新型功能葡聚糖——交替糖的研究與應用進展

白愛娟，繆 銘，張 濤，江 波

（江南大學食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇無錫214122）

隨著社會的發展，人們生活發生了很大的變化，如生活節奏加快、社會競爭激烈、飲食結構改變、環境污染等。這些變化無不威脅著人們的健康，而大多數的人群都處于亞健康狀態。目前，廣大公眾對自身健康狀況日益關注，有越來越多的人選擇使用食物來改變這種狀況，從“治已病”為主前移到“治未病”和養生保健，從“被動醫療”轉向“主動健康”。為了順應現代食品科技發展的方向并滿足消費者的健康需求，低血糖、低熱量的功能性碳水化合物已成為21世紀健康食品的發展潮流。交替糖（alternan）是近年來人們發現的明串珠菌產生的一種新型葡聚糖，與右旋糖苷相比，具有較低的熱量值和升糖指數，可作為功能性食品添加劑，如增稠劑、填充劑、乳化劑、益生元等，添加到飲料、焙烤制品、乳制品以及特殊營養膳食中。這些優點開始引起人們的關注。文中對交替糖結構、功能性質、生物制備以及在食品中的應用進行了概述。

1 交替糖的理化性質

交替糖是由乳酸菌發酵蔗糖產生的一種胞外多糖，單糖成分僅含有α-吡喃葡萄糖，其主鏈由α-（1→3）糖苷鍵和α-（1→6）糖苷鍵交替連接而成，部分α-（1→6）糖苷鍵存在于分支點，α-（1→3）與α-（1→6）糖苷鍵的含量分別為35%和46.9%[1]。不同來源的菌種，交替糖α-（1→3）與α-（1→6）糖苷鍵的含量略有差異，但均保持交替連接的結構特點。交替糖的結構與右旋糖酐的結構相似，但糖苷鍵的連接方式不同，圖1顯示了交替糖與右旋糖酐的結構特征。交替糖的平均分子量為1×107u[2]。

交替糖是一種白色的固體粉末、無味、無臭，不溶于乙醇、丙酮等有機溶劑，易溶于冷水，溶于水后形成乳藍白色或青白色溶液。與其他高分子微生物多糖相比，交替糖水溶液的粘度很低，其固有粘度為0.193d L/g[4]。交替糖溶液其粘度與水相差不大，但其粘度隨著交替糖濃度的增加，呈指數性增加，經超聲波處理及酶法修飾的交替糖粘度呈直線增加[5]。高濃度交替糖溶液的粘度遠遠高于阿拉伯膠的粘度，但經超聲以及酶法修飾的交替糖，其粘度與阿拉伯膠類似，圖2顯示了多糖溶液濃度與粘度的關系。

交替糖溶液具有良好的穩定性：a.耐熱[6]，在p H7的條件下被加熱高達120℃，1h時，未檢測到交替糖聚合度的下降；b.耐酸[7]，在室溫條件下，p H3的酸性環境中貯存3周以上未發現交替糖聚合度的下降，而右旋糖酐在酸性條件下加熱會發生水解反應，經異麥芽三糖、異麥芽二塘最終形成葡萄糖；c.抗菌，在室溫條件下，交替糖水溶液放置3周以上很難發現微生物生長；d.抗酶消化，α-淀粉酶、酵母異麥芽糖酶、葡聚糖水解酶等都很難將交替糖水解[2]。

2 交替糖的生物合成

到目前為止，交替糖還沒有進行商業化大規模生產，一般為實驗室傳統直接發酵生產和酶法合成，表1列舉了交替糖不同的生物合成方法。

3 交替糖在自然界中的分布

自然界中能夠分泌交替糖的菌株較少，一般為乳酸菌屬中的明串珠菌，如在泡菜中分離得到的L.mesenteroidesCBI-110[11]，在發酵面團中分離的L.cituremB2[12]，以及美國農業部柑橘實驗室分離得到的L.mesenteroidesNRRL B-1355[4]。自然界中野生的交替糖產生菌株在分泌交替糖的同時，伴隨右旋糖酐的產生，而且生成交替糖的量十分有限，這說明交替糖在自然界中存在，但是分布不是很廣泛，在自然界中的量也很少。

3.1 發酵制備

直接發酵生產交替糖所用的菌種一般為高產交替糖的菌株，發酵培養基為含高濃度蔗糖的改良MRS培養基。發酵過程中適當的通入氧氣有利于交替糖的合成，發酵溫度一般控制在28～30℃，培養時間24～48h[13]。采用不產右旋糖酐的菌株直接發酵生產交替糖時，可以采用50%的乙醇直接沉淀，獲得交替糖，沉淀后得到的交替糖一般不需進行脫色處理即可。但是，高產交替糖而不產右旋糖酐的菌株很少，報道的僅有Leathers等[14]通過紫外誘變得到的L．mesenteroidesNRRL B-21138。因此，還需研究者通過傳統篩菌以及基因工程的方法進一步獲得交替糖的高產菌株。

3.2 酶法合成

與直接發酵法相比，酶法合成交替糖不涉及右旋糖酐的產生，因此更加直接方便。交替蔗糖酶存在于發酵上清液以及微生物菌體細胞壁上，熱穩定好，45℃熱處理30min仍保持活性，而右旋糖酐蔗糖酶失活[15]。實驗室利用交替蔗糖酶酶法合成交替糖可以采用兩種方法。一是將發酵上清液45℃熱處理后，在以10%的蔗糖為底物，p H5.2～5.4的條件下進行酶反應獲得交替糖[15]。二是可以將交替蔗糖酶提純出來或者通過基因工程菌的方式獲得，直接利用純的交替蔗糖酶進行酶反應生產交替糖[10]。酶反應過程中，蔗糖的濃度在某種程度上影響交替糖分子的分子量大小，20%～50%的蔗糖生成的交替糖分子量偏小。溫度也會影響交替糖分子量大小，低溫會延長反應時間，產生分子量較大的交替糖，一般溫度控制在25～35℃。Kok-Jacon等[16]將交替蔗糖酶基因導入到馬鈴薯中，使其在馬鈴薯中表達，交替糖在馬鈴薯塊莖中積累，利用免疫吸附方法測定，其濃度在0.3～1.2mg/g。

4 交替糖衍生物

4.1 超聲波修飾

超聲波處理高分子量的右旋糖酐可以獲得低分子量的醫用右旋糖酐，因此，C?té利用超聲波處理交替糖以便獲得低粘度的交替糖，研究發現，頻率為20k Hz時，解體后的交替糖分子量約為（8.6±0.6）×105[2]。超聲處理的交替糖的粘度性質與阿拉伯膠非常相似，因此超聲交替糖可作為阿拉伯膠的代替物，而且高濃度的超聲交替糖的粘度比天然交替糖小。

4.2 化學修飾

交替糖可以與多種有機酸反應生成交替糖羧酸酯。交替糖羧酸酯與天然的交替糖相比具有更大的粘度以及乳化穩定性。取代度為0.089的交替糖琥珀酸酯在5s-1的剪切速率下仍具有102.1mPa/s的粘度，天然交替糖其粘度僅為7.8mPa/s[17]。在制備交替糖醛酸酯時，交替糖具有很寬范圍的pH穩定性，可以利用有機酸與交替糖直接發生反應，而不用擔心交替糖被酸降解。

4.3 生物修飾

Leathers等[5]研究發現Penicillium產生右旋糖酐酶長時間（17d）作用于交替糖時，會使其分子量從1×107下降到4.9×106。之后他們研究了商業右旋糖酐酶對交替糖的作用，并優化了修飾條件：50℃、p H4.5、125IU/mL的右旋糖酐酶作用于10%的交替糖，5h內可以使其分子量降到106[18-19]。修飾后的交替糖粘度與阿拉伯膠的粘度更為接近（見圖2），而且溶液的穩定性不變，使交替糖代替阿拉伯膠成為可能。

C?té等[20-21]采用交替糖酶處理交替糖獲得一種由四個D-葡萄糖通過糖苷鍵連接而成的納米級環狀低聚糖，應用領域涉及食品、化妝品和藥物傳送體系。

5 交替糖在食品工業的應用

盡管交替糖沒有進行商業化大規模生產，但是它具有作為低熱值、功能性食品添加劑的潛力，能夠廣泛的應用于飲料、乳制品、焙烤食品以及保健食品中。

5.1 增稠劑

交替糖具有吸水膨脹形成膠狀溶液的性質，可以作為增稠劑添加到布丁、酸奶、冰激凌、調味汁等食品中。交替糖也可以與其他增稠劑如淀粉、淀粉衍生物、變性淀粉配伍使用，將2.25%的淀粉與5%的交替糖加入到布丁中，初始有輕微起泡，凝膠強度為0，一天后凝膠強度達到16.86，能夠形成布丁凝膠，而僅含有2.25%的淀粉或5%的交替糖的布丁，1d后沒有形成凝膠，仍然處于分層狀態[22]。

5.2 填充劑

交替糖具有良好的溫度以及p H穩定性，在制作焙烤食品時添加的交替糖，不會被降解或僅有少量降解，使其保持原有的功能性質，改善食品的營養價值以及感官品質。且交替糖具有低升糖指數、低熱量，在代替異麥芽糖等作為填充劑時，能夠提高食品的功能特性，被糖尿病人以及肥胖病人食用[6-7]。

5.3 乳化劑

利用有機酸酯化修飾的交替糖具有良好的乳化穩定性，在乳化劑工業有巨大的發展前景。Claus等[17]將交替糖辛烯基琥珀酸酯加入到初始濃度30%的葵花籽油中，使其最終濃度為15%，均質1min，便可以獲得穩定的奶油。而且交替糖辛烯基琥珀酸酯的乳化性能要優于阿拉伯膠，研究發現將等量等濃度的交替糖辛烯基琥珀酸酯和阿拉伯膠溶液分別加入到10%的葵花籽油中，5d后加入阿拉伯膠溶液的葵花籽油出現明顯的分層，而另一組均一性良好。

5.4 益生元

交替蔗糖酶利用蔗糖以及小分子的受體可以產生低聚糖，C?té等[23]對其研究發現，麥芽糖、蜜二糖、棉籽糖的復合受體產物（DP2-7）能夠有效地促進雙歧桿菌的增殖，從而抑制或減少腸道致病菌群。

5.5 控釋載體

交替糖的降解產物-環四糖很難被葡萄糖苷酶、淀粉酶水解，而異麥芽糖糊精能夠被完全轉化為異麥芽糖，環四糖可以作為控釋載體加入到抗氧化食品中[24]。

6 展望

隨著亞健康狀態的普遍存在，以及人們對健康的越來越重視，功能性多糖日益成為人們關注的焦點。交替糖作為一種新型的功能性多糖，其獨特的理化性質以及生理功能，使其在食品、藥品以及化妝品行業具有巨大的應用前景。但是，目前國內對交替糖的研究仍為空白，國外對交替糖的研究也仍處于初級階段。交替糖的工業化生產急需解決，可以用于工業化生產交替糖的菌株，還需進一步篩選獲得，利用直接發酵法以及酶法合成的工藝，也需進一步完善。這一問題的解決能夠有效地促進交替糖衍生物的開發，以及交替糖在食品行業以及其他領域應用的研究。

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