功能性低聚糖课件

第二章低聚果糖

Fructooligosaccharide(FOS)FOS概述FOS基本性质FOS生理功能FOS生产用酶FOS生产工艺植物来源微生物来源作用机理1950年，Bacon等人在研究酵母转化酶(invertase)时，从蔗糖水解物中发现一些低聚糖，这些低聚糖的结构为GFn的形式。1952年，Whalley等用酵母转化酶作用于蔗糖，首次分离得到蔗果三糖(1-kestose)。1953年，Bacon等用高温淀粉酶作用于蔗糖，得到了一系列低聚糖，从中分离出异蔗果三糖(isokestoseor6-kestose)。1954年，Gross等从蔗糖水解产物中又分离出新蔗果三糖(neokestose)。1.1低聚果糖的发现简史第一节FOS概述第一节FOS概述β-D-Fruf-(2→1)-β-D-Fruf-(2→1)-α-D-Glcpβ-D-Fruf-(2→6)-β-D-Fruf-(2→1)-α-D-Glcpβ-D-Fruf-(2→6)-α-D-Glcp-(1→2)-β-D-Fruf蔗果三糖(kestose)异蔗果三糖(isokestose)新蔗果三糖(neokestose)1.2蔗果三糖、异蔗果三糖、新蔗果三糖的结构区别蔗糖(GF)蔗果三糖(GF2)蔗果四糖(GF3)蔗果五糖(GF4)GGGGFFFFFFFFFFβ-2,1β-2,1β-2,11.3低聚果糖各成分的化学结构式第一节FOS概述β-2,1第一节FOS概述1.4低聚果糖各成分的分子式及其相对分子质量中文名称（简写）英文名称分子式相对分子质量蔗果三糖(GF2)KestoseC18H32O16504蔗果四糖(GF3)NystoseC24H42O21666蔗果五糖(GF4)1-β-fructo-furanosyl-D-nystoseC30H52O26828第一节FOS概述低聚果糖分布GFn菊科(芦笋属、向日葵、菊苣属等)GF2百合科（洋葱属、欧洲韭属、大蒜属等）禾本科（小麦属、大麦属、黑麦属、燕麦属、黎属）石蒜科（雪片蓬等）大舌兰科、紫菀科、风铃草科、剑麻科、十字花科、七味树科GF3芦笋、黎属GF4芦笋1.5低聚果糖各成分的天然分布第一节FOS概述食物水分含量/%FOS含量/（%）湿重蜂蜜170.75大蒜610.60黑麦110.50红糖20.30香蕉760.30洋葱890.23西红柿930.15大麦110.151.6一些食物中的低聚果糖含量低聚果糖三种组分均为，都极易形成

低聚果糖的，它的含水产品难于在空气中长时间保存；低聚果糖水溶液的比同浓度的蔗糖溶液略小，也较蔗糖高；低聚果糖在一般的食品pH范围(4.0~7.0)

，可在4℃下保存以上；第二节FOS的物理化学性质2.1FOS的一般物理化学性质非还原性糖白色结晶吸湿性很强黏度热稳定性非常稳定1年第二节FOS的物理化学性质低聚果糖旋光度甜度(相对于蔗糖的百分比)蔗果三糖GF2+28.531%蔗果四糖GF3+10.122%蔗果五糖GF4-1.616%蔗糖GF+66.5100%2.1FOS的一般物理化学性质第二节FOS的物理化学性质

产品质量分数%G型低聚果糖（普通型）P型低聚果糖（高纯度型）葡萄糖(G)含量332蔗糖(GF)含量123蔗果三糖(GF2)含量2535蔗果四糖(GF3)含量2550蔗果五糖(GF4)含量510低聚果糖总含量5595低聚果糖总含量是指GF2+GF3+GF4的总量2.2FOS产品的分类第二节FOS的物理化学性质2.3FOS产品的外观和粘度低聚果糖是一种无色透明液体，但工业化产品呈淡黄色或黄色，在75°Bx时的粘度介于蔗糖和果葡糖浆之间。图2-1低聚果糖、蔗糖和55-果葡糖浆在不同温度下的粘度第二节FOS的物理化学性质2.4FOS产品的甜度G型和P型低聚果糖糖浆的甜度分别是10°Bx蔗糖溶液的0.6和0.3倍。图2-2低聚果糖、蔗糖、葡萄糖和果糖的甜度图2-3低聚果糖、蔗糖、葡萄糖、55%的果糖和山梨醇的水分活度第二节FOS的物理化学性质2.5FOS产品的水分活度大部分细菌无法在水分活度(Aw)<0.85的环境下繁殖，美国规定库存食品水分活度Aw不能超过0.85。66720.85图2-4低聚果糖、果糖、山梨醇、麦芽糖和蔗糖在不同相对湿度下的水分含量第二节FOS的物理化学性质2.5FOS产品的吸湿性低聚果糖的吸湿性很强，在不同的相对湿度下，G型的吸湿性和山梨醇类似。图2-5低聚果糖和蔗糖在不同温度下的热稳定性第二节FOS的物理化学性质低聚果糖的热稳定性相当好，在中性条件下加热至140℃时都很稳定。2.5FOS产品的热稳定性第二节FOS的物理化学性质低聚果糖在中性或接近中性的环境中具有很好的热稳定性。当它处于pH<4的酸性环境中时，高温下易分解，低温则影响不大。图2-6低聚果糖在不同pH时的热稳定性2.6FOS产品的热稳定性与pH值的关系改善肠道菌群促进矿物质吸收低热量、低甜度降血脂抗龋齿润肠通便FOS第三节FOS的生理功能第四节FOS的生产用酶来源酶的活性合成的低聚果糖芦笋蔗糖：蔗糖1F-果糖基转移酶(1-SST)蔗糖：果聚糖6F-果糖基转移酶(6-SFT)果聚糖：果聚糖6G-果糖基转移酶(6G-FFT)1-蔗果三糖6-蔗果三糖新蔗果三糖甜菜叶蔗糖：蔗糖1F-果糖基转移酶(1-SST)蔗糖：果聚糖6F-果糖基转移酶(6-SFT)果聚糖：果聚糖6G-果糖基转移酶(6-FFT)1-蔗果三糖6-蔗果三糖新蔗果三糖菊苣蔗糖：蔗糖1F-果糖基转移酶(1-SST)果聚糖：果聚糖1F-果糖基转移酶(1-FFT)GF2或GFn洋葱蔗糖：蔗糖1F-果糖基转移酶(1-SST)果聚糖：果聚糖1F-果糖基转移酶(1-FFT)GF2或GFn龙舌兰菊二糖：菊二糖1F-果糖基转移酶(1-CCT)蔗糖：蔗糖1F-果糖基转移酶菊二糖→菊三糖GF24.1植物来源的果糖转移酶简介第四节FOS的生产用酶4.2植物来源的果糖转移酶催化反应举例(一)1-SST6-SFT6G-FFT黑麦双叉寡糖左聚糖(果聚糖)第四节FOS的生产用酶4.2植物来源的果糖转移酶催化反应举例(二)sucrose:sucrose1-fructosyltransferasefructan:fructan1-fructosyltransferasesucrose:fructan6-fructosyltransferase第四节FOS的生产用酶4.3微生物来源的果糖基转移酶简介拉丁文中文名称合成的低聚果糖的纯度Aspergillusniger黑曲霉55~60%Aureobasidiumpullans出芽短梗霉55~60%Aspergillusphoecinis海藻曲霉50~55%Scopulariopsisbrevicaulis短尾帚霉40~50%Arthrobactersp.节杆菌属40~50%第四节FOS的生产用酶4.4微生物来源果糖基转移酶的性质

微生物来源的果糖基转移酶分子比植物来源的大，稳定温度范围比植物来源的宽。黑曲霉中β-果糖基转移酶的最适pH为3.5~6.0，pH稳定范围4.0~10.0，最适温度为55~60℃；Km值(蔗糖)为0.0044~0.62mol/L之间，酶的相对分子质量为104~105。第四节FOS的生产用酶4.5果糖基转移酶的作用机理两个关键酶：1-SST1-FFT三步反应：第一步是一分子的蔗糖在蔗糖：蔗糖1F-果糖基转移酶(1-SST)的作用下分解为果糖基和葡萄糖，果糖基与另一分子的受体蔗糖反应合成蔗果三糖，第二步是蔗糖在果聚糖：果聚糖1F-果糖转移酶(1-FFT)的作用下与蔗果三糖反应合成蔗果四糖，第三步是蔗糖在1-FFT的作用下与蔗果四糖反应合成蔗果五糖。第四节FOS的生产用酶果糖基转移酶酶活力的定义：50℃下，每毫克酶每分钟生成的蔗果三糖的微摩尔数测定方法：取一定量的酶加入到用0.1mol/L、pH5.0的柠檬酸-磷酸盐缓冲溶液配制的10%的蔗糖溶液中，在50℃进行酶反应30min，用HPLC分析反应产物中各成分的含量，按定义计算酶活力，即每分钟生成的蔗果三糖的微摩尔数。4.6果糖基转移酶酶活的定义及测定方法第五节FOS的生产工艺及产品分析细胞培养酶的提取酶的固定化酶反应柱反应器分离纯化浓缩灭菌产品间歇法连续法5.1普通级FOS(G型)的生产工艺第五节FOS的生产工艺及产品分析5.2高纯度FOS(P型)的生产工艺双酶

色谱活性炭法(脱色)Ca2+或Na+型阳离子交换树脂法(脱盐)果糖转移酶-葡萄糖氧化酶果糖转移酶-葡萄糖异构酶第五节FOS的生产工艺及产品分析5.2高纯度FOS(P型)的生产工艺黑曲霉培养蔗糖液培养基固定化双酶法转移反应蔗糖浆高浓度脱色活性炭脱盐离子交换膜分离或真空浓缩分离提纯高纯度FOS95%(干基)果糖基转移酶葡萄糖氧化酶第五节FOS的生产工艺及产品分析5.3FOS产品分析方法举例HPLC分析条件如下：Column: PrevailCarbohydrateES,250×4.6mmMobilePhase: A:AcetonitrileB:0.04%NH4OHinWaterGradient: Time:0254080 %B:17274565Flow

rate: 1.0mL/minColumnTemp: AmbientDetector: ELSD2000FOSDPReference第五节FOS的生产工艺及产品分析5.3FOS产品分析方法举例第五节FOS的生产工艺5.4普通型(G型)与高纯度FOS(P型)的产品分析葡萄糖果糖蔗糖GF2GF3GF4FOS合计G型30.36014.1137.2016.002.3355.53P型001.6843.6354.69痕量98.32碳水化合物质量分数%产品类型反应以500g/L的蔗糖为底物，在50℃下反应25h。第五节FOS的生产工艺5.5FOS不同产地产品的规格产地品名低聚果糖含量/%甜度/%日本MeiligoG(液)>5560MeiligoP(液)>9530MeiligoP(粉)>9530MeiligoP(粒)>9530欧洲L5050100L606065L858550L959530P固9530第五节FOS的生产工艺5.3FOS不同产地产品的规格产地品名低聚果糖含量/%甜度/%中国L55>5560L80>804080型粉剂>8040作为沙门氏菌抑制剂、低热量食品添加剂、贫血改善剂应用到食品或药品中；作为功能性因子可应用到下列食品中：

奶制品：牛奶饮料、酸奶、乳酸菌饮料、奶粉等；

饮料：咖啡、茶饮料、清凉饮料、豆奶、酒类等；

糖果糕点：糖果、甜饼、面包、快餐、日式和西式点心、果冻、布丁等；

其他：肉类加工品、水产加工品、腌菜、豆腐等第六节FOS产品的应用及发展方向FOS还可应用于畜产领域。如加入幼猪饲料、鱼饲料、断奶小牛饲料及犬饲料等中可显著减少痢疾和粪便中的腐败物质，使动物发育快速，体重增长很多。FOS也是糖尿病患者的首选食品。但需要注意的是，酸性较强的食品(pH<3)或某些利用酵母醒发的面团中，在一定条件下能水解低聚果糖，因此在这些食品中使用低聚果糖应十分小心。第六节FOS产品的应用及发展方向InulinIntroductionBifidogenicPropertiesNutrientMetabolismHealthImplications

TableofContents

1.Introduction

A.OriginandDistributionB.ChemicalStructureC.InulinandInulinaseD.ConsumptionIntakes

E.Production2.BifidogenicProperties

A.ProbioticsandPrebiotics

B.ProductsofFermentation3.NutrientMetabolism

A.DietaryFiberEffects

B.CaloricValue

C.LipidsEffects

D.MineralsEffects

E.VitaminEffects4.HealthImplications

A.CancerPrevention

B.DiabetesMellitusPrevention

C.ImmuneSystem

Improvement

D.GastrointestinalHealth

E.DentalHealth

F.SkeletalHealth

1.INTRODUCTIONInulinisafructanoligosaccharide.Itisfoundmainlyinchicory.ChicoryoriginatesfromEurope,anditalsogrowsinNorthAfricaandWestAsia.Chicoryspreadsalongpathsandroadsides,onbanks,evenindryfields.Itsrootisunearthedinspringorautumn.Itsrootcontainsupto58%inulinandsesquiterpenelactones,aswellasvitaminsandminerals.OriginandDistribution1.INTRODUCTIONChemicalStructureofsucrose(left),inulin(center),oligofructose(right)Chemicalstructure1.INTRODUCTIONInulin&InulinaseInulinsarecomposedbyα-D-glucopyranosyl-[β-(2-1)D-fructofuranosyl-D-fructofuranosides.Inulinscangenerallycontain2to140fructoseunits.Inulinasecatalyzesendohydrolysisof2,1-β-D-fructosidiclinkagesininulin

PrimaryvegetablesourcesofinulinintheAmericanDiet1.INTRODUCTIONConsumptionIntakesInulinproductionprocessProductionProcedure1.INTRODUCTION2.BifidogenicpropertiesGutmicrofloradefinitions&mechanismsofgutmodulationProbioticsandPrebiotics2.BifidogenicpropertiesProbioticsandPrebioticsChangesinthefecalFlorawithincreasedage2.BifidogenicpropertiesProbioticsandPrebiotics2.BifidogenicpropertiescolonicbacteriarelatedhealtheffectsofbifidobacteriaProbioticsandPrebiotics2.BifidogenicpropertiesPathogenicmicroflorasuppressionProbioticsandPrebioticsFactualandHypotheticalEffectsofShortChainFattyAcids(SCFA)onColonicMorphologyandFunction2.BifidogenicpropertiesProductsofFermentation3.NutrientMetabolismInulincanresistdigestionbythehumanalimentarytract.Itcanreachthecolonessentiallyasintactmolecules,thusnotprovidingthebodywithdigestiblemonosaccharides.Inulinisadietaryfiber,ithaspotentialphysiologicaleffectsincludebothlocalandsystemiceffects.DietaryFiberEffectsLocalEffectsSystemicEffects^Fecalbulkingv(^)Cholesterol^BacteriavTG(vinsulin,vbloodglucose)Selective^bacteriavBloodammonialevels^SCFAproductionvUreaSelective^inSCFA^B-vitamins^Mineralabsorption^Immunefunction^B-vitaminsynthesis^glutamineSCFA,shortchainfattyacids;TG:triglyceride;^=increase;v=decrease

3.NutrientMetabolismThecaloricvalueofafructosylunitofinuliniscalculatedat30to40%ofadigestedfructosemoleculeorbetween1-1.5kcal/g.BecauseInulinaremostlyfermentedinthecolon,itscaloricvaluewouldbeassignedabout1.5kcal/g(6.3kJ/g).CaloricValue3.NutrientMetabolismMostanimalstudieshaveshownthatinulinhasaneffectonbloodlipidlevels.Dailyfeedingofinulintoratscouldresultinsignificantloweringofserumphospholipids,triglycerideandtotalcholesterollevels.Inulinmayalsohavetheabilitytoprotectagainstliverlipidaccumulation.LipidsEffectsSCFA(propionate)3.NutrientMetabolismInulincouldpossiblyimprovethemetabolicabsorptionofcertainmineralssuchascalcium,magnesium,ironandzinc.Afterinulinwerefermented,SCFAandlactatehadbeenproduced.TheycouldreducethepHinthecolon.ThelowercolonicpHraisestheconcentrationofionizedmineralsandacceleratespassivediffusion.MineralsEffects3.NutrientMetabolismBecauseBifidobacteriacouldsynthesizeVitaminBgroup(suchasB1,B6andB12),folicacidandsoon,inulinisverybeneficialtokeepthevitaminBgroupbalanceinhumanbody.VitaminsEffects4.HealthImplicationsInulinareabletoselectivelystimulategrowthofbifidobacteriaandlactobacilli.Butyricacidisoneoftheshortchainfattyacidsproducedbyinulinfermentation.Ithasbeenshowntoincreaseapoptosisinhumancolonictumorcelllines.Apoptosisisthusaninnatecellardefenseagainstcarcinogenesis.CancerPrevention4.HealthImplicationsInulin-containingfoodproductsmaybebeneficialtopreventdiabeticdiseaseduetotheireffectsonreducingglucoseuptake.Throughregulatinghepaticglucoseandencouraginglipidmetabolism,shortchainfattyacidsproducedbyinulinfermentationcouldinhibitdiabetesmellitus.Diabetes