功能性低聚糖——水苏糖

《中国食品添加剂》 China Food Additives 2Oo4 No．4 功能性低聚糖——水苏糖 粱丽心 (华南理工大学食品与生物学院，广州510640) 摘 要：水苏糖作为一种新兴的功能性低聚糖类，其开发和应用El益受到重视。本文介绍了水苏糖的性质、 生理功能、制备及应用，并对其开发应用前景进行了展望。 关键词：水苏糖，功能性低聚糖，制备，应用 Functional、Oligosa．ccharide-- Stachyose (Food and Biology Engineering College，South China University of Technology，Guangzhou 510640) Abs ：Stac ，as a删 functional oligosaccharide，has been mid much attention increasingly．Here the pmper~es， physiologicalfunctions．preparation and application of strayose areintroduced． nle development prospect of staehyose has also been foreseen． Key w0 s：St曲 08e，Functional oligosaeeharide，Preparation，Application 低聚糖是指由2～10个单糖经糖苷键连接而 成的低度聚合糖，分功能性低聚糖和普通低聚糖两 大类。蔗糖、乳糖、麦芽糖等属于普通低聚糖，它们 可被机体消化吸收，不是肠道有益菌双歧杆菌的增 殖因子。以水苏糖、棉子糖、低聚果糖、乳酮糖、异 麦芽酮糖、大豆低聚糖、低聚半乳糖、低聚木糖、低 聚乳果糖、低聚龙胆糖等为代的新型低聚糖一般 都具有促进肠道双歧杆菌增殖，难以被人体消化吸 收，预防龋齿等一系列的生理功能，所以称它们为 功能性低聚糖。功能性低聚糖是国内外食品科学 与工程研究领域的前沿，被誉为“21世纪食品工业 的先导”。 0 水苏糖(Staehyose)是自然界存在的一种四糖， 广泛分布于豆科植物中，属于棉子糖属半乳糖苷类 非还原性功能性低聚糖。它能显著促进双歧杆菌 增殖，因此又被誉为“超强双歧因子”，成为近年来 保健食品市场上比较受欢迎的一种功能原料。下 面本文仅就水苏糖的物化性质、生理功能、制备方 法及应用等作一简要概述。 1 水苏糖的结构和物化性质 水苏糖是蔗糖的葡萄糖基一侧以1，6糖苷键 结合 2个 a一半乳糖而形成的糖类，分子式为 C~H4202l，相对分子量666，化学结构如图1所示。 H 0H H 0H H 0H 图1 水苏糖的化学结构 H 51 维普资讯 http://www.cqvip.com 《中国食品添加剂》 China Food Additives 2004 No．4 纯水苏糖为白色粉末，微甜，甜度为蔗糖的22％， 口感清爽，无异味。水苏糖溶于水，溶解度为 130g (20℃)，不溶于乙醚、乙醇等有机溶剂。纯晶体水 苏糖为带4分子结晶水的片状物，熔点101oC，真空 中115℃失水，无水物的熔点为167—170℃。 水苏糖具有良好的热稳定性，在 100'C的高温 下也不会分解，但在酸条件下热稳定性有所下降， 因此，水苏糖可用于需热压处理的食品；当用于酸 性饮料时，只要 pH值不太低，在 100℃的杀菌条件 下足够稳定；它在酸性环境中的贮藏稳定性和温度 有关，温度低于2O℃时相当稳定。水苏糖的保湿 性和吸湿性均小于蔗糖但高于高果糖浆，渗透压接 近于蔗糖。在 8o℃以上，水苏糖具有着色性，因 此，可在焙烤食品中加入水苏糖，令食品呈现出诱 人的焦黄色。 2 水苏糖的生理功能 2．1 增殖双歧杆菌、调节肠内菌群 水苏糖与其它功能性低聚糖相类似，它不为人 体肠胃消化液所分解，能被人体肠道内的双歧杆 菌、乳酸杆菌等有益菌群利用，促进这些有益菌的 增殖，它对双岐杆菌的增殖效果更是优于低聚异麦 芽糖和低聚果糖(有效量约为 1／4—1／5)，能够以 40倍递增的速度增殖双歧杆菌。此外，水苏糖还 能抑制腐败菌如大肠杆菌和产气荚膜梭菌的生长， 从而抑制腐败菌代谢产生的酚、氨、吲哚等有害物 质。李迎慧等人通过实验鼠及志愿者进行调节肠 道菌群试验，证明了水苏糖确实具有调节肠道菌 群、改善肠道内环境的功能。另外，也有研究表明， 在杂种仔猪的饲料中添加 1％水苏糖，就可明显地 调节仔猪的肠道微生物菌群。据Et本报道，每天摄 入0．5 3g水苏糖，即有效果，过量服用则可引起 胀气和增加排气乃至轻泻。 2．2 改善排便功能、防止便秘 由于双歧杆菌发酵水苏糖产生大量的短链脂 肪酸，能刺激肠道蠕动，增加粪便的湿润度，并通过 菌体的大量生长而保持一定的渗透压，避免了粪便 积存在大肠，当水分被吸收后形成干硬的便块，从 而防止便秘的发生。在人体试验中，便秘者每天摄 入3g水苏糖，一周后排便次数、排便量以及排便的 容易程度都有显著改善，但对一些严重的便秘患者 效果不佳。 52 2．3 预防龋齿 龋齿是由口腔微生物，特别是突变链球菌发酵 糖类大量繁殖、产酸并侵蚀牙齿形成的。水苏糖不 能作为口腔微生物的合适底物，因此不能被吸收利 用，不会引起龋齿。 2．4 水溶性膳食纤维样功能 虽然水苏糖不完全具备膳食纤维的粘稠性、持 水性和遇水膨胀等物理特性，但是它具有低分子水 溶性纤维素的某些功能特性，如防治便秘、提高机 体免疫力以及提供低热量等，并且水苏糖还具有下 列有点：①口感好，味质好；②Et需量少，不胀肚；③ 易溶于水；④易加工但不影响食品的原有性质。 2．5 低热值。人体难消化 由于人体消化酶中缺少能够分解水苏糖的 a — D一半乳糖苷酶，故水苏糖很难被人体消化吸 收，提供的能量很低。有研究者对水苏糖的吸收动 力学作了研究，证明水苏糖在动物体内吸收快但很 少，生物利用度只有 3．82％。正因为水苏糖产生 的热值低，且具有一定的甜度，因此可作为甜味剂 加入糖尿病、肥胖症等患者的食物中。 2．6 促进肠道内营养物质的生成 水苏糖可促进双歧杆菌增殖，而双歧杆菌可在 肠道内合成维生素B 、B6、B 2、烟酸、叶酸等营养物 质。 2．7 对化学性肝损伤有一定的预防作用 有研究者发现中药提取物水苏糖对临床／亚临 床肝性脑病(HE／SHE)有预防作用，而且水苏糖作 为治疗SHE 的药物与乳果糖一样有很好的疗效。 此外，水苏糖还能促进肠内短链脂肪酸的增 加，降低肠内pH值。它还兼有调节免疫、降血糖 和降血脂(胆固醇)功能，并能促进肠道对钙、镁等 微量元素的吸收。 3 水苏糖的制备方法 目前，水苏糖的生产方法有天然提取法和酶法 两种，酶法生产水苏糖是最近发展起来的方法，目 前尚处于实验室阶段。天然提取法是目前水苏糖 工业化生产中常用的方法，经过研究和工业化试 点，该方法已经逐步成熟。天然提取法以宝塔菜 (又名甘露、草石蚕)、毛叶地笋、中药地黄或大豆种 子等为原料，经提取、精制而得。 维普资讯 http://www.cqvip.com 《中国食品添加剂》 China．Food Additives 20o4 No．4 3．1 从宝塔菜中提取水苏糖 据北京化工大学化学工程学院的袁其朋等人 报道，中国特有的水苏属植物蔬菜——宝塔菜干基 含糖量达 17％，且水苏糖含量高、杂糖少，是生产 水苏糖的理想原料。他们开发出的以宝塔菜为原 料生产水苏糖的简单生产工艺如下： 宝塔菜一 I粉碎I— l水提取I— I离心除渣l — 一 I起滤除杂l—一l活性炭脱色l—一l脱盐l—一 I真空浓缩l—一I喷雾干燥l—一产品 此外，也有专利文献报道，可以采用新鲜的草 石蚕或其干燥品作为原料，使用榨汁法或极性有机 溶剂等方法提取水苏糖。若用草石蚕的干品进行 提取，则提取前需将干品用3—6倍清水浸泡120— 300min，其提取或回流浸提的时间为鲜品的 1—2 倍。 3．2 从毛叶地笋中提取水苏糖 据有关专利报道，水苏糖可以从一种叫毛叶地 笋的植物中提取，其主要提取工艺包括：将毛叶地 笋的根茎经过清洗、压榨、浸泡和蒸煮后得到提取 液，再经离心除杂，并先后向提取液中添加醋酸铝 和草酸，添加量分别为原料重量的1—2％和0．3— 3％。最后经过滤、浓缩和喷雾干燥，得到粉末状水 苏糖产品。 另外，中国食品发酵研究院陈瑞娟等人选取华 北地区的一种蔬菜根茎为原料生产水苏糖，已于 1999年完成日产40—60kg流水线工业性试验，其 主要工艺流程如下图所示。成品中水苏糖和棉子 糖含量为8O一90％。 干 燥 原 料 —一 l热水浸提三次I—一 l12％粗糖液澄清I— l活性炭脱色l— I离子交换l — 一l浓缩l—一糖浆产品—一I喷雾干燥l—一粉末状 产品 由于大豆中水苏糖含量为4％，大豆低聚糖中 约含30％的水苏糖，因此国际上多由大豆低聚糖 色谱分离制备水苏糖。从植物蔬菜中提取的水苏 糖，其成品中水苏糖和棉子糖总含量一般可达60一 一 90％，远高于国外从大豆中提取的3o％的含量， 在国际上具有领先水平。因此，可以说，从我国特 有的植物蔬菜中提取高纯度水苏糖在世界功能性 低聚糖领域是独树一帜的。 4 水苏糖的应用 水苏糖具有良好的物化性质和生理功能，且经 毒理学实验证实，它安全可靠，无任何毒副作用，因 此日益受到人们的重视，并被广泛应用于食品、医 药、化妆品、饲料等领域。 4．1 水苏糖在食品中的应用 由于水苏糖口味纯正，在水中溶解性好，对酸 和热的稳定性高，不受一般的加热、蒸煮、焙烤的影 响，具有良好的可加工性，因此，可用于酸性食品、 饮料(健康饮料、运动饮料)和焙烤食物如面包中。 水苏糖具有低热量、低甜度(相当于蔗糖的 22％)，在体内不消化、不吸收的特点，可应用于糖 果、冰淇淋、巧克力和各类甜品中，替代蔗糖，适用 于糖尿病人和减肥人士食用。 作为第三代功能性食品基料，水苏糖能有效促 进双歧杆菌等有益菌的增殖，将水苏糖添加到啤 酒、红酒、牛奶、酸奶、奶酪等食品中，开发出具有特 殊功能的保健饮料和保健乳制品。水苏糖还具有 调节菌群平衡、改善肠道功能、降低血脂、预防化学 性肝损伤、调节免疫、润肠通便等独特功效，且化学 性质极其稳定、可加工性极佳，适用于开发成冲剂、 胶囊、软胶囊、片剂、口服液等剂型的保健食品。 另外，水苏糖不会被口腔微生物利用，从而防 止了龋齿的形成，可应用于儿童食品。 4．2 水苏糖在医药方面的应用 水苏糖结构清楚、功效因子明确，而且性质稳 定，是“靶向给药”的稳定剂。另外，水苏糖粘度高， 吸水能力强，可以用作药物赋型剂，也适用于开发 成冲剂、胶囊、软胶囊、片剂、口服液等剂型的药品。 一 些研究证明水苏糖能够减少纤维原细胞中 一 弹性蛋白酶的合成或分泌，从而减少组织弹性 蛋白的水解和皮肤细胞之间透明质酸水解，达到维 持皮肤弹性和可塑性的目的，因此水苏糖在皮肤保 健和抗皮肤衰老等医药品中有很好的应用。 水苏糖作为一种a一半乳糖苷类物质，对多种 慢性疾病有潜在的预防治疗作用，如水苏糖对慢性 炎症具有缓解作用。 4．3 水苏糖在化妆品中的应用 水苏糖溶解性好，对皮肤无刺激性，在化妆品 及皮肤清洁剂中使用可改善皮肤的粗糙性，使皮肤 产生光滑感，其改善作用明显且没有副作用。由于 53 维普资讯 http://www.cqvip.com 《中国食品添加剂》 China Food Additives 2004 No．4 水苏糖从调节体表微生态平衡开始，易于为皮肤中 的有益菌群所代谢，并抑制有害菌，从根本上抑制 黄褐斑的形成，因此它具有分解黑色素、清褪黄褐 斑、清除自由基、排出毒素、延缓衰老等功效，适于 开发养颜美容用品。若与其他抗自由基物质合用， 其嫩肤和抗衰老的效果会更明显。 除以上几方面外，水苏糖还可以在动物饲料中 使用，在断奶仔猪的饲料中添加水苏糖，可以调节 仔猪体内微生物菌群，使有益菌数量提高，有害菌 减少，从而提高仔猪的免疫能力和促进对矿物元素 的吸收。但是，也有报道指出，在饲料中加入水苏 糖会降低仔猪的生产性能，不利于仔猪的生长。 5 水苏糖的开发应用前景 功能性食品将是 2l世纪的食品，功能性低聚 糖则是一种极好的功能性食品基料。在日本和欧 洲用功能性低聚糖开发的食品多达400—500种。 由日本厚生省批准的69种特定保健食品中有40 种加有低聚糖。水苏糖作为一种新兴的功能性低 聚糖，其产品功效显著，故它的开发和应用日益受 到重视。 日本在十多年前就从大豆中以工业化方式生 产出水苏糖，现在已经成为全球水苏糖产业化规模 最大的国家，对功能性水苏糖的需求已经比较成 熟。但就全球范围而言，美国利用水苏糖的开发力 度最大，程度最深，因而水苏糖在美国市场的应用 范围也最为广泛。有关水苏糖产品的应用专利在 美国专利局已有306项以上。据统计，2000年 全球对水苏糖产品的需求量达 35万吨，实际供应 量仅为23万吨，供需之间存在较大差距；且随着水 苏糖应用范围的不断拓展，供需不平衡将进一步拉 大，市场前景广阔。 目前，国际上大量使用的大豆低聚糖，其水苏 糖含量不到30％，而高纯度水苏糖未见有工业化 生产的报道。由于水苏糖可以从我国特有的一种 蔬菜中提取，而且其产品纯度可达 80％以上，此得 天独厚的资源，令我国在水苏糖生产开发方面走在 了世界前列。目前，西安大鹏生物科技股份有限公 司、陕西美辰生物科技股份有限公司和中国食品发 酵研究所下属的北京中食科技有限公司等已达到 批量生产水苏糖的规模，真正实现了水苏糖的工业 化生产，在国际上处于领先地位。 参考文献 1． 郑建仙，耿立萍，功能性低聚糖析论，食品与发酵工业， 1997，23(1)：39—46 2． 袁其朋，范颖，水苏糖，精细与专用化学品，2OO2，l：13—14 3． 杨昌林，水苏糖一 新__二代超强双歧因子，中国食品报保 健产业导刊，2003年 1月4日 4．李迎慧，刘衡川，余倩等，长康双歧菌增殖胶囊对肠道菌 群影响的研究，中国微生态学杂志，2001，13(3)：138—139 5． Z u lg，D Li，S Oiao，d al，Effects 0f staehy~e OI1 p~fox- lllS[1P．~，diarrI10ea incidence and 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