甜菜粕生产果胶低聚糖的研究概况

董 花，谢天全

(1.甘肃省武威市凉州区农产品质量安全监督管理站，甘肃 武威 733000；2.甘肃省武威市凉州区黄羊镇农业技术服务站，甘肃 武威 733000)

0 引言

果胶(pectin)是由一些具有很多分支的同型异质的多聚半乳糖醛酸构成的多糖物质，广泛存在于高等植物的根、茎、叶和果实等组织器官的细胞壁和细胞间区域[1]。低聚糖(oligosaccharide)又称寡聚糖，是由2～10个单糖通过糖苷键连接形成的直链或支链的低聚合度糖类物质[1-2]。果胶低聚糖(pectin oligosaccharides，POS)又称低聚半乳糖醛酸，是果胶发生解聚作用后的低分子质量低聚糖产物，2～20个半乳糖醛酸通过α-1,4-糖苷键连接而成的一类新型的益生元[1-3]。POS主要来源于苹果、甜菜、柑橘、向日葵、山楂、橄榄、芒果、核桃、马铃薯、豆类、洋葱等农产品加工废渣中[1-2]。

POS是一种新型的益生元，很多研究者对其加工处理和各种生理活性进行了研究探索[1-4]。甜菜粕(sugar beet pulp，SBP)是甜菜制糖工业的副产品，是一种复合多糖，具有很高的果胶含量[5]。利用SBP生产益生元是一种新的、经济可行的方法[4]。益生元是一种大部分不被消化而能被肠道益生菌进行发酵的成分，即肠道中益生菌的“食物”。阿拉伯低聚糖(AOS)广泛存在于SBP之中，开发AOS的益生元功能将显著提高SBP的附加价值[6]。低聚糖的生产纯化及其功能活性已成为国内外相关研究的热点，这些研究多集中在低聚果糖(FOS)、低聚木糖以及低聚半乳糖等方面[1]；在国内进行了柑橘[3]、苹果和向日葵[7]等生产POS的少量研究，而国外SBP的开发研究在甜菜上是研究热点之一[8]，进行了大量的SBP生产POS开发研究[4-6，9-25]，而国内在此方面却未见报道。随着人们健康饮食意识的提高，对功能性低聚糖的消费需求也在逐渐增长；在我国甜菜糖业发展一直很不稳定的形势下，有必要了解并加深SBP等副产品开发高附加值产品的研究，对我国甜菜糖业的新产品开发、效益的增加无疑有一定的参考和借鉴意义。

1 甜菜果胶及其低聚糖特性

1.1 甜菜果胶

SBP是制糖工业的副产品，果胶是其重要组成成分。SBP的干基主要由22%～24%(wt)纤维素、30%半纤维素、15%～25%果胶多糖、1.4%脂肪、10.3%蛋白质、3.7%灰分和5.9%木质素组成[5]。果胶的结构是由“光滑”的同聚半乳糖醛和分支的“毛状”鼠李糖半乳糖醛区(大部分中性糖位于该区域)构成的[26]。已鉴定出4个主要的果胶组分：同聚半乳糖醛酸(HG)、鼠李糖醛酸聚糖I(RG-I)、鼠李糖醛酸聚糖Ⅱ(RG-II)和木糖聚半乳糖醛酸(XG)。所有这些果胶成分都是通过共价或离子交联连接起来的，最丰富的果胶多糖HG是含有α-1,4-键的半乳糖醛酸残基，在果胶占65%以上[27]。HG和RG-I组分的长度和数量可能因植物而异[2]。在甜菜果胶中，HG聚合物的长度小于柑橘和苹果的果胶长度；另一方面，RG-I在SBP中的含量比柑桔和苹果丰富[28]。RG-I有许多以糖和分支低聚糖的形式附在骨架上的侧链，这些侧链的长度可以改变；RG-II是一种结构复杂的果胶，占果胶的10%以上，其构成部分是半乳糖醛酸、鼠李糖、半乳糖和不常见的中性糖[28-29]。HG的直链较短、乙酰化程度高、侧链浓度高(含中性糖)，是甜菜果胶凝性能较差的原因之一[13]。

1.2 甜菜果胶低聚糖

甜菜果胶低聚糖被认为是一类潜在的益生化合物，是果胶发生解聚作用后的低分子质量低聚糖产物。果胶多糖可降解为POS，机体不能消化吸收FOS、低聚半乳糖、低聚木糖等低聚糖，但它们能促进肠道菌群的生长，被称为功能性低聚糖[10]。AM Combo等采用高效液相法对经内聚半乳糖醛酸内切酶和果胶甲酯酶水解甜菜果胶制得的3种POS进行了测定，经过色谱分析，POS是由不同分子量、不同半乳糖醛酸含量的聚合物组成[11]。最常见和最著名的POS是阿拉伯半乳糖低聚糖、阿拉伯木糖低聚糖、阿拉伯低聚糖(AOS)、半乳糖低聚糖(GOS)、低聚半乳糖醛酸和鼠李糖半乳糖醛酸低聚糖[9]。SBP细胞壁含有一些与果胶中性侧链相连的阿魏酰基，酶解和化学水解可制得一系列阿魏酰化低聚糖，侧链中的阿拉伯糖和半乳糖残基都是阿魏酰化的，50%～55%的阿魏酰基与阿拉伯糖残基相连，45%～50%的阿魏糖残基与半乳糖残基相连。在SBP中，56个阿拉伯糖残基中有1个含有阿魏酰基，16个半乳糖残基中有1个作为果胶侧链存在[12]。

2 甜菜果胶低聚糖制备法

SBP是一种合适的原料可获得多种具有生物活性的非消化低聚糖(NDO)，如低聚半乳糖醛酸、AOS和GOS[4]。从富含果胶的SBP中提取益生元的生产，是指将果胶的长链聚合物切割成低聚糖，同时避免形成单糖[13]。人们就甜菜POS的物理法、化学法和酶促法3种制备方法进行了大量的研究和探讨，根据加工原理和对环境的友好程度，果胶降解制备低聚糖的方法较有前途的是物理法和酶促法[1-2]。

2.1 物理法

物理法具有成本低廉和环境友好的优点，有很多研究者探索通过物理法降解果胶制备POS。SBP经水热处理、膜过滤精制、冻干后制得POS混合物，这种冻干产品水溶液在半制备规模上使用离子交换柱进行分馏[1-2]。研究表明，聚合度较宽的有AOS、低聚半乳糖醛酸和鼠李糖半乳糖醛酸低聚糖-Ⅰ[14]。为了获得果胶衍生低聚糖，M Martínez等对SBP样品进行了非等温静水热加工。试验温度160～175℃(相当于在287～835 min范围内的裂炼深度因数R0值)导致低聚半乳糖醛酸和AOS的浓度较高，当SBP处理达到160℃(R0=287 min)或163℃(R0=357 min)时，反应液中两种低聚物的总量分别为31.2和29.9 g/100 g干SBP，不挥发杂质含量有限(约0.15 g/g DM)，AOS与低聚半乳糖醛酸的质量比约为1∶1。用水清洗废固体，并对洗涤液进行低聚物分析，回收洗液可使产量提高10%，接近33 g/100 g干SBP，洗涤后的固体(纤维素含量增加)是一种工艺副产品[15]。N Sato等以甜菜纤维为原料，研究了阿魏酸酯化的AOS和阿魏酸化阿拉伯低聚糖(FA-AOS)的高效生产工艺。在水热反应温度为160℃～180℃、反应时间为5～15 min的条件下，甜菜纤维58%～63%(wt)发生增溶反应。在可溶性组分中，已检测到半乳糖和阿拉伯糖及其低聚物。值得注意的是，由阿魏酸和AOS或GOS组成的各种特征糖苷都是从甜菜纤维中果胶的阿拉伯聚糖或半乳糖侧链中得到的。在160℃、12 min时，AOS和FA-AOS的总收率达到84%。在甜菜纤维中，通过水热处理几乎所有的阿魏酸都被回收为阿魏酸的低聚糖酯，如AOS或GOS[16]。水介质分馏是一种环境友好的技术，适用于从果胶和半纤维素中获得低聚产物。SBP样品在非等温条件下经水处理最高温度可达140～200℃，从而使果胶转化为分子量较小的可溶性物。SBP经非等温的水处理，得到了由其它结构单元组成的AOS、低聚半乳糖醛酸和其它低聚物的混合物。根据模型预测，最大AOS产量(15.7 g/100 g SBP)是处理温度为171.5℃，最大低聚半乳糖醛酸产量(14.1 g/100 g SBP)是处理温度158.2℃；在这两种情况下，低聚糖类的总收率接近30 g/100 g干SBP，而在158.2℃条件下可获得高纯度的低聚糖混合物。根据操作条件的不同，在水介质中进行SBP处理可以得到不同组分的低聚物[17]。

2.2 酶促法

普通化学合成法难以获得复杂结构的特定低聚糖，而酶催化反应具有立体特异性、水解条件温和、水解过程易于控制、成本低而且环保等诸多特点，可大量合成低聚糖，因此酶法水解果胶获得POS是目前的研究热点[1，30]。可作为食品添加剂的低聚木糖、低聚半乳糖等活性低聚糖都是经酶法水解获得[30-31]。果胶酶是各种能够分解果胶类物质的酶类，该类酶可分为酯酶和解聚酶，解聚酶又分为水解酶和裂解酶。目前，微生物是果胶酶的主要来源，果胶酶产量较高的微生物是霉菌、酵母菌及少数细菌，主要为曲霉和杆菌，食品级果胶酶多来源于黑曲霉[1-2，30-31]。研究认为获得特定结构和聚合度(DP)的POS与所使用果胶酶的水解特性和果胶原料的结构特征密切相关[1]。OJ Concha等为了从SBP中提取富含半纤维素的固体提取物，研究了果胶分解酶的酶促解聚工艺。两种酶制剂(Rohapect DA6L和Macer 8 FJ)均能获得丰富的半纤维素组分，而Rohapect DA6L则表现出较高的POS释放量(果胶去除率为94.9%)。固体残渣中含有30.6%的半纤维素、25.95%的纤维素、12.1%的木质素、0.83%的果胶和4.86%的蛋白质，水解物中的总碳水化合物和还原糖分别为143.5和5.24 g/L。红外光谱测定表明，提取的果胶与低甲氧基果胶相对应。酶法处理SBP(商用果胶酶)可用于回收富含半纤维素的POS和固体组分等有价值的副产物[18]。Agnieszka Wilkowska使用商用酶包括多聚半乳糖醛酸酶、果胶裂解酶、果胶甲酯酶、阿拉伯酶和纤维素酶，采用高效阴离子交换色谱法对不同聚合度(DP)的低聚糖进行了评价。结果：得到的低聚糖形态受酶解时间的影响，较高的寡聚物被水解成分子量较小的分子。以阿拉伯木聚糖酶为原料，酶解得到的低聚糖(DP 1～10)浓度最高，是生产低聚糖最有前途的方法[4]。N Babbar等研究旨在开发一种两步连续生物催化膜反应器(MER)，用于SBP连续生产POS，其中转化与分离相结合。通过在反应器中稀释(10 RT、20 RT和30 RT)和未稀释(30 RT，40 RT和60 RT)底物测试不同停留时间(RT)，确定了POS/单糖的比例、工艺的稳定性和生产效率。结果表明，稀释底物的最稳定工艺分别为20 RT和30 RT，未稀释底物为40 RT和60 RT。20 RT(稀释底物)和40 RT(未稀释底物)的最高容量和最大产率分别为20 g/(L·h)和11 g/(gE·h)，17 g/(L·h)和9 g/(gE·h)。在这些实验条件下，20 RT稀释底物的POS成分为80%，40 RT(未稀释底物)的POS成分为70%。MER用于POS的连续生产具有广阔的应用前景。虽然20 RT(稀释底物)和40 RT(未稀释底物)这两个过程的结果最好，但在工业应用中，使用未经稀释的底物更好[13]。传统上，POS是从富含果胶的副产品中采用两步提取果胶再水解成POS的方法生产的，直接从原材料中生产POS的一步方法可能会大大地提高生产效率。N Babbar等研究了一步酶解法从SBP中直接产生POS的方法，考察了工艺参数和原料特性对POS产率的影响。在135 g/L底物浓度、0.75 FPU/g SBP酶浓度、0.8 mm粒径和3 h水解时间下，验证了模型的正确性。在此条件下(酶添加量为20 FPU/g DM)，得到了含有阿拉伯低聚糖、半乳醛酸低聚糖、半乳糖低聚糖、木糖低聚糖和鼠李糖低聚糖的水解液，浓度分别为15.2、13.2、5.1、1.4和0.9 g/L[19]。M Martínez等研究证明用纤维素酶和果胶酶的混合物直接酶法水解SBP生产果胶寡聚体，产率较高[20]。FA-AOS是一种具有较强抗氧化活性的阿魏酸被酯化而成的阿拉伯糖苷，由SBP可通过关键糖水解酶-内切阿拉伯聚糖酶(ABN)选择性切割细胞壁多糖中的阿拉伯聚糖链而产生[21]。

3 果胶低聚糖的功能活性

低聚糖所带来的健康影响使它们成为“功能性食品”的活性成分，这些成分与传统食物相似，作为正常饮食的一部分而食用。POS的益生元效应取决于各组分的分子量，即多聚和低聚果胶的大小[23，26]。

3.1 促肠道有菌生长、抑制致病菌

一些研究表明果胶衍生化合物具有促进健康的作用，有选择地增加细菌生长和益生菌如双歧杆菌和乳酸杆菌菌株的活性[23]。POS是一种不可消化的低聚糖，它通过选择性地刺激结肠中一种或一定数量的细菌(双歧杆菌和乳酸菌)的生长或活性，对宿主产生有益的影响，POS抑制肠腐败和致病微生物的活性[32]。J Holck等人报道，SBP中的长链AOS比短链AOS具有更大的双歧效应；人粪便样品体外微生物发酵显示，阿魏酸化和非阿魏酸化长链AOS对双歧杆菌的选择性刺激程度与益生元(FOS为对照)一样，没有一个组分能刺激难辨梭菌在单一培养环境中的生长。从SBP中提取的具有潜在生物活性的FA-AOS，以及相对长链的AOS可能具有更大的双歧作用[22]。

MA Al-Tamimi等用一种商品化果胶酶水解甜菜阿拉伯聚糖，用凝胶过滤层析法分离出不同分子量的8个组分。利用肠道细菌对水解组分阿拉伯糖、AOS和FOS进行了发酵。用荧光原位杂交法对总细菌、双歧杆菌、细菌、拟杆菌、乳酸菌和产气梭菌/溶组织菌进行了计数。结果表明：双歧杆菌受不同程度分子量的刺激，即在较低分子量组分48 h后双歧杆菌最大增殖；乳酸杆菌的波动取决于初始接种量；拟杆菌的数量因组分而异，AOS、阿拉伯糖和较高的低聚糖(DP>8)在24 h后显著增加；只有DP 1～2的碳水化合物在48 h时显著增加；梭菌在所有底物上均呈下降趋势。从上述结果看出：AOS可以被认为是潜在的益生元[6]。采用体外发酵法和荧光原位杂交法，测定SBP果胶低聚糖(SBPOS)、柠檬皮(LPOS)与商用FOS的适宜性，结果，LPOS、SBPOS和FOS培养的双歧杆菌和乳酸杆菌的联合种群分别从19%上升到29%、34%和32%。在含有低聚糖的培养基中，有机酸的浓度最高，证实了POS比果胶具有更好的益生性，与FOS相似或更好[24]。POS对致病菌或毒素具有抵抗作用，显著抑制细菌侵袭[29]。

3.2 抗癌活性

POS能够保护结肠细胞免受志贺氏菌(Shigella)毒素的侵害，预防粘附性真菌致病性微生物，促进人结肠腺癌细胞凋亡，半乳糖寡聚体对肿瘤生长和转移有抑制作用[29]。某些果胶衍生的低聚糖可减少大肠杆菌Shiga毒素在人结肠腺癌细胞受体中的结合，诱导人结肠腺癌细胞和前列腺癌细胞凋亡，抑制多种类型癌症的增殖以及抗氧化效应和增加尿中有毒金属的排泄量[23]。益生元POS的结肠发酵导致产生短链脂肪酸(SCFA)，起到有益于健康的作用，抑制致病菌，缓解便秘，改善矿物质吸收，降低结肠癌的发病率和调节免疫[2]。用含有甲基酯化的HG和RGI低聚糖的相同果胶低聚糖组分也能抑制大肠杆菌与人结肠腺癌细胞的粘附[33]。

3.3 抗氧化活性、降血脂、血糖

FA-AOS由于有益于肠道健康、抗氧化和抗炎活性等功效，在健康食品和饲料应用中有潜力。游离阿魏酸容易在胃中被吸收，阿魏酸与更大的AOS相连，可到达结肠，因此，FA-AOS可以一种新的方法为结肠提供高抗氧化活性[21]。果胶寡糖也被证明具有抗氧化活性，并具有显著降低血清总胆固醇和甘油三酯水平的作用，POS通过降低血糖反应和血液胆固醇水平来调节血脂和葡萄糖代谢[34]。

3.4 其他功能活性

POS也可预防和治疗各种慢性疾病，如便秘、肝性脑病[2]。POS还可作为植物的抗毒素诱导子、开花诱导剂和抗菌剂[29]。益生元作为食品成分，具有可接受的气味和低卡路里，在减肥饮食中发挥作用。

4 未来的工作与市场前景

综上所述，SBP中的果胶可以通过加工降解为低聚糖，低聚糖具有益生功能，通过SBP到低聚糖的转换实现甜菜制糖业副产品的再加工，从而提高甜菜制糖产业产品的附加值，获取更大的经济效益。果胶降解技术、低聚糖的分离纯化技术还不够成熟还不能适应工业化生产，需要进一步研究。为了获得利用价值较高的低聚糖还需要对果胶和POS的结构和功能进行深入的研究。为了扩大低聚糖的应用领域还需要对POS的生理功能活性进行深入研究，并继续进行系统的毒理学实验和安全性评价。

据Global Market Insights调查和全球产业分析家(GIA)数据显示，益生元市场规模在2015年达到了33.1亿美元，复合年增率达11.6%，欧洲和北美洲是益生元市场复合年增长率最高的地区，减肥因素是这一地区对益生元增长的重要推力；全球益生元市场预计到2018年将达到48亿美元(其中动物饲料市场需求量将达4.293亿美元)，到2022年将达到71.1亿美元，到2023年其市场规模将达75亿美元，人们对益生元的认可以及相关法规的支持都促进了益生菌市场的发展[2，35]。POS的提取纯化和生产潜力尚未完全实现，还不是商品，所以很难从经济角度预测它们对益生菌产业的贡献[2]，但是，人们认为很可能在未来几年对益生菌市场做出重大贡献。