低聚糖生理功能及其提取技术的研究进展

操 然

(福建农林大学材料工程学院，福建福州 350002)

低聚糖(oligosaccharides)又称寡糖，是一种具有特殊生理功能的不消化性糖。具有活化肠道内双歧杆菌，并促进其生长繁殖，抑制肠道中的致病菌如拟杆菌等的生长等功能。低聚糖的种类很多，按生理特性分为普通低聚糖(general oligosaccharides)和功能性低聚糖(functional oligosaccharides)。其中普通低聚糖包括蔗糖、麦芽糖和麦芽三糖等;目前已知的功能性低聚糖约有1000多种，但已成功开发的仅有例如属于双歧因子的低聚果糖(Fructo－oligosaccharide)、低聚半乳糖(Galacto－oligosaccharide)、低聚木糖(Xylo－oligosaccharide)、低聚异麦芽糖(Isomalto－oHgosaccharide，)、低聚龙胆糖、低聚乳果糖、乳果糖、大豆低聚糖、水苏糖、棉子糖等10余种。

1 低聚糖概述

1.1 低聚糖来源

低聚糖在自然界中广泛存在，与人类食物相关的主要有:香蕉、洋葱、大麦、洋姜等。这些食物中所含有的低聚糖种类也不同，如洋姜中含有低聚果糖;酸奶中含有低聚半乳糖;竹笋中含有低聚木糖;大豆中含有水苏糖和棉籽糖;淀粉糖化液中含有低聚异麦芽糖等。日本研究发现人乳中也含有低聚半乳糖。

1.2 低聚糖理化性质

低聚糖具有低热、稳定、安全无毒、无残留等良好的理化性质;具有改善肠道菌群、提高机体免疫力等重要的生理作用。低聚糖的化学本质是一些不能被消化的短链碳水化合物，一般由2～10个单糖单位通过糖苷键而连接的小聚合体，介于单体单糖与高度聚合的多糖之间。

1.3 低聚糖的应用

功能性低聚糖主要应用食品、保健品、饲料、医药和植物调节等行业中。

2 低聚糖的生理功能

低聚糖可以促进直肠中乳酸杆菌的生长与乙酸的产生，从而抑制肠道内腐败菌的生长，减少有毒发酵产物的形成，改进代谢，促进矿物质元素吸收等功能。在人体营养不充分或患病期间，通常肠道内会相对缺少可被肠道菌群尤其是益生菌所利用的碳源，功能性低聚糖进入机体后，肠道菌群的代谢就会产生重要变化。

2.1 活化双歧杆菌，调节肠道菌群平衡

Kohmoto等人研究认为，低聚木糖进入肠道后能被肠道中有益菌利用，促进有益微生物生长［1］。Okazaki等人体外试验结果表明，低聚木糖对肠道菌群有明显的改善作用［2］。Palframan 等［3］、Probert等［4］和 Talwalkar等人［5］研究认为，功能性低聚糖被摄入后可选择性地刺激人体肠道内双歧杆菌的增殖，这些双歧杆菌通过发酵使功能性低聚糖产生大量的短链脂肪酸及其它代谢产物，从而保证了双歧杆菌在宿主肠道内的优势地位。Ingvar［6］和Xu等人［7］研究认为，功能性低聚糖具有优良双歧因子的生理作用。Khaled［8］和 Erica 等人［9］研究认为，由于功能性低聚糖独特的生理结构，肠道内多种双歧杆菌都可以对不同种类低聚糖加以利用。而Knol等的研究表明，双歧杆菌在健康人体肠道中能利用营养物质大量繁殖，在肠道粘膜表面形成一道生理性屏障，直接抵御病原菌的侵袭，如常见的沙门氏伤寒菌、痢疾志贺氏菌等［10］。周景欣等［11］选用 B/E 值作为指标对目前市场上常见的低聚果糖、水苏糖、低聚木糖和低聚异麦芽糖进行小鼠肠道菌群发酵实验，结果表明4种低聚糖均能促进双歧杆菌和乳杆菌的增殖，并能酸化肠道pH值，有益于肠道的微生态平衡。

2.2 降低肠道pH值，抑制肠道腐败

功能性低聚糖和普通低聚糖的最大的区别在于它不可被人体消化，但却可以被人体肠道内的有益菌利用，产生相应的代谢产物。Mihatsch认为，功能性低聚糖进入肠道后，在结肠中被肠道有益菌作为能源发酵和利用，如双歧杆菌和乳酸菌等有益菌就能发酵这类碳水化合物，代谢过程中会产生大量的短链脂肪酸(主要为醋酸，丙酸，丁酸和乳酸)及少部分其他产物。有益菌代谢产生的乳酸、醋酸等短链脂肪酸可以被人体小肠吸收后作为能量来源进入其他代谢循环［12］。这些短链脂肪酸可以降低肠道内pH值并且提高肠道内渗透压。肠道pH值的降低会使有害菌无法生长繁殖，有效减少甲酸、吲哚和对－苯甲酸等有毒有害肠道腐败物的生成，并降低有害酶(如P－葡萄糖醛酸酶等)的生成量和其代谢活性，有益于机体健康;而提高肠道内渗透压可以使肠道内容物大量吸收水分，从而粪便体积增加、结构松软，同时还会刺激肠道快速蠕动促进排便，起到防止便秘的作用。郑建仙研究结果表明，低聚木糖具有软化粪便的功能，主要原因是摄入低聚木糖后能增加粪便中的水分，从而可以改变粪便的形态，防止便秘［13］。

2.3 改善脂质代谢，促进矿物质元素的吸收

许多学者研究了低聚果糖和低聚异麦芽糖对机体脂质代谢影响。Shigeyuki等认为，功能性低聚糖被摄入后，双歧杆菌大量繁殖并产生胆酸水解酶等代谢产物，胆酸水解酶将结合胆酸游离，而游离的胆酸可抑制病原菌在肠道内的生长［14］。随着益生菌的大量代谢，当肠道pH值降到6.0时，胆汁酸就可以和胆固醇相结合而沉淀，随肠道内容物一起排出体外。

Tasleem等认为，功能性低聚糖的生理作用很大程度上是依赖其被菌群发酵的产物。益生菌发酵功能性低聚糖后生成了有机酸，导致肠道pH值下降，肠道环境呈酸性，使一些通过小肠时形成的钙、磷酸盐、镁等构成的复合物发生溶解而容易被吸收。所以，功能性低聚糖还能促进钙、镁、锌、铁等矿物质元素的吸收［15］。

Li等认为，功能性低聚糖本身也可吸收胆固醇而随大便排出体外。所以，功能性低聚糖具有调节血脂和降低胆固醇的作用［16］。谭杨等［17］和王宇等［18］研究低聚甘露糖对小鼠的通便作用，结果表明低聚甘露糖具有良好的润肠通便作用。

2.4 其他生理功能

Coat等认为，功能性低聚糖可以促进肠道双歧杆菌的增殖，而双歧杆菌可以产生各种B族维生素，如维生素 B1、B2、B6、B12、叶酸和烟酸等。另外，肠道内pH值的降低还能抑制一些维生素分解菌的生长，从而保证维生素含量不下降［19］。

3 低聚糖的提取技术进展

国内外有关低聚糖的提取分离纯化方法较多，主要有酶、膜分离、水浴、超声波辅助和微波辅助等5种提取纯化技术。各种技术各具特点，其中微波辅助提取和超声波辅助提取的提取时间最短、提取率高，设备和提取工艺相对简单，可应用于工业上大规模生产。若将几种方法结合使用，可能会达到更好的效果。

3.1 酶提取技术

酶提取法是使用纤维素酶、果胶酶、蛋白酶等具有专一性和高效性的酶，将植物细胞壁、细胞膜破坏，使有效成分快速溶出的一种高效提高提取技术。

徐贵华等人采用微波和纤维素酶对脱脂豆粕进行前处理，提取大豆低聚糖。结果表明纤维素酶处理后，可提高大豆低聚糖的提取率15% ～20%。通过正交实验得到酶解的优化条件:pH 3.5、温度45℃、加酶量0.05%、酶解1 h;碱液浸提的优化条件温度 60 ℃、pH11、时间 1.5 h［20］。宋朝霞以脱脂豆粕为原料，在碱液浸提法提取大豆低聚糖的最佳工艺条件(在55℃和pH为11的条件下浸提1 h)的基础上，采用纤维素酶对脱脂豆粕进行预处理，考察酶提取对大豆低聚糖提取率的影响。结果表明经纤维素酶处理后，低聚糖的提取率有显著提高［21］。

3.2 膜分离技术

膜分离技术是指利用膜截留水中胶体大小的颗粒，而水和小分子溶质则允许透过膜。较常用的膜分离技术有超滤和纳滤。超滤的机理是指由膜表面机械筛分、膜孔阻滞和膜表面及膜孔吸附的综合效应，通常以筛滤为主。

高伟星等人采用超滤法对大豆低聚糖进行提取研究，发现使用实验中的超滤膜对低聚糖的截留效果比较差［22］。董艳等人先利用超滤膜对地黄多糖进行分离纯化，再利用纳滤膜对超滤液进行浓缩纯化。最佳超滤操作条件为:料液质量浓度13～32 mg/mL、操作压力 0.25 ～0.275 MPa、温度 20 ～40℃、超滤2次。纳滤膜对超滤液进行浓缩纯化的适宜工艺条件为:料温20～40℃、操作压力0.59～0.79 MPa，浓缩倍数可达3倍［23］。刘俏等人研究了中空纤维膜超滤豆腐废水提取大豆低聚糖的工艺，研究表明预处理及超滤条件不同，其过滤阻力构成也不同，截留分子量为10 ku的中空纤维聚砜膜超滤豆腐废水，对蛋白和低聚糖的分离有较好的效果［24］。任烨采用纳滤分离技术研究提取相对分子质量在1500以下的雪莲果的低聚果糖，通过对物料初始浓度、纯化倍数和操作压力的考察，优化了纳滤操作条件。最佳条件为选择标准型卷式纳滤膜元件，物料初始浓度30 g/L、操作压力0.2 MPa、纯化倍数15倍，可以使单糖的去除率达到90%以上，所得产品中低聚果糖及菊粉含量达90%以上［25］。

3.3 水浴提取技术

水浴提取法是最早应用于植物有效成分提取的传统提取方法。其基本过程为将鲜果进行预处理后切块称重，然后在一定条件下进行(均浆处理)热水搅拌提取，最后离心分离提取上清液，即为低聚糖提取液。使用传统水浴提取法提取果实低聚糖的主要影响因素有pH值、提取时间、提取温度和液料比。

王照波等人研究了匀浆辅助水浴法提取雪莲果低聚糖的工艺，当匀浆转速2500 r/min、匀浆时间90 s、提取温度80℃、提取时间3 h、料液比1∶20时，雪莲果低聚糖提取率为63.2%［26］。马建春等2012年以低聚糖提取率为指标，分别考查了醇浓度、提取时间、提取次数、液料比4个影响因素，采用正交试验优选低聚糖的热水浴提取工艺。所得最佳提取工艺为:50%乙醇提取2次，液料比6∶1，提取时间 2 h/次，此时低聚糖提取率为 39.89%［27］。

3.4 超声波辅助提取技术

超声波辅助提取法是通过超声波对细胞内部的媒质产生独特的机械振动作用和空化作用而破坏植物药材的细胞壁，使溶剂快速渗透到药材细胞中，溶质迅速溶解并扩散到溶液中。超声波提取与常规提取法相比，可大大缩短提取时间，提高提取率。

赵迎春等人以雪莲果为原料，采用单因素试验和正交试验研究了超声辅助提取低聚果糖的提取工艺，最佳提取工艺参数为:提取时间3 h、提取温度85 ℃、超声时间5 min、料液比1∶10，在此条件下，多糖提取率为4.257%［28］。田玉庭等人采用响应面分析法研究了超声波功率、料液比和提取时间对超声辅助提取莲子低聚糖得率的影响，优化所得莲子低聚糖超声波辅助提取较佳工艺参数为:超声波功率320 W、料液比1∶25、提取时间48 min，低聚糖提取率为1.13%。与微波辅助提取法相比，超声辅助提取法使莲子低聚糖得率提高29.88%［29］。唐雪娟等人以香蕉为原料，研究超声波法和温水法提取低聚糖的工艺，并通过正交试验对2种提取方法进行优化。结果表明超声波法提取香蕉低聚糖的优化工艺为:超声提取时间40 min、超声功率500 W、料液比1∶2.5，此工艺条件下，香蕉低聚糖得率为17.89%［30］。

3.5 微波辅助提取技术

微波是一种颇具发展潜力的新型辅助提取技术，其基本原理是:微波辐射于溶剂并透过细胞壁到达细胞内部，由于细胞内极性溶液吸收微波能，温度急剧升高，压力增大，当压力超过细胞壁的承受能力时，细胞壁则会破裂，位于细胞内部的有效成分从细胞中释放出来并被溶剂溶解，通过进一步的过滤和分离纯化，即可获得所需的萃取物。

李新海等人采用微波辅助提取雪莲果中的低聚糖，以雪莲果低聚糖提取率为指标，对提取温度、提取时间、料液比、微波功率、微波时间、解析剂比6个影响因素进行正交试验优化提取工艺，所得最佳提取工艺条件为:提取温度80℃、提取时间60 min、液料比50∶1、微波功率700W、微波时间180 s、解析剂比7∶1，此工艺条件下，低聚糖提取率达52.85%［31］。

周丽等人对山药低聚糖的微波辅助提取工艺进行了研究，在单因素试验的基础上对微波功率、乙醇浓度、料液比和微波处理时间进行正交试验。影响山药低聚糖提取率的因素大小顺序为:乙醇浓度＞微波处理时间＞料液比＞微波功率。微波辅助提取山药低聚糖的最佳工艺条件为:微波功率130 W、乙醇体积分数60%、料液比1∶30、微波时间6 min，山药低聚糖提取率为 6.31%［32］。

4 研究展望

低聚糖具有非常优良的生理功能，具有广阔的应用前景。我国动植物资源丰富，为低聚糖的开发和应用提供了坚实的物质基础。然而，有关低聚糖的提取纯化方法较多，各有优势，如何复合这些方法做到高效、经济以及标准化仍需进一步深入研究。

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