低聚糖生理功能及其提取技術(shù)的研究進(jìn)展

操 然

(福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院，福建福州 350002)

低聚糖(oligosaccharides)又稱寡糖，是一種具有特殊生理功能的不消化性糖。具有活化腸道內(nèi)雙歧桿菌，并促進(jìn)其生長繁殖，抑制腸道中的致病菌如擬桿菌等的生長等功能。低聚糖的種類很多，按生理特性分為普通低聚糖(general oligosaccharides)和功能性低聚糖(functional oligosaccharides)。其中普通低聚糖包括蔗糖、麥芽糖和麥芽三糖等;目前已知的功能性低聚糖約有1000多種，但已成功開發(fā)的僅有例如屬于雙歧因子的低聚果糖(Fructo－oligosaccharide)、低聚半乳糖(Galacto－oligosaccharide)、低聚木糖(Xylo－oligosaccharide)、低聚異麥芽糖(Isomalto－oHgosaccharide，)、低聚龍膽糖、低聚乳果糖、乳果糖、大豆低聚糖、水蘇糖、棉子糖等10余種。

1 低聚糖概述

1.1 低聚糖來源

低聚糖在自然界中廣泛存在，與人類食物相關(guān)的主要有:香蕉、洋蔥、大麥、洋姜等。這些食物中所含有的低聚糖種類也不同，如洋姜中含有低聚果糖;酸奶中含有低聚半乳糖;竹筍中含有低聚木糖;大豆中含有水蘇糖和棉籽糖;淀粉糖化液中含有低聚異麥芽糖等。日本研究發(fā)現(xiàn)人乳中也含有低聚半乳糖。

1.2 低聚糖理化性質(zhì)

低聚糖具有低熱、穩(wěn)定、安全無毒、無殘留等良好的理化性質(zhì);具有改善腸道菌群、提高機(jī)體免疫力等重要的生理作用。低聚糖的化學(xué)本質(zhì)是一些不能被消化的短鏈碳水化合物，一般由2～10個單糖單位通過糖苷鍵而連接的小聚合體，介于單體單糖與高度聚合的多糖之間。

1.3 低聚糖的應(yīng)用

功能性低聚糖主要應(yīng)用食品、保健品、飼料、醫(yī)藥和植物調(diào)節(jié)等行業(yè)中。

2 低聚糖的生理功能

低聚糖可以促進(jìn)直腸中乳酸桿菌的生長與乙酸的產(chǎn)生，從而抑制腸道內(nèi)腐敗菌的生長，減少有毒發(fā)酵產(chǎn)物的形成，改進(jìn)代謝，促進(jìn)礦物質(zhì)元素吸收等功能。在人體營養(yǎng)不充分或患病期間，通常腸道內(nèi)會相對缺少可被腸道菌群尤其是益生菌所利用的碳源，功能性低聚糖進(jìn)入機(jī)體后，腸道菌群的代謝就會產(chǎn)生重要變化。

2.1 活化雙歧桿菌，調(diào)節(jié)腸道菌群平衡

Kohmoto等人研究認(rèn)為，低聚木糖進(jìn)入腸道后能被腸道中有益菌利用，促進(jìn)有益微生物生長［1］。Okazaki等人體外試驗(yàn)結(jié)果表明，低聚木糖對腸道菌群有明顯的改善作用［2］。Palframan 等［3］、Probert等［4］和 Talwalkar等人［5］研究認(rèn)為，功能性低聚糖被攝入后可選擇性地刺激人體腸道內(nèi)雙歧桿菌的增殖，這些雙歧桿菌通過發(fā)酵使功能性低聚糖產(chǎn)生大量的短鏈脂肪酸及其它代謝產(chǎn)物，從而保證了雙歧桿菌在宿主腸道內(nèi)的優(yōu)勢地位。Ingvar［6］和Xu等人［7］研究認(rèn)為，功能性低聚糖具有優(yōu)良雙歧因子的生理作用。Khaled［8］和 Erica 等人［9］研究認(rèn)為，由于功能性低聚糖獨(dú)特的生理結(jié)構(gòu)，腸道內(nèi)多種雙歧桿菌都可以對不同種類低聚糖加以利用。而Knol等的研究表明，雙歧桿菌在健康人體腸道中能利用營養(yǎng)物質(zhì)大量繁殖，在腸道粘膜表面形成一道生理性屏障，直接抵御病原菌的侵襲，如常見的沙門氏傷寒菌、痢疾志賀氏菌等［10］。周景欣等［11］選用 B/E 值作為指標(biāo)對目前市場上常見的低聚果糖、水蘇糖、低聚木糖和低聚異麥芽糖進(jìn)行小鼠腸道菌群發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明4種低聚糖均能促進(jìn)雙歧桿菌和乳桿菌的增殖，并能酸化腸道pH值，有益于腸道的微生態(tài)平衡。

2.2 降低腸道pH值，抑制腸道腐敗

功能性低聚糖和普通低聚糖的最大的區(qū)別在于它不可被人體消化，但卻可以被人體腸道內(nèi)的有益菌利用，產(chǎn)生相應(yīng)的代謝產(chǎn)物。Mihatsch認(rèn)為，功能性低聚糖進(jìn)入腸道后，在結(jié)腸中被腸道有益菌作為能源發(fā)酵和利用，如雙歧桿菌和乳酸菌等有益菌就能發(fā)酵這類碳水化合物，代謝過程中會產(chǎn)生大量的短鏈脂肪酸(主要為醋酸，丙酸，丁酸和乳酸)及少部分其他產(chǎn)物。有益菌代謝產(chǎn)生的乳酸、醋酸等短鏈脂肪酸可以被人體小腸吸收后作為能量來源進(jìn)入其他代謝循環(huán)［12］。這些短鏈脂肪酸可以降低腸道內(nèi)pH值并且提高腸道內(nèi)滲透壓。腸道pH值的降低會使有害菌無法生長繁殖，有效減少甲酸、吲哚和對－苯甲酸等有毒有害腸道腐敗物的生成，并降低有害酶(如P－葡萄糖醛酸酶等)的生成量和其代謝活性，有益于機(jī)體健康;而提高腸道內(nèi)滲透壓可以使腸道內(nèi)容物大量吸收水分，從而糞便體積增加、結(jié)構(gòu)松軟，同時還會刺激腸道快速蠕動促進(jìn)排便，起到防止便秘的作用。鄭建仙研究結(jié)果表明，低聚木糖具有軟化糞便的功能，主要原因是攝入低聚木糖后能增加糞便中的水分，從而可以改變糞便的形態(tài)，防止便秘［13］。

2.3 改善脂質(zhì)代謝，促進(jìn)礦物質(zhì)元素的吸收

許多學(xué)者研究了低聚果糖和低聚異麥芽糖對機(jī)體脂質(zhì)代謝影響。Shigeyuki等認(rèn)為，功能性低聚糖被攝入后，雙歧桿菌大量繁殖并產(chǎn)生膽酸水解酶等代謝產(chǎn)物，膽酸水解酶將結(jié)合膽酸游離，而游離的膽酸可抑制病原菌在腸道內(nèi)的生長［14］。隨著益生菌的大量代謝，當(dāng)腸道pH值降到6.0時，膽汁酸就可以和膽固醇相結(jié)合而沉淀，隨腸道內(nèi)容物一起排出體外。

Tasleem等認(rèn)為，功能性低聚糖的生理作用很大程度上是依賴其被菌群發(fā)酵的產(chǎn)物。益生菌發(fā)酵功能性低聚糖后生成了有機(jī)酸，導(dǎo)致腸道pH值下降，腸道環(huán)境呈酸性，使一些通過小腸時形成的鈣、磷酸鹽、鎂等構(gòu)成的復(fù)合物發(fā)生溶解而容易被吸收。所以，功能性低聚糖還能促進(jìn)鈣、鎂、鋅、鐵等礦物質(zhì)元素的吸收［15］。

Li等認(rèn)為，功能性低聚糖本身也可吸收膽固醇而隨大便排出體外。所以，功能性低聚糖具有調(diào)節(jié)血脂和降低膽固醇的作用［16］。譚楊等［17］和王宇等［18］研究低聚甘露糖對小鼠的通便作用，結(jié)果表明低聚甘露糖具有良好的潤腸通便作用。

2.4 其他生理功能

Coat等認(rèn)為，功能性低聚糖可以促進(jìn)腸道雙歧桿菌的增殖，而雙歧桿菌可以產(chǎn)生各種B族維生素，如維生素 B1、B2、B6、B12、葉酸和煙酸等。另外，腸道內(nèi)pH值的降低還能抑制一些維生素分解菌的生長，從而保證維生素含量不下降［19］。

3 低聚糖的提取技術(shù)進(jìn)展

國內(nèi)外有關(guān)低聚糖的提取分離純化方法較多，主要有酶、膜分離、水浴、超聲波輔助和微波輔助等5種提取純化技術(shù)。各種技術(shù)各具特點(diǎn)，其中微波輔助提取和超聲波輔助提取的提取時間最短、提取率高，設(shè)備和提取工藝相對簡單，可應(yīng)用于工業(yè)上大規(guī)模生產(chǎn)。若將幾種方法結(jié)合使用，可能會達(dá)到更好的效果。

3.1 酶提取技術(shù)

酶提取法是使用纖維素酶、果膠酶、蛋白酶等具有專一性和高效性的酶，將植物細(xì)胞壁、細(xì)胞膜破壞，使有效成分快速溶出的一種高效提高提取技術(shù)。

徐貴華等人采用微波和纖維素酶對脫脂豆粕進(jìn)行前處理，提取大豆低聚糖。結(jié)果表明纖維素酶處理后，可提高大豆低聚糖的提取率15% ～20%。通過正交實(shí)驗(yàn)得到酶解的優(yōu)化條件:pH 3.5、溫度45℃、加酶量0.05%、酶解1 h;堿液浸提的優(yōu)化條件溫度 60 ℃、pH11、時間 1.5 h［20］。宋朝霞以脫脂豆粕為原料，在堿液浸提法提取大豆低聚糖的最佳工藝條件(在55℃和pH為11的條件下浸提1 h)的基礎(chǔ)上，采用纖維素酶對脫脂豆粕進(jìn)行預(yù)處理，考察酶提取對大豆低聚糖提取率的影響。結(jié)果表明經(jīng)纖維素酶處理后，低聚糖的提取率有顯著提高［21］。

3.2 膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)是指利用膜截留水中膠體大小的顆粒，而水和小分子溶質(zhì)則允許透過膜。較常用的膜分離技術(shù)有超濾和納濾。超濾的機(jī)理是指由膜表面機(jī)械篩分、膜孔阻滯和膜表面及膜孔吸附的綜合效應(yīng)，通常以篩濾為主。

高偉星等人采用超濾法對大豆低聚糖進(jìn)行提取研究，發(fā)現(xiàn)使用實(shí)驗(yàn)中的超濾膜對低聚糖的截留效果比較差［22］。董艷等人先利用超濾膜對地黃多糖進(jìn)行分離純化，再利用納濾膜對超濾液進(jìn)行濃縮純化。最佳超濾操作條件為:料液質(zhì)量濃度13～32 mg/mL、操作壓力 0.25 ～0.275 MPa、溫度 20 ～40℃、超濾2次。納濾膜對超濾液進(jìn)行濃縮純化的適宜工藝條件為:料溫20～40℃、操作壓力0.59～0.79 MPa，濃縮倍數(shù)可達(dá)3倍［23］。劉俏等人研究了中空纖維膜超濾豆腐廢水提取大豆低聚糖的工藝，研究表明預(yù)處理及超濾條件不同，其過濾阻力構(gòu)成也不同，截留分子量為10 ku的中空纖維聚砜膜超濾豆腐廢水，對蛋白和低聚糖的分離有較好的效果［24］。任燁采用納濾分離技術(shù)研究提取相對分子質(zhì)量在1500以下的雪蓮果的低聚果糖，通過對物料初始濃度、純化倍數(shù)和操作壓力的考察，優(yōu)化了納濾操作條件。最佳條件為選擇標(biāo)準(zhǔn)型卷式納濾膜元件，物料初始濃度30 g/L、操作壓力0.2 MPa、純化倍數(shù)15倍，可以使單糖的去除率達(dá)到90%以上，所得產(chǎn)品中低聚果糖及菊粉含量達(dá)90%以上［25］。

3.3 水浴提取技術(shù)

水浴提取法是最早應(yīng)用于植物有效成分提取的傳統(tǒng)提取方法。其基本過程為將鮮果進(jìn)行預(yù)處理后切塊稱重，然后在一定條件下進(jìn)行(均漿處理)熱水?dāng)嚢杼崛?，最后離心分離提取上清液，即為低聚糖提取液。使用傳統(tǒng)水浴提取法提取果實(shí)低聚糖的主要影響因素有pH值、提取時間、提取溫度和液料比。

王照波等人研究了勻漿輔助水浴法提取雪蓮果低聚糖的工藝，當(dāng)勻漿轉(zhuǎn)速2500 r/min、勻漿時間90 s、提取溫度80℃、提取時間3 h、料液比1∶20時，雪蓮果低聚糖提取率為63.2%［26］。馬建春等2012年以低聚糖提取率為指標(biāo)，分別考查了醇濃度、提取時間、提取次數(shù)、液料比4個影響因素，采用正交試驗(yàn)優(yōu)選低聚糖的熱水浴提取工藝。所得最佳提取工藝為:50%乙醇提取2次，液料比6∶1，提取時間 2 h/次，此時低聚糖提取率為 39.89%［27］。

3.4 超聲波輔助提取技術(shù)

超聲波輔助提取法是通過超聲波對細(xì)胞內(nèi)部的媒質(zhì)產(chǎn)生獨(dú)特的機(jī)械振動作用和空化作用而破壞植物藥材的細(xì)胞壁，使溶劑快速滲透到藥材細(xì)胞中，溶質(zhì)迅速溶解并擴(kuò)散到溶液中。超聲波提取與常規(guī)提取法相比，可大大縮短提取時間，提高提取率。

趙迎春等人以雪蓮果為原料，采用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)研究了超聲輔助提取低聚果糖的提取工藝，最佳提取工藝參數(shù)為:提取時間3 h、提取溫度85 ℃、超聲時間5 min、料液比1∶10，在此條件下，多糖提取率為4.257%［28］。田玉庭等人采用響應(yīng)面分析法研究了超聲波功率、料液比和提取時間對超聲輔助提取蓮子低聚糖得率的影響，優(yōu)化所得蓮子低聚糖超聲波輔助提取較佳工藝參數(shù)為:超聲波功率320 W、料液比1∶25、提取時間48 min，低聚糖提取率為1.13%。與微波輔助提取法相比，超聲輔助提取法使蓮子低聚糖得率提高29.88%［29］。唐雪娟等人以香蕉為原料，研究超聲波法和溫水法提取低聚糖的工藝，并通過正交試驗(yàn)對2種提取方法進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明超聲波法提取香蕉低聚糖的優(yōu)化工藝為:超聲提取時間40 min、超聲功率500 W、料液比1∶2.5，此工藝條件下，香蕉低聚糖得率為17.89%［30］。

3.5 微波輔助提取技術(shù)

微波是一種頗具發(fā)展?jié)摿Φ男滦洼o助提取技術(shù)，其基本原理是:微波輻射于溶劑并透過細(xì)胞壁到達(dá)細(xì)胞內(nèi)部，由于細(xì)胞內(nèi)極性溶液吸收微波能，溫度急劇升高，壓力增大，當(dāng)壓力超過細(xì)胞壁的承受能力時，細(xì)胞壁則會破裂，位于細(xì)胞內(nèi)部的有效成分從細(xì)胞中釋放出來并被溶劑溶解，通過進(jìn)一步的過濾和分離純化，即可獲得所需的萃取物。

李新海等人采用微波輔助提取雪蓮果中的低聚糖，以雪蓮果低聚糖提取率為指標(biāo)，對提取溫度、提取時間、料液比、微波功率、微波時間、解析劑比6個影響因素進(jìn)行正交試驗(yàn)優(yōu)化提取工藝，所得最佳提取工藝條件為:提取溫度80℃、提取時間60 min、液料比50∶1、微波功率700W、微波時間180 s、解析劑比7∶1，此工藝條件下，低聚糖提取率達(dá)52.85%［31］。

周麗等人對山藥低聚糖的微波輔助提取工藝進(jìn)行了研究，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對微波功率、乙醇濃度、料液比和微波處理時間進(jìn)行正交試驗(yàn)。影響山藥低聚糖提取率的因素大小順序?yàn)?乙醇濃度＞微波處理時間＞料液比＞微波功率。微波輔助提取山藥低聚糖的最佳工藝條件為:微波功率130 W、乙醇體積分?jǐn)?shù)60%、料液比1∶30、微波時間6 min，山藥低聚糖提取率為 6.31%［32］。

4 研究展望

低聚糖具有非常優(yōu)良的生理功能，具有廣闊的應(yīng)用前景。我國動植物資源豐富，為低聚糖的開發(fā)和應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。然而，有關(guān)低聚糖的提取純化方法較多，各有優(yōu)勢，如何復(fù)合這些方法做到高效、經(jīng)濟(jì)以及標(biāo)準(zhǔn)化仍需進(jìn)一步深入研究。

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