基于碳水化合物的低熱量脂肪模擬物研究進(jìn)展

陳 歡 曹 婷 唐清苗 王魯峰,3

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院1，武漢 430070) (武漢食品化妝品檢驗(yàn)所2，武漢 430000) (環(huán)境食品學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3，武漢 430070)

脂肪以各種形式存在于食物中，賦予了食品多種功能，給予了食物獨(dú)有的口感與風(fēng)味，對(duì)食品的結(jié)構(gòu)和整體質(zhì)量有重要影響。但脂肪具有高熱量的特點(diǎn)，每克脂肪提供的熱量是每克碳水化合物或蛋白質(zhì)提供熱量的兩倍多。過(guò)量攝入脂肪，特別是飽和脂肪，不僅會(huì)引起人體肥胖，還會(huì)導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)生慢性疾病。國(guó)家衛(wèi)計(jì)委發(fā)布的《中國(guó)居民營(yíng)養(yǎng)與慢性病狀況報(bào)告2020》顯示，過(guò)去10年間我國(guó)城鄉(xiāng)居民平均膳食脂肪供能比已超過(guò)30%的健康上限，中國(guó)成年居民超重肥胖率超過(guò)50%，人數(shù)高居世界第一，并由此引發(fā)了眾多的急慢性疾病，如心血管疾病，肥胖，糖尿病等[1]。而且還會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，2001年—2015年，美國(guó)青少年花費(fèi)在肥胖相關(guān)的醫(yī)療費(fèi)用平均每年約為60億美元，且呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)上升[2]。應(yīng)將膳食中的脂肪攝入量減少至30%以下，飽和脂肪降低至10%[3]，但直接減少食品中的脂肪會(huì)使食品的口感變粗糙、失去風(fēng)味，降低消費(fèi)者對(duì)于含脂食品的接受度。為解決低脂肪低熱量與食品口感之間的矛盾關(guān)系，脂肪模擬物應(yīng)運(yùn)而生。

脂肪模擬物一方面代替食品中的脂肪來(lái)防止因過(guò)度攝入脂肪帶來(lái)的危害，同時(shí)提供一種類(lèi)似脂肪的口感，實(shí)現(xiàn)低脂食物與口感等品質(zhì)的協(xié)調(diào)。但隨著消費(fèi)者對(duì)于食品品質(zhì)、口感、安全等要求的不斷提高，現(xiàn)有的脂肪模擬物仍然面臨著巨大的壓力和挑戰(zhàn)。在眾多的脂肪模擬物中，基于碳水化合物的脂肪模擬物表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿?。本文歸納了脂肪模擬物的種類(lèi)，以碳水化合物基脂肪模擬物為重點(diǎn)，介紹了不同類(lèi)型的碳水化合物脂肪模擬物的特點(diǎn)、脂肪替代原理、制備方法及應(yīng)用范圍等，以期促進(jìn)低熱量健康食品產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1 脂肪模擬物的分類(lèi)及特點(diǎn)

脂肪模擬物可以模仿脂肪的某些物理性質(zhì)和感官特性，代替食品中部分或全部脂肪，在降低食品的熱量的同時(shí)盡可能少地改變其感官品質(zhì)。上世紀(jì)80年代，在英國(guó)和美國(guó)發(fā)布的營(yíng)養(yǎng)健康重要評(píng)論中均提到建議減少膳食中脂肪的攝入，脂肪模擬物的開(kāi)發(fā)由此起步[4]。最早出現(xiàn)的脂肪模擬物是一種名為Olestra的蔗糖聚酯，已被美國(guó)食藥監(jiān)局批準(zhǔn)作為一種食品添加劑應(yīng)用與于食品中。以碳水化合物為基質(zhì)的脂肪模擬物N-Oil、蛋白質(zhì)脂肪模擬物Simplesse、Safatrim系列脂肪替代品也相繼面世。而隨著對(duì)脂肪模擬物研究的進(jìn)一步加深，脂肪模擬物已形成脂質(zhì)基替代物、蛋白質(zhì)基替代物、碳水化合物基脂肪模擬物以及復(fù)合基脂肪模擬物四大類(lèi)。

1.1 脂質(zhì)基脂肪模擬物

脂質(zhì)基脂肪模擬物是以脂肪酸為基質(zhì)通過(guò)化學(xué)合成、衍生或酶改性等方法獲得的高分子化合物，具有類(lèi)似油脂的物理或化學(xué)性質(zhì)。比如蔗糖脂肪酸聚酯(Olestra)多用于替代即食小吃如薯片中的油脂。蔗糖脂肪酸酯是以蔗糖代替甘油通過(guò)酯化反應(yīng)制得，由蔗糖取代甘油與6～8個(gè)脂肪酸分子酯化而成，形成的蔗糖脂肪酸聚酯具有與脂肪類(lèi)似的功能，且不易被人體內(nèi)的消化酶消化，因此不會(huì)產(chǎn)生熱量[5]。其他的脂質(zhì)基替代物還有多元醇脂肪酸酯，比如山梨醇聚酯。它是由山梨醇或山梨醇酐與脂肪酸酯化生成的丙、丁、戊酯的混合物，熱量低，熱穩(wěn)定性較高，可用于高溫油炸食品中[6]。從添加效果來(lái)說(shuō)，此類(lèi)脂肪模擬物是最理想的，但其生產(chǎn)成本高，且酯鍵不被人體消化和吸收，容易引起肛漏和滲透性腹瀉，并影響其他營(yíng)養(yǎng)成分的吸收[7]。

1.2 蛋白質(zhì)基脂肪模擬物

蛋白質(zhì)基脂肪模擬物的主要原料有乳清蛋白、大豆蛋白、膠原蛋白等。蛋白質(zhì)在經(jīng)過(guò)加熱、酸堿處理或金屬離子等物理化學(xué)改性后，分子表面的疏水性基團(tuán)含量增加，表現(xiàn)出油脂類(lèi)似的疏水性狀[7]。在改性過(guò)程中，蛋白質(zhì)分子締合形成絡(luò)合物，其乳化性、持水性及凝膠特性發(fā)生改變，使其在理化性質(zhì)方面與脂肪更接近。但改性后的蛋白質(zhì)質(zhì)構(gòu)粗糙，超過(guò)人體口腔感知閾值(10～20 μm)，為使粒徑控制在0.05～5 μm，可使用高剪切技術(shù)對(duì)凝膠蛋白進(jìn)行微?；幚韀8]。微?；幚砗蟮念w粒直徑可達(dá)到微米級(jí)別，顆粒之間發(fā)生滾動(dòng)和壓縮形成特有的滑膩口感。但這類(lèi)模擬物難以與小分子物質(zhì)結(jié)合，多帶有一定色澤和氣味，且在高溫下凝固硬化，使其應(yīng)用范圍受到限制[5]。

1.3 碳水化合物基脂肪模擬物

碳水化合物基脂肪替代品是目前基數(shù)最大的脂肪模擬物，最初是為了改善食品的厚度、體積和水分含量等性質(zhì)而開(kāi)發(fā)的。這類(lèi)脂肪模擬物是將碳水化合物通過(guò)化學(xué)或物理改性而獲得的，在使用過(guò)程中改性后的碳水化合物通過(guò)與水結(jié)合形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，截留住結(jié)構(gòu)中大量的水分形成水凝膠，被截留住的這部分水具有良好的流動(dòng)性，由此來(lái)模擬脂肪的潤(rùn)滑感和黏稠度[6]。另一方面，這類(lèi)脂肪替代品有良好的涂抹性與假塑性，在口腔中停留的時(shí)間與脂肪相同。通常以淀粉、纖維、膠體等為原料，來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉、產(chǎn)熱低、安全性高，是市場(chǎng)認(rèn)可度最高的一類(lèi)脂肪模擬物。它能經(jīng)受住一定的熱處理，可將其應(yīng)用于烘焙等需要熱加工的產(chǎn)品中[6]。但此類(lèi)產(chǎn)品不能用于油炸，并且由于其與水的關(guān)聯(lián)性增加了產(chǎn)品的水分活度，降低了產(chǎn)品的保質(zhì)期。

1.4 復(fù)合基脂肪模擬物

由于脂肪在食品中的多重作用和人們對(duì)食物品質(zhì)要求越來(lái)越高，到目前為止還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出一種單一的脂肪模擬物能模擬脂肪的全部理化性質(zhì)和感官特征。所以將不同基質(zhì)或同一基質(zhì)的不同種類(lèi)的脂肪模擬物按照一定的比例混合形成復(fù)合基脂肪模擬物后再加入到食品中，利用其協(xié)同作用可更好的再現(xiàn)脂肪的組織特性，如厚度、體積、潤(rùn)滑度等。Guo等[9]利用細(xì)菌纖維素優(yōu)良的穩(wěn)定性和保水性，將其與大豆分離蛋白復(fù)合，形成的脂肪模擬物具有強(qiáng)大的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于冰淇淋中既能降低熱量、提高抗融性，對(duì)冰淇淋的感官品質(zhì)也無(wú)顯著性影響。

2 碳水化合物基脂肪模擬物的作用機(jī)制和特點(diǎn)

2.1 模擬脂肪口感的作用機(jī)制

2.1.1 微粒說(shuō)

碳水化合物主要以微粒、微凝膠或線(xiàn)性聚合物的方式存在于食品中。由于人的舌頭對(duì)于顆粒感覺(jué)的閾值是10～20 μm，當(dāng)顆粒粒徑小于閾值時(shí)，舌頭無(wú)法分辨出單個(gè)的顆粒，使食物在口腔中無(wú)顆粒感，從而產(chǎn)生類(lèi)似于脂肪潤(rùn)滑、奶油狀的感官特征[10]。如果碳水化合物脂肪模擬物的顆粒其形狀和大小在食品體系中與脂肪顆粒相似，可通過(guò)模擬脂肪的物理狀態(tài)來(lái)模擬其在食物中的功能特性[11]。Ortheoefer[12]等通過(guò)研究大米淀粉的粒徑，發(fā)現(xiàn)其大小(2～10 μm)與脂肪球的大小相似，糊化后味淡、光滑且具有涂抹型，食用時(shí)有類(lèi)似于脂肪的口感。而通過(guò)液氮急速淬火制備的馬鈴薯淀粉脂肪模擬物會(huì)在結(jié)構(gòu)中形成大量的納米級(jí)(2～10 μm)球晶顆粒，而且其球晶顆粒隨著其直鏈淀粉含量的增加而增多，應(yīng)用于食品中時(shí)可有效模擬脂肪顆粒的潤(rùn)滑感[13]。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)顆粒粒徑大于3 μm就會(huì)產(chǎn)生沙質(zhì)質(zhì)地，但當(dāng)粒徑小于0.5 μm時(shí)產(chǎn)品就不再呈現(xiàn)出油脂狀的質(zhì)構(gòu)和口感[6]。

2.1.2 三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)說(shuō)

大量實(shí)驗(yàn)證明，碳水化合物基脂肪模擬物在酸奶等液體食品中以乳液或油狀顆粒的形式穩(wěn)定，以保持其良好的流動(dòng)性和稠度。這是由于脂肪模擬物在食品體系中能夠水合形成柔軟的熱可逆凝膠，所形成的凝膠具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以截留大量的水，被截留的水具有一定的流動(dòng)性，能有效提高體系黏度，食用時(shí)在口腔溫度及壓力的作用下有弱化的趨勢(shì)，從而產(chǎn)生出類(lèi)似于油脂濃厚、潤(rùn)滑的口感。而且形成的凝膠還具有較好的涂抹性，與體系中的其他大分子成分作用，可保持食物的黏彈性，呈現(xiàn)出類(lèi)似于奶油的假塑性與融化性[14]。同時(shí)，碳水化合物基脂肪模擬物，如菊粉、羥丙基甲基纖維素(HPMC)等還能通過(guò)與體系中的其他成分如蛋白質(zhì)相互作用來(lái)防止三維網(wǎng)絡(luò)的收縮和重新排列而成更緊密的結(jié)構(gòu)，同時(shí)填充體系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的空隙，在咀嚼和吞咽的過(guò)程中，帶來(lái)類(lèi)似脂肪的更為柔軟的質(zhì)地，表現(xiàn)為脂肪濃厚、乳脂的口感并呈現(xiàn)出時(shí)間依賴(lài)性變形的特征[14, 15]。

圖1 脂肪模擬物的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 影響風(fēng)味特性的機(jī)制

脂肪是風(fēng)味物質(zhì)的重要來(lái)源，主要通過(guò)加熱產(chǎn)生醛、游離脂肪酸、酮、醇等揮發(fā)性化合物，產(chǎn)生特有的氣味。此外，脂肪在進(jìn)食過(guò)程中還可充當(dāng)脂溶性風(fēng)味化合物的載體[16]。碳水化合物脂肪模擬物如麥芽糊精，一方面具有自身風(fēng)味，另一方面在不影響自身風(fēng)味的前提下，與揮發(fā)性成分通過(guò)氫鍵或偶極作用結(jié)合，延遲或增強(qiáng)芳香族化合物的釋放。但在儲(chǔ)存過(guò)程中，隨著時(shí)間的推移，可能會(huì)影響其在口腔中的感知強(qiáng)度[17]。Guedes在研究羧甲基纖維素(CMC)和菊粉替代脂肪制備低脂肉餅時(shí)發(fā)現(xiàn)，CMC和菊粉形成的三維凝膠網(wǎng)絡(luò)能較好的與體系中的風(fēng)味物質(zhì)結(jié)合，肉餅表現(xiàn)出質(zhì)地鮮嫩、風(fēng)味優(yōu)良的特點(diǎn)[16]。風(fēng)味物質(zhì)的味覺(jué)感知還與風(fēng)味的擴(kuò)散速度有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)味的釋放率隨著體系黏度的的增加而降低，這可能是由于黏度的增加阻礙了風(fēng)味物質(zhì)由樣品內(nèi)部向表面的擴(kuò)散[18]。

2.3 脂肪模擬物發(fā)揮低熱量作用的機(jī)制

碳水化合物基脂肪模擬物的熱量值在0～4 kcal/g之間，大大低于脂肪的9 kcal/g。此外，這類(lèi)模擬物還可能通過(guò)影響三大營(yíng)養(yǎng)素的消化收進(jìn)一步降低食物熱量。比如在淀粉消化過(guò)程中，脂肪模擬物通過(guò)增加黏度來(lái)抑制葡萄糖的吸附和擴(kuò)散作用、阻礙淀粉酶與消化底物的結(jié)合，從而延緩淀粉的消化[19]；而對(duì)于蛋白質(zhì)來(lái)說(shuō)，這類(lèi)脂肪模擬物在體系中的黏度效應(yīng)使得蛋白質(zhì)和蛋白酶之間形成了一層屏障膜，減少了兩者的接觸機(jī)會(huì)，降低了蛋白質(zhì)的水解率，從而進(jìn)一步減少體系能量的釋放[20]；而其影響脂質(zhì)消化的機(jī)制則主要包括抑制膽汁鹽或脂肪酶的吸附；增加水相的黏度，減少體系的混合和擴(kuò)散過(guò)程；與鈣離子或膽鹽結(jié)合，降低其去除游離脂肪酸的能力；抑制脂肪酶進(jìn)入脂質(zhì)體，使其失活，從而減慢消化等幾個(gè)方面[21]。除此之外，部分碳水化合物如菊粉、聚葡萄糖還能調(diào)節(jié)腸道微生物、抵抗消化道上部的水解和吸收，一部分直接經(jīng)腸道排出體外，另一部分則在大腸的近端或遠(yuǎn)端經(jīng)腸道微生物作用進(jìn)行選擇性代謝，發(fā)酵產(chǎn)生丁酸、乙酸等短鏈脂肪酸與少量氣體，抑制脂肪的生成，并分泌產(chǎn)生代謝活性肽，使機(jī)體產(chǎn)生飽腹感[22]。

2.4 碳水化合物基脂肪模擬物的應(yīng)用特點(diǎn)

2.4.1 安全性高

碳水化合物基脂肪模擬物的最大特點(diǎn)是安全性高。當(dāng)其作為脂肪模擬物添加至食品中時(shí)，它不會(huì)和體系中的其他成分反應(yīng)，產(chǎn)生不利于人體健康的化合物，更健康、更安全。而且大量實(shí)驗(yàn)表明，碳水化合物脂肪模擬物不會(huì)產(chǎn)生細(xì)胞毒性或遺傳毒性問(wèn)題，故被美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局評(píng)定為“公認(rèn)安全物質(zhì)”(GRAS)[23]。

2.4.2 功能穩(wěn)定性

碳水化合物的生理惰性，使它具有了一定的化學(xué)穩(wěn)定性，在食品加工過(guò)程中不易受到酸堿化合物、低濃度離子溶液和pH的影響。在熱加工過(guò)程中，碳水化合物的穩(wěn)定性使形成的水凝膠具有堅(jiān)固的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在加工過(guò)程中其不易被破壞。在冷凍時(shí)能較好的抑制冰晶的形成，在模擬脂肪的乳化性和潤(rùn)滑性的同時(shí)又能提高體系的抗融性。比如Zambrano等[24]在研究黃原膠的脂肪模擬特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，黃原膠自身的穩(wěn)定性能有效提高低脂蛋糕的熔融穩(wěn)定性。

2.4.3 適用范圍廣

脂肪以各種形式影響食物的質(zhì)地和口感，在食品中可提供乳脂性、黏彈性等感官品質(zhì)。而碳水化合物作為一種廣泛存在的生物源原料，在食品中可適應(yīng)各種食物中的黏度要求。其功能特性使其能廣泛應(yīng)用于冷凍食品、焙烤食品、肉制品等需要熱加工或冷凍處理食品中，對(duì)體系的呈色無(wú)顯著影響，還能有效降低體系中脂肪減少帶來(lái)的食品的感官缺陷。

2.4.4 低成本高效益

與蛋白質(zhì)脂肪模擬物相比，基于碳水化合物的脂肪模擬物可從多種農(nóng)業(yè)作物或農(nóng)業(yè)廢棄物中獲得，成本更低，對(duì)環(huán)境友好，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)更加明顯[4]。另外，碳水化合物的結(jié)構(gòu)多樣性促進(jìn)了其應(yīng)用的靈活性，可對(duì)其進(jìn)行物理和化學(xué)修飾進(jìn)一步改善其性能，以適應(yīng)不同的生產(chǎn)需求。

3 碳水化合物基脂肪模擬物分類(lèi)及應(yīng)用

3.1 以淀粉及其衍生物為基質(zhì)制備的脂肪模擬物

3.1.1 天然淀粉基脂肪模擬物

淀粉是一種含有葡萄糖單糖的聚合物，常作為增稠劑、穩(wěn)定劑、膨松劑和保水劑廣泛應(yīng)用于食品中。天然淀粉一般具有顆粒結(jié)構(gòu)，但其形狀、粒徑不同。大部分天然淀粉不適合直接用作脂肪模擬物，但大米淀粉例外。大米淀粉顆粒直徑為2～8 μm，為所有天然淀粉中最小者，與均質(zhì)后的脂肪球大小相似，可以類(lèi)似于乳液液滴形式單獨(dú)分散，帶來(lái)特有的感官和質(zhì)地特性。因此，粒徑大小與脂肪球類(lèi)似的淀粉可能是潛在的脂肪替代品。此外，直鏈淀粉高度有序的短鏈結(jié)構(gòu)可有效提高體系的表觀黏度，還能通過(guò)氫鍵與水分子結(jié)合，形成穩(wěn)定堅(jiān)固的凝膠，具有一定的抗消化特性，在某些冰淇淋中可代替部分奶油[13]。

3.1.2 淀粉衍生物基脂肪模擬物

天然淀粉通過(guò)酸解、酶解、交聯(lián)、酯化等處理后改變了淀粉分子中的某些單元結(jié)構(gòu)，從而衍生出許多新的功能特性，比如增加保水性、凝膠性，降低淀粉消化率等[25]。Hu等[13]制備了不同直鏈淀粉比例的馬鈴薯淀粉基脂肪替代品，發(fā)現(xiàn)脂肪模擬物的黏彈性、保水性隨著直鏈淀粉的增加而增加，并從非共價(jià)鍵相互作用和水分遷移分布角度闡明直鏈淀粉在食品體系中模擬脂肪的作用機(jī)制。Lobato以玉米和木薯改性淀粉作為脂肪替代物加入低脂酸奶中，發(fā)現(xiàn)改性淀粉能促進(jìn)酸奶體系形成更穩(wěn)定的乳凝膠體系，并對(duì)低脂酸奶的流動(dòng)性、黏彈性都有積極影響[26]。

天然淀粉酶解后產(chǎn)生的低葡萄糖當(dāng)量麥芽糊精(DE<20)也是一種理想的脂肪模擬物。麥芽糊精具有很強(qiáng)的保水能力，與水結(jié)合后結(jié)構(gòu)中大量的聚合鏈可抑制其在水中溶解，形成柔軟的、可伸展的、熱可逆的三維網(wǎng)狀凝膠[27]，表現(xiàn)為類(lèi)似脂肪的假塑性和口腔停留時(shí)間[28]。其中的直鏈分子與水結(jié)合、溶脹后，隨機(jī)的分散在溶膠體系中，隨著溫度的降低或時(shí)間的延長(zhǎng)，聚合度大于6的短鏈及支鏈淀粉外側(cè)的線(xiàn)性部分均可與直鏈淀粉分子相互作用形成微小晶體(直徑1～3 μm)，減少了自身的相互纏繞。而平均長(zhǎng)度大于70個(gè)葡萄糖殘基的直鏈淀粉分子足以穿過(guò)多個(gè)微小晶體，達(dá)到一定濃度時(shí)形成凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[28]。而由于分散在水中的麥芽糊精的顆粒大小遠(yuǎn)小于舌頭識(shí)別的閾值，因而能很好的模擬脂肪潤(rùn)滑細(xì)膩的口感[27]。

3.2 以膠體為基質(zhì)制備的脂肪模擬物

膠體是一類(lèi)從植物和細(xì)菌中分離出來(lái)的多糖，主要包括瓜爾膠、黃原膠、阿拉伯膠、果膠等。膠體中含有的大量羥基使其具有很好的親水性，常被用作增稠劑、凝膠劑、乳化劑應(yīng)用于食品工業(yè)中。它還可以通過(guò)氫鍵，疏水鍵或靜電相互作用與食品中的其他成分相互纏結(jié)、交叉連接，從而穩(wěn)定乳液、懸浮微粒、控制結(jié)晶、抑制脫水，控制水基體系的流變性，提供特殊的質(zhì)地和口感。

3.2.1 果膠基脂肪模擬物

果膠通常是在溫和的酸性條件下通過(guò)水浸提從植物如柑橘皮和蘋(píng)果渣中獲得的，按其酯化程度分為低甲氧基果膠和高甲基氧果膠。低甲氧基果膠在溶液狀態(tài)下通過(guò)鈣離子作用，分子間氫鍵和甲酯基之間的疏水相互作用，形成凝膠，均質(zhì)為粒徑為25～50 μm的顆粒后，表現(xiàn)為類(lèi)似脂肪的光滑性和稠度[29]。高甲基氧果膠添加至水中并不溶解，而是立即膨脹成為平均粒徑大于250 μm的軟顆粒。由于其膨脹顆粒非常柔軟，在加工過(guò)程中可減小至25 μm，形成假塑性流體，代替脂肪穩(wěn)定體系，并模擬其涂抹性[29]。Zhang等[30]以冰淇淋為載體，發(fā)現(xiàn)在冰淇淋中加入果膠，不僅能有效替代部分脂肪，對(duì)冰淇淋的外觀、風(fēng)味、口感等也無(wú)顯著影響。

3.2.2 瓜爾膠基脂肪模擬物

瓜爾膠由甘露糖和半乳糖以約1.5∶2的比例組成[31]，這種結(jié)構(gòu)使瓜爾膠分子間相互作用變少，因此溶解所需的熱量也就越少，在冷水中便能迅速水化、膨脹，形成高黏性、觸變性的溶液[4]。瓜爾膠可通過(guò)鈣交聯(lián)使其凝膠化，對(duì)鈣離子強(qiáng)度不敏感，但強(qiáng)酸、強(qiáng)堿會(huì)導(dǎo)致瓜爾膠分子間聚合物鍵的斷裂，引起不可逆的降解，從而引起溶液黏度的變化。瓜爾膠優(yōu)良的水結(jié)合能力，使其應(yīng)用于冷凍食品中時(shí)能抑制冰晶的生長(zhǎng)并穩(wěn)定產(chǎn)品中多余的水，在焙烤產(chǎn)品如蛋糕中也能吸收和保持水分，保持產(chǎn)品的柔軟度和濕潤(rùn)度，提高泡沫穩(wěn)定性，使其具有更穩(wěn)定、更均勻的結(jié)構(gòu)[31]。

3.2.3 黃原膠基脂肪模擬物

黃原膠是來(lái)源于野油菜黃單細(xì)胞菌發(fā)酵產(chǎn)生的一種胞外多糖。在溶液中通常以剛性、有序的鏈狀構(gòu)象存在，不同分子間的有序鏈并排締合形成一個(gè)脆弱的三維分子間網(wǎng)絡(luò)，形成弱凝膠[32]。另一方面，黃原膠分子的剛性結(jié)構(gòu)使黃原膠溶液具有極強(qiáng)的假塑性，在低濃度下便能形成黏稠的溶液并具有良好的剪切流動(dòng)性，在溫度、pH和低離子強(qiáng)度的影響下相當(dāng)穩(wěn)定，作為脂肪模擬物添加在半固體食品中時(shí)易于流動(dòng)、口感不黏，能良好的釋放風(fēng)味物質(zhì)[24]。但黃原膠不能形成獨(dú)立的凝膠，可與其他甘露聚糖混合，利用其協(xié)同作用形成強(qiáng)熱可逆凝膠，表現(xiàn)出黏彈性。研究顯示添加至蛋黃醬中，對(duì)產(chǎn)品外觀、口感等都無(wú)不良影響[24]。

3.3 以菊粉為基質(zhì)制備的脂肪模擬物

菊粉是一種水溶性好的果聚糖，熱值為1.5 kcal/g，近年來(lái)在降低食品總脂肪、改善食品感官質(zhì)量的應(yīng)用頗為成功。其脂肪替代特性則體現(xiàn)在它穩(wěn)定水相的能力。當(dāng)其溶解于水中時(shí)會(huì)形成不易被察覺(jué)的菊粉微晶，微晶包裹大量的水而形成凝膠網(wǎng)絡(luò)，呈現(xiàn)出光滑性、乳脂性[33]。當(dāng)其用于乳制品中時(shí)，菊粉還可與乳清蛋白和酪蛋白相互作用，成為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的一部分，獲得奶油般的口感。而長(zhǎng)鏈菊粉微溶的特點(diǎn)，一方面使未溶解的菊粉微晶相互作用，另一方面與溶劑作用，形成不連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，提高凝膠強(qiáng)度，提高低脂冰淇淋的稠度，降低冰晶化率[25]。在餅干中，它還可增加與淀粉或其他分子之間的氫鍵相互作用，提高面團(tuán)氣泡的穩(wěn)定性[34]。

3.4 以聚葡萄糖為基質(zhì)制備的脂肪模擬物

聚葡萄糖是由葡萄糖、山梨醇和檸檬酸合成的一種水溶性膳食纖維，熱值約為1 kcal/g[35]。在食品工業(yè)中，常被用作一種低熱量膨脹劑、保濕劑、增稠劑、穩(wěn)定劑和低溫保護(hù)劑。應(yīng)用于烘焙食品時(shí)，會(huì)減低面筋的水合作用，使面筋蛋白水合、解膠，形成一個(gè)由二硫鍵連接的蛋白三維黏彈性結(jié)構(gòu)，起到起酥油作用，從而取代食品中的糖和脂肪[36]。相比較于單糖，聚葡萄糖在溶液中具有更好的持水能力，更高的黏度，可產(chǎn)生與脂肪類(lèi)似的假塑效果，應(yīng)用于軟質(zhì)糖果和冷凍甜點(diǎn)時(shí)，一方面可以起到保濕的作用，另一方面還能產(chǎn)生理想的乳脂性，模擬奶油口感。它還能作為一種冷凍保護(hù)劑應(yīng)用于飲料、冷凍乳制品中[5, 25]。但值得注意的是菊粉和聚葡萄糖都有一定引起腹瀉和脹氣的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)該控制攝入量。

3.5 以纖維素及其衍生物為基質(zhì)制備的脂肪模擬物

纖維素是地球上最豐富的天然高分子碳水化合物資源，具有天生的零卡路里特點(diǎn)。但天然纖維素口感粗糙，并不能直接用做脂肪模擬。通過(guò)化學(xué)、機(jī)械、生物等方法生產(chǎn)出的微晶纖維素、納米纖維素、細(xì)菌纖維素等纖維素衍生物，具有優(yōu)異的持水性，可以模擬脂肪改善食品的組織質(zhì)地[37]。但目前成熟的基于纖維的脂肪模擬物鮮有應(yīng)用。而農(nóng)業(yè)廢棄物比如甘蔗渣、玉米殼、柑橘皮渣中含有大量的優(yōu)質(zhì)纖維素。比如柑橘作為世界上最大的水果，全果的40%～60%會(huì)被當(dāng)做廢棄物丟棄，僅中國(guó)每年產(chǎn)生的柑橘皮渣已超過(guò)1 000萬(wàn)t，極具開(kāi)發(fā)價(jià)值[38]。

微晶纖維素(MCC)是纖維素經(jīng)酸水解、剪切力作用后形成的長(zhǎng)度約5 μm的柔軟球形顆粒。其物理性質(zhì)與脂肪球部分類(lèi)似[39]，故可以發(fā)揮一定的脂肪模擬作用。MCC的不溶性使其在水中分散的體系擁有了獨(dú)特的觸變網(wǎng)絡(luò)，在功能上類(lèi)似油包水乳液中分散的油滴，產(chǎn)生的潤(rùn)滑性可用于模擬脂肪的稠度、口感和外觀[40]。它的水不溶性使其形成的水凝膠在溫度作用下黏度損失最小，還可形成物理屏障來(lái)阻止食品中其他成分的聚集[37]。在肉制品中，它以惰性分子的形式形成顆粒-凝膠網(wǎng)絡(luò)，填補(bǔ)肉纖維網(wǎng)絡(luò)的空隙，提供脂肪類(lèi)似的咬合感，并保持一定的濕度[40]。在冷凍甜品、烘焙食品中，還能穩(wěn)定泡沫、保持體系均勻分散、形成奶油狀質(zhì)地[41]。

納米纖維素是從纖維素中提取分離出來(lái)的天然纖維，主要分為微纖化纖維素、納米微晶纖維素、細(xì)菌納米纖維三類(lèi)[42]。它聚集了沿微纖維連接的非晶區(qū)和結(jié)晶區(qū)，這使其在溶液中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出較高的持水能力，在低濃度下便可表現(xiàn)出高黏度性能[43]。而納米纖維素的高比表面積和結(jié)構(gòu)中廣泛存在的氫鍵和羥基，使其在水溶液中表現(xiàn)出較強(qiáng)的凝膠性能，在沙拉醬、冰淇淋、面包中穩(wěn)定分散，體現(xiàn)出類(lèi)似脂肪的乳化性和黏彈性[23, 39]。Dolors等[44]發(fā)現(xiàn)，在香腸中加入0.5%的納米纖維素時(shí)，它會(huì)和蛋白質(zhì)之間發(fā)生物理纏結(jié)，形成更為牢固交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，在口腔中表現(xiàn)出類(lèi)似脂肪的咀嚼性。

甲基纖維素MC、羧甲基纖維素CMC和羥丙基甲基纖維素HPMC也具有一定的脂肪模擬效果，在低分子質(zhì)量端，可提供低黏度的脂肪、奶油的口感，而在高分子質(zhì)量端產(chǎn)生的黏度特性則多應(yīng)用于成膜劑。通過(guò)接收疏水或電離基團(tuán)，它們可以表現(xiàn)出不同的溶解性、乳化性和凝膠特性，可在多種特定溫度下產(chǎn)生柔軟的凝膠，模擬脂肪的紋理[45]。此外HPMC凝膠還具有優(yōu)良成膜性，結(jié)合其水凝膠的黏稠性，可模擬脂肪在口腔中的包衣性能[39]。

表1 碳水化合物基脂肪模擬物及其功能特性

4 基于碳水化合物的脂肪模擬物制備方法

4.1 物理法

物理法主要應(yīng)用于菊粉、纖維素、淀粉類(lèi)脂肪模擬物的生產(chǎn)。主要包括機(jī)械法、水浴提取以及超聲輔助提取等。其中機(jī)械法是制備纖維素脂肪代替物的主要方法之一，主要是通過(guò)施加高剪切力產(chǎn)生巨大的撞擊或摩擦力，使纖維素沿縱軸斷裂，形成一定粒徑的均勻分散的纖維素，進(jìn)而提高其水化性能，形成的水凝膠顆粒直徑與脂肪粒相似[43]。常用的方法包括高壓均質(zhì)化、微流體化、細(xì)磨、冷凍粉碎等。但這類(lèi)方法通常耗能高，不適用于工業(yè)上的廣泛應(yīng)用。而靜電紡絲法和蒸汽閃爆技術(shù)也可通過(guò)高壓實(shí)現(xiàn)纖維素的分離和納米化。Kaushik等[47]以麥草為原料，采用堿蒸汽爆破與高剪切均質(zhì)相結(jié)合的方法，制備出的直徑為10～50 nm的納米纖維具有極強(qiáng)的熱穩(wěn)定性。而水浴提取和超聲輔助提取則可應(yīng)用于多種類(lèi)型如菊粉、淀粉類(lèi)脂肪模擬物的提取。Milani等[48]通過(guò)超聲輔助水浴提取，加速分子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率，大大提高了牛根中菊粉的提取率。

4.2 化學(xué)法

化學(xué)法是目前為止研究最多、應(yīng)用最為廣泛的脂肪模擬物的制備方法。對(duì)于纖維素，破壞部分葡萄糖分子之間的葡萄糖苷鍵是獲得纖維素脂肪模擬物的關(guān)鍵途徑。酸水解和堿水解可有效膨脹纖維素、打破其內(nèi)部氫鍵、去除纖維素中的非晶區(qū)，獲得結(jié)晶度較低的新鏈并在溶液中保持穩(wěn)定。而通過(guò)TEMPO對(duì)纖維中的醇羥基進(jìn)行氧化，也是一種高效生產(chǎn)納米纖維素的方法。Aaen等[49]通過(guò)TEMPO氧化預(yù)處理制備的紙漿納米纖化纖維素作為脂肪模擬物具有優(yōu)異的凝膠形成能力。陳健樂(lè)等[50]發(fā)現(xiàn)在低溫下堿提取的果膠分子質(zhì)量最大，而且?guī)缀鯚o(wú)酯化度。而通過(guò)酸解、酯化、交聯(lián)等方法制備的凝膠狀改性淀粉具有品質(zhì)優(yōu)良、感官性質(zhì)與脂肪類(lèi)似的特點(diǎn)。通過(guò)化學(xué)法制備脂肪模擬物高效、成本較低，但在制備過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢液，處理不當(dāng)會(huì)造成環(huán)境污染。

4.3 生物法

生物法主要包括酶解和微生物發(fā)酵兩種。微生物發(fā)酵是利用醋桿菌、固氮桿菌和無(wú)色桿菌等細(xì)菌發(fā)酵，分泌形成一層薄薄的絲狀物并逐漸變厚，最后形成純度高、熱穩(wěn)定性良好、抗溶脹的細(xì)菌纖維素[43]。酶解法主要是利用α-淀粉酶將淀粉轉(zhuǎn)變?yōu)楦男缘矸?，利用果膠甲酯酶將高甲基氧果膠改性為低甲氧基果膠。葛林麗[51]以α-淀粉酶水解蕎麥淀粉得到DE值為2.18的淀粉基脂肪替代品，在不影響其感官得分的情況下，成功降低了獅子頭體系19.1%的脂肪含量。同時(shí)，酶解法還應(yīng)用于纖維素纖維的消化或改性，與機(jī)械法結(jié)合可制備納米纖維素?？偟膩?lái)說(shuō)，生物法是一種安全、便捷的方法，但在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，一般與其他方法結(jié)合使用，以提高提取效率、降低生產(chǎn)成本。

5 未來(lái)展望

經(jīng)過(guò)幾十年的研究開(kāi)發(fā)，脂肪替代品、脂肪模擬物已經(jīng)逐漸發(fā)展為低熱量健康食品的重要原料和配料。其中碳水化合物基脂肪模擬物安全性高，成本低，模擬效果好，在眾多脂肪模擬物中發(fā)展最為迅速，未來(lái)前景廣闊。目前看來(lái)，淀粉是一類(lèi)來(lái)源廣泛且適合用作制備脂肪模擬物的原材料，而纖維素基的脂肪模擬物則表現(xiàn)出更大開(kāi)發(fā)潛力。然而，目前研究開(kāi)發(fā)的碳水化合物脂肪模擬物的功能性質(zhì)并不完善，比如其結(jié)合過(guò)多的水，不適用于油炸等高溫加工；不能攜帶脂溶性的風(fēng)味化合物，造成食品風(fēng)味的不足。

未來(lái)值得關(guān)注的研究?jī)?nèi)容：1)發(fā)展更多的原料資源，并創(chuàng)制更好的加工制備方法；2)研究碳水化合物基脂肪模擬物的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其與體系中其他生物大分子的相互作用，進(jìn)一步闡明模擬物能模擬脂肪的分子機(jī)制；3)針對(duì)不同應(yīng)用對(duì)象，針對(duì)性開(kāi)發(fā)復(fù)合脂肪模擬物，彌補(bǔ)單一原料脂肪模擬物性能的不足，進(jìn)一步提高模擬效果；4)深入分析碳水化合物基脂肪模擬物在人體消化中的代謝情況，與消化酶等的相互作用情況，明確其發(fā)揮低熱量的機(jī)制和安全性。