菊粉的功能与利用

彭英云，郑清，张涛

（1.盐城工学院化生学院食品系，江苏 盐城 224003；2.江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江苏 无锡 214122）

菊粉（inulin）又称菊糖，土木香粉，是一种生物多糖，以能量的形式存在于多种植物和蔬菜里，尤其大量存在于菊科植物例如菊芋，菊苣等的块根中。它由果糖分子通过β-（2，1）糖苷键连接，聚合程度从2～60，一般平均为10，其终端为葡萄糖单位，分子式可用GFn表示，其中G为终端葡萄糖单位，F代表果糖分子，n则代表果糖分子数。当聚合度较低时（DP＝2～9）可以称为低聚果糖（Fructo Oligo Saccharide）。

菊粉在自然界中分布很广，某些真菌和细菌中含有菊粉，但其主要来源是植物。全世界超过36000种植物，包括双子叶植物中的菊科、桔梗科、龙胆科等11个科以及单子叶植物的百合科、禾木科，都含有丰富的菊粉。一些常见植物中的菊粉含量见表1[1-2]。

表1 一些常见植物中的菊粉含量Table 1 The content of inulin in some plants

1 菊粉的性质

1.1 物理性质

从菊芋中提取的菊粉是一种不同聚合度低聚糖的混合物。干燥菊粉为白色无定形、易吸湿的粉末，比重1.35，平均分子量约1600 Da[3]。它在水中的溶解度因温度不同而不同，在10℃约6 g/（100 mL H2O），而90℃时约35 g/（100 mL H2O）。在正常条件下菊粉易分散于水中。由于吸水性强，易于结块。在菊糖中混入砂糖或淀粉，可使菊粉速溶化，从而改善它的分散性。菊粉结合水的能力约为2∶1，在溶液中菊粉可降低水的冰点，提高水的沸点。由于含有少量单糖及双糖，菊粉往往稍微带点甜味。

1.2 菊粉的凝胶性质

不同浓度的菊粉水溶液其黏度也不同，当菊粉含量增加时黏度逐渐增大，浓度与黏度的关系可参见表2[4]。

表2 菊糖在水中的黏度Table 2 The viscosity of inulin solution

由表2可见浓度为1%～8%时起黏度逐渐增加，当达到25%～30%时，黏度增加较快，渐渐变稠但未出现凝胶，如果溶液中菊粉浓度达到30%，菊糖与水结合开始凝胶。在此浓度下冷却约30 min～60 min就会形成凝胶，随着水中菊粉浓度增加，凝胶形成时间加快，当溶液中菊粉浓度40%～45%时几乎立刻形成凝胶。菊粉凝胶像奶油般柔滑，与脂肪十分相似。菊粉浓度继续增加至50%，此时凝胶将变得十分坚实，但仍具有脂肪似的感觉，菊粉浓度是影响其凝胶强度的重要因子。

菊粉凝胶属热可逆凝胶即受热液化，冷却后又恢复凝胶状态。菊粉凝胶的形成以及特性受到加热温度、菊粉浓度、溶液pH以及所添加的有机溶剂种类（如乙醇或甘油）等因素影响[5]。凝胶形成所需最小菊粉浓度随着加热温度的升高而提高，而温度过高（＞80℃）将导致菊粉水解。凝胶形成还与菊粉聚合度以及菊粉颗粒大小有关，聚合度越高，凝胶形成的最小浓度越低。因此，控制菊粉低水解度以及菊粉浓度对凝胶形成具有重要作用。与剪切作用相比较，加热/冷却所形成的菊粉凝胶具有强度大、质构柔滑、微粒均一细腻等特点。另外，通过添加晶种可以使菊粉凝胶达到最大强度，当菊粉溶液温度升高至菊粉微粒完全水合，在冷却过程中加入晶种，同时进行剪切处理，所形成的菊粉凝胶质构紧密，口感良好。

1.3 菊粉的水解产物

菊粉溶液可被菊粉酶（inulinase）或酸水解成短链的物质，最终可生成类似高果玉米糖浆（HFCS）的果糖糖浆，但酸水解菊粉时容易产生大量副产物。菊糖在pH很低（＜3.0）、温度很高的情况下保持一定的时间可能发生水解，但必须有可供利用的“自由水”，因此凝胶状态的菊粉即使在酸性环境或高温下，如果没有可利用的水将仍是稳定的。

2 菊粉的制取

工业上菊粉主要从菊芋（Jerusalem artichoke）或菊苣（Chicory）块茎中提取。这两种植物来源丰富，菊粉含量高，占其块茎干重的70%以上。菊芋中提取菊粉的工艺包括提取、纯化和干燥等3个基本过程。杨振等以新鲜菊芋为原料，采用热水浸提法提取菊粉，在提取温度68℃，提取时间70 min，料液比1∶21，提取次数2次的条件下，菊粉提取率可达到16.04%[6]。吴洪新等以普那菊苣干粉为原料提取菊粉，在温度85℃，固液比为1∶30，提取时间60 min，菊粉提取率可达58.58%[7]。也有采用超声波辅助提取的方法，利用高密度和高频的声波促进有效成分的溶出，提高了浸取速率。

菊粉的纯化在菊粉制取过程中是一个重要的课题，经过热水浸提得到的提取液中含有蛋白质、色素、果胶、有机酸等杂质，使颜色混浊，如不经纯化则制得菊粉颜色深、易结块。通常采用的方法是石灰乳－磷酸先进行预处理除杂，再采用活性炭法、H2O2法和树脂法脱色，吴洪新等采用70℃～80℃用石灰乳脱蛋白，并采用活性碳脱色，脱色率为69.13%，菊粉损失率为7.93%[7]。

3 菊粉的生理功能

菊粉由于其特殊的结构，对人体具有很重要的生理功能。

3.1 菊粉膳食纤维的作用[7-8]

3.1.1 热量低，可预防肥胖

菊粉是可溶性膳食纤维，在口腔、胃和小肠内不能被消化吸收，只能被肠道某些有益菌（双歧杆菌等）完全发酵降解，产生短链脂肪酸（乙酸、丙酸和丁酸）和乳酸，产生热量值小于1.5 kcal/g[8-9]。

菊粉在胃中吸水膨胀形成高黏度胶体，使人不易产生饥饿感并能延长胃的排空时间，从而减少食物摄入量，在小肠内还可与蛋白质、脂肪等物质形成复合物，抑制此类物质的吸收，达到减肥目的。

3.1.2 调节血糖，不引起血糖波动

菊粉通过人体口腔、胃及小肠过程中基本上不分解、不吸收，因而不会影响血液中血糖水平和胰岛素含量，且菊粉能延长胃的排空时间或缩短肠运输时间；产生丙酸盐能抑制糖异生，减少血浆游离脂肪酸水平，促使胰岛素抗性增强[10]。

3.1.3 降血脂，预防心脑血管疾病

大量试验证实，菊粉能降低血清总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇，提高高密度脂蛋白/低密度脂蛋白比率，改善血脂状况。如用饱和脂肪喂养的白鼠在食用菊苣根一段时间后，血液和肝脏中的甘油三酯含量显著降低[11]。

3.2 具有益生素作用

3.2.1 改善肠道功能，预防便秘和腹泻

菊粉能在人的结肠中发酵可使双歧杆菌增殖8倍～10倍，从而抑制有害菌生长。同时，菊粉中含有的长链聚合物不被消化，可保持肠道内水分不被过分吸收，增加排便次数和质量，对便秘，滥用抗生素造成的腹泻有显著的改善作用[12]。

3.2.2 抑制有害发酵产物，预防结肠癌食物

经消化吸收后所剩残渣到达结肠，在肠道腐败菌（大肠杆菌、梭状芽孢杆菌等）的作用下可产生许多有毒代谢产物，如氨（肝毒素）、亚硝胺（致癌物）、苯酚与甲苯酚（促癌物）、次级胆汁酸（结肠癌促进物）等。摄入菊粉后能显著增加双歧杆菌的生长，抑制腐败菌生长，减少有毒产物的生成，并且对有毒发酵产物具有吸附螯合作用，清除腐败产物和细菌毒素，从而减轻肝脏负担促进营养合成。另外菊粉代谢产生的短链脂肪酸可降低肠道pH，抑制腐败菌的生长，增加排便次数和质量，加速致癌物的排泄，有利于预防结肠癌[13-14]。

3.3 促进矿物质的吸收和维生素的合成

菊粉能大大提高 Ca2+，Mg2+，Zn2+，Cu2+和 Fe2+等矿物质的吸收，这是因为菊粉在发酵中被降解，其产生的短链脂肪酸使肠道内部的pH降低1～2个单位，增加了金属离子溶解度，并促进了被动扩散使更多金属离子进入肠细胞[15]。菊糖分解的短链脂肪酸还可刺激结肠粘膜生长，从而增大吸收面积。此外，菊粉的代谢产物可促进B族维生素及叶酸的合成，提高机体的新陈代谢，提高免疫力和抗病力。

3.4 预防癌症作用

菊粉具有潜在预防癌症作用，其作用源于发酵后产生短链脂肪酸，特别是丁酸和高浓度钙、镁离子对细胞增殖抑制作用。一些研究发现，丁酸在结肠粘膜的上皮吸收代谢，可促进肠上皮增生使柱状细胞和杯状细胞更生，杯状细胞黏液增多，维持结肠及全肠道粘膜完整性，使损伤上皮DNA修复，抑制多种肿瘤细胞生长、诱导细胞分化；同时丁酸钠还能通过许多途径诱导癌细胞发生凋亡，具有显著抗癌作用。此外，菊粉能在肠道中富集钙、镁离子，致使这些阳离子浓度升高，控制癌细胞增殖率[16-17]。

4 菊粉的开发利用

近年来，菊粉的开发利用受到国际食品界的高度重视，并在乳制品、饮料、焙烤食品、低脂低热食品、保健食品等领域成功应用。

4.1 高果糖浆的生产

利用传统方法从玉米淀粉生产42%高果糖浆至少通过三步反应得到：α－淀粉酶的液化、糖化酶的糖化和葡萄糖异构酶的异构化。42%高果糖浆经过色谱分离纯化得到90%高果糖浆，将42%高果糖浆和90%高果糖浆混合、蒸发、离子交换得到55%高果糖浆。整个生产过程步骤繁琐，且果糖的得率低[18]。日本、苏联曾经报道过用酸水解菊粉制取果糖，即在菊粉溶液中加入浓盐酸，在高温（100℃左右）的条件下水解，再进行分离纯化得到高果糖浆，我国周永国、林影等曾对此法进行过研究[19-20]。酸法水解产量较高，但色素重，无机离子含量高，脱色素和无机离子使得生产成本增加。80年代，加拿大、法国、比利时、荷兰等国的科学家开始了用微生物酶水解菊粉制取果糖的研究，即将菊粉水解酶加入菊粉溶液，在一定条件下反应，就可得到高果糖浆，果糖的得率可达90%以上。与淀粉转化法和酸法相比，用菊粉酶法制取果糖具有转化过程简单，仅需一种酶即可的优点，而且产物较单一，果糖纯度高。王建华等利用克鲁霉酵母菊粉酶一步法制取高果糖浆，菊糖浓度15%，酶添加量22 μ/g，50℃作用6 h～36h。底物水解率＞95%、水解产物中果糖占＞95%，葡萄糖＜5%，不含其它糖[21]。

4.2 生产低聚果糖

由于低聚果糖的保健特性，以及菊粉结构的特点，国内外对应用内切菊粉酶水解菊粉生产低聚果糖的研究也日益增多。Penicillium purpurogenum内切菊粉酶[22]，水解菊粉产物以 F3、F4、F5、F6 为主，水解率为32%。Penicillium sp.TN-88[23]内切菊粉酶水解菊粉24h前产物以F2、F3、F4为主，水解率50%，72 h水解率达70%，产物以三糖为主。Steptomyces rochi E87[24]内切菊粉酶水解初期以四糖为主，24 h后水解终产物为三糖，产率为71%。Xanthomonas sp.内切菊粉酶水解菊粉，在pH 7时达到最高转化率93%，水解产物主要是DP 5或DP＞5的低聚糖[25]。固定化内切菊粉酶在最佳条件：底物浓度50 g/L，反应液流速12 mL/h，在55℃下运转15 d，低聚果糖产率达到83%。

4.3 发酵生产酒精

用K.fragilis或K.marxianus直接发酵菊粉生产酒精，几乎能完全将菊粉发酵成酒精。发酵粗菊芋提取液，不须加其它营养物质，25 h内酒精产量87.8%。因此，应用微生物菊粉酶为生产酒精开辟了一条新途径[26-28]。

4.4 作为脂肪替代品

菊粉在水中的黏度随浓度的增大而增大，可形成像奶油般柔滑的凝胶，与脂肪十分相似，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。何强等曾研究了菊粉对低脂冰淇淋流变性、质构以及感官特性的影响，研究表明，菊粉的加入可提高冰淇淋浆料的黏度、成品的硬度以及粘结度，并改善冰淇淋的抗熔性，添加5%菊粉的低脂冰淇淋感官指标与全脂冰淇淋接近[29]。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，还可替代焙烤食品中的脂肪和糖分，提高焙烤食品的松脆性；以及可在蛋糕、饼干、面包中用于发展新概念制品，如益生原面包、高纤维面包等。孙彩玉等研究了菊粉作为脂肪替代物加入到低脂发酵香肠中，结果表明加入菊粉12.5%时可提供低脂发酵香肠较软的质地，且咀嚼性、弹性、内聚性和黏附性与传统香肠非常接近[30]。

4.5 菊粉在乳制品中的应用

乳制品是运用菊粉的一个理想系统，它能有效提高人体对钙质的吸收，并能模拟乳脂肪的口感在应用于低脂乳制品中，增加制品中碳水化合物的含量，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，近几年来菊粉被广泛应用于低脂或脱脂牛奶[14]。

4.6 菊粉作为饲料添加剂的应用

上官明军等通过在雏鸡日粮中添加菊粉，研究菊粉对蛋雏鸡生长性能、免疫器官指数和血清免疫球蛋白的影响，以及菊粉替代抗生素对蛋雏鸡的应用效果，结果表明菊粉有促进雏鸡生长，提高雏鸡免疫器官指数和增加血清免疫球蛋白含量的作用，尤其以0.8%添加比例菊粉效果最好，可替代抗生索部分作用在蛋雏鸡日粮中添加使用[31]。顾宪红等研究了菊粉对断奶仔猪大肠微生物区系及生产性能的影响，结果表明菊粉能显著降低断奶仔猪盲肠、结肠和直肠后段内容物pH，促进断奶仔猪盲肠内乳酸杆菌生长，增加断奶仔猪回肠后段、盲肠和直肠后段双歧杆菌数量[32]。

4.7 菊粉在各种食品中的应用

如前所述，菊粉具有比较特殊的物理化学性质和重要的生理活性功能，菊粉的开发利用受到国际食品界的高度重视，并成功应用在焙烤食品、糖果、乳制品、饮料以及调味料等食品领域，如表3。

表3 菊粉在各种食品中的应用Table 3 The application of inulin in foods

5 菊粉的应用前景

菊粉作为膳食纤维已被大众接受，并被FDA批准进入美国市场，在中国、美国、日本及欧洲作为食品和营养的增补剂，广泛应用于食品、饲料、生物、化工等工业领域中。目前工业上菊粉一般多从菊芋根中提取。菊芋的生长对土质要求不严，易种植，不占耕地面积，如日本在沿海地带大面积种植菊芋，经选种复壮后的块茎可达0.5 kg以上，菊芋在我国的大部分地区都有种植，如集中栽植、培育，可得高产作物。我国的荒漠化土地面积达262万km2，菊芋可以防风固沙，大大改善生态环境。利用其生产菊粉、高果糖浆及低聚果糖，综合利用率极高，符合我国国情，可大大提高农业生产的经济效益。

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