随着糖链生物学功能的揭示与认识，糖生物学正成为一个新科学前沿，继基因工程、蛋白质工程之后，糖工程已成为最引人注目的新生物技术学科。功能性低聚糖作为新生理活性物质，在疾病诊断与防治、营养与保健、植物生长及抗病、畜牧养殖等方面的应用倍受关注，在国际上已经发展成为一个利用基因工程、蛋白质工程、糖工程等现代生物技术手段，并涉及医学、化学、工程等学科，应用于食品、医药、饲料、农业各领域的重要产业。  

功能性低聚糖的开发已开辟了许多新的工业应用领域，2002年全球的低聚糖产量已达到15万吨，创造了400亿美元的功能食品市场，100亿美元的功能饲料市场，而低聚糖药物展现了无限商机，低聚糖农药、低聚糖肥料同样引人注目，功能性低聚糖已成为全球生物技术产业中突出的亮点。我国具有低聚糖产业发展的特色与资源优势，在健康、农业、环境等领域压力需求的背景，应抓住机遇，充分跟进先进理论，大力发展自主技术，功能性低聚糖的研究及应用不仅有助于提高我国的学术地位，并将在我国形成新的明星产业。   

一、功能性低聚糖的生物学意义与应用价值   

糖、脂类、蛋白质和核酸是构成有机生物体的四大类化合物。其中糖是一类主要由C，H，O元素组成的化合物，在自然界中分布最广泛，含量最丰富，参与各种生理活动，有着广谱的化学结构和生物功能。现代生物学发展史中，对于糖的研究最早可以追溯到1891年EmilFischer对（+）一Glucose的右旋构型的证明，之后以对糖酵解和糖异作用的研究为代表的生物化学发展阶段是糖化学研究的鼎盛时期。但在此的几十年间，一方面，先是在蛋白质研究后，在核酸研究方面的巨大突破和迅速进展吸引了人们的注意力；另一方面，由于糖类本身在结构方面的复杂性和特殊性，使得对其进行分离、分析和合成都极端困难，研究手段上的落后制约了糖类研究快速发展，最终使对糖的研究仍局限于糖类的代谢以及其结构功能上，远远地落后于蛋白质和核酸。并且使人们形成了一种错误认识，即糖在生物体中的作用只是作为结构材料（如植物体的纤维素，动物体的几丁质等）和储能物质，并不参与对生命活动的调控。但近年来发现体内糖基化几乎对于所有蛋白质的活性以及各种物物过程中都是必需的，同时也发现许多天然生命活动中的地位。而从70年代以来，在糖类分离和结构分析等方面取得的重大突破也使糖类研究在近30年来得以快速发展，并由此诞生了一个新的分支学科——糖生物学（glycobiology）。低聚糖作为糖生物学中重要的研究对象，通过对其进行的多个方面的研究，人们已经对低聚糖的作用与意义有了初步的认识。

根据糖类物质的水解情况可以将其分类为单糖、低聚糖和多糖，单糖是不能再被水解成更小分子的糖，而单糖通过还原性末端的羟基与其它单糖的羟基形成糖苷键，就进而构成了有直链或支链结构的低聚糖或多糖。

1996年国家公布的《功能性低聚糖通用技术规则行业标准》中，规定的功能性低糖的定义为：

（1）功能性低聚糖是由2—10个相同或不同的单糖聚合而成；

（2）具有糖类某些共同的特性，可直接代替蔗糖，作为甜食配料，但不被人体胃酸、胃酶降解，不在小肠吸收，可到达大肠；

（3）具有促进人体双歧杆菌的增值等生理特性。

1986年由美国能源部资助，美国佐治亚大学建立了复合糖研究中心（CCRC），专门进行低聚糖结构的收集工作，到目前为止已记录了49，897个不同结构的低聚糖。低聚糖这种在结构上的复杂多样性一方面使在研究方法上对低聚糖的分离、分析、合成都有极端的困难；另一方面，也解释了低聚糖在生命活动中的功能多样性的结构基础，并暗示低聚糖可能是生物体中另一类携带有生物信息的载体，在其丰富的结构中隐藏着一个巨大的信息库，为生命活动提供有限的其因转译外的多产性。   

二、功能性低聚糖的发展状况  

低聚糖在国外风靡了几年以后，很快就被引人国内，在发酵行业掀起了一股不大不小的浪潮。近年来不少企业纷纷上马，生产能力3万吨／年左右，总设计能力超过5万吨／年。我国目前一些饮料、奶制品生产厂家正在使用低聚糖作为其产品的原辅料，生产出酸奶、饮料等，获得了较好的经济效益。但是对低聚糖的宣传上还不够普及，绝大多数的老百姓对低聚糖了解的甚少。  

低聚糖之所以被普遍看好，缘于它优异的生理功能，它是“双歧因子”，具有双歧杆菌增殖功能。可以说消费者对“双歧因子”的认知程度直接影响着低聚糖类产品的销售。据介绍，日本认识“双歧因子”生理功能的人数占国民总数的70％以上，而我国不到1％。  

业内人士普遍认为，这并不是没有市场，因为仅有1亿人口的日本能销售11000吨，12亿人口的中国市场应该更大，尤其是在人们普遍重视保健的今天，低聚糖是有市场优势的。但只有消费者对低聚糖的功能、特性以及对肠内细菌、双歧杆菌和功能性低聚糖三者关系认识提高后，才会根据需要积极选购低聚糖产品及添加低聚糖的功能食品。因此企业必须在增加生产的同时，采取多种形式开展普及“双歧因子”功能的知识。否则不断增多的生产企业只能在这块局限的市场中竞争，直接限制和阻碍这个很有前途的产品的发展。目前出现的低价倾销现象就说明了这一点。  

也有专家指出，对低聚糖生理功能片面夸大宣传的趋势也很值得警惕。低聚糖是一类物质的名称，其品种繁多。而不同品种其物化性能、生理功能亦有所差异，并不是所有的低聚糖都具有增殖双歧杆菌的作用。因而，不能够一提低聚糖就说是双歧因子的低聚糖，况且各个品种的增殖作用也不尽相同。有的每日一小汤匙（3－8克）已够，有的则需要数十克。另外，原料来源、生产方法或所用菌株的不同，都会对双歧杆菌的增殖效果有很大影响，因而应正确宣传低聚精的功能，才有利于整个行业的发展。  

据介绍，目前我国已有两个品种开始工业化生产，即低聚异麦芽糖和低聚果糖，其中低聚糖异麦芽糖约占全国产量的90％。因此生产企业还应在产品的健康开发方面加大力度，积极推广在更广阔领域的应用。科研单位应针对应用研究下些功夫，生产企业也不应坐等机遇，要主动出击，积极与相关行业联合发展，拓展低聚糖应用的市场。   

1996年报道，世界各国低聚糖产量约8.5万吨，主要在日本和欧洲国家，北美、韩国有少量，我国不包在内。因为1996年以前，国内有关科教单位对功能性低聚糖如低聚异麦芽糖、低聚果糖、低聚甘露糖、低聚木糖的研究工作已开展若干年，但实现工业化则是这一年刚刚开始。第一个全新建设的用淀粉原料酶法转化低聚异麦糖生产线，1996年在山东保龄宝生物技术有限公司试车成功。港台地区则有永丰经纶公司，蔗糖原料用酶法转化小批量生产低聚果糖。经过“九五”的发展，我国功能性低聚糖已形成一定规模，上市的商品有低聚糖麦芽糖、低聚果糖、低聚半乳糖、大豆低聚糖、水苏糖等。2000年功能性低聚糖总产量约3万吨，主要品种是低聚异麦芽糖，同年，国家批准了低聚糖异麦芽糖的行业标准和功能性低聚糖的能用技术标准，为规范行业发展发挥了重要作用。目前有一定生产规模，生产低级聚异麦芽糖的有山东禹城、滨州、沂水、定陶，河南孟州，浙江杭洲，新疆乌鲁木齐等；低聚果糖有云南昆明，江苏张家港，广东江门等；低聚木糖、水苏糖也于期试产。  

三、典型功能性低聚糖  

低聚糖（oligosaccharides）广泛存在于各种天然食物中，如水果、牛奶、蜂蜜、蔬菜等。在过去十几年中，低聚糖作为低热值甜味剂被广泛应用，日本、欧洲应用较普遍。1991年日本政府为“特殊健康用途的食品（FOUHU）”立法，低聚果糖、低聚半乳糖、大豆低聚糖和帕拉金糖被列其中，同年有450种产品使用了低聚糖。到1996年FOUHU又批准了58种食品，有34种低聚糖被列为功能性食品添加剂，有乳酮糖、乳果糖、低聚木糖、异麦芽糖。低聚糖的主要作用是使肠道内双歧杆菌增殖，保持良好的肠道环境，同时低聚糖又是一种膳食纤维。日本食品专家指出：低聚糖是功能性食品基料中最有发展前途的产品。日本是生产低聚糖最主要的国家，而低聚糖的使用则遍布世界各地，低聚糖的种类和生产目前全世界约有低聚糖产品十余种。除乳酮糖外，1991年低聚糖的产量约3．5万吨，1995年则超过6．5万吨。资料表明1995年乳酮糖的产量已超过了2万吨，新的专利产品正不断出现，而且有一半生产低聚糖的公司正在开发新的产品。  

除大豆低聚糖和乳酮糖外，其它低聚糖都采用酶法生产，多是由简单的乳糖、蔗糖等双糖为底物，由转移酶催化合成，或是多糖限制性水解制得，如淀粉、菊粉、木聚糖，其生成的产物是单糖和不同链长的低聚糖，可用膜分离、色谱分离的方法除去低分子糖达到纯化的目的。  

l.低聚半乳糖（Galato－oligos。charides）母乳喂养的婴儿肠道中双歧杆菌数目最多，这归功于人奶中的低聚半乳糖，因此，低聚半乳糖做为双歧杆菌的增殖因子引起人们的关注。低聚半乳糖是以高浓度乳糖做底物，在具有半乳精基转移活性的口半乳糖苷酶（EC3．2．l．23）的作用下，首先将乳糖水解成半乳糖和葡萄糖，然后再将半乳糖转移到乳糖的半乳糖基上，制得的低聚半乳糖是在乳糖中的半乳精基一侧结合1一4个分子的半乳糖的混合物。目前世界上主要生产公司有日本的YaKnitHosha、Nissin制糖公司、SnowBrand奶制品。SnowBrand奶制品生产的低聚半乳糖只用在自己的婴儿配方奶粉中，不向外出售；此外，Borculo乳清制品已在荷兰生产和销售低聚半乳糖，日本Unitika已获准生产，并即将面市。   

2.乳酮糖（Lactulose）与低聚半乳糖一样也以乳糖为原料。乳糖经碱石灰处理后得乳酮糖，乳糖是由半乳糖和葡萄糖组成的，而乳酮糖则是有半乳糖与果糖以β-（1一4）糖苷键合形成的双糖。乳酮糖在小肠内不被消化吸收，到达大肠被双歧杆菌利用，具有较高的增殖活性，因此乳酮糖被列为低热值甜味剂和功能性食品添加剂。乳酮糖除用做食品添加剂外，还在医药上用于治疗便秘和静脉系统的脑病。德国Slvay是世界上最大的乳酮糖制造厂家，每年约生产1万吨乳酮糖，90％用于药品，如：Duphalac，Bifiteral、Chronulac、Cephulac。日本Morinaga奶制品是另一主要生产厂家，其产品主要用于食品添加剂，并每年向欧洲出口3000吨乳酮糖；在比利时还设立了经销机构。德国的MeleiGmbH采用Morinaga的技术生产乳酮糖。意大利的InalcoSPA也生产乳酮糖。在北美生产乳酮糖的公司有Canlac公司（加拿大）和SignaSA（墨西哥）、CIC联合公司和AlutFoods公司（加拿大）；Canlac产品的市场主要是加拿大、美国和塞浦路斯。  

3．乳果糖（Lactosucrose）乳果糖是以乳糖为原料生产的第2个双歧因子低聚糖。它以乳糖和蔗糖门(1：1）为原料，在β-呋喃果糖苷酶（ES3.2．26）催化作用下，将蔗糖分解的果糖基转移至乳糖还原性末端C1位羟基上，生成半乳糖基蔗糖即乳果糖。日本生产乳糖的分司有Ensuiko精糖公司、HyashibaraShin公司、生物制药有限公司。近年来，乳果糖的产量不断增加。1992年Ensuiko公司年产500吨，1994年产量增加三倍，超过1600吨。  

4．低聚果糖（Fructo－dlgosacchatdts）从产量上看，低聚果糖是低聚糖家族中重要的成员。低聚果糖生产方法有2种，最终产物也略有不同。第一种方法以蔗糖做底物，采用β一呋喃果糖苷酶转果糖基作用，在蔗糖分子的β（1—2）糖昔键上与l－3个果糖分子结合，形成的蔗果三糖（GF2）、蔗果四糖（GF3）、蔗果五糖（GF4），属于果糖和蔗糖构成的直链杂低聚精；产物中还有果糖、葡萄糖和反应不完全的底物蔗糖。采用色谱法除去单糖和双糖可制得高纯度的低聚果糖。MeijiSeikaKaisha是日本生产低聚果糖的最大公司，产品的商品名为“Meioligo”。Meiji还与法国的BesninSac合资（Beghin－Me切生产低聚果糖，商品名为“Actilight”。此外，CheilFoodsandChemicals公司（南韩）也生产低聚果糖。  

用于生产低聚果糖的第二种方法是控制菊粉的水解度，水解生成的产物与酶反应产物类似，但在葡萄糖末端不全是以β（l—2）糖昔键与果糖相连。水解生成的低聚果糖的链比酶反应的链长。布鲁塞尔的BelgianORAFTI公司从菊苣中提取菊粉生产低取聚果糖，商品名为“Raflilose”；产品有不同纯度，有粉末和糖浆。

“Raftilose”牌产品中低聚果糖链长度从2－9。从菊苣中提取的菊粉中，含有低聚果糖和一些多聚糖。ORAFTI公司的菊粉产品名为“Rafliline”，是含有＞50个果糖基的多聚精。比利时的Cosucra公司也生产类似产品，商品名为“Fibruline”。这些长链的多聚糖现已用作脂肪的替代物。   

5．帕拉金糖（Palatinose）低聚糖，帕拉金糖也叫异麦芽酮糖。是麦芽酮糖合成酶（ECS．4．99．11）作用于蔗糖生成的。帕拉金糖是二糖，甜度比蔗糖低，不会引起龋齿，可被小肠消化吸收，因此，不是双歧杆菌增殖因子。然而帕拉金糖分子内脱水缩合形成帕拉金低聚糖，则不被人胃肠消化吸收而达到大肠，促进双歧杆菌的增殖。帕拉金低聚糖由日本的Mitsui制糖公司生产。  

6．葡萄糖基蔗糖（ClycosylSucrose）葡萄糖基蔗糖又叫偶合糖，是以麦芽糖和蔗糖为原料，通过环状糊精合成酶（EC2．4．1．19）合成的三糖。葡萄糖基蔗糖的甜度是蔗糖的一半，与其他低聚精一样可以作为甜味剂的替代物，可以预防龋齿，可被肠道酶水解，因而减少了肠道内双歧杆菌对其的利用率，然而在食品中葡萄糖基蔗糖的另一重要特性是可以防止结晶和褐变反应发生及极强的保水性能。目前主要生产公司是日本的HayashibanaShit公司。   

7．低聚麦芽糖（Malto－oligosaccharides）低聚麦芽糖在小肠内被水解吸收，因而达不到结肠，不能被结肠内的双歧杆菌利用。NaKaKuKi在他的一篇关于低聚麦芽糖的文献中提出，使用高麦芽糖浆，人体内残余的低聚麦芽糖可以抑制肠道内有害菌如产气荚膜梭状芽抱杆和肠道内细菌的生长，因此，低聚麦芽糖对改善肠道内菌群结构极有益。  

低聚麦芽糖是葡萄糖基以α（l-2）糖苷键连接，是在解枝酶如支链淀粉酶（EC．3．4．1．41）、异淀粉酶（EC3．2．1．68）及各种。淀粉酶的作用下水解淀粉生产的不同链长低聚麦芽糖，这些a一淀粉酶具有不同的反应特性，因此可以生产出不同链长和不同低聚麦芽糖含量的糖浆。NikonShikuhinKaKo是日本生产低聚麦芽糖的最大厂家。   

8．低聚异麦芽糖（Isomalto－oligosaccharides）是所有低聚糖产品中产量最大的一种，低聚异麦芽糖也是以淀粉为原料生产的。低聚异麦芽糖是α-D一葡萄糖基以α(1-6）糖苷键结合，是双歧杆菌的增殖因子。在低聚异麦芽糖的混合物中即合葡萄糖基以α（1-6）糖音链结合的低聚糖，又含葡萄基以α（1-4）糖苷键结合的低聚糖，如潘糖。低聚异麦芽糖的酶法合成反应分两步，第一步是a淀粉酶（EC3．2．1．l）将淀粉液化，第二步由β一淀粉酶（EC3．2．1．2）将酶化的淀粉水解成麦芽糖，a葡萄糖着酶（ES．2．1．20）再将其转化成低聚异麦芽糖。   

9．龙胆低聚糖〔Gentlo－oligosaccharides）是由若干个葡萄糖基以β(1一6）糖着键链合的化合物，是以葡萄糖浆为原料，在葡萄糖基转移酶的作用下合成的。龙胆低聚糖在人的胃及小肠不被利用，因此可被双歧杆菌和乳杆菌利用。NihonShokuhinKaKo公司是生产该糖的唯一公司商品么为“Gentose"目前年产量只有300-400吨。  

10．大豆低聚糖（Soybean-oligosaccharides）与其他低聚糖不同，大豆低聚糖是直接从原料中提取的。大豆分离蛋白和浓缩蛋白的付产物大豆乳清中含有大豆低聚糖。大豆低聚精是由水苏糖、棉子糖、蔗糖和少量的单粗构成。采用膜分离技术可以从大豆乳糖中分离出大豆低聚精经浓缩和干燥制成糖浆和粉末产品。水苏糖和棉子糖都是对消化糖，是双歧杆菌的增殖因子。日本的CalPis食品工业公司生产大豆低聚糖。中国黑龙江省天菊集团也生产低聚糖。   

11．低聚木糖（XyIO－Oligosacchandes）低聚木糖在低聚糖的市场上占据比重较小，但随着低聚糖市场的不断扩大，其生产和需求将不断增加。1994年Sun－tory有限公司（日本）生产大约70吨低聚木糖，1998年达300多吨，低聚木糖可以促进肠道内双歧杆菌增殖，主要用来制造功能性饮料。生产低聚木糖的原料是从玉米芯中提取的多聚木糖，由endol．4p木聚糖酶（EC3．2．二．8）控制多聚木糖的水解，采用超滤和反渗透除去大分子和小分子糖，制取高纯度的低聚木糖。