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D-阿洛酮糖的功能特性及其生物合成研究进展
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(廊坊梅花生物技术开发有限公司,河北 廊坊 065001)
D-阿洛酮糖(D-psicose/D-allulose)是一种稀有糖,自Itoh等[1]首次报道以来已有近30年历史。D-阿洛酮糖具有蔗糖70%的甜度,可与食物中的氨基酸或蛋白质发生美拉德反应,改善食物色泽,且其提供热量较少,仅相当于同等质量蔗糖的0.3%[2],不会给人体带来额外的消化负担,对人体不构成健康威胁。2011年8月,美国食品与药物管理局(FDA)确定D-阿洛酮糖为普遍公认安全食品(Generally regarded as safe,GRAS),可作为食品或食品添加剂的组成成分[3]。
D-阿洛酮糖已陆续在日本、韩国、美国和澳大利亚等国家批准上市,其市场规模在不断增加。目前,我国与欧盟正在受理D-阿洛酮糖作为新食品原料的申请,预计可在2024年前获批。随着获批国家的增多,D-阿洛酮糖的市场规模也将保持快速增长,在未来有望替代食品工业中常规糖分所占据的广阔市场,在提高人们营养健康水平方面发挥积极作用。
1 D-阿洛酮糖特性
1.1 D-阿洛酮糖简介
D-阿洛酮糖是一种稀有糖,分子式为C6H12O6,分子量为180.16,它是D-果糖的C-3位差向异构体,D-果糖的分子结构式为
D-阿洛酮糖纯品为白色粉末状晶体,极易溶于水,可溶于甲醇和乙醇,不溶于丙酮,自然界中D-阿洛酮糖分布极少,可见于少部分植物和少数细菌中。此外,D-阿洛酮糖也出现在各种人工制作食品中,如水果干、果酱和糖制品等,这些食品一般都有高糖的特点,D-阿洛酮糖在各类食品中的质量分数与生产过程中的温度和加热时间密切相关[4]。D-阿洛酮糖的分子结构式为
1.2 阿洛酮糖功能特性
1) 高甜度与低能量
虽然D-阿洛酮糖可同等程度地满足消费者对甜味的味觉需求,但是其仅提供相当于同等质量蔗糖0.3%的热量,可作为食品中蔗糖最理想的替代品。对大鼠连续喂食D-果糖、蔗糖与D-阿洛酮糖20 d后,喂食阿洛酮糖的大鼠体重增加量最小,能量计算结果显示D-阿洛酮糖提供的有效能量几乎为0,意味着D-阿洛酮糖产生的能量最低[2]。
2) 抑制血糖升高
多项研究证明D-阿洛酮糖具有降血糖的功效。分别以蔗糖、麦芽糖和可溶性淀粉喂食大鼠,同时喂食少量D-阿洛酮糖或果糖,结果发现D-阿洛酮糖能够显著抑制由蔗糖和麦芽糖引起的血糖升高,对于可溶性淀粉引起的血糖升高作用并不明显。进一步的研究发现D-阿洛酮糖能抑制肠道蔗糖酶和麦芽糖酶活性,降低肠道对这两种糖类的吸收,达到抑制血糖升高的效果[5]。单独服用D-阿洛酮糖(7.5 g)也不会引起血液中血糖与胰岛素水平的变化[6]。D-阿洛酮糖还可抑制餐后血糖水平的升高,可作为临界型糖尿病患者的辅助治疗剂,在连续摄入D-阿洛酮糖12周后没有观察到任何副作用或不良反应[7]。
3) 降低脂肪积累
肥胖与高热量和高糖分食物的摄入息息相关,D-阿洛酮糖甜味剂不仅几乎不提供任何热量,而且能降低小肠对蔗糖、麦芽糖等糖类的吸收速率以及生物体内脂肪合成酶的活性,提高脂肪氧化酶表达水平,通过抑制脂肪合成速率和提高脂肪分解速率而有效控制体重,治疗肥胖[7-8]。
4) 安 全 性
作为一种主要应用于食品领域的甜味剂,D-阿洛酮糖的安全性至关重要。为了验证D-阿洛酮糖的安全性,有研究者对大鼠进行了长达18个月的D-阿洛酮糖口服毒性研究,长期给予大鼠D-阿洛酮糖饮食后,除大鼠肝脏和肾脏的相对重量有所增加外,未观察到其他异常情况,随后肝脏和肾脏组织的病理学观察结果显示这两种器官未出现因摄入D-阿洛酮糖而产生的异常[9]。
2 D-阿洛酮糖的制备
自然界中天然存在的D-阿洛酮糖极少,部分植物与细菌中含有少量的D-阿洛酮糖。目前,D-阿洛酮糖的大规模获取主要来自于人工合成,主要有化学合成与生物合成两种方式,化学合成法存在产量低、副产物多和产物分离困难等问题,生物合成法则更为环保,副产物少,更利于后续产物的分离纯化。根据生物合成D-阿洛酮糖所需要原材料的不同,其生物合成途径有:1)D-果糖通过异构化反应生成D-阿洛酮糖;2) 以葡萄糖为原料,先由葡萄糖异构酶或木糖异构酶获得D-果糖,再由DTE或DPE催化D-果糖获得D-阿洛酮糖;3) 由阿洛醇通过氧化还原反应得到D-阿洛酮糖。
2.1 D-果糖异构化生产D-阿洛酮糖
2.1.1 异构化酶的筛选及来源
通过生物酶催化将D-果糖异构化为D-阿洛酮糖是目前大部分生物法生产D-阿洛酮糖的基础,D-果糖异构化生产D-阿洛酮糖的途径如图1所示。这些生物酶主要有D-塔格糖3-差向异构酶(D-tagatose 3-epimerase,DTE)和D-阿洛酮糖3-差向异构酶(D-psicose 3-epimerase,DP
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