大豆低聚糖的分离纯化研究进展.pdf

2023 年第 8 期大豆低聚糖的分离纯化研究进展侯越1，李振江2，*王立东2（1.黑龙江赫益乳业科技有限公司，黑龙江 大庆 163000；2.黑龙江八一农垦大学 食品学院，黑龙江 大庆 163319）摘要：大豆低聚糖是一种新型低聚糖，属于纯天然保健食品。大豆低聚糖难以被人体吸收，但能通过促进肠道菌群快速增值等降低血糖和血压、提高免疫力等，因此摄入大豆低聚糖可以有效改善人体健康。综述近年来大豆低聚糖的研究进展，概述大豆低聚糖纯化方式，并对大豆低聚糖发展前景进行展望，以期为大豆低聚糖的进一步研究奠定理论基础。关键词：大豆；大豆低聚糖；纯化中图分类号：TS201.1文献标志码：Adoi：10.16693/ki.1671-9646（X）.2023.08.047（1.Heilongjiang Heyi Dairy Technology Co.，Ltd.，Daqing，Heilongjiang 163000，China；2.College of Food Science，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing，Heilongjiang 163319，China）Soybean oligosaccharide is a new type of oligosaccharide，which belongs to pure natural health food.Soybeanoligosaccharides are difficult to be absorbed by the human body，but they can reduce blood glucose and blood pressure andimprove immunity by promoting the rapid appreciation of intestinal flora.Therefore，ingestion of soybean oligosaccharides caneffectively improve human health.This paper summarized the research progress of soybean oligosaccharides in recent years，summarized the purification methods of soybean oligosaccharides，and prospected the development prospect of soybeanoligosaccharides，in order to lay a theoretical foundation for the further research of soybean oligosaccharides.soybean；soybean oligosaccharides；purification收稿日期：2022-06-30基金项目：黑龙江省“百千万”工程科技重大专项课题项目（2021ZX12B0203）。作者简介：侯越（1992），男，硕士，研究方向为食品科学。*通讯作者：王立东（1978），男，博士，副教授，研究方向为谷物健康食品的研究与开发。大豆是主要油料作物之一，在世界各地均大面积种植，营养价值极高，是我国人民蛋白质和脂肪的主要来源1-2。低聚糖（Oligosaccharides）又称寡聚糖，是由 210 个单糖残基通过糖苷键聚合而成，与糖类具有某些相同的共性。低聚糖由于进入人体后无法被人体吸收，选择性地作用于肠道中的有益菌（如双歧杆菌和乳杆菌等）3-4。近年来，大豆低聚糖因其来源广泛，在人体中难以消化吸收，不会对血糖产生较大波动，并且可以改善肠道菌群等特点而受到关注，并被广泛应用于食品领域。综述了大豆低聚糖的分类、提取、纯化和检测方法，并对大豆低聚糖的应用前景进行展望，以期为后续研究提供参考。1大豆低聚糖的分类大豆低聚糖是一种新型功能性低聚糖，主要包括蔗糖、水苏糖和棉子糖，是美国食品和药物管理局批准的公认的安全成分和益生元5-6。大豆低聚糖在自然界中广泛分布，在豆科植物中含量较多，尤其以成熟的大豆中含量最为丰富，约占干物质总量的 10%7。大豆低聚糖在摄入后会引起胀气、腹泻等不良反应，曾一度被认为是一种抗营养因子8；随着研究发现，大豆低聚糖具有调节肠道菌群结构、促进营养元素和矿物质吸收、降低血糖和血压、提高免疫力等生理活性，因此受到广泛关注1，5，9。棉子糖是一种广泛存在于自然界中的三糖，是由葡萄糖、果糖和半乳糖连接而成（见图 1）。棉子糖又称蜜三糖，是一种优良的双歧因子，具有改善肠道菌群、增强免疫力、抗氧化和抗癌等优良的生理功能10-11，因此被广泛应用于化妆品、食品等领域，具有良好的经济价值和应用价值。棉子糖的结构式见图 1。水苏糖是一种天然存在的四糖，由两单位的半文章编号：1671-9646（2023）08b-0079-05第 8 期（总第 582 期）农产品加工No.82023 年 8 月Farm Products ProcessingAug.农产品加工2023 年第 8 期乳糖和一单位的蔗糖连接而成（见图 2）。水苏糖是一种优良的促进双歧杆菌等益生菌增值的功能性低聚糖，被誉为“超强双歧因子”，对肠道中的双歧杆菌和乳杆菌具有特异性增值作用，可以提高 L-乳酸的含量，促进机体对矿物元素的吸收，也可以调节肠道菌群，改善肠道的糖代谢，以此调节血糖12。同时，水苏糖还具有消炎、调节免疫力、降低食物过敏等功能，因此广泛应用于食品和医药等领域13-15。水苏糖的结构式见图 2。2大豆低聚糖的来源及纯化大豆低聚糖大多是从生产大豆蛋白的副产物大豆糖蜜和大豆乳清中进行分离纯化获得，也可以从豆渣以及脱脂豆粕中进行提取。目前，大豆低聚糖的提取方法主要包括溶剂浸提16、超声波辅助提取法17、微波辅助提取法18、纤维素酶辅助提取19及 2 种或2 种以上的方法相结合的提取方法，如微波结合酶解辅助提取20等。在大豆糖蜜、大豆乳清和大豆低聚糖提取液中低聚糖的含量相对较低，并且含有多种杂质，如杂糖、蛋白、色素、盐分等，若要获得纯度较高的大豆低聚糖还需将其进行纯化处理。大豆低聚糖主要指大豆中的蔗糖、棉子糖和水苏糖，其含量分别为籽粒干基的 5%，1%，4%21-22，其中蔗糖占居主要地位，功能性成分含量较低，因此若想获得高活性的大豆低聚糖需将其中无生物活性的蔗糖去除，棉子糖和水苏糖与蔗糖在结构及性质上较为接近，无法使用物理方法（如膜过滤、树脂分离等方法）分离，因此常利用微生物对不同碳源的选择性，采用微生物发酵的方式去除其中的蔗糖，最大限度保留其中的水苏糖和棉子糖。目前，常用微生物有酵母菌23-24、乳酸菌25、曲霉26及混合发酵等。这些微生物发酵原理各不相同，有些是利用微生物产生一些转移酶，将蔗糖转换成棉子糖及水苏糖；有些是利用微生物直接代谢掉蔗糖，以达到纯化的目的。由于在自然界中可以将蔗糖转化为棉子糖和水苏糖的微生物较少，目前主要的研究集中于利用微生物代谢将蔗糖去除，选用的微生物特点为 琢-半乳糖苷酶活力较低，无法代谢水苏糖和棉子糖或对水苏糖及棉子糖的代谢较低，可以最大限度地消耗蔗糖，保留水苏糖及棉子糖。微生物发酵去除蔗糖主要受菌种的影响（见表 1），有研究表明对比了酵母菌、乳酸菌和红曲霉对大豆糖蜜的纯化效果，发现酵母菌对大豆糖蜜的纯化效果较好，蔗糖消耗率为95%，棉子糖和水苏糖保留率分别为 99.61%和 95.72%，使功能性成分由原来的 40.24%提高为 88.57%。陆薇帏等人27通过筛选土壤中的酵母菌，得出一种异常威克汉姆酵母菌对大豆乳清中蔗糖具有强降解作用，通过对发酵条件的优化，该菌发酵 30 h 可以将大豆乳清废水中的功能性低聚糖纯度达到 94.12%。刘飞等人28利用一些常用酵母对大豆糖蜜进行发酵纯化，得出啤酒酵母 103 对大豆糖蜜纯化效果较好，蔗糖去除率在 90%左右，棉子糖和水苏糖保留率分别为81.0%和 92.5%，发酵周期为 11 h。通过对比发现，酵母菌具有较强的降解蔗糖的作用，同时对棉子糖和水苏糖降解率较低，在微生物纯化大豆低聚糖中具有广泛的应用前景。微生物发酵去除蔗糖见表 1。大豆糖蜜是采用乙醇洗涤方式生产大豆浓缩蛋白时的副产物，一般呈黄棕色黏稠液体；大豆乳清水为碱提酸沉法生产大豆分离蛋白和生产豆腐所产生的副产物，一般呈黄色29；大豆糖蜜和大豆乳清水中均含有大量的色素，因此生产大豆低聚糖需进行脱色处理。目前，在脱色处理中应用较多的是活性炭脱色，其次是树脂脱色（见表 2），谢莹等人30、张立峰等人31和严玲32均研究了活性炭脱色，脱色率均在 80%90%，多糖损失率在 10%20%，不同的是研究所采用的原料不同，分别为豆粕碱提取液、大豆乳清水和大豆糖蜜，由此可以看出，活性炭吸附对溶液中的物质没有选择性，并且活性炭对低聚糖吸附性较强，导致低聚糖的损失率较高。王秋霜等人33研究了不同树脂对大豆糖蜜的脱色图 1棉子糖的结构式图 2水苏糖的结构式表 1微生物发酵去除蔗糖原料菌种效果参考文献大豆糖蜜7 号酵母菌蔗糖分解率：94.24%棉籽糖保留率：99.61%水苏糖保留率：95.72%26大豆乳清异常威克汉姆酵母菌蔗糖降解率：93.46%棉籽糖保留率：87.90%水苏糖保留率：82.16%27大豆糖蜜啤酒酵母 103蔗糖降解率：89.9%棉籽糖保留率：81.0%水苏糖保留率：92.5%28802023 年第 8 期效果，研究发现 AB-8 型树脂和 DM-130 型树脂对大豆糖蜜脱色效果最好，将 AB-8 型树脂参数进行优化，静态吸附脱色率可达到 93.96%，低聚糖损失率为 3.13%，动态吸附脱色率为 92%，低聚糖保留率为 98.3%。由此可以看出，活性炭吸附脱色虽然操作简单，脱色时间短，但脱色率和低聚糖保留率均低于树脂脱色，损失率较高；但树脂脱色操作较为复杂，脱色时间长，在前期实验量较大，因此应根据原料实际情况，选择适宜的脱色方式。不同脱色方式比较见表 2。大豆中蛋白质丰富，含量为 35%50%，因此大豆低聚糖提取液或加工副产物中均含有一定量的蛋白质，蛋白质会与溶液中的还原糖（如葡萄糖等）发生美拉德反应，使糖液颜色加深，产品品质下降，因此在纯化大豆低聚糖时将其中蛋白质去除是非常重要的。低聚糖中脱蛋白的方法主要有 Sevage 法、三氯乙酸法、醇沉法、等电点沉淀法等，由于 Se-vage 法和三氯乙酸法除蛋白中使用的试剂就有一定毒性，存在安全隐患；醇沉法在沉淀蛋白的过程中会使低聚糖损失严重，因此这几种方法使用较少。目前，大豆低聚糖纯化过程中去除蛋白质的方法主要有等电点沉淀法和盐析法。2.3.1等电点沉淀等电点法是利用蛋白质在等电点时溶解度最小，使溶液中的蛋白质沉淀出来，达到去除蛋白质的目的。目前，等电点沉淀蛋白通常采用盐酸和氢氧化钠作为 pH 值调节剂。王昌涛等人34研究了等电点法纯化大豆糖蜜，最终得到采用盐酸调节 pH 值为 3，以转速 6 000 r/min 离心 10 min，最终蛋白质的去除率可以达到 55.5%，多糖保留率为 99.7%，剩余蛋白质可以通过后续去除其他杂质的同时去除，由此可以看出，等电点法除蛋白多糖损失率极低，蛋白质脱除率较高，并且引入的新杂质较少，是目前较常用的脱蛋白方法。2.3.2盐析法盐析法是利用盐在水中电离出的离子打破蛋白质的电荷平衡，破坏蛋白质的稳定性而促进蛋白的析出。但在去除蛋白时需将溶液中加入较多的盐分，在一定程度上造成了经济上的浪费，也为后续脱盐造成一定的困难，因此在实际应用中较少。大豆加工副产物和低聚糖粗提液受加工工艺和前处理等工艺影响，其中含有大量盐分，同时原料本身也含有一定量的矿物成分，若不除去会导致最终产物纯度降低，并且在应用中会受到一定的限制。目前应用于大豆低聚糖中的脱盐方法有阴阳离子交换树脂脱盐、电渗析法脱盐等。2.4.1离子交换树脂脱盐离子交换树脂是在苯乙烯或丙烯酸（酯）形成的三位立体网状骨架上结合不同化学基团，根据基团不同，可以分为阳离子交换树脂、阴离子交换树脂和特殊离子交换树脂。阳离子交换树脂和阴离子交换树脂是通过内部电离出的离子和溶液中的离子通过半透膜进行扩散交换，并且树脂骨架上的离子生排斥。离子交换树脂具有韧性高、化学稳定、处理量大、效率高和选择性强等优点被广泛使用。研究对比了 0017 强酸性阳离子交换树脂与 D301 型和 2017 树脂串联使用对大豆糖蜜脱盐研究，通过对比发现 0017 与 2017 树脂联用，得到的产品颜色泛黄，口感微辣，而与 D301 型树脂联用得到的产品与市面上的产品较为接近。薛艳芳35研究了采用阴阳离子交换树脂同时脱色和脱盐的研究，发现0017 和 D301-T 串联得到的产品脱色率和脱盐率较高，分别为 94%和 81.12%，低聚糖保留率也比较高，为 91%。由此可以看出，离子交换树脂同时兼备脱色和脱盐，并且低聚糖的保留率较高；但该方法连续性较差，不同型号的树脂对不同离子的吸附性不同，并且离子交换树脂型号较多，在选择上具有一定困难，需要进行大量试验进行优选。2.4.2电渗析脱盐电渗析是指在膜两侧电压的推动下，带正、负电荷的离子分别通过阴、阳离子交换膜从淡室向浓室移动，从而对料液进行淡化处理。电渗析过程原理见图 336-37。电渗析技术相对于其他脱盐将技术具有能耗低、原料预处理简单、设备损耗小、选择性高、装置应表 2不同脱色方式比较原料菌种效果参考文献豆清水活性炭粉末脱色率：83.71%低聚糖保留率：80.41%33大豆乳清水活性炭脱色率：89.21%脱色率：93.90%34大豆糖蜜AB-8 型树脂低聚糖保留率：93.53%36图 3电渗析过程原理侯 越，等：大豆低聚糖的分离纯化研究进展81农产品加工2023 年第 8 期用灵活、产生的废水少等优点，因此广泛应用于各种原料的脱盐处理中38。严玲32对比了离子交换树脂和电渗析技术对大豆黄浆水脱盐率的影响，经研究发现，电渗析技术和离子交换树脂的脱盐率分别为97.15%和 95.89%，低聚糖保留率分别为 85.23%和83.02%，通过对比发现，电渗析技术的脱盐率和低聚糖保留率均优于离子交换树脂，处理量远大于离子交换树脂。王秋霜等人33采用电渗析技术对大豆低聚糖溶液进行脱盐处理，得到脱盐参数为工作电压 20 V，流量为 60 L/h，脱盐率达到96.07%，低聚糖保留率为 83.82%。由此可以看出，电渗析技术在大豆低聚糖溶液脱盐中脱盐效果及处理效率均优于离子交换树脂，因此可以广泛应用于糖类物质的脱盐中。3大豆低聚糖的检测方法目前，大豆低聚糖的定性及定量检测方法有离子色谱法、薄层色谱法、气相色谱法和液相色谱法40-41。离子色谱法准确性高，但糖类物质会有电极发生氧化还原反应，从而影响检测准确性。薄层色谱法的成本低、时间少，但是需要人工点样，对试验人员的要求高，并且薄层色谱法的误差较大，所需的样品量较大，因此使用较少。气相色谱法具有快速高效、灵敏度高、用量少等优点，但由于糖类物质不具有较强的挥发性，需先将样品进行衍生化反应，制备成易挥发、热稳定的衍生物，操作较为繁琐，因此较少使用。而液相色谱是采用液体为流动相的检测技术，可以直接对糖类物质进行检测，该方法对样品的预处理简单，损失小，并且操作简单快速，准确性高，广泛应用。潘城等人42和王晓岩等人43均研究了高效液相色谱法测定大豆低聚糖中蔗糖、棉子糖和水苏糖的含量，证明该方法不仅可以将蔗糖、棉子糖和水苏糖完全分开，并且操作简单，结果准确。4结语大豆低聚糖是作为大豆中的一种功能性成分，在生理功能中越来越受到重视。由于具有调节肠道菌群结构、促进营养元素和矿物质吸收、降低血糖和血压、提高免疫力等多种生理功能，具有广泛的应用前景。因此，如何高效提取和纯化大豆低聚糖日益重要。由于大豆低聚糖在大豆中含量低，成分复杂，并且蔗糖、棉子糖和水苏糖分子质量和性质较为接近，分离纯化的难度大。研究中主要存在以下问题：目前多种高效技术主要处于实验室阶段，提取率低，不适宜工业化生产；在纯化方面，由于单一手段无法很好地去除其中杂质，需多种纯化技术联合使用才能达到较高的纯度，但损失率较高；由于 3 种成分性质较为接近，因此想获得高纯度的单一组分较为困难，导致高纯度的组分成本较高。在未来研究中，如何提高大豆低聚糖提取率、研发高效、便捷、经济的纯化方法获得高纯度的大豆低聚糖及相应的分离手段来获得经济实惠的高纯度单品，为大豆低聚糖的大规模工业化生产指明方向。参考文献：李倩倩，王艳，罗旭，等.大豆低聚糖及其降血脂作用研究进展 J.核农学报，2017，31（9）：1 788-1 793.罗旭，方芳，王凤忠.萌芽对大豆中营养及抗营养因子的影响研究 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