低聚果糖

結構特征

低聚果糖又名蔗果低聚糖，果寡糖或蔗果三糖族低聚糖，天然的低聚果糖和微生物酶法得到的低聚果糖的結構幾乎是直鏈狀。分子式為G -F - Fn（n=1，2，3，G為葡萄糖，F(xiàn)為果糖）。4它是由β-D-呋喃果糖苷酶作用于蔗糖，使蔗糖分子中的D-果糖以于β-（2→1）糖苷鏈連接1-3個果糖而成的蔗果三糖（ GF2），蔗果四糖（GF3）和蔗果五糖（ GF4）的混合物，它的分子質量大于504、小于823，分子聚合度在2-7之間，平均聚合度為2.7。這些特征是鑒別從植物菊苣中提取的一種代替油脂口感的食品配料“菊粉”的主要參數。3

理化性能

低聚果糖的性能見表

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存在分布

低聚果糖是存在于人們經常食用的上千種天然植物中，如存在于香蕉、黑麥、大蒜、牛蒡、蘆筍根莖、小麥、洋蔥、馬鈴薯、雪蓮果、菊芋、蜂蜜等中。4美國國家環(huán)境測試局（NET）評估了低聚果糖在食物中的含量，測試的部分結果是：香蕉0.3%、大蒜0.6%、蜂蜜0.75%、黑麥0.5%。3牛蒡中含3. 6%、洋蔥中含2.8%、大蒜中含1%、黑麥中含0.7%，雪蓮果中果寡糖含量為干物質的60%-70%，菊芋塊莖中含量最為豐富，占塊莖干重的70%-80%。4

主要價值

低聚果糖作為被研究最多、應用范圍最廣的益生元之一，低聚果糖已被證實是唯一同時具有超強雙歧因子和水溶性膳食纖維的雙生理學特性的全天然配料，在世界范圍內被200多個國家和地區(qū)政府所認可，并被廣泛應用于食品、保健、醫(yī)藥、化妝品以及飼料領域。在中國市場，低聚果糖被政府批準為“保健食品”、“食品配料”以及“營養(yǎng)強化劑”等，相關功能性產品市場發(fā)展也非常迅猛。

產品類型

商業(yè)化的低聚果糖產品是葡萄糖、蔗糖、GF2、GF3、GF4的混合物，其相對分子質量最多不超過823，分子聚合度在2-7，平均聚合度為2.7。典型的低聚果糖產品有非精制的糖漿產品G型（普通型，即含量為55%的低聚果糖）與經過精制純化的白色粉狀產品P型（高純度型，即含量為95%的低聚果糖）兩種。4

根據文獻報道，低聚果糖G中糖的組成（干基計）：低聚果糖總量為55%（蔗果三糖25%，蔗果四糖25%，蔗果五糖5%），葡萄糖33%，蔗糖為12%；而低聚果糖P中糖的組成（以干基計）：低聚果糖95%（蔗果三糖35%，蔗果四糖50%，蔗果五糖10%），葡萄糖2%，蔗糖3%。1

低聚果糖G和P的甜度分別約為蔗糖的60%和30%，它們均保持了蔗糖良好的甜味特性。4

生產工藝

自20世紀80年代以來，人們逐漸了解了果寡糖的優(yōu)良生理特性。1982年，日本明治糖果株式會社首先進行工業(yè)化生產果寡糖。1983年，Hidaka采用一般的食品組分生產工藝分離和研制了果寡糖。1988年，Hirayama等研究了黑曲霉中屁-呋喃果糖苷酶的性質，分離、提純了該酶，并采用聚焦色譜法測定了該酶的純度和等電點。1990年，F(xiàn)ujita得到了β-呋喃果糖苷糖的三個同工酶。4

經過美國食品工藝師協(xié)會，應用現(xiàn)代科學研究反復測試得出結論，現(xiàn)代酶法工藝酶化蔗糖生產的低聚果糖的分子結構和保健功能，與天然存在于果蔬植物中的低聚果糖完全相同，是全天然的雙歧因子。云南天元低聚果糖在1998年分別經中科院上海藥物所和北京醫(yī)科大學藥學院進行分離后，進行了氫1和碳13核磁振的測定，根據測試所獲譜峰結果證明，其分子結構與日本文獻報道的GF2、GF3、GF4相同。3

低聚果糖主要有兩大類生產工藝，一種是以蔗糖為原料，利用微生物發(fā)酵生產的*β-果糖基轉移酶或β-*呋喃果糖苷酶轉化而成；另一種是以菊粉為原料，采用酶水解生成。中國、日本和韓國等國家的主流生產方法是第一種方法，以蔗糖為原料，利用黑曲霉、鐮刀霉、日本曲霉等菌種分泌的β-呋喃果糖苷酶和盧-果糖基轉移酶進行酶反應，依次經過濾、凈化、精制和濃縮而得到成品。工業(yè)生產上一般采用黑曲霉等產生的果糖轉移酶作用于高濃度（50%-60%）的蔗糖溶液，經過一系列的酶轉移作用而獲得低聚果糖產品。低聚果糖的生產工藝，已從第一代的液態(tài)發(fā)酵技術、第二代的固定化細胞催化技術，發(fā)展到第三代固定化酶催化生產技術。4

（一）酶水解法

以菊芋為原料生產工藝流程：

菊芋→菊粉→水解→過濾→脫色→脫鹽→濃縮→低聚果糖4

此法生成的低聚果糖鏈較長。4

以菊芋為原料，熱水浸提獲得提取液，然后酶法處理提取液，使壓濾液流暢，提高低聚果糖出率達95%以上，應用納濾高純化技術分離去除葡萄糖、果糖和蔗糖，使低聚果糖純度達94. 85%-98. 58%。4

（二）黑曲霉發(fā)酵高濃度蔗糖法

以蔗糖為基質進行發(fā)酵生產時，當基質蔗糖濃度低于0.5%，傾向于水解反應，主要生成葡萄糖和果糖；當基質蔗糖濃度提高到50%時，只有轉移反應而不發(fā)生水解反應，低聚果糖的收率可超過60%。首先，將篩選出的高酶活黑曲霉株接種于濃度為5%-10%的蔗糖液培養(yǎng)基中，在28-30℃下振搖培養(yǎng)2-4d，獲得具有較高果糖轉移酶活性的黑曲霉菌體。為了有利于酶活性的提高，在培養(yǎng)基中可適當添加氮源物質（如蛋白胨和NH4 NO3，0.5%-0.75%）及無機鹽（如MgSO4和KH2PO4，0.1%-0.15%），再將這些菌體作用于50%～60%蔗糖溶液，在一定溫度和pH下催化產生低聚果糖。反應結束后，發(fā)酵液的組成為：葡萄糖（36%-38%）、蔗糖（10%-12%）、果寡三糖（21%-28%）、果寡四糖（21%-24%）、果寡五糖（3%-6%），低聚果糖55%-60%。該法雖然使果寡糖產率得到大幅度提高，工藝設備簡單，但酶無法重復利用，自動化程度低，因而生產成本較高。4

（三） 固定化增殖細胞法

由黑曲霉等大多數真菌所產生的果糖轉移酶屬胞內酶，故一般可直接采用固定化增殖細胞來連續(xù)化生產低聚果糖，用載體將產酶細胞進行包埋，得到固定化顆粒。將包埋產物與蔗糖或葡萄糖溶液反應，得到低聚果糖溶液，固定化酶可重復使用，又便于連續(xù)化生產。固定化黑曲霉菌體細胞的方法以采用海藻酸鈣包埋法為好，其他還有瓊脂包埋法、卡拉膠包埋法及微膠囊法等。將黑曲霉孢子與預先滅過菌的海藻酸鈉以一定的體積比混合，然后在其中滴入氯化鈣溶液，固化1h后收集固定化增殖細胞顆粒。將顆粒填人反應柱，在50-60℃以下，以一定的速率通人50%蔗糖溶液，流出液經過脫色、脫鹽、濃縮等工藝即可生產出液體低聚果糖。4

（四） 固定化酶法

先用黑曲霉發(fā)酵產生β-果糖轉移酶或*β-呋喃果糖苷酶，再將菌體細胞破碎，分離純化出β-*果糖轉移酶或盧-呋喃果糖苷酶，然后進行固定化處理。與固定菌體一樣，一般采用海藻酸鈉包埋法。將50%-60%的蔗糖糖漿在50-60℃下以一定速度通過固定化酶柱或固定化床生物反應器，使酶催化蔗糖發(fā)生轉移反應，反應時間控制在24h，再經過一系列的脫色、脫鹽、濃縮等分離提純步驟，獲得占總產物60%左右的低聚果糖產品。因固定化酶具有很好的操作穩(wěn)定性，能反復使用，利用率高，可實現(xiàn)生產工藝連續(xù)化、自動化，生產成本降低，該法是國際上研究較多的方法。4

（五）共固定化法

黑曲霉發(fā)酵高濃度蔗糖法、固定化增殖細胞法和固定化酶法生產果寡糖的反應式：

GF（蔗糖）→GF2（果寡三糖） +GF3，（果寡四糖） +GF4（果寡五糖） +G（葡萄糖）

副產物葡萄糖既是平衡產物，影響化學推動力；又是屁-呋喃果糖苷酶的抑制物，阻遏蔗糖的進一步轉化。顯然，消除葡萄糖可以提高蔗糖的轉化率，工業(yè)上一般利用黑曲霉與其他酶（異構酶、葡萄糖氧化酶）共包埋或協(xié)同作用的方法，如采用戊二醛與丹寧將葡萄糖氧化酶或異構酶與黑曲霉交聯(lián)后再和海藻酸鈉結合，制成共包埋顆粒，再填入反應柱，在生產低聚果糖的同時將副產物葡萄糖異構化或氧化，從而解除了葡萄糖的抑制作用，可以得到含量分別為63%和71%的低聚果糖。4

（六）純化

酶法或發(fā)酵法生產低聚果糖得到的低聚果糖含量并不高，為50%-60%，該產品也含有30%-35%的葡萄糖，10%-15%的蔗糖。這些副產物不但降低了低聚果糖的功能特性，也造成糖尿病人、肥胖者不能食用的現(xiàn)狀，限制了低聚果糖的應用領域，不利于低聚果糖的普遍推廣。生產的低聚果糖溶液在投放市場之前，還需進一步加工處理，包括脫色、脫鹽、分離提純、濃縮和微生物滅菌等，可進一步得到低聚果糖含量大于95%的液體糖漿。4

制備高純度低聚果糖的有以下幾種方法，凝膠過濾色譜法、納濾法、發(fā)酵法、酶法、離子交換色譜法。利用酵母消化低聚果糖產品中的葡萄糖，可生產高純度低聚果糖，將具有較弱轉化酶活性的酵母經培養(yǎng)后添加于總糖濃度為20%的低聚果糖中，經30℃、250r/min反應24h，可制得純度為80.24%的低聚果糖。4

早些年，國內色譜分離技術產業(yè)化工藝不成熟，色譜分離技術制備高純度95%低聚果糖在國內一直未被推廣。近幾年，上海某公司利用色譜分離技術提純功能糖取得了突破性進展，成功開發(fā)了模擬移動床技術，協(xié)助國內低聚果糖企業(yè)實現(xiàn)了高純度95%低聚果糖的產業(yè)化生產，縮小了與國際知名品牌的差距。在55型低聚果糖產品的基礎上，采用分離提純技術去掉絕大部分葡萄糖和蔗糖，經過精制成為高純度95%低聚果糖。在諸多分離提純技術中，色譜分離技術經濟實用，分離效率高，通過模擬移動床技術可實現(xiàn)連續(xù)生產，分離提純低聚果糖。分離出來的葡萄糖和蔗糖還可以作為原料生產果葡糖漿，降低了高純度95%低聚果糖的生產成本，更利于低聚果糖在大眾食品中的推廣。4

脫鹽對低聚果糖的品質也有重要影響，不經脫鹽處理，最終產品電導高，通常在100-300μS/cm，口感差，糖粉溶解后顏色深，透光率低，存在食品安全隱患，無法滿足下游產品要求。引入了脫鹽處理后的產品電導在10μS/m以內，口味純正，糖粉溶解后無色、透光率達到99%以上，達到國際先進水平，完全可以滿足下游產品要求。4

食用安全性

在日本，日本明治制果公司中央研究所做的關于低聚果糖的安全性實驗已經證明了低聚果糖是安全無毒性的。1995年厚生省批準低聚果糖為“特定保健用食品”。在歐洲，低聚果糖和菊粉已被批準為食品配料，不需按使用食品添加劑那樣事先報審才能使用。在美國，生產廠家與美國官方化學家協(xié)會（ACAC）合作，已于1997年底經官方食品和藥品管理局（FDA）批準，低聚果糖被列為“膳食纖維源”確定為“膳食補充劑”在市場銷售。在我國，云南天元生產的低聚果糖經中國衛(wèi)生部指定的科研機構完成的多項安全性毒理學試驗和評價，衛(wèi)生學和穩(wěn)定性試驗等。結果表明：云南天元低聚果糖食用是安全的、無毒的。酶法生產天元甘露液所采用的菌種，即*β-D-*呋喃果糖苷酶的黑曲酶菌種，經中科院微生態(tài)研究所鑒定證明亦屬安全菌種。低聚果糖作為功能性配料，添加到許多食品中，它們種大多數已獲得衛(wèi)生部頒發(fā)的保健食品證書，“竹葉青保健酒”還獲得國家級科技成果進步獎。3