L－糖的研究进展

孙宇峰，于丽萍，王金英，孙建华

(1.黑龙江省科学院高技术研究院，哈尔滨 150090;2.黑龙江省科学院微生物研究所，哈尔滨 150010;3.黑龙江省科学院生物肥料工程技术研究中心，哈尔滨 150086)

糖的D、L型指的是糖分子的构型，是由糖分子中不对称原子形成的立体异构现象，是以甘油醛为标准而确定的相对构型。以果糖为例，图1表示的是果糖的两个不对称碳原子的构型，即右旋果糖(D－果糖)和左旋果糖(L－果糖)。

自然界中存在的L－糖很少，在一些天然植物中含有极少量的L－糖。如在亚麻种子胶、红海藻、蜗牛蛋中含有L－半乳糖;大蕉种子含有L－果糖和L－鼠李糖;甜菜、牧豆树属植物、果胶及其他植物含有L－阿戊糖;在一些浆果中含有L－山梨糖;在海藻中含有L－岩藻糖。这些L－糖的含量低，没有开发使用价值。

1 L－糖的生理功能特性

L－糖是D－糖的镜象异构体，在自然界中很少存在。对于某一特定的L－糖和D－糖，两者之间的化学组成与物理化学性质(如沸点、熔点、可溶性、黏度、颜色和外观)几乎完全一样，但在生化特性方面却截然不同。人体内的酶系统对D－型糖发生作用而对L－型糖无效，这是因为酶要发生催化作用，就要求底物分子在形状上能与酶分子相匹配，L－糖并不是催化糖代谢酶所要求的那种构型，不会被消化吸收或消化吸收程度很小，因此就没有能量。这一特点对那些希望摄入低能量甜味剂的人群(如糖尿病人)来说是一种理想的甜味剂。L－糖的另一个特点是不像一些人工合成的甜味剂，如糖精具有后苦味。同时L－糖也不能被大部分微生物利用，因此用它们作为甜味剂制备的配方不像用传统甜味剂制备的配方那样敏感而易被降解。L－糖特点是:(1)不提供人体能量;(2)与D－糖的口感一样;(3)因口腔微生物不能发酵L－糖，因此它不会引起龋齿;(4)对通常由细菌引起的腐败、腐烂现象具有免疫力;(5)可作为D－糖的代替品，不需要另外添加填充剂;(6)在水溶液中稳定;(7)在包括需经热处理的食品加工中稳定;(8)可用在焙烤食品中，能发生美拉德反应;(9)适合于糖尿病人食用。

图1 果糖的D、L型结构Fig.1 Structure of D，L － fructose

对L－果糖和L－山梨糖已在3种动物身上进行了急性毒理和6个月的亚慢性毒理试验，未发现任何毒副作用并且根本没有致癌致突变的嫌疑。另外，试验还表明L－糖无致龋齿性，至于是否有抗龋齿活性则还在研究中。欧洲一些国家还对L－果糖和L－山梨糖进行了人体试验，结果证实了它的无毒性和无能量价值。然而，有关试验数据表明，对L－糖也要像糖醇等甜味剂一样确定其最大允许日摄入量。因为有试验表明，L－糖与糖醇一样可能会引起人体出现轻泻现象。

2 L－糖的合成方法

自然界中存在的L－糖很少，因此广大科研工作者们正致力于L－糖的研究和开发中，特别是两种应用最广的单糖甜味剂的左旋体L－葡萄糖和L－果糖。上世纪70年代美国学者开始了有关L－糖用作非营养性甜味剂的研究。1981年美国学者Levin发表了第1份L－糖生产的专利［1］。随后美国、德国、日本、意大利、英国、捷克等国的不少学者相继展开了对L－糖的研究，开发了10多种L－糖［2－7］。国外L－糖的研究进展较快，国内这方面的工作也已起步［8］。

到目前为止，人们已经合成了一些L－糖。美国直接由D－葡萄糖制备L－艾杜糖和L－葡萄糖。典型的实验室合成方法是应用葡萄糖氧化酶将L－葡萄糖制成L－葡萄糖醛酮。L－葡萄糖和L－果糖是L－糖中典型的两种糖，合成方法主要是化学合成方法和酶法合成方法。

2.1 L－葡萄糖的合成方法

L－葡萄糖是一种自然界少有的糖，它可以由L－阿拉伯糖的化学转化而合成。L－阿拉伯糖是一种广泛存在于甘蔗浆中的糖。化学文摘中记录了合成方法［9］，此方法中干燥的甘蔗浆用硫酸处理后获得的萃取液进行发酵、蒸发、过滤。L－阿拉伯糖从滤液中结晶制得。Snowden和Fisher在1971年研究的方法是:在甲醇钠存在下(提供硝基乙醇的钠盐)，将L－阿拉伯糖用硝基甲烷浓缩，通过内夫反应钠盐直接转变为相应的糖。

2.2 L－果糖的合成方法

2.2.1 L－果糖的化学合成方法

自然界中还没有发现L－果糖，由Fisher首次化学合成。他通过碱作用于二溴丙醛或甘油，从得到的混合物中分离出α－合成果糖(DL－葡萄糖苯脎)，然后将其水解还原成DL－果糖。用酵母处理DL－果糖可除去D－果糖，得到L－果糖。Schmitz通过稀碱作用于结晶的甘油醛使醛异构化为酮，Mlrgenlie使用相同的方法，用Dowex1树脂在甲醇中结晶后获得的DL－果糖产率为54%。用面包酵母(Saccharomyces cerevisiae)处理DL－果糖得到2，3和4，5一二－邻－异亚丙基－β－L－吡喃果糖。

2.2.2 酶法合成L－果糖

2.2.2.1 L － 葡萄糖异构化生成 L － 果糖

Horwath等人通过应用从Candida的微生物品系中分离的木糖异构酶异构化L－葡萄糖。本方法中所使用的木糖异构酶是从产远假丝酵母菌系中分离的。该酶具有较低的立体选择性，它能将L－葡萄糖异构化为L－果糖。这种异构化反应是可逆的，最终达到平衡。为制得所需的木糖异构酶，在需氧条件下25℃ ～30℃培养产远假丝酵母菌系，振荡10～48h，培养基中含有木糖葡萄糖多肽和微量氯化锰，最适pH值为5～6，然后采用超离心收集所获得的培养细胞。

L－葡萄糖的异构化过程可以是固定含有木糖异构酶的细胞或破碎细胞，方法有采用乙酸丁酯质壁分离和超声波处理。如果破碎的细胞能产生胞内异构酶，通过离心分离和2℃下萃取渗析，20h去除不纯物可获得含酶的胞外萃取物，渗析液可以通过含有硫酸铵的常规方法进一步纯化。胞外酶可根据已有的或传统的方法固定。例如，可固定在含有玻璃的硅质或陶瓷中，也可固定在天然的或合成的多聚物(纤维素)上，如二已氨基纤维素和其他各种有机多聚物中。

2.2.2.2 氧化L－山梨糖醇合成L－果糖

Dhaw在1956年介绍了用D－艾杜糖水解酶氧化DGulitol(一种与L－Gulitol和L－山梨糖醇相似的多元醇)的过程。该水解酶是从含有半乳糖醇营养基质的假单孢菌系中分离出来的，这是因为半乳糖醇能诱导微生物产酶，由于所需的半乳糖醇必须从某些植物中提取或乳糖水解制得，使该合成的实际应用受到极大的限制。Colonna等人采用从微生物的诱导菌系中分离出来的D－艾杜糖醇水解酶氧化L－山梨糖醇为L－果糖［10］。该方法中所用的起始多元醇——L－山梨糖醇在自然界中并不存在，但可以通过L－葡萄糖氢化作用制得(L－葡萄糖由上述方法制备)。然而由于经济原因，在水解L－葡萄糖为L－山梨糖醇和L－甘露糖醇以前，最好使用两种糖的混合物而不将L－葡萄糖分离或浓缩。美国专利介绍了通过水解方法由L－葡萄糖制备L－山梨糖醇的过程。该发明中所用的多元醇水解酶从能产生D－艾杜糖醇水解酶的假单孢菌属中获得，他们认为荧光极毛杆菌株是D－艾杜糖醇水解酶较好的来源。

2.2.2.3 氧化L－甘露糖醇合成L－果糖

Arena等人介绍了用多聚脱氢酶氧化L－甘露糖醇合成L－果糖的方法［11］。用多聚脱氢酶氧化D－甘露糖醇成D－果糖是一种众所周知的方法，但类似的L－甘露糖醇到 L－果糖的转变还没有记录。Arena等人发现Glulconobacter和Acetobacter菌系列能产生多羟基醇脱氢酶，它能很容易地将L－甘露糖醇转化为L－果糖。与L－山梨糖醇相比，L－甘露糖醇是更容易利用的L－己醇，而且L－甘露糖醇或其前体在工业生产中常常为不理想的副产品，可作为本方法的原料，这也是本方法的优势所在。另一种由L－甘露糖醇转变为L－果糖的方法是:在含有L－甘露糖醇作为碳源、可吸收的氮源和无机营养物质的基质中培养能产生多聚脱氢酶的Glu和Ace种属。

3 L－糖的应用

L－己单糖具有甜味，溶解于水中，并在水溶液中稳定。因此它们可使各种物质产生甜味，而且可以与传统的甜味剂结合使用，如与少量的蔗糖结合。可应用的典型例子有水果、蔬菜、果汁或其他的由果蔬制得的液体制备物，肉制品(特别是那些用甜液处理的肉制品如熏肉、火腿)、乳制品(巧克力、乳饮料)、蛋制品(蛋黄酱、乳蛋糕、色拉酱)、腌菜和调味品、冰淇淋、冰糕、冰乳制品、焙烤制品、挂糖衣蜜饯、糖浆、食用香料、蛋糕、软饮料、果酒、酒、日常食品、止咳糖浆及其他的医用产品、工业产品中，如糨糊粉、泡沫、黏合剂、漱口剂和类似的口服防腐剂、麻药等，还可用于粘邮票、信封、商标等的黏合剂。

［1］ Levis GV.Sweetened edible formulation:The United states of A-merica，4，262，032［P］.1981，April.

［2］ Weymouth － Wilson AC，Clarkson RA，Ones N A，et al.Large scale synthesis of the acetonides of L－glucuronolactone and of L－glucose:easy access to L－sugar chirons［J］.Tetrahedron Letters，2009，50(8):6307 －6310.

［3］ Takahashi H，Shida T，Itomi Y，et al.Divergent synthesis of(L)－sugars and(L)－iminosugars from D －sugars［J］.Chemistry－ A European Journal，2006，12(22):5868 － 5877.

［4］ Boulineau EP，Wei A.Synthesis of L－sugar from 4－deoxypentenosides［J］.Organic Letters，2002，4(13):2281 － 2283.

［5］ Chida N，Yamada K，Suzuki M，et al.Facile synthesis of some L －sugar derivatives from L － quebrachitol［J］.Journal of Carbohydrate Chemistry，1992，11(2):137 －148.

［6］ Beerens K，Desmet T，Soetaert W.Enzymes for the biocatalytic production of rare sugars［J］.Journal of Industrial Microbiology ＆Biotechnology，2012，39(6):823 －834.

［7］ Ermolenko L，Sasaki NA.Diastereoselective synthesis of all eight L－ hexoses from L － ascortic acid［J］.Journal of Organic Chemistry，2006，71(2):693 －703.

［8］ Li YB，Yin ZJ，Wang B，et al.Synthesis of orthogonally protected L－glucose，L －mannose，and L － galactose from D － glucose［J］.Tetrahedron，2012，68(34):6981 －6989.

［9］ Horwath O，Colonna WJ.Process for isomerizing L － glucose to L－ fructose:The United States of America，4，463，093［P］.1984，July.

［10］ Colonna WJ，Horwath RO.Process for oxidizing L － sorbitol to L－ fructose:The United States of America，4，467，043［P］.1984，August.

［11］ Blaise JA，Albrecht HB.Biological process for L － fructose synthesis:The United States of America，4，734，366［P］.1988，March.