低聚果糖

结构特征

低聚果糖又名蔗果低聚糖，果寡糖或蔗果三糖族低聚糖，天然的低聚果糖和微生物酶法得到的低聚果糖的结构几乎是直链状。分子式为G -F - Fn（n=1，2，3，G为葡萄糖，F为果糖）。4它是由β-D-呋喃果糖苷酶作用于蔗糖，使蔗糖分子中的D-果糖以于β-（2→1）糖苷链连接1-3个果糖而成的蔗果三糖（ GF2），蔗果四糖（GF3）和蔗果五糖（ GF4）的混合物，它的分子质量大于504、小于823，分子聚合度在2-7之间，平均聚合度为2.7。这些特征是鉴别从植物菊苣中提取的一种代替油脂口感的食品配料“菊粉”的主要参数。3

理化性能

低聚果糖的性能见表

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存在分布

低聚果糖是存在于人们经常食用的上千种天然植物中，如存在于香蕉、黑麦、大蒜、牛蒡、芦笋根茎、小麦、洋葱、马铃薯、雪莲果、菊芋、蜂蜜等中。4美国国家环境测试局（NET）评估了低聚果糖在食物中的含量，测试的部分结果是：香蕉0.3%、大蒜0.6%、蜂蜜0.75%、黑麦0.5%。3牛蒡中含3. 6%、洋葱中含2.8%、大蒜中含1%、黑麦中含0.7%，雪莲果中果寡糖含量为干物质的60%-70%，菊芋块茎中含量最为丰富，占块茎干重的70%-80%。4

主要价值

低聚果糖作为被研究最多、应用范围最广的益生元之一，低聚果糖已被证实是唯一同时具有超强双歧因子和水溶性膳食纤维的双生理学特性的全天然配料，在世界范围内被200多个国家和地区政府所认可，并被广泛应用于食品、保健、医药、化妆品以及饲料领域。在中国市场，低聚果糖被政府批准为“保健食品”、“食品配料”以及“营养强化剂”等，相关功能性产品市场发展也非常迅猛。

产品类型

商业化的低聚果糖产品是葡萄糖、蔗糖、GF2、GF3、GF4的混合物，其相对分子质量最多不超过823，分子聚合度在2-7，平均聚合度为2.7。典型的低聚果糖产品有非精制的糖浆产品G型（普通型，即含量为55%的低聚果糖）与经过精制纯化的白色粉状产品P型（高纯度型，即含量为95%的低聚果糖）两种。4

根据文献报道，低聚果糖G中糖的组成（干基计）：低聚果糖总量为55%（蔗果三糖25%，蔗果四糖25%，蔗果五糖5%），葡萄糖33%，蔗糖为12%；而低聚果糖P中糖的组成（以干基计）：低聚果糖95%（蔗果三糖35%，蔗果四糖50%，蔗果五糖10%），葡萄糖2%，蔗糖3%。1

低聚果糖G和P的甜度分别约为蔗糖的60%和30%，它们均保持了蔗糖良好的甜味特性。4

生产工艺

自20世纪80年代以来，人们逐渐了解了果寡糖的优良生理特性。1982年，日本明治糖果株式会社首先进行工业化生产果寡糖。1983年，Hidaka采用一般的食品组分生产工艺分离和研制了果寡糖。1988年，Hirayama等研究了黑曲霉中屁-呋喃果糖苷酶的性质，分离、提纯了该酶，并采用聚焦色谱法测定了该酶的纯度和等电点。1990年，Fujita得到了β-呋喃果糖苷糖的三个同工酶。4

经过美国食品工艺师协会，应用现代科学研究反复测试得出结论，现代酶法工艺酶化蔗糖生产的低聚果糖的分子结构和保健功能，与天然存在于果蔬植物中的低聚果糖完全相同，是全天然的双歧因子。云南天元低聚果糖在1998年分别经中科院上海药物所和北京医科大学药学院进行分离后，进行了氢1和碳13核磁振的测定，根据测试所获谱峰结果证明，其分子结构与日本文献报道的GF2、GF3、GF4相同。3

低聚果糖主要有两大类生产工艺，一种是以蔗糖为原料，利用微生物发酵生产的*β-果糖基转移酶或β-*呋喃果糖苷酶转化而成；另一种是以菊粉为原料，采用酶水解生成。中国、日本和韩国等国家的主流生产方法是第一种方法，以蔗糖为原料，利用黑曲霉、镰刀霉、日本曲霉等菌种分泌的β-呋喃果糖苷酶和卢-果糖基转移酶进行酶反应，依次经过滤、净化、精制和浓缩而得到成品。工业生产上一般采用黑曲霉等产生的果糖转移酶作用于高浓度（50%-60%）的蔗糖溶液，经过一系列的酶转移作用而获得低聚果糖产品。低聚果糖的生产工艺，已从第一代的液态发酵技术、第二代的固定化细胞催化技术，发展到第三代固定化酶催化生产技术。4

（一）酶水解法

以菊芋为原料生产工艺流程：

菊芋→菊粉→水解→过滤→脱色→脱盐→浓缩→低聚果糖4

此法生成的低聚果糖链较长。4

以菊芋为原料，热水浸提获得提取液，然后酶法处理提取液，使压滤液流畅，提高低聚果糖出率达95%以上，应用纳滤高纯化技术分离去除葡萄糖、果糖和蔗糖，使低聚果糖纯度达94. 85%-98. 58%。4

（二）黑曲霉发酵高浓度蔗糖法

以蔗糖为基质进行发酵生产时，当基质蔗糖浓度低于0.5%，倾向于水解反应，主要生成葡萄糖和果糖；当基质蔗糖浓度提高到50%时，只有转移反应而不发生水解反应，低聚果糖的收率可超过60%。首先，将筛选出的高酶活黑曲霉株接种于浓度为5%-10%的蔗糖液培养基中，在28-30℃下振摇培养2-4d，获得具有较高果糖转移酶活性的黑曲霉菌体。为了有利于酶活性的提高，在培养基中可适当添加氮源物质（如蛋白胨和NH4 NO3，0.5%-0.75%）及无机盐（如MgSO4和KH2PO4，0.1%-0.15%），再将这些菌体作用于50%～60%蔗糖溶液，在一定温度和pH下催化产生低聚果糖。反应结束后，发酵液的组成为：葡萄糖（36%-38%）、蔗糖（10%-12%）、果寡三糖（21%-28%）、果寡四糖（21%-24%）、果寡五糖（3%-6%），低聚果糖55%-60%。该法虽然使果寡糖产率得到大幅度提高，工艺设备简单，但酶无法重复利用，自动化程度低，因而生产成本较高。4

（三） 固定化增殖细胞法

由黑曲霉等大多数真菌所产生的果糖转移酶属胞内酶，故一般可直接采用固定化增殖细胞来连续化生产低聚果糖，用载体将产酶细胞进行包埋，得到固定化颗粒。将包埋产物与蔗糖或葡萄糖溶液反应，得到低聚果糖溶液，固定化酶可重复使用，又便于连续化生产。固定化黑曲霉菌体细胞的方法以采用海藻酸钙包埋法为好，其他还有琼脂包埋法、卡拉胶包埋法及微胶囊法等。将黑曲霉孢子与预先灭过菌的海藻酸钠以一定的体积比混合，然后在其中滴入氯化钙溶液，固化1h后收集固定化增殖细胞颗粒。将颗粒填人反应柱，在50-60℃以下，以一定的速率通人50%蔗糖溶液，流出液经过脱色、脱盐、浓缩等工艺即可生产出液体低聚果糖。4

（四） 固定化酶法

先用黑曲霉发酵产生β-果糖转移酶或*β-呋喃果糖苷酶，再将菌体细胞破碎，分离纯化出β-*果糖转移酶或卢-呋喃果糖苷酶，然后进行固定化处理。与固定菌体一样，一般采用海藻酸钠包埋法。将50%-60%的蔗糖糖浆在50-60℃下以一定速度通过固定化酶柱或固定化床生物反应器，使酶催化蔗糖发生转移反应，反应时间控制在24h，再经过一系列的脱色、脱盐、浓缩等分离提纯步骤，获得占总产物60%左右的低聚果糖产品。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，该法是国际上研究较多的方法。4

（五）共固定化法

黑曲霉发酵高浓度蔗糖法、固定化增殖细胞法和固定化酶法生产果寡糖的反应式：

GF（蔗糖）→GF2（果寡三糖） +GF3，（果寡四糖） +GF4（果寡五糖） +G（葡萄糖）

副产物葡萄糖既是平衡产物，影响化学推动力；又是屁-呋喃果糖苷酶的抑制物，阻遏蔗糖的进一步转化。显然，消除葡萄糖可以提高蔗糖的转化率，工业上一般利用黑曲霉与其他酶（异构酶、葡萄糖氧化酶）共包埋或协同作用的方法，如采用戊二醛与丹宁将葡萄糖氧化酶或异构酶与黑曲霉交联后再和海藻酸钠结合，制成共包埋颗粒，再填入反应柱，在生产低聚果糖的同时将副产物葡萄糖异构化或氧化，从而解除了葡萄糖的抑制作用，可以得到含量分别为63%和71%的低聚果糖。4

（六）纯化

酶法或发酵法生产低聚果糖得到的低聚果糖含量并不高，为50%-60%，该产品也含有30%-35%的葡萄糖，10%-15%的蔗糖。这些副产物不但降低了低聚果糖的功能特性，也造成糖尿病人、肥胖者不能食用的现状，限制了低聚果糖的应用领域，不利于低聚果糖的普遍推广。生产的低聚果糖溶液在投放市场之前，还需进一步加工处理，包括脱色、脱盐、分离提纯、浓缩和微生物灭菌等，可进一步得到低聚果糖含量大于95%的液体糖浆。4

制备高纯度低聚果糖的有以下几种方法，凝胶过滤色谱法、纳滤法、发酵法、酶法、离子交换色谱法。利用酵母消化低聚果糖产品中的葡萄糖，可生产高纯度低聚果糖，将具有较弱转化酶活性的酵母经培养后添加于总糖浓度为20%的低聚果糖中，经30℃、250r/min反应24h，可制得纯度为80.24%的低聚果糖。4

早些年，国内色谱分离技术产业化工艺不成熟，色谱分离技术制备高纯度95%低聚果糖在国内一直未被推广。近几年，上海某公司利用色谱分离技术提纯功能糖取得了突破性进展，成功开发了模拟移动床技术，协助国内低聚果糖企业实现了高纯度95%低聚果糖的产业化生产，缩小了与国际知名品牌的差距。在55型低聚果糖产品的基础上，采用分离提纯技术去掉绝大部分葡萄糖和蔗糖，经过精制成为高纯度95%低聚果糖。在诸多分离提纯技术中，色谱分离技术经济实用，分离效率高，通过模拟移动床技术可实现连续生产，分离提纯低聚果糖。分离出来的葡萄糖和蔗糖还可以作为原料生产果葡糖浆，降低了高纯度95%低聚果糖的生产成本，更利于低聚果糖在大众食品中的推广。4

脱盐对低聚果糖的品质也有重要影响，不经脱盐处理，最终产品电导高，通常在100-300μS/cm，口感差，糖粉溶解后颜色深，透光率低，存在食品安全隐患，无法满足下游产品要求。引入了脱盐处理后的产品电导在10μS/m以内，口味纯正，糖粉溶解后无色、透光率达到99%以上，达到国际先进水平，完全可以满足下游产品要求。4

食用安全性

在日本，日本明治制果公司中央研究所做的关于低聚果糖的安全性实验已经证明了低聚果糖是安全无毒性的。1995年厚生省批准低聚果糖为“特定保健用食品”。在欧洲，低聚果糖和菊粉已被批准为食品配料，不需按使用食品添加剂那样事先报审才能使用。在美国，生产厂家与美国官方化学家协会（ACAC）合作，已于1997年底经官方食品和药品管理局（FDA）批准，低聚果糖被列为“膳食纤维源”确定为“膳食补充剂”在市场销售。在我国，云南天元生产的低聚果糖经中国卫生部指定的科研机构完成的多项安全性毒理学试验和评价，卫生学和稳定性试验等。结果表明：云南天元低聚果糖食用是安全的、无毒的。酶法生产天元甘露液所采用的菌种，即*β-D-*呋喃果糖苷酶的黑曲酶菌种，经中科院微生态研究所鉴定证明亦属安全菌种。低聚果糖作为功能性配料，添加到许多食品中，它们种大多数已获得卫生部颁发的保健食品证书，“竹叶青保健酒”还获得国家级科技成果进步奖。3