菊糖在食品加工中的特性及應(yīng)用

盧玉容，郭秀蘭，侯彩云，唐仁勇，羅靜，黃仁茂

（成都大學(xué)藥學(xué)與生物工程學(xué)院，四川成都610106）

菊糖是一種天然果聚糖，廣泛存在于菊芋、菊苣、婆羅門(mén)參、大麗花等36 000多種植物體內(nèi)，同時(shí)在一些細(xì)菌和真菌體內(nèi)也被發(fā)現(xiàn)[1]。一方面，菊糖作為一種生物多糖，其生理活性被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛研究，其中菊糖調(diào)節(jié)腸道菌群更是成為研究熱點(diǎn)[2-3]；另一方面，在西方國(guó)家食品工業(yè)中，菊糖是一種食品輔料，用于改善食品的組織狀態(tài)和感官品質(zhì)。隨著對(duì)菊糖研究的深入，菊糖的分子結(jié)構(gòu)逐漸清晰，因在食品加工中具有獨(dú)特的加工特性，常被用作增稠劑、脂肪代替物、保水劑、糖類代替物等。本文綜述了菊糖的分子結(jié)構(gòu)、加工特性以及在乳制品、肉制品、面制品、巧克力和冰淇淋等食品中的應(yīng)用。

1 菊糖的結(jié)構(gòu)

菊糖是由D-呋喃果糖分子以β-（2，1）糖苷鍵連接，末端以α-（1，2）糖苷鍵連接一個(gè)葡萄糖殘基而成的果聚糖。其聚合度（degree of polymerization，DP）通常為2～60，平均聚合度為10，平均分子量在5 500 U左右。菊糖的聚合度和平均分子量與菊糖的來(lái)源、采收季節(jié)、處理方式等相關(guān)[1]。

菊糖是一種直鏈多聚糖，其骨架是聚乙烯氧化物，骨架上不含任何糖環(huán)[4]。與其他糖類相比，菊糖分子中的果糖糖環(huán)之間只有一個(gè)氧原子進(jìn)行連接，且呋喃果糖均處于同一平面，因此菊糖分子具有更大的活動(dòng)自由度，更易翻轉(zhuǎn)和卷曲[5]，因而菊糖的分子結(jié)構(gòu)具有多變的性質(zhì)。有研究發(fā)現(xiàn)，菊糖的分子結(jié)構(gòu)與其聚合度密切相關(guān)，特別是DP＜9和DP≥9的菊糖分子的結(jié)構(gòu)有顯著的差別[6]。DP為4和5的菊糖分子結(jié)構(gòu)由于翻轉(zhuǎn)和卷曲，形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)[7]和單螺旋結(jié)構(gòu)[6]；DP6～8的菊糖分子還沒(méi)有定論，但其光譜特性與DP為4和5不同[8]，因此可推論菊糖分子的分子排布發(fā)生了變化；而DP≥9的菊糖分子呈現(xiàn)規(guī)則的螺旋結(jié)構(gòu)——五重螺旋[7]和六重螺旋[9]。菊糖分子結(jié)構(gòu)隨著DP的增加而改變，因此DP會(huì)影響菊糖的加工特性。菊糖的分子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 菊糖的分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Molecular structure of inulin

2 菊糖的食品加工特性

2.1 親水特性

菊糖分子中含有大量的羥基，具有良好的親水性[5]，但其溶解性受鏈長(zhǎng)的限制。菊糖溶于水后，在菊糖分子內(nèi)、菊糖分子間、菊糖與水分子之間均形成氫鍵，相互連接成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；而部分未溶于水的菊糖，將會(huì)以結(jié)晶菊糖的形式存在，而結(jié)晶菊糖會(huì)在分子間形成氫鍵，將菊糖分子鏈與鏈相連接，能強(qiáng)化菊糖的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成含有結(jié)晶顆粒的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[10]。

2.1.1 菊糖可作為增稠劑

在濃度為1%～10%菊糖水溶液中，溶液的黏度會(huì)增加，但不會(huì)形成凝膠[11]，其中菊糖的DP不明確。據(jù)Bouchard發(fā)現(xiàn)，在37℃的水中添加10%的菊糖（DP=8～12）時(shí)，溶液的黏度增加至 1.12 mPa·s[12]。Franck 在相同溫度（10℃）、相同濃度（5%）下，研究了DP對(duì)菊糖溶液黏度的影響。其中，DP為4時(shí)，溶液黏度＜1.0 mPa·s；DP 為 12 時(shí)，溶液粘度為 1.6 mPa·s；DP為25時(shí)，溶液粘度為2.4 mPa·s。隨著DP的增加，菊糖溶液的黏度隨之增加[13]。Panchev的研究也有類似的報(bào)道，在25℃、菊糖濃度為5%時(shí)，DP為28時(shí)溶液黏度為 1.21 mPa·s，DP 為 30 時(shí)溶液黏度為 1.27 mPa·s；DP為33時(shí)溶液黏度為1.31 mPa·s[14]。通過(guò)報(bào)告發(fā)現(xiàn)，菊糖溶液的黏度與溫度、濃度、DP息息相關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中，食品的成分對(duì)黏度也具有較大影響。長(zhǎng)鏈菊糖在較低的溫度和濃度下能夠顯著增加溶液的黏度，在食品中常利用此特性，將其作為食品增稠劑。

2.1.2 菊糖可作為脂肪替代物

在菊糖水溶液中，當(dāng)濃度為10%～20%時(shí)，溶液會(huì)緩慢形成凝膠，但凝膠狀態(tài)不穩(wěn)定；當(dāng)濃度為20%～50%時(shí)，菊糖可與水形成較強(qiáng)的凝膠，此時(shí)凝膠具有奶油般的柔滑口感，能改善食品的質(zhì)地，提供類似脂肪的口感；但當(dāng)菊糖濃度＞50%時(shí)，凝膠將會(huì)變得堅(jiān)硬，口感不佳[11]，但其中菊糖的DP不明確。由于菊糖DP會(huì)影響菊糖的分子結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)鏈菊糖呈現(xiàn)出多重螺旋結(jié)構(gòu)，因而能形成更強(qiáng)的凝膠。Meyer發(fā)現(xiàn)，DP越高，形成凝膠所需的菊糖濃度更低，且DP為22～23的長(zhǎng)鏈菊糖形成的凝膠結(jié)構(gòu)更強(qiáng)[15]。在食品中，常利用菊糖的凝膠特性，將其作為低脂食品中的脂肪替代物。但菊糖在實(shí)際應(yīng)用中不僅限于與水形成凝膠，食品的基質(zhì)對(duì)凝膠形成具有重要影響，比如在低脂酸奶制作中添加6%的長(zhǎng)鏈菊糖，菊糖可與蛋白質(zhì)形成二次凝膠結(jié)構(gòu)，能賦予酸奶全脂的口感[16]。

2.1.3 菊糖可作為保水劑

在菊糖水溶液中，菊糖與水分子之間形成的三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能捕獲大量水分子，水分子被包裹在菊糖分子中間，形成凝膠顆粒[10]。凝膠顆粒不易被環(huán)境破壞，水分子不易流失，因此菊糖具有良好的持水力和保濕性，在食品加工過(guò)程中，能有效降低水分損失，可用作保水劑。在酸奶的制作中，6%的菊糖會(huì)減少乳清析出率[17]；在肉制品加工中，18.7%的菊糖能有效改善肉制品水分流失的情況[18]；在巧克力中，5%的菊糖能防止水分的蒸發(fā)，延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期[19]。

2.2 具有水解特性，可作為甜味劑

低濃度的菊糖溶液黏度變化不大，不易形成凝膠態(tài)，菊糖分子分散在水中，其末端果糖基容易斷裂，產(chǎn)生果糖分子[11]。有研究表明，忽略短鏈菊糖所引起的溶液黏度和溶解度的變化，短鏈菊糖的水解率隨其濃度增加而增加，其水解率可達(dá)40%，因此短鏈菊糖溶液中因含有較多的單糖和雙糖而具有一定甜味，但其甜味遠(yuǎn)低于蔗糖，僅為蔗糖的40%[4]。同時(shí)有研究發(fā)現(xiàn)，菊糖可增加35%蔗糖甜度，因此可部分代替蔗糖甜味口感[20]。長(zhǎng)鏈菊糖是高碳糖，且在低濃度狀態(tài)下易形成凝膠態(tài)，因此在溶液中不易發(fā)生水解。

2.3 益生元特性

短鏈菊糖易水解產(chǎn)生果糖分子，能被大部分微生物作為碳源；除此之外，某些微生物體內(nèi)含有菊糖酶，能將菊糖降解成單糖和雙糖，從而加以利用，因此菊糖可以促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)。有研究表明，在低脂酸奶中加入菊糖，有利于嗜熱鏈球菌、保加利亞乳桿菌、嗜酸乳桿菌、鼠李糖乳桿菌等有益菌的生長(zhǎng)和發(fā)酵，且能有效提高酸奶儲(chǔ)藏期中的活菌數(shù)量[21]。

3 菊糖在食品中的應(yīng)用

隨著生活水平的提高，肥胖率越來(lái)越高，為防止發(fā)胖，更多的人更愿意選擇低脂、低糖、富含纖維的食物。菊糖不僅是一種水溶性的膳食纖維，而且具有獨(dú)特的加工特性，能有效改善低脂食品的感官與質(zhì)構(gòu)，因此常被應(yīng)用于乳制品、肉制品、面制品、巧克力和冰淇淋等食品加工中。

3.1 乳制品

脫脂或低脂乳制品由于脂肪的缺乏，容易出現(xiàn)口味寡淡、乳清析出等不良現(xiàn)象。將菊糖加入乳制品中，可改善其質(zhì)構(gòu)，增加黏度和持水力，能提供類似脂肪的潤(rùn)滑口感；在發(fā)酵乳制品中可促進(jìn)微生物生長(zhǎng)。菊糖對(duì)乳制品的影響見(jiàn)表1。

表1 菊糖對(duì)乳制品的影響Table 1 Effects of inulin on dairy products

3.2 肉制品

菊糖的添加可以部分代替肉制品中的脂肪，得到與全脂肉制品類似的口感，但會(huì)導(dǎo)致肉制品顏色加深，硬度增加，紋理改變。Keenan在制作豬肉早餐香腸時(shí)用菊糖代替18.7%的背膘，這種低脂香腸具有多汁、潤(rùn)滑的口感，持水力提高，脂肪含量、蒸煮損失降低，并改善了紋理和高脂肪所帶來(lái)的咸味感，但其黃度降低[18]。Tomaschunas將0.2%～3.0%的菊粉加入脂肪減少的里昂式香腸中（全脂脂肪含量為25%，菊糖香腸為3%～17%），不僅使香腸中的脂肪含量降低了32%～88%，而且改善了由于脂肪減少出現(xiàn)的肉味、多汁感減少，肉質(zhì)粗糙、變硬的現(xiàn)象；同時(shí)，他將0.4%～4.6%的菊糖加入到脂肪減少的肝臟香腸中（全脂脂肪含量為30%，菊糖香腸為3%～20%），不僅將肝臟香腸中的脂肪降低了33%～90%，而且能改善肝臟香腸因?yàn)闇p少脂肪而引起的顆粒感，但硬度增加。兩組試驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)，菊糖會(huì)導(dǎo)致香腸色澤加深[26]。Menegas在制作發(fā)酵雞肉腸的過(guò)程中加入68.13 g/kg菊糖代替80 g/kg玉米油，儲(chǔ)藏期間發(fā)現(xiàn)，雞肉腸的脂肪含量降低，脂質(zhì)氧化被抑制，紋理改善，但色澤更暗紅[27]。由此可知，菊糖可有效改善低脂肉制品的口感和質(zhì)構(gòu)，但對(duì)肉制品的顏色不利。

3.3 面制品

3.3.1 烘焙類面制品

烘焙類面制品主要包括面包、蛋糕和餅干，不同聚合度菊糖的添加對(duì)烘焙類產(chǎn)品有不同的改善，但均會(huì)增加產(chǎn)品的硬度，加深產(chǎn)品的顏色。Sirbu向面包中加入5%～20%的菊糖（DP＜10），提高了面包中的膳食纖維含量、口感和5%的孔隙率，但外殼皺縮、硬度增加，顏色加深，體積減小[28]。Peressini分別向面粉中加入2.5%～7.5%短鏈菊糖（DP=10）和長(zhǎng)鏈菊糖（DP=23），并用這兩種面粉制作面包，發(fā)現(xiàn)菊糖對(duì)面包的影響并不一致。其中，短鏈菊糖的添加會(huì)增加面包的體積、孔隙率和甜度，孔隙體積變小，但顏色加深。長(zhǎng)鏈菊糖則能提高面筋蛋白網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的致密性和均勻性，添加量為5%時(shí)，感官認(rèn)可度較高；但≥5%時(shí)體積減少，硬度增加[29]。Volpini Rapina向低脂蛋糕中添加5%的菊糖（DP≤10）制作益生元蛋糕，增加了蛋糕的感官認(rèn)可度、均勻性和黏性，降低了破碎性；但蛋糕外殼的顏色加深，硬度增加，水分降低[30]。Laguna在餅干制作中加入15%～30%的菊糖（DP＜10），結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)菊糖添加量為15%時(shí)可代替餅干中15%的脂肪，且感官接受度較高，水分含量和水分活度降低；但添加量≥15%時(shí)餅干的硬度和斷裂應(yīng)力增加，風(fēng)味降低[31]。

3.3.2 蒸煮類面制品

蒸煮類的面制品主要是饅頭和面條，其中在饅頭中加入適量菊糖可增加饅頭比容，改善饅頭質(zhì)構(gòu)，而不同菊糖類型對(duì)面條的影響不同。陳瑞紅發(fā)現(xiàn)，在饅頭加工中添加10%以下的短鏈菊粉，可以增大饅頭比容，降低饅頭徑高比，并且饅頭的質(zhì)構(gòu)特性也得到相應(yīng)改善[32]。胡雅婕也有類似發(fā)現(xiàn)，在菊糖添加量為2%～8%時(shí)，饅頭的比容呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，大于8%則呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；菊粉添加量為8%時(shí)制作的饅頭的感官品質(zhì)較好，質(zhì)構(gòu)特性良好，饅頭硬度、咀嚼性較低，彈性和回復(fù)性較高[33]。Aravind分別向面條中添加DP為7～8的短鏈菊糖和DP為12～14的中鏈菊糖發(fā)現(xiàn)，菊糖的添加能縮短面條的煮制時(shí)間，但其鏈長(zhǎng)對(duì)面條的影響較大。其中，短鏈菊糖會(huì)引起面條吸水性的下降，當(dāng)添加量≥7.5%，面條的硬度會(huì)增加，面條的煮制損失率增大；長(zhǎng)鏈菊糖不會(huì)影響面條的吸水性和膨脹度，當(dāng)添加量≥20%，面條的柔軟性增加，但煮制損失率也會(huì)增加[34]。由此，菊糖DP不同會(huì)對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生不一樣的影響。

3.4 巧克力制品

巧克力是一種高糖高熱量的食物，全糖巧克力的蔗糖含量高達(dá)48%，不利于身體健康，因此有研究用菊糖代替蔗糖制作低糖或無(wú)糖巧克力。Aidoo用12%菊糖和36%多聚葡萄糖制作無(wú)糖巧克力，相較于48%蔗糖巧克力，無(wú)糖巧克力具有更優(yōu)的黏度、硬度和顏色，且含水量高、能量低，流動(dòng)性和熔融性沒(méi)有顯著變化[35]。Furlán用菊糖作穩(wěn)定劑來(lái)制作氫化油無(wú)糖復(fù)合巧克力，在制作過(guò)程中加入5%～10%的菊糖，產(chǎn)品白度增加，保質(zhì)期延長(zhǎng)。隨著菊粉濃度的增加，在儲(chǔ)藏期巧克力的穩(wěn)定性、黏度和屈服應(yīng)力增加，游離脂肪含量降低。氫化油代替可可脂會(huì)使巧克力的脆度下降，但加入10%菊糖改善了菊糖巧克力的紋理和質(zhì)構(gòu)[19]。Aidoo用24.640 6%菊糖和75.359 4%聚右旋糖代替蔗糖生產(chǎn)無(wú)糖巧克力，提高了巧克力的流變性能，顏色、硬度、水分和粒度分布均與普通巧克力沒(méi)有顯著差異，但產(chǎn)品的膨化作用仍需優(yōu)化[36]。由此可見(jiàn)，用菊糖代替蔗糖生產(chǎn)的產(chǎn)品不僅具有熱量低的特點(diǎn)，而且可以改善其質(zhì)構(gòu)，但膨化仍需改善。

3.5 冰淇淋

冰淇淋是一種受人喜愛(ài)的甜品，其脂肪含量為8%～16%，蔗糖含量為14%～18%[37]，不能滿足健康的需求，而低脂冰淇淋因低熱量、低脂肪被廣大消費(fèi)者所接受。Povolny在低脂冰淇淋中加入DP為42的長(zhǎng)鏈菊糖，發(fā)現(xiàn)冰淇淋的冰點(diǎn)下降，流動(dòng)性降低，黏度增加，產(chǎn)品的質(zhì)地和感官均得到了改善[38]。Akbari的研究也有類似報(bào)道，菊糖（DP=20）的添加降低了冰淇淋的凝固點(diǎn)、融化率和硬度，增加了黏度，而且改善了黃度降低的現(xiàn)象[39]。另外，杜鵑對(duì)低脂冰淇淋的工藝進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)添加5%的菊糖時(shí)，低脂冰淇淋的感官最接近于全脂冰淇淋，且膨脹率為72.62%、融化率為10.91%，相較于全脂冰淇淋，膨脹率無(wú)顯著差異，而抗融化性得到了改善[40]。另有El-Nagar研究發(fā)現(xiàn)，在低脂冰淇淋中加入了不同濃度（5%，7%，9%）的中鏈菊糖，冰淇淋的硬度降低，同時(shí)產(chǎn)品的流動(dòng)一致性和表觀粘度均顯著增加，但抗融化性降低[41]。由此可知，菊糖類型對(duì)冰淇淋的品質(zhì)有一定影響，其中長(zhǎng)鏈菊糖可有效改善冰淇淋的口感和顏色，同時(shí)增加其抗融化性和膨脹率，對(duì)低脂冰淇淋的研發(fā)具有促進(jìn)作用。

4 展望

隨著生活水平的提高，公眾對(duì)食品的要求不僅限于口味與安全，越來(lái)越多的人選擇低熱量且對(duì)身體有益的食物。菊糖在食品加工中能作為糖類和脂肪代替者，不僅降低了熱量的攝入，而且改善了食品的口感和風(fēng)味，因此菊糖在食品中的應(yīng)用得到了廣泛的研究。但就菊糖對(duì)食品影響的研究，仍存在一些不足。其一：菊糖的類型、鏈長(zhǎng)、濃度對(duì)食品的影響差異較大，因此研究結(jié)果不太一致；其二，菊糖可作為一種益生元，其中酸奶的研究較多，其他發(fā)酵類食品研究仍較少；其三，關(guān)于添加菊糖的低熱量功能性食品還值得進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和研究。我國(guó)是菊苣的生產(chǎn)大國(guó)，但對(duì)菊糖的研究和應(yīng)用均不廣泛，菊糖作為一種生物多糖，還有更多的應(yīng)用值得深入探討和研究。

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