功能性低聚糖的研究進(jìn)展

功能性低聚糖的研究進(jìn)展

低聚糖是由2.10個同名或不同的糖分子組成的聚合物。功能性低聚糖是低聚糖的一類,其單糖分子間結(jié)合位置特殊,在人或動物體內(nèi)找不到相應(yīng)的代謝酶系,不能作為能量供體,但卻可以發(fā)揮以增殖體內(nèi)雙歧桿菌為主的眾多保健功能。因此,功能性低聚糖作為一類新興的功能性食品,被單獨制成保健品或添加于食品中。早在20世紀(jì)80年代初期,一些功能性低聚糖產(chǎn)品在日本就已形成了工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。歐洲一些國家如比利時、荷蘭、法國等,也有多年開發(fā)低聚糖的歷史,并將其用于低能量食品。我國對功能性低聚糖的研究始于20世紀(jì)80年代,于“九五”期間形成工業(yè)規(guī)模和達(dá)到產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化,近年來由于其巨大的市場潛力越來越受到人們的重視。本文對目前研究最多、應(yīng)用最廣泛的低聚異麥芽糖(Isomaltooligosaccharide,IMO)、大豆低聚糖(Soybeanoligosaccharide,SBOS)、低聚果糖(Fructooligosaccharide,FOS)、低聚木糖(Xylooligosaccharide,XOS)等4種功能性低聚糖的化學(xué)組成與分布、理化特性、功效及研發(fā)狀況進(jìn)行了綜述,以期為功能性低聚糖的研究和合理開發(fā)提供參考依據(jù)。1低聚糖在豆科植物及低聚異麥芽糖中的應(yīng)用大豆低聚糖、低聚果糖、低聚木糖在植物中分布廣泛、來源較豐富。其中,大豆低聚糖在豆科植物中含量較高;低聚果糖普遍存在于高等植物中,尤其在蔥、牛蒡、香蕉、蘆筍等植物中含量較高;低聚木糖在竹筍、玉米芯、甘蔗渣、棉籽等作物中大量存在。而低聚異麥芽糖在自然界中很少以游離形式存在。這4種功能性低聚糖的化學(xué)組成見表1。2低聚糖功能的物理特性2.1不同蔗糖溶液對糖質(zhì)的影響功能性低聚糖常被用作功能性甜味劑,添加于食品中。在20℃時各低聚糖產(chǎn)品的甜度與同溫度下質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%蔗糖溶液相比分別為:低聚異麥芽糖0.4～0.6,大豆低聚糖0.2～0.7,低聚果糖0.3～0.6,低聚木糖0.5。就味質(zhì)而言,低聚異麥芽糖味質(zhì)純正;大豆低聚糖與蔗糖甜味相似,但回味差;低聚果糖口感較蔗糖清爽,不帶任何后味;低聚木糖也很清爽,略有特殊氣味?？傮w而言,以上4種功能性低聚糖均可代替部分蔗糖用作甜味劑。2.2糖質(zhì)體質(zhì)性分布有研究表明,當(dāng)濃度相同時,低聚果糖的黏度較蔗糖高;低聚異麥芽糖的黏度與蔗糖溶液接近;大豆低聚糖的黏度較麥芽糖低,比異構(gòu)糖高;低聚木糖的黏度低于以上3種功能性低聚糖,且其黏度隨著溫度升高而迅速下降。由此可知,當(dāng)作為食品添加劑時,以上4種功能性低聚糖可用于食品的處理、成型。2.3低聚木糖在飲料中的應(yīng)用功能性低聚糖一般具有良好的耐熱耐酸性。其中低聚木糖的穩(wěn)定性最優(yōu),當(dāng)pH為2.5～8.0時相當(dāng)穩(wěn)定,于100℃下加熱1h幾乎不分解。有研究表明,以低聚木糖作為飲料的有效成分,當(dāng)pH值為3～4且在室溫下保存3年時,飲料中的低聚木糖殘留率仍高達(dá)97%。日本已將低聚木糖添加到黑醋中,生產(chǎn)出保健醋飲料;在我國山東龍力生物科技有限公司也已推出了低聚木糖營養(yǎng)醋。邊國等于2005年研制出了低聚木糖山楂醋飲料。低聚異麥芽糖和大豆低聚糖在pH>3的環(huán)境中均有較好的穩(wěn)定性,即使經(jīng)過140℃高溫處理也不易分解。因此,在一定條件下低聚異麥芽糖和大豆低聚糖均可廣泛用于飲料、罐頭和乳品等食品生產(chǎn)中。當(dāng)pH為5～7時,低聚果糖相當(dāng)穩(wěn)定,將其加熱到150℃時也不會分解,但在pH<4的酸性環(huán)境中其熱穩(wěn)定性會大幅度下降。因此,在加工添加有低聚果糖的食品時,要特別注意調(diào)節(jié)操作環(huán)境的pH。2.4保濕劑/保鮮劑功能性低聚糖普遍具有良好的保持水分的能力,這一特點使其可以作為保濕劑或保鮮劑在商品中使用。例如當(dāng)?shù)途郛慃溠刻桥c其他糖類混合使用時,可以鎖住水分、防止結(jié)晶。這種優(yōu)良的吸水保水能力也使功能性低聚糖具有膳食纖維的作用,可增加大便持水性和容量,使其易于排出。3低聚糖功能3.1直接功能3.1.1低聚糖的功效口腔中的有害微生物(主要是變異鏈球菌(S.mutans))能分泌葡萄糖轉(zhuǎn)移酶,將口腔中的葡萄糖轉(zhuǎn)化為葡聚糖,該糖附著于牙齒表面形成牙垢,進(jìn)而會導(dǎo)致齲齒。功能性低聚糖難以被唾液中的消化酶分解,不能被變異鏈球菌發(fā)育所利用,且又可在一定程度上抑制葡萄糖轉(zhuǎn)移酶的作用,從而起到預(yù)防齲齒的作用。研究發(fā)現(xiàn),低聚異麥芽糖中的潘糖此項功效極其明顯。另外,大豆低聚糖經(jīng)過酶改性能成為一種新型低聚糖——改性大豆低聚糖(ModifiedSoybeanOligosaccharide),由于較改性前有效成分的純度得到了提高,從而具有更好地抗齲齒功效。3.1.2采用低聚木糖養(yǎng)殖雞蛋功能性低聚糖普遍具有難消化、甜度低及熱量低的特性,所以不易轉(zhuǎn)化為脂肪和膽固醇。有研究者將低聚異麥芽糖用于血液透析患者高血脂并發(fā)癥的治療,取得了良好的效果。黨國華等采用低聚木糖喂養(yǎng)蛋雞,得到了膽固醇含量顯著降低的雞蛋。研究較早和較深入的是低聚果糖,早在1995年,國外學(xué)者就發(fā)現(xiàn)低聚果糖有降血脂和膽固醇的功效。有研究資料表明,對于血脂水平正常的個體而言,低聚果糖的功能主要是降低血清中甘油三酯的水平,其主要機理是通過降低肝臟中脂肪酸合成而實現(xiàn)的;對于高血脂癥的個體而言,低聚果糖的主要效應(yīng)是降低膽固醇含量。關(guān)于其機理,屠友金等認(rèn)為與低聚果糖發(fā)酵產(chǎn)物丙酸對肝臟膽固醇合成的抑制有關(guān)。3.1.3功能性低聚糖對小鼠腸道微環(huán)境的影響雙歧桿菌的活菌制劑易受許多條件的限制,如在保存和服用方面會受到空氣、胃酸、膽汁及抗生素等因素的影響,無法達(dá)到其應(yīng)有的療效。功能性低聚糖因其具有較高的穩(wěn)定性,而難以被人和動物消化道的酶系分解。因此,功能性低聚糖可以直達(dá)大腸,被雙歧桿菌等有益菌利用,促進(jìn)這些有益菌增殖,而不能被有害菌所利用。這種選擇性增殖作用不僅使得腸道菌群得到優(yōu)化,而且使腸道微環(huán)境得到改善。項明潔等通過對30～35歲和50歲以上2個年齡段的健康人群,服用功能性低聚糖的觀察試驗發(fā)現(xiàn),30～35歲人群服用功能性低聚糖后,腸桿菌和類桿菌等有毒菌群顯著減少;50歲以上的人群服用功能性低聚糖后,腸道內(nèi)原本稀少的雙歧桿菌顯著增多。劉祥等和羅予等的研究表明,大豆低聚糖和低聚果糖也具有增殖雙歧桿菌及優(yōu)化腸道菌群的作用。與低聚異麥芽糖相比,雙歧桿菌最喜食低聚木糖和大豆低聚糖中的棉子糖,其次是低聚果糖。綜合化學(xué)穩(wěn)定性等多種因素,低聚木糖是效果最好的雙歧桿菌增殖因子之一。有研究結(jié)果表明,每人每天攝取0.7g的低聚木糖,且連續(xù)攝取3周后,雙歧桿菌的比例可由8.5%提高到20.2%。而其他功能性低聚糖若要達(dá)到同一效果,每人每天需攝取15g低聚異麥芽糖或8g低聚果糖。當(dāng)?shù)途勰咎亲鳛轱暳咸砑觿r,其在飼料中的添加量僅為0.05%～0.07%,該添加劑是低聚異麥芽糖添加量的1/20,低聚果糖添加量的1/10～1/7。目前,對低聚木糖的研發(fā)尚處于起始階段,與低聚異麥芽糖等相比,低聚木糖的生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)量較小、成本較高、商業(yè)應(yīng)用較少。因此,對低聚木糖的開發(fā)應(yīng)用還有待深入研究。3.2雙軒菌實現(xiàn)的間接功能3.2.1功能性低聚糖的生物屏障作用功能性低聚糖可以被雙歧桿菌發(fā)酵利用而產(chǎn)生某些抗菌素(如Bifidin,Bifilong等),這些抗菌素能有效抑制有害細(xì)菌的生長代謝,減少其產(chǎn)生的有毒物質(zhì)對機體的損傷。此外,由低聚糖增殖產(chǎn)生的雙歧桿菌,可以協(xié)同其他腸道菌群促進(jìn)腸道蠕動,通過競爭腸道營養(yǎng)和腸上皮表面的黏附位點,減少致病菌的附著機會。由于功能性低聚糖的生物屏障作用,有害物質(zhì)向血液的轉(zhuǎn)移受到阻止,心、肝、腎等臟器受損的可能性減少。已有研究證明,功能性低聚糖對肝病患者可以起到良好的輔助治療作用。另外,也有專家認(rèn)為,雙歧桿菌能增強超氧化物歧化酶(SOD)活性,減少自由基、活性氧,因而可以抗衰老。3.2.2功能低聚糖對ca吸收作用的影響功能性低聚糖不僅可以被雙歧桿菌利用,生成煙酸、葉酸及多種維生素,而且還可促進(jìn)Zn,Mg,Fe,Ca等多種微量元素的吸收。功能性低聚糖促進(jìn)微量元素吸收的機理為:功能性低聚糖在腸道被雙歧桿菌發(fā)酵為短鏈脂肪酸,短鏈脂肪酸通過降低腸道pH值并與微量元素結(jié)合,增加了礦物質(zhì)的溶解度;此外,功能性低聚糖還能通過對結(jié)腸膜細(xì)胞的刺激作用,提高腸道對礦物質(zhì)的吸收能力。目前,有關(guān)功能性低聚糖對Ca吸收方面研究較多。大量研究表明,服用功能性低聚糖有利于Ca的吸收,促進(jìn)兒童生長,防止老年骨質(zhì)疏松癥,其中低聚果糖的此項功效較為突出。此外,低聚木糖具有良好的食物配伍性,與Ca同時攝入效果更好。3.2.3毒性效應(yīng)因子功能性低聚糖可通過雙歧桿菌增強機體免疫能力,其機理十分復(fù)雜。有研究表明,雙歧桿菌及其表面分子能增強機體的特異和非特異性免疫反應(yīng)的能力,提高免疫細(xì)胞活性,產(chǎn)生多種細(xì)胞毒性效應(yīng)因子。腫瘤的發(fā)生是機體的免疫監(jiān)視功能失調(diào)造成的,雙歧桿菌可以有效降低前致癌元生成酶的活性,從而降解致癌物的前體。何四旺等采用低聚異麥芽糖和低聚果糖飼喂羅非魚發(fā)現(xiàn),羅非魚血清中的補體和溶菌酶含量顯著增加。陳爾真等研究發(fā)現(xiàn),低聚果糖能抑制大鼠結(jié)腸癌前期病變的形成。另外,隨著抗生素濫用所引發(fā)的各種問題逐漸出現(xiàn),人們現(xiàn)致力于抗生素替代品的研究。宋小珍等研究了低聚果糖和4種抗生素替代品對泰和雞免疫器官指數(shù)的影響發(fā)現(xiàn),低聚果糖可使脾臟指數(shù)和胸腺指數(shù)明顯上升,從而使泰和雞機體免疫力得到了大幅度提高。3.2.4防止臟器方面功能性低聚糖被雙歧桿菌發(fā)酵利用后形成的產(chǎn)物為短鏈脂肪酸,其能降低腸道的pH值,促進(jìn)腸道運動,進(jìn)而改善排便性能。有研究表明,長期使用功能性低聚糖,可以防止便秘。劉協(xié)等采用功能性低聚糖飼喂小鼠發(fā)現(xiàn),其可縮短便秘小鼠的首便時間,增加小鼠排便量和排便效率。張雯研究低聚果糖治療小兒便秘的隨訪觀察發(fā)現(xiàn),低聚果糖在此方面有良好的治療作用。當(dāng)然,在服用低聚糖時要注意劑量的控制,高劑量組的低聚果糖會引起極顯著的胃脹氣現(xiàn)象。4功能性低聚糖的食品應(yīng)用目前,功能性低聚糖研究中存在的問題主要集中在以下兩個方面。首先,在功能研究方面,國內(nèi)外學(xué)者雖然對功能性低聚糖優(yōu)良的生理功效有深刻的認(rèn)識,但對其在組織細(xì)胞中的分布以及分子水平上的作用機理還不了解,對其功能的確認(rèn)還缺少設(shè)計良好、精細(xì)量化的評價體系。其次,在產(chǎn)品研發(fā)方面,實驗室對以功能性低聚糖為有效成分的產(chǎn)品的開發(fā),通常處于對添加結(jié)果未知的情況下,只要甜食中有一定比例的成分可以用功能性低聚糖來替代,就草率地確定食品配方,忽略了功能性低聚糖與食品中其他成分的相互作用。例如,配方中的其他成分可能會影響功能性低聚糖的生理活性及穩(wěn)定性;反之,功能性低聚糖的加入也可能會影響最終產(chǎn)品的風(fēng)味、含水量、總固形物含量、質(zhì)地、結(jié)晶度等理化性質(zhì)。此外,當(dāng)功能性低聚糖作為食品添加劑時,開發(fā)者往往忽略確