全谷物食品重要膳食纖維組分
——谷物β-葡聚糖的最新研究進(jìn)展

申瑞玲，陳文文

（鄭州輕工業(yè)大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450000）

谷物是東方膳食的重要組成部分，與精制谷物相比，全谷物保留了更多麩皮和胚芽，含有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分，特別是膳食纖維、微量營(yíng)養(yǎng)素和多酚等植物化學(xué)物。許多證據(jù)表明食用全谷物對(duì)平衡膳食，降低Ⅱ型糖尿病、心血管疾病及結(jié)直腸癌等慢性疾病有極大改善作用[1]。因此，鼓勵(lì)以全谷物食品代替精制谷物食品是改善居民膳食營(yíng)養(yǎng)的重要途徑。膳食纖維是全谷物食品中重要的功能性組分，調(diào)查顯示，膳食中谷物來(lái)源的膳食纖維對(duì)人體健康作用大于其它來(lái)源的膳食纖維，這與其結(jié)構(gòu)差異有關(guān)[2]。β-葡聚糖是一種重要的谷物膳食纖維組分，在于胚乳細(xì)胞壁中，是由D-葡萄糖單體間經(jīng) β-(1→3)和 β-(1→4)糖苷鍵混合連接的多糖[3]，在大麥（2.5%～11.3%）燕麥（2.2%～7.8%）中含量最高，黑麥（1.2%～2.0%）和小麥（0.4%～1.4%）中也含有較少量 β-葡聚糖[4]。

近年來(lái)，隨著公眾對(duì)營(yíng)養(yǎng)健康關(guān)注度的提高，全谷物食品消費(fèi)量不斷增加，特別是基于美國(guó)FDA和歐盟對(duì)β-葡聚糖功效的健康聲稱(chēng)，使得富含β-葡聚糖的燕麥大麥等食品的消費(fèi)量也逐年增加，國(guó)內(nèi)外對(duì)谷物β-葡聚糖相關(guān)研究深度和廣度都有了極大拓展，研究從β-葡聚糖提取分離純化方法的多樣化；食品加工和處理技術(shù)對(duì)于β-葡聚糖結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響；β-葡聚糖與蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等物質(zhì)之間相互作用；β-葡聚糖在不同類(lèi)型食品中的應(yīng)用以及β-葡聚糖營(yíng)養(yǎng)健康功效的研究等，為此，本論文針對(duì)谷物β-葡聚糖近年研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 谷物β-葡聚糖的提取制備及純化

谷物 β-葡聚糖主要存在于籽粒的亞糊粉層和胚乳細(xì)胞壁中，谷物β-葡聚糖的性質(zhì)及應(yīng)用主要基于其分子結(jié)構(gòu)特征。提取條件不僅影響β-葡聚糖提取率，也影響其分子結(jié)構(gòu)，因此，近年來(lái)大量文獻(xiàn)報(bào)道了對(duì)谷物β-葡聚糖的提取、分離以及純化方法。綜述文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)[5-6]，目前提取谷物 β-葡聚糖主要的方法均源于 Wood等[7]的研究，基本步驟如圖1所示。隨后，在此基礎(chǔ)上研究者分別針對(duì)不同谷物原料、前期提取條件、影響得率和純度的因素等進(jìn)行了深入的研究（見(jiàn)表1）。目前，用于提取谷物β-葡聚糖的主要原料包括大麥、青稞、燕麥及燕麥麩皮。從大麥及青稞中提取β-葡聚糖提取率較高，而使用燕麥及燕麥麩皮作為原料提取率較低，這與谷物中β-葡聚糖的分布相關(guān)。比較不同提取方法，發(fā)現(xiàn)不同方法提取β-葡聚糖提取率約在 50%～87%之間，得率約在5%～8.5%之間，酶法提取的提取率相對(duì)較高，而微波輔助提取法得率相對(duì)較高。此外，Ahmada等[3]報(bào)道，酶法提取得到的谷物 β-葡聚糖產(chǎn)品穩(wěn)定性和功能特性均較好。然而，提取是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，不僅要關(guān)注產(chǎn)率，更要關(guān)注功能和產(chǎn)品穩(wěn)定性等；因此，谷物β-葡聚糖的提取，特別是工業(yè)化制備方面在技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)穩(wěn)定性和能耗方面還需要綜合考慮。

表1 谷物β-葡聚糖提取部分研究方法Table 1 The partial research methods of cereal β-glucan extraction

圖1 谷物β-葡聚糖常規(guī)提取辦法Fig.1 The conventional extraction method of cereal β-glucan

2 谷物β-葡聚糖功能性質(zhì)的深入解析及在食品中的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著對(duì)于谷物 β-葡聚糖健康作用的了解以及對(duì)其分子特性研究的不斷深入，許多研究者更加關(guān)注β-葡聚糖的結(jié)構(gòu)和功能特性與應(yīng)用前景的關(guān)系。楊成峻等[20]綜述了燕麥β-葡聚糖結(jié)構(gòu)與物理特性、營(yíng)養(yǎng)特性以及在肉類(lèi)食品、烘焙食品和飲料行業(yè)食品應(yīng)用；Izydorczyk[21]綜述了大麥β-葡聚糖分子結(jié)構(gòu)、理化特性及其在食品中的應(yīng)用。食品工業(yè)中β-葡聚糖主要包括面制品、乳品、飲料、肉制品和休閑食品等（見(jiàn)表2），近年來(lái)，谷物β-葡聚糖的應(yīng)用研究不斷增多，一方面將β-葡聚糖添加在不同的食品中，研究對(duì)食品體系組分性質(zhì)和食品品質(zhì)的影響；另一方面，基于β-葡聚糖與食品體系中不同分子之間的相互作用，研究β-葡聚糖復(fù)合物的功能性質(zhì)與應(yīng)用。為此，本論文以β-葡聚糖在面制品中應(yīng)用為例，概述β-葡聚糖添加對(duì)面團(tuán)特性和食品品質(zhì)的影響；同時(shí)，對(duì)β-葡聚糖復(fù)合物的研究及應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

表2 谷物β-葡聚糖在食品中的應(yīng)用Table 2 The application of cereal β-glucan in food

2.1 β-葡聚糖在面制品食品中的應(yīng)用

β-葡聚糖添加到面制品中，一方面可以增加產(chǎn)品的水溶性膳食纖維含量；另一方面影響面團(tuán)流變特性、水合特性以及產(chǎn)品質(zhì)地等。研究表明適量添加燕麥β-葡聚糖（OG）能夠改善面團(tuán)流變學(xué)特性，添加0.5%～5.0%的OG于低筋、中筋和高筋面粉及饅頭專(zhuān)用粉中，隨著添加量增加，4種面粉面團(tuán)的吸水率、形成時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間均增大；0.5%～1.0%的OG添加量能使低筋面粉的拉伸特性接近饅頭專(zhuān)用面粉；OG能使中筋面粉的糊化溫度稍有升高，但亦能降低饅頭專(zhuān)用粉糊化溫度及4種面粉的最終黏度、衰減值和回生值[36]。也有研究表明，β-葡聚糖的添加對(duì)面團(tuán)有劣化作用，當(dāng)添加大麥β-葡聚糖（BG）≥0.5%，小麥面團(tuán)抗延伸阻力增加，面團(tuán)形成時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間、弱化度（值）及延伸性均顯著降低；β-葡聚糖添加量≥1.5%時(shí)，小麥粉面包比容明顯減小、硬度增大、彈性降低[37]。

β-葡聚糖還通過(guò)影響面團(tuán)水合特性而影響產(chǎn)品品質(zhì)。研究表明，OG添加在面條和饅頭中可抑制水分遷移和淀粉老化，減少失水率和烹調(diào)損失[38-39]。含 OG 70%的水溶性膳食纖維添加到小麥粉中，通過(guò)優(yōu)化含水量，可以得到和白面包類(lèi)似質(zhì)構(gòu)的富含可溶性膳食纖維（SDF）的面包[40]。β-葡聚糖對(duì)面團(tuán)水合特性的影響與其分子大小等精細(xì)結(jié)構(gòu)有關(guān)[41]。Skendi等[42]研究了兩種不同相對(duì)分子質(zhì)量（1.00×105和 2.03×105）BG 對(duì)兩種小麥粉面團(tuán)流變學(xué)、黏彈性和面包品質(zhì)的影響，結(jié)果表明，兩種分子量BG均能增加面團(tuán)的彈性、抗變形性和流動(dòng)性，其中低分子量 BG 添加到低筋小麥粉中得到與高筋小麥粉品質(zhì)類(lèi)似的面粉。Rieder等[43]指出高分子量的β-葡聚糖能增加面團(tuán)水相粘度，穩(wěn)定氣孔；但Gill等[44]則指出高分子量的β-葡聚糖會(huì)對(duì)面團(tuán)造成更為不利的影響，使面團(tuán)的抗延展性更高，膨脹性更低。這是由于高分子量β-葡聚糖遇水產(chǎn)生高粘性凝膠，附著在面筋蛋白表面，與面筋蛋白競(jìng)爭(zhēng)水分，影響面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成與穩(wěn)定性[45]。

2.2 β-葡聚糖復(fù)合物理化性質(zhì)及在食品中應(yīng)用

近年來(lái)，對(duì)谷物β-葡聚糖的研究已經(jīng)拓展到其與其它大分子復(fù)合物理化性質(zhì)的研究與應(yīng)用領(lǐng)域。

2.2.1 β-葡聚糖多糖復(fù)合物

β-葡聚糖具有一定的凝膠性，與多糖復(fù)配可以增強(qiáng)其凝膠性。魔芋葡甘露聚糖與β-葡聚糖的相互作用能夠通過(guò)氫鍵吸附和包埋β-葡聚糖分子而顯著增強(qiáng)復(fù)合凝膠的流動(dòng)性、持水性、黏彈性、內(nèi)聚性及貯藏穩(wěn)定性，但對(duì)硬度有明顯降低作用[43]。因此，添加適量魔芋葡甘露聚糖可增加β-葡聚糖在涂抹性食品中的應(yīng)用潛力。燕麥淀粉中添加β-葡聚糖后也可以通過(guò)氫鍵連接形成均勻致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，β-葡聚糖對(duì)淀粉結(jié)晶區(qū)有一定的保護(hù)作用，在超高壓處理?xiàng)l件下可形成晶核，抑制淀粉老化[44]。大麥β-葡聚糖與小麥淀粉復(fù)配，也會(huì)通過(guò)氫鍵結(jié)合在淀粉顆粒表面，促進(jìn)吸水膨脹和直鏈淀粉有序化排列并增加了直鏈淀粉的重均相對(duì)分子質(zhì)量[46]。

β-葡聚糖具有一定的凝膠性，與多糖復(fù)配可以增強(qiáng)其凝膠性，進(jìn)一步影響食品的加工品質(zhì)。研究表明魔芋葡甘露聚糖與β-葡聚糖的相互作用能夠通過(guò)氫鍵吸附和包埋β-葡聚糖分子而顯著增強(qiáng)復(fù)合凝膠的流動(dòng)性、持水性、黏彈性、內(nèi)聚性及貯藏穩(wěn)定性，但對(duì)硬度有明顯降低作用。魔芋甘露聚糖與β-葡聚糖復(fù)合，可增加β-葡聚糖在涂抹性食品中的應(yīng)用潛力[47]。β-葡聚糖添加到燕麥淀粉中可通過(guò)氫鍵連接形成均勻致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，β-葡聚糖對(duì)淀粉結(jié)晶區(qū)有一定的保護(hù)作用，在超高壓處理?xiàng)l件下可形成晶核，抑制淀粉老化[48]。大麥β-葡聚糖能夠促進(jìn)小麥淀粉的溶脹和糊化，BBG提高通過(guò)氫鍵結(jié)合在淀粉顆粒表面，促進(jìn)吸水膨脹和直鏈淀粉有序化排列并增加了直鏈淀粉的重均相對(duì)分子質(zhì)量，形成復(fù)合凝膠降低冷藏過(guò)程中的硬度和熱焓值，延緩小麥淀粉的長(zhǎng)期回生[49]。采用噴霧干燥法，大麥β-葡聚糖復(fù)合改性玉米淀粉微膠囊可以包裹魚(yú)油（EPA），防止魚(yú)油氧化[50]。

2.2.2 β-葡聚糖脂質(zhì)復(fù)合物

食品體系中，谷物 β-葡聚糖可能與其中的不同脂質(zhì)結(jié)合形成復(fù)合物，對(duì)親脂性小分子有一定荷載作用，可以促進(jìn)其靶向釋放，提高生物可利用率。利用飽和脂肪酸硬脂酸對(duì)燕麥β-葡聚糖進(jìn)行疏水改性，可以獲得燕麥β-葡聚糖硬脂酸酯，并用于負(fù)載楊梅素，在燕麥β-葡聚糖硬脂酸酯的濃度為1.5 mg/mL，燕麥β-葡聚糖硬脂酸酯與楊梅素添加比例1∶1，在12 Kr/min均質(zhì)速度下均質(zhì) 3 min，復(fù)合物中楊梅素的荷載量能夠達(dá)到55.86 μg/mg，并對(duì)楊梅素有一定緩釋作用[46]。燕麥β-葡聚糖與辛烯基琥珀酸酐（OS）通過(guò)酯化反應(yīng)可獲得 OS-燕麥 β-葡聚糖酯（OSβG），不同取代度和重均分子質(zhì)量的OSβG能夠自聚集成表面帶負(fù)電荷、粒徑為175～600 nm的球形膠束，并具有載荷姜黃素作用，取代度為0.019 9和重均分子質(zhì)量為1.68×105g/mol的OSβG能夠荷載姜黃素(4.21±0.16) μg/mg[51]；但食品中的氨基酸對(duì) OSβG載荷姜黃素的穩(wěn)定性有一定影響[52]。辛烯基琥珀酸酐與青稞β-葡聚糖形成的復(fù)合酯，以此作為壁材，黑果枸杞花青素作為芯材，在水相體系中可以包埋46%的花青素作用，花青素微膠囊在低溫和較低 pH條件下較穩(wěn)定，且對(duì)氧化降解有一定的保護(hù)作用[53]。

2.2.3 β-葡聚糖蛋白質(zhì)復(fù)合物

谷物 β-葡聚糖與蛋白質(zhì)相互作用，可以增強(qiáng)其功能特性，拓寬β-葡聚糖的應(yīng)用范圍，也為富含β-葡聚糖食品的精準(zhǔn)加工和精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)提供了新的思路。大麥β-葡聚糖（BG）與面筋蛋白可在水相分散系中產(chǎn)生直接相互作用，當(dāng)水分過(guò)量時(shí)，BG通過(guò)增加面筋蛋白在水相中對(duì)弱結(jié)合水的束縛能力而增加了面筋蛋白的持水性和可凍結(jié)水含量，弱化面筋蛋白交聯(lián)；利用BG對(duì)小麥面筋蛋白進(jìn)行糖基化改性，能顯著提高小麥蛋白的溶解度和乳化性和起泡性，這些結(jié)果為大麥β-葡聚糖復(fù)合小麥蛋白作為脂肪模擬物的制備和應(yīng)用提供了新思路[12,54]。燕麥β-葡聚糖（OG）和乳鐵蛋白在 25 ℃和 90 ℃條件下能夠改變?nèi)殍F蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)形成自組裝體和熱聚集體，熱處理后形成球形顆粒，進(jìn)一步噴霧干燥，能夠用于運(yùn)載姜黃素[55]。燕麥β-葡聚糖與大豆分離蛋白可以通過(guò)氫鍵相互作用，增強(qiáng)混合凝膠的乳化性和凝膠性，并提高混合凝膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）和熱穩(wěn)定性[56]。將不同濃度（0.25%～1%）的燕麥 β-葡聚糖添加到4%的肌原纖維蛋白溶液中，于80 ℃的溫度條件下加熱20 min制成復(fù)合凝膠，能顯著提高肌原纖維蛋白凝膠保水性、凝膠硬度和肌原纖維蛋白粘彈性[57]；香腸中加入大麥β-葡聚糖可以使肌肉蛋白質(zhì)形成更緊密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而提高香腸持水性和蛋白質(zhì)變性溫度[58]，這些研究為富含β-葡聚糖的肉糜制品的研發(fā)提供了理論依據(jù)。近年來(lái)，植物基飲品或奶制品產(chǎn)品的消費(fèi)呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)，牛奶中添加高分子量的燕麥β-葡聚糖可以降低牛奶的能量并具有降膽固醇的作用，因此，β-葡聚糖與牛乳蛋白相互作用的研究也較多，β-葡聚糖添加對(duì)牛乳體系的粘度、產(chǎn)品的流動(dòng)性和穩(wěn)定性都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。酸凝固酪蛋白酸鈉和BG混合凝膠在微觀(guān)水平上存在相分離，在β-葡聚糖低濃度(3% w/w)時(shí)混合體系的特性受控于蛋白質(zhì)的組成，但隨著多糖濃度的增加，混合體系凝膠強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性則受到多糖結(jié)構(gòu)的影響，即酸化脫脂牛奶凝膠中包含 BG可削弱蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[58]。多糖分子量變化也會(huì)引起蛋白質(zhì)/多糖混合體系的相分離，OG和酪蛋白酸納混合體系產(chǎn)生相分離現(xiàn)象所需的OG含量取決于自身分子量，當(dāng) OG 相對(duì)分子質(zhì)量（Mr）由 3.5×104增大到6.5×104時(shí)，其所需含量由2%～ 2.5%（w/w）減少到 1%～1.5%（w/w）即可表現(xiàn)出熱力學(xué)不相容性[59]。在熱動(dòng)力學(xué)平衡的狀態(tài)下，混合體系中低分子量β-葡聚糖的粘度是影響體系平衡狀態(tài)的因素，依賴(lài)于蛋白質(zhì)濃度變化高分子量β-葡聚糖能夠迅速聚集[60]。BG（產(chǎn)品名 GLucagel）對(duì)脫脂牛奶相分離的驅(qū)動(dòng)力是在多糖分子中酪蛋白膠粒的絮凝損耗，隨著酪蛋白膠粒容積率和大麥GLucagel濃度的不同，兩相體系或者由于瞬時(shí)凝膠態(tài)或形成沉淀而分離，較高濃度的β-葡聚糖可以提高酪蛋白膠粒的容積率[61]。因此，牛奶蛋白與β-葡聚糖的熱力學(xué)不相容性以及相分離是對(duì)產(chǎn)品的一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

3 谷物β-葡聚糖的營(yíng)養(yǎng)研究

谷物 β-葡聚糖作為一類(lèi)重要的水溶性膳食纖維，近年來(lái)對(duì)β-葡聚糖及其食品的消化、吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)與代謝與健康功能相關(guān)的研究都有了不斷的深入，特別是從β-葡聚糖分子特性與精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)相關(guān)性方面，研究報(bào)道都有了縱深的發(fā)展。主要的研究?jī)?nèi)容見(jiàn)表3。β-葡聚糖的營(yíng)養(yǎng)功能主要包括對(duì)胃腸道健康的影響、降血糖、降脂減肥、改善腸道菌群、抗氧化與抗炎、免疫促進(jìn)以及部分抗癌功能。這些研究從β-葡聚糖原料來(lái)源、加工方式、分子大小或粘度高低等方面，采用體內(nèi)外研究等多種不同對(duì)象，從生化指標(biāo)、代謝調(diào)控以及代謝組學(xué)、基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)等多方面對(duì)營(yíng)養(yǎng)功效進(jìn)行表征。這些研究不僅從理論上詮釋了β-葡聚糖的營(yíng)養(yǎng)作用，也為未來(lái)研發(fā)新型健康食品提供了科學(xué)依據(jù)。

表3 谷物β-葡聚糖的營(yíng)養(yǎng)研究概況Table 3 General situation on nutrition research for cereal β-glucan

4 結(jié)論

谷物 β-葡聚糖作為全谷物食品中明顯具有健康功效的膳食纖維組分，已被從多種谷物及其副產(chǎn)品（麩皮等）中單獨(dú)提取純化，并應(yīng)用于各類(lèi)食品的生產(chǎn)中。向食品中添加谷物β-葡聚糖，不僅可以增加食品的膳食纖維含量，提高其健康功效，同時(shí)可利用谷物β-葡聚糖自身黏度、凝膠特性和流動(dòng)特性等功能特性改善食品品質(zhì)。因此，谷物β-葡聚糖已經(jīng)成為健康食品領(lǐng)域的炙手可熱的原料或食品配料之一。然而，目前雖然已有多項(xiàng)研究關(guān)注如何提高β-葡聚糖提取率及純度，但工藝條件仍然局限在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，缺乏適合工業(yè)化生產(chǎn)的提取純化工藝，這仍然是制約谷物β-葡聚糖進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主要因素。此外，目前谷物β-葡聚糖與淀粉、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等其他大分子形成的復(fù)合物的功能特性研究及在食品中的應(yīng)用成為該領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，但是復(fù)合后谷物β-葡聚糖的健康功效及作用機(jī)制與單純谷物β-葡聚糖相比差異如何，這也是值得進(jìn)一步研究的科學(xué)問(wèn)題。

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