L－糖的研究進(jìn)展

孫宇峰，于麗萍，王金英，孫建華

(1.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150090;2.黑龍江省科學(xué)院微生物研究所，哈爾濱 150010;3.黑龍江省科學(xué)院生物肥料工程技術(shù)研究中心，哈爾濱 150086)

糖的D、L型指的是糖分子的構(gòu)型，是由糖分子中不對(duì)稱(chēng)原子形成的立體異構(gòu)現(xiàn)象，是以甘油醛為標(biāo)準(zhǔn)而確定的相對(duì)構(gòu)型。以果糖為例，圖1表示的是果糖的兩個(gè)不對(duì)稱(chēng)碳原子的構(gòu)型，即右旋果糖(D－果糖)和左旋果糖(L－果糖)。

自然界中存在的L－糖很少，在一些天然植物中含有極少量的L－糖。如在亞麻種子膠、紅海藻、蝸牛蛋中含有L－半乳糖;大蕉種子含有L－果糖和L－鼠李糖;甜菜、牧豆樹(shù)屬植物、果膠及其他植物含有L－阿戊糖;在一些漿果中含有L－山梨糖;在海藻中含有L－巖藻糖。這些L－糖的含量低，沒(méi)有開(kāi)發(fā)使用價(jià)值。

1 L－糖的生理功能特性

L－糖是D－糖的鏡象異構(gòu)體，在自然界中很少存在。對(duì)于某一特定的L－糖和D－糖，兩者之間的化學(xué)組成與物理化學(xué)性質(zhì)(如沸點(diǎn)、熔點(diǎn)、可溶性、黏度、顏色和外觀)幾乎完全一樣，但在生化特性方面卻截然不同。人體內(nèi)的酶系統(tǒng)對(duì)D－型糖發(fā)生作用而對(duì)L－型糖無(wú)效，這是因?yàn)槊敢l(fā)生催化作用，就要求底物分子在形狀上能與酶分子相匹配，L－糖并不是催化糖代謝酶所要求的那種構(gòu)型，不會(huì)被消化吸收或消化吸收程度很小，因此就沒(méi)有能量。這一特點(diǎn)對(duì)那些希望攝入低能量甜味劑的人群(如糖尿病人)來(lái)說(shuō)是一種理想的甜味劑。L－糖的另一個(gè)特點(diǎn)是不像一些人工合成的甜味劑，如糖精具有后苦味。同時(shí)L－糖也不能被大部分微生物利用，因此用它們作為甜味劑制備的配方不像用傳統(tǒng)甜味劑制備的配方那樣敏感而易被降解。L－糖特點(diǎn)是:(1)不提供人體能量;(2)與D－糖的口感一樣;(3)因口腔微生物不能發(fā)酵L－糖，因此它不會(huì)引起齲齒;(4)對(duì)通常由細(xì)菌引起的腐敗、腐爛現(xiàn)象具有免疫力;(5)可作為D－糖的代替品，不需要另外添加填充劑;(6)在水溶液中穩(wěn)定;(7)在包括需經(jīng)熱處理的食品加工中穩(wěn)定;(8)可用在焙烤食品中，能發(fā)生美拉德反應(yīng);(9)適合于糖尿病人食用。

圖1 果糖的D、L型結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of D，L － fructose

對(duì)L－果糖和L－山梨糖已在3種動(dòng)物身上進(jìn)行了急性毒理和6個(gè)月的亞慢性毒理試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)任何毒副作用并且根本沒(méi)有致癌致突變的嫌疑。另外，試驗(yàn)還表明L－糖無(wú)致齲齒性，至于是否有抗齲齒活性則還在研究中。歐洲一些國(guó)家還對(duì)L－果糖和L－山梨糖進(jìn)行了人體試驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)了它的無(wú)毒性和無(wú)能量?jī)r(jià)值。然而，有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，對(duì)L－糖也要像糖醇等甜味劑一樣確定其最大允許日攝入量。因?yàn)橛性囼?yàn)表明，L－糖與糖醇一樣可能會(huì)引起人體出現(xiàn)輕瀉現(xiàn)象。

2 L－糖的合成方法

自然界中存在的L－糖很少，因此廣大科研工作者們正致力于L－糖的研究和開(kāi)發(fā)中，特別是兩種應(yīng)用最廣的單糖甜味劑的左旋體L－葡萄糖和L－果糖。上世紀(jì)70年代美國(guó)學(xué)者開(kāi)始了有關(guān)L－糖用作非營(yíng)養(yǎng)性甜味劑的研究。1981年美國(guó)學(xué)者Levin發(fā)表了第1份L－糖生產(chǎn)的專(zhuān)利［1］。隨后美國(guó)、德國(guó)、日本、意大利、英國(guó)、捷克等國(guó)的不少學(xué)者相繼展開(kāi)了對(duì)L－糖的研究，開(kāi)發(fā)了10多種L－糖［2－7］。國(guó)外L－糖的研究進(jìn)展較快，國(guó)內(nèi)這方面的工作也已起步［8］。

到目前為止，人們已經(jīng)合成了一些L－糖。美國(guó)直接由D－葡萄糖制備L－艾杜糖和L－葡萄糖。典型的實(shí)驗(yàn)室合成方法是應(yīng)用葡萄糖氧化酶將L－葡萄糖制成L－葡萄糖醛酮。L－葡萄糖和L－果糖是L－糖中典型的兩種糖，合成方法主要是化學(xué)合成方法和酶法合成方法。

2.1 L－葡萄糖的合成方法

L－葡萄糖是一種自然界少有的糖，它可以由L－阿拉伯糖的化學(xué)轉(zhuǎn)化而合成。L－阿拉伯糖是一種廣泛存在于甘蔗漿中的糖。化學(xué)文摘中記錄了合成方法［9］，此方法中干燥的甘蔗漿用硫酸處理后獲得的萃取液進(jìn)行發(fā)酵、蒸發(fā)、過(guò)濾。L－阿拉伯糖從濾液中結(jié)晶制得。Snowden和Fisher在1971年研究的方法是:在甲醇鈉存在下(提供硝基乙醇的鈉鹽)，將L－阿拉伯糖用硝基甲烷濃縮，通過(guò)內(nèi)夫反應(yīng)鈉鹽直接轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的糖。

2.2 L－果糖的合成方法

2.2.1 L－果糖的化學(xué)合成方法

自然界中還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)L－果糖，由Fisher首次化學(xué)合成。他通過(guò)堿作用于二溴丙醛或甘油，從得到的混合物中分離出α－合成果糖(DL－葡萄糖苯脎)，然后將其水解還原成DL－果糖。用酵母處理DL－果糖可除去D－果糖，得到L－果糖。Schmitz通過(guò)稀堿作用于結(jié)晶的甘油醛使醛異構(gòu)化為酮，Mlrgenlie使用相同的方法，用Dowex1樹(shù)脂在甲醇中結(jié)晶后獲得的DL－果糖產(chǎn)率為54%。用面包酵母(Saccharomyces cerevisiae)處理DL－果糖得到2，3和4，5一二－鄰－異亞丙基－β－L－吡喃果糖。

2.2.2 酶法合成L－果糖

2.2.2.1 L － 葡萄糖異構(gòu)化生成 L － 果糖

Horwath等人通過(guò)應(yīng)用從Candida的微生物品系中分離的木糖異構(gòu)酶異構(gòu)化L－葡萄糖。本方法中所使用的木糖異構(gòu)酶是從產(chǎn)遠(yuǎn)假絲酵母菌系中分離的。該酶具有較低的立體選擇性，它能將L－葡萄糖異構(gòu)化為L(zhǎng)－果糖。這種異構(gòu)化反應(yīng)是可逆的，最終達(dá)到平衡。為制得所需的木糖異構(gòu)酶，在需氧條件下25℃ ～30℃培養(yǎng)產(chǎn)遠(yuǎn)假絲酵母菌系，振蕩10～48h，培養(yǎng)基中含有木糖葡萄糖多肽和微量氯化錳，最適pH值為5～6，然后采用超離心收集所獲得的培養(yǎng)細(xì)胞。

L－葡萄糖的異構(gòu)化過(guò)程可以是固定含有木糖異構(gòu)酶的細(xì)胞或破碎細(xì)胞，方法有采用乙酸丁酯質(zhì)壁分離和超聲波處理。如果破碎的細(xì)胞能產(chǎn)生胞內(nèi)異構(gòu)酶，通過(guò)離心分離和2℃下萃取滲析，20h去除不純物可獲得含酶的胞外萃取物，滲析液可以通過(guò)含有硫酸銨的常規(guī)方法進(jìn)一步純化。胞外酶可根據(jù)已有的或傳統(tǒng)的方法固定。例如，可固定在含有玻璃的硅質(zhì)或陶瓷中，也可固定在天然的或合成的多聚物(纖維素)上，如二已氨基纖維素和其他各種有機(jī)多聚物中。

2.2.2.2 氧化L－山梨糖醇合成L－果糖

Dhaw在1956年介紹了用D－艾杜糖水解酶氧化DGulitol(一種與L－Gulitol和L－山梨糖醇相似的多元醇)的過(guò)程。該水解酶是從含有半乳糖醇營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的假單孢菌系中分離出來(lái)的，這是因?yàn)榘肴樘谴寄苷T導(dǎo)微生物產(chǎn)酶，由于所需的半乳糖醇必須從某些植物中提取或乳糖水解制得，使該合成的實(shí)際應(yīng)用受到極大的限制。Colonna等人采用從微生物的誘導(dǎo)菌系中分離出來(lái)的D－艾杜糖醇水解酶氧化L－山梨糖醇為L(zhǎng)－果糖［10］。該方法中所用的起始多元醇——L－山梨糖醇在自然界中并不存在，但可以通過(guò)L－葡萄糖氫化作用制得(L－葡萄糖由上述方法制備)。然而由于經(jīng)濟(jì)原因，在水解L－葡萄糖為L(zhǎng)－山梨糖醇和L－甘露糖醇以前，最好使用兩種糖的混合物而不將L－葡萄糖分離或濃縮。美國(guó)專(zhuān)利介紹了通過(guò)水解方法由L－葡萄糖制備L－山梨糖醇的過(guò)程。該發(fā)明中所用的多元醇水解酶從能產(chǎn)生D－艾杜糖醇水解酶的假單孢菌屬中獲得，他們認(rèn)為熒光極毛桿菌株是D－艾杜糖醇水解酶較好的來(lái)源。

2.2.2.3 氧化L－甘露糖醇合成L－果糖

Arena等人介紹了用多聚脫氫酶氧化L－甘露糖醇合成L－果糖的方法［11］。用多聚脫氫酶氧化D－甘露糖醇成D－果糖是一種眾所周知的方法，但類(lèi)似的L－甘露糖醇到 L－果糖的轉(zhuǎn)變還沒(méi)有記錄。Arena等人發(fā)現(xiàn)Glulconobacter和Acetobacter菌系列能產(chǎn)生多羥基醇脫氫酶，它能很容易地將L－甘露糖醇轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)－果糖。與L－山梨糖醇相比，L－甘露糖醇是更容易利用的L－己醇，而且L－甘露糖醇或其前體在工業(yè)生產(chǎn)中常常為不理想的副產(chǎn)品，可作為本方法的原料，這也是本方法的優(yōu)勢(shì)所在。另一種由L－甘露糖醇轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)－果糖的方法是:在含有L－甘露糖醇作為碳源、可吸收的氮源和無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的基質(zhì)中培養(yǎng)能產(chǎn)生多聚脫氫酶的Glu和Ace種屬。

3 L－糖的應(yīng)用

L－己?jiǎn)翁蔷哂刑鹞叮芙庥谒?，并在水溶液中穩(wěn)定。因此它們可使各種物質(zhì)產(chǎn)生甜味，而且可以與傳統(tǒng)的甜味劑結(jié)合使用，如與少量的蔗糖結(jié)合?？蓱?yīng)用的典型例子有水果、蔬菜、果汁或其他的由果蔬制得的液體制備物，肉制品(特別是那些用甜液處理的肉制品如熏肉、火腿)、乳制品(巧克力、乳飲料)、蛋制品(蛋黃醬、乳蛋糕、色拉醬)、腌菜和調(diào)味品、冰淇淋、冰糕、冰乳制品、焙烤制品、掛糖衣蜜餞、糖漿、食用香料、蛋糕、軟飲料、果酒、酒、日常食品、止咳糖漿及其他的醫(yī)用產(chǎn)品、工業(yè)產(chǎn)品中，如糨糊粉、泡沫、黏合劑、漱口劑和類(lèi)似的口服防腐劑、麻藥等，還可用于粘郵票、信封、商標(biāo)等的黏合劑。

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