功能性低聚糖

第一章功能性低聚糖第一节低聚糖概述第二节低聚果糖第三节低聚乳果糖第四节低聚异麦芽糖第五节低聚木糖第六节大豆低聚糖低聚糖产业已经发展成为一个重要的生物技术产业，市场化品种20多种，正在研发的品种有近百种，并催生了300多亿美元的功能食品市场及100多亿美元的功能饲料市场，而且每年仍以10%~20%的速度增长，市场前景良好。我国对低聚糖的研究始于上世纪80年代，在“九五”期间形成工业规模和商品化。现各种低聚糖生产能力约5万吨，实际年产4万吨。品种主要有低聚异麦芽糖、低聚果糖、低聚木糖、低聚甘露糖、大豆低聚糖、水苏糖等，实际年产以万吨计的只有低聚异麦芽糖，年产以千吨计的有低聚果糖、水苏糖，其它品种的年产量有限。第一节低聚糖概述低聚糖产业已经发展成为一个重要的生物技术产业，市场化品种20多种，正在研发的品种有近百种，并催生了300多亿美元的功能食品市场及100多亿美元的功能饲料市场，而且每年仍以10%~20%的速度增长，市场前景良好。我国对低聚糖的研究始于上世纪80年代，在“九五”期间形成工业规模和商品化。现各种低聚糖生产能力约5万吨，实际年产4万吨。品种主要有低聚异麦芽糖、低聚果糖、低聚木糖、低聚甘露糖、大豆低聚糖、水苏糖等，实际年产以万吨计的只有低聚异麦芽糖，年产以千吨计的有低聚果糖、水苏糖，其它品种的年产量有限。第一节低聚糖概述2010年时中国低聚糖产品的年需求量达19万吨以上，其中低聚异麦芽糖年需求量10万吨以上，低聚果糖年需求量8万吨左右。目前全国低聚糖生产厂家已达十余家，形成了年产10万吨左右的产能。一、概念：由2～10个单糖通过苷键结合而成的直链或支链聚糖。二、化学命名法：以末端糖为母体，其它的糖作为糖基，同时应标明糖与糖之间的连接位置、糖的成环形式以及苷键的构型等。蔗糖、乳糖、麦芽糖等也属于低聚糖，但是与近年来开发的新型低聚糖相比，不具备预防龋齿、降低血脂和促进双歧杆菌增殖等生理功能，所以称为普通低聚糖。以乳果糖、低聚果糖、大豆低聚糖、低聚木糖、低聚乳果糖、低聚龙胆糖等为代表的新型低聚糖一般都具有促进肠道双歧杆菌增殖、难以被人体消化吸收、预防龋齿等一系列的生理功能，所以又称为功能性低聚糖。功能性低聚糖的研究和开发最早的是日本，己有二十多年的历史。目前在世界低聚糖市场中，日本占着绝对的优势。继日本之后，欧洲各国对功能性低聚糖的开发热情日渐升温。各种功能性低聚糖在国外已广泛用在不同食品的加工中，包括饮料、酸奶、冷饮、乳品、糖果、糕点等方面。功能性低聚糖的加入赋予了这些食品不同的保健功能。使其产品档次和价格都上了一个台阶。我国在20世纪80年代末开始对功能性低聚糖进行研制和应用开发，较早研究开发的是以蔗糖为原料制取低聚果糖和以淀粉为原料制取低聚异麦芽糖；其它功能性低聚糖，如大豆低聚糖、低聚甘露糖、低聚乳果糖等也研制开发成功。功能性低聚糖可从天然原料中提取。但大部分功能性低聚糖在天然植物中含量太低或在自然界分布较分散难以收集，现代工业往往采用生物技术酶法来制取，其原料多为糖类，如蔗糖、淀粉等。低聚果糖是较早开发的功能性低聚糖之一,日本于1983年实现了规模化生产。第二节低聚果糖(Fructooligosaccharide，FOS)低聚果糖又称蔗果低聚糖或果寡糖、蔗果三糖族低聚糖。其组成主要是蔗果三糖、蔗果四糖、蔗果五糖的混合物。是以蔗糖为原料，通过现代生物工程技术———果糖基转移酶转化、精制而成。商品化程度在国内外处于领先地位。经过美国IFT（美国食品工艺协会）和日本医学院等研究机构应用现代科学研究反复测试得出结论，以果糖基转移酶转化而成的低聚果糖分子结构和保健功能，与天然存在于果蔬植物中的完全相同。一、分子结构及消化代谢特性低聚果糖是2～5个果糖基为链节，以一个葡萄糖基为链的端基，以果糖基→果糖连接键为主体骨架连结形成的碳水化合物。即是指1～4个果糖基以β-2，1键连接在蔗糖的D-果糖基上而形成的蔗果三糖（GF2）、蔗果四糖（GF3）、蔗果五糖（GF4）和蔗果六糖（GF5）的混合物。商品低聚果糖一般还含有少量蔗糖、果糖、葡萄糖。低聚果糖是一种天然活性物质。低聚果糖经口腔进入人体消化系统后，不能被各种消化酶分解，因而不被胃、小肠吸收。低聚果糖在大肠内可被双歧杆菌、乳杆菌等有益菌选择利用，使它们快速和大量繁殖。同时双歧杆菌对低聚果糖进行酵解，部分转化为短链脂肪酸和少量气体。其中，大约40%的低聚果糖被菌体利用排出体外，10%转化为CO2、H2、CH4等气体，近50%转变为醋酸、丙酸、丁酸和乳酸等。部分短链脂肪酸经结肠粘膜吸收后，再进入肝脏，进一步代谢而转变为摄食者可吸收的能量，但其能量值很低，仅为蔗糖的1/3。二、主要生理功能1.高效的双歧杆菌增殖因子。能进入大肠被有益菌双歧杆菌选择性地利用,使双歧杆菌数量显著增加,有助于维持肠道正常菌群的平衡,抑制病原菌和腐败菌的生长,提高机能的免疫功能,低聚果糖的摄入对腹泻及便秘患者均有明显的改善作用。2.低热值。由于低聚果糖不为人体消化系统的酶类所水解,很难被消化吸收，故提供的热值很低，摄入后不会导致肥胖。3.低聚果糖是一种水溶性膳食纤维，能降低血清胆固醇和甘油三酯，且摄入后不会引起血糖值和胰岛素水平的升高。4.能促进机体对钙、镁、锌等矿物元素的吸收。低聚果糖与Ca2+、Mg2+、Zn2+等形成络合物到达大肠后，随着低聚果糖被双歧杆菌等微生物发酵分解，同时也释放出矿物元素，使之更易于被肠道吸收，这对防止人体骨质疏松有意义。5.非龋齿性。低聚果糖不能被引起龋齿的突变链球菌Smutans所利用，因此不易导致龋齿。三、生产方法工业上主要采用具有果糖基转移活性的酶(如β-Ｄ-呋喃果糖苷酶)作用于蔗糖而制取低聚果糖。其反应可表示为:工业化生产低聚果糖多采用固定化细胞法进行连续化生产,即将具有较高果糖基转移酶活力的活性菌体固定在一定载体上并装柱,高浓度蔗糖溶液以一定速度通过固定化酶柱,由酶作用于蔗糖发生转移反应,然后经活性炭脱色,离子交换法脱盐等手段进行分离提纯,经浓缩可得低聚果糖含量为55%～60%的液体产品。若进一步分离提纯,可精制出含量为95%的高纯度产品。在蔗糖转移反应生成低聚果糖的同时,也生成了副产物———葡萄糖,葡萄糖是酶抑制物,它的存在会削弱酶的催化能力,使低聚果糖含量降低。可在反应体系中加入葡萄糖氧化酶或葡萄糖异构酶,前者能将葡萄糖氧化成葡萄糖酸,而后者能使葡萄糖转化为果糖,从而对蔗糖的转移反应起协同促进作用,达到增加低聚果糖生成量、提高产品纯度的目的。除酶法外,一些国家,如法国、比利时还采用由植物菊芋提取低聚果糖的生产工艺。法国Ｌｅｒｏｕｒ公司用菊芋生产菊粉,菊粉中单糖分子聚合度较大,需经局部酶解才能得到低聚果糖。该公司也以菊粉作为产品出售,平均单糖分子聚合度≥9,低聚果糖含量少,削弱了其生理功能。第三节低聚乳果糖(LactosylfructosideorLactosurose)低聚乳果糖是由日本林原生化研究所、盐水港株式会社等在1990年联合开发成功的一种新型低聚糖,产品于1991年推向市场。商品化的低聚乳果糖是一种包括低聚乳果糖、蔗糖、乳糖、葡萄糖以及其它微量低聚糖(如1-蔗果三糖、半乳糖基果糖、半乳糖基乳糖等)在内的混合物。纯净的低聚乳果糖是一种三糖,由β-D-半乳糖苷、α-D-葡萄糖苷以及β-D-呋喃果糖苷残基组成。日本产品类型有LS-35、LS-55Ｐ(粉末状)、LS-55Ｌ(液体状),其中低聚乳果糖含量分别为总糖量的35%、55%,此外还有未反应的蔗糖、乳果糖,副产物葡萄糖等。一、分子构成低聚乳果糖由3个单糖残基通过糖苷键相连而成,其结构式如下图所示:从分子结构式上看,低聚乳果糖可看成是乳糖接上一个果糖基,也可看成是蔗糖接上一个半乳糖基。二、低聚乳果糖的合成1.低聚乳果糖生物合成的机理低聚乳果糖以蔗糖和乳糖为原料,利用糖基转移酶催化而成。图为低聚乳果糖的生物合成反应式。低聚乳果糖可以采用2种途径合成。一是利用半乳糖苷转移酶将乳糖分解产生的β-半乳糖基转移至蔗糖中葡萄糖的Ｃ4羟基上；二是利用果糖基转移酶将蔗糖分解产生的果糖基转移至乳糖还原性末端的Ｃ1羟基上,必须注意,虽然β-呋喃果糖苷酶在自然界广泛存在,但是不同来源的β-呋喃果糖苷酶具有不同的受体特异性,在蔗糖和乳糖共存的体系中,黑曲霉β-呋喃果糖苷酶一般催化蔗糖中的果糖基转移到另外一个蔗糖分子上生成蔗果低聚糖,而节杆菌β-呋喃果糖苷酶才可能催化生成低聚乳果糖。三、低聚乳果糖的生理功能1.改善肠道菌群,促进双歧杆菌增殖。2.抑制有毒代谢物的产生。3.难消化、低热值。4.不致龋。5.降低血清胆固醇。6.整肠作用。第四节低聚异麦芽糖(Isomaltooligosacchride，IMO)低聚异麦芽糖,是以淀粉为原料,采用生物酶工程生产精制而成的,具有一定的保健功能。在低聚糖中,除了直链低聚糖外,还有支链低聚糖。直链低聚糖是以葡萄糖为单位,由2～10个分子联结而成的糖,一般称为低聚麦芽糖。与之对应的支链低聚糖是将葡聚糖以分枝方式联结而成带支链的糖,被称为低聚异麦芽糖。前者只有α-1,4键结合方式，不具备特殊的功能性,而后者除α-1,4键外,还有α-1,6键、α-1,2键、α-1,3键等键合方式,因此形成支链状结构。一、分子结构特点低聚异麦芽糖，又称异麦芽低聚糖，属分枝低聚糖(Branchingoligosacchride),是由2～10个葡萄糖单位连接而成。各葡萄糖之间除含有α-1,4糖苷键外，有α-1,6糖苷键，α-1,2糖苷键和α-1,3糖苷键。该糖主要有异麦芽糖、潘糖(具有α-1,4糖苷键和α-1,6糖苷键)、异麦芽三糖、异麦芽四糖等。低聚异麦芽糖产品种类较多。通常把异麦芽糖、潘糖、异麦芽三糖总含量在35%以上的称为IMO-500，在50%以上的称为高纯度低聚异麦芽糖IMO-900。IMO-900低聚异麦芽糖的含量高，葡萄糖、麦芽糖含量甚微，故可适用于特殊人群。二、低聚异麦芽糖生理功能1.能促进体内双歧杆菌的繁殖,调整肠道内的菌群,增加有益菌的比例。2.难以被消化,低甜度,低热量,基本上不增加血糖、血脂,有利于防止心脑血管疾病。3.不致龋。第五节低聚木糖(Xylooligosaccharide)低聚木糖作为一种附加值高、市场前景看好的功能性食品添加剂,是目前国内外竞相研究开发的功能性低聚糖之一。一、低聚木糖的构成及存在一般认为,低聚木糖是由木二糖～木十糖等组成的。在自然界中,竹笋等天然植物中含有少量的低聚木糖。另外,一部分植物半纤维素在人体大肠内也可以被分解转化为低聚木糖。1.高选择性促进双歧杆菌增殖；2.低聚木糖基本不被人体消化酶系统所分解；能量值几乎为零。3.酸、热稳定性好；即使pH：2.5~8，加热至150℃也基本不分解；4.摄入量少；每日摄取有效剂量低，0.7~1.4g。5.保护肝脏功能；能增强机体免疫力，抗癌；6.降低血清胆固醇；降低血压；7.低甜度、低热值；抗龋齿。二、低聚木糖的生理功能第六节大豆低聚糖典型的大豆低聚糖是从大豆中提取的可溶性低聚糖的总称,主要有水苏糖、棉子糖和蔗糖,其在成熟大豆中的干基含量分别为4%、1%和5%。水苏糖和棉子糖都是由半乳糖、葡萄糖和果糖组成的低聚糖,是在蔗糖的葡萄糖一侧连接1或2个半乳糖。大豆低聚糖中使双歧杆菌增殖的是其中的水苏糖和棉子糖,水苏糖和棉子糖在人体的小肠中不易被消化吸收,而直接到达大肠为双歧杆菌选择性地利用使其增殖,并能使肠内有害菌减少而改善肠内菌群的构成,从而抑制了肠内腐败产物的产生和有害酶(如偶氮还原酶，为致癌物质生成酶)的活性,有利于维持和增进健康。棉子糖是自然界中最知名的一种三糖，由半乳糖、果糖和葡萄糖结合而成，在大部分的植物中都存在，也被称为蜜三糖、蜜里三糖。棉子糖能顺利地通过胃和肠道而不被吸收。棉子糖是人体肠道中双歧杆菌、嗜酸乳酸杆菌等有益菌极好的营养源和有效的增殖因子，棉子糖有整肠和改善排便的功能，能改善人体的消化功能，促进人体对钙的吸收，从而增强人体免疫力。对预防疾病和抗衰老有明显效果。棉子糖可作为人体和动物活器官移植用保护输送液的主