D-阿洛酮糖的生理功能及應(yīng)用研究進(jìn)展

徐康，隋松森，郭傳莊，孫瑞成，李小雙，徐振上，王婷*

（1.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院） 生物工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250353；2.諸城東曉生物科技有限公司，山東 諸城 262200）

近年來(lái)，隨著人們生活水平的日益提高，高糖、高脂食物的過(guò)量攝入，糖尿病、高血壓等疾病在世界各地普遍存在[1]。因此尋找合適的低熱量食品補(bǔ)充劑變得至關(guān)重要，具有多種功效的稀有糖逐漸進(jìn)入人們視野。

稀有糖是指自然界中很少存在的單糖及其衍生物，能夠改善特定人群的飲食健康。越來(lái)越多的研究結(jié)果表明稀有糖在人類健康方面發(fā)揮重要作用，如D-阿洛糖具有抑制癌癥和腫瘤的特性[2]；D-塔格糖通過(guò)抑制由放線菌等致病菌形成的生物膜，從而對(duì)牙齒健康產(chǎn)生積極影響[3]。在稀有糖中，D-阿洛酮糖（D-psicose）因其特殊的口感和獨(dú)特的生理功能，可作為蔗糖的理想替代品而備受關(guān)注。本文旨在介紹D-阿洛酮糖的生理功能及其主要應(yīng)用，為后續(xù)D-阿洛酮糖的深入研究奠定基礎(chǔ)。

1 D-阿洛酮糖

1.1 D-阿洛酮糖的理化性質(zhì)

D-阿洛酮糖是一種熱量幾乎為0 的稀有糖，主要來(lái)源于小麥、甘蔗等。D-阿洛酮糖和D-果糖的結(jié)構(gòu)式如圖1[4]所示，兩者互為同分異構(gòu)體。

圖1 D-果糖和D-阿洛酮糖的結(jié)構(gòu)式Fig.1 Structural formulas of D-fructose and D-psicose

D-阿洛酮糖是蔗糖甜度的70%，是一種具有多種健康益處的功能性糖[5]。它是一種白色粉狀晶體化合物，2011 年，美國(guó)食品與藥品管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)AD） 將其確定為普遍公認(rèn)安全食品（generally regarded as safe，GRAS）[6]，這也為D-阿洛酮糖能夠作為食品原料奠定了基礎(chǔ)。D-阿洛酮糖的物理化學(xué)性質(zhì)如表1[7]所示。

表1 D-阿洛酮糖的物理化學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of D-psicose

1.2 D-阿洛酮糖的合成方法

迄今為止，科研人員已經(jīng)能夠利用化學(xué)合成和生物轉(zhuǎn)化2 種方法制備D-阿洛酮糖。

1.2.1 化學(xué)合成法

化學(xué)合成法是以葡萄糖為原料，利用鉬酸鹽作為催化劑進(jìn)行高溫催化得到粗產(chǎn)品D-阿洛酮糖，再將粗產(chǎn)品經(jīng)有機(jī)溶劑冷卻結(jié)晶，得到純的D-阿洛酮糖[8]。因化學(xué)合成法中間產(chǎn)物提純復(fù)雜、環(huán)境污染嚴(yán)重，所以不是工業(yè)制備D-阿洛酮糖的主要方法。

1.2.2 生物轉(zhuǎn)化法

生物轉(zhuǎn)化法指利用生物酶催化底物生成目標(biāo)產(chǎn)物的方法。D-果糖可在D-阿洛酮糖3-差向異構(gòu)酶（D-psicose 3-epimerase，DPEase） 催化下生成D-阿洛酮糖[9]。1990 年，Izumori 等[10]發(fā)現(xiàn)了一株能夠?qū)-塔羅糖醇轉(zhuǎn)化為D-阿洛酮糖的細(xì)菌Alcaligenes sp.701B。這是生物反應(yīng)生成D-阿洛酮糖的首次報(bào)告。張龍濤等[11]篩選出一株能將D-果糖轉(zhuǎn)化為D-阿洛酮糖的類球紅細(xì)菌（Rhodobacter sphaeroides）SK011，產(chǎn)率為6.54%。這是國(guó)內(nèi)首次報(bào)道具有將D-果糖轉(zhuǎn)化為D-阿洛酮糖功能的菌株。除了類球紅細(xì)菌和根瘤農(nóng)桿菌，其他菌株如解纖維梭菌（Clostridium cellulolyticum）[12]、梭狀芽孢桿菌（Clostridium bolteae）[13]、瘤胃球菌（Ruminococcus sp.）[14]、梭菌屬（Clostridium sp.）等[15]也已被報(bào)道過(guò)具有DPEase 活性。

雖然可以利用微生物中的DPEase 轉(zhuǎn)化合成D-阿洛酮糖，但天然微生物中DPEase 的分泌量和活性遠(yuǎn)低于預(yù)期，無(wú)法應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。因此，工程菌株的構(gòu)建對(duì)于研究DPEase 特性和工業(yè)應(yīng)用具有重要意義。目前，不同來(lái)源的DPEase 基因被克隆并在大腸桿菌[16]、酵母菌[17]和枯草芽孢桿菌等[18]表達(dá)系統(tǒng)中表達(dá)。生物轉(zhuǎn)化法因其反應(yīng)具有特異性、產(chǎn)物純化簡(jiǎn)單且無(wú)污染，目前已經(jīng)逐步取代化學(xué)合成法，成為國(guó)內(nèi)外合成D-阿洛酮糖的主要方法。

2 D-阿洛酮糖的主要生理功能

2.1 降血糖功能

糖尿病是代謝異質(zhì)性紊亂的總稱，特點(diǎn)是血糖升高[19]。研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期服用D-阿洛酮糖可以誘導(dǎo)肝臟細(xì)胞葡萄糖激酶從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)，維持大鼠的葡萄糖耐受性和胰島素敏感性，從而維持血糖水平[20]。同時(shí)D-阿洛酮糖能夠促進(jìn)實(shí)驗(yàn)小鼠胰高血糖素樣肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）的釋放，激活迷走神經(jīng)傳入信號(hào)，減少食物攝入并增大小鼠的葡萄糖耐量[21]。另外，將D-阿洛酮糖飼養(yǎng)大鼠的時(shí)間延長(zhǎng)到60 周，發(fā)現(xiàn)大鼠中炎癥標(biāo)記物糖化血紅蛋白顯著降低[22]，也表明D-阿洛酮糖可以通過(guò)控制餐后高血糖來(lái)阻止II 型糖尿病的發(fā)展。

結(jié)合其它文獻(xiàn)報(bào)道，D-阿洛酮糖的降血糖作用主要表現(xiàn)在降低肝臟脂肪生成酶的活性[23]和提高脂肪酶氧化酶的活性等[24]方面。由此可見(jiàn)，D-阿洛酮糖的降血糖作用可使其成為一種新型的降血糖藥物而廣泛應(yīng)用。

2.2 減脂功能

通過(guò)研究D-阿洛酮糖對(duì)喂食高蔗糖飲食成年大鼠的抗肥胖作用，發(fā)現(xiàn)5% D-阿洛酮糖不能控制空腹血糖水平，但顯著抑制了大鼠的腹部脂肪積累和體質(zhì)量增加[25]。與喂食相同劑量蔗糖的對(duì)照組相比，D-阿洛酮糖的補(bǔ)充可使大鼠的體質(zhì)量增加和腹部脂肪明顯降低，且無(wú)副作用[26]。此外，在瘦素缺陷小鼠的飲食中補(bǔ)充D-阿洛酮糖，小鼠的體質(zhì)量和肝臟質(zhì)量大幅降低，根據(jù)肝臟組織學(xué)觀察，D-阿洛酮糖還改善了肝臟脂肪變性，說(shuō)明D-阿洛酮糖可以對(duì)與肥胖相關(guān)的疾病產(chǎn)生有益作用[27]。

D-阿洛酮糖參與脂質(zhì)代謝機(jī)制尚不明確，Moon等[28]推測(cè)，D-阿洛酮糖能夠通過(guò)調(diào)節(jié)脂肪生成轉(zhuǎn)錄因子從而抑制前脂肪細(xì)胞分化和脂質(zhì)積累。D-阿洛酮糖減脂功能的發(fā)現(xiàn)表明其在減肥功能性產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的潛在應(yīng)用前景。

2.3 抗動(dòng)脈粥樣硬化功能

研究發(fā)現(xiàn)，高密度脂蛋白膽固醇（high density liptein cholesterol，HDL-C） 與動(dòng)脈粥樣硬化風(fēng)險(xiǎn)有直接關(guān)系，D-阿洛酮糖可通過(guò)增加B 類I 型清道夫受體的表達(dá)來(lái)增強(qiáng)肝臟對(duì)HDL-C 的攝取，降低HDL-C 水平，從而防止動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)展[29]。通過(guò)研究D-阿洛酮糖對(duì)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞中單核細(xì)胞趨化蛋白-1（monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1） 的影響，發(fā)現(xiàn)D-阿洛酮糖可以通過(guò)抑制MCP-1 的表達(dá)實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化的治療效果[30]。D-阿洛酮糖抗動(dòng)脈粥樣硬化功能的發(fā)現(xiàn)，為后續(xù)動(dòng)脈粥樣硬化疾病的藥物研究提供了選擇。

2.4 抗氧化功能

有研究表明，D-阿洛酮糖的活性氧（reactive oxygen species，ROS）清除活性比其他稀有糖更強(qiáng)[31]。研究發(fā)現(xiàn)，2%和4%濃度的D-阿洛酮糖能夠?qū)π∈罂诜彵蕉姿岫?-乙基己基）酯后產(chǎn)生的ROS 進(jìn)行清除，并抑制雄性Sprague-Dawley 大鼠睪丸中ROS 和丙二醛（malondialdehyde，MDA）的產(chǎn)生，對(duì)睪丸損傷具有預(yù)防作用[32]。因D-阿洛酮糖較好的抗氧化功能，被廣泛應(yīng)用于保健品、化妝品等領(lǐng)域。

2.5 神經(jīng)保護(hù)功能

D-阿洛酮糖可以減緩由6-羥基多巴胺（6-hydroxydopamin，6-OHDA）誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。研究發(fā)現(xiàn)，一定濃度的D-阿洛酮糖可顯著減緩大鼠嗜鉻細(xì)胞瘤的凋亡，將細(xì)胞置于D-阿洛酮糖和6-OHDA 中共培養(yǎng)24 h，細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽明顯增加，說(shuō)明D-阿洛酮糖在中樞神經(jīng)退行性病變中，能夠通過(guò)調(diào)整細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽的濃度來(lái)發(fā)揮重要作用[33]。這表明D-阿洛酮糖在治療神經(jīng)組織退化疾病上具有潛在功能，也為后續(xù)相關(guān)藥物的研發(fā)提供了支持。

2.6 抗炎功能

D-阿洛酮糖還可與某些腸道微生物相互作用，通過(guò)下調(diào)多個(gè)組織中基因的表達(dá)并增加腸道微生物群組成中的乳桿菌和糞球菌來(lái)減輕炎癥癥狀[34]。通過(guò)給自發(fā)性II 型糖尿病大鼠服用含有或不含3% D-阿洛酮糖的飲用水13 周，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，D-阿洛酮糖的添加顯著減緩了大鼠血糖水平的升高和腎小球的進(jìn)行性系膜擴(kuò)張[35]。因此，D-阿洛酮糖可以作為一種抗炎劑，在多種疾病預(yù)防和治療中顯示出潛在的醫(yī)療價(jià)值。

綜上所述，大量動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)表明D-阿洛酮糖在降低餐后血糖、控制體重等方面具有明顯作用，但在有關(guān)抗炎、神經(jīng)保護(hù)等功能上研究較少。

3 D-阿洛酮糖主要應(yīng)用

目前，有關(guān)D-阿洛酮糖的應(yīng)用研究主要集中在食品和醫(yī)療領(lǐng)域。

3.1 食品領(lǐng)域

與蔗糖相比，具有特殊功能且對(duì)健康有益的D-阿洛酮糖更加受人歡迎。例如D-阿洛酮糖可以提高食品的持水能力，服用添加D-阿洛酮糖的大豆凝膠會(huì)減慢胃的排空速度，從而延長(zhǎng)飽腹感[36]。在以谷類面粉為基礎(chǔ)的烘焙食品中添加D-阿洛酮糖可以保持它們的柔軟和濕潤(rùn)，并具有良好的入口即化感[37]。同時(shí)，D-阿洛酮糖可以與食物中蛋白質(zhì)產(chǎn)生美拉德反應(yīng)，并產(chǎn)生令人愉快的風(fēng)味[38]。

在功能性食品領(lǐng)域，D-阿洛酮糖能夠使食品或飲料等具有益生元特性，還可將D-阿洛酮糖與其它益生元或益生菌結(jié)合，可增強(qiáng)其抗氧化功效。將紅棗濃縮汁中D-葡萄糖、D-果糖經(jīng)過(guò)生物催化合成D-阿洛酮糖，開(kāi)發(fā)了一種含D-阿洛酮糖的功能性紅棗汁[39]。

D-阿洛酮糖在食品領(lǐng)域的應(yīng)用，最大的優(yōu)勢(shì)在于它與蔗糖極其接近的性狀和功能，同時(shí)還具有很多蔗糖沒(méi)有的生理功能，使它能夠在與其他甜味劑相比中獲得最佳的代糖效果。隨著人們健康意識(shí)的提高和食品安全問(wèn)題的日益突出，D-阿洛酮糖作為一種新型甜味劑，必將在食品行業(yè)發(fā)揮巨大作用。

3.2 醫(yī)療領(lǐng)域

研究發(fā)現(xiàn)，D-阿洛酮糖與甲硝唑之間存在某些相互作用，能夠顯著增強(qiáng)甲硝唑的藥物作用，將D-阿洛酮糖與甲硝唑一起使用，可以降低藥物劑量，并可以防止毛滴蟲產(chǎn)生耐藥性[40]。D-阿洛酮糖也可作為一種潛在的驅(qū)蟲劑，能夠特異性抑制線蟲L1 階段的運(yùn)動(dòng)性、生長(zhǎng)和生殖成熟度，干擾線蟲的代謝表達(dá)[41]。通過(guò)向Wistar 大鼠口服和靜脈給藥，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，D-阿洛酮糖很快轉(zhuǎn)移到血液或尿液中，說(shuō)明大鼠對(duì)D-阿洛酮糖的吸收良好，給藥后消除迅速，作用持續(xù)時(shí)間短，為D-阿洛酮糖的進(jìn)一步藥物開(kāi)發(fā)提供了有價(jià)值的藥代動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)[42]。同時(shí)，在體外利用細(xì)胞系檢測(cè)稀有糖類（包括D-阿洛酮糖）對(duì)細(xì)胞增殖的影響，發(fā)現(xiàn)D-阿洛酮糖能夠?qū)Π┘?xì)胞增殖產(chǎn)生抑制作用，表明D-阿洛酮糖在未來(lái)可能成為一種抗癌輔助藥物[43]。

目前，有關(guān)D-阿洛酮糖在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究還較少，且主要以體外或動(dòng)物實(shí)驗(yàn)為主，仍需要更多的臨床實(shí)驗(yàn)來(lái)研究其生理功能和可能的毒性作用等。

3.3 其他領(lǐng)域

除應(yīng)用在食品、醫(yī)療領(lǐng)域外，D-阿洛酮糖還可以作為制作防水、透光薄膜的材料[44]，用來(lái)提高產(chǎn)品的環(huán)保性。此外，D-阿洛酮糖也可作為一種前體，參與合成D-阿洛糖和D-塔格糖[45]。同時(shí)，因D-阿洛酮糖具有降低血糖的功能，也可被用作脂肪和葡萄糖代謝的獨(dú)特代謝調(diào)節(jié)劑[46]，改善其碳水化合物的代謝。隨著D-阿洛酮糖的流行，D-阿洛酮糖也將會(huì)被應(yīng)用到各類新產(chǎn)品中。

4 結(jié)語(yǔ)

D-阿洛酮糖作為公認(rèn)的第四代天然甜味劑，是蔗糖的理想替代品，也是目前國(guó)際上最熱門的甜味劑之一。目前，生產(chǎn)D-阿洛酮糖的生物轉(zhuǎn)化技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的研究，包括所需酶的來(lái)源、修飾、制備和轉(zhuǎn)化等，以D-阿洛酮糖為原料生產(chǎn)的產(chǎn)品也包括了飲料、烘焙食品、乳制品等。我國(guó)有關(guān)D-阿洛酮糖的研究起步較晚，雖在生理功能及相關(guān)應(yīng)用方面差強(qiáng)人意，但在上游的基因挖掘和工程細(xì)胞構(gòu)建方面發(fā)展較快。如今，隨著糖尿病、肥胖等全球性疾病的發(fā)展，以及人們對(duì)D-阿洛酮糖生理功能和應(yīng)用的深入研究，D-阿洛酮糖必將擁有更廣闊的市場(chǎng)價(jià)值。