糖醇在食品醫(yī)藥 及農業(yè)領域的應用研究進展

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(青島大學環(huán)境科學與工程學院,山東青島 266071)

糖醇是糖(包括四碳糖、五碳糖和六碳糖)的醛基、酮基或半縮醛羥基被氫還原后得到的多元醇化合物,即糖醇可以由相應的糖來制取,如葡萄糖加氫還原生成山梨醇,木糖還原生成木糖醇等[1]。目前我國市場開發(fā)的糖醇均為具有特殊功效的糖類碳水化合物,根據(jù)結構可分為單糖醇(如赤蘚糖醇、木糖醇、山梨糖醇、甘露糖醇)與多糖醇(如麥芽糖醇、乳糖醇)[2],由于糖醇在人體新陳代謝過程中具有不同于蔗糖的特殊功能,因此又被稱之為功能糖醇。

糖醇在食品工業(yè)中應用廣泛,相比蔗糖,具有低熱量、低血糖、低胰島素應答等特性,并且有較高的耐熱性,在高溫時,不會產生美拉德反應,對改善食品品質、預防慢性疾病的發(fā)生有積極意義。此外,糖醇還對鏈球菌具有殺菌作用,可以增強人體對呼吸道感染的抵抗力。糖醇還可與植物所需營養(yǎng)元素形成穩(wěn)定的復合體,作為葉面肥噴施,避免根施時土壤對營養(yǎng)元素的固定,促進肥料利用率的提高。

糖醇作為新型甜味劑被廣泛應用于食品工業(yè),但國內市場對糖醇的其他應用還不全面,糖醇在各行業(yè)還有很大的應用空間。本文綜述了糖醇在食品、醫(yī)療、農業(yè)等領域的應用進展和重要成果,為今后糖醇的推廣應用和促進生產提供依據(jù),糖醇具有巨大的市場前景和廣闊的發(fā)展空間。

1 糖醇在食品工業(yè)上的應用

隨著物質生活水平的提高,人們對食品安全和健康營養(yǎng)日益關注,新型甜味劑成為了國內外研發(fā)的熱點。糖醇在人體內代謝不受胰島素控制,不會引起血糖升高,如用木糖醇代替蔗糖制作的食品適合糖尿病人食用[3],并且糖醇在改善食品品質、預防肥胖以及疾病發(fā)生等方面發(fā)揮重要作用,是一種健康營養(yǎng)的食糖替代品[4-5]。

1.1 糖醇在焙烤類食品中的應用

糖醇(木糖醇、山梨糖醇等)作為低熱量的食品甜味劑,廣泛應用于焙烤類食品中,可以為酵母的生長與繁殖提供營養(yǎng)物質,可以改善制品組織狀態(tài),提高制品營養(yǎng)價值,延長制品儲存壽命。國內外對糖醇應用在焙烤食品方面進行了諸多探討,取得了不少成果。

研究表明,添加糖醇可以有效地改善面粉面團的性質。刁子蔚等[6]、王偉等[7]在面粉中添加木糖醇,發(fā)現(xiàn)添加3%～5%的木糖醇可減緩小麥粉老化速度,降低面團糊化溫度,延長面團穩(wěn)定時間,增加面團的彈性。糖醇不僅對小麥粉起作用,而且還可以應用在其它淀粉中。南沖等[8]通過分析糖醇對甘薯淀粉理化性質的影響,發(fā)現(xiàn)麥芽糖醇、赤蘚糖醇和木糖醇均能明顯降低甘薯淀粉的溶脹度和溶解性,且添加量越多效果越明顯。

糖醇具有良好的吸濕性能及保濕性,適于松軟性食品生產,可保持食品風味、提高食品質量。楊柳等[9]采用低場核磁共振及成像技術,發(fā)現(xiàn)赤蘚糖醇具有較好的保水性,并能降低水分的運動性,相同貯藏時間下,糖醇面包水分含量高于蔗糖面包;彭博等[10]發(fā)現(xiàn),山梨糖醇能明顯降低面包的硬度、改善面包咀嚼口感,降低儲存期間的老化度。用糖醇替代烘焙食品中的食糖,可提高烘焙食品品質。Ronda等[11]、郝月慧等[12]用糖醇(木糖醇、麥芽糖醇)取代海綿蛋糕中的蔗糖,發(fā)現(xiàn)糖醇與淀粉結合狀態(tài)更好,烘烤后蛋糕的質地和口感更好,且添加糖醇烘焙出的蛋糕滿足人們對低脂、無糖、低卡路里的需求。

在烘培類食品中糖醇應用較多的是麥芽糖醇和木糖醇,此外,甘露醇、山梨醇、低聚果糖等也有應用。現(xiàn)有數(shù)據(jù)表明食品中的糖醇不會對人體產生危害,但過量服用仍會損害健康,因此,消費者應控制攝入量,生產廠家也需在配料表中注明含量。

1.2 糖醇在無糖糖果中的應用

無糖糖果一般用糖醇替代簡單糖(蔗糖等)制成,可以有效地預防齲齒,也適合糖尿病患者食用,具有較高的推廣價值。李文釗等[13]將赤蘚糖醇和麥芽糖醇作為主要原料,發(fā)明了一種無糖硬糖,該糖不會升高人體血糖和膽固醇水平;王成福等[14]用麥芽糖醇漿和木糖醇液生產糖果,發(fā)現(xiàn)隨著木糖醇用量的增加,與普通糖果相比,糖醇糖果口感更冰涼清爽,而且高血壓和肥胖病人等蔗糖禁忌者也可食用,該種無糖糖果符合國際上糖果食品向低糖、低熱量、保健性發(fā)展的趨勢。李發(fā)財?shù)萚15]發(fā)現(xiàn)赤蘚糖醇的極低吸濕性可以減少奶片中脂肪的氧化,糖醇較高的溶解熱和耐受量改善了奶片的口感和安全性,極低的熱量值有利于低能奶片系列產品的開發(fā)。蘇蕾[16]把糖醇加入至冰淇淋中,通過冰晶體效果測定和風味測定,結果表明添加麥芽糖醇的冰淇淋質地最佳。糖醇獨具的低粘度、低凝固點、高溶解熱等特性使其在高端食品工業(yè)上,如無糖巧克力及奶系列制品生產中具有良好的開發(fā)前景。

1.3 糖醇在肉制品中的應用

糖醇能夠改善肉制品品質,增加口感,延長保質期以及降低生產成本。在肉糜脯制作過程中,逄曉云等[17]用麥芽糖醇部分替代蔗糖,發(fā)現(xiàn)不但不影響肉糜脯的水分活度,而且還可以增加含水量,提高柔軟性;陳宇飛等[18]也通過實驗發(fā)現(xiàn),隨著山梨糖醇添加量的增加,豬肉糜脯的硬度減小,同時山梨糖醇也起到一定的抗氧化作用,提高了產品品質。為解決我國發(fā)酵香腸的生產周期長、口感硬等弊端,郇延軍等[19]借助核磁共振技術發(fā)現(xiàn),添加12%的山梨糖醇能夠顯著縮短發(fā)酵香腸的加工時間,由25.8 h降低到8.8 h,口感也明顯改善;并且,楊柳等[20]發(fā)現(xiàn)添加適量木糖醇還能使香腸貨架期延長。祝婕等[21]用木糖醇烹飪叉燒肉發(fā)現(xiàn),可改善蜜汁叉燒肉的口感,在硬度、彈性、咀嚼性等方面都有提高。

糖醇還可作為低溫保護劑用于肉制品的冷凍存儲,保證魚肉等蛋白質在冷藏中的品質,其機理為糖醇分子結構中的羥基官能團能夠與溶液中的水形成氫鍵,阻礙水分子的有序排列,從而弱化水的結晶[22]。韋振雷等[23]在魚糜中加入含山梨醇的低溫變性保護劑,可以防止由于快速冷藏過程中冰晶的出現(xiàn)而造成的蛋白質變性,保障了產品的品質。

1.4 糖醇在其他食品中的應用

近些年,隨著人們對糖醇認識的深入,糖醇在其他食品工業(yè)的應用也逐漸擴大,如果醬、果汁的生產中加入糖醇有助于產品品質的提升。高圣君等[24]研究表明檸檬汁飲料加入1%～3%赤蘚糖醇有助于減緩維生素C的降解。糖醇還應用于果醬的制作。趙勇等[25]研究表明,添加木糖醇對香蕉果醬的甜度、口感等方面都有改善。Ragab[26]嘗試用木糖醇制備無糖的杏醬,在制作儲存期間發(fā)現(xiàn)果醬的總糖量不變,還原糖量增加,而且還能增強果醬的抗氧化活性[27],使果醬色澤和味道明顯改善。

2 糖醇在醫(yī)療衛(wèi)生上的應用

糖醇可以影響人體內多種酶的活性,促進益生菌增殖[28],加快腸道蠕動,促進骨內膠原蛋白的合成,并且具有抗菌特性,在醫(yī)藥行業(yè)具有廣闊的應用前景。韓春妮等[29]采用過氧化氫(hydrogen peroxide,H2O2)致pc12細胞(一個常用的神經細胞株)氧化損傷模型,發(fā)現(xiàn)赤蘚糖醇能明顯改善氧化損傷后的pc12細胞形態(tài),提高細胞存活率,同時保護細胞膜以降低乳酸脫氫酶(LDH)泄露,提高細胞內微量還原型谷胱甘肽(GSH)含量。Kim等[30]研究表明木糖醇和山梨醇顯著增強牛乳過氧化物酶和唾液過氧化物酶活性,使與過氧化物酶有關的競爭性念珠菌活性呈負增長趨勢,并抑制唾液溶菌酶活性。

眾多研究表明,糖醇能顯著促進腸道有益菌的生長。Chen等[31]在研究中發(fā)現(xiàn),每日服用15～45 g乳糖醇可顯著提高雙歧桿菌和乳酸菌的數(shù)量;同樣,魏濤等[32]以小鼠為實驗對象發(fā)現(xiàn)木糖醇進入腸道后,不僅促進乳桿菌和雙歧桿菌增殖,而且還刺激腸道蠕動,使糖醇具有良好的潤腸通便的作用。為尋求小腸MR檢查中一種效果好且副作用低的對比劑,徐曉旻等[33]通過試驗發(fā)現(xiàn),山梨糖醇作為對比劑用于小腸MR檢查效果較好,并且山梨糖醇混合液對小腸擴張效果和圖像質量較2.5%甘露醇好且副作用更低。

糖醇在細胞的保存中發(fā)揮重要作用。Sitaula等[34]在研究山梨醇的低溫保護作用時發(fā)現(xiàn),山梨醇可以顯著提高牛精子細胞對滲透壓損傷的抵抗力,從而加強牛精子細胞在干燥過程中的耐受力。楊波等[35]經過試驗發(fā)現(xiàn),D-山梨醇、木糖醇或麥芽糖醇有助于對人肝細胞的低溫保存,其中添加D-山梨醇組復溫后細胞的存活率和貼壁率均優(yōu)于其他處理組,且木糖醇還能改善肝功能,對肝炎病人可起到降低轉氨酶的作用[36]。

糖醇在預防骨質疏松方面具有一定的作用。高秀梅等[37]研究發(fā)現(xiàn)木糖醇能抑制鈣鹽溶解進而抑制骨吸收,也能促進骨膠原蛋白合成,提高骨的彈性位移、能量吸收等。

糖醇具有一定的抗菌清潔作用。糖醇的抗菌機制目前還不完全清楚,通常認為糖醇是通過果糖磷酸轉移酶系統(tǒng)介導,從而抑制細菌的生長[38]。劉麗[39]研究發(fā)現(xiàn)木糖醇對動物源常見病原菌(大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、沙門氏菌)有一定的抗菌作用,并且研究了隨著時間、濃度的變化,木糖醇的抗菌作用效果變化,為木糖醇在動物醫(yī)學中的應用提供了科學依據(jù)。Weissman等[40]發(fā)現(xiàn)木糖醇與水混合是一種良好的鼻腔沖洗劑,在10 d的短期試驗里,木糖醇灌注對慢性鼻竇炎的改善效果優(yōu)于鹽水灌注。此外,糖醇還具有抗齲齒性,能抑制變形鏈球菌胞外葡聚糖水解酶的活性,從而減少酸性代謝產物對牙釉質的腐蝕[41],維護口腔安全。宋文鳳等[42]也綜述了赤蘚糖醇可以減輕牙齒表層釉質的脫礦程度,抑制變異鏈球菌產酸。張媛媛[43]發(fā)現(xiàn)咀嚼糖醇口香糖對牙齒有一定的清潔作用,可以有效地清除牙菌斑,可以作為一種輔助手段維護口腔衛(wèi)生。

大量研究結果表明糖醇在醫(yī)療衛(wèi)生領域有著積極的作用,在促進康健保障方面亦有突出的表現(xiàn),后續(xù)應加強糖醇在生物體內的遷移轉化機理研究,為擴大其應用范圍提供技術依據(jù)。

3 糖醇在農業(yè)生產上的應用

糖醇物質如甘露醇、山梨糖醇、木糖醇等由于具有良好的滲透、濕潤等功能,可以作為葉面肥的主劑直接施用于作物上,增強作物抗逆性,提高作物產量和品質。于會麗等[44]通過盆栽試驗,發(fā)現(xiàn)噴施山梨醇可促進小油菜對氮、磷、鉀的吸收利用,提高產量。Steinitz[45]研究表明,糖醇可以多種方式調控細胞和組織的生長和發(fā)育:首先,糖醇可以被吸收并作為代謝物起作用;其次,糖醇可能通過化學信號改變分子和生理過程;另外,在某些情況下,糖醇可以作為酶和其他大分子的保護劑,抵抗有害的化學或物理滲透脅迫。

糖醇在農業(yè)上更多的是作為螯合劑用于螯合肥的生產,與作物所需的營養(yǎng)元素按特定比例形成穩(wěn)定的復合體,可有效促進營養(yǎng)元素的吸收。孫小龍等[46]、王延明等[47]通過對照實驗發(fā)現(xiàn),噴施糖醇鋅有助于鋅在馬鈴薯塊莖中的積累,糖醇鋅處理的塊莖產量比空白對照增加了22.5%;這是因為糖醇鋅更易于與葉片角質層間隙發(fā)生滲透作用,促進植物葉片對鋅的吸收。Wu等[48]發(fā)現(xiàn)噴施糖醇螯合鈣后,茄子的葉長和葉寬均顯著增加,說明糖醇螯合鈣促進植物細胞分裂和擴大,從而使營養(yǎng)物質向其生長部位大量運輸;王守銀等[49]發(fā)現(xiàn)葉面噴施糖醇鈣處理的黃瓜干鮮重和葉綠素含量均有所增加,葉片鈣吸收量高于根莖部鈣吸收量。

糖醇螯合肥還可有效防治植物缺素導致的生理病害。李靖等[50]在果實生育期噴施糖醇螯合鈣,果實的硬度提高,裂核率降低;劉鐵錚等[51]通過對杏幼果期噴施糖醇螯合鈣試驗發(fā)現(xiàn),杏果實鈣含量有所增加,裂果果實較少。

大部分金屬類礦質養(yǎng)分在植株韌皮部堿性環(huán)境下溶解性和移動性都較差,導致肥料利用率降低,糖醇作為光合作用的初產物,與礦質養(yǎng)分復合體在堿性溶液中移動優(yōu)勢明顯,加上其結構上的多齒性,在農業(yè)領域上的應用會更加突出,特別是作為高端肥料的載體應當引起人們的高度重視。

4 糖醇在其他方面的應用

糖醇在工業(yè)制造、農業(yè)殺蟲等領域也有重要應用。林海戀等[52]在山梨糖醇對鍶鐵氧體的粒度分布和磁性能影響研究中發(fā)現(xiàn),山梨糖醇的添加能夠有效地改善鍶鐵氧體的晶體結構,提高磁性顆粒的取向度,從而利于晶體的形成和磁性能的改善。張晨等[53]利用物性分析儀研究赤蘚糖醇、木糖醇、乳糖醇對結冷膠凝膠質構的影響發(fā)現(xiàn),3種糖醇對結冷膠凝膠強度和硬度有不同程度的降低作用,且都隨糖醇質量濃度的增加而降低。Nguyen等[54]發(fā)現(xiàn),糖醇是冷凍鑄造過程中潛在的多功能藥劑,冷凍鑄造可可片時,糖醇起著粘合劑、清潔劑和甜味劑的作用;另外,糖醇的結合功能和高可溶性顯著提高了片劑的拉伸強度和分散、溶解速率。Baudier等[55]研究發(fā)現(xiàn),當果蠅消耗赤蘚糖醇時,它們的壽命以正濃度依賴性的方式下降。相反赤蘚糖醇對人類是安全的,即使在高水平消耗時也是如此。

5 展望

隨著人們生活水平與認知水平的提高,安全優(yōu)質的化學產品越來越得到重視。糖醇由于結構上的特點表現(xiàn)出來的低熱量、抑菌、低溫穩(wěn)定性、對金屬離子的保護作用等優(yōu)異特性,在食品、醫(yī)藥等領域的作用逐漸凸顯出來。尤其在食品領域,逐漸替代(或部分替代)蔗糖的糖醇消費數(shù)量逐漸增大;但我國生產的糖醇產品多為普通級,具有特殊性能的糖醇產品開發(fā)力度不足。

在農業(yè)應用上,一方面,糖醇具有良好的滲透、濕潤、運移等功能,可以作為葉面肥的主劑直接施用于作物上,增強作物抗逆性,提高作物產量和品質;另一方面,糖醇還可以作為一種優(yōu)質的螯合劑促進作物對礦質養(yǎng)分的吸收,提高肥效,未來會在高端肥料領域發(fā)揮重要作用。