第二节 低聚糖

由2～20个糖单位通过糖苷键连接的碳水化合物称为低聚糖，超过20个糖单位则称为多糖。

天然存在的低聚糖很少，大多数低聚糖是由多糖水解而成的。

一、食品中常见的低聚糖

（一）麦芽糖

麦芽糖（图3-24）是由淀粉水解制得的二糖，在环的末端具有潜在的游离醛基，因此，为还原端；其类似于单糖，具有α六元环和β六元环两种构型并达到平衡。由于O-4被另一个吡喃葡萄糖基阻挡，因此不能形成呋喃环。麦芽糖为还原糖，因其还原端醛基能与氧化剂反应，几乎可以发生所有单糖的还原反应。

麦芽糖在植物中含量很少，它主要来源于淀粉部分水解，谷物特别是大麦麦粒发芽时产生麦芽糖。工业上采用细菌β-淀粉酶催化淀粉水解，有时也使用来自大麦麦粒、大豆和甜马铃薯中的β-淀粉酶。麦芽糖也可用作食品的温和甜味剂，可还原为麦芽糖醇，用于无糖巧克力的生产。

（二）乳糖

乳糖是存在于乳中的二糖（图3-25）。乳糖浓度随哺乳动物的来源而变，一般在2.0%～8.5%。牛乳和羊乳含有4.5%～4.8%的乳糖，人乳含有7%的乳糖，乳糖是哺乳动物发育期间的主要碳水化合物来源。人类婴儿哺乳期内，乳糖占能量消耗的40%。乳糖在水解成单糖D-葡萄糖和D-半乳糖之后才能作为能量被利用。

人们从乳和其他未发酵乳制品如冰淇淋中摄取乳糖。但发酵乳制品，如大多数酸奶和干酪，其中的乳糖含量很少，因为在发酵过程中，一些乳糖被转化成乳酸，具有刺激小肠吸附和持留钙的能力。乳糖到达小肠后在乳糖酶的作用下被消化，催化乳糖水解生成单糖：D-葡萄糖和D-半乳糖，可被快速吸收并进入血流：

如果由于某种原因，摄入的乳糖仅部分水解，即部分被消化，或根本无法水解，这种临床症状称为乳糖不耐症。如果缺少乳糖酶，乳糖保留在小肠肠腔内，由于渗透作用，乳糖有将液体引向肠腔的趋势，这种液体会产生腹胀和痉挛。

乳糖不耐症一般在超过6岁的儿童中发现，在整个生命期中随着年龄增大而加剧。乳糖不耐症的影响与程度同种族有关，这意味着有无乳糖酶是受基因控制的。

有三种方法可以克服乳糖酶缺乏的影响。一种方法是通过发酵，如在生产酸奶和发酵乳制品时除去乳糖。另一种方法是加入乳糖酶减少乳中乳糖。但是两种水解产物D-葡萄糖和D-半乳糖都比乳糖甜，如水解80%，味道变化非常明显。因此，大多数低乳糖乳将乳糖含量尽可能减少70%以接近国家规定的标准。第三种方法就是在食用乳制品的同时服用β-半乳糖苷酶。

（三）蔗糖

不同于麦芽糖与乳糖，蔗糖是非还原二糖。蔗糖是由α-D-吡喃葡萄糖基和β-D-呋喃果糖基头与头相连（还原端与还原端相连），而不是采用头-尾相连（图3-26）。由于蔗糖没有还原端，因而是非还原糖。商品蔗糖有两种主要来源：甘蔗糖与甜菜糖。

由于蔗糖和其他低相对分子质量的碳水化合物（例如单糖、二糖及其他低相对分子质量低聚糖），具有极大的吸湿性和溶解性，因此它们能形成高度浓缩的高渗透压溶液。在碳水化合物溶液中，部分水不能结冰，当水冷冻结晶形成冰时，余下的液相中溶质浓度增加，冰点下降，导致黏度上升，因此液相就固化为玻璃态，所有分子运动受到限制，扩散控制反应很慢。处于玻璃态的水分子不能结晶，因而碳水化合物具有冷冻保护剂的功能，可防止脱水与冷冻造成的结构与质构的破坏。

人肠道内的转化酶可以催化蔗糖水解生成D-葡萄糖和D-果糖，使蔗糖成为能提供人类能量的三种碳水化合物（除单糖外）之一，其他两种碳水化合物为乳糖和淀粉。单糖（在我们膳食中只有D-葡萄糖和D-果糖是具有意义的糖）在吸收前无需经过消化。

二、具有生理功能的低聚糖

功能性食品（或称保健食品）是目前受到普遍关注的一类食品。随着研究工作的日益深入，已证实具有特殊保健功能的功能性因子愈来愈多，其中低聚糖（寡糖）和短肽（寡肽）占有重要的地位。

目前已证实具有特殊保健功能的低聚糖主要有低聚果糖、低聚木糖、低聚异麦芽糖、低聚半乳糖和低聚氨基葡萄糖等，其中有些已产业化规模生产，下面介绍几种具有特殊保健功能的低聚糖。

低聚果糖又称为寡果糖或蔗果三糖族低聚糖（图3-27），其中分子式为G-F-F_n，n=1～3（G为葡萄糖，F为果糖），它是由蔗糖和1～3个果糖基通过β-2，1-糖苷键与蔗糖中的果糖基结合而成的蔗果三糖、蔗果四糖和蔗果五糖组成的混合物。它是利用微生物或植物中具有果糖转移活性的酶作用于蔗糖而得到。

低聚果糖具有优越的生理活性：①能被大肠内对人体有保健作用的一种菌—双歧杆菌选择性利用，使体内双歧杆菌数量大幅度增加；②很难被人体消化道酶水解，是一种低热量糖；③可认为是一种水溶性食物纤维；④抑制肠内沙门氏菌和腐败菌的生长，促进肠胃功能；⑤防止龋齿。低聚果糖存在于人们经常食用的天然植物如香蕉、蜂蜜、球葱、大蒜、番茄、芦笋、菊芋和麦类中。然而作为一种新型的食品甜味剂或功能性食品配料，低聚果糖主要是采用含有果糖转移酶活性的微生物生产。能催化蔗糖产生低聚果糖的酶为β-D-果糖基转移酶（β-D-Fructosyl transferase），文献上也将微生物生产的具有此活力的酶称为β-D-呋喃果糖苷酶（β-D-Fructofura nosidase），生产此酶的微生物有米曲霉和黑曲霉等。

低聚木糖产品的主要成分为木糖、木二糖、木三糖及少量木三糖以上的木聚糖，其中木二糖为主要有效成分，木二糖含量越高，低聚木糖产品质量则越高。木二糖是由两个木糖分子以β-1，4-糖苷键相连而成（图3-28），甜度为蔗糖的40%。

低聚木糖具有较高的耐热性和耐酸性，在pH2.5～8.0的范围内相当稳定，在此pH范围内经100℃加热1h，低聚木糖几乎不分解。木二糖和木三糖属不消化但可发酵的糖，因此是有效的双歧杆菌增殖因子，它是使双歧杆菌增殖所需用量最小的低聚糖。除上述特性外，低聚木糖还具有黏度较低，代谢不依赖胰岛素（可作为糖尿病患者食用的甜味剂）和抗龋齿等特性。

低聚木糖的生产技术包括从玉米芯、棉子壳以及蔗渣等原料中提取木聚糖和木聚糖的酶法水解两部分，它可通过内切木聚糖酶水解木聚糖得到。许多丝状真菌都产木聚糖酶，但往往不止产一种酶，如还产β-1，4-木糖苷酶。β-1，4-木糖苷酶会水解木二糖为木糖。因此筛选产木聚糖酶酶活高而β-1，4-木糖苷酶酶活低的菌株对于酶法生产低聚木糖是极其重要的。图3-29所示为推测的植物木聚糖结构和微生物木聚糖酶对它的作用点。

甲壳低聚糖是一类由N-乙酰-D-氨基葡萄糖或D-氨基葡萄糖通过β-1,4-糖苷键连接起来的低聚合度水溶性氨基葡聚糖，其结构式见图3-30。由于分子中有游离氨基，在酸性溶液中易成盐，呈阳离子性质。随着游离氨基含量的增加，其氨基特性愈显著，这是甲壳低聚糖的独特性质，而许多功能性质和生物学特性都与此密切相关。

甲壳低聚糖具有如下的生理活性：它能降低肝脏和血清中的胆固醇；提高机体的免疫功能，增强机体的抗病和抗感染能力；具有强的抗肿瘤作用，聚合度5～7的甲壳低聚糖具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；甲壳低聚糖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；亦可使乳糖分解酶活性升高以及防治胃溃疡，治疗消化性溃疡和胃酸过多症。

甲壳低聚糖可采用盐酸将壳聚糖水解至一定的程度，然后经过中和、脱盐以及脱色等步骤制得，其聚合度为1～7。也可采用壳聚糖酶（Chitinase）水解壳聚糖再经分离和纯化制备甲壳低聚糖。目前用微生物方法生产的壳聚糖酶的活力偏低，因此其产业化应用受到一定限制。

低聚半乳糖，又称转移半乳糖基低聚糖。通过对母乳哺养婴儿的肠道微生物菌落研究认为：婴儿肠道中双歧杆菌的性质应归结于母乳中的低聚糖。

低聚半乳糖是含有半乳糖基并由2～6个单糖组成的低聚糖，它是通过半乳糖基转移酶作用于含有半乳糖的物质如乳糖而获得，其反应过程如下：

三、环状低聚糖（环糊精）

环状低聚糖是一类比较独特的碳水化合物，它是由D-吡喃葡萄糖通过α-1，4-糖苷键连接而成的环糊精，分别是由6、7、8个糖单位组成，称为α-环糊精、β-环糊精、γ-环糊精，其结构见图3-31。通过X射线结晶学研究得到环糊精形状和几何参数如图3-32所示。环糊精结构具高度对称性，分子中糖苷氧原子共平面，是环形和中间具有空穴的圆柱结构。在β-环糊精分子中7个葡萄糖基C6上的伯醇羟基都排列在环的外侧，而空穴内壁则由呈疏水性的C—H键和环氧组成，使中间的空穴为疏水区域，环的外侧则亲水。由于中间具有疏水的空穴，因此可以包合脂溶性物质如风味物、香精油、胆固醇等，并作为微胶囊化的壁材。