Qu’est-ce que Galacto Oligosaccharide (GOS)?

Les Oligosaccharides sont un nouveau type d’additif alimentaire fonctionnel. Parmi eux, celui qui a le meilleur effet thérapeutique en thérapie diététique est le galacto-oligosaccharide (GOS), également connu sous le nom de «facteur bifidus». Dans la nature, le GOS se trouve à l’état de traces dans le lait animal, avec des concentrations légèrement plus élevées dans le lait maternel. C’est un oligosaccharide fonctionnel aux propriétés naturelles. En raison de ses fonctions physiologiques uniques et de ses propriétés physiques et chimiques, il est devenu un point chaud de recherche en science alimentaire et est largement utilisé dans de nombreux domaines tels que les produits laitiers, les produits de boulangerie, le traitement des bonbons et les aliments fonctionnels.

1 propriétés physiques et chimiques et fonctions physiologiques des GOS

1.1 propriétés physiques et chimiques

Le GOS non digestible est un prébiotique important et un composant naturel du lait maternel [1]. Il peut être synthétisé par la β-galactosidase en utilisant le lactose comme substrat et par la réaction enzymatique de la galactosylation. On l’obtient en reliant 1 à 4 unités de galactose au côté galactose de la molécule de lactose avec des liaisons glycosidiques β (1→3), β (1→4) ou β (1→6) [2]. 1 à 4 unités de galactose sont liées par des liaisons glycosidiques β (1→ 3), β (1→ 4) ou β (1→ 6). La liaison principale entre les unités de galactose est β (1→ 6). La formule moléculaire est (Galactoses)n - G lucose, n= 2à 5.

GOS est une fibre alimentaire hydrosoluble de faible poids moléculaireAvec une faible viscosité, une forte rétention d’humidité, ne lie pas les minéraux, a un goût rafraîchissant, une faible valeur calorique, et une douceur qui n’est que de 20% à 40% celle du saccharose. Il est très stable aux acides et à la chaleur, et ne se décomposera pas dans des conditions de 180°C ou pH 3. Il est fortement pigmenté, a une forte rétention d’humidité, aucune texture ou saveur indésirable, et n’est pas digéré par les enzymes digestives humaines. Il a une bonne activité de prolifération bifidobactérienne [2]. Par conséquent, GOS est un additif alimentaire de très haute qualité.

1.2 Types et quantités

Les types et les quantités de go sont influencés par de nombreux facteurs, comme la source d’enzyme, les conditions de réaction, la concentration du substrat et le taux d’hydrolyse. Les propriétés des GOS de différentes sources sont très différentes; Bien que la source enzymatique puisse déterminer la spécificité de la liaison glycosidique dans une certaine mesure, elle est encore influencé par de nombreux facteurs, tels que la valeur du pH, la concentration de Mg2+ et les isomères du lactose.

Les Galacto-oligosaccharides sont principalement divisés en β-galacto-oligosaccharides et α-galacto-oligosaccharides. Les β-galacto-oligosaccharides peuvent être synthétisés par la β-galactosidase en utilisant le lactose comme substrat par la réaction enzymatique de la galactosylation. La composition de la chaîne du sucre GOS synthétisée par différentes sources enzymatiques diffère également. L’α-lactose est synthétisé par la β-galactosidase d’abord en hydrolysant le lactose en glucose et en galactose, puis par Candida guilliermondii α-galactosidase reliant α (1→ 6) liaisons glycosidiques. Son composant principal est le melezitose, également connu sous le nom de «facteur de bifidus», qui est résistant à l’acide, thermiquement stable et a une bonne stabilité de stockage.

1.3 fonction physiologique

Les bifidobactéries sont un type de micro-organisme très important pour le maintien de la santé intestinale humaine [3]. Des études ont montré que l’établissement de bifidobactéries dans les intestins des nourrissons allaités est principalement dû à la composante oligosaccharide. La structure du GOS synthétisée enzymatiquement est cohérente avec celle du lait maternel. Il n’est ni dégradé ni absorbé dans le tractus gastro-intestinal supérieur du côlon humain, et peut favoriser de manière sélective la prolifération de certains probiotiques dans le côlon, tels que les bifidobactéries (Bifidobacterium) [4]. L’environnement acide créé par la croissance des bifidobactéries peut inhiber la croissance d’autres bactéries nuisibles [5]. Par conséquent, il a de nombreuses fonctions physiologiques connexes: (1) réguler l’équilibre de la flore intestinale et améliorer l’immunité; (2) augmenter l’activité et le contenu de superoxyde dismutase (SOD) et résister au vieillissement; (3) produire une grande quantité d’acides gras à chaîne courte, stimuler le péristaltisme intestinal, augmenter l’humidité des selles et prévenir la constipation; (4) améliorer l’intolérance au lactose; (5) abaisser la pression artérielle; (6) réduire la production de produits de fermentation toxiques tels que l’acide indole et formique et les enzymes nuisibles, tout en produisant des vitamines B, de la niacine et de l’acide folique, qui sont bénéfiques pour la santé.

En outre, l’ingestion de GOS peut améliorer le métabolisme des lipides et réduire les concentrations de cholestérol sérique; Améliorer l’absorption des éléments minéraux [6], favoriser l’absorption intestinale du calcium, du magnésium et du potassium et réduire l’absorption du sodium; En même temps, le GOS est également non cariogène et indigeste, est un sucre faible en énergie, et ne cause pas l’obésité. Des études récentes ont montré que le GOS peut également inhiber la liaison de la toxine du choléra Vibrio aux récepteurs ganglioside, et est utilisé dans l’industrie pharmaceutique [7].

2 Méthodes de préparation des GOS

Il existe cinq méthodes principales pour préparer les GOS: l’extraction à partir de matières premières naturelles, l’hydrolyse acide des polysaccharides naturels, la synthèse chimique, la fermentation et la synthèse enzymatique. Cependant, dans la nature, le GOS est très rare, incolore et sans charge, ce qui le rend difficile à extraire et à séparer. Le rendement des produits naturels de conversion des polysaccharides est faible, la composition du produit est complexe et il est difficile d’obtenir des produits purs. La synthèse chimique est toxique, sujette aux résidus, a un faible rendement et pollue gravement l’environnement.

Il y a eu peu de recherches sur la production de go par fermentation, et la principale méthode consiste à synthétiser les go au moyen de la fermentation microbienne [8], mais cette méthode en est encore au stade de laboratoire, et aucune des quatre méthodes ci-dessus ne peut être appliquée à la production réelle. La synthèse enzymatique du GOS utilise principalement du lactose ou du lactosérum à haute concentration comme matières premières, qui sont catalysés et synthétisés par la β-galactosidase. Cette méthode présente les avantages d’une réaction simple, de matières premières suffisantes, de faibles coûts de production et de non-toxicité. Il s’agit actuellement de la principale méthode de production industrielle des go. Ce qui suit détaille la synthèse enzymatique de GOS.

2.1 Source et caractéristiques de la β-galactosidase

La β-galactosidase (EC 3∙2∙1∙23) est une enzyme de grande valeur commerciale dans l’industrie laitière. Il est largement répandu chez les animaux, les plantes et les micro-organismes et est généralement obtenu à partir de micro-organismes pour des applications pratiques [9]. La β-galactosidase provenant de sources différentes a des propriétés différentes, et les conditions de réaction optimales et les taux de conversion pour synthétiser les GOS varient également considérablement. Compte tenu du facteur de sécurité des résidus d’enzymes dans les aliments, des microorganismes tels que A∙ Niger, A∙ oryzae, K∙ lactis et K∙frag ile sont généralement utilisés comme sources d’enzymes. En 1996, la FDA a déterminé que Candida pseudotropicalis β-galactosidase, qui est utilisé dans le lait et les produits laitiers, est également GRAS [10].

En général, la β-galactosidase des moisissures est une enzyme extracellulaire dont le pH optimal est de 2,5 à 4,5. Il est relativement bon marché et couramment utilisé en raison de son activité enzymatique élevée, mais il a une faible stabilité enzymatique. La β-galactosidase des levures est principalement une enzyme intracellulaire avec un pH optimal proche du neutre, qui convient à l’hydrolyse du lait et du lactosérum.

2.2 mécanisme catalytique et facteurs d’influence

Les premières études ont montré que la β-galactosidase hydrolyse le lactose en au moins trois étapes, la dernière étape présentant une activité hydrolytique ou transférase.

Enzyme + lactose → enzyme - lactose (1) enzyme - lactose → galactosyl - enzyme + glucose (2) galactosyl - enzyme + accepteur → galactosyl - accepteur + enzyme (3) lors de l’étude de l’activation et de l’inhibition des enzymes par le pH dans les premiers jours, il a été constaté que le site actif de la β-galactosidase neutre a deux groupes fonctionnels: l’un est le groupe thiol, et l’autre est le groupe imidazole en tant que groupe nucléophile, qui favorise le clivage de la liaison glycosidique [8].

Des études récentes ont montré que le mécanisme catalytique de la β-galactosidase est similaire à celui des lysosomes, c’est-à-dire qu’un groupe dans le centre actif agit comme un acide général, fournissant un proton à l’oxygène dans la liaison glycosidique, tandis que l’autre groupe chargé négativement peut stabiliser l’atome de carbone chargé positivement dans le galactoside en formant une liaison covalent à l’état de transition [11]. Lorsque l’accepteur est de l’eau, du galactose est formé, et lorsque l’accepteur est un sucre, des oligosaccharides sont formés. Par conséquent, la réaction d’hydrolyse peut être considérée comme une réaction de transfert spéciale dans laquelle l’eau agit comme accepteur du galactoside. Dans la plupart des cas, la réaction d’hydrolyse domine parce que la teneur en eau dans le système de réaction est élevée, ce qui entraîne un faible rendement en oligosaccharides [2].

Le système de réaction pour la synthèse du GOS est très complexe, les réactions de transfert et d’hydrolyse se produisant simultanément. La concentration du substrat et la température ont un effet significatif sur la réaction de transfert. Le produit glucose est un inhibiteur non concurrentiel de la réaction de transfert, tandis que le galactose est un inhibiteur concurrentiel [12]. La synthèse du GOS est également liée au substrat réactionnel. Par exemple, le taux de synthèse de GOS par K∙lactis β-galactosidase dans un tampon contenant 5% de lactose est supérieur à celui du lait [13]. En outre, le β-galactose subit une réaction d’inversion, et l’α-galactose qui en résulte est un inhibiteur plus fort. Au fur et à mesure que la concentration enzymatique augmente, le taux de synthèse du GOS augmente, tout comme la réaction d’inversion. Par conséquent, la concentration enzymatique ne doit pas être trop élevée.

À l’heure actuelle, les principales méthodes pour augmenter le rendement des GOS consistent à augmenter la concentration du substrat et à réduire la teneur en eau dans le système. En outre, l’élimination du glucose du système peut également augmenter le rendement d’ego.

2.3 formes catalytiques

Il existe trois principales formes catalytiques de synthèse enzymatique du GOS: (1) réaction enzymatique libre. Cette méthode est relativement mature et est actuellement une méthode courante pour la production industrielle d’ego. Cependant, en raison de la forte teneur en humidité et de la forte capacité hydrolytique dans le système de réaction, le produit a une teneur élevée en monosaccharides, qui nécessite une grande quantité d’enzymes et est donc plus cher. Hsu C A et al. ont utilisé la β-galactosidase de Bifidobacterium pour synthétiser le GOS avec un rendement allant jusqu’à 32∙5% en utilisant 40% de lactose comme substrat à une température de réaction de 45°C et un pH de 6∙8 [14]. Selon une étude de h. a-Y oung et al., on a utilisé une β-galactosidase thermostable dérivée de Sulfolobus solfataricus. Dans des conditions de réaction de pH 6∙0 et à une température de 80°C, avec 600 g/L de lactose comme substrat et 3∙6 U/mL d’enzyme, le rendement de GOS peut atteindre 52∙2% (p/p) [15]; (2) réaction continue de l’enzyme immobilisée.

Après immobilisation, la stabilité thermique de l’enzyme est considérablement améliorée, sa tolérance à l’acide et à l’alcali est améliorée, il peut être réutilisé, et le produit obtenu ne contient pas l’enzyme, et la qualité est stable [16]. La capacité des enzymes immobilisées à catalyser la synthèse de GOS est supérieure à celle des enzymes libres, car par rapport au lactose, les molécules de GOS sont plus grandes et plus difficiles à lier aux enzymes libres, de sorte qu’elles ne sont pas facilement dégradées. De plus, le glutaraldéhyde ou la β-galactosidase immobilisée par acétaldéhyde pour l’hydrolyse du lait peut réduire considérablement l’inhibition non concurrentielle et le taux d’hydrolyse est plus élevé que celui des enzymes libres ou des enzymes immobilisées par le glycan [9].

ThierryM et al. ont découvert qu’après l’immobilisation de K∙lactis β-galactosidase avec de la D uolite A -568 comme support, le rendement de GOS synthétisé à l’aide d’une méthode assistée par micro-ondes en présence d’un cosolvant, l’hexanol, dans le solvant du substrat pourrait être augmenté de 217 fois [17]. P ocedi ov K et al. ont appliqué la technologie des membranes céramiques (150KDa) à un système de réaction continue, qui a complètement bloqué l’enzyme, c’est-à-dire obtenu l’effet d’immobilisation, et également évité la perte d’activité enzymatique, ce qui est adapté à la production industrielle de GOS [18].

Yoon S S et d’autres ont étudié la perte d’activité enzymatique après immobilisation de K∙lactis β-galactosidase en utilisant le gel de silice comme support et le glutaraldéhyde comme agent de réticulation. Les résultats ont montré qu’après réticulation, l’activité enzymatique était 2,6 fois plus élevée que celle de l’enzyme immobilisée brute, et après 10 cycles de réutilisation, l’activité enzymatique était encore de 63,9 % [19]. (3) réaction enzymatique de phase non aqueuse. L’utilisation de solvants organiques peut réduire l’activité de l’eau dans le système de réaction, déplacer l’équilibre de la réaction vers la galactosylation et faciliter la synthèse du GOS [20]. Isabeldel-V al M et al. ont utilisé le lactose comme substrat pour synthétiser le GOS enzymatiquement dans un milieu à deux phases contenant du polyéthylène glycol, et le taux de synthèse a été grandement amélioré par rapport à la phase aqueuse [21]. W iraya S et al. ont utilisé la dextrine cyclique comme support pour immobiliser la β-galactosidase, puis ont hydrolysé le lactose dans un système d’ea-triéthyle phosphate (50%, v/v), et la teneur en GOS a augmenté de façon significative [22].

2.4 état de la Production

À l’heure actuelle, les oligosaccharides en Chine sont encore une nouvelle industrie. Seuls l’oligoisomaltose et l’oligofructose peuvent atteindre une échelle de production de plusieurs milliers de tonnes. Le développement des go n’a pas encore atteint une grande échelle. La principale raison limitant la production industrielle de GOS en Chine est le manque de β-galactosidase avec d’excellentes performances et le coût des enzymes commerciales importées. Il est entendu que le Japon est le pays le plus développé dans l’industrie mondiale des oligosaccharides, avec une production totale de 50.000 tonnes, dont la production annuelle de GOS a atteint 6.500 à 7.000 tonnes (prix du marché de 50.000 yens/tonne), se classant deuxième dans le monde. Avec les changements de régime alimentaire, la consommation de viande et de produits laitiers augmente progressivement, tandis que la consommation d’aliments à base de céréales diminue. À mesure que la société vieillit, l’incidence de l’hypertension, du diabète et de diverses maladies buccodentaires et digestives augmente également. société&#La demande d’aliments fonctionnels et de produits de santé augmente également, et la recherche et le développement de produits fonctionnels sont considérés comme la question la plus importante du xxie siècle. Chine et#Les ressources abondantes en produits n’ont pas été pleinement développées et utilisées, et le développement d’oligosaccharides fonctionnels aura sans aucun doute un marché énorme.

3 détection GOS et séparation et purification

Les principales méthodes de détection du GOS sont la chromatographie sur papier (PPC), la chromatographie en couche mince (TLC), la chromatographie en phase gazeuse (GS) et la chromatographie en liquide à haute performance (HPLC). Parmi ceux-ci, la HPLC est largement utilisée en raison de ses avantages d’être simple et rapide, facile à pré-traiter, avec de bons résultats de séparation et une reproductibilité élevée. Étant donné que les sucres n’absorbent pas dans la région ultraviolette normale et la plage de lumière visible, et qu’ils ne fluorescent pas, le détecteur pour GOS est habituellement un détecteur d’indice de réfraction différentiel (RID), plutôt qu’un détecteur UV (UV) ou un détecteur de fluorescence (FD). Si la spectrométrie de masse (MS) est utilisée comme détecteur ou la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) est utilisée, des informations telles que la masse moléculaire relative et la structure peuvent être fournies, ce qui augmente la spécificité de la fonction [23].

À l’heure actuelle, l’un des principaux problèmes limitant le développement et l’application du GOS en Chine est sa faible pureté. A ce stade, les principales méthodes de séparation et de purification des GOS sont la chromatographie sur colonne, la séparation membranaire, les méthodes enzymatiques et la fermentation microbienne. L’avantage de la séparation des colonnes est qu’il peut être utilisé en continu par cycles, ce qui permet d’économiser du temps. Bien que le coût soit plus élevé et l’opération plus compliquée, la séparation rapide et efficace de GOS par résine échangeuse d’ions est extrêmement remarquable et bien supérieure à d’autres milieux de séparation chromatographique. Il a été appliqué avec succès à la séparation industrielle et à la purification de GOS.

La séparation de Membrane est basée sur la taille des pores de la Membrane de filtre pour atteindre le but de la séparation. Il n’a pas de changement de phase et une faible consommation d’énergie. Cependant, la grande quantité de lactose dans la matière première GOS rend la séparation et la purification difficiles. La méthode enzymatique utilise des préparations enzymatiques pour éliminer spécifiquement certains composants d’un mélange, mais le coût est trop élevé parce que les enzymes sont chères. La méthode de fermentation microbienne élimine les oligosaccharides non fonctionnels en sélectionnant les micro-organismes appropriés pour la fermentation, qui est relativement peu coûteuse, mais l’élevage des bactéries est difficile. Chao-Chun C et al. ont utilisé Kluyveromyces marxianus pour fermenter un mélange contenant du glucose, du galactose, du lactose et d’autres disaccharides, qui peut purifier les mélanges de GOS avec des teneurs de 31% et de 32% à 97% et 98%, respectivement [24].

4 perspectives d’application des go

Le GOS a de grandes perspectives d’application dans les aliments fonctionnels en raison de ses nombreux avantages par rapport aux autres sucres. (1) il peut être utilisé dans les produits laitiers pour résoudre le problème de l’intolérance au lactose; (2) il peut être employé dans les aliments de santé pour favoriser l’absorption du calcium, du magnésium et du phosphore et pour améliorer l’efficacité du produit; (3) il peut être utilisé dans les aliments fermentés à l’acide lactique pour augmenter le nombre de bactéries lactiques et raccourcir le cycle de fermentation; (4) il peut être utilisé dans les produits de boulangerie [25] pour améliorer leur saveur, leur texture et leur couleur, et sa valeur nutritive ne sera pas perdue pendant le chauffage à haute température. Parce qu’il est faible en énergie et non digestible, ce qui peut réduire l’incidence de l’obésité; (5) peut être ajouté à la crème glacée pour empêcher la précipitation des cristaux de lactose, améliorer la qualité du produit et prolonger la durée de conservation; (6) la synthèse du GOS à partir du lactose dans le lactosérum traite globalement la pollution de l’environnement causée par les rejets de lactosérum et économise beaucoup d’énergie [26].

5 perspectives d’avenir

GOS, en tant que nouveau type d’additif alimentaire fonctionnel, a attiré l’attention dans le monde entier en raison de ses fonctions physiologiques uniques et d’excellentes propriétés physico-chimiques. Avec le développement continu et la recherche de GOS, couplé à l’abondance de matières premières en Chine et le potentiel illimité du marché de consommation, on pense que dans un proche avenir, GOS lancera une forte tendance de développement en Chine et apportera d’énormes avantages écologiques et économiques.

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