覃 懿 黃芳毅　柳　春　藍　麗

功能性低聚糖的生產(chǎn)及應(yīng)用進展

覃 懿 黃芳毅柳春藍麗

（中國科技開發(fā)院廣西分院，廣西 南寧 530022）

功能性低聚糖（寡糖），屬于直鏈或支鏈的低度聚合糖，是由2～10個單糖通過糖苷鍵連接形成。功能性低聚糖包括常見的水蘇糖、棉籽糖、異麥芽酮糖、乳酮糖、低聚果糖、低聚木糖、低聚半乳糖、低聚異麥芽糖、低聚異麥芽酮糖、低聚龍膽糖、大豆低聚糖、低聚殼聚糖等。功能性低聚糖具有腸道調(diào)節(jié)與保護、血糖與血壓調(diào)節(jié)、提高免疫功能等功效，文章通過對功能性低聚糖基本特性、主要生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)廠家、市場應(yīng)用等進行綜述，以期為今后功能性低聚糖的進一步研究開發(fā)提供參考。

功能性低聚糖；生產(chǎn)；應(yīng)用進展

引言

功能性低聚糖是一種應(yīng)用面廣的新型生理活性物質(zhì)，可廣泛應(yīng)用在營養(yǎng)與保鍵、疾病診斷與防治、畜牧養(yǎng)殖、植物生長及抗病等方面，備受市場的關(guān)注。功能性低聚糖大部分都能夠從天然的原料中提取的來，但因含量太低或在自然界分布分散，造成收集成本高，現(xiàn)代工業(yè)故多使用生物酶法來制取，其生產(chǎn)原料主要采用糖類，如蔗糖、淀粉等。其中代表性功能品種有乳果糖、低聚乳果糖、低聚果糖、低聚木糖、大豆低聚糖、低聚龍膽糖等，這些物質(zhì)都具有較好地促進腸道雙歧桿菌增殖作用、難以被人體腸道消化吸收、保持口腔衛(wèi)生，可預(yù)防齲齒的產(chǎn)生等良好的生理功能。

開展功能性低聚糖研究和產(chǎn)品研發(fā)從20世紀90年代開始，最早進行研發(fā)的國家是日本[1]。歐洲各國在繼日本之后，研究機構(gòu)與生產(chǎn)部門對功能性低聚糖的開發(fā)熱情日漸升溫。目前世界低聚糖市場份額中，日本占有較大的份額。目前各種功能性低聚糖已廣泛應(yīng)用于不同的食品加工中，如糖果、乳品、飲料、糕點等產(chǎn)品的生產(chǎn)。我國科研機構(gòu)與生產(chǎn)企業(yè)對功能性低聚糖的機理研究及產(chǎn)品開發(fā)是以蔗糖為原料制取低聚果糖和以淀粉為原料制取低聚異麥芽糖；其它功能性低聚糖，如大豆低聚糖、低聚甘露糖、低聚乳果糖等也研制開發(fā)成功。

功能性低聚糖研究與生產(chǎn)已需利用基因工程技術(shù)、蛋白質(zhì)工程技術(shù)、糖工程技術(shù)等現(xiàn)代生物學(xué)研究技術(shù)方法與手段，涉及到醫(yī)學(xué)、化工等其他學(xué)科，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、飼料、農(nóng)業(yè)各領(lǐng)域[2]。目前市場化產(chǎn)品較多，且在研的相關(guān)品種豐富，形成了百億級美元的功能食品市場及功能飼料市場，且年增長速度達到兩位數(shù)的增長，市場前景預(yù)測優(yōu)秀，已成為一個具有重要市場、衛(wèi)生、健康價值的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

1　功能性低聚糖基本特性

功能性低聚糖（寡糖）（functionaloligosaccharide），屬于直鏈或支鏈的低度聚合糖，是由2～10個單糖分子通過糖苷鍵連接形成，常見的水蘇糖、棉籽糖、異麥芽酮糖、乳酮糖、低聚果糖、低聚木糖、低聚半乳糖、低聚異麥芽糖、低聚異麥芽酮糖、低聚龍膽糖、大豆低聚糖、低聚殼聚糖等都屬于該類型低聚糖。該類低聚糖較蔗糖在口感、濕度穩(wěn)定性、粘度、溶解度、酸穩(wěn)定性方面都具有較好的優(yōu)勢，且因功能性低聚糖甜度僅為蔗糖甜度的30%～60%，目前作為食品原料，大量用于替代蔗糖的食品調(diào)味料。其顯著的生理功能如下[3]。

（1）因人體酶系統(tǒng)無法分解、消化功能性低聚糖，人體攝入功能性低聚糖后，無法或較難消化與吸收。利用該特性，在食品加工過程中作為甜味劑，可滿足如糖尿病人、肥胖病患者等不宜攝入高糖成分人群的需要。功能性低聚糖為低分子、水溶性的膳食纖維，人體每天平均攝入3 g即可滿足身體需求。

（2）功能性低聚糖是腸道內(nèi)有益菌（如雙歧桿菌）的增殖因子，功能性低聚糖攝入人體后于腸道被雙歧桿菌及某些乳酸菌利用，可在腸道內(nèi)促進維生素B1、維生素B2、維生素B6、維生素B12、葉酸、煙酸等營養(yǎng)物質(zhì)的合成，保障了腸道內(nèi)維生素的供應(yīng)并促進有益菌群，如雙歧桿菌的增殖。

（3）雙歧桿菌利用功能性低聚糖發(fā)酵時，可生產(chǎn)數(shù)量較多的短鏈脂肪酸，對腸道的刺激、糞便濕潤度的增加、腸道滲透壓維持的作用明顯，也具備一定的防止腸道功能紊亂及抑制腸道中有害病菌和致病菌的作用。

（4）突變鏈球菌不能利用功能性低聚糖，將功能性低聚糖應(yīng)用于口腔保潔保健方面，可對非水溶性葡聚糖的合成及在牙齒上的附著起到較強抑制作用，從而阻止齒垢的形成，具有較好防治齲齒的作用。

（5）功能性低聚糖的采用對降低人體血清膽固醇、改善人體脂質(zhì)代謝具有一定作用。既往研究表明，腸道中雙歧桿菌數(shù)比例與人體心臟舒張壓高低具備較明顯負相關(guān)性，攝于一定量的功能性低聚糖具有降低血壓的生理功效。

（6）功能性低聚糖的攝入可引起雙歧桿菌細胞、細胞壁成分和胞外分泌物的增多，引發(fā)免疫細胞活性增強，促進分泌腸道免疫蛋白A(IgA)漿細胞，從而殺滅人體有害細菌和病毒，清除病變的細胞，具有提高機體免疫功能和抗癌的作用，防止病程的發(fā)生及惡化。

2　功能性低聚糖的主要生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)廠家

2.1　低聚果糖

“低聚果糖”又名“寡果糖”或“蔗糖三糖族低聚糖”，平常的水果、食用蔬菜中均可收集[4]。商品型的低聚果糖產(chǎn)品是葡萄糖、蔗糖、GF2、GF3、GF4的混合體，典型產(chǎn)品有非精制糖漿產(chǎn)品G型（普通型，含量55%的低聚果糖）與精制純化粉型產(chǎn)品P型（高純度型，含量95%的低聚果糖）兩種。低聚果糖G和P的甜度分別為蔗糖的60%和30%，但它們均保持了蔗糖良好的甜味特性。低聚果糖具備難消化性和對雙歧桿菌的滋養(yǎng)的作用，兼?zhèn)溆斜＝」δ芎褪称放淞系奶匦訹4]，具有低熱值、防齲齒、促雙歧桿菌增殖、降血糖、改善人體血清脂質(zhì)、促進機體微量元素吸收等優(yōu)良生理功能，可對人體微生態(tài)平衡進行雙向調(diào)節(jié)，被確認為“優(yōu)良的難消化性水溶性膳食纖維”[4]。

低聚果糖因?qū)Υ龠M雙歧桿菌的代謝，提高其活性，抑制有害菌繁殖具有正面作用，是目前日常飲食中效果最好的雙歧桿菌生長活性劑，大量的研究證據(jù)表明在攝入適量的低聚果糖可較大增加（5～10倍以上）腸道內(nèi)雙歧桿菌的數(shù)量，并同時減少有害細菌，兼達到潤腸通便的效果，從而在第三代保健食品生產(chǎn)之中大量應(yīng)用[4]。

生產(chǎn)低聚果糖的原料主要以蔗糖和菊粉為主，生產(chǎn)蔗果低聚糖與水果低聚糖[5]。利用色譜分離去雜技術(shù)去除蔗糖與果糖，可獲取高純度產(chǎn)品。目前以酶技術(shù)生產(chǎn)為主，主要生產(chǎn)工藝為糖液富集→回流→異構(gòu)化酶柱→色譜分離→濃縮→冷卻→結(jié)晶→離心分離→洗滌→干燥→篩分→成品。日本明治制果（Meiji SeikaKaisha）、法國的Besnin Sac、韓國的CheilFoods and Chemicals（韓國）公司等國際企業(yè)主要以蔗糖作為主要原料生產(chǎn)低聚果糖；ORAFTI公司、比利時的Cosucra公司等國際企業(yè)以菊粉為主要原料生產(chǎn)低聚果糖[5]。目前國內(nèi)低聚果糖產(chǎn)能居首位的公司是廣東江門量子高科生物有限公司，其生產(chǎn)的低聚果糖市場份額約占到整體的67%，生產(chǎn)能力大概10000 t，云南天元健康食品有限責(zé)任公司產(chǎn)能約為3000 t；張家港梁豐公司產(chǎn)能約為1000 t。

2.2　低聚木糖

“低聚木糖”（Xy1o-oligosaccharides）又名“木寡糖”，其由通過β（1-4）糖苷鍵結(jié)合的2～8個木糖分子形成的功能性聚合糖，其中有效成分為聚合度2～5個木糖分子的組成部分，外觀呈淡黃色粉末狀，甜度值約是蔗糖的50%。

低聚木糖可添加在低pH值的飲料中，如乳酸型飲料、醋型飲料等，生物穩(wěn)定性較好，不會產(chǎn)生分解，不影響產(chǎn)品口感與生物效果，可長期保存；在不破壞原有食品的風(fēng)味前提下，較同效物質(zhì)的添加量小，增效明顯；在焙烤的過程，對產(chǎn)品水分保持及面團流變特性的改變，作用顯著；在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用方面，施用低聚木糖栽培農(nóng)作物,其果實產(chǎn)量、生長速度和抗病性提升作用明顯；利用低聚木糖的表面活性特性，在醫(yī)藥生產(chǎn)與使用中，廣泛用于吸附腸道有毒物質(zhì)及病原菌，提高機體抗病力，激活免疫系統(tǒng)。在國外低聚木糖優(yōu)良的生理功能已引起消費人群的重點關(guān)注，其相關(guān)產(chǎn)品年需求量不斷提升，如日本，總體需求量已達1500 t[5]。

采用高溫酶糖化與膜集成分離提純技術(shù)，以玉米芯、作物秸稈與樺木為生產(chǎn)原料進行低聚木糖生產(chǎn)，是目前主要技術(shù)手段及途徑。高純度低聚木糖生產(chǎn)關(guān)鍵核心技術(shù)為選用適宜生產(chǎn)的木聚糖酶系，再利用克隆技術(shù)對木聚糖酶系進行改造，酶系效價的提高從而提升低聚木糖的生產(chǎn)效率。利用Tomoy2a工程菌可制作嗜熱脂肪芽孢桿菌的木聚糖酶與β2木糖苷酶的克隆基因，在大腸桿菌中實現(xiàn)表達，其中2種基因亦可同時表達，也可分別單獨表達。野口等研究人員利用紙漿漂白用的芽孢桿菌木聚糖酶工藝技術(shù)制備低聚木糖；荒木等研究人員利用用產(chǎn)堿桿菌（Alcaligenes）生產(chǎn)的β21,32木聚糖酶工藝技術(shù)制備低聚木糖。Pat rice等[6]研究人員用梭狀芽孢桿菌（Clost ri di um）的木聚糖酶工藝技術(shù)從玉米芯制備低聚木糖。目前主要生產(chǎn)企業(yè)有山東龍力生物科技股份有限公司、山東豐原中科生態(tài)有限公司、江蘇康維有限公司及日本三得利公司等。目前國內(nèi)主要生產(chǎn)工藝采用《低聚木糖行業(yè)標準》（QBT 2984－2008）以及《飼料添加劑低聚木糖國家標準》（GBT 23747－2009）。

2.3　低聚異麥芽糖

低聚異麥芽糖（Isomaltose，IMO）（中文別名：異麥芽低聚糖、異麥芽寡糖、分枝低聚糖）[7]其主要成分是通過α-1和6糖苷鍵結(jié)合的葡萄糖分子，所形成的異麥芽糖、異麥芽三糖、潘糖及四糖以上的低聚糖混合物。低聚異麥芽糖分為糖粉與糖漿類型，其中糖粉為無定型粉末，甜味柔，無異味，無可見雜質(zhì)。一般成品異麥芽低聚糖呈現(xiàn)為白色粉末狀，帶有淡甜味，口感較綿軟；糖漿亦呈無色或淺黃色，透明性粘稠型液體，無異味，亦無可見雜質(zhì)。

低聚異麥芽糖（IMO）功能性的主要成分分別有異麥芽糖、異麥芽三糖、潘糖，其主要生理功能為促進人體內(nèi)的雙歧桿菌顯著增殖（雙歧桿菌生長促進因子）[7]，具有水溶性、熱值低、防齲齒等特性，是一種應(yīng)用廣泛的功能性低聚糖。利用其有效的促進人體內(nèi)有益細菌-雙歧桿菌的生長繁殖的機體作用，并經(jīng)多年臨床應(yīng)用與食品加工的結(jié)果表明，雙歧桿菌具有較好的保健功能，市場上以“雙歧桿菌促進因子的低聚異麥芽糖”的產(chǎn)品關(guān)注度較其他產(chǎn)品要高，市面上異麥芽低聚糖產(chǎn)品主要宣傳功能，也重點定位在“養(yǎng)腸保健品”[7]，其中低聚異麥芽糖含量高低反映了產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，也對產(chǎn)品的價格和應(yīng)用前景有明顯的影響[7]。

低聚異麥芽糖的生產(chǎn)途徑分為以下幾種：（1）利用高濃度的葡萄糖溶液，在糖化酶（glucoamylase）逆合作用下，生成異麥芽糖、麥芽糖等低聚糖。但是采用該生產(chǎn)途徑，會存在IMO存在產(chǎn)率低、產(chǎn)物復(fù)雜、生產(chǎn)周期長的情況，故工業(yè)化大生產(chǎn)難以推廣；（2）以淀粉為生產(chǎn)原料，首先制備高濃度葡萄糖漿底物，再利用a-葡萄糖轉(zhuǎn)昔酶催化一葡萄糖基轉(zhuǎn)移反應(yīng)工業(yè)技術(shù)，從而生成低聚異麥芽糖。其具體的生產(chǎn)流程為：淀粉→噴射液化→β-淀粉酶糖化→α-葡萄糖苷轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)化→脫色→離子交換→真空濃縮或噴霧干燥→成品。低聚異麥芽糖產(chǎn)品是所有低聚糖同類產(chǎn)品中市場產(chǎn)銷量最大的品種，其生產(chǎn)代表企業(yè)為山東保齡寶生物技術(shù)股份有限公司，市場份額占有率近70%[8]。

2.4　低聚半乳糖

低聚半乳糖（Galactooligosaccharides，GOS）是半乳糖或葡萄糖分子通過連接1-7個半乳糖基［Gal-(Gal)n-Glc/Gal（n為0～6）］，其生物活性天然屬性明顯，哺乳動物的乳汁中存在少量GOS，人母乳中GOS與其對比，相對含量較高。其中新生兒腸道發(fā)育不全，消化功能比較薄弱，需要通過逐步構(gòu)建有利于腸道功能的雙歧桿菌有益菌群，該過程需較大程度要依賴母乳中的GOS 成分；另一面低聚半乳糖又是人體腸道有益菌（雙歧桿菌、嗜酸乳酸桿菌）的優(yōu)質(zhì)營養(yǎng)源和高效增殖因子，可大幅改善人體腸道的消化吸收功能[9]，所以市售的嬰幼兒奶粉中多添加了低聚半乳糖的營養(yǎng)成分，比如“YumYum奶粉”含有的低聚半乳糖，不斷地改善幼兒的消化功能，并促進幼兒體內(nèi)鈣的吸收，同時增強幼兒免疫力。

低聚半乳糖甜味較純正，熱值較低（7.1 J/g），甜度僅為蔗糖20%～40%，保濕性強；熱穩(wěn)定性好（ph=7），100℃下加熱1小時或120℃下加熱30分鐘后，低聚半乳糖無任何分解。利用低聚半乳糖同蛋白質(zhì)共熱時的美拉德反應(yīng)，可以應(yīng)用于面包、糕點等的加工。

在半乳糖苷酶作用下，以高濃度乳糖做底物，利用半乳糖基轉(zhuǎn)移活性，采用水解工藝，將乳糖分解成半乳糖和葡萄糖，再利用乳糖結(jié)構(gòu)中半乳糖基一側(cè)，通過化學(xué)反應(yīng)結(jié)合1～4個分子，從而制備低聚半乳糖。目前市面上低聚半乳糖的主要生產(chǎn)廠家分別是日本的Ya KnitHosha、Nissin制糖公司、Snow Brand奶制品公司，其總產(chǎn)量占據(jù)較大量的市場份額。

3　功能性低聚糖的市場應(yīng)用

利用功能性低聚糖良好的功腸道調(diào)節(jié)與保護、血糖與血壓調(diào)節(jié)、提高免疫功能等功用與生理活性，將其應(yīng)用在疾病診斷與防治、營養(yǎng)與保鍵、植物生長及抗病、畜牧養(yǎng)殖等領(lǐng)域，已發(fā)展成為一個重要產(chǎn)業(yè)和工業(yè)原料。根據(jù)各種功能性低聚糖的生理活性，不同低聚糖有著其特定的應(yīng)用領(lǐng)域。根據(jù)北京東一信達公司“中國低聚糖市場研究報告”中所提供的數(shù)據(jù)，日本近年低聚糖年需求量達到100000 t，歐洲及美洲各國年需求量合計1200000 t，預(yù)測在將來10年內(nèi)，功能食品較普通食品所占的比例將達到25%～30%，將來在食品領(lǐng)域?qū)Φ途厶怯泻艽蟮男枨罅縖10]。

3.1　功能食品與飲料

功能性低聚糖對腸道、血糖調(diào)節(jié)及免疫增強作用，對開發(fā)功能食品與飲料具有較好的支撐作用。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全球人均每年功能飲料消費量較高，達到7 kg?？梢酝茢喑龉δ茱嬃稀⑷轱嬃鲜袌鲆?guī)模潛力龐大，功能性飲料和功能性乳飲料將引領(lǐng)新的飲料潮流，年銷售額及增長速率為百分之十幾[10]。

3.2 乳品市場

乳品中添加功能性低聚糖，可有效地調(diào)節(jié)生物體腸道菌群的結(jié)構(gòu)及比例平衡，可增進腸道優(yōu)勢菌群的生長增殖，緩解生物體產(chǎn)生的乳糖不耐受情況，有效預(yù)防出現(xiàn)的便秘與腹瀉癥狀，進而提升機體的免疫能力，顯效性較顯著。據(jù)已發(fā)表研究數(shù)據(jù)及文獻報道，從2009年到現(xiàn)今，全球乳品市場的年需求量在以年均3%的增量實現(xiàn)正增長。其中乳制品出口國新西蘭和美國等幾個主要國家的乳品出口總量就占到全球乳品出口量的六成以上，且將隨著新興發(fā)展國家消費能力逐步提升而有所增加，該類市場已具備重要的市場發(fā)展?jié)摿?，也將會占?jù)全球牛奶消費總量的大部分。隨著未來人口、人均收入及新興發(fā)展國家的增長，市場對牛奶的消費將呈現(xiàn)大幅增長[10]。

3.3　飼料行業(yè)

我國飼料工業(yè)已成為世界第二大生產(chǎn)大國。受市場發(fā)展需求的催動以及全球畜牧生產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)的不斷提高，以及人們對肉類消耗單位數(shù)量的增加，有數(shù)據(jù)預(yù)測，人均肉制品消費量會較現(xiàn)有水平將會以2%的年增速度進行正增長，特別是豬肉和禽肉。隨著對綠色養(yǎng)殖的倡導(dǎo)及推廣，以及對抗生素等藥物的限制使用要求及規(guī)定，低聚糖會越來越廣泛的被應(yīng)用到動物保健品和飼料工業(yè)中[11]。

3.4　農(nóng)業(yè)調(diào)節(jié)劑及生物農(nóng)藥

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用功能性低聚糖作為作物生產(chǎn)的調(diào)節(jié)劑，通過功能性低聚糖完成對調(diào)控作物的生長發(fā)育具有較顯著的促進作用；添加功能性低聚糖的農(nóng)業(yè)調(diào)節(jié)劑及生物農(nóng)藥，成為新型的植物激素及植物抗性激活因子，在農(nóng)業(yè)應(yīng)用上的植保作用明顯[12]，預(yù)計在將來的農(nóng)作物生長發(fā)育、病蟲害防治工作中具有廣闊的開發(fā)前景和重要市場價值；使用功能性低聚糖作為生物化學(xué)肥料[13]，對土壤菌群結(jié)構(gòu)及形態(tài)促進作用強、提高化肥的利用率具有較好作用。

3.5　保健品市場

20世紀90年代以來，世界保健食品的銷售額每年以一定的速度增長。未來發(fā)展方向主要在于腸道調(diào)節(jié)、美顏、促吸收、減肥、提高免疫力類等功能性產(chǎn)品，這些產(chǎn)品將占據(jù)保健食品市場的大量份額。

4 結(jié)束語

綜上所述，隨著對功能性低聚糖的功能作用的深入研究與應(yīng)用，其對社會經(jīng)濟發(fā)展、人民生活品質(zhì)的提升、環(huán)境及健康的改善、食品安全具有重要作用，有效推動提倡自然、綠色、健康的消費潮流，具有較強的增長能力與市場額度，市場前景極為廣闊。

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Progress in Production and Application of Functional Oligosaccharides

Functional oligosaccharides (oligosaccharides) are linear or branched oligosaccharides, which are formed from 2-10 monosaccharides linked by glycosidic bonds. The functional oligosaccharides include stachyose, Raffinose, isomaltoose, lactose, fructooligosaccharides, xylo-oligosaccharides, galactooligosaccharides, isomaltose, isomaltolose, gentiooligosaccharides, soybean oligosaccharides, oligochitosan and so on. Functional oligosaccharides have the functions of regulating and protecting the intestinal tract, regulating blood glucose and blood pressure, improving immune function and so on. This paper summarizes the basic characteristics, main production processes, manufacturers and market applications of functional oligosaccharides, in order to provide references for the further research and development of functional oligosaccharides in the future.

functional oligosaccharides; production; application progress

TS24

A

1008-1151(2022)08-0039-04

2022-04-29

覃懿（1976－），男，中國科技開發(fā)院廣西分院工程師，研究方向為科技項目評估與管理。