第四章 功能性甜味剂 吉林大学 功能性食品教学团队.

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1 第四章 功能性甜味剂 吉林大学 功能性食品教学团队

2 功能性甜味剂（Functional Sweeteners）是指具有特殊生理功能或特殊用途的食品甜味剂，也可理解为可代替蔗糖应用在功能性食品中的甜味。
蔗糖：甜味纯正，16.7KJ/g，粘度、质构、体积适于食品加工。 蔗糖与健康：肥胖症、龋齿（直接），糖尿病、冠心病 新型甜味剂应运而生。 功能性甜味剂（三种）： 功能性低聚糖→促双歧杆菌，低能量 果糖、L-糖和多元糖醇→与胰岛素无关，能量值低，不龋齿 强力甜味剂→甜度很大，用量极小，能量值为0。 特点：低能量

3 功能性甜味剂分为四大类 （1）功能性单糖，包括结晶果糖、高果糖浆和L-糖等。
（2）功能性低聚糖，包括低聚异麦芽糖、异麦芽酮糖、低聚半乳糖、低聚果糖、乳酮糖、棉子糖、大豆低聚糖、低聚乳果糖、低聚木糖等。 （3）多元糖醇，包括赤藓糖醇、木糖醇、山梨糖醇、甘露糖醇、麦芽糖醇、异麦芽糖醇、氢化淀粉水解物等。 （4）强力甜味剂，包括三氯蔗糖、阿斯巴甜、纽甜、二氢查耳酮、甘草甜素、甜菊苷、罗汉果精、甜蜜素、安赛蜜等。

4 第一节 功能性单糖 单糖：葡萄糖，果糖，木糖，甘露糖和半乳糖。 根据不对称碳原子所形成的立体异构体，分为左旋糖L-；右旋糖D-。
通常所见的糖都是D-糖，其中D-果糖为功能性单糖。 特点： （1）甜度大，等甜度下的能量值低，可在低能量食品中应用。 （2）代谢途径与胰岛素无关，可供糖尿病人食用。 （3）不易被口腔微生物利用，不易造成龋齿。

5 D-果糖：美国50年代开始系统深入的研究。 芬兰、法国、德国，60年代工业化生产 目前，仅少数国家有工业生产技术。 L-糖：自然界很少，研究这类糖目的在于利用其不被人体代谢而没有能量的特性。 D-和L-糖： 化学组成，化学性质一样 生化特性截然不同，人体内的酶只对D-糖起作用，而对L-糖无效。 L-糖分子与酶分子不匹配。

6 1981.4.14美国专利4262032，报导了可应用于食品、饮料和医药品中的L-糖：11种
L-左洛糖（L-gluose）、L-果糖、L-葡萄糖、L-半乳糖、L-阿洛糖（L-allose）、L-艾杜糖（L-idose）、L-塔罗糖（L-talose）、L-塔格糖（L-tagatose）、L-阿洛酮糖（L-allulosse）、L-阿单糖

7 一、功能性单糖的物化性质与甜味特性 1792.德国Löwity发现果糖阻碍葡萄糖结晶。
1843.Mitscherlich进行了系统的研究，发现这种糖在水果中较多。“水果糖” →“果糖” 果糖：180，C6H12O6，葡萄糖的同分异构，α、β异构体

8 （一）果糖的物化特性 结晶果糖：无色针状或三棱形结晶。吸湿性，强吸湿后是粘稠状。 结晶果糖在pH3.3时最稳定，热稳定性较蔗糖、葡萄糖差。
具有还原性，能与可溶性氨基化合物发生美拉德褐变。 可被酵母发酵，故可用于焙烤食品。 果糖不是口腔微生物的合适底物，不易造成龋齿。 净能量值15.5KJ/g，等甜度下，能量值较低。

9 （二）果糖的甜味特性 甜味评价受专门训练的人通过感觉器官的感觉评价而确定的，以蔗糖为参比。 已报导，果糖的甜度是蔗糖的1.2-1.8倍。
但随温度有变化。凉，甜；热，不甜。 主要与互变异构平 衡体系的移动有关。

10 二、功能性单糖的代谢特性 （一）果糖在人体中的代谢途径 果糖→果糖激酶（与胰岛素无关）→1-磷酸-果糖→进一步代谢
Olefsky和Crapo研究指出：50g果糖服用，胰岛素水平和血糖值变化小。 糖尿病学家和食品工艺学家一致认为果糖是糖尿病患者一种较好的功能性甜味剂。

11 （二）L-糖的代谢特性 化学法制备L-糖、D-糖，培养细菌，发现D-糖被消化吸收而L-糖完整地保留，可知L-糖无能量。 L-糖的代谢特性：
能量为0 与D-糖的口感一样 不引起牙齿龋变 对细菌引起的腐败、腐烂具有免疫力 作为D-糖的替代品，不需另加填充剂 在水溶液中稳定 热处理食品加工中稳定 能发生美拉德褐变，用于焙烤食品中 适于糖尿病或其他糖代谢紊乱病人

12 L-糖的研究方向： ①人体是否有酶能使L-糖穿过肠酶或转变成可代谢的D-糖 ②肠中是否有微生物能分解L-糖至人体可消化吸收的中间产物 ③完全彻底的毒理实验。急性、慢性、遗传

13 三、功能性单糖的制备 （一）果糖的制备

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15 （二）果糖与高果糖浆的比较 结晶果糖：固体，优越的加工性能
高果糖浆（42%、55%、90%）：异构化玉米糖浆，最高可达50%以上的葡萄糖、麦芽糖及其他糖类，国内生产（安徽蚌埠，湖南长沙） 果糖易吸湿、操作上不便，但可保持以其加工的食品如蛋糕、面包的新鲜度和水分

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17 （三）L-糖加工 L-糖可通过化学合成法、酶法、化学异构化法(使D-型转化成L-型)和遗传工程法等来制备，可以由这些方法合成包括L-葡萄糖和L-果糖在内的十几种L-糖。 目前投入工业化生产规模的仅L-山梨糖一种。

18 （四）果糖在功能性食品中的应用 美国1975年应用于低能量蛋糕，明胶点心，布丁，口香糖，冰冻甜点心，软饮料，餐桌甜味剂，固体粉末饮料等。
结晶果糖成功地应用于生产高质量的角豆糖衣（Carob coatmys） 果糖占糖衣总量的35%，由于甜度大，可制得很薄 重点：在运动饮料中的应用 在欧美：果糖是运动员饮料的一种基本原料，又叫等渗饮料：补充由于流汗造成的水分、能量、糖分和矿物质的短缺。 要补充矿物质、糖分，需在与人体体液相同渗透压混压下即等渗状态下补充。 使用果糖的运动饮料，能量转化快，血糖不升高。 美国：Active 8，意大利：Enervit G 等都添加了结晶果糖。

19 第二节 功能性低聚糖 一、生理功能 (1)难消化性，低热值而不会导致肥胖，可供糖尿病人和低血糖病人食用；
(2)活化肠道内双歧杆菌并促进其增殖，而双歧杆菌则对保护人体健康起着十分重要的作用； (3)不易为腐败菌发酵，具防腐和抗龋齿的功能； (4)具有膳食性纤维的部分生理功能。

20 二、国内外研究现状 日本在这方面的研究、开发与应用位居前列，已形成工业化生产规模的低聚糖品种达十九种。 1999年的消费量为3万吨。
2000年我国功能性低聚糖总产量约3万吨，主要品种是低聚异麦芽糖。 目前，功能性低聚糖替代或部分替代蔗糖而广泛应用在饮料、糖果、糕点、乳制品及调味料等多种食品中。

21 三、功能性低聚糖的摄入剂量和副作用 功能性低聚糖纯品日摄入有效剂量是低聚果糖3.0g，低聚半乳糖2.0～2.5g，大豆低聚糖2.0g，低聚木糖0.7g。 Hata等报道大豆低聚糖最大的不引起腹泻剂量为男人0.64g／kg、女人0.96g/kg。 Spiesel等报道低聚果糖引起腹泻的最小剂量男人44g、女人49g。 低聚半乳糖急性中毒的LD50＞15g／kg(对兔) 。

22 四、功能性低聚糖的种类 （一）低聚异麦芽糖
低聚异麦芽糖甜味温和，甜度是蔗糖的30%～50%，粘度、水分活度、冰点下降情况与蔗糖相近，食品加工比饴糖易操作。耐酸耐热性较强，浓度为50%的糖浆在pH3、120℃下长时间加热也不分解。

23 （二）低聚半乳糖 低聚半乳糖甜味比较纯正，热值较低(1.7kcal／g)，甜度为蔗糖的20%～40%，保湿性极强。在pH为中性条件下有较高的热稳定性，100℃下加热1h或120℃下加热30min后，低聚半乳糖无任何分解。低聚半乳糖同蛋白质共热会发生美拉德反应，可以用于特殊性质的食品如面包、糕点等的加工。 图 低聚半乳糖的化学结构

24 （三）低聚果糖 低聚果糖热值仅为6.28J/g. 当环境pH为中性时，低聚果糖在120℃条件下非常稳定，在pH3的酸性的条件下，温度达到70℃以后，极易分解，稳定性明显降低。低聚果糖耐高温，抑制淀粉老化，保水性很好。

25 （四）低聚乳果糖 低聚乳果糖无色无味，极易溶于水，在空气中易吸潮。纯的低聚乳果糖甜度为蔗糖的30％。

26 (五)棉子糖 无水呈长针状结晶体，为白色或淡黄色。缓慢加热100℃以上逐渐失去结晶水。棉子糖微带甜味，溶于水，微溶于酒精，熔点为80℃。
棉子糖晶体不会吸湿结快，是非还原糖，发生美拉德反应的程度较低；热稳定几乎与蔗糖相同，即使加热至140℃时仍保持稳定；加热至180℃棉子糖会分解成蜜二糖和果糖，蜜二糖可能会进一步分解；在酸性条件下也很稳定。

27 （六）水苏糖 水苏糖溶于水，不溶于乙醚、乙醇等有机溶剂，有弱甜味，甜度比蔗糖低。水苏糖的保湿性和吸湿性均小于蔗糖但大于果葡糖浆，渗透压接近于蔗糖。水苏糖没有还原性。 水苏糖是一种功能性低聚糖，具有良好的热稳定性，但在酸性条件下热稳定性有所下降，因此，水苏糖可用于需热压反应处理的食品；当用于酸性饮料时，只要pH值不太低，在l00℃的杀菌条件下足够稳定；它在酸性环境中的贮藏稳定性和温度有关，温度低于20℃时相当稳定。

28 五、低聚糖加工 1. 加工方法 获得功能性低聚糖的途径主要有三个：从天然原料中提取、用化学合成法制得或酶学方法生产。 （1）低聚异麦芽糖

29 （2）低聚半乳糖

30 （3）低聚果糖 蔗糖(50%～60%)固定化酶柱或固定化床生物反应器(24h，50～60℃) → 糖液→脱色（活性炭）→脱盐（离子交换树脂）→ 真空浓缩 →产品

31 第三节 多元糖醇 概论 种类：木糖醇、山梨醇、甘露醇、麦芽糖醇、乳糖醇、异麦芽酮 糖、氢化淀粉水解物等。 功能：
第三节 多元糖醇 概论 种类：木糖醇、山梨醇、甘露醇、麦芽糖醇、乳糖醇、异麦芽酮 糖、氢化淀粉水解物等。 功能： 代谢与胰岛素无关、摄入不会引起血糖水平波动，适用于糖尿病 人； 不是口腔微生物的适宜底物，如木糖醇甚至可抑制突变链球队菌 的生长繁殖，不引起牙齿龋变； 部分多元糖醇代谢类似膳食纤维，可预防便秘、结肠癌的发生；

32 特征表现 甜度较低； 粘度较低； 吸湿性较大； 不参与美拉德褐变、焙烤食品须配合其他甜味剂使用； 能量值较低。
问题：过量摄取会引起肠胃不适或腹泻。

33 一、木糖醇的生理功能、生产及应用 （一）生理功能 不引起血糖水平波动； 可作为非肠道营养的能量来源：木糖醇取代葡萄糖用于静脉注射（研究中）；
防龋齿特性 不仅不致龋齿，还可预防龋齿；

34 （二）木糖醇生产 1、分类 ①天然提取，不经济，目前发现黄梅中含量最高仅达1%；
②化学合成，1891，Ficher Seahel,，提出合成法，人们不愿吃； ③木糖催化加氢法（目前常用的方法） ④发酵法 （大趋势）但尚未工业化生产，收率与成本

35 2、方法 （1）玉米芯酸水解制取木糖； （2）从水解液中分离出木糖； （3）在镍催化下氢化木糖成木糖醇； （4）木糖醇结晶析出。 也可用（1）、（3）、（4）再加上分离纯化制取； 国内木糖醇行业，30家，不景气，恶性竞争的结果；

36 （三）应用 1、在糖果中的应用 硬糖：熔融的无水木糖醇+粉末状木糖醇浇铸成型 甜度与蔗糖一样，无须加强力甜味剂；
口感：清爽冰凉，贮存性能良好，在空气中不吸水。 2、在口香糖中的应用 以粉末状木糖醇为原料生产口香糖，专用设备； 问题：木糖醇熔点低，粉碎设备须有冷却。 3、在巧克力中的应用 精磨粉末，RH≤85% 4、在医药品及其他产品的应用 在医药品上用作赋形剂或甜味剂 咳嗽糖浆、滋补剂，不会发酵变质或霉变 木糖醇制糖衣

37 二、山梨醇、甘露醇的生理功能、生产及应用
（一）生理功能 不引起血糖水平波动； 不引起牙齿龋变。

38 （二）生产 1、以葡萄糖为原料

39 2、以淀粉为原料 3、天然提取 海藻为原料，上半部约含有10%的甘露醇 青岛黄海公司有商业化生产

40 4、发酵法生产甘露醇 以果葡糖浆为原料，4000元/吨，法国收率可到75%，我们实验室到53%。 乳酸菌发酵，离子交换精制纯化，结晶，产品 很有前途。无副产物山梨醇出现。

41 （三）应用 美国FDA批准可使用山梨醇和甘露醇，但规定剂量： 山：50克/天；甘：20克/天
世界上共有20多个国家允许使用，主要是发达和中等发达国家。

42 第四节 强力甜味剂 1、甜度：蔗糖的50倍以上，最高达2000至2500倍 2、生产方法：
化学合成：糖精，甜蜜素（Cydamate），甜味素(Aspartame)，安塞甜(Acesulfame) 半合成：三氯蔗糖、二氢查耳酮的衍生物 天然提取：二氢查尔酮，甜菊苷，甜菊双糖苷，甘草甜素，Thaumatin

43 3、强力甜味剂的优点： 甜度高，用量少，能量近似为0； 不引起牙齿龋变； 可供糖尿病人、肥胖病人、心血管病人、老年人服用； 部分品种有风味增强作用，如甜味素，Thaumatin 4、缺点： 甜味不纯正，三氯蔗糖除外； 有一定的苦涩味或金属异味； 甜度大、用量小，有些食品加工可能须加填充剂。 主要成功地应用在饮料中

44 5、理想的甜味剂应具备的条件 绝对的安全性； 良好的口感； 适当的溶性和稳定性； 等甜度条件下的价格。

45 甜蜜素（Cydamate） 50至60年代，迅速发展，甜度为蔗糖的50倍； 与糖精共用时可掩盖掉糖精的不良口味，口感甚佳；
1970年，美国年消耗量9000吨； 1960年12月，Abbote发现糖精 — 甜蜜素混合物别喂白鼠有膀胱肿瘤现象，美国FDA禁用，日本禁用； 但欧洲，年消耗2000吨。

46 1、优越性 不吸湿，水溶性好，甜度大，无不良后味，具有掩盖苦味的能力； 2、安全问题争论甚久 1970年禁用后，美国的研究结果不能重Abbote的结论； 1964年6月，美国FDA认定其不具备致癌能力； 世界其他权威也认为是安全的； 3、现状和未来 美日仍禁用 欧洲、瑞士、西班牙、德国允许使用，2000吨/年 美国生产，出口到允许使用的国家； 英国禁用，认为新型甜味剂可取代它； 前途未卜。

47 甜味素(Aspartame) 1965年发现 1974年，安全问题讨论； 1981年，FDA同意限量使用； 特点与应用
天冬氨酸—苯丙氨酸—甲醇 清爽、类似糖的甜感、无苦味或金属后味，在口香糖中使用，甜香味的时间比蔗糖长4倍。 缺点：高温、酸性条件下不稳定； 油炸、酸性食品使用受限

48 生产 三种方法： 化学合成法（商业化生产），酶法（试验阶段），基因工程法（理论研究） 化学合成法：以游离的苯丙氨酸、天冬氨酸为原料，通过氨基酸保护、激活及去保护过程，使苯丙氨酸甲基化并与天冬氨酸结合，结晶，干燥。 应用 1974年6月，FDA批准搁置 1981年6月，同意使用 50 个国家同意 推荐量：40mg/kg.day 问题：成本高，等甜度条件下是蔗糖的1.5至3倍。 我国有产品问世，但添加了填充剂，甜度为蔗糖的倍； 国外改性新一代二肽甜味剂，甜度是蔗糖的2000倍，且稳定，有广阔的前景。

49 三氯蔗糖 1876年发发现、合成；1980年投入中间试验，1988年投放市场。 特点：品质优越，安全可靠，甜味纯正，与蔗糖类似
甜度为5%蔗糖液的600倍。 结构上：蔗糖上的三个OH基团被Cl取代。 （一）制备 蔗糖的三氯甲基化和乙酰基化（屏蔽）； 脱三苯甲基（消除屏蔽）； 乙酰基迁移； 有选择氯化； 脱乙酰基。 （二）应用 各种食品中替代蔗糖。

50 甘草甜素 我国古代用于药中，但甘草甜素的提取仅20年历史； 甘草甜素是FDA列入“公认的安全物质”中最甜的天然甜味剂，50至100倍于蔗糖。
能抑制细菌在牙齿表面的吸附而具有抗龋齿特性。

51 生产 原料：3月种植，3至4年后的10月挖根茎、得原料 医疗特性 治疗胃溃疡和12指肠溃疡；机理不明，效果明显 治疗口腔溃疡和病毒感染，预防龋齿； 具有类皮质激素的作用； 抗炎症作用。