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D-阿洛酮糖的生理功能及应用研究进展.pdf

1、食品研究与开发23 年 11 月第 44 卷第 22 期应用技术基金项目:国家自然科学基金青年项目(31901665);山东省重点研发计划(重大科技创新工程)项目(2020CXGC010603、2020CXGC010602)作者简介:徐康(1995),男(汉),硕士研究生,研究方向:代谢 D-阿洛酮糖益生菌菌株筛选及机制。*通信作者:王婷,女,副教授,研究方向:乳酸菌及其活性代谢产物。DOI:10.12161/j.issn.1005-6521.2023.22.023D-阿洛酮糖的生理功能及应用研究进展徐康1,隋松森2,郭传庄2,孙瑞成2,李小双2,徐振上1,王婷1*(1.齐鲁工业大学(山东省科

2、学院)生物工程学院,山东 济南 250353;2.诸城东晓生物科技有限公司,山东 诸城 262200)摘要:D-阿洛酮糖,作为 D-果糖的 C-3 差向异构体,是一种新型低热量甜味剂。目前多项研究已证明 D-阿洛酮糖的食用安全性,且其已被美国食品和药物管理局批准用于食品行业。D-阿洛酮糖不仅能够作为低热量甜味剂用于饮料和膳食补充品中,还因其具有预防肥胖、糖尿病、动脉粥样硬化等生理功能,在健康、医疗等方面有着巨大的应用价值和潜力。该文就 D-阿洛酮糖的理化性质、合成方法和其降血糖、减脂、抗动脉粥样硬化、抗氧化、神经保护等生理功能以及在食品和医疗领域的应用进行综述。关键词:稀有糖;D-阿洛酮糖;合

3、成;生理功能;应用Physiological Functions and Application of D-psicoseXU Kang1,SUI Songsen2,GUO Chuanzhuang2,SUN Ruicheng2,LI Xiaoshuang2,XU Zhenshang1,WANG Ting1*(1.School of Biological Engineering,Qilu University of Technology(Shandong Academy of Sciences),Jinan250353,Shandong,China;2.Zhucheng Dongxiao Bio

4、technology Co.,Ltd.,Zhucheng 262200,Shandong,China)Abstract:D-psicose,as the C-3 isomer of D-fructose,is a new low-calorie sweetener.Various studies haveproved the safety of D-psicose for human consumption,and it has been approved by the US Food and Drug Administration for application in the food in

5、dustry.D-psicose can be used as a low-calorie sweetener in beveragesand dietary supplements,and it has great application value and potential in health and medical treatment because of its physiological functions such as preventing obesity,diabetes,and atherosclerosis.This article reviewed the physic

6、ochemical properties and synthesis methods of D-psicose,its physiological functions containing hypoglycemia,fat reduction,anti-atherosclerosis,anti-oxidation,neuroprotection,and its application in foodand medical fields.Key words:rare sugar;D-psicose;synthesis;physiological functions;application引文格式

7、:徐康,隋松森,郭传庄,等.D-阿洛酮糖的生理功能及应用研究进展J.食品研究与开发,2023,44(22):163-167.XU Kang,SUI Songsen,GUO Chuanzhuang,et al.Physiological Functions and Application of D-psicoseJ.Food Research andDevelopment,2023,44(22):163-167.专题论述近年来,随着人们生活水平的日益提高,高糖、高脂食物的过量摄入,糖尿病、高血压等疾病在世界各地普遍存在1。因此寻找合适的低热量食品补充剂变得至关重要,具有多种功效的稀有糖逐渐进入人

8、们视野。稀有糖是指自然界中很少存在的单糖及其衍生物,能够改善特定人群的饮食健康。越来越多的研究结果表明稀有糖在人类健康方面发挥重要作用,如 D-阿洛糖具有抑制癌症和肿瘤的特性2;D-塔格糖通过抑制由放线菌等致病菌形成的生物膜,从而对牙齿健康产生积极影响3。在稀有糖中,D-阿洛酮糖(D-psicose)因其特殊的口感和独特的生理功能,可作为蔗糖的理想替代品而备受关注。本文旨在介绍 D-阿洛酮糖的生理功能及其主要应用,为后续 D-阿洛酮糖的深入研究奠定基础。163食品研究与开发23 年 11 月第 44 卷第 22 期应用技术1D-阿洛酮糖1.1D-阿洛酮糖的理化性质D-阿洛酮糖是一种热量几乎为

9、0 的稀有糖,主要来源于小麦、甘蔗等。D-阿洛酮糖和 D-果糖的结构式如图 14所示,两者互为同分异构体。D-阿洛酮糖是蔗糖甜度的 70%,是一种具有多种健康益处的功能性糖5。它是一种白色粉状晶体化合物,2011 年,美国食品与药品管理局(Food and DrugAdministration,FAD)将其确定为普遍公认安全食品(generally regarded as safe,GRAS)6,这也为 D-阿洛酮糖能够作为食品原料奠定了基础。D-阿洛酮糖的物理化学性质如表 17所示。1.2D-阿洛酮糖的合成方法迄今为止,科研人员已经能够利用化学合成和生物转化 2 种方法制备 D-阿洛酮糖。1

10、.2.1化学合成法化学合成法是以葡萄糖为原料,利用钼酸盐作为催化剂进行高温催化得到粗产品 D-阿洛酮糖,再将粗产品经有机溶剂冷却结晶,得到纯的 D-阿洛酮糖8。因化学合成法中间产物提纯复杂、环境污染严重,所以不是工业制备 D-阿洛酮糖的主要方法。1.2.2生物转化法生物转化法指利用生物酶催化底物生成目标产物的方法。D-果糖可在 D-阿洛酮糖 3-差向异构酶(D-psicose 3-epimerase,DPEase)催化下生成 D-阿洛酮糖9。1990 年,Izumori 等10发现了一株能够将 D-塔罗糖醇转化为 D-阿洛酮糖的细菌 Alcaligenes sp.701B。这是生物反应生成 D

11、-阿洛酮糖的首次报告。张龙涛等11筛选出一株能将 D-果糖转化为 D-阿洛酮糖的类球红细菌(Rhodobacter sphaeroides)SK011,产率为6.54%。这是国内首次报道具有将 D-果糖转化为 D-阿洛酮糖功能的菌株。除了类球红细菌和根瘤农杆菌,其他菌株如解纤维梭菌(Clostridium cellulolyticum)12、梭状芽孢杆菌(Clostridium bolteae)13、瘤胃球菌(Ruminococcus sp.)14、梭菌属(Clostridium sp.)等15也已被报道过具有 DPEase 活性。虽然可以利用微生物中的 DPEase 转化合成 D-阿洛酮糖,

12、但天然微生物中 DPEase 的分泌量和活性远低于预期,无法应用于大规模工业生产。因此,工程菌株的构建对于研究 DPEase 特性和工业应用具有重要意义。目前,不同来源的 DPEase 基因被克隆并在大肠杆菌16、酵母菌17和枯草芽孢杆菌等18表达系统中表达。生物转化法因其反应具有特异性、产物纯化简单且无污染,目前已经逐步取代化学合成法,成为国内外合成 D-阿洛酮糖的主要方法。2D-阿洛酮糖的主要生理功能2.1降血糖功能糖尿病是代谢异质性紊乱的总称,特点是血糖升高19。研究发现,长期服用 D-阿洛酮糖可以诱导肝脏细胞葡萄糖激酶从细胞核转移到细胞质,维持大鼠的葡萄糖耐受性和胰岛素敏感性,从而维持

13、血糖水平20。同时 D-阿洛酮糖能够促进实验小鼠胰高血糖素样肽-1(glucagon-like peptide-1,GLP-1)的释放,激活迷走神经传入信号,减少食物摄入并增大小鼠的葡萄糖耐量21。另外,将 D-阿洛酮糖饲养大鼠的时间延长到60 周,发现大鼠中炎症标记物糖化血红蛋白显著降低22,也表明 D-阿洛酮糖可以通过控制餐后高血糖来阻止 II 型糖尿病的发展。结合其它文献报道,D-阿洛酮糖的降血糖作用主要表现在降低肝脏脂肪生成酶的活性23和提高脂肪酶氧化酶的活性等24方面。由此可见,D-阿洛酮糖的降血糖作用可使其成为一种新型的降血糖药物而广泛应用。2.2减脂功能通过研究 D-阿洛酮糖对喂

14、食高蔗糖饮食成年大鼠的抗肥胖作用,发现 5%D-阿洛酮糖不能控制空腹血糖水平,但显著抑制了大鼠的腹部脂肪积累和体质量增加25。与喂食相同剂量蔗糖的对照组相比,D-阿洛酮糖的补充可使大鼠的体质量增加和腹部脂肪明显降低,且无副作用26。此外,在瘦素缺陷小鼠的饮食中补充 D-阿洛酮糖,小鼠的体质量和肝脏质量大幅降图 1D-果糖和 D-阿洛酮糖的结构式Fig.1Structural formulas of D-fructose and D-psicose%20)00)0)0)0)%KF2)00)0)0)0)0)表 1D-阿洛酮糖的物理化学性质Table 1Physical and chemical p

15、roperties of D-psicose物理化学性质说明分子式C6H12O6CAS 登录号551-68-8摩尔质量180.156 g/mol物理状态白色固体结晶构象1C(1C4(D)气味无熔点109 溶解度100 g 水中溶解 291 g甜度(相对于蔗糖)70%能量0.007 kcal/g专题论述164食品研究与开发23 年 11 月第 44 卷第 22 期应用技术低,根据肝脏组织学观察,D-阿洛酮糖还改善了肝脏脂肪变性,说明 D-阿洛酮糖可以对与肥胖相关的疾病产生有益作用27。D-阿洛酮糖参与脂质代谢机制尚不明确,Moon等28推测,D-阿洛酮糖能够通过调节脂肪生成转录因子从而抑制前脂肪

16、细胞分化和脂质积累。D-阿洛酮糖减脂功能的发现表明其在减肥功能性产品开发中的潜在应用前景。2.3抗动脉粥样硬化功能研究发现,高密度脂蛋白胆固醇(high densityliptein cholesterol,HDL-C)与动脉粥样硬化风险有直接关系,D-阿洛酮糖可通过增加 B 类 I 型清道夫受体的表达来增强肝脏对 HDL-C 的摄取,降低 HDL-C 水平,从而防止动脉粥样硬化的发展29。通过研究 D-阿洛酮糖对人脐静脉内皮细胞中单核细胞趋化蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1,MCP-1)的影响,发现 D-阿洛酮糖可以通过抑制 MCP-1 的表达实

17、现对动脉粥样硬化的治疗效果30。D-阿洛酮糖抗动脉粥样硬化功能的发现,为后续动脉粥样硬化疾病的药物研究提供了选择。2.4抗氧化功能有研究表明,D-阿洛酮糖的活性氧(reactive oxygen species,ROS)清除活性比其他稀有糖更强31。研究发现,2%和 4%浓度的 D-阿洛酮糖能够对小鼠口服邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯后产生的 ROS 进行清除,并抑制雄性 Sprague-Dawley 大鼠睾丸中 ROS 和丙二醛(malondialdehyde,MDA)的产生,对睾丸损伤具有预防作用32。因 D-阿洛酮糖较好的抗氧化功能,被广泛应用于保健品、化妆品等领域。2.5神经保护功能D

18、-阿洛酮糖可以减缓由 6-羟基多巴胺(6-hydroxydopamin,6-OHDA)诱导的细胞凋亡。研究发现,一定浓度的 D-阿洛酮糖可显著减缓大鼠嗜铬细胞瘤的凋亡,将细胞置于 D-阿洛酮糖和 6-OHDA 中共培养 24 h,细胞内谷胱甘肽明显增加,说明 D-阿洛酮糖在中枢神经退行性病变中,能够通过调整细胞内谷胱甘肽的浓度来发挥重要作用33。这表明 D-阿洛酮糖在治疗神经组织退化疾病上具有潜在功能,也为后续相关药物的研发提供了支持。2.6抗炎功能D-阿洛酮糖还可与某些肠道微生物相互作用,通过下调多个组织中基因的表达并增加肠道微生物群组成中的乳杆菌和粪球菌来减轻炎症症状34。通过给自发性 I

19、I 型糖尿病大鼠服用含有或不含 3%D-阿洛酮糖的饮用水 13 周,结果发现,D-阿洛酮糖的添加显著减缓了大鼠血糖水平的升高和肾小球的进行性系膜扩张35。因此,D-阿洛酮糖可以作为一种抗炎剂,在多种疾病预防和治疗中显示出潜在的医疗价值。综上所述,大量动物模型实验表明 D-阿洛酮糖在降低餐后血糖、控制体重等方面具有明显作用,但在有关抗炎、神经保护等功能上研究较少。3D-阿洛酮糖主要应用目前,有关 D-阿洛酮糖的应用研究主要集中在食品和医疗领域。3.1食品领域与蔗糖相比,具有特殊功能且对健康有益的 D-阿洛酮糖更加受人欢迎。例如 D-阿洛酮糖可以提高食品的持水能力,服用添加 D-阿洛酮糖的大豆凝胶

20、会减慢胃的排空速度,从而延长饱腹感36。在以谷类面粉为基础的烘焙食品中添加 D-阿洛酮糖可以保持它们的柔软和湿润,并具有良好的入口即化感37。同时,D-阿洛酮糖可以与食物中蛋白质产生美拉德反应,并产生令人愉快的风味38。在功能性食品领域,D-阿洛酮糖能够使食品或饮料等具有益生元特性,还可将 D-阿洛酮糖与其它益生元或益生菌结合,可增强其抗氧化功效。将红枣浓缩汁中 D-葡萄糖、D-果糖经过生物催化合成 D-阿洛酮糖,开发了一种含 D-阿洛酮糖的功能性红枣汁39。D-阿洛酮糖在食品领域的应用,最大的优势在于它与蔗糖极其接近的性状和功能,同时还具有很多蔗糖没有的生理功能,使它能够在与其他甜味剂相比中

21、获得最佳的代糖效果。随着人们健康意识的提高和食品安全问题的日益突出,D-阿洛酮糖作为一种新型甜味剂,必将在食品行业发挥巨大作用。3.2医疗领域研究发现,D-阿洛酮糖与甲硝唑之间存在某些相互作用,能够显著增强甲硝唑的药物作用,将 D-阿洛酮糖与甲硝唑一起使用,可以降低药物剂量,并可以防止毛滴虫产生耐药性40。D-阿洛酮糖也可作为一种潜在的驱虫剂,能够特异性抑制线虫 L1 阶段的运动性、生长和生殖成熟度,干扰线虫的代谢表达41。通过向 Wistar 大鼠口服和静脉给药,结果发现,D-阿洛酮糖很快转移到血液或尿液中,说明大鼠对 D-阿洛酮糖的吸收良好,给药后消除迅速,作用持续时间短,为 D-阿洛酮糖

22、的进一步药物开发提供了有价值的药代动力学数据42。同时,在体外利用细胞系检测稀有糖类(包括 D-阿洛酮糖)对细胞增殖的影响,发现 D-阿洛酮糖能够对癌细胞增殖产生抑制作用,表明 D-阿洛酮糖在未来可能成为一种抗癌辅助药物43。目前,有关 D-阿洛酮糖在医学领域的研究还较少,且主要以体外或动物实验为主,仍需要更多的临专题论述165食品研究与开发23 年 11 月第 44 卷第 22 期应用技术床实验来研究其生理功能和可能的毒性作用等。3.3其他领域除应用在食品、医疗领域外,D-阿洛酮糖还可以作为制作防水、透光薄膜的材料44,用来提高产品的环保性。此外,D-阿洛酮糖也可作为一种前体,参与合成D-阿

23、洛糖和 D-塔格糖45。同时,因 D-阿洛酮糖具有降低血糖的功能,也可被用作脂肪和葡萄糖代谢的独特代谢调节剂46,改善其碳水化合物的代谢。随着 D-阿洛酮糖的流行,D-阿洛酮糖也将会被应用到各类新产品中。4结语D-阿洛酮糖作为公认的第四代天然甜味剂,是蔗糖的理想替代品,也是目前国际上最热门的甜味剂之一。目前,生产 D-阿洛酮糖的生物转化技术已经得到了广泛的研究,包括所需酶的来源、修饰、制备和转化等,以 D-阿洛酮糖为原料生产的产品也包括了饮料、烘焙食品、乳制品等。我国有关 D-阿洛酮糖的研究起步较晚,虽在生理功能及相关应用方面差强人意,但在上游的基因挖掘和工程细胞构建方面发展较快。如今,随着糖

24、尿病、肥胖等全球性疾病的发展,以及人们对 D-阿洛酮糖生理功能和应用的深入研究,D-阿洛酮糖必将拥有更广阔的市场价值。参考文献:1VAN LAAR A D E,GROOTAERT C,VAN CAMP J.Rare mono-and disaccharides as healthy alternative for traditional sugars andsweeteners?J.Critical Reviews in Food Science and Nutrition,2021,61(5):713-741.2CHEN Z W,CHEN J J,ZHANG W L,et al.Recent

25、 research on thephysiological functions,applications,and biotechnological production of d-alloseJ.Applied Microbiology and Biotechnology,2018,102(10):4269-4278.3MIJAILOVIC N,NESLER A,PERAZZOLLI M,et al.Rare sugars:Recent advances and their potential role in sustainable crop protectionJ.Molecules,202

26、1,26(6):1720.4谢来超.D-阿洛酮糖的理化特性及研究进展J.饮料工业,2022,25(6):71-77.XIE Laichao.Physicochemical properties and research progress ofD-alluloseJ.Beverage Industry,2022,25(6):71-77.5LEE D,HAN Y,KWON E Y,et al.D-allulose ameliorates metabolicdysfunction in C57BL/KsJ-db/db miceJ.Molecules,2020,25(16):3656.6GUO Q,Z

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28、on technologies,and production processesJ.Foods(Basel,Switzerland),2021,10(9):2186.8黄擎宇,徐铮,熊强,等.零热量甜味剂 D-阿洛酮糖的研发进展J.工业微生物,2020,50(3):57-63.HUANG Qingyu,XU Zheng,XIONG Qiang,et al.Progress in research and development of calorie-free sweetener D-allulose productionJ.Industrial Microbiology,2020,50(3):

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