糖醇在食品医药 及农业领域的应用研究进展

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(青岛大学环境科学与工程学院,山东青岛 266071)

糖醇是糖(包括四碳糖、五碳糖和六碳糖)的醛基、酮基或半缩醛羟基被氢还原后得到的多元醇化合物,即糖醇可以由相应的糖来制取,如葡萄糖加氢还原生成山梨醇,木糖还原生成木糖醇等[1]。目前我国市场开发的糖醇均为具有特殊功效的糖类碳水化合物,根据结构可分为单糖醇(如赤藓糖醇、木糖醇、山梨糖醇、甘露糖醇)与多糖醇(如麦芽糖醇、乳糖醇)[2],由于糖醇在人体新陈代谢过程中具有不同于蔗糖的特殊功能,因此又被称之为功能糖醇。

糖醇在食品工业中应用广泛,相比蔗糖,具有低热量、低血糖、低胰岛素应答等特性,并且有较高的耐热性,在高温时,不会产生美拉德反应,对改善食品品质、预防慢性疾病的发生有积极意义。此外,糖醇还对链球菌具有杀菌作用,可以增强人体对呼吸道感染的抵抗力。糖醇还可与植物所需营养元素形成稳定的复合体,作为叶面肥喷施,避免根施时土壤对营养元素的固定,促进肥料利用率的提高。

糖醇作为新型甜味剂被广泛应用于食品工业,但国内市场对糖醇的其他应用还不全面,糖醇在各行业还有很大的应用空间。本文综述了糖醇在食品、医疗、农业等领域的应用进展和重要成果,为今后糖醇的推广应用和促进生产提供依据,糖醇具有巨大的市场前景和广阔的发展空间。

1 糖醇在食品工业上的应用

随着物质生活水平的提高,人们对食品安全和健康营养日益关注,新型甜味剂成为了国内外研发的热点。糖醇在人体内代谢不受胰岛素控制,不会引起血糖升高,如用木糖醇代替蔗糖制作的食品适合糖尿病人食用[3],并且糖醇在改善食品品质、预防肥胖以及疾病发生等方面发挥重要作用,是一种健康营养的食糖替代品[4-5]。

1.1 糖醇在焙烤类食品中的应用

糖醇(木糖醇、山梨糖醇等)作为低热量的食品甜味剂,广泛应用于焙烤类食品中,可以为酵母的生长与繁殖提供营养物质,可以改善制品组织状态,提高制品营养价值,延长制品储存寿命。国内外对糖醇应用在焙烤食品方面进行了诸多探讨,取得了不少成果。

研究表明,添加糖醇可以有效地改善面粉面团的性质。刁子蔚等[6]、王伟等[7]在面粉中添加木糖醇,发现添加3%～5%的木糖醇可减缓小麦粉老化速度,降低面团糊化温度,延长面团稳定时间,增加面团的弹性。糖醇不仅对小麦粉起作用,而且还可以应用在其它淀粉中。南冲等[8]通过分析糖醇对甘薯淀粉理化性质的影响,发现麦芽糖醇、赤藓糖醇和木糖醇均能明显降低甘薯淀粉的溶胀度和溶解性,且添加量越多效果越明显。

糖醇具有良好的吸湿性能及保湿性,适于松软性食品生产,可保持食品风味、提高食品质量。杨柳等[9]采用低场核磁共振及成像技术,发现赤藓糖醇具有较好的保水性,并能降低水分的运动性,相同贮藏时间下,糖醇面包水分含量高于蔗糖面包;彭博等[10]发现,山梨糖醇能明显降低面包的硬度、改善面包咀嚼口感,降低储存期间的老化度。用糖醇替代烘焙食品中的食糖,可提高烘焙食品品质。Ronda等[11]、郝月慧等[12]用糖醇(木糖醇、麦芽糖醇)取代海绵蛋糕中的蔗糖,发现糖醇与淀粉结合状态更好,烘烤后蛋糕的质地和口感更好,且添加糖醇烘焙出的蛋糕满足人们对低脂、无糖、低卡路里的需求。

在烘培类食品中糖醇应用较多的是麦芽糖醇和木糖醇,此外,甘露醇、山梨醇、低聚果糖等也有应用。现有数据表明食品中的糖醇不会对人体产生危害,但过量服用仍会损害健康,因此,消费者应控制摄入量,生产厂家也需在配料表中注明含量。

1.2 糖醇在无糖糖果中的应用

无糖糖果一般用糖醇替代简单糖(蔗糖等)制成,可以有效地预防龋齿,也适合糖尿病患者食用,具有较高的推广价值。李文钊等[13]将赤藓糖醇和麦芽糖醇作为主要原料,发明了一种无糖硬糖,该糖不会升高人体血糖和胆固醇水平;王成福等[14]用麦芽糖醇浆和木糖醇液生产糖果,发现随着木糖醇用量的增加,与普通糖果相比,糖醇糖果口感更冰凉清爽,而且高血压和肥胖病人等蔗糖禁忌者也可食用,该种无糖糖果符合国际上糖果食品向低糖、低热量、保健性发展的趋势。李发财等[15]发现赤藓糖醇的极低吸湿性可以减少奶片中脂肪的氧化,糖醇较高的溶解热和耐受量改善了奶片的口感和安全性,极低的热量值有利于低能奶片系列产品的开发。苏蕾[16]把糖醇加入至冰淇淋中,通过冰晶体效果测定和风味测定,结果表明添加麦芽糖醇的冰淇淋质地最佳。糖醇独具的低粘度、低凝固点、高溶解热等特性使其在高端食品工业上,如无糖巧克力及奶系列制品生产中具有良好的开发前景。

1.3 糖醇在肉制品中的应用

糖醇能够改善肉制品品质,增加口感,延长保质期以及降低生产成本。在肉糜脯制作过程中,逄晓云等[17]用麦芽糖醇部分替代蔗糖,发现不但不影响肉糜脯的水分活度,而且还可以增加含水量,提高柔软性;陈宇飞等[18]也通过实验发现,随着山梨糖醇添加量的增加,猪肉糜脯的硬度减小,同时山梨糖醇也起到一定的抗氧化作用,提高了产品品质。为解决我国发酵香肠的生产周期长、口感硬等弊端,郇延军等[19]借助核磁共振技术发现,添加12%的山梨糖醇能够显著缩短发酵香肠的加工时间,由25.8 h降低到8.8 h,口感也明显改善;并且,杨柳等[20]发现添加适量木糖醇还能使香肠货架期延长。祝婕等[21]用木糖醇烹饪叉烧肉发现,可改善蜜汁叉烧肉的口感,在硬度、弹性、咀嚼性等方面都有提高。

糖醇还可作为低温保护剂用于肉制品的冷冻存储,保证鱼肉等蛋白质在冷藏中的品质,其机理为糖醇分子结构中的羟基官能团能够与溶液中的水形成氢键,阻碍水分子的有序排列,从而弱化水的结晶[22]。韦振雷等[23]在鱼糜中加入含山梨醇的低温变性保护剂,可以防止由于快速冷藏过程中冰晶的出现而造成的蛋白质变性,保障了产品的品质。

1.4 糖醇在其他食品中的应用

近些年,随着人们对糖醇认识的深入,糖醇在其他食品工业的应用也逐渐扩大,如果酱、果汁的生产中加入糖醇有助于产品品质的提升。高圣君等[24]研究表明柠檬汁饮料加入1%～3%赤藓糖醇有助于减缓维生素C的降解。糖醇还应用于果酱的制作。赵勇等[25]研究表明,添加木糖醇对香蕉果酱的甜度、口感等方面都有改善。Ragab[26]尝试用木糖醇制备无糖的杏酱,在制作储存期间发现果酱的总糖量不变,还原糖量增加,而且还能增强果酱的抗氧化活性[27],使果酱色泽和味道明显改善。

2 糖醇在医疗卫生上的应用

糖醇可以影响人体内多种酶的活性,促进益生菌增殖[28],加快肠道蠕动,促进骨内胶原蛋白的合成,并且具有抗菌特性,在医药行业具有广阔的应用前景。韩春妮等[29]采用过氧化氢(hydrogen peroxide,H2O2)致pc12细胞(一个常用的神经细胞株)氧化损伤模型,发现赤藓糖醇能明显改善氧化损伤后的pc12细胞形态,提高细胞存活率,同时保护细胞膜以降低乳酸脱氢酶(LDH)泄露,提高细胞内微量还原型谷胱甘肽(GSH)含量。Kim等[30]研究表明木糖醇和山梨醇显著增强牛乳过氧化物酶和唾液过氧化物酶活性,使与过氧化物酶有关的竞争性念珠菌活性呈负增长趋势,并抑制唾液溶菌酶活性。

众多研究表明,糖醇能显著促进肠道有益菌的生长。Chen等[31]在研究中发现,每日服用15～45 g乳糖醇可显著提高双歧杆菌和乳酸菌的数量;同样,魏涛等[32]以小鼠为实验对象发现木糖醇进入肠道后,不仅促进乳杆菌和双歧杆菌增殖,而且还刺激肠道蠕动,使糖醇具有良好的润肠通便的作用。为寻求小肠MR检查中一种效果好且副作用低的对比剂,徐晓旻等[33]通过试验发现,山梨糖醇作为对比剂用于小肠MR检查效果较好,并且山梨糖醇混合液对小肠扩张效果和图像质量较2.5%甘露醇好且副作用更低。

糖醇在细胞的保存中发挥重要作用。Sitaula等[34]在研究山梨醇的低温保护作用时发现,山梨醇可以显著提高牛精子细胞对渗透压损伤的抵抗力,从而加强牛精子细胞在干燥过程中的耐受力。杨波等[35]经过试验发现,D-山梨醇、木糖醇或麦芽糖醇有助于对人肝细胞的低温保存,其中添加D-山梨醇组复温后细胞的存活率和贴壁率均优于其他处理组,且木糖醇还能改善肝功能,对肝炎病人可起到降低转氨酶的作用[36]。

糖醇在预防骨质疏松方面具有一定的作用。高秀梅等[37]研究发现木糖醇能抑制钙盐溶解进而抑制骨吸收,也能促进骨胶原蛋白合成,提高骨的弹性位移、能量吸收等。

糖醇具有一定的抗菌清洁作用。糖醇的抗菌机制目前还不完全清楚,通常认为糖醇是通过果糖磷酸转移酶系统介导,从而抑制细菌的生长[38]。刘丽[39]研究发现木糖醇对动物源常见病原菌(大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌)有一定的抗菌作用,并且研究了随着时间、浓度的变化,木糖醇的抗菌作用效果变化,为木糖醇在动物医学中的应用提供了科学依据。Weissman等[40]发现木糖醇与水混合是一种良好的鼻腔冲洗剂,在10 d的短期试验里,木糖醇灌注对慢性鼻窦炎的改善效果优于盐水灌注。此外,糖醇还具有抗龋齿性,能抑制变形链球菌胞外葡聚糖水解酶的活性,从而减少酸性代谢产物对牙釉质的腐蚀[41],维护口腔安全。宋文凤等[42]也综述了赤藓糖醇可以减轻牙齿表层釉质的脱矿程度,抑制变异链球菌产酸。张媛媛[43]发现咀嚼糖醇口香糖对牙齿有一定的清洁作用,可以有效地清除牙菌斑,可以作为一种辅助手段维护口腔卫生。

大量研究结果表明糖醇在医疗卫生领域有着积极的作用,在促进康健保障方面亦有突出的表现,后续应加强糖醇在生物体内的迁移转化机理研究,为扩大其应用范围提供技术依据。

3 糖醇在农业生产上的应用

糖醇物质如甘露醇、山梨糖醇、木糖醇等由于具有良好的渗透、湿润等功能,可以作为叶面肥的主剂直接施用于作物上,增强作物抗逆性,提高作物产量和品质。于会丽等[44]通过盆栽试验,发现喷施山梨醇可促进小油菜对氮、磷、钾的吸收利用,提高产量。Steinitz[45]研究表明,糖醇可以多种方式调控细胞和组织的生长和发育:首先,糖醇可以被吸收并作为代谢物起作用;其次,糖醇可能通过化学信号改变分子和生理过程;另外,在某些情况下,糖醇可以作为酶和其他大分子的保护剂,抵抗有害的化学或物理渗透胁迫。

糖醇在农业上更多的是作为螯合剂用于螯合肥的生产,与作物所需的营养元素按特定比例形成稳定的复合体,可有效促进营养元素的吸收。孙小龙等[46]、王延明等[47]通过对照实验发现,喷施糖醇锌有助于锌在马铃薯块茎中的积累,糖醇锌处理的块茎产量比空白对照增加了22.5%;这是因为糖醇锌更易于与叶片角质层间隙发生渗透作用,促进植物叶片对锌的吸收。Wu等[48]发现喷施糖醇螯合钙后,茄子的叶长和叶宽均显著增加,说明糖醇螯合钙促进植物细胞分裂和扩大,从而使营养物质向其生长部位大量运输;王守银等[49]发现叶面喷施糖醇钙处理的黄瓜干鲜重和叶绿素含量均有所增加,叶片钙吸收量高于根茎部钙吸收量。

糖醇螯合肥还可有效防治植物缺素导致的生理病害。李靖等[50]在果实生育期喷施糖醇螯合钙,果实的硬度提高,裂核率降低;刘铁铮等[51]通过对杏幼果期喷施糖醇螯合钙试验发现,杏果实钙含量有所增加,裂果果实较少。

大部分金属类矿质养分在植株韧皮部碱性环境下溶解性和移动性都较差,导致肥料利用率降低,糖醇作为光合作用的初产物,与矿质养分复合体在碱性溶液中移动优势明显,加上其结构上的多齿性,在农业领域上的应用会更加突出,特别是作为高端肥料的载体应当引起人们的高度重视。

4 糖醇在其他方面的应用

糖醇在工业制造、农业杀虫等领域也有重要应用。林海恋等[52]在山梨糖醇对锶铁氧体的粒度分布和磁性能影响研究中发现,山梨糖醇的添加能够有效地改善锶铁氧体的晶体结构,提高磁性颗粒的取向度,从而利于晶体的形成和磁性能的改善。张晨等[53]利用物性分析仪研究赤藓糖醇、木糖醇、乳糖醇对结冷胶凝胶质构的影响发现,3种糖醇对结冷胶凝胶强度和硬度有不同程度的降低作用,且都随糖醇质量浓度的增加而降低。Nguyen等[54]发现,糖醇是冷冻铸造过程中潜在的多功能药剂,冷冻铸造可可片时,糖醇起着粘合剂、清洁剂和甜味剂的作用;另外,糖醇的结合功能和高可溶性显著提高了片剂的拉伸强度和分散、溶解速率。Baudier等[55]研究发现,当果蝇消耗赤藓糖醇时,它们的寿命以正浓度依赖性的方式下降。相反赤藓糖醇对人类是安全的,即使在高水平消耗时也是如此。

5 展望

随着人们生活水平与认知水平的提高,安全优质的化学产品越来越得到重视。糖醇由于结构上的特点表现出来的低热量、抑菌、低温稳定性、对金属离子的保护作用等优异特性,在食品、医药等领域的作用逐渐凸显出来。尤其在食品领域,逐渐替代(或部分替代)蔗糖的糖醇消费数量逐渐增大;但我国生产的糖醇产品多为普通级,具有特殊性能的糖醇产品开发力度不足。

在农业应用上,一方面,糖醇具有良好的渗透、湿润、运移等功能,可以作为叶面肥的主剂直接施用于作物上,增强作物抗逆性,提高作物产量和品质;另一方面,糖醇还可以作为一种优质的螯合剂促进作物对矿质养分的吸收,提高肥效,未来会在高端肥料领域发挥重要作用。