功能性低聚糖的制備及其生理功能的研究進(jìn)展

《高級(jí)食品化學(xué)》課程論文論文題目：__功能性低聚糖的制備及其生理功能的研究進(jìn)展學(xué)院：__________專(zhuān)業(yè)年級(jí)：______學(xué)號(hào)：_____姓名：_____________指導(dǎo)教師：________成績(jī)：__________________2016年1月10日AdvancesinPreparationoffunctionaloligosaccharidesandItsphysiologicalfunctionsCollege：SpecialtyandGrade：Number：Name：Advisor：Score：Submittedtime:目錄摘要： 1前言 11功能性低聚糖制備 21.1天然產(chǎn)物中提取 21.2人工合成 31.2.1多糖降解 31.2.2酶法合成 31.3生物合成 42功能性低聚糖生理功能 42.1降低血清膽固醇、降血壓 52.2增強(qiáng)機(jī)體免疫力、抗衰老和防癌 52.3促進(jìn)維生素合成、提高礦物質(zhì)的生物消化率 6參考文獻(xiàn) 7功能性低聚糖的制備及其生理功能的研究進(jìn)展摘要：低聚糖是低聚度糖類(lèi)的總稱(chēng)，包括可消化低聚糖和非消化性低聚糖。非消化低聚糖由于具有調(diào)節(jié)腸道微系統(tǒng)、調(diào)節(jié)血脂、抗癌、防齲齒等眾多特殊的生理功能，因此也稱(chēng)作功能性低聚糖；近年來(lái)對(duì)功能性低聚糖的研究持續(xù)升溫；食品、保健品和醫(yī)藥行業(yè)已廣泛應(yīng)用其作為功能性因子。本文主要論述了工業(yè)化生產(chǎn)功能性低聚糖的方法以及其特殊的生理功能。關(guān)鍵詞：功能性低聚糖；制備；生理功能；研究進(jìn)展Abstract：Oligosaccharideisthegeneraltermforthelowdegreeofoligomerizationsugars,includingdigestibleoligosaccharidesandnon-digestibleoligosaccharides.thenon-digestibleoligosaccharidesalsoknownasfunctionaloligosaccharidesforitsvariousspecialphysiological,suchasregulateintestinalmicro-systemandbloodlipids;anti-cancer,anti-cariesandsoon.Researchonfunctionaloligosaccharidesinrecentyearscontinuestoheatup;Food,Healthcareproductsandpharmaceuticalindustrieshavebeenwidelyuseditasafunctionalfactor.Thisarticlemainlydiscussesthemethodsofproductionoffunctionaloligosaccharidesindustrializationandtheirspecialphysiologicalfunctions.Keywords:functionaloligosaccharide;preparation;physiologicfunction;advances前言低聚糖(Oligosaccharide)又稱(chēng)寡糖，是由3～9個(gè)單糖分子經(jīng)糖苷鍵連接而成的低聚合度糖[1]。由于人體胃腸道沒(méi)有水解低聚糖的酶系統(tǒng)，因此低聚糖不被消化吸收而直接進(jìn)入大腸內(nèi)，優(yōu)先被雙歧桿菌等益生菌所利用，是雙歧桿菌、乳酸菌的有效增殖因子，由于具有眾多獨(dú)特的生理功效，故也稱(chēng)為功能性低聚糖。食物經(jīng)人體胃腸道消化吸收后所剩殘留物到達(dá)結(jié)腸，在有害細(xì)菌胞外酶的作用下會(huì)形成多種有毒有害代謝產(chǎn)物，包括氨、胺、苯酚、吲哚、次級(jí)膽汁酸等肝毒素和致癌物質(zhì)，從而對(duì)人體健康產(chǎn)生一系列不良影響。腸道益生菌能優(yōu)先以功能性低聚糖為發(fā)酵底物，產(chǎn)生大量的乙酸、丙酸、乳酸等短鏈脂肪酸和抗生素物質(zhì)，從而抑制有害微生物的生長(zhǎng)繁殖[2]。近年來(lái)，隨著研究的深入，功能性低聚糖越來(lái)越多的生理功能被挖掘出來(lái)；同時(shí)也隨著人們生活水平的提高，防范于未然的健康意識(shí)日益提高，進(jìn)一步推動(dòng)低聚糖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[3-5]。目前，日本是世界上主要生產(chǎn)和運(yùn)用低聚糖的國(guó)家，自上世紀(jì)90年代以來(lái)，日本功能性低聚糖市場(chǎng)日趨成熟，年消費(fèi)量逐漸增加，除了直接作為保健品或保健品功能性成分外，還廣泛應(yīng)用于食品加工中[6]。本文就主要功能性低聚糖的制備方法及其生理功能進(jìn)行簡(jiǎn)要論述，以增進(jìn)對(duì)功能性低聚糖制備方法及生理功能的認(rèn)識(shí)。1功能性低聚糖制備功能性低聚糖與其他生物活性物質(zhì)相似，最初都是從天然產(chǎn)物中提取分離，隨著應(yīng)用研究領(lǐng)域的擴(kuò)大，也為了滿(mǎn)足市場(chǎng)需求和適應(yīng)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的需要，針對(duì)不同低聚糖的結(jié)構(gòu)性質(zhì)差異，發(fā)明了多種人工和生物合成的方法[7]，極大地促進(jìn)低聚糖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。1.1天然產(chǎn)物中提取自然界中有少數(shù)植物含有天然的功能性低聚糖。例如，洋蔥、大蒜、芒殼、天門(mén)冬、菊苣、洋薊含有低聚果糖，大豆中含有大豆低聚糖；鷹嘴豆中含有α-低聚半乳糖。天然存在的低聚糖不僅數(shù)量有限，而且由于物質(zhì)成分復(fù)雜，分離純化比較困難，制備成本高，限制了大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。大豆低聚糖是從大豆籽粒中提取的可溶性寡糖的總稱(chēng)，包括水蘇糖、棉籽糖、蔗糖等。傳統(tǒng)工業(yè)化生產(chǎn)大豆低聚糖是以制造大豆?jié)饪s蛋白的副產(chǎn)物大豆乳清為原料[8]；采用超濾法或膜集成方法經(jīng)除乳清蛋白，活性炭脫色、脫鹽精制、真空濃縮等步驟得到低聚糖漿，再經(jīng)噴霧干燥得到大豆低聚糖粉末?？紤]到大豆乳清來(lái)源較少，工藝復(fù)雜等因素，有研究人開(kāi)發(fā)新的工藝路線(xiàn)：大豆→提取豆油→分離大豆低聚糖→大豆分離蛋白或多肽，實(shí)現(xiàn)了大豆的綜合利用。棉籽糖主要存在于棉籽籽粒中，由于棉籽中含有棉酚，從棉籽中提取棉籽糖需對(duì)其進(jìn)行脫毒處理，采用高濃度乙醇和石油醚兩次溶劑浸出法同時(shí)脫毒和取油，成功分離出棉籽糖[9]。以寶塔菜、毛葉地筍、中藥地黃或大豆種子等為原料，經(jīng)水提、除雜脫色、濃縮干燥制得水蘇糖。從天然產(chǎn)物中獲取低聚糖的方法存在產(chǎn)量低，成本高等缺點(diǎn)，而且提取過(guò)程中使用大量的化學(xué)試劑，產(chǎn)品的安全性存在一定的隱患。1.2人工合成人工合成低聚糖的方法主要包括高分子量多糖降解；酶法合成兩大類(lèi)，其中多糖降解又包括酸法水解和控制性酶法水解；相比從天然產(chǎn)物中提取分離，人工方法大大提高生產(chǎn)效益和產(chǎn)品的安全性。1.2.1多糖降解由于天然存在的低聚糖含量少，難以大量提取分離，而天然存在的多糖如淀粉、纖維素、殼聚糖等多糖天然資源豐富且利用率較低，通過(guò)控制性酶解或酸解與酶解聯(lián)用，將天然多糖轉(zhuǎn)化為低聚糖，具有巨大的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。殼聚糖又稱(chēng)脫乙酰甲殼素，廣泛存在于海洋貝殼類(lèi)動(dòng)物中。采用控制性酸水解或生物酶降解法可以將殼聚糖轉(zhuǎn)化為低聚殼聚糖[10]；以木質(zhì)纖維類(lèi)物質(zhì)如玉米芯、稻殼、甘蔗渣等富含木聚糖為原料[11]，在內(nèi)切木聚糖和β-木糖苷復(fù)合酶系作用下，生產(chǎn)低聚木糖；另外，以低聚木糖在稀硫酸中進(jìn)行沸水浴同樣可以制得低聚木糖，，但由于反應(yīng)條件較劇烈，通常產(chǎn)物中都含有大量的單糖，并且有些單糖會(huì)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為其它物質(zhì)，如糠醛等，因此與酶法制備相比，產(chǎn)物選擇性較差且伴有較多副產(chǎn)物。以天然菊粉為原料，微生物產(chǎn)混合酶系分離純化內(nèi)切菊粉酶制備菊粉低聚糖[12]。以淀粉為原料，在α-淀粉酶的作用下液化，液化淀粉在α-淀粉酶繼續(xù)作用下生成麥芽糖，麥芽糖通過(guò)α-葡萄糖苷酶的轉(zhuǎn)苷作用生成了低聚異麥芽糖[13]。1.2.2酶法合成酶法合成是低聚糖生產(chǎn)中應(yīng)用最廣、最為高效可行的方法。目前市場(chǎng)上大多數(shù)的低聚糖產(chǎn)品都是采用該方法制得。以高濃度葡萄糖漿為底物，通過(guò)α-葡萄糖轉(zhuǎn)苷酶催化發(fā)生α–葡萄糖基轉(zhuǎn)移反應(yīng)生產(chǎn)低聚異麥芽糖[14]；以蔗糖為原料，采用固定化酶法進(jìn)行連續(xù)反應(yīng)，將高濃度蔗糖溶液在50°C~60°C下以一定速率流過(guò)固定化酶柱，利用β–果糖轉(zhuǎn)移酶進(jìn)行一系列轉(zhuǎn)移反應(yīng)而獲得低聚果糖。該法連續(xù)性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、操作穩(wěn)定性好、能反復(fù)使用、利用率高；以乳糖和蔗糖(1:1)為原料，在果糖基轉(zhuǎn)移酶β–呋喃果糖苷酶作用下，將蔗糖分解產(chǎn)生果糖基轉(zhuǎn)移到乳糖還原性末端C1位羥基上，生成低聚乳果糖；日本Yakult公司以高濃度乳糖作原料，用β–半乳糖苷酶催化乳糖水解，同時(shí)將催化水解出一個(gè)半乳糖殘基或葡萄糖殘基轉(zhuǎn)移到另一個(gè)乳糖或葡萄糖或半乳糖分子上制得低聚半乳糖；通過(guò)固定化微生物產(chǎn)α–葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶作用，可以將85%以上蔗糖轉(zhuǎn)化成異麥芽酮糖[15]；以麥芽糖為底物，在α-葡萄糖苷酶作用下，反應(yīng)初期生成主要產(chǎn)物海藻糖[16]，但隨反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)低聚麥芽糖逐漸增多；以可溶性淀粉為底物時(shí)，在α-淀粉酶和葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶中加入熱穩(wěn)定性的脫支酶能大大提高藻糖的得率。以乳糖和果糖溶液為底物，采用游離的、固定化的β-半乳糖苷酶作為催化劑，合成乳酮糖。以環(huán)糊精和蔗糖為原料，加入環(huán)糊精葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶生產(chǎn)耦合糖。1.3生物合成來(lái)源于微生物的專(zhuān)一性酶類(lèi)被廣泛的應(yīng)用于控制性酶法降解或酶法合成低聚糖生產(chǎn)中；利用某些微生物發(fā)酵作用或采用基因工程的方法改造某些微生物，生產(chǎn)低聚糖也逐漸被開(kāi)發(fā)出來(lái)。利用基因重組技術(shù)，將低聚殼聚糖合成酶基因(NodC)轉(zhuǎn)移至大腸桿菌質(zhì)粒中獲得重組大腸桿菌，進(jìn)行高密度培養(yǎng)，可以用于生產(chǎn)低聚殼聚糖；將Erwiniarhapontic中的蔗糖異構(gòu)化酶基因轉(zhuǎn)移至煙草中，從而將煙草中大量的蔗糖轉(zhuǎn)化為異麥芽酮糖。以半乳糖醇為底物，利用醋酸桿菌系或葡萄糖酸菌系生物轉(zhuǎn)化作用可以將半乳糖醇轉(zhuǎn)化為塔格糖。2功能性低聚糖生理功能功能性低聚糖的非消化性使得在人體消化道不被消化吸收，因此不作為產(chǎn)能物質(zhì)，是肥胖和糖尿病患者的理想食品。造成人齲齒的突變鏈球菌等口腔微生物不能以功能性低聚糖為底物，攝食功能性低聚糖不但不會(huì)引起齲齒，而且可作為消化性糖類(lèi)的替代物添加于食品中起到防齲齒的作用。功能性低聚糖的益生效果能夠有效促進(jìn)腸道有益菌群的優(yōu)先增殖，產(chǎn)生多種短鏈脂肪酸、抗生素等抑菌物質(zhì)，抑制外源致病菌和腸道固有腐敗菌的生長(zhǎng)繁殖，從而減少有毒發(fā)酵產(chǎn)物及胞外酶對(duì)機(jī)體損害，減輕肝臟分解毒素的負(fù)擔(dān)，起到保護(hù)肝臟的功能[5]。這是其益生作用的綜合效應(yīng)之一，此外，由于低聚糖直接作用或有害菌與益生菌此消彼長(zhǎng)還會(huì)導(dǎo)致一系列對(duì)人體有益的效果[17]。2.1降低血清膽固醇、降血壓臨床試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，攝入低聚糖可降低血清膽固醇水平[18]，包括雙歧桿菌、乳酸菌及其發(fā)酵制品也能降低血清總膽固醇水平、提高女性血清高密度脂蛋白膽固醇占總膽固醇的比率[19]。血清膽固醇水平的降低被認(rèn)為是腸道菌群平衡改變的結(jié)果，體外研究結(jié)果表明，人體腸道內(nèi)12株固有嗜酸乳桿菌可吸收膽固醇，此外，嗜酸乳桿菌2056菌株能抑制小腸壁對(duì)膽固醇微胞的吸收。雙歧桿菌代謝產(chǎn)生煙酸的能力與血清膽固醇的水平的下降也存在一定的關(guān)系。對(duì)高膽固醇小鼠的試驗(yàn)結(jié)果表明，雙歧桿菌通過(guò)影響β-羥基-β-甲基戊二酸單酰輔酶A還原酶的活性，控制膽固醇的合成從而降低血清膽固醇的含量[20]。2.2增強(qiáng)機(jī)體免疫力、抗衰老和防癌功能性低聚糖增強(qiáng)動(dòng)物機(jī)體的免疫功能的機(jī)理包括以下5個(gè)方面[21]：(1)與某些毒素、病毒和真核細(xì)胞的表面結(jié)合而作為這些外源抗原的佐劑，能減緩抗原的吸收時(shí)間增加抗原的效價(jià)；(2)含甘露糖的寡糖通過(guò)刺激肝臟分泌能與甘露糖結(jié)合的蛋白而影響免疫系統(tǒng)；(3)甘露寡糖能夠刺激輔助性T淋巴細(xì)胞分泌IL-2和γ-干擾素(IFN-γ)；(4)寡糖可以提高胃腸道中IgA抗體水平,激活胃腸道粘膜免疫從而提高機(jī)體免疫力；(5)寡糖的營(yíng)養(yǎng)作用,如維生素合成增加，礦物質(zhì)微量元素吸收增加，營(yíng)養(yǎng)因素是機(jī)體免疫的重要影響因子。大量研究表明，功能性低聚糖不僅能夠提高機(jī)體體液免疫功能，還能改善細(xì)胞免疫功能。飼料中添加功能性低聚糖能不同程度地提高仔豬血清中的IgA、IgG和IgM水平；提高雞外周血T淋巴細(xì)胞總數(shù)和NK細(xì)胞活力，調(diào)節(jié)IL-2、TNF-α等細(xì)胞因子的釋放。通過(guò)益生作用，腸道菌群構(gòu)成改善，雙歧桿菌、乳酸桿菌總數(shù)提高而腸道腐敗菌總數(shù)下降，抑制致癌物質(zhì)的產(chǎn)生，同時(shí)雙歧桿菌及其代謝產(chǎn)物激活了免疫功能[22]，也能抑制癌細(xì)胞的增殖，動(dòng)物研究結(jié)果表明，乳酸菌及雙歧桿菌的抗癌作用歸功于細(xì)胞、細(xì)胞壁成分、胞外分泌物使機(jī)體免疫提高[23-26]。體內(nèi)體外實(shí)驗(yàn)同時(shí)也證明，多種乳酸菌株具有清除自由基、螯合金屬離子、具有還原能力、抑制脂質(zhì)氧化和提高抗氧化酶活性等抗氧化活性[27]。2.3促進(jìn)維生素合成、提高礦物質(zhì)的生物消化率功能性低聚糖作為益生元，是雙歧桿菌的有效增殖因子。雙歧桿菌在人體腸道內(nèi)能自然合成多種B族維生素，如維生素B1、B2、B3、B6、B11、B12。雙歧桿菌在發(fā)酵乳制品中將乳糖部分轉(zhuǎn)化為乳酸，改善乳糖不耐受人群的牛奶過(guò)敏反應(yīng)，同時(shí)通過(guò)乳酸增加可溶性鈣的含量，使乳制品更容易消化吸收。益生菌在腸道內(nèi)增殖代謝產(chǎn)生的有機(jī)酸使內(nèi)環(huán)境pH下降，提高鈣、鐵等礦物質(zhì)的溶解性、保持其還原性，促進(jìn)機(jī)體消化吸收。參考文獻(xiàn)[1] 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