韓薇,賀稚非,2,謝兆華,柴利,廖林,李洪軍,2*
1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院,重慶,400715)2(重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心,重慶,400715)
肉類是一種營養(yǎng)豐富的食物,可提供高生物價(jià)值的蛋白質(zhì)和鋅、硒、鐵和磷等礦物質(zhì),在人類飲食中一直占據(jù)重要地位。盡管其營養(yǎng)豐富,但食用高脂肪加工肉制品與心血管疾病及癌癥風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān),這促使消費(fèi)者更傾向于選擇低脂健康的功能性肉制品[1]。研究者們常在肉制品中加入有益健康的天然功能性成分,在豐富產(chǎn)品營養(yǎng)的同時(shí)增加有益的生理功能[2]。
菊粉作為一種富集益生元成分的膳食纖維,已被世界40多個(gè)國家批準(zhǔn)為食品的營養(yǎng)增補(bǔ)劑,一方面具有改善腸道微環(huán)境、抗氧化作用和抗菌作用等生理功能,另一方面菊粉主要用于替代脂肪或糖類以改善低脂食物的質(zhì)地[3]。本文重點(diǎn)綜述了菊粉的功能特性及其在肉制品中的應(yīng)用研究,以期為提高菊粉的利用價(jià)值和開發(fā)功能性肉制品提供理論依據(jù)。
菊粉廣泛存在于水果和蔬菜中,主要來源于單子葉和雙子葉科,如百合科、石蒜科和菊科,常見來源為菊苣、菊芋、韭菜、洋蔥、大蒜、蘆筍和香蕉等植物[4]。其中菊苣中的菊粉含量很高,是提取菊粉的重要來源,一般鮮菊苣含菊粉68%,干菊苣中菊粉含量高達(dá)98%[5]。菊苣是一種高產(chǎn)藥食兩用植物,隸屬菊科,大多種植于溫帶地區(qū),廣泛分布于亞洲和歐洲,因其含有如生物堿、香豆素、類黃酮、菊粉、不飽和甾醇和維生素等營養(yǎng)物質(zhì),具有很高的藥用價(jià)值[6]。菊苣因其高菊粉含量、對季節(jié)不敏感和易種植等特性成為工業(yè)生產(chǎn)中最主要的菊粉來源[7]。不同植物來源的菊粉含量見表1[4-5]。
菊粉分子是由D-呋喃果糖分子以β(2→1)鍵連接而成的線性直鏈多糖,葡萄糖分子常位于每個(gè)果糖鏈的末端[8]。菊粉的DP為2~60,根據(jù)聚合度大小分為短鏈菊粉(DP 2~5)、中鏈菊粉(DP 6~10)和長鏈菊粉(DP 11~60)[9]。菊粉的分子式表示為GFn,其中G代表終端葡萄糖單元,F(xiàn)代表果糖分子,n代表果糖單元數(shù)。菊糖的一般分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 菊粉的結(jié)構(gòu)(n=2~60)Fig.1 Structure of inulin(n=2-60)
根據(jù)DP的不同,菊粉型果聚糖基本上可分為低聚果糖和菊糖兩大類,其聚合度分別為3~10和11~60[9]。DP和分支的存在是影響菊粉功能性的重要屬性,包括溶解性、熱穩(wěn)定性、甜度和益生菌活性[7]。長鏈菊粉DP高,比天然菊粉耐熱難溶,黏性更大;高度支化的菊糖聚合物更易溶于水,會形成奶油般光滑的凝膠,改變食品質(zhì)地,并提供脂肪般的口感[10]。由于果糖單體中β(2→1)鍵的存在,菊粉多糖可以抵抗人體消化道中消化酶的水解,不會像典型的碳水化合物一樣被消化[1]。因此,菊粉型果聚糖是不可消化的碳水化合物,可用作脂肪替代物。
由于菊粉在食品、醫(yī)藥等行業(yè)應(yīng)用廣泛,對其提取分離的研究一直受到廣泛關(guān)注。菊粉生產(chǎn)的主要原材料是菊苣和菊芋,主要流程包括提取、純化和干燥[8]。圖2詳細(xì)說明了生產(chǎn)菊粉的主要流程[9]。
圖2 生產(chǎn)菊粉的主要流程Fig.2 Main process of inulin production
1.3.1 提取
菊粉可溶于水,其溶解度隨著溫度的升高而增加。熱水?dāng)U散萃取法因其操作簡單和產(chǎn)量高而廣受歡迎,因此工業(yè)上常采用熱水浸提的方法提取菊粉[11]。萃取過程中的提取溫度、時(shí)間和溶液pH是影響提取率的主要因素,特別是pH的控制,當(dāng)pH降到約6.0時(shí),菊粉對酸性水解很敏感[12]。但普遍的熱水提取法需要較高的提取溫度和較長的提取時(shí)間,為克服這些問題,研究者們引入了非常規(guī)的菊粉提取方法,如酶輔助提取、超聲波輔助提取、微波輔助提取、超臨界流體提取和脈沖電場輔助提取等,使得菊粉提取過程具有更短的浸提時(shí)間、更高的產(chǎn)量和純度[11]。
酶輔助提取的目的是降解植物細(xì)胞壁,以促進(jìn)擴(kuò)散過程,加快整個(gè)提取進(jìn)程。NI等[13]使用具有高熱穩(wěn)定性的新型菊糖蔗糖酶JV-V16處理蔗糖,顯示出高轉(zhuǎn)果糖基化能力,在優(yōu)化條件pH 6.0和45 ℃情況下,600 g/L蔗糖可以得到278.4 g/L菊粉,其提取率為46%。酶輔助提取雖然能夠提高提取率,但其處理溫度一般較高,因此對酶的熱穩(wěn)定性要求較高而具有一定的局限性。而超聲波輔助提取是利用超聲波在液體介質(zhì)中的壓力波動引起的空化現(xiàn)象,加速植物細(xì)胞壁的破壞,達(dá)到在不加熱的前提下也能夠加強(qiáng)萃取、加強(qiáng)傳質(zhì)、減少處理時(shí)間的效果[11]。MORO等[14]對牛蒡根輔助超聲波處理發(fā)現(xiàn)增加超聲振幅和時(shí)間可以提高菊粉提取效率。新型萃取技術(shù)的應(yīng)用大大縮短了菊粉處理時(shí)間,提升了菊粉的生產(chǎn)效率。
1.3.2 純化
菊粉提取的過程中會產(chǎn)生大量雜質(zhì),使其進(jìn)一步的純化變得必不可少,純化過程包括澄清過濾、脫鹽和脫色[8]。首先,粗提取物通過細(xì)布過濾以除去不溶性殘留物,然后通過脫鹽和脫色去除小分子雜質(zhì)。脫鹽主要是使用離子交換樹脂去除菊粉糖漿中的礦物質(zhì),如鈉離子、鉀離子和鎂離子[7]。脫色過程主要是用活性炭完成,EI-KHOLY等[15]將木炭粉加入到菊粉濾液中,并用玻璃棒在60 ℃下攪拌15~30 min以除去著色物質(zhì)。但活性炭孔徑較大,通常會導(dǎo)致過多的樣品損失,而大孔樹脂脫色法因其脫色損失小、處理量大和脫色效率高而逐漸受到重視[16]。
1.3.3 干燥
純化后要使菊粉從溶液中析出。由于菊粉不溶于有機(jī)試劑,實(shí)驗(yàn)室通常使用一些有機(jī)試劑來沉淀菊粉,如乙醇、丙醇、丙酮和乙腈等[8]。有機(jī)試劑沉淀菊粉會保留菊粉的天然結(jié)構(gòu),但成本過高且不環(huán)保,因此尋找天然環(huán)保的低成本沉淀劑尤為重要[17]。沉淀析出后開始菊粉的回收,將沉淀的菊粉置于真空干燥箱中去除多余溶劑,然后在冷凍干燥機(jī)中干燥24 h后研磨成粉即可[15]。也可以通過將純化后的菊粉精制液降膜蒸發(fā)濃縮后進(jìn)行噴霧干燥而得到較高純度的菊粉[18]。
膳食纖維是改善人類健康的關(guān)鍵成分,它的基本特征是:不被小腸內(nèi)源酶水解的碳水化合物,對人體消化酶的水解和小腸的吸收具有抵抗力,但部分會被結(jié)腸中的有益菌發(fā)酵[19]。菊粉作為一種水溶性膳食纖維進(jìn)入大腸后,在上腸粘膜沒有發(fā)生任何消化作用,但在結(jié)腸中會被有益微生物發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸,如醋酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽,抑制糖的異生作用,減少血漿中的游離脂肪酸含量,增強(qiáng)胰島素抗性,不會影響血液中的血糖和胰島素含量[20]。ZOU等[21]研究發(fā)現(xiàn)富含菊粉但不含其他纖維素的飲食可有效預(yù)防鏈脲佐菌素誘發(fā)的糖尿病,并能使胰腺功能正?;?,顯著增強(qiáng)胰島素敏感性。AVIRINENI等[22]研究了蛋白質(zhì)與纖維素或益生元菊粉對能量平衡和腸道微生物群的影響,發(fā)現(xiàn)富含菊粉的飲食部分通過膽囊收縮素促進(jìn)飽腹感,并控制血糖和減少體重增加。而肉制品本身缺乏膳食纖維,因此,在今后的研究中可以通過將菊粉添加到肉類產(chǎn)品中來提高肉制品的膳食纖維和實(shí)現(xiàn)菊粉的功能價(jià)值。
益生元是一種不可消化的食品成分,它通過選擇性地刺激有限數(shù)量的已存在于結(jié)腸中的細(xì)菌而提高其生長活性,對宿主產(chǎn)生有益影響,從而改變宿主的健康[23]。一種物質(zhì)要被視為具有益生元效應(yīng),其成分必須滿足以下特定要求:(1)對胃酸的耐受性;(2)通過胃腸道微生物群發(fā)酵的能力;(3)選擇性刺激與健康有關(guān)的腸道細(xì)菌生長的能力[19]。菊粉就是一種能夠抗胃酸和防止上消化道吸收的碳水化合物,它可以通過增加乳酸桿菌和雙歧桿菌的數(shù)量和代謝活性來改善腸道微生物平衡,從而抑制病原微生物的生長[24]。菊粉還會通過厭氧腸道微生物群發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸被結(jié)腸粘膜捕獲,為宿主提供重要的能量補(bǔ)充,如醋酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽[25]。醋酸鹽通常在腎臟、心臟、大腦和肌肉中代謝;丙酸鹽作為葡萄糖生成的前體,阻止膽固醇合成并被肝臟清除;丁酸鹽作用于結(jié)腸上皮細(xì)胞,在細(xì)胞分化和調(diào)節(jié)中起著重要作用[26]。菊粉滿足作為益生元的上述3種要求,因此在本質(zhì)上是一種益生元。AVIRINENI等[22]研究發(fā)現(xiàn)菊粉益生元會改變腸道微生物群組成,增加短鏈脂肪酸的產(chǎn)生和飽腹感激素的分泌,包括膽囊收縮素、胰高血糖素樣肽-1和肽YY激素等。HOFFMAN等[27]研究發(fā)現(xiàn)喂食富含8%菊粉飲食的高血脂癥小鼠會減輕促炎性疾病的嚴(yán)重程度,菊粉通過調(diào)節(jié)腸道微生物使小鼠免受3,3,4,4,5-五氯聯(lián)苯的促炎毒性作用。
氧化作用是一個(gè)重要的為身體提供能量的生物過程,然而人體正常代謝過程中不可避免地會產(chǎn)生一系列活性氧,主要以超氧陰離子自由基、羥自由基及其活性衍生物等自由基的形式存在[28]??寡趸瘎┦且活愔苯踊蜷g接減少自由基和抑制氧化的化學(xué)物質(zhì)。菊粉作為一種植物多糖具有很好的抗氧化活性,其發(fā)酵產(chǎn)物短鏈脂肪酸可以誘導(dǎo)谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶來抗氧化應(yīng)激,因此菊粉可以清除活性氧并預(yù)防與其相關(guān)的疾病[29]。YANG等[30]研究發(fā)現(xiàn)含有菊粉的飲食通過抑制血清丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶、天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶和γ-谷氨酰轉(zhuǎn)氨酶的活性顯示出保肝作用,并同時(shí)發(fā)揮降低膽固醇的作用。菊粉對抗氧化反應(yīng)的調(diào)節(jié)是激活核因子E2相關(guān)因子2信號通路并上調(diào)抗氧化基因的表達(dá),同時(shí)抑制了Toll樣受體4的信號通路和促炎細(xì)胞因子的轉(zhuǎn)錄水平[30]。因此,含有菊粉的飲食可以通過提高抗氧化能力、抑制炎癥反應(yīng)和增強(qiáng)腸道屏障功能對動物的健康產(chǎn)生有益的影響。
菊粉因其無毒、生物可降解等良好特性而受到廣泛關(guān)注,然而菊粉的低生物活性限制了其應(yīng)用,化學(xué)修飾是提高其生物活性的有效方法。WEI等[28]利用銅(I)催化的疊氮-炔環(huán)加成法合成了含1,2,3-三唑和磷酸二苯酯的菊粉衍生物并在體外評估了其抗氧化活性,結(jié)果顯示1.6 mg/mL菊粉衍生物對羥自由基和超氧陰離子自由基的清除率分別為98.2%和95.4%,表現(xiàn)出更強(qiáng)的自由基清除能力。MI等[31]通過在羧甲基菊粉上引入氨基雜環(huán)部分合成了一系列新型菊粉衍生物,帶有雜環(huán)部分的菊粉衍生物在抗氧化和抗真菌活性方面均有顯著改善。這些合成方法為制備新型菊粉衍生物提供了有效途徑,在生物材料、食品和醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
菊粉作為一種有機(jī)多糖,通過席夫堿反應(yīng)可以增強(qiáng)其抗菌活性[32]。CHEN等[32]通過席夫堿化學(xué)法開發(fā)了6種菊粉衍生物,發(fā)現(xiàn)它們對蘆筍莖枯病菌、灰霉病菌和尖孢鐮刀菌均顯示出較強(qiáng)的降解真菌的潛力,其抑菌率分別為82%、93%和83%。菊粉衍生物還可以通過季膦鹽化學(xué)修飾而成。三苯基膦修飾菊粉衍生物在1.0 mg/mL時(shí)表現(xiàn)出良好的抗真菌活性,對蘆筍擬青霉、炭疽病菌和尖孢鐮刀菌的抑制率分別為78.8%、80.0%和87.4%[33]。同樣,辛烯基琥珀酸酐-菊粉衍生物也被用于提高抗菌能力,其抑制指數(shù)隨著物質(zhì)濃度增加而增加,對大腸桿菌的最低抑菌濃度約為0.5%,對金黃色葡萄球菌的最小抑菌濃度約為1%[17]。LI等[34]合成了三唑菊粉衍生物并驗(yàn)證了它們對植物病原菌拉格納菌和赤霉菌的抑制作用,其最高抑菌率分別為57.93%和82.56%。三唑菊粉衍生物的實(shí)質(zhì)作用是其陽離子與真菌細(xì)胞壁上的陰離子相互作用的結(jié)果,這很大程度上歸因于1,2,3-三唑集團(tuán)的烷基化作用[28]。因此,利用菊粉的抗菌特性可以開發(fā)保鮮劑或抑菌涂膜,在食品保鮮方面有廣闊的發(fā)展前景。
便秘作為一種常見的健康隱患,其癥狀主要表現(xiàn)為排便次數(shù)減少、大便量減少、大便干燥、排便費(fèi)力等[35]。缺乏體力活動、膳食纖維和水分?jǐn)z入量會增加便秘的風(fēng)險(xiǎn)。作為膳食纖維的菊粉進(jìn)入胃部后,易吸水膨脹形成一種由消化道中的細(xì)菌發(fā)酵而成的凝膠狀物質(zhì),使食用者產(chǎn)生飽腹感,胃的排空時(shí)間相應(yīng)延長[1]。WATSON等[36]研究發(fā)現(xiàn)健康中年人每天攝入10 g天然菊苣粉可以增加排便頻率,通過增加大便重量和大便軟度從而改善排便情況,這被稱之為膨脹效應(yīng)。這些改善可能與腸道微生物區(qū)系的改變,特別是結(jié)腸中雙歧桿菌和乳桿菌的變化以及菊糖產(chǎn)生單鏈脂肪酸的能力有關(guān)[9]。LE等[37]研究發(fā)現(xiàn)菊粉會降低腸道pH并顯著改善腸道功能,但它并不能改善腹脹和疼痛,其作用原理也是因?yàn)榫辗鄣臄z入會增加結(jié)腸中微生物數(shù)量,增加雙歧桿菌、糞桿菌和乳桿菌的相對豐度,并降低了類桿菌、厭氧菌和腸球菌數(shù)量。因此,利用菊粉開發(fā)能夠疏通腸道、改善便秘的功能性食品可作為菊粉未來的研究方向之一。
脂肪在肉制品中起著重要作用,是影響食品風(fēng)味、色澤、質(zhì)地、口感和整體感官特性的重要成分之一。肉制品脂肪含量較高容易產(chǎn)生心血管疾病、肥胖癥等疾病,但肉制品中脂肪含量的顯著降低又會影響肉制品質(zhì)地和感官特性,因此尋找既能降低肉制品中脂肪含量還能保持產(chǎn)品質(zhì)量的脂肪替代物意義重大[1]。而膳食纖維具有改善產(chǎn)品蒸煮損失、水分流失和質(zhì)地松散等特性,可以用作脂肪替代品[19]。菊粉就是一種具有多種用途的膳食纖維,它的長鏈結(jié)構(gòu)與水作用時(shí)會形成穩(wěn)定的凝膠網(wǎng)絡(luò),并增強(qiáng)肉制品滑嫩多汁的口感[1]。
DOS等[38]使用菜籽油、竹纖維和菊粉制成的豬皮乳液凝膠用于雞肉香腸中,可以代替其中50%的豬背脂肪,由于菊粉對肉糜成分的粘結(jié)作用和竹纖維的保水能力,處理組產(chǎn)生更加均勻和緊密的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò),香腸孔隙比對照組更小。由此可見菊粉有助于在乳化肉制品中產(chǎn)生更致密的微觀結(jié)構(gòu)。菊粉替代產(chǎn)品中脂肪的同時(shí),還會影響其口感和質(zhì)地。GLISIC等[39]發(fā)現(xiàn)在干發(fā)酵香腸中用菊粉凝膠懸浮液取代16%的豬肉背脂,降低了香腸的彈性、咀嚼性和硬度,增加了香腸的黏附性。此外,菊粉還是一種重要的食品營養(yǎng)增補(bǔ)劑,添加到肉制品中可以增加產(chǎn)品的營養(yǎng)價(jià)值。DE等[40]探討了菊粉基乙二醇作為脂肪替代品在減脂降鹽肉制品中的潛在用途,發(fā)現(xiàn)用含有菊粉的高纖維乳膠替代豬背脂肪后可以得到纖維含量更高、脂肪酸組成較好和不飽和脂肪酸含量較高的產(chǎn)品,新配方產(chǎn)品的脂肪和鈉含量分別降低了11%~34%和35%~45%。由此可見菊粉是一種良好的潛在脂肪替代品,可用于開發(fā)更健康低脂的肉制品。
菊粉作為一種具有多種用途的膳食纖維加入到肉制品中,對食品的理化品質(zhì)有很大的影響,包括含水量、灰分、pH、色澤和蒸煮損失等。EL等[41]發(fā)現(xiàn)添加菊粉的低脂牛肉漢堡的含水量為75%,顯著高于對照組的漢堡,這可能歸因于菊粉的長鏈分子結(jié)構(gòu)在烹飪過程中會與水結(jié)合會發(fā)生凝膠作用而鎖住水分。除了水分,菊粉的添加還會影響產(chǎn)品的灰分和pH值。有研究表明,添加了菊粉的牛肉漢堡[41]、雞肉香腸[42]和乳化型香腸[43]中的灰分含量都有所提升。肉制品灰分含量的增加可能反映了產(chǎn)品中菊粉添加量的高低,然而BERIZI等[43]發(fā)現(xiàn)乳化型香腸的灰分含量不隨菊粉用量的增加而變化,因此菊粉對肉制品灰分含量的影響還需進(jìn)一步研究。GLISIC等[39]研究發(fā)現(xiàn)菊粉能顯著提高干發(fā)酵香腸的可滴定酸度,香腸發(fā)酵過程中對照組的乳酸菌數(shù)量增加了1.59 lgCFU/g,而處理組的乳酸菌數(shù)量增加了1.85 lgCFU/g,可能是由于菊粉能夠促使乳酸發(fā)酵而使pH降低。
肉制品中的脂肪含量減少會降低脂肪提供的光澤感,所以低脂肉制品的顏色通常較深且無光澤,但適量的菊粉能提高產(chǎn)品的亮度從而對低脂肉制品的色澤產(chǎn)生有益的影響[44]。DE等[40]研究發(fā)現(xiàn)將菊粉乳膠加入到臘腸中會使產(chǎn)品的L*提高,這與SADEGHI等[45]的研究結(jié)果一致,當(dāng)菊粉代替魚肉香腸中的部分脂肪后,樣品在貯存期間損失的水分較少,同時(shí)增加了香腸的亮度和紅色并顯示出更高的硬度。MAHDAVI等[46]研究發(fā)現(xiàn)菊粉能夠降低鰱魚火腿的蒸煮損失,處理組的蒸煮損失值為1.62%,對照組為2.09%。并且火腿中的菊粉纖維在油炸過程中會迅速與水分子形成氫鍵,從而防止水分外流。?ZER等[47]研究了菊粉對發(fā)酵香腸品質(zhì)特性變化的影響,研究表明在低脂發(fā)酵香腸生產(chǎn)中添加25%的菊粉可降低牛肉脂肪和能量值,豐富膳食纖維,提高香腸貨架期。因此,適量的菊粉不僅能降低肉制品脂肪含量,還可以改善產(chǎn)品的理化品質(zhì)特性,在開發(fā)高品質(zhì)、高纖維的低脂肉制品等方向具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
如今人們越來越飲食對人體健康的重要性,食用高脂肪加工肉制品會增加心血管疾病、癌癥和代謝性疾病的發(fā)病率,因此,消費(fèi)者對健康低脂食品的需求不斷增加。在肉制品中添加膳食纖維有助于開發(fā)具有保水性、乳化穩(wěn)定性、潤滑性、質(zhì)地改性和低脂肪等特性的產(chǎn)品。菊粉作為一種具有益生元效應(yīng)的膳食纖維,將其添加到肉制品中可以豐富產(chǎn)品的營養(yǎng),改善肉制品的功能和健康特性。然而關(guān)于菊粉作為功能性成分在肉制品中的作用研究仍較少,富含菊粉的功能性肉制品的開發(fā)還需要進(jìn)一步的研究。因此,為開發(fā)出健康低脂的功能性肉制品,未來亟需發(fā)展的方向?yàn)椋?/p>
(1)菊粉替代肉制品中的部分動物脂肪會對產(chǎn)品原有的口感、色澤、風(fēng)味等產(chǎn)生不良影響,因此需對菊粉替代脂肪的工藝參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化,使其保持低脂肪的同時(shí)具有良好的口感和質(zhì)地等。
(2)菊粉含有豐富的有益生理功能,如調(diào)節(jié)腸道微生物、抗氧化作用、防止便秘等,但利用其活性成分研發(fā)功能性肉制品以及其他保健品的研究主要停留在實(shí)驗(yàn)室階段,應(yīng)當(dāng)重視臨床實(shí)驗(yàn)及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)方向。
(3)對菊粉功能活性的研究還不夠深入,仍需進(jìn)一步探明肉制品中添加菊粉對人體消化吸收及健康的潛在作用機(jī)制。