功能性寡糖的生物學效應與制備技術研究進展

張夢婷，李兆新，段蕊，張俊杰，邢麗紅，孫偉紅，鄭旭穎，朱盼盼

（1.江蘇海洋大學，江蘇 連云港 222005；2.中國水產科學研究院黃海水產研究所，山東 青島 266071）

寡糖是由2個～10個單糖通過糖苷鍵聚合形成的，分為普通寡糖和功能性寡糖。功能性寡糖不被胃酸及消化道分泌的酶所水解，不易被機體消化而直接進入大腸，在腸道中能夠選擇性促進乳酸菌、雙歧桿菌等有益菌增殖，并被有益菌利用，抑制有害菌生長，維持人體腸道健康，已作為膳食纖維和益生元被添加到食品中[1]。在結腸中功能性寡糖可被內源性細菌發酵，形成乳酸和短鏈脂肪酸等產物，改善腸道環境。

1 功能性寡糖的概述

寡糖最早受到歐洲、日本研究者的關注，逐漸進入市場，我國研究者對功能性寡糖的研究起步較晚，但進展較快。大量研究表明，功能性寡糖具有抗菌抗病毒、提高機體免疫功能、調節生理機能、抵抗炎癥反應、降血壓血脂等多種功效，而且能有效刺激腸道蠕動，增加糞便濕潤度，減少便秘、腹瀉[2]。結構、來源不同的功能性寡糖在生理功能上也存在較大差異[3]。半乳糖寡糖、木寡糖、果寡糖、異麥芽寡糖、大豆寡糖、殼寡糖、褐藻寡糖、甘露寡糖等是最常見的功能性寡糖。

1.1 半乳糖寡糖

半乳糖寡糖是在乳糖的半乳糖基一側由糖苷鍵連接半乳糖形成的雜合低聚糖，其構成單糖為半乳糖和葡萄糖，以半乳糖為主。天然半乳糖寡糖存在于動物乳汁中。半乳糖寡糖具有極佳的保水力和酸熱穩定性；不但利于B族維生素、煙酸和葉酸的生成，還能夠促進有毒代謝產物的排出，利于腸道對鈣、鎂和鉀等礦物元素的吸收[4]，防止骨質疏松，因而半乳糖寡糖已經成為一種非常優質的食品和飲料加工業的食品添加劑。

1.2 木寡糖

木寡糖由β-1，4糖苷鍵連接2個～6個木糖形成，是以二糖、三糖為主的直鏈糖。牛奶、蜂蜜、部分果蔬中含有少量低聚木糖。木寡糖主要存在于植物細胞的細胞壁中，由木聚糖水解得到，不同物質中木聚糖含量、性質存在一定差異，主要存在于蔗渣、玉米芯、秸稈、麥麩中，此類木質纖維素類物質為提取木寡糖的優良原料。木寡糖還可利用富含纖維素的天然植物，經水解、分離提純后得到。木寡糖具有良好的酸熱穩定性，酸性條件下可降低水分活度，改善食品品質風味。相比于其他功能性寡糖，其具有獨特的雙歧桿菌增殖功能，難被機體吸收且有效用量小。

1.3 果寡糖

果寡糖是由1個～3個果糖基經β-1，2糖苷鍵與蔗糖分子上的果糖基連接形成的，較多存在于小麥、菊苣、菊芋、香蕉、洋蔥、大蒜等天然植物中。通過蔗糖或菊粉為原料制備可得到蔗糖低聚果糖和菊苣低聚果糖。

果寡糖可作為營養強化劑使用，具有超強雙歧因子和水溶性膳食纖維雙重生理學特性。其熱值低，口感清爽；耐堿、耐高溫，在中性pH值時較穩定，在酸性條件下受熱易分解[5]。果寡糖因其較好的賦型性、水溶性、保水性，在食品領域中的應用前景廣闊，能改善腸道微生態系統，防止便秘，抑制致病菌[6-7]。此外，果寡糖防霉性能佳，能防止飼料變質，延長飼料貯存期。

1.4 異麥芽寡糖

異麥芽寡糖是通過α-1，6糖苷鍵連接葡萄糖的一種淀粉糖，淀粉及含淀粉的糧食為生產異麥芽寡糖的常用原料。異麥芽寡糖具有改善腸道微生態環境、減少大腸桿菌、增殖雙歧桿菌、防病抗病、延年益壽等特殊功效，其保水性較佳、耐酸耐熱、低水分活度、防止淀粉類食品老化等特點擴大了其在食品中的應用。

1.5 大豆寡糖

大豆中可溶性糖總稱為大豆寡糖，主要含聚合度為3～4的蔗糖、棉子糖和水蘇糖等。工業上一般以脫脂大豆為原料，在提取蛋白質后所剩下的乳清中提取。大豆寡糖具有良好的耐酸性、耐熱性，不易發霉。因其具有抗淀粉老化的特性而被應用到飼料中，以延長保質期，同時促進飼料消化吸收。

1.6 殼寡糖

殼寡糖是由2個～4個氨基葡萄糖經β-1，4-糖苷鍵連接形成的水溶性低聚糖，一般含2個～20個單糖，可由甲殼素脫乙酰后得到的殼聚糖經降解后獲得[8]。作為目前發現的天然糖中唯一大量存在的堿性氨基寡糖，殼寡糖安全無毒、生物相容性好，應用范圍廣。在植物生長、果蔬保鮮、改善食品風味、提高機體免疫力方面具有明顯功效。

1.7 褐藻寡糖

褐藻寡糖是褐藻酸鈉降解產生的由甘露糖醛酸（M）和古洛糖醛酸（G）構成的一類陰離子寡糖[9]。褐藻酸鈉為水溶性多糖，又稱褐藻膠，存在于褐藻類植物細胞壁中。褐藻寡糖安全無毒、穩定性好，具有促進植物生長、抗逆性、抗氧化等多種生物活性，還具有抗腫瘤、抗病毒、保護神經、促進雙歧桿菌生長等生理藥理功能[10]。

2 功能性寡糖生物學效應

近年來，功能性寡糖作為新興的活性物質被不斷研究開發，并逐漸應用在營養保健、動植物生長、疾病預防與治療等方面。

2.1 功能性寡糖在飼料中的生物學效應

抗生素造成的生物學效應的不良影響，使其在動物飼料中的應用受到限制。功能性寡糖由于其良好的安全性、穩定性，正引起人們的重視，已被添加到飼料中，在養殖業中前景良好。

水產動物飼料中添加功能性寡糖可提高營養吸收率，具有抑制病原菌、增殖有益菌、維持腸道健康的作用，從而促進生長，提高成活率。木寡糖、果寡糖、殼寡糖、甘露寡糖、大豆寡糖等被廣泛應用到飼料中[11]。殼寡糖因其具有促進魚類生長、提高免疫力、抗病力等功能而被作為免疫增強劑應用到飼料中。司濱等[12]在刺參飼料中添加殼寡糖，可豐富其腸壁微生物，改善腸壁菌群結構。孫夢潔[13]以添加了殼寡糖的飼料對俄羅斯鱘進行了養殖實驗，評價了其免疫力、抗菌能力、腸道菌群等指標，為生產實踐提供了依據。

功能性寡糖可調節腸道功能，豐富腸道乳酸桿菌等有益菌，抑制大腸桿菌等病原菌生長，王發明等[14]在仔豬飼料中加入功能性寡糖，發現腸道中乳酸菌的數量、種類明顯增加。Wang等[15]發現果寡糖和大豆寡糖可提高豬源植物乳桿菌的存活率。

功能性寡糖調節動物體內氨的代謝，從而減少氨基酸分解產生的氨氣，以去除糞臭，減輕水體污染情況。Liu等[16]探究菊粉和大豆低聚糖對肉雞糞臭素和腸道菌群的影響時發現，菊粉和大豆低聚糖顯著降低了糞臭素的含量和L-色氨酸的降解率，也降低了微生物菌群密度，但無顯著性差異。

功能性寡糖可提供吸附腸道病原菌的附著點，使病原菌與寡糖特異結合而無法附著到動物腸道，因寡糖具有不被胃酸、酶消化吸收的特點，病原菌可附著于寡糖并通過腸道，病原菌無法獲得生長所需營養物質而難以致病[17]。褐藻膠寡糖具有有效抑制多種有害菌的治病能力，可降低腸炎沙門氏菌感染率[18]。

功能性寡糖具有增厚、增重腸道組織，增加腸絨毛高度，使腸壁黏膜變薄的作用，進而提高動物體內營養物質的消化利用能力。半乳甘露寡糖可增強動物對營養物質的吸收功能。

2.2 功能性寡糖在農業中的生物學效應

寡糖在農業生產中具有調節、增強可逆性、防治病害作用，通過調節光合作用、氮代謝、碳代謝、激素代謝以促進植物生長、提高質量，其安全環保、功能多樣，前景廣闊。

在種子萌發過程中，功能性寡糖可增強胚乳的α-淀粉酶活性，加快淀粉水解，促進萌發，提高發芽率[19]。在植物幼苗時期，功能性寡糖可提高幼苗葉片凈光合速率、蒸騰速率，從而加快生長[19]。褐藻膠寡糖具有促進植物根莖生長的作用，在大麥中的應用效果顯著。寡糖可調節激素代謝、能量代謝，促進植物生長發育。寡聚半乳糖醛酸能誘導產生乙烯，促進果實成熟。寡糖衍生物可改善農作物品質、提高產量。植物經寡糖處理后，植物內蛋白質含量增加。

葡萄糖寡糖、殼寡糖等誘導能增強植物的抗逆性。功能性寡糖可作為抗性誘導劑應用到農藥中，起到防治病害、非特異性保護作用。在水稻紋枯病、萵苣霜霉病的爆發早期施用寡糖水溶液，病害可得到控制。殼寡糖有抑制真菌、調節生長，誘導植物抗病性等功能，常被添加到農藥中，可有效防治蘆筍莖枯病、棉花枯萎病、黃瓜枯萎病，水稻紋枯病。此外，殼寡糖、果寡糖能有效誘導煙草抗花葉病。海藻糖能有效增強植物的抗逆性、抗病能力，還能通過改善氣孔發育和氣孔運動提高植物抗旱性[20]。

2.3 功能性寡糖在食品中的生物學效應

功能性寡糖在食品中的應用較普遍，焙烤食品、乳制品、保健食品等多種食品都添加了功能性寡糖。功能性寡糖在大腸中被分解，產生一系列營養物質，如蛋白質、B族維生素、K族維生素、礦物質等，同時產生乳酸、丙酸、醋酸等能降低腸道pH值的有機酸類，能夠促進鈣、鐵、鎂離子的溶解、吸收，對人體健康有著不可忽視的作用。功能性寡糖被添加到配方奶粉中，可強化其營養功能，豐富嬰幼兒的營養[21]。半乳寡糖、果寡糖可幫助新生兒建立體內腸道菌群，常被添加到嬰兒奶粉中，石良[22]研究發現在嬰幼兒配方食品中添加低聚糖能夠保障嬰幼兒腸道健康、維護免疫系統穩定。趙銘琪等[23]通過試驗得出半乳寡糖和果寡糖以8∶2的質量比添加到乳粉中時，雙歧桿菌和嗜酸乳桿菌活菌數均達到最大。同時得出添加（5.5±0.5）g/100 g寡糖時，對小鼠糞便排泄、腸道蠕動的影響最佳。低聚異麥芽糖寡糖被添到中老年人和嬰幼兒保健飲品中，通過增殖雙歧桿菌改善腸道菌群、防治便秘[24]。功能性寡糖不依賴胰島素，研究發現果寡糖可有效改善糖尿病動物的餐后血糖值。方敏[25]發現功能性寡糖具有保護胰島素細胞，改善胰島素的敏感性功能，因此高血糖和糖尿病癥患者可以適量食用。功能性寡糖促進腸道中雙歧桿菌生長的過程中產生的代謝物可降低3-羥基-3-甲基戊二酞輔酶A還原酶的活性，控制膽固醇合成[26-27]。

寡糖具有與糖醇相似的功能性甜味，在烘焙食品中的應用逐漸廣泛[28]。寡糖類大多水溶性好，黏度低，但難被人體消化吸收，甜度比蔗糖低。因此可被應用于低熱量食品、減肥產品等特殊食品中，高純度寡糖可被添加到糖尿病人的食品及預防齲齒的功能性食品中。異麥芽寡糖作為甜味劑使用，還可被添加到保健食品中。

功能性寡糖因其良好的抗氧化、抗真菌和抑制細菌能力被用作天然食品穩定劑、保鮮劑。褐藻膠寡糖具有優良的乳化、保水性能，具有作為冷凍水產品保水劑和抗凍劑的優勢。范素琴等[29]發現褐藻酸鈉和氯化鈣的成膜性，可抑制微生物生長和脂肪氧化，保持水產品的新鮮度。果寡糖主要用于飲品、火腿、糕點、糖果等食品中以防止淀粉老化，維持水分。酸性飲料中添加木寡糖可提高產品穩定性，如酸奶、乳酸菌飲料和碳酸飲料等。

2.4 功能性寡糖在醫藥中的生物學效應

功能性寡糖具有增殖有益菌、預治腹瀉和便秘、激活免疫系統，抗病等功能，從而被應用到醫藥中。功能性寡糖可作為益生元加入到膠原蛋白飲料中，增殖益生菌，調節腸道菌群，減少便秘，清除體內毒素。寡糖發酵導致環境呈酸性，鈣化合物溶解加快，促進鈣吸收，異麥芽寡糖常作為鈣的吸收劑，還具有調節腸道菌群、抗腫瘤功能。水蘇糖能高速增殖雙歧桿菌，維持腸道穩定，可用于治療腸道疾病。水蘇糖的優良穩定性、吸水力、高黏度使其作為賦形劑添加在藥物中。同時，水蘇糖能降低細胞中彈性蛋白酶含量，減少彈性蛋白水解，維持皮膚彈性，可應用于抗衰老藥品中。Pawar等[30]發現半乳甘露聚糖用于卡托普利膠囊制備。殼寡糖因其廣譜抗菌能力被廣泛應用于各類醫藥中，還可控制癌細胞轉移，在抗癌藥物中有巨大潛力[31]。

3 功能性寡糖的制備

功能性寡糖因其具有出色的理化和生物性能，成為國內外眾多研究者研究的熱點，如何針對不同需求和基于經濟考量來選擇合適的制取方法亦成為一個研究熱點，功能性寡糖的制備主要有酶法、化學法、物理法3種方式。

3.1 酶法

酶法合成是目前采用制備功能性寡糖最為廣泛的方法，β-半乳糖苷酶是常用的酶。主要方法根據糖種類的不同可以有兩類：高聚合度糖的水解和單糖的聚合。

高聚合度糖的水解主要使用微生物產生的酶降解多糖獲得高純度的寡糖，如木寡糖、麥芽寡糖等。木寡糖可由內切纖維素酶降解半纖維素生成木聚糖，再經水解制得。來源于芽孢桿菌的木聚糖酶可水解玉米芯，生成以木二糖和木三糖為主的木寡糖[3]。酶法制備異麥芽寡糖多采用α-淀粉酶將淀粉液化生產高濃度葡萄糖漿，經α-葡萄糖轉苷酶轉化，將葡萄糖去除后得高濃度產品。α-葡萄糖苷酶可來自米曲霉、黑曲霉，其轉苷能力因來源不同而不同。異麥芽寡糖也可利用蔗糖葡萄糖基轉移酶和葡聚糖酶作用于蔗糖合成。

單糖的聚合多以淀粉、蔗糖、乳糖為底物，采用轉移酶、水解酶的糖基轉移來合成寡糖，如半乳寡糖、果寡糖、異麥芽寡糖等。蔗糖基果寡糖的制備常以蔗糖原料，β-果糖轉移酶轉移果糖苷得到。β-果糖轉移酶主要由真菌等微生物發酵所得，也可從植物中獲得。其反應過程難以控制，純度較低，其中含有葡萄糖和果糖及未轉化的蔗糖，其生理功效大大下降，應用受到了限制，只能以食品配料添加于一般的食品行業和飼料添加劑添加于飼料行業。高濃度乳糖或乳清常作為制備半乳糖寡糖的主要原料，經β-半乳糖苷酶催化得到半乳糖寡糖。β-半乳糖苷酶一方面能降解乳糖為葡萄糖和半乳糖，另一方面利用轉半乳糖苷合成低聚半乳糖。這兩種反應間的平衡決定了合成產率。β-半乳糖苷酶可來自植物、微生物和動物腸道。

酶的來源廣泛安全，不會造成環境污染，生產成本低，相對節約能源。利用酶法合成，條件溫和，生產過程易控制、副產物少、得率高、生產周期短。酶水解法中產物產量取決于酶的種類、活力、數量，多種酶進行復合相比于單一酶提取效果佳。

不少研究者對游離酶法、非水相酶法、固定化酶連續法在生產制備功能性寡糖中的應用進行了研究。陳興都等[32]以菊芋菊粉液為原料，采用2.5 U/g內切型菊粉酶，在60℃，pH6條件下酶解6 h，果寡糖轉化率可達96.27%。傅亮等[33]以0.5%瓜爾膠為原料，用20 IU/g β-甘露聚糖酶在50℃、pH6.0下反應8 h，得到平均聚合度為4.13的半乳甘露低聚糖。

非水相酶法通過控制水相和有機相的比例，降低了反應體系中水的含量，抑制糖的水解反應，增加初始糖濃度，從而能夠提高其得率。Shin等[34]在60℃，pH6條件下，分別在95%環己烷-5%水的反應體系中，制備半乳寡糖的最大濃度為45%，而在水介質中的最高濃度為38%。

固定化酶連續法是將固定化酶固定在非水溶性的載體上，使底物易被酶降解。與游離酶相比，固定化酶雖然對與底物的接觸有一定影響，但可以在不影響低聚糖得率的情況下重復使用，節約成本。劉鑫龍等[35]以50%乳糖為底物，加入2 mmol/L的Mg2+，640 g/L固定化的半乳糖苷酶，在40℃，pH6.5的條件下，反應4 h，低聚半乳糖的產率為71.5%。

3.2 化學法

3.2.1 化學合成

化學合成法是以單糖分子為底物，在一定條件下發生一系列化學反應來獲得目標產物的方法。此方法通常應用到復雜的反應體系及大量有毒易殘留的化學試劑中，存在工藝復雜繁瑣，生產成本高，得率低，合成所用試劑毒性大易殘留，環境污染、副產品得率高和分離純化難度大等問題，因此不適合食品級功能性寡糖的生產，主要用于實驗室研究。乳酮糖的化學制備方法是利用乳糖在堿性條件下加熱，使部分葡萄糖異構化，后經去離子、脫色、濃縮得上清液，即異構化乳糖糖漿[36]。

3.2.2 化學降解

化學降解法是使用具有切割糖苷鍵能力的酸、堿對高聚合度的多糖進行水解，從而獲得不同結構寡糖的方法。該方法價格低廉、簡單快速，可得到分子量分布較廣的功能性寡糖，但其水解物中糖類組分復雜，副反應較多，增加了產品后續純化的難度，難以獲得具有特定結構的功能性寡糖，且產率低、專一性差，不易獲得高純度產品，因此不能用于規?；a。

酸的濃度和水解的時間決定目標產物的得率，常利用的酸為鹽酸、乙酸、磷酸。馬永香[37]采用酸沉法和絮凝法生產大豆糖蜜上清液，比較了總糖損失率、大豆寡糖糖損失率以及脫色率等指標。吳勝軍[38]以荸薺多糖為底物，經雙氧水降解得到抗氧化能力較好的寡糖。

3.3 物理法

目前常用的物理方法有熱水抽提法、輻射降解法、超聲波法、微波法等。嚴玲[39]以豆腐黃漿為原料，通過超濾膜工藝，提取、純化獲得含72.1%大豆寡糖的糖溶液。宋春麗等[40]采用微波法和超聲波輔助法提取豆粕中大豆寡糖，兩種方法最佳提取條件下大豆寡糖的得率分別為12.56%、12.03%，微波法要優于超聲波法。常見幾種物理制備方法見表1。

表1 常見幾種物理制備方法Table 1 Common several physical preparation methods

4 展望

目前，功能性寡糖在世界各國廣泛生產和使用，其產品在國內外市場上的比重逐漸增長，在食品行業、醫學用途、飼料及養殖業前景廣闊。隨著市場的推動發展及人們對功能性寡糖研究工作的深入，將有越來越多的功能性寡糖被開發和利用，必將在各個領域中發揮越來越大的作用。未來，功能性寡糖的制備生產還有待深入研究，擴大生產規模、提高生產效率，與生態環境協調是當前生產技術需要解決的問題。