菊粉的性質(zhì)及應(yīng)用

菊粉的性質(zhì)及應(yīng)用

1菊粉與低聚糖的一般介紹1.1聚合度dp菊粉是一個線性的直分成（2.1）。葡萄糖通常與dp相連。菊粉實際上是各種聚合度葡萄糖的混合物。聚合度較低(DP=2～9)的果聚糖通常稱為低聚果糖,聚合度10～30的果聚糖通常稱為多聚果糖,聚合度高于40的果聚糖通常稱為高聚果糖。1.2創(chuàng)新菊粉品種菊粉,又名菊糖,作為植物能量的儲存方式之一,在自然界的分布十分廣泛,超過三萬種植物中可以找到其含量并為它們的能量儲備。某些細菌和真菌中也含有菊粉,但主要來源是植物,一些常見植物中菊粉含量如表1所示:菊芋(JerusalemArtichokeHelianthustuberosus)和菊苣(Chicory)最適合作為生產(chǎn)菊粉的原料,它們來源豐富,菊粉含量高,約占其塊莖干重的70%。菊芋是菊科向日葵屬多年生草本植物,又名洋姜、鬼子姜,地下莖含果糖多聚物。莖直立,高2～3m,葉卵形,先端尖,綠色,莖扁圓形,有不規(guī)則突起,花黃色,塊莖楔形。按塊莖皮色可分為紅色、白色、紫紅色、黃色等不同品種,耐貧瘠和干旱,適應(yīng)性很強,我國有零星種植。菊苣是菊科菊苣屬多年生草本植物,莖直立,中空具條棱,分枝較多,花舌狀,藍色,種子楔形,千粒重1.2～1.5g。適于生長在海洋氣候條件下,在西歐國家是一種普遍種植的蔬菜品種。低聚果糖也廣泛存在于各種植物中,在日常食用的食物如香蕉、大蒜、蜂蜜、洋蔥、小麥等中都有低聚果糖的存在,是優(yōu)良的水溶性膳食纖維,是完全符合益生元標準的典型雙歧因子,也是人體保健功能研究試驗最為深入詳盡的寡糖之一,以其優(yōu)越的生理功能成為近十年來國際食品市場上廣泛流行的功能性食品配料,但由于天然植物中含量一般不高,目前主要通過工業(yè)化的方法來進行大規(guī)模生產(chǎn)。1.3膠化法和熱法菊粉為白色或乳白色無定形粉末,略帶甜味,可溶于水,10%的水溶液pH呈中性,熔點178℃,溶解度隨溫度的升高而增大,10w℃時溶解度為6%,90w℃為35%,菊粉在高溫和pH>4的條件下化學性質(zhì)穩(wěn)定,pH<3.7時有少量分解。并且研究發(fā)現(xiàn),當溫度低于10℃,pH處于3.0～7.5之間菊粉也不發(fā)生分解。菊粉是性能優(yōu)異的脂肪替代物。在高濃度時,菊粉具備膠化特性,剪切后能形成離子膠體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),當它與水混合時,就會產(chǎn)生乳脂般結(jié)構(gòu),能輕易地與食品融合,替代脂肪提供光滑的口感和平衡圓潤的風味。獲得的膠體強度取決于菊粉的濃度、總干物質(zhì)含量和剪切系數(shù),但是pH不會對其影響。大量的水被網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)固定,保證了膠體長時間物理穩(wěn)定性。菊粉系果糖聚合物,菊粉溶液在高溫、低pH或經(jīng)菊粉內(nèi)切酶的酶解后,可制得低聚果糖、高果糖漿、高純度果糖,被稱為繼蔗糖、淀粉糖之后的第三代糖源。2003年,美國FDA已確認菊粉為GRAS(公認安全物質(zhì)),日有效攝入量為5g,推薦最大日攝入量為15～20克。低聚果糖易溶于水,甜度一般為蔗糖的30%～60%,在通常的食品pH范圍(4.0～7.0)內(nèi),低聚果糖具有相當好的熱穩(wěn)定性,當它處于pH低于3.8的酸性環(huán)境中,則取決于溫度和時間,高溫、加熱時間過長易分解,但在酸性低溫下仍然能夠很穩(wěn)定,加入乳酸飲料、冷飲、果汁、果醬、水果罐頭中,在冷藏條件下,保存1～6個月仍很穩(wěn)定,故可以廣泛應(yīng)用于各種食品,例如:用于配方乳粉、冰淇淋、果汁、AD鈣奶、酸奶中,能提高營養(yǎng)功能,有助于預(yù)防便秘、腹瀉,改善腸道功能,嬰幼兒喝了不上火,并能促進礦物質(zhì)的吸收。2菊粉和低聚葡萄糖的制備2.1使用菊芋、菊料在國際上主要采用兩種原料進行菊粉工業(yè)化生產(chǎn),分別是菊芋和菊苣。在比利時和荷蘭等西歐國家主要用菊苣作原料,在中國則用菊芋為原料進行生產(chǎn)。盡管原料不同,但所采用的工藝基本相似,如圖1所示。2.2菊粉水解糖凝劑的結(jié)構(gòu)低聚果糖在工業(yè)上有兩種方法可以獲取,一種是以菊苣或菊芋提取的菊粉為原料,經(jīng)酶解或酸解而生成的聚合度2-9的果聚糖,這種低聚糖中的果糖分子是以β(2→1)糖苷鍵連接而成,其結(jié)構(gòu)形式主要是Fn型(F是果糖分子,n是果糖分子數(shù)目,F1-F2-F3-F4…Fn),此外也含有一定量GFn型的蔗果型低聚果糖。因此,菊粉水解產(chǎn)生的低聚果糖,不僅有Fn型的,還有GFn型的,GFn型和Fn型都具有非常相似的物理和化學性質(zhì),化學結(jié)構(gòu)如圖2所示。另外一種方法是在蔗糖分子的果糖基上通過β(2→1)糖苷鍵連接1-n個果糖基而成的蔗果三糖、蔗果四糖、蔗果五糖、蔗果六糖及其混合物,這種工藝是1983年首先由日本研究成功的,目前國內(nèi)企業(yè)大多采用工藝生產(chǎn)蔗果型的低聚果糖。3菊粉和低聚葡萄糖的生理功能和安全性3.1小麥麩炭粉的用量由于菊粉特定的化學結(jié)構(gòu),膳食纖維在人體口腔、胃和小腸內(nèi)不被消化吸收,但卻會被結(jié)腸內(nèi)的某些有益菌(雙歧桿菌屬等)所發(fā)酵降解,產(chǎn)生短鏈脂肪酸(乙酸、丙酸和丁酸),產(chǎn)生熱量值小于1.5Kcal/g,因此,成為典型的低熱食品配料,菊粉常常用于取代蔗糖和脂肪以降低食品的熱量。3.2不同口腔和胃菊粉味微甜,系果糖聚合物,通過人體口腔、胃及小腸過程中基本上不分解、不吸收,因此,從口腔攝入菊粉后不會影響血糖水平,可做糖尿病人食品。3.3降血脂的機理大量實驗證實,攝入菊粉可有效降低血清總膽固醇(TC)和低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C),提高高密度脂蛋白/低密度脂蛋白(HDL/LDL)比率,改善血脂狀況。降血脂的機理包括:1)吸附腸腔內(nèi)膽汁酸,減少膽汁酸的重吸收,阻斷膽固醇在腸腔循環(huán)。2)降低膳食膽固醇的吸收率。3)被大腸內(nèi)細菌發(fā)酵降解,所產(chǎn)生的短鏈脂肪酸對肝臟膽固醇的生物合成有抑制作用。3.4制潛在有害菌菊粉能在人的結(jié)腸中發(fā)酵,使雙歧桿菌增殖5～10倍,同時又能抑制潛在有害菌的生長,對便秘、濫用抗生素造成的腹瀉有顯著的改善作用。由于菊粉比低聚糖聚合鏈長一些,發(fā)酵速度比低聚糖慢,人體耐受量相對較高,在大腸末端還可激發(fā)代謝作用并對菌群產(chǎn)生有益影響。3.5不同藥物代謝產(chǎn)物雙歧桿菌為人體內(nèi)有益菌,雙歧桿菌的減少被認為是衰老、機體免疫力下降和腫瘤發(fā)生的重要原因。食物經(jīng)消化吸收后所剩殘渣到達結(jié)腸后,在腸道腐生菌(大腸桿菌、梭狀芽孢桿菌、擬桿菌等)的作用下,可產(chǎn)生許多有毒的代謝產(chǎn)物如氨(肝毒素)、胺(肝毒素)、亞硝胺(致癌物)、苯酚與甲苯酚(促癌物)、次級膽汁酸(結(jié)腸癌促進物)等,菊粉攝入后能顯著增加雙歧桿菌的生長,抑制腐敗菌的生長,減少有毒產(chǎn)物的生成,并且對有毒發(fā)酵產(chǎn)物具有吸附螯和作用,清除腐敗產(chǎn)物和細菌毒素,能凈化肝腸循環(huán)和營養(yǎng)合成,可減少其對腸壁的刺激,菊粉代謝降解產(chǎn)生的短鏈脂肪酸(包括乙酸、丙酸和丁酸),可降低腸道pH,抑制腐生菌的生長。由于菊粉一系列代謝活動能抑制有毒致癌物產(chǎn)生,增加排便次數(shù)和重量,增加糞便酸度,加速致癌物的排泄,產(chǎn)生有抗癌作用的短鏈脂肪酸,有利于預(yù)防結(jié)腸癌。3.6增加骨髓中礦物質(zhì)的密度研究表明,攝入菊粉能增加重要礦物質(zhì)的吸收量(如Ca、Mg、Fe),并增加骨骼中礦物質(zhì)的密度,據(jù)Abrams博士及其小組研究證實,每天攝入8g菊粉,可提高鈣的吸收率約20%。3.7關(guān)于雙歧桿菌的選擇性生長底物fn菊粉的代謝產(chǎn)物可促進維生素B1、B2、B3、B6、B12及葉酸的自然形成,從而提高人體的新陳代謝水平,提高免疫力和抗病力。低聚果糖與菊粉具有相似的生理功能,由于菊粉和低聚果糖中果糖聚合度的不同,即分別屬于鏈長不等的GFn型或Fn型,因此人們對它們在選擇性促進雙歧桿菌增殖方面進行進一步深入的研究。有實驗表明,菊粉的雙歧桿菌增殖作用在統(tǒng)計學意義上與低聚果糖相同,在發(fā)酵研究中,也未發(fā)現(xiàn)GFn型與Fn型分子在發(fā)酵形式上的明顯區(qū)別。1997年Roberfroid等人收集了所有關(guān)于這一問題的文獻資料,重新整理了這些數(shù)據(jù),并另外做實驗進行綜合分析,它們證實GFn型和Fn型分子都是雙歧桿菌的選擇性生長底物,其中鏈較長的部分(DP>10)也具有雙歧桿菌增殖作用并且能夠完全發(fā)酵,這一結(jié)果也被人體實驗所證實。長鏈果聚糖(又稱菊粉,聚合度為2-80之間)的一個優(yōu)點在于,它的發(fā)酵速率要比低聚果糖慢約一半左右,這就意味著菊粉還可在大腸末端激發(fā)代謝作用對菌群產(chǎn)生有益作用,功效更加全面,對預(yù)防發(fā)病率較高的直腸癌有著深遠意義。3.8低聚選擇糖對人體有潛在的毒性幾乎沒有任何報道稱菊粉和低聚果糖對人類及動物是有毒性的,根據(jù)國際國內(nèi)已有的研究表明,沒有理由相信應(yīng)用在食品中的菊粉、低聚果糖或它的代謝物有潛在的毒性,相反,相關(guān)文件證明菊粉和低聚果糖是對人體有益的。低聚果糖的化學結(jié)構(gòu)明確,在中國已被確認是一種功能性食品配料,廣泛應(yīng)用在食品、保健品等多個領(lǐng)域。2000年美國FDA確認低聚果糖為公認安全物質(zhì)(GRAS),2003年美國FDA又確認菊粉為公認安全物質(zhì)(GRAS)。4菊粉在食品加工中的應(yīng)用菊粉的生產(chǎn)應(yīng)用在西歐國家從八十年代開始,經(jīng)過二十余年的發(fā)展,已廣泛應(yīng)用在醫(yī)藥保健業(yè)、食品工業(yè),在日本和歐洲,在每個食品類別的五百種以上產(chǎn)品中都可看到菊粉的應(yīng)用,利用菊粉的特性,主要可以加工四大類食品:1.低脂低熱食品;2.高纖維食品;3.益生類食品;4.保健類食品。4.1菊粉在酸奶營養(yǎng)酸奶中的應(yīng)用1.乳制品:應(yīng)用于配方奶粉、酸牛奶、乳飲料、奶片、液態(tài)奶。乳制品是運用菊粉的理想食品系統(tǒng),因它能有效提高人體對鈣質(zhì)的吸收率20%以上,并能在低脂乳制品的應(yīng)用中模擬乳脂肪的口感,增加制品中纖維的含量,可替代低聚糖類,是一種功效顯著的雙歧桿菌增殖因子。含菊粉的強化牛奶具備所有益生原纖維的益處并提高了鈣的吸收,并賦予了不含脂肪的產(chǎn)品全脂的口感。飲用型酸奶能利用菊粉以改善口感,添加益生原纖維,并有助于提高鈣的吸收。2.飲料:高纖維果汁飲料、功能性飲料、運動飲料、固體飲料、植物蛋白飲料、果凍類食品等添加菊粉后,除增加制品膳食纖維和低聚糖功能之外,還可提高鈣、鎂、鐵等礦物質(zhì)的吸收率20%以上,并可掩蓋苦澀給人柔軟的感覺,使飲料風味更濃、質(zhì)地更好。3.低脂低熱量食品:低脂奶油、低脂涂抹類食品、低能量蛋黃醬、冷凍甜點、冰淇淋、巧克力、糖果等食品,菊粉可替代20%～50%的脂肪,是一種優(yōu)良的脂肪替代物,可把脂肪替代成纖維,當與水結(jié)合會形成一種奶油狀結(jié)構(gòu),這使其容易在食品中取代脂肪,并能夠提供光滑的口感,良好的營養(yǎng)平衡及圓滿的風味。4.焙烤制品:蛋糕、餅干、面包中用于發(fā)展新概念制品,諸如益生原面包、高纖維面包等。5.保健食品:作為便秘、糖尿病、肥胖等各種健康食品的原輔料和載體。對于調(diào)節(jié)腸道菌群、調(diào)節(jié)血脂、促進鈣質(zhì)或礦物質(zhì)吸收等保健食品或者功能性食品(減肥食品等),菊粉都是最佳的配料或者功能性成分之一。4.2其他功能飲料1.乳制品:嬰幼兒乳粉、純牛奶、調(diào)味乳、發(fā)酵乳、乳酸菌飲料、各種奶粉等。2.飲料:碳酸飲料、牛奶飲料、果汁飲料、茶飲料、營養(yǎng)飲料、粉末飲料等。3.糖果糕餅:各種軟糖、硬糖、牛皮糖、巧克力、各種餅干、各式西點等。4.甜點心:布丁、果凍、凝膠食品等。5.保健食品:保健酒、各種保健食品,特別是兒童和老年人的保健食品。6.其他:肉制品、水產(chǎn)品、果醬、蜂蜜等。4.3青少年配方乳粉低聚果糖的功能性可以對不同人群產(chǎn)生效果,例如,青少年正處于身體生長發(fā)育時期,需