操 然
(福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院,福建福州 350002)
低聚糖(oligosaccharides)又稱(chēng)寡糖,是一種具有特殊生理功能的不消化性糖。具有活化腸道內(nèi)雙歧桿菌,并促進(jìn)其生長(zhǎng)繁殖,抑制腸道中的致病菌如擬桿菌等的生長(zhǎng)等功能。低聚糖的種類(lèi)很多,按生理特性分為普通低聚糖(general oligosaccharides)和功能性低聚糖(functional oligosaccharides)。其中普通低聚糖包括蔗糖、麥芽糖和麥芽三糖等;目前已知的功能性低聚糖約有1000多種,但已成功開(kāi)發(fā)的僅有例如屬于雙歧因子的低聚果糖(Fructo-oligosaccharide)、低聚半乳糖(Galacto-oligosaccharide)、低聚木糖(Xylo-oligosaccharide)、低聚異麥芽糖(Isomalto-oHgosaccharide,)、低聚龍膽糖、低聚乳果糖、乳果糖、大豆低聚糖、水蘇糖、棉子糖等10余種。
低聚糖在自然界中廣泛存在,與人類(lèi)食物相關(guān)的主要有:香蕉、洋蔥、大麥、洋姜等。這些食物中所含有的低聚糖種類(lèi)也不同,如洋姜中含有低聚果糖;酸奶中含有低聚半乳糖;竹筍中含有低聚木糖;大豆中含有水蘇糖和棉籽糖;淀粉糖化液中含有低聚異麥芽糖等。日本研究發(fā)現(xiàn)人乳中也含有低聚半乳糖。
低聚糖具有低熱、穩(wěn)定、安全無(wú)毒、無(wú)殘留等良好的理化性質(zhì);具有改善腸道菌群、提高機(jī)體免疫力等重要的生理作用。低聚糖的化學(xué)本質(zhì)是一些不能被消化的短鏈碳水化合物,一般由2~10個(gè)單糖單位通過(guò)糖苷鍵而連接的小聚合體,介于單體單糖與高度聚合的多糖之間。
功能性低聚糖主要應(yīng)用食品、保健品、飼料、醫(yī)藥和植物調(diào)節(jié)等行業(yè)中。
低聚糖可以促進(jìn)直腸中乳酸桿菌的生長(zhǎng)與乙酸的產(chǎn)生,從而抑制腸道內(nèi)腐敗菌的生長(zhǎng),減少有毒發(fā)酵產(chǎn)物的形成,改進(jìn)代謝,促進(jìn)礦物質(zhì)元素吸收等功能。在人體營(yíng)養(yǎng)不充分或患病期間,通常腸道內(nèi)會(huì)相對(duì)缺少可被腸道菌群尤其是益生菌所利用的碳源,功能性低聚糖進(jìn)入機(jī)體后,腸道菌群的代謝就會(huì)產(chǎn)生重要變化。
Kohmoto等人研究認(rèn)為,低聚木糖進(jìn)入腸道后能被腸道中有益菌利用,促進(jìn)有益微生物生長(zhǎng)[1]。Okazaki等人體外試驗(yàn)結(jié)果表明,低聚木糖對(duì)腸道菌群有明顯的改善作用[2]。Palframan 等[3]、Probert等[4]和 Talwalkar等人[5]研究認(rèn)為,功能性低聚糖被攝入后可選擇性地刺激人體腸道內(nèi)雙歧桿菌的增殖,這些雙歧桿菌通過(guò)發(fā)酵使功能性低聚糖產(chǎn)生大量的短鏈脂肪酸及其它代謝產(chǎn)物,從而保證了雙歧桿菌在宿主腸道內(nèi)的優(yōu)勢(shì)地位。Ingvar[6]和Xu等人[7]研究認(rèn)為,功能性低聚糖具有優(yōu)良雙歧因子的生理作用。Khaled[8]和 Erica 等人[9]研究認(rèn)為,由于功能性低聚糖獨(dú)特的生理結(jié)構(gòu),腸道內(nèi)多種雙歧桿菌都可以對(duì)不同種類(lèi)低聚糖加以利用。而Knol等的研究表明,雙歧桿菌在健康人體腸道中能利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量繁殖,在腸道粘膜表面形成一道生理性屏障,直接抵御病原菌的侵襲,如常見(jiàn)的沙門(mén)氏傷寒菌、痢疾志賀氏菌等[10]。周景欣等[11]選用 B/E 值作為指標(biāo)對(duì)目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的低聚果糖、水蘇糖、低聚木糖和低聚異麥芽糖進(jìn)行小鼠腸道菌群發(fā)酵實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明4種低聚糖均能促進(jìn)雙歧桿菌和乳桿菌的增殖,并能酸化腸道pH值,有益于腸道的微生態(tài)平衡。
功能性低聚糖和普通低聚糖的最大的區(qū)別在于它不可被人體消化,但卻可以被人體腸道內(nèi)的有益菌利用,產(chǎn)生相應(yīng)的代謝產(chǎn)物。Mihatsch認(rèn)為,功能性低聚糖進(jìn)入腸道后,在結(jié)腸中被腸道有益菌作為能源發(fā)酵和利用,如雙歧桿菌和乳酸菌等有益菌就能發(fā)酵這類(lèi)碳水化合物,代謝過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的短鏈脂肪酸(主要為醋酸,丙酸,丁酸和乳酸)及少部分其他產(chǎn)物。有益菌代謝產(chǎn)生的乳酸、醋酸等短鏈脂肪酸可以被人體小腸吸收后作為能量來(lái)源進(jìn)入其他代謝循環(huán)[12]。這些短鏈脂肪酸可以降低腸道內(nèi)pH值并且提高腸道內(nèi)滲透壓。腸道pH值的降低會(huì)使有害菌無(wú)法生長(zhǎng)繁殖,有效減少甲酸、吲哚和對(duì)-苯甲酸等有毒有害腸道腐敗物的生成,并降低有害酶(如P-葡萄糖醛酸酶等)的生成量和其代謝活性,有益于機(jī)體健康;而提高腸道內(nèi)滲透壓可以使腸道內(nèi)容物大量吸收水分,從而糞便體積增加、結(jié)構(gòu)松軟,同時(shí)還會(huì)刺激腸道快速蠕動(dòng)促進(jìn)排便,起到防止便秘的作用。鄭建仙研究結(jié)果表明,低聚木糖具有軟化糞便的功能,主要原因是攝入低聚木糖后能增加糞便中的水分,從而可以改變糞便的形態(tài),防止便秘[13]。
許多學(xué)者研究了低聚果糖和低聚異麥芽糖對(duì)機(jī)體脂質(zhì)代謝影響。Shigeyuki等認(rèn)為,功能性低聚糖被攝入后,雙歧桿菌大量繁殖并產(chǎn)生膽酸水解酶等代謝產(chǎn)物,膽酸水解酶將結(jié)合膽酸游離,而游離的膽酸可抑制病原菌在腸道內(nèi)的生長(zhǎng)[14]。隨著益生菌的大量代謝,當(dāng)腸道pH值降到6.0時(shí),膽汁酸就可以和膽固醇相結(jié)合而沉淀,隨腸道內(nèi)容物一起排出體外。
Tasleem等認(rèn)為,功能性低聚糖的生理作用很大程度上是依賴(lài)其被菌群發(fā)酵的產(chǎn)物。益生菌發(fā)酵功能性低聚糖后生成了有機(jī)酸,導(dǎo)致腸道pH值下降,腸道環(huán)境呈酸性,使一些通過(guò)小腸時(shí)形成的鈣、磷酸鹽、鎂等構(gòu)成的復(fù)合物發(fā)生溶解而容易被吸收。所以,功能性低聚糖還能促進(jìn)鈣、鎂、鋅、鐵等礦物質(zhì)元素的吸收[15]。
Li等認(rèn)為,功能性低聚糖本身也可吸收膽固醇而隨大便排出體外。所以,功能性低聚糖具有調(diào)節(jié)血脂和降低膽固醇的作用[16]。譚楊等[17]和王宇等[18]研究低聚甘露糖對(duì)小鼠的通便作用,結(jié)果表明低聚甘露糖具有良好的潤(rùn)腸通便作用。
Coat等認(rèn)為,功能性低聚糖可以促進(jìn)腸道雙歧桿菌的增殖,而雙歧桿菌可以產(chǎn)生各種B族維生素,如維生素 B1、B2、B6、B12、葉酸和煙酸等。另外,腸道內(nèi)pH值的降低還能抑制一些維生素分解菌的生長(zhǎng),從而保證維生素含量不下降[19]。
國(guó)內(nèi)外有關(guān)低聚糖的提取分離純化方法較多,主要有酶、膜分離、水浴、超聲波輔助和微波輔助等5種提取純化技術(shù)。各種技術(shù)各具特點(diǎn),其中微波輔助提取和超聲波輔助提取的提取時(shí)間最短、提取率高,設(shè)備和提取工藝相對(duì)簡(jiǎn)單,可應(yīng)用于工業(yè)上大規(guī)模生產(chǎn)。若將幾種方法結(jié)合使用,可能會(huì)達(dá)到更好的效果。
酶提取法是使用纖維素酶、果膠酶、蛋白酶等具有專(zhuān)一性和高效性的酶,將植物細(xì)胞壁、細(xì)胞膜破壞,使有效成分快速溶出的一種高效提高提取技術(shù)。
徐貴華等人采用微波和纖維素酶對(duì)脫脂豆粕進(jìn)行前處理,提取大豆低聚糖。結(jié)果表明纖維素酶處理后,可提高大豆低聚糖的提取率15% ~20%。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)得到酶解的優(yōu)化條件:pH 3.5、溫度45℃、加酶量0.05%、酶解1 h;堿液浸提的優(yōu)化條件溫度 60 ℃、pH11、時(shí)間 1.5 h[20]。宋朝霞以脫脂豆粕為原料,在堿液浸提法提取大豆低聚糖的最佳工藝條件(在55℃和pH為11的條件下浸提1 h)的基礎(chǔ)上,采用纖維素酶對(duì)脫脂豆粕進(jìn)行預(yù)處理,考察酶提取對(duì)大豆低聚糖提取率的影響。結(jié)果表明經(jīng)纖維素酶處理后,低聚糖的提取率有顯著提高[21]。
膜分離技術(shù)是指利用膜截留水中膠體大小的顆粒,而水和小分子溶質(zhì)則允許透過(guò)膜。較常用的膜分離技術(shù)有超濾和納濾。超濾的機(jī)理是指由膜表面機(jī)械篩分、膜孔阻滯和膜表面及膜孔吸附的綜合效應(yīng),通常以篩濾為主。
高偉星等人采用超濾法對(duì)大豆低聚糖進(jìn)行提取研究,發(fā)現(xiàn)使用實(shí)驗(yàn)中的超濾膜對(duì)低聚糖的截留效果比較差[22]。董艷等人先利用超濾膜對(duì)地黃多糖進(jìn)行分離純化,再利用納濾膜對(duì)超濾液進(jìn)行濃縮純化。最佳超濾操作條件為:料液質(zhì)量濃度13~32 mg/mL、操作壓力 0.25 ~0.275 MPa、溫度 20 ~40℃、超濾2次。納濾膜對(duì)超濾液進(jìn)行濃縮純化的適宜工藝條件為:料溫20~40℃、操作壓力0.59~0.79 MPa,濃縮倍數(shù)可達(dá)3倍[23]。劉俏等人研究了中空纖維膜超濾豆腐廢水提取大豆低聚糖的工藝,研究表明預(yù)處理及超濾條件不同,其過(guò)濾阻力構(gòu)成也不同,截留分子量為10 ku的中空纖維聚砜膜超濾豆腐廢水,對(duì)蛋白和低聚糖的分離有較好的效果[24]。任燁采用納濾分離技術(shù)研究提取相對(duì)分子質(zhì)量在1500以下的雪蓮果的低聚果糖,通過(guò)對(duì)物料初始濃度、純化倍數(shù)和操作壓力的考察,優(yōu)化了納濾操作條件。最佳條件為選擇標(biāo)準(zhǔn)型卷式納濾膜元件,物料初始濃度30 g/L、操作壓力0.2 MPa、純化倍數(shù)15倍,可以使單糖的去除率達(dá)到90%以上,所得產(chǎn)品中低聚果糖及菊粉含量達(dá)90%以上[25]。
水浴提取法是最早應(yīng)用于植物有效成分提取的傳統(tǒng)提取方法。其基本過(guò)程為將鮮果進(jìn)行預(yù)處理后切塊稱(chēng)重,然后在一定條件下進(jìn)行(均漿處理)熱水?dāng)嚢杼崛?,最后離心分離提取上清液,即為低聚糖提取液。使用傳統(tǒng)水浴提取法提取果實(shí)低聚糖的主要影響因素有pH值、提取時(shí)間、提取溫度和液料比。
王照波等人研究了勻漿輔助水浴法提取雪蓮果低聚糖的工藝,當(dāng)勻漿轉(zhuǎn)速2500 r/min、勻漿時(shí)間90 s、提取溫度80℃、提取時(shí)間3 h、料液比1∶20時(shí),雪蓮果低聚糖提取率為63.2%[26]。馬建春等2012年以低聚糖提取率為指標(biāo),分別考查了醇濃度、提取時(shí)間、提取次數(shù)、液料比4個(gè)影響因素,采用正交試驗(yàn)優(yōu)選低聚糖的熱水浴提取工藝。所得最佳提取工藝為:50%乙醇提取2次,液料比6∶1,提取時(shí)間 2 h/次,此時(shí)低聚糖提取率為 39.89%[27]。
超聲波輔助提取法是通過(guò)超聲波對(duì)細(xì)胞內(nèi)部的媒質(zhì)產(chǎn)生獨(dú)特的機(jī)械振動(dòng)作用和空化作用而破壞植物藥材的細(xì)胞壁,使溶劑快速滲透到藥材細(xì)胞中,溶質(zhì)迅速溶解并擴(kuò)散到溶液中。超聲波提取與常規(guī)提取法相比,可大大縮短提取時(shí)間,提高提取率。
趙迎春等人以雪蓮果為原料,采用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)研究了超聲輔助提取低聚果糖的提取工藝,最佳提取工藝參數(shù)為:提取時(shí)間3 h、提取溫度85 ℃、超聲時(shí)間5 min、料液比1∶10,在此條件下,多糖提取率為4.257%[28]。田玉庭等人采用響應(yīng)面分析法研究了超聲波功率、料液比和提取時(shí)間對(duì)超聲輔助提取蓮子低聚糖得率的影響,優(yōu)化所得蓮子低聚糖超聲波輔助提取較佳工藝參數(shù)為:超聲波功率320 W、料液比1∶25、提取時(shí)間48 min,低聚糖提取率為1.13%。與微波輔助提取法相比,超聲輔助提取法使蓮子低聚糖得率提高29.88%[29]。唐雪娟等人以香蕉為原料,研究超聲波法和溫水法提取低聚糖的工藝,并通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)2種提取方法進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明超聲波法提取香蕉低聚糖的優(yōu)化工藝為:超聲提取時(shí)間40 min、超聲功率500 W、料液比1∶2.5,此工藝條件下,香蕉低聚糖得率為17.89%[30]。
微波是一種頗具發(fā)展?jié)摿Φ男滦洼o助提取技術(shù),其基本原理是:微波輻射于溶劑并透過(guò)細(xì)胞壁到達(dá)細(xì)胞內(nèi)部,由于細(xì)胞內(nèi)極性溶液吸收微波能,溫度急劇升高,壓力增大,當(dāng)壓力超過(guò)細(xì)胞壁的承受能力時(shí),細(xì)胞壁則會(huì)破裂,位于細(xì)胞內(nèi)部的有效成分從細(xì)胞中釋放出來(lái)并被溶劑溶解,通過(guò)進(jìn)一步的過(guò)濾和分離純化,即可獲得所需的萃取物。
李新海等人采用微波輔助提取雪蓮果中的低聚糖,以雪蓮果低聚糖提取率為指標(biāo),對(duì)提取溫度、提取時(shí)間、料液比、微波功率、微波時(shí)間、解析劑比6個(gè)影響因素進(jìn)行正交試驗(yàn)優(yōu)化提取工藝,所得最佳提取工藝條件為:提取溫度80℃、提取時(shí)間60 min、液料比50∶1、微波功率700W、微波時(shí)間180 s、解析劑比7∶1,此工藝條件下,低聚糖提取率達(dá)52.85%[31]。
周麗等人對(duì)山藥低聚糖的微波輔助提取工藝進(jìn)行了研究,在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)微波功率、乙醇濃度、料液比和微波處理時(shí)間進(jìn)行正交試驗(yàn)。影響山藥低聚糖提取率的因素大小順序?yàn)?乙醇濃度>微波處理時(shí)間>料液比>微波功率。微波輔助提取山藥低聚糖的最佳工藝條件為:微波功率130 W、乙醇體積分?jǐn)?shù)60%、料液比1∶30、微波時(shí)間6 min,山藥低聚糖提取率為 6.31%[32]。
低聚糖具有非常優(yōu)良的生理功能,具有廣闊的應(yīng)用前景。我國(guó)動(dòng)植物資源豐富,為低聚糖的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。然而,有關(guān)低聚糖的提取純化方法較多,各有優(yōu)勢(shì),如何復(fù)合這些方法做到高效、經(jīng)濟(jì)以及標(biāo)準(zhǔn)化仍需進(jìn)一步深入研究。
[1]Kohmoto T,F(xiàn)ukui F,Takaku H,etal.Dose- respones teset of maltooligosa ccharides for nereasing fecal bifi- dobacteria[J].Agricultural and Biological Chemistry,1991,55:2157-2159.
[2]Okazaki M,F(xiàn)ujikawa S,Matsumoto N.Bifidobact[J].Microfloro,1999(9):77-86.
[3]Palframan R J,Gibson G.R,Rastall R A.Effect of pH and dose on the growth of gut bacteria on prebiotic carbohydrates in vitro[J].Anaerobe,2002,8(5):287-92.
[4]Probert H M,Apajalahti J H A,et al.Polydeztrose,lactitol and fructo-oligosaccharide fermentation by colonic bacteria in a three stage continuous culture system[J].Appl Environ Microbiol,2004,70:4505-4516.
[5]Talwalkar,Kailasapathy K.Comparison of selective and differential media for the accurate enumeration of strains of Lactobacillus acidophilus,Bifidobacteriums and Lactobacillus casei complex from commercial yoghurt[J].International Dairy Journal,2004,14:143-149.
[6]Ingvar Bosaeus.Fibre effects on intestinal funtions(diarrhoea,constipation and irritable bowel yndrome)[J].Cli Nutr Suppl,2004,1:33-38.
[7]Xu Qiang,Chao Yonglie,Wan Qianbing.Health benefit application of functional oligosaccharides[J].Carbohydrate Polymers,2009(77):435-441.
[8]Khaled A.Hamadi,Tariq Hamamdi.Constipation in infants and children:evaluation and management[J].Medi Speci,2005,4:8-16.
[9]Erica B C,Regina V,Mendes G,et al.Fiber intake,constipation,and overweight among adolescents living in Sao Paulo city.[J].Nutrition,2006,22:744-749.
[10]Knol J,Boehm G,Lidestri L,Negretti F,et al.Increase of fecal bifidobacteria due to dietary oligosaccharides induces a reduction of clinically relevant pathogen germs in the faeces of formula-fed preterm infants[J].Acta Paediatr,2005,499:31- 3.
[11]周景欣,袁杰利,遲俐,等.雙歧桿菌低聚果糖制劑對(duì)便秘人群腸道菌群的調(diào)整作用[J].中國(guó)微生態(tài)學(xué)雜志,2008,18(5):399-400.
[12]Mihatsch W.A,Hoegel J.Pohlandt F.Prebiotic oligosaccharides reduces stool viscosityand accelerate gastrointestinal transport in preterm infants[J].Acute Paediatr,2006,95:843-8.
[13]鄭建仙.功能性低聚糖[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.
[14]Shigeyuki Nakaji,Takashi Umeda,et al.A tube- fed liquid formula diet containing dietary fiber increased stool weight in bedridden elderly patients[J].Nutriton,2004,20:955- 960
[15]Tasleem A Z,Connie M W,Yong D Z,et al.Nondigestible oligosaccharides increasecalcium absorption and supperess bone resorption in ovariectomizedrata[J].Nutr,2004,134:399—402.
[16]Li J,Wang J,Kaneko T,et al.Effects of fiber intake on the blood pressure,lipids,and heart rate in Goto Kakizaki rats[J].Nutrition,2004,20:1003- 1007.
[17]譚楊,呂曉華.魔芋低聚甘露糖通便功能研究[J].現(xiàn)代預(yù)防醫(yī)學(xué),2007,34(19):3653-3656
[18]王宇.低聚果糖對(duì)動(dòng)物通便功能研究[J].預(yù)防醫(yī)學(xué)情報(bào)雜志,2008,5(23):534-36.
[19]Coat M E,F(xiàn)ord J E,Hamson G F.Intestinal Synthesis of Vitamins of the B complex in Chicks[J].Br J Nutr,1968,22:493-497.
[20]徐貴華,趙金奎,嚴(yán)曉艷.微波、纖維素酶對(duì)大豆低聚糖提取工藝的影響[J].食品工業(yè)科技,2004(5):76-78.
[21]宋朝霞.微波-纖維素酶預(yù)處理對(duì)大豆低聚糖提取的影響[J].現(xiàn)代食品科技,2006,23(1):33-34.
[22]高偉星,柳森.用超濾法提取大豆低聚糖的研究[J].大連民族學(xué)院學(xué)報(bào),2005,7(1):92-95.
[23]董艷,高旭昶,潘勤等.超濾和納濾分離技術(shù)提取純化地黃低聚糖的研究[J].中草藥,2008,39(3):359-363.
[24]劉俏,權(quán)春善,范圣第.膜技術(shù)提取大豆低聚糖的研究[J].食品研究與開(kāi)發(fā),2006,27(7):99-101.
[25]任燁.應(yīng)用納濾技術(shù)純化雪蓮果中低聚果糖的研究[D].北京:北京中醫(yī)藥大學(xué),2009.
[26]王照波,周文美,徐子婷,等.勻漿輔助水浴法提取雪蓮果低聚糖的工藝研究[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,26(4):100-103.
[27]馬建春,何偉.正交試驗(yàn)優(yōu)選巴戟天低聚糖提取工藝[J].中國(guó)藥房,2012,23(47):4453-4455.
[28]趙迎春,盧家炯.超聲波輔助提取雪蓮果中低聚果糖及其純化的初步研究[J].廣西輕工業(yè),2010(1):3-5.
[29]田玉庭,盧旭,鄭寶東.響應(yīng)面發(fā)優(yōu)化蓮子低聚糖超聲波輔助提取工藝[J].北京工商大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,30(2):17-21.
[30]唐雪娟,王淼,王娟.超聲波法與溫水法提取香蕉低聚糖的比較[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2013(22):111-114.
[31]李新海,梁兆輝,蔡錦源,等.微波輔助提取雪蓮果低聚糖的工藝研究[J].中國(guó)藥物警戒,2011,8(3):145-147.
[32]周麗,唐忠厚,楊向東,等.山藥低聚糖的微波提取及含量測(cè)定[J].中國(guó)釀造,2012,31(8):44-46.