功能性低聚糖的生理功能及应用研究进展

2019-10-21台一鸿石良

食品安全导刊·下旬刊 2019年4期

台一鸿　石良

摘要：功能性低聚糖是由单糖通过糖苷键聚合而成的化合物，具有多种生理功能和广阔的应用前景。文章通过对相关专利及非专利的文献的研究，重点介绍了功能性低聚糖的生理功能，及其在食品、医药、饲料等领域的应用情况。

关键词：功能性低聚糖;生理功能;应用

低聚糖是指由2～10个单糖分子通过1种或几种糖苷键连接而成的低度聚合糖的总称，又称寡聚糖或寡糖，有普通低聚糖和功能性低聚糖两类。普通低聚糖如蔗糖、乳糖、麦芽糖等，可被机体消化吸收。功能性低聚糖如低聚木糖、低聚半乳糖等，不能被人体消化吸收，进入大肠后可被有益菌利用、能存进有益菌增殖、抑制有害菌。

1 几种功能性低聚糖的结构和特性

低聚果糖（Fructo-oligosaccharide），

又称蔗果低聚糖、寡果糖或蔗果三糖低聚糖，英文缩写为FOS，是由1～3个果糖基通过β-1，2糖苷键与蔗糖分子中的果糖基结合而形成的蔗果三糖、四糖、五糖等低聚糖的总称，甜度约为蔗糖的30%，甜味清爽，保湿性良好。

低聚异麦芽糖（Isomalto-oligosac-charides）又称异麦芽低聚糖、异麦芽寡糖或分枝低聚糖，英文缩写为IMO，是淀粉糖的一种，是葡萄糖分子之间通过至少1个α-1，6-糖苷键连接而成的低聚糖的总称，主要有异麦芽糖、异麦芽三糖、异麦芽四糖和潘糖，具有良好的耐热性和耐酸性，甜度为蔗糖的40%～50%，对水分的保持力很好。

低聚半乳糖（Galacto-oligosac-charides）是一种天然的功能性低聚糖，一般是由乳糖分子的半乳糖基与1～4个半乳糖分子通过β-1，4糖苷键连接而形成的寡糖类的混合物，英文缩写为GOS，甜度为蔗糖的20%～40%，口感清爽，热值低，黏度低，有较强的保湿性，对酸和热都有很强的稳定性。

低聚木糖（Xylo-oligosaccharides）又称木寡糖，是由2～7个木糖分子通过β-1，4糖苷键结合而成的功能性低聚糖，主要有木糖、木二糖、木三糖和三糖以上的木寡糖，英文缩写为XOS，甜度为蔗糖的35%，具有良好的酸、热稳定性，在酸性条件下加热至100℃也基本不分解，其选择性促进肠道双歧杆菌增殖的能力显著。

大豆低聚糖（Soybean-oligosaccharides）是一种广泛存在于豆科植物中的可溶性糖类的总称，由棉籽糖、水苏糖和蔗糖以一定比例组成，英文缩写为SBOS，甜度约为蔗糖的70%。其中棉籽糖是由半乳糖通过α-1，6糖苷键与蔗糖的葡萄糖基连接而成的三糖;水苏糖是由棉籽糖中的半乳糖通过α-1，6糖苷键与半乳糖连接而成的四糖。

功能性低聚糖的结构中α-1，4糖苷键的比例小，很大程度上不能被机体直接消化利用，这使得功能性低聚糖能够到达消化道的后半段，成为双歧杆菌等有益菌的可利用碳源，从而促进有益菌的增殖，因此功能性低聚糖也被称为双岐因子。

2 功能性低聚糖的生理功能

2.1 调节肠道菌群，改善肠道环境

肠道不仅能消化吸收营养物质，还是人体最大的贮菌库和内毒素池，具有重要的免疫作用。肠道的微生态健康关系着整个机体的正常运行。健康状态下，肠道内的有益菌是优势菌群，通过竞争性排阻抑制致病菌的增殖。而患病、饮食环境变化、施用抗生素等医疗手段都会引起肠道菌群失衡，导致病菌增多。致病菌通过其表面的植物凝集素识别并结合肠道内壁上皮细胞的“特异性糖类”受体，从而附着在肠内壁上生长繁殖、分泌毒素，进而导致肠道疾病的发生。

功能性低聚糖对肠道菌群的调节功能可以通过直接和间接作用实现。功能性低聚糖可直接与致病菌表面的植物凝集素结合，吸附致病菌。与功能性低聚糖结合后，致病菌失去了识别和结合肠内壁的能力，不能再结合到肠内壁上，也不能利用功能性低聚糖获得养分，最终导致死亡而被排出体外。功能性低聚糖还可以通过促进双歧杆菌等有益菌的增殖、抑制有害菌的途径，间接实现对肠道菌群的调节。双歧杆菌在肠道内增殖后，通过以下方式抑制致病菌、保护肠道[1]。①双歧杆菌能产生可与肠黏膜上皮细胞表面的糖蛋白相结合的凝集素，并以此与肠黏膜上皮细胞牢固结合，与其他厌氧菌一起占据肠道黏膜表面，形成一道生物屏障，阻止有害菌的定植和入侵。②双歧杆菌利用菌体内的酶发酵葡萄糖，产生有机酸，降低肠道内的pH值，有效抑制有害菌的生长繁殖。③双歧杆菌还能产生双歧杆菌抗菌素，通过抗菌素有效抑制某些有害菌的生长。

2.2 生成营养物质，促进营养吸收

功能性低聚糖到达大肠后被有益菌发酵分解，可产生蛋白质、B族维生素、K族维生素及矿物质离子等营养物质，同时还能产生大量的醋酸、丙酸、丁酸及乳酸等有機酸，降低肠道内的pH值，促进钙、镁、铁等矿物离子的溶解和吸收。通过有益菌的发酵，实现营养物质的生成与吸收。

2.3 清除有害物质，发挥抗氧化作用

功能性低聚糖能吸附霉菌毒素，形成毒素复合物，并排出体外，有效阻止毒素被肠道吸收，防止霉菌毒素引起中毒、致癌和降低免疫力等问题。功能性低聚糖还具有清除脂溶性自由基二苯基苦基肼的作用，能显著降低机体自由基水平[2]。车向荣[3]的等研究表明，低聚果糖、低聚异麦芽糖和甘露寡糖能提高超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）这两种抗氧化酶的活性。功能性低聚糖可通过降低体内自由基水平和提高抗氧化酶活性两个途径有效发挥抗氧化作用。

2.4 降低血糖和胆固醇

功能性低聚糖具有不依赖胰岛素的特点，因此高血糖和糖尿病症患者可以适量食用。Kaufhold J等[4]通过试验得出，低聚果糖能改善糖尿病动物的餐后血糖值。方敏[5]通过试验得出，功能性低聚糖可以保护胰岛素细胞，改善胰岛素的敏感性。

另外，功能性低聚糖能促进肠道中双歧杆菌的生长，双歧杆菌生长过程中所产生的代谢物能抑制人体内3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶的活性，抑制胆固醇的合成，降低血液中胆固醇和甘油三酯的含量[6-7]。

2.5 保护黏膜系统，调节机体免疫

黏膜系统集中了体内大半以上的淋巴组织和免疫细胞，是机体执行局部特异性免疫的重要场所，是机体免疫的第一道防线[8]。保护好黏膜系统就守住了健康的重要防线。功能性低聚糖可有效抑制有害菌粘附于黏膜上皮细胞。相关研究者[9]于2013年发现，低聚半乳糖能有效降低沙门氏菌和李斯特菌在肠道的附着力。另外，功能性低聚糖能够通过促进益生菌增殖间接保护肠道黏膜。肠道内的有益菌和活性酶能形成一道生物屏障——“菌体膜”，将排泄物和消化道隔离，防止有害菌和毒素侵害肠道黏膜。

功能性低聚糖还可以调节机体的免疫功能，提高体液和细胞的免疫能力。当机体受到病菌、病毒的袭击时，功能性低聚糖能与外来的病菌、病毒、毒素等结合，减缓抗原的吸收，增强抗原的效价，增强B淋巴细胞介导的体液免疫和T淋巴细胞介导的细胞免疫功能。

3 专利和非专利文献中功能性低聚糖的应用情况

功能性低聚糖因具有独特的理化特性和生理功能，主要被应用于食品、医药、饲料等领域。

3.1 食品领域

功能性低聚糖在食品领域的应用最广泛，可用于乳制品、面包、饼干、饮料、糖果、调味品、婴幼儿配方食品和酸奶冰激凌等多种食品中。

3.1.1 作为食品的有效或营养成分

功能性低聚糖可以优化奶粉功能，提高奶粉的营养，是婴幼儿和中老年人配方奶粉中重要的营养强化因子[10]。目前在我国婴儿配方乳粉中，应用最多的是低聚半乳糖和低聚果糖以及二者的组合。赵铭琪[11]等在体外研究了低聚半乳糖和低聚果糖的添加量及配比对双歧杆菌和嗜酸乳杆菌活菌数的影响，当二者比例为8∶2时，两种菌的活菌数均达到最大。

天津科技大学发明的一种富含双歧因子的儿童保健醋（专利号为：CN105886326B），添加了丰富的低聚木糖，其可促进双歧杆菌的增殖，调节肠道菌群，增加食醋的甜味，改善食醋口感，提高产品中氨基酸的含量，促进机体生成维生素B1、B2、B6、烟酸和叶酸等营养物质，促进钙等矿物质的吸收，提高儿童的免疫力，促进儿童生长。专利号CN100418575C公开了一种航天员用复合钙制剂、CN105581331B公开了一种补钙营养组合物，其均添加入了一定量的功能性低聚糖，在一定程度上提高了钙的吸收率，解决了由补钙引发的便秘、结石等问题。

3.1.2 作为特殊食品的甜味剂

功能性低聚糖由于具有水溶性、一定的甜度等糖类的共性，以及不易消化的特性，可应用于低热量食品、减肥食品中，其中纯度为95%的功能性低聚糖可用于糖尿病人的食品和防龋齿食品中。张丽君[12]研究了不同种类的功能性低聚糖在烘焙食品中的应用及差异。周清涛[13]论述了功能性低聚糖在糖果中的应用。

沈阳市粮油食品科学研究所公开了一种适合中老年人食用的营养保健饼干（专利号CN104041553B），用低聚果糖代替蔗糖作为饼干的甜味剂，可有效降低饼干的总热量，还能够有效改善面团的流变性、控制产品水分、延长产品的货架期，并促进饼干中复合矿物质和维生素的吸收。

3.1.3 作为天然食品保鲜剂

功能性低聚糖的抗氧化活性、抗真菌活性和抑制细菌增殖等特性使其可被用作天然食品保鲜剂。祁岩龙[14]等研究了壳聚糖涂膜对甜瓜采后生理及品质的影响。刘弘[15]等研究了壳寡糖处理后翠冠梨果实的贮藏保鲜效果。刘豆豆[16]等研究了采前壳寡糖处理对杏果实贮藏品质的影响。范素琴[17]等研究了褐藻胶低聚糖在水产制品中的应用，利用褐藻酸钠和氯化钙的成膜特性，将其涂抹于肉的表层，可抑制微生物的生长和脂肪的氧化，延长贮存时间。

西南大学柑桔研究所的季堯虎等对低聚糖的抗菌活性进行了研究[18]，并发明了一种用柑橘皮制备抗真菌果胶低聚糖的方法（专利号：CN105506029B），将该方法制得的果胶低聚糖配制成低聚糖复合膜液用于柑橘保鲜，有助于延长柑橘果实贮藏时间。

3.1.4 食品领域其他用途

除上述用途外，功能性低聚糖还可与蛋白质结合用来制作微囊壁材。江南大学发明了一种番茄红素微胶囊（专利号：CN105077244B），并将其应用于提高牛奶的抗氧化稳定性（专利号：CN105638902B），其中微囊的壁材采用乳清分离蛋白与低聚果糖、低聚木糖经过美拉德反应制备而成。将上述微囊壁材与由番茄红素制备的芯材按一定比例混合，可制得番茄红素微胶囊，将其添加至牛奶中，可以提高牛奶的抗氧化稳定性。由于功能性低聚糖不易被人体直接吸收，故适合糖尿病患者食用，还可以降低血清中胆固醇和甘油三酯的含量，同時，糖基化反应能够在一定程度上抑制β-乳球蛋白的过敏反应特性。专利CN104531664B用益生元类糖制作安全稳定的壁材，包埋乳酸菌，提高了乳酸菌在人体胃肠道低酸、高胆盐环境中的存活率，并最终实现了肠道定位释放。

3.2 医药领域

梁丽心[19]对水苏糖进行了研究，指出水苏糖的加工稳定性好，吸水力强，粘度高，可作为药物的赋形剂，另外水苏糖能减少纤维原细胞中κ-弹性蛋白酶的合成、分泌，降低皮肤细胞间透明质酸和弹性蛋白的水解，维持皮肤弹性，可应用于抗衰老医药品。

如广州立白企业集团有限公司公开了一种能调节皮肤微生态平衡的皮肤清洁剂组合物（专利号：CN103622901B），其将功能性低聚糖和益生菌代谢产物复配应用到皮肤清洁产品中，能够达到调节皮肤微生态平衡的效果。山东龙力生物科技股份有限公司发明了一种治疗痔疮的低聚木糖洗液（专利号：CN103006744B），该洗液中低聚木糖的作用是改善盲肠末端肛门处的微生态环境，促进有益菌群增殖同时抑制部分病原菌。

库拉培（苏格兰）有限公司的专利CN102596205B公开了将不易消化的寡糖用于治疗银屑病。文献中还提到，不易消化的寡糖具有抗增生特性，并可依此特性将其应用于治疗由细胞过度增生引起的疾病。

3.3 饲料领域

功能性低聚糖在饲料中的作用主要有抑制病原菌、增殖有益菌，提高动物免疫力、保护肠道健康及降低粪便中氨气等有害气体的产生等。王发明[20]等通过研究发现，将功能性低聚糖应用于仔猪饲料中，有利于提高仔猪肠道乳酸菌的多样性。李桂伶[21]指出，将半乳甘露聚糖添加至犬饲料中，能促进犬对营养物质的消化吸收。

专利CN105412803B公开了一种治疗家禽腺胃炎的药物组合物，在家禽饲料中加入低聚木糖，能减少有毒代谢产物的生成，减轻肝脏分解毒素的负担，有效增强家禽免疫力，并促使机体生成维生素B1、B2、B6、B12、烟酸和叶酸等多种营养物质，提高饲料利用率，提高动物生产性能。将功能性低聚糖添加到动物饲料中，能够调节动物的肠道菌群平衡，防止腹泻，提高动物的生长速度。该领域正迅速发展，具有较好的前景。

3.4 其他领域

舟山光大检测研究院有限公司发明了一种用于处理含油污水的固定化微生物菌剂（专利CN105695445B），材料包括海藻酸钠、CaCl2、纳米二氧化硅、复合磷酸盐以及低聚木糖，其中低聚木糖可使细菌细胞壁上的肽聚糖与水分子之间形成的氢键减少，通过静电和范德华力的作用，提高细菌与海藻酸钠的相互作用，从而使细菌的固定更加稳固。

4 结语

我国对低聚糖的研究发展势头强劲，北京市、山东省、江西省及江苏省等地均有生产厂家，产品广泛应用于食品、医药、饲料等领域。目前，对功能性低聚糖的研究不仅局限于其双歧因子的功能，在抗癌、抗病毒等方面的作用也越来越得到广泛的认可。随着对功能性低聚糖的细胞识别、信息传递等功能和机制的深入研究，其应用将得到更大的发展。

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