菊粉型果聚糖在无麸质产品中应用的研究进展

李延华 王伟军 方鲁平 王继锋 蔡丽琴

(浙江工商大学食品与生物工程学院1，杭州 310018)(浙江一鸣食品股份有限公司2，温州 325001)

含麸质的谷类(小麦、黑麦、大麦等)广泛用于食品制品中，谷类蛋白质中有80%左右的谷蛋白。麸质(Gluten)又称面筋，由两种主要的蛋白质组成：麦胶蛋白和麦谷蛋白。麦胶蛋白主要提供面团的韧性；麦谷蛋白对面团弹性有重要作用[1]。因此，麸质在加工过程中可以增加面团的延伸性，保留膨松气体，固化面团结构，并赋予面包质地弹性。然而，全球很多人群存在对面筋蛋白的不耐受问题，必须避免消费含麸质的产品。因此，不含面筋的无麸质产品(Gluten-free，GF)的饮食是比较推荐的，甚至是与麸质食品相关疾病的基本治疗方法，包括乳糜泻、小麦过敏及非腹腔麸质敏感性[2]。研究也发现一些吸收不良的短链碳水化合物存在于许多含麸质的食品中，会诱发腹痛、腹胀和改变肠道适应性(与肠易激综合症相关)的症状[3]。为满足对GF产品快速增长的需求，GF产品的生产是食品行业中发展最快的分支之一[4]。由于GF产品不易获得，严格遵守GF饮食并不容易。相比含麸质的类似产品，GF产品价格较高，并且口感和营养价值较差。与含谷蛋白的相应产品相比，GF产品提供更低含量的B族维生素(硫胺素、核黄素、烟酸)、叶酸、铁和膳食纤维[5,6]。消费者越来越意识到GF食品的健康益处，更加关注具有创新性的GF产品，希望GF产品能够与含有谷蛋白的对应产品具有相同的风味和质地。这种消费市场需求将促进越来越多的研究开发具有增加营养和功能特性的GF产品。菊粉型果聚糖(inulin-type fructan，ITFs)作为GF产品成分的应用已被广泛探索，菊粉可用作益生元、脂肪替代品、糖替代品、质地改良剂，并用于开发功能性食品，以改善健康[7]。ITFs与GF的相互作用对无麸质产品的开发及质量提升具有重要作用。

1 ITFs的化学结构及其在食品中的应用

ITFs又称菊糖，为白色无定型粉末，是一种水溶性的储备多糖，也是自然界广泛存在的一种果聚糖，属于一种非消化性碳水化合物。菊苣和菊芋块根被认为是ITFs的最丰富来源[8](见表1)。ITFs是含有一个或多个糖苷键的基于果糖的低聚糖和多聚糖的水溶性混合物[9]。在植物中，含有5种类型的果聚糖，包括线型菊糖型果聚糖、线型菊糖型果聚糖新生系列、线型梯牧草糖型果聚糖、混合型果聚糖和梯牧草糖型果聚糖新生系列[10,11]。ITFs含有β-(2-1)糖苷键，并且聚合度(Degree of polymerization，DP)和化学结构有差异(图1)。根据DP，ITFs可分为低聚果糖(Fructooligosaccharides，FOS)(DP=3～10)和菊粉(DP=11～65)[9,12]，其组成、链长、分散度取决于植物基因型、栽培条件和提取程序[13]。

表1 菊粉型果聚糖在植物中的质量分数(鲜重)

图1 菊粉的分子结构及(根据DP)划分

在美国，ITFs的平均每日消费量为1～4 g[14]，欧洲菊粉的消费量大大高于每日3～11 g，低于报道的每日至少10～20 g的耐受量[15]。由于其独特的结构特性，ITFs不会被特异于α-连接的上肠消化道酶水解。因此，ITFs可以完整地到达结肠。ITFs与益生元家族的其他物质一样，可用于肠道微生物群发酵，产生短链脂肪酸(主要是乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐)和乳酸盐，使pH值降低。ITFs可以增加细菌生物量，进而增加粪便排便频率。ITFs也影响结肠上皮细胞，通过刺激腺细胞的增殖，增加多胺的浓度，改变黏蛋白的结构，调节内分泌和免疫功能[16]。ITFs的添加体现为增加矿物质的吸收，特别是钙和镁的吸收，使血液中的三酰基甘油正常化，并降低大肠癌的风险[17,18]。

ITFs主要从菊苣根中获得，并广泛用于食品工业。ITF的DP多样性影响它们的理化性质。短链FOS比长链菊粉更易溶，并且更甜。因此，它们可以用作糖替代品，以改善低热量产品的口感[19]。由于更低的溶解度，较高的黏度和热稳定性，长链ITFs(菊粉)可用作填充剂和脂肪替代品，通常用于生产低脂乳制品，使产品具有光滑、奶油般的质地[20]。此外，由于融化、凝胶形成能力，强度和玻璃化转变温度受DP影响，使得不同DP的ITFs可以用于配制新的特定食品[21]。ITFs可用于生产低脂肪肉类产品，如香肠[22]，或在烘焙工业中用作碳水化合物[23]和脂肪替代品[24]。

2 无麸质面包中的菊粉型果聚糖

2.1 无麸质面包的结构特征及原料对其品质的影响

对GF产品研究最多的是面包，所使用的GF烘焙技术不同于传统烘焙技术，原因是面筋是保持发酵过程中产生二氧化碳所必需的组分，缺乏面筋所形成的网络结构很难获得具有良好质地的无麸质面包(gluten-free bread，GFB)[25]。由于淀粉老化，GFB和其他烘焙的GF产品(主要由不同的淀粉组成)会形成易破碎的质地，而且面包陈化的速率也较快。直链淀粉的线性分子和支链淀粉的线性部分将重新排列成晶体结构。此外，与其他含谷蛋白的产品相比，GF烘焙产品的感官品质会降低[26]。

模仿面筋黏弹性是一项关键的技术问题。纤维是GFB中研究最广泛的功能性成分，有益地影响其物理和感官品质，并可以延长GFB的保质期[27]。具有不同来源和化学结构的高分子量的长链多糖类胶体也常用于GFB配方中，由于具有亲水性，胶体会产生凝胶网络结构，用于增加面糊黏度和增强膨胀结构的边界，增加烘烤过程中的气体保留，并增强GFB的体积、结构、质地和外观。

提高GFB配方的技术和营养价值，以及使GFB配方多样化的另一种方法是使用来自GF谷物、蜂花、豆类、坚果、水果、燕麦、高粱、小米、荞麦、苋菜、藜麦和苔麸的面粉。这些物质中所富含的蛋白质、矿物质、膳食纤维和生物活性化合物，被提出作为GFB的成分[28-30]。

此外，由于GF原料的蛋白质不能保留在发酵和烘焙过程中的气体，通常通过蛋白质交联促进蛋白质网络和类似弹性的性能，利用酶来改善制品质量，并延长GFB的保质期。GFB生产中最常用的酶是淀粉修饰酶(淀粉酶和环糊精糖基转移酶)、蛋白质连接酶(转谷氨酰胺酶-TG和葡萄糖氧化酶-GO)和蛋白酶。影响营养和技术特性的GF生产的另一个重要方法是添加动物蛋白(乳蛋白和蛋类蛋白)和非谷蛋白植物蛋白[31-33]。质地、风味、GFB的保质期和营养价值也可以通过使用由小麦粉、水和其他成分组成的混合物，并由乳酸菌和酵母发酵的酸面团得到改善。这些效应来自酸面团的乳酸菌和酵母的复杂代谢活动，如酸化、胞外多糖的产生、蛋白质水解、淀粉分解和植酸酶活性，以及抗菌物质的产生[34]。

2.2 ITFs强化无麸质面包

基于ITFs在传统面包制作中的应用效果，已有研究将ITFs在GFB生产中进行应用。菊粉和低聚果糖是GFB配方中研究较多的功能性膳食纤维。Korus等[35]评估了不同益生元添加剂(包括菊粉)补充GF制剂对GFB质量的影响，指出添加5%菊粉是改善GFB技术和感官特性的最有效方法。富含菊粉的GFB体积增加(5%和8%菊粉添加量的体积分别增加4%和9%)，原因可能为GFB中使用的菊粉具有较高的与水结合的能力。与对照GFB相比，存储期间菊粉强化GFB的面包碎屑硬化率显著降低(P<0.05)。这种现象可以通过ITFs减缓水从面包内部向外的迁移能力来解释，从而延长了菊粉强化GFB的新鲜度。Maryam等[36]研究发现菊粉可以降低GFB中淀粉的结晶度，所形成的面包碎屑更软，菊粉强化面包的硬度和咀嚼性降低。菊粉的应用影响GF面糊的含水量，与未强化的GF对照面团相比，含菊粉的GF面团中含水量增加5%，表明菊粉微晶形成包围大量水的凝胶结构[37]。

ITFs的应用改善了GFB的性能，可能是由于CO2保留能力的增加[38]。与对照GFB相比，富含ITFs的GFB具有颜色更深的外壳(P<0.05)，这可能是由于在烘焙过程中通过美拉德反应有利地形成棕色含氮聚合物和黑精素。因此，这种富含ITFs的GFBs获得了高感官接受性评分。Alexandrina等[39]以小麦为原料制作面包，发现菊粉的添加量会影响面团的可加工性，不同比例的菊粉对面包体积和面包皮颜色影响显著。此外，12%的ITFs添加水平降低了GFB血糖指数，说明富含ITFs的GFB可以成为一种能够为乳糜泻患者提供营养(11%膳食纤维)和功能益处的产品。但存在的缺点是ITFs在GFB配方的应用会减少面糊的水分，从而减少了面包的水分，从而加快了储存面包的老化。

菊粉的DF决定了其在无麸质产品中的应用特性[40]。受强化的GFB中ITFs影响的变化范围取决于其结构，包括DP。Juszczak等[41]表明添加到GF面团中的长链菊粉显著地影响其流变性和黏弹性(P<0.05)，导致稠度和糊状黏度降低，面团中菊粉比例增加，糊化温度增加。分析原因为菊粉与水结合，减少淀粉颗粒的膨胀，减少淀粉颗粒的体积和有限的摩擦会导致黏度性质的降低。较低DP(<10)的ITFs对GFB的物理和技术特性产生有利影响[42]。短链ITFs添加量的增加会显著增加GF面包的体积(P<0.05)。低DP菊粉(含有单糖和低聚糖)与淀粉之间未结合水的竞争导致淀粉糊化延迟，促进面包体积增加。随着菊粉含量的增加，面包硬度降低，延长了富含菊粉的GFB的保质期。同时，菊粉含有大量亲水基团，具有保水能力，菊粉的应用可减少面包中的水分流失[43]。

根据针对乳糜泻患者进行的消费者测试，以及由经过培训的感官小组进行的定量描述性分析(QDA)进行评估。在分析的GFB中，由于改善了外皮颜色、孔隙率和质地，以及味道和风味，与用FOS强化的面包是有差异的，所以ITFs被纳为特殊种类面包的添加物质[44]。FOS还被用作基于酸木薯淀粉的奶酪GFB的添加剂，这是一种在一些南美国家流行的特殊产品[45]，研究时发现添加FOS(9%)降低了吸水指数，并增加了淀粉-FOS混合物的溶解度，表明淀粉与FOS之间缺乏协同相互作用。另外，与淀粉相比，低聚糖具有更高的水溶性，因此提高GFB配方中的FOS浓度可以降低糊化黏度。

此外，Morreale采用具有低转化酶活性的酵母发酵制作菊粉面包，发现所选用的酵母可以降低菊粉在烘烤过程中的损失，表明具有低转化酶活性的酵母可被推荐用于制作富含菊粉的无麸质面包[46]。

3 ITFs在其他无麸质产品中的应用

3.1 无麸质面食

意大利面是在世界各地非常受欢迎的食品。传统的意大利面仅由粗小麦粉和水组成，在这种条件下，小麦蛋白提供适当的面筋结构，并在烹饪过程中影响其质地。面筋在烹饪过程中凝固，形成一个强大的网络，防止淀粉颗粒浸出。由于GF面食中缺乏适当的面筋网络，造成产品的黏性较差[47]。GF意大利面主要由玉米和(或)米粉组成，其质地和感官特性较传统的粗面粉糊差，可使用包括ITFs在内的不同添加剂来改善GF面食的质量。Mastromatteo等[48]将菊粉(高达20%)用于GF玉米面食，干燥和煮熟的GF玉米面食中菊粉的含量不同，发现采用5%菊粉强化的GF玉米面食具有最高的感官质量得分。富含较低添加量(5%或7.5%)菊粉的玉米面食的伸长率和剪切黏度值较高；由于面团坚固度太高，富含较高含量菊粉(15%或20%)的样品无法进行流变学测量，得出增加菊粉的添加量(超过12.5%)会导致面团的坚固度增加。

此外，在含有麸质的意大利式细面条中添加较高含量的菊粉会对样品的整体感官质量产生负面影响，原因是菊粉添加量的增加会导致淀粉糊化减少，进而产生硬度降低。面团硬度与烹饪过程中淀粉颗粒的水合作用，以及随后将凝胶化淀粉颗粒嵌入基质中有关[49]。菊粉是一种高度结合水的大分子，与淀粉竞争水分子，从而限制淀粉溶胀和糊化，提高吸热峰温度值[50]。Mastromatteo等[48]将GF玉米粉面团进行预糊化，这一过程可能影响面团的流变性质。当淀粉在有水存在条件下加热及随后冷却时，淀粉会发生老化现象，分裂的直链淀粉和支链淀粉链可以再次重排成结晶的结构，同时伴随着一系列物理变化，如黏度增加、凝胶形成、水渗出和结晶度增加[51]。

3.2 无麸质饼干产品

由于面筋在饼干中的作用相对较小，生产无麸质饼干比生产无麸质面包更容易[52]。含有大量菊粉对饼干产品是有益的，原因是菊粉降低了产品的热量值，并增加了膳食纤维含量，使饼干产品更健康。因此，有关菊粉作为膳食纤维来源，并具有重要生理功能的GF饼干的相关研究较多。Maghaydah等[53]研究表明不同浓度菊粉制造的改善膳食纤维含量的饼干，其感官(质地、香气、风味、柔软度)或物理(宽度、厚度、扩散因子、水分)性质之间没有显著影响。菊芋作为丰富的菊粉来源(DM的50%～60%)可用作GF饼干中糖和脂肪的替代品。Sharoba等[54]在GF玉米粉饼干配方中使用菊芋粉，含有菊芋粉的GF玉米饼干中蛋白质含量和纤维含量随菊芋量的增加而增加；含有菊芋粉的GF饼干比对照GF饼干具有更低的热量值和更高的矿物质含量；菊芋粉在GF玉米饼干中的应用没有引起样品感官特性的不良变化。Tatiane等[55]以菊粉作为米粉的部分替代品，将菊粉添加到无麸质巧克力曲奇中，指出25%比例的菊粉替代米粉的巧克力曲奇具有较高的粗糙度、破碎性、黄色色度值和红色色度值，并具有较低的焦糖香气、焦糖风味、亮度、黏附性、咀嚼性和硬度，菊粉替代米粉的巧克力曲奇的感官特性可被消费者接受，菊粉的添加可以增强钙的吸收。

3.3 无麸质调味汁和甜点

牛乳、油、小麦粉和盐是白汁的经典成分，因此白汁不能被GF饮食的消费者食用。然而，小麦粉可以被天然的GF淀粉取代，以获得GF白酱。大米淀粉和玉米淀粉已应用于GF白酱的生产。然而，由于对低脂肪产品的需求增加，这就要求使用淀粉替代品或者减少用量，或者使用脂肪替代品，如菊粉。Guardeno等[56]分析了菊粉在由天然或改性大米淀粉和大豆蛋白制成的低脂GF白色调味汁中的应用效果，指出菊糖的添加有利于糊化颗粒和大豆蛋白-淀粉颗粒聚集体的分散，并且可以降低改性大米淀粉酱的黏度。此外，在含有大豆蛋白的改良大米淀粉酱中使用菊粉能够被消费者接受，适于配制可在冰箱中储存稳定的GF白色调味汁。Guardeno等[57]也发现不同玉米淀粉的GF白酱中可以添加菊粉。用改性玉米淀粉制成的GF白色调味汁在整个储存期间具有稳定的颜色参数，可供需要消费排除面筋且具有特定营养需求的消费者食用。

乳蛋糕是一种奶油甜点，配料中所使用的可倾倒的酱汁及糕点奶油均具有不同的稠度。向木薯淀粉添加具有不同DP的菊粉可以影响乳蛋糕的品质[58]。添加到GF木薯粉中的短链菊粉会产生较高的厚度、甜度和香草味感觉，产品不具有乳蛋糕的典型流变性质。当使用较高含量的长链菊粉(短链菊粉和长链菊粉的比例为25∶75)时，乳蛋白的质地和假塑性达到最高值。其他关于奶油甜点的研究证实，在卡拉胶存在时，添加短链菊粉和长链菊粉(6%和7.5%)可以提高产品的稠度、黏度和弹性，原因是卡拉胶具有更高的水结合能力，起到共溶的作用，从而有助于提高黏度[59]。另一方面，长链果聚糖可以相互作用，并聚集形成水结合复合物，热稳定性更好，并且溶解性更小[60]。乳蛋糕的感官特性受两种类型的ITFs的影响，短链菊粉可以增强风味和甜味，而长链果聚糖可以改善稠度，同时降低光滑度，并增加粗糙感。

4 结论与展望

与谷蛋白相关的病症有所增加，并成为世界范围内常见的问题，在饮食中减少或排除含谷蛋白的谷物已成为针对这些疾病的有效安全的解决方法。在食品加工领域中，ITFs被用于影响GF产品的流变学和工艺参数，目前，富含ITFs的GF谷物类产品主要为面包、面食、饼干、调味汁和甜点等制品，添加到GF产品中的ITFs会与其他成分和添加剂相互作用，并且可以改善GF产品的感官、质地和保质期。然而，富含ITFs的GF产品在市场上的供应仍然非常有限，研究可以进一步加强富含ITFs的GF产品的功能和潜在的健康益处方面的探索，提升富含ITFs的GF产品的品质，满足市场需求。