低聚糖及用薯芋类淀粉生产低聚糖

低聚糖及用薯芋类淀粉生产低聚糖梁智 周日尤(南宁市化工研究设计院，南宁)1低聚糖的性能及应用1，1 性能 低聚糖(Oligosaccharide)又名寡糖，是指由二个或二个以上的单糖通过糖苷键聚合在一起(聚合度小于10)，形成链状或环状的碳水化合物。 低聚糖分为两类：营养型和功能型。营养型的低聚糖如普通的二糖、麦芽三糖、麦芽四糖，可被机体消化吸收，不是肠道益菌双歧杆菌的增殖因子，一般只能作甜味剂使用；功能型的低聚糖，又称功甜陛低聚糖，人体肠道内没有水解这类低聚糖的酶，因而不能被消化吸收而优先被肠内双歧杆菌利用，是双歧杆菌的增殖因子。 功能性低聚糖的特点： 低热低甜，低聚糖的甜度只有蔗糖的70以下，随着聚合度的增高其甜度也相应降低。 不可消化，由于碳水化合物中的配合键是特殊结构，大部分低聚糖难以被人体消化吸收，无法提供更多的能量，因此可以象糖醇一样做为蔗糖的替代晶，满足特殊人群的喜食甜晶的需要，如糖尿病、低血糖、肥胖症患者。 水溶性膳食纤维作用，低聚糖属于一类低分子量水溶性的膳食纤维，具有膳食纤维的功能，甜味适口，易溶于水，有较好的组织结构和口感，在食品及饮料中使用不影响食品的原有特性，不易参与美拉德反应，与大多数糖醇的差别是不具有缓泻作用，因此整肠效果较明显。不致龋齿，低聚糖对酸热较稳定，在口腔中不易被变异链球菌及产酸菌利用，可起到防龋作用。 增加双歧杆菌的数量，双歧杆菌是肠内有益细菌，无毒。健康者、病患者、特别是老年人，肠道内双歧杆菌都应维持在一定数量上，以保持与其它肠道菌的平衡。由于功能性低聚糖具有以上诸多特性，其研究和开发已成热点。12 应用低聚糖不仅广泛应用于食品、保健品，同时在化工、医药、日化、饲料中都有大量使用。特别是饲料上，因为功能性低聚糖对人体有的特殊功能效果，对动物也有相似的作用，我国年产约6000万吨饲料，若少量添加低聚糖，则需求量相当可观。功能性低聚糖和常用的蔗糖替代品功能性单糖、糖醇有着相似的防龋齿、不增加血糖和血脂值等特性，同时还具有独特的促进肠道内有益菌群双歧杆菌增殖的生理活性，因而备受食品业和保健品业的青睐，并被广泛应用于其中。在国外，日本是较早开发成功功能性低聚糖的国家，自上世纪90年代以来，日本的功能性低聚糖市场日趋成熟，年消费量日渐上升，表1列举了日本19931999年间功能性低聚糖的消费品种和数量。 表1 日本九十年代功能性低聚糖的消费情况年份产品199319951997 1999低聚异麦芽糖，95001100011000 11000 低聚果糖 4000 4500 4800 4500 大豆低聚糖 1100 600 1000 1000 低聚半乳糖 6500 6500 6700 6000 低聚木糖 10 200 500 500 低聚乳果糖 2000 2000 2000 棉子糖 100 100 100 乳酮糖 500 2000 2500 2800 低聚巴拉金糖 150 150 黑曲霉低聚糖 300 低聚龙胆糖 2200可见日本在功能性低聚糖的开发和应用早已走在了世界前列，同时不论是消费总量还是应用品种均在逐年提高。不仅广泛应用于食品，如饮料、糖果、饼干、调味醋、巧克力等，在柜台上还有小包装的颗粒型和糖浆型的低聚糖直接出售，以满足顾客的不同用途需求。在欧洲功能性低聚糖起步虽晚于日本，但也有一段历史，作为食品配料同样广泛应用于各类食品中。我国低聚糖的生产和应用起步较晚。经过二十世纪后期的逐步发展，才形成现在略具一定规模的工业化生产。在新千年初始，已有低聚糖商品上市，品种包括低聚异麦芽糖、低聚果糖、大豆低聚糖等。低聚木糖和水苏糖也已完成中间试验。我国低聚糖主要应用于含乳饮料，少量用于糖果等。还有部分作为保健品或保健品的配料应用。很多食品还没有涉及。总消费量也小，与日本相比差距很大。 我国低聚糖除起步晚、生产规模小外，消费者对功能性低聚糖的认识也较浅，因而制约了其开发、应用与发展。随着生活水平的提高，人们不仅注意食品的味道，还需要保健功能，同时我国肥胖症患者达7000万、糖尿糖患者有3000万、10的儿童患有龋齿和已步人老年社会，因此这几类特殊人群的消费潜力，为功能性低聚糖的开发和应用提供了广阔的空间。2低聚糖的种类以淀粉生产的低聚糖大至有：低聚麦芽糖、低聚异麦芽糖、海藻糖、低聚龙胆糖、环葡聚糖、甘露低聚糖、低聚果糖等，其生产方法及性质分述如下。21低聚麦芽糖(Maltoooliosaccharide)葡萄糖以1，4糖苷键结合而得，聚合度37。以淀粉为原料，再用低聚糖酶糖化，然后经脱色、脱盐、浓缩等精制工序，喷粉得到白色粉末低聚麦芽糖产品。它是聚合度为小于6的混合物。低聚麦芽糖有滋补营养性，是低甜度、低渗透压的新糖源。它易被吸收，能延长供能、增强机体耐力，当人们长时间剧烈运动或用脑过度引起生理上一些不适的变化，服用后可以得到缓解。它具有保湿性，可防止淀粉质食品老化。由于它易被体内消化酶所分解吸收，故它是非功能性低聚糖。22低聚异麦芽糖(1somaltoliosaccharide)又称分枝低聚糖，葡萄糖以1，6糖苷键结合而得。以淀粉为原料，先用淀粉酶液化，再用p淀粉酶糖化，同时用葡萄糖苷转移酶将麦芽糖转化为异麦芽低聚糖，经脱色、脱盐、浓缩等精制工序而得。是异麦芽糖、异麦芽三糖、异麦芽四糖、异麦芽五糖和潘糖(panose)的混合物。低聚异麦芽糖耐酸耐热性极好，具有较好的保湿性，并能抑制蔗糖、葡萄糖的晶体形成，可防止淀粉质食品硬化和老化，延长食品的保存时间。由于其属非发酵性物质，不会被微生物利用，除可延长食物的贮存期外，抗菌防龋性是其一大特点。它与蔗糖共用时，能阻止蔗糖被变异链球菌作用而产生水不溶性的高分子葡聚糖，抑制蔗糖的蛀牙性。异麦芽低聚糖中的潘糖对抑制牙垢形成也有明显的效果。异麦芽低聚糖能有效地促进人体内有益细菌双歧杆菌的增殖，是一种功能性低聚糖。23 海藻糖(Trehelose)二分子葡萄糖以1，1糖苷键结合而得，是非还原性二糖。以淀粉为原料，先用淀粉酶液化，再用支链淀粉酶，同时加入MTSase、MTHase两种酶配合和协同作用就能得到含量高的海藻糖浆，经脱色、脱盐、浓缩结晶等精制工序可得结晶海藻糖和高海藻糖浆。海藻糖的化学名1ODglucosido1Dglucosidose，分子式C12H22O11，分子量378含二结晶水糖熔点970C，熔解热578KJmol，1300失水。无水结晶海藻糖熔点2105，熔解热53，4KJmol，旋光度20D二1780(20，1水溶液)，对酸热稳定性好，不易发生美拉德反应，在小肠中可被吸收消化，具有低吸湿性，为蔗糖甜度的045，易溶于水、热乙醇，不溶于乙醚。海藻糖在食品工业上的应用见表2。 表2 海藻糖在食品中的用途低甜度应用范围热酸稳定性糕点、糖果、口香糖、巧克力、冰淇淋等酱类、茶饮料、果汁饮料、非油炸方便食品等抗淀粉老化淀粉质食品等抗蛋白变性剂肉类制品、蛋类制品、乳制品等低吸湿性脆米饼、快餐食品、营养糖、保健食品等低呈色性无油蛋糕，甜饼，火腿口感改良剂冰淇淋保鲜新鲜蔬果等关于海藻糖的应用研究目前许多科研机构都在进行，研究论文和应用专利常有发表，但海藻糖的应用已不仅局限于食品工业上。人们早就注意到其独特的生物学特征，它对生物体组织和生物大分子具有非特异性的保护作用，故已将研究的方向拓展到医药、分子生物学和基因工程领域，为医药、医学及农业的发展提供科学依据。24低聚龙胆糖(Gentiooligsaccharide)葡萄糖以1，6糖苷键结合而得低聚龙胆糖。以淀粉为原料，先用。淀粉酶液化，再用糖化酶糖化后，通过专用的葡萄糖基转移酶作用，经脱色浓缩而得低聚龙胆糖浆。它是龙胆二糖、龙胆三糖、龙胆四糖的混合物。低聚龙胆糖最具特色的是有柔和的提神苦味，苦味比柑桔皮所具有的柚皮苷苦味更丰富更微妙，且还会在口腔中滞留，用于糖果、饮料、冷饮中可使其甜味更纯。它比蔗糖和麦芽糖浆的吸湿性强，可以保持各类食品中的水分，防止淀粉类食品的老化，延长货架期。它是低热、低甜物质，难被人体消化酶所分解，因而可以促进双歧杆菌的生长，从而起到改善结肠状况的作用。25 环葡聚糖环葡聚糖通常由79个葡萄糖分子构成中空笼状化合物，其分子中间有一定空隙。可直接利用葡聚糖作原料，以CI合成酶，即葡萄糖转移酶转化成为环葡聚糖。据日本有关资料报道，也可直接以淀粉为原料加入一种新近从土壤微生物中分离的葡聚糖水解酶和CI合成酶转化而得。环葡聚糖是一种无色无味的低聚糖，具有优异的抗龋作用，只要在蔗糖中加入140的微量环葡聚糖即可显现。这可能与环葡聚糖的结构有关，因为环葡聚糖能阻止蔗糖中的葡萄糖基转移，从而抑制了口腔细菌的繁殖，达到防龋作用。环葡聚糖作为食品添加剂直接加人糖果、口香糖、饮料、糕点等食品中，不会影响食品的原有风味和甜味。它不含热量，不被人体消化吸收，安全可靠。环葡聚糖另一引人注意的特性是其分子中间有一定的空间，可用来包封某些苦味、难溶或易氧化药物或其他化学物质，以提高药物利用率、稳定性或改善口感。环葡聚糖在制药和食品工业都将有广阔的应用前景。26甘露低聚糖(Mannooligsaccharide)又称葡甘聚糖，是甘露糖与葡萄糖1，4糖苷键结合而得。甘露低聚糖是魔芋块茎中的主要成分，其含量占干重的4050，天然不变形的魔芋葡甘聚糖是由D葡萄糖和D甘露糖组成，呈分枝状。故以魔芋粉为原料用甘露聚糖酶作用，经澄清脱色、脱味、离交、浓缩结晶等精制工序可得结晶甘露低聚糖。人体不能直接吸收甘露低聚糖，服用后它还会引起血糖值升高。作为双歧杆菌的增殖因子，它可改善肠道菌群比例，抑制有害菌增殖，它的纤维性，还可刺激肠道蠕动，吸附有害物质，起到调节肠道功能，具有护肝、抗肿瘤、增强免疫力、降低胆固醇、抗衰老等生理活性，适用于便秘、腹泻、消化不良、肚炎热、营养不良等各种肠道疾病的辅助治疗，也适用于老人、儿童的日常保健。27 低聚果糖(Fructooliosaccharide，FOS)又称蔗果低聚糖，是由13个果糖基通过(21)糖苷键与蔗糖中的果糖基结合生成的蔗果三糖、蔗果四糖和蔗果五糖等的混合物。100克干重菊芋中约有6070克菊粉，菊粉是通过线性的2，1糖苷链连接的果聚糖，其末端为一蔗糖基。故以菊芋粉为原料用菊糖内切酶水解作用，经精制最终可得低聚果糖浆。低聚果糖除具有一般功能性低聚糖的物理化学性质外，最引人注目的生理特性是它能明显改善肠道内微生物种群比例，它是肠内双歧杆菌的活化增殖因子，可减少和抑制肠内腐败物质的产生，抑制有害细菌的生长，调节肠道内平衡；能促进微量元素铁、钙的吸收与利用，以防止骨质疏松症；可减少肝脏毒素，能在肠中生成抗癌的有机酸，有显著的防癌功能；且口味纯正香甜可口，具有类似脂肪的香味和爽口的滑腻感。近几年低聚果糖的产品风靡日、欧、美等保健品市场。3 薯芋类淀粉生产低聚糖31 淀粉生产低聚糖获得低聚糖的途径主要有：从天然植物中提取、化学合成、酶工程等。以淀粉为原料生产低聚糖大部分采用生物工程中的酶工程来制备。以淀粉为原料生产低聚糖类产品，是淀粉深加工的另一途径，也是利用淀粉生产甜味剂的新途径。这是目前生产低聚糖的主要方法。32 薯芋类淀粉生产低聚糖的意义低聚糖与普通的甜味剂相比，虽然在物理化学性质上有着相似的地方，但在生理代谢上却有着较大的差别，两者不易相互替代，只能互补。低聚糖做为新兴产业，具有较好的发展前景，而以薯芋类淀粉开发低聚糖，更是意义重大。321 原料来源充足薯芋类在我国种植面积较大，总产量居世界第二木薯是较大薯类种植作物，全国总栽培面积约40万公顷，总产鲜薯400多万吨。广东和广西的栽培面积最大，福建和台湾次之，云南、贵州、四川、湖南、江西等省亦有少量栽培。木薯除直接使用如作饲料外，余下则大都加工成淀粉，国内年产木薯淀粉近40万吨。木薯的种植和加工已初具规模。我国甘薯种植面积和总产量分别约占世界的70和85，年种植面积约600万公倾，总产量达11亿吨。种植面积最大的是四川省，其次是河南省、安徽省、重庆和山东省。我国甘薯大部分直接食用或作饲料。全国马铃薯种植面积约440万公倾，总产量约5600万吨，种植面积最大的是内蒙。全国除年产马铃薯淀粉800kt外，90以上马铃薯都是直接食用。除了以上三大薯类外，洋芋、菊芋、魔芋即是较具特色的芋类作物。魔芋适种范围广，生命力强，较易栽培和加工，在我国云南、贵州、四川、湖北和湖南的西部、陕西南部等地适宜魔芋种植，目前已有一定的规模，仅湖北省魔芋种植面积就达41万亩。魔芋的主要成分是葡甘露聚糖，该糖是天然植物中分子量最大的一种物质，具有水溶、增稠、胶凝、成膜、粘结、稳定、悬浮等数十种理化特性，用途非常广泛。魔芋是自然界唯一能大量提供葡甘露聚糖的植物，其特殊属性为魔芋产业发展提供了非常广阔的市场前景。可见，我国丰富的薯芋类植物资源，为薯芋类淀粉生产低聚糖提供了原料保障。322 发展薯芋类深加工，规模化种植和工业化生产，是脱贫致富的有效途径 众所周知，木薯、甘薯等薯芋类作物总是由边远地区的贫穷农民种植。我国薯芋集中分布地区基本上都是贫困地区。薯芋类植物具有耐瘠薄、滥种等特点，其分布范围主要集中在我国西、南部地区，且大多是山区，这些都是我国贫困地区最为集中的地方。同时，发展薯芋产业，提高农