功能性甜味剂汇总.docx

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功能性甜味剂汇总

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

ffil小堆格糖的化学給构

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134C，玻璃化温度15C。

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H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⑸。

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）o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/do

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EI臭方面有良好功效，因此在EI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EI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H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，FAQ/wHO食品添加剂专家委员会（jointFAO/WHOe—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pH>10—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HS04HPO4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pH<7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yol3'1No1（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25C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,EC

5.3.1.4）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（Bacillus

amyloliquefaciens），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（Escherichincoli）,Erwiniacativosa，分枝杆菌（Mycobacterium），鼠伤寒沙门氏菌（Salmonellatyphimurium）,以及小球菌（Pediococcus，女口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、30〜40C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100C温度下进行异构化作用。

有研究将源自超

嗜热菌（Thermotoganeapolitnn）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—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。

ffi2ia乳糖瀋透物为原料齣肚制篩嗒梢畅的匚艺甌弄

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，弓I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.oxydansDSM

2343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6.6X10。

L/h。

3、塔