低聚異麥芽糖理化功能特性及生產方法研究進展

車夏寧，林海龍，趙永武，閆廣飚，王滿意*（.中糧營養健康研究院，北京009；.中糧生化能源（公主嶺）有限公司，吉林公主嶺3600）

低聚異麥芽糖理化功能特性及生產方法研究進展

車夏寧1，林海龍1，趙永武2，閆廣飚2，王滿意1*
（1.中糧營養健康研究院，北京102209；2.中糧生化能源（公主嶺）有限公司，吉林公主嶺136100）

低聚異麥芽糖是由α-1,6-糖苷鍵結合的功能性低聚糖，具有優良的理化特性和顯著的生理功能，廣泛應用于醫藥、食品、保健品及飼料行業。文中綜述了低聚異麥芽糖的理化特性和生理功能，并從酶催化、分離純化環節探討了低聚異麥芽糖的生產技術。

低聚異麥芽糖；功能特性；生產工藝；葡萄糖轉苷酶；分離純化

低聚異麥芽糖（isomaltooligosaccharide，IMO）為淀粉糖的一種，主要成分為α-1,6-糖苷鍵結合的異麥芽糖（isomaltose，IG2）、潘糖（panose，P）、異麥芽三糖（isomaltotriose，IG3）及四糖（isomaltotetraose，IG4）以上的低聚糖，是我國開發最早、需求量最大的功能性低聚糖。

低聚異麥芽糖的生產和應用最先源于日本，由日本林原商事、日本食品化工、日本昭和產業、日本資糧工業聯合研制開發成功，1985年由日本昭和產業率先推廣入市場[1]。我國對低聚異麥芽糖的開發研究始于20世紀90年代，1997年由山東保齡寶生物股份有限公司率先實現工業化生產，2010年該公司低聚異麥芽糖銷量達11萬t。目前市場上的低聚異麥芽糖商品有IMO-50和IMO-90兩種，分別有糖漿和糖粉兩種產品形態。按照GB 20881—2007《低聚異麥芽糖》規定，IMO-50中低聚異麥芽糖含量需占干物質總量的50%以上，其中異麥芽糖、潘糖、異麥芽三糖（簡稱三糖”）占干物質總量的35%以上；IMO-90要求IMO含量達90%以上，三糖含量達45%以上[2]。低聚異麥芽糖具有優良的理化特性和顯著的生理功能，廣泛應用于食品、保健品、醫藥和飼料行業。

1 低聚異麥芽糖的理化功能特性

1.1 理化特性

低聚異麥芽糖漿為無色或淡黃色、透明的黏稠液體，其糖粉為無定形白色粉末，甜度為蔗糖的45%～50%，甜味純正，熱量低，是糖尿病人的理想代糖[3]。低聚異麥芽糖漿的黏度高于同濃度的蔗糖，低于麥芽糖，具有良好的保濕性和較高的滲透壓，因此用于糖果、糕點、冷飲中可防止淀粉老化、避免葡萄糖或蔗糖的析出，使產品具有濕潤、細膩、柔軟的口感[1]。低聚異麥芽糖能夠耐受較低的pH和較高的溫度，可添加于高溫滅菌的食品或酸度較高的飲料。另外，由于低聚異麥芽糖具有還原性末端，在一定條件下可發生美拉德反應，在食品加工過程中需注意。

1.2 生理功能

低聚異麥芽糖最直接的生理功能在于促進益生菌的生長。諸多體外實驗、動物實驗和人體實驗考察了低聚異麥芽糖對益生菌的增殖效果，并探討益生菌增殖后對動物生理系統的間接效應，對其作用機制也進行了初步分析。益生菌增殖后引起的間接效應有以下幾點：

1）調節腸道菌群，抑制致病菌生長，改善便秘。KOHMOTO T等[4-5]進行的人體實驗表明，定期攝入一定量的低聚異麥芽糖能夠提高腸道中雙歧桿菌和乳酸菌的數量和比例，同時降低某些致病菌如梭狀芽孢桿菌的數量和比例。益生菌大量繁殖使其所產的短鏈有機酸數量上升，降低腸道pH，促進腸蠕動，改善便秘。KIHARAM等[6]的鯉魚糞便體外發酵實驗和KETABIA等[7]的小鼠實驗都表明，低聚異麥芽糖能夠促進益生菌的增殖，促進其合成分泌短鏈脂肪酸。益生菌對于有害菌或致病菌的抑制作用主要通過以下三個途徑來實現[8]：一是益生菌如雙歧桿菌能夠分泌凝集素，可競爭性結合腸黏膜上皮細胞產生的糖蛋白，形成一道生物屏障，阻止致病菌的定植；二是益生菌大量產酸，降低腸道pH，不利于有害菌的生長；三是分泌非酸類的其他抑制物。

2）合成人體必需維生素，并促進礦物質吸收。雙歧桿菌能夠產生B族維生素和煙酸、葉酸等人體必需的維生素，腸道中短鏈脂肪酸的大量積累也能促進鈣、鐵、鎂等礦質元素的吸收[9]。

3）調節人體脂類物質代謝。YEN C H等[5]進行的人體實驗表明，低聚異麥芽糖可以顯著降低血液透析病人或便秘老人血液中總膽固醇和甘油三酯含量，降低低密度脂蛋白水平，對改善心腦血管疾病有重要意義，但關于其具體的作用機理還不是很清楚。

4）提高機體免疫力，預防直腸癌。炎癥性腸病、結直腸癌等疾病與腸道菌群失調有關，研究表明腸道內益生菌的增殖可調節腸道黏膜免疫、消除炎癥、預防癌癥的發生[11]。其作用機理表現在抑制致病菌定植和繁殖、修復腸上皮屏障功能、抑制腫瘤細胞增殖、抑制致癌化學物活性以及抗氧化。

另外，由于低聚異麥芽糖不能被齲齒鏈球菌利用[1]，代替蔗糖應用于食品中還可預防齲齒。

2 低聚異麥芽糖的生產方法

關于低聚異麥芽糖的制備和生產方法，國內外有諸多報道，研究重點為酶催化環節和分離純化環節。總體來說，低聚異麥芽糖的制備途徑有三種：

第一種以淀粉為原料，經液化、糖化、轉苷、分離純化得到，該方法也是大多數工業生產所采用的方法。

第二種直接以單糖或蔗糖為原料，經特異的轉苷酶轉化聚合得到，這種方法特異性高，可合成只含α-1,6-糖苷鍵的低聚糖，但原料和酶成本都較高，不適于工業化生產[12]。

第三種是用黑曲霉或重組后的酵母來代替葡萄糖轉苷酶進行發酵，以玉米漿或麥芽糖漿為培養基主要成分，生成低聚異麥芽糖[13]。

干昭波等[14]發明的一項專利以淀粉為原料，順次經調漿→液化→糖化→脫色→離交→轉苷→脫色→離交→濃縮→噴霧干燥，制成低聚異麥芽糖漿或糖粉。淀粉經液化糖化后轉變為含少量低聚糖的麥芽糖漿，再用特定的轉苷酶合成含有α-1,6-糖苷鍵的低聚異麥芽糖。該專利還重點保護了轉苷前的脫色、離交工藝，因為這兩步工藝能夠除去糖化液中的蛋白等雜質、降低離子強度，避免其影響轉苷酶的作用效果。轉苷后的脫色和離交工藝同樣也是為了去除糖漿中蛋白、雜質和離子，保證終產品的感官品質和理化指標。上述工藝是制備IMO-50的常用工藝，要制備IMO-90或更高純度的低聚異麥芽糖，還需通過色譜分離、膜過濾或酵母發酵等方式除去IMO-50中所含的非低聚異麥芽糖成分，主要是葡萄糖、麥芽糖。酶催化和分離純化是制備高純度低聚異麥芽糖的關鍵環節，是多年來研究的熱點。

2.1 酶催化環節

酶催化環節是低聚異麥芽糖生產的關鍵環節，α-葡萄糖轉苷酶是生產過程中最關鍵的一種酶。近些年來，國內外對該環節的研究主要集中在以下幾方面：一是提高α-葡萄糖轉苷酶的轉化效率或篩選高產α-葡萄糖轉苷酶的菌株；二是進行酶固定化和細胞固定化研究，以實現連續生產。

微生物中細菌、酵母、霉菌均能產生α-葡萄糖轉苷酶，其中以黑曲霉產酶活力最高，因此，國內外有諸多研究采用誘變手段和基因工程的手段來提高黑曲霉葡萄糖轉苷酶的表達和分泌。陳桂光等[15]以黑曲霉GXM-3為出發菌株進行60Co-γ射線與紫外線照射進行誘變育種，結果發現，葡萄糖轉苷效果最強的突變株比出發菌株的低聚異麥芽糖轉化率提高了37%，發酵周期縮短了40 h。林永賢等[16]用離子注入技術對黑曲霉出發菌株進行誘變處理，選育出一株高產突變株AL7，通過對產酶條件進行優化，其產酶量較出發菌株提高了4.18倍。另外，由于野生型黑曲霉多是胞內表達α-葡萄糖轉苷酶，童星等[17]以畢赤酵母Pichia pastorisKM71為宿主菌表達黑曲霉Aspergillus niger SG136的α-葡萄糖苷酶基因，所選表達載體pPIC9K含有分泌型信號肽，能夠促進葡萄糖苷酶的胞外表達。

為了實現葡萄糖轉苷的連續化進行，吳定等[18]用中空型殼聚糖分別固定了α-淀粉酶、β-淀粉酶、切枝普魯蘭酶和α-葡萄糖轉苷酶，分步進行液化、糖化、轉苷，可得到純度38.9%的IMO。周桂榮等[19]分別用海藻酸鹽、殼聚糖和卡拉膠固定α-葡萄糖轉苷酶，葡萄糖漿或麥芽糖漿連續通過轉苷反應器后，轉化率均能達到IMO-50的標準。固定化酶技術實現了轉苷過程的連續化生產，但也存在一些問題：如酶活力下降，最適pH和最適反應溫度偏移等。劉宗利等[13]發明的一項專利采用海藻酸鈉-氯化鈣-殼聚糖法固定黑曲霉細胞，以麥芽糖漿為原料進行連續轉苷，轉苷后發酵液中三糖含量達60%以上，優于固定化酶的效果。

2.2 分離純化環節

圍繞分離除去IMO-50型低聚異麥芽糖中的葡萄糖、麥芽糖和其他非IMO的低聚糖，提高IMO純度，常用的方法有三種：酵母發酵消耗、色譜分離純化、膜過濾濃縮。

酵母對不同碳源的利用能力和消耗速度不同，低聚異麥芽糖一般不能被酵母所利用，而葡萄糖和麥芽糖卻是酵母的良好碳源，利用酵母的這一特性，畢金峰等[20]篩選出了一株能夠快速消耗葡萄糖和麥芽糖而不消耗低聚異麥芽糖的酵母，該酵母在接種量5%～10%，pH值為5，溫度31℃，培養基中IMO-50含量為10%的條件下進行發酵，能夠使IMO純度達99%以上，葡萄糖、麥芽糖含量幾近為零。同樣岳振峰等[21]用馴化后的釀酒酵母As 2.109在pH值為4，溫度30～32℃，低聚異麥芽糖漿濃度250g/L的培養基上進行發酵40 h，可使低聚異麥芽糖純度由54.84%提升至90.83%。干昭波等[22]發明了一項專利“一種含有高蛋白的低聚異麥芽糖的制備方法”，往糖化轉苷后的糖漿中直接加入酵母發酵，也可得到IMO-90型的產品。上述幾種方法均采用游離酵母發酵，適用于小規模生產，對于大規模連續化生產具有一定的局限性。固定化酵母發酵具有細胞密度高、反應速度快、產物易分離、可實現連續化大規模生產等特點。畢金峰等[23]通過研究確定了海藻酸鈣固定酵母細胞的最佳工藝，分離純化得到的產品IMO含量接近100%。梁磊等[24]發明了一項專利，利用蜂窩結構的聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）載體來固定酵母，使用壽命長，對低聚異麥芽糖的純化效果好。總的來說，利用酵母發酵純化低聚異麥芽糖工藝簡單、成本較低、易于實現工業化生產，但也存在一些問題，如酵母發酵過程中會產生大量的乙醇和有異味的物質，如果后續精制處理不當，會影響產品感官。保齡寶公司采用酵母發酵純化低聚異麥芽糖的同時蒸發回收了酵母產生的乙醇，回收率達90%，節能減排，降低了成本[25]。

色譜分離技術是一種相對成熟、適用于工業化生產的技術，它利用待分離物質在分離介質中遷移速度的不同來實現不同組分的分離，目前廣泛應用在食品、醫藥、水處理等領域[26]：如制備色譜已廣泛應用于醫藥領域中手性藥物的分離，大型連續化離交設備用于水處理，大型的模擬移動床制備色譜用于果糖和葡萄糖的分離。同樣，該技術也可用于功能糖的分離。劉宗利等[27]的研究表明，采用六柱連續式模擬移動床分離低純度的低聚異麥芽糖漿，可得到三糖（異麥芽糖、潘糖、異麥芽三糖）含量在45%的高純度低聚異麥芽糖和含量75%以上的葡萄糖兩種產品，料水比為1∶1.5至1∶2；采用順序式模擬移動床，以強酸型陽離子樹脂為分離介質（如鈉型、鉀型），可分離得到3種組分：高純度低聚異麥芽糖、葡萄糖和聚合度＞4的低聚糖，其中，高純度低聚異麥芽糖中三糖（異麥芽糖、潘糖、異麥芽三糖）含量＞80%[28-29]。和酵母發酵法相比，該方法技術成熟、可實現大規模連續化標準化生產，且分離產物純度較高，沒有異味。

膜技術是用天然或人工合成的有機膜或無機膜，以外界能量或化學位差為推動力，對多組分溶液進行分離、分級、提純或富集的方法。包括反滲透、超濾、微濾、納濾、電滲析、膜電解、擴散滲析、透析等，在功能糖的分離純化過程中應用廣泛，如麥芽糖醇、赤蘚糖醇、低聚異麥芽糖的分離純化[30]。黃秀娟[31]研究了納濾法去除低聚異麥芽糖中單糖的可行性以及納濾條件對滲透通量和產品糖組分的影響，結果表明采用截留分子質量150～300 u之間的納濾膜，在0.7 MPa的操作壓力下，純化10倍時，葡萄糖的去除率達98.73%。納濾技術是一種綠色環保，可連續化生產的技術，但也存在一些問題，如：操作壓力較高，用水量大，如果原料體系污濁或膜選擇不當，極易出現堵塞現象。

除以上三種常用分離方法外，還有研究采用了葡萄糖氧化酶和過氧化氫酶聯產葡萄糖酸鈣的分離技術。王勇等[32]發明的專利，以黑曲霉發酵的葡萄糖母液為原料，依次加入碳酸鈣、過氧化氫酶和葡萄糖氧化酶把葡萄糖轉化為葡萄糖酸鈣，再經結晶分離分別得到葡萄糖酸鈣和高純度低聚異麥芽糖。姜艷軍等[33]發明的專利，以碳酸鈣為模板，在層層自組裝技術的基礎上，結合仿生硅化及仿生粘合實現了過氧化氫酶和葡萄糖氧化酶的分隔固定化，酶活性有所降低，但這種方式易于實現連續化生產。

3 展望

低聚異麥芽糖是世界上、也是我國需求量最大的一種功能性低聚糖，多年來，對其功能特性和生產方法的研究已開展得比較深入。但也存在一些問題，如低聚異麥芽糖調節人體脂類物質代謝的機制還不清楚，工業化生產中α-葡萄糖轉苷酶的轉化率只能達到40%～50%，且在生產中利用固定化酶或固定化細胞實現連續化生產的企業并不多，分離純化技術還有待優化等。因此，圍繞提高酶的轉化率、優化分離純化技術、如何實現連續化規模化生產、降低生產成本，還將有更多的研究和突破。

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Research progress on physicochemical properties and physiological functions and production of isomaltooligosaccharide

CHE Xianing1,LIN Hailong1,ZHAO Yongwu2,YAN Guangbiao2,WANG Manyi1*
(1.COFCO Nutrition and Health Research Institute,Beijing 102209,China; 2.COFCO Bio-energy and Bio-chemical(Gongzhuling)Co.,Ltd.,Jilin 136100,China)

s:Isomaltooligosaccharide(IMO)is composed of glucose monomers linked byα-1,6 glucosidic linkages with excellent physicochemical properties and physiological functions.It was wildly used in food,medicine,feed and health care products.The physicochemical properties and functions of IMO were reviewed,and the IMO production technologies about enzymes catalytical reactions,separation and purification were discussed as well.

Isomaltooligosaccharide;properties and functions;production technology;transglucosidase;separation and purification

TS245

A

0254-5071（2014）07-0020-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2014.07.004

2014-06-03

吉林省第九批高新技術特色產業基地（園區）項目資金（20130302017NY）

車夏寧（1986-），女，碩士，研究方向為糧油加工、生物分離技術。

*通訊作者：王滿意（1981-），男，高級工程師，博士，研究方向為生物化工。