功能性低聚糖分离纯化方法

功能性低聚糖分离纯化方法
点击次数： 307 发布时间： 2007-2-1
功能性低聚糖是指对人、动物、植物等具有特殊生理作用的单糖数在2~10之间的一类寡糖.它的甜度一般只有蔗糖的30%~50%,具有低热量、抗龋齿、防治糖尿病、改善肠道菌落结构等生理作用,在功能性食品的配料中十分重要,正日益受到消费者的青睐.功能性低聚糖的生产一般是以淀粉或蔗糖为原料利用糖苷酶的糖基转移作用进行的.由于糖苷酶对底物专一性要求不高的催化特性,功能性低聚糖的转化率一般在50%左右,产品中除含有目标产品功能性低聚糖外,随产品种类不同还含有大量的葡萄糖、蔗糖、麦芽低聚糖等副产物.这些副产物的存在,在很大程度上降低了功能性低聚糖的生理功能.因此,功能性低聚糖的分离纯化已成为生产厂家亟待解决的研究课题.然而,由于功能性低聚糖产品成分复杂且往往性质较为接近,其分离纯化就变得比较困难,常规分离法如结晶法难以适用.目前虽已有数种功能性低聚糖产品的纯度达到90%以上,但由于生产成本高而产销量极低.开发功能性低聚糖的新型低成本分离方法将大有前途. 1、常见功能性低聚糖的组成
酶法生产的功能性低聚糖除含有功能性低聚糖外,往往还含有大量非功能性低聚糖成分,如葡萄糖、蔗糖、乳糖等,这些成分在很大程度上削弱了功能性低聚糖的生理功能和保健作用.例如,葡萄糖和麦芽低聚糖的存在,不仅降低了低聚异麦芽糖难发酵、低热量的特性,而且削弱了其抗龋齿作用和对双歧杆菌的增殖功能。

2、功能性低聚糖的分离纯化方法
⑴色谱柱分离法
色谱柱分离法是基于混合物中各组分与色谱柱的填料间结合力强弱的差异,即各组分在固定相(填料)与流动相间分配系数不同的性质而使混合物中难吸附与易吸附组分分离的技术.适用于分离糖类的色谱柱填料有铝矾土、碱式铝矾土、硅胶、石英砂、海砂、沸石、活性炭、离子交换树脂等色谱柱分离法的主要优点在于通过数百次连续循环操作、重复使用吸附剂,可以充分利用材料、能量和时间.但迄今为止,只有以离子交换树脂为填料的色谱柱成功用于糖类的工业化分离纯化。

离子交换树脂法之所以能用来分离糖类,是由于离子交换树脂经改性或改良后其功能基团与糖类形成的络合物或衍生物的强度不同.硼酸盐、亚硫酸盐、酸式亚硫酸盐、碳酸盐等结构的阴离子交换树脂和钙、锶、银、联铵盐等结构的阳离子交换树脂(磺酸盐型)可用于分离糖类混合物其中钙型磺酸树脂已成功用于工业化分离果糖和葡萄糖、木糖醇和山梨糖醇等.
离子交换树脂法分离纯化糖类的效率受以下因素影响:(1)树脂特性,如树脂颗粒的粒径大小及分布、树脂的交联度、氢离子含量、水分含量等;(2)色谱柱的高径比及总长度;(3)分离糖类混合物的组成;(4)给料浓度;(5)给料流量;(6)分离温度;(7)溶剂种类;(8)连续操作或分批操作.尽管离子交换树脂法已成功用于某些糖类混合物的分离纯化,但由于该法初期设备投资高!操作复杂,而使分离后产品的成本大幅增加而限制了其应用.另外,该法多用于二组分的分离,若用于多组分的分离,则操作更为复杂甚至难以分离.
⑵膜分离法
膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程,近似于筛分过程,依据滤膜孔径的大小而达到物质分离的目的.按分离粒子或分子大小可将膜分离法分为:反渗透、透析、电渗析、纳膜过滤、超滤、微滤等6种.其中反渗透和纳滤有望用于分离纯化功能性低聚糖.
反渗透又称逆渗透,是一种以压力差为推动力,从溶液中分离出溶剂和小分子物质的膜分离
操作.反渗透可用于分离糖类混合物,是由于糖液中各组分和反渗透膜如醋酸纤维膜的亲和力不同,从而在膜中的渗透率不同.这和色谱柱法中树脂母体的功能基团和糖液中各组分的相互作用力不同类似.由于一般被分离糖液的浓度较高,要求连续柱膜的长度而使分离过程变得不经济。

在果糖和葡萄糖的分离中,可通过向料液中加入NaCl 、Na 2CO 3或NaHSO 3加以改善.这些盐类只能
和葡萄糖形成络合物而不能和果糖形成络合物,由于含水络合物笨重而在反渗透膜中的渗透率明显减小,从而使果糖和葡萄糖的分离变得容易.
由于反渗透在分离过程完成的同时,也将料液进行了浓缩,节约了后续浓缩工艺的费用.因此,对于功能性低聚糖的分离,若能找到加大各组分在反渗透膜中渗透率差异的措施,反渗透也不失为一种较好的分离手段.
纳膜过滤也是一种以压力差为推动力,介于超滤和反渗透之间,从溶液中分离出300~1000小相对分子质量物质的膜分离过程.其用来分离糖组分的原理与反渗透类似,但所需操作压力远低于反渗透,因而与反渗透相比具有节约动力的优点.从纳膜过滤分离物质的分子量范围来看,选择不同孔径的纳滤膜,可将单糖、二糖、三糖以至五糖以上组分依次分开.但由于制膜技术的限制,纳滤膜的截留孔径不是绝对的,而是一个范围的平均值,因此要达到较高的分离度往往需要较长的柱膜长度.和反渗透一样,纳膜过滤也有分离、浓缩一步完成的优点,除相对分子质量大小差异外,若能增加截留组分和透过组分对膜渗透率的差异,纳膜过滤用于分离功能低聚糖将是可行的.
⑶酶法
该法的原理是利用酶制剂将低聚糖混合物中的某一或某些组分专一性地除去.例如,可以用葡萄糖氧化酶或葡萄糖氧化酶和过氧化物酶将低聚糖混合物中的葡萄糖氧化为葡萄糖酸,然后以葡萄糖酸钙沉淀法或离子交换树脂法都可很容易地将葡萄糖酸除去.该法可用于除去低聚异麦芽糖、低聚蔗果糖、低聚半乳糖等低聚糖混合物中的葡萄糖而使产品纯度得到大幅提高.此法的优点是,设备投资少,操作简单.其不足是,葡萄糖氧化酶在氧化葡萄糖的同时,料液的pH 值降低而偏离酶的最适作用pH 值范围,故在操作过程中需调节控制料液的pH 值;另外,葡萄糖氧化酶价格较高,使得分离纯化操作变得不经济.葡萄糖氧化酶固定化技术的发展,有望降低其使用成本,使法最终进入工业化生产.
⑷微生物发酵法
该法利用多数功能性低聚糖的难发酵性,选择适当的微生物将非功能性低聚糖成分发酵除去.例如,酿酒酵母可以将功能性低聚糖混合物中的葡萄糖选择性地发酵为酒精而除去.由于酿酒酵母对麦芽糖、蔗糖等的发酵反应具有可变性,因此通过驯化、诱变、基因工程等手段,有可能得到可以发酵葡萄糖、麦芽糖、蔗糖等非功能性低聚糖成分而不利用功能性低聚糖成分的变异种.而实际上国外在这一方面已取得突破性进展,我国也已研制出兼具有糖化和发酵能力的酿酒酵母.国外学者曾利用该法将果糖提纯到100%,异麦芽糖提纯到96.5%.
尽管国内外学者对糖类混合物的分离纯化工作进行了许多有益的研究和探讨,特别是果糖和葡萄糖的分离已实现工业化,但对于组成比较复杂的功能性低聚糖来说,目前还没有既经济又有效的分离纯化方法.色谱柱法固然可以用来分离功能性低聚糖,但因功能性低聚糖组成成分复杂且性质相近,要达到一定的分离度往往需要较长的柱长而使分离过程变得不经济,在实际生产上受到很大限制.利用某些微生物对糖类发酵的选择性或酶的专一性有可能分离纯化功能性低聚糖,并且投资小、成本相对低廉,因此开发功能性低聚糖的生物分离方法将大有前途.
来源: 郑州工程学院学报 作者：岳振峰 陈小霞 彭志英 赵谋明。