菊粉的特性、功能及其在食品中的應(yīng)用

張之握

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安 271018）

菊粉又稱菊糖，是植物貯藏多糖之一，也是除淀粉外植物的另一種能量儲存形式，廣泛分布于植物組織中[1-3]。菊粉是一類天然果糖聚合物（果聚糖，F(xiàn)ructan），屬于非消化性碳水化合物，是優(yōu)質(zhì)的天然水溶性膳食纖維和益生元（Prebiotic），具有一定的甜度，熱量低，與水結(jié)合易形成凝膠；同時具有降血糖血脂、調(diào)節(jié)腸道菌群、增強胃腸功能及促進維生素及微量元素吸收等多種生理功能[4-7]。菊粉已被美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）確認為GRAS（公認安全物質(zhì)）[1]，并被我國批準為新資源食品[4]，目前已在食品、飼料、保健品等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

菊粉具有營養(yǎng)和健康功效及優(yōu)良的應(yīng)用性能，是優(yōu)質(zhì)的多功能天然食品配料，被廣泛應(yīng)用于奶制品、面制品及飲料等各類食品中，用以增強食品的健康保健功能，改善其質(zhì)構(gòu)及口感。未來菊粉在食品各領(lǐng)域的應(yīng)用將更為廣泛，其應(yīng)用形式及食品類型也將更加多樣化。本文概述了菊粉的來源、分子結(jié)構(gòu)、物化特性、生理功能及其在食品中的應(yīng)用現(xiàn)狀，以促進對菊粉及其應(yīng)用的深入研究，為新類型菊粉食品的開發(fā)提供參考。

1 菊粉的來源及結(jié)構(gòu)特性

1.1 來源

菊粉存在于許多單子葉和雙子葉植物中，如百合科、石蒜科、菊科和禾本科等[1-4]，其中有些種類如菊苣、菊芋（洋姜）、大蒜、韭菜、蘆筍、洋蔥等常作為蔬菜食用。在百合科、石蒜科和菊科植物中，菊粉通常儲存在鱗莖、塊莖和塊根等器官中，由于含量大且干擾成分少，因此較易提取[2]。目前菊科植物菊苣（Cichorium intybusL.）和菊芋（Helianthus tuberosusL.）的根或塊莖是工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)制備菊粉的兩種主要原料，其菊粉含量可達15%～21%（鮮質(zhì)量）[1,3]。

1.2 分子結(jié)構(gòu)

菊粉是由D-果糖（D-fructose，F(xiàn)）經(jīng)β（2→1）糖苷鍵聚合而成的線性直鏈多（寡）糖，其末端通常以α（1→2）糖苷鍵連接有一個葡萄糖殘基（glucose，G），可表示為GFn（n代表果糖單元數(shù)目）[5-6,8-9],菊粉的聚合度（degree of polymerization，DP）為2～60，平均為10～12，受來源植物種類、生長環(huán)境、收獲時期及存儲時間等因素的影響而有較大變動[1,5]。根據(jù)聚合度的不同，可將菊粉分為短鏈（低聚果糖，DP≤10）、中鏈和長鏈（DP≥23）等不同類型[4]。自植物中提取的菊粉通常為含有短、中和長鏈菊粉的混合物，稱為天然菊粉[4]，可進一步經(jīng)分級純化獲得不同鏈長（聚合度）的菊粉。不同鏈長菊粉的性質(zhì)功能有較大差異[9-10]。菊粉果糖單體間特殊的β（2→1）糖苷鍵（具有β構(gòu)型異頭碳）連接，使其可抵御人胃腸道消化酶的水解，因此被認為是非消化性碳水化合物，但可被大腸中的腸道微生物分解發(fā)酵而具有多種有益功能[1,3,6,8,11]。

1.3 物化特性

菊粉為白色無定形粉末，無異味；較易溶于水，天然菊粉25 ℃溶解度可達120 g/L[10]，其溶解度隨溫度的升高而增加，但隨鏈長增加而降低[5]。短鏈及天然菊粉的甜度分別為蔗糖的30%～50%和10%（長鏈菊粉幾乎沒有甜味）[5,10]，且其熱量值很低，其中短鏈菊粉為1～2 kcal/g，僅約為蔗糖的三分之一，因此常用作蔗糖代用品[5]。

菊粉溶液黏度隨濃度增加而增大，濃度達10%～30%時開始形成凝膠，濃度越高形成凝膠的速度越快[5]。菊粉形成凝膠后具有柔滑細膩類似脂肪的質(zhì)地，是理想的脂肪替代品。菊粉具有優(yōu)良的吸濕性，可吸收水分降低水活度，防止水分蒸發(fā)[5]。菊粉具有較強的熱穩(wěn)定性，在中性pH 條件下即使在80～100 ℃高溫下也較難分解[4-5]。

2 菊粉的生理功能

2.1 調(diào)節(jié)腸道微生物群落結(jié)構(gòu)

菊粉為優(yōu)質(zhì)的水溶性膳食纖維，具有優(yōu)良的益生元功效[1,3-5,9,12-13]。菊粉在人體中不能被消化酶水解，無法被小腸吸收，但在結(jié)腸中會選擇性被雙歧桿菌和乳酸桿菌等有益微生物吸收利用并發(fā)酵產(chǎn)生醋酸、丙酸和丁酸等短鏈脂肪酸（SCFAs）和乳酸等有機酸；既能增加腸道酸度，促進腸道有益菌的生長并激發(fā)其活力，有利于增加有益菌的相對豐度，同時又能抑制有害菌的增殖，從而改善腸道微生物群落結(jié)構(gòu)，減少毒害物質(zhì)的產(chǎn)生，有利于維護健康的腸道環(huán)境[11-15]。此外，腸道有益菌的滋生，短鏈脂肪酸的產(chǎn)生以及菊粉在腸道內(nèi)的吸水膨脹，可增加大便的含水量和質(zhì)量，增強腸道蠕動，縮短大便在結(jié)腸的停留時間，增加排便次數(shù)，并促進有毒物質(zhì)的排放，預(yù)防或緩解便秘甚至結(jié)腸癌變[1-2,4-6]。

2.2 調(diào)控血糖

菊粉在小腸內(nèi)不會被水解成單糖吸收，因而不會導(dǎo)致血糖水平和胰島素含量的升高，是一種健康糖源[4,13]。菊粉在結(jié)腸內(nèi)分解發(fā)酵產(chǎn)生的短鏈脂肪酸促進肝糖元合成，并抑制糖異生作用[1-2,16-17]，從而降低血糖水平。另外菊粉溶液有較高黏度，濃度大時甚至形成凝膠，增加小腸黏膜厚度[18]，可減少食物與消化液的充分接觸，減緩攝入的碳水化合物水解，降低葡萄糖吸收速度，控制餐后的血糖水平[19]。

2.3 降血脂

菊粉可與脂肪形成脂肪-膳食纖維復(fù)合物并隨糞便排出，減少機體對脂肪的吸收，有助于降低血脂水平[4,16-17]。菊粉亦可降低血液中膽固醇和三酰甘油含量[20-21]，菊粉發(fā)酵生成的短鏈脂肪酸在該過程中發(fā)揮重要作用，其中丙酸可以抑制肝臟膽固醇和三酰甘油合成，增加膽汁酸的合成和分泌，從而降低血脂水平[1-2]。另外，菊粉發(fā)酵可使膽汁酸在腸道內(nèi)的重吸收減少[16,22]，從而阻礙膽固醇的重新合成，影響血脂水平。

2.4 促進礦物質(zhì)吸收

菊粉在結(jié)腸內(nèi)發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸和其他有機酸，使腸道內(nèi)pH 值下降，礦物質(zhì)復(fù)合物發(fā)生分解，促進礦物質(zhì)元素釋放，并增加礦物質(zhì)溶解度，使其更容易被人體吸收。菊粉能明顯提高Ca2+、Mg2+、Cu2+和Fe2+等礦物元素，尤其是Ca2+和Mg2+的吸收[5-6,13,23-25]。同時，短鏈脂肪酸尤其是丁酸能刺激結(jié)腸黏膜細胞的生長，從而增加腸黏膜吸收面積，增強其吸收能力[5-6]。

3 菊粉在食品中的應(yīng)用

菊粉具有多項有益健康的生理功能及優(yōu)良的加工特性，已作為膳食纖維、益生元、脂肪及糖類替代品、質(zhì)構(gòu)與口感的改良劑等被廣泛應(yīng)用于乳制品、面制品、肉制品和飲料加工中[1-4,6]。

3.1 在乳制品中的應(yīng)用

液態(tài)奶、奶粉、酸奶、奶酪等各類乳制品是菊粉應(yīng)用的理想食品體系，也是菊粉最早被應(yīng)用的食品種類[4]。菊粉可增加乳制品中的膳食纖維和益生元成分，其與水混合后形成奶油狀結(jié)構(gòu)，具有細膩柔滑的質(zhì)地，可部分代替脂肪以降低脂肪含量，增強乳制品的質(zhì)地、風(fēng)味和口感，同時菊粉亦可以促進人體對乳品中鈣的吸收[4,9]。在發(fā)酵乳或酸奶制作中加入菊粉，有利于保護嗜熱鏈球菌、乳桿菌或雙歧桿菌等益生菌，促進其增殖和發(fā)酵，減緩儲藏期益生菌活菌數(shù)量的降低，同時可減少乳清析出率，增加黏稠度和持水性，從而提高產(chǎn)品品質(zhì)[4,9,26-28]。菊粉亦可用于制備多種功能性乳制品，使之具有低脂、低糖特性，以及增加膳食纖維、改善腸道功能、降低血糖血脂等保健功能，以適用于不同人群的飲食需求[4,29]。

3.2 在面制品中的應(yīng)用

菊粉具有與面粉相似的粉體特性，有良好的水溶性、成凝膠性及熱穩(wěn)定性，適合應(yīng)用于各類面制品的制作中，以改善產(chǎn)品的特性和品質(zhì)。菊粉能夠增加面團的形成時間，提高其穩(wěn)定性，促進面團的發(fā)酵過程，降低冷凍對面團的不利影響。添加菊粉可加速面包外觀顏色及風(fēng)味物質(zhì)形成，從而縮短面包焙烤時間，增大面包體積，改善面包品質(zhì)[4,30]。添加適量的菊粉亦可以改善饅頭的感官品質(zhì)和質(zhì)構(gòu)[31-32]。菊粉（長鏈）的加入能夠縮短意大利面的煮制時間，且不影響面條的煮制損失率、吸水性和膨脹度，有利于提高意大利面的品質(zhì)[33]。中筋面粉混入菊粉制成面條的干物質(zhì)吸水率、彈性和咀嚼性幾乎不受影響，可制作高膳食纖維面條食品[34]。

3.3 在肉制品中的應(yīng)用

肉制品營養(yǎng)豐富，但缺乏膳食纖維，且脂肪含量高，這對人體不利。菊粉在肉制品加工中常用以取代脂肪，降低脂肪含量，增加膳食纖維增含量，同時改善肉制品的質(zhì)構(gòu)，增強風(fēng)味及感官特性[3-4]。Mendoza 等[35]研究發(fā)現(xiàn)菊粉的加入可使低脂發(fā)酵香腸的硬度變小，彈性增加，質(zhì)地更為柔軟；與傳統(tǒng)高脂香腸相比，其多汁感變?nèi)?，但嫩度、彈性、黏附性、咀嚼性相近，卻有效降低了香腸的脂肪含量及熱量值，提高了其營養(yǎng)特性（膳食纖維含量）。Yilmaz 等[36]發(fā)現(xiàn)牛肉丸中添加5%菊粉可增加肉丸的亮度、硬度、蛋白及膳食纖維含量，增強其香味，同時能降低肉丸的反式脂肪酸含量和蒸煮損失率，但基本不影響其整體口感。

3.4 在飲料中的應(yīng)用

菊粉易溶于水，可添加到各類飲料中，改善其質(zhì)地、風(fēng)味和口感，并賦予飲料多種有益功能。將菊糖加入到植物蛋白飲料中，能夠增加飲料的稠度，掩蓋苦澀及其他不良味道，增加柔合度，使其風(fēng)味更為濃郁，同時使其具有膳食纖維功能及益生元功效[4,37]。菊粉可作為替代甜味劑添加到果汁飲料中，增強果漿與水的結(jié)合能力，增強其風(fēng)味，并增加多種保健功能[4,38]。

4 小結(jié)

菊粉是來源于谷物、蔬菜及水果等多種植物中的天然組分，食用安全性好，是優(yōu)質(zhì)的天然水溶性膳食纖維及益生元，具有調(diào)節(jié)腸道微生物菌群、增益腸胃功能、控制血糖、降低血脂、促進礦物質(zhì)吸收等生理功效。菊粉突出的健康效益、優(yōu)異的加工性能及其對食品感官品質(zhì)的塑造特性使其在食品領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，是目前應(yīng)用最廣的膳食纖維，已經(jīng)被40 多個國家批準為“食品營養(yǎng)增補劑”，被譽為“21 世紀人類健康最具代表性的典型產(chǎn)品”[4,39]?？梢灶A(yù)見，隨著人們對菊粉特性及功能認識的加深，現(xiàn)代健康營養(yǎng)食品理念認知的提升以及大眾對高品質(zhì)食品的不懈追求，菊粉在食品中應(yīng)用的廣度和深度將不斷拓展。研制更多不同形式且具有特殊功能的含菊粉食品，研究菊粉對人體健康的效應(yīng)機制，研究其對食品品質(zhì)的影響規(guī)律和機制，是未來菊粉應(yīng)用研究的重點。