¿Qué es el Galacto oligosacárido (GOS)?

oligosacáridos are a new type of Aditivo alimentario funcional. Among them, the one with the best therapeutic effect in dietary therapy is galacto-oligosaccharide (GOS), also known as “bifidus factor”. In nature, GOS is found in trace amounts in animal milk, with slightly higher levels in breast milk. It is a functional oligosaccharide with natural properties. Due to its unique physiological functions and physical and chemical properties, it has become a research hotspot in food science and is widely used in many fields such as dairy products, baked goods, candy processing and functional foods.

1 propiedades físicas y químicas y funciones fisiológicas de los GOS

1.1 propiedades físicas y químicas

Los GOS no digeribles son un importante prebiótico y un componente natural de la leche materna [1]. Puede ser sintetizpor galactosidasa usando lactosa como sustry a través de la reacción enzimde galactosilación. Se obtiene mediante la conexión de 1 a 4 unidades de galactosa al lado galactosa de la molécula de lactosa con enlaces glicosídicos − (1 − 3), − (1 − 4) o − (1 − 6) [2]. 1 a 4 unidades de galactosa están Unidas a través de enlaces glicosídicos − (1 − 3), − (1 − 4) o − (1 − 6). El enlace principal entre las unidades de galactosa es − (1 − 6). La fórmula molecular es (galactosis)n - G lucosa, n= 2 a 5.

GOS es una fibra dietsoluble en agua de bajo peso molecular con baja visco, fuerte retención de humedad, no se une a los minerales, tiene un sabor refresc, bajo valor calórico, y una dulzura que es sólo del 20% al 40% de la de la sacarosa. Es altamente estable tanto a ácidos como al calor, y no se descompone en condiciones de 180°C o pH 3. Es altamente pigmentado, tiene una fuerte retención de humedad, no tiene textura o sabor indeseable, y no es digerido por enzimas digestivas humanas. Tiene una buena actividad de proliferación bifidobacteriana [2]. Por lo tanto, los GOS son un aditivo alimentario de gran calidad.

1.2 tipos y cantidades

Los tipos y cantidades de GOS se ven afectados por muchos factores, tales como la fuente de la enzima, las condiciones de reacción, la concentración de sustry la velocidad de hidrólisis. Las propiedades de los GOS de diferentes fuentes son muy diferentes; Aunque la fuente de la enzima puede determinar la especificidad de la conexión de enlace glicosídico hasta cierto punto, todavía se ve afectada por muchos factores, tales como el valor de pH, la concentración de Mg2+ y los isómeros de lactosa.

Los galacto-oligosacáridos se dividen principalmente en − -galacto-oligosacáridos y − -galacto-oligosacáridos. Los − -galacto-oligosacáridos pueden ser sintetizpor − -galactosidasa usando lactosa como sustra a través de la reacción enzimde galactosilación. La composición de la cadena de azúcar GOS sintetizpor diferentes fuentes de enzimas también difiere. − -lactosa es sintetizpor − -galactosidasa primero hidrolizando la lactosa en glucosa y galactosa, y luego por Candida guilliermondii − -galactosidasa conecenlaces glicosídicos − (1 − 6). Su principal componente es la melezitosa, también conocida como "factor bifidus", que es resistente a los ácidos, térmicamente estable y tiene una buena estabilidad de almacenamiento.

1.3 función fisiológica

Las bifidobacterias son un tipo de microorganismo que es muy importante para mantener la salud intestinal humana [3]. Los estudios han encontrado que el establecimiento de bifidobacterias en los intestinos de los lactantes se debe principalmente al componente oligosacárido. elGOS sintetizpor síntesis enzimáticaLa estructura es consistente con la leche materna. No se descompone ni se absorbe en el tracto gastrointestinal superior del colon humano, y puede promover selectivamente la proliferación de algunos probióticos en el colon, como las bifidobacterias (Bifidobacterium) [4]. El ambiente ácido creado por el crecimiento de bifidobacterias puede inhibir el crecimiento de otras bacterias dañinas [5]. Por lo tanto, tiene muchas funciones fisiológicas relacionadas: (1) regular el equilibrio de la flora intestinal y mejorar la inmunidad; (2) aumentar la actividad y el contenido de superóxido dismutasa (SOD) y resistir el envejecimiento; (3) producir una gran cantidad de ácidos grasos de cadena corta, estimulando la peristalsis intestinal, aumentando la humedad de las heces y previniel estreñimiento; (4) mejorar la intolerancia a la lactosa; (5) bajar la presión arterial; (6) reducir la producción de productos de fermentación tóxicos como indol y ácido fórmico y enzimas dañinas, mientras que la producción de vitaminas B, niacina y ácido fólico, que son beneficiosos para la salud.

Además, la ingestión de GOS puede mejorar el metabolismo lipídico y reducir las concentraciones de colesterol sérico; Mejorar la absorción de elementos minerales [6], promover la absorción intestinal de calcio, magnesio y potasio, y reducir la absorción de sodio; Al mismo tiempo, el GOS es también no cariogénico e indigerible, es un azúcar de baja energía, y no causa obesidad. Estudios recientes han demostrado que el GOS también puede inhibir la Unión de la toxina Vibrio cholera los receptores gangliosidos, y se utiliza en la industria farmacéutica [7].

2 métodos de preparación para el GOS

Existen cinco métodos principales para la preparación de GOS: extracción de materias primas naturales, hidrólisis ácida de polisacáridos naturales, síntesis química, fermentación y síntesis enzim. Sin embargo, en la naturaleza, el GOS es muy raro, incoloro y no cargado, por lo que es difícil de extraer y separar. El rendimiento de los productos naturales de conversión de polisacáridos es bajo, la composición del producto es compleja, y es difícil obtener productos puros. La síntesis química es tóxica, propensa a residuos, tiene un bajo rendimiento y contamina gravemente el medio ambiente.

There has been little research on the production of GOS by fermentation, and the main method is to synthesize GOS using microbial fermentation [8], but this is still in the laboratory stage, and none of the above four methods cannot be applied in actual production. The enzymatic synthesis of GOS mainly uses high-concentration lactose or whey as raw materials, which are catalyzed and synthesized by β-galactosidase. This method has the advantages of a simple reaction, sufficient raw materials, low production costs, and non-toxicity. It is currently the main method for Producción industrial de GOS. The following details the enzymatic synthesis of GOS.

2.1 fuente y características de − -galactosidasa

− -galactosidasa (EC 3 − 2 − 1 − 23) es una enzima de gran valor comercial en la industria láctea. Está ampliamente distribuida en animales, plantas y microorganismos, y generalmente se obtiene de microorganismos para aplicaciones prácticas [9]. − -galactosidasa de diferentes fuentes tiene diferentes propiedades, y las condiciones de reacción óptimas y las tasas de conversión para la síntesis de GOS también varían mucho. Considerando el factor de seguridad de los residuos enzimáticos en los alimentos, microorganismos como A → niger, A → oryzae, K → lactis y K → frag ile se utilizan generalmente como fuentes enzimáticas. En 1996, la FDA determinó que la Candida pseudotropicalis β -galactosidasa, que se utiliza en la leche y productos lácteos, también es GRAS [10].

Generalmente, la − -galactosidasa de los moldes es una enzima extracelular con un pH óptimo de 2,5-4,5. Es relativamente barato y de uso común debido a su alta actividad enzim, pero tiene una pobre estabilidad enzim. La − -galactosidasa de las levaduras es principalmente una enzima intracelular con un pH óptimo cercano a neutro, adecuada para la hidrólisis de leche y suero.

2.2 mecanismo catalítico y factores de influencia

Los primeros estudios mostraron que la − -galactosidasa hidroliza la lactosa en al menos tres pasos, con el último paso exhibiactividad hidrolítica o transferasa.

Enzima + lactosa → enzima - lactosa (1) enzima - lactosa → galactosil - enzima + glucosa (2) galactosil - enzima + aceptor → galactosil - aceptor + enzima (3) al estudiar la activación e inhibide enzimas por pH en los primeros días, se encontró que el sitio activo de la neutral → -galactosidasa tiene dos grupos funcionales: uno es el grupo tiol, y el otro es el grupo imidazol como un grupo nucleofílico, el cual promueve la división del enlace glicosídico [8].

Estudios recientes han demostrado que el mecanismo catalítico de la − -galactosidasa es similar al de los lisosomas, es decir, un grupo en el centro activo actúa como un ácido general, proporcionando un protón al oxígeno en el enlace glicosídico, mientras que el otro grupo cargado negativamente puede estabilizar el átomo de carbono cargado positivamente en el galactósido formando un enlace covalente en el estado de transición [11]. Cuando el aceptor es agua, se forma galactosa, y cuando el aceptor es un azúcar, se forman oligosacáridos. Por lo tanto, la reacción de hidrólipuede ser considerada una reacción de transferencia especial en la que el agua actúa como aceptor del galactósido. En la mayoría de los casos, la reacción de hidrólidomina porque el contenido de agua en el sistema de reacción es alto, resultando en un bajo rendimiento de oligosacáridos [2].

El sistema de reacción para la síntesis de GOS es muy complejo, con las reacciones de transferencia e hidróliocurriendo simultáneamente. La concentración del sustry la temperatura tienen un efecto significativo en la reacción de transferencia. El producto glucosa es un inhibidor no competitivo de la reacción de transferencia, mientras que la galactosa es un inhibidor competitivo [12]. La síntesis de GOS también está relacionada con el sustrde reacción. Por ejemplo, la tasa de síntesis de GOS por K − lactis − -galactosidasa en un buffer que contiene 5% de lactosa es mayor que la de la leche [13]. Además, la galactosa sufre una reacción de inversión, y la galactosa resultante es un inhibimás fuerte. A medida que la concentración de la enzima aumenta, la tasa de síntesis de GOS aumenta, pero también lo hace la reacción de inversión. Por lo tanto, la concentración de la enzima no debe ser demasiado alta.

En la actualidad, los principales métodos para aumentar el rendimiento de GOS son aumentar la concentración del sustry reducir el contenido de agua en el sistema. Además, la eliminación de glucosa del sistema también puede aumentar el rendimiento de GOS.

2.3 formas catalíticas

Hay tres formas catalíticas principales de síntesis enzimde GOS: (1) reacción enzimlibre. Este método es relativamente maduro y es actualmente un método común paraindustrial production of GOS. Sin embargo, debido al alto contenido de humedad y la fuerte capacidad hidrolítica en el sistema de reacción, el producto tiene un alto contenido de monosacáridos, que requiere una gran cantidad de enzima y por lo tanto es más caro. Hsu C A et al. usaron Bifidobacterium − -galactosidasa para sintetizar GOS con un rendimiento de hasta 32 − 5% usando 40% de lactosa como sustra A una temperatura de reacción de 45 β C y pH 6 − 8 [14]. Según un estudio realizado por H a-Y oung et al., se utilizó una galactosidtermoestable derivada de Sulfolobus solfataricus. Bajo condiciones de reacción de pH 6 − 0 y temperatura de 80 ∙ C, con 600 g/L de lactosa como sustry 3 − 6 U/mL de enzima, el rendimiento de GOS puede alcanzar 52 − 2% (p/p) [15]; (2) reacción continua de la enzima inmovilizada.

Después de la inmovilización, la estabilidad térmica de la enzima es grandemente mejorada, su tolerancia a ácidos y álcales es aumentada, puede ser reutilizada, y el producto obtenido no contiene la enzima, y la calidad es estable [16]. La capacidad de las enzimas inmovilizpara catalizar la síntesis de GOS es superior a la de las enzimas libres, porque en comparación con la lac, las moléculas de GOS son más grandes y más difíciles de unirse a las enzimas libres, por lo que no se degradan fácilmente. César et al. encontraron que el uso de glutaraldehído o acetaldehído inmoviliz− -galactosidasa para hidrolizar la leche puede reducir en gran medida la inhibide la no competencia y la tasa de hidrólies más alta que la que usa enzimas libres o enzimas glicaninmoviliz[9].

ThierryM et al. encontraron que después de que K − lactis − -galactosidasa fuera inmovilizcon D uolita A -568 como el portador, el rendimiento de GOS sintetizusando un método asistido por microondas en presencia de un cosolvente, hexanol, en el sustrsolvente podría incrementarse en 217 veces [17]. P ocedi → ova K et al. aplicó la tecnología de membranas cerámicas (150KDa) a un sistema de reacción continua, que bloqueó completamente la enzima, es decir, logró el efecto de inmovilización, y también evitó la pérdida de la actividad enzim, que es adecuado para la producción industrial de GOS [18].

Yoon S S y otros estudiaron la pérdida de la actividad enzimdespués de la inmovilización de K − lactis − -galactosidasa usando gel de sílice como un portador y glutaraldehído como agente reticul. Los resultados mostraron que después del cruzamiento, la actividad enzimática fue 2,6 veces mayor que la de la enzima cruda inmovilizada, y después de 10 ciclos de reutilización, la actividad enzimática seguía siendo de 63,9% [19]. (3) reacción enzimática de fase no acuosa. El uso de disolventes orgánicos puede reducir la actividad del agua en el sistema de reacción, cambiar el equilibrio de reacción hacia la galactosilación, y facilitar la síntesis de GOS [20]. Isabeldel-V al M et al. usaron lactosa como sustrpara sintetizar GOS enzímicamente en un medio de dos fases que contiene polietilenglicol, y la tasa de síntesis fue muy mejorada en comparación con la fase acuosa [21]. W iraya S et al. usaron dextrina cíclica como un portador para inmovilizar − -galactosidasa, y luego hidrolizar la lactosa en un sistema de agua-trietifosfato (50%, v/v), y el contenido de GOS aumentó significativamente [22].

Estado de producción 2.4

En la actualidad, los oligosacáridos en China son todavía una industria nueva. Sólo la oligoisomaltosa y la oligofructosa pueden alcanzar una escala de producción de miles de toneladas. El desarrollo de los oga aún no ha alcanzado una gran escala. La razón principal que restringe la producción industrial de GOS en China es la falta de − -galactosidasa con excelente rendimiento y el costo de las enzimas comerciales importadas. Se entiende que Japón es el país más desarrollado de la industria oligosacárimundial, con una producción total de 50.000 toneladas, de las cuales la producción anual de GOS ha alcanzado las 6.500 a 7.000 toneladas (precio de mercado de 50.000 yenes/tonelada), ocupando el segundo lugar en el mundo. Con los cambios en la dieta, el consumo de carne y productos lácteos está aumentando gradualmente, mientras que el consumo de alimentos a base de cereales está disminuyendo. A medida que la sociedad envejec, la incidencia de hipertensión, diabetes y diversas enfermedades orales y digestivas también está aumentando. Society's la demanda de alimentos funcionales y productos para la salud también está aumentando, y la investigación y el desarrollo de productos funcionales se considera la cuestión más importante del siglo XXI. China's abundantes recursos de productos no se han desarrollado y utilizado por completo, y el desarrollo de oligosacáridos funcionales, sin duda, tendrá un gran mercado.

Detección y separación y purificación de 3 GOS

Los principales métodos de detección de GOS son la cromatode papel (PPC), la cromatode capa fina (TLC), la cromatode gases (GS) y la cromatolíquida de alto rendimiento (HPLC). Entre ellos, el HPLC es ampliamente utilizado debido a sus ventajas de ser simple y rápido, fácil de pre-procesar, con buenos resultados de separación y alta reproducibilidad. Debido a que los azúcares no absorben en la región ultravioleta normal y el rango de luz visible, y no fluoresc, el detector para los GOS es generalmente un detector de índice de refracción diferencial (RID), en lugar de un detector UV (UV) o un detector de fluorescencia (FD). Si se utiliza la espectrometría de masas (MS) como detector o la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN), se puede proporcionar información como la masa molecular relativa y la estructura, lo que aumenta la especificidad de la función [23].

En la actualidad, uno de los principales problemas que restringen el desarrollo y aplicación del GOS en China es su baja pureza. En esta etapa, los principales métodos de separación y purificación de GOS son la cromatode columna, separación de membrana, métodos enzimy fermentación microbiana. La ventaja de la separación de columnas es que se puede operar continuamente en ciclos, ahorrtiempo. Aunque el coste es más alto y la operación es más complicada, la separación rápida y eficiente de GOS por la resina de intercambio iónico es extremadamente excepcional y muy superior a otros medios de separación cromatográficos. Se ha aplicado con éxito a la separación industrial y purificación de GOS.

La separación de membrana se basa en el tamaño de los poros de la membrana del filtro para lograr el propósito de la separación. No tiene cambio de fase y bajo consumo de energía. Sin embargo, la gran cantidad de lactosa en la materia prima del GOS dificulta la separación y purificación. El método enzimutiliza preparados enzimpara eliminar específicamente ciertos componentes de una mezcla, pero el costo es demasiado alto porque las enzimas son caras. El método de fermentación microbiana elimina oligosacáridos no funcionales mediante la selección de microorganismos adecuados para la fermentación, que es relativamente de bajo costo, pero la cría de bacterias es difícil. Chao-Chun C et al. utilizaron Kluyveromyces marxianus para fermentar una mezcla que contiene glucosa, galactosa, lactosa y otros disacáridos, que pueden purimezclas de GOS con contenidos de 31% y 32% a 97% y 98%, respectivamente [24].

4 perspectivas para la aplicación de los oga

GOS has broad prospects for application in functional foods because of its many advantages over other sugars. (1) It can be used in dairy products to solve the problem of lactose intolerance; (2) it can be used in health foods to promote the absorption of calcium, magnesium and phosphorus and improve the efficacy of the product; (3) it can be used in lactic acid fermented foods to increase the number of lactic acid bacteria and shorten the fermentation cycle; (4) it can be used in baked goods [25] to improve their flavor, texture and color, and its nutritional value will not be lost during high-temperature heating. Because it is low in energy and non-digestible , which can reduce the incidence of obesity; (5) can be added to ice cream to prevent the precipitation of lactose crystals, improve product quality and extend the shelf life; (6) the synthesis of GOS from lactose in whey comprehensively treats the environmental pollution caused by whey discharge and saves a lot of energy [26].

5 perspectivas

GOS, as a new type of functional food additiveHa atraído la atención mundial debido a sus funciones fisiológicas únicas y excelentes propiedades fisicoquímicas. Con el continuo desarrollo e investigación de los GOS, junto con la abundancia de materias primas en China y el potencial ilimitado del mercado de consumo, se cree que en el futuro cercano, los GOS pondrán en marcha una fuerte tendencia de desarrollo en China y traerá enormes beneficios ecológicos y económicos.

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