功能性碳水化合物研究進(jìn)展

金征宇, 程 昊, 陳 龍

(江南大學(xué) 食品學(xué)院/食品科學(xué)與資源挖掘全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 無(wú)錫 214122)

碳水化合物是人類最主要的能量來源,又是人類生存的最基本物質(zhì)和最重要的食物能源。碳水化合物不僅是食物中含量最高的成分,也是人類七大營(yíng)養(yǎng)素之一,廣泛存在于谷物、豆類和水果中。據(jù)報(bào)道,膳食碳水化合物占人類飲食中能量來源的一半以上。特別是我國(guó)以淀粉類食物為主食,人體總能量中60%～70%來自食物中的碳水化合物。碳水化合物根據(jù)其聚合度可分為單糖(monosaccharide)、雙糖(disaccharide)、寡糖(oligosaccharide)和多糖(polysaccharide);根據(jù)其生理利用度可分為可消化利用的碳水化合物和不可消化利用的碳水化合物。

碳水化合物具有與人體健康密切相關(guān)的多種功能,包括貯存和提供能量、構(gòu)成機(jī)體的成分、調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)代謝、抗生酮、保護(hù)肝臟、調(diào)節(jié)腸道菌群等,這些功能對(duì)人類非常重要。隨著近年來全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人們健康意識(shí)逐漸增強(qiáng)。大家對(duì)碳水化合物攝入有了新的需求,具備各種功能的功能性碳水化合物成為人們研究的熱點(diǎn)。膳食纖維、抗性淀粉、活性多糖、功能性低聚糖以及糖醇等功能性碳水化合物的多功能性引起了廣泛的關(guān)注。膳食纖維被稱為第七大營(yíng)養(yǎng)素,雖不能被人體消化但能夠通過促進(jìn)腸道的蠕動(dòng)來改善便秘以及調(diào)節(jié)腸道菌群?？剐缘矸酆涂剐院粌H可以通過調(diào)節(jié)脂質(zhì)的代謝降低血脂,還能夠促進(jìn)礦物質(zhì)的吸收?；钚远嗵侵饕菑奶烊晃镔|(zhì)中提取而來,但它們具有相似的功能性,例如抗腫瘤、抗病毒、增強(qiáng)免疫力、抗菌、抗氧化活性等。糖醇在食品中應(yīng)用廣泛,主要被用來替代蔗糖。本文對(duì)碳水化合物的基本生理功能以及一些重要的功能性碳水化合物的研究進(jìn)展進(jìn)行介紹,并對(duì)一些新型功能性碳水化合物的未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望,以期對(duì)功能性碳水化合物的深入研究及食品開發(fā)提供參考。

1 碳水化合物的生理功能

碳水化合物主要有6方面的生理功能,見圖1。

圖1 碳水化合物的主要生理功能Fig.1 Main physiological function of carbohydrates

1.1 貯存和提供能量

碳水化合物是人類獲取能量最經(jīng)濟(jì)和最主要的來源。食物中的大多數(shù)碳水化合物被人體攝入后,可在人體內(nèi)被消化酶分解后被胃和小腸吸收,最終以葡萄糖的形式進(jìn)入血液,為人體供能。所有的碳水化合物在體內(nèi)消化后,主要以葡萄糖的形式被吸收,每克葡萄糖可以產(chǎn)生16.7 kJ(4 kcal)的能量。人體內(nèi)作為能源的碳水化合物主要是糖原和葡萄糖,由于人體內(nèi)儲(chǔ)存的糖原很少,其儲(chǔ)備的能量?jī)H供半天消耗,所以人們每天必須攝入足夠量的碳水化合物,才能保證人體能量的需要。

1.2 構(gòu)成機(jī)體的成分

碳水化合物也是構(gòu)成人類機(jī)體成分的重要物質(zhì)。比如,碳水化合物與脂類形成的糖脂是組成細(xì)胞膜與神經(jīng)組織的重要成分[1];糖類與蛋白質(zhì)結(jié)合生成的糖蛋白是構(gòu)成軟骨、骨骼和眼球的角膜、玻璃體的組成成分[2];糖和磷酸、堿基組成的核糖核酸和脫氧核糖核酸是構(gòu)成細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核的重要成分。此外,人體的大腦和紅細(xì)胞必須依靠血糖供給能量,因此維持神經(jīng)系統(tǒng)和紅細(xì)胞的正常功能也需要糖[3]。

1.3 調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)代謝

碳水化合物還可以幫助調(diào)節(jié)人體蛋白質(zhì)代謝。攝入充足的碳水化合物可使人體滿足能量需要,防止消耗大量蛋白質(zhì)用作能量。此外,蛋白質(zhì)被認(rèn)為是支持碳水化合物和脂肪代謝的輔助能量來源,當(dāng)人體同時(shí)攝入碳水化合物與蛋白質(zhì)時(shí),體內(nèi)儲(chǔ)存的氮比單獨(dú)攝入蛋白質(zhì)時(shí)多,可增加機(jī)體ATP的合成,有利于氨基酸的活化與合成蛋白質(zhì)[4]。

1.4 抗生酮

碳水化合物也與人體脂質(zhì)代謝有關(guān)。碳水化合物作為人體的主要供能物質(zhì),當(dāng)飲食中碳水化合物攝入量不足時(shí),為保證人體所需的能量供給,體內(nèi)脂肪會(huì)加速分解為脂肪酸,給人體供給能量。但是在這一代謝過程中,脂肪酸會(huì)因?yàn)椴荒軓氐籽趸a(chǎn)生過多的酮體(如乙酰乙酸、丙酮和β-羥基丁酸等),過多酮體的積累將導(dǎo)致人體酮酸中毒。因此,充足的膳食碳水化合物攝入還可起到抗生酮的作用。

1.5 保護(hù)肝臟

碳水化合物還具有保護(hù)肝臟的作用。肝臟對(duì)人體具有重要的解毒作用,碳水化合物和肝臟的解毒作用有關(guān)。肝素是一種線性硫酸化多糖,廣泛分布于動(dòng)物組織中,當(dāng)人體攝入碳水化合物充足時(shí),有利于肝素的合成[5]。肝素具有抗炎作用[6],因此肝臟對(duì)細(xì)菌感染所引起的毒血癥具有一定的解毒作用。此外,肝素還具有抗凝血特性以及良好的生物相容性[7]。因此,攝入足量的碳水化合物,可以對(duì)人體肝臟起到保護(hù)作用,有利于身體的健康。

1.6 有益腸道功能

碳水化合物對(duì)人體腸道也具有有益作用。一些不易消化的碳水化合物(如膳食纖維等)雖然不能被人體消化吸收,但是它們可以刺激腸道蠕動(dòng),有助于正常的消化和排便,進(jìn)而減少細(xì)菌及其毒素對(duì)腸壁的刺激,減輕腸道炎癥[8]。此外,某些寡糖(如甘露寡糖、低聚果糖等)進(jìn)入人體后,能與腸道中的致病菌結(jié)合,使其無(wú)法在腸壁表面定植,隨食糜排出體外,從而保護(hù)人體免遭這些致病菌的侵害[9]。在胃腸道內(nèi),一些寡糖還可以選擇性地作為細(xì)菌生長(zhǎng)的底物。比如,低聚果糖能夠作為乳酸桿菌和雙歧桿菌生長(zhǎng)的底物[10],但沙門氏菌、大腸埃希氏菌和其他革蘭氏陰性菌對(duì)其的利用效率很低,進(jìn)而使得這些有害細(xì)菌的生長(zhǎng)受到抑制。

2 功能性碳水化合物的分類

功能性碳水化合物主要有6大類,見圖2。

圖2 功能性碳水化合物的類型及示例Fig.2 Types and examples of functional carbohydrates

2.1 膳食纖維

2004年,國(guó)際食品法典委員會(huì)(Codex Alimentarius Commission,CAC)形成了關(guān)于膳食纖維的定義草案,膳食纖維被定義為:小腸內(nèi)不能消化吸收,聚合度不小于3的碳水化合物聚合物。膳食纖維按照溶解度可分為:可溶性膳食纖維(soluble dietary fiber,SDF)和不可溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber,IDF)。膳食纖維具有多種對(duì)人體有益的健康生理功能,包括調(diào)節(jié)血糖、降低膽固醇、維護(hù)腸道健康和保護(hù)心血管等。研究表明,膳食纖維攝入量與糖尿病發(fā)病率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),攝入膳食纖維含量越高,患糖尿病概率越低[11]。宋華等[12]通過研究在小麥淀粉中添加羧甲基纖維素、大豆膳食纖維和魔芋精粉等不同種類膳食纖維對(duì)Ⅱ型糖尿病患者餐后血糖增值的影響發(fā)現(xiàn),與空白對(duì)照(攝入小麥淀粉)相比,隨著小麥淀粉中膳食纖維添加量的增加,攝入小麥淀粉餐后血糖增值下降。此外,攝入膳食纖維還可以降低人體對(duì)脂肪的消化吸收作用,使機(jī)體血脂水平降低。呂梅霞等[13]通過對(duì)比不同劑量含鷹嘴豆膳食纖維的高脂飼料飼養(yǎng)對(duì)高脂血癥模型SD大鼠血脂水平的影響發(fā)現(xiàn),鷹嘴豆膳食纖維攝入可以降低高脂血癥大鼠的血脂水平。同時(shí),膳食纖維還可以增強(qiáng)腸道蠕動(dòng),調(diào)節(jié)腸道菌群。通過補(bǔ)充菊粉可以誘導(dǎo)人體腸道微生物豐度變化,在一定程度上改善便秘[14]。

2.2 抗性淀粉

抗性淀粉是指不能在小腸中消化和吸收,但可以在大腸中發(fā)酵并產(chǎn)生短鏈脂肪酸的淀粉及其降解產(chǎn)物,屬于膳食纖維中的一種[15]?？剐缘矸鄹鶕?jù)其結(jié)構(gòu)特征可分為5種類型(表1),分別為RS1、RS2、RS3、RS4和RS5[15-16]。RS1是指通過物理保護(hù)結(jié)構(gòu)阻止消化酶對(duì)淀粉的可及性,進(jìn)而難以消化的淀粉。RS2指具有B-或C-型晶體結(jié)構(gòu)的顆粒狀淀粉。RS3是指糊化后淀粉冷卻回生過程中直鏈淀粉分子轉(zhuǎn)化為雙螺旋線性結(jié)構(gòu)的淀粉。RS4是指經(jīng)過交聯(lián)、酯化、磷酸化等化學(xué)改性的淀粉。RS5是指淀粉中直鏈淀粉和與脂質(zhì)相互作用形成的直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物?？剐缘矸劬哂卸喾N健康生理功能,包括調(diào)節(jié)血糖和脂質(zhì)代謝、促進(jìn)腸道功能、防治直腸癌等作用[15]。據(jù)報(bào)道,連續(xù)攝入含抗性淀粉的松餅可以刺激成人飽腹感并穩(wěn)定血糖水平[17]。而且,抗性淀粉還可以增加大鼠盲腸消化物中的短鏈脂肪酸含量,說明其具有調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝的作用[18]。也有研究表明,抗性淀粉發(fā)酵產(chǎn)生的短鏈脂肪酸可以降低結(jié)腸中的pH值,進(jìn)而起到加速礦物元素轉(zhuǎn)化為易于吸收的可溶性離子的作用,促進(jìn)礦物質(zhì)吸收[19]。此外,研究還證實(shí),抗性淀粉的攝入可以有效抑制偶氮甲烷誘導(dǎo)的大鼠結(jié)腸癌前病變[20]。

表1 抗性淀粉的分類、定義及舉例

2.3 抗性糊精

抗性糊精是由淀粉酸化和酶解產(chǎn)生的SDF,其通過糊精化過程的高度受控的部分水解和再聚合,經(jīng)部分降解及糖基化轉(zhuǎn)移形成。抗性糊精具有調(diào)節(jié)血糖、降低血脂、疏通腸道、促進(jìn)礦物質(zhì)吸收等生理功能和良好的加工穩(wěn)定性,是理想的功能性食品原料。2012年衛(wèi)生部第16號(hào)公告將抗性糊精列為普通食品,擴(kuò)大了抗性糊精在食品行業(yè)中的應(yīng)用范圍。研究表明,通過連續(xù)喂食抗性麥芽糊精可以增加大鼠體內(nèi)胰高血糖素樣肽(GLP-1)的分泌,起到降低血糖的作用,這表明抗性糊精有助于改善葡萄糖不耐受[21]。同時(shí),抗性麥芽糊精還可以通過在脂質(zhì)吸收過程中延緩脂肪酸從膠束中的釋放來抑制脂質(zhì)吸收并促進(jìn)脂質(zhì)排泄到糞便中[22]。一項(xiàng)隨機(jī)對(duì)照臨床研究顯示,連續(xù)攝入抗性糊精可以改善受試者的糞便稠度,增加糞便量并改善腸道功能[23]。

2.4 活性多糖

活性多糖是指具有免疫調(diào)節(jié)、促進(jìn)腸胃功能、抗氧化、抗腫瘤等特殊生理功能的多糖,廣泛存在于植物、動(dòng)物、微生物(細(xì)菌和真菌)和海藻中。根據(jù)多糖的原料來源,可將其分為植物多糖、動(dòng)物多糖、食用菌多糖、微生物多糖及海洋生物多糖等。其中,植物多糖是植物細(xì)胞代謝產(chǎn)生的聚合度超過10的聚糖。近年來,從鐵皮石斛、黃芪、當(dāng)歸、黨參、枸杞等藥食同源植物中提取的多糖由于被認(rèn)為具有抗腫瘤、抗病毒、免疫增強(qiáng)等潛在的功效而被廣泛研究。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明靈芝多糖可以抑制肺癌腫瘤生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移,誘導(dǎo)體內(nèi)腫瘤細(xì)胞凋亡[24]。枸杞多糖還可以通過改變腸道微生物群和抑制小鼠炎癥來改善過敏性哮喘[25]。此外,黃芪多糖被認(rèn)為可能通過抑制炎癥和減少氧化應(yīng)激來緩解潰瘍性結(jié)腸炎[26]。食用菌由于其獨(dú)特的風(fēng)味和感官特性受到人們的關(guān)注。研究表明,食用菌多糖具有免疫調(diào)節(jié)、抗菌、抗氧化、抗癌和抗腫瘤等功能特性[27]。Pattanayak等[28]通過對(duì)一種從可食用野生香菇中提取的香菇多糖進(jìn)行表征發(fā)現(xiàn),該多糖具有DPPH自由基清除活性和羥基自由基清除活性,表明其具有一定的抗氧化活性。此外,也有研究表明從可食用菌中提取的蘑菇多糖具有抗腫瘤和免疫刺激活性[29]。隨著人們對(duì)活性多糖的深入研究,生產(chǎn)周期短、產(chǎn)率高、提取簡(jiǎn)單的微生物多糖也成了活性多糖的重要來源之一。微生物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和組成相對(duì)簡(jiǎn)單,其細(xì)胞成分與多糖的交聯(lián)度低,這使得微生物多糖的純化過程容易,生產(chǎn)效率較高[30]。而且,不同的微生物多糖也具有不同的生物活性。從植物乳桿菌發(fā)酵的石岡菌中純化的多糖具有抗輻射和抗氧化作用,是潛在的功能食品成分[31]。此外,紅海藻多糖也被認(rèn)為具有調(diào)節(jié)免疫、促進(jìn)腸道、抵抗肥胖、抗氧化和抗癌等生理功能[32]。

2.5 功能性低聚糖

功能性低聚糖是指由2～10個(gè)相同或不同的單糖以糖苷鍵聚合而成,具有糖類某些共同的特性,可直接代替蔗糖作為甜食配料,但不被人體胃酸、胃酶降解的糖。常見的功能性低聚糖包括低聚異麥芽糖、低聚半乳糖、低聚果糖、低聚乳果糖、乳酮糖、大豆低聚糖、低聚木糖、帕拉金糖、耦合果糖、低聚龍膽糖等。功能性低聚糖被認(rèn)為可以特異性誘導(dǎo)腸道中雙歧桿菌生長(zhǎng),促進(jìn)雙歧桿菌發(fā)酵產(chǎn)生大量短鏈脂肪酸,并抑制有害菌生長(zhǎng)繁殖,進(jìn)而降低有害菌和毒素在腸膜的附著力。而且,功能性低聚糖還具有調(diào)節(jié)血糖、降血脂、調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、增強(qiáng)免疫力等功能[33]。有研究表明,低聚半乳糖可以修復(fù)酒精依賴大鼠的腸道微生物群失調(diào),恢復(fù)正常的腸道通透性,并消除血液中的內(nèi)毒素[34]。此外,短期攝入低聚果糖也被證明可以提高盲腸中免疫球蛋白濃度[35]。臨床實(shí)驗(yàn)還表明持續(xù)攝入低聚果糖可以增加人體早餐和晚餐后的飽腹感,減少能量攝入[36]。除了常見的低聚糖,近年來一些新來源低聚糖也成了人們研究的熱點(diǎn)。比如,芒果果膠低聚糖可以選擇性增強(qiáng)結(jié)腸中雙歧桿菌和乳酸桿菌的活性,使其可以作為一種用于功能性食品的新型益生元[37]。母乳低聚糖被認(rèn)為可以作為抗粘劑,防止各種病原體附著在嬰兒的上皮表面,預(yù)防或減少腸道中的傳染病,還可以作為抗菌劑抑制細(xì)菌增殖[38]。這些功能性低聚糖均可作為未來健康功能食品開發(fā)潛在的食品原料。

2.6 糖醇等代糖

糖醇又稱功能性糖醇,是從生物廢料中發(fā)酵,或糖的醛基、酮基或半縮醛羥基被氫化還原后生成的糖類衍生物,如葡萄糖加氫還原生成山梨醇,木糖還原生成木糖醇等。糖醇根據(jù)其結(jié)構(gòu)可分為單糖醇(赤蘚糖醇、木糖醇、山梨糖醇、甘露糖醇等)和多糖醇(麥芽糖醇、乳糖醇等)[39]。與蔗糖相比,糖醇具有低熱量、低血糖、低胰島素應(yīng)答等特性,因此糖醇的攝入不會(huì)引起血糖水平波動(dòng),適用于糖尿病人。而且糖醇具有較高的耐熱性,也不是口腔微生物的適宜底物,不會(huì)引起牙齒齲變[40]。此外,部分糖醇代謝類似于膳食纖維,可預(yù)防便秘、結(jié)腸癌的發(fā)生。因此,糖醇被作為新型甜味劑被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)。根據(jù)歐盟法規(guī),有7種糖醇被定義為營(yíng)養(yǎng)甜味劑,即山梨糖醇(E420)、甘露糖醇(E421)、異麥芽酮糖醇(E953)、麥芽糖醇(E965)、乳糖醇(E966)、木糖醇(E967)和赤蘚糖醇(E968)。但是,糖醇過量攝入時(shí)可能會(huì)引起腸胃不適或腹瀉[41]。近年來,隨著人們對(duì)低熱量減肥食品的追捧,糖醇作為蔗糖的替代品被添加在相關(guān)食品中。比如,赤蘚糖醇由于在酸性或堿性環(huán)境中具有較高穩(wěn)定性且不參與美拉德反應(yīng)[39],被廣泛應(yīng)用于飲料和烘焙食品中。據(jù)報(bào)道,赤蘚糖醇還可以在高血糖條件下保護(hù)內(nèi)皮細(xì)胞[42]。此外,赤蘚糖醇也是一種較好的自由基清除劑,具有抗氧化活性[43]。麥芽糖醇也是一種重要的糖醇,其特征與蔗糖類似,甜味可達(dá)蔗糖的90%[39]。除了作為甜味劑外,麥芽糖醇還可以用作脂肪替代品,因?yàn)樗梢詾槭澄锾峁╊愃颇逃偷馁|(zhì)地。由于其低吸濕性和高溫穩(wěn)定性,它被用于許多烘焙產(chǎn)品以及各種低卡路里、低脂肪和無(wú)糖食品[44]。此外,研究表明麥芽糖醇還具有一定的益生元作用,可以促進(jìn)人體腸道健康[44]。值得注意的是,雖然糖醇在食品中被廣泛應(yīng)用,但是關(guān)于糖醇合理攝入量及其對(duì)人體生理健康影響仍需不斷深入研究。

3 功能性碳水化合物研究展望

碳水化合物作為人類在自然界中最重要的能量來源,因其所具有的多種生理功能而被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中。隨著人們生活水平的提高和健康意識(shí)的增強(qiáng),功能性碳水化合物的開發(fā)和利用成了熱點(diǎn)。與此同時(shí),隨著功能性碳水化合物研究的不斷深入,人們對(duì)未來功能性碳水化合物的開發(fā)也提出了新的要求。首先是功能性碳水化合物新資源的開發(fā)與利用。要積極從植物、動(dòng)物、微生物以及食品工業(yè)副產(chǎn)物等資源中提取功能性碳水化合物,這也符合“樹立大食物觀,構(gòu)建多元化食物供給體系,多途徑開發(fā)食物來源”的理念。其次,未來功能性碳水化合物的開發(fā)需要盡量滿足不同人群(如嬰幼兒、青少年、老人、糖尿病患者等)的全面營(yíng)養(yǎng)需求。除了具備低熱量、低升糖指數(shù)、免疫調(diào)節(jié)、促進(jìn)腸道健康等功能外,還應(yīng)該開發(fā)具有一定特殊醫(yī)學(xué)功能的功能性碳水化合物,以助力我國(guó)“健康中國(guó)2030”戰(zhàn)略的實(shí)施;此外,研究人員需要對(duì)功能性碳水化合物的安全性進(jìn)行更深入和全面的評(píng)估,明確不同類型功能性碳水化合物的攝入劑量,確保人體對(duì)功能性碳水化合物的安全攝入。最后,合成生物學(xué)、分子生物學(xué)和計(jì)算化學(xué)等學(xué)科的交叉融合創(chuàng)新也是未來實(shí)現(xiàn)新型功能性碳水化合物開發(fā)和高效生產(chǎn)的重要手段。