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    水溶性膳食纖維聚葡萄糖的功能研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

    2012-07-11 00:38:56陳智慧云南曲靖農(nóng)業(yè)學(xué)校食品技術(shù)學(xué)部
    中國(guó)乳業(yè) 2012年4期
    關(guān)鍵詞:雙歧膳食葡萄糖

    文 / 陳智慧 云南曲靖農(nóng)業(yè)學(xué)校食品技術(shù)學(xué)部

    龐明利 楊海軍 保齡寶生物股份有限公司

    膳食纖維是人體不可缺少的第七營(yíng)養(yǎng)素。自20世紀(jì)60年代Trowell首次列出現(xiàn)代“文明病”的特征,并提出膳食纖維在對(duì)抗“文明病”方面的重要作用以來(lái),膳食纖維的研究和開(kāi)發(fā)便迅即受到世界各國(guó)的高度重視。營(yíng)養(yǎng)學(xué)界、臨床醫(yī)學(xué)界和食品科學(xué)界相繼投入很大的精力進(jìn)行研究,在全球范圍內(nèi)掀起了研究膳食纖維的熱潮。

    聚葡萄糖是一種低熱量、低血糖指數(shù)的特殊碳水化合物,具有水溶性膳食纖維和益生元的特點(diǎn)。它是由天然存在的葡萄糖和少量山梨醇、檸檬酸經(jīng)高溫熔融縮聚而成,是隨機(jī)交聯(lián)的葡萄糖組成的多糖。聚葡萄糖作為一種作用和性能良好的膳食纖維之一,近年來(lái)得到快速發(fā)展,在50 多個(gè)國(guó)家被批準(zhǔn)使用,在眾多食品、飲料、保健食品中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

    1 聚葡萄糖的生理功能研究現(xiàn)狀

    1.1 低能量

    聚葡萄糖是隨機(jī)聚合的產(chǎn)物,糖甙鍵種類多,分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以被人體或動(dòng)物消化利用,因此具有較低的熱量。大量動(dòng)物或人體試驗(yàn)均證實(shí),聚葡萄糖具有較低的熱量值,大約為4.18 kJ/g。

    通過(guò)模擬人體條件下的試驗(yàn)或人體試驗(yàn)也證實(shí)了聚葡萄糖具有較低的能量值。如White等采用α-淀粉酶、支鏈淀粉酶、淀粉糖甙酶結(jié)合,在模擬人體內(nèi)的條件下對(duì)聚葡萄糖進(jìn)行酶解,測(cè)量產(chǎn)生的葡萄糖數(shù)量,推算出聚葡萄糖在體內(nèi)的消化率為22%~25% ,熱量值約為4.18 kJ/g。Lotfi等評(píng)價(jià)了7 名健康志愿者每天攝入30 g聚葡萄糖的短期(服用聚葡萄糖4 天)和長(zhǎng)期階段(服用聚葡萄糖26 天)的能量值,其能量值通過(guò)在早餐時(shí)服用10 g14C標(biāo)記的聚葡萄糖來(lái)進(jìn)行測(cè)定。在短期和長(zhǎng)期服用階段,48 h內(nèi)分別有31%和29%的14C出現(xiàn)在呼吸作用中,有4%出現(xiàn)在尿中,在排出的氣體中有1%,糞便中的脂肪酸中占有1%,細(xì)菌中占有3%~4%。在短期和長(zhǎng)期階段,大便中分別含有33%和32%的14C,49%左右出現(xiàn)在大腸內(nèi)14C標(biāo)記的醋酸中。經(jīng)過(guò)計(jì)算,當(dāng)呼吸作用中的14CO2和聚葡萄糖產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸被計(jì)算在內(nèi)時(shí),聚葡萄糖的能量值在短期和長(zhǎng)期服用階段分別為4.0 kJ/g和6.1 kJ/g。測(cè)定聚葡萄糖能量值的方法雖有所不同,但結(jié)果都在4.18 kJ/g左右,證明其確為難消化性糖類。

    1.2 調(diào)節(jié)腸道功能,防止便秘的發(fā)生

    由于聚葡萄糖具有很好的持水性,未消化的聚葡萄糖增加了腸道的蠕動(dòng)和糞便的排出。同時(shí)在大腸內(nèi),部分聚葡萄糖可以被雙歧桿菌等有益菌發(fā)酵利用,產(chǎn)生大量的短鏈脂肪酸而降低腸道的pH值,刺激腸道的蠕動(dòng),增加糞便的濕潤(rùn)度并保持一定的滲透壓,從而雙向調(diào)節(jié)腸道內(nèi)環(huán)境而防止便秘的發(fā)生。一項(xiàng)對(duì)120 名健康成年人的研究表明,在攝入聚葡萄糖大約2 天后,大多數(shù)受試者的糞便被軟化并易于排出。隨著聚葡萄糖攝入量的增加,排便的頻率和難易程度也得到改善,糞便的濕重和干重相應(yīng)增加。這說(shuō)明即使每日攝入4 g的聚葡萄糖也能夠明顯改善排便狀況。與不服用聚葡萄糖時(shí)相比,人體短期服用聚葡萄糖(服用4 天)和長(zhǎng)期服用(服用26 天)對(duì)改善腸道功能均有明顯的效果,如糞便的重量由對(duì)照的122 g/天增加到短期階段的164 g/天和長(zhǎng)期階段的158 g/天,糞便中的水分也相應(yīng)的由93 g/天增加到129 g/天和119 g/天,說(shuō)明聚葡萄糖對(duì)改善排便功能具有良好的作用。

    1.3 調(diào)節(jié)腸道菌群平衡的益生元功能

    益生元是“不被消化的食物成分,可以選擇性地促進(jìn)結(jié)腸中的一種或少數(shù)幾種細(xì)菌的生長(zhǎng)或活性而對(duì)宿主產(chǎn)生有益影響,從而保持宿主健康”。

    許多研究表明,聚葡萄糖是有效的益生元,被攝入人體后,在胃腸道的上半部分并不被消化,只是到了胃腸道的下半部分才有部分被發(fā)酵,促進(jìn)腸道有益菌(雙歧桿菌、乳桿菌)的增殖,并抑制有害菌,如梭狀芽孢桿菌和擬桿菌的生長(zhǎng)。聚葡萄糖被有益菌發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸如醋酸、丁酸等,降低了腸道pH值,可以幫助抵抗感染,并降低癌癥的發(fā)生機(jī)率。

    1.3.1 促進(jìn)腸道有益菌的生長(zhǎng),調(diào)整腸道菌群平衡,抑制有害菌的生長(zhǎng)

    在人體腸道模擬器3 級(jí)連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)中,濃度為1%和2%的聚葡萄糖即可對(duì)腸道雙歧桿菌有顯著的刺激作用。它所作用的雙歧桿菌范圍較廣,除了對(duì)青春雙歧桿菌、兩叉雙歧桿菌、長(zhǎng)雙歧桿菌等有增殖作用外,還對(duì)嬰兒雙歧桿菌有增殖作用。而人體臨床試驗(yàn)研究表明,人體攝入聚葡萄糖后,糞便中厭氧微生物顯著改變,雙歧桿菌和乳桿菌增加,而擬桿菌減少。服用聚葡萄糖4、8、12 g后,大腸中的雙歧桿菌分別增加了大約3 倍、7 倍和10 倍,乳桿菌分別增加了大約4 倍、5 倍和7 倍,而擬桿菌(脆弱擬桿菌、普通擬桿菌、中間型擬桿菌)平均減少了大約54.6%、80.8%、82.7%。

    1.3.2 產(chǎn)生短鏈脂肪酸,降低腸道pH值

    動(dòng)物試驗(yàn)、人體模擬或臨床試驗(yàn)均表明,聚葡萄糖在腸道內(nèi)可以被部分發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸,從而降低腸道的pH值。在大鼠食物中添加5%、10%和20%聚葡萄糖與添加不溶性膳食纖維素相比,均能夠顯著降低大腸的pH值。在模擬大腸的體外試驗(yàn)中證實(shí)了,在可可糖中添加2%的聚葡萄糖可顯著地增加總短鏈脂肪酸和丁酸的濃度,分別從103 mM增加到468 mM(P<0.01)和從12 mM增加到22 mM(P<0.01)。人體臨床試驗(yàn)研究表明,聚葡萄糖在有益菌發(fā)酵過(guò)程中即使在每日4g的低劑量水平下也會(huì)使產(chǎn)生的短鏈脂肪酸如乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、異戊酸等的量增加。當(dāng)攝入量為8 g/天或12 g/天時(shí),醋酸和丁酸的增加量非常顯著,醋酸的濃度分別由4.12 mg/g增加到4.7 mg/g和5.12 mg/g,而丁酸的濃度由對(duì)照組的0.94 mg/g分別增加到1.31 mg/g和1.41 mg/g。糞便pH值分別由攝入前的7.00、6.93降低到攝入后的6.71和6.37,而對(duì)照組沒(méi)有明顯變化。醋酸和丙酸經(jīng)吸收后進(jìn)入血液循環(huán),在肝臟及其外部組織中被代謝;而丁酸是最重要的發(fā)酵產(chǎn)物,能夠作為腸道細(xì)胞的能量來(lái)源,對(duì)上皮細(xì)胞的正常發(fā)育也十分重要。而腸道pH值的降低能夠抑制腸內(nèi)毒素的產(chǎn)生,如吲哚和對(duì)甲酚等,有利于預(yù)防或防止便秘及腸憩室病的發(fā)生,從而降低腸癌的發(fā)生率。

    1.4 清除體內(nèi)有毒物質(zhì),降低腸道癌癥發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn),提高機(jī)體免疫力

    聚葡萄糖能夠抑制有毒物質(zhì)在腸道的吸收,并通過(guò)糞便的形式將其排出體外,降低有毒物質(zhì)在體內(nèi)的積累。如環(huán)境中存在的二噁英類物質(zhì)是一種毒性很強(qiáng)的、難以分解的有機(jī)氯化合物,可通過(guò)食物被攝入到人體內(nèi),極易被吸收并蓄積,會(huì)引起肝臟代謝障礙、免疫性障礙及導(dǎo)致遺傳毒性、致癌和致畸。給大白鼠投喂二噁英類物質(zhì),并喂食高野豆腐、聚葡萄糖等,結(jié)果表明,聚葡萄糖能有效地促進(jìn)二噁英類從糞便中排出,有效地抑制其在肝臟中的蓄積。8 周食餌組的肝臟蓄積率比較低,說(shuō)明長(zhǎng)期攝取聚葡萄糖能更有效地控制二噁英類物質(zhì)在肝臟中的蓄積。

    聚葡萄糖已被證實(shí)能夠改善腸道微生物的組成和活性,從而具有降低腸癌風(fēng)險(xiǎn)的功能。Mkivuokko等聯(lián)合應(yīng)用2 種不同的體外體系,即4 階段的結(jié)腸發(fā)酵模擬器和反應(yīng)人類腸道上皮功能的細(xì)胞培養(yǎng)模型,研究了水溶性膳食纖維聚葡萄糖對(duì)結(jié)腸癌發(fā)生的影響。在Caco-2細(xì)胞(人類結(jié)腸癌細(xì)胞系)觀察到COX-2的表達(dá)呈劑量依賴性降低。COX-2表達(dá)降低與聚葡萄糖在結(jié)腸發(fā)酵的密切相關(guān)性進(jìn)一步表明聚葡萄糖具有抗癌作用。Fava等利用豬的模型證實(shí)聚葡萄糖在結(jié)腸里能緩慢而持續(xù)的發(fā)酵,并且能夠顯著地改變發(fā)酵的終產(chǎn)物,尤其是在大腸末端。試驗(yàn)還證實(shí),聚葡萄糖具有降低黏膜環(huán)氧酶COX-2表達(dá)的趨勢(shì),因此,可能降低大腸末端形成腸癌發(fā)生條件的風(fēng)險(xiǎn)。Ishizuka等利用大鼠模型,觀察到聚葡萄糖能顯著降低致癌劑1,2-二甲基肼誘導(dǎo)的異常隱窩灶(ACF)的形成。該作用在直腸尤其明顯,抑制率高達(dá)65%。由此得出結(jié)論,攝入聚葡萄糖能預(yù)防結(jié)直腸癌的發(fā)生。

    1.5 促進(jìn)礦物元素的吸收

    許多研究表明,攝取非消化性糖類物質(zhì)可以促進(jìn)大鼠對(duì)鈣的吸收,這些物質(zhì)包括各種各樣的糖醇、低聚糖以及多糖類物質(zhì),因此非消化性糖類物質(zhì)可能對(duì)人體鈣的吸收和保留起到有益的作用。而聚葡萄糖作為一種非消化性多糖也具有促進(jìn)鈣吸收的作用,如Hara等研究了用聚葡萄糖喂養(yǎng)正常的和全胃切除的大鼠對(duì)鈣吸收和骨礦化的影響,并與另一種膳食纖維瓜爾豆膠水解物(GGH)的作用進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,對(duì)于全胃切除和正常的大鼠用聚葡萄糖喂養(yǎng)時(shí)(50 g/kg,21 天),均可增加對(duì)鈣的吸收和骨的礦化,但是用GGH喂養(yǎng)的正常大鼠沒(méi)有這種作用。推測(cè)其促進(jìn)鈣吸收主要是小腸的作用,而與大腸無(wú)關(guān)。Mineo等研究表明,隨著聚葡萄糖的濃度在0~100 mmol/L增加時(shí),大鼠空腸、回腸、盲腸、大腸的鈣吸收作用呈遞增趨勢(shì)。當(dāng)聚葡萄糖的濃度大于100 mmol/L時(shí)大鼠空腸、回腸、盲腸和結(jié)腸對(duì)鈣的吸收顯著提高。

    1.6 改善脂質(zhì)代謝,降低甘油三酯和膽固醇

    膽固醇是一種脂溶性物質(zhì),和蛋白質(zhì)結(jié)合成脂蛋白微粒在血液中運(yùn)行,人體血液中膽固醇含量高會(huì)導(dǎo)致動(dòng)脈硬化和高血壓的發(fā)生。動(dòng)物試驗(yàn)表明,聚葡萄糖可阻止或降低甘油三酯和膽固醇向腸系膜淋巴的運(yùn)輸作用,從而減少了大鼠對(duì)甘油三酯和膽固醇的吸收。Saku等研究了61 名健康志愿者每天服用15 g聚葡萄糖對(duì)血清脂質(zhì)、脂蛋白和載脂蛋白的影響,結(jié)果表明聚葡萄糖能夠有選擇性地降低高密度脂蛋白水平(HDL)及其主要蛋白質(zhì)A-I和 A-II代謝。

    將聚葡萄糖添加到食品中同樣具有降低甘油三酯和膽固醇的作用。如人體一次食用46 g用聚葡萄糖(15%,w/w)和乳糖醇制成的無(wú)糖巧克力對(duì)血清甘油三酯的升高幾乎沒(méi)有影響,而食用含糖的巧克力30~150 min內(nèi),血清甘油三酯會(huì)緩慢的升高。

    1.7 降低血糖反應(yīng)

    富含各種糖和淀粉等高生血糖碳水化合物的膳食,越來(lái)越與肥胖癥和早期Ⅱ型糖尿病等健康問(wèn)題相關(guān)。聚葡萄糖難被吸收,血糖指數(shù)很低(相對(duì)于葡萄糖的4%~7%),攝入后不易使血糖升高,不刺激胰島素的分泌,非常適于糖尿病患者食用。聚葡萄糖還能用于取代各種食品中高血糖指數(shù)的碳水化合物,降低最終產(chǎn)品的總體血糖負(fù)荷。臨床試驗(yàn)表明,人體攝入12 g聚葡萄糖和50 g葡萄糖后血糖指數(shù)為89%(對(duì)照為攝取50 g葡萄糖后的血糖指數(shù)為100%),說(shuō)明聚葡萄糖是非胰島素依賴性,也表明聚葡萄糖可以延緩葡萄糖在小腸內(nèi)的吸收,可能由于聚葡萄糖的填充和小腸粘度的增加而延遲了胃排空的時(shí)間所引起的。

    1.8 增加飽腹感,有助于減輕肥胖

    全球患肥胖癥的人數(shù)正在不斷上升,而低熱量的膳食是體重控制的有效手段。聚葡萄糖具有較低的熱量值,能使人在攝入較少熱量的情況下,達(dá)到增進(jìn)飽腹感的效果。一方面,用聚葡萄糖生產(chǎn)的低熱量食品能增進(jìn)飽腹感,從而使消費(fèi)者避免很快感到饑餓。聚葡萄糖還可以抑制食欲,減少進(jìn)食量,并從人體內(nèi)帶走多余的脂肪和能量。另一方面,聚葡萄糖還可在胃腸壁上形成一層薄膜,纏裹部分食物中的脂肪,限制消化道內(nèi)脂肪的吸收,促進(jìn)脂類物質(zhì)的排泄,從而達(dá)到減少脂肪堆積,控制體重的功效。

    2 聚葡萄糖的安全性

    動(dòng)物和人體試驗(yàn)證實(shí),聚葡萄糖具有高度的安全性。FDA和FAO/WHO均已批準(zhǔn)聚葡萄糖為安全的食品添加劑。目前,中國(guó)、日本、澳大利亞等45 個(gè)國(guó)家已批準(zhǔn)使用聚葡萄糖。另外,日本的厚生省已確認(rèn)聚葡萄糖是一種食品,我國(guó)已將其列入國(guó)家食品添加劑。食品中添加聚葡萄糖作為通便劑的平均最大無(wú)作用量為90 g/天。

    3 聚葡萄糖的特性及應(yīng)用

    聚葡萄糖理化性質(zhì)是以葡萄糖為主要聚合體,檸檬酸為催化劑,山梨醇為增塑劑,經(jīng)熱聚合而形成的一種水溶性高分子化合物。聚葡萄糖作為一種新型的膳食纖維和增稠劑、膨脹劑、配方助劑、填充劑等,主要應(yīng)用于低能量、高纖維等功能性食品中。在纖維食品中,聚葡萄糖以其90%以上的水溶性膳食纖維含量成為一種主要的纖維來(lái)源;在低能量食品中,聚葡萄糖可以部分或全部替代糖和脂肪,在降低食品能量的同時(shí),能保持食品原有的風(fēng)味和質(zhì)感,帶來(lái)令人滿意的口感享受。

    3.1 水溶性

    聚葡萄糖具有良好的水溶性,可以制備濃度高達(dá)80%的水溶液。它不溶于乙醇,但能部分溶于甘油和丙二醇。聚葡萄糖水溶液可以很容易由聚葡萄糖粉末制得,溶解速度取決于混合設(shè)備的速度、剪切力以及粉末加入水中時(shí)的狀態(tài)。在制備高濃度水溶液時(shí),可將聚葡萄糖緩慢加入熱水中,同時(shí)進(jìn)行有效的機(jī)械攪拌以加速溶解。加入另一種物質(zhì)作為分散劑,也可起到同樣的效果。

    3.2 穩(wěn)定性

    在實(shí)驗(yàn)室中,在25 ℃、45 ℃和60 ℃裸露的條件下觀察無(wú)包裝的聚葡萄糖,它可以穩(wěn)定地保存90 天以上。在密閉容器中和合適的貯存條件下,聚葡萄糖的保質(zhì)期可達(dá)2 年。

    3.3 粘性

    與蔗糖一樣,聚葡萄糖水溶液是典型的牛頓液體。在相同條件下,聚葡萄糖水溶液的粘度比蔗糖稍高。20 ℃時(shí),兩者的粘度之差為1 000 cP(1 Pa·s)。

    3.4 濕潤(rùn)性

    聚葡萄糖可以作為一種濕潤(rùn)劑,防止或減緩含濕食品的不良變化,能使食品既不脫水也不吸水。在糖果和焙烤食品中,聚葡萄糖可以調(diào)節(jié)貯存過(guò)程中水分吸收或喪失的速度。但水分吸收和喪失的速度還受多種因素的影響,如食品的性質(zhì)、配方、包裝、貯存或食用時(shí)的環(huán)境條件等。

    4 聚葡萄糖的應(yīng)用

    聚葡萄糖具有低熱量、代糖、代脂的功能,在國(guó)外已成為一種用途廣泛的新型功能性食品添加劑。食品工業(yè)生產(chǎn)中用作脂肪代用品、優(yōu)質(zhì)代糖填充劑、防凍劑、水分保持劑、水溶性膳食纖維來(lái)源等。由于聚葡萄糖已被確認(rèn)為安全無(wú)毒的食品添加劑,因此被廣泛用于糖類、果醬、糕點(diǎn)、巧克力、冷凍甜點(diǎn)類等食品的生產(chǎn)。

    4.1 飲料行業(yè)

    聚葡萄糖是強(qiáng)化纖維飲料的理想纖維來(lái)源,它具有水溶性好, pH值低及加熱條件下穩(wěn)定性高,在貨架期內(nèi)穩(wěn)定,纖維無(wú)損失等優(yōu)良特性,使其能廣泛應(yīng)用于飲料產(chǎn)品(包括固體飲料),無(wú)不良口味,色澤和透明度均良好。聚葡萄糖還可增強(qiáng)無(wú)糖或低糖飲料的口感。

    4.2 乳制品

    聚葡萄糖在低pH值下穩(wěn)定,用于酸奶生產(chǎn),能提供清爽口感和纖維強(qiáng)化;用于乳飲料中,能直接強(qiáng)化纖維;用在低脂或無(wú)脂產(chǎn)品中,能防止析水,賦予產(chǎn)品良好的質(zhì)構(gòu)和奶油口感。

    4.3 焙烤食品

    聚葡萄糖可用于生產(chǎn)高纖維的面包、蛋糕和餅干等焙烤食品,強(qiáng)化焙烤食品的纖維概念。聚葡萄糖十分耐熱,作為蔗糖和油脂的替代品,能延緩淀粉老化,保持水分,提供良好的質(zhì)構(gòu)和口感,特別適于加工低糖、低脂的焙烤食品。

    4.4 保健品或藥品

    因聚葡萄糖具有較低的熱量值(4.18 kJ/g),可用于生產(chǎn)針對(duì)愛(ài)美人士或年輕女性的低能量,瘦身、減肥的保健食品或功能性飲料。

    4.5 糖果

    聚葡萄糖是無(wú)糖糖果的良好配料,其良好的耐受性,高水溶性和高粘度,可保證硬糖和橡皮糖的良好咀嚼性;能防止結(jié)晶,特別是使用糖醇的糖果;非致齲性,適用于健齒糖果。添加聚葡萄糖的蔗糖糖果,能起到強(qiáng)化纖維和益生元,降低蔗糖的作用,也可降低熱量或降低總血糖生成值。

    4.6 其它應(yīng)用

    聚葡萄糖還可用于巧克力、冰淇淋/冷凍甜點(diǎn)、果醬和果陷、肉制品等食品中,具有改善食品質(zhì)構(gòu),強(qiáng)化營(yíng)養(yǎng)的功能。

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