王建彬，李俊霖，郭傳莊，王松江，隋松森

諸城東曉生物科技有限公司（濰坊 261000）

近年來，隨著物質的逐漸豐富以及生活水平的不斷提高，人們對于健康的飲食習慣越發(fā)重視。低糖、低脂肪、低熱量且具有一定功能性的食品受到越來越多的人們的青睞。功能性甜味劑是近年來受到廣泛關注的一種功能性食品，其甜度與蔗糖相似，但是其能量遠低于同等量的蔗糖。功能性甜味劑不僅是熱量低，還具有多種生物學功能，例如海藻糖可以保護蛋白質、細胞等免受干燥等極端環(huán)境的損壞[1]；D-阿洛酮糖可以有效降低血糖[2]；木糖醇能夠預防齲齒，改善肝臟功能等[3]。目前，功能性甜味劑可分為三大類，包括功能性單糖、功能性低聚糖和多元醇類甜味劑。其中，功能性單糖中的稀有糖是近些年的研究熱點。

稀有糖，被國際稀有糖協(xié)會（International Society of Rare Sugar，ISRS）定義為：自然界中極少量存在的一類單糖及其衍生物。其中，D-塔格糖、D-阿洛酮糖、D-阿洛糖、海藻糖、L-系列糖和木糖醇等稀有糖因其具有良好的理化特性及生物學功能，被廣泛應用于甜味劑添加、醫(yī)藥行業(yè)、保健食品以及日用化工等領域[4-5]。

1 D-塔格糖

1.1 D-塔格糖的理化特性

D-塔格糖（D-tagatose）是一種具有還原性的己酮糖，為D-果糖的差向異構體，也是D-半乳糖的酮糖異構體。因D-塔格糖具有還原性，加熱后易發(fā)生美拉德反應。D-塔格糖的甜度可達蔗糖的92%，是美國食品與藥物管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）批準的5種低能量甜味劑中口感、甜度和蔗糖最為相似的一個。但能量僅為等量蔗糖的30%左右，是理想的蔗糖替代品[6-7]。此外，D-塔格糖易溶于水，吸濕性較低。

1.2 D-塔格糖的來源及生產

D-塔格糖最早發(fā)現(xiàn)于一種熱帶長青植物生物樹膠中?，F(xiàn)在，在加熱過的牛奶、奶粉、奶酪等奶制品中也有發(fā)現(xiàn)D-塔格糖的存在[8]。D-塔格糖的生產主要有兩種方式，即化學法和生物合成法。化學法因其生產成本高，反應劇烈不易控制且產物成分復雜等缺陷限制了其應用。因此，生物合成法是目前D-塔格糖的主要生產方法。生物合成法生產D-塔格糖主要有3種方式：一是以果糖作為原料，先生成D-阿洛酮糖，再經微生物的作用轉化生成D-塔格糖；二是以D-半乳糖醇作為原料，在半乳糖醇還原酶的作用下氧化生成D-塔格糖；三是以D-半乳糖作為原料，通過L-阿拉伯糖異構酶的作用生成D-塔格糖，這一生產方式僅需一步即可完成，且其原料成本低廉，反應條件溫和[9-11]，因此是D-塔格糖最具有優(yōu)勢的生產方式。其中，反應過程中溫度和pH是控制的關鍵因素。另外，《Nature》雜志2019年有報道稱，伊利諾伊大學Liu等通過基因改造獲得一株可以直接利用乳糖代謝合成D-塔格糖的酵母菌，D-塔格糖的產量高達37.69 g/L，且反應液中D-塔格糖和半乳糖的比例達到9∶1，相對于傳統(tǒng)的酶反應法具有明顯優(yōu)勢。另外，Liu等以低廉的乳糖為原料，通過微生物的代謝轉化生產D-塔格糖，實現(xiàn)了更高的產出率，為塔格糖的高效規(guī)?；a提供了新的思路，為D-塔格糖的廣泛應用提供了可能[12]。

1.3 D-塔格糖的生物學功能

D-塔格糖作為一種理想的蔗糖替代品，不僅應用于食品行業(yè)，在醫(yī)藥行業(yè)也有很多的應用。Buemann等[13]報道顯示，D-塔格糖可以有效地減少肥胖和糖尿病的發(fā)生。Lu等[14]研究表明，D-塔格糖對Ⅱ型糖尿病有顯著的治療效果。另外，Donner等[15]的研究發(fā)現(xiàn)，D-塔格糖能夠減輕體重，提高高密度脂蛋白膽固醇的量，并且在血糖控制和其他生化指標的測定中無不良影響。Lu等[16]和的報道顯示D-塔格糖可以改變齦下菌群，阻止牙菌斑生長甚至消除牙菌斑，進而有效抑制齲齒、牙齦病和牙周炎等口腔疾病，還具有潔齒的功效。

2 海藻糖

2.1 海藻糖的理化特性

海藻糖（trehalose），又稱蕈糖，是由兩個葡萄糖分子經α,α-1, 1鍵連接而成的非還原性雙糖，其理化性質十分穩(wěn)定，不會與蛋白質和氨基酸等物質發(fā)生美拉德反應。海藻糖的甜度相當于蔗糖的45%，且口感爽口，安全無毒，可在體內被降解為葡萄糖而被吸收利用。海藻糖可以在水中溶解，且溶解度受溫度影響很大，溫度越高其溶解度越大，90 ℃時溶解度為602.9 g/L。另外，常見的二水結晶海藻糖沒有吸濕性，常被用于食品保護劑，很好地解決了肉制品、水產品、水果和蔬菜等農副產品在加工和運輸過程中的保鮮問題。

2.2 海藻糖的來源及生產

海藻糖于1832年由Wiggers首次從黑麥的麥角菌中提取出來。后來，在低等植物、無脊椎動物和微生物中均有發(fā)現(xiàn)海藻糖的存在。目前海藻糖的生產方式主要有3種：微生物抽提法、微生物發(fā)酵法和酶轉化法。微生物抽提法即從動物、植物以及微生物的體內提取出海藻糖。該方法耗時長，成本高，制備海藻糖效率低，一直未被工業(yè)化使用。微生物發(fā)酵法是利用微生物的生長代謝產生海藻糖，然后從菌體發(fā)酵液中分離純化出海藻糖，但存在著菌體發(fā)酵液成分復雜，海藻糖含量不高，分離純化工藝困難等缺陷。酶轉化法是以葡萄糖、麥芽糖以及淀粉為原料，加入相應酶系，制備海藻糖的方法。該方法操作簡便，快捷，產物成分不復雜，方便海藻糖分離純化，目前屬于制備海藻糖的研究熱點。其中，封金云等[17]以多酶復配法制備海藻糖，轉化率已高達75%。

2.3 海藻糖的生物學功能

隨著對海藻糖研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)海藻糖是一種應激性糖，其在生物體內含量的高低與生物體所處的環(huán)境密切相關[18]。例如，正常生長狀態(tài)下的酵母，其胞內海藻糖含量很少，當環(huán)境溫度升高后，胞內海藻糖含量隨之增加。有研究表明，酵母細胞會因熱休克積累大量的海藻糖，在恢復正常生長溫度后立即降解消耗，進行活躍的代謝活動。細胞對周圍高溫環(huán)境的耐受程度與胞內海藻糖的含量呈正相關性[19]。不僅如此，即使是高滲透壓、干旱、高鹽堿等惡劣環(huán)境中海藻糖仍可以保護蛋白質和生物膜等菌體結構。2000年7月份《Nature》的海藻糖專文中曾稱贊海藻糖為“生命之糖”，海藻糖的存在與否關系著很多生命的生存或死亡[20]。近年來，各國均有學者將海藻糖合酶基因導入農作物，提高農作物應對干旱、鹽堿等不利生存環(huán)境的能力，取得了良好的效果[21]。

海藻糖因其具有較高的玻璃化轉化溫度，常被用作凍干保護劑，且效果顯著。報道顯示，海藻糖在菌體凍結的過程中，可以有效降低冰晶的形成，穩(wěn)定菌體結構中的磷脂雙分子層和膜蛋白結構[22-23]。另外，Sampedro等[24]通過試驗證實，海藻糖還可以保護細胞膜酶-ATP酶的活性。因為海藻糖優(yōu)良的穩(wěn)定性，在醫(yī)藥方面，海藻糖可用于活細胞及移植器官的保護劑，并且具有護肝、降血糖的功能，還可以避免維生素、抗生素、疫苗、抗血清等物質的失活。美國加利福尼亞大學Wolkers等[25]報道稱海藻糖可有效保護細胞內的血小板，加入海藻糖凍干后保存的血小板在使用時的存活率高達85%，而傳統(tǒng)血庫中血小板保存5 h就會失活。英國劍橋Quadrant公司與世界衛(wèi)生組織合作，在小兒麻痹癥疫苗的干燥過程中加入海藻糖，以此來解決疫苗由生產地到使用地長途運輸中的冷凍問題[26]。海藻糖在藥物傳遞中還可以充當良好的輔料，對于骨質疏松癥、干燥癥、亨廷頓神經性舞蹈病等都有一定的輔助治療作用[27-28]。

此外，海藻糖的低齲齒性使其在糖果、巧克力、口香糖和牙膏等產品中也有廣泛使用。

3 D-阿洛酮糖

3.1 D-阿洛酮糖的理化特性

D-阿洛酮糖（D-allulose），又稱D-核糖-2-已酮糖，是D-果糖C-3位上的差向異構體，屬于稀有糖的一種。常見的D-阿洛酮糖為白色粉末狀晶體，不易吸潮，極易溶于水，室溫環(huán)境下，在水中的溶解度為291 g/L。另外，D-阿洛酮糖的甜度為蔗糖的70%，其熱量僅為蔗糖的10%左右，是一種理想的低熱量蔗糖替代物。

3.2 D-阿洛酮糖的來源及生產

阿洛酮糖首次從狹霉素C即阿洛酮糖腺苷中分離得到。在自然界中，小麥和弗吉尼亞鼠刺等植物中也有少量D-阿洛酮糖的存在。另外，日常生活中，人們常見的加熱過的咖啡或者果汁中也含有少量的D-阿洛酮糖。目前，D-阿洛酮糖的制備主要有兩種方法：化學合成法和生物合成法。化學合成法即使用化學催化劑利用D-果糖合成D-阿洛酮糖，或者利用1, 2, 4, 5-二-O-異亞丙基-β-D-吡喃果糖合成，也可以將乙醇和三乙胺加熱合成D-阿洛酮糖?；瘜W合成法存在的弊端較多，例如產物提取困難、副產物多、反應過程中產生化學污染等，一直未能被推廣使用。因此，生物催化法合成D-阿洛酮糖受到學者的廣泛關注。近年來，多種不同來源的酮糖3-差向異構酶被不斷發(fā)現(xiàn)，其中，D-阿洛酮糖 3-差向異構酶（D-Psicose 3-epimerase，DPEase酶）對D-阿洛酮糖有較強的特異性，可高效催化D-果糖和D-阿洛酮糖之間的轉化，具有非常高的應用價值，也是目前D-阿洛酮糖的制備的研究熱點。Park等[29]將從根癌農桿菌中得到的DPEase酶表達基因克隆轉入大腸桿菌并進行菌株誘變，最終獲得突變株在40 min后可將700 g/L的D-果糖轉化為230 g/L的D-阿洛酮糖，轉化率為33%（W/W），生產速率為345 g/（L·h），相對于之前報道的D-阿洛酮糖的轉化率及生產率有非常大的提高。

3.3 D-阿洛酮糖的生物學功能

研究人員發(fā)現(xiàn)，D-阿洛酮糖能夠抑制D-葡萄糖和D-果糖的吸收，提高胰島素敏感性，進而減少體內脂肪的堆積。另外，D-阿洛酮糖還可以通過增加脂肪的氧化，同時減少碳水化合物的氧化來減輕脂肪量。因此，D-阿洛酮糖可以有效地預防肥胖癥和Ⅱ型糖尿病[30]。Inda等[31]通過人體的口服D-阿洛酮糖試驗證實D-阿洛酮糖可有效地抑制血糖的升高，與此同時，D-阿洛酮糖還能夠增加肝葡萄糖的利用率。此外，D-阿洛酮糖可以抑制前炎性細胞活性，因此具有抗炎的作用，還具有清除活性氧（reactive oxygen species，ROS）能力以及通過提高細胞內谷胱甘肽含量保護神經的作用[32]。Murao等[33]研究表明D-阿洛酮糖可以通過抑制單核細胞趨化蛋白-1（MCP-1）的表達對動脈粥樣硬化有治療效果。

4 L-阿拉伯糖

4.1 L-阿拉伯糖的理化特性

L-阿拉伯糖（L-arabinopyranose），又稱L-樹膠醛糖、果膠糖，是一種五碳醛糖，易溶于水，口味與蔗糖類似，其甜度約為蔗糖的50%。L-阿拉伯糖分子結構中含有醛基，具有還原性，可與蛋白質、氨基酸發(fā)生美拉德反應。近年來L-阿拉伯糖的反應型香精研究越來越多，利用L-阿拉伯糖與各種氨基酸發(fā)生美拉德反應，產生的香精揮發(fā)性風味化合物香氣柔和，豐富，為終端產品添加有更自然、飽滿的香氣[34]。另外，章銀良等[35]通過試驗證實，L-賴氨酸和D-阿拉伯糖的美拉德反應物不僅可以用于食品的著色和增香，還有助于預防體內多種自由基損傷引起的疾病，具有保健功能。

4.2 L-阿拉伯糖的來源及生產

L-阿拉伯糖最初是在阿拉伯膠中分離得到的，在自然界中廣泛存在于植物中，含量較高的有玉米皮、麥糠、壓榨過的甜菜等。通常情況下，L-阿拉伯糖與其他單糖結合，以半纖維阿拉伯聚糖、阿拉伯糖基木聚糖等雜多糖的形式存在于自然界中，比如細菌多糖、植物的膠質、半纖維素等。游離形式的L-阿拉伯糖僅出現(xiàn)在發(fā)酵食品中，比如豆面醬、米酒等。目前L-阿拉伯糖的生產方式主要有3種：酸堿水解法、酶解法和化學合成法。酸堿水解法主要是利用酸或堿將植物組織中以雜多糖形式存在的L-阿拉伯糖進行降解，生成單糖形式的L-阿拉伯糖釋放出來，然后經分離純化得到高純度的L-阿拉伯糖。酶解法生產L-阿拉伯糖即為使用酶制劑催化L-阿拉伯糖雜多糖的水解，然后從水解液中提取L-阿拉伯糖。含有L-阿拉伯糖的水解液一般成分復雜，含有多種糖，分離困難。近年來，國內外眾多學者將生化技術引入到L-阿拉伯糖的分離提取中，篩選特定微生物發(fā)酵代謝消耗水解液中的D-木糖，從而得到L-阿拉伯糖的高濃度溶液，然后進一步結晶提取高純度L-阿拉伯糖。例如，Kusakabe等[36]使用酵母菌發(fā)酵代謝消耗掉混合水解液中的D-木糖，從而得到L-阿拉伯糖的高濃度溶液。Morimoto等[37]用微生物代謝吸收水解液中的其他單糖，從而達到純化L-阿拉伯糖的目的。單純的化學合成法，往往步驟復雜且原料較貴，一直無法規(guī)?；I(yè)應用。所以，目前的L-阿拉伯糖主要是通過植物提取獲得。

4.3 L-阿拉伯糖的生物學功能

L-阿拉伯糖作為一種應用廣泛的功能性甜味劑，其生物學功能主要有以下幾個方面。L-阿拉伯糖不能被人體吸收利用，而且可以有選擇地抑制蔗糖酶的活性，進而減少腸道內蔗糖的吸收和利用，從而達到降低血糖和減肥的功效。Preuss等[38]報道稱，L-阿拉伯糖可使試驗鼠機體內脂肪生成酶活性、三酰甘油酯含量以及表皮脂肪組織重量等多個指標顯著下降。由于在體內獨特的代謝特點，即不增加胰島素負擔，調節(jié)機體糖、脂代謝及控制體質量，L-阿拉伯糖可以有效改善病人體內胰島素抵抗（Insulin Resistance，IR），有助于Ⅱ型糖尿病、心腦血管病和代謝綜合征等相關疾病的臨床防治[39]。日本厚生省將L-阿拉伯糖列為“調節(jié)血糖的專用特殊保健食品添加劑”，美國的醫(yī)療協(xié)會也同意將L-阿拉伯糖加入“抗肥胖的營養(yǎng)補充劑或非處方藥”。另外，劉秋晨等[40]、楊子明等[41]研究表明，L-阿拉伯糖對便秘試驗鼠有較好的潤腸通便作用。王成福等[42]研究發(fā)現(xiàn)L-阿拉伯糖對灌喂醉酒小鼠顯著的解酒效果，且在灌喂酒前喂食L-阿拉伯糖更具有預防醉酒的效果。在醫(yī)學方面，L-阿拉伯糖是一種重要的醫(yī)藥中間體，可以用來合成抗癌、抗病毒和治療心血管疾病的藥物，還可以作為醫(yī)藥賦形劑和填充劑，用于止咳糖漿、片劑等不同劑型的藥品中。另外，在蟲害防治方面，Hu等[43]報道稱L-阿拉伯糖對煙粉虱2，3，4齡若蟲及成蟲成活率有抑制作用。黃翠虹等[44]通過試驗證實L-阿拉伯糖對煙粉虱有殺蟲活性，能夠抑制煙粉虱的生長發(fā)育并提高其死亡率。

5 結語與展望

隨著生活水平和保健意識的逐漸提高，人們對于甜味劑的要求也會越來越高。D-塔格糖、海藻糖、L-阿拉伯糖和D-阿洛酮糖等功能性甜味劑具有與傳統(tǒng)甜味劑相近的口感，且無副作用，甚至具有保健功能，都是理想的蔗糖替代品。另外，2000年10月美國食品與藥物管理局（FDA）授予海藻糖和L-阿拉伯糖為普遍公認安全食品（Generally Recognized as Safe，GRAS），批準其進入食品各領域。2001年9月，歐盟批準海藻糖在其范圍內使用。2001年，D-塔格糖被FDA確認為GRAS。2014年D-阿洛酮糖被FDA認證為安全（GRAS），并可作為膳食補充劑應用于食品、醫(yī)藥等領域。2008年，中華人民共和國國家衛(wèi)生健康委員會（原衛(wèi)生部）批準L-阿拉伯糖可以作為新資源食品，可用于除嬰兒食品以外的所有領域（2008年，第12號公告）。2014年，中華人民共和國國家衛(wèi)生健康委員會（原國家衛(wèi)生計生委）也發(fā)布了批準D-塔格糖成為食品原料，海藻糖按照普通食品管理的公告（國家衛(wèi)生計生委2014第10號，15號公告）。隨著國內外對這幾種稀有糖的安全性的認可，D-塔格糖、海藻糖、D-阿洛酮糖和L-阿拉伯糖得到迅速發(fā)展。目前，多數(shù)稀有糖因其生產工藝的限制，價格普遍較高，很大程度上影響了稀有糖的大規(guī)模應用，但這不能阻止稀有糖在各個領域中的廣闊的應用前景。稀有糖優(yōu)良的生物學功能，勢必引起越來越多的學者關注，其生產方式也會不斷地改進。另外，隨著發(fā)酵工程、酶工程、代謝工程、分子生物學工程等技術的高速發(fā)展，人們對稀有糖的認識將會不斷深入，稀有糖的功能和特性也將不斷地被發(fā)掘和利用。在不遠的將來，稀有糖定會成為人們生活中不可或缺的重要組成部分。