低聚糖

低聚糖（oligosaccharide）也称寡糖，是由2~10个单糖分子以糖苷结合而构成的糖，普遍存在于自然界。低聚糖属于小分子化合物，能结晶，可溶于水，有甜味，有旋光性。低聚糖与稀酸共同加热可水解成各种单糖。

低聚糖的分类方式有很多种，按水解后生成的单糖分子数目分为二糖（二糖）、三糖、四糖、五糖、六糖等；按组成低聚糖的单糖分子是否相同，可分为均低聚糖和杂低聚糖；按性质，可分为还原性低聚糖和非还原性低聚糖；按是否具有保健功能，可分为普通低聚糖和功能低聚糖。

低聚糖广泛存在于很多天然食物中，尤其以植物性食物中为多，如水果、蔬菜、豆科种子和一些植物块茎中。低聚糖是一种替代蔗糖的新型功能性糖源，获取低聚糖的途径主要有三个：一为化学合成，二是以淀粉或多糖为原料，利用转移酶、水解酶催化糖基转移反应合成或多糖的酶水解反应，三是从天然原料提取。

低聚糖的应用广泛，在食品领域，很多饮料、糖果、烘焙食品、酒类、乳品等中都会加入低聚糖；在农业领域，功能性低聚糖可以作为作物生产的调节剂、生物农药及生物化学肥料等；在饲料行业，低聚糖越来越广泛的被应用到动物保健品和饲料工业中；在保健品领域，功能性低聚糖可以代替蔗糖，既发挥其独特的保健功能，又避免因摄入蔗糖过多而带来对身体的伤害。

分类

低聚糖的分类方式有很多。

根据水解后生成的单糖分子数目分

低聚糖可分为二(双)糖、三糖、四糖等，其中以二糖最为常见，如蔗糖、麦芽糖、乳糖、纤维二糖等。

根据组成的单糖分子是否相同分

低聚糖可分为均低聚糖和杂低聚糖，前者是由同一种单糖聚合而成的，如麦芽糖、环状糊精等，后者则是由不同的单糖聚合而成的，如蔗糖、乳糖、棉子糖等。

根据是否有还原性分

低聚糖可分为还原性低聚糖和非还原性低聚糖，食品中重要的还原性低聚糖如麦芽糖、乳糖等，非还原性低聚糖如蔗糖、海藻糖等。

根据是否具有保健功能分

低聚糖可分为普通低聚糖和功能性低聚糖两大类。如蔗糖、麦芽糖、乳糖等属于食品中普通低聚糖，它们可被机体消化、吸收；食品加工应用中，普通低聚糖在食品的色、香、味、形上也发挥着重要的作用。低聚异麦芽糖、乳酮糖、低聚果糖、 XOS 等则属于功能性低聚糖，它们不能被机体消化、吸收，而是直接进入人体肠道内被双歧杆菌等有益菌利用，是有益菌的增殖因子；功能性低聚糖也可作为功能性甜味剂用来代替食品中部分的蔗糖，在人体发挥独特的生理保健功能。

常见低聚糖

常见双糖

双糖在自然界中的含量很丰富。在自然界中仅有三种双糖（蔗糖、乳糖和麦芽糖）以游离状态存在，其他以结合状态存在，如纤维二糖。

麦芽糖：俗称饴糖，大量存在于发芽的谷粒中，特别是麦芽中。它主要作为淀粉和其他葡聚糖的酶促降解的产物存在，在自然界中并不存在天然的麦芽糖。工业上制取麦芽糖的原料是发芽的谷物（主要是大麦芽），通过麦芽糖淀粉酶使淀粉水解得到。麦芽糖由两分子α-葡萄糖通过α-1,4- 糖苷键结合而成，结构式如下图所示。

乳糖：是哺乳动物乳汁中的主要糖分，牛乳中含4.5%~5.5%，人乳中含5.5%~8.0%，是由一分子β 半乳糖的半缩醛羟基与另外一分子α-D-葡萄糖分子的羟基反应，以β-1,4-糖键连接而成。乳糖有α型和β型两种结构，其结构式如下图所示。

蔗糖：在植物界分布广泛，尤其以甘蔗、甜菜中含量最多。它具有较强的甜味，是食品工业中最重要的含能量甜味剂。蔗糖是由一分子α-D-葡萄糖和一分子β-D-果糖通过α-1,2- 糖苷连接形成的二糖。其结构式如下图所示。

纤维二糖：是纤维素的基本构成单位，可由纤维素水解得到，在自然界无游离状态。纤维二糖由2分子β-D-葡萄糖以β-1,4糖苷键结合，化学性质类似于麦芽糖，它与麦芽糖的区别是麦芽糖为α- 葡糖苷。纤维二糖结构式如下图所示。

常见功能性低聚糖

低聚果糖：是由蔗糖和果糖结合而成的蔗果三糖、蔗果四糖和蔗果五糖的混合物。它是一种天然活性物质，甜度为蔗糖的0.3~0.6倍，属于人体难消化的低热值甜味剂，不会导致肥胖。低聚果糖是水溶性粗食纤维，可促进胃肠功能，是具有调节肠道菌群、促进钙的吸收、调节血脂、抗龋病等保健功能的新型甜味剂。

XOS ：由2~7个木糖以β-1,4- 糖苷连接而成的低聚糖，具有耐热、耐酸及不分解特性，具有双歧杆菌增殖作用，可促进机体对钙的吸收，抗齿，在体内代谢不依赖胰岛素，可作糖尿病患者食用的甜味剂。

甲壳低聚糖：呈阳离子性质，在酸性溶液中易成盐。随着游离氨基含量的增加，其氨基特性越显著，是甲壳亚门低聚糖的独特性质。甲壳低聚糖能降低肝脏和血清中的胆固醇；提高肌体的免疫功能，增强机体的抗病和抗感染能力；具有抗肿瘤作用，聚合度为5~7的甲壳低聚糖有直接攻击肿瘤细胞的作用，对肿瘤细胞的生长和癌细胞的转移有很强的抑制效果；是双歧杆菌的增殖因子，可增殖肠道内有益菌如双歧杆菌和乳杆菌属，还能合成B族维生素和维生素k ；可使乳糖分解酶的活性升高以及防治胃溃疡、治疗消化性溃疡和胃酸过多症。

麦芽低聚糖：是一种混合糖，主要由麦芽糖、麦芽三糖至麦芽八糖组成，不含糊精，是由特异的麦芽低聚糖酶作用于淀粉而得到的一种新型营养甜味剂，具有抑制人体肠道有害菌生长繁殖的作用；是功能性食品的一种基料。

理化性质

低聚糖由单糖组成，因此具有与单糖相似的物理及化学性质，但也具有其个性，主要表现在以下几个方面：

(1)低聚糖都可以形成晶体，可溶于水，其溶解度和聚合度成反比；有甜味，随着聚合度的增加，低聚糖的甜度逐渐降低；有黏性，二糖的黏度比单糖的高，聚合度大的低聚糖黏度更高；多数低聚糖的吸湿性较小，可作为糖衣材料，防止糖制品的回潮；

(2)具有旋光性；

(3)低聚糖根据分子结构的不同，分为还原糖及非还原糖两种。还原糖具有与单糖相同的性质，如在水溶液中有变旋现象，可形成糖苷，可形成糖脎，可还原费林试剂等。非还原糖不具有这些性质。

(4)可被酸或酶水解，水解产物为组成该低聚糖的单糖。一般来说，由两个半缩醛羟基结合的糖苷键最易水解。例如用弱酸水解棉子糖时，产生果糖和蜜二糖，用强酸水解则产生果糖、葡萄糖及半乳糖，这就说明了棉籽糖的糖苷键易于水解。

人体中作用原理

细胞识别

所有真核生物的表面均含有糖类，以低聚糖或多聚糖链形式共价结合于膜蛋白（糖蛋白），或者以低聚糖链共价结合于类脂（糖脂）。细胞膜中糖类约占膜脂总重量的2%~10%。大部分暴露于细胞表面的膜蛋白分子都带有糖残基。而细胞膜的脂类外层分子层中带有糖残基的脂质分子还不到十分之一。大部分糖类都结合于蛋白质，形成糖蛋白。1个糖蛋白分子（如血型糖蛋白）可有许多低聚糖侧链，而每个糖脂分子只带1个低聚糖侧链。

膜糖脂及膜蛋白中低聚糖侧链的功能还不清楚。位于某些跨膜蛋白上的低聚糖侧链可能有助于蛋白质在细胞膜上的定位及固定，以防止其滑入细胞质或在脂质双层中翻转，它们对于稳定糖蛋白的结构可能有一定作用。另外，细胞膜糖蛋白与糖脂上某些低聚糖结构的复杂性及其在细胞表面上所处的位置提示，它们在细胞识别过程中可能起重要作用。

信息传导

tau蛋白是一种重要的微管结合蛋白，其主要功能是促进微管组装，维持微管组装与解组装的平衡，在体内蛋白质的转运、细胞骨架的维持及信号转导等方面也有一定的作用。正常发育过程中，tau经历了各种翻译后修饰，包括磷酸化、糖基化、糖化、泛素化、截尾、硝化等。

tau蛋白的糖基化是指低聚糖在糖基转移酶催化下共价连接到蛋白侧链上。糖基化是tau蛋白一种重要的翻译后修饰形式，N-糖基化主要存在于过度磷酸化的tau蛋白中，而O-糖基化是正常tau蛋白主要的糖基化形式，两种不同的糖基化对tau蛋白的磷酸化均有一定的影响。

生理作用

改善肠道功能、预防疾病

人体试验表明，摄取功能性低聚糖可使双歧杆菌增殖，抑制有害细菌。双歧杆菌发酵低聚糖产生短链脂肪酸 ( 冰醋、丙酸、丁酸、 DL-乳酸等)和一些抗生素物质，抑制外源致病菌和肠内固有腐败菌的生长繁殖。双歧杆菌素能有效地抑制志贺氏杆菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和一些其他微生物。体内和活体外粪便培养试验表明，摄入功能性低聚糖可有效地减少有毒发酵产物及有毒细菌酶的产生，减少肠内有害细菌的数量，进而抑制病原菌和腹泻。大量的短链脂肪酸刺激肠道蠕动，增加粪便湿润度并保持一定的渗透压，从而防止便秘发生。另外，功能性低聚糖不能被口腔微生物特别是突变链球菌利用，不能被口腔酶液分解，因而能预防龋病。

生成并改善营养素的吸收

双歧杆菌在肠道内能合成少量的维生素 B1、维生素B2 、吡哆醇、羟钴胺素、烟酸和叶酸。双歧杆菌能发酵乳品中的乳糖使其转化为 DL-乳酸，解决了部分人对乳糖的不耐受问题，同时增加了水溶性可吸收钙的含量，使乳品更易消化吸收。

热值低，不引起血糖升高

功能性低聚糖很难或不被人体消化吸收，所提供的能量值很低或根本没有，这是因为人体缺乏分解消化这类低聚糖的酶系统，能满足喜爱甜品的糖尿病人、中度肥胖病人、低血糖病人及控制体重者的需要。

应用领域

食品领域

在很多饮料中加入低聚糖后，提高了饮料的功能保健作用；用低聚糖、麦芽糊精和麦芽糖生产儿童保健糖果，既不会龋病，又能保健，其良好的柔和口味，受到欢迎；在烘焙食品如食品糕点、面包、饼干中，都可加入低聚糖，起到调整口味、丰富营养的目的；在果酒、葡萄酒、啤酒生产中可以加入低聚糖。低聚糖可以作为辅料，一般都与麦芽汁按一定比例混合进行发酵。由于低聚糖含有较多的不发酵性糖，发酵度低，适宜于生产醇和爽口、乙醇含量低的优质啤酒。不发酵糖作为残糖留存在啤酒中，具有发酵生理功能，也能提高酒质，改善口感；乳品中添加功能性低聚糖，可有效地调节生物体肠道菌群的结构及比例平衡，可增进肠道优势菌群的生长增殖，缓解生物体产生的 α-乳糖不耐受情况，有效预防出现的便秘与腹泻症状，进而提升机体的免疫能力，显效性较显著。

农业领域

在农业生产中使用功能性低聚糖作为作物生产的调节剂，通过功能性低聚糖完成对调控作物的生长发育具有较显著的促进作用；添加功能性低聚糖的农业调节剂及生物农药，成为新型的植物激素及植物抗性激活因子，在农业应用上的植保作用明显，在农作物生长发育、病虫害防治工作中具有广阔的开发前景和重要市场价值；使用功能性低聚糖作为生物化学肥料，对土壤菌群结构及形态促进作用强、提高化肥的利用率具有较好作用。

饲料行业

受市场发展需求的催动以及全球畜牧生产养殖技术的不断提高，以及人们对肉类消耗单位数量的增加，有数据预测，人均肉制品消费量会较现有水平将会以2%的年增速度进行正增长，特别是猪肉和禽肉。随着对绿色养殖的倡导及推广，以及对抗生素等药物的限制使用要求及规定，低聚糖越来越广泛的被应用到动物保健品和饲料工业中。

保健领域

用功能性低聚糖代替蔗糖，既发挥其独特的保健功能，又避免因摄入蔗糖过多而带来对身体的危害。功能性低聚糖还是化学甜味剂的理想替代品，可以减少人们对其摄入过多的忧虑。一些消费数据显示，消费者对于低热量的食物兴趣大增。另外，中国有1500-2000万人患糖尿病，9500万人患高脂血症，3 亿人患龋病。这些病人需无糖食品，作为无糖食品的甜味剂，低聚糖因其独特的功能应为首选。因此，开发功能性低聚糖保健食品，提高中国人们的健康水平，已成为食品工作者迫切的一项任务。

生产过程

获取低聚糖的途径主要有三个：化学合成；以淀粉或多糖为原料，利用转移酶、水解酶催化糖基转移反应合成或多糖的酶水解反应生产低聚糖的生物合成；从天然原料提取。

化学合成

化学合成法的应用仅限于低聚糖的功能性研究。其提取和分离提纯的方法也有多种，如脱盐法有浓缩结晶法、膜分离法、电渗析法、离子交换树脂法；脱苦脱色方法有吸附法和包埋法，以及离子色谱法、高效液相色谱法、超声波法和微波辅助法等。

生物合成

以淀粉或多糖为原料，利用转移酶、水解酶催化糖基转移反应合成或多糖的酶水解反应制备低聚糖。

以淀粉为原料制备低聚糖：以淀粉为原料，可以制得很多低聚糖，如低聚异麦芽糖、低聚龙胆糖等。例如以淀粉为原料，制得高浓度葡萄糖浆，通过α-葡萄糖转苷酶催化发生α- 葡萄糖基转移反应而得低聚异麦芽糖。工业化生产低聚异麦芽糖生产工艺路线：

以蔗糖为原料制备低聚糖：以蔗糖为原料，可以制得很多低聚糖，如低聚果糖、低聚异麦芽酮糖、葡萄糖基蔗糖、低聚乳果糖等。例如以蔗糖为原料，采用固定化酶法进行连续反应，将高浓度蔗糖溶液在50~60℃下以一定速率流过固定化酶柱，利用β-果糖转移酶进行转移反应制备低聚果糖。生产工艺路线如下：

以乳糖为原料制备低聚糖：以乳糖为原料，可以制备低聚半乳糖、乳酮糖等。例如，工业生产中常以高浓度乳糖作原料，用p- 半乳糖苷酶催化乳糖水解，同时将催化水解出的一个半乳糖残基或葡萄糖残基转移到另一个乳糖或葡萄糖或半乳糖分子上而得产品。其生产工艺路线如下：

以其他原料制备低聚糖：自然界有很多原料含有多聚木糖、壳聚糖等，如玉米芯、虾、蟹和昆虫外壳及藻类，利用这些原料，可以生产低聚木糖、低聚壳聚糖。如以玉米芯为原料，提取多聚木糖，由木聚糖酶控制多聚木糖水解，采用超滤和反渗透除去大分子和小分子糖，制取高纯度低聚木糖。

天然原料提取

从食品工业的角度看，低聚糖作为一种大量使用的功能性基料，必须考虑到生产成本，因此，较好的方法是从天然原料提取或利用生物技术和酶法水解或酶法转移来生产各种低聚糖。

油料资源中，一些饼粕含有丰富的低聚糖资源，如大豆饼粕、棉籽饼粕等，可以作为提取低聚糖的原料。

大豆低聚糖的制备：大豆低聚糖是一种广泛存在于豆科中的糖类，由水苏糖、棉子糖和蔗糖组成，其中水苏糖和棉子糖都是不消化糖，是双歧杆菌增殖因子。大豆低聚糖生产的一种工艺是以大豆乳清液为原料，经分离提纯，精制而得。一般工艺路线是直接用大豆作原料依次提取有机大豆油、大豆分离蛋白，得到的乳清用来提取大豆低聚糖和其他物质。

以生产大豆分离蛋白乳清为原料生产大豆低聚糖工艺路线如下：

工业生产大豆分离蛋白时的副产物大豆乳清，大部分为碳水化合物，约占62%（干基），其中42%为大豆低聚糖。乳清中其他各组分分别为：粗蛋白约21%、灰分5%、其他12%。

大豆低聚糖生产的另一种工艺是直接以大豆作原料依次提取大豆油、大豆浓缩蛋白，用得到的乙醇提取物提取大豆低聚糖和其他物质。以生产大豆浓缩蛋白乙醇提取物为原料生产大豆低聚糖工艺路线如下：

制备大豆浓缩蛋白得到的乙醇提取物，低聚糖为其中的主要成分，主要包括蔗糖、棉子糖和水苏糖，其中单糖和蔗糖占65%，棉子糖占5%~7%，水苏糖占30%~32%。

棉籽低聚糖的制备：以棉籽饼粕为原料提取低聚糖，原理和工艺与大豆低聚糖一样。以水为溶剂，从棉籽饼粕中回收棉子糖的工艺路线为：1% 碳酸钠溶液浸提，等电点沉淀，超滤，脱盐，脱色，凝胶柱分离。产品得率为0.6%（相对于棉粕），棉子糖纯度大于99%。

以其他原料提取低聚糖：日本从1977年开始研究甜菜中的棉籽糖，到1992年，日本实现从甜菜中提取棉籽糖的工业化，基本工艺路线为：

甜菜糖蜜 →分离→ 棉子糖溶液→浓缩→过滤→结晶→干燥→粉碎→成品

从宝塔菜中提取低聚糖混合物，主要成分是水苏糖，也有少许棉子糖被提取出来。

以干酪乳清为原料制备低聚糖的工艺为：

乳清→加入石灰乳混合加热→沉淀过滤→蒸发浓缩→冷却晶体 →分除母液→洗涤结晶→干燥→粗制乳糖→溶解→压滤→结晶→分除母液→洗涤→干燥→粉碎→筛选→包装

此工艺可得到含乳糖99.9%、灰分0.025%~0.25%、水分0.5%~1%的产品。

膳食来源

低聚糖广泛存在于很多天然食物中，尤其以植物性食物中为多，如水果、蔬菜、豆科种子和一些植物块茎中，如洋葱、大蒜、葡萄、洋姜、石刁柏、香蕉等中含有低聚果糖，大豆及一些豆类含水苏糖，甜菜中含棉子糖，此外，牛奶、蜂蜜等中也有较高的低聚糖含量。部分低聚糖的分布情况如下图所示。

随着对功能性低聚糖研究的深入和认识的提高，功能性低聚糖的摄入量问题引起人们的关注，功能性低聚糖虽比较广泛地存在于植物性食物中，但一般人日常膳食往往达不到有效的摄入量。与其他难消化糖一样，低聚糖过量摄入也会产生肠胀气和腹泻。各种低聚糖的最小有效剂量和最大无作用量如下表所示。

法规限制

低聚果糖

低聚果糖是一种食物配料，而不是食品添加剂，这已经被欧洲共同体组织所承认。同时也被加拿大、澳大利亚、新西兰、以色列，和日本所批准并允许在食品标签上标明低聚果糖有双歧杆菌增殖作用，可以被广泛应用于各种食品中。在中国，低聚果糖已被广泛用于 AD钙奶、乳酸饮料和葡萄酒等食品中，并获得国家卫生部颁发的卫生食品证书。 2003年美国FDA已确认菊粉为GRAS（公认安全物质），日有效摄入量为5克。 2009年3月25日，我国卫生部发布《关于批准菊粉、多聚果糖为新资源食品的公告》，正式批准菊粉为新资源食品，可用于各类食品，但不包括婴幼儿食品。

异麦芽低聚糖

欧洲食品安全局表示食用低聚异麦芽糖产品每天15～20 g可达到低升糖指数的目的。另外，根据Oku and Nakamura（奥和中村）的结果显示，男性对于异麦芽低聚糖的最大允许剂量为1.5 g/kg，此剂量不会造成暂时性腹泻。

结合各国报道，每人食用10～30 g/d异麦芽低聚糖具有通便和调节肠道菌群的作用，适用于便秘患者、肠道菌群失调但无明显胃肠疾患、内分泌代谢性疾患的人群及老年人，每人摄入异麦芽低聚糖不应超过30 g/d。

低聚半乳糖

日本厚生省推荐低聚半乳糖日摄入量为2.5 g。美国食品药品监督管理局将其列为国际公认安全的食品添加剂。中国仅有将其作为营养强化剂使用的国家标准。另外动物实验证明，每人每日摄入低聚半乳糖 3～10 g即能显示各种生理功能。结合相关研究及法规，低聚半乳糖添加量为0.5%～6.0%。

相关历史

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