功能性低聚糖的制备及其生理功能的研究进展

《高级食品化学》课程论文论文题目：__功能性低聚糖的制备及其生理功能的研究进展学院：__________专业年级：______学号：_____姓名：_____________指导教师：________成绩：__________________2016年1月10日AdvancesinPreparationoffunctionaloligosaccharidesandItsphysiologicalfunctionsCollege：SpecialtyandGrade：Number：Name：Advisor：Score：Submittedtime:目录摘要： 1前言 11功能性低聚糖制备 21.1天然产物中提取 21.2人工合成 31.2.1多糖降解 31.2.2酶法合成 31.3生物合成 42功能性低聚糖生理功能 42.1降低血清胆固醇、降血压 52.2增强机体免疫力、抗衰老和防癌 52.3促进维生素合成、提高矿物质的生物消化率 6参考文献 7功能性低聚糖的制备及其生理功能的研究进展摘要：低聚糖是低聚度糖类的总称，包括可消化低聚糖和非消化性低聚糖。非消化低聚糖由于具有调节肠道微系统、调节血脂、抗癌、防龋齿等众多特殊的生理功能，因此也称作功能性低聚糖；近年来对功能性低聚糖的研究持续升温；食品、保健品和医药行业已广泛应用其作为功能性因子。本文主要论述了工业化生产功能性低聚糖的方法以及其特殊的生理功能。关键词：功能性低聚糖；制备；生理功能；研究进展Abstract：Oligosaccharideisthegeneraltermforthelowdegreeofoligomerizationsugars,includingdigestibleoligosaccharidesandnon-digestibleoligosaccharides.thenon-digestibleoligosaccharidesalsoknownasfunctionaloligosaccharidesforitsvariousspecialphysiological,suchasregulateintestinalmicro-systemandbloodlipids;anti-cancer,anti-cariesandsoon.Researchonfunctionaloligosaccharidesinrecentyearscontinuestoheatup;Food,Healthcareproductsandpharmaceuticalindustrieshavebeenwidelyuseditasafunctionalfactor.Thisarticlemainlydiscussesthemethodsofproductionoffunctionaloligosaccharidesindustrializationandtheirspecialphysiologicalfunctions.Keywords:functionaloligosaccharide;preparation;physiologicfunction;advances前言低聚糖(Oligosaccharide)又称寡糖，是由3～9个单糖分子经糖苷键连接而成的低聚合度糖[1]。由于人体胃肠道没有水解低聚糖的酶系统，因此低聚糖不被消化吸收而直接进入大肠内，优先被双歧杆菌等益生菌所利用，是双歧杆菌、乳酸菌的有效增殖因子，由于具有众多独特的生理功效，故也称为功能性低聚糖。食物经人体胃肠道消化吸收后所剩残留物到达结肠，在有害细菌胞外酶的作用下会形成多种有毒有害代谢产物，包括氨、胺、苯酚、吲哚、次级胆汁酸等肝毒素和致癌物质，从而对人体健康产生一系列不良影响。肠道益生菌能优先以功能性低聚糖为发酵底物，产生大量的乙酸、丙酸、乳酸等短链脂肪酸和抗生素物质，从而抑制有害微生物的生长繁殖[2]。近年来，随着研究的深入，功能性低聚糖越来越多的生理功能被挖掘出来；同时也随着人们生活水平的提高，防范于未然的健康意识日益提高，进一步推动低聚糖产业的发展[3-5]。目前，日本是世界上主要生产和运用低聚糖的国家，自上世纪90年代以来，日本功能性低聚糖市场日趋成熟，年消费量逐渐增加，除了直接作为保健品或保健品功能性成分外，还广泛应用于食品加工中[6]。本文就主要功能性低聚糖的制备方法及其生理功能进行简要论述，以增进对功能性低聚糖制备方法及生理功能的认识。1功能性低聚糖制备功能性低聚糖与其他生物活性物质相似，最初都是从天然产物中提取分离，随着应用研究领域的扩大，也为了满足市场需求和适应工业化大规模生产的需要，针对不同低聚糖的结构性质差异，发明了多种人工和生物合成的方法[7]，极大地促进低聚糖产业的发展。1.1天然产物中提取自然界中有少数植物含有天然的功能性低聚糖。例如，洋葱、大蒜、芒壳、天门冬、菊苣、洋蓟含有低聚果糖，大豆中含有大豆低聚糖；鹰嘴豆中含有α-低聚半乳糖。天然存在的低聚糖不仅数量有限，而且由于物质成分复杂，分离纯化比较困难，制备成本高，限制了大规模工业化生产。大豆低聚糖是从大豆籽粒中提取的可溶性寡糖的总称，包括水苏糖、棉籽糖、蔗糖等。传统工业化生产大豆低聚糖是以制造大豆浓缩蛋白的副产物大豆乳清为原料[8]；采用超滤法或膜集成方法经除乳清蛋白，活性炭脱色、脱盐精制、真空浓缩等步骤得到低聚糖浆，再经喷雾干燥得到大豆低聚糖粉末。考虑到大豆乳清来源较少，工艺复杂等因素，有研究人开发新的工艺路线：大豆→提取豆油→分离大豆低聚糖→大豆分离蛋白或多肽，实现了大豆的综合利用。棉籽糖主要存在于棉籽籽粒中，由于棉籽中含有棉酚，从棉籽中提取棉籽糖需对其进行脱毒处理，采用高浓度乙醇和石油醚两次溶剂浸出法同时脱毒和取油，成功分离出棉籽糖[9]。以宝塔菜、毛叶地笋、中药地黄或大豆种子等为原料，经水提、除杂脱色、浓缩干燥制得水苏糖。从天然产物中获取低聚糖的方法存在产量低，成本高等缺点，而且提取过程中使用大量的化学试剂，产品的安全性存在一定的隐患。1.2人工合成人工合成低聚糖的方法主要包括高分子量多糖降解；酶法合成两大类，其中多糖降解又包括酸法水解和控制性酶法水解；相比从天然产物中提取分离，人工方法大大提高生产效益和产品的安全性。1.2.1多糖降解由于天然存在的低聚糖含量少，难以大量提取分离，而天然存在的多糖如淀粉、纤维素、壳聚糖等多糖天然资源丰富且利用率较低，通过控制性酶解或酸解与酶解联用，将天然多糖转化为低聚糖，具有巨大的开发利用价值。壳聚糖又称脱乙酰甲壳素，广泛存在于海洋贝壳类动物中。采用控制性酸水解或生物酶降解法可以将壳聚糖转化为低聚壳聚糖[10]；以木质纤维类物质如玉米芯、稻壳、甘蔗渣等富含木聚糖为原料[11]，在内切木聚糖和β-木糖苷复合酶系作用下，生产低聚木糖；另外，以低聚木糖在稀硫酸中进行沸水浴同样可以制得低聚木糖，，但由于反应条件较剧烈，通常产物中都含有大量的单糖，并且有些单糖会进一步转化为其它物质，如糠醛等，因此与酶法制备相比，产物选择性较差且伴有较多副产物。以天然菊粉为原料，微生物产混合酶系分离纯化内切菊粉酶制备菊粉低聚糖[12]。以淀粉为原料，在α-淀粉酶的作用下液化，液化淀粉在α-淀粉酶继续作用下生成麦芽糖，麦芽糖通过α-葡萄糖苷酶的转苷作用生成了低聚异麦芽糖[13]。1.2.2酶法合成酶法合成是低聚糖生产中应用最广、最为高效可行的方法。目前市场上大多数的低聚糖产品都是采用该方法制得。以高浓度葡萄糖浆为底物，通过α-葡萄糖转苷酶催化发生α–葡萄糖基转移反应生产低聚异麦芽糖[14]；以蔗糖为原料，采用固定化酶法进行连续反应，将高浓度蔗糖溶液在50°C~60°C下以一定速率流过固定化酶柱，利用β–果糖转移酶进行一系列转移反应而获得低聚果糖。该法连续性强、自动化程度高、操作稳定性好、能反复使用、利用率高；以乳糖和蔗糖(1:1)为原料，在果糖基转移酶β–呋喃果糖苷酶作用下，将蔗糖分解产生果糖基转移到乳糖还原性末端C1位羟基上，生成低聚乳果糖；日本Yakult公司以高浓度乳糖作原料，用β–半乳糖苷酶催化乳糖水解，同时将催化水解出一个半乳糖残基或葡萄糖残基转移到另一个乳糖或葡萄糖或半乳糖分子上制得低聚半乳糖；通过固定化微生物产α–葡萄糖基转移酶作用，可以将85%以上蔗糖转化成异麦芽酮糖[15]；以麦芽糖为底物，在α-葡萄糖苷酶作用下，反应初期生成主要产物海藻糖[16]，但随反应时间延长低聚麦芽糖逐渐增多；以可溶性淀粉为底物时，在α-淀粉酶和葡萄糖基转移酶中加入热稳定性的脱支酶能大大提高藻糖的得率。以乳糖和果糖溶液为底物，采用游离的、固定化的β-半乳糖苷酶作为催化剂，合成乳酮糖。以环糊精和蔗糖为原料，加入环糊精葡萄糖基转移酶生产耦合糖。1.3生物合成来源于微生物的专一性酶类被广泛的应用于控制性酶法降解或酶法合成低聚糖生产中；利用某些微生物发酵作用或采用基因工程的方法改造某些微生物，生产低聚糖也逐渐被开发出来。利用基因重组技术，将低聚壳聚糖合成酶基因(NodC)转移至大肠杆菌质粒中获得重组大肠杆菌，进行高密度培养，可以用于生产低聚壳聚糖；将Erwiniarhapontic中的蔗糖异构化酶基因转移至烟草中，从而将烟草中大量的蔗糖转化为异麦芽酮糖。以半乳糖醇为底物，利用醋酸杆菌系或葡萄糖酸菌系生物转化作用可以将半乳糖醇转化为塔格糖。2功能性低聚糖生理功能功能性低聚糖的非消化性使得在人体消化道不被消化吸收，因此不作为产能物质，是肥胖和糖尿病患者的理想食品。造成人龋齿的突变链球菌等口腔微生物不能以功能性低聚糖为底物，摄食功能性低聚糖不但不会引起龋齿，而且可作为消化性糖类的替代物添加于食品中起到防龋齿的作用。功能性低聚糖的益生效果能够有效促进肠道有益菌群的优先增殖，产生多种短链脂肪酸、抗生素等抑菌物质，抑制外源致病菌和肠道固有腐败菌的生长繁殖，从而减少有毒发酵产物及胞外酶对机体损害，减轻肝脏分解毒素的负担，起到保护肝脏的功能[5]。这是其益生作用的综合效应之一，此外，由于低聚糖直接作用或有害菌与益生菌此消彼长还会导致一系列对人体有益的效果[17]。2.1降低血清胆固醇、降血压临床试验已经证实，摄入低聚糖可降低血清胆固醇水平[18]，包括双歧杆菌、乳酸菌及其发酵制品也能降低血清总胆固醇水平、提高女性血清高密度脂蛋白胆固醇占总胆固醇的比率[19]。血清胆固醇水平的降低被认为是肠道菌群平衡改变的结果，体外研究结果表明，人体肠道内12株固有嗜酸乳杆菌可吸收胆固醇，此外，嗜酸乳杆菌2056菌株能抑制小肠壁对胆固醇微胞的吸收。双歧杆菌代谢产生烟酸的能力与血清胆固醇的水平的下降也存在一定的关系。对高胆固醇小鼠的试验结果表明，双歧杆菌通过影响β-羟基-β-甲基戊二酸单酰辅酶A还原酶的活性，控制胆固醇的合成从而降低血清胆固醇的含量[20]。2.2增强机体免疫力、抗衰老和防癌功能性低聚糖增强动物机体的免疫功能的机理包括以下5个方面[21]：(1)与某些毒素、病毒和真核细胞的表面结合而作为这些外源抗原的佐剂，能减缓抗原的吸收时间增加抗原的效价；(2)含甘露糖的寡糖通过刺激肝脏分泌能与甘露糖结合的蛋白而影响免疫系统；(3)甘露寡糖能够刺激辅助性T淋巴细胞分泌IL-2和γ-干扰素(IFN-γ)；(4)寡糖可以提高胃肠道中IgA抗体水平,激活胃肠道粘膜免疫从而提高机体免疫力；(5)寡糖的营养作用,如维生素合成增加，矿物质微量元素吸收增加，营养因素是机体免疫的重要影响因子。大量研究表明，功能性低聚糖不仅能够提高机体体液免疫功能，还能改善细胞免疫功能。饲料中添加功能性低聚糖能不同程度地提高仔猪血清中的IgA、IgG和IgM水平；提高鸡外周血T淋巴细胞总数和NK细胞活力，调节IL-2、TNF-α等细胞因子的释放。通过益生作用，肠道菌群构成改善，双歧杆菌、乳酸杆菌总数提高而肠道腐败菌总数下降，抑制致癌物质的产生，同时双歧杆菌及其代谢产物激活了免疫功能[22]，也能抑制癌细胞的增殖，动物研究结果表明，乳酸菌及双歧杆菌的抗癌作用归功于细胞、细胞壁成分、胞外分泌物使机体免疫提高[23-26]。体内体外实验同时也证明，多种乳酸菌株具有清除自由基、螯合金属离子、具有还原能力、抑制脂质氧化和提高抗氧化酶活性等抗氧化活性[27]。2.3促进维生素合成、提高矿物质的生物消化率功能性低聚糖作为益生元，是双歧杆菌的有效增殖因子。双歧杆菌在人体肠道内能自然合成多种B族维生素，如维生素B1、B2、B3、B6、B11、B12。双歧杆菌在发酵乳制品中将乳糖部分转化为乳酸，改善乳糖不耐受人群的牛奶过敏反应，同时通过乳酸增加可溶性钙的含量，使乳制品更容易消化吸收。益生菌在肠道内增殖代谢产生的有机酸使内环境pH下降，提高钙、铁等矿物质的溶解性、保持其还原性，促进机体消化吸收。参考文献[1] 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