益生元研究现状及发展趋势
禹城功能糖协会
摘要：益生元作为一种膳食补充剂，通过选择性的刺激一种或少数菌落中细菌的生长与活性而对寄主产生有益的影响，从而改善寄主健康的不可被消化的食品成分。益生元可以通过选择性地刺激结肠中的一种或少数几种细菌的生长或活性而对宿主产生有益影响，从而增进宿主健康。针对益生元的主要特性，本文介绍了益生元的类型、应用领域及未来发展趋势。
前言
益生元（Prebiotics）是这样一种物质：它是一种膳食补充剂，通过选择性的刺激一种或少数种菌落中的细菌的生长与活性而对寄主产生有益的影响从而改善寄主健康的不可被消化的食品成分。益生元具有激活体内益生菌增殖、抑制有害菌，激发细胞活力、增强人体免疫力的健康作用。
益生元主要存在于母乳、蜂蜜及大豆、洋葱、大蒜等 30000 多种植物中。包括各种寡糖类物质（Oligosaccharides）或称低聚糖（由 2～10 个分子单糖组成）。文章主要统计的产品包括低聚果糖，低聚半乳糖，菊粉，聚葡萄糖，低聚异麦芽糖，抗性糊精，抗性淀粉，低聚甘露糖，海藻糖，低聚木糖，水苏糖， 壳聚糖，乳酮糖，帕拉金糖，龙胆低聚精和大豆低聚糖。
1 益生元行业情况
近几年来，无论国际还是国内食品市场，益生元作为食品添加剂的重要组成部分，它的应用日益广泛。随着功能食品、功能饮料、功能乳品，营养品的快速发展，益生元的市场容量也在急剧扩张[1]。同时益生元还应用于保健食品、医药、饲料等方面。对于功能食品而言如今早已是大势所趋，随着人们物质生活的不断提高功能性食品越来越受到人们的青睐。
根据益生元产品特点，本文将不同类型益生元的产品特点、市场规模、市场份额、增长率及未来发展趋势。主要包括下列几种类型。
表：益生元主要类型产量增长趋势（2015-2026 年）（吨）
图：全球 2019 年益生元主要类型产量市场份额
1.1 低聚果糖
低聚果糖是低聚糖的一种，FOS 是 Fructooligosaccharide 的简称，低聚果糖分为蔗-果型低聚果糖和果-果型低聚果糖，其中蔗-果型低聚果糖主要由在蔗糖（F）的果糖残基上通过β（2→1）糖苷键连接 1～4 个果糖基（F）所形成的蔗果三糖（GF2）、蔗果四糖（GF3）、蔗果五糖（GF4）和蔗果六糖（GF5）的混合物。
低聚果糖是公认的典型益生元，也是一种水溶性膳食纤维，天然存在于自然界多种植物中。由于其显著的健康功效、良好的加工性能和卓越的口感，广泛应用于保健食品、婴幼儿配方食品、乳制品、饮料、烘焙食品中。
1.2 低聚半乳糖
低聚半乳糖（GOS）是一种具有天然属性的功能性低聚糖，其分子结构一般是在半乳糖或葡萄糖分子上连接 1~7 个半乳糖基，即 Gal-（Gal）n-Glc/Gal（n 为 0-6）。低聚半乳糖又称为“半乳寡糖”，是一种益生元，人体不能吸收，但可以促进大肠内益生菌的生长及活跃度。
1.3 菊粉
菊粉（Inulin）是自然界中天然存在的果聚糖，由不同链长的果糖聚合而成。它存在于多种植物体内，目前工业化生产的菊粉主要来源植物为菊芋和菊苣。菊粉具有天然水溶性膳食纤维和益生元的双重功效，对人体具有调节肠胃功能、促进矿物质、改善脂质代谢，控制体重、促进体内维生素合成等多种生理功效，是一种来自植物的天然健康食品配料[2]。天然菊粉经水解等过程，还可派生出低聚果糖等一系列健康配料。
1.4 聚葡萄糖
聚葡萄糖（polydextrose）是一种水溶性的膳食纤维。为白色或类白色固体颗粒，进入人体消化系统后，产生特殊的生理代谢功能，从而防治便秘及脂肪沉积。
1.5 低聚异麦芽糖
自然界中低聚异麦芽糖极少以游离状态存在，但作为支链淀粉或多糖的组成部分，在某些发酵食品如酱油、黄酒或酶法葡萄糖浆中有少量存在。 工业上以淀粉为原料生产低聚异麦芽糖需要一种酶，此酶为 α-葡萄糖苷酶，又名葡萄糖基转移酶，简称 α-糖苷酶。它能切开麦芽糖和麦芽低聚糖分子结构中 α-1，6 糖苷键，并能将游离出来的一个葡萄糖残基转移到另一个葡萄糖分子或麦芽糖或麦芽三糖等分子中的 α-1，6 位上，形成异麦芽糖、异麦芽三糖、异麦芽四糖、异麦芽五糖和潘糖等。
1.6 抗性糊精
抗性糊精是由淀粉加工而成，是将焙烤糊精的难消化成分用工业技术提取处理并精炼而成的一种低热量葡聚糖，属低分子水溶性膳食纤维。抗性糊精和通常的淀粉酵素分解物有所不同，除了淀粉原本拥有的 α-1,4、α-1,6 葡萄糖苷之外，还拥有 α-1,2、α-1,3 键合的葡萄糖苷结构及很发达的分支构造 α-1,4、α-1,6 葡萄糖苷。
2 益生元生理功效
益生元可以在体内促进肠道有益菌的生长和繁殖，形成微生态竞争优势，优化肠道微生态平衡，进而提高免疫力，以保持机体健康。同时，又能够改善肠道微生态[3]，例如：低聚糖类物质能够促进肠道有益菌双歧杆菌及乳酸杆菌的大量增殖， 同时有益菌代谢产生的短链脂肪酸和一些抗菌物质可直接抑制外源性致病菌和肠腐败菌如拟杆菌属、梭菌属和大肠埃希菌类的生长繁殖。
2.1益生元的双歧因子功能
迄今已鉴定的益生元大多可以促进双歧杆菌增殖的，其作用机制是益生元选择性刺激肠道中众多菌群中的双歧杆菌的增殖。这可能是由于双歧杆菌利用这类基质生长的效率比其他微生物相对更高，并且能耐受短链脂肪酸（SCFA）和发酵所引起的酸化微环境的原因。分析长双歧杆菌基因组揭示了专门对各种不同碳水化合物进行分解代谢的大量蛋白质序列，无疑这些有助于提高在肠道环境中的竞争力。
益生元可诱导肠道中双歧杆菌菌群增大10-100倍，益生元的双歧因子效果同双歧杆菌群原来大小成反比关系，这种影响比益生元剂量的影响还要大。
2.2 益生元可溶性膳食纤维特性
低聚糖类益生元具有可溶性膳食纤维的基本特性。如可降低粪便pH值；减少有毒代谢物；增加粪便体积和水分、加速肠腔蠕动、减轻便秘；具有洁肠通便、排毒解毒的功能。除此之外，低聚糖类益生元还具有良好的耐消化性，不易被唾液、胰液、肠液中的酶类所分解，可以一直到达大肠，被肠道细菌代谢。
2.3 益生元的健康效应
虽然益生元的作用机制很大程度上是理论性的，但可以采用的合理假设包括改善微生物菌群的活动和菌群的代谢活动，其好处是增强肠道定植抗力、促进矿物质元素吸收、提高免疫力、营养和短链脂肪酸（SCFA）的抗肿瘤作用，通便和减少有害微生物代谢。
2.4 改善和防止便秘
人体摄入功能性低聚糖导致双歧杆菌的量增多，肠内双歧杆菌发酵低聚糖产生大量醋酸和乳酸等短链脂肪酸，能促进肠道的蠕动、增加粪便湿润度，并保持一定的渗透压，故可以改善和防止便秘。研究表明，日服6-12g低聚糖，一周内有明显的抗便秘效果。
2.5 促进矿物质元素的吸收
低聚糖类益生元经微生物发酵后可降低肠道pH值，提高矿物质溶解性，从而促进大肠中钙、镁等矿物质的吸收。研究发现，通过补充FOS可增加大鼠对钙、镁的吸收，股骨中钙的含量增加，并且防止食粪癖的发生，尤其提高FOS对镁吸收的刺激性效应。GOS的摄入不仅可有效促进肠道对钙的吸收，还可以降低肠道对钠的吸收，同时升高钾的吸收率。
2.6 免疫调节、抗肿瘤
益生元可被双歧杆菌、乳酸杆菌等有益菌群利用产生代谢产物，而代谢产物反之又能促进其消化、生长和增殖，从而刺激了肠道免疫器官生长，提高巨噬细胞的活性，提高了机体的抗体水平[4]。对低聚糖类益生元的免疫调节作用检验证明，低聚糖多具有明显提高抗体形成细胞数及NK细胞活性，增强免疫功能的作用。大量动物实验表明，双歧杆菌在肠道的大量增殖有抗癌作用，这种作用归功于双歧杆菌的细胞，细胞壁和细胞间的物质使机体的免疫力提高。
2.7 调节脂肪代谢
益生元还可以影响脂肪代谢。对糖尿病大鼠所做的实验表明，使用低聚木糖代替饲料中的糖后，病鼠血清胆固醇和甘油三酯下降。同样对于FOS做了实验，由实验结果可以看出血脂降低。
2.8 益生元还能增强人体免疫力
双歧杆菌、乳酸杆菌等有益菌群利用益生元的营养会促进自身的生长和增殖， 从而刺激巨噬细胞产生活性，被激活的巨噬细胞将分泌抗菌素，又会促进淋巴细胞分裂增殖，使肠道免疫器官生长，从而提高机体免疫力。
日常饮食中经常食用益生元将有利于人体营养与健康，可以在早餐谷物如，燕麦片、脆米片中添加低聚果糖，还可以食用富含低聚糖的饮料、糖果、糕点及保健食品，对于不能进行母乳喂养而必须依靠人工喂养的婴儿，为了帮助其健全肠道屏障功能，可以选择添加了低聚果糖、低聚半乳糖的婴幼儿乳品。
3 益生元行业应用领域
益生元在各类食品中已被广泛应用，如酸乳、乳饮料、果汁饮料、焙烤食品、谷物早餐、婴儿食品等。随着益生元促进肠道健康的功能已获得越来越多的科学数据支持，益生元的市场正在呈现良好的增长趋势。
表：益生元主要应用领域消费量增长趋势（2015-2026 年）（吨）
图：全球 2019 年益生元不同应用领域消费量市场份额
3.1 在饮料中的应用
益生元易溶于水，低聚糖类益生元可调节饮料的渗透压，促进营养物质和水分的吸收，因此在各种饮料中应用比较广泛。在酸性饮料中，低聚糖能够清理肠道，排除毒素。在日本低聚异麦芽糖被称为“美丽因子”，被添加到美容，减肥饮料中，需求量不断增大。
3.2 婴幼儿营养品
婴幼儿营养品一般包含婴幼儿奶粉及其他维生素，益生菌，DHA，补钙产品，补铁产品等。
当前，由于奶粉是婴幼儿的主要食品来源，多数婴幼儿奶粉厂家将婴幼儿生长需要的 DHA，维生素，益生菌以及补铁补钙产品加入婴幼儿奶粉中，形成婴幼儿配方奶粉[5]。益生元如低聚果糖，低聚半乳糖和菊粉作为益生元添加在婴幼儿营养品中。
3.3 保健食品
由于低聚糖类益生元多具有纯正清爽的甜味，具有优良的生理活性和保健功能，且保湿性好，易于加工，可广泛应用于饮料、糖果、糕点、面包、点心及各种保健食品中，例如在果酱生产过程中低聚半乳糖不会在蒸煮过程中分解，对添加后的最终产品甜度能很好控制。
3.4 饲料工业
由于益生元能被动物的双歧杆菌、乳酸杆菌等有益菌群利用，在肠道占优势后起整肠作用[6]，同时，有益菌群的代谢还可促进饲料消化，达到促进生长和增重的作用，并刺激肠道免疫器官生长，故益生元可作为功能添加剂应用于饲料工业。
4益生元行业发展趋势
4.1 全球市场发展现状及未来趋势（2015-2026 年）
全球市场，益生元主要生产商包括奥福来提，泰莱，FrieslandCampina，日本明治，百龙创园和保龄宝生物等公司。 就 2020 年 Q1 公布的财报来看，COVID-19 对食品配料公司的影响很小，大部分公司的业绩小幅度下滑，少部分公司的收入还略有增长。因此，总的来说COVID-19 导致原材料价格下滑，使得 2020 年益生元产品价格下滑，但是其产量依然保持正向增长。COVID-19 对消费产品影响较大，对食品配料公司的影响有一定消极影响，但是不会影响该行业的正常发展。但是，COVID-19 已经导致了社会的巨大变革，全球经济和政治已经发生了巨大的改变。从现在趋势来看，COVID-19 的发展可能是常态化。
图：全球市场益生元产量及增长率（2015-2026 年）（万吨）
图：全球市场益生元产值及增长率（2015-2026 年）（亿元）
4.2 中国生产发展现状及未来趋势（2015-2026 年）
中国市场，益生元主要生产商包括百龙创园，量子高科、保龄宝生物等公司。
图：中国市场益生元产量、增长率及发展趋势（2015-2026 年）（万吨）
图：中国市场益生元产值、增长率及未来发展趋势（2015-2026 年）
5益生元行业政策
主要的益生元的政策如下：
由于人们健康意识的提高，国内外对保健品需求将促进菊粉产业的发展。美国 FDA 已宣布菊粉作为公认的安全（GRAS）产品，这为其在药物应用中的推广铺平了道路。 制药行业的增长预计将在未来六年对菊粉市场产生积极影响。
菊粉是一种重要的植物提取物。植物提取物行业为大健康产业中的重要环节之一，为国家重点鼓励类行业。
低聚果糖（Fructooligosaccharides，简称 FOS），也称蔗果低聚糖或果寡糖，广泛存在于自然界中，如菊苣、菊芋、大蒜、洋葱、雪莲果、牛蒡属植物、朝鲜蓟、香葱、香蕉、燕麦、小麦、黑麦、蜂蜜、芦笋等。由于地域和生活习惯的差异，根据低聚果糖的原料和生产工艺不同分为两种：菊苣来源的菊苣低聚果糖和蔗糖来源的蔗糖低聚果糖。
低聚果糖作为优秀的功能健康食品和安全的食品配料，在世界范围内具有极高的市场认可度，被广泛应用于乳制品、保健食品、饮料、糖果、烘焙等食品行业中。它是世界科学界公认的三大天然益生元之一。
80 年代末，美国食品与药品监督管理局（FDA）、联合国粮农组织（FAO）和世界卫生组织（WHO）均批准聚葡萄糖（水溶性膳食纤维）为安全的食品添加剂，列入美国食品化学品法典（FCC）。
随后日本、韩国、马来西亚、新加坡、中国等多个国家批准使用聚葡萄糖，其中日本厚生省将聚葡萄糖定为食品。
目前世界上超过 57 个国家批准聚葡萄糖应用于食品中，其中 56 个国家允许其使用 1Kal/g的能量标签，聚葡萄糖在以下国家被承认为膳食纤维：阿根廷、澳大利亚、奥地利、比利时、巴西、文莱、捷克、芬兰、法国、印尼、意大利、日本、马来西亚、墨西哥、新西兰、挪威、中国、菲律宾、波兰、俄罗斯、新加坡、南韩、台湾、泰国、英国、美国及越南，且在不断获得越来越多的国家认可。
6. 小结
综上所述，益生元作为一个新的领域，对于人类的营养与健康具有十分重要的意义。随着对肠内微生物研究的深入，益生元在食品工业、饲料工业及至制药业等行业中将发挥着越来越重要的作用。
参考文献：
1. 益生元与人体健康。中国食品报；
2. 益生元在特膳食品中的应用研究。中国食品报；
3. 黄婧，辛修锋。不同功能性低聚糖的益生元功效比较[J].中国食品添加剂；
4. 周景欣，袁杰利，李新仓。几种益生元制剂对肠道菌群作用效果的研究[J]. 《中国微生态学杂志》 - 2008；
5. 迟玉杰，保健食品学[M].中国轻工业出版社。2016.05；
6 王辉，益生元的营养及应用研究进展[J].《广州食品工业科技》，2017.09.12.
