《Food Chemistry》水苏糖的来源、提取、纯化、生理功能及其在食品工业中的应用
文摘
科学
2024-08-24 16:24
江苏
2024年8月，来自西南大学的Xitao Ta等人在Food Chemistry上发表了一篇题为The source, extraction, purification, physiological function, and application of stachyose in the food industry的综述性论文。
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通讯单位：College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China
Abstract
水苏糖是一种天然存在于植物中的新型功能性寡糖，包括三叶草水苏和地黄。由于其甜度低、热量低、稳定性强，已被用于提高食品质量和开发功能食品。此外，由于其对肠道有益微生物的靶向调节作用及其对人体健康的影响，有证据表明水苏糖的生理功能可能归因于其与宿主的相互作用。值得注意的是，水苏糖的生理特性和功能在很大程度上受其提取工艺、纯度、物理组成和化学结构的影响。因此，本文主要介绍水苏糖的来源、提取纯化工艺、生理功能及其在食品加工业中的应用，有助于阐明水苏糖在人体内的生化反应及其在食品领域的应用前景。
水苏糖(C24H42O21)是一种由两个D-半乳糖单元、一个D-葡萄糖单元和一个D-果糖组成的四糖，主要存在于天然植物中，如草蚕、地黄、洋地黄、大豆等。水苏糖具有低糖低热、水溶性好、稳定性强等优点，可用于提高食品品质。此外，水苏糖通过抑制炎症和调节脂质代谢来保护身体健康，可以应用于功能食品的开发。然而，水苏糖在食品加工业中的应用也受到生理特性和与人体相互作用机制不明确的限制：1)水苏糖的理化性质和生理功能在很大程度上受提取工艺、纯度等多种因素的影响；2)水苏糖与肠道菌群复杂的相互作用机制尚未得到详细分析。因此，本文介绍了水苏糖的来源、主要提取和纯化技术，阐述了水苏糖的生理功能及其在食品研究和食品加工领域的应用，并对今后的研究提出了一些建议，为水苏糖的进一步应用奠定理论基础。
水苏糖是一种四糖，存在于许多天然植物中，如唇形科植物、豆类、地黄科(图1)。其中，地黄含有21.39-33.72 mg/g水苏糖，是粗生地黄中含糖量最高的，豆类中常见的大豆水苏糖含量为1%-6% 。甜罗勒也产生水苏糖作为维持蔗糖(SUC)平衡的运输糖。此外，黄瓜、紫花苜蓿、耶路撒冷洋蓟和草莓等水果中也含有一定量的水苏糖。![]()
水苏糖的合成主要与水苏糖合成酶基因( STS )有关。Qiu等筛选了650份大豆材料，在假定的STS中标记了一个33 bp的缺失突变体，并观察了遗传定位。他们发现STS可以将大豆中的棉子糖转化为水苏糖，并且其突变体可以切断这种转化，导致水苏糖含量减少90 %。此外，为了探究水苏糖合成酶合成水苏糖的确切机制， Kannan等通过培养小扁豆并筛选不同开花天数的小扁豆种子，从小扁豆中提取分离DNA，发现水苏糖的积累与STS转录本密切相关。这些结果加强了STS在水苏糖合成中的关键作用。目前，最常用的水苏糖提取方法有溶液提取、微生物发酵和酶解提取(图2)。一些研究对原有方法进行了改进或创新，如使用氯仿回流和三氯乙酸去除杂质，更好地消除了蛋白质、有机胶体等物质的干扰，提高了水苏糖的产量。溶液萃取法是从天然植物中提取成分的一种有效方法，常用于从食品中提取色素和营养成分。Zhong等以乙醇为提取剂，探讨了乙醇体积、提取温度、等因素对水苏糖提取率的影响，采用响应面分析和多元线性回归模型，发现料液比和乙醇体积是影响水苏糖提取率的两个关键因素，因为从大豆种子中提取的一系列大豆寡糖中水苏糖的含量占了很高的比例，水苏糖是水苏糖提取的重要来源。Zhong等优化了水苏糖提取工艺。与以前的方法相比，改进后的条件更容易控制。但采用单溶液提取法，水苏糖提取时间长，效率有限;因此，研究人员采用微波辅助法等辅助技术。采用微波辅助提取法提取地黄中的水苏糖等寡糖，并采用高效液相色谱法测定其含量。微波辅助提取时间较短;提取效率也高于常规提取技术。![]()
图2. 水苏糖的主要提取工艺及其主要影响因素。1)溶液萃取法。以银苗为原料，用乙醇提取，可得到纯度为47.0%的水苏糖。2)微波辅助法。地黄研磨干燥后，微波辅助提取，冷却后离心。3)微生物发酵法。采用黑曲霉与乳酸菌混合发酵水苏糖。4)体外多酶系统合成。以蔗糖合成酶(SUS)、UDP-葡萄糖4烯丙基酶(GalE)、半乳糖醇合成酶(GS)、棉子糖合成酶(RS)和水苏糖合成酶(STS)5种酶和2种中间体(UDP和肌醇)为研究对象，建立了体外多酶体系。通过分步反应得到棉子糖后，加入sts粗酶粉制备水苏糖。5)电激活技术。采用电活化技术在正极和负极制备酸液相电解质，对豆粕施加一定电流后，提取液中可检出水苏糖。6)生物净化技术。用一种纯化能力很强的菌株W. anomalus对大豆蜂蜜进行了处理，该菌株能特异性地去除其中的蔗糖，使其更容易分离出水苏糖。7)多酶复合物。采用多酶复合粘酶对大豆渣细胞壁进行水解，得到水苏糖。
微生物发酵是利用微生物的代谢作用，在适当条件下获得所需产物的一种相对经济的方法，广泛应用于多糖等物质的提取。酶解提取是一种常用的提取方法，它利用酶作为生物催化剂，破坏植物细胞壁结构，去除蛋白质等组分的干扰，加速细胞内活性物质的溶解，提取水苏糖，提取率高。一些研究使用耐热木聚糖酶生产低聚木糖。然而，利用该方法提取水苏糖的研究相对较少，酶解提取法选择性高、反应条件温和，在水苏糖的提取中具有广阔的前景。然而，水苏糖的提取过程比棉子糖等其他寡糖更为复杂。近年来有新的方法报道，利用蔗糖合酶(SUS)、水苏糖合酶(STS)、棉子糖合酶(RS)和UDP-葡萄糖4-外聚酶(GalE) 5种酶和2种中间体(UDP和肌醇)建立多酶体系，通过级联反应提取水苏糖。最后，在一锅中三段反应得到25.6 mM水苏糖，两段反应得到61.1 mM水苏糖。还有关于电活化技术的研究，即利用电解酸碱离子形成的阳极和阴极萃取液来提取碳水化合物等物质，以豆粕为材料，从其电活化液的样品中获得水苏糖，并且水苏糖含量可以随着阳极电压的增加而增加。最终获得较高水平的水苏糖( 206.64-222.49 mg / g)。与传统方法相比，该技术具有产率高、反应速度快、工艺简单、经济适用性高等优点，已成为寡糖合成的新趋势。Yang等发现了一种纯化能力很强的菌株：Wickerhamomyces anomalus，它能特异性地去除大豆糖蜜中的蔗糖，而水苏糖的保留率为90.2%。这些方法为其他寡糖的合成提供了创新的选择。因此，未来的研究应侧重于通过数据库挖掘来提高中间酶的活性、表达水平和稳定性，以提高水苏糖的产量。初始提取后，需要从提取液中去除色素、氨基酸和其他杂质，以提高水苏糖的纯度。常用的柱层析法纯化水苏糖主要是利用各组分的不同性质(如极性、分子大小、形状、分配系数等)，使各组分以不同的速度向下迁移，并按一定的顺序流出，在天然产物提取中得到广泛应用。Yin等采用活性炭柱和离子交换树脂柱设计了一种分离纯化洋蓟中水苏糖的新方法，获得了高纯度(87.34%)的水苏糖。膜分离、结晶等常用的多糖纯化方法有望应用于水苏糖的纯化。膜分离法主要利用膜的选择性渗透性对不同物质进行分离纯化。Shao等开发了一种纯化浒苔多糖的新型集成膜;纯化后多糖含量达96.3%。结晶法在同一溶剂或不同温度下使用混合物中每种组分的不同溶解度进行纯化。其中，柱层析法和膜分离法的纯化率较高;但加工成本较高，可同时处理的样品数量较少。结晶过程耗时；因此，未来有必要探索一种适合于水苏糖工业提纯的方法，同时节约成本，提高水苏糖的提取效率。水苏糖存在于多种植物中。值得注意的是，源植物的种植会对环境产生影响。连续种植地黄等植物，降低了植物本身的产量和品质。连续培养后，植物根系微生物菌落发生变化，具有拮抗活性的有益菌数量减少，导致病原菌占优势。土壤微生物群落的变化可能使土壤养分减少。作为水苏糖的主要来源之一，大豆叶面积小，根深较低，大豆流域的总出水量比森林增加了3-4倍，这可能对水体和环境产生影响。因此，有必要开发高效的提取策略，寻找合适的原料来源和培养要求，以大批量生产水苏糖。水苏糖作为一种功能性食品成分应该是高度纯净的。虽然按照现有的方法，有些产品的纯度很高，但设备要求和成本都很高，难以实现工业化生产。探索一种既能提高水苏糖的提取纯化效率，又能降低生产成本的方法是提高利润的关键。在水苏糖的提取纯化过程中，传统的提取方法容易受到实际料液比、提取浓度、提取现场温度等诸多因素的影响，提取效率有限。此外，影响因素过多，不利于建立成熟的提取工艺，对生产设施要求严格，从而增加了潜在的生产成本。同样，在产品提取中使用的一些易燃、有毒的有机试剂(如乙腈)也可能对人体造成危害和环境污染。近年来出现了一些新的方法，特别是酶法和生物合成技术，但已不能满足市场对水苏糖的过度需求。因此，开发一种提取效率高、成本低的水苏糖工业生产方法具有挑战性。水苏糖是由两个α-半乳糖分子、一个α-葡萄糖分子和一个β-果糖分子组成的四糖化合物。纯水苏糖为白色粉末，热稳定性极佳，相对分子量为666.59 Da。关于水苏糖的水解，Montilla等人利用酶制剂果胶酶Ultra SP-L对水苏糖进行水解检测，发现产物中除了单糖、二糖和三糖外，还存在五糖和新的寡糖。进一步利用核磁共振(NMR)对其结构进行研究，发现两种糖均具有水苏糖结构。五糖中有一个果糖单元连接到水苏糖的果糖末端C-1，这表明Pectinex Ultra SP-L酶在将水苏糖分解成新的寡糖方面具有创新的用途。水苏糖存在于许多植物中，如地黄、豆类、甜罗勒、黄瓜、苜蓿、菊芋和水果。值得注意的是，许多研究已经证明了不同来源的水苏糖的功能差异，这可能归因于它们的化学结构组成的差异。Jiang等利用溃疡性结肠炎细胞和小鼠实验证明，三叶红水苏糖可抑制TLR4/NF-κB信号通路，降低IL-1β、IL-6等炎症因子和髓过氧化物酶水平，起到缓解肠道炎症的作用。地黄水苏糖对高血糖和糖尿病大鼠具有显著的降糖作用。Lai等从不同地黄样品中制备了提取物。经分析，水提粗提物水苏糖含量较高，地黄提取物促进成纤维细胞增殖。综上所述，不同来源或提取方法得到的水苏糖含量和纯度不同，其抑制炎症的机制也有一定差异。免疫因子和细胞代谢产物与宿主健康密切相关，饮食因素影响宿主免疫调节。大量研究表明，水苏糖在免疫调节中起着至关重要的作用，其调节宿主免疫的途径有以下几种：1)调节宿主免疫因子。水苏糖下调NF-κB通路，降低血清中白细胞介素17(IL-17)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)等炎症因子的水平，并通过增强紧密连接蛋白的表达增强肠道屏障，从而减轻肠道损伤。2)对细胞代谢的影响。水苏糖显著提高caspase 3和caspase 9的活性，下调Bcl-2蛋白的表达，抑制Caco-2细胞的增殖，诱导细胞凋亡，并呈剂量依赖性。水苏糖通过影响TH细胞因子的分泌，改善TH1/TH2免疫平衡、免疫球蛋白等相关蛋白和组胺，从而缓解食物过敏。水通道蛋白(Aquaporin, AQP)是一种主要表达于人结肠上皮细胞的细胞膜蛋白，在维持结肠内液体稳态中起重要作用。水苏糖通过影响神经递质的表达，下调AQP4和AQP8的表达，促进C-kit、SCF和GDNF的表达，促进平滑肌收缩，增强肠道蠕动来缓解便秘。综上所述，水苏糖具有显著的抗炎和细胞代谢调节作用。因此，以水苏糖为基础开发相关功能食品或添加剂具有良好的应用前景。但目前缺乏临床应用方面的研究，个体差异的影响还需进一步研究。先天肠道菌群影响宿主的生理健康，饮食塑造了肠道菌群的组成和功能。因此，阐明饮食-肠道微生物群-宿主健康的相互作用有助于制定个性化的营养干预策略。水苏糖是植物重要的糖组分，通过调节肠道菌群影响宿主健康(图3)。水苏糖主要通过肠道菌群代谢。然而，当水苏糖含量超过肠道微生物的降解极限时，很难充分利用，而且由于水苏糖的渗透作用，肠道微生物没有足够的时间生长繁殖。因此，当水苏糖含量较高时，细菌数量开始减少，这可能与环境不适宜及其降解极限的影响有关。因此，水苏糖对微生物群具有相当大的调节作用。![]()
图3. 水苏糖在肠道疾病中的作用。水苏糖通过调节肠道菌群影响肠道疾病。1)调节L. sakii，上调GDNF表达，增强肠道蠕动；抑制ET的表达，从而抑制血管收缩；抑制AQP4、AQP8及其他水通道蛋白的表达，促进体液稳态，共同缓解便秘。2) Akkermansia可通过表达AkmNan0625、AkmNan1835等基因降解粘蛋白，促进肠内短链脂肪酸的形成，从而下调NF-κB通路，抑制肠细胞中IL-1、IL-17、TNF-α等炎症因子的形成，从而减轻炎症反应。3)调节产酸菌，促进短链脂肪酸的形成。醋酸酯可通过GPR43途径抑制细胞分泌TNF-α，从而减轻炎症。丁酸盐可以影响巨噬细胞的功能，从而抑制IL-6、IL-12等促炎介质的产生。此外，丁酸盐还可以通过AMPK通路增加claudin-1、ZO-1等蛋白的表达，增强肠道屏障，抑制炎症反应。4)调节双歧杆菌，双歧杆菌可表达相应基因促进牛磺胆酸的产生。牛磺胆酸一方面可以通过TGR5途径促进BA转运，另一方面可以通过FXR诱导BA转运和重吸收相关基因的表达，调节BA代谢，减少脂质积累。
水苏糖与微生物的复杂相互作用主要包括以下两个方面:水苏糖被肠道微生物选择性利用；肠道微生物基因组编码多种碳水化合物活性酶，帮助降解宿主无法代谢的复杂碳水化合物。水苏糖诱导微生物产生α-半乳糖苷酶，有助于水解水苏糖作为微生物的营养物质，促进微生物增殖。水苏糖可以调节微生物对物质的转化。吲哚衍生物的生产与双歧杆菌、乳酸菌和其他菌株的增加有关。水苏糖发酵后，吲哚乙酸、吲哚丙烯酸等衍生物含量显著升高。这表明水苏糖对色氨酸转化为吲哚分解代谢物具有明显的调节作用。此外，牛磺胆酸是胆汁的重要成分，其代谢与双歧杆菌、乳酸菌等菌株密切相关。Xi等将婴儿粪便移植到无菌小鼠体内模拟人类肠道微生态，发现水苏糖上调牛磺酸的生成，下调氨基酸代谢。这些研究结果表明，水苏糖显著调节牛磺酸和羟基牛磺酸代谢以及泛酸和辅酶a的生物合成。我们之前发现，水苏糖可以恢复溃疡性结肠炎小鼠的肠道组织损伤，降低促炎细胞因子水平，逆转组织学异常，这些有益作用归因于其对宿主肠道菌群及其代谢产物的调节。此外，水苏糖大大增加了有益肠道细菌的数量，如乳杆菌和Akkermansia。水苏糖和其他物质(如小檗碱)的结合也在微生物群调节中发挥作用。它们提高了Akkermansiaceae有益菌的丰度，抑制了Proteobacteria和Desulfovibrionaceae等致病菌的生长。重塑的肠道菌群会影响大鼠的代谢。水苏糖在被细菌代谢和利用的过程中产生一系列代谢物，是其发挥益生菌功能的重要基础。水苏糖的代谢物主要包括乙酸、丙酸和挥发性脂肪酸。在添加水苏糖的小鼠日粮组中，小鼠肠道内产生短链脂肪酸的细菌数量显著增加，乙酸和丙酸含量显著增加。挥发性脂肪酸与乳酸菌和双歧杆菌有关，饲喂1%水苏糖的断奶仔猪回肠和盲肠中挥发性脂肪酸含量增加。其中，与特定肠道细菌相关的代谢物，如棕榈油酸、双歧杆菌和纤维素菌，分别呈显著的正相关和负相关。值得注意的是，水苏糖显著增强了阿克曼氏菌和双歧杆菌等肠道菌群的丰度，表明水苏糖可能调节牛磺酸等氨基酸的代谢，调节短链脂肪酸，对缓解肠道黏膜炎、促进人体健康具有重要作用。研究调查了在肉鸡日粮中添加不同的寡糖，包括棉子糖和水苏糖，对气味化合物和盲肠微生物群的影响。与其他寡糖相比，水苏糖显著增加了盲肠中挥发性脂肪酸，降低了乳酸浓度。此外，水苏糖可以促进盲肠发酵，从而减少臭味化合物的产生，显著提高肉鸡的料重比和营养物质消化率，具有良好的益生作用。以往的研究表明，多糖在调节代谢中起着重要作用，其主要作用机制如下(图4)：1)调节代谢物。水苏糖通过调节能量代谢、肠道菌群变化、炎症等发挥一定的抗糖尿病活性，进而发挥维持胰岛素-胰高血糖素稳态的作用，为糖尿病的治疗提供思路。水苏糖和小檗碱联合使用可改善胰岛功能，显著调节胰岛素和胰高血糖素水平，维持胰岛素-胰高血糖素稳态，调节巨噬细胞表达和代谢。2)调节细胞平衡。水苏糖与小檗碱联用通过调节α-和β-细胞的比例，维持其代谢产物胰岛素和胰高血糖素的相对平衡，从而调节血糖水平，其效果优于单用小檗碱。3)酶活性的调控。水苏糖与染料木素联用通过影响脂肪酸合成酶表达和脂质代谢抑制小鼠肝脏脂肪堆积和异常增重，减轻肝损伤。![]()
图4. 水苏糖在代谢疾病中的作用。1)抑制Bcl-2蛋白，促进BAX蛋白的表达，增加OMM的通透性，从而促进Cyt C的释放，激活Caspase 9和Caspase 3，抑制Caco-2细胞凋亡。2)调节嗜粘杆菌，促进粘蛋白降解酶的形成，抑制粘蛋白-2的表达，从而抑制内质网应激和杯状细胞凋亡。3)抑制M1巨噬细胞，抑制MCP-1、TNF-α、IL-1β的表达，缓解胰岛素抵抗、炎症反应、高脂血症。4)与染料木素联用，降低MDA、CDPs水平，提高SOD、GSH-Px活性，抑制氧化应激，进一步降低TNF-α、IL-1、IL-6等炎症因子水平。5)促进柠檬酸、苹果酸、α-酮戊二酸等物质的生成，促进能量代谢，有助于治疗糖尿病;调节梭菌，产生HMPP和SCFA，有利于对抗胰岛素抵抗，治疗糖尿病；调节胰岛功能，与α-细胞和β-细胞共同调节胰岛素和胰高血糖素，有助于调节血糖水平。
胃肠道是一个重要的感觉器官，大脑和肠道之间的连接构成了一个双向的激素和神经信号交流网络，称为肠脑轴。在消耗过程中，肠道将营养信号传递给大脑，大脑整合这些信号以协调能量和葡萄糖水平之间的平衡。多糖作为典型的饲粮营养成分，在肠脑相互作用中起着重要作用。Shi等建立了高脂低纤维饮食诱导的小鼠模型，发现β-葡聚糖可抑制与神经炎症相关的小胶质细胞的激活和相关突触的不良吞噬，改善认知功能，且这种保护作用典型地依赖于菌群。益生元甘露寡糖通过调节促肾上腺皮质激素释放激素水平，增强丁酸盐等相关物质的合成以平衡大脑氧化状态，调节肠脑轴，减轻阿尔茨海默病小鼠的认知和行为障碍。这些结果为水苏糖的应用提供了坚实的基础，水苏糖的主要消费人群主要是便秘、肠炎、糖尿病和肥胖患者。虽然关于水苏糖的临床研究有限，但为其临床应用提供了证据。有研究纳入689例事件(喉癌病例)和1605例对照，分析具有益生元活性的特定纤维与喉癌风险的相关性，表明水苏糖与喉癌呈负相关。同样，另一项收集和分析结直肠癌病例数据的研究发现，水苏糖与结直肠癌风险呈负相关，且结肠癌比直肠癌与水苏糖摄入的相关性更强，表明水苏糖具有很大的临床肿瘤抑制潜力。膳食因子的安全性评价是其推广利用的重要前提。动物实验证明了水苏糖的安全性。Zhang等建立了雄性小鼠高脂血症模型，发现300 mg/kg水苏糖对小鼠肝脏无毒，可改善肝脏健康。水苏糖干预通过抑制苯丙氨酸代谢和某些代谢产物的合成，减轻小鼠脂肪肝和脂质沉积。在此基础上，临床研究结果为水苏糖的安全性提供了直接证据。Li等利用富含水苏糖的α-半乳糖寡糖混合物——德石铺水苏糖颗粒(DSG)，探索其颗粒对肠道功能的影响。结果显示，水苏糖可有效改善便秘患者肠道功能，且无明显不良反应，提示水苏糖具有安全治疗功能性便秘的潜力。然而，关于水苏糖食用安全性的研究很少，有必要提供更多的证据来验证水苏糖的安全性。虽然没有研究证明水苏糖对人类的潜在副作用，但一些实验表明水苏糖可以影响一些动物的生理状态。水苏糖作为寡糖家族的重要成员，被认为是引起非反刍动物腹泻和胀气的重要因素之一。寡糖水苏糖的存在会损害猪的生产性能，这可能在一定程度上解释了依赖豆粕作为唯一蛋白质补充来源的谷物型断奶仔猪生产性能不佳的原因，这表明高剂量水苏糖可能对某些动物产生不利影响。此外，高大豆寡糖水平对雏鸡肠道健康有负面影响，如盲肠微生物α多样性显著降低。虽然一些研究已经证明水苏糖具有保护动物生理状态的益生菌作用，但还需要进一步的实验来证明其潜在的副作用。2010年，国际益生菌和益生元科学协会将益生元定义为选择性发酵成分，可引起胃肠道微生物群组成和/或活动的特定变化，从而有益于宿主健康。由于水苏糖对宿主肠道微生物群和生理健康的有益作用，水苏糖被广泛认为是一种潜在的益生元。1993年，日本厚生劳动省批准含有水苏糖的食品为“特定保健食品”。德国发布的《居民健康手册》提倡市民每天服用水果糖;世界卫生组织(WHO)称水苏糖是：21世纪最好的健康产品：。综上所述，水苏糖已在许多国家得到认可和批准使用，具有广泛的潜在应用前景。据世界知识产权组织(WIPO)统计，水苏糖相关专利超过1000件。一些专利提供了水苏糖的制备方法和生产装置，在提高生产效率的同时有助于生产高纯度的水苏糖，从而降低水苏糖的生产成本，提高其市场占有率。水苏糖的应用包括多个领域。1)医药行业。水苏糖可与益生菌或其他物质混合用于改善胃肠功能，如抗过敏等，也可用于制备治疗疾病的新药。2)生物技术。水苏糖被用于制备哺乳动物细胞保存液。3)食物。水苏糖用于制备固体饮料，主要用于乳制品、果冻、饼干等。4)其他。将水苏糖用于制备外用护肤品、饲料添加剂、生物农药等该方法的应用。综上所述，水苏糖现有专利的应用仍多停留在理论层面，水苏糖在市场上的实际应用和传播具有广阔的前景。水苏糖稳定性高，水溶性好，常用于改善食品品质。Balthazar等用益生元饲粮寡糖替代羊奶冰淇淋中的脂肪，显著降低了融化时间、融化温度、脂肪的分数和松弛时间，同时提高了白色强度和玻璃化转变温度，为提高食品质量提供了新的见解。表1. 水苏糖的应用
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考虑到水苏糖对宿主健康的保护作用，水苏糖已被广泛应用于功能食品的开发，包括益生元补充粉和固体饮料。DSG是一种具有益生元功能的新型寡糖颗粒。DSG可以调节肠道内双歧杆菌、乳杆菌等细菌的数量，同时显著增加便秘患者的排便次数，改善大便硬度，从而缓解功能性便秘。水苏糖也被用于开发有益健康的酸奶。Shu等测量了酸度、活菌数和其他酸奶指标。山羊嗜酸乳杆菌酸奶和山羊干酪乳杆菌酸奶中水苏糖的最适浓度分别为0.4%和0.8%。水苏糖能有效提高山羊酸奶的活力和活菌数。水苏糖促进营养吸收的程度取决于小分子化学键的修饰和宿主转运蛋白水平的调节。以往的研究大多集中在纯水苏糖的生理功能上，而没有考虑水苏糖与不同营养物质的相互作用。因此，有必要进一步研究水苏糖与营养物质相互作用对生理功能的影响。Li等以叶黄素为基础制备了一种新的两亲性寡糖衍生物，并在水苏糖的羟基位置进行了修饰。叶黄素-水苏糖衍生物具有良好的消化稳定性和清除自由基的能力，能有效抑制叶黄素在胃肠道中的降解，说明水苏糖修饰有助于提高脂溶性叶黄素的口服生物利用度。此外，微生物还会影响水苏糖的生理功能。水苏糖与鼠李糖乳杆菌GG联合使用时，可以通过增加肠上皮细胞中紧密连接蛋白(如ZO-1)的水平，降低炎症因子(如IL-1β和TNF-α)的水平来减轻炎症反应，这种保护作用比水苏糖或LGG单独使用更明显。这些结果为功能性水苏糖产品的研究开发和合理利用提供了新的思路。
11.未来研究(表2)
水苏糖由于其稳定的理化性质和显著的生理功能，风险较低，具有广阔的应用前景。目前，它被用于提高食品的质量和利用率。作为一种功能性寡糖，水苏糖在保健品和药品中的应用将潜在成为一大趋势。考虑到水苏糖在保护宿主健康方面的巨大潜力及其高效的免疫调节作用，其具有开发新兴药物的潜力。此外，许多研究表明水苏糖有助于改善动物肉类的品质和风味，并证明其在动物饲料中的潜在应用。然而，类似的研究很少，主要集中在动物模型上，如肉鸡。未来的研究需要进一步证明其在不同动物模型中的有效性和安全性。此外，一些专利描述了水苏糖用于制备局部护肤品、饲料添加剂、生物农药以及该方法的其他应用。综上所述，现有的水苏糖专利申请大多还停留在理论层面，水苏糖在市场上的实际应用和推广前景广阔。然而，全面的提取工艺、详细的相互作用机制和安全性评价数据也限制了水苏糖的开发和应用：1)目前的提取方法存在不足，需要进一步探索更好的提取工艺。2)水苏糖与肠道菌群之间复杂的相互作用机制尚未得到详细的分析，有必要设计合理的动物模型来探索两者之间详细的相互作用机制。3)水苏糖的食用安全性数据相对较少，人体临床研究缺乏相关数据。需要更多的临床试验来评估这些治疗的安全性。
表2. 详细介绍了水苏糖未来的研究和展望。
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原文：The source, extraction, purification, physiological function, and application of stachyose in the food industry.DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2024.140791
