D-阿洛酮糖的生理功能及应用研究进展

徐康，隋松森，郭传庄，孙瑞成，李小双，徐振上，王婷*

（1.齐鲁工业大学（山东省科学院） 生物工程学院，山东 济南 250353；2.诸城东晓生物科技有限公司，山东 诸城 262200）

近年来，随着人们生活水平的日益提高，高糖、高脂食物的过量摄入，糖尿病、高血压等疾病在世界各地普遍存在[1]。因此寻找合适的低热量食品补充剂变得至关重要，具有多种功效的稀有糖逐渐进入人们视野。

稀有糖是指自然界中很少存在的单糖及其衍生物，能够改善特定人群的饮食健康。越来越多的研究结果表明稀有糖在人类健康方面发挥重要作用，如D-阿洛糖具有抑制癌症和肿瘤的特性[2]；D-塔格糖通过抑制由放线菌等致病菌形成的生物膜，从而对牙齿健康产生积极影响[3]。在稀有糖中，D-阿洛酮糖（D-psicose）因其特殊的口感和独特的生理功能，可作为蔗糖的理想替代品而备受关注。本文旨在介绍D-阿洛酮糖的生理功能及其主要应用，为后续D-阿洛酮糖的深入研究奠定基础。

1 D-阿洛酮糖

1.1 D-阿洛酮糖的理化性质

D-阿洛酮糖是一种热量几乎为0 的稀有糖，主要来源于小麦、甘蔗等。D-阿洛酮糖和D-果糖的结构式如图1[4]所示，两者互为同分异构体。

图1 D-果糖和D-阿洛酮糖的结构式Fig.1 Structural formulas of D-fructose and D-psicose

D-阿洛酮糖是蔗糖甜度的70%，是一种具有多种健康益处的功能性糖[5]。它是一种白色粉状晶体化合物，2011 年，美国食品与药品管理局（Food and Drug Administration，FAD） 将其确定为普遍公认安全食品（generally regarded as safe，GRAS）[6]，这也为D-阿洛酮糖能够作为食品原料奠定了基础。D-阿洛酮糖的物理化学性质如表1[7]所示。

表1 D-阿洛酮糖的物理化学性质Table 1 Physical and chemical properties of D-psicose

1.2 D-阿洛酮糖的合成方法

迄今为止，科研人员已经能够利用化学合成和生物转化2 种方法制备D-阿洛酮糖。

1.2.1 化学合成法

化学合成法是以葡萄糖为原料，利用钼酸盐作为催化剂进行高温催化得到粗产品D-阿洛酮糖，再将粗产品经有机溶剂冷却结晶，得到纯的D-阿洛酮糖[8]。因化学合成法中间产物提纯复杂、环境污染严重，所以不是工业制备D-阿洛酮糖的主要方法。

1.2.2 生物转化法

生物转化法指利用生物酶催化底物生成目标产物的方法。D-果糖可在D-阿洛酮糖3-差向异构酶（D-psicose 3-epimerase，DPEase） 催化下生成D-阿洛酮糖[9]。1990 年，Izumori 等[10]发现了一株能够将D-塔罗糖醇转化为D-阿洛酮糖的细菌Alcaligenes sp.701B。这是生物反应生成D-阿洛酮糖的首次报告。张龙涛等[11]筛选出一株能将D-果糖转化为D-阿洛酮糖的类球红细菌（Rhodobacter sphaeroides）SK011，产率为6.54%。这是国内首次报道具有将D-果糖转化为D-阿洛酮糖功能的菌株。除了类球红细菌和根瘤农杆菌，其他菌株如解纤维梭菌（Clostridium cellulolyticum）[12]、梭状芽孢杆菌（Clostridium bolteae）[13]、瘤胃球菌（Ruminococcus sp.）[14]、梭菌属（Clostridium sp.）等[15]也已被报道过具有DPEase 活性。

虽然可以利用微生物中的DPEase 转化合成D-阿洛酮糖，但天然微生物中DPEase 的分泌量和活性远低于预期，无法应用于大规模工业生产。因此，工程菌株的构建对于研究DPEase 特性和工业应用具有重要意义。目前，不同来源的DPEase 基因被克隆并在大肠杆菌[16]、酵母菌[17]和枯草芽孢杆菌等[18]表达系统中表达。生物转化法因其反应具有特异性、产物纯化简单且无污染，目前已经逐步取代化学合成法，成为国内外合成D-阿洛酮糖的主要方法。

2 D-阿洛酮糖的主要生理功能

2.1 降血糖功能

糖尿病是代谢异质性紊乱的总称，特点是血糖升高[19]。研究发现，长期服用D-阿洛酮糖可以诱导肝脏细胞葡萄糖激酶从细胞核转移到细胞质，维持大鼠的葡萄糖耐受性和胰岛素敏感性，从而维持血糖水平[20]。同时D-阿洛酮糖能够促进实验小鼠胰高血糖素样肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）的释放，激活迷走神经传入信号，减少食物摄入并增大小鼠的葡萄糖耐量[21]。另外，将D-阿洛酮糖饲养大鼠的时间延长到60 周，发现大鼠中炎症标记物糖化血红蛋白显著降低[22]，也表明D-阿洛酮糖可以通过控制餐后高血糖来阻止II 型糖尿病的发展。

结合其它文献报道，D-阿洛酮糖的降血糖作用主要表现在降低肝脏脂肪生成酶的活性[23]和提高脂肪酶氧化酶的活性等[24]方面。由此可见，D-阿洛酮糖的降血糖作用可使其成为一种新型的降血糖药物而广泛应用。

2.2 减脂功能

通过研究D-阿洛酮糖对喂食高蔗糖饮食成年大鼠的抗肥胖作用，发现5% D-阿洛酮糖不能控制空腹血糖水平，但显著抑制了大鼠的腹部脂肪积累和体质量增加[25]。与喂食相同剂量蔗糖的对照组相比，D-阿洛酮糖的补充可使大鼠的体质量增加和腹部脂肪明显降低，且无副作用[26]。此外，在瘦素缺陷小鼠的饮食中补充D-阿洛酮糖，小鼠的体质量和肝脏质量大幅降低，根据肝脏组织学观察，D-阿洛酮糖还改善了肝脏脂肪变性，说明D-阿洛酮糖可以对与肥胖相关的疾病产生有益作用[27]。

D-阿洛酮糖参与脂质代谢机制尚不明确，Moon等[28]推测，D-阿洛酮糖能够通过调节脂肪生成转录因子从而抑制前脂肪细胞分化和脂质积累。D-阿洛酮糖减脂功能的发现表明其在减肥功能性产品开发中的潜在应用前景。

2.3 抗动脉粥样硬化功能

研究发现，高密度脂蛋白胆固醇（high density liptein cholesterol，HDL-C） 与动脉粥样硬化风险有直接关系，D-阿洛酮糖可通过增加B 类I 型清道夫受体的表达来增强肝脏对HDL-C 的摄取，降低HDL-C 水平，从而防止动脉粥样硬化的发展[29]。通过研究D-阿洛酮糖对人脐静脉内皮细胞中单核细胞趋化蛋白-1（monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1） 的影响，发现D-阿洛酮糖可以通过抑制MCP-1 的表达实现对动脉粥样硬化的治疗效果[30]。D-阿洛酮糖抗动脉粥样硬化功能的发现，为后续动脉粥样硬化疾病的药物研究提供了选择。

2.4 抗氧化功能

有研究表明，D-阿洛酮糖的活性氧（reactive oxygen species，ROS）清除活性比其他稀有糖更强[31]。研究发现，2%和4%浓度的D-阿洛酮糖能够对小鼠口服邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯后产生的ROS 进行清除，并抑制雄性Sprague-Dawley 大鼠睾丸中ROS 和丙二醛（malondialdehyde，MDA）的产生，对睾丸损伤具有预防作用[32]。因D-阿洛酮糖较好的抗氧化功能，被广泛应用于保健品、化妆品等领域。

2.5 神经保护功能

D-阿洛酮糖可以减缓由6-羟基多巴胺（6-hydroxydopamin，6-OHDA）诱导的细胞凋亡。研究发现，一定浓度的D-阿洛酮糖可显著减缓大鼠嗜铬细胞瘤的凋亡，将细胞置于D-阿洛酮糖和6-OHDA 中共培养24 h，细胞内谷胱甘肽明显增加，说明D-阿洛酮糖在中枢神经退行性病变中，能够通过调整细胞内谷胱甘肽的浓度来发挥重要作用[33]。这表明D-阿洛酮糖在治疗神经组织退化疾病上具有潜在功能，也为后续相关药物的研发提供了支持。

2.6 抗炎功能

D-阿洛酮糖还可与某些肠道微生物相互作用，通过下调多个组织中基因的表达并增加肠道微生物群组成中的乳杆菌和粪球菌来减轻炎症症状[34]。通过给自发性II 型糖尿病大鼠服用含有或不含3% D-阿洛酮糖的饮用水13 周，结果发现，D-阿洛酮糖的添加显著减缓了大鼠血糖水平的升高和肾小球的进行性系膜扩张[35]。因此，D-阿洛酮糖可以作为一种抗炎剂，在多种疾病预防和治疗中显示出潜在的医疗价值。

综上所述，大量动物模型实验表明D-阿洛酮糖在降低餐后血糖、控制体重等方面具有明显作用，但在有关抗炎、神经保护等功能上研究较少。

3 D-阿洛酮糖主要应用

目前，有关D-阿洛酮糖的应用研究主要集中在食品和医疗领域。

3.1 食品领域

与蔗糖相比，具有特殊功能且对健康有益的D-阿洛酮糖更加受人欢迎。例如D-阿洛酮糖可以提高食品的持水能力，服用添加D-阿洛酮糖的大豆凝胶会减慢胃的排空速度，从而延长饱腹感[36]。在以谷类面粉为基础的烘焙食品中添加D-阿洛酮糖可以保持它们的柔软和湿润，并具有良好的入口即化感[37]。同时，D-阿洛酮糖可以与食物中蛋白质产生美拉德反应，并产生令人愉快的风味[38]。

在功能性食品领域，D-阿洛酮糖能够使食品或饮料等具有益生元特性，还可将D-阿洛酮糖与其它益生元或益生菌结合，可增强其抗氧化功效。将红枣浓缩汁中D-葡萄糖、D-果糖经过生物催化合成D-阿洛酮糖，开发了一种含D-阿洛酮糖的功能性红枣汁[39]。

D-阿洛酮糖在食品领域的应用，最大的优势在于它与蔗糖极其接近的性状和功能，同时还具有很多蔗糖没有的生理功能，使它能够在与其他甜味剂相比中获得最佳的代糖效果。随着人们健康意识的提高和食品安全问题的日益突出，D-阿洛酮糖作为一种新型甜味剂，必将在食品行业发挥巨大作用。

3.2 医疗领域

研究发现，D-阿洛酮糖与甲硝唑之间存在某些相互作用，能够显著增强甲硝唑的药物作用，将D-阿洛酮糖与甲硝唑一起使用，可以降低药物剂量，并可以防止毛滴虫产生耐药性[40]。D-阿洛酮糖也可作为一种潜在的驱虫剂，能够特异性抑制线虫L1 阶段的运动性、生长和生殖成熟度，干扰线虫的代谢表达[41]。通过向Wistar 大鼠口服和静脉给药，结果发现，D-阿洛酮糖很快转移到血液或尿液中，说明大鼠对D-阿洛酮糖的吸收良好，给药后消除迅速，作用持续时间短，为D-阿洛酮糖的进一步药物开发提供了有价值的药代动力学数据[42]。同时，在体外利用细胞系检测稀有糖类（包括D-阿洛酮糖）对细胞增殖的影响，发现D-阿洛酮糖能够对癌细胞增殖产生抑制作用，表明D-阿洛酮糖在未来可能成为一种抗癌辅助药物[43]。

目前，有关D-阿洛酮糖在医学领域的研究还较少，且主要以体外或动物实验为主，仍需要更多的临床实验来研究其生理功能和可能的毒性作用等。

3.3 其他领域

除应用在食品、医疗领域外，D-阿洛酮糖还可以作为制作防水、透光薄膜的材料[44]，用来提高产品的环保性。此外，D-阿洛酮糖也可作为一种前体，参与合成D-阿洛糖和D-塔格糖[45]。同时，因D-阿洛酮糖具有降低血糖的功能，也可被用作脂肪和葡萄糖代谢的独特代谢调节剂[46]，改善其碳水化合物的代谢。随着D-阿洛酮糖的流行，D-阿洛酮糖也将会被应用到各类新产品中。

4 结语

D-阿洛酮糖作为公认的第四代天然甜味剂，是蔗糖的理想替代品，也是目前国际上最热门的甜味剂之一。目前，生产D-阿洛酮糖的生物转化技术已经得到了广泛的研究，包括所需酶的来源、修饰、制备和转化等，以D-阿洛酮糖为原料生产的产品也包括了饮料、烘焙食品、乳制品等。我国有关D-阿洛酮糖的研究起步较晚，虽在生理功能及相关应用方面差强人意，但在上游的基因挖掘和工程细胞构建方面发展较快。如今，随着糖尿病、肥胖等全球性疾病的发展，以及人们对D-阿洛酮糖生理功能和应用的深入研究，D-阿洛酮糖必将拥有更广阔的市场价值。