海藻酸钠-二氧化硅复合水凝胶固定化L-阿拉伯糖异构酶高效转化D-半乳糖及瓜尔胶水解物生产功能性甜味剂D-塔格糖

本研究针对D-塔格糖（D-tagatose）工业化生产中酶与底物成本高的瓶颈问题，开发了一种基于海藻酸钠（SA）-二氧化硅（SiO2）复合水凝胶固定化L-阿拉伯糖异构酶（L-AI）的新型生物催化体系。研究人员通过优化载体材料与反应条件，实现了30.12%的D-塔格糖转化率及20次循环使用的稳定性，并首次利用廉价瓜尔胶水解物为底物获得114.32 g/L产物。该技术为功能性甜味剂的低成本规模化生产提供了创新解决方案。

　　

研究背景与意义
D-塔格糖作为一种低热量功能性甜味剂，其甜度达蔗糖的92%而热量仅为三分之一，兼具降血糖、防龋齿和益生元功效，但天然提取难度大且化学合成工艺复杂。尽管L-阿拉伯糖异构酶（L-AI）催化D-半乳糖异构化的生物法具有环保优势，但游离酶稳定性差、底物成本高制约其工业化应用。海藻酸钠（SA）包埋法虽成本低但机械强度不足，而瓜尔胶等廉价生物质资源尚未被开发为替代底物。

研究机构与方法
中国某高校团队通过复合SA与8种材料筛选最优载体，采用50 nm SiO₂构建SA-Si50复合水凝胶固定化L-AI。通过扫描电镜（SEM）、傅里叶红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）表征材料特性，结合单因素与统计学方法优化反应条件，并首次以酸水解瓜尔胶为底物进行批次转化。

研究结果

1. 载体筛选与表征：SA-Si50固定化酶机械强度提升，活性回收率达87.5%，较纯SA载体提高2.3倍。SEM显示SiO₂均匀分散于三维网络结构，FTIR证实SA与SiO₂通过氢键结合。
2. D-半乳糖转化优化：在68°C、1 M底物条件下获得30.12%转化率（6.78 g/L/h），20次循环后仍保留55%活性，累计产量863.74 g/L。
3. 瓜尔胶水解物利用：直接转化未纯化水解物，10次循环后酶活性>50%，D-塔格糖产量114.32 g/L，验证了低成本底物的可行性。

结论与意义
该研究通过纳米SiO₂增强SA水凝胶的机械性能，解决了传统包埋法易破碎的缺陷，同时开辟瓜尔胶这一廉价 galactomannan（半乳甘露聚糖）资源的新应用途径。固定化L-AI的高效复用性与底物替代策略，使D-塔格糖生产成本显著降低，为功能性糖类的工业化生产提供了兼具经济性与环保性的技术范式。论文发表于《Food Hydrocolloids》，对食品工业与生物制造领域具有重要参考价值。