低聚果糖研究及其在食品中的應(yīng)用
保齡寶生物股份有限公司配料市場(chǎng)部王聰龐明利楊海軍 摘要:低聚果糖是一種新型低熱值甜味劑及功能性食品重要的配料及營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑,它具有多種有益人體健康的生理功能,如改善腸道菌群的功能;低甜度、低熱量;改善脂質(zhì)代謝,降低血脂和膽固醇;產(chǎn)生有機(jī)酸,降低腸道pH,抑制腐敗,預(yù)防便秘;提高免疫力、抑制、預(yù)防腫瘤;抗齲齒;促進(jìn)鈣等礦物質(zhì)元素的吸收等。本文詳細(xì)介紹了低聚果糖的理化性質(zhì)及生理功能,詳細(xì)綜述了其制備、檢測(cè)方法及其近年來在食品中的應(yīng)用和未來的開發(fā)前景。 關(guān)鍵詞:低聚果糖,生理功能,制備,檢測(cè),應(yīng)用[1] 大量形式多樣的功能性食品已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)。他們中的許多人含有許多特色功能成分,如膳食纖維、低聚糖、糖醇、肽和蛋白質(zhì)、益生元、益生菌、植物化學(xué)物質(zhì)、反氧化劑和多不飽和脂肪酸[1]。在這些成分里面,益生元作為難消化食品配料能夠促進(jìn)宿主腸道內(nèi)某些益生菌的生長(zhǎng)從而利于宿主的健康[2,3]。 低聚果糖(Fructo-oligosaccharides,F(xiàn)OS)是由果糖分子通過 b-(2-1)糖苷鍵鏈接而成的短或中長(zhǎng)鏈寡糖[4]并且已經(jīng)被確定為益生元。低聚果糖不能夠被小腸消化吸收而是在大腸中選擇性的促進(jìn)腸道菌群中的益生菌的增殖[3,5]并且產(chǎn)生短鏈脂肪酸(SCFA),主要是乙酸、丙酸和丁酸[6,7]。低聚果糖作為組成組分被發(fā)現(xiàn)微量存在于水果,蔬菜,大麥,大蒜,蜂蜜,洋蔥,菊苣等等。在最近的幾十年中,人們對(duì)于低聚果糖的研究越來越多,低聚果糖的功能被逐漸發(fā)現(xiàn)。 1 低聚果糖的理化性質(zhì)及生理功能 低聚果糖是一種非還原性糖,具有良好的加工特性,如低聚果糖有較高的粘度、較強(qiáng)的保濕性、中性條件下較高的保存穩(wěn)定性以及較好的抑制淀粉老化的特性等。低聚果糖的其它一些物化性質(zhì)如溶解性、冰點(diǎn)和沸點(diǎn)、結(jié)晶點(diǎn)等都與蔗糖非常相似。幾類主要功能性寡糖的攝入量、味覺和其他物理性質(zhì)[8,9]見表1。 表1 功能性低聚糖的理化性質(zhì) 功能性寡糖種類低聚果糖低聚木糖低聚半乳糖低聚異麥芽糖 最小有效攝入量30.7210 日常攝取量5-200.7-1.48-1015-20 最大無作用量36-1890 甜度(以蔗糖100)30-605020-4030-50 甜味性質(zhì)清爽,不帶任何后苦味純正、類似蔗糖純正溫和 熱值1.53.41.7- 酸熱穩(wěn)定性pH=3時(shí),高于70℃極易分解很穩(wěn)定中性條件下耐熱性較好較強(qiáng) 著色性非著色性較蔗糖稍低,與氨基酸共存著色性比蔗糖好著色性高易著色 粘度較蔗糖高所有寡糖最低較低與蔗糖相近 水分活度略高于蔗糖比蔗糖低與蔗糖相似與蔗糖相似 保濕性很好良好極強(qiáng)優(yōu)良 1.2 生理功能 低聚果糖是典型的益生元,不但具有糖醇類似的功能,如預(yù)防齲齒、控血糖等,同時(shí)具有增殖雙歧桿菌的功能,經(jīng)常食用可以增強(qiáng)免疫力,這是大多數(shù)糖醇所不具備的。 1.2.1改善腸道菌群的功能 低聚果糖可以促進(jìn)雙歧桿菌、乳酸桿菌或者抑制多種有害菌株在人體或者動(dòng)物體內(nèi)的生長(zhǎng)通過老鼠[10],小豬[11]或者人類[12,13]的體外試驗(yàn)。對(duì)雙歧桿菌增殖的機(jī)制在于它不只是充當(dāng)碳源或營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),而且還可能參與了雙歧桿菌的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)和黏附作用。 1.2.2低甜度、低熱量 低聚果糖的甜度僅為蔗糖的1/3,在人體內(nèi)不被α-淀粉酶、蔗糖轉(zhuǎn)化酶和麥芽糖酶分解,不能作為能源被人體利用,不會(huì)使血糖值升高,每克低聚果糖中僅含6.3KJ的熱量。 1.2.3改善脂質(zhì)代謝,降低血脂和膽固醇 低聚果糖也被證明能夠影響肝脂質(zhì)的新陳代謝。老鼠的動(dòng)物試驗(yàn)表明:菊粉和低聚果糖通過降低餐后膽醇血癥和甘油三酯血癥的15%和50%來影響膽固醇和甘油三酯的水平[14,15]。 1.2.4產(chǎn)生有機(jī)酸,降低腸道pH,抑制腐敗,預(yù)防便秘 低聚果糖進(jìn)入大腸,被大腸內(nèi)的雙歧桿菌利用產(chǎn)生有機(jī)酸,主要是丁酸、丙酸等,降低了腸道的pH。Gibson對(duì)8名便秘患者每天口服低聚果糖15g,兩周后便秘緩解,給便秘者每天口服低聚果糖5-6g,4天后,80%的患者癥狀改善,便質(zhì)軟化,臭味減少。稻葉的研究表明,使用低聚果糖會(huì)使腸道中的腐敗物質(zhì)發(fā)吲哚,糞臭素等顯著降低[16]。 1.2.5提高免疫力 、抑制、預(yù)防腫瘤 大量的動(dòng)物試驗(yàn)結(jié)果表明,雙歧桿菌在腸道內(nèi)大量繁殖能夠起抗癌作用。這種抗癌作用歸功于雙歧桿菌的細(xì)胞、細(xì)胞壁成分和胞外分泌物使機(jī)體的免疫力提高。最近的研究報(bào)道中指出,低聚果糖食后直達(dá)大腸,在結(jié)腸中被大腸菌群發(fā)酵產(chǎn)生的丁酸可能預(yù)防化療的致癌作用或通過促進(jìn)結(jié)腸中的細(xì)胞分化來降低宿主的結(jié)腸癌風(fēng)險(xiǎn)[17,18]。除了丁酸,丙酸可以對(duì)結(jié)腸癌細(xì)胞有抗炎作用。 1.2.6抗齲齒 功能性低聚果糖不是口腔微生物的作用底物,也沒有菌體凝結(jié)作用,因而不會(huì)引起牙齒齲變。 1.2.7促進(jìn)鈣等礦物質(zhì)元素的吸收 在青少年人群中,日常飲食中經(jīng)常食用益生元比如低聚果糖能夠促進(jìn)Ca的吸收并且在青春期時(shí)能夠增加骨骼的礦物質(zhì)含量。低聚果糖能夠被定植在腸道的微生物發(fā)酵,從而使益生菌的數(shù)量增加,產(chǎn)生SCFA和氣體[19]。這些SCFA能夠降低腸道內(nèi)的pH并且能夠創(chuàng)造一個(gè)更有利于礦物質(zhì)溶解的酸性環(huán)境。另外,在飲食中添加低聚果糖的動(dòng)物試驗(yàn)已經(jīng)表明能夠增加盲腸的體積[20,21]。盲腸的擴(kuò)大能夠增加礦物質(zhì)在回場(chǎng)中的積累。 2 低聚果糖的制備 低聚果糖可以通過蔗糖或菊粉為底物制備得到。 2.1 以蔗糖為原料 以蔗糖為底物制備低聚果糖主要使用 β-D-果糖基轉(zhuǎn)移酶或 β-呋喃果糖苷酶。最常用的產(chǎn)酶菌種有Aspergillus niger,Aspergillusoryzae, Aureobasidium pullulans 和 Aspergillus japonicus。目前,黑曲霉產(chǎn)的果糖基轉(zhuǎn)移酶已被廣泛應(yīng)用,低聚果糖的最大產(chǎn)率可達(dá)55%~ 60%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。不同來源的β-D-果糖基轉(zhuǎn)移酶的轉(zhuǎn)苷能力相差并不大,以55%的蔗糖為底物時(shí),采用Aspergillusoryzae CFR202產(chǎn)的β-D-果糖基轉(zhuǎn)移酶,低聚果糖的得率54%,采用Aspergillus pullulans CFR 77產(chǎn)的β-D-果糖基轉(zhuǎn)移酶,低聚果糖的得率為56%[22]。 2.2 以菊苣為原料 以菊粉為底物制備低聚果糖主要采用內(nèi)切菊粉酶。在內(nèi)切菊粉酶水解菊粉的過程中,酶的純度對(duì)低聚果糖的得率和組成有較大影響。采用純化酶可使菊粉的水解率達(dá)到75%低聚果糖得率為70%,產(chǎn)物聚合度以2~8為主,而部分純化的酶由于其中含有少量外切酶使得低聚果糖的得率僅有50%,聚合度只有2~4[23]。大多數(shù)研究通常只使用一種來源的內(nèi)切菊粉酶,有研究顯示使用來自于 Xanthomonas sp和Pseudomonas sp的雙內(nèi)切酶系統(tǒng)能夠獲得更高的低聚糖得率[24]。 3 低聚果糖的檢測(cè)方法 3.1 高壓液相色譜法 目前檢測(cè)功能性寡糖的方法很多,高壓液相色譜法(HPLC)相對(duì)多些,其主要是利用寡糖的易溶特性,因此,在糖柱、氨基柱、凝膠柱上能達(dá)到較好的分離效果。HPLC 也在不斷的發(fā)展和完善中,例如 Hirotaka 等[25]將單糖和低聚糖進(jìn)行熒光素衍生后, 利用 HPLC 法檢測(cè)取得了較好的效果,也有人稱之為高壓液相柱前衍生化法[26]。HPLC 操作簡(jiǎn)便,易于掌握,測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確,重復(fù)性和再現(xiàn)性良好,適用于復(fù)雜食品基質(zhì)中寡糖含量的測(cè)定。例如, 傅博強(qiáng)等[27]用該法將三種低聚果糖(蔗果三糖、蔗果四糖、蔗果五糖)與復(fù)雜食品中的干擾成分如葡萄糖、蔗糖、乳糖、低聚異麥芽糖等糖類和其他雜質(zhì)在色譜柱上實(shí)現(xiàn)有效分離。該法可以滿足食品生產(chǎn)企業(yè)質(zhì)量控制和質(zhì)檢部門進(jìn)行市場(chǎng)監(jiān)管的需求。形成的檢測(cè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)將為食品營(yíng)養(yǎng)標(biāo)簽中功能性寡糖含量的標(biāo)示提供檢測(cè)依據(jù)。 3.2 氣相色譜法 氣相色譜分離檢測(cè)低聚糖具有高效、快速、靈敏度高、樣品用量小等優(yōu)點(diǎn)[27]。但因氣相色譜用氣體做流動(dòng)相,被分析樣品必須汽化后才能在柱上進(jìn)行分析。低聚糖沒有足夠的揮發(fā)性,測(cè)定時(shí)要預(yù)先將其制備成易揮發(fā)、對(duì)熱穩(wěn)定的衍生物。進(jìn)樣口的高溫有時(shí)會(huì)使其衍生物分解,甚至可被留在進(jìn)樣口上的殘留物催化。因此,氣相色譜法在檢測(cè)功能性低聚糖時(shí)有一定的限制[29]。 3.3 薄層分析法 薄層層析法成本低,速度快,不受試樣揮發(fā)性和熱穩(wěn)定性局限,但是它的測(cè)定誤差較大,不易進(jìn)行定量分析,只適用于低聚糖生產(chǎn)或試驗(yàn)研究的常規(guī)分析[28]。例如陳金玲等[29]研究建立了快速鑒定大蒜低聚果糖的薄層層析法,展開系統(tǒng)為正丁醇:異丙醇:水:乙酸=7:5:4:2,顯色劑為α-萘酚-硫酸,點(diǎn)樣量為0.4 μL,室溫下進(jìn)行4次展開,可把單糖至低聚七糖甚至八糖等各組分分開,斑點(diǎn)清晰,無拖尾,分離效果較好[30]。 4 低聚果糖在食品中的應(yīng)用 低聚果糖是一種天然活性物質(zhì),一般認(rèn)為攝入量不應(yīng)超過10克。攝入量過大,會(huì)引起腸道失調(diào);攝入量超過30克/天,有可能引起胃腸道脹氣;超過40克/天會(huì)導(dǎo)致腸道腫大;超過50克/天會(huì)出現(xiàn)痙攣和腹瀉的癥狀。對(duì)于一些FOS敏感的人群,比上述攝入量低時(shí)就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的胃腸道癥狀。據(jù)報(bào)道,乳糖不耐的人群在25克/天,就會(huì)出現(xiàn)胃腸道癥狀,所以乳糖不耐的人群要小心劑量,F(xiàn)OS攝入量最好不要超過10克/天。低聚果糖食用過量時(shí),因在大腸中造成局部高滲壓吸水而會(huì)引起腹瀉,不引起腹瀉的最大劑量重稱最大無作用量。在此量下時(shí)不會(huì)引起腹瀉的。低聚果糖的最大無作用量為每千克體重0.3-0.4克,以60千克體重的人來說,每天攝食18-24克以下,不至于引起腹瀉。低聚果糖可用營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑或作為功能食品,一般食用量為3-8克/日。 4.1 食品甜味劑 隨著食品工業(yè)的迅速發(fā)展,甜味劑的需求量越來越大,而低糖、低脂、低熱值的食品也越來越受到人們的歡迎。低聚果糖作為低熱值甜味劑在食品中廣泛地應(yīng)用于乳制品、酒類產(chǎn)品、飲料、糖果、糕點(diǎn)、冰淇淋、巧克力、調(diào)味品等。低聚果糖不只是作為甜味劑,同時(shí)也具有其他保健功能,比如在發(fā)酵乳制品中添加低聚果糖,其作為乳酸菌良好的增殖因子,有利于提高乳酸菌的數(shù)量及活力,增進(jìn)乳酸發(fā)酵食品的風(fēng)味,縮短發(fā)酵周期。在酒類產(chǎn)品中添加低聚果糖,可以防止酒中內(nèi)溶物沉淀,改善澄清度,提高酒的風(fēng)味,使其口感更醇厚、更清爽;在果味飲料和茶飲料中添加低聚果糖,可以使產(chǎn)品口味更細(xì)膩柔和、更清爽[31]。此外,菊糖是一種低聚果糖,其凝膠像奶油般柔滑,可用作脂肪替代物,具有預(yù)防齲齒、調(diào)節(jié)脂肪代謝、促進(jìn)雙歧桿菌增殖等功能。 4.2 功能性食品 隨著人們對(duì)健康、營(yíng)養(yǎng)、食品之間關(guān)系的了解,功能性食品越來越受到追捧。利用功能性寡糖的生理特性,廣泛開發(fā)了各種功能性食品:嬰幼兒食品、糖尿病患者食品、調(diào)節(jié)腸道功能保健食品、減肥食品、運(yùn)動(dòng)食品、冷凍食品和膳食補(bǔ)充劑等。對(duì)于糖尿病患者來說,膳食調(diào)理是最基本的治療措施。糖尿病患者食品中甜味劑的選擇尤其重要,由于功能性寡糖很難被人體消化,屬于無能量或低能量甜味劑,可滿足糖尿病患者的需要。在高鈣素等補(bǔ)鈣產(chǎn)品添加低聚果糖不但能夠改善口味,而且可以促進(jìn)鈣吸收,提高保健性能。 4.3 輔助藥品 高血脂患者連續(xù)食用低聚果糖,可降低膽固醇、中性脂肪、血糖值,并可抑制腸道內(nèi)沙門氏菌及腐敗菌的生長(zhǎng),改進(jìn)腸道功能,增進(jìn)人體健康。如低聚果糖可添加到腸胃藥物中,對(duì)腸胃炎療效顯著[32]。 5 展望 雖然我國(guó)寡糖產(chǎn)業(yè)起步較晚,但是進(jìn)步非常迅速。可是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)低聚果糖生產(chǎn)效率、生產(chǎn)工藝等方面還有很大差距,主要是產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重,有效組分相比國(guó)外產(chǎn)品還有一定差距、核心技術(shù)有所欠缺。低聚果糖的定量檢測(cè)已經(jīng)有很多方法,但針對(duì)的是低聚果糖原料糖漿、轉(zhuǎn)化糖產(chǎn)物等寡糖含量較高的樣品,對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)中形形色色的產(chǎn)品來說,沒有通用的檢測(cè)方法。另外,由于工業(yè)化生產(chǎn)使用的酶來源不同,各生產(chǎn)企業(yè)采用的生產(chǎn)工藝也存在一定的差別,造成了功能性寡糖組分種類和比例的復(fù)雜性,因此很有必要對(duì)檢測(cè)方法進(jìn)行規(guī)范[16]。 在功能性驗(yàn)證方面,雖然研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)對(duì)低聚果糖促進(jìn)人體腸道有益菌增殖,調(diào)整腸道微生態(tài),預(yù)防腸道感染,改善排便,促進(jìn)礦物元素吸收等方面已有比較充分的證據(jù)及結(jié)論。另外隨著市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)加劇,企業(yè)對(duì)低聚糖的功效性也越來越重視,在這方面的資金人力投入也會(huì)越來越多,但目前都停留在比較基礎(chǔ)的研究上,對(duì)改善脂質(zhì)代謝方面,例如降低膽固醇、降血糖、防高血壓等,研究結(jié)論則出現(xiàn)較大異義,而在抗腫瘤方面也只是處于動(dòng)物試驗(yàn)階段,缺少人體實(shí)驗(yàn),其機(jī)制尚不明確[16,33]。因此,功能性寡糖研究尚有大量課題有待進(jìn)一步闡明。 參考文獻(xiàn) [1] Stark A,Madar Z. 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