几种重要稀有糖的特性及研究进展

王建彬，李俊霖，郭传庄，王松江，隋松森

诸城东晓生物科技有限公司（潍坊 261000）

近年来，随着物质的逐渐丰富以及生活水平的不断提高，人们对于健康的饮食习惯越发重视。低糖、低脂肪、低热量且具有一定功能性的食品受到越来越多的人们的青睐。功能性甜味剂是近年来受到广泛关注的一种功能性食品，其甜度与蔗糖相似，但是其能量远低于同等量的蔗糖。功能性甜味剂不仅是热量低，还具有多种生物学功能，例如海藻糖可以保护蛋白质、细胞等免受干燥等极端环境的损坏[1]；D-阿洛酮糖可以有效降低血糖[2]；木糖醇能够预防龋齿，改善肝脏功能等[3]。目前，功能性甜味剂可分为三大类，包括功能性单糖、功能性低聚糖和多元醇类甜味剂。其中，功能性单糖中的稀有糖是近些年的研究热点。

稀有糖，被国际稀有糖协会（International Society of Rare Sugar，ISRS）定义为：自然界中极少量存在的一类单糖及其衍生物。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学功能，被广泛应用于甜味剂添加、医药行业、保健食品以及日用化工等领域[4-5]。

1 D-塔格糖

1.1 D-塔格糖的理化特性

D-塔格糖（D-tagatose）是一种具有还原性的己酮糖，为D-果糖的差向异构体，也是D-半乳糖的酮糖异构体。因D-塔格糖具有还原性，加热后易发生美拉德反应。D-塔格糖的甜度可达蔗糖的92%，是美国食品与药物管理局（Food and Drug Administration，FDA）批准的5种低能量甜味剂中口感、甜度和蔗糖最为相似的一个。但能量仅为等量蔗糖的30%左右，是理想的蔗糖替代品[6-7]。此外，D-塔格糖易溶于水，吸湿性较低。

1.2 D-塔格糖的来源及生产

D-塔格糖最早发现于一种热带长青植物生物树胶中。现在，在加热过的牛奶、奶粉、奶酪等奶制品中也有发现D-塔格糖的存在[8]。D-塔格糖的生产主要有两种方式，即化学法和生物合成法。化学法因其生产成本高，反应剧烈不易控制且产物成分复杂等缺陷限制了其应用。因此，生物合成法是目前D-塔格糖的主要生产方法。生物合成法生产D-塔格糖主要有3种方式：一是以果糖作为原料，先生成D-阿洛酮糖，再经微生物的作用转化生成D-塔格糖；二是以D-半乳糖醇作为原料，在半乳糖醇还原酶的作用下氧化生成D-塔格糖；三是以D-半乳糖作为原料，通过L-阿拉伯糖异构酶的作用生成D-塔格糖，这一生产方式仅需一步即可完成，且其原料成本低廉，反应条件温和[9-11]，因此是D-塔格糖最具有优势的生产方式。其中，反应过程中温度和pH是控制的关键因素。另外，《Nature》杂志2019年有报道称，伊利诺伊大学Liu等通过基因改造获得一株可以直接利用乳糖代谢合成D-塔格糖的酵母菌，D-塔格糖的产量高达37.69 g/L，且反应液中D-塔格糖和半乳糖的比例达到9∶1，相对于传统的酶反应法具有明显优势。另外，Liu等以低廉的乳糖为原料，通过微生物的代谢转化生产D-塔格糖，实现了更高的产出率，为塔格糖的高效规模化生产提供了新的思路，为D-塔格糖的广泛应用提供了可能[12]。

1.3 D-塔格糖的生物学功能

D-塔格糖作为一种理想的蔗糖替代品，不仅应用于食品行业，在医药行业也有很多的应用。Buemann等[13]报道显示，D-塔格糖可以有效地减少肥胖和糖尿病的发生。Lu等[14]研究表明，D-塔格糖对Ⅱ型糖尿病有显著的治疗效果。另外，Donner等[15]的研究发现，D-塔格糖能够减轻体重，提高高密度脂蛋白胆固醇的量，并且在血糖控制和其他生化指标的测定中无不良影响。Lu等[16]和的报道显示D-塔格糖可以改变龈下菌群，阻止牙菌斑生长甚至消除牙菌斑，进而有效抑制龋齿、牙龈病和牙周炎等口腔疾病，还具有洁齿的功效。

2 海藻糖

2.1 海藻糖的理化特性

海藻糖（trehalose），又称蕈糖，是由两个葡萄糖分子经α,α-1, 1键连接而成的非还原性双糖，其理化性质十分稳定，不会与蛋白质和氨基酸等物质发生美拉德反应。海藻糖的甜度相当于蔗糖的45%，且口感爽口，安全无毒，可在体内被降解为葡萄糖而被吸收利用。海藻糖可以在水中溶解，且溶解度受温度影响很大，温度越高其溶解度越大，90 ℃时溶解度为602.9 g/L。另外，常见的二水结晶海藻糖没有吸湿性，常被用于食品保护剂，很好地解决了肉制品、水产品、水果和蔬菜等农副产品在加工和运输过程中的保鲜问题。

2.2 海藻糖的来源及生产

海藻糖于1832年由Wiggers首次从黑麦的麦角菌中提取出来。后来，在低等植物、无脊椎动物和微生物中均有发现海藻糖的存在。目前海藻糖的生产方式主要有3种：微生物抽提法、微生物发酵法和酶转化法。微生物抽提法即从动物、植物以及微生物的体内提取出海藻糖。该方法耗时长，成本高，制备海藻糖效率低，一直未被工业化使用。微生物发酵法是利用微生物的生长代谢产生海藻糖，然后从菌体发酵液中分离纯化出海藻糖，但存在着菌体发酵液成分复杂，海藻糖含量不高，分离纯化工艺困难等缺陷。酶转化法是以葡萄糖、麦芽糖以及淀粉为原料，加入相应酶系，制备海藻糖的方法。该方法操作简便，快捷，产物成分不复杂，方便海藻糖分离纯化，目前属于制备海藻糖的研究热点。其中，封金云等[17]以多酶复配法制备海藻糖，转化率已高达75%。

2.3 海藻糖的生物学功能

随着对海藻糖研究的不断深入，人们发现海藻糖是一种应激性糖，其在生物体内含量的高低与生物体所处的环境密切相关[18]。例如，正常生长状态下的酵母，其胞内海藻糖含量很少，当环境温度升高后，胞内海藻糖含量随之增加。有研究表明，酵母细胞会因热休克积累大量的海藻糖，在恢复正常生长温度后立即降解消耗，进行活跃的代谢活动。细胞对周围高温环境的耐受程度与胞内海藻糖的含量呈正相关性[19]。不仅如此，即使是高渗透压、干旱、高盐碱等恶劣环境中海藻糖仍可以保护蛋白质和生物膜等菌体结构。2000年7月份《Nature》的海藻糖专文中曾称赞海藻糖为“生命之糖”，海藻糖的存在与否关系着很多生命的生存或死亡[20]。近年来，各国均有学者将海藻糖合酶基因导入农作物，提高农作物应对干旱、盐碱等不利生存环境的能力，取得了良好的效果[21]。

海藻糖因其具有较高的玻璃化转化温度，常被用作冻干保护剂，且效果显著。报道显示，海藻糖在菌体冻结的过程中，可以有效降低冰晶的形成，稳定菌体结构中的磷脂双分子层和膜蛋白结构[22-23]。另外，Sampedro等[24]通过试验证实，海藻糖还可以保护细胞膜酶-ATP酶的活性。因为海藻糖优良的稳定性，在医药方面，海藻糖可用于活细胞及移植器官的保护剂，并且具有护肝、降血糖的功能，还可以避免维生素、抗生素、疫苗、抗血清等物质的失活。美国加利福尼亚大学Wolkers等[25]报道称海藻糖可有效保护细胞内的血小板，加入海藻糖冻干后保存的血小板在使用时的存活率高达85%，而传统血库中血小板保存5 h就会失活。英国剑桥Quadrant公司与世界卫生组织合作，在小儿麻痹症疫苗的干燥过程中加入海藻糖，以此来解决疫苗由生产地到使用地长途运输中的冷冻问题[26]。海藻糖在药物传递中还可以充当良好的辅料，对于骨质疏松症、干燥症、亨廷顿神经性舞蹈病等都有一定的辅助治疗作用[27-28]。

此外，海藻糖的低龋齿性使其在糖果、巧克力、口香糖和牙膏等产品中也有广泛使用。

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），又称D-核糖-2-已酮糖，是D-果糖C-3位上的差向异构体，属于稀有糖的一种。常见的D-阿洛酮糖为白色粉末状晶体，不易吸潮，极易溶于水，室温环境下，在水中的溶解度为291 g/L。另外，D-阿洛酮糖的甜度为蔗糖的70%，其热量仅为蔗糖的10%左右，是一种理想的低热量蔗糖替代物。

3.2 D-阿洛酮糖的来源及生产

阿洛酮糖首次从狭霉素C即阿洛酮糖腺苷中分离得到。在自然界中，小麦和弗吉尼亚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，人们常见的加热过的咖啡或者果汁中也含有少量的D-阿洛酮糖。目前，D-阿洛酮糖的制备主要有两种方法：化学合成法和生物合成法。化学合成法即使用化学催化剂利用D-果糖合成D-阿洛酮糖，或者利用1, 2, 4, 5-二-O-异亚丙基-β-D-吡喃果糖合成，也可以将乙醇和三乙胺加热合成D-阿洛酮糖。化学合成法存在的弊端较多，例如产物提取困难、副产物多、反应过程中产生化学污染等，一直未能被推广使用。因此，生物催化法合成D-阿洛酮糖受到学者的广泛关注。近年来，多种不同来源的酮糖3-差向异构酶被不断发现，其中，D-阿洛酮糖 3-差向异构酶（D-Psicose 3-epimerase，DPEase酶）对D-阿洛酮糖有较强的特异性，可高效催化D-果糖和D-阿洛酮糖之间的转化，具有非常高的应用价值，也是目前D-阿洛酮糖的制备的研究热点。Park等[29]将从根癌农杆菌中得到的DPEase酶表达基因克隆转入大肠杆菌并进行菌株诱变，最终获得突变株在40 min后可将700 g/L的D-果糖转化为230 g/L的D-阿洛酮糖，转化率为33%（W/W），生产速率为345 g/（L·h），相对于之前报道的D-阿洛酮糖的转化率及生产率有非常大的提高。

3.3 D-阿洛酮糖的生物学功能

研究人员发现，D-阿洛酮糖能够抑制D-葡萄糖和D-果糖的吸收，提高胰岛素敏感性，进而减少体内脂肪的堆积。另外，D-阿洛酮糖还可以通过增加脂肪的氧化，同时减少碳水化合物的氧化来减轻脂肪量。因此，D-阿洛酮糖可以有效地预防肥胖症和Ⅱ型糖尿病[30]。Inda等[31]通过人体的口服D-阿洛酮糖试验证实D-阿洛酮糖可有效地抑制血糖的升高，与此同时，D-阿洛酮糖还能够增加肝葡萄糖的利用率。此外，D-阿洛酮糖可以抑制前炎性细胞活性，因此具有抗炎的作用，还具有清除活性氧（reactive oxygen species，ROS）能力以及通过提高细胞内谷胱甘肽含量保护神经的作用[32]。Murao等[33]研究表明D-阿洛酮糖可以通过抑制单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1）的表达对动脉粥样硬化有治疗效果。

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），又称L-树胶醛糖、果胶糖，是一种五碳醛糖，易溶于水，口味与蔗糖类似，其甜度约为蔗糖的50%。L-阿拉伯糖分子结构中含有醛基，具有还原性，可与蛋白质、氨基酸发生美拉德反应。近年来L-阿拉伯糖的反应型香精研究越来越多，利用L-阿拉伯糖与各种氨基酸发生美拉德反应，产生的香精挥发性风味化合物香气柔和，丰富，为终端产品添加有更自然、饱满的香气[34]。另外，章银良等[35]通过试验证实，L-赖氨酸和D-阿拉伯糖的美拉德反应物不仅可以用于食品的着色和增香，还有助于预防体内多种自由基损伤引起的疾病，具有保健功能。

4.2 L-阿拉伯糖的来源及生产

L-阿拉伯糖最初是在阿拉伯胶中分离得到的，在自然界中广泛存在于植物中，含量较高的有玉米皮、麦糠、压榨过的甜菜等。通常情况下，L-阿拉伯糖与其他单糖结合，以半纤维阿拉伯聚糖、阿拉伯糖基木聚糖等杂多糖的形式存在于自然界中，比如细菌多糖、植物的胶质、半纤维素等。游离形式的L-阿拉伯糖仅出现在发酵食品中，比如豆面酱、米酒等。目前L-阿拉伯糖的生产方式主要有3种：酸碱水解法、酶解法和化学合成法。酸碱水解法主要是利用酸或碱将植物组织中以杂多糖形式存在的L-阿拉伯糖进行降解，生成单糖形式的L-阿拉伯糖释放出来，然后经分离纯化得到高纯度的L-阿拉伯糖。酶解法生产L-阿拉伯糖即为使用酶制剂催化L-阿拉伯糖杂多糖的水解，然后从水解液中提取L-阿拉伯糖。含有L-阿拉伯糖的水解液一般成分复杂，含有多种糖，分离困难。近年来，国内外众多学者将生化技术引入到L-阿拉伯糖的分离提取中，筛选特定微生物发酵代谢消耗水解液中的D-木糖，从而得到L-阿拉伯糖的高浓度溶液，然后进一步结晶提取高纯度L-阿拉伯糖。例如，Kusakabe等[36]使用酵母菌发酵代谢消耗掉混合水解液中的D-木糖，从而得到L-阿拉伯糖的高浓度溶液。Morimoto等[37]用微生物代谢吸收水解液中的其他单糖，从而达到纯化L-阿拉伯糖的目的。单纯的化学合成法，往往步骤复杂且原料较贵，一直无法规模化工业应用。所以，目前的L-阿拉伯糖主要是通过植物提取获得。

4.3 L-阿拉伯糖的生物学功能

L-阿拉伯糖作为一种应用广泛的功能性甜味剂，其生物学功能主要有以下几个方面。L-阿拉伯糖不能被人体吸收利用，而且可以有选择地抑制蔗糖酶的活性，进而减少肠道内蔗糖的吸收和利用，从而达到降低血糖和减肥的功效。Preuss等[38]报道称，L-阿拉伯糖可使试验鼠机体内脂肪生成酶活性、三酰甘油酯含量以及表皮脂肪组织重量等多个指标显著下降。由于在体内独特的代谢特点，即不增加胰岛素负担，调节机体糖、脂代谢及控制体质量，L-阿拉伯糖可以有效改善病人体内胰岛素抵抗（Insulin Resistance，IR），有助于Ⅱ型糖尿病、心脑血管病和代谢综合征等相关疾病的临床防治[39]。日本厚生省将L-阿拉伯糖列为“调节血糖的专用特殊保健食品添加剂”，美国的医疗协会也同意将L-阿拉伯糖加入“抗肥胖的营养补充剂或非处方药”。另外，刘秋晨等[40]、杨子明等[41]研究表明，L-阿拉伯糖对便秘试验鼠有较好的润肠通便作用。王成福等[42]研究发现L-阿拉伯糖对灌喂醉酒小鼠显著的解酒效果，且在灌喂酒前喂食L-阿拉伯糖更具有预防醉酒的效果。在医学方面，L-阿拉伯糖是一种重要的医药中间体，可以用来合成抗癌、抗病毒和治疗心血管疾病的药物，还可以作为医药赋形剂和填充剂，用于止咳糖浆、片剂等不同剂型的药品中。另外，在虫害防治方面，Hu等[43]报道称L-阿拉伯糖对烟粉虱2，3，4龄若虫及成虫成活率有抑制作用。黄翠虹等[44]通过试验证实L-阿拉伯糖对烟粉虱有杀虫活性，能够抑制烟粉虱的生长发育并提高其死亡率。

5 结语与展望

随着生活水平和保健意识的逐渐提高，人们对于甜味剂的要求也会越来越高。D-塔格糖、海藻糖、L-阿拉伯糖和D-阿洛酮糖等功能性甜味剂具有与传统甜味剂相近的口感，且无副作用，甚至具有保健功能，都是理想的蔗糖替代品。另外，2000年10月美国食品与药物管理局（FDA）授予海藻糖和L-阿拉伯糖为普遍公认安全食品（Generally Recognized as Safe，GRAS），批准其进入食品各领域。2001年9月，欧盟批准海藻糖在其范围内使用。2001年，D-塔格糖被FDA确认为GRAS。2014年D-阿洛酮糖被FDA认证为安全（GRAS），并可作为膳食补充剂应用于食品、医药等领域。2008年，中华人民共和国国家卫生健康委员会（原卫生部）批准L-阿拉伯糖可以作为新资源食品，可用于除婴儿食品以外的所有领域（2008年，第12号公告）。2014年，中华人民共和国国家卫生健康委员会（原国家卫生计生委）也发布了批准D-塔格糖成为食品原料，海藻糖按照普通食品管理的公告（国家卫生计生委2014第10号，15号公告）。随着国内外对这几种稀有糖的安全性的认可，D-塔格糖、海藻糖、D-阿洛酮糖和L-阿拉伯糖得到迅速发展。目前，多数稀有糖因其生产工艺的限制，价格普遍较高，很大程度上影响了稀有糖的大规模应用，但这不能阻止稀有糖在各个领域中的广阔的应用前景。稀有糖优良的生物学功能，势必引起越来越多的学者关注，其生产方式也会不断地改进。另外，随着发酵工程、酶工程、代谢工程、分子生物学工程等技术的高速发展，人们对稀有糖的认识将会不断深入，稀有糖的功能和特性也将不断地被发掘和利用。在不远的将来，稀有糖定会成为人们生活中不可或缺的重要组成部分。