一种低聚果糖及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种低聚果糖及其制备方法。


背景技术：

2.低聚果糖(fructiooligosaccharides，简称fos)是由果糖基葡萄糖基成的直链低聚糖，其结构有两种形式：一种是蔗糖分子的果糖残基上通过β(2-1)糖苷键连接1-8个分子果糖基而成，其结构式表示为gf2-gf9(g为葡萄糖基，f为果糖基)，常规条件生成的低聚果糖分子为gf2-gf5(即蔗果3糖至蔗果6糖，且以蔗果3糖、蔗果4糖为主，蔗果5糖较少，蔗果6糖极微)；另一种是由3-9个果糖残基通过β(2-1)糖苷键连接而成，其结构式表示为f3-f9。
3.低聚果糖是一种天然活性物质，具有调节肠道菌群，增殖双歧杆菌，促进钙的吸收，调节血脂，免疫调节，抗龋齿等保健功能的新型甜味剂，被誉为继抗生素时代后最具潜力的新一代添加剂——促生物质。低聚果糖具有良好的保健作用，无毒，适合糖尿病病人使用，可以预防龋齿、调节脂类代谢、促进钙吸收、降低血清胆固醇、抑癌；并可作为双歧杆菌的增殖因子，提高人体的抗病力和免疫力；由于低聚果糖具有水溶性膳食纤维之功能，可作为流变及组织改良剂、水分保持剂等广泛应用于低热量食品饮料、膳食纤维或益生元类食品饮料、也可以用于普通食品饮料中。
4.现有技术中的低聚果糖制备方法多为采用果糖基转移酶将蔗糖水解并聚合成为低聚果糖，理论上讲，100克蔗糖最高生成75％的低聚果糖(纯低聚果糖三糖)，即1个蔗糖分子与一个果糖分子聚合成为低聚果糖，即为50克蔗糖与25克果糖聚合生成75克低聚果糖，余下25克葡萄糖为废弃物，但现实生产过程中，100克蔗糖仅能生成50-60克的低聚果糖，即便在后期可以经过两次提纯(首次色谱提纯提出低聚果糖部分，第二次色谱提纯提出单糖部分，即葡萄糖与果糖)后，将提纯的残液再进行发酵，其产率以难以达到75％的低聚果糖生成率，一般维持在60％以内。


技术实现要素：

5.本发明第一方面的目的在于，提供一种低聚果糖的制备方法，所述方法包括采用复合酶对糖源进行处理的步骤；任选地，所述方法还包括纯化的步骤；所述复合酶为葡萄糖异构酶和β-果糖基转移酶的混合物；所述糖源为富含蔗糖的糖源，如蔗糖、甜菜汁、甘蔗汁、红糖等原料。优选地，所述葡萄糖异构酶和β-果糖基转移酶非同时使用。
6.在一个或多个实施方案中，所述复合酶中至少一种为固定化酶。
7.在一个或多个实施方案中，按酶活比例，葡萄糖异构酶：β-果糖基转移酶＞1:2，优选为1:1。
8.葡萄糖异构酶比例根据不同需求进行调整，葡萄糖异构酶比例越高，果糖含量越高，葡萄糖含量越低。
9.在一个或多个实施方案中，所述纯化步骤为色谱提纯、纳滤、微滤或超滤。
10.在一个或多个实施方案中，将所述复合酶和糖源反应产物进行纯化后得到的副产
物作为糖源继续反应。
11.此处的产物称为副产物1，副产物1为富含低聚果糖的高果糖糖浆(低聚果糖大于20％(占干基)，果糖大于30％(占干基)，蔗糖大于30％(占干基)。
12.在一个或多个实施方案中，所述方法还包括对所述副产物进行二次纯化的步骤，并将二次纯化后的除高果糖浆外的其余物质作为糖源继续反应。
13.此处的副产物包括副产物2和副产物3，所述副产物2为高果糖浆，其果糖含量大于60％(干基)；所述副产物3为fos和蔗糖的混合物，所述fos的含量大于30％(干基)，所述蔗糖的含量大于30％(干基)。
14.将副产物1与副产物3，再次经过复合酶发酵，可以得到低聚果糖纯度在50％以上的低聚果糖产品，因低聚果糖是蔗糖与果糖的聚合，理论上讲，重复上述步骤，所有的蔗糖都可以完全反应成为低聚果糖。
15.现实生产过程中，因副产物1与副产物3的生成量往往不受控制，有时多有时少，此时可与任意含量的原料糖浆(如蔗糖浆、甘蔗浓缩汁、红糖浆等)进行混合，然后再进行发酵，同样可以得到低聚果糖纯度在50％以上的低聚果糖产品，因低聚果糖是蔗糖(和低聚果糖)与果糖的聚合，理论上讲，重复上述步骤，所有的蔗糖都可以完全反应成为低聚果糖。
16.在一个或多个实施方案中，所述方法还包括对得到的低聚果糖进行浓缩或干燥的后处理步骤。
17.本发明生成的低聚果糖浆状产品以及副产物高果糖浆产品一般需要浓缩或干燥，可以常温保存，与现在的低聚果糖或高果糖浆生产工艺相同。
18.本发明第二方面的目的在于，提供一种低聚果糖，由本发明任一项制备方法得到，所述低聚果糖具有以下一个或多个特征：
19.所述方法未经纯化得到的低聚果糖的得率为50％(占干基)以上；
20.所述方法经纯化后得到的低聚果糖的纯度大于90％(占干基)。
21.此外，本发明得到的所述低聚果糖中升糖的组份(葡萄糖含量)降低；所述低聚果糖中不升糖组份(果糖含量)升高。
22.本发明第三方面的目的在于，提供所述的低聚果糖在食品中的应用，所述食品为低热量食品饮料、膳食纤维或益生元类食品饮料、也可以用于普通食品饮料中。
23.本发明第四方面的目的在于，提供所述的低聚果糖在保健品或健康食品中的应用，其具有控制血糖的功效。所述保健品可以为低gi饮料(葡萄糖含量或经人体消化酶酶解生成葡萄糖的原料含量得到控制，在此专利中主要是蔗糖(1克蔗糖可生成0.5克葡萄糖)、葡萄糖)。果糖和低聚果糖不生成葡萄糖故不造成血糖上升，葡萄糖分子不需分解直接进入血液造成人体血糖上升。
24.本发明与现有技术相比，制备方法简单、原料利用率高(重复回收发酵可达100％)，所得副产物可以重复利用以及再次发酵，更加环保经济。此外，本发明的制备方法可以得到纯度大于90％的低聚果糖，适合工业化生产，可广泛应用在食品或保健品中。
附图说明
25.图1为实施例中所述的低聚果糖的制备方法(经过一次色谱提纯，然后对副产物1进行发酵，再次生成低聚果糖)。
26.图2为实施例中所述的低聚果糖的制备方法(经过两次色谱，得到副产物2-高果糖浆，对副产物3进行再次发酵，生成低聚果糖)。
具体实施方式
27.以下，针对本发明的内容进行详细说明。以下所记载的技术特征的说明基于本发明的代表性的实施方案、具体例子而进行，但本发明不限定于这些实施方案、具体例子。需要说明的是：
28.应理解，在本发明范围中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成优选的技术方案。
29.为使本领域技术人员可了解本发明的特点及效果，以下谨就说明书及权利要求书中提及的术语及用语进行一般性的说明及定义。除非另有指明，否则文中使用的所有技术及科学上的字词，均为本领域技术人员对于本发明所了解的通常意义，当有冲突情形时，应以本说明书的定义为准。
30.本文描述和公开的理论或机制，无论是对或错，均不应以任何方式限制本发明的范围，即本发明内容可以在不为任何特定的理论或机制所限制的情况下实施。
31.本文中，所有以数值范围或百分比范围形式界定的特征如数值、数量、含量与浓度仅是为了简洁及方便。据此，数值范围或百分比范围的描述应视为已涵盖且具体公开所有可能的次级范围及范围内的个别数值(包括整数与分数)。本文中，若无特别说明，百分比是指质量百分比。
32.本文中，为使描述简洁，未对各个实施方案或实施例中的各个技术特征的所有可能的组合都进行描述。因此，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，各个实施方案或实施例中的各个技术特征可以进行任意的组合，所有可能的组合都应当认为是本说明书记载的范围。
33.以下结合具体实施方式和实施例对本发明所述的制备方法作进一步详细的说明。应理解，这些具体实施方式和实施例仅仅是阐述性的，并非限制本发明的范围。
34.以下实施例中，采用的β-果糖基转移酶购自河南三化生物科技有限公司；采用的葡萄糖异构酶购自河南华悦化工产品有限公司，均为固定化酶。
35.以下实施例中，低聚果糖、蔗糖、果糖、葡萄糖的测量方法参照国家标准(gb/t23528.2)中所述方法进行检测。
36.以下实施例中采用的低聚果糖的制备方法如图1所示，具体包括以下步骤：
37.(1)准备糖源，添加葡萄糖异构酶和β-果糖基转移酶组成的复合酶；按酶活比例，葡萄糖异构酶：β-果糖基转移酶＞1:2；
38.(2)对所述糖源和复合酶的反应产物进行纯化，所述纯化步骤为色谱提纯、纳滤、微滤或超滤；
39.(3)如图1所示，纯化后得到含量大于50％的低聚果糖(干基)和副产物1，副产物1为富含低聚果糖的高果糖糖浆(低聚果糖大于20％(占干基)，果糖大于30％(占干基)，蔗糖大于30％(占干基))；将所述复合酶和糖源反应产物进行纯化后得到的副产物作为糖源继续反应；
40.(4)对分离得到的低聚果糖进行浓缩或干燥的后处理。
41.以下实施例中采用的低聚果糖的制备方法还可以如图2所示，所述制备方法还包括对副产物1进行二次纯化的步骤，具体步骤为：
42.(1)准备糖源，添加葡萄糖异构酶和β-果糖基转移酶组成的复合酶；按酶活比例，葡萄糖异构酶：β-果糖基转移酶＞1:2；
43.(2)对所述糖源和复合酶的反应产物进行纯化，所述纯化步骤为色谱提纯、纳滤、微滤或超滤；
44.(3)如图1所示，纯化后得到含量大于50％的低聚果糖(干基)和副产物1，副产物1为富含低聚果糖的高果糖糖浆(低聚果糖大于20％(占干基)，果糖大于30％(占干基)，蔗糖大于30％(占干基))；
45.(4)将副产物1进行纯化，得到副产物2和副产物3,所述副产物2为高果糖浆，其果糖含量大于60％(干基)；所述副产物3为fos和蔗糖的混合物，所述fos的含量大于30％(干基)，所述蔗糖的含量大于30％(干基)；将二次纯化后的除高果糖浆外的其余物质作为糖源继续反应；
46.(5)对分离得到的低聚果糖进行浓缩或干燥的后处理。
47.以上所述的两种方法，都涉及相同的低聚果糖发酵液的制备：称取白砂糖，加水溶解，在50℃下应用固定化酶法发酵，当监测得到的数据满足要求时，停止发酵，得低聚果糖发酵液；该发酵液葡萄糖含量低，果糖含量高，甜度要高于常规发酵生成的低聚果糖产品，同时也有利于减少葡萄糖摄入的人群食用。
48.1、实施例1-3和对照例
49.实施例1-3和对照例具体添加的原料量、反应条件如表1所示；
50.表1：实施例1-3和对照例添加的原料量、反应条件汇总表
[0051][0052]
糖浆糖度：50-60％(可用糖度仪进行检测，即干固物或可溶性固形物)
[0053]
发酵温度：50-60度
[0054]
发酵ph：5.0-7.0
[0055]
对照例：
[0056]
对照例的具体添加的原料量、反应条件如表2所示；
[0057]
表2：对照例添加的原料量、反应条件
[0058][0059]
糖浆糖度：50-60％(可用糖度仪进行检测，即干固物或可溶性固形物)
[0060]
发酵温度：50-60度
[0061]
发酵ph：5.0-7.0
[0062]
注：果糖基转移酶与葡萄糖异构酶原料的酶活不做限制，添加量也不做限制，主要原因是不同厂家的酶活、形态都有所不同，试验中采用的是果糖基转移酶(固定化酶)与葡萄糖异构酶(固定化酶)混合发酵，两者酶活均在100u/g左右，如实施例与对照例的使用过程中，5公斤蔗糖添加约650克固定化果糖基转移酶，可使5公斤蔗糖在4个小时的时间转化成为低聚果糖占50％(占干基)以上的低聚果糖浆。
[0063]
关于果糖基转移酶的添加量，不做特别限制，一般情况下，希望发酵时间短，可以多添加果糖基转移酶，此次发酵时间控制在3.5-4.5小时，如想缩短时间，可增加酶的添加量，如时间可允许再长一些，酶的添加量可适当减少，时间计算方法如下：
[0064]
如果糖基转移酶，12u酶活，在适宜条件下，4小时可将1克砂糖转化成为约50％以上的低聚果糖(占干基)。
[0065]
葡萄糖异构酶，12u酶活，在适宜果糖基转移酶的ph与温度条件下，4小时可将1克葡萄糖转化成为约50％以上的果糖(占干基)。
[0066]
果糖基转移酶价格昂贵，添加时需注意控制，葡萄糖异构酶价格优惠，可适当多加，添加量越高，发酵液中的葡萄糖含量越低，一般控制在果糖基转移酶酶活的0.5-2倍，但不做特别限制。
[0067]
关于葡萄糖异构酶酶活的确定：此处葡萄糖异构酶的酶活是指在适合果糖基转移酶发酵蔗糖生成低聚果糖的条件下(如ph5-7,温度50-60度)，重新测定葡萄糖异构酶的酶活为依据，因葡萄糖异构酶的最适合的ph与温度并不完全在这个范围，一般最适ph7.0～7.5，温度一般为60度以内。
[0068]
但其成本偏低，可通过适当加大添加量，来配合发酵葡萄糖生成为果糖，可以在适合果糖基转移酶发酵的ph与温度下，重新检测其酶活，以此为试验与生产过程中的具体酶活。
[0069]
葡萄糖来源于果糖基转移酶发酵蔗糖时的分解反应，一分子蔗糖生成一分子葡萄糖与一分子果糖，一分子果糖连接蔗糖或低聚果糖成为蔗果三糖或蔗果四糖、蔗果五糖、蔗果六糖，葡萄糖残留在发酵液中。经过葡萄糖异构酶将其反应生成为果糖，可继续参与低聚果糖的生成反应过程中。
[0070]
低聚果糖发酵液检测结果如下：
[0071]
案例果糖％(占干基)葡萄糖％(占干基)蔗糖％(占干基)低聚果糖％(占干基)实施例123.52％1.68％16.90％57.90％实施例218.59％8.31％15.80％57.30％实施例311.20％13.60％17.30％57.90％对照例3.22％23.98％16.50％56.30％
[0072]
发酵液的甜度值、经消化后的葡萄糖生成量如下：
[0073][0074][0075]
甜度计算：以蔗糖甜度为1，葡萄糖甜度为0.7，果糖甜度为1.8，低聚果糖甜度为0.3，计算干基的总体甜度，
[0076]
甜度＝蔗糖占比(干基)*1+葡萄糖占比(干基)*0.7+果糖占比(干基)*1.8+低聚果糖占比(干基)*0.3
[0077]
葡萄糖生成量计算：人体可消化一分子蔗糖为一分子果糖与一分子葡萄糖，果糖不会造成血糖上升，同时人体消化液不消化低聚果糖。
[0078]
2、低聚果糖高纯液的制备
[0079]
将步骤(1)得到的低聚果糖发酵液通过过滤，收集滤液，通过色谱进行提纯，监测提纯得到的产品中低聚果糖占90％(占干基)以上，即得低聚果糖高纯液，同时生成副产物1。
[0080][0081]
3、一种高果糖浆(果糖占60％(干基)以上)与一种低聚果糖浆(低聚果糖纯度在50％(占干基)以上)的制备(图2)
[0082]
将副产物1再进行第2次色谱提纯，着重分离出里面的单糖成分，得到副产物2：果糖含量在60％(占干基)以上的高果糖浆；而得到的副产物3(低聚果糖占30％以上，蔗糖占30％以上)，可直接再次发酵，得到纯度达到50％以上的低聚果糖浆，重复1-2-3步骤，所有的产物均可得到利用。即生成高纯度的低聚果糖(纯度在90％(占干基)以上)产品与高纯的
果糖产品(纯度60％(占干基))以上。
[0083]
第1次色谱着重提纯低聚果糖产品，使低聚果糖含量达到90％(占干基)以上，第2次色谱提纯着重提纯果糖和葡萄糖两组单糖成分，使其中的(葡萄糖+果糖)含量占到80％(占干基)以上。两次色谱提纯目的不一样。
[0084]
生成的低聚果糖浆达到gb23528.2的要求，可直接作为低聚果糖原料或经过第一次色谱提纯后，制作成为高纯度低聚果糖。第一次色谱提纯后，制作成为高纯度低聚果糖。
[0085][0086]
实施例与对照例的甜度和葡萄糖生成量的对比：
[0087][0088]
对照例中因并未采用复合酶发酵，故生成的糖浆中以葡萄糖为主要成分，甜度偏低，同时葡萄糖易造成血糖上升，不适宜用于控制血糖生成的食品，如制作糖尿病人或血糖高人群的专用食品。
[0089]
4、将副产物1再次进行发酵(图1)
[0090]
通过再次发酵，可生成纯度在50％(以干基计)以上的低聚果糖产品，此过程也可适当补充任意量蔗糖浆进行(补充量不限制)，产品可再次过色谱提纯，得到新的副产物1。重复1-2-4步骤，可将蔗糖完全转化成为高纯度的低聚果糖产品。
[0091]
因对照例中的副产物1中葡萄糖含量过高，影响了果糖基转移酶的作用，无法继续
高效地发酵生成低聚果糖(令低聚果糖达到50％(干基)以上)，故在(4)不做发酵试验。
[0092]
可生成纯度在50％(以干基计)以上的低聚果糖产品，此过程也可适当补充任意量蔗糖浆进行(补充量不限制)，产品可再次过色谱提纯，得到新的副产物1。重复1-2-4步骤，可将蔗糖完全转化成为高纯度的低聚果糖产品。
[0093]
注：副产物1可直接作为食品工业用原料使用，也可以将副产物1经再次发酵后，生成低聚果糖发酵液。
[0094][0095]
对照例中副产物1的葡萄糖含量过高，低聚果糖含量偏低，蔗糖量也不足，难以继续发酵生成50％以上纯度的低聚果糖产品，发酵意义不大，故未进行。如，32.95％的蔗糖，最多生成16％的低聚果糖(极限情况下)，加上25.66％(副产物1中已有)，合起来低聚果糖约41％(占干基)左右，无法达到国标要求的50％以上低聚果糖的含量要求，故无意义。
[0096]
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。