异麦芽酮糖(Isomaltulose)亦称帕拉金糖、益寿 糖、巴糖、异构蔗糖，2001 年被美国食品与药物管 理局 (FDA)确定为普遍公认安全食品 (GRAS)，并对 其摄入量不作限定。研究表明，异麦芽酮糖具有非 致龋齿性，被人体食用后，由于只在小肠中被缓慢 消化吸收，血糖上升指数较低，因而有益于糖尿病 的防治并可防止脂肪的过多积累，还有改善肠内菌 群平衡的作用。作为一种健康食品甜味剂，异麦芽 酮糖可以作为蔗糖的理想替代品应用于糖尿病专用 食品、减肥食品、口香糖、谷物食品、饮料、肉制 品、糖果等食品工业^[1]。 1 异麦芽酮糖的理化性质

异麦芽酮糖是一种结晶状的还原性双糖，由葡 萄糖与果糖以 α-1,6 糖苷键结合而成。分子式为 C₁₂H₂₂O₁₁·H₂O，失水后不呈结晶状。含水异麦芽酮糖晶体的相对分子质量为 360.32，比旋光度[α] D²⁰ 为 97.2° ^[2]。作为蔗糖异构体，其口感和物理性质 与蔗糖非常相似，而甜度只有蔗糖的一半；两者水 溶液的粘度也很接近，而异麦芽酮糖的熔点较蔗糖 低，并且在酸性条件下更稳定。近年来异麦芽酮糖 之所以在全球被广泛应用，除具有低吸湿性、高稳 定性、高耐受性、低热量、甜味纯正等特点外，主 要是因为不会像其他低 GI 糖一样导致肠鸣和腹泻， 资料显示，人体一次食用 85 g 也不会导致腹泻 ^[2]。 表 1 为异麦芽酮糖与其它糖的比较。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 异麦芽酮糖与其它糖的比较

表1 异麦芽酮糖与其它糖的比较

异麦芽酮糖难以使用化学方法合成，到目前为 止，异麦芽酮糖的主要生产方式包括微生物转化法 及酶转化法。 2.1 微生物转化法

微生物转化法包括菌体发酵与蔗糖转化同步进 行及菌体静息细胞固定化转化 2 种方式。早期一般 采用同步进行，如 Cho 等 ^[3]以 Enterobacter sp. FMB-1 为生产菌株，经 48 h 后，异麦芽酮糖合成量达 90%。 但这种工艺分离提取较困难，不适用于工业放大。 随着固定化技术越来越成熟，通过物理或化学手段 将静息细胞定位于某一空间区域，既保持菌体本身 催化活性，又方便产物回收，因此广受欢迎。 Krastanov 等 ^[4]采用壳聚糖包埋 Serratia plymuthica 细胞，以 400 g/L 的蔗糖溶液为原料，生产异麦芽酮 糖，异麦芽酮糖产率最高达 94%。 2.2 酶转化法

鉴于微生物发酵法生产异麦芽酮糖存在菌体浓度较低、生产强度较弱的缺陷，目前一般采用从微 生物细胞中提纯蔗糖异构酶，固定化酶后转化蔗糖 为异麦芽酮糖。酶转化法的一般工艺如图 1 所示。

图1(Figure 1)

图1 酶转化法生产异麦芽酮糖流程图

对不同来源的蔗糖异构酶结构分析表明，在果 糖结合位点有一段高度保守区域 ³²⁵RLDRD^{329[5, 6]}。 通过对保守区的三维结构预测得出蔗糖异构酶属于 α-糖苷酶 13 家族，Arg³²⁵ 和 Arg³²⁸ 2 个残基在果糖 结合位点与底物依靠氢键结合。对 Arg³²⁵ 和 Arg³²⁸ 诱变处理后，活性位点对果糖基团亲和力下降，果 糖基团脱落，葡萄糖与活性位点结合形成异麦芽糖。 与此同时，异麦芽酮糖合成量下降，海藻糖合成量 微弱上升。

基于蔗糖转化的产物分析及稳态条件下的动力 学分析，Perlot 等^[3]提出蔗糖异构酶作用原理为兵乓 机制（图 2）。酶首先与蔗糖结合释放果糖，同时发 生形变形成蔗糖酶-葡萄糖复合酶(SI-G)；然后 SI-G 与 H₂O 或者葡萄糖结合释放出葡萄糖或者异麦芽酮 糖，同时蔗糖异构酶本身发生回复形变，还原为原 始构型。

图2(Figure 2)

图2 蔗糖异构酶作用机制预测

蔗糖异构酶来源较广泛，自然界中积累该酶的 生物包括 Silverleaf whitefly 等昆虫类及大量的微生 物。但 Silverleaf whitefly 合成的蔗糖异构酶只能催 化蔗糖合成海藻酮糖。微生物细胞来源的蔗糖异构 酶 又 分 为 异 麦 芽 酮 糖 主 产 型 (70% ～ 85%) ，如 Erwinia rhapontici、 Protaminobacter rubrum、 Serratia plymuthica、 Klebsiella sp.等； 海藻酮糖主产型(85%～ 95%)，如 Agrobacterium radiobacter、 Pseudomonas mesoacidophila 等^{[7, 8, 9, 10, 11, 12]}。 2.2.3 蔗糖异构酶积累工程菌

虽然自然界中积累蔗糖异构酶的生物较多，但 野生型菌株普遍存在细胞得率低，酶活较低的缺点， 因此，工业化生产中多采用代谢工程的手段构建蔗 糖异构酶生产菌株。 Li 等^[13]将 E. rhapontici 中编码 蔗糖异构酶的基因 palI 扩增到大肠杆菌(E. coli) Lac 乳糖操纵子表达系统，酶活单位达到野生菌株的 10.3 倍。 Zhang 等^[14]将 Klebsiella sp. strain LX3 中蔗 糖异构酶基因 palI 过量表达与 E. coli 5α 中，得到 重组酶最高活力 328.0 ± 2.5 U/mg；以蔗糖为底物 时，Km(米氏常数)为 54.6±1.7 mM，且酶活力受 Fe³⁺、 Hg²⁺抑制，但 Mn²⁺、 Mg²⁺促进酶活力提高。 Ravaud 等^[9]将 P. rubrum CBS 547.77 中的蔗糖异构酶基因 smuA 基因在 E. coli JM109 中过量表达，得到粗酶液 酶 活 40 U/mg 。 Watzlawick 等 ^[10] 将 P. mesoacidophila MX-45 中蔗糖异构酶基因 mutB 在 E. coli JM109 过量表达，得到上清液酶活 80 U/mg， 纯化后酶活达到 900 U/mg。

目前，广泛用作蔗糖异构酶表达载体的菌体除 了 E. coli 外，还有 Saccharomyces cerevisiae、 Lactococcus lactis。 Lee 等 ^[15] 将 Enterobacter sp. FMB-1 中蔗糖异构酶 基因 ESI 在 S. cerevisiae EBY100 细胞表面表达，同时对 S. cerevisiae 及 E. coli 重组菌体稳定性进行比较。在底物浓度为 50～ 250 mM 时，蔗糖转化率为 6.4%～7.4%。 Park 等^[16] 采用 P170 表达系统将 Enterobacter sp. FMB-1 中蔗 糖异构酶基因在 Lactoccus lactis MG1363 过量表达， 在采用信号肽 SP310mut2 将 40%的异构酶分泌到胞 外。胞外蔗糖异构酶转化 50 g/L 蔗糖合成 72%的异 麦芽酮糖。 2.2.4 蔗糖异构酶纯化工艺及酶学特性

蔗糖异构酶是一类存在于周质空间的胞内酶，因 此，对该酶的纯化首先需要收集菌体，超声破碎后收 集上清液得到粗酶液。经硫酸铵沉淀、透析、 DEAE-Sepharose 阴离子交换层析、 DEAE-Sepharose 阳离子交换层析后收集活性峰，透析浓缩后储存 4℃ 冰箱备用。

该酶性质稳定，在 pH5.0～7.0，酶活力为最大 酶活的 80%以上；在 10～40℃，酶活力为最大酶活 的 85%以上。此外，Ag⁺、 Hg⁺完全抑制酶活，Mg²⁺、 Mn²⁺促进酶活，Ca²⁺、 Cu²⁺、 Zn²⁺微弱抑制酶活。与 此同时，蔗糖异构酶只与单一底物蔗糖反应，葡萄 糖和果糖是该酶的竞争性抑制剂，降低底物亲和 力 ^[17]。 3 异麦芽酮糖的提取纯化工艺

鉴于蔗糖异构酶异构化蔗糖生产异麦芽酮糖的 生产中，酶转化液中主要产物为异麦芽酮糖和少量 的海藻糖、果糖、葡萄糖，而海藻糖等其他糖的溶 解度较大，因此常用结晶的方法从转化液中提取异 麦芽酮糖。一般通过旋转蒸发至异麦芽酮糖浓度至 70%左右，冷却并加入少量晶种，得到白色晶体， 在转化液中添加乙醇等有机溶剂，能够促进晶体快 速析出，但也会促进蔗糖结晶，产品异麦芽酮糖晶 体纯度不高。为了得到更纯的晶体，采用重结晶可 达到 99%的纯度 ^[18]。通过合理控制结晶的方法和结 晶的次数，酶转化液中 95%以上的异麦芽酮糖能够 回收。采用双锥混合全结晶的方法固化液体异麦芽 酮糖，异麦芽酮糖在二次浓缩时，温度达 170℃， 水分含量已达到终产品所要控制的水平，处于融溶 状态。这种固化方法比通过喷雾与粉状成粒后再干 燥节省能耗^[19]。 4 异麦芽酮糖的市场前景

异麦芽酮糖由于具有某些独特的理化性质、生 理功能和使用安全性，目前已在 50 多个国家和地区 使用和销售，使用它作为甜味剂的产品已达千种。 但总体而言，异麦芽酮糖推向市场的时间还较短， 因此还有较大的上升空间。 2013 年，全球销售量接 近 40 万 t，国内市场也达到 4 万 t 以上，且年增长 率保持在 10%以上。但是国内仅有 2 家企业建有异 麦芽酮糖的生产线，且规模较小，年产量近 5000 t。 随着国民生活水平的逐渐提高，国内肥胖、糖尿病 人的发病率逐渐增加，消费者也会更加关注健康饮 食，异麦芽酮糖属于健康饮食发展趋势下的前沿产 品，具有非常大的市场潜力，尤其是在功能性糖果、 能量缓释运动产品、代餐类食品中，均有机会开发 出划时代、促进行业变革的产品，不仅给消费者带 来健康的享受，更可为企业带来良好的经济效益和 社会效益，从而将迎来快速的增长期。 5 展望

异麦芽酮糖是一种新型的功能甜味剂，不仅给 消费者带来健康的享受，更可为企业带来良好的经 济效益和良好的社会地位。但目前国内异麦芽酮糖 的生产技术和生产规模都还具有非常大的提升空 间。作者认为可从以下几个方面加强研究开发，提 高我国异麦芽酮糖的生产水平。

（ 1）蔗糖异构酶生产菌株的选育。利用传统诱 变方法结合新型离子束注入等新型诱变手段，选育 能生产具有底物专一性强、催化能力高的菌株。

（ 2）构建基因工程菌，实现蔗糖异构酶的胞外 表达，提高蔗糖异构酶的生产效率。

（ 3） 鉴于低温诱导蔗糖异构酶合成异麦芽酮糖 的比例增加，因此可以在基因组水平、蛋白质组学 水平研究低温作用于蔗糖异构酶的结构特性，并通 过各种组学手段得到高温条件下仍然为该结构特性 的蔗糖异构酶，提高反应主产物异麦芽酮糖的产出 率。

（ 4）低成本、高效率的异麦芽酮糖的分离纯化 技术开发。