低聚果糖的特性及其应用

低聚果糖的特性及其应用
姓名：贺湘指导老师：于淑娟
学号：200920121599 专业：制糖工程
【摘要】低聚果糖作为一种独特的保健食品，对改善胃肠道功能、降低血酯、调节机体平衡、提高免疫力等有明显的作用，因此被广泛应用于保健食品、饮料、乳制品、糖果等食品行业，饲料工业以及医药、美容等行业中，应用前景十分广阔。

本文概述了低聚果糖的发展状况、制备方法，详述了低聚果糖的理化特性、生理功能及在各行业的应用，并对其作出未来展望。

关键词：低聚果糖；制备方法；生理功能；应用
１概述
所谓低聚糖是指以2～10个单糖用糖苷键连接起来的糖类的总称。

而低聚果糖(Fructoolig osaccharide，简称FOS)是低聚糖中非常重要的一类，又称寡果糖、蔗果三糖族低聚糖或蔗果低聚糖，是指在蔗糖分子的果糖残基上通过α(1—2）糖苷键连接1～3个果糖基而成的蔗果三糖、蔗果四糖、蔗果五糖及其混合物的总称，是一种优良的水溶性膳食纤维。

天然低聚果糖在自然界中广泛存在，如马铃蓦、洋葱、大蒜、津藓、小麦、大麦、黑麦和香蕉等植物或水果中含量都较高，而菊粉中的低聚果糖的含量最高，约占92％。

但用工艺提取天然低聚果糖较为困难，且难以批量生产，目前商品低聚果糖主要是利用生物酶工程技术生产。

低聚果糖的工业生产发展经过了一个较长的过程：约在1940年，美国就开始采用酸酶合并糖化工艺生产高甜度糖浆；1950年Bacon and Edelman及Blanchard and Albon 用酵母转化酶分别独立地水解蔗糖得到了蔗果三糖族低聚糖；1952年，WhaEey等人制得蔗果三糖；1957年美国的Marshall发现假单孢菌能催化葡萄糖发生异构化反应转变成果糖，但转化率低，还不适于工业生产应用。

1961年日本开始用淀粉酶液化和葡萄糖淀粉酶糖化的双曲法生产结晶葡萄糖；1965年日本的高崎义辛从土壤中分离出白色链霉菌，次年日本首先利用这种异构酶生产果葡糖浆；1977年应用于生产的离子交换树脂或无机吸附剂能将葡萄糖和果糖分离开来，从而出现了高果糖；直到1982年日本日高秀昌等采用含有果糖转移酶的微生物技术才第一次生产出了低聚果糖。

到目前，国外有关低聚果糖的专利较多，涉及有关低聚果糖的各个领域。

日本明治制果株式会社公开了一种新的α一呋喃果糖苷酶及其基因。

该酶是具有α一呋喃果糖苷酶活性且具有高度转移
酶活性，能高效地产生低聚果糖。

而在国内，低聚果糖生产尚处于开发成长阶段。

曾在1995年批准的58种“特定保健用食品”中出现有9种是低聚果糖产品；1997年在云南省昆明市建成我国最大的低聚果糖生产线，年产低聚果糖糖浆(含量50％)约3000t左右；目前，在广西建有一试验性工厂，研究重点是菌种筛选和工艺条件的选择。

但是国内的专利不是很多，其中有涉及到一些新的出芽短梗霉菌株的专利。

利用筛选到的该菌株以蔗糖为底物用微生物酶法合成低聚果糖，低聚果糖的产率可达68.70％。

魏远安等人对以蔗糖为原料固定化果糖基转移酶生产低聚果糖的方法申请了专利，提供了固定化果糖基转移酶制剂的制备以及利用该酶制剂进行工业化生产低聚果糖的方法。

此外，还有采用阳离子树脂催化法水解菊糖汁生产低聚果糖的专利。

２低聚果糖的理化特性与生理功能
众所周知，益生菌作为微生态的调节剂，具有促进人体对营养物质的吸收、提高免疫力、预防和治疗便秘及腹泻、降低血脂、抑制肠道病源和腐败微生物的生长、分解致癌物质等作用。

低聚果糖就是益生菌的最佳养料，它在人体消化道内不会被胃酸、胆汁和各种消化酶分解而吸收，可直达大肠中被嗜酸性乳酸杆菌、双歧杆菌等有益菌选择利用，使它们快速并大量繁殖，是双歧杆菌增殖因子。

这些益生菌对低聚果糖进行酵解后，从而发挥一系列生理学功能。

部分转化为短链脂肪酸和少量气体，大约40％的低聚果糖被菌体利用排出体外。

部分短链脂肪酸经结肠黏膜吸收后再入肝脏，进一步代谢而转变为可利用的能量。

2、1 低聚果糖(FOS)的理化特性
对照蔗糖或其他蔗糖深加工产品，从以下几方面来介绍低聚果糖的理化特性：
(1）甜度和味质：纯度为50％～6O％的低聚果糖的甜度约为蔗糖质量分数的6O％，纯度为95％的低聚果糖甜度仅为蔗糖质量分数的30％，且较蔗糖甜味清爽，味道纯净，不带任何后味。

(2)热值：体内测量的低聚果糖热值仅为1.5kcal／g，热值极低。

(3)粘度：在0℃～70℃范围内，低聚果糖的粘度近似异构糖，但随温度的上升而下降。

(4)水份活性：低聚果糖的水份活性略高于蔗糖。

(5)保湿性：低聚果糖的保湿性与山梨醇、饴糖相似。

(6)pH值热稳定性：当环境pH值为中性时，低聚果糖在120℃还非常稳定，与蔗糖相近；在酸性条件下(pH=3)，温度达70℃以后，低聚果糖极易分解，稳定性明显降低。

(7)其他加工特性：溶解性、非着色性、赋形性、耐碱性、抗老化性等优越。

耐高温性、抑制淀粉老化、保水性和稳定性均较好，但非吸湿性较差。

2、2 低聚果糖的生理功能
由于低聚果糖的独特的理化性质，决定了其具有优越的生理功能。

经各国学者专家多年来对低聚果糖的深入研究，以及对动物和人体的大量实验证实，低聚果糖对改善肠道功能、防治便秘和腹泻、降低血脂、提高人体免疫力等功效显著。

(1)调节体内菌群的平衡与高效双歧杆菌增殖因子。

低聚果糖是国际公认的流行的超强双歧因子。

实验证明人体摄入一定量的低聚果糖后，人体内有益菌群双歧杆菌数量可增殖10 ~100倍，同时产生的有机酸如醋酸、乳酸、丙酸、丁酸等使肠内pH值降低，抑制外源致病菌和肠内固有腐败细菌的生长繁殖，减少肠内腐败物质的生长和积累，改善肠道环境，促进肠道蠕动，防止便秘和腹泻；
(2)降低血脂和胆固醇。

低聚果糖是一种优良的水溶性膳食纤维，通过肠内双歧杆菌的作用，FOS能发酵产生丙酸，阻碍胆固醇的合成，促使胆固醇向胆汁酸转换，增加胆汁酸排出量，能有效降低血清胆固醇、甘油三脂、游离脂肪酸的数量，对于因血脂高而引起的高血压、动脉硬化等一系列心血管疾病有较好的改善作用；
(3)促进维生素的合成、提高免疫力。

低聚果糖可以促进多种维生素及叶酸的自然形成，产生大量S—TGA免疫蛋白等免疫物质，有效地阻止细菌附着于宿主的肠粘膜组织，大量的双歧杆菌还能对肠道免疫细胞产生强烈的刺激，增加抗体细胞的数量、激活巨噬细胞的活性，强化人体免疫体系。

(4)保护肝脏。

双歧杆菌吸收低聚果糖后，迅速增殖，抑制大肠杆菌、沙门氏菌和梭状芽胞杆菌等腐败菌发生作用，减少毒性代谢物的生成，同时迅速将毒性代谢物排出体外，减轻肝脏负担，起到保护肝脏的作用，而且摄人低聚果糖不会引起血糖值和胰岛素升高；
(5)促进矿物质的吸收和肠内有毒废物的排除。

低聚果糖具有膳食纤维结合金属离子的作用，在大肠的酸性环境中，钙、镁、锌等矿物质溶解度增加，其生物有效性也得到提高。

低聚果糖能保持肠壁水分，增加肠腔内容物水分和酸度，同时培养双歧杆菌肠壁形成菌膜保护屏障，从而加快肠腔蠕动产生排便反射，有利于肠内吲哚、亚哨基胺等致癌有毒废物的排除。

(6)防止肥胖。

蔗果低聚糖中的蔗果三糖、蔗果四糖不受人体唾液中的酶以及小肠消化酶的水解，难以被消化吸收，且热值低，因此摄入低聚果糖后，不会引起肥胖。

(7)防止龋齿。

低聚果糖不能被突变链球菌作为发酵底物生成不溶性葡聚糖而提供口腔微生物沉积、产酸和腐蚀的场所(牙垢)，口腔产酸菌发酵低聚果糖而生成的乳酸也远低于发酵蔗糖产生的酸。

因此可以防止龋齿。

除了上述功能以外，低聚果糖还可以防止面疮、黑斑、雀斑、青春痘、老人斑，使皮肤亮丽，老化减缓，具有美容的作用。

３低聚果糖的制备与生产
低聚果糖广泛存在于香蕉、蜂蜜、洋葱、小麦等植物果蔬中，但含量较低，难以提取，市场上的低聚果糖产品主要靠微生物发酵来生产，均是人工合成的。

国内外对低聚果糖的制备和生产已做了大量的研究与试验。

1982年日本首次利用酶法工业化生产低聚果糖获得成功，随后韩国、中国台湾学者也相继开始研究，目前欧、美、韩国、中国台湾等发达国家和地区均有较大规模生产。

在科研上，曾有研究人员通过在反应中加入葡萄糖氧化酶，将副产物葡萄糖氧化为葡萄糖酸，从而促使蔗糖进一步转化为低聚果糖；或者利用葡萄糖异构酶将葡萄糖转化为果糖，消除产物抑制，得到较高含量的低聚果糖；高放等用改进的PVA一硼酸法包埋黑曲霉葡萄糖异构酶协同作用，提高了低聚果糖的转化率；江波等利用果糖转移酶转化蔗糖制备普通低聚果糖，然后再通过葡萄糖氧化酶(GOD与过氧化氢酶(CAT)的协同作用来消除普通低聚果糖中的葡萄糖；日本食品综合研究所开发出了将甘蔗渣经蒸汽爆破处理和酶解、发酵组合处理得到富含低聚糖的食物纤维素材的技术。

工业化大规模生产低聚果糖所使用的原料主要有菊芋和蔗糖，相对应的工艺方法是：
（1）用菊芋作原料水浸提取菊粉，经酶解生产低聚果糖（菊苣浸提法）。

此法的关键在于菊粉酶的提取。

目前国外研究较多的是酵母、黑曲霉及少数几种细菌，而国内研究较多的是青酶、黑曲霉和枯草芽孢杆菌。

菊苣浸提法生产低聚果糖，具有着多方面优势：菊糖来源丰富，价格便宜，且可以干法保存，便于全年生产；产物中单糖、双糖含量低，后处理容易进行；菊芋生产条件粗放，耐贫，易管理，产量高，可充分利用薄地大规模种植，节省宝贵的土地资源。

此外，该方法工艺简单、转化率高、副产物少。

目前，法国Leroux、比利时RT公司的子
公司Orafii都是用部分水解菊芋的菊粉而得。

而我国较少采用此种方法。

（2）用蔗糖作原料酶法生产低聚果糖（蔗糖酶法）。

此法一般在菊苣资源较少的地区主要采用的方法。

如目前全球低聚果糖的生产大户之一法国和日本合资的BMI(Beghin —Meiji Industree)公司即是采用此法；国内企业如“量子高科低聚果糖”、“天原甘露”、“奥立高”“维尔康”、“维德力”及“富力得”等，也都是采用此法。

用这种方法生产低聚果糖的缺点是：其反应副产物——葡萄糖是酶的抑制剂，反应进行不彻底，混台物中含有大量葡萄糖和蔗糖，低聚果糖只占总量的55％～60％，工艺复杂、生产成本高等。

按照酶是否固定化，酶法又可分为间歇式生产和连续式生产两种方法。

间歇式生产，是直接将β一果糖转移酶或β一呋喃果糖苷酶加入50％～60％蔗糖溶液中，在一定温度和pH下催化产生低聚果糖。

其特点是工艺设备简单，但酶无法重复利用，自动化程度低，产量也较低，因而生产成本较高。

连续式生产是目前国际上开发较多的固定化酶法。

该法因固定化酶具有很好的操作稳定性，能反复使用，利用率高，可实现生产工艺连续化、自动化，生产成本降低，应用前景广阔。

４低聚果糖的应用
由于低聚果糖具有多种优越的理化特性和生理功能，被誉为营养、保健、疗效三位一体的21世纪健康新糖源，添加低聚果糖的产品越来越受到消费者的欢迎。

目前，低聚果糖已广泛应用于乳制品、保健品、功能性饮料、固体饮料糖果、饼干、面包、果冻等食品行业，饲料工业以及医药、美容等行业中。

在日本，低聚果糖已用作膨胀剂、甜睐剂、增鲜剂和润湿剂，法国也批准将低聚果糖用作猪、兔饲料的添加剂。

美国的库尔斯生物技术公司也已跟日本明治制果公司合作，生产和销售低聚果糖，以满足消费者的大量需求。

详细说来，低聚果糖的主要应用有：
（1）作为双歧杆菌促生索，应用于乳制品
在台湾、日本等地，FOS在乳制品中应用相当广泛，这样不仅可以使产品附加上低聚果糖的功能，而且可以克服原产品的某些缺陷，使产品更完美。

在乳酸菌奶以及谷物产品中添加低聚果糖，可以使产品货架期延长；增强乳制品良好的口感风味促进人体对乳制品中营养物质的吸收。

（2）应用于保健品
在提高人体免疫力的滋补食品中添加低聚果糖，不仅可以增强产品的功效，而且可以降低产品的火气。

在降血压和调节血脂的食品、保健品中添加低聚果糖，不仅可以提高产品的功效，而且还可以改善产品的口感，提高产品的档次。

（3）应用于婴幼儿及中老年食品
断乳后婴幼儿体内的双歧杆菌会急剧减少，从而引起上火、便秘、腹泻、厌食等现象，在婴幼儿食品中添加适量FOS会大大地改善这种不良现象，同时还可以促进婴幼儿对营养物质的吸收；在中老年食品中添加FOS能降低胆固醇，调节肠胃，促进营养物质的吸收，消除便秘，提高人体免疫力。

（4）应用于功能性饮料及葡萄酒、清酒及其它果酒系列
作为独特的低糖、低热值、难消化的甜味剂，添加于食品中，不仅可以改善产品的口味，降低食品的热值，而且可以延长产品的货架期。

如在减肥食品中添加低聚果糖，可以极大降低产品热值；在低糖食品中，低聚果糖较难引起血糖升高；在果味饮料和茶饮料中添加低聚果糖，可以使产品口味更细腻柔和、更清爽；在酒类产品中添加FOS，可以调节产品口感剔除酸、苦、涩味，改善澄明度，还可以完全或部分取代蔗糖、蜂蜜，同时可增加产品的功能性，提高产品的功效和档次。

（5）在饲料工业中应用
安全饲料添加剂、绿色饲料添加剂将成为行业发展的热点和重点。

目前低聚糖主要用于食品配料，作为添加剂应用于饲料是近年才兴起的。

大量的研究结果表明：低聚果糖在促进动物生长、提高饲料利用率、增强免疫力、预防疾病、提高动物繁殖力及改善环境等方面均具有重要的作用。

（6）其它应用
除上述应用外，低聚果糖的价值已逐渐向各行业开发体现：用其作为一种辅料添加润喉糖产品中可起到一般的糖作用又可防止龋齿；作为美容因子添加于美容食品、护肤品中，可以增强产品美容、护肤作用；在焙烧食品中增加低聚果糖，可以增进产品的色泽，改进脆性，有利于膨化；此外，在医药方面的应用也已取得一定的研究和发展。

5 对低聚果糖的未来展望
低聚果糖是一种很有开发前景的天然活性成分，无论是在人体还是在动物中都是一种理想的功能性添加剂，被誉为21世纪健康新糖源。

目前，由于成本以及相关加工合成等技术还未成熟，大大限制了低聚果糖在饲料业中的广泛应用，主要用作人类的健康食
品，是一种很好的水溶性膳食纤维，具有预防便秘、抗衰老、防龋齿等特性，长期服用可起到减肥的效果。

现在，仅日本年需求量即达到(4～5)×10 t，欧、美等许多发达国家的年需求量约为(20~30)×10 t，将来低聚果糖无论是在食品、饲料甚至医药界的需求量都会不断增加。

目前在饲料工业中，一些发达国家已将低聚果糖作为一种功能性添加剂广泛应用于动物生产，喻为是继抗生素时代后最有潜力的一代添加剂——促生物质，例如在日本，猪饲料中有45％添加了低聚果糖。

众所周知，因饲料中抗生素的应用引起的耐药性、残留等一系列问题使替代抗生素饲料添加剂的研究开发成了当务之急。

据目前的研究来看，低聚果糖虽不能完全替代抗生素，但是作为一种“绿色”饲料添加剂，其应用前景是非常广阔的。

而在低聚果糖的生产与制备方面，不仅应继续开展筛选高活力的菌株和β一果糖基转移酶学性质的研究，还应加强应用现代生物工程技术，对β一果糖基转移酶功能基因的分离、测序、克隆和表达的研究，以期构建基因工程菌株，进一步优化固定化工艺，全面提高低聚果糖生产技术。

总之，随着低聚果糖这类新型功能性食品的出现以及对其生理功能和作用的不断研究，其作为一种功能性食品的应用也将不断得以扩展，将会有力地带动医药、食品、保健等相关行业的发展，对提高人民的生活水平和促进国民经济的发展具有现实和深远意义。

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