新型功能葡聚糖——交替糖的研究与应用进展

白爱娟，缪 铭，张 涛，江 波

（江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江苏无锡214122）

随着社会的发展，人们生活发生了很大的变化，如生活节奏加快、社会竞争激烈、饮食结构改变、环境污染等。这些变化无不威胁着人们的健康，而大多数的人群都处于亚健康状态。目前，广大公众对自身健康状况日益关注，有越来越多的人选择使用食物来改变这种状况，从“治已病”为主前移到“治未病”和养生保健，从“被动医疗”转向“主动健康”。为了顺应现代食品科技发展的方向并满足消费者的健康需求，低血糖、低热量的功能性碳水化合物已成为21世纪健康食品的发展潮流。交替糖（alternan）是近年来人们发现的明串珠菌产生的一种新型葡聚糖，与右旋糖苷相比，具有较低的热量值和升糖指数，可作为功能性食品添加剂，如增稠剂、填充剂、乳化剂、益生元等，添加到饮料、焙烤制品、乳制品以及特殊营养膳食中。这些优点开始引起人们的关注。文中对交替糖结构、功能性质、生物制备以及在食品中的应用进行了概述。

1 交替糖的理化性质

交替糖是由乳酸菌发酵蔗糖产生的一种胞外多糖，单糖成分仅含有α-吡喃葡萄糖，其主链由α-（1→3）糖苷键和α-（1→6）糖苷键交替连接而成，部分α-（1→6）糖苷键存在于分支点，α-（1→3）与α-（1→6）糖苷键的含量分别为35%和46.9%[1]。不同来源的菌种，交替糖α-（1→3）与α-（1→6）糖苷键的含量略有差异，但均保持交替连接的结构特点。交替糖的结构与右旋糖酐的结构相似，但糖苷键的连接方式不同，图1显示了交替糖与右旋糖酐的结构特征。交替糖的平均分子量为1×107u[2]。

交替糖是一种白色的固体粉末、无味、无臭，不溶于乙醇、丙酮等有机溶剂，易溶于冷水，溶于水后形成乳蓝白色或青白色溶液。与其他高分子微生物多糖相比，交替糖水溶液的粘度很低，其固有粘度为0.193d L/g[4]。交替糖溶液其粘度与水相差不大，但其粘度随着交替糖浓度的增加，呈指数性增加，经超声波处理及酶法修饰的交替糖粘度呈直线增加[5]。高浓度交替糖溶液的粘度远远高于阿拉伯胶的粘度，但经超声以及酶法修饰的交替糖，其粘度与阿拉伯胶类似，图2显示了多糖溶液浓度与粘度的关系。

交替糖溶液具有良好的稳定性：a.耐热[6]，在p H7的条件下被加热高达120℃，1h时，未检测到交替糖聚合度的下降；b.耐酸[7]，在室温条件下，p H3的酸性环境中贮存3周以上未发现交替糖聚合度的下降，而右旋糖酐在酸性条件下加热会发生水解反应，经异麦芽三糖、异麦芽二塘最终形成葡萄糖；c.抗菌，在室温条件下，交替糖水溶液放置3周以上很难发现微生物生长；d.抗酶消化，α-淀粉酶、酵母异麦芽糖酶、葡聚糖水解酶等都很难将交替糖水解[2]。

2 交替糖的生物合成

到目前为止，交替糖还没有进行商业化大规模生产，一般为实验室传统直接发酵生产和酶法合成，表1列举了交替糖不同的生物合成方法。

3 交替糖在自然界中的分布

自然界中能够分泌交替糖的菌株较少，一般为乳酸菌属中的明串珠菌，如在泡菜中分离得到的L.mesenteroidesCBI-110[11]，在发酵面团中分离的L.cituremB2[12]，以及美国农业部柑橘实验室分离得到的L.mesenteroidesNRRL B-1355[4]。自然界中野生的交替糖产生菌株在分泌交替糖的同时，伴随右旋糖酐的产生，而且生成交替糖的量十分有限，这说明交替糖在自然界中存在，但是分布不是很广泛，在自然界中的量也很少。

3.1 发酵制备

直接发酵生产交替糖所用的菌种一般为高产交替糖的菌株，发酵培养基为含高浓度蔗糖的改良MRS培养基。发酵过程中适当的通入氧气有利于交替糖的合成，发酵温度一般控制在28～30℃，培养时间24～48h[13]。采用不产右旋糖酐的菌株直接发酵生产交替糖时，可以采用50%的乙醇直接沉淀，获得交替糖，沉淀后得到的交替糖一般不需进行脱色处理即可。但是，高产交替糖而不产右旋糖酐的菌株很少，报道的仅有Leathers等[14]通过紫外诱变得到的L．mesenteroidesNRRL B-21138。因此，还需研究者通过传统筛菌以及基因工程的方法进一步获得交替糖的高产菌株。

3.2 酶法合成

与直接发酵法相比，酶法合成交替糖不涉及右旋糖酐的产生，因此更加直接方便。交替蔗糖酶存在于发酵上清液以及微生物菌体细胞壁上，热稳定好，45℃热处理30min仍保持活性，而右旋糖酐蔗糖酶失活[15]。实验室利用交替蔗糖酶酶法合成交替糖可以采用两种方法。一是将发酵上清液45℃热处理后，在以10%的蔗糖为底物，p H5.2～5.4的条件下进行酶反应获得交替糖[15]。二是可以将交替蔗糖酶提纯出来或者通过基因工程菌的方式获得，直接利用纯的交替蔗糖酶进行酶反应生产交替糖[10]。酶反应过程中，蔗糖的浓度在某种程度上影响交替糖分子的分子量大小，20%～50%的蔗糖生成的交替糖分子量偏小。温度也会影响交替糖分子量大小，低温会延长反应时间，产生分子量较大的交替糖，一般温度控制在25～35℃。Kok-Jacon等[16]将交替蔗糖酶基因导入到马铃薯中，使其在马铃薯中表达，交替糖在马铃薯块茎中积累，利用免疫吸附方法测定，其浓度在0.3～1.2mg/g。

4 交替糖衍生物

4.1 超声波修饰

超声波处理高分子量的右旋糖酐可以获得低分子量的医用右旋糖酐，因此，Côté利用超声波处理交替糖以便获得低粘度的交替糖，研究发现，频率为20k Hz时，解体后的交替糖分子量约为（8.6±0.6）×105[2]。超声处理的交替糖的粘度性质与阿拉伯胶非常相似，因此超声交替糖可作为阿拉伯胶的代替物，而且高浓度的超声交替糖的粘度比天然交替糖小。

4.2 化学修饰

交替糖可以与多种有机酸反应生成交替糖羧酸酯。交替糖羧酸酯与天然的交替糖相比具有更大的粘度以及乳化稳定性。取代度为0.089的交替糖琥珀酸酯在5s-1的剪切速率下仍具有102.1mPa/s的粘度，天然交替糖其粘度仅为7.8mPa/s[17]。在制备交替糖醛酸酯时，交替糖具有很宽范围的pH稳定性，可以利用有机酸与交替糖直接发生反应，而不用担心交替糖被酸降解。

4.3 生物修饰

Leathers等[5]研究发现Penicillium产生右旋糖酐酶长时间（17d）作用于交替糖时，会使其分子量从1×107下降到4.9×106。之后他们研究了商业右旋糖酐酶对交替糖的作用，并优化了修饰条件：50℃、p H4.5、125IU/mL的右旋糖酐酶作用于10%的交替糖，5h内可以使其分子量降到106[18-19]。修饰后的交替糖粘度与阿拉伯胶的粘度更为接近（见图2），而且溶液的稳定性不变，使交替糖代替阿拉伯胶成为可能。

Côté等[20-21]采用交替糖酶处理交替糖获得一种由四个D-葡萄糖通过糖苷键连接而成的纳米级环状低聚糖，应用领域涉及食品、化妆品和药物传送体系。

5 交替糖在食品工业的应用

尽管交替糖没有进行商业化大规模生产，但是它具有作为低热值、功能性食品添加剂的潜力，能够广泛的应用于饮料、乳制品、焙烤食品以及保健食品中。

5.1 增稠剂

交替糖具有吸水膨胀形成胶状溶液的性质，可以作为增稠剂添加到布丁、酸奶、冰激凌、调味汁等食品中。交替糖也可以与其他增稠剂如淀粉、淀粉衍生物、变性淀粉配伍使用，将2.25%的淀粉与5%的交替糖加入到布丁中，初始有轻微起泡，凝胶强度为0，一天后凝胶强度达到16.86，能够形成布丁凝胶，而仅含有2.25%的淀粉或5%的交替糖的布丁，1d后没有形成凝胶，仍然处于分层状态[22]。

5.2 填充剂

交替糖具有良好的温度以及p H稳定性，在制作焙烤食品时添加的交替糖，不会被降解或仅有少量降解，使其保持原有的功能性质，改善食品的营养价值以及感官品质。且交替糖具有低升糖指数、低热量，在代替异麦芽糖等作为填充剂时，能够提高食品的功能特性，被糖尿病人以及肥胖病人食用[6-7]。

5.3 乳化剂

利用有机酸酯化修饰的交替糖具有良好的乳化稳定性，在乳化剂工业有巨大的发展前景。Claus等[17]将交替糖辛烯基琥珀酸酯加入到初始浓度30%的葵花籽油中，使其最终浓度为15%，均质1min，便可以获得稳定的奶油。而且交替糖辛烯基琥珀酸酯的乳化性能要优于阿拉伯胶，研究发现将等量等浓度的交替糖辛烯基琥珀酸酯和阿拉伯胶溶液分别加入到10%的葵花籽油中，5d后加入阿拉伯胶溶液的葵花籽油出现明显的分层，而另一组均一性良好。

5.4 益生元

交替蔗糖酶利用蔗糖以及小分子的受体可以产生低聚糖，Côté等[23]对其研究发现，麦芽糖、蜜二糖、棉籽糖的复合受体产物（DP2-7）能够有效地促进双歧杆菌的增殖，从而抑制或减少肠道致病菌群。

5.5 控释载体

交替糖的降解产物-环四糖很难被葡萄糖苷酶、淀粉酶水解，而异麦芽糖糊精能够被完全转化为异麦芽糖，环四糖可以作为控释载体加入到抗氧化食品中[24]。

6 展望

随着亚健康状态的普遍存在，以及人们对健康的越来越重视，功能性多糖日益成为人们关注的焦点。交替糖作为一种新型的功能性多糖，其独特的理化性质以及生理功能，使其在食品、药品以及化妆品行业具有巨大的应用前景。但是，目前国内对交替糖的研究仍为空白，国外对交替糖的研究也仍处于初级阶段。交替糖的工业化生产急需解决，可以用于工业化生产交替糖的菌株，还需进一步筛选获得，利用直接发酵法以及酶法合成的工艺，也需进一步完善。这一问题的解决能够有效地促进交替糖衍生物的开发，以及交替糖在食品行业以及其他领域应用的研究。

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