低聚果糖的生理功能及生产、应用.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/148低聚果糖的生理功能及生产、应用胡学智1,伍剑锋2(1.上海市工业微生物所;2.江门量子高科生物工程有限公司)摘 要:低聚果糖是一典型益生元,本文就其生理功能,Fm和GFn两种类型的低聚果糖的制法和它们在食品工业中的应用做一介绍。关键词:低聚果糖;益生元;双歧因子中图分类号:TS20213 文献标识码:A 文章编号:1006-2513(2007)06-0148-10The physiological functions,prepare methodsand application of fructooligosaccharidesHU Xue2zhi1,W U Ji an2feng2(1.Shanghai Institute of IndustrialMicrobiology;2.Jiangmen Quantum Hi2Tech Biological Engineering Co.,Ltd)Abstract:Fructooligosaccharides is a typicalprebiotic carbohydrate,thispapermakes a brief introduction of physiolog2ical functions andmethods to preparation of the t wo forms of FOS,Fm and GFn,further more the applicationsof FOS inthe food industrial are also discussed.Key words:ologosaccharide;prebiotic;bifidofactors以双歧杆菌、乳酸菌和各种功能性低聚糖为首的微生态保健品,是建立在医学和营养学新概念基础上开发出来的新一代保健食品,近代医学研究证明,肠道微生态平衡与否确实与人体健康有着密切关系,双歧杆菌、乳酸菌等人体正常有益细菌能够促进肠道菌群平衡,有助于抑制有害细菌增殖和肠道腐败,预防肠道感染、缓解便秘、清除肠道腐败有毒产物,增强机体免疫功能,预防肿瘤,促进食物中矿物元素,尤其是钙和锌、铁的吸收,这类有益于人体健康的微生物称之为“益生菌”(probiotics)。国内外专家对肠道的菌状况的调查结论,都证实肠道中双歧杆菌的多少能够充分反映出人体健康的水平如何,凡长寿健康者体内双歧杆菌必多而有害菌少,国际上风行以双歧杆菌、乳酸菌为主的各种微生态制剂,用于疾病治疗和保健,一些专家预言抗生素时代即将成为过去,随之而来的将是活菌制剂时代。自1980年研究发现,低聚果糖具有食后不被消化吸收而可直入大肠,选择性地刺激人体自身双歧杆菌增殖的作用,是一种“双歧因子”而食之有益健康。以后日本明治制果公司首先进行工业生产,作为保健食品和砂糖的替代品,广泛使用于食品。由于低聚果糖等功能性低聚糖是通过收稿日期:2007-11-05作者简介:胡学智,1929年生,上海市工业微生物研究所教授级高级工程师,从事发酵工业研究50余年,发表论文约300篇,著作约30本,完成科研成果20余项。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/149促进人体即有双歧杆菌的增殖而达到保健目的,而不像活菌那样食后易被胃酸胆汁等杀死。故尤其受到医学保健界的注意,认为是一种新一代的微生态保健食品,这种食后不被消化吸收,而可直入大肠刺激大肠中有益细菌生长和活性,从而有益宿主健康的食物成分称之为“益生元”(pre2biotics)。继低聚果糖后,低聚半乳糖、异麦芽低聚糖、低聚木糖、低聚乳果糖、大豆低聚糖、水苏糖等有双歧因子作用的功能性低聚糖亦相继开发成功,并大量生产,由于这类低聚糖食后不引起蛀牙,不引起血糖升高而集膳食纤维和双歧因子于一体,同时又是一种新型食糖,故在全世界的发展非常迅速。现在全世界功能性低聚糖的生产能力超过数十万吨,它的应用方兴未艾。在众多功能性低聚糖中,研究得最深入、最广泛而真正符合益生元要求的是低聚果糖、菊粉和低聚半乳糖,其它功能性低聚糖虽然已证明是良好的双歧因子,但在欧洲因认为人体试验数据不足而被称为“浮出水面的益生元”或“准益生元”。低聚果糖在我国20世纪90年代初就已开发生产,全国生产能力有数万吨,现将低聚果糖的生理功能、制造和应用作一简单介绍。1 低聚果糖的生理功能111 改善肠道菌群平衡因人体缺乏水解低聚果糖中 21键的酶,故低聚果糖是一种人体不能消化的膳食纤维,食后不被小肠所吸收而直入大肠,被大肠中的有益菌群利用为碳源并发酵生成短链脂肪酸,后者可被人体吸收间接作为能源来利用。在大肠中栖息着多达500余种的细菌,菌体干物量相当于粪便干重的1/31/2,每克粪便含菌量可达1012,这些细菌大多数对人体无害而且有些还是有益的,故称为“人体正常菌群”,人体正常菌群的种类数量是随人的生长发育、营养、年龄与生活状况及精神状态而变化的,它们对人体营养、免疫力、癌症发生、衰老和健康有着莫大影响。正常菌群的90%是厌氧菌,其中双歧杆菌是优势菌,其数量在青壮年中约占肠道总菌量的20%以上,对维持肠道菌群平衡处于有利健康状态起着关键的作用,是人体有益菌。而大肠杆菌,产气荚膜梭菌等腐败细菌是人体有害细菌,它们腐败蛋白质,产生氨、胺类、酚类、亚硝胺、硫化氢、甲基硫醇等有毒和致癌物质,长期吸收会损害组织器官,促进衰老,引起疾病甚至癌症,在正常情况下,两类细菌处于相对的平衡状态。衰老、疾病、精神压抑或心理压力过重,以及化疗、放疗,长期使用抗生素等都会使平衡遭到破坏,使有益菌减少而有害菌增加。而双歧杆菌则对健康起着保卫优用,维持肠道菌群平衡处于良好状态,其功能:(1)产生醋酸,乳酸等有机酸降低肠内环境pH,抑制病源菌生长。(2)抑制肠道腐败,减少有毒的腐败产物如酚类、吲哚、氨、亚硝胺类的产生。(3)降低血清胆固醇和血脂的浓度。(4)发挥免疫调节作用,促进抗恶性细胞的免疫攻击力,抑制肿瘤细胞生长,提高对病源微生物抵抗力。(5)合成维生素,例如B族维生素、叶酸、维生素K等,促进矿物元素的吸收。(6)在抗生素治疗中促进肠道正常菌群恢复。因此,设法增加肠道中双歧杆菌有助于健康。传统看法认为,人类大肠的一个重要功能是吸收水分、盐分以及贮存和清除废物。而新的看法是大肠还具有多种重要生理功能,将上消化道未消化的食物成分通过结肠细菌发酵而间接为宿主提供能量,由碳水化合物发酵得到的主要产物是短链脂肪酸(SCFA)和H2、CH4、CO2等气体,部分SCFA则可被结肠上皮细胞吸收利用,提供了人体总能量的10%,结肠黏膜也分泌出可能含有激素或神经肽的液体,会影响结肠功能。通常大肠中缺乏结肠细菌可利用的碳水化合物,一旦有碳水化合物(人体不消化吸收的)进入大肠,就会对大肠中菌群的代谢产生重要影响,研究发现大肠中细菌群利用低聚果糖的能力是不同的,体外试验结果表明,双歧杆菌利用低聚果糖的能力强于肠道中其它的细菌,而其它细菌只能利用葡萄糖,因此摄食低聚果糖能够激发双歧杆菌的生长和活性。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/150表1 低聚果糖对肠道细菌生长的影响(体外试验)菌株供试菌株数葡萄糖低聚果糖双歧杆菌青春双歧杆菌6+两歧双歧杆菌2+短双歧杆菌4+/+婴儿双歧杆菌2+长双歧杆菌5+乳酸菌嗜酸乳杆菌2+/+酪乳杆菌2+发酵乳杆菌2+真细菌6/+梭杆菌5+/+丙酸菌2+韦荣氏球菌2拟杆菌16+/+/+肠球菌5+大肠杆菌5+/+沙门氏菌2+葡萄球菌3+/+梭菌艰难梭菌4+/+产气夹膜梭菌5+类腐败梭菌3+/+/+3Wada 1990细菌生长用pH下降表示+pH415+pH510+pH610pH610就人体双歧杆菌对低聚果糖的利用性来说也不尽相同,依次为GF2 GF3 GF4,除两歧双歧外,人体双歧杆菌如青春双歧、短双歧、长双歧、婴儿双歧均可利用庶果三糖(GF2)表2。低分子量的低聚果糖在近结肠内迅速被大肠菌群所发酵,使肠环境酸化,菌群组成发生变化,使双歧杆菌、乳酸菌增加而梭菌的生长受到抑制。而分子量大的GFn或菊粉则因被发酵速度很慢,但它的作用可维持到大肠终端。表2 双歧杆菌对低聚果糖的利用性双歧菌 FOSGF2GF3GF4青春双歧+长双歧+短双歧+两歧双歧婴儿双歧+低聚果糖促进双歧杆菌生长在人体试验中也得到了证实。Mitsuoka(光冈,1987)就23名老年病人(5090岁)进行试验,在每日膳食中添加低聚果糖15g,为期二周,每日收集粪便进行细菌学试验,结果表明,食用低聚果糖后,大便中双歧杆菌比试验前增加了10倍(由10818/g增加到10917/g粪便),大便中双歧杆菌的检出率也由87%增加到100%。Wang和Gibson(1993)就8名志愿者进行试验,在完全控制的条件下,每天给食菊粉低聚果糖15g,逐日进行粪便细菌检验,与对照组(每天给食庶糖15g)相比,试验结果:大便中双歧杆菌比例由17%增加到82%,而有害的梭菌和梭杆菌则分别由2%和9%下降到1%和以下,拟杆菌由72%下降到16%。而对于体内双歧杆菌缺乏的老人而言,食用低聚果糖效果更明显。日高秀昌对23名老人进行试验表明,每天给食低聚果糖8g,二周后大便中双歧杆菌由10610/g增至10911/g,增加了1001000倍,而对肠道中双歧杆菌本来较多的人(1091010Fu/g)来说食用Fos,双歧杆菌的增加不多,但大便中有害菌产气荚膜梭菌不再检出,便秘和腹泻也得到好转。低聚果糖促进人体自身双歧杆菌的增殖,已有更多的实验所证实(表3)。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/151表3 短链低聚果糖FOS ACTI L IGHT刺激人体双歧杆菌增殖的效果3受试人数年龄食用量(g/d)试验时间(d)大便中双歧杆菌计数(logCFU/g)食前食后显著性(P)作者6630916918NSMitsuoka等(1986)237398148181191701501005Mitsuoka等(1987)27(93)361892512313135141414918016919016917016101201410180141013014010501050101Tokunaga等(1993)388145120196120160101Rochat等(1994)1020-404148131189140130105W illiam等(1994)1022-391215127190159110130101Bouhnik等(1996)32(84)2916215510208888810111811018810113812019812111911011915013915016NS010501020102Bouhnik等(1999)3 3NS无显著3 摘自Francis RJ12001年6月国际低聚果糖研讨会论文FOS刺激人体双歧杆菌的增殖效果因受试者年龄、饮食、健康及其它因素而异,大体上随试剂量增大而增加。112 低聚果糖的健康效应大家知道母乳喂养的婴儿无论是健康状况、发育等都比牛奶喂养的婴儿要好,这是因为母乳中含有低聚乳糖等双歧因子和免疫球蛋白的缘故,母乳喂养儿肠道中双歧杆菌比人工喂养儿多一倍,达到肠道总细菌量的90%以上,人工喂养儿之所以易患消化不良、腹泻、便秘和肠患过敏等症是由于双歧杆菌缺乏或消失,以致有利于大肠杆菌等有害菌生长之故。作为一种益生元兼膳食纤维的低聚果糖,大量动物和人体试验表明,食用低聚果糖具有以下健康效应。(1)低聚果糖是人体不消化碳水化合物,食后直达大肠而可促进肠道中双歧杆菌和乳酸菌等益生菌的增殖,抑制有害细菌和病源菌的生长繁殖。(2)被肠道细菌发酵后产生醋酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸和乳酸,降低肠环境pH值,抑制肠道腐败和减少毒素的生成。(3)刺激和增强细胞免疫和体液免疫功能,提高机体抗感染能力,有利于抗过敏和减少肿瘤风险。(4)促进钙、镁、铁、锌等矿物元素吸收,促进双歧杆菌合成维生素。(5)降低血液胆固醇、血脂浓度,有利于心血管病防治。(6)预防便秘和腹泻。低聚果糖的健康效应主要是通过双歧杆菌等有益菌之增殖和改善肠道菌群平衡来实现的,部分是由于本身也是一种水溶性膳食纤维之故。11211 抑制肠道腐败,缓解便秘Shimoyama(1984)对15名便秘患者在每天给食低聚果糖,随着粪便双歧杆菌增加,中度便秘的确有缓解。Gibson(1995)对8名便秘者在每天吃低聚果糖15g,二周后大便pH下降,便秘缓解,给便秘者每天吃低聚果糖56g,4天后80%患者症状改善,便质软化,臭味减少。稻叶等人(2000)等分析表明食用低聚果糖后粪便中恶臭成分甲基硫醇由1197ppm减少到1102ppm,肠中腐败产物发吲哚,粪臭素、酚类等显著降低,肠道pH下降013015,动物试验证明低聚果糖与双歧杆菌同食可充分发挥合生元(synbiot2ic)的作用,效果明显,可有效降低出血性大肠 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/152杆菌O-157引起的死亡率。11212 改善脂质代谢,降低血脂与胆固醇动物与人体试验都表明,吃低聚果糖可调节血糖、血压、降低血清胆固醇,提高HDL/LDL比例,然其作用机制还不明了或认为双歧杆菌可产生胆酸水解酶,将结合胆酸游离,而游离胆酸可抑制病原菌生长,在pH610时胆汁酸可同胆固醇结合而生成沉淀,随大便排出全外,双歧杆菌本身也可吸附胆固醇而随大便排出,从而可有效调节血脂。此外低聚果糖被肠道菌群发酵生成的丙酸,可抑制HMG辅酶A合成酶和还原酶的活性而抑制了胆固醇的合成。但这一机制未能从人体实验得到证实。然而低聚果糖降胆固醇的效果已从临床试验证明。Yamasaki等(1982)就12名69岁老人所试验表明在4周内每天给食低聚果糖8g,结果每克粪便中双歧杆菌由8152logcfu增加到9117logcfu,随大 便 排 泄 的 胆 固 醇 显 著 增 加,由21810194mg/g增加到81182137mg/g,低聚果糖并不改善脂循环。Hata(1983)等将46名老年(60岁左右)高血脂病人分为二组,其中一组每天给食低聚果糖13g,对照组给食蔗糖,4周后实验组的总胆固醇、甘油三脂、游离脂肪酸、血糖、血压均见下降,而蔗糖组则这些参数有上升倾向。Davidson(1996)对24名高胆固醇病人,每天给食FOS 18g,6周后LDL下降1414%,胆固醇下降816%,Yamashta(1984)对28名 型糖尿病人,每天给食FOS 8g,14天后随着血胆固醇明显下降、血糖也降低了8%。11213 提高免疫力和减少癌症风险众多资料表明,吃低聚果糖等不消化碳水化合物可减少患结肠癌的风险。低聚果糖刺激肠道免疫系统抑制肿瘤进展的机制是多方向的。首先是通过促进双岐杆菌的增殖,优化肠道菌群平衡,有些双歧杆菌(包括活细胞,死细胞,代谢产物等)具有很强的免疫刺激作用,它可以激活巨噬细胞,产生抗菌素,刺激淋巴细胞有效分裂而增加淋巴细胞生成量。体外试验看出,双歧杆菌(长双歧、短双歧杆菌)可促进结肠黏膜潘氏盘生产免疫球蛋白IgA,分泌型IgA具有抗感染、抗食物过敏和吸收致癌物的功能。肠道黏膜对机体免疫有着重要作用,人体肠道有着很大的表面面积,约有400m2(相当一个网球场大),肠道是遭受病原菌入侵的巨大门户,又是抗击病原入侵的主战场,在漫长的进化过程中,肠道发展成为人体最大的免疫器官,它拥有人体免疫细胞(淋巴细胞)的60%70%,占人体免疫球蛋白IgA总量的60%是在肠道中(Snnichi等2002),肠道有关淋巴组织对人体免疫力有重要影响,增强肠道有关淋巴组织,可增强肠道健康和全身免疫功能。低聚果糖等不消化碳水化合物,在大肠中被发酵生成的短链脂肪酸(主要是醋酸、丙酸、丁酸)和乳酸(表4)可降低肠道pH和氨的浓度,有利于抑制腐败,促进排便。在低pH由一级胆酸转变成具有致癌性的二级胆酸的反应受到抑制,氨和胺也因转化成无扩散性的NH4+,从而浓度降低也有利于减少癌变(Reddy等1993,Howarel等1995)。短链脂肪酸对大肠上皮细胞有营养作用,特别是丁酸,不仅是结肠细胞的主要能源基质,有助于免疫细胞的育成,而且具有很强的抗细胞增生分化的能力,研究表明,丁酸同白介 素 一起 可 使 小 鼠 腹 膜 癌 肿消 失(Perrin1994)。表4 喂饲低聚果糖(FOS)小鼠粪便中的有机酸(HPLC测定)(引自文献21)有机酸对照(g/g粪)喂FOS(g/g粪)琥珀酸00乳酸13450986314甲酸00乙酸776712218342丙酸10615317100异丁酸83951981148丁酸018761异戊酸己酸00在观察药物和食物对结肠癌的影响有关的研究中,有两种试验动物是国际上常用的,也是非常有用的,一种是用偶氮甲烷做腹腔注射,使结肠隐窝诱发前期癌变的大鼠,供早期癌症研究之 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/153用;另一是预先遗传方法致使患结肠癌的小鼠,这种小鼠因生癌症通常在60天内就会死亡,可供结肠癌的后期研究之用,试验报道,对这两种试验动物分别用富含不溶性纤维(麸皮、纤维素)及低聚果糖、抗性淀粉来喂饲,经44天后在大鼠群中,只有喂饲低聚果糖和抗性淀粉的两组,前期癌变呈显著减少,且肠道中丁酸浓度也明显增加。在小鼠群中,只有喂饲低聚果糖的一组看到有保护作用,从而认为抗性淀粉通过产生丁酸只对癌变前期有作用,而低聚果糖则对前期或发展中的肿瘤都有抑制作用,据测这同它也可以刺激免疫系统有关。因此,近年来科学家对双歧杆菌和丁酸的生成及对免疫系统的刺激作用而减少癌症风险进行了研究,表明二者在刺激肠道相关淋巴组织(GALT)的某些化合物的活性而抑制结肠癌上有重要作用。吃低聚果糖也可调节肠道细菌的酶活性,腐败细菌产生的-葡萄糖醛酸酶,偶氮还原酶,硝基还原酶等具有催化前致癌原转化成为致癌物的作用。通过促进肠道双歧杆菌增殖,可有效降低这些酶的活性。低聚果糖也能同一定的毒素、病毒和细菌表面相结合而作为一种免疫佐剂,可减缓对抗原的吸收,增强抗原效价和人体体液免疫力,并且低聚果糖本身也是一种抗原,可刺激机体的免疫力。近年用模型鼠所做的研究都表明,食用低聚果糖对化学诱发的癌变预防确有一定的作用,(表5)这为人体试验提供了依据。2004年一项欧盟资助的研究表明,对40名多息肉切除病人和40名多结肠癌术后病人给食低聚果糖和菊粉试验结果表明,摄食低聚果糖和菊粉的病人,无论是菌群平衡或改善DNA的损伤和多息肉活组织繁殖率的下降均比对照组为良好,这是第一次从人体试验证明低聚果糖和菊粉对抗肿瘤有作用。表5 低聚果糖对肠道癌变预防的动物实验3研究者非消化性低聚糖剂量实验动物实验方法实验效果Gallaher等(1996)FOS(20g/kg饲料)双歧杆菌108 双歧杆菌+FOS鼠,每组15只注射DMH3 3 催癌ACF下降(双歧杆菌+FOS效果优于单独使用)Reddy等(1997)菊粉FOS(100g/kg饲料)鼠,每组12只AOM注射前2周,用低聚糖饲养ACF下降:菊粉35%FOS 24%Taper等(1997)FOS,菊粉,果胶(150g/kg饲料)鼷鼠,每组912只肿 瘤 细 胞(EMT6和TLT)移植入大腿中平均肿瘤表面积的增加下降Pierre等(1997)FOS(58g/kg饲料)小鼠,每组15只自发性小肠瘤较少数量肿瘤在小肠和大肠发生,刺激肠相关淋巴组织Rowland等(1998)菊粉(50g/kg饲料)长双歧杆菌(108)菊粉+长双歧杆菌鼠,每组15只饲喂前注射AOMACF下降:菊粉21%长双歧杆菌29%菊粉+长双歧杆菌74%3 摘自郭兴华:益生菌P190(2002),3 3DMH:1,2-二甲基苯肼,3 3AOM:氧化偶氮甲烷,3 3 3ACF:总结肠迷走隐窝点(total colon aberznt crypt foci)11214 促进对钙、铁、镁、锌等矿物元素的吸收这对于促进儿童生长发育,防止老年骨质流失具有很大意义,已有不少研究证实。VanDorkan等(1996)用同位素标记的钙和铁,就低聚果糖同菊粉对矿物元素吸收的促进效果做了比较,表明在达到同样的吸收率(50%)前提下吃低聚果糖每日只需3g,而吃菊粉就要40g。Ohta(1993)就低聚果糖、低聚半乳糖、棉子糖、异麦芽糖等对钙吸收的影响做了比较,试验结果表明,低聚果糖可显著促进钙、镁、磷的吸收和骨化作用,1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/154低聚半乳糖次之,而异麦芽糖则没有这种功效。Delgenne等(1994)用含10%低聚果糖的饲料喂养小鼠,试验表明,低聚果糖可促进钙、铁、镁、锌的吸收。Taguchi等(1995)用鼠作试验,测定低聚果糖对股骨密度和钙镁吸收之影响,结果表明,低聚果糖可显著促进钙镁之吸收,阻止因缺乏雌性激素而引起的骨质流失,这对绝经妇女和老年人预防骨质疏松具有很大意义。因低聚果糖对钙吸收有如此明显效果,市场上已有添加低聚果糖的啤酒、饮料水出售。吃低聚果糖之所以可促进钙等矿物元素之吸收,很大程度上是依赖低聚果糖被发酵生成了有机酸,主要是醋酸、丙酸、丁酸与乳酸,导致肠道pH下降,使在通过小肠时形成的钙、磷酸盐、镁构成的复合物发生溶解而容易吸收。另一假设是由于钙之被修饰成为低电荷量的钙-氢复合物(Ca-H)3,而更易通过黏膜;还有一种说法是质子化短链脂肪酸可通过直接扩散而进入肠道细胞被吸收。2 低聚果糖(FOS)的生产低聚果糖在工业上有二种方法制造,一种是用菊粉含量高的菊苣为原料,用热水抽提其菊粉,经微生物菊粉酶之部分水解作用生成果糖聚合度为210的链状低聚糖,这种低聚糖中的果糖分子是以(21)糖苷键连接而成,其结构形式是Fm型(F是果粉分子、m是果糖分子数,F-F-FFm)此外也含一定量的GFn型的蔗果低聚糖。比利时ORAFTI公司 生产的商品 名ORAFITI LOSE是用此法生产的Fm型低聚果糖,基聚合度DP=2-7。日本明治公司首先开发的低聚果糖Meioligo和法 国、美 国、韩 国 等 生 产 的 低 聚 果 糖 如Actlight,Nutraflors等以及我国的大部分产品是用蔗糖原料制造的,如量子高科生物工程公司等的产品,都是用蔗糖作原料,在50%60%浓度,pH515,60 左右经微生物的果糖基转移酶的作用转化而成的,其结构是GFn型的低聚果糖(G:葡萄糖分子,F:米糖分子,n是果糖分子数目,一般13,果糖分子间以(21)键连接),不论Fm型或GFn型低聚果糖,其生理机能是相同的。短链的低聚果糖比长链更易发酵,对双歧杆菌的刺激作用明显。商品低聚果糖中除含低聚果糖外,还含有蔗糖、葡萄糖和果糖,如将含有蔗糖、葡萄糖与果糖的混合物用酵母发酵或膜分离技术将单糖和双糖除去,可得到高纯度的低聚果糖。低聚果糖有粉状和糖浆状两种形式,其甜度因含量不同而异,含量愈高的甜度愈低,例如含量95%的P型糖浆甜度是蔗糖的30%,而含量55%的G型糖浆,甜度为蔗糖之60%,低聚果糖含量30%的Rafitilose其甜度与蔗糖相同。粉状制品等由糖浆喷雾干燥制取,吸湿性很强,使用不便,最近日本已开发出吸湿性低的蔗果三糖结晶,易吸湿,故尤适合于原剂粉状产品的使用。这是使用日本曲霉NBRC4060转化蔗糖而高比例生产蔗果三糖来得到的。几种商品低聚果糖的组成如表6所示。表6 代聚果糖的组成名称糖浆浓度%组成分%(占固形物的%)葡萄糖+果糖蔗糖蔗果三糖蔗果四糖蔗果五糖总聚果糖量子高科低聚果糖(江门)G型75P型(粉状)30380162715-233349152226374536812525895明治OligoG型75P型(粉状)33(G)0 0102则是菊粉酶,反之则是蔗糖酶。深层培养真菌所用培养基常由菊粉、菊芋汁为碳源,胨、玉米浆、酵母粉、酵母膏、牛肉膏等为有机氮,添加磷酸盐、镁盐以及微量铁、锰等元素组成。制造菊粉低聚果糖的方法,举例如下:将浓度约15%的菊粉粉浆加热溶解后,在pH5515,加入菊粉酶,5055反应1520h,菊粉降解率达70%80%,产物中除含大量F3F5的低聚糖外,还含有少量聚合度35的蔗果低聚糖及相当数量的蔗糖、果糖和葡萄糖。胞内型菊粉酶,也可用凝胶包埋戊二醛交联作成固定化细胞后应用,胞外型菊粉酶可以离子交换树脂、甲壳素、纤维素等作载体而固定化,固定化细胞或固定化酶可采用分批反应,也可填装在反应柱中进行连续化生产。212GFn型低聚果糖(蔗果低聚糖)GFn型低聚果糖是由13个果糖分子与蔗糖的果糖残基通过(2-1)糖苷键连接而成的蔗果低聚糖。例如蔗果三糖(GF2,1ketose)、蔗果 四糖(GF3,nystose)、蔗果 五糖(GF4,1Ffructofruranosyl nystose)等等,可用GFn表示之,n一般13。213 生产蔗果低聚糖的酶用以转化蔗糖生产蔗果低聚糖的酶主要是-呋喃果糖苷酶(-D-fructofura nosidase,简写Ffase,EC31211126),该酶属水解酶类,在低浓度蔗糖存在下起水解作用,将蔗糖水解成为果糖与葡萄糖,但在高浓度底物存在下,还可起转移作用,将果糖基或具有(2-1)键果糖的残基转移到糖、糖醇、脂肪族醇的羟基上而成相应的化合物。当受体是蔗糖时,就生成一系列的蔗果低聚糖,因此也有人称之为果糖基转移酶(fructosyl transferase,Ftase,EC2141119),属转移酶类,催化这二种反应的酶活性究竟是二种酶还是一种酶的二种反应活性尚无定论。由于不同来源的酶二种酶反应活性不同,故有人将水解酶活性(Uh)强的称果糖苷酶,转移反应活性(Ut)活性强的称为果糖基转移酶。果糖苷酶广泛存在于植物和微生物(酵母、霉菌、担子菌、细菌等)中,用于生产蔗果低聚糖的酶可选择Ut/Uh之比大的酶,酶的最适反应pH和温度因来源不同而异,分别是pH46,4060,酵母的酶又称转化酶,蔗糖酶水解力强,当其作用于蔗糖时,可将蔗糖全部水解为葡萄糖与果糖。而黑曲霉、日本曲霉、短梗茁霉(Aurobasidium Pullulans)的酶,其Ut/Uh可变达10以上,作用于蔗糖,反应平衡时可生成50%80%的低聚果糖。微生物果糖苷酶有胞内酶和胞外酶之分,工业上生产低聚果糖可使用游离酶或含酶细胞进行分批式反应,也可根据胞外、胞内酶之不同而做 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/156成相应的固定化酶或细胞,使用分批式或连续反应来生产。为了提高生产效率,曾进行过各种酶固定化技术的研究,(Chien 2001)等将日本曲霉细胞固定在面筋蛋白中,在分批反应中成功生产出FOS,将1g含细胞20%的固定化细胞加入100mL 40%蔗糖溶液中,保温反应5h,FOS的收率达61%,产品由GF2和GF4所组成,如将细胞填装反应柱进行连续反应,在体积流速018mL/min下,生产能力可达173gh-1L-1。Lee等(1999)将同一种酶固定在环氧乙烷聚合物的载体,研究了连续转化反应的各参数,Nishigawa等(2000)将黑曲霉-FTS固定在陶瓷膜内侧表面,用硅烷偶联剂活化,做成固定化酶,在pH6,50 转化蔗糖生成GF2与GF3,容积出产率是分批法的560倍。游离酶也可用多孔性 阳 离 子 交 换 树 脂(AmberliteIRA904,DowexwASAl,DuoliteA7)等吸附,经戊二醛交联固定化,活力回收率50%,装柱后用50%60%蔗糖为底物进行反应。Shen等(2001)开发出一种消灭副产物葡萄糖的方法,该法在空气搅拌式反应器中,用CaCO3控制pH,在pH515用日本曲霉-FTS进行反应,生成的葡萄糖同葡萄糖氧化酶反应而生成葡萄糖酸,再与钙生成葡萄糖酸钙沉淀,从而使反应速率增加,得率可达90%,魏远安等将纯化的米曲霉酶同壳聚糖凝胶混合,加戊二醛和CaCl2固定化,在分批反应下,可使用50次,每千克固定化酶可生产75%的FOS 1330kg。214 低聚果糖的理化性质及应用低聚果糖的性质同蔗糖和葡萄糖浆非常相近,其甜度是含量95%的FOS糖浆为蔗糖之30%,含量55%的甜度是蔗糖的60%,甜味纯正,溶解度高。糖浆黏度与葡萄糖浆相似,水活度与蔗糖相似,还原力中等,用于食品可降低冰点,提高沸点,改善保湿性,在许多食品生产和家庭烹调中可用来代替蔗糖,食之不升高血糖,不引起肥胖,也不会引起蛀牙。低聚果糖在pH57的微酸性到中性环境下稳定,即使是短时间加热到150也不致分解,而在酸性pH4以下则加热易引起分解而变成它的组成分果糖、葡萄糖。将FOS在pH315时,加热到不同温度如控制在以下时间内,其水解度不会超过10%,当将FOS使用在酸奶、乳酸饮料、果汁、沙司、冷饮、果酱、水果、罐头和甜味剂时,冷藏条件下可保存16个月。表7加热温度()时间14510min905min7060min302d低聚果糖在欧美、日本等国已广泛使用在各种食品和饲料中,包括乳制品、饮料和健康饮品、食品装饰涂料、婴儿奶粉配方、断奶食品、谷物食品、烘烤食品、巧克力、糖果、胶姆糖、汤料、休闲食品,干燥速食食品、食品补充剂、动物饲料和宠物饲料等。添加低聚果糖的食品适用于孕妇、断奶婴儿、青少年、老年人、精神压力重的人群等、便秘、腹泻、肠功能紊乱以及抗生素治疗等,以改善菌群平衡与肠功能,对补充双歧杆菌效果不佳等也可用低聚果糖来改善。总之,食用低聚果糖对人体具有以下的健康效应:(1)促进肠道中双歧杆菌、乳酸菌等生长,促进肠道菌群平衡;(2)改善肠道功能,减少肠道腐败,缓解便秘、防止腹泻;(3)降低糖血反应;(4)降低血胆固醇和血脂,提高HOL/LDL;(5)提高机体免疫力,减少结肠癌发生风险;(6)促进钙、铁等矿物元素的吸收。低聚果糖的人体最大无作用量(即不致引起腹泻的剂量)为每kg体重013014g,以60kg体重的人来说,每天摄食1824g以下,不至于引起腹泻,一般食用量为38克/日。动物和宠物饲料添加低聚果糖具有促进动物肠道健康,增强免疫力,减少疾病,改善消化吸收,提高饲料转化率,提高牛奶、鸡蛋产量质量和蛋壳硬度,降低粪便臭味等作用。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/1573 结论自20世纪80年代以来,随着社会的发展,生活节奏加快,压力增大,运动量减少,以及膳食营养不平衡,社会老年化,环境污染等原因,肥胖症、高血压、心血管病、糖尿病、癌症等生活习惯所以引起的疾病患者日益增多。据统计,全国患不同程度便秘的人占被调查人数之60%以上,乙型肝炎病毒携带者有116亿人,糖病人30004000万人,肥超重者约2亿人,全国老人患骨质疏松症的总人数约7000多万人,每年发现癌症者有240万人,儿童缺钙不足者占50%,全国60岁以上老年113亿人,全国75%亿人处于亚健康状态。这样一个严峻的社会人群的健康状况,给国家医疗事业带来了严重的挑战,严重地影响国家的经济建设。低聚果糖是一典型符合益生元的功能性低聚糖,它的保健功能一是基于它是一种双岐因子,其二是一种水溶性的膳食纤维,人们对于双岐杆菌等益生菌的保健功能已做了大量研究,对低聚果糖促进肠道人体有益菌增殖,调整肠道微生态,预防肠道感染,改善排便,促进矿物元素吸收等方面已有充分证据和肯定的结论,而对改善脂质代谢方面,例如降低胆固醇,降血糖,防高血压等方面的效果各人结果不完全一样,在抗肿瘤方面也只是动物试验的结果,其机制还不很了解,更缺少人体实际的结论,大量有关课题有待继续研究阐明。最近发现将快速发酵的低聚果糖同发酵缓慢的菊粉配合,使整个肠道菌群的代谢变化变得均衡和持久,其健康效果比单独使用低聚果糖或菊粉为好,而称之为第二代益生元,为益生元的研究指出了新的努力方向。参考文献:1胡学智.国外微生态制剂研究新成果和市场动态,全国微生态学第八届学术讨论会(2002,10,14-18大连)P602 G.R.Gibson:In Vitro and In vitro and In vivo effects of oligo2frutose and Inulin on the colonicmicrobiota in“IstORAAFTIRe2search conference proceeding”1995 in Brissel3 BeghinMeiji“Actilight”-Introducing the worlds first healthingredient(2002)4 Yoshiya Hata etal:Studies on Relationship between Intake ofFOS and 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