水苏糖生产、功能及其应用简述

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(佛山科学技术学院食品科学与工程学院,广东佛山 528231)

水苏糖是一种功能性低聚糖[1],2010年,被卫生部批准作为普通食品生产和经营。2011年,水苏糖行业标准正式实施。目前,国内外关于水苏糖的研究报道较少,规模化生产水苏糖(年产量在万吨以上)的企业不多,水苏糖在很多领域的应用刚刚起步,但是,其潜在的应用价值及巨大的经济效益不容忽视[2]。据国内市场调查,目前已有奘灵、玛丽安娜、优乐多等70多个品牌水苏糖相关产品。到2016年底中国专利局网站显示以“水苏糖”为关键词的专利达1427项[2]。尽管如此,水苏糖产品开发及科学研究仍不能满足水苏糖产业快速发展的需要。为了给快速发展的水苏糖产业提供较为科学的依据,本文从水苏糖生产、功能以及食品中应用研究及发展现状进行了归纳论述,主要阐述了水苏糖调节肠道菌群等的功能作用,分析了酶法生产水苏糖的发展潜力和市场上水苏糖产品应用的状况,旨在为水苏糖进一步开发利用提供参考和建议。

1 水苏糖概述

水苏糖是由2分子α-半乳糖、1分子α-葡萄糖和1分子β-果糖构成的四糖,是一种非还原糖(图1)[3]。与蔗糖、乳糖、麦芽糖相比,水苏糖具有甜度低、热量低、熔点低、稳定性较好等优势(表1)。关于水苏糖的食用安全性,郭美丽等[4]以大鼠为实验对象,研究急性经口水苏糖最大耐受剂量(maximum tolerated dose,MTD)>30 g/kg·BW、遗传毒性实验(小鼠骨髓细胞微核实验、小鼠精子畸变实验和 Ames 实验)、7.5 g/kg·BW(相当于人体用量的150倍)大剂量水苏糖90 d喂养实验等研究,发现水苏糖MTD属实际无毒级,遗传毒性实验为阴性,90 d喂养实验中生长发育、血液学等指标均未见异常情况。据食品安全性毒理学评价程序判定[5],水苏糖是一种无毒物质。

图1 水苏糖的化学结构Fig.1 Chemical structure of stachyose

性质糖水苏糖蔗糖乳糖麦芽糖比甜度(20℃)02210405溶解度(20℃)130g204g19g108g熔点101℃186℃252℃103℃胃分解情况不分解分解分解分解依赖胰岛素代谢否是是是热量低高高高

2 水苏糖生产

水苏糖主要存在于天然植物(草石蚕、泽兰、地黄、地灵、大豆等)中,所以,目前国内市场流通的水苏糖大多来自于植物提取。植物提取法的一般流程为:天然植物→浸提(主要为水提、醇提)→澄清→脱色→离子交换脱盐→喷雾烘干→制得低纯度水苏糖。叶春华等[8]通过单因素和正交实验方法从草石蚕中提取得到纯度为45.7%的水苏糖;Zhong等[9]通过单因素和响应面方法,利用60%的乙醇提取,在温度60 ℃下得到纯度为47%的水苏糖。植物提取法虽然生产工艺简单,但存在分离纯化难,分离过程水苏糖易流失,脱色难,且增加污水量等问题。

国外酶法生产低聚糖报道逐渐较多,如Van Munster等[10]利用黑曲霉几丁质酶生产几丁质寡糖;Babbar等[11]利用果胶酶从洋葱皮生产果胶低聚糖;Carvalho等[12]利用木聚糖酶从木聚糖中生产低聚木糖等。酶法生产低聚糖具有成本低,纯度高,且微生物可回收利用等优点,但目前酶法生产水苏糖的报道较少。在国内,酶法生产水苏糖尚处于开发阶段,酶法生产水苏糖的基本原理是,利用微生物对碳源利用的专一性,通过筛选发酵菌株消耗杂糖,获得高纯度水苏糖。张闪闪等[13]通过酵母发酵大豆浓缩蛋白乳清,使水苏糖纯度达到90%;张敏等[14]通过响应面分析方法发酵草石蚕浸提液,得到纯度91%的水苏糖。王雪等[15]通过筛选日本曲霉、酵母菌、乳酸菌等混合菌株对银条浸提液进行提纯,得出日本曲霉与乳酸菌的混合菌株能使水苏糖的纯度达到95%以上。酶法生产可以极大的解决水苏糖分离纯化难的问题。因此,与植物提取水苏糖生产方法相比,酶法生产水苏糖前景广阔。

3 水苏糖功能

3.1靶向增殖双歧杆菌,调节肠道菌群

水苏糖是一种非消化性低聚糖,双歧杆菌在肠道内优先利用非消化性低聚糖,同时在多种低聚糖存在下,优先消耗水苏糖,因此水苏糖能直接定向增殖双歧杆菌[16]。Wu等[17]通过含豆浆(含蔗糖、水苏糖等)培养基分别培养双歧杆菌、丙酸杆菌和两者共培养,结果发现在共同培养和单独培养双歧杆菌的培养基中,水苏糖在24 h和48 h内完全消耗,并产生乳酸、乙酸等有机酸,而单独培养丙酸杆菌的培养基中没有发生明显变化(p>0.05)。Tsangalis[18]也得出双歧杆菌在豆浆中发酵主要消耗的碳源是水苏糖。与其他功能性低聚糖(低聚果糖、低聚异麦芽糖等需要3～14 g/d)相比,每天摄入0.5～3 g水苏糖即可达到促进肠道内双歧杆菌和乳杆菌增殖的功效,是一种低使用量的益生元[19]。

水苏糖在肠道内经过双歧杆菌发酵,产生乳酸、乙酸等有机酸,使肠腔内渗透压升高,产生导泻作用,促进肠道内内毒素的排泄,并且双歧杆菌在生长繁殖过程中可形成生物膜,充分发挥菌群屏障和免疫屏障的作用,抑制大肠杆菌等有害菌生长,减少有害菌代谢产生酚、氨、吲哚等有害产物,从而改善肠道微环境健康,同时水苏糖在双歧杆菌的作用下也会分解产生甘露三糖、棉子糖等免疫因子,提高人体免疫力[6,20]。唐煜等[21]以58例腹型过敏性紫癜患儿为实验对象,观察组给予水苏糖和双歧杆菌三联活菌,对照组只给予双歧杆菌三联活菌,经过15 d观察发现58名患儿肠道内革兰阳性杆菌(双歧杆菌、乳杆菌等)显著增多(p<0.05),并且观察组治愈率达65.5%,对照组治愈率达37.9%,说明水苏糖在儿童腹型过敏性紫癜的治疗中起到改善肠道微环境的作用。李海芳[22]向实验组中9只不同年龄的猕猴(幼年、成年、老年各3只)进行水苏糖饲喂,对照组中6只不同年龄的猕猴(幼年、成年、老年各2只)不饲喂水苏糖,经过6周饲喂后发现,实验组中双歧杆菌增殖数量显著(p<0.05),能达10倍以上,而乳酸杆菌增殖数量只有2～4倍,同时肠道内肠杆菌数量也减少4～8倍,而对照组中肠道菌群未见明显变化(p>0.05),进一步证实水苏糖能选择性增殖双歧杆菌,调节肠道微生态结构。

3.2润肠通便,缓解便秘

水苏糖是一种小分子水溶性膳食纤维,人体摄入后可刺激肠道蠕动,改变肠道内容物的渗透压,同时增加粪便水分,起到润肠通便、缓解便秘作用[23]。席昭雁等[24]研究发现便秘者每天服用10 mL水苏糖,连续服用7 d后,其排便次数增多,排便状况和排便形状得到改善,可见水苏糖具有一定的通便作用。Li等[25]也研究发现103名便秘者通过服用水苏糖冲剂,排便次数增加,排便状况获得改善,肠道功能增强。余朝舟等[26]建立小鼠便秘模型来探讨水苏糖、魔芋葡苷聚糖的通便功效,其中研究发现,通过7 d饲喂水苏糖,小鼠小肠的推动作用增强,显著(p<0.01)缩短小鼠首粒黑便时间和增加6 h内排便重量及粒数,可见水苏糖具有良好的润肠通便效果。

3.3保护肝脏功能

肝脏是人体重要器官,如同一座多功能的“堡垒”:集解毒、代谢、分泌胆汁、造血储血、免疫等功能于一身。研究表明,肠道微生物群的改变与肝硬化的发展密切相关[27-28]。由于有害菌群的数量增加,容易导致肠道黏膜屏障受损、细菌移位和内毒素灭活功能衰减。而内毒素对血细胞、血管及多种脏器均有较强毒性作用,可激活Kupffer细胞大量释放炎性递质和细胞因子,如:白介素1β(IL-1β)、白介素6(IL-6)、白介素8(IL-8)、肿瘤坏死因子α(TNF-α)及粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(Granulocyte-Macrophage Colony-Stimulating Factor,GM-CSF)等,导致肝细胞因肝脏小血管痉挛性收缩而坏死,增加多种并发症发生几率,加深肝脏受损程度[29]。李秋丽等[30]研究了水苏糖对实验性肝硬化大鼠的影响,结果表明,水苏糖对内毒素、肠道菌群等指标都有明显(p<0.01)的改善,其原因分析认为,中药提取物水苏糖可促进双歧杆菌生长,降低肠内pH,增加肠蠕动,减少细菌内毒素,从而缓解肝脏病理性损害,保护肝脏。Li等[31]通过给小鼠喂食高果糖(High-Fructose,HF)的方式诱导小鼠肝脂质沉积,56 d后观察到肝细胞丙三醛(Malonyldialdegyde,MDA)水平升高,谷胱甘肽过氧化酶(Glutathioneperoxidase,GSH-Px)和超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase,SOD)活性降低,并发生氧化应激反应,然后添加水苏糖和茶多酚在饲料里喂养该小鼠一段时间后,发现小鼠体内抗氧化物酶SOD、GSH-PX 活力得到提高,体内脂质过氧化产物 MDA 含量减少,机体抗氧化能力提高,氧化应激反应减少,从而肝脏获得修复保护。

3.4抑癌作用

据报道,微生物群改变与肠道疾病密切相关[32]。Ambalam等[33]认为结肠癌症与肠道微生态失衡有关,过度存在的细菌核梭菌等有害菌可能有助于癌症疾病的发生,益生元能选择性促进益生菌繁殖,益生菌能抵抗肠道病原体活性,调节免疫系统,降低血液胆固醇水平,减少结肠炎和其他炎症发生,从而预防结肠癌。Bruno-Barcena等[34]研究表明β(1-4)低聚半乳糖、乳果糖和低聚果糖乳酸能增加肠道短链脂肪酸的浓度,降低粪便pH、硝基还原酶和β-葡糖醛酸糖苷酶活性,从而降低对肠道结肠粘膜细胞的损伤,进而预防结肠直肠癌。功能性低聚糖能可间接预防癌症,这为水苏糖研究抑癌作用提供可靠依据。水苏糖抑癌作用在国内外还处于研究阶段,相关报道较少,具体作用机理还尚未明确。贾绍华等[35]通过采用体内外抗肿瘤活性筛选方法探讨水苏糖的抗肿瘤活性,得出含量高的水苏糖(26.45%)对人肝癌HepG-2细胞、人胃癌SGC-7901细胞具有明显的抑制作用,同时也显著增强环磷酰胺的抑癌作用(p<0.05)。钟先锋等[36]也通过实验证实了水苏糖有抑制人结肠癌细胞Caco-2的生长作用,他通过流式细胞术方法分析水苏糖对Caco-2细胞凋亡情况,并且检测乳酸脱氢酶(lactic dehydrogenase,LDH)的释放率(分析细胞损伤程度),最后认为水苏糖能限制Caco-2细胞获取能量通路,从而导致细胞凋亡,并推断以“饿死细胞”的方式达到抑癌作用。水苏糖抑癌作用在未来还需更一步探究,这对开发水苏糖产品有重要意义。

此外,水苏糖还具有抑制特异性皮炎[37]、抗关节炎[38]、防止龋齿[39-40]、预防结肠炎[41-42]、排铅[43-44]、降血压和降血脂[45-46]、抗氧化和抗衰老[47-49]等功能,其可能作用机制见图2。

4 水苏糖应用

在国外,低聚糖产品应用较广泛,尤其最早开发功能性低聚糖的国家日本,十分重视低聚糖的应用,所以在日本开发了一系列低聚糖产品,主要以饮料、乳产品为主,如日本的オリゴCC(含水苏糖)、大麦若茶、ヘム鉄ドリンク(血红素饮料)、リファインお腹コンディション(果汁饮料)、カルピス酸乳等;国际上其他益生元产品的开发也主要集中于饮料中的应用,如Jarrow green defense、lifeway和lightfull含乳饮料等。但是关于含水苏糖的具体产品相对较少[50]。

在国内,水苏糖应用较广泛,如食品、饲料、医药等领域亦有应用,主要是针对调节肠道促进宿主健康开发,下面主要从食品、饮料、保健品等领域水苏糖的应用展开论述。

4.1水苏糖在食品中的应用

图2 水苏糖的生理活性Fig.2 Physiological activity of stachyose

研究发现,功能性食品有利于促进健康,如益生元的定期消费[51-52]。水苏糖与其他功能性低聚糖相比,具有低剂量便可达到保健的效果,如每天食用水苏糖0.5～3 g便可达到食用低聚果糖8～10 g/d的效果。水苏糖水溶性较好,甜度和热量低,适合儿童食用,可在钙片、米粉中应用,如斯可莱钙片、臣生水苏糖配方营养米粉等;针对成人,水苏糖不易与其他组分发生化学反应,可在固体、液体饮料和钙片中使用,如优乐多益生元、老乔翁荞麦植物饮料和东方红航力片等;水苏糖在馒头和面包中添加量分别为3%～5%和1%时,可以防止馒头和面包的老化,因此可以开发水苏糖馒头和面包,并且水苏糖有着色的性质,它在高温条件下发生美拉德反应,从而形成诱人的焦糖,不仅色香,且风味好,特别适合爱吃甜面包的消费者[53]。Balthazar[54]利用益生元代替羊奶脂肪,开发羊奶冰淇淋,发现低聚糖有助于改善食物感官特性和延长保存期限等作用,这归因于低聚糖具较好的持水能力、凝胶形成能力和增稠作用,为水苏糖开发羊奶冰淇淋提供可靠依据。

表2 国内水苏糖相关产品Table 2 Domestic stachyose related products

4.2水苏糖在饮料中的应用

目前,市场销售的水苏糖产品多以粉状冲剂形式存在。据调查,在70多种水苏糖品牌中有一百余种产品为水苏糖粉状冲剂(包括水苏糖葡萄糖粉剂、水苏糖益生菌粉剂等),极少数为口服液和片剂,消费人群主要是婴儿、青少年及中老年人。高鹏等[55]选取250名受试者进行水苏糖产品的人体实验,每天服用0.5～10 g水苏糖,结果发现人体内双歧杆菌、乳杆菌等益生菌显著(p<0.05)增加,肠道功能增强;张金泽[1]进行水苏糖动物实验,也得出水苏糖能促进双歧杆菌增殖,调节肠道健康,说明水苏糖对人体健康的重要性。表2为国内部分水苏糖产品相关资料及可能功效。

此外,在啤酒中添加水苏糖,可以起到缓解便秘、防治腹泻、保护胃黏膜等作用,并且可以缓解饮酒所带来的一系列不适应症,因此,在酒产品中添加水苏糖具有良好的发展前景,根据市场调查,部分酒产品,如米婆婆臻鲜无醇米酒中有添加水苏糖,专利“一种蟾皮酒的生产方法”(CN201410237200.9)也提到一种缓解便秘的保健啤酒制作方法,配方中也含有水苏糖。

4.3水苏糖在保健品的应用

目前,低糖、无糖型食品以及功能性食品逐渐受到消费者青睐,水苏糖以其显著的低甜度特点和优势在保健品中也有较好的应用。基于前述水苏糖的功能,认为其具有良好的益生特性,是一种理想的功能性食品添加剂,因此在国内市场上,也出现以水苏糖为原料或者辅料的保健品,如:康胃保健口服液、排铅口服液、无限极派立清口服液、得意水苏糖葡萄糖茶饮料、酷优贝比婴幼儿水苏糖复合软胶囊等产品。针对不同人群,如糖尿病患者,水苏糖具有低甜度、低热量,促进有益菌增殖,调节肠道健康,可部分或者全部替代蔗糖研发出适合的保健食品,调节人体的机能[56]。

5 展望

近年来,作为功能性低聚糖,水苏糖得到了人们的普遍关注和认可,研究水苏糖精深加工新技术、开发水苏糖新产品、阐述水苏糖直接或间接功效作用等已成为低聚糖研究开发的一个重要分支。从生产角度分析,酶法生产由于其具有分离效果好、获得水苏糖纯度较高等优势,有望成为高纯度水苏糖生产的重要方法。此外,已确定水苏糖具有促进双歧杆菌增殖,调节肠道健康、缓解便秘、保护肝脏等功能,可根据市场需求,进行针对性水苏糖产品开发,提高水苏糖在食品领域的综合利用价值形成水苏糖系列保健食品,以期为推动水苏糖产业的健康发展奠定科学基础。

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