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高纯度低聚半乳糖生产技术的应用与发展

泰然健康网
2024-12-24 19:19

1、高纯度低聚半乳糖生产技术的应用与发展低聚半乳糖（简称GOS）是天然存在于动物乳清和乳汁中的一种功能性低聚糖，是唯一能够被人体肠内双歧杆菌、乳杆菌等8大有益菌所利用的低聚糖。低聚半乳糖作为一种功能性低聚糖，具有很高的应用价值。首先，低聚半乳糖是一种低分子量膳食纤维，黏度低，水溶性好，不与矿物质结合，具有清爽的口感；再次，低聚半乳糖的甜度低，仅为蔗糖的20%40%，热值低；最后，低聚半乳糖具有很强的稳定性，在高温（180）及强酸（pH3.0）的条件下也不会分解，易于保存，同时没有不良质地和风味1,2等优秀性质。低聚半乳糖除了具有以上理化特性之外，还具有很好的功能特性，对人体营养、免疫和疾病的防治与治疗发挥着积极作用。首先，低聚半乳糖作为双歧杆菌的增值因子具有促进有益菌生长，抑制有害菌生长改善肠道微环境的作用，同时，促进人体大量合成B族维生素、烟酸和叶酸，促进肠道对矿物的吸收3,4；其次，低聚半乳糖不会被口腔中的突变链球菌所利用，可降低突变链球菌产酸对牙齿的损害，降低了龋齿的发生率，起到了抗龋齿的作用；再次，大肠内的细菌在对低聚半乳糖进行发酵的过程中，可以加速血液中血清的脂质转变为挥发性的脂

2、肪酸，可以降低总血清的胆固醇浓度5，起到改善脂质代谢的作用；最后，低聚半乳糖可促进钙离子的吸收并可起到抑制骨质疏松的效果6。低聚半乳糖因其具有较好的理化特性及功能特性，近年来广泛应用于食品、保健和医药领域，特别是在婴幼儿配方奶粉中全部添加使用，是维护婴幼儿肠道健康，提高免疫力的重要成分。2008年，低聚半乳糖被卫生部批准为新资源食品（2008年第20号公告），同时被列入食品营养强化剂使用标准（GB14880-2012）中。我国自九十年代末利用自主生产的-半乳糖苷酶生产低聚半乳糖，现在已经有保龄宝公司、江门量子高科、云浮市新金山等公司实现了低聚半乳糖的商业化生产，但主要产品以GOS-27液/粉、GOS-57液为主，产品纯度、剂型以及质量稳定性与国外公司存在较大差距，不能满足国内日益增长的营养健康产品对高质量低聚半乳糖的需求，市场缺口超过2万吨。另外，低聚半乳糖生产成本远高于欧美国家，国际竞争力处于不利境地。因此，在乳制品和营养健康产业快速发展，特别是婴幼儿食品安全问题日益突出的背景下，研究开发高纯度GOS产品的高效制备技术，满足市场需求，具有极为重要的意义。鉴于此，本文对高纯度低聚半乳糖

3、的生产工艺进行了综述，为获得高纯度低聚半乳糖提供新的思路和理论支撑。1、低聚半乳糖的制备1.1低聚半乳糖制备方法目前，低聚半乳糖的制备大致分为5种：1）天然提取：从含有低聚半乳糖的母乳及水果蔬菜中提取（香蕉、洋葱、菊芋、大豆等）；2）通过酸水解天然多糖得到低聚半乳糖；3）化学合成；4）微生物发酵法；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，低聚半乳糖无色、不带电荷，后期分离提取难度大，成本高。天然多糖酸解，产率低、产物组分种类复杂，后期纯化困难。化学合成法使用大量有机试剂，具有毒性且易残留，工艺繁琐，对环境也会造成污染，因此，限制了该方法使用。微生物发酵法，直接用微生物发酵制备GOS或全细胞微生物生产GOS，由于其发酵液成分复杂，分离较困难7。微生物酶法合成原料充足、方便易得、无毒性同时生产成本低，因此，现在工业生产的方法主要是微生物酶法生产低聚半乳糖8。1.2酶法合成低聚半乳糖现在工业生产采用酶法合成低聚半乳糖时，主要以高浓度的乳糖或乳清为原料，由微生物发酵产-半乳糖苷酶催化合成。-半乳糖苷酶（EC3.2.1.23）属于糖苷水解酶，存在于多种微生物中9，除了水解活性

4、，某些来源的-半乳糖苷酶也具有转糖基活性，它根据水或其他碳水化合物的相对浓度将底物的半乳糖基转移到不同的羟基受体上。而来源不同的酶具有不同的特性，如温度和pH，酶反应合成低聚半乳糖的聚合度、形成糖苷键的类型及产率也有所不同。如表1-1所示为不同微生物来源的酶和底物乳糖反应生成低聚半乳糖的起始乳糖浓度及转化率10,11,12,13,14,15,16,17,18。表1不同来源酶及反应条件对低聚半乳糖产率的影响酶法合成低聚半乳糖采用途径有三种；一是游离酶促反应，是在水溶液进行的以游离酶催化合成低聚半乳糖，尽管在水溶液中反应具有方法简单、无污染的优点，但由于反应体系为水溶液，含水量高，半乳糖转苷能力较水解能力弱，因此产物葡萄糖、半乳糖含量较高，低聚半乳糖得率低，酶用量大，成本高，因酶源性质不同其成品质量差异较大19；二是非水相酶反应，低聚半乳糖是由转苷反应即水解反应的逆反应制得，当水分过多会不利于转苷反应的发生，使低聚半乳糖收率降低，而非水相体系通过降低水分含量，提高转苷反应的发生，提高了低聚半乳糖收率20。三是固定化酶连续反应21,22,23，随着固定化技术的发展，对固定化酶的研究越来越多。

5、固定化的酶可以重复使用，得到的产物不含酶物质，对酸碱的耐受性增强，热稳定性高，同时缩短反应周期24。2、低聚半乳糖的分离纯化目前工业化生产低聚半乳糖的最严重的问题是纯度不够高，成分复杂，为了进一步的提高低聚半乳糖的纯度，需要对反应所得的产物进行进一步的分离纯化，获得高纯度的低聚半乳糖。2.1低聚半乳糖纯化方法微生物酶法获得的低聚半乳糖产品为葡萄糖、半乳糖、乳糖及低聚半乳糖的混合物，对低聚半乳糖进行纯化，去除其他杂糖组分能有效地扩大低聚半乳糖的应用范围。目前，针对低聚半乳糖的分离纯化技术主要有色谱柱分离法、酶法分离、膜法分离、微生物法和模拟移动床色谱分离技术。下面我们对以上几种方法的原理及利弊进行了比较。2.1.1色谱分离法色谱分离技术的工作原理是根据待测液中各组分于色谱柱的填料间结合力强弱的差异，即各组分在固定相（填料）与流动相间分配系数不同的性质，从而使混合物中难吸附与易吸附组分分离开来。色谱柱法的优点在于，通过数百次的连续循环操作，重复使用吸附剂，可以充分利用材料、能量和时间。但由于此法初期设备投资高，分离效率低，操作复杂，导致分离后的成本大幅增加而限制了该方法的应用25。2.1.

6、2微生物发酵法微生物发酵法纯化低聚半乳糖，是利用某些酵母细胞优先代谢葡萄糖、半乳糖或乳糖的特异性，将该类杂糖组分通过发酵的方式而去除的办法。相比以上几种分离纯化方法，使用微生物发酵法纯化低聚半乳糖产物，操作工艺简单、设备投入成本较低且分离效果好，拥有广阔的工业前景及重要的研究价值。2.1.3酶法酶法纯化低聚半乳糖是利用酶制剂，将低聚半乳糖产品中的单糖或乳糖专一性地去除，以达到纯化低聚半乳糖产品的目的。例如，葡萄糖氧化酶和纤维二糖脱氢酶能分别将葡萄糖和乳糖氧化为葡萄糖酸、乳糖酸，再通过离子交换树脂去除。酶法纯化低聚半乳糖产物的专一性高，分离效果较好，但是由于酶制剂的价格昂贵，操作成本过高，亦不适用于工业生产。2.1.4膜法分离膜分离技术原理是依据滤膜孔径的大小的不同，物质可以通过膜孔或因为过大而被膜截留，即通过筛分而使得不同大小的物质分离开。利用纳滤膜分离法纯化低聚半乳糖产品，选择不同孔径的纳滤膜，即可将单糖、乳糖、低聚半乳糖依次分开，方便有效。但使用该方法的设备昂贵，纯化成本高，且容易出现膜污染，需要经常杀菌和清洗26。2.1.5模拟移动床色谱分离技术模拟移动（SMB）床是利用色谱分离

7、原理，通过连接装分离剂的柱子，使液体流动的循环系统，是20世纪60年代发展起来的一种目前最适用于连续性大规模工业化生产的现代分离技术。它具有分离能力强，设备体积小，投资成本低，实现自动控制。2.2高纯度低聚半乳糖的研究进展目前国内外市场上的低聚半乳糖产品，反应得到的低聚糖（低聚三糖、四糖和五糖）的收率为24%57%，溶液中还存在相当量的乳糖、少量葡萄糖和极少量的半乳糖，小分子糖的存在大大降低了低聚半乳糖的生理功效和适用性，近年来对高纯度GOS产品的高效制备技术研究一直是研究热点及难点。冯咏梅等27通过对葡聚糖凝胶过滤层析分离低聚半乳糖的研究发现，用葡聚糖凝胶柱SephadexG25分离纯化低聚半乳糖，一次上柱可以使低聚半乳糖纯度达到85.03%，经过二次上柱后，低聚半乳糖纯度可达到89.39%。GOULASAK等28将低聚半乳糖混合物先后通过NF-CA-50和DS-5-DL膜，GOS纯度可达98%。冯咏梅等27用截留相对分子质量1000u的GE超滤膜对低聚半乳糖溶液进行分离纯化，其低聚半乳糖的质量分数较未经过处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杆菌制得的-

8、半乳糖苷酶糖化低聚半乳糖，反应24h36h加入酿酒酵母，酿酒酵母快速发酵可降低葡萄糖含量，提高了低聚半乳糖的比例及转化率。李良玉等29采用低聚半乳糖粗品为原料，用自制的模拟移动色谱（SMB）和顺序式模拟移动色谱（SSMB）设备分别纯化原料。可使低聚半乳糖的纯度达到95.1%。另外，随着膜技术在固定化中的应用，用各种膜将酶分子与小分子质量的反应产物分开，制成了各种固定化酶生物反应器。与常规固定化方法相比，其初始反应速率提高13个数量级，扩散阻碍低，传质效率高，短暂的反应时间即能达到相当的乳糖转化率。量子高科公司使用新型有机-无机复合材料聚氯乙烯-二氧化硅膜，固定-半乳糖苷酶后形成的膜酶，卷成柱状装在圆柱型的容器中，在搅拌状态下进行反应，一次转化糖浆中低聚半乳糖含量大于60%，高于普通酶法一次转化糖浆制得低聚半乳糖的含量24%57%。3、结语与展望由于低聚半乳糖具有特殊的理化性质及生理功能，已被广泛应用于各类食品、保健食品中，高纯度的低聚半乳糖还可用于医药，然而低聚半乳糖的纯度限制着其的应用范围。目前，大规模的生产低聚半乳糖是以乳糖为原料，利用微生物发酵产的-半乳糖苷酶生产，但受-半乳糖苷

9、酶的活性的制约，低聚半乳糖纯度低，可通过酶的固定化或基因工程，研究酶学性质，提高酶稳定性，增加酶利用率，使其转化生成更多的低聚半乳糖，所得的产品再经过分离纯化可获得高纯度的低聚半乳糖。分离纯化的方法众多，却又各有利弊，总之，生产高纯度低聚半乳糖应将生物法与物理化学法相结合，设计一套从源头的低聚半乳糖高产量与高效分离纯化方法相结合的方法，获取高纯度的低聚半乳糖，大力提高我国低聚半乳糖产品的市场占有率，生产出更高质量、更低成本的低聚半乳糖。虽然已有很多研究得到较好的生产工艺，但是采用现代生物技术提高生产工艺水平仍是我们进一步研究开发的关键问题。参考文献：2徐晨,陈历俊,石维忱.低聚半乳糖的研究进展及应用J.中国食品添加剂,2011(1):205-209.4葛文光.大豆低聚糖的生理功能及保健作用J.冷饮与速冻食品工业,1997,3(4):27-30.5郑建仙,耿立萍.功能性低聚糖析论J.食品与发酵工业,1997,23(1):39-46.7贾建萍,裘娟萍.低聚半乳糖的研究进展J.中国乳品工业,2003,31(1):23-26.24高焕春.乳糖酶的特性及其在乳品工业中的应用J.中国乳品工业,1996,24(3):19-21.26寿洪志,谢广发,凌志勇,等.膜分离技术在酿酒业中的应用探讨J.中国酿造,2007,26(3):58-6027冯咏梅,常秀莲,王文华,等.葡聚糖凝胶过滤层析分离低聚半乳糖J.北京化工大学学报(自然科学版),2009,36(1):73-76.29李良玉,贾鹏禹,李朝阳,等.模拟移动色谱高效纯化低聚半乳糖技术J.中国食品学报,2016,16(3):138-145.李泉荟,刘峰,栾庆民,贾慧慧,张莉,李克文,李发财,张倩,冯涛.高纯度低聚半乳糖生产技术研究J.中国食品添加剂,2020,31(04):164-168.

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