制。

1.3 異麥芽酮糖醇在預(yù)防心血管疾病方面的生理活性

根據(jù)大量流行病學(xué)的研究,在控制已知和可疑危險(xiǎn)因素后,食入低GI食物能降低冠心病的發(fā)病率。與食入高GI食物人群相比,低GI飲食可以使合并高脂血癥糖尿病患者的血清總膽固醇濃度降低19.3%,甘油三酯濃度降低9.1%,低密度脂蛋白膽固醇濃度降低8.8%[30]。非糖尿病人群在食入低GI飲食后,體內(nèi)甘油三酯和膽固醇水平降低,總脂肪組織減少,并在總體質(zhì)量不變的情況下增加了瘦體質(zhì)量成分[31]。橫斷面研究顯示,GI與高密度脂蛋白膽固醇水平呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此,異麥芽酮糖醇的低血糖應(yīng)答特性有利于延緩糖尿病人心血管疾病的發(fā)生。

1.4 異麥芽酮糖醇在預(yù)防結(jié)腸癌方面的生理活性

相關(guān)研究表明,能夠引發(fā)高胰島素血癥或者胰島素抵抗的因素都將增加結(jié)腸癌的發(fā)病率。攝入高GI食物會(huì)增加血糖、胰島素水平升高幅度,與結(jié)腸癌的發(fā)生呈正相關(guān)關(guān)系,增加習(xí)慣久坐人群或肥胖婦女患結(jié)腸癌的風(fēng)險(xiǎn)[11]。異麥芽酮糖醇攝入人體后能有效控制血糖、胰島素水平,并在消化道內(nèi)發(fā)酵產(chǎn)生丁酸,維持腸道內(nèi)酸性環(huán)境,促進(jìn)益生菌迅速增殖,清除腸道有害物質(zhì),有益于預(yù)防結(jié)腸癌的發(fā)生。

異麥芽酮糖醇化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不易發(fā)生美拉德反應(yīng),不會(huì)影響食品的色澤外觀,耐酸耐堿能力強(qiáng),且難以被微生物利用,非常利于保存。異麥芽酮糖醇容易從過(guò)飽和溶液中結(jié)晶,適合應(yīng)用于無(wú)糖食品和藥品包衣的制作[23]。其在人體內(nèi)很少被吸收,基本不參與生理代謝,也不會(huì)導(dǎo)致血糖和胰島素水平波動(dòng),肥胖人群和糖尿病患者也可安全食用。因此,異麥芽酮糖醇常作為食品配料加入各種低糖食品中。人體對(duì)異麥芽酮糖醇還具有很好的耐受性。此外,異麥芽酮糖醇還可以被人體腸道中的雙歧桿菌所分解利用,促進(jìn)腸道菌群的繁殖生長(zhǎng),從而維持腸道微生態(tài)平衡,對(duì)人體健康有益。隨著人們對(duì)低熱量和無(wú)糖食品的越發(fā)青睞,異麥芽酮糖醇的市場(chǎng)需求量必將不斷擴(kuò)大[32]。

2 異麥芽酮糖醇的生物合成方法

異麥芽酮糖醇的生產(chǎn)過(guò)程包括2個(gè)步驟。第一步,蔗糖異構(gòu)酶重新排列蔗糖中葡萄糖和果糖分子之間的糖苷鍵,從而生成更加穩(wěn)定的異麥芽酮糖。第二步,異麥芽酮糖中的果糖部分發(fā)生加氫反應(yīng),生成異麥芽酮糖醇(圖2)[32]。

圖2 異麥芽酮糖醇的合成路線Fig.2 Synthetic route of isomalt

2.1 蔗糖異構(gòu)酶的生物合成

蔗糖異構(gòu)酶(sucrose isomerase,SIase,EC 5.4.99.11)又稱α-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶、異麥芽酮糖合成酶等,能催化蔗糖中的α-1,2糖苷鍵發(fā)生重排。根據(jù)重排反應(yīng)的不同主要得到異麥芽酮糖(重排成α-1,6糖苷鍵)和海藻酮糖(重排成α-1,4糖苷鍵)2種蔗糖同分異構(gòu)體。此外,在催化過(guò)程中還存在部分糖苷水解反應(yīng),因而粗產(chǎn)品中還存在果糖和葡萄糖這兩種副產(chǎn)物[33]。

2.1.1蔗糖異構(gòu)酶的來(lái)源和異源表達(dá)

已報(bào)道的蔗糖異構(gòu)酶大部分來(lái)源于微生物,根據(jù)產(chǎn)物的不同可以分為異麥芽酮糖主產(chǎn)型(異麥芽酮糖產(chǎn)率為70%～85%)和海藻酮糖主產(chǎn)型(海藻酮糖產(chǎn)率為85%～95%)。異麥芽酮糖主產(chǎn)型蔗糖異構(gòu)酶主要來(lái)源于Erwiniarhapontici、Protaminobacterrubrum[34]、Serratiaplymuthica、Klebsiellasp.等。而海藻酮糖主產(chǎn)型主要來(lái)源于Agrobacteriumradiobacter、Pseudomonasmesoacidophila等。此外,研究發(fā)現(xiàn)銀葉粉虱來(lái)源的海藻酮糖型蔗糖異構(gòu)酶(產(chǎn)物只有海藻酮糖),其蛋白結(jié)構(gòu)與常見(jiàn)的微生物來(lái)源的蔗糖異構(gòu)酶不同[35]。

為了提高蔗糖異構(gòu)酶的表達(dá)效率以更好地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)異麥芽酮糖,研究者們克隆蔗糖異構(gòu)酶基因至不同宿主細(xì)胞中進(jìn)行異源表達(dá)。Mattes等[34]首次實(shí)現(xiàn)P.rubrumCBS574.77來(lái)源的蔗糖異構(gòu)酶于大腸桿菌中異源表達(dá),來(lái)源于P.dispersaUQ68J、K.planticolaUQ14S和E.rhaponticiWAC2928的蔗糖異構(gòu)酶,利用T7表達(dá)系統(tǒng)于大腸桿菌中,實(shí)現(xiàn)可溶性表達(dá)[36]。隨著其他宿主異源表達(dá)技術(shù)的逐漸成熟[37]。蔗糖異構(gòu)酶作為一種食品酶,也有研究者專(zhuān)注于將Saccharomycescerevisiae和Lactococcuslactis(食品安全菌)作為蔗糖異構(gòu)酶的表達(dá)宿主。Park等[38]利用自誘導(dǎo)啟動(dòng)子P170和優(yōu)化的信號(hào)肽SP310mut2,成功在LactococcuslactisMG1363中分泌表達(dá)來(lái)自腸桿菌屬的蔗糖異構(gòu)酶基因。Lee等[39]利用GAL1-10啟動(dòng)子和糖基磷脂酰肌醇(GPI)錨定附著信號(hào)序列,成功在SaccharomycescerevisiaeEBY100細(xì)胞表面展示了來(lái)自腸桿菌屬的蔗糖異構(gòu)酶。

2.1.2蔗糖異構(gòu)酶的結(jié)構(gòu)和催化機(jī)理

許多不同來(lái)源的蔗糖異構(gòu)酶已成功獲得其蛋白晶體結(jié)構(gòu)并解析[40],主要有來(lái)源于Klebsiellasp. LX3 (PDB: 1M53)、P.rubrumCBS574.77 (PBD: 3GBD)、P.mesoacidophilaMX-45 (PBD: 1ZJA)和E.rhaponticiNX-5 (PBD: 4HOW)[41]。晶體結(jié)構(gòu)分析表明,蔗糖異構(gòu)酶是單亞基分子,其結(jié)構(gòu)與糖苷水解酶13家族(GH13)類(lèi)似,主要由N端(β/α)8桶狀結(jié)構(gòu)域、C端結(jié)構(gòu)域和亞結(jié)構(gòu)域組成。其中,(β/α)8桶狀結(jié)構(gòu)域是其催化中心,位于亞結(jié)構(gòu)域和C端結(jié)構(gòu)域之間,含有3個(gè)與催化反應(yīng)相關(guān)(Asp241、Glu295和Asp369)和2個(gè)參與酶和底物結(jié)合(His145和His368)的保守氨基酸殘基[42]。其中Asp241、Glu295和Asp369這3個(gè)氨基酸與催化有關(guān),另外2個(gè)則與酶和底物的結(jié)合有關(guān)。C端結(jié)構(gòu)域由2個(gè)反平行的β-折疊組成,具有穩(wěn)定蛋白結(jié)構(gòu)的功能;亞結(jié)構(gòu)域參與底物的結(jié)合。Ravaud等[43]研究了蔗糖異構(gòu)酶的催化機(jī)理,推測(cè)其催化過(guò)程采用兩步雙位移機(jī)制:利用酶催化中心形成的羰基離子過(guò)渡態(tài)完成糖基-酶中間復(fù)合物共價(jià)鍵的形成與斷裂。其中谷氨酸殘基為質(zhì)子供體,使糖苷鍵上的氧質(zhì)子化,催化蔗糖的水解。隨后天冬氨酸親核攻擊蔗糖的C1氫原子使其去質(zhì)子化,形成β-葡萄糖基-酶復(fù)合物。最后游離果糖基可通過(guò)互變異構(gòu)形成產(chǎn)物異麥芽酮糖和海藻酮糖。

2.1.3蔗糖異構(gòu)酶的酶學(xué)性質(zhì)

1984年,Cheetham首次利用Erwiniarhapontic菌體催化蔗糖得到異麥芽酮糖,并從細(xì)胞中分離提取得到蔗糖異構(gòu)酶(4.1 U/mg),確定異麥芽酮糖是由蔗糖異構(gòu)酶所催化合成的[44]。對(duì)不同來(lái)源的蔗糖異構(gòu)酶進(jìn)行酶學(xué)性質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)(表1[45-53]),蔗糖異構(gòu)酶的最適反應(yīng)溫度大部分在20～40 ℃,并且大部分蔗糖異構(gòu)酶的熱穩(wěn)定性較差,當(dāng)溫度超過(guò)45 ℃時(shí)極易失活;最適pH值處于5.0～6.0的范圍內(nèi),且該酶對(duì)pH值變化敏感。雖然不同微生物來(lái)源的蔗糖異構(gòu)酶的同源性很高,但是其中部分酶學(xué)性質(zhì)還是存在顯著的差異,例如來(lái)源于P.mesoacidophilaMX-45的蔗糖異構(gòu)酶的底物親和力較高(Km值為19.2 mmol/L)[45],而來(lái)源于E.rhaponticiNX-5的蔗糖異構(gòu)酶的Km值為257 mmol/L[46]。

表1 不同來(lái)源蔗糖異構(gòu)酶的酶學(xué)性質(zhì)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)

2.1.4蔗糖異構(gòu)酶的分子改造

從自然環(huán)境中挖掘獲得的蔗糖異構(gòu)酶的催化活性偏低,難以滿足工業(yè)化生產(chǎn)異麥芽酮糖的需求。因此,工業(yè)生產(chǎn)中采用酶工程獲得性能更好的蔗糖異構(gòu)酶。目前,研究人員對(duì)蔗糖異構(gòu)酶的分子改造已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究,并獲得了能顯著提高異麥芽酮糖產(chǎn)量的蔗糖異構(gòu)酶突變體(表2[54-57])。此外,也有研究者通過(guò)分子改造提高蔗糖異構(gòu)酶的熱穩(wěn)定性以提高其工業(yè)化應(yīng)用性能。Zhang等[52]利用脯氨酸效應(yīng)對(duì)來(lái)源于Klebsiellesp. LX3的蔗糖異構(gòu)酶進(jìn)行改造后,突變體E498P/R310P在50 ℃下半衰期是天然酶的11倍。Duan等[54]通過(guò)基于B因子的定點(diǎn)突變對(duì)蔗糖異構(gòu)酶進(jìn)行改造,突變體E175N、K576D和E175N/K576D的最適溫度比天然酶提高了5 ℃,熱穩(wěn)定性也不同程度提高。目前,國(guó)內(nèi)外雖有不少關(guān)于蔗糖異構(gòu)酶的研究,但大都還是停留在實(shí)驗(yàn)室水平,關(guān)于蔗糖異構(gòu)酶工業(yè)化應(yīng)用方面的研究,還需要進(jìn)一步地深入。

表2 具有提高異麥芽酮糖產(chǎn)量的SIase突變體

2.2 異麥芽酮糖的生物合成

異麥芽酮糖醇生產(chǎn)的第一步主要是微生物轉(zhuǎn)化法,其中微生物轉(zhuǎn)化法又可以細(xì)分為游離細(xì)胞轉(zhuǎn)化法和固定化細(xì)胞轉(zhuǎn)化法。游離細(xì)胞轉(zhuǎn)化法是一種細(xì)胞培養(yǎng)發(fā)酵與催化蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)同步進(jìn)行的生產(chǎn)工藝。固定化細(xì)胞轉(zhuǎn)化法則是通過(guò)將菌體靜息細(xì)胞固定化后進(jìn)行催化合成異麥芽酮糖[58]。由于利用游離細(xì)胞轉(zhuǎn)化蔗糖生產(chǎn)異麥芽酮糖后下游分離難度較大,難以應(yīng)用于大規(guī)模的生產(chǎn)[59]。在工業(yè)上通常使用固定化細(xì)胞的方法生產(chǎn)異麥芽酮糖,主要是由于其具備轉(zhuǎn)化液分離純化簡(jiǎn)便、生產(chǎn)能力強(qiáng)、細(xì)胞利用率高、菌體使用量少等優(yōu)勢(shì)。目前,據(jù)報(bào)道,通過(guò)完整的游離細(xì)胞催化蔗糖轉(zhuǎn)化得到異麥芽酮糖這一方法最后的產(chǎn)率最高為90%[60],而通過(guò)固定化細(xì)胞的方法催化蔗糖轉(zhuǎn)化得到異麥芽酮糖的最高產(chǎn)率可以達(dá)到94%[61]。

2.2.1微生物轉(zhuǎn)化法

在固定化技術(shù)發(fā)展成熟之前,一般采用游離細(xì)胞轉(zhuǎn)化法合成異麥芽酮糖。Cho等[48]在Enterobactersp. FMB-1細(xì)胞培養(yǎng)發(fā)酵過(guò)程中添加質(zhì)量濃度為 4 g/L的蔗糖,經(jīng)培養(yǎng)48 h后,異麥芽酮糖最終的產(chǎn)量達(dá)到90%。Huang等[51]利用KlebsiellaplanticolaCCRC19112游離菌體對(duì)蔗糖轉(zhuǎn)化后獲得76%～84%的異麥芽酮糖,但是這種方法存在較大的缺陷,由于蔗糖異構(gòu)酶位于細(xì)胞的壁膜空間,蔗糖異構(gòu)酶的活力不高,從而催化轉(zhuǎn)化過(guò)程需要菌體的量巨大,而且后續(xù)分離純化難度較大,所以難以應(yīng)用于工業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)。

2.2.2固定化細(xì)胞轉(zhuǎn)化法

固定化細(xì)胞相比游離細(xì)胞具有許多潛在的優(yōu)勢(shì),如最小的下游處理量、可連續(xù)操作、顯著提高了操作穩(wěn)定性和生物催化劑的再利用水平等,因此固定化細(xì)胞轉(zhuǎn)化法為異麥芽酮糖的重要合成工藝之一。根據(jù)細(xì)胞特有的性質(zhì)可以選用適合的固定化方法,普遍采用的方法主要有吸附法、共價(jià)法、交聯(lián)法和包埋法4種,此外還可以采用多種固定化方法聯(lián)合使用的方式進(jìn)行細(xì)胞的固定化。利用固定化細(xì)胞生產(chǎn)異麥芽酮糖已成為當(dāng)前研究的一大熱點(diǎn),并取得了大量的成果(表3[63-69])。如使用殼聚糖與戊二醛交聯(lián)固定化后的蔗糖異構(gòu)酶全細(xì)胞,其半衰期最高達(dá)155 d,同時(shí)轉(zhuǎn)化率高達(dá)94%,異麥芽酮糖累積產(chǎn)率為1 488 kg·dm-3[62]。

表3 固定化細(xì)胞生產(chǎn)異麥芽酮糖

2.3 異麥芽酮糖的加氫還原

異麥芽酮糖醇生產(chǎn)的第二步反應(yīng)則需要在高溫高壓條件和加氫催化劑(如雷尼鎳催化劑等)的作用下進(jìn)行加氫反應(yīng),制得異麥芽酮糖醇。雷尼鎳是目前糖醇制備中應(yīng)用最廣泛的金屬加氫催化劑,它通常是通過(guò)超堿蝕法處理Ni-Al合金得到的具有多孔結(jié)構(gòu)的細(xì)小固體粉末,主要由鎳構(gòu)成。這種多孔結(jié)構(gòu),使其具有較大的比表面積,有效提高了它的催化性能。閆傳浩等利用雷尼鎳在100～130 ℃和 5～13 MPa氫氣壓力下,對(duì)第一步反應(yīng)后的反應(yīng)液凈化提純后進(jìn)行加氫反應(yīng),反應(yīng)結(jié)束后異麥芽酮糖醇占比84%～92%,山梨醇6%～10%,甘露醇1%～2%。利用骨架鎳催化劑和鎳-酮催化劑混合物在110～120 ℃和0.5～0.7 MPa氫氣壓力下,催化50%～70%異麥芽酮糖加氫制備異麥芽酮糖醇,加氫反應(yīng)1 h內(nèi),異麥芽酮糖轉(zhuǎn)化率大于99.8%。然而雷尼鎳需要在較為苛刻的反應(yīng)條件下進(jìn)行催化加氫,這不僅提高了生產(chǎn)成本,還易使催化劑發(fā)生燒結(jié),加速了催化劑的失活,此外雷尼鎳催化劑的穩(wěn)定性較差,表面的Ni金屬易浸出,不僅降低了催化劑的活性,還使產(chǎn)物的分離純化變得更加困難。近年來(lái),負(fù)載型金屬催化劑展現(xiàn)出良好的加氫活性及穩(wěn)定性,在糖醇的綠色制備中應(yīng)用越來(lái)越廣泛[70]。

3 異麥芽酮糖醇的應(yīng)用

異麥芽酮糖醇的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用源于20世紀(jì)90年代后期的歐洲[71]?；谄涮匦?異麥芽酮糖醇在食品和制藥工業(yè)的許多應(yīng)用中是理想的代糖。異麥芽酮糖醇具有的卓越口感風(fēng)味和保質(zhì)期卓越特性使其在“無(wú)糖”食品加工領(lǐng)域成為首選。在生產(chǎn)工藝方面,市場(chǎng)中現(xiàn)有的加工設(shè)備可以不經(jīng)重大修改應(yīng)用于所有含異麥芽酮糖醇制品的生產(chǎn)。但在某些情況下,建議對(duì)生產(chǎn)配方和工藝參數(shù)稍加修改。其中ISOMALT ST型異麥芽酮糖醇在包裝食品、口香糖、巧克力和無(wú)糖硬糖方面的應(yīng)用表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

使用ISOMALT ST型異麥芽酮糖醇可以生產(chǎn)各種無(wú)糖夾心糖果,其生產(chǎn)過(guò)程與以蔗糖和葡萄糖漿為原料的糖果非常相似。但是相比蔗糖和葡萄糖漿,異麥芽酮糖醇具有溶解度低、沸點(diǎn)高、熔體黏度低和比熱容高的特性[72]。因此,在生產(chǎn)異麥芽酮糖醇硬糖的過(guò)程中,無(wú)論是批量生產(chǎn)還是連續(xù)生產(chǎn),需要對(duì)配方和加工過(guò)程進(jìn)行微小的調(diào)整。此外,異麥芽酮糖醇糖果的吸水性很穩(wěn)定,且當(dāng)糖果成品中的含水量低于2%時(shí)可以獲得更長(zhǎng)的保質(zhì)期。

ISOMALT LM型異麥芽酮糖醇巧克力已經(jīng)在市場(chǎng)上展現(xiàn)出其他無(wú)糖巧克力無(wú)法比擬的卓越的品質(zhì),并且食用ISOMALT LM巧克力沒(méi)有其他代糖食品特有的清涼的口感。此外,異麥芽酮糖醇因其具有低血糖和低胰島素效應(yīng),有助于無(wú)糖食品的制造。

利用低沸點(diǎn)技術(shù)可以使用ISOMALT GS型異麥芽酮糖醇代替蔗糖生產(chǎn)軟糖。但是所有的代糖都不能像蔗糖一樣自發(fā)結(jié)晶,需要添加種子晶體作為結(jié)晶引發(fā)劑。此外,使用ISOMALT GS制作的水果醬的質(zhì)量在味道、稠度、外觀和卡路里含量方面都得到了非常積極的評(píng)價(jià)。由于ISOMALT GS能在酸性環(huán)境中保持穩(wěn)定,因此其膠凝性能優(yōu)于蔗糖。

ISOMALT ST-PF型異麥芽酮糖醇具有低溶解度和較好的增甜特性,可以應(yīng)用于口香糖的生產(chǎn)。其低溶解度可使異麥芽酮糖醇在口香糖團(tuán)塊中保持結(jié)晶形式,使得口香糖在儲(chǔ)存過(guò)程中不容易硬化;而低溶解度的特性在延長(zhǎng)風(fēng)味和甜味釋放方面具有更持久的效果。最近的研究結(jié)果表明,用異麥芽酮糖醇代替全部甘露醇和部分山梨糖醇可以提高口香糖穩(wěn)定性。

ISOMALT DC型異麥芽酮糖醇是一種具有良好的流動(dòng)性,具有狹窄的粒度分布,沒(méi)有變黏的趨勢(shì)的可壓縮粉末,可以利用傳統(tǒng)機(jī)器直接壓縮制造“無(wú)糖”糖果或非處方(OTC)片劑。ISOMALT DC具有2種變體,分別是基于ISOMALT ST制成的ISOMALT DC 100和基于ISOMALT GS制成的ISOMALT DC 200。2種變體具有相似的抗壓強(qiáng)度,但是與ISOMALT DC 100相比,ISOMALT DC 200的表面更光滑,風(fēng)味和藥物釋放更快。ISOMALT DC在生產(chǎn)應(yīng)用中高度靈活,可以生產(chǎn)幾乎任何所需硬度和溶解特性的片劑。此外,ISOMALT DC的另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是不會(huì)產(chǎn)生非必要的清涼口感并增強(qiáng)各種風(fēng)味。

4 總結(jié)與展望

多年來(lái),人們對(duì)使用功能性糖醇作為糖替代品的關(guān)注度越來(lái)越高。異麥芽酮糖醇是唯一一種完全由蔗糖衍生制得的功能性代糖。由于其理化和生理特性,可以作為基本食品添加劑應(yīng)用于無(wú)糖、低卡路里、防齲齒等各種高附加值食品的加工。此外,異麥芽酮糖醇的口感與蔗糖近似,基于異麥芽酮糖醇加工的食品與傳統(tǒng)食品幾乎沒(méi)有區(qū)別,生產(chǎn)商無(wú)須改變生產(chǎn)線直接使用現(xiàn)有的生產(chǎn)加工設(shè)備制造巧克力、烘焙食品、谷類(lèi)制品和“無(wú)糖”糖果等含異麥芽酮糖醇食品。因此,異麥芽酮糖醇是一種理想的甜味劑,可作為代糖應(yīng)用廣泛,其特性可滿足消費(fèi)者對(duì)美味、健康、保質(zhì)期長(zhǎng)的產(chǎn)品的需求。