保龄宝生物股份有限公司配料市场部王聪庞明利杨海军
摘要：低聚果糖是一种新型低热值甜味剂及功能性食品重要的配料及营养强化剂，它具有多种有益人体健康的生理功能，如改善肠道菌群的功能;低甜度、低热量;改善脂质代谢，降低血脂和胆固醇;产生有机酸，降低肠道pH，抑制腐败，预防便秘;提高免疫力、抑制、预防肿瘤;抗龋齿;促进钙等矿物质元素的吸收等。本文详细介绍了低聚果糖的理化性质及生理功能，详细综述了其制备、检测方法及其近年来在食品中的应用和未来的开发前景。
关键词：低聚果糖，生理功能，制备，检测，应用[1]
大量形式多样的功能性食品已经进入市场。他们中的许多人含有许多特色功能成分，如膳食纤维、低聚糖、糖醇、肽和蛋白质、益生元、益生菌、植物化学物质、反氧化剂和多不饱和脂肪酸[1]。在这些成分里面，益生元作为难消化食品配料能够促进宿主肠道内某些益生菌的生长从而利于宿主的健康[2,3]。
低聚果糖(Fructo-oligosaccharides，FOS)是由果糖分子通过 b-(2-1)糖苷键链接而成的短或中长链寡糖[4]并且已经被确定为益生元。低聚果糖不能够被小肠消化吸收而是在大肠中选择性的促进肠道菌群中的益生菌的增殖[3,5]并且产生短链脂肪酸(SCFA)，主要是乙酸、丙酸和丁酸[6,7]。低聚果糖作为组成组分被发现微量存在于水果，蔬菜，大麦，大蒜，蜂蜜，洋葱，菊苣等等。在最近的几十年中，人们对于低聚果糖的研究越来越多，低聚果糖的功能被逐渐发现。
1 低聚果糖的理化性质及生理功能
低聚果糖是一种非还原性糖，具有良好的加工特性，如低聚果糖有较高的粘度、较强的保湿性、中性条件下较高的保存稳定性以及较好的抑制淀粉老化的特性等。低聚果糖的其它一些物化性质如溶解性、冰点和沸点、结晶点等都与蔗糖非常相似。几类主要功能性寡糖的摄入量、味觉和其他物理性质[8,9]见表1。
表1 功能性低聚糖的理化性质
功能性寡糖种类低聚果糖低聚木糖低聚半乳糖低聚异麦芽糖
最小有效摄入量30.7210
日常摄取量5-200.7-1.48-1015-20
最大无作用量36-1890
甜度(以蔗糖100)30-605020-4030-50
甜味性质清爽，不带任何后苦味纯正、类似蔗糖纯正温和
热值1.53.41.7-
酸热稳定性pH=3时，高于70℃极易分解很稳定中性条件下耐热性较好较强
着色性非着色性较蔗糖稍低，与氨基酸共存着色性比蔗糖好着色性高易着色
粘度较蔗糖高所有寡糖最低较低与蔗糖相近
水分活度略高于蔗糖比蔗糖低与蔗糖相似与蔗糖相似
保湿性很好良好极强优良
1.2 生理功能
低聚果糖是典型的益生元，不但具有糖醇类似的功能，如预防龋齿、控血糖等，同时具有增殖双歧杆菌的功能，经常食用可以增强免疫力，这是大多数糖醇所不具备的。
1.2.1改善肠道菌群的功能
低聚果糖可以促进双歧杆菌、乳酸杆菌或者抑制多种有害菌株在人体或者动物体内的生长通过老鼠[10]，小猪[11]或者人类[12,13]的体外试验。对双歧杆菌增殖的机制在于它不只是充当碳源或营养物质，而且还可能参与了双歧杆菌的生长调节和黏附作用。
1.2.2低甜度、低热量
低聚果糖的甜度仅为蔗糖的1/3，在人体内不被α-淀粉酶、蔗糖转化酶和麦芽糖酶分解，不能作为能源被人体利用，不会使血糖值升高，每克低聚果糖中仅含6.3KJ的热量。
1.2.3改善脂质代谢，降低血脂和胆固醇
低聚果糖也被证明能够影响肝脂质的新陈代谢。老鼠的动物试验表明：菊粉和低聚果糖通过降低餐后胆醇血症和甘油三酯血症的15%和50%来影响胆固醇和甘油三酯的水平[14,15]。
1.2.4产生有机酸，降低肠道pH，抑制腐败，预防便秘
低聚果糖进入大肠，被大肠内的双歧杆菌利用产生有机酸，主要是丁酸、丙酸等，降低了肠道的pH。Gibson对8名便秘患者每天口服低聚果糖15g，两周后便秘缓解，给便秘者每天口服低聚果糖5-6g，4天后，80%的患者症状改善，便质软化，臭味减少。稻叶的研究表明，使用低聚果糖会使肠道中的腐败物质发吲哚，粪臭素等显著降低[16]。
1.2.5提高免疫力 、抑制、预防肿瘤
大量的动物试验结果表明，双歧杆菌在肠道内大量繁殖能够起抗癌作用。这种抗癌作用归功于双歧杆菌的细胞、细胞壁成分和胞外分泌物使机体的免疫力提高。最近的研究报道中指出，低聚果糖食后直达大肠，在结肠中被大肠菌群发酵产生的丁酸可能预防化疗的致癌作用或通过促进结肠中的细胞分化来降低宿主的结肠癌风险[17,18]。除了丁酸，丙酸可以对结肠癌细胞有抗炎作用。
1.2.6抗龋齿
功能性低聚果糖不是口腔微生物的作用底物，也没有菌体凝结作用，因而不会引起牙齿龋变。
1.2.7促进钙等矿物质元素的吸收
在青少年人群中，日常饮食中经常食用益生元比如低聚果糖能够促进Ca的吸收并且在青春期时能够增加骨骼的矿物质含量。低聚果糖能够被定植在肠道的微生物发酵，从而使益生菌的数量增加，产生SCFA和气体[19]。这些SCFA能够降低肠道内的pH并且能够创造一个更有利于矿物质溶解的酸性环境。另外，在饮食中添加低聚果糖的动物试验已经表明能够增加盲肠的体积[20,21]。盲肠的扩大能够增加矿物质在回场中的积累。
2 低聚果糖的制备
低聚果糖可以通过蔗糖或菊粉为底物制备得到。
2.1 以蔗糖为原料
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。最常用的产酶菌种有Aspergillus niger，Aspergillusoryzae， Aureobasidium pullulans 和 Aspergillus japonicus。目前，黑曲霉产的果糖基转移酶已被广泛应用，低聚果糖的最大产率可达55%~ 60%(质量分数)。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，采用Aspergillusoryzae CFR202产的β-D-果糖基转移酶，低聚果糖的得率54%，采用Aspergillus pullulans CFR 77产的β-D-果糖基转移酶，低聚果糖的得率为56%[22]。
2.2 以菊苣为原料
以菊粉为底物制备低聚果糖主要采用内切菊粉酶。在内切菊粉酶水解菊粉的过程中，酶的纯度对低聚果糖的得率和组成有较大影响。采用纯化酶可使菊粉的水解率达到75%低聚果糖得率为70%，产物聚合度以2~8为主，而部分纯化的酶由于其中含有少量外切酶使得低聚果糖的得率仅有50%，聚合度只有2~4[23]。大多数研究通常只使用一种来源的内切菊粉酶，有研究显示使用来自于 Xanthomonas sp和Pseudomonas sp的双内切酶系统能够获得更高的低聚糖得率[24]。
3 低聚果糖的检测方法
3.1 高压液相色谱法
目前检测功能性寡糖的方法很多，高压液相色谱法(HPLC)相对多些，其主要是利用寡糖的易溶特性，因此，在糖柱、氨基柱、凝胶柱上能达到较好的分离效果。HPLC 也在不断的发展和完善中，例如 Hirotaka 等[25]将单糖和低聚糖进行荧光素衍生后, 利用 HPLC 法检测取得了较好的效果，也有人称之为高压液相柱前衍生化法[26]。HPLC 操作简便，易于掌握，测定结果准确，重复性和再现性良好，适用于复杂食品基质中寡糖含量的测定。例如, 傅博强等[27]用该法将三种低聚果糖(蔗果三糖、蔗果四糖、蔗果五糖)与复杂食品中的干扰成分如葡萄糖、蔗糖、乳糖、低聚异麦芽糖等糖类和其他杂质在色谱柱上实现有效分离。该法可以满足食品生产企业质量控制和质检部门进行市场监管的需求。形成的检测国家标准将为食品营养标签中功能性寡糖含量的标示提供检测依据。
3.2 气相色谱法
气相色谱分离检测低聚糖具有高效、快速、灵敏度高、样品用量小等优点[27]。但因气相色谱用气体做流动相，被分析样品必须汽化后才能在柱上进行分析。低聚糖没有足够的挥发性，测定时要预先将其制备成易挥发、对热稳定的衍生物。进样口的高温有时会使其衍生物分解，甚至可被留在进样口上的残留物催化。因此，气相色谱法在检测功能性低聚糖时有一定的限制[29]。
3.3 薄层分析法
薄层层析法成本低，速度快，不受试样挥发性和热稳定性局限，但是它的测定误差较大，不易进行定量分析，只适用于低聚糖生产或试验研究的常规分析[28]。例如陈金玲等[29]研究建立了快速鉴定大蒜低聚果糖的薄层层析法，展开系统为正丁醇:异丙醇:水:乙酸=7:5:4:2，显色剂为α-萘酚-硫酸，点样量为0.4 μL，室温下进行4次展开，可把单糖至低聚七糖甚至八糖等各组分分开，斑点清晰，无拖尾，分离效果较好[30]。
4 低聚果糖在食品中的应用
低聚果糖是一种天然活性物质，一般认为摄入量不应超过10克。摄入量过大，会引起肠道失调;摄入量超过30克/天，有可能引起胃肠道胀气;超过40克/天会导致肠道肿大;超过50克/天会出现痉挛和腹泻的症状。对于一些FOS敏感的人群，比上述摄入量低时就会出现相应的胃肠道症状。据报道，乳糖不耐的人群在25克/天，就会出现胃肠道症状，所以乳糖不耐的人群要小心剂量，FOS摄入量最好不要超过10克/天。低聚果糖食用过量时，因在大肠中造成局部高渗压吸水而会引起腹泻，不引起腹泻的最大剂量重称最大无作用量。在此量下时不会引起腹泻的。低聚果糖的最大无作用量为每千克体重0.3-0.4克，以60千克体重的人来说，每天摄食18-24克以下，不至于引起腹泻。低聚果糖可用营养补充剂或作为功能食品，一般食用量为3-8克/日。
4.1 食品甜味剂
随着食品工业的迅速发展，甜味剂的需求量越来越大，而低糖、低脂、低热值的食品也越来越受到人们的欢迎。低聚果糖作为低热值甜味剂在食品中广泛地应用于乳制品、酒类产品、饮料、糖果、糕点、冰淇淋、巧克力、调味品等。低聚果糖不只是作为甜味剂，同时也具有其他保健功能，比如在发酵乳制品中添加低聚果糖，其作为乳酸菌良好的增殖因子，有利于提高乳酸菌的数量及活力，增进乳酸发酵食品的风味，缩短发酵周期。在酒类产品中添加低聚果糖，可以防止酒中内溶物沉淀，改善澄清度，提高酒的风味，使其口感更醇厚、更清爽;在果味饮料和茶饮料中添加低聚果糖，可以使产品口味更细腻柔和、更清爽[31]。此外，菊糖是一种低聚果糖，其凝胶像奶油般柔滑，可用作脂肪替代物，具有预防龋齿、调节脂肪代谢、促进双歧杆菌增殖等功能。
4.2 功能性食品
随着人们对健康、营养、食品之间关系的了解，功能性食品越来越受到追捧。利用功能性寡糖的生理特性，广泛开发了各种功能性食品：婴幼儿食品、糖尿病患者食品、调节肠道功能保健食品、减肥食品、运动食品、冷冻食品和膳食补充剂等。对于糖尿病患者来说，膳食调理是最基本的治疗措施。糖尿病患者食品中甜味剂的选择尤其重要，由于功能性寡糖很难被人体消化，属于无能量或低能量甜味剂，可满足糖尿病患者的需要。在高钙素等补钙产品添加低聚果糖不但能够改善口味，而且可以促进钙吸收，提高保健性能。
4.3 辅助药品
高血脂患者连续食用低聚果糖，可降低胆固醇、中性脂肪、血糖值，并可抑制肠道内沙门氏菌及腐败菌的生长，改进肠道功能，增进人体健康。如低聚果糖可添加到肠胃药物中，对肠胃炎疗效显著[32]。
5 展望
虽然我国寡糖产业起步较晚，但是进步非常迅速。可是与发达国家相比，我国低聚果糖生产效率、生产工艺等方面还有很大差距，主要是产品同质化严重，有效组分相比国外产品还有一定差距、核心技术有所欠缺。低聚果糖的定量检测已经有很多方法，但针对的是低聚果糖原料糖浆、转化糖产物等寡糖含量较高的样品，对于实际生产中形形色色的产品来说，没有通用的检测方法。另外，由于工业化生产使用的酶来源不同，各生产企业采用的生产工艺也存在一定的差别，造成了功能性寡糖组分种类和比例的复杂性，因此很有必要对检测方法进行规范[16]。
在功能性验证方面，虽然研究机构已经对低聚果糖促进人体肠道有益菌增殖，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比较充分的证据及结论。另外随着市场的竞争加剧，企业对低聚糖的功效性也越来越重视，在这方面的资金人力投入也会越来越多，但目前都停留在比较基础的研究上，对改善脂质代谢方面，例如降低胆固醇、降血糖、防高血压等，研究结论则出现较大异义，而在抗肿瘤方面也只是处于动物试验阶段，缺少人体实验，其机制尚不明确[16,33]。因此，功能性寡糖研究尚有大量课题有待进一步阐明。
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