功能性低聚糖的生產及應用進展

覃 懿 黃芳毅　柳　春　藍　麗

功能性低聚糖的生產及應用進展

覃 懿 黃芳毅柳春藍麗

（中國科技開發院廣西分院，廣西 南寧 530022）

功能性低聚糖（寡糖），屬于直鏈或支鏈的低度聚合糖，是由2～10個單糖通過糖苷鍵連接形成。功能性低聚糖包括常見的水蘇糖、棉籽糖、異麥芽酮糖、乳酮糖、低聚果糖、低聚木糖、低聚半乳糖、低聚異麥芽糖、低聚異麥芽酮糖、低聚龍膽糖、大豆低聚糖、低聚殼聚糖等。功能性低聚糖具有腸道調節與保護、血糖與血壓調節、提高免疫功能等功效，文章通過對功能性低聚糖基本特性、主要生產工藝及生產廠家、市場應用等進行綜述，以期為今后功能性低聚糖的進一步研究開發提供參考。

功能性低聚糖；生產；應用進展

引言

功能性低聚糖是一種應用面廣的新型生理活性物質，可廣泛應用在營養與保鍵、疾病診斷與防治、畜牧養殖、植物生長及抗病等方面，備受市場的關注。功能性低聚糖大部分都能夠從天然的原料中提取的來，但因含量太低或在自然界分布分散，造成收集成本高，現代工業故多使用生物酶法來制取，其生產原料主要采用糖類，如蔗糖、淀粉等。其中代表性功能品種有乳果糖、低聚乳果糖、低聚果糖、低聚木糖、大豆低聚糖、低聚龍膽糖等，這些物質都具有較好地促進腸道雙歧桿菌增殖作用、難以被人體腸道消化吸收、保持口腔衛生，可預防齲齒的產生等良好的生理功能。

開展功能性低聚糖研究和產品研發從20世紀90年代開始，最早進行研發的國家是日本[1]。歐洲各國在繼日本之后，研究機構與生產部門對功能性低聚糖的開發熱情日漸升溫。目前世界低聚糖市場份額中，日本占有較大的份額。目前各種功能性低聚糖已廣泛應用于不同的食品加工中，如糖果、乳品、飲料、糕點等產品的生產。我國科研機構與生產企業對功能性低聚糖的機理研究及產品開發是以蔗糖為原料制取低聚果糖和以淀粉為原料制取低聚異麥芽糖；其它功能性低聚糖，如大豆低聚糖、低聚甘露糖、低聚乳果糖等也研制開發成功。

功能性低聚糖研究與生產已需利用基因工程技術、蛋白質工程技術、糖工程技術等現代生物學研究技術方法與手段，涉及到醫學、化工等其他學科，產品廣泛應用于食品、醫藥、飼料、農業各領域[2]。目前市場化產品較多，且在研的相關品種豐富，形成了百億級美元的功能食品市場及功能飼料市場，且年增長速度達到兩位數的增長，市場前景預測優秀，已成為一個具有重要市場、衛生、健康價值的生物技術產業。

1　功能性低聚糖基本特性

功能性低聚糖（寡糖）（functionaloligosaccharide），屬于直鏈或支鏈的低度聚合糖，是由2～10個單糖分子通過糖苷鍵連接形成，常見的水蘇糖、棉籽糖、異麥芽酮糖、乳酮糖、低聚果糖、低聚木糖、低聚半乳糖、低聚異麥芽糖、低聚異麥芽酮糖、低聚龍膽糖、大豆低聚糖、低聚殼聚糖等都屬于該類型低聚糖。該類低聚糖較蔗糖在口感、濕度穩定性、粘度、溶解度、酸穩定性方面都具有較好的優勢，且因功能性低聚糖甜度僅為蔗糖甜度的30%～60%，目前作為食品原料，大量用于替代蔗糖的食品調味料。其顯著的生理功能如下[3]。

（1）因人體酶系統無法分解、消化功能性低聚糖，人體攝入功能性低聚糖后，無法或較難消化與吸收。利用該特性，在食品加工過程中作為甜味劑，可滿足如糖尿病人、肥胖病患者等不宜攝入高糖成分人群的需要。功能性低聚糖為低分子、水溶性的膳食纖維，人體每天平均攝入3 g即可滿足身體需求。

（2）功能性低聚糖是腸道內有益菌（如雙歧桿菌）的增殖因子，功能性低聚糖攝入人體后于腸道被雙歧桿菌及某些乳酸菌利用，可在腸道內促進維生素B1、維生素B2、維生素B6、維生素B12、葉酸、煙酸等營養物質的合成，保障了腸道內維生素的供應并促進有益菌群，如雙歧桿菌的增殖。

（3）雙歧桿菌利用功能性低聚糖發酵時，可生產數量較多的短鏈脂肪酸，對腸道的刺激、糞便濕潤度的增加、腸道滲透壓維持的作用明顯，也具備一定的防止腸道功能紊亂及抑制腸道中有害病菌和致病菌的作用。

（4）突變鏈球菌不能利用功能性低聚糖，將功能性低聚糖應用于口腔保潔保健方面，可對非水溶性葡聚糖的合成及在牙齒上的附著起到較強抑制作用，從而阻止齒垢的形成，具有較好防治齲齒的作用。

（5）功能性低聚糖的采用對降低人體血清膽固醇、改善人體脂質代謝具有一定作用。既往研究表明，腸道中雙歧桿菌數比例與人體心臟舒張壓高低具備較明顯負相關性，攝于一定量的功能性低聚糖具有降低血壓的生理功效。

（6）功能性低聚糖的攝入可引起雙歧桿菌細胞、細胞壁成分和胞外分泌物的增多，引發免疫細胞活性增強，促進分泌腸道免疫蛋白A(IgA)漿細胞，從而殺滅人體有害細菌和病毒，清除病變的細胞，具有提高機體免疫功能和抗癌的作用，防止病程的發生及惡化。

2　功能性低聚糖的主要生產工藝及生產廠家

2.1　低聚果糖

“低聚果糖”又名“寡果糖”或“蔗糖三糖族低聚糖”，平常的水果、食用蔬菜中均可收集[4]。商品型的低聚果糖產品是葡萄糖、蔗糖、GF2、GF3、GF4的混合體，典型產品有非精制糖漿產品G型（普通型，含量55%的低聚果糖）與精制純化粉型產品P型（高純度型，含量95%的低聚果糖）兩種。低聚果糖G和P的甜度分別為蔗糖的60%和30%，但它們均保持了蔗糖良好的甜味特性。低聚果糖具備難消化性和對雙歧桿菌的滋養的作用，兼備有保健功能和食品配料的特性[4]，具有低熱值、防齲齒、促雙歧桿菌增殖、降血糖、改善人體血清脂質、促進機體微量元素吸收等優良生理功能，可對人體微生態平衡進行雙向調節，被確認為“優良的難消化性水溶性膳食纖維”[4]。

低聚果糖因對促進雙歧桿菌的代謝，提高其活性，抑制有害菌繁殖具有正面作用，是目前日常飲食中效果最好的雙歧桿菌生長活性劑，大量的研究證據表明在攝入適量的低聚果糖可較大增加（5～10倍以上）腸道內雙歧桿菌的數量，并同時減少有害細菌，兼達到潤腸通便的效果，從而在第三代保健食品生產之中大量應用[4]。

生產低聚果糖的原料主要以蔗糖和菊粉為主，生產蔗果低聚糖與水果低聚糖[5]。利用色譜分離去雜技術去除蔗糖與果糖，可獲取高純度產品。目前以酶技術生產為主，主要生產工藝為糖液富集→回流→異構化酶柱→色譜分離→濃縮→冷卻→結晶→離心分離→洗滌→干燥→篩分→成品。日本明治制果（Meiji SeikaKaisha）、法國的Besnin Sac、韓國的CheilFoods and Chemicals（韓國）公司等國際企業主要以蔗糖作為主要原料生產低聚果糖；ORAFTI公司、比利時的Cosucra公司等國際企業以菊粉為主要原料生產低聚果糖[5]。目前國內低聚果糖產能居首位的公司是廣東江門量子高科生物有限公司，其生產的低聚果糖市場份額約占到整體的67%，生產能力大概10000 t，云南天元健康食品有限責任公司產能約為3000 t；張家港梁豐公司產能約為1000 t。

2.2　低聚木糖

“低聚木糖”（Xy1o-oligosaccharides）又名“木寡糖”，其由通過β（1-4）糖苷鍵結合的2～8個木糖分子形成的功能性聚合糖，其中有效成分為聚合度2～5個木糖分子的組成部分，外觀呈淡黃色粉末狀，甜度值約是蔗糖的50%。

低聚木糖可添加在低pH值的飲料中，如乳酸型飲料、醋型飲料等，生物穩定性較好，不會產生分解，不影響產品口感與生物效果，可長期保存；在不破壞原有食品的風味前提下，較同效物質的添加量小，增效明顯；在焙烤的過程，對產品水分保持及面團流變特性的改變，作用顯著；在農業生產應用方面，施用低聚木糖栽培農作物,其果實產量、生長速度和抗病性提升作用明顯；利用低聚木糖的表面活性特性，在醫藥生產與使用中，廣泛用于吸附腸道有毒物質及病原菌，提高機體抗病力，激活免疫系統。在國外低聚木糖優良的生理功能已引起消費人群的重點關注，其相關產品年需求量不斷提升，如日本，總體需求量已達1500 t[5]。

采用高溫酶糖化與膜集成分離提純技術，以玉米芯、作物秸稈與樺木為生產原料進行低聚木糖生產，是目前主要技術手段及途徑。高純度低聚木糖生產關鍵核心技術為選用適宜生產的木聚糖酶系，再利用克隆技術對木聚糖酶系進行改造，酶系效價的提高從而提升低聚木糖的生產效率。利用Tomoy2a工程菌可制作嗜熱脂肪芽孢桿菌的木聚糖酶與β2木糖苷酶的克隆基因，在大腸桿菌中實現表達，其中2種基因亦可同時表達，也可分別單獨表達。野口等研究人員利用紙漿漂白用的芽孢桿菌木聚糖酶工藝技術制備低聚木糖；荒木等研究人員利用用產堿桿菌（Alcaligenes）生產的β21,32木聚糖酶工藝技術制備低聚木糖。Pat rice等[6]研究人員用梭狀芽孢桿菌（Clost ri di um）的木聚糖酶工藝技術從玉米芯制備低聚木糖。目前主要生產企業有山東龍力生物科技股份有限公司、山東豐原中科生態有限公司、江蘇康維有限公司及日本三得利公司等。目前國內主要生產工藝采用《低聚木糖行業標準》（QBT 2984－2008）以及《飼料添加劑低聚木糖國家標準》（GBT 23747－2009）。

2.3　低聚異麥芽糖

低聚異麥芽糖（Isomaltose，IMO）（中文別名：異麥芽低聚糖、異麥芽寡糖、分枝低聚糖）[7]其主要成分是通過α-1和6糖苷鍵結合的葡萄糖分子，所形成的異麥芽糖、異麥芽三糖、潘糖及四糖以上的低聚糖混合物。低聚異麥芽糖分為糖粉與糖漿類型，其中糖粉為無定型粉末，甜味柔，無異味，無可見雜質。一般成品異麥芽低聚糖呈現為白色粉末狀，帶有淡甜味，口感較綿軟；糖漿亦呈無色或淺黃色，透明性粘稠型液體，無異味，亦無可見雜質。

低聚異麥芽糖（IMO）功能性的主要成分分別有異麥芽糖、異麥芽三糖、潘糖，其主要生理功能為促進人體內的雙歧桿菌顯著增殖（雙歧桿菌生長促進因子）[7]，具有水溶性、熱值低、防齲齒等特性，是一種應用廣泛的功能性低聚糖。利用其有效的促進人體內有益細菌-雙歧桿菌的生長繁殖的機體作用，并經多年臨床應用與食品加工的結果表明，雙歧桿菌具有較好的保健功能，市場上以“雙歧桿菌促進因子的低聚異麥芽糖”的產品關注度較其他產品要高，市面上異麥芽低聚糖產品主要宣傳功能，也重點定位在“養腸保健品”[7]，其中低聚異麥芽糖含量高低反映了產品質量的好壞，也對產品的價格和應用前景有明顯的影響[7]。

低聚異麥芽糖的生產途徑分為以下幾種：（1）利用高濃度的葡萄糖溶液，在糖化酶（glucoamylase）逆合作用下，生成異麥芽糖、麥芽糖等低聚糖。但是采用該生產途徑，會存在IMO存在產率低、產物復雜、生產周期長的情況，故工業化大生產難以推廣；（2）以淀粉為生產原料，首先制備高濃度葡萄糖漿底物，再利用a-葡萄糖轉昔酶催化一葡萄糖基轉移反應工業技術，從而生成低聚異麥芽糖。其具體的生產流程為：淀粉→噴射液化→β-淀粉酶糖化→α-葡萄糖苷轉移酶轉化→脫色→離子交換→真空濃縮或噴霧干燥→成品。低聚異麥芽糖產品是所有低聚糖同類產品中市場產銷量最大的品種，其生產代表企業為山東保齡寶生物技術股份有限公司，市場份額占有率近70%[8]。

2.4　低聚半乳糖

低聚半乳糖（Galactooligosaccharides，GOS）是半乳糖或葡萄糖分子通過連接1-7個半乳糖基［Gal-(Gal)n-Glc/Gal（n為0～6）］，其生物活性天然屬性明顯，哺乳動物的乳汁中存在少量GOS，人母乳中GOS與其對比，相對含量較高。其中新生兒腸道發育不全，消化功能比較薄弱，需要通過逐步構建有利于腸道功能的雙歧桿菌有益菌群，該過程需較大程度要依賴母乳中的GOS 成分；另一面低聚半乳糖又是人體腸道有益菌（雙歧桿菌、嗜酸乳酸桿菌）的優質營養源和高效增殖因子，可大幅改善人體腸道的消化吸收功能[9]，所以市售的嬰幼兒奶粉中多添加了低聚半乳糖的營養成分，比如“YumYum奶粉”含有的低聚半乳糖，不斷地改善幼兒的消化功能，并促進幼兒體內鈣的吸收，同時增強幼兒免疫力。

低聚半乳糖甜味較純正，熱值較低（7.1 J/g），甜度僅為蔗糖20%～40%，保濕性強；熱穩定性好（ph=7），100℃下加熱1小時或120℃下加熱30分鐘后，低聚半乳糖無任何分解。利用低聚半乳糖同蛋白質共熱時的美拉德反應，可以應用于面包、糕點等的加工。

在半乳糖苷酶作用下，以高濃度乳糖做底物，利用半乳糖基轉移活性，采用水解工藝，將乳糖分解成半乳糖和葡萄糖，再利用乳糖結構中半乳糖基一側，通過化學反應結合1～4個分子，從而制備低聚半乳糖。目前市面上低聚半乳糖的主要生產廠家分別是日本的Ya KnitHosha、Nissin制糖公司、Snow Brand奶制品公司，其總產量占據較大量的市場份額。

3　功能性低聚糖的市場應用

利用功能性低聚糖良好的功腸道調節與保護、血糖與血壓調節、提高免疫功能等功用與生理活性，將其應用在疾病診斷與防治、營養與保鍵、植物生長及抗病、畜牧養殖等領域，已發展成為一個重要產業和工業原料。根據各種功能性低聚糖的生理活性，不同低聚糖有著其特定的應用領域。根據北京東一信達公司“中國低聚糖市場研究報告”中所提供的數據，日本近年低聚糖年需求量達到100000 t，歐洲及美洲各國年需求量合計1200000 t，預測在將來10年內，功能食品較普通食品所占的比例將達到25%～30%，將來在食品領域將對低聚糖有很大的需求量[10]。

3.1　功能食品與飲料

功能性低聚糖對腸道、血糖調節及免疫增強作用，對開發功能食品與飲料具有較好的支撐作用。據統計數據顯示，全球人均每年功能飲料消費量較高，達到7 kg。可以推斷出功能飲料、乳飲料市場規模潛力龐大，功能性飲料和功能性乳飲料將引領新的飲料潮流，年銷售額及增長速率為百分之十幾[10]。

3.2 乳品市場

乳品中添加功能性低聚糖，可有效地調節生物體腸道菌群的結構及比例平衡，可增進腸道優勢菌群的生長增殖，緩解生物體產生的乳糖不耐受情況，有效預防出現的便秘與腹瀉癥狀，進而提升機體的免疫能力，顯效性較顯著。據已發表研究數據及文獻報道，從2009年到現今，全球乳品市場的年需求量在以年均3%的增量實現正增長。其中乳制品出口國新西蘭和美國等幾個主要國家的乳品出口總量就占到全球乳品出口量的六成以上，且將隨著新興發展國家消費能力逐步提升而有所增加，該類市場已具備重要的市場發展潛力，也將會占據全球牛奶消費總量的大部分。隨著未來人口、人均收入及新興發展國家的增長，市場對牛奶的消費將呈現大幅增長[10]。

3.3　飼料行業

我國飼料工業已成為世界第二大生產大國。受市場發展需求的催動以及全球畜牧生產養殖技術的不斷提高，以及人們對肉類消耗單位數量的增加，有數據預測，人均肉制品消費量會較現有水平將會以2%的年增速度進行正增長，特別是豬肉和禽肉。隨著對綠色養殖的倡導及推廣，以及對抗生素等藥物的限制使用要求及規定，低聚糖會越來越廣泛的被應用到動物保健品和飼料工業中[11]。

3.4　農業調節劑及生物農藥

在農業生產中使用功能性低聚糖作為作物生產的調節劑，通過功能性低聚糖完成對調控作物的生長發育具有較顯著的促進作用；添加功能性低聚糖的農業調節劑及生物農藥，成為新型的植物激素及植物抗性激活因子，在農業應用上的植保作用明顯[12]，預計在將來的農作物生長發育、病蟲害防治工作中具有廣闊的開發前景和重要市場價值；使用功能性低聚糖作為生物化學肥料[13]，對土壤菌群結構及形態促進作用強、提高化肥的利用率具有較好作用。

3.5　保健品市場

20世紀90年代以來，世界保健食品的銷售額每年以一定的速度增長。未來發展方向主要在于腸道調節、美顏、促吸收、減肥、提高免疫力類等功能性產品，這些產品將占據保健食品市場的大量份額。

4 結束語

綜上所述，隨著對功能性低聚糖的功能作用的深入研究與應用，其對社會經濟發展、人民生活品質的提升、環境及健康的改善、食品安全具有重要作用，有效推動提倡自然、綠色、健康的消費潮流，具有較強的增長能力與市場額度，市場前景極為廣闊。

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Progress in Production and Application of Functional Oligosaccharides

Functional oligosaccharides (oligosaccharides) are linear or branched oligosaccharides, which are formed from 2-10 monosaccharides linked by glycosidic bonds. The functional oligosaccharides include stachyose, Raffinose, isomaltoose, lactose, fructooligosaccharides, xylo-oligosaccharides, galactooligosaccharides, isomaltose, isomaltolose, gentiooligosaccharides, soybean oligosaccharides, oligochitosan and so on. Functional oligosaccharides have the functions of regulating and protecting the intestinal tract, regulating blood glucose and blood pressure, improving immune function and so on. This paper summarizes the basic characteristics, main production processes, manufacturers and market applications of functional oligosaccharides, in order to provide references for the further research and development of functional oligosaccharides in the future.

functional oligosaccharides; production; application progress

TS24

A

1008-1151(2022)08-0039-04

2022-04-29

覃懿（1976－），男，中國科技開發院廣西分院工程師，研究方向為科技項目評估與管理。