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，CAS 87—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。

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134℃，玻璃化温度15℃。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pH 3～7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6 280．2 J／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Ⅱ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[5]。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(short chain fat acid，SCFA)。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7．5 g／d。

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El臭方面有良好功效，因此在El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El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Ⅱ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，FAO／wHO食品添加剂专家委员会(joint FAO／WHO ex—pert committeeonfoodadditives，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、一15～40*(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H SO4、H PO4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yoI 3'1 No 1(Total 205)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230 L不锈钢反应釜中加入10，0 kg乳糖和40L去离子水，搅拌混匀，升温至5013。加入乳糖酶，水解6 h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25℃后，再顺序加入154 g CaCI2、Ca(OH)2水溶浆(2.0kgCa(oH)2加2．5 L水)。然后，加入适量质量分数10％NaOH溶液，调整pH 12.5。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pH 6.5。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(Lactobacillus fermentum)、Lactobacillus pentosus、Lactobacillus mannitopous、Lactobacillus buchneri、Lactobacillus brevis、Lactobacillus pentoaceticus、Lactobacillus lycopersici

等乳杆菌属，产气杆菌(Aerobacter aerogenes)，医学环状杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)，枯草杆菌(Bacillus subtilis)，产朊假丝酵母(Candida“tilis)，丙酮丁酸梭状芽孢杆菌(Cl0stridi“acetobutylicum)，大肠杆菌(EscherichiⅡ coli)，Erwinia cativosa，分枝杆菌(Mycobacterium)，鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium)，以及小球菌(Pediococcus，如Pediococcus pentosaceous)、节杆菌(Arthrobacter)等，都可以发酵产生AraA。以L．阿拉伯糖为碳源，经pH 5．5～ 7．0、30～ 40℃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、pH 4．0～9．0．最好是在50～70*(2、pH 5．5～7．0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100℃温度下进行异构化作用。有研究将源自超嗜热菌(Thermotoga neapolitⅡⅡ)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一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。