CN104975056B - 一种高含量低聚半乳糖的生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高含量低聚半乳糖的生产方法，包括以下步骤：(1)向乳糖溶液中加入β–半乳糖苷酶，进行酶反应，升温终止反应，得到一次酶反应液；(2)将一次酶反应液进行浓缩，加入β–半乳糖苷酶，进行酶反应，制得粗糖液；(3)向粗糖液中加入活性炭，升温灭酶活后，经离交，浓缩，制得低聚半乳糖。本发明首次采用二次酶反应，从而使最终的产物中低聚半乳糖组分达到57％以上，解决了现有技术中低聚半乳糖生产成本高，产率低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种高含量低聚半乳糖的生产方法，属于糖工业技术领域。
背景技术
低聚半乳糖(GOS)是一种功能性低聚糖，是在乳糖分子的半乳糖基一侧连接上1-4个半乳糖基的低聚糖类。天然存在的低聚半乳糖源自动物的乳汁中。低聚半乳糖是肠道内双歧杆菌的增殖因子，婴幼儿的肠道菌群的建立很大程度上依赖母乳中低聚半乳糖组分。此外，低聚半乳糖还能够改善脂肪代谢、促进钙质的吸收等作用。广泛应用在烘焙食品、婴幼儿乳品、防龋齿食品等。
β-半乳糖苷酶是低聚半乳糖的生产用酶，可以催化乳糖生成低聚半乳糖(GOS)。在完整的催化过程中，β-半乳糖苷酶包含水解反应和转糖基反应两个过程。以乳糖分子为底物，β-半乳糖苷酶分解为一分子葡萄糖和一分子半乳糖。同时又可以将半乳糖分子结合到乳糖分子或1-4个半乳糖基上从而形成低聚半乳糖。在整个反应体系中，葡萄糖是催化生成低聚半乳糖的非竞争性抑制剂，而低聚半乳糖的存在则会反过来抑制转糖基反应的进行，从而限制了低聚半乳糖的转化率。为了制备高含量的低聚半乳糖，低聚半乳糖的生产一般是再利色谱分离技术将反应体系中的葡萄糖等组分分离出去。采用该种方法生产需要采购价格昂贵的模拟移动床色谱分离设备，提高了生产的成本和限制了低聚半乳糖行业的进入。
中国专利文献CN104004799A(申请号201410261794.7)公开了一种连续制备低聚半乳糖的方法，以300～400g/L乳糖溶液为原料，采用β-半乳糖苷酶直接合成低聚半乳糖，当反应液内低聚半乳糖含量达到为40wt％以上且乳糖浓度达到150g/L以下时，反应液经超滤膜超滤使酶循环利用，同时向反应釜中流加400～500g/L高浓度乳糖溶液进行连续合成反应，超滤出液经三级纳滤膜纳滤，分离得到低聚半乳糖。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种高含量低聚半乳糖的生产方法。
本发明采用的技术方案是：
一种高含量低聚半乳糖的生产方法，包括以下步骤：
(1)向乳糖溶液中加入β–半乳糖苷酶，加酶量为每克乳糖原料添加2～50U的β–半乳糖苷酶，在温度30～55℃、pH 5.0～7.0的条件下，进行酶反应至葡萄糖占总糖的质量百分比为5％～20％，升温终止反应，得到一次酶反应液；
(2)将步骤(1)制得的一次酶反应液进行浓缩至固形物的质量百分比为55-90％，加入β–半乳糖苷酶，加酶量为每克乳糖原料添加2～100U的β–半乳糖苷酶，在温度30～55℃、pH 5.0～7.0的条件下，进行酶反应80～150h，制得粗糖液；
(3)向步骤(2)制得粗糖液中加入活性炭，升温灭酶活后，经离交，浓缩，制得低聚半乳糖。
根据本发明优选的，所述步骤(1)中乳糖溶液为在93℃以上保温处理至少15min的乳糖溶液。
根据本发明优选的，所述步骤(1)中的乳糖溶液质量浓度为30～45％。
根据本发明优选的，所述步骤(1)中的加酶量为每克乳糖原料添加5～10U的β–半乳糖苷酶。
根据本发明优选的，所述步骤(1)中的终止反应条件为升温至70～75℃，保温30～40min。
根据本发明优选的，所述步骤(2)中的乳糖溶液固形物质量含量为50～60％。
根据本发明优选的，所述步骤(2)中的加酶量为每克乳糖原料添加30～50U的β–半乳糖苷酶。
根据本发明优选的，所述步骤(3)中活性炭添加量为料液干重的0.1～5％；优选的，活性炭添加量为料液干重的2～3％。
根据本发明优选的，所述步骤(3)中灭酶活条件为：70～100℃保温10～30min。
根据本发明优选的，所述步骤(3)中离交条件为：溶液固形物的质量百分比为5～60％，电导10～100us/cm。
根据本发明优选的，所述步骤(3)中浓缩为真空浓缩，浓缩至低聚半乳糖的质量浓度为70～80％。
所述β–半乳糖苷酶为本领域常规市售具有转糖苷作用的β–半乳糖苷酶，如环状芽孢杆菌CGMCC No.8864、克鲁维酵母CCTCC NO.M2010073、阿耶波多芽孢杆菌CCTCCNO.M2011464产的β–半乳糖苷酶。
有益效果
1、本发明首次采用二次酶反应，从而使最终的产物中低聚半乳糖组分达到57％以上，解决了现有技术中低聚半乳糖生产成本高，产率低的问题；
2、本发明采用质量浓度为30～45％的乳糖溶液，避免了结晶现象，提高了低聚半乳糖的产率；
3、本发明采用高温处理乳糖溶液，将乳糖溶液中的α–乳糖转变为β–乳糖，提高了低聚半乳糖的产率；
4、本发明所述方法工艺要求低，实现所需设备采购成本低，易于大规模推广。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步阐述，但本发明所保护范围不限于此。
菌种来源：
所述环状芽孢杆菌来源于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，菌种编号CGMCCNo.8864；
所述克鲁维酵母来源于中国典型培养物保藏中心，菌种编号CCTCC NO.M2010073；
所述实施例1～4中的β–半乳糖苷酶为利用环状芽孢杆菌CGMCCNo.8864发酵制得；所述实施例5中的β–半乳糖苷酶为利用克鲁维酵母CCTCC NO.M2010073发酵制得；
β–半乳糖苷酶的制备方法如下：
(i)将保存有菌的斜面种子，接种于LB固体培养基，30～33℃培养12～24h，制得活化种子；
LB固体培养基配制方法如下：
胰蛋白胨10g/L、酵母提取物5g/L、氯化钠10g/L、琼脂粉10-15h/L。NaOH调pH至7.0，在15psi高压下蒸汽灭菌20min。
(ii)将活化种子转接到LB液体培养基中，30～33℃振荡培养4～8h后，转入LB液体培养基中，30～33℃振荡扩大培养4～8h，得到种子液；
LB液体培养基配制方法如下：
胰蛋白胨10g/L、酵母提取物5g/L、氯化钠10g/L。NaOH调pH至7.0，在15psi高压下蒸汽灭菌20min。
(iii)将种子液转入发酵培养基中培养，30～33℃培养时间30～50h，得到发酵液；然后经微滤或者离心脱除菌体，得到液体β–半乳糖苷酶；
发酵培养基配制方法如下：
蛋白胨10g/L、酵母提取物5g/L、氯化钠10g/L、葡萄糖10g/L、硫酸镁1g/L。NaOH调pH至7.0，在15psi高压下蒸汽灭菌20min。
实施例1
一种高含量低聚半乳糖的生产方法，包括以下步骤：
(1)将乳糖加水溶解，调节乳糖质量浓度为45％，95～100℃保温20min，将温度降至45～50℃，然后向乳糖溶液中加入β–半乳糖苷酶，加酶量为每克乳糖原料添加5U的β–半乳糖苷酶，在温度40℃、pH 5.5～6.0的条件下，进行酶反应10h至葡萄糖占总糖的质量百分比为10～12％，煮沸终止反应，得到一次酶反应液；
(2)将步骤(1)制得的一次酶反应液进行浓缩至固形物的质量百分比含量为80％，加入β–半乳糖苷酶，加酶量为每克乳糖原料添加30U的β–半乳糖苷酶，在温度40℃、pH 5.5～6.0的条件下，进行酶反应100h，制得粗糖液；
(3)向步骤(2)制得粗糖液中加入活性炭，活性炭添加量为料液干重的2％，升温至90℃保温30min，抽滤脱除活性炭，然后调节溶液固形物的质量百分比为30％，离交，电导降至90～100us/cm，浓缩至固形物质量含量为75％，制得低聚半乳糖糖浆。
经检测，低聚半乳糖占总糖的质量百分比为58.2％，产率达84.6％。
实施例2
一种高含量低聚半乳糖的生产方法，包括以下步骤：
(1)将乳糖加水溶解，调节乳糖质量浓度为40％，95～100℃保温20min，将温度降至50～55℃，然后向乳糖溶液中加入β–半乳糖苷酶，加酶量为每克乳糖原料添加2U的β–半乳糖苷酶，在温度55℃、pH 6.5～7.0的条件下，进行酶反应10h至葡萄糖占总糖的质量百分比为5％，煮沸终止反应，得到一次酶反应液；
(2)将步骤(1)制得的一次酶反应液进行浓缩至固形物的质量百分比含量为55％，加入β–半乳糖苷酶，加酶量为每克乳糖原料添加100U的β–半乳糖苷酶，在温度55℃、pH 6.5～7.0的条件下，进行酶反应80h，制得粗糖液；
(3)向步骤(2)制得粗糖液中加入活性炭，活性炭添加量为料液干重的3％，升温至100℃保温10min，抽滤脱除活性炭，然后调节溶液固形物的质量百分比含量为5％，离交，电导降至10～20us/cm，浓缩至固形物质量含量为70％，制得低聚半乳糖糖浆。
经检测，低聚半乳糖占总糖的质量百分比为57.8％，产率87.4％。
实施例3
一种高含量低聚半乳糖的生产方法，包括以下步骤：
(1)将乳糖加水溶解，调节乳糖质量浓度为30％，95～100℃保温15min，将温度降至55～65℃，然后向乳糖溶液中加入β–半乳糖苷酶，加酶量为每克乳糖原料添加50U的β–半乳糖苷酶，在温度30℃、pH 6.0～6.5的条件下，进行酶反应10h至葡萄糖占总糖的质量百分比为20％，煮沸终止反应，得到一次酶反应液；
(2)将步骤(1)制得的一次酶反应液进行浓缩至固形物的质量百分比含量为90％，加入β–半乳糖苷酶，加酶量为每克乳糖原料添加2U的β–半乳糖苷酶，在温度55℃、pH 5.0～5.5的条件下，进行酶反应120h，制得粗糖液；
(3)向步骤(2)制得粗糖液中加入活性炭，活性炭添加量为料液干重的3％，升温至100℃保温10min，抽滤脱除活性炭，然后调节溶液固形物的质量百分比含量为40％，离交，电导降至30～40us/cm，浓缩至固形物质量含量为70％，制得低聚半乳糖糖浆。
经检测，低聚半乳糖占总糖的质量百分比为58.2％，产率84.6％。
实施例4
一种高含量低聚半乳糖的生产方法，包括以下步骤：
(1)将乳糖加水溶解，调节乳糖质量浓度为45％，80℃至乳糖完全溶化，将温度降至55～60℃然后向乳糖溶液中加入β–半乳糖苷酶，加酶量为每克乳糖原料添加5U的β–半乳糖苷酶，在温度40℃、pH 5.5～6.0的条件下，进行酶反应10h至葡萄糖占总糖的质量百分比为10％，煮沸终止反应，得到一次酶反应液；
(2)将步骤(1)制得的一次酶反应液进行浓缩至固形物的质量百分比含量为80％，加入β–半乳糖苷酶，加酶量为每克乳糖原料添加30U的β–半乳糖苷酶，在温度40℃、pH 5.5～6.0的条件下，进行酶反应150h，制得粗糖液；
(3)向步骤(2)制得粗糖液中加入活性炭，活性炭添加量为料液干重的2％，升温至90℃保温30min，抽滤脱除活性炭，然后调节溶液固形物的质量百分比含量为30％，离交，电导降至70～80us/cm，浓缩至固形物质量含量为75％，制得低聚半乳糖糖浆。
经检测，低聚半乳糖占总糖的质量百分比为59.1％，产率83.2％。
实施例5
一种高含量低聚半乳糖的生产方法，包括以下步骤：
(1)将乳糖加水溶解，调节乳糖质量浓度为45％，95～100℃保温20min，将温度降至55～60℃然后向乳糖溶液中加入β–半乳糖苷酶，加酶量为每克乳糖原料添加5U的β–半乳糖苷酶，在温度40℃、pH 5.5～6.0的条件下，进行酶反应10h至葡萄糖占总糖的质量百分比为10％，煮沸终止反应，得到一次酶反应液；
(2)将步骤(1)制得的一次酶反应液进行浓缩至固形物的质量百分比含量为80％，加入β–半乳糖苷酶，加酶量为每克乳糖原料添加30U的β–半乳糖苷酶，在温度40℃、pH 5.5～6.0的条件下，进行酶反应100h，制得粗糖液；
(3)向步骤(2)制得粗糖液中加入活性炭，活性炭添加量为料液干重的2％，升温至90℃保温30min，抽滤脱除活性炭，然后调节溶液固形物的质量百分比含量为30％，离交，电导降至50～60us/cm，浓缩至固形物质量含量为75％，制得低聚半乳糖糖浆。
经检测，低聚半乳糖占总糖的质量百分比为57.8％，产率85.2％。
对比例1
(1)将乳糖加水溶解，调节乳糖质量浓度为55％，95～100℃保温20min，然后向乳糖溶液中加入β–半乳糖苷酶，加酶量为每克乳糖原料添加50U的β–半乳糖苷酶。在温度40℃、pH 5.5～6.0的条件下，进行酶反应100h，制得粗糖液；
(2)向步骤(1)制得粗糖液中加入活性炭，活性炭添加量为料液干重的2％，升温至90℃保温30min，抽滤脱除活性炭，然后调节溶液固形物的质量百分比含量为30％，离交，电导降至10-100us/cm，糖液浓缩至固形物含量为75％，制得低聚半乳糖糖浆。
经检测，低聚半乳糖占总糖的质量百分比为44.2％，产率82％。
对比例2
一种高含量低聚半乳糖的生产方法，包括以下步骤：
(1)将乳糖加水溶解，调节乳糖质量浓度为30％，95～100℃保温15min，将温度降至55～65℃，然后向乳糖溶液中加入β–半乳糖苷酶，加酶量为每克乳糖原料添加60U的β–半乳糖苷酶，在温度30℃、pH 6.0～6.5的条件下，进行酶反应10h至葡萄糖占总糖的质量百分比为20％，煮沸终止反应，得到一次酶反应液；
(2)将步骤(1)制得的一次酶反应液进行浓缩至固形物的质量百分比含量为90％，加入β–半乳糖苷酶，加酶量为每克乳糖原料添加1U的β–半乳糖苷酶，在温度55℃、pH 5.0～5.5的条件下，进行酶反应120h，制得粗糖液；
(3)向步骤(2)制得粗糖液中加入活性炭，活性炭添加量为料液干重的3％，升温至100℃保温10min，抽滤脱除活性炭，然后调节溶液固形物的质量百分比含量为40％，离交，电导降至30～40us/cm，浓缩至固形物质量含量为70％，制得低聚半乳糖糖浆。
经检测，低聚半乳糖占总糖的质量百分比为48.2％，产率82.4％。
结果分析
1、一次酶反应液经浓缩后再进行加酶反应，最终的低聚半乳糖组分占总糖的质量百分比较高，可达57％以上。对应的，未进行浓缩过程的糖液，最终低聚半乳糖组分占总糖的质量百分比较低，结合对比例1，低聚半乳糖占总糖的质量百分比仅有44.2％。
2、乳糖溶液经过95-100℃保温15-20min预处理过程，酶反应的时间大大缩短。实施例4未经过预处理过程，二次加酶反应的时间增加到了150h，大大长于其它实施例。
3、由实施例3和对比例2的检测结果可以看出，二次酶反应过程中的酶添加量对于最终产物的低聚半乳糖占总糖的质量百分比含量具有显著的影响，导致对比例2的产物无法达到国家新资源食品的要求。
Claims (10)
1.一种高含量低聚半乳糖的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）向乳糖溶液中加入β–半乳糖苷酶，加酶量为每克乳糖原料添加2～50U的β–半乳糖苷酶，在温度30～55℃、pH 5.0～7.0的条件下，进行酶反应至葡萄糖占总糖的质量百分比为5%～20%，升温终止反应，得到一次酶反应液；
（2）将步骤（1）制得的一次酶反应液进行浓缩至固形物的质量百分比为50～60%，加入β–半乳糖苷酶，加酶量为每克乳糖原料添加30～50U的β–半乳糖苷酶，在温度30～55℃、pH5.0～7.0的条件下，进行酶反应80～150h，制得粗糖液；
（3）向步骤（2）制得粗糖液中加入活性炭，升温灭酶活后，经离子交换，浓缩，制得低聚半乳糖。
2.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述步骤（1）中乳糖溶液为在93℃以上保温处理至少15min的乳糖溶液。
3.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述步骤（1）中的乳糖溶液质量浓度为30～45%。
4.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述步骤（1）中的加酶量为每克乳糖原料添加5～10U的β–半乳糖苷酶。
5.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述步骤（1）中的终止反应条件为升温至70～75℃，保温30～40min。
6.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述步骤（3）中活性炭添加量为料液干重的0.1～5%。
7.如权利要求6所述的生产方法，其特征在于，活性炭添加量为料液干重的2～3%。
8.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述步骤（3）中灭酶活条件为：70～100℃保温10～30min。
9.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述步骤（3）中离子交换条件为：溶液固形物的质量百分比为5～60%，电导率10～100us/cm。
10.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述步骤（3）中浓缩为真空浓缩，浓缩至低聚半乳糖的质量浓度为70～80%。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |