菊粉酶

菊粉酶（inulinase）是能夠水解β－2，l－d一果聚糖果糖苷鍵的一類水解酶，分泌菊粉酶的微生物在自然界中分布很廣，土壤、水和動物消化道中的多種微生物都能分泌。菊粉酶可以在一定的溫度條件下水解菊粉成果糖或低聚果糖。

基本介紹

• 中文名：菊粉酶
• 別稱：β一果聚糖酶，2，l－d一果聚糖水解酶（ec3．2．l）
• 學名：β－2，l－d一果聚糖酶
• 運用：用於乳製品、飲料等

簡介

菊粉酶（inulinase）是能夠水解β－2，l－d一果聚糖果糖苷鍵的一類水解酶，分泌菊粉酶的微生物在自然界中分布很廣，土壤、水和動物消化道中的多種微生物都能分泌。菊粉酶可以在一定的溫度條件下水解菊粉成果糖或低聚果糖。

由來

菊粉最早是從菊科植物中分離出來而得名。菊粉（inulin）是一種有呋喃構形的d一果糖經β-2，l糖苷鍵脫水聚合而成，且在果糖殘基（f）末端連有一個葡萄糖殘基（g）的直鏈結構多糖，是最簡單的一類果聚糖，簡寫為gfn（edelman等，1968）。此外，emst等（1995）報導，菊粉還含有少量另一類果聚糖（inulonose）即末端無連有g的果聚糖。

菊粉又稱菊糖，來源於菊芋、菊苣等植物，是一種功能性果聚糖，也是最易溶解的水溶性膳食纖維。菊粉作為一種純天然的功能性配料，已被世界20多個國家批准為營養增補劑，廣泛運用於乳製品、飲料、低脂低熱量食品、烘培食品、保健食品中

菊粉的發展

國際市場

菊粉這一功能性果聚糖在國際市場方興未艾。據統計，2008年益生元在歐洲整體市場的估值達29550萬歐元，這意味著菊粉會有很大的需求和很好的市場。有人預測，今後幾年，菊粉用量將以14%的平均年增長率。相比之下，國內菊粉的開發套用還剛剛起步。

國內的發展情景

2012年3月，衛生部發布批准菊粉為新資源食品的公告，為菊粉產業的發展奠定了基礎。8月1日，由中國食品添加劑和配料協會主辦、天津科技大學與賽普特環保技術（廈門）有限公司協辦的“2009中國菊粉產業發展高峰論壇”在天津科技大學舉行，與會代表就菊粉產業原料種植、加工技術、國內外市場狀況進行了充分交流，共商菊粉產業大計。

天津科技大學食品工程與生物技術學院副院長張澤生教授歸納出菊粉的幾大生理功能：降血脂，改善腸道環境，促進益生菌增殖，防治便秘，預防結腸癌，促進礦物質吸收，預防肥胖症，不引起血糖波動，可作為糖尿病人食用等六大項。

張澤生說，菊粉的理化性質就是因為菊粉的化學組成的特異性，使得它具有特殊性。菊粉是由D-呋喃果糖分子以β-（2，1）糖苷鍵連線生成，在這個鏈上大部分是果糖，而在它的一端的末端有一個葡糖，這就給菊粉帶來了特殊的性質。相比於高果葡糖漿來說，果糖含量做到55%以上就很困難了，因為它要經過澱粉加工轉變成葡萄糖，再異構化形成果葡糖，而菊粉因為其特殊的化學組成，只需要水解這一步就可以達到果糖含量70%以上的高果葡糖漿。另外，人體本身沒有消化菊粉的酶，所以不被人體吸收，但它可以被益生菌利用，所以又是益生元，也是說，這種化學結構決定了它將來市場的發展前景。

很多食品生產企業都在尋找降低甜度的方法，怎樣讓冰激凌、糖果、糕點等食品的甜度降低？大家認為，菊粉是一個很好的替代品，它可以降低熱量，可以替代脂肪，給冷飲產品比如冰激凌賦予滑膩的口感。再有，它可以賦予好的組織狀態，使它可以作為填充物。

在我國用於菊粉生產的植物主要是菊芋。菊芋耐旱、耐寒、繁殖快，病蟲害少，在北方缺水地區得到了廣泛種植。業內人士一致認為，中國的菊粉產業是一個新興的產業，隨著人們生活水平的不斷提高，人們對飲食開始向低糖、低脂肪、高膳食纖維轉變，而具有豐富多樣的益生元功能和廣泛低廉的原料來源以及簡單生產工藝的菊粉必將擁有更加廣闊的發展前景。這也是菊粉諸多的營養特性及其結構特徵決定的。

概述

世界上主要有3家企業從事菊粉的加工和銷售，其中比利時的ORAFTI公司年處理菊苣40萬噸以上，其次是Cosucra公司、荷蘭的Sensus公司。國際市場的菊粉98%由這三家公司占據。2012年3月，全球最大的菊粉生產企業Beno-Orafti公司宣布，全球30多個國家的350多種食品中添加該公司生產的菊粉和果聚糖。

我國的菊粉產業剛剛起步。2009年3月25日，我國衛生部批准菊粉作為新資源食品。在此之前，甘肅、山西、湖北、寧夏、青海等地已有一些有眼光、有膽略的企業家投資菊粉產業，先後建成一定規模的生產線，開創了我國菊粉產業發展的先河。截至2012年，我國年生產菊粉5000噸以上。

長期研究推廣菊粉產業的賽普特環保技術（廈門）有限公司總經理陳曉強對歐洲及國內菊粉市場有著相當深的了解，他認為，我國菊粉市場及產業發展與歐洲相比具有較大差距，國內菊粉生產企業對於市場套用及開發定位尚不夠清晰，菊粉尚無相關國家標準，產品檢測方法不明確，菊粉生產企業對菊粉衍生產品知之甚少。

儘管如此，國內菊粉產業仍然破土而出，頑強生長。不久前，賽普特環保技術（廈門）有限公司的技術團隊剛剛為西北一家菊粉生產企業設計的菊芋菊粉生產線經過局部工藝調整，以成功加工出40噸以歐洲菊苣為原料的高純度菊粉。此次的歐洲菊苣工業化驗證生產獲得成功，證明賽普特技術團隊設計提供的菊粉生產線不僅適合於菊芋的生產，同時也可進行歐洲菊苣的生產。這為國內菊粉生產企業以菊芋原料為主、菊苣原料為輔生產高純度菊粉或以菊苣原料為主、以菊芋原料為輔生產高純度菊粉成為現實，在國內尚屬首次。

上海博程膳食纖維發展有限公司總經理王延平對國內外膳食纖維市場及企業經營有著豐富的經驗，他提醒國內菊粉企業：要讓消費者知道菊粉是屬於膳食纖維這一大類。因為消費者對膳食纖維已經有了大概的了解，這樣讓消費者認識菊粉就容易些；再有，要抓住益生元概念。菊粉還不是益生元中的主流產品，所以市場占有率低。他提醒菊粉市場企業，要緊扣國家營養標籤規範這一契機。

2008年5月1日，國家營養標籤衛生規範頒布實施，在這之前，有些添加膳食纖維的產品添加量為萬分之五，非常少，但也宣稱高膳食纖維食品。實施國家營養標籤衛生規範，如要標稱高膳食纖維的產品，則其中膳食纖維含量就要大於6%，規範食品加工企業達到一個有效量，從概念性添加走向功能性添加，這也給菊粉產業提供了機會。

對於企業如何做強，王延平根據自己企業的經驗提出了看法。他建議：菊粉生產企業在成熟的市場，也就是出口市場去經受錘鍊。他說，沒有出口就難以實現國際化，沒有把我們置身於已開發國家百般的挑剔中，我們就難以成長。在出口的競爭中我們面對的就是國際領先產品的競爭，我們要接受已開發國家成熟的市場對我們的各種各樣的考核，我們要按照國際標準來行事，這是我們成長的捷徑，也是我們走向國際化的必經之路。

產品出口的企業都知道，雖然我們做了各種各樣的認證，但每次國際大客戶都能提出新的問題，這些非常有助於我們的成長。另外，國外膳食纖維用量比國內大得多，走出出口這一關，也是我們迅速發展、擴大市場規模最好的辦法。

王延平提醒有關企業：任何產品最終都不可避免地走向同質化，總有一天我們大家做菊粉的水平都差不多，等你能夠替代國外產品的那一天，你就完成了驚險一跳。一旦我們進入國際市場，市場格局就會被我們重新定義。

國內主要菊粉生產企業有：定西隴海乳品有限公司、天門海力菊糖科技發展有限責任公司、山西益生元生物科技有限公司、白銀熙瑞生物工程有限公司、張掖雲鵬生物可以有限公司、中興生物科技有限公司、青海威德生物科技有限公司。

國內主要菊粉生產企業的高管們一致認為，國內菊粉生產企業應同心協力把菊粉這個產業做大，並建立自己的組織，中國菊粉產業發展工作組已經成立，以進一步推廣和落實菊粉產業發展政策，推進中國菊粉產業的發展。

進展及套用

菊粉酶有不同的分類方法。

根據菊粉酶在微生物體內主要分布於細胞內、細胞壁和細胞外，分別稱為胞內酶、胞壁結合酶和胞外酶，它們的比例主要受菌種、碳源、溫度和ph的影響（ettalibi等，1990）：l）隨著溫度的升高胞外酶比例下降，而其他兩種酶比例上升；2）以菊粉或蔗糖為碳源培養微生物時，前者胞外酶比例高於後者，其他兩種酶則相反；3）胞外酶主要由真菌合成，細胞壁結合酶主要產自酵母；4）適當的ph使細胞壁通透性增大，提高了胸外酶比例，其他兩種酶比例下降。

根據作用底物方式的不同，或者說根據菊粉酶酶切果聚糖鏈方式分為內切酶（ec3．2．1．7）和外切酶（ec3．2．1．80）。通常用i/s的大小來區分內切型菊粉酶和外切型菊粉酶，i是以菊粉作底物時的酶活，s是以蔗糖作底物時的酶活。一般認為外切菊粉酶的i/s值比內切菊粉酶的us低。內切菊粉酶水解菊粉可以得到高純度低聚果糖，常由真菌分離出來。外切菊粉酶在胞內、胞壁、胞外都有分布，它水解菊粉可以得到高純度果糖。

根據來源菊粉酶可以分為微生物菊粉酶和植物菊粉酶。

2．l熱穩定性絕大多數報導中，菊粉酶的最適溫度為52～64℃之間，55～58℃最適宜。

2．2ph值對活力的影響菊粉酶最適ph為弱酸性，這一性質不僅操作安全，而且使用過程中可以防止微生物污染，也是果糖最穩定的ph值。

2．3底物專一性李俊剛等（1999）認為，提高菊粉酶酶解效率的關鍵在於提高酶活和增加底物對酶作用的敏感性。據研究報導，菊粉酶不僅可以對菊粉作用，也可以對蔗糖及棉子糖作用，並表現出更高的活力和水解能力。使用菊芋提取液或菊粉做碳源，都能誘導產生菊粉酶，但菊芋提取液作底物效果更好。這可能是因為提取液除含菊粉外，還含有較多的短鏈的多聚果糖，更有利於菌體的生長以及被酶水解（pramod等，1991）。也就是說，一定的底物可以誘導生成菊粉酶，但用不同的碳源作底物對酶的活性影響很大。研究發現一定濃度的菊粉、麥芽糖和低濃度的果糖能夠誘導生成菊粉酶，澱粉對菊粉酶的影響不大，葡萄糖卻能明顯地抑制菊粉酶活性。表明菊粉酶有底物專一性。

菊粉酶的來源很廣，自然界中的植物以及土壤、水和動物消化道中的多種微生物都可以分泌菊粉酶。微生物來源的菊粉酶種類多，熱穩定性好，適於發酵生產。據不完全統計，產菊粉酶的有絲狀真菌17個屬物余種，酵母菌10個屬20餘種，細菌12個屬10餘種。目前有不少研究人員仍在致力於篩選新的產酶菌種，並對現有菌種進行改造，以得到高酶活、熱穩定性好的生產菌株。大多數微生物菊粉酶均為外切型菊粉酶，並且常常呈現出轉化酶活力，轉化酶是一種水解蔗糖為葡萄糖和果糖的酶，對葡粉沒有作用。

菊粉酶的純化步驟一般分為：（nh4）2so4沉澱、離子交換層析及凝膠過濾色譜等。離子交換層析可用來選擇性地分離外切型菊粉酶和內切型菊粉酶，通常用naci進行線性梯度洗脫，隨著na－ci濃度增加，內切菊粉酶先洗出，外切酶後洗出（azhall等，1989）。菊粉酶的提純過程：在0℃條件下，用40%飽和硫酸銨除雜蛋白，用90%飽和硫酸鉸析出菊粉酶，用sephadexg25脫鹽，聚乙二醇透析濃縮；再進行sophadexg200層析，操作溫度10℃；然後進行deae一纖維素de52離子交換層析；最後4℃、120v恆壓電泳分離（賈英民等，1998）。

常見的酵母和真菌中分離的酶多同時具有菊粉酶和轉化酶活性，為區分兩者，人們常採用“e=菊粉酶總酶活+轉化酶總酶活”的公式，當e>0．02為菊粉酶，e<0．02則為轉化酶。菊粉酶酶活定義為在一定的反應條件下每分鐘釋放lμmol果糖所需酶量；轉化酶酶活定義為每分鐘水解1μmol蔗糖所需的酶量。由於測定菊粉酶酶活的定義沒有統一標準，因此酶活的單位也有不同。

6．l酶液的製備胞外菊粉酶粗酶液的製備：將發酵液過濾或離心即可得粗酶液。胞內菊粉酶粗酶液的製備：取一定量的發酵液離心後得菌體，將菌體用0．lmol/lph值為5．6的醋酸緩衝液洗滌2～3次後，加緩衝液至原體積，然後用超音波處理（10khz，100w，5min）菌懸液，處理液即為胞內菊粉酶粗酶液（肖春玲，1999）。

6．2酶活測定黎明蘭等（1995）用菊芋提取液做培養基。發酵後取0．05ml發酵液加4．5ml5%菊粉液，55℃反應30min，沸水浴煮10min終止酶活，在同樣的反應系統和條件下加入沸水浴煮10min的酶作空白對照。取一定量反應液用費林試劑熱滴定法測糖（北京大學生物系生物生化教研室，1986）。酶活單位定義為：在上述反應條件下生成lμmol/min還原糖所需酶量為1個酶活單位。

uhm等（1987）報導的方法是，取50μl適當稀釋的酶液，加入450μl5%的菊粉（0．lmol、ph4．5的醋酸緩衝液配製），60℃保溫10min，沸水浴5min，滅活終止反應（在完全相同的條件下滅活酶底物作對照），快速冷卻後，用somogi-nelson法（derycke等，1984）測定還原糖。陳曉明等（2000）測定酶活時與uhm的方法不同的是，用3、5－二硝基水楊酸比色法測定還原糖數量，酶活單位定義為：在上述反應條件下，每分鐘催化菊糖水解生成lμmol還原糖的酶量。

7．l利用菊粉酶生產高果糖漿由於高果糖漿價格低廉，味甜，爽口，滲透壓高，保藏效果好，熱值低，不易造成齲齒，而且糖尿病患者可利用，所以在美、日等已開發國家被廣泛用於食品和醫藥工業。20世紀70年代以後，各國開始關注以菊粉為原料，以酸法和酶法水解製備果糖。酸法雖然產量高，但副產物多，色素重，分離精製難。80年代，美國、法國人b利時、加拿大等國的研究人員開始研究利用菊粉酶制果糖，其工藝簡單，轉化率高，產物純，果糖產量高，可直接生產超高果葡糖漿（uhfgs），果糖含量90%以上。為此美國、英國、丹麥、法國、加拿大等已開發國家都在進行研究。由此可見菊粉酶在果糖及果葡糖漿的生產上具有巨大的開發套用潛力。外切菊粉酶降解產物以果糖為主且果糖比例高。菊粉酶生產高果糖漿的研究國內外都較多，我國對其研究還處於起步狀態。

7．2利用菊粉酶生產低聚果糖低聚果糖是一種良好的雙歧因子和水溶性膳食纖維，有防治便秘、抑制腸內腐敗物質形成、提高機體免疫力、改善脂質代謝、降低膽固醇等作用，同時適於糖尿病人食用。比利時orafti公司投資20億比利時法郎，歷時數十年種植菊藝開發生產低聚果糖和菊粉，分別作為食糖和油脂代用品（胡學智，1997）。日本明治制果也在大規模生產。中國食品發酵研究所、上海醫藥工業研究所等已經試製成功，正在擴大試驗中。工業上生產利用菊粉酶生產低聚果糖的方法是由內切型菊粉酶水解菊粉而成，產物以低聚果糖為主，純度高，原料便宜，低聚果糖已被視為食品原料，而非食品添加劑。

7．3利用菊粉酶生產酒精利用菊粉酶生產酒精，國外相關研究較多。國外有報導指出，用aa-pergillusniger（schorr-garlindo等，1995）、k．fragilis（ohta等，1993）或k．margaritis（margantis等，1982）發酵菊粉生產酒精，aspergll。niger轉化率為明%以上（v/v），後兩者幾乎能完全將菊粉發酵成酒精。發酵粗菊芋提取液，不需加其他營養物質，25h內酒精產量87．8%。

7．4其他方面的套用菊粉酶還可直接發酵菊粉製備各種產品，如可製備丙酮丁醇，用於診斷腎臟疾病，控制血糖升高。另外，嚴奉偉等（1999）已經開始進行菊粉軟糖的試製。利用菊粉酶直接發酵菊粉，製作功能性食品和飼料添加劑將有巨大的生產開發潛力。

我國在菊粉酶的研究和套用中遇到的主要困難是：l）產酶成本高，導致套用成本高。主要表現在產酶菌株的菊粉酶產量低，提高了套用成本，制約了低聚果糖在食品工業和飼料工業中的套用。2）菊粉酶酶活測定及酶活力單位在定義上不統一，不利於研究者之間的交流和溝通。酶活力的測定方法對確定菊粉酶活力水平、特異性及歸類有重要意義。但在菊粉酶活力測定方法及酶活力單位定義上尚未統一。多數菊粉酶活力測定報導，是以不同聚合度、純度和濃度的菊粉或蔗糖做底物，測定反應混合物在一定時間內還原糖的增加量。另外，內切型菊粉酶的酶解產物多為低聚果糖和少量果糖，所以按現有的酶活測定法及酶活定義，其酶活水平將普遍比外切型菊粉酶低。因此測定和活力單位定義標準的統一是急需解決的問題

詳情介紹

是能夠水解β－2，l－D一果聚糖果糖苷鍵的一類水解酶，學名β－2，l－D一果聚糖酶，又叫β一果聚糖酶，2，l－D一果聚糖水解酶（EC 3．2．l）。

菊粉酶的最適pH為6．0，最適溫度為50～55℃。菊粉酶在50℃以下，pH5．0～8．0時較穩定。Cu^2+完全抑制酶的活性，Mn^2+、Zn2^+、Fe^2+、EDTA以及NBS(N-bromosuccinimide，N-溴代丁二醯亞胺)對該酶有很強的抑制作用。該酶對菊粉有較強底物專一性，產物主要為低聚果糖，也可作用於蔗糖，I/S值為20~以菊粉為底物時，Km為0．199mmol/L，Vmax為115μmol/(mg·min)。