功能性低聚糖 低聚糖（Oligosaccharide）或寡糖，由2～10个分子单糖通过糖苷键连接形成直链或支链的低度聚合糖。低聚糖主要分二大类，一类是β-1，4葡萄糖苷键等连接的低聚糖，称为直接低聚糖或普通低聚糖，如蔗糖、乳糖、麦芽糖、麦芽三糖和麦芽四糖；另一类是以α-1，6葡萄糖苷键连接的低聚糖称为双歧增殖因子，这些低聚糖由于其糖分子相互结合的位置不同，因人体没有代谢这类低聚糖的酶系，所以就成为难消化性低聚糖，也就是说，人吃了不产生热量，它不能成为人体的营养源但它们对人体有特别的生理功能，所以称它们为功能性低聚糖。因而也可以说，一般低聚糖和功能性低聚糖不同，就在于能否被人体胃酸和胃酶所降解并对人体有无特殊的生理功能。功能性低聚糖包括低聚异麦芽糖、低聚半乳糖、低聚果糖、低聚乳果糖、乳酮糖、大豆低聚糖、低聚木糖、帕拉金糖、耦合果糖、低聚龙胆糖等，其中，除了低聚龙胆糖无甜味反具有苦味外，其余的均带有程度不一的甜味，可作为功能性甜味剂用来替代或部分替代食品中的蔗糖，迄今为止，已知的功能性低聚糖有1000多种，自然界中只有少数食品中含有天然的功能性低聚糖，例如：洋葱、大蒜、芒壳、天门冬、菊苣根和伊斯兰洋蓟块茎等含有低聚果糖，大豆中含有大豆低聚糖。由于受到生产条件的限制，所以除大豆低聚糖等少数几种由提取法制取外，大部分由来源广泛的淀粉原料经生物技术合成。目前，国际上已研究开发成功的有70多种。功能性低聚糖因具独特的生理功能而成为一种重要的功能性食品原料，已引起全世界广泛的关注。日本在这方面的研究、开发与应用位居前列，已形成工业化生产规模的低聚糖品种多达十几种，1999年的消费量为3万吨。2000年我国功能性低聚糖总产量约3万吨，主要品种是低聚异麦芽糖。同时，国家批准了低聚异麦芽糖的行业标准和功能性低聚糖通用技术标准，为规范行业发展发挥了重要作用。目前，功能性低聚糖替代或部分替代蔗糖而广泛应用在饮料、糖果、糕点、乳制品及调味料等多种食品中。 一、低聚糖的生理功能 1979年发现低聚糖难被人体所消化，并发现这种难消化的糖有助于改善肠道菌群和抗龋齿作用。由于蛀牙、肥胖症、高血脂，糖尿病等都同食糖摄取过多有着密切关系，人们对利用低聚糖代替部分砂糖来改善食品，促进人体健康寄予很大希望并进行了广泛研究。功能性低聚糖的生理功效分为直接生理功能与间接生理功能，间接功能指服用功能性低聚糖后，肠内双歧杆菌显著增殖产生的许多积极的生理功能。（一）直接生理功能 1. 低热量，难消化。由于大多数功能性低聚糖的糖苷键不能被人体内的消化酶水解，摄食后难以消化吸收，因而能量值很低或为零。基本上不增加血糖、血脂，能有效防治肥胖、高血压、糖尿病等。例如一般的糖类热量值为21kJ／g，而果糖的发热量仅为3.6 kJ/g，低聚半乳糖热值也仅为7.1 kJ/g。 2. 有水溶性膳食纤维作用功能性低聚糖也是一类低分子量的膳食纤维，与一般膳食纤维相比有如下优点：甜味圆润柔和，有较好的组织结构和口感特性；易溶于水，使用方便，且不影响食品原有的性质；在推荐范围内不会引起腹泻；整肠使用显著；日常需求量较少，约3g左右等。 3. 龋齿主要是由突变链球菌（Streptococcus mutans）引起的，大量研究表明突变链球菌产生的葡萄糖转移酶，不能将低聚糖分解成粘着性的单糖如葡萄糖、果糖、半乳糖等，另外突变链球菌从功能性低聚糖生成的乳酸也明显比从非功能性低聚糖蔗糖、乳糖生成的乳酸少，故功能性低聚糖是一种低龋齿性糖类。 4. 肠道中有益菌群双歧杆菌增殖功能性低聚糖通过消化道不被酸和酶分解，直接进入大肠为双歧杆菌利用，使双歧杆菌得以迅速增加。人体摄入低聚果糖后，体内双歧杆菌数量可以增加100～1000倍。研究标明，每天摄入2～10g低聚糖持续数周后，人肠道中双歧杆菌平均增加7.5倍。某些品种的低聚糖所产生的乳酸菌数量也增加了2～3倍，如乳杆菌。（二）间接生理功能功能低聚糖有利于双歧杆菌的增殖，从而表现出更重要的生理作用。 1. 抑制病原菌双歧杆菌能防止外源性病原微生物的生长和内源性有害微生物的过度生长，这种抑制作用主要源于双歧菌产生的短链脂肪酸(乙酸：乳酸=3：2)的抑菌作用，乙酸和乳酸对病原菌的抑制作用已为许多研究者所证实，Chung和Tamura等分别报道了乙酸和乳酸对沙门氏菌和大肠杆菌的抑制作用。Anand等证实双歧杆菌产生的双歧菌素(Bifidin)对志贺氏杆菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和其它某些微生物可有效抑制。Nakaya和Okamura等证实从婴儿双歧杆菌分离的一种高分子物质对志贺氏杆菌5503—0l、沙门氏菌和大肠杆菌等也能很好地抑制。 2. 抑制有毒物代谢和有害酶的产生服用功能性低聚糖能够抑制有毒物质的产生，降低有害酶的生成量，这已在人体实验和人类粪便微生物的测试中得到证实：服用或在人粪便中添加3～6g/d的低聚糖，3周之内能降低有毒物和有害酶分别为44.6%和40.9%。 3. 防止腹泻由于功能性低聚糖能降低病原菌的量，故它对腹泻有预防作用和治疗效果，Hidaka等报道对6个排便不良的老年人每天摄入8g低聚果糖，8d后所有情况恢复正常。Hotta等让15个一月龄～15岁的患有严重小儿腹泻的婴儿和儿童，每天服用3g含10×1010短双歧杆菌／g的活菌制品，6～7d后所有患者大便次数明显减少。Rermer等报道，德国产的“Omniflors”是一种含长双歧杆菌，gasserir乳杆菌和大肠杆菌的冻干生物制品，它能有效地平衡胃肠道的微生物菌群，有利于肠胃失调者的治疗。此外，许多研究者认为母乳喂养的婴儿比代乳品喂养儿健康。 4. 防止便秘由于功能性低聚糖类导致双歧菌的量增加，相应增加了乙酸、乳酸的分泌量，因而刺激了肠的蠕动和通过渗透压增加粪便水份，故有防止便秘的作用，日服3.0～10.0g低聚糖，l周内就有明显的抗便秘效果，但对严重便秘患者，低聚糖的治疗效果不明显。 5. 降低血清胆固醇服用功能性低聚糖后，使血清胆固醇的含量明显下降。如日摄入6～12g功能性低聚糖2周～3个月可减少血清胆固醇20～50m1，研究血清胆固醇生长，增加HDL在整个胆固醇中的比重(在女性中明显，在男性中不显著)。 6. 保护肝功能摄入低聚糖，有毒的代谢产物减少，从而减少了肝的去毒负担，故其对肝有保护作用。如给69岁有肝炎和便秘病患者服用3.0g/d的大豆低聚糖，5天后症状明显得以改善。Mutlng等报道口服含高浓度双歧杆菌的发酵乳，持续80d，12个慢性肝炎或肝硬化、无高血压的患者，以及8个有严重高血压的肝硬化患者，血清和尿中的有毒物降至健康人或接近健康人的水平，病情转好，如食欲增加，蛋白质耐受性增强，体重平均增加2.6kg。 7. 降低血压的作用摄入低聚糖有降血压作用。Hata等对46个高血脂患者作实验，让他们日服用低聚果糖5周，血压平均下降799.8Pa（6mmHg），同时血糖值下降，但不显著。对6个健康的男人，年龄介于28～48岁之间，日摄入3.0g大豆低聚糖1周，心房扩张血压下降893.7Pa （6.3mmHg）。 8. 提高机体免疫力，抗肿瘤大量试验表明，双歧杆菌在肠道内大量繁殖对小动物有抗癌作用，这种作用归功于双歧杆菌的细胞，细胞壁物质和细胞间物质使机体免疫力提高。喂养长双歧杆菌单因子的无菌小鼠中，要比未处理的无菌小鼠活得长，口服或静脉注射具有埃希氏大肠杆菌或静脉注射肉毒素，在有活性长双歧杆菌同时存在的情况下，小鼠在第2～3周内，就可诱导抗致死作用。但在无胸腺的无菌小鼠中，未发现此现象。因此可见，长双歧杆菌可诱导抗埃希氏大肠杆菌感染的细菌免疫。 9. 营养素吸收促进作用，产生营养素双歧菌能产生维生素B1、B2、B6、B12、烟酸、叶酸，含双歧菌的发酵乳制品改善了乳糖不耐症、钙的吸收和消化。双歧菌对矿物元素有促进吸收的作用。日本人钙摄入不足，故骨质疏松患者较多；Mg摄入也有类似问题。日本学者用低聚果糖、低聚半乳糖、异构低聚麦芽糖、棉子糖在兔上进行钙吸收的实验表明，它们均有明显的促进钙吸收的作用，钙吸收量和盲肠中L-乳酸的量密切相关，研究者认为这种促进吸收作用是难消化的低聚糖转化为L-乳酸，L-乳酸吸附钙化合物使其溶解性增加，导致钙吸收力增强。 10. 血糖值的改善作用 Yamashita等进行非胰岛素依赖型糖尿病患者的功能性低聚糖口服实验，结果表明低聚果糖具有明显的降低血糖作用，对非胰岛素依赖性糖尿病有一定的疗效。佐野隆志等进行该类患者腔囊收缩能力实验，日摄入10g低聚果糖4周，半数患者有明显的改善作用，3／4的患者通便得以改善。二、功能性低聚糖的摄入剂量和副作用功能性低聚糖纯品日摄入有效剂量是低聚果糖3.0g，低聚半乳糖2.0～2.5g，大豆低聚糖2.0g，低聚木糖0.7g。Hata等报道大豆低聚糖最大的不引起腹泻剂量为男人0.64g／kg、女人0.96g/kg。Spiesel等报道低聚果糖引起腹泻的最小剂量男人44g、女人49g。低聚半乳糖急性中毒的LD50＞15g／kg(对兔) 。 三、功能性低聚糖的种类、性质及其应用低聚糖产品中有的以原料冠其首命名，如大豆低聚糖，其中主要含的是水苏糖，少量棉籽糖，还有蔗糖；有的则以单糖或二糖基命名，如低聚异麦芽糖、低聚果糖。（一）低聚异麦芽糖低聚异麦芽糖又称分枝低聚糖，是功能低聚糖中产量最大、目前市场销售最多的一种。它是指葡萄糖之间至少有一个以α-1,6糖苷键结合而成的单糖数在2～5不等的一类低聚糖，商品低聚异麦芽糖主要由异麦芽糖、潘糖、异麦芽三糖和四糖组成，占总糖的50%以上。 商品低聚异麦芽糖产品分两种规格：主成分50%以上的为IMO-500和主成分85%以上的为IMO-900。化学结构如图4-3： 图4-3 麦芽糖、潘糖、异麦芽三糖的化学结构低聚异麦芽糖甜味温和，甜度是蔗糖的30%～50%，粘度、水分活度、冰点下降情况与蔗糖相近，食品加工比饴糖易操作。耐酸耐热性较强，浓度为50%的糖浆在pH3、120℃下长时间加热也不分解。适合应用于饮料、罐头及高温处理和酸性食品，有优良的保水性和风味改善品质，有很好的双歧杆菌增殖效果。健康成人每天摄入20g持续l周，其肠道内双歧杆菌由14.8%增加至24.5%，此外，它可防龋齿，它的保水性可抑制食品中的淀粉回生老化和结晶糖的析出，添加到面包类、糕点等以淀粉为主的食品中可延长保存期。（二）低聚半乳糖 低聚半乳糖是在乳糖分子上通过β-1，6糖苷键结合1～4个半乳糖的杂低聚糖，其产品中含有半乳糖基乳糖、半乳糖基葡萄糖、半乳糖基半乳糖等，属于葡萄糖和半乳糖组成的杂低聚糖。化学结构如图4-4： 图4-4 低聚半乳糖的化学结构在自然界中，动物的乳汁中存在微量的低聚半乳糖，母乳中含量稍多。低聚半乳糖甜味比较纯正，热值较低(1.7kcal／g)，甜度为蔗糖的20%～40%，保湿性极强。在pH为中性条件下有较高的热稳定性，100℃下加热1h或120℃下加热30min后，低聚半乳糖无任何分解。低聚半乳糖同蛋白质共热会发生美拉德反应，可以用于特殊性质的食品如面包、糕点等的加工。目前低聚半乳糖已被广泛地应用于乳制品、面包、饮料、果酱、饴糖、软糖、糕点、酱料、酸味饮料等。（三）低聚果糖又称低聚蔗果糖或寡果糖，它广泛存在于自然界，是在蔗糖分子上以β-1, 2糖苷键与1～3个果糖结合而成的低聚糖，主要由蔗果三糖、蔗果四糖、蔗果五糖组成的混合物。化学结构如图 4-5： 图4-5 低聚果糖的化学结构纯度为55%～65%的低聚果糖，甜度约为蔗糖的60%；纯度为96%的低聚果糖甜度约为蔗糖的30%，且较糖甜味清爽。在0～70℃范围内，低聚果糖的粘度同玉米果葡糖浆相似，随温度上升而降低。低聚果糖热值仅为6.28J/g. 当环境pH为中性时，低聚果糖在120℃条件下非常稳定，在pH3的酸性的条件下，温度达到70℃以后，极易分解，稳定性明显降低。低聚果糖耐高温，抑制淀粉老化，保水性很好。低聚果糖可应用于饮料(发酵乳、乳饮料、咖啡、碳酸饮料等)、糕点、糖果、冷饮、冰淇淋、火腿等。 (四)乳酮糖乳酮糖（C12H22O11）也称乳果糖或异构乳糖，是半乳糖与果糖通过β-1，4糖苷键结合的双糖。化学结构如图 4-6： 图4-6 低聚乳酮的化学结构乳酮糖存在于人乳和牛乳中。纯净乳酮糖具有清凉醇和的甜味，甜度为蔗糖的48%～62%；商业产品糖浆为淡黄色略透明的糖浆，高温或长期贮存色泽会加深，其粘度很低，其甜度比纯净的乳酮糖略高，为蔗糖的60%～70%。乳酮糖广泛应用于饮料、糖果、果酱、果冻、冰淇淋等。（五）低聚乳果糖图4-7为低聚乳果糖的分子结构式： 图4-7 低聚乳果糖的化学结构 低聚乳果糖无色无味，极易溶于水，在空气中易吸潮。纯的低聚乳果糖甜度为蔗糖的30％，市售的根据组成不同，甜度有所差别，表4-4为几种不同低聚乳果糖的甜度值。表4-4 几种不同低聚乳果糖产品的相对甜度商品名 状态 低聚乳果糖的质量分数／％ 相对甜度／％ LS-35 浆状 ＞35 70 LS-55L 浆状 ＞55 55 LS-55P 粉末 ＞55 50 在中性pH时，较低浓度的低聚乳果糖有较高的热稳定性，随着温度升高以及pH的降低，低聚乳果糖的着色度与蔗糖相比有明显升高的趋势。不同牌号商品低聚乳果糖由于糖类成分及含量不同，其粘度、渗透压及冻结温度特性均有差别。产品有浆状、粉末状，应用于面包、冷饮、糖果、糕点等。 (六)棉子糖棉子糖（C18H32O16）又叫棉实糖、蜜三糖，广泛存在于甜菜、棉籽中，是由α-Ｄ(+)-吡喃半乳糖（1→6）、α-Ｄ(+)-吡喃葡萄糖（1→2）、β-Ｄ(-)—呋喃果糖构成的三糖。化学结构如图 4-8 图4-8 棉子糖的化学结构无水呈长针状结晶体，为白色或淡黄色。缓慢加热100℃以上逐渐失去结晶水。棉子糖微带甜味，溶于水，微溶于酒精，熔点为80℃。棉子糖晶体即使在相对湿度90%的环境中也不会吸湿结快，其它低聚糖粉末的吸湿性都较强，这是棉子糖的一个显著特点。棉子糖是非还原糖，发生美拉德反应的程度较低；热稳定几乎与蔗糖相同，即使加热至140℃时仍保持稳定；加热至180℃棉子糖会分解成蜜二糖和果糖，蜜二糖可能会进一步分解；在酸性条件下也很稳定。广泛用于糖果、糕点、粉状和片剂食品中。（七）水苏糖水苏糖(stachyose)是近年来食品市场上比较受欢迎的一种功能原料，是一种能显著促进双歧杆菌增殖的功能性低聚糖，被誉为“超强双歧因子”。其分子式为C24H42O21，相对分子量666，化学结构如图4-9所示。 图 4-9 水苏糖的化学结构水苏糖溶于水，不溶于乙醚、乙醇等有机溶剂，有弱甜味，甜度比蔗糖低。水苏糖的保湿性和吸湿性均小于蔗糖但大于果葡糖浆，渗透压接近于蔗糖。水苏糖没有还原性。水苏糖是一种功能性低聚糖，具有良好的热稳定性，但在酸性条件下热稳定性有所下降，因此，水苏糖可用于需热压反应处理的食品；当用于酸性饮料时，只要pH值不太低，在l00℃的杀菌条件下足够稳定；它在酸性环境中的贮藏稳定性和温度有关，温度低于20℃时相当稳定。水苏糖可直接或间接配制口服液、压片等作保健品用，也可添加于饮料、糖果、糕点、奶制品、调味品中。 (八)大豆低聚糖大豆低聚糖是一种广泛存在于豆科植物中的碳水化合物，它是由水苏糖、棉子糖和蔗糖组成的混合物，占大豆总固形物的7%～10%。常见大豆低聚糖产品的组成见表5-5。表5-5 大豆低聚糖的一般组成 单位：%（以干基计）名称 水分 水苏糖 棉子糖 蔗糖 其它糖浆 24 18 8 34 16 颗粒 3 23 7 44 23 混合粉末 3 11 4 22 60 精制品 24 32 17 5 22 液态大豆低聚糖为淡黄色、透明粘稠状液体；固体产品是淡黄色粉末，极易溶于水中。精制大豆低聚糖与蔗糖相近，甜度为蔗糖的70%。 大豆低聚糖的热稳定性较强，140℃下不分解，在酸性条件pH3下加热其稳定性优于蔗糖；大豆低聚糖粘度低于麦芽糖，而略高于蔗糖和果葡糖浆，和其他糖一样，随温度升高，粘度降低；大豆低聚糖的保湿、吸湿性比蔗糖小，水分活性接近于蔗糖，也能降低水分活性，抑制微生物繁殖。在食品中可起保鲜、保湿的作用。大豆低聚糖有明显抑制淀粉老化作用，如在面包等面类食品中添加大豆低聚糖，能延续淀粉的老化、防止产品变硬、延长货架保存期；由于大豆低聚糖属非还原糖，则在食品加工过程中添加，可减少美拉德反应产生和营养素的损失，并且在一般食品中应用也很方便。 大豆低聚糖可应用于清凉饮料、酸奶、乳酸菌饮料、冰淇淋、面包、糕点、糖果、巧克力等食品中；在豆豉、大豆发酵饮料和醋等产品中，能增加豆腐甜味，消除豆豉氨臭。 （九）低聚龙胆糖低聚龙胆糖是龙胆二糖、龙胆三糖、龙胆四糖的杂低聚糖，在低聚龙胆糖结构中连接单个葡萄糖的键是β-(1→6)糖苷键。低聚龙胆糖具有柔和的提神苦味，它的苦味比柑桔皮中所含的柚皮苷的苦味更丰厚也更微妙，而且不会滞留在舌头上。低聚龙胆糖比蔗糖和麦芽糖有更好的保湿性，因此可以保持食品中的水分，从而防止淀粉类食品的老化。（十）低聚木糖低聚木糖是由2～7个木糖以β-(1→4)糖苷键结合而构成的低聚糖，其中以二糖和三糖为主。低聚木糖的甜度约为蔗糖的50%，甜味纯正，类似蔗糖。与其他低聚糖相比，低聚木糖对热和酸稳定性好，pH在2.5～8的范围内比较稳定，在100℃加热1h几乎不分解，不易被酵母利用。低聚木糖不但稳定性好，而且还具有降低水分活度的作用，其对水分活度的影响与葡萄糖相近，但高于木糖而低于麦芽糖和蔗糖。低聚木糖它可应用于酸奶、乳酸菌饮料和碳酸饮料等酸性饮料中。（十一）帕拉金糖帕拉金糖学名为异麦芽酮糖，是葡萄糖与果糖以α-1,6糖苷键结合的双糖。它与蔗糖的区别在于分子内葡萄糖与果糖的连接部位不同，故它是蔗糖的同分异构体。其分子量为360.32。帕拉金糖甜味纯正，甜度为蔗糖的42%，粘度略小于蔗糖，耐热力比蔗糖强，20％的帕拉金糖水溶液和蔗糖水溶液在pH2时加热煮沸1h，蔗糖全部被水解，而帕拉金糖没被水解。在一些酸性食品中用帕拉金糖作为增甜剂比用蔗糖稳定。帕拉金糖应用于糖果、焙烤食品、水果罐头、果酱、运动饮料等。（十二）海藻糖 1832年Wiggers从黑麦的麦角菌发现了海藻糖，但进入20世纪90年代由于其有在恶劣环境对生物体和大分子有良好的非特异性的保护作用而倍受关注。海藻糖广泛存在于微生物、低等动植物体内,如真菌类、藻类、虾类及酵母中。现在已开发出了以淀粉为原料生产海藻糖的技术。海藻糖（C12H22O11）是2分子葡萄糖C1，C1结合的非还原性二糖。化学结构如图4-10： 图4-10 海藻糖的化学结构两水结晶海藻糖在相对湿度90%以下无吸湿性；无水结晶海藻糖在相对湿度30%以上有吸湿性。这一性质使其既有低吸湿性，又有高保湿性和脱水功能。海藻糖甜度为蔗糖的45%。对酸、热稳定。海藻糖在食品和药品中可以非常有效地保护生物膜和生物大分子，从而避免细胞受到干燥、冷冻和渗透压巨变造成的伤害。最新研究还发现，海藻糖可以有效保护DNA免受由放射线引起的损伤。海藻糖的用途非常广泛，在医药上可替代血浆蛋白作为生物制品、疫苗的稳定剂； 用于化妆品，具保湿功能；还用于食品保鲜、食品甜味剂，替代高热量的蔗糖，尤其适合糖尿病患者食用；用于儿童食品如糖果、巧克力的甜味剂，可有效降低儿童龋齿发病率。（十三）麦芽低聚糖麦芽低聚糖由麦芽糖分解而成，甜度低，粘度低，有保湿性。其中麦芽三糖保湿性尤好，对热稳定，适合做点心糕饼的馅料，甜度25%。最近发现，麦芽低聚糖可防低酒精饮料混浊，也可与木糖醇、甜菊苷配合使用。麦芽低聚糖年需量一万吨。最近日本玉米淀粉公司销售一种新型麦芽低聚糖浆M40—7E中的麦芽三糖含量约为原产品的2倍，成本低。（十四）偶联糖偶联糖即为低聚麦芽糖基蔗糖(MaltooligoyIsucrose)。日本Hayashibara生化实验室从1979年开始生产，商品名称“Coupling Sugar”(偶联糖)。偶联糖是由蔗糖分子的葡萄糖基上结合1至几个葡萄糖基所形成的低聚糖，这些葡萄糖基彼此以α-1,4键相连。偶联糖还保留了蔗糖在食品加工方面的理想性质，其甜度约为蔗糖的50%，是低龋齿型甜味剂，在食品加工中部分取代蔗糖。（十五）低聚壳聚糖分子量低于10kDal的低聚壳聚糖可以直接溶于水中，由高分子降解为较短的低聚壳聚糖分子，导致其溶液粘度比大分子量壳聚糖大大降低。由于游离胺基带正电荷，可以与许多带负电荷的物质结合，某些分子量很低的低聚壳聚糖甚至可以渗透到细胞内部起作用。低聚壳聚糖具有非常爽口的甜味，在保温性、耐热性等方面优于砂糖，不易被体内消化液降解，故几乎不产生热量，是糖尿病人、肥胖病人理想的功能性甜味剂。