功能性低聚糖的功能、生产及其应用

功能性低聚糖的功能、生产及其应用

摘要：功能性低聚糖一般在机体内很难被消化吸收，但却具有提高机体免疫力、抗肿瘤、抗病毒、抗菌、促进肠道双歧杆菌增殖、降血压降血脂降血糖等一系列特殊防病保健作用。本文就功能性低聚糖的生理功能、生产技术和应用做了简单的介绍。

关键词：低聚糖 生理功能 生产 应用

前言

低聚糖或称寡糖，是由 2-10 个单糖通过糖苷键连接形成直链或支链的低度聚合糖，分为功能性低聚糖和普通低聚糖两大类.常见的功能性低聚糖包括低聚异麦芽糖、低聚半乳糖、低聚果糖、低聚木糖、大豆低聚糖、水苏糖和甲壳低聚糖等。人体胃肠道内没有水解功能性低聚糖的酶类，因此，它们不被消化吸收而直接进入大肠内优先被双歧杆菌利用，是双歧杆菌的增殖因子[1]。

低聚糖正在引起越来越多的关注，广泛来源于细菌、藻类、真菌和高等植物的低聚糖可作为食品成分和药理补充剂。不易消化的低聚糖在糖果店、面包店和啤酒厂被用作膳食纤维、甜味剂、体重控制剂和保湿剂[2]。与普通低聚糖相比，功能性低聚糖一般在机体内很难被消化吸收，但却具有提高机体免疫力、抗肿瘤、抗病毒、抗菌、促进肠道双歧杆菌增殖、降血压降血脂降血糖等一系列特殊防病保健作用[3]。此外，功能性低聚糖还具有促进双歧杆菌、乳酸杆菌增殖的效果，提高动物生产性能和饲料转化率，增强动物机体免疫力和抗病能力，降低饲料中药物用量，减少药物残留及提高动物产品品质，改善动物肠道微生态平衡等作用，可作替代抗生素药物添加剂，对家畜进行应用[4]。

1. 功能性低聚糖的种类

功能性低聚糖一般为低甜度低热量，难以被人体消化，食用后基本上不增加血糖血脂，对人体有特殊的生理功能，主要有以下几种： 低聚果糖: 是指蔗糖分子的果糖残基上结合1-3个果糖的寡糖，是一种超强双歧因子，主要双向调节体内菌群调节血脂润肠通便等。

低聚异麦芽糖：又称分支低聚糖 自然界中低聚异麦芽糖极少以游离状态存在，而作为支链淀粉右旋糖和多糖等的组成部分，主要用于抗龋齿促进矿物质吸收等。

低聚木糖:：是由2-7个木糖以β-1，4糖苷键结合而成的低聚糖。低聚木糖是聚合糖类中增殖双歧杆菌功能最强的一种，其功效性超出其他糖类的20倍，它能够直接进入大肠内优先为双歧杆菌所利用，具有极好的促进双歧杆菌增殖的功能。

大豆低聚糖：是大豆中含寡糖类化合物的总称，主要成分为水苏糖棉籽糖及蔗糖。大豆低聚糖是目前所有新型糖中唯一从植物中提取的，主要作用是成为肠内双歧杆菌的食料增加双歧杆菌的数量，防止便秘。

低聚半乳糖:：是母乳中含有的一种低聚糖，可促进双歧杆菌等有益菌的增殖，抑制有害菌的生长，对保持机体健康有重要作用。

表1 几种典型的低聚糖

注：―—‖表示没有要求 从表1中可以看出，低聚木糖是唯一以五碳糖为单位的功能性低聚糖，也是人体难消化性糖，在机体内产生热量值极低，不会影响血糖浓度。低聚半乳糖的组成单元为葡萄糖和半乳糖，低聚果糖的组成单元为果糖和蔗糖，低聚异麦芽糖的组成单元为葡萄糖。另外，它们的粘度排序为： 低聚半乳糖>低聚果糖>低聚异麦芽糖>低聚木糖；热量排序为：低聚半乳糖>低聚果糖>低聚木糖。

此外，有研究表明，低聚木糖的酸稳定性范围最广，其储存稳定性也最好。而低聚果糖和低聚异麦芽糖在酸性介质中，稳定性大幅下降。因此，低聚木糖可以广泛用于各种食品体系中。。与其他功能性低聚糖相比较，低聚木糖的人体消化酶降解率较低，结肠到达率较高，从而可以更好地调整结肠菌群[5]。

2． 功能性低聚糖的生理功能

功能性低聚糖的生理功效分为直接生理功能与间接生理功能，间接生理功能主要指服用功能性低聚糖后，肠内双歧杆菌显著增殖产生的积极生理功能。

2.1 直接生理功能

2.1.1 低热量、难消化性

由于大多数功能性低 聚糖的糖苷键 不能被人体 内的消化酶水解，摄入后难以消化吸收，因而热量值很低，基本上不增加血糖、血脂，能有效地防治肥胖、高血压、糖尿病等。

2.1.2 抗龋齿性

龋齿主要是由突变链球菌引起的，大量的研究表明突变链球菌产生的葡萄糖转移酶不能将功能性低聚糖分解成粘着性的单糖。由于低聚糖不能被口腔中残留的链球菌利用，也不能被口腔酶液分解，因而有利于口腔卫生，是一种低龋齿性

的糖类。

2.1.3 促进肠道中双歧杆菌的增殖

双歧杆菌是人体肠道菌群中唯一一种既不产生内毒素又不产生外毒素，无致病性的具有生理功能的有益微生物，对人体有保健作用 人体胃肠道内没有水解功能性低聚糖的酶类，它们不被人体消化吸收，可直接进入大肠内优先被双歧杆菌利用，可明显促进人体内双歧杆菌的增殖，而不能被有害菌利用 这种选择性增殖作用不仅使得肠道菌群得到优化，而且使肠道微环境得到改善[6]，促进肠道内有益微生物菌群的建立。

2.2 间接生理功能

主要指人体服用后 ，能促进肠道内双歧杆菌的显著增殖，从而对机体产生积极的生理作用的功能。

2.2.1 降血脂

大量体内试验早已证实摄入功能性低聚糖可以降低机体内血清胆固醇、甘油三脂、游离脂肪酸等的含量，可以预防高血压、高血脂和减少结肠癌的发病率。

2.2.2 改善和防止便秘，抑制肠内腐败产物的生成

由于人体摄入功能性低聚糖导致双歧杆菌的量增多，肠内双歧杆菌发酵低聚糖产生大量醋酸和乳酸等短链脂肪酸，能促进肠道的蠕动、增加粪便湿润度并保

持一定的渗透压，故可以改善和防止便秘。

2.2.3 提高机体免疫力，抗肿瘤

大量动物实验表明，双歧杆菌在在肠道的大量增殖有抗癌作用，这种作用归功于双歧杆菌的细胞、细胞壁和细胞间的物质使机体的免疫力提高[7]。

2.2.4 促进矿物质的吸收

功能性低聚糖能促进人体对钙、铁等矿物质的吸收，从而提高骨密度，减少骨质疏松的危险，而且能够促进有益菌的增长，双歧杆菌等有益菌能够产生乙酸

乳酸等脂肪酸，使肠道pH值降低，抑制大肠杆菌肠炎沙门氏菌的生长，并能够使钙 铁等离子的溶解度增加，促进其吸收。

3. 功能性低聚糖的生产技术 在自然界中存在着各种功能性低聚糖，按存在方式、需求量的不同，低聚糖可采用提取法、化学法、发酵法、酶转化法等方式进行大规模生产[8]。

3.1 提取法

提取法是自然界存在量较大，分离工艺简单的低聚糖的生产方法，可用于生产大豆低聚糖。大豆低聚糖是棉籽糖、水苏糖和蔗糖的总称，其中主效成分是棉籽糖和水苏糖。目前主要从豆粕加工分离蛋白的乳清中分离提取。生产工艺为将乳清盐析后，经超滤除去残留蛋白质，再经活性炭脱色、离子交换、浓缩、喷雾干燥制得[9]。一般75％的大豆低聚糖中，含水苏糖18％、棉籽糖6％、蔗糖24％。

3.2 化学法

化学法是低聚糖修饰、改性的重要方法，可使寡糖经改性处理转变成不同用途的功能性低聚糖产品。目前市售的壳聚糖主要采用化学法生产，主要是利用工业废弃的蟹壳和虾壳经酸碱交替处理后得到甲壳素，然后用质量分数为40％～60％的浓NaOH在100—180℃脱乙酰处理，烘干即得壳聚糖。目前壳聚糖研究的重点是利用酰基化、羧甲基化等多种化学键进行修饰，制备不同性能和用途的壳聚糖衍生物或更小分子量的水溶性壳聚糖。

3.3 发酵法

发酵法是微生物源低聚糖的主要生产方法，通过改变微生物培养条件，促进目标低聚糖的过量表达。如壳聚糖也天然存在于真菌细胞壁中，是自然界中惟一大量存在的碱性多糖。研究发现，毛霉目中的毛霉属、根霉属、犁头霉属含有种类和形态多样的壳聚糖，能够通过微生物发酵法产生，但因产量过低，尚未实现产业化。王伟平等[10]利用犁头霉ZH08经诱变处理后，壳聚糖产量稳定在1.07

g／L。

3.4 酶转化法

酶转化法是低聚糖生产中的主要方法，利用特殊酶系将二糖或简单多糖转化成为功能性低聚糖。目前，常规的功能性低聚糖生产所需要的酶制剂已基本上实现了国产化。低聚异麦芽糖是采用淀粉为原料，使用耐高温α-淀粉酶、真菌淀粉酶、β-淀粉酶将淀粉酶解成麦芽糖后，经α-葡萄糖转苷酶转化后生成低聚异麦芽糖，再经过滤、脱色、脱盐、浓缩后，低聚异麦芽糖产率在50％左右。低聚果糖是利用真菌发酵产生的果糖基转移酶作用于高浓度蔗糖转化生成，但因果糖基转移酶的活性受到反应副产物葡萄糖抑制，导致绝大部分低聚果糖产品含有大量蔗糖和葡萄糖。低聚果糖也可以采用菊粉内切酶作用于菊粉生产果糖一果糖型低聚果糖。低聚木糖是将玉米芯加工成5 mm粒度，经蒸煮膨化处理提取半纤维素后，再经木聚糖酶酶解后，离心、微滤、脱色、离子交换、浓缩，产出70％的低聚木糖。低聚半乳糖、低聚乳果糖、乳酮糖等是利用半乳糖苷酶转化乳糖、蔗糖、果糖等原料后分离得到的[11]。

目前，只有少量功能性低聚糖可以采用提取的方式获得，例如大豆低聚糖可以从大豆蛋白加工的副产物大豆乳清中获得，水苏糖能从水苏属植物的根茎中提取。化学合成法目前只用于制备一些特殊的低聚糖供实验室研究，不具有工业化前景，而酸法降解虽然可以获得分子量分布较广的低聚糖，但副反应较多，增加了纯化工序的难度，因此大部分功能性低聚糖主要采用酶法制备，使用的酶主要是水解酶和转苷酶[12]。不同的功能性低聚糖制备方法不同。

低聚异麦芽糖是α-D-葡萄糖通过α-1，4 和 α-1，6 糖苷键连接的低聚糖。低聚异麦芽糖的酶法合成反应分为两步，第一步是由α-淀粉酶将淀粉液化，第二步由β-淀粉酶将酶化的淀粉水解成麦芽糖，再以α-葡萄苷酶将其转化成低聚异麦芽糖。有研究表明，不同来源的 α-葡萄糖苷酶的转苷能力差异较大，如来自

Xanthophyllomyces dendrorhous 的α-葡萄糖苷酶以200g/L的麦芽糖为底物可以获得53.8g/L的低聚异麦芽糖，其转苷能力是来源于Saccharomyces cerevisiae 的α-葡萄糖苷酶的3.6倍[13]。 低聚果糖的生产原料主要以蔗糖和菊粉为主，两种原料生产的低聚果糖的主要成分存在一定的差异:以蔗糖为原料的低聚果糖以蔗果低聚糖为主，以菊粉为主要原料的低聚果糖以果果低聚糖为主，其杂糖（蔗糖、果糖）可通过色谱分离获取高纯度产品。以蔗糖为底物制备低聚果糖主要使用β-D-果糖基转移酶或β-呋喃果糖苷酶。β-D-果糖基转移酶主要来源于植物和微生物，特别是真菌。Aspergillus niger，Aspergillus oryzae，Aureobasidium pullulans 和 Aspergillus

japonicus 是最常用的产酶菌种，其所产生的酶作用于蔗糖时主要产生 1F-型低聚果糖。不同来源的β-D-果糖基转移酶的转苷能力相差并不大，以55% 的蔗糖为底物时，来自于Aspergillus oryzae CFR202的β-D-果糖基转移酶能获得54% 的低聚果糖得率，而采用 Aspergillus pullulans CFR 77的酶，低聚果糖的得率为56%[14]。

低聚半乳糖是以高浓度乳糖做底物，在具有半乳糖基转移活性的半乳糖苷酶作用下，首先将乳糖水解成半乳糖和葡萄糖，然后再将半乳糖转移到乳糖基上，制得的低聚半乳糖是在乳糖中的半乳糖基一侧结合1-4个分子的半乳糖的混合物。在低聚半乳糖的制备中，主要采用微生物来源的β-半乳糖苷酶进行催化，在此过程中，发生了两类反应，一类是乳糖的水解反应，另一类是转半乳糖苷反应。低聚半乳糖是转苷反应的产物，其最终的得率取决于这两种反应的平衡，提高初始乳糖浓度，降低反应体系中水的含量，能够增加体系中糖受体的数量，从而提高低聚半乳糖的得率，但并非呈线性增加关系。增加水活度能够提高低聚半乳糖的得率，当水活度达到15时，低聚半乳糖的得率达到最大值51.2%，但是水活度超过15后，由于水解程度的增加使低聚半乳糖的得率减少[15]。温度的提高对于低聚糖的得率没有明显的促进[16]。