泰国龙舌兰属植物作为替代性益生元甜味剂的潜力：益生元提取优化及龙舌兰糖浆的功能评价

《Journal of Agriculture and Food Research》：Potential of Agave spp. in Thailand as an alternative prebiotic sweetener: optimization of prebiotic extraction and functional evaluation of agave syrup

　　

龙舌兰是一种抗旱植物，在泰国常被用作观赏植物。尽管其具有潜力，龙舌兰的应用仍然有限。本研究通过比较不同条件下的提取方法（水提、乙醇提取和共提取）优化了从龙舌兰块茎中提取低聚果糖（FOSs）的工艺。研究人员研究了提取物的成分和结构。根据结果，乙醇提取是最有效的方法，在75%（v/v）乙醇、龙舌兰粉末与乙醇比例1:5、75°C条件下处理24小时，获得了最高的果糖聚合物含量（3.03%（w/v）），该提取物含有聚合度（DP）小于10的短链低聚果糖（FOSs），包括1-蔗果三糖（DP3）、蔗果四糖（DP4）和1-呋喃果糖基-D-蔗果四糖（DP5），以及多种糖类，尤其是果糖。浓缩后的龙舌兰提取物糖浆（67°Brix）由低聚果糖（FOSs）（5.05%（w/v））、糖类（62.43%（w/v））和具有抗氧化活性的酚类化合物（2.76 mg GAE/mL，在DPPH（2,2-二苯基-1-苦肼基）测定中抑制率为59.61%，IC₅₀为2.84 mg/mL）组成。此外，龙舌兰提取物糖浆在体外表现出潜在的益生元特性，能够抵抗胃肠道中的酶解消化，其消化率（3.5%）低于蔗糖糖浆（6.0%），并能促进和延长益生菌干酪乳杆菌（Lactobacillus casei TISTR 1463）的生长。此外，在体外条件下，其估算血糖指数（eGI）和水解指数（HI）（eGI=49.20；HI=17.29）显著低于蔗糖糖浆（eGI=60.34；HI=37.57）。根据急性毒性试验，龙舌兰粉末和龙舌兰提取物糖浆在大鼠中未显示毒性。这些发现凸显了龙舌兰块茎作为宝贵农业资源用于生产高价值龙舌兰衍生产品的潜力，特别是功能性成分和低血糖指数（eGI）的益生元甜味剂。

**研究背景与问题**
龙舌兰属（Agave spp.）植物是一种抗旱型肉质植物，在泰国主要作为观赏植物栽培，其潜在应用尚未得到充分开发。尽管龙舌兰含有丰富的果糖聚合物（如果聚糖和低聚果糖）以及多种生物活性化合物（如酚类、皂苷），但在食品工业中，特别是作为天然甜味剂和益生元来源的利用有限。现有研究多集中于墨西哥原产龙舌兰（如龙舌兰特基拉（Agave tequilana）），而泰国本土种植的龙舌兰品种的成分及功能特性尚不明确。在益生元需求日益增长的背景下，优化龙舌兰中低聚果糖（FOSs）的提取工艺，并评估其作为低血糖指数（GI）替代甜味剂的功能特性，对于开发泰国龙舌兰产业具有重要价值。该研究旨在填补这一空白，通过系统比较提取方法、表征成分，并评价体外益生元活性、估算血糖指数（eGI）及急性毒性，为龙舌兰功能性产品的开发提供科学依据。该论文发表在《Journal of Agriculture and Food Research》。

**主要关键技术方法**
- **样本来源**：泰国叻丕府种植的5年生龙舌兰（Agave sp.）块茎。
- **提取优化**：通过比较水提、乙醇提取及二者共提取在不同条件下（料液比、温度、时间、乙醇浓度）的总聚合物产量，确定最优参数，并采用主成分分析（PCA）解析变量影响。
- **成分分析**：利用高效液相色谱（HPLC）测定糖类（蔗糖、葡萄糖、果糖）及短链低聚果糖（1-蔗果三糖、蔗果四糖、1-呋喃果糖基-D-蔗果四糖）；薄层色谱（TLC）定性验证；基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF-MS）测定聚合度分布。
- **功能评价**：采用体外模拟胃肠道消化模型评估抗酶解能力及对干酪乳杆菌（Lactobacillus casei TISTR 1463）生长的促进；通过酶水解法计算水解指数（HI）和估算血糖指数（eGI）；以DPPH（2,2-二苯基-1-苦肼基）法测定抗氧化活性，Folin-Ciocalteu法测定总酚含量。
- **安全性评估**：按照经济合作与发展组织（OECD）指南，对大鼠进行急性口服毒性试验（剂量5000 mg/kg体重）。

**研究结果**
1. **3.1 优化提取方法的比较**
通过比较水提、乙醇提取及共提取，发现乙醇提取在75%（v/v）乙醇浓度、料液比1:5、75°C、24 h条件下获得最高总聚合物含量（3.03% w/w）。主成分分析（PCA）表明，中高温度（55–75°C）、长时间提取（12–24 h）、适当料液比及75%乙醇是关键因素。共提取并未显著优于单一乙醇提取。

2. **3.2 龙舌兰提取物及浓缩糖浆的成分分析**
优化乙醇提取物含有短链低聚果糖（FOSs），包括DP3、DP4和DP5，以及大量果糖、少量葡萄糖和蔗糖。MALDI-TOF-MS证实聚合度范围为DP3–DP10，未检测到大于DP10的果聚糖。浓缩糖浆（67°Brix）中总聚合物含量为5.05%（w/w），总糖62.43%（w/w），总酚2.76 mg GAE/mL，DPPH抑制率59.61%（IC₅₀=2.84 mg/mL）。

3. **3.3 龙舌兰提取物糖浆的功能特性**
- **3.3.1 体外益生元特性比较**：在模拟口-胃-肠消化中，龙舌兰糖浆的还原糖释放量和水解率（始终低于3.5%）显著低于蔗糖糖浆（最高达6.0%），表明其抗酶解能力更强。消化后产物能促进干酪乳杆菌（L. casei TISTR 1463）生长，在9 h达到峰值（约log 9.7 CFU/mL），且在24 h后仍维持较高水平，而蔗糖糖浆和对照组下降更明显。培养基pH值降低至约3.2，证实代谢活性增强。
- **3.3.2 水解指数与估算血糖指数**：龙舌兰糖浆的水解指数（HI=17.29）和估算血糖指数（eGI=49.20）均显著低于蔗糖糖浆（HI=37.57，eGI=60.34），被归类为低血糖指数（GI）食品（eGI≤55），而蔗糖糖浆为中等GI（56–69）。

4. **3.4 急性毒性研究**
大鼠口服5000 mg/kg体重龙舌兰粉末或浓缩糖浆后，未出现死亡或异常行为。体重、摄食量、饮水量、脏器重量及血液学参数（除平均红细胞血红蛋白（MCH）值略有升高但在正常范围内）均无显著毒性变化，推断半数致死剂量（LD₅₀）大于5000 mg/kg体重。

**讨论与结论**
讨论部分指出，乙醇提取的高效性归因于其对果聚糖的选择性沉淀作用，而水提温度超过70°C可能导致热降解。本研究所获龙舌兰果聚糖主要为短链低聚果糖（DP<10），而非典型龙舌兰中常见的高度分支化agavins（聚合度可达60以上），这可能与物种差异、生长环境及提取方法有关。尽管低聚果糖含量相对较低（约5%），但糖浆仍表现出抗消化能力，并促进益生菌生长，其低血糖指数（GI）主要归因于非消化性果聚糖及高果糖含量。急性毒性试验证实了安全性，但需长期慢性毒性研究进一步验证。结论部分翻译如下：
从龙舌兰块茎中提取益生元物质的最优方法为乙醇提取，优化条件为：75%（v/v）乙醇，龙舌兰粉末与乙醇比例1:5，75°C，24小时。该方法获得总聚合物（以游离果糖计）3.03%（w/w），含有聚合度（DP）小于10的短链低聚果糖（FOSs），如1-蔗果三糖（DP3）、蔗果四糖（DP4）和1-呋喃果糖基-D-蔗果四糖（DP5），并富含果糖以及葡萄糖和蔗糖等其他糖类。浓缩龙舌兰糖浆含5.05%（w/w）总果糖聚合物、短链低聚果糖（FOSs）、多种糖类及具有抗氧化活性的酚类化合物。此外，龙舌兰提取物糖浆在体外胃肠道水解中表现出潜在益生元特性，消化率（3.5%）低于蔗糖糖浆（6%），并能促进和延长益生菌干酪乳杆菌（L. casei TISTR 1463）的生长。龙舌兰提取物在进一步研发中具有应用前景，特别是生产功能性甜味剂产品，其体外血糖指数（eGI）和水解指数（HI）（eGI=49.20；HI=17.29）均低于蔗糖糖浆（eGI=60.34；HI=37.29）。急性毒性试验证实龙舌兰提取物糖浆对大鼠无毒性，确保其在健康食品行业中的使用安全。因此，泰国种植的龙舌兰（Agave sp.）有潜力作为农业资源生产高价值产品，特别是作为具有补充益生元特性的低血糖指数（GI）替代甜味剂。此外，龙舌兰及其高价值衍生物的开发可为泰国农村地区（其他作物难以生长）的农民提供收入，或作为替代作物在其他适宜地区种植，从而增强经济可持续性并改善生计条件。