功能性低聚糖課件

第二章低聚果糖

Fructooligosaccharide(FOS)FOS概述FOS基本性質(zhì)FOS生理功能FOS生產(chǎn)用酶FOS生產(chǎn)工藝植物來(lái)源微生物來(lái)源作用機(jī)理1950年，Bacon等人在研究酵母轉(zhuǎn)化酶(invertase)時(shí)，從蔗糖水解物中發(fā)現(xiàn)一些低聚糖，這些低聚糖的結(jié)構(gòu)為GFn的形式。1952年，Whalley等用酵母轉(zhuǎn)化酶作用于蔗糖，首次分離得到蔗果三糖(1-kestose)。1953年，Bacon等用高溫淀粉酶作用于蔗糖，得到了一系列低聚糖，從中分離出異蔗果三糖(isokestoseor6-kestose)。1954年，Gross等從蔗糖水解產(chǎn)物中又分離出新蔗果三糖(neokestose)。1.1低聚果糖的發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)史第一節(jié)FOS概述第一節(jié)FOS概述β-D-Fruf-(2→1)-β-D-Fruf-(2→1)-α-D-Glcpβ-D-Fruf-(2→6)-β-D-Fruf-(2→1)-α-D-Glcpβ-D-Fruf-(2→6)-α-D-Glcp-(1→2)-β-D-Fruf蔗果三糖(kestose)異蔗果三糖(isokestose)新蔗果三糖(neokestose)1.2蔗果三糖、異蔗果三糖、新蔗果三糖的結(jié)構(gòu)區(qū)別蔗糖(GF)蔗果三糖(GF2)蔗果四糖(GF3)蔗果五糖(GF4)GGGGFFFFFFFFFFβ-2,1β-2,1β-2,11.3低聚果糖各成分的化學(xué)結(jié)構(gòu)式第一節(jié)FOS概述β-2,1第一節(jié)FOS概述1.4低聚果糖各成分的分子式及其相對(duì)分子質(zhì)量中文名稱（簡(jiǎn)寫）英文名稱分子式相對(duì)分子質(zhì)量蔗果三糖(GF2)KestoseC18H32O16504蔗果四糖(GF3)NystoseC24H42O21666蔗果五糖(GF4)1-β-fructo-furanosyl-D-nystoseC30H52O26828第一節(jié)FOS概述低聚果糖分布GFn菊科(蘆筍屬、向日葵、菊苣屬等)GF2百合科（洋蔥屬、歐洲韭屬、大蒜屬等）禾本科（小麥屬、大麥屬、黑麥屬、燕麥屬、黎屬）石蒜科（雪片蓬等）大舌蘭科、紫菀科、風(fēng)鈴草科、劍麻科、十字花科、七味樹(shù)科GF3蘆筍、黎屬GF4蘆筍1.5低聚果糖各成分的天然分布第一節(jié)FOS概述食物水分含量/%FOS含量/（%）濕重蜂蜜170.75大蒜610.60黑麥110.50紅糖20.30香蕉760.30洋蔥890.23西紅柿930.15大麥110.151.6一些食物中的低聚果糖含量低聚果糖三種組分均為，都極易形成

低聚果糖的，它的含水產(chǎn)品難于在空氣中長(zhǎng)時(shí)間保存；低聚果糖水溶液的比同濃度的蔗糖溶液略小，也較蔗糖高；低聚果糖在一般的食品pH范圍(4.0~7.0)

，可在4℃下保存以上；第二節(jié)FOS的物理化學(xué)性質(zhì)2.1FOS的一般物理化學(xué)性質(zhì)非還原性糖白色結(jié)晶吸濕性很強(qiáng)黏度熱穩(wěn)定性非常穩(wěn)定1年第二節(jié)FOS的物理化學(xué)性質(zhì)低聚果糖旋光度甜度(相對(duì)于蔗糖的百分比)蔗果三糖GF2+28.531%蔗果四糖GF3+10.122%蔗果五糖GF4-1.616%蔗糖GF+66.5100%2.1FOS的一般物理化學(xué)性質(zhì)第二節(jié)FOS的物理化學(xué)性質(zhì)

產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)%G型低聚果糖（普通型）P型低聚果糖（高純度型）葡萄糖(G)含量332蔗糖(GF)含量123蔗果三糖(GF2)含量2535蔗果四糖(GF3)含量2550蔗果五糖(GF4)含量510低聚果糖總含量5595低聚果糖總含量是指GF2+GF3+GF4的總量2.2FOS產(chǎn)品的分類第二節(jié)FOS的物理化學(xué)性質(zhì)2.3FOS產(chǎn)品的外觀和粘度低聚果糖是一種無(wú)色透明液體，但工業(yè)化產(chǎn)品呈淡黃色或黃色，在75°Bx時(shí)的粘度介于蔗糖和果葡糖漿之間。圖2-1低聚果糖、蔗糖和55-果葡糖漿在不同溫度下的粘度第二節(jié)FOS的物理化學(xué)性質(zhì)2.4FOS產(chǎn)品的甜度G型和P型低聚果糖糖漿的甜度分別是10°Bx蔗糖溶液的0.6和0.3倍。圖2-2低聚果糖、蔗糖、葡萄糖和果糖的甜度圖2-3低聚果糖、蔗糖、葡萄糖、55%的果糖和山梨醇的水分活度第二節(jié)FOS的物理化學(xué)性質(zhì)2.5FOS產(chǎn)品的水分活度大部分細(xì)菌無(wú)法在水分活度(Aw)<0.85的環(huán)境下繁殖，美國(guó)規(guī)定庫(kù)存食品水分活度Aw不能超過(guò)0.85。66720.85圖2-4低聚果糖、果糖、山梨醇、麥芽糖和蔗糖在不同相對(duì)濕度下的水分含量第二節(jié)FOS的物理化學(xué)性質(zhì)2.5FOS產(chǎn)品的吸濕性低聚果糖的吸濕性很強(qiáng)，在不同的相對(duì)濕度下，G型的吸濕性和山梨醇類似。圖2-5低聚果糖和蔗糖在不同溫度下的熱穩(wěn)定性第二節(jié)FOS的物理化學(xué)性質(zhì)低聚果糖的熱穩(wěn)定性相當(dāng)好，在中性條件下加熱至140℃時(shí)都很穩(wěn)定。2.5FOS產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性第二節(jié)FOS的物理化學(xué)性質(zhì)低聚果糖在中性或接近中性的環(huán)境中具有很好的熱穩(wěn)定性。當(dāng)它處于pH<4的酸性環(huán)境中時(shí)，高溫下易分解，低溫則影響不大。圖2-6低聚果糖在不同pH時(shí)的熱穩(wěn)定性2.6FOS產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性與pH值的關(guān)系改善腸道菌群促進(jìn)礦物質(zhì)吸收低熱量、低甜度降血脂抗齲齒潤(rùn)腸通便FOS第三節(jié)FOS的生理功能第四節(jié)FOS的生產(chǎn)用酶來(lái)源酶的活性合成的低聚果糖蘆筍蔗糖：蔗糖1F-果糖基轉(zhuǎn)移酶(1-SST)蔗糖：果聚糖6F-果糖基轉(zhuǎn)移酶(6-SFT)果聚糖：果聚糖6G-果糖基轉(zhuǎn)移酶(6G-FFT)1-蔗果三糖6-蔗果三糖新蔗果三糖甜菜葉蔗糖：蔗糖1F-果糖基轉(zhuǎn)移酶(1-SST)蔗糖：果聚糖6F-果糖基轉(zhuǎn)移酶(6-SFT)果聚糖：果聚糖6G-果糖基轉(zhuǎn)移酶(6-FFT)1-蔗果三糖6-蔗果三糖新蔗果三糖菊苣蔗糖：蔗糖1F-果糖基轉(zhuǎn)移酶(1-SST)果聚糖：果聚糖1F-果糖基轉(zhuǎn)移酶(1-FFT)GF2或GFn洋蔥蔗糖：蔗糖1F-果糖基轉(zhuǎn)移酶(1-SST)果聚糖：果聚糖1F-果糖基轉(zhuǎn)移酶(1-FFT)GF2或GFn龍舌蘭菊二糖：菊二糖1F-果糖基轉(zhuǎn)移酶(1-CCT)蔗糖：蔗糖1F-果糖基轉(zhuǎn)移酶菊二糖→菊三糖GF24.1植物來(lái)源的果糖轉(zhuǎn)移酶簡(jiǎn)介第四節(jié)FOS的生產(chǎn)用酶4.2植物來(lái)源的果糖轉(zhuǎn)移酶催化反應(yīng)舉例(一)1-SST6-SFT6G-FFT黑麥雙叉寡糖左聚糖(果聚糖)第四節(jié)FOS的生產(chǎn)用酶4.2植物來(lái)源的果糖轉(zhuǎn)移酶催化反應(yīng)舉例(二)sucrose:sucrose1-fructosyltransferasefructan:fructan1-fructosyltransferasesucrose:fructan6-fructosyltransferase第四節(jié)FOS的生產(chǎn)用酶4.3微生物來(lái)源的果糖基轉(zhuǎn)移酶簡(jiǎn)介拉丁文中文名稱合成的低聚果糖的純度Aspergillusniger黑曲霉55~60%Aureobasidiumpullans出芽短梗霉55~60%Aspergillusphoecinis海藻曲霉50~55%Scopulariopsisbrevicaulis短尾帚霉40~50%Arthrobactersp.節(jié)桿菌屬40~50%第四節(jié)FOS的生產(chǎn)用酶4.4微生物來(lái)源果糖基轉(zhuǎn)移酶的性質(zhì)

微生物來(lái)源的果糖基轉(zhuǎn)移酶分子比植物來(lái)源的大，穩(wěn)定溫度范圍比植物來(lái)源的寬。黑曲霉中β-果糖基轉(zhuǎn)移酶的最適pH為3.5~6.0，pH穩(wěn)定范圍4.0~10.0，最適溫度為55~60℃；Km值(蔗糖)為0.0044~0.62mol/L之間，酶的相對(duì)分子質(zhì)量為104~105。第四節(jié)FOS的生產(chǎn)用酶4.5果糖基轉(zhuǎn)移酶的作用機(jī)理兩個(gè)關(guān)鍵酶：1-SST1-FFT三步反應(yīng)：第一步是一分子的蔗糖在蔗糖：蔗糖1F-果糖基轉(zhuǎn)移酶(1-SST)的作用下分解為果糖基和葡萄糖，果糖基與另一分子的受體蔗糖反應(yīng)合成蔗果三糖，第二步是蔗糖在果聚糖：果聚糖1F-果糖轉(zhuǎn)移酶(1-FFT)的作用下與蔗果三糖反應(yīng)合成蔗果四糖，第三步是蔗糖在1-FFT的作用下與蔗果四糖反應(yīng)合成蔗果五糖。第四節(jié)FOS的生產(chǎn)用酶果糖基轉(zhuǎn)移酶酶活力的定義：50℃下，每毫克酶每分鐘生成的蔗果三糖的微摩爾數(shù)測(cè)定方法：取一定量的酶加入到用0.1mol/L、pH5.0的檸檬酸-磷酸鹽緩沖溶液配制的10%的蔗糖溶液中，在50℃進(jìn)行酶反應(yīng)30min，用HPLC分析反應(yīng)產(chǎn)物中各成分的含量，按定義計(jì)算酶活力，即每分鐘生成的蔗果三糖的微摩爾數(shù)。4.6果糖基轉(zhuǎn)移酶酶活的定義及測(cè)定方法第五節(jié)FOS的生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品分析細(xì)胞培養(yǎng)酶的提取酶的固定化酶反應(yīng)柱反應(yīng)器分離純化濃縮滅菌產(chǎn)品間歇法連續(xù)法5.1普通級(jí)FOS(G型)的生產(chǎn)工藝第五節(jié)FOS的生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品分析5.2高純度FOS(P型)的生產(chǎn)工藝雙酶

色譜活性炭法(脫色)Ca2+或Na+型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂法(脫鹽)果糖轉(zhuǎn)移酶-葡萄糖氧化酶果糖轉(zhuǎn)移酶-葡萄糖異構(gòu)酶第五節(jié)FOS的生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品分析5.2高純度FOS(P型)的生產(chǎn)工藝黑曲霉培養(yǎng)蔗糖液培養(yǎng)基固定化雙酶法轉(zhuǎn)移反應(yīng)蔗糖漿高濃度脫色活性炭脫鹽離子交換膜分離或真空濃縮分離提純高純度FOS95%(干基)果糖基轉(zhuǎn)移酶葡萄糖氧化酶第五節(jié)FOS的生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品分析5.3FOS產(chǎn)品分析方法舉例HPLC分析條件如下：Column: PrevailCarbohydrateES,250×4.6mmMobilePhase: A:AcetonitrileB:0.04%NH4OHinWaterGradient: Time:0254080 %B:17274565Flow

rate: 1.0mL/minColumnTemp: AmbientDetector: ELSD2000FOSDPReference第五節(jié)FOS的生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品分析5.3FOS產(chǎn)品分析方法舉例第五節(jié)FOS的生產(chǎn)工藝5.4普通型(G型)與高純度FOS(P型)的產(chǎn)品分析葡萄糖果糖蔗糖GF2GF3GF4FOS合計(jì)G型30.36014.1137.2016.002.3355.53P型001.6843.6354.69痕量98.32碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)%產(chǎn)品類型反應(yīng)以500g/L的蔗糖為底物，在50℃下反應(yīng)25h。第五節(jié)FOS的生產(chǎn)工藝5.5FOS不同產(chǎn)地產(chǎn)品的規(guī)格產(chǎn)地品名低聚果糖含量/%甜度/%日本MeiligoG(液)>5560MeiligoP(液)>9530MeiligoP(粉)>9530MeiligoP(粒)>9530歐洲L5050100L606065L858550L959530P固9530第五節(jié)FOS的生產(chǎn)工藝5.3FOS不同產(chǎn)地產(chǎn)品的規(guī)格產(chǎn)地品名低聚果糖含量/%甜度/%中國(guó)L55>5560L80>804080型粉劑>8040作為沙門氏菌抑制劑、低熱量食品添加劑、貧血改善劑應(yīng)用到食品或藥品中；作為功能性因子可應(yīng)用到下列食品中：

奶制品：牛奶飲料、酸奶、乳酸菌飲料、奶粉等；

飲料：咖啡、茶飲料、清涼飲料、豆奶、酒類等；

糖果糕點(diǎn)：糖果、甜餅、面包、快餐、日式和西式點(diǎn)心、果凍、布丁等；

其他：肉類加工品、水產(chǎn)加工品、腌菜、豆腐等第六節(jié)FOS產(chǎn)品的應(yīng)用及發(fā)展方向FOS還可應(yīng)用于畜產(chǎn)領(lǐng)域。如加入幼豬飼料、魚飼料、斷奶小牛飼料及犬飼料等中可顯著減少痢疾和糞便中的腐敗物質(zhì)，使動(dòng)物發(fā)育快速，體重增長(zhǎng)很多。FOS也是糖尿病患者的首選食品。但需要注意的是，酸性較強(qiáng)的食品(pH<3)或某些利用酵母醒發(fā)的面團(tuán)中，在一定條件下能水解低聚果糖，因此在這些食品中使用低聚果糖應(yīng)十分小心。第六節(jié)FOS產(chǎn)品的應(yīng)用及發(fā)展方向InulinIntroductionBifidogenicPropertiesNutrientMetabolismHealthImplications

TableofContents

1.Introduction

A.OriginandDistributionB.ChemicalStructureC.InulinandInulinaseD.ConsumptionIntakes

E.Production2.BifidogenicProperties

A.ProbioticsandPrebiotics

B.ProductsofFermentation3.NutrientMetabolism

A.DietaryFiberEffects

B.CaloricValue

C.LipidsEffects

D.MineralsEffects

E.VitaminEffects4.HealthImplications

A.CancerPrevention

B.DiabetesMellitusPrevention

C.ImmuneSystem

Improvement

D.GastrointestinalHealth

E.DentalHealth

F.SkeletalHealth

1.INTRODUCTIONInulinisafructanoligosaccharide.Itisfoundmainlyinchicory.ChicoryoriginatesfromEurope,anditalsogrowsinNorthAfricaandWestAsia.Chicoryspreadsalongpathsandroadsides,onbanks,evenindryfields.Itsrootisunearthedinspringorautumn.Itsrootcontainsupto58%inulinandsesquiterpenelactones,aswellasvitaminsandminerals.OriginandDistribution1.INTRODUCTIONChemicalStructureofsucrose(left),inulin(center),oligofructose(right)Chemicalstructure1.INTRODUCTIONInulin&InulinaseInulinsarecomposedbyα-D-glucopyranosyl-[β-(2-1)D-fructofuranosyl-D-fructofuranosides.Inulinscangenerallycontain2to140fructoseunits.Inulinasecatalyzesendohydrolysisof2,1-β-D-fructosidiclinkagesininulin

PrimaryvegetablesourcesofinulinintheAmericanDiet1.INTRODUCTIONConsumptionIntakesInulinproductionprocessProductionProcedure1.INTRODUCTION2.BifidogenicpropertiesGutmicrofloradefinitions&mechanismsofgutmodulationProbioticsandPrebiotics2.BifidogenicpropertiesProbioticsandPrebioticsChangesinthefecalFlorawithincreasedage2.BifidogenicpropertiesProbioticsandPrebiotics2.BifidogenicpropertiescolonicbacteriarelatedhealtheffectsofbifidobacteriaProbioticsandPrebiotics2.BifidogenicpropertiesPathogenicmicroflorasuppressionProbioticsandPrebioticsFactualandHypotheticalEffectsofShortChainFattyAcids(SCFA)onColonicMorphologyandFunction2.BifidogenicpropertiesProductsofFermentation3.NutrientMetabolismInulincanresistdigestionbythehumanalimentarytract.Itcanreachthecolonessentiallyasintactmolecules,thusnotprovidingthebodywithdigestiblemonosaccharides.Inulinisadietaryfiber,ithaspotentialphysiologicaleffectsincludebothlocalandsystemiceffects.DietaryFiberEffectsLocalEffectsSystemicEffects^Fecalbulkingv(^)Cholesterol^BacteriavTG(vinsulin,vbloodglucose)Selective^bacteriavBloodammonialevels^SCFAproductionvUreaSelective^inSCFA^B-vitamins^Mineralabsorption^Immunefunction^B-vitaminsynthesis^glutamineSCFA,shortchainfattyacids;TG:triglyceride;^=increase;v=decrease

3.NutrientMetabolismThecaloricvalueofafructosylunitofinuliniscalculatedat30to40%ofadigestedfructosemoleculeorbetween1-1.5kcal/g.BecauseInulinaremostlyfermentedinthecolon,itscaloricvaluewouldbeassignedabout1.5kcal/g(6.3kJ/g).CaloricValue3.NutrientMetabolismMostanimalstudieshaveshownthatinulinhasaneffectonbloodlipidlevels.Dailyfeedingofinulintoratscouldresultinsignificantloweringofserumphospholipids,triglycerideandtotalcholesterollevels.Inulinmayalsohavetheabilitytoprotectagainstliverlipidaccumulation.LipidsEffectsSCFA(propionate)3.NutrientMetabolismInulincouldpossiblyimprovethemetabolicabsorptionofcertainmineralssuchascalcium,magnesium,ironandzinc.Afterinulinwerefermented,SCFAandlactatehadbeenproduced.TheycouldreducethepHinthecolon.ThelowercolonicpHraisestheconcentrationofionizedmineralsandacceleratespassivediffusion.MineralsEffects3.NutrientMetabolismBecauseBifidobacteriacouldsynthesizeVitaminBgroup(suchasB1,B6andB12),folicacidandsoon,inulinisverybeneficialtokeepthevitaminBgroupbalanceinhumanbody.VitaminsEffects4.HealthImplicationsInulinareabletoselectivelystimulategrowthofbifidobacteriaandlactobacilli.Butyricacidisoneoftheshortchainfattyacidsproducedbyinulinfermentation.Ithasbeenshowntoincreaseapoptosisinhumancolonictumorcelllines.Apoptosisisthusaninnatecellardefenseagainstcarcinogenesis.CancerPrevention4.HealthImplicationsInulin-containingfoodproductsmaybebeneficialtopreventdiabeticdiseaseduetotheireffectsonreducingglucoseuptake.Throughregulatinghepaticglucoseandencouraginglipidmetabolism,shortchainfattyacidsproducedbyinulinfermentationcouldinhibitdiabetesmellitus.Diabetes