甘蔗糖业  2006Issue (1): 41-45   PDF    
以蔗糖为原料制备的甜味剂
梁智    
广西南宁化学制药有限责任公司, 南宁530031
摘要:蔗糖是最常见的营养性双糖,蔗糖的大量食用对糖尿病患者等特殊人群有一定的影响。而将蔗糖进行生物改性,得到的功能性的甜味剂,不仅仍具有味甜又具有功能性,拓宽用途,适用人群将更广。
关键词蔗糖     改性     功能性甜味剂    

蔗糖(Sugar)是植物界最常见的含量最高 一种双糖,也是工业产量最大,最纯净的碳水化 合物。除家庭食用、食品工业用糖外也是工业原 料。其是由葡萄糖和果糖脱水缩合而成,蔗糖为 白色单斜菱形结晶体,无臭,有甜味,非还原性, 可被微生物利用。相对密度d4251.587,熔点185~ 186℃(分解),具有光学活性,其当量溶液的比 旋度为[α]D20+66.53。易溶于水,不溶于乙醚。

1 蔗糖的生理特性

蔗糖是一种含有较高热值的营养性甜味 剂,既为生命活动提供能量,又给人以甜的味 觉享受。食用后的蔗糖经食道,在胃中被胃酸 水解,但大部分消化作用和全部的吸收作用都 是在小肠中进行的,在这里被水解为葡萄糖和 果糖,然后通过肠壁的毛细管,进入门静脉, 溶解在血清之中,随血液流入肝脏。如果门静 脉的血糖水平高于0.1%,则过剩的血糖便转化 为肝糖(一种多糖)在肝脏中贮存起来,直到 血糖水平恢复正常为止,血液由肝静离开肝脏 时含糖约0.1%。全部血液中的糖分大约相当于 一圆茶匙的砂糖。这里面所含的能量足供一个 体重150 磅的人爬上一座高400 英尺的楼梯。 当血糖水平下降时,肝脏中贮存的肝糖便转化 为葡萄糖随血流动,不参加呼吸作用的血糖能 够化为脂肪贮存起来。1 g 葡萄糖氧化可提供17 kJ 的能量。蔗糖在体内的吸收需要胰岛素,而 胰岛素缺乏者(如糖尿病患者)则不能食用或 受限制食用含有蔗糖的食品。食用蔗糖在口腔 中残留易致龋齿(特别是儿童)。

2 蔗糖的改性

以蔗糖为原料,经生物转化及化学改性可得 甜味剂类,且大部分是具有功能性的。经改性后 的蔗糖,由于分子结构改变,仍具有甜味,可满 足嗜甜人群的爱好,而其它理化、生理特性完全 不同于蔗糖,成为具有功能性的甜味剂,又可满 足如糖尿病等特殊人群的需要。如用生物工程方 法制备的低聚糖,用催化氢化方法制备的糖醇, 用加氯方法制备的三氯蔗糖及人们熟知的水解法 制备的果葡糖浆等。

3 低聚糖

以下是几种当前常见的、制备水平较成熟的 以蔗糖为原料制备低聚糖的产品,如异麦芽酮 糖、低聚果糖、低聚乳果糖。

3.1 异麦芽酮糖(Palatinose)

异麦芽酮糖(学名6-O-α-D-吡喃葡糖基-D- 果糖)是结晶状的还原性双糖、蔗糖的异构体, 其结晶体含有1 分子的水,失水后不呈结晶状。 与果糖一样,它呈正交晶体,含水异麦芽酮糖晶 体的分子量为360;它的熔点在122~123℃,比 蔗糖(182℃)要低得多;其比旋度〔α〕D20+ 97.2°,还原活性是葡萄糖的52%。 异麦芽酮糖具有与蔗糖类似的甜味特性。异 麦芽酮糖无任何异味,其甜度是蔗糖的42%, 而且不随温度变化而变化。将异麦芽酮糖应用在 糖果和巧克力类食品中,没有发现它与蔗糖间存 在明显的差异。

室温下,异麦芽酮糖的溶解度只有蔗糖的一 半。但随着温度的升高,其溶解度会急剧增加, 80℃时可达蔗糖的85%。因此,在相对高的温 度下生产的含异麦芽酮糖的食品于常温下保存 时,可能会出现异麦芽酮糖的结晶现象。浓度相 同时,异麦芽酮糖溶液的粘度略小于蔗糖溶液。

与颗粒状蔗糖和乳糖不同,异麦芽酮糖没有 吸湿性。异麦芽酮糖抗酸水解能力很大。将20% 的酸化异麦芽酮糖水溶液和蔗糖水溶液(pH=2)煮 沸后比较它们的水解率,发现60 min 后蔗糖完 全水解,而此时异麦芽酮糖并没被水解。这些特 性表明,对于含有机酸或维生素C 的食品来说, 用异麦芽酮糖作增甜剂比用蔗糖来得稳定。用异 麦芽酮糖做糖果熬煮试验表明,120℃时其甜味 没有变化,只出现了轻微的褐变;在高达140℃ 时,异麦芽酮糖开始出现褐变、分解和聚合等反 应;继续升温至160℃以上,这些反应明显加剧。 大多数细菌和酵母不能发酵利用异麦芽酮糖。将 含有异麦芽酮糖和蔗糖的酸性饮料或面包贮存一 段时间,发现异麦芽酮糖的数量一点也没减少。 因此,当异麦芽酮糖应用在发酵食品和饮料生产 中,其抗微生物的特性使得产品的甜味易于保 持。另外,异麦芽酮糖不被口腔细菌所发酵利用, 所以它的致龋齿性很低。

制法:以约40°Bx 的蔗糖溶液,pH 5.5, 在120℃温度下杀菌15 min,冷却至25℃后通 过含固定化的α-葡萄糖转移酶的柱式反应器。 此法可使85%以上的蔗糖转化成异麦芽酮糖, 当然也有少量1-O-α-D-葡糖基-D-果糖、异麦 芽糖、异松三糖(Isomelezitose)、果糖和葡萄 糖生成。转化液经精制后,浓缩结晶,离心分离 出糖蜜中的结晶体。

3.2 低聚果糖(Fructooligosaccharide)

低聚果糖又称寡果糖或蔗果三糖(蔗糖分 子的果糖残基上结合1~3 个果糖的寡糖)族低 聚糖。天然的和微生物酶法得的低聚果糖几乎 是直键状,在蔗糖(GF)分子上以β(1→2)糖苷 链与1~3 个果糖分子结合成的蔗果三糖(GF2)、 蔗果四糖(GF3)和蔗果五糖(GF4),属于果糖 和葡萄糖构成的直链杂低聚糖。其甜度为蔗糖 的30%~60%;粘度、保湿性及在中性条件下 的热稳定性等食品的应用特性都接近于蔗糖, 只有在pH 3~4 的酸性条件下加热易分解。在 食品中低聚果糖为防止其分解需注意2 点:① 酸性条件下不要长时间;②酵母等产生的蔗糖 酶会水解该糖。

低聚果糖的生理功能:该糖很难被人体吸 收,能量值很低,摄入后不易致肥胖症;在肠道 内不易消化吸收到达大肠被双歧杆菌利用,是双 歧杆菌增殖因子。成人每天摄取5~8 g,2 周后 每克粪便中双歧杆菌数可增加10~100;可以认 为低聚果糖是一种水溶性膳食纤维,能降低血清 胆固醇和甘油三酯含量,而且摄入后不会引起体 内血糖值的大幅度升高,所以可作为高血压、糖 尿病和肥胖症等患难与共者食用的甜味剂,低聚 果糖不能被突变链球S. mutans作为发酵底物来 生成不溶性葡聚糖,不提供口腔微生物沉积、产 酸、腐蚀的场所(牙垢),是一种低腐蚀性防龋 齿甜味剂。

制法: 工业生产上一般采用黑曲霉 (Aspergillus niger)等果糖转移酶作用于高浓 度(50%~60%)的蔗糖溶液,经过一系列的酶转 移作用而获得低聚果糖产品。国外多以菊粉为原 料(100 g 干重菊芋中约有60~70 g 菊粉,菊 粉是通过线性的β-2,1-糖苷链连接的果聚糖, 其末端为一蔗糖基),用菊糖内切酶水解作用, 经精制最终可得低聚糖浆。两者的区别是从蔗糖 得到的低聚果糖的聚合度n=2 ~ 4 占总糖的 95%,以菊粉生产的低聚果糖的聚合度n=2~7, 其中聚合度n=2~4 只占总糖的71.2%,分子量 小聚合度低的物质不易被胃液和小肠黏液水解到 达大肠,被双歧杆菌所利用。

3.3 低聚乳果糖(Lactosucrose)

本品为无色结晶体三糖,由β-D-半乳糖苷、 α-D-葡萄糖苷以及β-D-呋喃果糖苷残基组成。 有引湿性,易溶于水,甜味特征也更接近于蔗糖, 纯品为蔗糖的30%。商品化的低聚乳果糖中包 含低聚乳果糖、蔗糖、乳糖、葡萄糖和果糖与微 量其它糖(如1-蔗果三糖、半乳糖基果糖、半 乳糖基乳糖等),甜度约为蔗糖的70%。1991 年 由日本投入市场。低聚乳果糖的甜度根据组成不 同,而有差别,纯度高甜度低。

低聚乳果糖热值低,几乎不被人体消化吸 收,摄入后还会引起体内血糖水平和血液胰岛素 水平的波动,可供糖尿病人食用。该糖也是双歧 杆菌增殖因子,每天摄入5 g,一周后粪便中双 歧杆菌从摄入前占10.5%增加到32.6%。若以 身体条件较好的成年男子为试验对象,则双歧杆 菌数增加至占50%左右,与同是双歧杆菌增加 的低聚半乳糖、低聚异麦芽糖相比,低聚乳果糖 的双歧杆菌增殖活性更高。这是因为其代谢产物 是乳酸和醋酸,可使肠道的pH 值下降,抑制腐 败细菌的繁殖,同时也抑制有毒代谢物的产生, 还具有防龋、整肠、降低血清胆固醇等作用。该 糖经日本的急性毒理试验和致突变试验等证实是 安全无毒的。使用时要注意剂量,否则会引起胀 腹和腹泻等副作用。

制法:以乳糖和蔗糖(1:1)为原料,在节 杆菌(A-rthrobacter)产生的β-呋喃果糖酶催 化作用下,将蔗糖分解产生的果糖基转移至乳糖 还原基末端的C1 位羟基上,生成半乳糖基蔗糖 即低聚乳果糖,它是由3 个单糖单元组成。

用途:作为甜味剂、填充剂、增香剂、增稠 剂等用于食品中,如冰淇淋、冷饮食品、块糖和 酸奶中。也用于药物、日化、饲料(特别是宠物 食品)等。该品具有降低水分活度的特征,可使 食品的保存期延长。

以上是几种较典型的商品低聚糖产品,以蔗 糖为原料还可生产偶联糖、二乳蔗糖、果聚糖各 类低聚糖。

4 糖醇

糖醇是将单糖的醛基或酮基以及双糖的半缩 醛羟基还原成羟基,工业生产一般由相应的糖经 催化加氢而得的物质。蔗糖是非还原糖,不能直 接加氢还原可先经另一途径使其转化成单糖或还 原性双糖,而下述3 种糖醇是以蔗糖为原料制备 糖醇最具代表性的。

4.1 异麦芽酮糖醇(Palatinit)

它是一种包含两种立体异构体的混合物,这 两种异构体是α-D-吡喃葡糖基(1→6)-D-山梨 醇(GPS)和α-D-葡糖基(1→1)-D-甘露醇(GPM)。 呈白色结晶状,其吸湿性在所有糖醇中最低,在 25℃、相对湿度85%环境中几乎不吸湿,在60 ℃及80℃温度下环境的相对湿度必须超过75% 和65%其吸湿性才会有明显增大,这给贮存和 运输带来很大的方便。异麦酮糖醇的熔点大约在 145~150℃之间,如在此温度以上加热直至水分 降至2%,异麦芽酮糖醇会熔化成一种低粘度的 液体,经快速冷却后变成透明固体。这种固体即 使经过2 年以上的贮藏也不会重结晶,因不吸湿 表面也不发粘,该特性对用于熔融浇注制造的口 含片非常理想。

异麦芽酮糖醇的相对甜度是蔗糖的45%~ 60%,其甜味纯正似蔗糖没有不良后味。异麦芽 酮糖醇还具有增强食品风味的作用,与其他多元 醇如木糖醇、山梨醇和氢化淀粉水解物混合使用 时会产生协同增效作用和修饰异味的作用。

异麦芽酮糖醇的化学性质十分稳定,对酸、 碱、热和微生物均很稳定,食品、饮料中大多数 微生物(细菌、酵母和霉菌等)都不能利用它。 溶于水时所吸收的热量很低,因此不象其他糖醇 具有凉爽的口感。

制备:用异麦芽酮糖在催化剂的存在下加氢 还原,经精制结晶而得。

用途:异麦芽酮糖醇可在很多食品上得到应 用,包括硬糖、软糖、巧克力、口香糖、果冻、 果酱、谷物早餐食品、焙烤食品、涂抹食品、餐 桌甜味剂、稀奶油、冰淇淋和清凉饮料等等。

4.2 甘露醇(D-mannitol)

又名已六醇、木蜜醇。为白色斜方系晶体或 结晶性粉末,相对密度1.489(20/4℃),熔点 165~170℃,沸点290~295℃(在0.4~0.67 Kpa),折射率1.3330(25℃),比旋光度[a]D20– 0.04°,(10%水溶液),渗透压较大。热值低8.63 kJ/g。易溶于水,溶解度22 g/100 g H20(25℃), 20%的水溶液pH 为5.5~6.5,微溶于甲醇、乙 醇和乙醚。

制备:以蔗糖为原料,水解加氢后得甘露醇 和山梨醇的混合物,然后进行结晶分离。

用途:甘露醇的化学性质相对稳定,对稀酸、 稀碱、热较稳定,空气中不氧化,甘露醇具有多 元醇的通性,其羟基具有较强的反应性能,可以 通过取代、酯化,醚化、缩合等,而生成一系列 衍生物或中间体,中间体再进一步合成可以得到 更多的衍生物,如此形成一甘露醇衍生物合成 链,甘露醇不仅可以在化学制药领域开发利用, 也可广泛用于制备化工衍生物,电子行业等。

4.3 山梨醇(D-Sorbitol)

又名葡萄糖醇,是甘露醇的同分异构体。常 温下有液体和固体种状态。液体山梨醇,为50%~ 70%的水溶液,无色,无臭,味甜,pH 值为6~ 7;固体山梨醇为白色针状、片状、粒状结晶粉 末,极易溶于水(1 g/0.45 ml H2O),熔点88~102 ℃,相对密度1.49,比旋光度[a]D20-1.988°(10% 水溶液),折射率[n]D201.3477,有强引湿性。

制备:以蔗糖为原料,经水解预处理后,催 化加氢、精制、然后进行结晶分离。

用途:山梨醇的化学性质相对稳定,不燃烧, 不腐蚀,不挥发;浓度高时具有抗微生物的特性。 在糖醇类产品中,产量最高、耗量最大、价格最 低、应用最广的是山梨醇。由于这些特性,山梨 醇在化工、日化、食品和医药等工业领域的应用 日趋活跃。

5 氯化物

三氯蔗糖是以蔗糖为原料经氯代而制得的一 种非营养型强力甜味剂,其化学名4,1’,6’— 三氯—4,1’,6’—三脱氧半乳型蔗糖,是一种 白色粉末状产品,极易溶于水(溶解度28.2 g, 20℃),水溶液澄清透明,其甜度是蔗糖的400~ 800 倍,三氯蔗糖具有如下优点:⑴水溶液化学 稳定性好,高温下甜味不变,而且与食物中的蛋 白质果胶等主要成分不起化学反应,在焙烤工艺 中甜度更稳定。⑵无毒副作用,在人体内几乎不 被吸收,热量值为零,是糖尿病人的甜味代用品。 ⑶甜味纯正,与蔗糖一样没有不愉快的苦后味和 其他怪味,它不被龋齿病菌利用,所以不会引起 龋齿。

制备:单酯法只需要3 步反应,投资小,收 率高,成本低,中间产物易于分离提纯,可采取 萃取和结晶的方法,最适宜于工业生产,这是目 前合成三氯蔗糖的最理想的工艺。

用途:目前三氯蔗糖广泛应用于饮料,口香 糖,面包,糕点,蜜饯,果冻,布丁和果酱等食 品中。而且在医药领域中的应用也正在迅速扩 大。

6 果葡糖浆(High fructose com syrups)

无色无臭粘稠液体。根据果糖含量的多少, 可分为3 种。一般含固形物约71%,其中果糖 占42%葡萄糖占52%,高碳糖占6%,这是第 一代果葡糖浆,亦称42%的果葡糖浆;第二代 果葡糖浆的果糖含量可达55%以上,另含葡萄 糖40%,高碳糖5%,总固形物约77%;含果 糖90%的果葡糖浆中只含葡萄糖7%,高碳糖 3%,总固形物80%。

制备:以蔗糖为原料经酸水解或酶解得果糖 含量约为48%的果葡糖浆,又称转化糖。

用途;营养型甜味剂。用于软饮料、焙烤食 品、冷饮、水果罐头、果酱、果冻、色拉裱花、 糖食品及谷类早餐制品。90%的果葡糖浆还可用 于果酒、低热量食品及冷冻食品等。

7 结束语

蔗糖作为食品添加剂主要是用作甜味剂,经 化学和生物改性后,分子结构发生了变化其性能 也有变化,大部分不再具有甜味,有些则仍具有 甜味,但甜度不论是超过蔗糖或低于蔗糖,则功 能性却大大优于蔗糖,用途远宽于蔗糖,适合食 用的人群更多。蔗糖的深加工产业前途十分广 阔,以蔗糖为原料生产食品添加剂类物质,是蔗 糖深加工的重要途径,加工的多级化,产品的多 样化,不仅可以满足社会各领域的需要,还可促 进我国蔗糖工业及相关行业的发展。我国随着经 济的迅速发展,人民生活水平的提高,对保健的 意识也大大提高,对保健品的要求也越来越高, 给各类低聚糖提供的市场空间越大,同时也为广 西的蔗糖的深加工提出多条渠道,以促进广西蔗 糖产业的合理发展。

参考文献
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(本篇责任编校:李金玉)