低聚半乳糖原料聚合度的檢測和研究

陳文庭 俞淑 林毅侃

摘 要：本文優化并建立了高效液相色譜法和離子色譜法測定低聚半乳糖原料中不同聚合度低聚半乳糖組分的比值，解決了《離子色譜法檢測食品中的低聚半乳糖》（AOAC.2001.02）方法中產品聚合度不確定的問題。本文以配方食品中添加的低聚半乳糖原料為對象，利用高效液相色譜法測定低聚半乳糖原料中二糖、三糖、四糖、五糖、六糖及六糖以上各組分占總糖的比值，再利用離子色譜法分離并測定低聚半乳二糖和乳糖含量，通過計算得到低聚半乳糖原料的平均聚合度。用面積歸一化法測定半乳糖和1，3（4）-β-D-半乳二糖。該方法檢測結果準確，前處理操作簡單，便于檢測原料產品中低聚半乳糖原料的聚合度組成。

關鍵詞：高效液相色譜;離子色譜;低聚半乳糖原料;聚合度

Detection and Study on Polymerization Degree of Galactooligosaccharide Raw Materials

CHEN Wenting， YU Shu， LIN Yikan*

（Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research， Shanghai 200233， China）

Abstract： In this paper，high performance liquid chromatography and ion chromatography were optimized and established to determine the ratio of galactooligosaccharides with different degrees of polymerization in galactooligosaccharides， which solved the problem of uncertainty of degree of polymerization in AOAC.2001.02. In this paper， the ratio of disaccharide， disaccharide， trisaccharide， tetrasaccharide， pentasaccharide， hexasaccharide to total sugar in the raw material of galactooligosaccharide was determined by HPLC method， and the content of galactooligosaccharide and lactose was separated and determined by ion chromatography. The average polymerization degree of the raw material of galactooligosaccharide was obtained by calculation.Determination of Galactose and 1，3（4）-β-D-galactobiose by area normalization method. The results of this method are accurate， and the pretreatment operation is simple. It is easy to detect the polymerization degree of galactooligosaccharide in raw materials.

Keywords： high performance liquid chromatography; ion chromatography; raw material of galactooligosaccharide; degree of polymerization

低聚半乳糖（Galacto-Oligosaccharides，GOS）是一種功能性的低聚糖，1～7個半乳糖基半乳糖或葡萄糖通過糖苷鍵鏈接。在自然界中，動物的乳汁中存在微量的低聚半乳糖，而母乳中低聚半乳糖含量較多[1]。低聚半乳糖具有調節腸道菌群[2]、改善腸道功能[3]、提高人體免疫力[4]等功能。由于低聚半乳糖是一個多聚合度的混合物，沒有相應的標準品可進行定性和定量，導致目前國內檢測行業中低聚半乳糖檢測的技術方案成熟度較低，難以有新的技術突破，也沒有相關的檢測標準。國際方面針對低聚半乳糖已發布了《離子色譜法檢測食品中的低聚半乳糖》（AOAC.2001.02）[5-8]。該方法采用β-半乳糖苷酶將食品中的低聚半乳糖酶解為半乳糖，使用離子色譜法測定食品中的半乳糖含量，減去已知含量的乳糖酶解后產生的半乳糖，得出低聚半乳糖酶解所產生的半乳糖的量，并通過半乳糖含量和低聚半乳糖平均聚合度計算出折算因子k值，得出產品中低聚半乳糖的含量。由于AOAC.2001.02并未明確規定折算因子k值，因此聚合度折算因子k值的確定是該方法的難點，嚴重影響數據的準確性。本研究擬從低聚半乳糖原料入手，使用高效液相色譜示差折光檢測器法和離子色譜法兩種方法對低聚半乳糖各個組分進行分離、定量，計算出10個原料產品的低聚半乳糖平均聚合度，為折算因子k值的確定提供參考依據，提高食品中低聚半乳糖檢測的準確性。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 材料與試劑

氫氧化鈉（色譜純）;乙酸鈉（色譜純）;亞鐵氰化鉀（分析純）;乙酸鋅（分析純）;麥芽五糖標準品;麥芽四糖標準品;麥芽三糖標準品;乳糖標準品;1，3（4）-β-D-半乳二糖標準品;異乳糖標準品。

1.1.2 儀器與設備

Agilent-1260高效液相色譜儀（配四元泵、柱溫箱、餾分收集器、示差折光檢測器，美國Agilent公司）;ICS-6000離子色譜儀（配四元梯度泵、脈沖安培檢測器，美國Thermo公司）;5910R高速離心機（德國Eppendorf公司）。

1.1.3 溶液配制

①亞鐵氰化鉀溶液。稱取15.00 g亞鐵氰化鉀，用水溶解并定容至100.0 mL，室溫保存，可使用3個月。②乙酸鋅溶液。稱取30.00 g乙酸鋅，用水溶解并定容至100.0 mL，室溫保存，可使用3個月。參考《食品安全國家標準 食品中牛磺酸的測定》（GB 5009.169—2016）對乙酸鋅溶液和亞鐵氰化鉀溶液保質期的規定，即在室溫下3個月內穩定。

③0.5 mol/L氫氧化鈉溶液。量取26.1 mL 50%的氫氧化鈉溶液，超純水定容至1 L，超聲混勻，現配現用。④0.5 mol/L乙酸鈉溶液。稱取41.02 g的乙酸鈉，超純水溶解后定容至1 L，超聲混勻，現配現用。

1.2 實驗方法

1.2.1 標準溶液配制

準確稱取0.1 g麥芽五糖標準品、0.1 g麥芽四糖標準品、0.1 g麥芽三糖標準品和0.1 g乳糖標準品分別溶于100 mL容量瓶中，用水溶解并定容至刻度。吸取各標準溶液1 mL于10 mL容量瓶中，加水定容至刻度，配制成麥芽五糖、麥芽四糖、麥芽三糖和乳糖混合標準工作液（100 mg/L）供液相色譜法測試。

準確稱取0.1 g 1，3（4）-β-D-半乳二糖標準品、0.1 g乳糖標準品、0.1 g異乳糖標準品分別溶于100 mL容量瓶中，用水溶解并定容至刻度。吸取各標準溶液1 mL于10 mL容量瓶中，加水定容至刻度，配制成1，3（4）-β-D-半乳二糖、乳糖、異乳糖標準工作液（100 mg/L）供離子色譜法測試。

1.2.2 樣品前處理

稱取5.00 g（精確到0.000 1 g）低聚半乳糖原料于50.0 mL刻度具塞管或離心管中，加入約40.0 mL水振蕩搖勻。加入4.0 mL乙酸鋅溶液和4.0 mL亞鐵氰化鉀溶液，搖勻，靜置10 min，沉淀蛋白質。用水定容至50.0 mL，6 000 r/min離心5 min，上清液用0.22 μm濾膜過濾，供高效液相色譜和離子色譜。

1.2.3 儀器條件

（1）高效液相色譜條件。色譜柱：Agilent Ag+色譜柱（200 mm×10 mm）;流動相：100%水;柱溫：80 ℃;流速：0.3 mL/min;進樣量：100 μL。色譜柱升溫時使用0.1 mL/min水淋洗，待柱溫升至80 ℃后，將流速設置為0.3 mL/min。

（2）離子色譜條件。Dionex CarboPac PA1色譜柱（250 mm×4 mm）;Dionex CarboPac PA1保護柱（50 mm×4 mm）;流速為1.0 mL/min;柱溫30 ℃;進樣量25 μL。檢測器：脈沖安培檢測器，金工作電極，Ag/AgCl參比電極，糖四電位波形。淋洗液A為超純水，B為0.5 mol/L氫氧化鈉溶液，C為0.5 mol/L乙酸鈉溶液，使用前通氮氣30 min，梯度洗脫見表1。

1.2.4 保留時間確定實驗

將配制好的麥芽五糖、麥芽四糖、麥芽三糖混合標準工作液注入超高效液相色譜儀，記錄其出峰時間，分別用于定性低聚半乳糖DP=5，低聚半乳糖DP=4，低聚半乳糖DP=3。將配制的1，3（4）-β-D-半乳二糖、乳糖、異乳糖混合標準工作液（100 mg/L）注入離子色譜儀，記錄其出峰時間。

1.2.5 計算方法

聚合度2（含乳糖）、3、4、5、6（含6以上）低聚半乳糖分別占總糖比例的計算公式如下：

（1）

式中：Wi為試樣中不同聚合度的低聚半乳糖（2、3、4、5、≥6）占總低聚半乳糖的質量分數，%;Ai為試樣中待測低聚半乳糖聚合度的峰面積，mAU·s;ADP2為試樣中低聚半乳二糖的峰（含乳糖）面積，mAU·s;ADP3為試樣中低聚半乳三糖的峰面積，mAU·s;ADP4為試樣中低聚半乳四糖的峰面積，mAU·s;ADP5為試樣中低聚半乳五糖的峰面積，mAU·s;ADP≥6為試樣中低聚半乳六糖（含聚合度6以上）的峰面積，mAU·s。

1，3（4）-β-D-半乳二糖或異乳糖占總二糖比例的計算公式如下：

（2）

式中：Wi為試樣中1，3（4）-β-D-半乳二糖或異乳糖占二糖的質量分數，%; Ai為試樣中1，3（4）-β-D-半乳二糖或異乳糖的峰面積，nC·min; A1為試樣中1，3（4）-β-D-半乳二糖的峰面積，nC·min;A2為試樣中乳糖的峰面積，nC·min; A3為試樣中異乳糖的峰面積，nC·min。

1，3（4）-β-D-半乳二糖或異乳糖占總二糖比例的計算公式如下：

r2=（w1+w2）×w3×100%（3）

式中：r2為聚合度為2的低聚半乳糖在總糖中的百分比含量，%;w1為由式（2）得出的1，3（4）-β-D-半乳二糖占二糖的質量分數，%;w2為由式（2）得出的異乳糖占二糖質量分數，%;w3為由式（1）得出的低聚半乳糖二糖（含乳糖）占總低聚半乳糖質量分數，%。

2 結果與分析

2.1 檢測方法的選擇

市面上大部分的低聚半乳糖原料產品主要是乳糖及不同聚合度的低聚半乳糖的混合物，由于組分結構相似，不易進行分離和純化。現有的檢測方法包括毛細管電泳法、氣相色譜法、分光光度法、高效液相色譜法和離子色譜法等[9]。毛細管電泳法對分離帶電荷的糖類具有獨特的優勢，但該儀器檢測靈敏度較低，市場普及性不高，應用前景不佳[10]。氣相色譜法檢測糖類物質需先將目標物質衍生轉化為易揮發物質后進行檢測，操作步驟煩瑣，易造成實驗誤差。

本文采用液相色譜配置示差檢測器，可有效分離低聚半乳糖原料中不同聚合度的糖類，操作簡單、靈敏度較高、重現性好[11]。考慮到原料產品中，可能夾雜著聚合度同樣為2的乳糖，對低聚半乳二糖的數據造成干擾，本方法采用高效陰離子交換色譜-脈沖安培檢測法單獨檢測低聚半乳二糖。由于糖類化合物有弱酸性及親水性的特性，可在較強的堿性溶液中以陰離子形態存在，可使用強堿性溶液作為流動相進行陰離子交換分離，有效分離不同種類的低聚半乳二糖與乳糖[12-13]。

2.2 高效液相色譜條件的優化

為有效分離不同聚合度的低聚半乳糖，本文使用液相色譜配置示差檢測器并連接Ca2+和Ag+兩種色譜柱。根據配體交換原理分析糖類物質，即糖分子端基異構碳上所帶羥基可被去質子化后帶上強的負電荷，這些負電荷與Ag+柱或Ca2+柱填料的樹脂表面金屬離子所帶的正電荷之間相互作用可使糖分子被保留，低聚糖在洗脫時根據保留性質的強弱和分子量的大小達到分離[8，14]。兩種色譜柱在流動相為純水，柱溫80 ℃的條件下，出峰順序依次是六糖（含聚合度6以上的糖）、五糖、四糖、三糖、二糖、葡萄糖、半乳糖。在相同的色譜條件下，Ag+柱的三糖和二糖的分離度比Ca2+更高。因此，選擇Ag+色譜柱作為液相色譜柱。Ag+色譜柱分離色譜圖見圖1。

2.3 離子色譜條件的優化

高效陰離子交換色譜分析糖類化合物時，所用的淋洗液主要是氫氧化鈉或氫氧化鈉和乙酸鈉的混合液[15]。淋洗液中的OH-作為置換離子，提供強堿性環境，使弱酸性的糖以陰離子形態存在，還能起到淋洗離子作用，洗脫并分離糖[15-16]。為獲得較高的靈敏度，要求流動相維持高pH：當pH增加時，糖的解離度增加，在色譜柱上的保留能力增強。此外，淋洗能力的增強，也增加了置換離子（OH-）的濃度，使糖的保留時間縮短[12-15]。在pH高到足以使碳水化合物定量離解前，其與置換離子的作用相互抵消。如果pH繼續增加，糖的保留時間將縮短，該pH值取決于糖的pKa值[15-19]。

以往的淋洗方式主要采用單淋洗分離，但單組分淋洗液淋洗方式的分析時間較長，且對保留時間長的組分靈敏度不高。考慮到離子色譜僅有保留時間一種定性方式，而PA1色譜柱在柱效不穩定時，保留時間會有明顯的變化。因此，本方法流動相條件設置為梯度洗脫，在目標峰流出后增大流動相中堿液的比例徹底清洗色譜柱，以達到穩定保留時間的目的。在方法儀器條件下的標準物質及樣品色譜圖見圖2和圖3。

2.4 平均聚合度結果計算

該研究先運用液相色譜配Ag+分析柱將低聚半乳糖原料中的二糖（含乳糖）、三糖、四糖、五糖和六糖（含聚合度6以上的糖）分離，面積歸一法計算各組分所占百分比。其中二糖部分除了屬于低聚半乳二糖的異乳糖、1，3（4）-β-D-半乳二糖，還包含一定含量的乳糖，會影響到低聚半乳二糖比例的準確計算。因此，為區分低聚半乳二糖及乳糖，本研究采用離子色譜法配PA1色譜柱進行二糖的分離，并用面積歸一化法得到低聚半乳二糖（異乳糖和1，3（4）-β-D-半乳二糖）占二糖（含乳糖）的比例。結合液相色譜法得到的二糖（含乳糖）占總低聚半乳糖的數值，計算低聚半乳二糖占總低聚半乳糖的精確比值。最后根據AOAC.2001.02方法中提供的折算因子k的計算公式，從低聚半乳糖的平均聚合度中推算出折算因子k值。使用優化后的方法檢測了國內外主流的6個低聚半乳糖原料供應商的10個原料產品后，結果見表2。

3 結論

本文采用液相色譜配示差檢測器分離了低聚半乳糖DP2～DP≥6的糖類成分，采用面積歸一化法確定含量。針對二糖中含有一定量乳糖的現象，利用高效陰離子交換色譜-脈沖安培檢測法將二糖中的乳糖和低聚半乳糖二糖進行了區分定量。通過10種不同低聚半乳糖原料的測定，確定低聚半乳糖的平均聚合度為3.3，為《離子色譜法檢測食品中的低聚半乳糖》（AOAC.2001.02）中折算因子k值的計算提供了參考。

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