低聚半乳糖的制备和应用进展
本文对目前低聚半乳糖制备的五种方法，天然原料提取、天然多糖酸解、化学合成法、酶法及微生物发酵法进行了较为详细的介绍，同时也对低聚半乳糖在食品和医药行业中的应用进展进行了总结。
一．引言
低聚半乳糖（Galacto-OligoSaccharidcs，GOS）是一类在乳糖的半乳糖基一侧连接上1个或多个半乳糖分子的的结合寡糖，分子式为（Galactose）n-Ghrcose，半乳糖之间可以β（1→3、4、6）等键相结合，以β（1→4）键为主。动物的母乳中含有稍高浓度的GOS，是一种具有天然属性的功能性低聚糖[1]；GOS具有出色的保水力和极强的酸热稳定性；GOS不但可选择性的促进双歧杆菌等益生菌增殖，抑制有害菌的代谢，利于B族维生素、烟酸和叶酸的生成，而且能有效刺激肠道蠕动，增加粪便湿润程度，减少和防止便秘的发生，还能够能够促进肠道对钙、镁和钾的吸收，防止骨质疏松[2]，因而GOS已经成为一种非常优质食品和饮料加工业的食品添加剂。
二．低聚半乳糖的制备进展
GOS因其具有出色的理化和生物性能，成为国内外众多研究者关注的焦点，如何针对不同需求和基于经济考量来选择合适的制取方法亦成为一个研究热点，到目前为止GOS的制备方法主要有以下五大类：
1天然原料提取、酸解和化学合成法、
天然原料中低聚半乳糖浓度超低，且无色和不带电荷，很难分离提取到。天然多糖酸解的产率低，产物极其复杂，高纯度产品不易获得。化学合成法不可避免用到大量有毒易残留化学试剂，合成时还需要引入多步羟基保护反应和去保护反应，步骤繁琐，得率低，生产成本高，而且存在环境污染、副产品得率高和分离纯化难度大等问题，因此主要限于新型低聚糖的物化特性研究。
2.酶法
酶法合成GOS主要以高浓度乳糖或乳清为原料，由β-半乳糖苷酶催化完成。β-半乳糖苷酶除能将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖外，还能通过转半乳糖苷合成GOS。β-半乳糖苷酶的来源十分广泛，如植物、细菌、霉菌、酵母和动物肠道[3]。考虑到食品中酶残留的安全性因素，一般以A.niger，A.oryzae，K.lactis及K.fragile等微生物作为酶源。因酶来源广泛，价格便宜，且原料充足，工艺成熟，酶法已成为目前工业化生产GOS的最优方法。
2.1游离酶法
KanT报道了用米曲霉β-半乳糖苷酶制备GOS的方法：乳糖浓度50-90%，温度55-83℃，自然PH值，如：沸水浴制取80%（w/v）乳糖溶液，冷却至65℃后，加入β-半乳糖苷酶，反应4h，低聚糖的转化率可达到31%[4]。而Komika利用嗜热菌（Thermussp）β-半乳糖苷酶，乳糖初始质量分数为30%，反应温度70℃，PH值为7.0，反应若干小时，低聚半乳糖的得率则为40%[5]。陕西科技大学的范金波、许牡丹和毛跟年等利用米曲霉以乳清为底物进行了研究，实验结果显示最佳条件为：乳清粉浓度为35%，温度55℃，PH为5.5，加酶量为500U/g（乳清粉），最佳条件下GOS得率可达到30.5%。
2.2非水相酶法
GOS的合成是利用水解的逆反应转半乳糖苷制得的，反应体系中水的存在会引起乳糖水解反应，导致GOS的生成减少，因此，降低水的浓度能使GOS的产量增加，非水相酶反应体系就是基于此提出的。但是为了维持酶的构象防止其活性下降，需要合理地控制有机相和水相的比例。1994年，韩国的Hyun-JaeShin等人研究表明95%（v/v）环己烷/5%水的反应体系与游离酶反应体系相比，低聚半乳糖得率从38%提高到45%[6]。归莉琼等分别对5%水/95%（体积分数）环己烷和20%水/80%（体积分数）乙酸乙酯的两相体系进行了研究，发现合成低聚半乳糖的效率比纯水相中高。
2.3固定化酶连续法
固定化酶在非水溶性的载体上被固定后，可引起一定立体障碍，低聚糖分子较大，酶与之结合困难，因此低聚糖不易被酶作用而降解。以脱盐乳清粉为原料，陕西科技大学的范金波，许牡丹和毛跟年等选用固定化米曲霉乳糖酶对GOS进行催化合成，能明显提高GOS的合成率。优化后的最佳工艺条件为：PH5.0，乳清粉浓度50%，乳糖酶量40U/g，温度55℃，反应时间36小时，在此条件下GOS的合成率为29.78%。天津科技大学用海藻酸钠-明胶凝胶包埋法制备固定化β-半乳糖苷酶，当乳糖质量分数为41.5%，加酶量为0.14%，反应时间为0.98h，温度55℃时，GOS得率为41.4%。
3微生物发酵法
ShinH-H等人[7]采用细胞发酵的方法，将5ml细胞悬浮液接种于45ml培养基中（乳糖40%，PH值6.0），30℃下往复振荡器上无菌培养60h，产生232mg/ml的低聚半乳糖，低聚糖的产率达到64%，这在目前所报道的低聚半乳糖的产率中是最高的。细胞固定化技术是利用物化手段将游离细胞定位于限定的空间区域并使之保持活性并可反复使用的一种技术，目前在合成GOS的领域内异常活跃。魏东芝和王筱兰固定嗜热脂肪芽孢杆菌，以乳糖为底物，在纤维床反应器中连续合成GOS，最高得率为50.7%。
三．低聚半乳糖的应用进展
低聚半乳糖具有独特理化性质和卓越的生理功能，在食品和医药中具有广泛的应用。
3.1低聚半乳糖在食品工业中的应用
GOS广泛地应用于烘培食品、乳制品、糖果、果酱、清凉及保健饮料、糕点、调味品中。例如因GOS与乳糖结构更相似，可添加到冰激凌原料中以防止乳糖结晶析出[8]。内蒙古伊利集团的一项“含低聚半乳糖和膳食纤维的液态乳制品及其制备方法”的专利中，提到了一种同时添加低聚半乳糖和膳食纤维的乳制品，其成功地解决了添加上述物质后的货架期稳定性问题，而且所提供的产品具有营养，安全，对肠道健康等特性。应用于焙烤食品不仅能改善食品风味、质地及色泽，还能因为其低能量减少肥胖症的发生[9]。
3.2低聚半乳糖在保健品中的应用
婴幼儿配方奶粉中添加GOS，可以促进婴幼儿肠道健康并增强其强抵抗力。
据报道，出生6-7天的人工喂养婴儿使用含3.6-9g/LGOS的奶粉，连续喂养28天，试验组婴儿肠道内双歧杆菌和乳酸菌的数量显著高于对照组，其粪便湿润度和排便次数亦较对照组增加，GOS的添加还进一步提高了婴幼儿对配方奶粉的生理耐受性。随着年龄的增长，肠道有益菌明显下降导致中老年便秘[10]，患有便秘的老年病人每日摄食15gGOS，并同时摄食短双歧杆菌，能建立正常的排便习惯。对于有便秘症状的糖尿病人的研究结果表明，摄食低聚半乳糖后，便秘现象缓解[11]。
3.3低聚半乳糖在现代医药中的应用
微生态制剂对肠胃病的治疗效果明显优于抗生素已成为其首选药物，由于GOS能被肠道内所有的双歧杆菌利用，而有害菌几乎不能加以利用，所以肠道疾病的患者服用低聚半乳糖，能大大缩短疗程，避免服用药物产生的毒副作用[12]。荷兰祖特梅尔申请了一项专利---含有免疫球蛋白和低聚糖的营养组合物，其中的低聚糖即为GOS，而向婴儿肠道内给予含有半乳寡聚糖的营养物可用于降低感染的几率和/或严重性，特别是对于呼吸道感染。GOS还能应用于中药中，公开号101209269的专利中提供了GOS改良传统膏滋制作的新应用，传统方法制作的膏滋成分复杂，含糖量高，以致久服易影响肠胃功能，产生高血糖和导致体重增加等缺点，而在膏滋制作中采用GOS，使膏滋质量稳定，热值低，口感良好，调节肠胃功能。
四．展望
在我国，GOS目前只有少量生产工艺相关的报道，而且主要为实验室研究，产业化水平较低，还未形成规模，主要原因是有两个，一是GOS分离纯化成本太高，二是缺乏性能优良的β-半乳糖苷酶，都制约着GOS产业在我国的发展。现在国内外市场上的低聚半乳糖产品基本上都是用生物酶法合成，因酶源性质不同等因素的差别，反应得到的低聚糖的收率大不相同，同时溶液中还存在相当数量的乳糖、少量葡萄糖和极少量的半乳糖大大降低了低聚半乳糖的生理功效和适用对象的数量，因此加强对GOS产品分离提纯方法的研究以及运用生物技术使β-半乳糖苷酶纯度更高，活性更强，具有很高的经济价值和科研意义。
低聚半乳糖是以乳糖为原料的寡糖类混合物，具有许多其他糖类不可比拟的优点，更被誉为母乳益生元，目前国内低聚半乳糖的主要应用领域为高端婴幼儿配方食品，尤其是高端婴幼儿配方奶粉，随着健康理念的传播、GOS开发研究的不断深入，加之我国原材料的丰富，消费市场的无限潜力，相信低聚半乳糖将具有良好的市场前景。
参考文献：
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