功能性甜味剂

功能性甜味剂“塔格糖”的生产及应用塔格糖(tagatose)(见图1)是果糖在C一4手性碳原子上的对映异构体，分子质量180．16u，CAS87—81—0。它是一种很好的低能量食品甜味剂和填充剂，并具有抑制高血糖、改善肠道菌群、不致龋齿等多种生理功效。2001年，美国FDA批准塔格糖为GRAS。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，溶于水后还会引起沸点升高和冰点降低，但并不吸热，因此不会产生清凉的口感。塔格糖的吸湿性较低，酸性条件下的稳定性很好，在pH3～7范围内均可稳定存在。它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[1]。塔格糖的甜度为蔗糖的92％，是一种很好的填充型甜味剂。其甜味特性与蔗糖相似，无任何不良异味或后味。相对而言，塔格糖的甜味刺激较蔗糖快，与果糖类似。此外，塔格糖对强力甜味剂还有很好的协同增效作用，包括甜蜜素、糖精、阿斯巴甜、安赛蜜、甜菊糖、纽甜和三氯蔗糖等[2]。机体所摄取的塔格糖，并不能被小肠所完全吸收。被小肠吸收的塔格糖，通过肝脏，经糖酵解途径代谢。未被吸收的塔格糖则直接进入大肠后，几乎被其中的微生物菌群完全发酵。其发酵所产生的短链脂肪酸，几乎完全被机体重新吸收代谢。在诸多相关研究的基础上，美国FDA确认，塔格糖可在营养标签上标示其能量值为6280．2J／g[1]。塔格糖广泛存在于自然界中，许多食品(如灭菌牛乳、超高温灭菌乳、乳粉、热可可、各种干酪、某些品种的酸乳、婴儿配方食品)以及某些植物、药物中都存在有一定量的塔格糖[3]。塔格糖在机体内的吸收率较低，不会引起机体血糖水平的明显变化，很适合糖尿病人食用。研究显示，塔格糖并不会引起健康受试者和Ⅱ型糖尿病患者空腹血糖和胰岛素水平的明显变化，并可明显抑制糖尿病患者因摄入葡萄糖所引起的血糖升高[4]，但对其胰岛素敏感性并无明显作用。另据专利报道，塔格糖可缓解改善糖尿病的症状，抑制各种并发症的发生[5]。塔格糖抑制血糖升高的机制可能在于，塔格糖除吸收率较低外，同时还抑制了小肠对葡萄糖的吸收。机体摄入的塔格糖，仅有20％被小肠吸收。而绝大部分塔格糖直接进入结肠，被其中微生物菌群所选择性发酵，促进有益菌增殖，抑制有害菌的生长，起到明显的改善肠道菌群的作用，是一种很好的益生素(prebiotic)[6]。同时，塔格糖发酵还产生大量有益的短链脂肪酸(shortchainfatacid，SCFA)。尤其是丁酸，它是结肠上皮细胞的良好能量来源，并被为在抑制结肠癌、抑制肠道致病菌(如大肠杆菌等)以及促进乳酸菌等有益菌的生长等方面都有良好作用。有研究认为，塔格糖起到明显益生素作用的最低剂量为7．5g／d。研究显示，塔格糖并不会降低牙斑的pH值，而不会引起龋齿[1]。它在抑制齿蚀斑、消除El臭方面有良好功效，因此在El腔产品方面用途广泛，可用于抑制龋齿、齿龈炎等牙齿疾病，消除El臭以及洁齿等。2002年12月2日美国FDA发表声明，基于诸多科学研究成果，可以确认塔格糖不被口腔细菌发酵，不会导致龋齿。还有研究显示，对于健康受试者和Ⅱ型糖尿病患者，塔格糖可适当而持续地降低其体重[1]。另据专利报道，塔格糖对促进血液健康十分有利[7]，有助于提高雌鼠怀孕的几率并促进母体及胚胎健康[8]。此外，塔格糖还可增强细胞对毒素的敏感性，并可显著抑制可卡因(cocaine)、呋喃妥英(nitrofurantoin)等对肝细胞的毒害作用[9]。大量安全毒理学试验显示，塔格糖安全无毒。2001年4月11日，美国FDA批准塔格糖作为GRAS用于食品。后来，澳大利亚和新西兰也批准了塔格糖在食品中的应用。但过量食用塔格糖仍可能导致轻微的肠胃不适，如肠胃气胀、腹泻等，其原因可能主要在于机体对塔格糖的吸收障碍2001年6月，FAO／wHO食品添加剂专家委员会(jointFAO／WHOex—pertcommitteeonfoodadditives，JECFA)批准塔格糖作为食品添加剂，ADI值为0～80mg／kg·d[1]。2、塔格糖的生产技术塔格糖的生产，一般以半乳糖为原料，通过化学方法或酶法进行异构化反应而成。其中，半乳糖原料可由乳糖水解得到。也有研究使用半乳糖醇为原料，经生物氧化为塔格糖。但半乳糖醇价格较高，目前暂不适宜用作工业化生产原料。2．1塔格糖的化学合成工艺塔格糖的化学合成是以半乳糖为原料，主要包括异构化和酸中和2个步骤[10]。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，生成金属氢氧化物一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。其中，半乳糖可由乳糖水解而得。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，金属氢氧化物反应物最好采用Ca(OH)2，或Ca(OH)2与NaOH的混合物。一般是加入Ca(OH)2混合水而成的水溶浆，或者加入石灰(CaO)混合水发生水合作用后的产物。碱金属盐(或碱土金属盐)催化剂通常采用CaCI2，用量约为半乳糖摩尔数的1％～5％。异构化反应应在碱性、低温条件下进行，控制在pH10、一15～40*(2范围内。酸中和的目的是生成不溶性金属盐，而将塔格糖从复合物中间体中释放出来。剩余的离子则通过离子交换树脂除去。中和酸可使用HSO4、HPO4或HCI等，以C02为最佳。根据反应体系的pH值来控制酸中和反应的进程，当pH7时，中和反应结束。在加酸过程中，反应体系温度应控制在25*(2以下．以yoI3'1No1(Total205)避免不利副反应的发生。最后，将塔格糖从反应液中结晶过滤出来。例如，在230L不锈钢反应釜中加入10，0kg乳糖和40L去离子水，搅拌混匀，升温至5013。加入乳糖酶，水解6h直至水解基本完成，得到含45％葡萄糖、45％半乳糖和10％乳糖的乳糖水解液。将乳糖水解液降温至25℃后，再顺序加入154gCaCI2、Ca(OH)2水溶浆(2.0kgCa(oH)2加2．5L水)。然后，加入适量质量分数10％NaOH溶液，调整pH12.5。反应3h后，反应物变得稠厚，开始形成沉淀。将沉淀物过滤、离心后，得到糊状滤饼。在滤饼中混入25L水，制成悬浮液。然后，通入适量CO2中和，至最终pH6.5。在中和过程中，滤饼溶解，同时形成塔格糖终产物和CaCO沉淀。反应液经离心分离、去离子、结晶等步骤，即可提纯出塔格糖。HPLC分析显示，塔格糖产率可达到47．6％。2．2塔格糖的酶法合成研究显示，L，阿拉伯糖异构酶(AraA，EC5.3．1.4)对三维构型相似的L一阿拉伯糖和D一半乳糖的异构化都具有催化活性，可将其分别异构化L一核酮糖和D一塔格糖[11、12]。发酵乳杆菌(Lactobacillusfermentum)、Lactobacilluspentosus、Lactobacillusmannitopous、Lactobacillusbuchneri、Lactobacillusbrevis、Lactobacilluspentoaceticus、Lactobacilluslycopersici等乳杆菌属，产气杆菌(Aerobacteraerogenes)，医学环状杆菌(Bacillusamyloliquefaciens)，枯草杆菌(Bacillussubtilis)，产朊假丝酵母(Candida“tilis)，丙酮丁酸梭状芽孢杆菌(Cl0stridi“acetobutylicum)，大肠杆菌(EscherichiⅡcoli)，Erwiniacativosa，分枝杆菌(Mycobacterium)，鼠伤寒沙门氏菌(Salmonellatyphimurium)，以及小球菌(Pediococcus，如Pediococcuspentosaceous)、节杆菌(Arthrobacter)等，都可以发酵产生AraA。以L．阿拉伯糖为碳源，经pH5．5～7．0、30～40℃发酵，即可得到诱导酶L一阿拉伯糖异构酶。根据AraA来源的不同，其异构化作用的最佳条件也不尽相同。通常采用20～80~C、pH4．0～9．0．最好是在50～70*(2、pH5．5～7．0条件下进行异构化。也有某些突变菌系产生的L一阿拉伯糖异构酶，可在高达100℃温度下进行异构化作用。有研究将源自超嗜热菌(ThermotoganeapolitⅡⅡ)的AraA编码基因，在大肠杆菌中复制、重组、表达，得到热稳定性非常好的重组体AraA[13]。D一半乳糖的浓度，明显影响着异构化反应的速率和转化率。原料D一半乳糖的浓度较高时，其转化为塔格糖的酶反应过程的米氏常数Km通常较高，因此塔格糖的产率也较高。若原料D一半乳糖的浓度较低，那么塔格糖的产率则依赖于生产酶的菌种。图2示出以乳糖渗透物(Lactosepermeate，干酪乳清或牛乳经超滤处理后得到，含有2％～6％乳糖、0．2％～0．4％蛋白质、0．2％～0．6％盐以及微量脂肪)为原料制备塔格糖的工艺流程_1。乳糖渗透物经超滤(1)去除蛋白质，经暂贮槽(2)，通过反渗透(3)脱盐并浓缩。浓缩液经微滤(4)分离去除高分子量物质(细菌，也就是不溶性蛋白)，由固定化乳糖酶水解(5)为葡萄糖和半乳糖混合物(葡萄糖：半乳糖约为1：1)。乳糖水解物经半连续式发酵(6)，葡萄糖被酵母或细菌发酵生成乙醇，经真空泵(15)、蒸馏(16)回收。或者也可先离心(7)得到无细胞液体，再蒸馏(16)回收乙醇，微生物细胞则返回发酵罐(6)。蒸馏回收的乙醇泵入储罐(7)，为副产品。未被发酵的半乳糖，经异构化(8)，得到半乳糖与塔格糖混合物。然后，经阳离子交换柱(9)，去离子水选择性洗脱(10)，而分离得到塔格糖粗液。未被异构化的半乳糖，返回异构化柱(8)再次进行异构化作用。塔格糖粗液经蒸发浓缩(11)后，结晶(12)，过滤，干燥，即为成品。结晶过程中，引入适量乙醇及塔格糖晶种，以利于结晶。乙醇经过滤回收后，返回结晶罐(12)，可循环使用。2．3由半乳糖醇生物转化为塔格糖研究显示，醋酸菌(AcPticacidbactPr)可将半乳糖醇生物转化为塔格糖[15]。研究显示，醋酸杆菌(Acetobactersp．)产塔格糖的产率较低，仅有3～35mg／L；而葡萄糖酸菌(Gluconobactersp．)氧化半乳糖醇为塔格糖的产率很高，达到100～160mg／L。其中，GluconobacterMIM1000／9的塔格糖产率最高，24h内氧化5g／L半乳糖醇为tagatgose达到158mg／L。而且，未发现有半乳糖和果糖副产物。为提高塔格糖产率，在培养基中逐渐增加半乳糖醇的添加量，以诱导G．oxydansDSM2343菌株逐渐适应较高浓度的半乳糖醇。结果显示，其半乳糖醇脱氢酶活力和塔格糖产率显著提高，培养24h后塔格糖产量最高达到3160mg／L(20g／L半乳糖醇，24h)，转化速率达到6．6×10。L／h。3、塔格糖的应用表1为美国规定的塔格糖在食品中的使用范围及限量[1]。3．1塔格糖的风味增强作用塔格糖对强力甜味剂具有很好的甜味协同增效作用[1]。只要添加很少数量的塔格糖，就可起到明显的甜味增强作用。当塔格糖与强力甜味剂协同使用时，它可替代相当数量的强力甜味剂，其用量甚至可低于甜味阈值。0．1～50g／kg的塔格糖即可起到很好的甜味协同增效作用，尤其是在0．5～20g／kg用量时。通过塔格糖和强力甜味剂的配合使用，可大大提高其甜度，并明显改善其口感、风味和后味。塔格糖对多种强力甜味剂具有良好的协同增效作用，包括甜蜜素、糖精、阿斯巴甜、安赛蜜、甘草甜素、甜菊糖、罗汉果苷、索马甜、阿力甜、纽甜和三氯蔗糖等。根据强力甜味剂的品种、终产品甜度及感官要求(口感、后味和风味)的不同，塔格糖与甜味剂的质量比通常为1：1～1000：1，更好是在4：1～200：1之间[2]。感官分析显示，在柠檬十饮料和可乐饮料体系中，少量塔格糖的添加，即可明显改善产品的口感，降低因强力甜味剂(如安赛蜜、糖精等)带来的苦后味、金属后味和涩味等，并使产品的甜味刺激来得更快，