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菊粉的功能特性及开发应用

菊粉的功能特性及开发应用
菊粉(Inulin)又名菊糖,是一种天然果糖聚合物,由D-呋喃果糖分子以β-(2,1)糖苷键连接而成的果聚糖。每个菊粉分子末端以α-(1,2)糖苷键连接一个葡萄糖残基,聚合度通常为2—60,平均聚合度为10,其中聚合度较低时(DP=2—9)则可称为低聚果糖。作为一种天然可溶性膳食纤维,菊粉几乎不被胃酸水解和消化,而在结肠中被大量有益微生物发酵,因而具备多种保健功能,如控制血脂、降低血糖、改善肠道功能、促进矿物质吸收等。菊粉不仅可以作为脂肪替代品应用于低能量食品生产,而且具有膳食纤维以及益生素的生理功能,是一种优秀的功能性食品基料。目前,菊粉广泛应用于医药保健业、食品工业等领域。


 

1.菊粉的来源
菊粉在自然界中的分布十分广泛,某些真菌和细菌中也含有菊粉,但其主要来源是植物。人们日常食用的植物如:洋葱、大蒜、香蕉、小麦等都含有菊粉。然而,菊粉在自然界主要存在于菊科植物中,菊芋(俗称洋姜,国产菊粉的主要原料)含量为14%-19%,菊苣(欧洲菊粉主要原料)含量为15%-20%,几种常见的可食用植物中的菊粉含量见表1:
表1常见可食用植物中的菊粉含量(鲜重/%)

植物名称

菊粉含量/%

植物名称

菊粉含量/%

小麦

1~4

菊芋

15~20

洋葱

2~6

耶路撒冷洋蓟

15~20

韭葱

10~15

婆罗门参

15~20

天冬

10~15

大丽花块茎

15~20

菊苣

13~20

大蒜

15~20

 

2.菊粉的制取原料及工艺流程
在国际上主要采用菊芋和菊苣两种原料进行菊粉工业化生产。在比利时和荷兰等西欧国家主要用菊苣作原料,在中国则用菊芋为原料进行生产。
菊芋,俗称洋姜,是菊科多年生草本植物,耐贫瘠和干旱,对气候和土壤条件要求不高,适应性强。我国许多地区都有种植,一般亩产菊芋块茎2000—4000kg,是加工生产菊粉及其制品的良好原料。
菊苣是一种两年生植物,适于生长在海洋气候条件下,在西欧(如荷兰)国家是一种普遍种植的蔬菜品种。1993年欧盟将菊芋和菊苣列入欧洲新作物发展计划,目前欧盟8个国家正在推广种植选育出的优良菊芋和菊苣新品种。
国内菊粉加工技术主要有水热法和微波法。水热法工艺流程如下:预处理过的菊芋→热水抽提→浓缩→活性炭脱色→离心→上清液用sevag法除蛋白质,重复4—5次→95%乙醇沉淀→离心→过阳离子和阴离子交换树脂除杂质→真空干燥→粉碎得产品。微波法工艺流程如下:切丝→称重→加水微波浸出→渣汁过滤→去除杂质→脱色浓缩。


3.菊粉的功能特性


3.1控制血脂
摄入菊粉可有效降低血清总胆固醇(TC)和低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C),提高高密度脂蛋白/低密度脂蛋白比率,改善血脂状况。Hidaka等人报道,50—90岁的老年病人,每日摄食8g短链的膳食纤维,两周后血液中甘油三酸脂和总胆固醇的水平降低。Yamashita等人给18名糖尿病人进食8g菊粉两周,总胆固醇减少7.9%,但HDL—胆固醇没变。而摄食食粮的对照组,上述参数没有变化。Brighenti等人观察到,12名健康年轻的男子,在每日的谷物早餐中加入9g菊粉共4周,总胆固醇减少8.2%,甘油三酸酯则大幅降低26.5%。
许多膳食纤维通过吸收肠内脂肪,形成脂肪——纤维复合物随粪便徘出,从而降低血脂水平。而且,菊粉在肠道末端前,自身就发酵成短链脂肪酸和乳酸盐,乳酸盐是肝脏代谢的调节剂。短链脂肪酸(醋酸盐和丙酸盐)在血液里可作燃料,丙酸盐抑制胆固醇的合成。


3.2降低血糖
对于糖尿病患者来说,合理安排饮食是治疗的主要方法。菊粉味微甜,系果糖聚合物,通过人体口腔、胃及小肠过程中基本上不分解、不吸收,因此,从口腔摄入菊粉后不会影响血糖水平,可做糖尿病人食品。对菊粉降低血糖水平的机理研究引起了越来越多科学家的重视。有的学者认为,菊粉粘度高,导致肠粘膜厚度增加,从而降低葡萄糖的吸收;也有学者认为,一方面菊粉发酵产生的短链脂肪酸促进了肝糖元的合成,同时低聚果糖可以促进机体对Mg2+吸收,从而降低患糖尿病的风险。


3.3改善肠道功能
改善肠道功能菊粉是一种益生素,益生素(Prebiotics)是一种不被消化的食物成分,能够选择性地刺激和促进一种或几种结肠内对宿主健康有益的微生物的生长和活力,促进宿主健康。菊粉能在人的结肠中发酵,使双歧杆菌增殖5—10倍,同时又能抑制潜在有害菌的生长,对便秘、滥用抗生素造成的腹泻有显著的改善作用。菊粉在结肠中发酵后,提高微生物菌群和气体量提高,从而促进肠道蠕动,缩短了粪便在结肠内的停留时间,使移动加快,减少了水分吸收时间,增加了粪便重量,有效预防便秘。同时也增加粪便的排泄量,使肠道内的致癌物质也得到了稀释,因此,致癌物质对肠璧细胞的剌激减少,有利于预防结肠癌。

 
3.4促进矿物质吸收
日常饮食中的膳食纤维能够减少肠道对某些矿物质的吸收。然而,菊粉作为一种可溶性膳食纤维摄入不会抑制矿物元素的吸收,反而促进矿物元素,如Ca2+、Mg2+、Zn2+、Cu2+和Fe2+等的吸收。任何菊粉矿物质复合物在肠道菌群的发酵过程中均被降解,释放出矿物元素,使它们更有利于肠道吸收。另外,发酵所产生的酸能降低结肠pH值1—2个单位,使许多矿物质的溶解度、生物有效性得以提高。而且,短链脂肪酸特别是丁酸能刺激结肠黏膜细胞的生长,提高肠黏膜的吸收能力。


4.菊粉的开发应用
近年来,菊粉的开发利用受到国际食品界的高度重视,并成功应用在乳制品、饮料、焙烤食品、低脂低热食品、保健食品等领域。资料显示,菊粉在美国的人均消费量为1-4g/d,欧洲为3-10g/d 。国外已经对菊粉进行工业化生产,成功开发出菊粉系列功能性食品基料。另外,菊粉经过酶法或化学方法改性后,改性菊粉能有效用作药物载体、疫苗辅剂、金属螯合剂以及去垢剂的主要成分。


4.1乳制品
乳制品是运用菊粉的理想食品系统,因它能有效提高人体对钙质的吸收率,并能在低乳制品的应用中模拟乳脂肪的口感,增加制品中纤维的含量,既改善了产品的整体营养价值又不牺牲产品的食用品质,还具有益生元特性。因此,近几年来菊粉在乳制品中的应用快速发展,被广泛应用于低脂或脱脂牛奶,富含膳食纤维的乳制品、适合糖尿病人食用的乳制品和奶片中。


4.2饮料
高纤维果汁饮料、功能性饮料、运动饮料、固体饮料、植物蛋白饮料等添加菊粉后,除了可以替换脂肪和砂糖、提高产品的水结合能力、增加黏性之外,还可以增加制品膳食纤维和低聚糖功能,提高钙、镁、铁等矿物质的吸收率20%以上,并可掩盖苦涩,给人柔软的感觉,使饮料风味更浓、质地更好。


4.3低脂低热食品
菊粉可替代20%~50%的脂肪,是一种优良的脂肪替代物。当菊粉作为代糖品在巧克力制品中应用时,无须对加工工序进行大幅度调整,就能生产出不含糖、低糖或适合糖尿病人进食的巧克力产品。与山梨糖醇结合使用,效果更好。菊粉可将水稳定成具有奶油特点的结构,其口感与油脂一样,故可替代油脂,生产低脂、脱脂乳或蔬菜奶油;还可替代冰淇淋和其他类似产品中的油脂。菊粉可稳定水或脂肪的结构,改进干酪的特性(如涂抹性)和口感,同时可代替乳清蛋白或淀粉衍生物。


菊粉可替代低脂肉制品的油脂,改进肉制品结构,保持品质稳定性。如肉类产品法兰克福肠等。菊粉可替代焙烤食品中的脂肪和糖分,提高焙烤食品的松脆性;可在蛋糕、饼干、面包中用于发展新概念制品,诸如益生原面包、高纤维面包等。


4.4保健食品
目前,菊粉已被世界上40多个国家批准为食品的营养增补剂。作为防治便秘、糖尿病、肥胖等各种健康食品的原辅料和载体。对于调节肠道菌群、调节血脂、促进钙质或矿物质吸收等保健食品或者功能性食品(减肥食品)等,菊粉都是最佳配料或者功能性成分之一。

 

  • 相关法规的规定

5.1美国食品和药物管理局(FDA)
2016年,FDA公布了膳食纤维的新定义,作为更新营养成分标签最终规则的一部分,该机构指定这一术语称为“像水果,蔬菜和全谷物中发现的天然纤维,以及七种独立的(即从植物来源中提取)或合成的非消化性碳水化合物(NDCs),每种都具有生理健康益处。
如果科学证据证明对人类健康有益的生理效应,FDA就在此初始成分清单之外征求公民或独立的NDC公民申请。
值得注意的是,几种常见的非消化性碳水化合物,如流行成分菊糖,在最初的定义中被忽略了,让供应商不知道这些成分是否会作为膳食纤维纳入营养成分标签。
随着Scott Gottlieb委员会新裁决的公布,八个新纤维被添加到名单中,其中包括:

  • 混合植物细胞壁纤维(包括诸如甘蔗纤维和苹果纤维等纤维的广泛类别);
  • 阿拉伯木聚糖;
  • 海藻酸盐;
  • 菊粉和菊粉型果聚糖;
  • 高直链淀粉(抗性淀粉2);
  • 低聚半乳糖;
  • 聚葡萄糖;
  • 抗性麦芽糖糊精/糊精。

目前为止,各种膳食纤维中,既是天然的又是水溶的,果聚糖(菊粉)便是唯一可以规模化生产的。
5.2新食品原料清单
2009年5号菊粉已被列入新食品原料清单,见下表2新食品原料功效汇总节选。
表2新食品原料功效汇总节选

列入新食品原料中后,保健功能应该可以进入备案制,不必做功能测定。