水蘇糖生產、功能及其應用簡述

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(佛山科學技術學院食品科學與工程學院,廣東佛山 528231)

水蘇糖是一種功能性低聚糖[1],2010年,被衛生部批準作為普通食品生產和經營。2011年,水蘇糖行業標準正式實施。目前,國內外關于水蘇糖的研究報道較少,規模化生產水蘇糖(年產量在萬噸以上)的企業不多,水蘇糖在很多領域的應用剛剛起步,但是,其潛在的應用價值及巨大的經濟效益不容忽視[2]。據國內市場調查,目前已有奘靈、瑪麗安娜、優樂多等70多個品牌水蘇糖相關產品。到2016年底中國專利局網站顯示以“水蘇糖”為關鍵詞的專利達1427項[2]。盡管如此,水蘇糖產品開發及科學研究仍不能滿足水蘇糖產業快速發展的需要。為了給快速發展的水蘇糖產業提供較為科學的依據,本文從水蘇糖生產、功能以及食品中應用研究及發展現狀進行了歸納論述,主要闡述了水蘇糖調節腸道菌群等的功能作用,分析了酶法生產水蘇糖的發展潛力和市場上水蘇糖產品應用的狀況,旨在為水蘇糖進一步開發利用提供參考和建議。

1 水蘇糖概述

水蘇糖是由2分子α-半乳糖、1分子α-葡萄糖和1分子β-果糖構成的四糖,是一種非還原糖(圖1)[3]。與蔗糖、乳糖、麥芽糖相比,水蘇糖具有甜度低、熱量低、熔點低、穩定性較好等優勢(表1)。關于水蘇糖的食用安全性,郭美麗等[4]以大鼠為實驗對象,研究急性經口水蘇糖最大耐受劑量(maximum tolerated dose,MTD)>30 g/kg·BW、遺傳毒性實驗(小鼠骨髓細胞微核實驗、小鼠精子畸變實驗和 Ames 實驗)、7.5 g/kg·BW(相當于人體用量的150倍)大劑量水蘇糖90 d喂養實驗等研究,發現水蘇糖MTD屬實際無毒級,遺傳毒性實驗為陰性,90 d喂養實驗中生長發育、血液學等指標均未見異常情況。據食品安全性毒理學評價程序判定[5],水蘇糖是一種無毒物質。

圖1 水蘇糖的化學結構Fig.1 Chemical structure of stachyose

性質糖水蘇糖蔗糖乳糖麥芽糖比甜度(20℃)02210405溶解度(20℃)130g204g19g108g熔點101℃186℃252℃103℃胃分解情況不分解分解分解分解依賴胰島素代謝否是是是熱量低高高高

2 水蘇糖生產

水蘇糖主要存在于天然植物(草石蠶、澤蘭、地黃、地靈、大豆等)中,所以,目前國內市場流通的水蘇糖大多來自于植物提取。植物提取法的一般流程為:天然植物→浸提(主要為水提、醇提)→澄清→脫色→離子交換脫鹽→噴霧烘干→制得低純度水蘇糖。葉春華等[8]通過單因素和正交實驗方法從草石蠶中提取得到純度為45.7%的水蘇糖;Zhong等[9]通過單因素和響應面方法,利用60%的乙醇提取,在溫度60 ℃下得到純度為47%的水蘇糖。植物提取法雖然生產工藝簡單,但存在分離純化難,分離過程水蘇糖易流失,脫色難,且增加污水量等問題。

國外酶法生產低聚糖報道逐漸較多,如Van Munster等[10]利用黑曲霉幾丁質酶生產幾丁質寡糖;Babbar等[11]利用果膠酶從洋蔥皮生產果膠低聚糖;Carvalho等[12]利用木聚糖酶從木聚糖中生產低聚木糖等。酶法生產低聚糖具有成本低,純度高,且微生物可回收利用等優點,但目前酶法生產水蘇糖的報道較少。在國內,酶法生產水蘇糖尚處于開發階段,酶法生產水蘇糖的基本原理是,利用微生物對碳源利用的專一性,通過篩選發酵菌株消耗雜糖,獲得高純度水蘇糖。張閃閃等[13]通過酵母發酵大豆濃縮蛋白乳清,使水蘇糖純度達到90%;張敏等[14]通過響應面分析方法發酵草石蠶浸提液,得到純度91%的水蘇糖。王雪等[15]通過篩選日本曲霉、酵母菌、乳酸菌等混合菌株對銀條浸提液進行提純,得出日本曲霉與乳酸菌的混合菌株能使水蘇糖的純度達到95%以上。酶法生產可以極大的解決水蘇糖分離純化難的問題。因此,與植物提取水蘇糖生產方法相比,酶法生產水蘇糖前景廣闊。

3 水蘇糖功能

3.1靶向增殖雙歧桿菌,調節腸道菌群

水蘇糖是一種非消化性低聚糖,雙歧桿菌在腸道內優先利用非消化性低聚糖,同時在多種低聚糖存在下,優先消耗水蘇糖,因此水蘇糖能直接定向增殖雙歧桿菌[16]。Wu等[17]通過含豆漿(含蔗糖、水蘇糖等)培養基分別培養雙歧桿菌、丙酸桿菌和兩者共培養,結果發現在共同培養和單獨培養雙歧桿菌的培養基中,水蘇糖在24 h和48 h內完全消耗,并產生乳酸、乙酸等有機酸,而單獨培養丙酸桿菌的培養基中沒有發生明顯變化(p>0.05)。Tsangalis[18]也得出雙歧桿菌在豆漿中發酵主要消耗的碳源是水蘇糖。與其他功能性低聚糖(低聚果糖、低聚異麥芽糖等需要3～14 g/d)相比,每天攝入0.5～3 g水蘇糖即可達到促進腸道內雙歧桿菌和乳桿菌增殖的功效,是一種低使用量的益生元[19]。

水蘇糖在腸道內經過雙歧桿菌發酵,產生乳酸、乙酸等有機酸,使腸腔內滲透壓升高,產生導瀉作用,促進腸道內內毒素的排泄,并且雙歧桿菌在生長繁殖過程中可形成生物膜,充分發揮菌群屏障和免疫屏障的作用,抑制大腸桿菌等有害菌生長,減少有害菌代謝產生酚、氨、吲哚等有害產物,從而改善腸道微環境健康,同時水蘇糖在雙歧桿菌的作用下也會分解產生甘露三糖、棉子糖等免疫因子,提高人體免疫力[6,20]。唐煜等[21]以58例腹型過敏性紫癜患兒為實驗對象,觀察組給予水蘇糖和雙歧桿菌三聯活菌,對照組只給予雙歧桿菌三聯活菌,經過15 d觀察發現58名患兒腸道內革蘭陽性桿菌(雙歧桿菌、乳桿菌等)顯著增多(p<0.05),并且觀察組治愈率達65.5%,對照組治愈率達37.9%,說明水蘇糖在兒童腹型過敏性紫癜的治療中起到改善腸道微環境的作用。李海芳[22]向實驗組中9只不同年齡的獼猴(幼年、成年、老年各3只)進行水蘇糖飼喂,對照組中6只不同年齡的獼猴(幼年、成年、老年各2只)不飼喂水蘇糖,經過6周飼喂后發現,實驗組中雙歧桿菌增殖數量顯著(p<0.05),能達10倍以上,而乳酸桿菌增殖數量只有2～4倍,同時腸道內腸桿菌數量也減少4～8倍,而對照組中腸道菌群未見明顯變化(p>0.05),進一步證實水蘇糖能選擇性增殖雙歧桿菌,調節腸道微生態結構。

3.2潤腸通便,緩解便秘

水蘇糖是一種小分子水溶性膳食纖維,人體攝入后可刺激腸道蠕動,改變腸道內容物的滲透壓,同時增加糞便水分,起到潤腸通便、緩解便秘作用[23]。席昭雁等[24]研究發現便秘者每天服用10 mL水蘇糖,連續服用7 d后,其排便次數增多,排便狀況和排便形狀得到改善,可見水蘇糖具有一定的通便作用。Li等[25]也研究發現103名便秘者通過服用水蘇糖沖劑,排便次數增加,排便狀況獲得改善,腸道功能增強。余朝舟等[26]建立小鼠便秘模型來探討水蘇糖、魔芋葡苷聚糖的通便功效,其中研究發現,通過7 d飼喂水蘇糖,小鼠小腸的推動作用增強,顯著(p<0.01)縮短小鼠首粒黑便時間和增加6 h內排便重量及粒數,可見水蘇糖具有良好的潤腸通便效果。

3.3保護肝臟功能

肝臟是人體重要器官,如同一座多功能的“堡壘”:集解毒、代謝、分泌膽汁、造血儲血、免疫等功能于一身。研究表明,腸道微生物群的改變與肝硬化的發展密切相關[27-28]。由于有害菌群的數量增加,容易導致腸道黏膜屏障受損、細菌移位和內毒素滅活功能衰減。而內毒素對血細胞、血管及多種臟器均有較強毒性作用,可激活Kupffer細胞大量釋放炎性遞質和細胞因子,如:白介素1β(IL-1β)、白介素6(IL-6)、白介素8(IL-8)、腫瘤壞死因子α(TNF-α)及粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子(Granulocyte-Macrophage Colony-Stimulating Factor,GM-CSF)等,導致肝細胞因肝臟小血管痙攣性收縮而壞死,增加多種并發癥發生幾率,加深肝臟受損程度[29]。李秋麗等[30]研究了水蘇糖對實驗性肝硬化大鼠的影響,結果表明,水蘇糖對內毒素、腸道菌群等指標都有明顯(p<0.01)的改善,其原因分析認為,中藥提取物水蘇糖可促進雙歧桿菌生長,降低腸內pH,增加腸蠕動,減少細菌內毒素,從而緩解肝臟病理性損害,保護肝臟。Li等[31]通過給小鼠喂食高果糖(High-Fructose,HF)的方式誘導小鼠肝脂質沉積,56 d后觀察到肝細胞丙三醛(Malonyldialdegyde,MDA)水平升高,谷胱甘肽過氧化酶(Glutathioneperoxidase,GSH-Px)和超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase,SOD)活性降低,并發生氧化應激反應,然后添加水蘇糖和茶多酚在飼料里喂養該小鼠一段時間后,發現小鼠體內抗氧化物酶SOD、GSH-PX 活力得到提高,體內脂質過氧化產物 MDA 含量減少,機體抗氧化能力提高,氧化應激反應減少,從而肝臟獲得修復保護。

3.4抑癌作用

據報道,微生物群改變與腸道疾病密切相關[32]。Ambalam等[33]認為結腸癌癥與腸道微生態失衡有關,過度存在的細菌核梭菌等有害菌可能有助于癌癥疾病的發生,益生元能選擇性促進益生菌繁殖,益生菌能抵抗腸道病原體活性,調節免疫系統,降低血液膽固醇水平,減少結腸炎和其他炎癥發生,從而預防結腸癌。Bruno-Barcena等[34]研究表明β(1-4)低聚半乳糖、乳果糖和低聚果糖乳酸能增加腸道短鏈脂肪酸的濃度,降低糞便pH、硝基還原酶和β-葡糖醛酸糖苷酶活性,從而降低對腸道結腸粘膜細胞的損傷,進而預防結腸直腸癌。功能性低聚糖能可間接預防癌癥,這為水蘇糖研究抑癌作用提供可靠依據。水蘇糖抑癌作用在國內外還處于研究階段,相關報道較少,具體作用機理還尚未明確。賈紹華等[35]通過采用體內外抗腫瘤活性篩選方法探討水蘇糖的抗腫瘤活性,得出含量高的水蘇糖(26.45%)對人肝癌HepG-2細胞、人胃癌SGC-7901細胞具有明顯的抑制作用,同時也顯著增強環磷酰胺的抑癌作用(p<0.05)。鐘先鋒等[36]也通過實驗證實了水蘇糖有抑制人結腸癌細胞Caco-2的生長作用,他通過流式細胞術方法分析水蘇糖對Caco-2細胞凋亡情況,并且檢測乳酸脫氫酶(lactic dehydrogenase,LDH)的釋放率(分析細胞損傷程度),最后認為水蘇糖能限制Caco-2細胞獲取能量通路,從而導致細胞凋亡,并推斷以“餓死細胞”的方式達到抑癌作用。水蘇糖抑癌作用在未來還需更一步探究,這對開發水蘇糖產品有重要意義。

此外,水蘇糖還具有抑制特異性皮炎[37]、抗關節炎[38]、防止齲齒[39-40]、預防結腸炎[41-42]、排鉛[43-44]、降血壓和降血脂[45-46]、抗氧化和抗衰老[47-49]等功能,其可能作用機制見圖2。

4 水蘇糖應用

在國外,低聚糖產品應用較廣泛,尤其最早開發功能性低聚糖的國家日本,十分重視低聚糖的應用,所以在日本開發了一系列低聚糖產品,主要以飲料、乳產品為主,如日本的オリゴCC(含水蘇糖)、大麥若茶、ヘム鉄ドリンク(血紅素飲料)、リファインお腹コンディション(果汁飲料)、カルピス酸乳等;國際上其他益生元產品的開發也主要集中于飲料中的應用,如Jarrow green defense、lifeway和lightfull含乳飲料等。但是關于含水蘇糖的具體產品相對較少[50]。

在國內,水蘇糖應用較廣泛,如食品、飼料、醫藥等領域亦有應用,主要是針對調節腸道促進宿主健康開發,下面主要從食品、飲料、保健品等領域水蘇糖的應用展開論述。

4.1水蘇糖在食品中的應用

圖2 水蘇糖的生理活性Fig.2 Physiological activity of stachyose

研究發現,功能性食品有利于促進健康,如益生元的定期消費[51-52]。水蘇糖與其他功能性低聚糖相比,具有低劑量便可達到保健的效果,如每天食用水蘇糖0.5～3 g便可達到食用低聚果糖8～10 g/d的效果。水蘇糖水溶性較好,甜度和熱量低,適合兒童食用,可在鈣片、米粉中應用,如斯可萊鈣片、臣生水蘇糖配方營養米粉等;針對成人,水蘇糖不易與其他組分發生化學反應,可在固體、液體飲料和鈣片中使用,如優樂多益生元、老喬翁蕎麥植物飲料和東方紅航力片等;水蘇糖在饅頭和面包中添加量分別為3%～5%和1%時,可以防止饅頭和面包的老化,因此可以開發水蘇糖饅頭和面包,并且水蘇糖有著色的性質,它在高溫條件下發生美拉德反應,從而形成誘人的焦糖,不僅色香,且風味好,特別適合愛吃甜面包的消費者[53]。Balthazar[54]利用益生元代替羊奶脂肪,開發羊奶冰淇淋,發現低聚糖有助于改善食物感官特性和延長保存期限等作用,這歸因于低聚糖具較好的持水能力、凝膠形成能力和增稠作用,為水蘇糖開發羊奶冰淇淋提供可靠依據。

表2 國內水蘇糖相關產品Table 2 Domestic stachyose related products

4.2水蘇糖在飲料中的應用

目前,市場銷售的水蘇糖產品多以粉狀沖劑形式存在。據調查,在70多種水蘇糖品牌中有一百余種產品為水蘇糖粉狀沖劑(包括水蘇糖葡萄糖粉劑、水蘇糖益生菌粉劑等),極少數為口服液和片劑,消費人群主要是嬰兒、青少年及中老年人。高鵬等[55]選取250名受試者進行水蘇糖產品的人體實驗,每天服用0.5～10 g水蘇糖,結果發現人體內雙歧桿菌、乳桿菌等益生菌顯著(p<0.05)增加,腸道功能增強;張金澤[1]進行水蘇糖動物實驗,也得出水蘇糖能促進雙歧桿菌增殖,調節腸道健康,說明水蘇糖對人體健康的重要性。表2為國內部分水蘇糖產品相關資料及可能功效。

此外,在啤酒中添加水蘇糖,可以起到緩解便秘、防治腹瀉、保護胃黏膜等作用,并且可以緩解飲酒所帶來的一系列不適應癥,因此,在酒產品中添加水蘇糖具有良好的發展前景,根據市場調查,部分酒產品,如米婆婆臻鮮無醇米酒中有添加水蘇糖,專利“一種蟾皮酒的生產方法”(CN201410237200.9)也提到一種緩解便秘的保健啤酒制作方法,配方中也含有水蘇糖。

4.3水蘇糖在保健品的應用

目前,低糖、無糖型食品以及功能性食品逐漸受到消費者青睞,水蘇糖以其顯著的低甜度特點和優勢在保健品中也有較好的應用。基于前述水蘇糖的功能,認為其具有良好的益生特性,是一種理想的功能性食品添加劑,因此在國內市場上,也出現以水蘇糖為原料或者輔料的保健品,如:康胃保健口服液、排鉛口服液、無限極派立清口服液、得意水蘇糖葡萄糖茶飲料、酷優貝比嬰幼兒水蘇糖復合軟膠囊等產品。針對不同人群,如糖尿病患者,水蘇糖具有低甜度、低熱量,促進有益菌增殖,調節腸道健康,可部分或者全部替代蔗糖研發出適合的保健食品,調節人體的機能[56]。

5 展望

近年來,作為功能性低聚糖,水蘇糖得到了人們的普遍關注和認可,研究水蘇糖精深加工新技術、開發水蘇糖新產品、闡述水蘇糖直接或間接功效作用等已成為低聚糖研究開發的一個重要分支。從生產角度分析,酶法生產由于其具有分離效果好、獲得水蘇糖純度較高等優勢,有望成為高純度水蘇糖生產的重要方法。此外,已確定水蘇糖具有促進雙歧桿菌增殖,調節腸道健康、緩解便秘、保護肝臟等功能,可根據市場需求,進行針對性水蘇糖產品開發,提高水蘇糖在食品領域的綜合利用價值形成水蘇糖系列保健食品,以期為推動水蘇糖產業的健康發展奠定科學基礎。

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