低聚果糖是一种天然存在于多种植物中的短链碳水化合物，属于益生元的一种。它由2到4个果糖单元构成，并以葡萄糖单元开始。低聚果糖具有低热量、甜度低的特点，且不能被人体小肠直接吸收，因此对血糖影响较小。它主要作用是作为益生菌的食物，促进肠道内双歧杆菌和乳酸菌等有益菌的生长，维护肠道微生态平衡。此外，低聚果糖还能改善肠道健康，增强肠道功能，提高矿物质吸收，降低血糖反应，降低胆固醇，预防便秘等。在食品工业中，低聚果糖常用作食品添加剂，如饮料、酸奶、糖果等。适量摄入低聚果糖对人体健康有益，但过量可能会导致肠胃不适。

1950年，Bacon与Edelman及Blanchad与Albon在研究酵母转化酶时，分别独立发现该酶除了具有水解作用外，还具有转移作用。蔗糖水解时产生了不等量的葡萄糖和果糖，除此之外，还生成一些低聚糖，这些低聚糖的结构后来得到了进一步确定并被命名为蔗果三糖（kestose）族低聚糖。

1952年，Whalley等用酵母转化酶作用于蔗糖，首先得到蔗果三糖。次年，Bacon和Bell用高温淀粉酶作用于蔗糖，产生了一系列寡糖，从中析出异蔗果三糖（isokestose）。1954年，Gross等发现新蔗果三糖（neokestose）。

而70~80年代，随着对低聚果糖优越生理特性的揭示，相关研究迅速兴起。欧美国家在基础理论上的研究细致深入，而日本则在低聚果糖的开发和应用方面处于领先地位。1984年，日本明治制果株式会社首次利用固定化微生物工业化生产低聚果糖，推出了商品名为“Neosuger”的低聚果糖产品，其主要成分为GF2、GF3、GF4的混合物，年产量达3300t。韩国Cheil食品与化学公司也用固定化A.pullulans细胞工业化生产低聚果糖并取得成功。而我国低聚果糖的开发相对较晚，江南大学、中国食品发酵研究所、广西大学对低聚果糖进行了科研开发，并向企业进行了技术成果转化。

低聚果糖由蔗糖（GF）和1~3个果糖基通过β-(2→1)-糖苷键与蔗糖中的果糖基结合而成，属于非还原性糖。蔗果三糖、蔗果四糖和呋喃果糖基蔗果五糖的旋光度分别为+28.5、+10.1和-1.6，含量为10%时的甜度为相应蔗糖的31%、22%和16%。蔗果三糖和蔗果四糖的熔点分别为199~200℃和134℃。低聚果糖的吸湿性很强，它的含水产品难于在空气中长期保存。低聚果糖的黏度比同浓度的蔗糖溶液略大，热稳定性也较蔗糖高，在一般的食品pH范围（4.0~7.0）内非常稳定，可在冷藏温度下保存一年以上。低聚果糖的其他一些物化性质如溶解性、冰点和沸点、结晶点等都与蔗糖非常相似

低聚果糖的性能见表

益生元作用：低聚果糖由于其本身较难被人体消化道中有关的酶所降解，且人体摄入后其体内的有益菌数量可增殖10~100倍，同时产生的有机酸，如醋酸、乳酸、丙酸、丁酸等使肠道内pH降低，从而抑制外源性致病菌和肠道内固有细菌如沙门氏菌等的生长繁殖，减少肠内腐败物质生长和积累，因此被视为一类有效的益生素。

促进矿物质吸收：低聚果糖有助于增加肠道对钙、镁等矿物质的吸收，对骨骼健康起到积极作用。

控制血糖和胆固醇：低聚果糖作为一种新型的食疗剂，能有效降低血清胆固醇、甘油三酯、游离脂肪酸的含量，对于因血脂高而引起的高血压、动脉硬化等一系列心血管疾病有较好的改善作用。Delzenne以小鼠为研究对象，在其饲料中添加10%低聚果糖，饲养8周后，实验组小鼠血浆总胆固醇水平显著低于对照组，表明低聚果糖可能有助于调节血脂代谢。

防龋齿功能：目前认为龋齿的发生与口腔中的突变链球菌产生的葡萄糖转移酶有关。这种酶可以分解蔗糖产生不溶性的具有黏附性的葡聚糖，该糖黏附于牙齿上形成牙垢，牙垢中的细菌发酵糖类产生酸，这些酸可以使牙釉脱落而形成龋齿。低聚果糖不会被突变链球菌的葡萄糖转移酶裂解，故不会生成具有黏附性的葡聚糖，从而达到预防龋齿的效果。

抗肿瘤和增强免疫功能：许多报道显示，双歧杆菌具有抗癌作用。这可能是因为双歧杆菌细胞、细胞分泌物及细胞壁成分刺激免疫系统所致。此外，由于免疫力的提高，使人休内各种淋巴细胞数量易于保持平衡、在免夜体系中起中心作用的T淋巴细胞和B淋巴细胞数量增加，人体抵御体内外有害异物侵人的能力增强，从而起到防病治病作用。双歧杆菌可增加抗体细胞的数量，激活巨噬细胞的活性，激发人体免疫细胞产生S-IgA免疫球蛋白，其免疫能力是其他免疫球蛋白的7～10倍。。

促进肠道消化吸收：低聚果糖是存在于水果、蔬菜、蜂蜜等物质中的天然活性成分，不能被胃肠道中的消化酶所分解，是一种优良的水溶性膳食纤维。此外，FOS可增强肠黏膜的保护功能，从而减少胃肠道疾病的发生。摄入低聚果糖可导致粪便松软（由于滞留水分所致），同时促进肠功能。低聚果糖经肠内益生菌发酵促进pH下降和肠壁蠕动，提高粪便水分含量及渗透压。在人体试验中，每天摄人3.0~10.0g低聚果糖，一周后体重、腹部脂肪以及内脏脂肪均出现明显减少。

低聚果糖是存在于人们经常食用的上千种天然植物中，如存在于香蕉、黑麦、大蒜、牛蒡、芦笋根茎、小麦、洋葱、马铃薯、雪莲果、菊芋、蜂蜜等中。 美国国家环境测试局（NET）评估了低聚果糖在食物中的含量，测试的部分结果是：香蕉0.3%、大蒜0.6%、蜂蜜0.75%、黑麦0.5%。 牛蒡中含3. 6%、洋葱中含2.8%、大蒜中含1%、黑麦中含0.7%，雪莲果中果寡糖含量为干物质的60%-70%，菊芋块茎中含量最为丰富，占块茎干重的70%-80%。

目前低聚果糖的制备主要有两种方法。一种是以蔗糖作为底物，利用β-果糖基转移酶或β-呋喃果糖苷酶催化分子间果糖基反应。两种酶一般是由微生物发酵生产获得的。酶源不同，所生成的低聚果糖的糖苷键也不同。另一种是以菊粉为底物，利用内切菊粉酶催化水解反应来进行生产。

糖基转移酶法制备低聚果糖的反应机理如图3-29所示。分子间的果糖转移反应分两步进行:第一步是蔗糖在β-果糖转移酶或β-呋喃果糖苷酶的作用下分解为果糖基和葡萄糖;第二步是果糖基与受体蔗糖反应合成蔗果三糖，蔗果三糖作为果糖基受体则合成蔗果四糖，蔗果四糖作为受体则合成蔗果五糖，还有部分果糖基与水作用转变成游离果糖。

（1）低聚果糖制备用酶 催化糖苷转移反应制备低聚果糖的酶，主要为β-呋喃果糖苷酶，该酶又称蔗糖酶或转化酶（EC 3.2.1.26），广泛分布于生物界。不同酶源所生成的低聚果糖中的糖苷键存在差异。植物果糖基转移酶存在于许多高等植物中，目前已发现甜菜（beet）、洋蓟（artichoke）、洋葱（onion）、芦笋（asparagus）、龙舌兰（agave）及菊苣（chicory）等中都含有该酶类，其中研究较多的是菊苣和芦笋的酶。利用从植物中提取的酶生产低聚果糖，产率低且受季节的限制。因此工业化生产用酶都是微生物发酵获得的。微生物酶成功应用于低聚果糖工业生产的另一个原因是酶促反应可以在很高浓度的蔗糖溶液中（700~850g/L）进行，这样反应过程受杂菌污染的可能性较小，使用起来很方便，而且可以大大减少后面浓缩的工作量和能耗。与植物果糖基转移酶相比，微生物酶一般来说分子量更大，耐高温性也更强。

（2）酶法合成低聚果糖：工业化酶技术的广泛应用使得应用酶法大规模生产低聚果糖成为现实，低聚果糖的酶法工业化生产分为游离酶或菌体间歇法生产以及固定化酶或细胞连续反应生产。

① 游离酶法：利用游离酶制备低聚果糖的流程见图3-30。直接用游离酶液制备低聚果糖的难点在于必须先采用溶菌酶破壁等技术将菌体破壁，提酶后还需进行简单的纯化后才能使用。这种方法的缺点是酶不能重复利用，生产成本较高。此外，低聚果糖浆含杂质较多，去杂质的难度较大。

② 菌体间歇法：菌体间歇法是将菌丝体连同培养基一起倒入蔗糖溶液中进行液态深层发酵的方法。先通过发酵产生菌丝体，然后将菌丝体连同培养基一起转入蔗糖溶液（浓度约为600g/L）中，在搅拌的同时通入无菌空气，发酵，待低聚果糖含量达50%~55%停止反应。该法生产的低聚果糖浆需经过去杂、脱色、过滤等工序之后才能得到成品。该方法的难点在于后处理去杂质的难度大，工艺复杂。

③ 固定化酶法：目前，大量生产低聚果糖的主要问题是产率不高（40%~60%），进而导致蔗糖酶解过程中果糖基转移酶的成本过高。酶的固定化技术为提高固定化酶的使用效率、降低成本提供了可能。因为固定化酶比游离酶具有更长的使用寿命，并且可以反复使用多次，从而降低了生产成本。

④固定化细胞法：随着固定化技术的发展，也可采用含酶细胞或细胞碎片进行固定化，直接应用细胞或细胞碎片中的酶或酶系进行催化反应。这样便省去了那些复杂费时的酶纯化步骤。

(3) 高纯度低聚果糖的制备 用于特殊目的的低聚果糖(如供糖尿病患者食用的低聚果糖)必须具有很高的纯度。然而，用游离酶或固定化酶或固定化细胞法制备得到的低聚果糖产品的低聚果糖含量并不高，其质量分数约为 50%~60%。原因是酶法制备低聚果糖的同时生成了副产物葡萄糖，葡萄糖既是反应的平衡产物又是酶的抑制剂，阻遏了蔗糖的进一步转化，因而产品中含有相当量的葡萄糖和未作用的蔗糖。

分离制备高纯度低聚果糖的基本方法有色谱分离法、双酶法、酵母法及纳滤法等。

① 色谱分离法 色谱分离法是将含 50%~60%低聚果糖浆 (FOS50) 流经色谱分离柱，利用色谱分离的原理将 FOS50 产品中葡萄糖和大部分蔗糖除去，得到低聚果糖含量95%(FOS95)以上产品。

② 酵母法 可以采用底物选择性高的酵母生产高纯度低聚果糖。这种酵母不能利用低聚果糖作为其生长的碳源，但可以消耗 FOS50 产品中的葡萄糖。

③ 纳滤分离法 纳米膜分离技术是介于超滤和反渗透之间的一种膜分离技术其截流分子量在 100~1000 之间。选择合适的膜型号，可以将低聚果糖中的蔗果三糖、蔗果四塘、蔗果五糖和蔗果六糖等截流，而让分子量较小的葡萄糖、果糖和部分蔗糖透过膜，从而得到高纯度的低聚果糖产品。

上述介绍的获得高纯度低聚果糖的方法都是在用普通酶法制得低聚果糖混合物后，用适当的方法除去其中的葡萄糖、果糖和蔗糖的方法，可称为两步法。

④ 双酶法 双酶法是采用葡萄糖氧化酶或葡萄糖异构酶，在转移反应的同时降低或消除葡萄糖的抑制作用，可称为一步法。一步法的原理是利用葡萄糖氧化酶GOD或葡萄糖异构酶协同过氧化氢酶CCAI将单酶法制得的低聚果糖浆中的葡萄糖转化为葡萄糖酸，然后用离子交换法将葡萄糖酸分离除去。该方法可得到达聚果糖含量达到 87%的产品。

菊芋系多年生草本植物，地下块茎形如生姜，在我国俗称“洋姜”。菊芋含有一种贮存性多糖——菊糖，又称菊粉，约占菊芋肥大块茎干重的70%以上。菊粉是一种天然的果聚糖，由D-呋喃果糖以β-2,1糖苷键相连，在其还原端接一个葡萄糖基，呈直链结构，一条菊粉链一般由30个左右果糖单位和1个α-D-呋喃葡萄糖组成。以菊芋为原料酶法制备低聚果糖的流程如下：

菊芋→热水浸出→菊粉→控制酶解→低聚果糖溶液→脱色→净化→浓缩→成品

菊粉的控制酶解用酶是菊粉酶。菊粉酶广泛存在于菊科植物和部分微生物中。菊科植物产生的菊粉酶的底物专一性较强，仅作用于菊粉。而微生物产生的菊粉酶具有活力高，热稳定性好，可大量生产等特点；但底物专一性普遍较差，通常作用于菊粉、蔗糖和棉子糖。从菊粉酶的水解模式来看，有内切和外切两种菊粉酶：

① 2,1-β-D 果聚糖，果聚糖水解酶（D-fructanfructanohydrolase, EC 3.2.1.7）：这是一种内切酶，可以从果聚糖分子内部随机切断 β-果糖苷键，不能水解 GF1、GF2 和 GF3，但能水解 GF4。可能的模式是：GF4 → GF + F3, F4 → F3 + F, F5 → F3 + F2。其产物包括 GF1、GF2、GF3、GF4、F2、F3、F4、F5 等。来自黑曲霉-12 (A. niger-12) 的菊粉酶 III 是一种典型的内切菊粉酶，其主要水解产物是含 3、4、5 个果糖单位的聚合果糖。

② β-D 果聚糖，果聚糖水解酶（β-D-fructanfructanohydrolase, EC 3.2.1.80）：这是一种外切酶，从非还原末端逐个水解 β-D 果糖苷键，生成一分子的果糖和一个少一个果糖单位的果聚糖，最终水解产物为葡萄糖、果糖和蔗糖。来自黑曲霉-12 (A. niger-12) 的菊粉酶 I 是一种典型的外切菊粉酶，其主要水解产物是葡萄糖、果糖和蔗糖。显而易见，以菊粉为原料生产低聚果糖应使用内切菊粉酶。自然界中许多微生物能够产生菊粉水解酶。然而，许多微生物所产菊粉酶为混合酶，多表现为外切活性，其水解菊糖产物以果糖为主。大多数微生物菊粉酶常常呈现出转化酶活力，转化酶是一种水解蔗糖为葡萄糖和果糖的酶，对菊粉没有作用。产菊粉酶的微生物包括真菌、酵母和细菌。

低聚果糖的产品不仅风靡国内外保健品市场，而且被广泛应用于保健食品、饮料、乳制品、糖果等食品行业，饲料工业以及医药、美容等行业中，应用前景十分广阔。

低聚果糖在饲料中的应用

20世纪80年代中后期，日本首先把它开发成饲料添加剂用于饲料工业。我国动物营养学界20世纪90年代后期才接触到这类添加剂。低聚果糖主要功效是对动物机体中双歧杆菌有增殖作用，从而增加了双歧杆菌的生长速率，使肠道中的有害菌受不同程度的抑制。

低聚果糖对存在于其他暖血动物中的双歧杆菌也有极好的增殖作用。2000年6月浙江大学农学院采用云南天元低聚果糖制成新型双歧因子物资饲料；“无腹泻饲料”，成功完成了畜牧业实验重大科研课题。试验说明：低聚果糖可有效治疗家畜断乳后出现腹泻、下痢症状，对其引发的染病死亡、生长缓慢、发育延迟等不良问题起到积极预防作用。2000年2月28日云南某食品公司与中国成都大熊猫繁育研究基地联合开展“低聚果糖投喂大熊猫试验”。该基地已于2000年2月初对一只病弱的大熊猫“莉莉”连续20天喂低聚果糖，结果该大熊猫周期性出现的“排粘”、腹泻、厌食、稀便等症状得到有效遏制，体能与精神转好，食欲与体重都明显增加。成都大熊猫繁育研究基地主任李光汉教授表示，对利用低聚果糖进各种濒危野生珍稀动物由野外微生态平衡转为人工繁衍微生态失衡的调节，将大有可为。

低聚果糖在食品及保健品中的应用

欧美、日本等国已将低聚果糖应用于乳酸菌饮料、固体饮料、糖果糕饼、饼干、面包、果冻、冷饮、汤料、谷物等多种食品中。低聚果糖的添加，不仅提高了食品的营养和保健价值，同时还能有效延长如冰淇淋、酸奶、果酱等多种食品的保质期。此外，低聚果糖热量低，不会引起肥胖也不会使血糖上升，是理想的新型保健甜味剂，可作为食品基料在食品中应用，满足糖尿病人、肥胖病患者和低血糖病人的需要。

低聚果糖在婴幼儿食品中特别是乳制品中得到广泛应用，如婴幼儿乳粉、纯牛奶、调味乳、发酵乳、乳酸菌饮料、各种奶粉等。婴幼儿奶粉中添加适量的低聚果糖、菊粉、乳果糖等益生元可促进双歧杆菌或乳酸杆菌等在结肠中的生长。低聚果糖作为生物活性益生元和水溶性膳食纤维应用于饮用水中，既能满足人体基本的生理功能和新陈代谢的需要，又能促进人体健康，其功效相辅相成，相得益彰。

低聚果糖可作为钙、镁、铁等矿物质和微量元素的活化因子，可以达到促进矿物质和微量元素吸收的效果，如在补钙、铁、锌等食品、保健品中添加低聚果糖，可以提高品的功效。

低聚果糖在特殊医学用途食品中的应用

虽然低聚果糖由于分子量小，人们认为低聚果糖不能起到膳食纤维的全部作用，但这一特性使其能很好地与液态特殊医用食品相容，而后者多是患者通过管道来进食。很多膳食纤维并不能与液态医疗食品相容，不溶性纤维容易沉淀从而堵塞进食管道，而可溶性膳食纤维会增加产品的黏度，这使得通过固定管道来给药变得更为困难。低聚果糖能起到很多类膳食纤维的生理效应，如调节肠道功能、维持大肠完整性、抗移植性、改变氮排泄的途径以及增加矿物质的吸收等。总之，低聚果糖与液态医疗食物良好的相容性及很多生理功效使低聚果糖在特殊医用食品中得到广泛应用。

其他应用

在焙烧食品中增加低聚果糖，可以增进产品的色泽，改进脆性，有利于膨化。

在体内和体外的多项研究中评价了FOS的毒性, 在体外进行的微生物回复突变试验、哺乳动物细胞基因突变分析和期外DNA合成试验中, 都未发现FOS有潜在的基因毒性。杭锋等研究了低聚果糖调节人体肠道菌群的效果, 服用低聚果糖前后, 没有观察到过敏及其它不良反应, 人体血红蛋白、红细胞、白细胞、血清谷丙转氨酶、血、尿、便常规、心率及血压等指标基本在正常范围, 表明低聚果糖对人体健康没有不良影响。曾媛通过FOS干预对2型糖尿病患者的人体试验结果表明, 因FOS在肠道酵解的过程中会伴随产生氢气、二氧化碳和甲烷等气体而导致胃肠腹胀现象, 此外, 还没有发现其它明显的不适现象, 表明FOS应用的安全性较好。付萍等通过人体试食实验结果表明, 受试人群服用低聚果糖后, 受试者有排气增多现象, 无其它不良反应发生。

最早关于低聚果糖的法规可以追溯到1990年国家轻工业部颁布的行业标准《功能性低聚糖通用技术规则》。

1997年，国家技术监督局颁布了GB 16740-1997《保健（功能）食品通用标准》，明确低聚果糖可作为食品原料应用于保健食品。

2006年，卫生部批准低聚果糖作为新资源食品。

2009年，国家质量监督检验检疫总局发布了GB/T 23528-2009《低聚果糖》。

2012年，卫生部颁布了6号公告，允许低聚果糖添加在婴幼儿配方奶粉中。

2015年，由中国食品发酵工业研究院牵头的低聚果糖、菊粉国家标准起草工作组会议举办，对GB/T 23528-2009《低聚果糖》进行了重新修订。2022年6月30日GB 1903.40-2022《食品营养强化剂低聚果糖食品安全国家标准》正式发布，并于2022年12月30日实施。