Enzymatic synthesis of fructo-oligosaccharides using Pectinex® Ultra SP-L: a study of experimental conditions

Abstract

The obvious benefits of employing prebiotics as functional components in many foods and feed products have resulted in higher demand for their industrial production, necessitating the development of more efficient and cost-effective manufacturing procedures. As a result, the goal of this study was to synthesize confirmed prebiotics, namely fructo-oligosaccharides (FOS), using sucrose as a substrate, since it allows the synthesis of oligosaccharides with lower polymerization degree, and consequently, a more pronounced prebiotic effect. Due to its availability, low market price, and high stability under industrial conditions, a commercial enzymatic mixture, Pectinex® Ultra SP-L, is used as a source of enzyme – fructosyltransferase (FTase). By varying key experimental conditions such as pH, temperature, enzyme and substrate concentrations, as well as the duration of the process, the composition of the FOS mixture can be adjusted to fit the potential applications. It was found that by performing the reaction in an aqueous medium (pH 7), at a temperature of 50 °C using an enzyme concentration of 1% (v/v) and any sucrose concentration in the range of 200-700 g/L, it was possible to achieve maximum FOS yield of 60% of total carbohydrates within a 24 h. The produced syrup with a high content of FOS can be further used as an adequate food additive, or else, developed processes should be used for the transformation of various food products (such as juices, jams, fillings, candies, cakes, etc.) in which sucrose dominates, creating products with lower caloric and higher functional value

Razvijanje svesti o brojnim prednostima upotrebe prebiotika kao funkcionalnih sastojaka prehrambenih proizvoda i hrane za životinje rezultira povećanjem potražnje, a samim tim i potrebom za povećanjem proizvodnje prebiotika na industrijskom novou. Ovo dodatno zahteva i razvijanje efikasnijih i ekonomičnijih procesa proizvodnje prebiotika. Cilj ovog rada bila je sinteza potvrđenih prebiotika - frukto-oligosaharida (FOS), transformacijom saharoze. Ova reakcija je odabrana prvenstveno sa aspekta mogućnosti sinteze oligosaharida manjih molarnih masa sa izraženijim prebiotskim efektom koji se ovim putem dobijaju. Kao izvor enzima korišćena je komercijalna enzimska smeša Pectinex® Ultra SP-L, čijom se upotrebom zbog niske cene na tržištu, dodatno utiče na ekonomičnost procesa. Ispitivanjem uticaja reakcionih uslova poput pH, temperature, koncentracije enzima i supstrata utvrđeno je da se variranjem uslova, kao i dužine trajanja procesa može značajno prilagoditi sastav dobijene smeše FOS. Stoga, utvrđeno je da se izvođenjem reakcije u vodenoj sredini (pH 7), na temperaturi od 50 °C upotrebom konentracije enzima od 1% (v/v) i koncentracije saharoze od 500 g/L može ostvariti maksimalni prinos FOS od 60% u ukupnim šećerima. Ovako dobijen sirup sa visokim udelom FOS se može koristiti kao aditiv proizvodima, dok se sa druge strane razvijeni proces može iskoristiti za direktnu transformaciju prehrambenih proizvoda (poput sokova, džema, nadeva, bombona, kolača i dr.) u kojima dominira saharoza kao osnovni izvor šećera, stvarajući na taj način proizvode sa manjom kalorijskom, a većom funkcionalnom vrednošću.