低聚异麦芽糖理化功能特性及生产方法研究进展

车夏宁，林海龙，赵永武，闫广飚，王满意*（.中粮营养健康研究院，北京009；.中粮生化能源（公主岭）有限公司，吉林公主岭3600）

低聚异麦芽糖理化功能特性及生产方法研究进展

车夏宁1，林海龙1，赵永武2，闫广飚2，王满意1*
（1.中粮营养健康研究院，北京102209；2.中粮生化能源（公主岭）有限公司，吉林公主岭136100）

低聚异麦芽糖是由α-1,6-糖苷键结合的功能性低聚糖，具有优良的理化特性和显著的生理功能，广泛应用于医药、食品、保健品及饲料行业。文中综述了低聚异麦芽糖的理化特性和生理功能，并从酶催化、分离纯化环节探讨了低聚异麦芽糖的生产技术。

低聚异麦芽糖；功能特性；生产工艺；葡萄糖转苷酶；分离纯化

低聚异麦芽糖（isomaltooligosaccharide，IMO）为淀粉糖的一种，主要成分为α-1,6-糖苷键结合的异麦芽糖（isomaltose，IG2）、潘糖（panose，P）、异麦芽三糖（isomaltotriose，IG3）及四糖（isomaltotetraose，IG4）以上的低聚糖，是我国开发最早、需求量最大的功能性低聚糖。

低聚异麦芽糖的生产和应用最先源于日本，由日本林原商事、日本食品化工、日本昭和产业、日本资粮工业联合研制开发成功，1985年由日本昭和产业率先推广入市场[1]。我国对低聚异麦芽糖的开发研究始于20世纪90年代，1997年由山东保龄宝生物股份有限公司率先实现工业化生产，2010年该公司低聚异麦芽糖销量达11万t。目前市场上的低聚异麦芽糖商品有IMO-50和IMO-90两种，分别有糖浆和糖粉两种产品形态。按照GB 20881—2007《低聚异麦芽糖》规定，IMO-50中低聚异麦芽糖含量需占干物质总量的50%以上，其中异麦芽糖、潘糖、异麦芽三糖（简称三糖”）占干物质总量的35%以上；IMO-90要求IMO含量达90%以上，三糖含量达45%以上[2]。低聚异麦芽糖具有优良的理化特性和显著的生理功能，广泛应用于食品、保健品、医药和饲料行业。

1 低聚异麦芽糖的理化功能特性

1.1 理化特性

低聚异麦芽糖浆为无色或淡黄色、透明的黏稠液体，其糖粉为无定形白色粉末，甜度为蔗糖的45%～50%，甜味纯正，热量低，是糖尿病人的理想代糖[3]。低聚异麦芽糖浆的黏度高于同浓度的蔗糖，低于麦芽糖，具有良好的保湿性和较高的渗透压，因此用于糖果、糕点、冷饮中可防止淀粉老化、避免葡萄糖或蔗糖的析出，使产品具有湿润、细腻、柔软的口感[1]。低聚异麦芽糖能够耐受较低的pH和较高的温度，可添加于高温灭菌的食品或酸度较高的饮料。另外，由于低聚异麦芽糖具有还原性末端，在一定条件下可发生美拉德反应，在食品加工过程中需注意。

1.2 生理功能

低聚异麦芽糖最直接的生理功能在于促进益生菌的生长。诸多体外实验、动物实验和人体实验考察了低聚异麦芽糖对益生菌的增殖效果，并探讨益生菌增殖后对动物生理系统的间接效应，对其作用机制也进行了初步分析。益生菌增殖后引起的间接效应有以下几点：

1）调节肠道菌群，抑制致病菌生长，改善便秘。KOHMOTO T等[4-5]进行的人体实验表明，定期摄入一定量的低聚异麦芽糖能够提高肠道中双歧杆菌和乳酸菌的数量和比例，同时降低某些致病菌如梭状芽孢杆菌的数量和比例。益生菌大量繁殖使其所产的短链有机酸数量上升，降低肠道pH，促进肠蠕动，改善便秘。KIHARAM等[6]的鲤鱼粪便体外发酵实验和KETABIA等[7]的小鼠实验都表明，低聚异麦芽糖能够促进益生菌的增殖，促进其合成分泌短链脂肪酸。益生菌对于有害菌或致病菌的抑制作用主要通过以下三个途径来实现[8]：一是益生菌如双歧杆菌能够分泌凝集素，可竞争性结合肠黏膜上皮细胞产生的糖蛋白，形成一道生物屏障，阻止致病菌的定植；二是益生菌大量产酸，降低肠道pH，不利于有害菌的生长；三是分泌非酸类的其他抑制物。

2）合成人体必需维生素，并促进矿物质吸收。双歧杆菌能够产生B族维生素和烟酸、叶酸等人体必需的维生素，肠道中短链脂肪酸的大量积累也能促进钙、铁、镁等矿质元素的吸收[9]。

3）调节人体脂类物质代谢。YEN C H等[5]进行的人体实验表明，低聚异麦芽糖可以显著降低血液透析病人或便秘老人血液中总胆固醇和甘油三酯含量，降低低密度脂蛋白水平，对改善心脑血管疾病有重要意义，但关于其具体的作用机理还不是很清楚。

4）提高机体免疫力，预防直肠癌。炎症性肠病、结直肠癌等疾病与肠道菌群失调有关，研究表明肠道内益生菌的增殖可调节肠道黏膜免疫、消除炎症、预防癌症的发生[11]。其作用机理表现在抑制致病菌定植和繁殖、修复肠上皮屏障功能、抑制肿瘤细胞增殖、抑制致癌化学物活性以及抗氧化。

另外，由于低聚异麦芽糖不能被龋齿链球菌利用[1]，代替蔗糖应用于食品中还可预防龋齿。

2 低聚异麦芽糖的生产方法

关于低聚异麦芽糖的制备和生产方法，国内外有诸多报道，研究重点为酶催化环节和分离纯化环节。总体来说，低聚异麦芽糖的制备途径有三种：

第一种以淀粉为原料，经液化、糖化、转苷、分离纯化得到，该方法也是大多数工业生产所采用的方法。

第二种直接以单糖或蔗糖为原料，经特异的转苷酶转化聚合得到，这种方法特异性高，可合成只含α-1,6-糖苷键的低聚糖，但原料和酶成本都较高，不适于工业化生产[12]。

第三种是用黑曲霉或重组后的酵母来代替葡萄糖转苷酶进行发酵，以玉米浆或麦芽糖浆为培养基主要成分，生成低聚异麦芽糖[13]。

干昭波等[14]发明的一项专利以淀粉为原料，顺次经调浆→液化→糖化→脱色→离交→转苷→脱色→离交→浓缩→喷雾干燥，制成低聚异麦芽糖浆或糖粉。淀粉经液化糖化后转变为含少量低聚糖的麦芽糖浆，再用特定的转苷酶合成含有α-1,6-糖苷键的低聚异麦芽糖。该专利还重点保护了转苷前的脱色、离交工艺，因为这两步工艺能够除去糖化液中的蛋白等杂质、降低离子强度，避免其影响转苷酶的作用效果。转苷后的脱色和离交工艺同样也是为了去除糖浆中蛋白、杂质和离子，保证终产品的感官品质和理化指标。上述工艺是制备IMO-50的常用工艺，要制备IMO-90或更高纯度的低聚异麦芽糖，还需通过色谱分离、膜过滤或酵母发酵等方式除去IMO-50中所含的非低聚异麦芽糖成分，主要是葡萄糖、麦芽糖。酶催化和分离纯化是制备高纯度低聚异麦芽糖的关键环节，是多年来研究的热点。

2.1 酶催化环节

酶催化环节是低聚异麦芽糖生产的关键环节，α-葡萄糖转苷酶是生产过程中最关键的一种酶。近些年来，国内外对该环节的研究主要集中在以下几方面：一是提高α-葡萄糖转苷酶的转化效率或筛选高产α-葡萄糖转苷酶的菌株；二是进行酶固定化和细胞固定化研究，以实现连续生产。

微生物中细菌、酵母、霉菌均能产生α-葡萄糖转苷酶，其中以黑曲霉产酶活力最高，因此，国内外有诸多研究采用诱变手段和基因工程的手段来提高黑曲霉葡萄糖转苷酶的表达和分泌。陈桂光等[15]以黑曲霉GXM-3为出发菌株进行60Co-γ射线与紫外线照射进行诱变育种，结果发现，葡萄糖转苷效果最强的突变株比出发菌株的低聚异麦芽糖转化率提高了37%，发酵周期缩短了40 h。林永贤等[16]用离子注入技术对黑曲霉出发菌株进行诱变处理，选育出一株高产突变株AL7，通过对产酶条件进行优化，其产酶量较出发菌株提高了4.18倍。另外，由于野生型黑曲霉多是胞内表达α-葡萄糖转苷酶，童星等[17]以毕赤酵母Pichia pastorisKM71为宿主菌表达黑曲霉Aspergillus niger SG136的α-葡萄糖苷酶基因，所选表达载体pPIC9K含有分泌型信号肽，能够促进葡萄糖苷酶的胞外表达。

为了实现葡萄糖转苷的连续化进行，吴定等[18]用中空型壳聚糖分别固定了α-淀粉酶、β-淀粉酶、切枝普鲁兰酶和α-葡萄糖转苷酶，分步进行液化、糖化、转苷，可得到纯度38.9%的IMO。周桂荣等[19]分别用海藻酸盐、壳聚糖和卡拉胶固定α-葡萄糖转苷酶，葡萄糖浆或麦芽糖浆连续通过转苷反应器后，转化率均能达到IMO-50的标准。固定化酶技术实现了转苷过程的连续化生产，但也存在一些问题：如酶活力下降，最适pH和最适反应温度偏移等。刘宗利等[13]发明的一项专利采用海藻酸钠-氯化钙-壳聚糖法固定黑曲霉细胞，以麦芽糖浆为原料进行连续转苷，转苷后发酵液中三糖含量达60%以上，优于固定化酶的效果。

2.2 分离纯化环节

围绕分离除去IMO-50型低聚异麦芽糖中的葡萄糖、麦芽糖和其他非IMO的低聚糖，提高IMO纯度，常用的方法有三种：酵母发酵消耗、色谱分离纯化、膜过滤浓缩。

酵母对不同碳源的利用能力和消耗速度不同，低聚异麦芽糖一般不能被酵母所利用，而葡萄糖和麦芽糖却是酵母的良好碳源，利用酵母的这一特性，毕金峰等[20]筛选出了一株能够快速消耗葡萄糖和麦芽糖而不消耗低聚异麦芽糖的酵母，该酵母在接种量5%～10%，pH值为5，温度31℃，培养基中IMO-50含量为10%的条件下进行发酵，能够使IMO纯度达99%以上，葡萄糖、麦芽糖含量几近为零。同样岳振峰等[21]用驯化后的酿酒酵母As 2.109在pH值为4，温度30～32℃，低聚异麦芽糖浆浓度250g/L的培养基上进行发酵40 h，可使低聚异麦芽糖纯度由54.84%提升至90.83%。干昭波等[22]发明了一项专利“一种含有高蛋白的低聚异麦芽糖的制备方法”，往糖化转苷后的糖浆中直接加入酵母发酵，也可得到IMO-90型的产品。上述几种方法均采用游离酵母发酵，适用于小规模生产，对于大规模连续化生产具有一定的局限性。固定化酵母发酵具有细胞密度高、反应速度快、产物易分离、可实现连续化大规模生产等特点。毕金峰等[23]通过研究确定了海藻酸钙固定酵母细胞的最佳工艺，分离纯化得到的产品IMO含量接近100%。梁磊等[24]发明了一项专利，利用蜂窝结构的聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）载体来固定酵母，使用寿命长，对低聚异麦芽糖的纯化效果好。总的来说，利用酵母发酵纯化低聚异麦芽糖工艺简单、成本较低、易于实现工业化生产，但也存在一些问题，如酵母发酵过程中会产生大量的乙醇和有异味的物质，如果后续精制处理不当，会影响产品感官。保龄宝公司采用酵母发酵纯化低聚异麦芽糖的同时蒸发回收了酵母产生的乙醇，回收率达90%，节能减排，降低了成本[25]。

色谱分离技术是一种相对成熟、适用于工业化生产的技术，它利用待分离物质在分离介质中迁移速度的不同来实现不同组分的分离，目前广泛应用在食品、医药、水处理等领域[26]：如制备色谱已广泛应用于医药领域中手性药物的分离，大型连续化离交设备用于水处理，大型的模拟移动床制备色谱用于果糖和葡萄糖的分离。同样，该技术也可用于功能糖的分离。刘宗利等[27]的研究表明，采用六柱连续式模拟移动床分离低纯度的低聚异麦芽糖浆，可得到三糖（异麦芽糖、潘糖、异麦芽三糖）含量在45%的高纯度低聚异麦芽糖和含量75%以上的葡萄糖两种产品，料水比为1∶1.5至1∶2；采用顺序式模拟移动床，以强酸型阳离子树脂为分离介质（如钠型、钾型），可分离得到3种组分：高纯度低聚异麦芽糖、葡萄糖和聚合度＞4的低聚糖，其中，高纯度低聚异麦芽糖中三糖（异麦芽糖、潘糖、异麦芽三糖）含量＞80%[28-29]。和酵母发酵法相比，该方法技术成熟、可实现大规模连续化标准化生产，且分离产物纯度较高，没有异味。

膜技术是用天然或人工合成的有机膜或无机膜，以外界能量或化学位差为推动力，对多组分溶液进行分离、分级、提纯或富集的方法。包括反渗透、超滤、微滤、纳滤、电渗析、膜电解、扩散渗析、透析等，在功能糖的分离纯化过程中应用广泛，如麦芽糖醇、赤藓糖醇、低聚异麦芽糖的分离纯化[30]。黄秀娟[31]研究了纳滤法去除低聚异麦芽糖中单糖的可行性以及纳滤条件对渗透通量和产品糖组分的影响，结果表明采用截留分子质量150～300 u之间的纳滤膜，在0.7 MPa的操作压力下，纯化10倍时，葡萄糖的去除率达98.73%。纳滤技术是一种绿色环保，可连续化生产的技术，但也存在一些问题，如：操作压力较高，用水量大，如果原料体系污浊或膜选择不当，极易出现堵塞现象。

除以上三种常用分离方法外，还有研究采用了葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶联产葡萄糖酸钙的分离技术。王勇等[32]发明的专利，以黑曲霉发酵的葡萄糖母液为原料，依次加入碳酸钙、过氧化氢酶和葡萄糖氧化酶把葡萄糖转化为葡萄糖酸钙，再经结晶分离分别得到葡萄糖酸钙和高纯度低聚异麦芽糖。姜艳军等[33]发明的专利，以碳酸钙为模板，在层层自组装技术的基础上，结合仿生硅化及仿生粘合实现了过氧化氢酶和葡萄糖氧化酶的分隔固定化，酶活性有所降低，但这种方式易于实现连续化生产。

3 展望

低聚异麦芽糖是世界上、也是我国需求量最大的一种功能性低聚糖，多年来，对其功能特性和生产方法的研究已开展得比较深入。但也存在一些问题，如低聚异麦芽糖调节人体脂类物质代谢的机制还不清楚，工业化生产中α-葡萄糖转苷酶的转化率只能达到40%～50%，且在生产中利用固定化酶或固定化细胞实现连续化生产的企业并不多，分离纯化技术还有待优化等。因此，围绕提高酶的转化率、优化分离纯化技术、如何实现连续化规模化生产、降低生产成本，还将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术特色产业基地（园区）项目资金（20130302017NY）

车夏宁（1986-），女，硕士，研究方向为粮油加工、生物分离技术。

*通讯作者：王满意（1981-），男，高级工程师，博士，研究方向为生物化工。