何乃瑩,竺勝權,黃 金

(浙江工業(yè)大學 藥學院,浙江 杭州 310014)

隨著社會發(fā)展和人類膳食結構的變化,人們對肉類、乳制品攝入量不斷增加,而谷物類食品的攝入量卻漸次減少。膳食結構的變化直接導致了高血壓、糖尿病以及各種口腔和消化系統(tǒng)疾病的激增。且伴隨著社會老齡化的日益加重,人們對功能性食品和保健食品的需求將不斷增加。低聚半乳糖作為典型的功能性食品添加劑,因其具有優(yōu)良的理化性質(zhì)和出色的生理功效,而極具科學研究價值和市場開發(fā)前景。

1 低聚半乳糖簡介及其生理功效

1.1 低聚半乳糖簡介

益生元(Prebiotics)是一類能被雙歧桿菌和乳酸菌選擇性利用,促進宿主健康的非消化性食品組分,對維持腸道菌群平衡有著重要作用,而擁有“最佳”的腸道菌群可增強肌體對致病菌的抵抗力,降低血氨質(zhì)量分數(shù),增強免疫,降低患癌風險[1-2]。低聚半乳糖(Galactooligosaccharides,GOS)作為一種功能性低聚糖,是益生元家族中的一員,近年來倍受關注[3-5]。低聚半乳糖由2～10個半乳糖基和一個末端葡萄糖基組成,結構式為(Galactose)n-Glucose。另外,兩個半乳糖基組成的半乳二糖也被認為是低聚半乳糖的一種。低聚半乳糖在自然界中的質(zhì)量分數(shù)較少,僅在母乳和一些水果蔬菜中少量存在,其具有優(yōu)良的理化性質(zhì)和出色的生理功效,非常適宜于作為添加劑應用于食品工業(yè)[6]。此外,低聚半乳糖的安全性也得到了廣泛認證,如日本已將低聚半乳糖視為特定的健康食品(FOSHU),美國將其認為是公認安全使用物質(zhì)(GRAS)[7],中國則將其定義為營養(yǎng)增強劑和新資源食品。因此,低聚半乳糖在諸如嬰幼兒配方奶粉、發(fā)酵乳、糖果產(chǎn)品、烘焙食品、家畜飼料和寵物食品等諸多領域有著廣泛的應用,市場前景廣闊。

1.2 低聚半乳糖的理化性質(zhì)及其生理功效

1.2.1 理化性質(zhì)

商品化的低聚半乳糖外觀呈半透明的微黃色至無色,甜度適中,一般為蔗糖的0.3～0.6倍,黏度類似于高果糖漿,熱值較蔗糖低,一般低于蔗糖熱值的50%,由于低聚半乳糖中含有許多親水基團,具有良好的水溶性和持水力,保濕能力強。此外,由于其結構中含有許多不易被水解的β-(1→3),β-(1→4)和β-(1→6)糖苷鍵,在高溫以及寬pH范圍內(nèi)均具有較高的穩(wěn)定性,如在溫度37 ℃和pH 2條件下可幾個月內(nèi)維持穩(wěn)定,在中性pH 7和溫度160 ℃或pH 3和溫度120 ℃條件下處理10 min,仍能保持理化性質(zhì)穩(wěn)定。

1.2.2 生理功效

1)非消化性。非消化性是某種組分能被定義為益生元所需具備的要素之一[1],低聚半乳糖由于其糖單元間含有許多不易水解的β-半乳糖苷鍵,除極少部分二糖外一般不能被肌體的消化酶所消化吸收。有研究表明[8-9]:低聚半乳糖的質(zhì)量分數(shù)超過90%就不會被胃和小腸消化吸收,而是直接進入結腸;另有體外實驗表明低聚半乳三糖和低聚半乳四糖不能被人體唾液中的α-淀粉酶、人工胃液和豬胰腺α-淀粉酶水解,僅有少部分二糖可以被大鼠腸道內(nèi)含有的酶消化。另外,低聚半乳糖的熱值很低,僅5～8 kJ/g。基于此,低聚半乳糖可以作為糖尿病人以及肥胖病人食品的甜味劑和填充劑。

2)促進益生菌增殖。低聚半乳糖可以被雙歧桿菌和乳酸菌選擇性利用從而促進益生菌增殖,抑制有害菌生長,維持腸道菌群平衡。Davis等[10]研究了低聚半乳糖劑量對于雙歧桿菌的影響,發(fā)現(xiàn)日攝入含有5 g及以上低聚半乳糖的咀嚼糖果,連續(xù)3周攝入,就會產(chǎn)生明顯的雙歧桿菌增殖效應;常金金等[11]研究了斷奶仔豬日糧中添加2%的低聚半乳糖可增加仔豬腸道乳酸桿菌相對豐度,改善腸道微生物組成。

3)促進礦物質(zhì)吸收。雙歧桿菌等益生菌可利用低聚半乳糖產(chǎn)生弱酸性的短鏈脂肪酸(乙酸、丁酸和異丁酸等)和乳酸,會降低腸道pH,促進鈣、鐵離子吸收,預防骨質(zhì)疏松[7,11-12]。

4)預防齲齒。低聚半乳糖不能被口腔鏈球菌利用,可以減少口腔鏈球菌的產(chǎn)生,達到預防齲齒的作用。同時,低聚半乳糖又具有甜度,可以將其應用于兒童食品甜味劑或生產(chǎn)防齲齒糖果中,降低兒童齲齒的發(fā)生率。

5)預防、治療便秘。低聚半乳糖被雙歧桿菌發(fā)酵分解后產(chǎn)生的短鏈脂肪酸及CO2,H2和CH4等氣體,能刺激腸道的蠕動,增加糞便的濕潤度,防止便秘的發(fā)生。

6)其他。低聚半乳糖在免疫機制調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝和抑制腫瘤細胞生成等方面也發(fā)揮著重要作用[12-14]。低聚半乳糖亦被發(fā)現(xiàn)可以選擇性刺激人皮膚上的“有益”細菌,同時其作為化妝品添加劑,具有一定的保濕功效和祛痘功效[15]。另外,研究發(fā)現(xiàn)了腸道菌群環(huán)境的改變,可能導致抑郁癥、肥胖癥、阿爾茲海默病和帕金森氏病等疾病的發(fā)生。由于低聚半乳糖有益腸道菌群調(diào)節(jié),其生理功效也引起制藥領域研究人員的廣泛關注。

2 低聚半乳糖的制備

目前,國內(nèi)外研究表明:低聚半乳糖的制備方法主要有從天然原料(如天然多糖的酸水解)中提取、化學合成法、發(fā)酵法和酶法(生物催化法)。由于天然原料中低聚半乳糖的含量很低,如蜂蜜、一些水果蔬菜和動物乳汁中含有微量的低聚半乳糖,且只有母乳中含量稍多,因此從天然原料中提取大量低聚半乳糖并不現(xiàn)實,天然多糖酸水解時,低聚半乳糖產(chǎn)率不高,且水解產(chǎn)物成分復雜,含有大量的其他非功能性單/寡糖,分離純化困難,不適合大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)?；瘜W合成法制備低聚半乳糖污染大,成本高,生態(tài)效益和經(jīng)濟效益均不高,也不適合工業(yè)化生產(chǎn)。低聚半乳糖合成方法中研究較多的是發(fā)酵法和酶法合成,而酶(β-半乳糖苷酶)法制備以其特異性的轉糖基活性優(yōu)點,成為目前工業(yè)化生產(chǎn)低聚半乳糖的主要方法[16-17]。

2.1 酶法合成低聚半乳糖的機理

β-半乳糖苷酶合成低聚半乳糖的機理為

其中:E為β-半乳糖苷酶;ROH為糖基受體。

β-半乳糖苷酶利用其水解活性將底物乳糖分解為半乳糖基和葡萄糖基,再利用β-半乳糖苷酶的轉糖基活性將半乳糖基轉移至不同的受體,當半乳糖基的受體為水時,形成半乳糖,當半乳糖基的受體為其他糖基受體時,則形成低聚半乳糖。因此,β-半乳糖苷酶合成低聚半乳糖的反應是一個伴隨著水解與合成的動力學控制反應[18]。

2.2 β-半乳糖苷酶、來源及其合成低聚半乳糖

2.2.1β-半乳糖苷酶

β-半乳糖苷酶(E.C.3.2.1.23),別稱乳糖酶,是一類能水解β-半乳糖苷鍵的糖苷水解酶類[4,19],已應用于食品、生物傳感器和基礎研究等領域。在食品工業(yè)領域,通常利用β-半乳糖苷酶的水解活性來降解乳制品中的乳糖,生產(chǎn)低乳糖乳制品,改善乳制品的消化率、溶解度、甜度和風味等,并降低乳糖帶來的乳糖不耐受癥狀的風險[4]。研究表明:世界上有將近70%的成人患有乳糖不耐受癥[8],此外也可以將其用于乳清廢水的處理以減少環(huán)境污染[20-21]。在生物傳感器領域,也有一些β-半乳糖苷酶被應用于生物傳感器中用來檢測乳制品中的乳糖[22]。在基礎研究領域,編碼β-半乳糖苷酶基因(lacZ)經(jīng)常被用作報告基因,用于監(jiān)測轉染率[4]。更為有趣的是,β-半乳糖苷酶除了具有水解活性外,部分來源的β-半乳糖苷酶還具有轉糖基活性,可用來合成作為益生元的低聚半乳糖,是其在食品工業(yè)上的又一主要用途。

2.2.2β-半乳糖苷酶的來源

β-半乳糖苷酶的來源十分廣泛,其主要來源有:1)植物來源。如擬南芥、番茄、草莓、甜椒、蘋果、芒果和香蕉等[23];2)動物來源。主要存在于幼小哺乳動物的小腸中;3)微生物來源。細菌(如大腸桿菌、乳酸菌和雙歧桿菌等)、霉菌(如米曲霉、黑曲霉和青霉等)、酵母(如乳酸克魯維酵母、脆壁克魯維酵母和馬克斯克魯維酵母等)和放線菌(如天藍色鏈霉菌)[5,8]。動植物來源的β-半乳糖苷酶質(zhì)量分數(shù)較少,且分離提取困難,不適合工業(yè)化生產(chǎn);而微生物來源的β-半乳糖苷酶以其產(chǎn)量高、成本低和周期短等優(yōu)點,成為工業(yè)化生產(chǎn)的主要來源,黑曲霉、米曲霉、克魯維酵母、雙歧桿菌和環(huán)狀芽孢桿菌為β-半乳糖苷酶工業(yè)化生產(chǎn)的主要酶源[5,24]。不同來源的β-半乳糖苷酶在其蛋白序列、分子質(zhì)量、結構以及酶學性質(zhì)等方面差異顯著,依據(jù)β-半乳糖苷酶蛋白序列的相似性,搜索生物信息學數(shù)據(jù)庫CAZy(http://www.cazy.org/),β-半乳糖苷酶可被細分為GH1,GH2,GH35,GH42,GH59和GH147等多個糖苷水解酶家族。已報道具有工業(yè)化應用潛力的有GH1,GH2,GH35以及GH42家族,不同來源的β-半乳糖苷酶家族及活性特征如表1所示。

表1 不同來源的β-半乳糖苷酶家族及活性特征

2.2.3β-半乳糖苷酶合成低聚半乳糖

近年來,隨著低聚半乳糖的益生效果逐漸被人們所熟知,有關低聚半乳糖的研究已成為國內(nèi)外學者關注的熱點。目前,國內(nèi)外已有大量關于β-半乳糖苷酶合成低聚半乳糖的報道。β-半乳糖苷酶合成低聚半乳糖的方式主要有利用野生菌β-半乳糖苷酶粗酶或純酶[32-33]、重組β-半乳糖苷酶[34-35]、微生物全細胞或滲透化細胞[30-36]、固定化酶或細胞[37,29]來催化乳糖水解和轉糖基過程,實現(xiàn)低聚半乳糖的生物催化法制備。采用游離酶合成低聚半乳糖的優(yōu)點是游離酶直接參加反應,產(chǎn)物純度高、易純化;缺點是酶用量大,穩(wěn)定性不高。此外,野生菌的β-半乳糖苷酶分離純化困難,成本高,但生物安全性高,而重組工程菌的β-半乳糖苷酶較野生酶更為簡單易得。固定化酶合成低聚半乳糖較游離酶穩(wěn)定性高,且能重復利用,是低聚半乳糖工業(yè)化生產(chǎn)研究的焦點。

由于β-半乳糖苷酶合成低聚半乳糖的反應是伴隨著水解與合成的動力學控制反應,β-半乳糖苷酶的性質(zhì)(酶源)對低聚半乳糖生物催化法高效制備至關重要,如低聚半乳糖的產(chǎn)率、聚合度和成鍵類型等都取決于β-半乳糖苷酶的性質(zhì)[5]。目前,商業(yè)化合成低聚半乳糖的β-半乳糖苷酶主要來源于環(huán)狀芽孢桿菌、米曲霉和乳酸克魯維酵母等[5,20]。來源于環(huán)狀芽孢桿菌的β-半乳糖苷酶合成低聚半乳糖的反應溫度為40～60 ℃,pH接近6,產(chǎn)率為40%;米曲霉來源的β-半乳糖苷酶的最佳反應溫度為40～60 ℃,最適pH為4.5,低聚半乳糖的產(chǎn)率接近30%,且相對于環(huán)狀芽孢桿菌的β-半乳糖苷酶而言在酶制備工藝上更為便捷;乳酸克魯維酵母來源的β-半乳糖苷酶反應溫度則為35～40 ℃,pH為6.5,低聚半乳糖產(chǎn)率為30%左右。此外,來源于乳酸克魯維酵母的β-半乳糖苷酶其水解活性較強,更適宜于乳糖水解而非低聚半乳糖的合成[5]。

另據(jù)報道,不同來源的β-半乳糖苷酶蛋白三維立體結構和反應機制存在差異,對水和糖具有不同的選擇性,反應條件不同,從而導致低聚半乳糖的產(chǎn)量和結構也會有所不同(即β-半乳糖苷酶的來源,決定了GOS的產(chǎn)量、產(chǎn)物組成和類型)[38]。如Huang等[29]將來源于產(chǎn)酸克雷伯氏菌[39-40]的兩段β-半乳糖苷酶基因進行異源表達,并進行轉糖基活性和水解活性考察,獲得高活性β-半乳糖苷酶,該酶在反應溫度為37 ℃,初始乳糖質(zhì)量濃度為400 g/L,反應pH為7.5,加酶量為10 U/g乳糖,反應時間為48 h的條件下,低聚半乳糖產(chǎn)率為45%左右,產(chǎn)物質(zhì)量濃度達到178 g/L(包括異乳糖、低聚半乳二糖、三糖和四糖)。朱五二等[41]以來源于鹽單胞菌S62β-半乳糖苷酶為研究對象,在反應溫度為40 ℃,初始乳糖質(zhì)量濃度為300 g/L,反應pH為7.0,加酶量為50 U/mL,反應時間為6 h的條件下,低聚半乳糖產(chǎn)率為42%左右,產(chǎn)物包括異乳糖、半乳二糖、2種低聚半乳三糖及2種低聚半乳四糖。Rodriguez-colins等[42]利用來自乳酸克魯維酵母的β-半乳糖苷酶,在初始乳糖質(zhì)量濃度為400 g/L,反應pH 7.0,反應溫度40 ℃,加酶量為1.2～1.5 U/mL,反應時間為6 h的條件下,低聚半乳糖最大產(chǎn)量為177 g/L,乳糖轉化率為76%,產(chǎn)物包括雙糖6-半乳二糖、異乳糖和6-半乳糖基-乳糖等。Urrutia等[43]利用來自米曲霉的β-半乳糖苷酶,在反應溫度為40 ℃,初始乳糖質(zhì)量濃度為400 g/L,反應pH為4.5,加酶量為15 U/mL,反應時間為7 h的條件下,GOS最大質(zhì)量濃度為107 g/L(占糖總量的26.8%),相當于大約70%的乳糖轉化率,產(chǎn)物包括半乳糖、3-O-β-半乳糖基葡萄糖和6′-O-β-半乳糖基-乳糖等。Yanahira等[44]利用來自環(huán)狀芽孢桿菌的β-半乳糖苷酶,在反應溫度為60 ℃的條件下,將該酶(275 U)加入含有乳糖(55 g)的溶液(45 mL)中(pH為6.0),反應23 h,產(chǎn)物有11種低聚糖(包括3種二糖和8種三糖)分別為β-D-Galp-(1→3)-D-Glc,β-D-Galp-(1→6)-D-Glc,β-D-Galp-(1→2)-D-Glc,β-D-Galp-(1→4)-β-D-Galp-(1→4)-D-Glc,β-D-Galp-(1→6)-[β-D-Galp-(1→2)]-D-Glc,β-D-Galp-(1→6)-[β-D-Galp-(1→4)]-D-Glc,β-D-Galp-(1→4)-β-D-Galp-(1→3)-D-Glc,β-D-Galp-(1→4)-β-D-Galp-(1→2)-D-Glc,β-D-Galp-(1→4)-[β-D-Galp-(1→2)]-D-Glc,β-D-Galp-(1→4)-β-D-Galp-(1→6)-D-Glc,β-D-Galp-(1→6)[β-D-Galp-(1→3)]-D-Glc。不同來源β-半乳糖苷酶進行GOS生物催化制備工藝的研究結果如表2所示。

表2 不同來源β-半乳糖苷酶生物催化制備GOS

除β-半乳糖苷酶自身的酶學性質(zhì)外,催化條件初始乳糖濃度和反應溫度也是生物催化法制備低聚半乳糖的關鍵因素。高于質(zhì)量與體積比為30%的初始乳糖濃度有利于合成反應,即有益于提高低聚半乳糖產(chǎn)率[50]。然而,乳糖的溶解度較其他糖類弱,溫度為30 ℃時溶解度僅為25%的水,40 ℃時也僅為33%的水,雖然可以通過過飽和的方式來獲得高濃度的乳糖溶液,但過飽和溶液不穩(wěn)定,乳糖容易析出,因此提高轉化體系溫度不僅可以獲得更高的底物(乳糖)初始投料質(zhì)量濃度,也有利于提高低聚半乳糖的合成效率。與此同時,過高的反應溫度容易造成催化劑β-半乳糖苷酶的變性失活,通過篩選或分子定向進化獲得耐高溫β-半乳糖苷酶提高低聚半乳糖的合成效率(轉化體系底物投料比、產(chǎn)物時空得率和產(chǎn)物純度等),是酶法合成低聚半乳糖研究的又一熱點問題。目前,國內(nèi)外研究[8]發(fā)現(xiàn)來自硫磺礦硫化葉菌、激烈火球菌、棲熱菌屬細菌、嗜鈣熱單胞菌、解糖葡萄球菌和海棲熱袍菌等超嗜熱微生物的糖苷水解酶,具備在80 ℃或更高溫度下催化轉糖基反應的能力,有益于提高生物催化法制備低聚半乳糖的產(chǎn)率。

3 酶法合成的低聚半乳糖分離純化

迄今為止,產(chǎn)率低仍是生物催化法制備低聚半乳糖工業(yè)化生產(chǎn)的短板,針對β-半乳糖苷酶介導的酶法合成路線,低聚半乳糖收率通常在20%～45%(對應于40%～60%的底物乳糖轉化率),而通過生物催化劑或過程工程技術優(yōu)化大幅提高低聚半乳糖產(chǎn)率的嘗試還未見成功的案例,因此去除酶法合成路線最終轉化液中未反應的乳糖和水解后未被聚合的單糖(葡萄糖和半乳糖)成為低聚半乳糖分離純化研究的主要難點和瓶頸[32]。據(jù)報道,目前低聚半乳糖的純化方法有色譜分離法、膜分離法、酶法和選擇性發(fā)酵法等[51]。

色譜分離法是依據(jù)待分離物料各組分在固定相與流動相間結合力不同,被先后分離出來,其中最常用于分離糖類物質(zhì)的是離子交換樹脂[52]。李良玉等[53]研究人員用自制的模擬移動色譜和順序式模擬移動色譜設備分別純化了低聚半乳糖粗品,得到了較好的分離效果,通過對比分析,采用順序式模擬移動色譜得到的效果更好,在進料折光60%,柱溫60 ℃,進料量467 mL/h,進水量722.4 mL/h的實驗條件下,低聚半乳糖收率為91.3%,質(zhì)量分數(shù)為95.1%。Wisniewski等[54]報道利用模擬移動床(SMB)技術能夠獲得質(zhì)量分數(shù)為99.9%的低聚半乳糖。膜分離法則是依據(jù)濾膜孔徑不同,使得小分子物質(zhì)通過孔徑,而大分子物質(zhì)被截流,從而將不同分子大小的組分分離,其中超濾及納濾常被應用于功能性多聚糖的分離純化[55]。Feng等[56]用截留相對分子質(zhì)量Mw為800～1 000 Da的NF-3膜對低聚半乳糖粗產(chǎn)品進行純化,其中單糖和乳糖的脫除率分別為90.5%,52.5%,低聚糖質(zhì)量分數(shù)為54.5%(為粗產(chǎn)品的1.5倍),寡糖得率為70%。Goulas等[57]利用2種不對稱的醋酸纖維素膜(NF-CA-50和UF-CA-1)將低聚半乳糖粗產(chǎn)品進行連續(xù)過濾透析后,低聚糖質(zhì)量分數(shù)可達到98%。由于低聚半乳糖與污染物(主要是乳糖和單糖)之間的分子質(zhì)量大小相近,因此通過膜分級分離是一項艱巨的任務。有效去除單糖雖然是一個合理的方法,但是去除乳糖將需要酶促預水解步驟,從而導致生產(chǎn)率降低和成本增加。膜分離法雖然選擇性好、無污染和能耗低,但設備昂貴且需要經(jīng)常清洗和維護,否則可能會造成膜污染,因此限制了該方法在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)中的應用。酶法是通過加入酶制劑選擇性去除相應的單糖和乳糖。這種方法的酶具有專一性,純化效果較好,產(chǎn)品純度高的優(yōu)點。Maischberger等[58]利用源自羅氏鏈球菌特異性較強的纖維二糖脫氫酶對低聚半乳糖粗產(chǎn)品進行純化,而后結合色譜步驟去除離子和單糖,得到較為純凈的低聚半乳糖,單糖和乳糖質(zhì)量分數(shù)低于0.3%,低聚半乳糖的收率達到60.3%。酶法純化工藝因酶制劑穩(wěn)定性差、回收率差和價格高等因素導致成本較高,且隨著酶解反應的發(fā)生,反應體系的pH會逐漸降低,也會影響酶的活性,因此限制了其工業(yè)化應用。

除以上幾種分離純化方法,基于微生物選擇性發(fā)酵特性的發(fā)酵分離方法也能有效提高低聚半乳糖的純化效果,也是近期國內(nèi)外研究的熱點問題。例如,使用克魯維酵母和啤酒酵母菌株,通過酵母發(fā)酵(生物轉化)從原始低聚半乳糖的轉化液中選擇性去除可代謝的糖類(葡萄糖、半乳糖和乳糖),從而實現(xiàn)低聚半乳糖純化的目的。Rengarajan等[59]對釀酒酵母(S.cerevisiae)選擇性發(fā)酵連續(xù)生產(chǎn)高純度異麥芽低聚糖(IMOS)進行了研究,將低質(zhì)量分數(shù)IMOS(67%)與分離菌株釀酒酵母(4%)在3 L生物反應器中孵育1 h,結合微濾膜循環(huán)獲得高質(zhì)量分數(shù)IMOS,產(chǎn)物質(zhì)量分數(shù)>91%,收率79%,最高時空產(chǎn)率為198.79 g/(L·h)。Yoon等[60]利用釀酒酵母對低聚半乳糖轉化母液進行了選擇性發(fā)酵特性的研究,研究發(fā)現(xiàn):厭氧糖酵解24 h可以特異性地去除低聚半乳糖轉化母液中單糖(葡萄糖和半乳糖)質(zhì)量濃度,提高產(chǎn)品質(zhì)量分數(shù)。此類選擇性發(fā)酵分離方法雖可獲得高質(zhì)量分數(shù)的產(chǎn)物,但選擇性發(fā)酵(生物轉化)也有其缺點,發(fā)酵過程需要較高的菌體量,且需要對未純化的低聚半乳糖進行稀釋,而代謝副產(chǎn)物如乙醇、乙酸和甘油等的產(chǎn)生亦會影響產(chǎn)品的質(zhì)量分數(shù)和產(chǎn)量[5]。

4 低聚半乳糖工業(yè)化生產(chǎn)現(xiàn)狀

低聚半乳糖的工業(yè)化起源于日本[4],隨后歐洲和美國也相繼開始了低聚半乳糖的商業(yè)化生產(chǎn),我國的低聚半乳糖工業(yè)則起步較晚?，F(xiàn)如今,已有國內(nèi)外多個公司將目光瞄準了低聚半乳糖產(chǎn)業(yè),進行低聚半乳糖商業(yè)化生產(chǎn)的廠家主要有日本養(yǎng)樂多株式會社、日本日新糖制造有限公司、荷蘭茲沃爾弗里斯蘭有限公司、美國伊利諾伊州玉米制品國際公司、中國保齡寶生物以及量子高科生物股份有限公司等[23],市場上主要的低聚半乳糖產(chǎn)品如表3所示。國內(nèi)外低聚半乳糖工業(yè)化生產(chǎn)雖然已經(jīng)取得了長足進步,但低聚半乳糖工業(yè)仍然存在一些亟待解決的問題,如低聚半乳糖分離純化困難(目前,國內(nèi)市場大多數(shù)國產(chǎn)低聚半乳糖產(chǎn)品的質(zhì)量分數(shù)低于57%),以及現(xiàn)有的商品化β-半乳糖苷酶活性不高(GOS產(chǎn)率約為30%～40%)。因此,開發(fā)高效的低聚半乳糖分離純化方法和尋找新的性能優(yōu)良的β-半乳糖苷酶將是未來低聚半乳糖工業(yè)化研究的主要方向,具有較高的研究價值和發(fā)展前景[61]。

表3 部分商品化GOS產(chǎn)品信息匯總

5 結 論

通過上述分析,低聚半乳糖因其出色的理化性質(zhì)和優(yōu)良的生理功效已廣泛應用于嬰幼兒配方奶粉、發(fā)酵乳、糖果產(chǎn)品、烘焙食品、家畜飼料和寵物食品等產(chǎn)業(yè),具有持久的發(fā)展?jié)摿?。伴隨生物催化法制備低聚半乳糖研究的不斷深入,國內(nèi)外學者在生物催化制備低聚半乳糖的工具酶源開發(fā)、催化制備工藝開發(fā)和低聚半乳糖的分離純化方法研發(fā)等方面進行了諸多嘗試,且取得了不小的進步,但研究成果仍然不能較好地滿足工業(yè)化生產(chǎn)需要及日益擴大的市場需求。目前,從生產(chǎn)工藝上來看,低聚半乳糖產(chǎn)率不高、分離純化困難仍是制約低聚半乳糖工業(yè)發(fā)展的重要因素。除此之外,我國低聚半乳糖生產(chǎn)工業(yè)還存在諸如催化劑來源單一、產(chǎn)品純度低和檢測手段匱乏等問題需要加以改進。相信隨著國內(nèi)研究人員在以上研究方向上不斷努力,突破生物催化法制備低聚半乳糖的難點和瓶頸問題,將逐漸補足技術發(fā)展中的短板,實現(xiàn)低聚半乳糖的生物催化法高效制備,使低聚半乳糖作為益生元逐漸深入國人的日常生活,服務于我國大健康產(chǎn)業(yè),產(chǎn)生相應的經(jīng)濟效益和社會效應。