高聚合度异麦芽寡糖的制备及体外益生功能评价_许滢.pdf

RESEARCH ARTICLEXU Ying，et al：Synthesis of Isomaltooligosaccharides with High Degree ofPolymerization and Its in vitro Probiotic Function EvaluationJOURNAL OF FOOD SCIENCE AND BIOTECHNOLOGY Vol.42 Issue 1 2023Synthesis of Isomaltooligosaccharides with High Degree of Polymerization andIts in vitro Probiotic Function EvaluationXU Ying1,2，WANG Lei1,2，WEI Beibei1,2，SU Lingqia1,2，CHEN Sheng1,2，WU Jing*1,2（1.State Key Laboratory of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；2.Schoolof Biotechnology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）Abstract：Isomaltooligosaccharides(IMO)are oligosaccharides mainly composed of-1,6glycosidic bonds linked glucoses,which have physiological characteristics of hypoglycemic indexand promoting probiotics proliferation.The current commercial IMO production has low yield andhigh isomaltose content in the product,while the probiotic function of IMO is mainly attributed tothe high polymerization fractions like disaccharides and above.In this study,-glucosidase from摘要：异麦芽寡糖（isomaltooligosaccharides，IMO）是葡萄糖以-1，6糖苷键为主连接而成的低聚糖，具有低血糖指数特征和益生菌增殖功能。目前商业化IMO主流制备工艺得率较低，且含大量异麦芽糖，而IMO的益生功能主要归功于三糖及以上的高聚合度组分。利用黑曲霉（Aspergillus niger）来源的-葡萄糖苷酶和嗜热脂肪芽孢杆菌（Bacillus stearothermophilus NO2）来源的环糊精葡萄糖基转移酶（CGTase）进行复配制备IMO，以获得得率和聚合度提升的IMO（命名为IMOH）。通过单因素实验，考察了反应pH、温度、时间、底物种类及加酶（-葡萄糖苷酶）量对产物得率的影响，随后探究了复配酶（CGTase）加酶量及反应时间的影响，结果表明在pH5.5、50 的反应条件下，以300 g/L的DE值为1520的麦芽糊精为底物，当-葡萄糖苷酶加酶量为5 U/g（以底物质量计）、CGTase加酶量为15 U/g（以底物质量计）时，IMOH产物得率达到64.27%，其中三糖及以上的高聚合度产物质量分数为71.57%。在对产物进行结构分析后发现，产物-1，6糖苷键键型占比为70.67%，平均相对分子质量为706，高于市售IMO50。通过肠道微生物体外发酵实验，IMOH与市售IMO50相较，对青春双歧杆菌更具有增殖效果，同时可以进一步抑制肠道条件致病菌大肠杆菌的生长，具有一定的体外益生功能。该研究提出了一种双酶复配制备IMO的新工艺，为工业制备高得率、高聚合度的IMO提供了新思路。关键词：异麦芽寡糖；-葡萄糖苷酶；环糊精葡萄糖基转移酶；制备工艺；益生功能中图分类号：Q 555；Q 556文章编号：1673-1689（2023）01-0066-09DOI：10.3969/j.issn.1673-1689.2023.01.005高聚合度异麦芽寡糖的制备及体外益生功能评价许 滢1，2，王 蕾1，2，魏贝贝1，2，宿玲恰1，2，陈 晟1，2，吴 敬*1，2（1.食品科学与技术国家重点实验室，江南大学，江苏 无锡214122；2.江南大学 生物工程学院，江苏 无锡214122）收稿日期：2022-01-29基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（32001637）；国家自然科学基金重点项目（31730067）；国家自然科学基金面上项目（31972032）。*通信作者：吴 敬（1969），女，博士，教授，博士研究生导师，主要从事酶工程与发酵工程研究。E-mail：研究论文66研究论文2023年第42卷第1期食品与生物技术学报许 滢，等：高聚合度异麦芽寡糖的制备及体外益生功能评价Aspergillus niger and cyclodextrin glucosyltransferase(CGTase)from Bacillus stearothermophilusNO2 were combined for synthesis of IMO with improved yield and polymerization(named IMOH).Inthis study,the effects of reaction pH,temperature,time,substrate type and enzyme addition on theyield were investigated by single-factor experiments,and the effects of compound enzyme amountand reaction time were subsequently explored.The results showed that the yield of IMOHreached64.27%,and the high polymerization content of trisaccharides and above was 71.57%under pH 5.5at 50,using 300 g/L maltodextrin with DE values ranges from 15 to 20 as the substrate,and with-glucosidase of 5 U/g substrate(calculated by substrate mass)and CGTase of 15 U/g substrate(calculated by substrate mass).The structural analysis of IMOHproducts showed that the ratio of-1,6 bond ratio was 70.67%,and the average molecular weight of products was 706,which was higherthan that of commercial IMO50.The in vitro fermentation experiments of intestinal microorganismssuggested that compared with commercial IMO50,the IMOHhad a better proliferative effect onBifidobacterium adolescentis,and could further inhibit the growth of opportunistic bacteriaEscherichia coli in intestinal tract,showing a certain in vitro probiotic effect.This study proposed anew process of the IMO synthesis by the dual-enzyme compounds,providing a new idea for theindustrial synthesis of IMO with high yield and high degree of polymerization.Keywords:isomaltooligosaccharides，-glucosidase，cyclodextrin glucosyltransferase，preparationprocess，probiotic function异麦芽寡糖（isomaltooligosaccharides，IMO）是葡萄糖以-1，6糖苷键为主连接而成的低聚糖混合物，主要成分为异麦芽糖、潘糖、异麦芽三糖及四糖以上的低聚糖。IMO甜度柔和，耐热耐酸，升糖指数低，是一种良好的低热量甜味剂，同时具有降低血清胆固醇含量、改善肠道微生物环境等益生效益1。由于其优良的理化性质及生理功能，IMO被广泛应用于功能性食品及医药保健品行业中，拥有巨大的市场需求量。天然IMO主要存在于味噌、黄酒等发酵食品中，并以游离状态微量存在于红薯、木薯等淀粉作物中。由于天然提取成本高且工艺复杂，目前市售IMO主 要 依 靠 酶 法 生 产，聚 合 度（degree ofpolymerization，DP）大概在26。主流的工业制备IMO方法是以淀粉质原料为底物，依靠-淀粉酶及-淀粉酶等将淀粉液化、糖化，生成以麦芽糖为主的低聚合度寡糖混合物，再结合-葡萄糖苷酶的转苷作用生成具有-1，6糖苷键的复杂寡糖混合物2，该方法制备IMO得率（IMO产物质量与底物质量的比）一般在50%55%，即为市售的IMO50，其主要成分为异麦芽糖、异麦芽三糖和潘糖。然而，研究表明，IMO的益生功能主要归功于三糖及以上的高聚合度组分3-4。另一种生产方式是以蔗糖为底物原料，使用葡聚糖蔗糖酶（dextransucrase，DS）合成右旋糖酐，再通过右旋糖酐酶（dextranase，DN）作用水解生产IMO5，这种生产方法可通过调控底物浓度及DS、DN使用比例来调整产物聚合度，但由于生产原料蔗糖成本较高，且该方法只能利用蔗糖中的葡萄糖单元，理论得率不超过50%，不适用于工业化生产。易子玲等通过将4，6-葡萄糖基转移酶和普鲁兰酶、异普鲁兰酶、异麦芽三糖右旋糖酐酶复配，以淀粉为底物可制备高纯度异麦芽三糖，产物得率为65.3%6，为以淀粉为底物制备高聚合度IMO提供了新思路，但是该法存在使用复配酶种类多、工艺复杂等问题。因此，如何在低原料成本的基础上，开发简易新工艺，提升产品得率及聚合度是高效制备IMO主要攻克的难题。-葡萄糖苷酶依靠转移单个葡萄糖基生成IMO，其反应机理决定了产物主要集中为二糖、三糖等低DP组分。在催化转苷反应的同时，-葡萄糖苷酶还会进行水解反应，形成大量葡萄糖，不利于高DP组分的生成及稳定7-8。环糊精葡萄糖基转移酶（CGTase）属于糖基水解酶13家族及-淀粉酶家族，可发生3种转苷反应（歧化反应、环化反应、偶67RESEARCH ARTICLEXU Ying，et al：Synthesis of Isomaltooligosaccharides with High Degree ofPolymerization and Its in vitro Probiotic Function EvaluationJOURNAL OF FOOD SCIENCE AND BIOTECHNOLOGY Vol.42 Issue 1 2023联反应）及一种水解反应，其中歧化反应为分子间