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更新時間: 2013-09-23

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寡糖( oligosaccharide )又稱低聚糖。為兩個或兩個以上(一般指2-10個)單糖單位以糖苷鍵相連形成的糖分子。寡糖經水解后,每個分子產生為數較少的單糖又稱低聚糖,寡糖與多糖之間並沒有嚴格的界限。低聚糖的獲得大體上可分為以下5種:從天然原料中提取、微波固相合成方法、酸鹼轉化法、酶水解法等。

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1 寡糖 -概述

寡糖寡糖

寡糖( oligosaccharide )又稱低聚糖。為兩個或兩個以上(一般指2-10個)單糖單位以糖苷鍵相連形成的糖分子。寡糖經水解后,每個分子產生為數較少的單糖,寡糖與多糖之間並沒有嚴格的界限。含有兩個單糖單位的寡糖叫雙糖;含有三個單糖單位的寡糖叫三糖。寡糖還可以按組成的單糖類型是否相同分為同質寡糖和異質寡糖。按是否存在半縮醛羥基分為還原性寡糖和非還原性寡糖。寡糖是生物體內一種重要的信息物質,在生命過程中具有重要的功能,它以複合物的形式存在於多種生物組織中,特別是生物膜蛋白表面的寡糖殘基,在細胞之間的識別及其相互作用中起著重要作用。

2 寡糖 -組成

存在形式低聚糖是指含有2-10個糖苷鍵聚合而成的化合物,糖苷鍵是一個單糖的苷羥基和另一單糖的某一羥基縮水形成的。它們常常與蛋白質或脂類共價結合,以糖蛋白或糖脂的形式存在。低聚糖通常通過糖苷鍵將2~4個單糖連接而成小聚體,它包括功能性低聚糖和普通低聚糖,這類寡糖的共同特點是:難以被胃腸消化吸收,甜度低,熱量低,基本不增加血糖和血脂。最常見的低聚糖是二糖,亦稱雙糖,是兩個單糖通過糖苷鍵結合而成的,連接它們的共價鍵類型主要兩大類:N-糖甘鍵型和O-糖苷鍵型。   

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① N-糖苷鍵型:寡糖鏈與多肽上的Asn的氨基相連。這類寡糖鏈有三種主要類型:高甘露糖型,雜合型和複雜型。   

② O-糖苷鍵型,寡糖鏈與多肽鏈上的Ser或Thr的羥基相連,或與膜脂的羥基相連。  
在大蒜、洋蔥、牛蒡、蘆筍、豆類、蜂蜜等食物中都有低聚糖的存在。   

低聚糖並不能被人體的胃酸破壞,也無法被消化酵素分解。但它可以被腸中的細菌發酵利用,轉換成短鏈脂肪酸以及乳酸。隨著結腸內發酵方式與吸收狀態的不同,這些無法直接吸收,卻能發酵的碳水化合物,每克約可產生0~2.5卡路里的熱量。但是寡糖的生理活性,更受到重視。

3 寡糖 -糖類簡介

糖類是含多羥基的醛或酮類化合物,

寡糖
由碳氫氧三種元素組成的,其分子式通常以Cn(H2O)n 表示。由於一些糖分子中氫和氧原子數之比往往是2:1,與水相同,過去誤認為此類物質是碳與水的化合物,所以稱為「碳水化合物」(Carbohydrate)。實際上這一名稱並不確切,如脫氧核糖、鼠李糖等糖類不符合通式,而甲醛、乙酸等雖符合這個通式但並不是糖。只是「碳水化合物」沿用已久,一些較老的書仍採用。

中國將此類化合物統稱為糖,而在英語中只將具有甜味的單糖和簡單的寡糖稱為糖(sugar)。糖類物質包括多糖、寡糖以及糖鏈上結合蛋白質、脂質及磷脂等的「糖複合物」。

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糖是自然界存在的一大類有機化合物,占生物界的3/4左右,它是由綠色植物經光合作用形成的,主要由C、H、O三種元素組成。糖類化合物是通過氧化而放出大量熱量,占人類攝入熱量的80%左右,所以糖類是滿足生命活動的重要能源。

4 寡糖 -分類

糖類物質是含多羥基的醛類或酮類化合物。以它們水解的情況分類,凡不能被水解成更小分子的糖為單糖,能水解成少數(2-10個)單糖分子的為寡糖(或低聚糖)。雖然多糖是含有10個以上糖單位的一類高聚物,但是少於100個糖單位的不太多,大多數具有100到幾千個糖單元。

寡糖寡糖結構式

寡糖是由比較少數分子的單糖(2-6)個結合形成的物質,與稀酸共煮可水解成各種單糖。寡糖中以雙糖分佈最為普遍、意義也較大。

1、雙糖

雙糖是由兩個單糖分子縮合而成。雙糖可以認為是一種糖苷,其中的配基是另外一個單糖分子。在自然界中,僅有三種雙糖(蔗糖、乳糖和麥芽糖)以遊離狀態存在,其他多以結合狀態存在(如纖維二糖)。蔗糖是最重要的雙糖,麥芽糖和纖維二糖是澱粉和纖維素的基本結構單位。三者均易水解為單糖。

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(一)麥芽糖

麥芽糖(maltose)大量存在於發酵的穀粒,特別是麥芽中。它是澱粉的組成成分。澱粉和糖原在澱粉酶作用下水解可產生麥芽糖。麥芽糖是D-吡喃葡萄糖-α(1-4)-D-吡喃葡萄糖苷,因為有一個醛基是自由的,所有它是還原糖,能還原費林試劑。支鏈澱粉水解產物中除麥芽糖外還含有少量異麥芽糖,它是α-D-吡喃葡萄糖-(1-6)-D-吡喃葡萄糖苷。

麥芽糖在水溶液中有變旋現象,比旋為+136度,極易被酵母發酵。右旋[α]D20= 130.4°。麥芽糖在缺少胰島素的情況下也可被肝臟吸收,不引起血糖升高,可供糖尿病人食用。

(二)乳糖

乳糖(lactose)存在於哺乳動物的乳汁中(牛奶中含4-6%),高等植物花粉管及微生物中也含有少量乳糖。它是β-D-半乳糖-(1-4)-D-葡萄糖苷。乳糖不易溶解,味不甚甜(甜度只有16),有還原性,且能成鎩,純酵母不能使它發酵,能被酸水解,右旋[α]D20= 55.4°。

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乳糖的水解需要乳糖酶,嬰兒一般都可消化乳糖,成人則不然。某些成人缺乏乳糖酶,不能利用乳糖,食用乳糖後會在小腸積累,產生滲透作用,使體液外流,引起噁心、腹痛、腹瀉。這是一種常染色體隱性遺傳疾病,從青春期開始表現。其發病率與地域有關,在丹麥約3%,泰國則高達92%。可能是從一萬年前人類開始養牛時成人體內出現了乳糖酶。

寡糖寡糖

(三)蔗糖

蔗糖(sucrose)是主要的光合作用產物,也是植物體內糖儲藏、積累和運輸的主要形式。在甜菜、甘蔗和各種水果中含有較多的蔗糖。日常食用的糖主要是蔗糖。

蔗糖很甜,易結晶,易溶於水,但較難溶於乙醇。若加熱到160℃,便成為玻璃樣的晶體,加熱至200℃時成為棕褐色的焦糖。它是α-D-吡喃葡萄糖-(1→2)-β-D-呋喃果糖苷。它是由葡萄糖的半縮醛羥基和果糖的半縮酮羥基之間縮水而成的,因為兩個還原性基團都包含在糖苷鍵中,所有沒有還原性,是非還原性雜聚二糖。右旋,[α]D20= 66.5°。

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蔗糖極易被酸水解,其速度比麥芽糖和乳糖大1000倍。水解后產生等量的D-葡萄糖和D-果糖,這個混合物稱為轉化糖,甜度為160。蜜蜂體內有轉化酶,因此蜂蜜中含有大量轉化糖。因為果糖的比旋比葡萄糖的絕對值大,所以轉化糖溶液是左旋的。在植物中有一種轉化酶催化這個反應。口腔細菌利用蔗糖合成的右旋葡聚糖苷是牙垢的主要成分。

(四)纖維二糖

是纖維素的基本構成單位。可由纖維素水解得到。由兩個β-D-葡萄糖通過C1-C4相連,它與麥芽糖的區別是後者為α-葡萄糖苷。

寡糖低聚果糖

(五)海藻糖

α-D-吡喃葡萄糖-(1→1)- α-D-吡喃葡萄糖苷。在抗乾燥酵母中含量較多,可用做保濕。

2、三糖

自然界中廣泛存在的三糖只有棉籽糖,主要存在於棉籽、甜菜、大豆及桉樹的乾性分泌物(甘露蜜)中。它是α-D-吡喃半乳糖-(1-6)-α-D-吡喃葡萄糖-(1-2)-β-D-呋喃果糖苷。

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棉籽糖的水溶液比旋為+105.2°,不能還原費林試劑。在蔗糖酶作用下分解成果糖和蜜二糖;在α-半乳糖苷酶作用下分解成半乳糖和蔗糖。

此外,還有龍膽三糖、松三糖、洋槐三糖等。

5 寡糖 -糖類的研究

糖類化合物是構成生物體的四大基本物質之一,

寡糖殼寡糖
生物學家曾經長期認為糖類化合物的生物學功能只是作為能量物質如動物體內儲存的糖原和植物體內儲存的澱粉,及作為結構物質如纖維素、幾丁質等。長期以來由於認為糖在生物有機體內的作用遠在蛋白質及核酸之下,其功能在很長時間內未得到應有的重視。

近年分子生物學、細胞生物學和生物化學等的發展使人們不斷認識到糖類物質除儲能之外還有其它諸多生物學功能,同時大量的實驗結果也揭示了糖類物質是重要的信息分子,參與許多生理和病理過程,其中包括參與生物體受精、發育、分化、免疫、神經系統的識別與調控;在微生物與動物、植物的相互作用中擔負重要作用;在衰老、癌症過程中也涉及到糖類物質的參與。

6 寡糖 -獲得方式

低聚糖可以從天然食物萃取出來,也可以利用生化科技及酵素反應,利用澱粉及雙糖(如蔗糖等)合成。   

7 寡糖 -生物學功能及應用

8 寡糖 -分離分析技術

寡糖由於單糖分子、

寡糖寡糖素
結合位置和結合類型的不同,使得種類繁多,功能各異,寡糖的結構與組成直接決定了其生物學功能,鑒於糖綴合物上寡糖鏈在生命過程中的重要作用,展開寡糖鏈的結構分析是非常重要的。

糖類的分析方法常規的有苯酚硫酸法、二硝基水楊酸法等化學方法,但是這些方法只能測定總還原糖,不能測定各種糖的含量,且比色定量不準確。混合糖的分離鑒定及其組成的分析方法一般採用紙色譜法、薄層色譜法及柱色譜法,能夠在糖類分離的基礎上對樣品中的各種糖類逐一定量分析,但這些方法存在分離效力有限和非專一性響應的問題,隨著現在分析技術的進步,幾種先進的物理學方法己經應用到寡糖的分析上來,如氣相色譜法(GC)、高效液相色譜法(HPLC)和毛細管電泳法(CE)這些方法分離能力高,方法靈敏快速。此外紅外(IR)、核磁共振(1H-NMR, 13C-NMR, COSY 等)、質譜(MS)等方法也運用到了糖類結構分析中,使糖的分析方法有了質的飛躍。 以下簡要介紹一下這幾種方法:

1、氣相色譜法(GC)

氣相色譜法測定糖類始於1958 年,主要用於分析多糖和寡糖的單糖組成。氣相色譜法要求供試樣品有良好的揮發性和熱穩定性,而糖由於含有大量的羥基不能在高溫下直接揮發,需要將其衍生為易揮發、對熱較穩定的物質。多糖、寡糖可直接製備成衍生物進行GC 測定,多糖需先降解成單糖或寡糖后製成衍生物再進行GC 測定。在分析複雜樣品時,由於糖的異構化而造成多峰現象,所以應選擇適宜的衍生物製備方法,常用於糖的衍生試劑有三甲基硅烷、三氯醋酸酐等。

用於糖類分析的固定相從非極性、中等極性到極性都有應用。硅烷化衍生物常用中等極性的色譜柱,酞基衍生物可採用基性較強的色譜柱來分離。對於複雜的多糖,由於其降解產物含有多個峰,且某些峰的保留時間非常接近,人們己越來越多的採用毛細管柱代替填充柱來進行分析。

寡糖寡糖減肥

2、高效液相色譜法

高效液相色譜(High Performance Liquid Chromatography, HPLC)法是一種高效率、高解析度的分離純化手段。已經成為常量及微量單糖和寡糖重要的分離分析方法之一。

通常採用兩種方法:一種是使用化學鍵合和氨基酸鍵合的固定相,大多數單糖、低聚糖在氨基柱上可得到滿意的分離,但是某些還原糖容易與固定相的氨基發生反應產生希夫鹼,使氨基柱的壽命縮短;另一種是離子交換樹脂作固定相的離子色譜,水或鹽為流動相。根據不同的分離機理,離子色譜可分為離子交換色譜,離子排斥色譜和離子對色譜。用於三種分離方式的柱填料骨架基本上都是苯乙烯-二乙烯基苯的共聚物。

一般說來,HPLC 的光學檢測模式可分為直接檢測和間接檢測兩類。然而許多實際樣品中所含有的糖是微量的,且自然界存在的大多數糖類物質基本不含有生色基團,因此通過常規的光學檢測手段對糖類物質進行高靈敏度的直接檢測比較困難,如示差折光檢測 (RID) 的靈敏度和選擇性比較低;蒸發光散射檢測 (ELSD) 雖靈敏度有所提高但仍無法滿足痕量糖的分析要求。因此,人們通過衍生化將糖類物質轉變為具有紫外吸收或可產生熒光的物質,然後再使用LC 進行分離分析的間接檢測方法,克服了直接檢測方法的缺點,實現了高靈敏度檢測和痕量分析。

3、毛細管電泳(CE)

毛細管電泳技術不僅是一種分離手段,還可用於寡糖的組成分析、純度鑒定和結構歸屬,並對寡糖的酶解產物進行定性和定量分析,從而得到寡糖鏈的完整結構。但除少數帶有羧基和磺酸基的糖類化合物外,絕大多數糖類化合物不帶電荷,極性很大,而且沒有發色基團或熒光基團,所以對於一般的高效毛細管電泳(HPCE),可採用以下幾種方法使之產生更好效果:如衍生化使之帶上發色、熒光基團或電荷;與硼酸鹽等絡合;與緩衝液中的添加劑形成包含絡合物;高pH緩衝條件下使之電離;加入表面活性劑使形成膠束等。隨著電泳技術的不斷完善,各種衍生化方法和檢測技術的出現,使高效毛細管電泳在糖的分離分析中應用越來越廣泛。

4、紅外光譜(IR)

寡糖益生寡糖

上世紀70 年代后,由於紅外光譜技術的發展以及糖化學研究深入,紅外光譜成為糖結構研究重要手段之一。紅外光譜是有機化學和高分子化學研究中不可缺少的工具,它可為我們提供官能團及氫鍵的相關信息。人們經常以多糖的特徵吸收峰來鑒定多糖。如840cm-1吸收峰可以判別α-糖苷鍵的存在,890cm-1吸收峰來判別β-糖苷鍵的存在。吡喃糖苷在1100~1010cm-1 間應有3 個強吸收峰。而呋喃糖苷在相應區域只有2 個峰。

5、核磁共振(NMR)

自上世紀70年代NMR被引入多糖和寡糖結構的研究,並且發揮著越來越重要的作用,現已成為多糖寡糖結構研究的常規手段。用NMR技術研究糖鏈結構的優點是不破壞樣品。糖鏈結構特徵通過化學位移,偶合常數,積分面積,NOE及遲豫時間等參數表達。高解析度的1H-NMR能準確測定結構表徵基團的化學位移,精度可達0.001ppm。糖鏈的各種結構特徵,均可由這些結構表徵基團的微小變化表現出來。13C的天然丰度很低,使得13C NMR 的靈敏度低於1H-NMR,後來出現的微型計算機脈衝傅立葉轉換方式使得13C NMR 能夠得到清晰的光譜,使其化學位移範圍遠較1H-NMR 寬,達到200ppm。

二維NMR 的出現使得多糖的1H-NMR 和13C NMR 得到了歸屬。在糖鏈的結構分析中,綜合運用這些技術可以獲得單糖的種類、異頭構型、糖苷鍵位置、非糖取代基位置、單糖連接順序等一級結構的豐富信息。

6、質譜(MS)

質譜是目前寡糖序列分析的常用方法之一。由於其靈敏度高,藥品用量少,在糖分析中得以廣泛應用。質譜不僅可用於提供寡糖的分子量信息而且可以確定單糖殘基間的連接順序,近年來,快原子轟擊質譜(FAB-MS)、電噴霧電離質譜(ESI-MS),基質輔助基光解吸質譜(MALDI-MS)、基質輔助激光解吸飛行時間質譜( MALDI-TOF-MS )在測定糖的分子量和糖鏈的一級結構方面得到廣泛的應用。

9 寡糖 -合成研究

寡糖分子結構的複雜性多年來一直是對合成化學家的嚴峻挑戰。由於糖分子中存在多個性質相似的羥基基團,同時糖苷鍵在形成過程中還可以產生a和β兩種異構體因此糖的合成化學中兩個最基本的問題一直是控制反應的區域選擇性和立體選擇性。在這兩個方面,過去己進行了大量深入細緻和系統的研究。

寡糖果寡糖

在寡糖的合成中,為了在糖環上定位地引入糖營鍵和各種官能團,首先必須對糖環上的各個羥基用不同性質的保護基團先行保護,然後再逐次選擇性地脫去保護基並分別先後定位地引入糖基或其它功能團,在完成合成之後脫去所有的保護基團。

目前,己發展出的各類保護基團達數百種之多,它們分別對糖環上不同部位的羥基具有選擇性,而它們脫去反應的條件和所需要的試劑也明顯不同,因此,完全可以根據寡糖合成路線的需要;先後很方便地引入並選擇性地脫去各個保護基團。這些進展大大地提高了現代寡糖合成的效率和質量。除了上述保護與脫保護策略外,寡糖合成策略還有:逐步縮合定向合成、固相合成、寡糖的酶促合成等。

糖分子與藥物分子進行偶聯的合成方法也多種多樣,總的來說包括以下幾種方法:

(1)形成糖苷鍵。該方法在藥物分子與糖分子的偶聯中應用最廣,包括形成氧苷鍵、硫苷鍵、碳苷鍵及氮苷鍵,其中形成氧苷鍵最為常見。(2)形成酯鍵。(3)形成醯胺鍵。而後兩種方法的缺點是所形成的化學鍵往往不是太穩定,在一些酸鹼環境中容易斷裂。

寡糖寡糖食物

近十餘年來對糖苷及寡糖化學合成的方法學研究進步顯著,先後出現了許多效果良好的合成方法。但是總的來看,從收率及立體選擇性的角度考察,尚無一種十分有效且具有廣泛適應性的方法,最近發展起來的酶催化及酶法與化學法相結合的糖基化反應可能會有新的突破。未來糖複合物的化學合成大致有兩個發展方向,一是選擇一條具有普遍適用性的方法,如一種高活性的糖基供體或反應促進劑;二是針對每一種糖的結構與性質,發展一種特定的方法供選擇。但無論如何糖複合物在醫藥學領域有著十分廣闊的應用前景,因此無論是從自然界中繼續發掘有生物活性的糖複合物,還是通過有機合成篩選出具有更好生物活性的糖複合物,都是十分有意義的研究工作。

10 寡糖 -常見低聚糖及其作用

    名稱                     主要成份與結合類型        主要用途   

麥芽低聚糖葡萄糖(α—1,4糖苷鍵結合) 滋補營養性,抗菌性   

低聚異麥芽糖葡萄糖(α—1,6糖苷鍵結合) 防齲齒,促進雙歧桿菌增殖   

環狀糊精 葡萄糖(環狀α—1,4糖苷鍵結合) 低熱值,防止膽固醇蓄積   

龍膽二糖葡萄糖(β—1,6糖苷鍵結合),苦味 能形成包裝接體   

偶聯糖(Coup ling sugar) 葡萄糖(α—1,4糖苷鍵結合),蔗糖 防齲齒   

果糖低聚糖 果糖(β—1,2糖苷鍵結合),蔗糖 促進雙歧桿菌增殖   

潘糖葡萄糖(α—1,6糖苷鍵結合),果糖 防齲齒   

海藻糖 葡萄糖(α—1,1糖苷鍵結合),果糖 防齲齒,優質甜味   

蔗糖低聚糖 葡萄糖(α—1,6糖苷鍵結合),蔗糖等 防齲齒,促進雙歧桿菌增殖   

牛乳低聚糖 半乳糖(β—1,4苷鍵結合),葡萄糖骨架 防齲齒,促進雙歧桿菌增殖   

殼質低聚糖 乙醯氨基葡萄糖(β—1,4苷鍵結合),蔗糖 抗腫瘤性   

大豆低聚糖關乳糖(α—1,6糖苷鍵結合),蔗糖 促進雙歧桿菌增殖   

半乳糖低聚糖 半乳糖(β—1,6糖苷鍵結合),蔗糖 促進雙歧桿菌增殖   

果糖型低聚糖 半乳糖(α—1,2′:β—1′,2糖苷鍵結合) 優質甜味   

木低聚糖 木糖(β—1,4糖苷鍵結合) 水分活性調節   

其中較重要的有:   1、棉子糖:由葡萄糖、果糖和半乳糖組成。   2、水蘇糖:由組成棉子糖的三糖再加上一個半乳糖組成。   3、毛蕊花糖:比水蘇糖更高級的五糖,目前是常見的低聚糖中最高級形態,由於生產工藝極其複雜,目前只有個別大型低聚糖生產企業才可以做到。   

以上三種主要存在於豆類食品中,因在腸道中不被消化吸收,產生氣體和產物,可造成腸脹氣;而有些寡糖可被腸道有益細菌利用,而促進這些菌群的增加而有保健作用。

11 寡糖 -研究展望

寡糖(oligosaccharide)

寡糖
一般是由3-10個單糖分子通過糖苷鍵連接而成的,由於多糖的分子量大,粘度大,擴散困難以及結構複雜等原因,使多糖的吸收受到阻礙,應用範圍受到限制。而寡糖由於其分子量相對較小,結構比較簡單,使得其溶解性增強,穩定性和安全性得到提高,同時許多多糖鏈在經過不同形式的斷裂后,其原有的活性得到提高,並且寡糖還具有低毒性的特徵,這是許多多糖與天然活性物質所不能比擬的,因此對寡糖的研究日益引起人們的重視。

寡糖的諸多生物學功能決定了它在醫藥領域有著廣泛的應用前景。近些年來對寡糖的生物活性研究的非常多,表現在免疫調節功能、抗腫瘤、抗病毒、抗氧化、抗凝血、抗血栓、降血糖、降血脂等多種作用。寡糖作為一類新的生理活性物質,在營養與保健、疾病診斷與防治方面的應用有著極大潛力。

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