D-阿洛酮糖的生理功能及應用研究進展

徐康，隋松森，郭傳莊，孫瑞成，李小雙，徐振上，王婷*

（1.齊魯工業大學（山東省科學院） 生物工程學院，山東 濟南 250353；2.諸城東曉生物科技有限公司，山東 諸城 262200）

近年來，隨著人們生活水平的日益提高，高糖、高脂食物的過量攝入，糖尿病、高血壓等疾病在世界各地普遍存在[1]。因此尋找合適的低熱量食品補充劑變得至關重要，具有多種功效的稀有糖逐漸進入人們視野。

稀有糖是指自然界中很少存在的單糖及其衍生物，能夠改善特定人群的飲食健康。越來越多的研究結果表明稀有糖在人類健康方面發揮重要作用，如D-阿洛糖具有抑制癌癥和腫瘤的特性[2]；D-塔格糖通過抑制由放線菌等致病菌形成的生物膜，從而對牙齒健康產生積極影響[3]。在稀有糖中，D-阿洛酮糖（D-psicose）因其特殊的口感和獨特的生理功能，可作為蔗糖的理想替代品而備受關注。本文旨在介紹D-阿洛酮糖的生理功能及其主要應用，為后續D-阿洛酮糖的深入研究奠定基礎。

1 D-阿洛酮糖

1.1 D-阿洛酮糖的理化性質

D-阿洛酮糖是一種熱量幾乎為0 的稀有糖，主要來源于小麥、甘蔗等。D-阿洛酮糖和D-果糖的結構式如圖1[4]所示，兩者互為同分異構體。

圖1 D-果糖和D-阿洛酮糖的結構式Fig.1 Structural formulas of D-fructose and D-psicose

D-阿洛酮糖是蔗糖甜度的70%，是一種具有多種健康益處的功能性糖[5]。它是一種白色粉狀晶體化合物，2011 年，美國食品與藥品管理局（Food and Drug Administration，FAD） 將其確定為普遍公認安全食品（generally regarded as safe，GRAS）[6]，這也為D-阿洛酮糖能夠作為食品原料奠定了基礎。D-阿洛酮糖的物理化學性質如表1[7]所示。

表1 D-阿洛酮糖的物理化學性質Table 1 Physical and chemical properties of D-psicose

1.2 D-阿洛酮糖的合成方法

迄今為止，科研人員已經能夠利用化學合成和生物轉化2 種方法制備D-阿洛酮糖。

1.2.1 化學合成法

化學合成法是以葡萄糖為原料，利用鉬酸鹽作為催化劑進行高溫催化得到粗產品D-阿洛酮糖，再將粗產品經有機溶劑冷卻結晶，得到純的D-阿洛酮糖[8]。因化學合成法中間產物提純復雜、環境污染嚴重，所以不是工業制備D-阿洛酮糖的主要方法。

1.2.2 生物轉化法

生物轉化法指利用生物酶催化底物生成目標產物的方法。D-果糖可在D-阿洛酮糖3-差向異構酶（D-psicose 3-epimerase，DPEase） 催化下生成D-阿洛酮糖[9]。1990 年，Izumori 等[10]發現了一株能夠將D-塔羅糖醇轉化為D-阿洛酮糖的細菌Alcaligenes sp.701B。這是生物反應生成D-阿洛酮糖的首次報告。張龍濤等[11]篩選出一株能將D-果糖轉化為D-阿洛酮糖的類球紅細菌（Rhodobacter sphaeroides）SK011，產率為6.54%。這是國內首次報道具有將D-果糖轉化為D-阿洛酮糖功能的菌株。除了類球紅細菌和根瘤農桿菌，其他菌株如解纖維梭菌（Clostridium cellulolyticum）[12]、梭狀芽孢桿菌（Clostridium bolteae）[13]、瘤胃球菌（Ruminococcus sp.）[14]、梭菌屬（Clostridium sp.）等[15]也已被報道過具有DPEase 活性。

雖然可以利用微生物中的DPEase 轉化合成D-阿洛酮糖，但天然微生物中DPEase 的分泌量和活性遠低于預期，無法應用于大規模工業生產。因此，工程菌株的構建對于研究DPEase 特性和工業應用具有重要意義。目前，不同來源的DPEase 基因被克隆并在大腸桿菌[16]、酵母菌[17]和枯草芽孢桿菌等[18]表達系統中表達。生物轉化法因其反應具有特異性、產物純化簡單且無污染，目前已經逐步取代化學合成法，成為國內外合成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

糖尿病是代謝異質性紊亂的總稱，特點是血糖升高[19]。研究發現，長期服用D-阿洛酮糖可以誘導肝臟細胞葡萄糖激酶從細胞核轉移到細胞質，維持大鼠的葡萄糖耐受性和胰島素敏感性，從而維持血糖水平[20]。同時D-阿洛酮糖能夠促進實驗小鼠胰高血糖素樣肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）的釋放，激活迷走神經傳入信號，減少食物攝入并增大小鼠的葡萄糖耐量[21]。另外，將D-阿洛酮糖飼養大鼠的時間延長到60 周，發現大鼠中炎癥標記物糖化血紅蛋白顯著降低[22]，也表明D-阿洛酮糖可以通過控制餐后高血糖來阻止II 型糖尿病的發展。

結合其它文獻報道，D-阿洛酮糖的降血糖作用主要表現在降低肝臟脂肪生成酶的活性[23]和提高脂肪酶氧化酶的活性等[24]方面。由此可見，D-阿洛酮糖的降血糖作用可使其成為一種新型的降血糖藥物而廣泛應用。

2.2 減脂功能

通過研究D-阿洛酮糖對喂食高蔗糖飲食成年大鼠的抗肥胖作用，發現5% D-阿洛酮糖不能控制空腹血糖水平，但顯著抑制了大鼠的腹部脂肪積累和體質量增加[25]。與喂食相同劑量蔗糖的對照組相比，D-阿洛酮糖的補充可使大鼠的體質量增加和腹部脂肪明顯降低，且無副作用[26]。此外，在瘦素缺陷小鼠的飲食中補充D-阿洛酮糖，小鼠的體質量和肝臟質量大幅降低，根據肝臟組織學觀察，D-阿洛酮糖還改善了肝臟脂肪變性，說明D-阿洛酮糖可以對與肥胖相關的疾病產生有益作用[27]。

D-阿洛酮糖參與脂質代謝機制尚不明確，Moon等[28]推測，D-阿洛酮糖能夠通過調節脂肪生成轉錄因子從而抑制前脂肪細胞分化和脂質積累。D-阿洛酮糖減脂功能的發現表明其在減肥功能性產品開發中的潛在應用前景。

2.3 抗動脈粥樣硬化功能

研究發現，高密度脂蛋白膽固醇（high density liptein cholesterol，HDL-C） 與動脈粥樣硬化風險有直接關系，D-阿洛酮糖可通過增加B 類I 型清道夫受體的表達來增強肝臟對HDL-C 的攝取，降低HDL-C 水平，從而防止動脈粥樣硬化的發展[29]。通過研究D-阿洛酮糖對人臍靜脈內皮細胞中單核細胞趨化蛋白-1（monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1） 的影響，發現D-阿洛酮糖可以通過抑制MCP-1 的表達實現對動脈粥樣硬化的治療效果[30]。D-阿洛酮糖抗動脈粥樣硬化功能的發現，為后續動脈粥樣硬化疾病的藥物研究提供了選擇。

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強[31]。研究發現，2%和4%濃度的D-阿洛酮糖能夠對小鼠口服鄰苯二甲酸二（2-乙基己基）酯后產生的ROS 進行清除，并抑制雄性Sprague-Dawley 大鼠睪丸中ROS 和丙二醛（malondialdehyde，MDA）的產生，對睪丸損傷具有預防作用[32]。因D-阿洛酮糖較好的抗氧化功能，被廣泛應用于保健品、化妝品等領域。

2.5 神經保護功能

D-阿洛酮糖可以減緩由6-羥基多巴胺（6-hydroxydopamin，6-OHDA）誘導的細胞凋亡。研究發現，一定濃度的D-阿洛酮糖可顯著減緩大鼠嗜鉻細胞瘤的凋亡，將細胞置于D-阿洛酮糖和6-OHDA 中共培養24 h，細胞內谷胱甘肽明顯增加，說明D-阿洛酮糖在中樞神經退行性病變中，能夠通過調整細胞內谷胱甘肽的濃度來發揮重要作用[33]。這表明D-阿洛酮糖在治療神經組織退化疾病上具有潛在功能，也為后續相關藥物的研發提供了支持。

2.6 抗炎功能

D-阿洛酮糖還可與某些腸道微生物相互作用，通過下調多個組織中基因的表達并增加腸道微生物群組成中的乳桿菌和糞球菌來減輕炎癥癥狀[34]。通過給自發性II 型糖尿病大鼠服用含有或不含3% D-阿洛酮糖的飲用水13 周，結果發現，D-阿洛酮糖的添加顯著減緩了大鼠血糖水平的升高和腎小球的進行性系膜擴張[35]。因此，D-阿洛酮糖可以作為一種抗炎劑，在多種疾病預防和治療中顯示出潛在的醫療價值。

綜上所述，大量動物模型實驗表明D-阿洛酮糖在降低餐后血糖、控制體重等方面具有明顯作用，但在有關抗炎、神經保護等功能上研究較少。

3 D-阿洛酮糖主要應用

目前，有關D-阿洛酮糖的應用研究主要集中在食品和醫療領域。

3.1 食品領域

與蔗糖相比，具有特殊功能且對健康有益的D-阿洛酮糖更加受人歡迎。例如D-阿洛酮糖可以提高食品的持水能力，服用添加D-阿洛酮糖的大豆凝膠會減慢胃的排空速度，從而延長飽腹感[36]。在以谷類面粉為基礎的烘焙食品中添加D-阿洛酮糖可以保持它們的柔軟和濕潤，并具有良好的入口即化感[37]。同時，D-阿洛酮糖可以與食物中蛋白質產生美拉德反應，并產生令人愉快的風味[38]。

在功能性食品領域，D-阿洛酮糖能夠使食品或飲料等具有益生元特性，還可將D-阿洛酮糖與其它益生元或益生菌結合，可增強其抗氧化功效。將紅棗濃縮汁中D-葡萄糖、D-果糖經過生物催化合成D-阿洛酮糖，開發了一種含D-阿洛酮糖的功能性紅棗汁[39]。

D-阿洛酮糖在食品領域的應用，最大的優勢在于它與蔗糖極其接近的性狀和功能，同時還具有很多蔗糖沒有的生理功能，使它能夠在與其他甜味劑相比中獲得最佳的代糖效果。隨著人們健康意識的提高和食品安全問題的日益突出，D-阿洛酮糖作為一種新型甜味劑，必將在食品行業發揮巨大作用。

3.2 醫療領域

研究發現，D-阿洛酮糖與甲硝唑之間存在某些相互作用，能夠顯著增強甲硝唑的藥物作用，將D-阿洛酮糖與甲硝唑一起使用，可以降低藥物劑量，并可以防止毛滴蟲產生耐藥性[40]。D-阿洛酮糖也可作為一種潛在的驅蟲劑，能夠特異性抑制線蟲L1 階段的運動性、生長和生殖成熟度，干擾線蟲的代謝表達[41]。通過向Wistar 大鼠口服和靜脈給藥，結果發現，D-阿洛酮糖很快轉移到血液或尿液中，說明大鼠對D-阿洛酮糖的吸收良好，給藥后消除迅速，作用持續時間短，為D-阿洛酮糖的進一步藥物開發提供了有價值的藥代動力學數據[42]。同時，在體外利用細胞系檢測稀有糖類（包括D-阿洛酮糖）對細胞增殖的影響，發現D-阿洛酮糖能夠對癌細胞增殖產生抑制作用，表明D-阿洛酮糖在未來可能成為一種抗癌輔助藥物[43]。

目前，有關D-阿洛酮糖在醫學領域的研究還較少，且主要以體外或動物實驗為主，仍需要更多的臨床實驗來研究其生理功能和可能的毒性作用等。

3.3 其他領域

除應用在食品、醫療領域外，D-阿洛酮糖還可以作為制作防水、透光薄膜的材料[44]，用來提高產品的環保性。此外，D-阿洛酮糖也可作為一種前體，參與合成D-阿洛糖和D-塔格糖[45]。同時，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謝的獨特代謝調節劑[46]，改善其碳水化合物的代謝。隨著D-阿洛酮糖的流行，D-阿洛酮糖也將會被應用到各類新產品中。

4 結語

D-阿洛酮糖作為公認的第四代天然甜味劑，是蔗糖的理想替代品，也是目前國際上最熱門的甜味劑之一。目前，生產D-阿洛酮糖的生物轉化技術已經得到了廣泛的研究，包括所需酶的來源、修飾、制備和轉化等，以D-阿洛酮糖為原料生產的產品也包括了飲料、烘焙食品、乳制品等。我國有關D-阿洛酮糖的研究起步較晚，雖在生理功能及相關應用方面差強人意，但在上游的基因挖掘和工程細胞構建方面發展較快。如今，隨著糖尿病、肥胖等全球性疾病的發展，以及人們對D-阿洛酮糖生理功能和應用的深入研究，D-阿洛酮糖必將擁有更廣闊的市場價值。