甜菜粕生產(chǎn)果膠低聚糖的研究概況

董 花，謝天全

(1.甘肅省武威市涼州區(qū)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)督管理站，甘肅 武威 733000；2.甘肅省武威市涼州區(qū)黃羊鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)技術服務站，甘肅 武威 733000)

0 引言

果膠(pectin)是由一些具有很多分支的同型異質(zhì)的多聚半乳糖醛酸構成的多糖物質(zhì)，廣泛存在于高等植物的根、莖、葉和果實等組織器官的細胞壁和細胞間區(qū)域[1]。低聚糖(oligosaccharide)又稱寡聚糖，是由2～10個單糖通過糖苷鍵連接形成的直鏈或支鏈的低聚合度糖類物質(zhì)[1-2]。果膠低聚糖(pectin oligosaccharides，POS)又稱低聚半乳糖醛酸，是果膠發(fā)生解聚作用后的低分子質(zhì)量低聚糖產(chǎn)物，2～20個半乳糖醛酸通過α-1,4-糖苷鍵連接而成的一類新型的益生元[1-3]。POS主要來源于蘋果、甜菜、柑橘、向日葵、山楂、橄欖、芒果、核桃、馬鈴薯、豆類、洋蔥等農(nóng)產(chǎn)品加工廢渣中[1-2]。

POS是一種新型的益生元，很多研究者對其加工處理和各種生理活性進行了研究探索[1-4]。甜菜粕(sugar beet pulp，SBP)是甜菜制糖工業(yè)的副產(chǎn)品，是一種復合多糖，具有很高的果膠含量[5]。利用SBP生產(chǎn)益生元是一種新的、經(jīng)濟可行的方法[4]。益生元是一種大部分不被消化而能被腸道益生菌進行發(fā)酵的成分，即腸道中益生菌的“食物”。阿拉伯低聚糖(AOS)廣泛存在于SBP之中，開發(fā)AOS的益生元功能將顯著提高SBP的附加價值[6]。低聚糖的生產(chǎn)純化及其功能活性已成為國內(nèi)外相關研究的熱點，這些研究多集中在低聚果糖(FOS)、低聚木糖以及低聚半乳糖等方面[1]；在國內(nèi)進行了柑橘[3]、蘋果和向日葵[7]等生產(chǎn)POS的少量研究，而國外SBP的開發(fā)研究在甜菜上是研究熱點之一[8]，進行了大量的SBP生產(chǎn)POS開發(fā)研究[4-6，9-25]，而國內(nèi)在此方面卻未見報道。隨著人們健康飲食意識的提高，對功能性低聚糖的消費需求也在逐漸增長；在我國甜菜糖業(yè)發(fā)展一直很不穩(wěn)定的形勢下，有必要了解并加深SBP等副產(chǎn)品開發(fā)高附加值產(chǎn)品的研究，對我國甜菜糖業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)、效益的增加無疑有一定的參考和借鑒意義。

1 甜菜果膠及其低聚糖特性

1.1 甜菜果膠

SBP是制糖工業(yè)的副產(chǎn)品，果膠是其重要組成成分。SBP的干基主要由22%～24%(wt)纖維素、30%半纖維素、15%～25%果膠多糖、1.4%脂肪、10.3%蛋白質(zhì)、3.7%灰分和5.9%木質(zhì)素組成[5]。果膠的結構是由“光滑”的同聚半乳糖醛和分支的“毛狀”鼠李糖半乳糖醛區(qū)(大部分中性糖位于該區(qū)域)構成的[26]。已鑒定出4個主要的果膠組分：同聚半乳糖醛酸(HG)、鼠李糖醛酸聚糖I(RG-I)、鼠李糖醛酸聚糖Ⅱ(RG-II)和木糖聚半乳糖醛酸(XG)。所有這些果膠成分都是通過共價或離子交聯(lián)連接起來的，最豐富的果膠多糖HG是含有α-1,4-鍵的半乳糖醛酸殘基，在果膠占65%以上[27]。HG和RG-I組分的長度和數(shù)量可能因植物而異[2]。在甜菜果膠中，HG聚合物的長度小于柑橘和蘋果的果膠長度；另一方面，RG-I在SBP中的含量比柑桔和蘋果豐富[28]。RG-I有許多以糖和分支低聚糖的形式附在骨架上的側(cè)鏈，這些側(cè)鏈的長度可以改變；RG-II是一種結構復雜的果膠，占果膠的10%以上，其構成部分是半乳糖醛酸、鼠李糖、半乳糖和不常見的中性糖[28-29]。HG的直鏈較短、乙?；潭雀摺?cè)鏈濃度高(含中性糖)，是甜菜果膠凝性能較差的原因之一[13]。

1.2 甜菜果膠低聚糖

甜菜果膠低聚糖被認為是一類潛在的益生化合物，是果膠發(fā)生解聚作用后的低分子質(zhì)量低聚糖產(chǎn)物。果膠多糖可降解為POS，機體不能消化吸收FOS、低聚半乳糖、低聚木糖等低聚糖，但它們能促進腸道菌群的生長，被稱為功能性低聚糖[10]。AM Combo等采用高效液相法對經(jīng)內(nèi)聚半乳糖醛酸內(nèi)切酶和果膠甲酯酶水解甜菜果膠制得的3種POS進行了測定，經(jīng)過色譜分析，POS是由不同分子量、不同半乳糖醛酸含量的聚合物組成[11]。最常見和最著名的POS是阿拉伯半乳糖低聚糖、阿拉伯木糖低聚糖、阿拉伯低聚糖(AOS)、半乳糖低聚糖(GOS)、低聚半乳糖醛酸和鼠李糖半乳糖醛酸低聚糖[9]。SBP細胞壁含有一些與果膠中性側(cè)鏈相連的阿魏?；?，酶解和化學水解可制得一系列阿魏酰化低聚糖，側(cè)鏈中的阿拉伯糖和半乳糖殘基都是阿魏酰化的，50%～55%的阿魏?；c阿拉伯糖殘基相連，45%～50%的阿魏糖殘基與半乳糖殘基相連。在SBP中，56個阿拉伯糖殘基中有1個含有阿魏酰基，16個半乳糖殘基中有1個作為果膠側(cè)鏈存在[12]。

2 甜菜果膠低聚糖制備法

SBP是一種合適的原料可獲得多種具有生物活性的非消化低聚糖(NDO)，如低聚半乳糖醛酸、AOS和GOS[4]。從富含果膠的SBP中提取益生元的生產(chǎn)，是指將果膠的長鏈聚合物切割成低聚糖，同時避免形成單糖[13]。人們就甜菜POS的物理法、化學法和酶促法3種制備方法進行了大量的研究和探討，根據(jù)加工原理和對環(huán)境的友好程度，果膠降解制備低聚糖的方法較有前途的是物理法和酶促法[1-2]。

2.1 物理法

物理法具有成本低廉和環(huán)境友好的優(yōu)點，有很多研究者探索通過物理法降解果膠制備POS。SBP經(jīng)水熱處理、膜過濾精制、凍干后制得POS混合物，這種凍干產(chǎn)品水溶液在半制備規(guī)模上使用離子交換柱進行分餾[1-2]。研究表明，聚合度較寬的有AOS、低聚半乳糖醛酸和鼠李糖半乳糖醛酸低聚糖-Ⅰ[14]。為了獲得果膠衍生低聚糖，M Martínez等對SBP樣品進行了非等溫靜水熱加工。試驗溫度160～175℃(相當于在287～835 min范圍內(nèi)的裂煉深度因數(shù)R0值)導致低聚半乳糖醛酸和AOS的濃度較高，當SBP處理達到160℃(R0=287 min)或163℃(R0=357 min)時，反應液中兩種低聚物的總量分別為31.2和29.9 g/100 g干SBP，不揮發(fā)雜質(zhì)含量有限(約0.15 g/g DM)，AOS與低聚半乳糖醛酸的質(zhì)量比約為1∶1。用水清洗廢固體，并對洗滌液進行低聚物分析，回收洗液可使產(chǎn)量提高10%，接近33 g/100 g干SBP，洗滌后的固體(纖維素含量增加)是一種工藝副產(chǎn)品[15]。N Sato等以甜菜纖維為原料，研究了阿魏酸酯化的AOS和阿魏酸化阿拉伯低聚糖(FA-AOS)的高效生產(chǎn)工藝。在水熱反應溫度為160℃～180℃、反應時間為5～15 min的條件下，甜菜纖維58%～63%(wt)發(fā)生增溶反應。在可溶性組分中，已檢測到半乳糖和阿拉伯糖及其低聚物。值得注意的是，由阿魏酸和AOS或GOS組成的各種特征糖苷都是從甜菜纖維中果膠的阿拉伯聚糖或半乳糖側(cè)鏈中得到的。在160℃、12 min時，AOS和FA-AOS的總收率達到84%。在甜菜纖維中，通過水熱處理幾乎所有的阿魏酸都被回收為阿魏酸的低聚糖酯，如AOS或GOS[16]。水介質(zhì)分餾是一種環(huán)境友好的技術，適用于從果膠和半纖維素中獲得低聚產(chǎn)物。SBP樣品在非等溫條件下經(jīng)水處理最高溫度可達140～200℃，從而使果膠轉(zhuǎn)化為分子量較小的可溶性物。SBP經(jīng)非等溫的水處理，得到了由其它結構單元組成的AOS、低聚半乳糖醛酸和其它低聚物的混合物。根據(jù)模型預測，最大AOS產(chǎn)量(15.7 g/100 g SBP)是處理溫度為171.5℃，最大低聚半乳糖醛酸產(chǎn)量(14.1 g/100 g SBP)是處理溫度158.2℃；在這兩種情況下，低聚糖類的總收率接近30 g/100 g干SBP，而在158.2℃條件下可獲得高純度的低聚糖混合物。根據(jù)操作條件的不同，在水介質(zhì)中進行SBP處理可以得到不同組分的低聚物[17]。

2.2 酶促法

普通化學合成法難以獲得復雜結構的特定低聚糖，而酶催化反應具有立體特異性、水解條件溫和、水解過程易于控制、成本低而且環(huán)保等諸多特點，可大量合成低聚糖，因此酶法水解果膠獲得POS是目前的研究熱點[1，30]?？勺鳛槭称诽砑觿┑牡途勰咎恰⒌途郯肴樘堑然钚缘途厶嵌际墙?jīng)酶法水解獲得[30-31]。果膠酶是各種能夠分解果膠類物質(zhì)的酶類，該類酶可分為酯酶和解聚酶，解聚酶又分為水解酶和裂解酶。目前，微生物是果膠酶的主要來源，果膠酶產(chǎn)量較高的微生物是霉菌、酵母菌及少數(shù)細菌，主要為曲霉和桿菌，食品級果膠酶多來源于黑曲霉[1-2，30-31]。研究認為獲得特定結構和聚合度(DP)的POS與所使用果膠酶的水解特性和果膠原料的結構特征密切相關[1]。OJ Concha等為了從SBP中提取富含半纖維素的固體提取物，研究了果膠分解酶的酶促解聚工藝。兩種酶制劑(Rohapect DA6L和Macer 8 FJ)均能獲得豐富的半纖維素組分，而Rohapect DA6L則表現(xiàn)出較高的POS釋放量(果膠去除率為94.9%)。固體殘渣中含有30.6%的半纖維素、25.95%的纖維素、12.1%的木質(zhì)素、0.83%的果膠和4.86%的蛋白質(zhì)，水解物中的總碳水化合物和還原糖分別為143.5和5.24 g/L。紅外光譜測定表明，提取的果膠與低甲氧基果膠相對應。酶法處理SBP(商用果膠酶)可用于回收富含半纖維素的POS和固體組分等有價值的副產(chǎn)物[18]。Agnieszka Wilkowska使用商用酶包括多聚半乳糖醛酸酶、果膠裂解酶、果膠甲酯酶、阿拉伯酶和纖維素酶，采用高效陰離子交換色譜法對不同聚合度(DP)的低聚糖進行了評價。結果：得到的低聚糖形態(tài)受酶解時間的影響，較高的寡聚物被水解成分子量較小的分子。以阿拉伯木聚糖酶為原料，酶解得到的低聚糖(DP 1～10)濃度最高，是生產(chǎn)低聚糖最有前途的方法[4]。N Babbar等研究旨在開發(fā)一種兩步連續(xù)生物催化膜反應器(MER)，用于SBP連續(xù)生產(chǎn)POS，其中轉(zhuǎn)化與分離相結合。通過在反應器中稀釋(10 RT、20 RT和30 RT)和未稀釋(30 RT，40 RT和60 RT)底物測試不同停留時間(RT)，確定了POS/單糖的比例、工藝的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。結果表明，稀釋底物的最穩(wěn)定工藝分別為20 RT和30 RT，未稀釋底物為40 RT和60 RT。20 RT(稀釋底物)和40 RT(未稀釋底物)的最高容量和最大產(chǎn)率分別為20 g/(L·h)和11 g/(gE·h)，17 g/(L·h)和9 g/(gE·h)。在這些實驗條件下，20 RT稀釋底物的POS成分為80%，40 RT(未稀釋底物)的POS成分為70%。MER用于POS的連續(xù)生產(chǎn)具有廣闊的應用前景。雖然20 RT(稀釋底物)和40 RT(未稀釋底物)這兩個過程的結果最好，但在工業(yè)應用中，使用未經(jīng)稀釋的底物更好[13]。傳統(tǒng)上，POS是從富含果膠的副產(chǎn)品中采用兩步提取果膠再水解成POS的方法生產(chǎn)的，直接從原材料中生產(chǎn)POS的一步方法可能會大大地提高生產(chǎn)效率。N Babbar等研究了一步酶解法從SBP中直接產(chǎn)生POS的方法，考察了工藝參數(shù)和原料特性對POS產(chǎn)率的影響。在135 g/L底物濃度、0.75 FPU/g SBP酶濃度、0.8 mm粒徑和3 h水解時間下，驗證了模型的正確性。在此條件下(酶添加量為20 FPU/g DM)，得到了含有阿拉伯低聚糖、半乳醛酸低聚糖、半乳糖低聚糖、木糖低聚糖和鼠李糖低聚糖的水解液，濃度分別為15.2、13.2、5.1、1.4和0.9 g/L[19]。M Martínez等研究證明用纖維素酶和果膠酶的混合物直接酶法水解SBP生產(chǎn)果膠寡聚體，產(chǎn)率較高[20]。FA-AOS是一種具有較強抗氧化活性的阿魏酸被酯化而成的阿拉伯糖苷，由SBP可通過關鍵糖水解酶-內(nèi)切阿拉伯聚糖酶(ABN)選擇性切割細胞壁多糖中的阿拉伯聚糖鏈而產(chǎn)生[21]。

3 果膠低聚糖的功能活性

低聚糖所帶來的健康影響使它們成為“功能性食品”的活性成分，這些成分與傳統(tǒng)食物相似，作為正常飲食的一部分而食用。POS的益生元效應取決于各組分的分子量，即多聚和低聚果膠的大小[23，26]。

3.1 促腸道有菌生長、抑制致病菌

一些研究表明果膠衍生化合物具有促進健康的作用，有選擇地增加細菌生長和益生菌如雙歧桿菌和乳酸桿菌菌株的活性[23]。POS是一種不可消化的低聚糖，它通過選擇性地刺激結腸中一種或一定數(shù)量的細菌(雙歧桿菌和乳酸菌)的生長或活性，對宿主產(chǎn)生有益的影響，POS抑制腸腐敗和致病微生物的活性[32]。J Holck等人報道，SBP中的長鏈AOS比短鏈AOS具有更大的雙歧效應；人糞便樣品體外微生物發(fā)酵顯示，阿魏酸化和非阿魏酸化長鏈AOS對雙歧桿菌的選擇性刺激程度與益生元(FOS為對照)一樣，沒有一個組分能刺激難辨梭菌在單一培養(yǎng)環(huán)境中的生長。從SBP中提取的具有潛在生物活性的FA-AOS，以及相對長鏈的AOS可能具有更大的雙歧作用[22]。

MA Al-Tamimi等用一種商品化果膠酶水解甜菜阿拉伯聚糖，用凝膠過濾層析法分離出不同分子量的8個組分。利用腸道細菌對水解組分阿拉伯糖、AOS和FOS進行了發(fā)酵。用熒光原位雜交法對總細菌、雙歧桿菌、細菌、擬桿菌、乳酸菌和產(chǎn)氣梭菌/溶組織菌進行了計數(shù)。結果表明：雙歧桿菌受不同程度分子量的刺激，即在較低分子量組分48 h后雙歧桿菌最大增殖；乳酸桿菌的波動取決于初始接種量；擬桿菌的數(shù)量因組分而異，AOS、阿拉伯糖和較高的低聚糖(DP>8)在24 h后顯著增加；只有DP 1～2的碳水化合物在48 h時顯著增加；梭菌在所有底物上均呈下降趨勢。從上述結果看出：AOS可以被認為是潛在的益生元[6]。采用體外發(fā)酵法和熒光原位雜交法，測定SBP果膠低聚糖(SBPOS)、檸檬皮(LPOS)與商用FOS的適宜性，結果，LPOS、SBPOS和FOS培養(yǎng)的雙歧桿菌和乳酸桿菌的聯(lián)合種群分別從19%上升到29%、34%和32%。在含有低聚糖的培養(yǎng)基中，有機酸的濃度最高，證實了POS比果膠具有更好的益生性，與FOS相似或更好[24]。POS對致病菌或毒素具有抵抗作用，顯著抑制細菌侵襲[29]。

3.2 抗癌活性

POS能夠保護結腸細胞免受志賀氏菌(Shigella)毒素的侵害，預防粘附性真菌致病性微生物，促進人結腸腺癌細胞凋亡，半乳糖寡聚體對腫瘤生長和轉(zhuǎn)移有抑制作用[29]。某些果膠衍生的低聚糖可減少大腸桿菌Shiga毒素在人結腸腺癌細胞受體中的結合，誘導人結腸腺癌細胞和前列腺癌細胞凋亡，抑制多種類型癌癥的增殖以及抗氧化效應和增加尿中有毒金屬的排泄量[23]。益生元POS的結腸發(fā)酵導致產(chǎn)生短鏈脂肪酸(SCFA)，起到有益于健康的作用，抑制致病菌，緩解便秘，改善礦物質(zhì)吸收，降低結腸癌的發(fā)病率和調(diào)節(jié)免疫[2]。用含有甲基酯化的HG和RGI低聚糖的相同果膠低聚糖組分也能抑制大腸桿菌與人結腸腺癌細胞的粘附[33]。

3.3 抗氧化活性、降血脂、血糖

FA-AOS由于有益于腸道健康、抗氧化和抗炎活性等功效，在健康食品和飼料應用中有潛力。游離阿魏酸容易在胃中被吸收，阿魏酸與更大的AOS相連，可到達結腸，因此，F(xiàn)A-AOS可以一種新的方法為結腸提供高抗氧化活性[21]。果膠寡糖也被證明具有抗氧化活性，并具有顯著降低血清總膽固醇和甘油三酯水平的作用，POS通過降低血糖反應和血液膽固醇水平來調(diào)節(jié)血脂和葡萄糖代謝[34]。

3.4 其他功能活性

POS也可預防和治療各種慢性疾病，如便秘、肝性腦病[2]。POS還可作為植物的抗毒素誘導子、開花誘導劑和抗菌劑[29]。益生元作為食品成分，具有可接受的氣味和低卡路里，在減肥飲食中發(fā)揮作用。

4 未來的工作與市場前景

綜上所述，SBP中的果膠可以通過加工降解為低聚糖，低聚糖具有益生功能，通過SBP到低聚糖的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)甜菜制糖業(yè)副產(chǎn)品的再加工，從而提高甜菜制糖產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品的附加值，獲取更大的經(jīng)濟效益。果膠降解技術、低聚糖的分離純化技術還不夠成熟還不能適應工業(yè)化生產(chǎn)，需要進一步研究。為了獲得利用價值較高的低聚糖還需要對果膠和POS的結構和功能進行深入的研究。為了擴大低聚糖的應用領域還需要對POS的生理功能活性進行深入研究，并繼續(xù)進行系統(tǒng)的毒理學實驗和安全性評價。

據(jù)Global Market Insights調(diào)查和全球產(chǎn)業(yè)分析家(GIA)數(shù)據(jù)顯示，益生元市場規(guī)模在2015年達到了33.1億美元，復合年增率達11.6%，歐洲和北美洲是益生元市場復合年增長率最高的地區(qū)，減肥因素是這一地區(qū)對益生元增長的重要推力；全球益生元市場預計到2018年將達到48億美元(其中動物飼料市場需求量將達4.293億美元)，到2022年將達到71.1億美元，到2023年其市場規(guī)模將達75億美元，人們對益生元的認可以及相關法規(guī)的支持都促進了益生菌市場的發(fā)展[2，35]。POS的提取純化和生產(chǎn)潛力尚未完全實現(xiàn)，還不是商品，所以很難從經(jīng)濟角度預測它們對益生菌產(chǎn)業(yè)的貢獻[2]，但是，人們認為很可能在未來幾年對益生菌市場做出重大貢獻。