水苏糖在食品工业中的应用

魏永峰,赵雷振,王 芸,黄志强,袁文鹏*

1.齐鲁工业大学(山东省科学院) 山东省科学院菏泽分院 山东省生物工程技术创新中心,山东 菏泽 274000;2.齐鲁工业大学(山东省科学院) 食品科学与工程学院,山东 济南 250353

水苏糖是一种自然存在于唇形科、豆科、玄参科等植物中的功能性低聚四糖,属于α-低聚半乳糖。水苏糖分子式C24H42O21,分子量666.59,由1分子α-葡萄糖,1分子β-果糖和2分子α-半乳糖结构组成,其分子式结构如图1,其甜度仅为蔗糖的22%,具有较高的热稳定性和溶解性[1-3]。水苏糖理化性质稳定,生理功能特殊,为其在功能性食品领域的应用奠定基础[4-5]。

图1 水苏糖的分子结构

水苏糖是一种天然的超强双歧因子,具有调节肠道微生物菌群,促进肠道蠕动,防治便秘,治疗急慢性腹泻、结肠炎,增强机体免疫能力,辅助降血压、降血脂,预防龋齿,促进体内铅排除,治疗亚临床肝性脑病(SHE)等生理功能[6-9]。随着其生理功能的不断发掘和大健康产业的蓬勃发展,水苏糖逐渐成为保健食品和功能性食品行业研究和开发的新焦点,应用领域将不断被开拓。本文主要阐述水苏糖的生理功能及其在食品工业中的应用,以期为水苏糖的进一步开发利用提供理论支持和科学指导。

1 水苏糖的生理功能

1.1 调节肠道微生物菌群,预防肠道黏膜损伤

水苏糖是一种功能性低聚糖,不能被肠胃消化液分解,但可被肠道中的双歧杆菌、乳杆菌等益生菌群吸收利用,促进肠道内有益微生物菌群增殖,起到保持肠道内微生态平衡、改善肠道功能的作用。有多项研究表明:水苏糖可被双歧杆菌等肠道有益微生物菌群吸收利用,分解为醋酸和乳酸,调节肠道内pH值,抑制大肠埃希菌、产气荚膜梭菌等有害菌的生长繁殖,维持肠道内微生态平衡,同时起到减少肠道内毒素产生的作用[10-12]。另有研究报道,水苏糖作为益生因子可促进双歧杆菌以40倍的速度增殖,显著高于其他益生因子作用于肠道菌群[13]。Zhao等[14]研究水苏糖在体外对人肠道微生物丰度和多样性以及对肠道新陈代谢的影响,水苏糖在肠道菌群的作用下分解成短链脂肪酸(SCFAs),包括乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸和异戊酸等,这些短链脂肪酸可降低肠道内pH值,增加乳酸菌、链球菌等细菌的相对丰度,降低志贺氏菌、拟杆菌属和副拟杆菌属的相对丰度,有效抑制病原菌的增殖,起到维持肠道正常功能的作用。表明水苏糖在体外可调节人肠道微生物丰度和多样性以及肠道代谢产物,因此起到改善肠道微生物环境、预防消化道疾病的作用。

动物肠道黏膜组织结构与功能状态是判断肠道黏膜完整性的重要指标,肠道黏膜绒毛高度与成熟细胞数呈正相关,绒毛较长,成熟细胞数量增加,肠道功能趋于正常;绒毛基部隐窝深度与细胞生成率相关联,隐窝深度变浅,表明细胞生成率上升,分泌功能增强。绒毛高度与隐窝深度比值 (the Ratio of Villus Height to Crypt Depth,V/C值)升高,表明肠道黏膜损伤改善,消化吸收能力增强,肠道功能得到调节[15]。水苏糖在维持肠道微生态平衡的同时,可预防免疫抑制小鼠的肠黏膜损伤。Shang等[16]研究水苏糖对环磷酰胺诱导免疫抑制小鼠肠黏膜损伤的影响,经环磷酰胺诱导,免疫抑制小鼠的肠道菌群平衡被打破,肠道黏膜完整性被破坏。与环磷酰胺组相比,经水苏糖处理,回肠V/C值由(2.525±0.10)增加到(4.891±0.16),空肠V/C值由(2.719±0.03)升至(5.827±0.19),表明水苏糖可能通过刺激V/C值升高起到改善肠道黏膜损伤的作用。同时经水苏糖处理,小鼠的肠球菌数量显著减少,双歧杆菌数量显著增加,并提高小鼠血液中白细胞数量和自然杀伤细胞(NK)活性,表明水苏糖能增强免疫抑制小鼠的细胞免疫功能。

婴儿阶段是肠道微生物菌群发育的关键时期,婴儿肠道微生态构建的动态变化直接影响其童年时期的生长发育,并且与机体的免疫力密切相关。婴儿初期的肠道微生态构建极易受到各种因素的影响,尤其是日常饮食、益生元、营养补充剂等的影响。通过探究益生元对婴儿阶段肠道菌群动态构建的影响,可以掌握益生元对婴儿肠道微生态形成的作用和规律,以进一步探究其作用机制和临床应用。目前,无菌动物模型已在肠道微生物菌群研究和免疫与新陈代谢研究领域中发挥着重要作用,成为研究人与动物功能微生物组不可或缺的技术工具。迄今为止,有关水苏糖对婴儿肠道菌群影响的研究较少,其作用机制仍不明确。Xi等[17]将婴儿粪便(婴儿肠道菌群)移植到无菌小鼠构建人源化菌群小鼠模型,研究生命早期阶段摄入水苏糖对肠道微生态构建的影响,对无菌小鼠进行粪便移植后,小鼠肠道内益生菌如双歧杆菌、A.muciniphila丰度增加,并改善小鼠结肠结构,增厚黏膜和肠壁。杯状细胞可以通过分泌粘蛋白MUC2,增强肠道免疫力,维持肠黏膜体外液体平衡,参与肠黏膜屏障形成[18]。通过摄入水苏糖,显著促进小鼠杯状细胞的数量,分泌更多粘液和肠黏膜外层,防止肠道组织细菌感染,同时下调NF-κB的表达,调节结肠炎症水平[19],这进一步证实水苏糖具备减轻肠黏膜损伤、增强肠道的屏障功能。

1.2 润肠通便,缓解便秘

便秘是临床常见的肠道疾病,我国成人慢性便秘患病率为4%～10%。研究发现:便秘患者通常存在肠道菌群失调,专性厌氧菌减少,肠道功能紊乱,肠蠕动缓慢等症状。因此,可以通过改变肠道微生态环境,调节肠道功能,从而改善便秘症状。水苏糖可促进双歧杆菌等有益菌群增殖,降低肠道pH值,在肠道形成生物菌膜,抑制有害菌繁殖,刺激肠道蠕动,缩短粪便在肠道内的时间,增加排便次数[20]。同时水苏糖具有较强的吸水性,可增加粪便含水量,避免粪便失水硬化,防止便秘发生。Li等[21]采用复方地芬诺酯建立小鼠便秘模型,研究高富含水苏糖的低聚糖对小鼠肠道菌群和便秘症状的影响,结果显示高富含水苏糖的低聚糖可促进肠道有益细菌的生长,抑制病原菌的生长;摄入不同剂量低聚糖小鼠的平均小肠推进度均显著高于便秘对照组小鼠,同时能显著缩短便秘小鼠的排便时间,增加便秘小鼠的排泄量,明显增加小鼠5 h内排出黑便的重量和次数,即使是低剂量摄入也能对小鼠的便秘症状缓解有明显的促进作用。表明富含水苏糖的低聚糖具有促进小肠蠕动,缩短排便时间,改善肠道功能的作用,这与梁耀锋的研究结果相一致。梁耀锋等[22]利用水苏糖制作水苏冲剂进行灌胃小鼠,结果显示水苏冲剂能明显促进小鼠的小肠蠕动,缩短小鼠的首次排便时间。

席昭雁等[23]利用水苏糖产品进行人体临床试验,选104例受试者,其中试验组53例。试验组口服水苏糖产品,经临床观察30 d,试验组实验前后血常规、尿常规以及血生化指标无明显异常,排便次数明显增加,排便状况明显改善,表明水苏糖产品对人体具有改善便秘,润肠通便的作用。

1.3 降低炎症因子、调节免疫功能

水苏糖被双歧杆菌利用分解产生蜜二糖、甘露三糖等免疫活性因子,这些免疫活性因子可以活化免疫细胞,降低炎症因子,促进机体进行免疫调节。NF-κB通路是炎症因子释放的关键通路,抗生素的使用会增加结肠组织中炎症因子IL-1β、6、17 和 TNF-α 的表达。Xi等[24]证实水苏糖可下调 NF-κB 通路以调节炎症因子释放,降低血清中IL-17和TNF-α的水平,并增加Occludin和ZO-1的表达和SIgA 的水平,以改善肠黏膜的紧密连接,减轻肠道损伤,增强肠道屏障和免疫功效。

长期高脂饮食(HFD)会引起多种健康问题,是糖尿病、中枢神经系统炎症、非酒精性脂肪肝其他疾病的高危险因素。有研究证明,与正常饮食相比,喂食小鼠长期高脂饮食会影响其对环境因素的免疫反应,引起炎症发生,改变免疫特征、巨噬细胞冠样结构、脾脏 CD4+T 细胞和 CD11c+树突细胞[25]。Liu等[26]研究水苏糖对长期高脂饮食诱导的小鼠炎症和肠道菌群失调的调节作用,结果证实,通过水苏糖干预可显著抑制长期高脂饮食诱导的TNF-α升高,增加长期高脂饮食诱导小鼠的 CD4+T 细胞数量,急剧下调小鼠全血中白细胞的比例,并明显改善小鼠结肠组织中因长期高脂饮食诱导的隐窝变形或萎缩、黏膜表面不规则、杯状细胞减少、基底淋巴细胞聚集等病理变化。同时,通过水苏糖干预可明显减少长期高脂饮食诱导的肝脏炎症细胞浸润,进一步证实水苏糖具有改善炎症、调节免疫功效的作用。

溃疡性结肠炎多数是由于外界的病原菌入侵体内,导致肠道菌群失衡、微生物多样性降低,引发局部发病,引起阵发性的腹痛腹泻,严重的还会导致呕吐,食欲减退,腹胀等并发症。葡聚糖硫酸钠(DSS)诱导的急性结肠炎小鼠模型在症状和病理表现上与溃疡性结肠炎相似,He等[27]研究水苏糖对急性结肠炎小鼠炎症水平和肠道微生物菌群的影响,通过组织学分析表明,水苏糖显著减少DSS诱导的结肠炎结肠病变,抑制DSS诱导的炎性细胞因子IL-6、IL-10、IL-17a 和 TNF-α 水平的上调,有效减轻结肠炎炎症,为水苏糖治疗结肠炎提供数据支持。

另外,水苏糖还具有防止龋齿、促进排铅、改善胰岛功能、调节肝脏炎症等功能[28-30]。

2 水苏糖在食品工业中的应用

2.1 在乳制品工业中的应用

水苏糖在乳制品工业领域得到广泛应用。水苏糖可刺激双歧杆菌的生长与活性,作为益生元应用到乳制品生产中,开发出功能性乳制品[31-32]。于静等[33]将水苏糖添加到酸奶制品中,以活菌数和感官评分为指标,得到质地均匀,粘稠度和流动性均适宜的高活菌数酸奶,充分利用水苏糖和益生菌的双重保健功效。陈合等[34]和Shu等[35]利用水苏糖作为益生元,添加到酸羊乳中,以开发一款利用羊奶为原料的功能性酸羊乳,当水苏糖添加量为8%时,能促进普通酸羊乳益生菌增殖,添加量为4%时,能促进酸羊乳嗜酸乳杆菌增殖。

针对人们普遍存在的肠道功能紊乱问题,目前众多厂家以功能性低聚糖为切入点,通过添加低聚果糖、低聚半乳糖等功能性低聚糖,开发出具有调节肠道微生态平衡功能的配方奶粉产品。但多数功能性低聚糖需通过较多的摄入量,才能达到预期的效果。较高的功能性低聚糖添加量,将对奶粉的理化指标和感官评价有很大的影响,因此迫切需要一款较低添加量,同时能达到调节肠道功能的低聚糖,实现产品功效和口感的平衡与协同提升的目标。陈合等[36]将水苏糖添加到奶粉中,研究其对奶粉理化性质、增菌效果的影响,结果表明:当添加量≤3.5%时,水苏糖对奶粉的酸度和蛋白质含量等理化指标没有显著影响,但对以奶粉为营养物质培养的双歧杆菌具有明显的增菌作用,且对嗜酸乳杆菌、鼠李糖乳杆菌均有促进增殖作用,起到益生元的作用,为开发含水苏糖具有肠道保健功能的配方奶粉提供理论依据,因此,可针对不同人群开发出含水苏糖的儿童奶粉、孕妇奶粉、中老年奶粉等产品。水苏糖亦可添加到普通杀菌乳或者调制乳中,以增加其保健功能。

2.2 在面制品工业中的应用

面制品是我国的主食之一,不同面制品的生产工艺对面粉品质要求不一,需要添加品质改良剂以制备各类面制品专用粉。随着食品工业的快速发展和人们对绿色健康饮食要求的提高,添加天然、无毒害作用,且具备营养和功能的面粉改良剂有着广阔的前景。水苏糖作为一种低聚糖,被誉为“高活性双歧因子”,可促进肠道益生菌的快速繁殖,抑制有害菌的生长,将水苏糖添加到面制品中,可有效改善面粉品质,提高面粉营养价值,赋予面制品功能特性。陈卫军等[37]和吕俊丽等[38]利用水苏糖溶于水后具有较好的流动性,研究水苏糖对面粉品质的影响,结果表明水苏糖吸水后具有较好的粘弹性,随着水苏糖添加量增加,可明显降低面粉的吸水率,增加面团的流动性,改善面团的稳定时间,同时水苏糖可延缓淀粉的老化速度,有效改善面团的弹性。吕俊丽等[39-40]利用布拉班德粉质仪和拉伸仪探究水苏糖对高筋、中筋、低筋三种不同筋力的小麦粉面团流变学性质的影响,研究结果与陈卫军等[37]的研究相一致。小麦粉中的水苏糖吸水后形成三维网络结构,对面团流变学起到改良作用,其面团的拉伸阻力、最大拉伸阻力和拉伸能量均有增加,为含水苏糖功能性小麦粉的进一步开发利用提供理论支持。

馒头是我国的传统发酵面食,添加3%～5%的水苏糖可延缓馒头硬度的增加速率,抑制馒头老化,延长货架期,同时可改善馒头的外观和咀嚼感,增加人们对水苏糖的摄入量,提高馒头的保健价值。冷冻面团技术是现代发酵面食保鲜技术之一,添加水苏糖可为酵母菌提供碳源,增加馒头比容、高径比,降低硬度,有效提高冷冻面团馒头的品质[41]。水苏糖同样对面包的焙烤、货架期,和对面条的蒸煮、质构均有影响,适当添加水苏糖对其系统的感官评价有增益作用。

2.3 在果蔬加工业中的应用

果蔬原料在干燥加工过程中,通常需要进行渗透预处理,以缩短干燥时间,避免发生褐变,目前常用渗透液有葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉糖浆、玉米糖浆、麦芽糖浆等,而消费者的低糖需求,迫切我们寻找新的渗透液原料。中国农业科学院肖敏等[42]利用水苏糖渗透预处理苹果片,进行制备热风-压差闪蒸联合干燥(HA-ICPDD)苹果脆片,比较苹果脆片微观结构、硬度、脆度、色泽、总酚含量等指标,结果证实,进行水苏糖渗透预处理可提升苹果脆片的品质,提高其脆度、保持其色泽,避免苹果片总酚含量下降。

功能性低聚糖水苏糖被誉为“超强益生元”,能促进双歧杆菌显著增值,具有溶解度高、耐酸、耐高温等良好的物理加工特性,无任何不良气味,适宜于开发功能性饮料,在果蔬饮料加工中具有极广阔的应用前景。目前,水苏糖在果蔬饮料中主要应用于开发豆乳饮料、茶饮料、麦芽饮料、咖啡饮料、果蔬汁饮料、植物蛋白饮料、固体饮料等产品,已成为果蔬饮料加工的新热点。

2.4 在保健食品中的应用

目前,已有多个国家和地区将水苏糖应用到保健食品中,截至2022年3月28日,从国家“特殊食品信息查询平台”检索的数据显示,以水苏糖作为保健食品原料获批的产品共有26个。

从功能声称来看,以改善胃肠道功能(润肠通便)声称类产品为主,其次是促进排铅、增加骨密度声称类产品,此外还有少量的调节肠道菌群、改善睡眠、增强免疫力、延缓衰老等功能声称产品。其中,单一声称改善胃肠道功能(润肠通便)类、促进排铅、增加骨密度的产品数量分别占42.3%(共计11个)、11.5%(共计3个)、11.5%(共计3个),声称同时具有改善睡眠、改善胃肠道功能(润肠通便)的产品数量占7.7%(共计2个),其他产品数量占26.9%(共计7个)。结合水苏糖保健功能研究进展可知,其主要保健功能为改善肠胃功能、润肠通便,因此这类功能获批数量最多。

从剂型上来看,口服溶液的产品居多。水苏糖主要保健功能为改善肠胃功能及润肠通便,结合水苏糖具有良好的加工特性,味甜、易溶解、耐酸性,因此在剂型选择上多偏好于口服溶液。统计结果显示,口服溶液产品占53.8%(共计14个),片剂产品占19.2%(共计5个),粉剂产品占15.3%(共计4个),胶囊剂产品占11.5%(共计3个)。

另外,水苏糖除以上应用外,还可应用于冰淇淋、米粉、饼干等食品中,以满足人们对食品多元化、功能化的需求[43]。

3 结语与展望

水苏糖作为新兴的功能性低聚糖,备受国内外人们的重视。随着人们健康理念的更新,日益重视摄入饮食的功能性。目前,国内外对水苏糖的功效和作用机理已进行深入研究,在食品工业中的应用也很广泛,但仍有待发展的地方。例如,水苏糖对人体内的作用机制研究还很少;水苏糖的应用,无论是从食品的种类和产量上,还是消费者对水苏糖的认知度和信任度上,都有很大的提升空间。许多水苏糖制品还没有形成工业化生产,仅处于研究阶段,应利用其多种生理功效,有针对性的开发水苏糖系列保健食品。今后水苏糖在食品工业中的应用将会有更加广阔的空间,其应用将成为一个重要的研究方向。