塔格糖制备方法研究进展
摘要：塔格糖是一种天然的低能量填充型甜味剂, 并具有抑制高血糖、改善肠道菌群和不致龋齿等多种生理功效。目前主要通过生物和化学两种方法合成。D- 塔格糖是果糖的“差向异构体”, 是一种己酮糖。2001 年, 美国 FDA 批准塔格糖为普遍公认安全食品 ( GRAS) 。其甜味与蔗糖相当, 与蔗糖相比具有低热量, 不会致龋齿等功能。此外, 塔格糖对强力甜味剂还有很好的协同增效作用。因此, 充分利用塔格糖的优越性质, 将其应用于食品、医药和化妆品等领域具有重要意义。
1 塔格糖的性质与功能
纯净的塔格糖为白色无水晶体物质, 无臭, 熔点 134 ℃, 玻璃化温度 15 ℃。其水溶性很好, 吸湿性较低, 酸性条件下的稳定性很好, 在 pH 3~7范围内可稳定存在。他很容易发生美拉德褐变,在较低的温度下即可发生焦糖化反应。
塔格糖的四大功能: 低能量, 降血糖, 改善肠道菌群和抗龋齿。下面分别对这四个功能进行阐述。
1.1 低能量
机体所摄入的塔格糖, 并不能被小肠完全吸收。动物实验显示, 塔格糖在代谢过程中所消耗的能量比他释放的可利用能量还要多, 不会引起脂肪沉淀, 所提供的能量远低于蔗糖。因此, 塔格糖是一种新型的低能量甜味剂, 可以减少肥胖症的发生。
1.2 降血糖
研究发现, 对于健康的人和糖尿病Ⅱ型患者,塔格糖的摄入不会引起血糖和胰岛素水平的明显变化, 而且可以明显抑制糖尿病患者因摄入葡萄糖所引起的血糖升高。
1.3 改善肠道菌群
机体所摄入的塔格糖有 80 %不能被小肠吸收,这部分不被吸收的塔格糖在结肠中被一些微生物菌群发酵利用, 促进有益菌增值, 抑制有害菌生长,明显改善肠道菌群。并有研究认为, 塔格糖能起到抑制结肠癌、抑制肠道致病菌以及促进乳酸菌等有益菌生长的作用。
1.4 抗龋齿
研究发现塔格糖不能被口腔中的微生物所利用, 不会降低牙斑的 pH 值, 因而不会引起龋齿。塔格糖在抑制齿蚀斑、消除口臭方面有良好功效,可以应用于口腔产品, 如牙膏, 口香糖等。
2 塔格糖的制备方法
目前国内还未有塔格糖工业化生产的报道,国外塔格糖的生产主要是以半乳糖为原料, 通过生物方法和化学方法进行异构化而成。
2.1 化学方法
Beadle 等采用一种化学方法即两步法从半乳糖生产塔格糖, 主要包括异构化和酸中和两个步骤。
首先, 以可溶性碱金属盐或碱土金属盐为催化剂,将半乳糖与金属氢氧化物发生异构化反应, 生成金属氢氧化物 - 塔格糖复合物中间体沉淀。然后, 以酸中和复合物中间体, 得到塔格糖终产物。
半乳糖的异构化是塔格糖化学合成反应的关键。基于成本的考虑, 金属氢氧化物较好采用Ca(OH)2或 Ca(OH)2与 NaOH 的混合物。碱金属盐催化剂通常采用 CaCl2。异构化反应应在碱性、低温条件下进行, 一般采用 pH 值 12.5, 温度 25℃。异构化作用是形成金属氢氧化物 - 塔格糖复合物中间体。不溶性复合物中间体的形成, 有利于异构化向正方向发生, 不溶性复合物中间体沉淀下来可与其他副产物进行有效分离。
酸中和目的是生成不溶性金属盐, 将塔格糖与金属复合物中间体分开。中和酸以 CO2为, 因为用 CO2中和 Ca(OH)2塔格糖复合物时形成 CaCO3沉淀, 而塔格糖是可溶的, 所以容易将塔格糖分离出来, 而且 CaCO3加热转化为 CaO 后可以重新利用。根据反应体系的 pH 值来控制酸中和反应的进程, pH 值为 6.5 时, 中和反应结束。Fabrice 等采用铝酸钾为催化剂异构化半乳糖生产塔格糖。首先将半乳糖溶解在水中, 加热到 35 ℃使悬浊液变得澄清。然后将半乳糖溶液转移到反应釜中, 加入铝酸钾溶液, 搅拌, 在 55 ℃反应 3 h。
然后混合物冷却到 0 ℃ ~ 5 ℃, 搅拌, 加入质量分数 30 %H2SO4溶液, 直到反应混合物的中心温度为35 ℃, pH 值为 2。当反应混合物的温度为 10 ℃时生成十二水硫酸铝钾沉淀。过滤, 除去沉淀, 剩余溶液用离子交换树脂纯化。获得的溶液在 45 ℃下减压浓缩, 液相色谱分析表明塔格糖含量为 83.9 %。
2.2 生物方法
采用生物法进行生产的第一种途径是将半乳糖醇氧化成塔格糖, 这主要是利用微生物所产生的脱氢酶进行催化作用。Izumori 等利用 Mycobacteriumsmegatis 和 Arthrobacter globiformis 菌株将半乳糖醇氧化成塔格糖。Muniruzzaman 等发现从土壤中分离得到的菌株 Enterobactor applomerans 和 Klebsiellapneumoniae 也能够将半乳糖醇氧化成塔格糖。Man-zoni 等进行研究后发现醋酸菌也可利用半乳糖醇作为底物生成塔格糖。因为半乳糖醇是一种比较昂贵的物质, 所以这种方法的商业应用价值并不大。
第二种生物法主要是利用微生物所产生的异构酶将半乳糖异构成塔格糖。半乳糖价格要低于半乳糖醇, 以他作为原料进行生产可行性较高。研究表明, L- 阿拉伯糖异构酶对三维构型相似的 L- 阿拉伯糖和 D- 半乳糖的异构化都具有催化活性, 可分别将其异构化为 L- 核酮糖和 D- 塔格糖。如以乳糖渗透物为原料酶法制备塔格糖, 其工艺流程是:
乳糖渗透物→滤→反渗透→微滤→水解→浓缩→发酵→异构化→浓缩→结晶→成品
Pil 等人从温泉地带发现了一株耐热性的菌株,并对从中所提出的具有热稳定性的半乳糖异构酶进行了基因改造, 使其中六个氨基酸发生改变, 从而获得了一个比以前酶活提高 11 倍的酶—Gali152。后来 Pil 等人将获得的具有热稳定性和较高酶活的Gali152 固定在藻酸盐颗粒上进行实验, 发现可以显著提高塔格糖产量。
利用微生物所产生的异构酶将半乳糖异构成塔格糖的主要弊端在于进行生产所用酶的来源菌种不是食用级微生物 。Cheetham 等利用 Lactobacillusgayonii 代谢产生的 L- 阿拉伯糖异构酶成功转化半乳糖生成塔格糖, 首次提出利用乳酸菌生产塔格糖的设想。张华等人利用从泡菜中分离的乳酸菌, 通过初筛和复筛, 获得 1 株高产塔格糖的乳酸菌SK1.002。在含 1 g / 100 mL半乳糖发酵液中发酵培养 12 h, 塔格糖含量达 4.50 mg / mL, 表明利用乳酸菌进行生物转化生产塔格糖是可行的。翁玮慧等从筛选的一株乳酸菌中得到 L- 阿拉伯糖异构酶,L- 阿拉伯糖异构酶粗酶的最适反应温度和 pH 值分别是 60 ℃和 7.0, 在 pH 4.0 ~ 8.0 的范围内和 30 ℃ ~60 ℃下具有较好的稳定性。Mn2+、Li+、Zn2+、Cu2+等离子对该酶有激活作用, 而 Ba2+、Mg2+、Fe2+几乎完全抑制酶活。采用 40 %湿重细胞反应, 半乳糖浓度0.83mol/L, 在 72 h 转化率达到最高为 38.9 %。
来源：惠合浓缩器
