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【我们不一YOUNG】天然甜味蛋白索马甜研究现状与进展

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    2024/07/28
  • 私聊

食品添加剂

  • 天然甜味蛋白索马甜研究现状与进展



    索马甜(Thaumatin)又名非洲竹芋甜、沙马汀,是从竹芋中提取的一种天然甜味蛋白。竹芋属竹芋科多年生植物,生长于西非象牙海岸、苏丹附近热带雨林森林地带,其果实呈红褐色三角锥形,内有黑色种子2~3粒,种子头部有黏液状白至淡黄色假种皮覆盖,假种皮中含有强烈甜味的蛋白质索马甜,西非自古就将其作为发酵过头的酸味酒和面包之类的甜味剂。

    索马甜家族包含索马甜Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ及索马甜b和c,五种索马甜均由多肽链组成,其氨基酸组成相似,含有207个氨基酸残基,在这些蛋白质中,最主要的两种是Thaumatin Ⅰ和Ⅱ,通常占假种皮干重的20%以上。Thaumatin Ⅰ和Ⅱ由3个结构域构成,最大的结构域包括11段反平行的折叠结构,每段的平均长度为6个氨基残基。在与这个大结构域相连的地方,存在着两个较小的相连“手指域”,每个“手指域”都包含着几个通过二硫键连接的环,8个这种二硫键构成了一个稳定的环状结构,使得整个蛋白质具有良好的热力学稳定性和抗压性,甚至能承受100 ℃以上的高温。





    索马甜呈粉末状,具有无定形、无臭的特点,颜色通常为白色至奶油色。分子量22 KD,等电点在11.5~12.5之间,280nm处有最大吸收峰,极易溶于水,不易溶于有机溶剂,尤其不溶于丙酮,其稳定性主要受到pH、温度和溶液中氧、离子的影响。

    索马甜的甜味极强,是蔗糖的1600倍,且甜味阙值极低,即使稀释至10-8 mol/L 仍可感知其甜味;索马甜甜味爽口、无异味、持续时间长,pH在1.8~10范围稳定,因属蛋白质,加热可发生变性失去甜味;索马甜与丹宁结合后会失去甜味,在高浓度的食盐溶液中甜度会降低,与糖类甜味剂共用有协同效应和改善风味作用。此外,索马甜加工稳定性好,在巴氏杀菌、焙烤食品中稳定,常用防腐剂对其没有影响,在食品和饮料配方中使用稳定,干燥产品货架期在两年以上。

    一、索马甜生产工艺
    竹芋在非洲西部地区已形成商业化的种植和采摘,主要提取纤维素和索马甜。目前,全球有英国、德国和日本等几家公司生产高纯度索马甜,生产工艺均以传统提取工艺为基础,产品主要在欧洲、美国和日本销售。

    新鲜采摘的竹芋果实需-20℃保存,索马甜提取工艺为切开果实,弃种子,得到果肉和假种皮混合物。蒸馏水浸泡混合物30 min,打浆得到混合物匀浆,匀浆后于4 ℃搅拌提取1h,过滤弃残渣,此过程重复两次。然后超滤、浓缩、纯化萃取液,最后冻干得索马甜粗提物。如需更高纯度的索马甜,可以继续纯化,比如离子交换色谱、吸附树脂、排阻色谱等。

    竹芋对生长环境要求极为苛刻,世界各地的研究人员对其进行引种,均未成功。为了满足市场要求,研究人员不断采用转基因技术,将索马甜基因转入不同宿主,如微生物和高等植物,以期获得大量重组的具有活性的索马甜蛋白,但重组索马甜蛋白不是产量低就是没有甜味,结果并不理想。研究发现,转基因产量较高的是将索马甜基因转入番茄中,新鲜番茄中索马甜的产量达50 mg/kg,产量较之前的研究有很大提高。

    2007年公布的一篇专利称,将索马甜基因转入大麦,1 kg大麦中索马甜含量可达2 g,其产量相比前人已经有了很大的提升,而需要实现工业产业化,基因工程改造获得的索马甜需要大于1 g/L。2021年研究报道,有学者进行工艺设计、工艺模拟和经济分析,他们或将利用多种农产品生产重组索马甜蛋白,未来预计采用分子手段进行量产,产量达到每年50吨。因此,研究发现高活性、高产量的索马甜转基因生物具有非常大的市场前景。







    二、索马甜的审批及其应用现状
    1979年,日本第一次批准将索马甜作为一种天然食品添加剂投放市场;1981 年,英国通过了索马甜的药物认证,1986年通过了索马甜的食品认证;自1994年以来,欧洲已批准将其用作一种甜味剂和风味增强剂;随后,美国食品和药品管理局(FDA)及美国食品香料和萃取物制造协会(FEMA)均确认索马甜安全,并同意将其用于食品中。2014年,索马甜在我国被正式批准为食品添加剂,其中冷冻饮品(食用冰除外)、加工坚果和籽类、焙烤食品、餐桌甜味料、饮料类(除包装饮用水)的最大用量为0.025 g/kg,并于2021 年开始推行相关国家标准《GB 1886.321-2021 食品安全国家标准 食品添加剂 索马甜》,极大促进了索马甜在我国食品工业中的应用。

    索马甜是一种低能量约4.2 kcal/g的天然甜味蛋白,可以改善和增强食品风味,掩盖苦味和涩感。还可以降低很多芳香物质的感觉阙值。比如薄荷醇、咖啡、姜、巧克力、草莓、苹果、柠檬、橘子等。在食品工业中用作甜味剂、风味改善和增强剂。

    低浓度的索马甜可以有效地增强食品风味,即使使用量10-6 w/w,效果也很显著,适用于饮料、牛奶制品、果酱、果胶、糖果、冰激凌、调味品和食品增补剂,以及基于微生物和矿物质的膳食补充饮品或咀嚼片。索马甜在低脂肪乳制品中,添加2mg/kg可以产生一种丰富的奶油风味,改善其因脱脂而失去的风味。

    索马甜与糖精、安赛蜜和阿斯巴甜等甜味剂复配使用有协同效果,可提高一般高倍甜味剂甜感,且能够掩盖金属味和其他甜味剂带来的苦味,提供更接近蔗糖的口感,增进甜味和延长甜味感。这种天然的风味改善和增强剂,实际使用量小,在人体内基本不会产生能量。

    索马甜在稍高浓度下使用时,由于其分子带有高电荷,可掩盖苦味改善口感,已经成功用于制药,添加在抗生素、止痛药、止咳糖浆、一般感冒药、药物胶囊和增补剂中。索马甜用在化妆品工业,如在牙膏和漱口水中,可延长其风味和凉爽感;将其加入口香糖,咀嚼时甜味和香味更持久,在无糖口香糖中,可促进填充料的甜味,以免加进致龋物质和增加热值;将其加入咖啡提取物中,不仅可以增加咖啡的香味、苦味和酸度,还让其闻起来更有烤咖啡的味道;索马甜加到香烟的滤嘴中,可以使烟味平和而淳厚,这种效果已由日本许多烟草公司实践证实。

    参考资料:
    [1]吴晶晶,高彦祥.索马甜研究现状及发展趋势[J].中国食品添加剂,2024,35(05):317-323.
    [2]张泽生,李雨蒙,孙明哲,等.天然甜味蛋白索马甜的研究进展[J].中国食品添加剂,2018,(05):186-189.
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