菊糖基功能性食品特性及研究现状

陈靖琳，蔡静薇，李建科，张玉环

1.陕西师范大学食品工程与营养科学学院（西安 710119）；2.陕西师范大学食品加工副产物深度开发与高值化利用重点实验室（西安 710119）

菊糖（inulin），又名菊粉、土木香粉，广泛分布于自然界中，以植物中含量最为丰富，其次是一些微生物如乳酸杆菌、链球菌和放线菌等。作为一种天然型的储备性多糖，菊糖存在于30 000余种植物中，包括双子叶植物中的菊科（如大丽花、菊苣和菊芋）、报春花科、龙胆科、金尾虎、萝藦科、橘梗科、半边莲科等，以及单子叶植物中的百合科（例如韭菜、大蒜、洋葱和芦笋等）和禾木科等[1]。在我国，工业化菊糖生产的主要原料是菊芋。菊芋是一种菊科植物，原产于北美洲，经欧洲传入中国，其因适应性强，耐贫瘠，耐旱，耐寒，种植简易，一次播种多次收获等特点的在我国各地区广泛分布，尤其以西北地区为主[2]。菊芋块茎中菊糖含量非常丰富，菊糖在菊芋湿重中占比10%~20%，在菊芋干重中占比约80%[3]，菊芋也因此成为我国菊糖提取的最主要来源。菊糖是一种不可消化、可生物降解的功能性膳食纤维，具有众多优异的生理功能，如促进矿物质吸收、抗氧化、抗癌和缓解便秘等[4]。中国、日本、美国等多个国家陆续批准菊糖作为一种新资源食品和安全级食品配料、营养增补剂。近年来，对菊糖和菊糖基功能性产品的开发和利用也因此受到广泛关注和长足发展。现今，菊糖被成功应用在糖果、饮料及乳制品等多个食用领域[5]，其市场需求也随着菊糖功能特性的明确和菊糖基功能性产品的推广而日益增长。2019年，中国的菊糖总消费量约9 000 t，并呈现逐年增长趋势。然而菊糖主要以直接添加的形式应用于食品中，经济附加值较低，功能活性也较为单一。为进一步提高菊糖的应用范围和功能特性，菊糖的衍生化修饰被逐渐采用并得到国内外学者的广泛关注。菊糖的衍生化修饰，即采用具有特定结构或功能特性的分子通过酯化反应、脱水缩合反应等化学反应对菊糖分子骨架进行特点的化学基团修饰，以提高被修饰分子的稳定性、水溶性等，或用以增强菊糖自身的抗氧化性、抗癌性等特性[6]。基于此，概述菊糖基功能性食品的功能营养特性及其研究现状，旨在为菊糖基食品的进一步研究、开发和应用利用提供理论依据。

1 菊糖理化特性

1.1 结构特性

菊糖是由D-呋喃果糖分子通过β-（2, 1）糖苷键相互连接而成，其还原性末端通常以α-（1, 2）糖苷键的方式连接一分子的葡萄糖残基，呈直链状结构[7]。菊糖的一般分子结构式如图1所示。菊糖的分子式多写作GFn形式，其中G表示终端葡萄糖基团，F表示呋喃果糖分子，n表示聚合度（degree of polymerization，DP）。菊糖的DP一般在2~60，通常把DP≤10的菊糖称为短链菊糖，DP≥23的菊糖称为长链菊糖[8]。

图1 菊糖分子结构（A）及菊糖分子空间结构（B）

1.2 物理特性

菊糖的溶解度受聚合度和环境温度的影响较大，DP≤10的菊糖易溶于水，而DP＞10的菊糖较难溶于水，且溶解度随温度的升高而显著升高；菊糖黏度随溶液浓度的增加而增大，对于长链菊糖而言，浓度达到30%时，长链菊糖溶液开始形成质地与口感和奶油极为相似的凝胶；菊糖具有良好的吸湿性，是食品中常用的吸湿剂；菊糖甜度的高低主要与其聚合度有关，聚合度越低，甜度越高。

1.3 化学特性

菊糖化学性质较为稳定，其分子结构在碱性条件和高温的情况下均可以稳定存在；菊糖是一种中性多糖，理论上其水溶液显中性，但由于实际生产中加工工艺的影响，常导致菊糖溶液酸碱度的变化；菊糖具有一定程度的抗氧化性，且抗氧化效果与其质量浓度呈显著正相关[9]。

2 菊糖的功能营养特性

菊糖作为一种天然且安全的水溶性膳食纤维，与普通的膳食纤维相比，菊糖具有降血糖、降血脂、改善肠道微环境、抗肿瘤、提高免疫力等突出的功能营养特性，在功能性食品领域得到广泛应用。现阶段，国内外研究者对菊糖基相关产品功能特性的研究不断深入，对其在机体内作用机制的阐释也逐渐明确，使得菊糖在应用领域的广度与深度得到显著提升。

2.1 降血糖、降血脂、减肥

菊糖具有降血糖和降血脂的功效，并兼具减肥作用。人体内没有相应的β-（2, 1）糖苷键消化酶，因此菊糖不会像淀粉等典型碳化化合物那样被消化吸收。在消化系统中，菊糖无法在胃和小肠部分被分解利用，只有进入结肠后，在结肠中可能存在的微生物菌群的发酵作用下，被分解产生短链脂肪酸（shortchain fatty acids，SCFA）、丁酸盐和丙酸盐等酸类物质和气体，并伴随较低热量的产生。菊糖的消化特性使得其具有降低血糖浓度和降低血液中胰岛素水平的作用[10]。除降血糖之外，研究表明，长期服用适量菊糖可显著降低总胆固醇（total cholesterol，TC）和低密度脂蛋白（low densith lipoprotein，LDL-C）的含量，有效地调节人和动物体内的血脂代谢[11]。其主要原因有：菊糖可以吸附肠道壁上的脂肪，形成的脂肪-菊糖复合物可随粪便排出体外，达到降血脂的功效[8]；在肠道中益生菌的发酵作用下，菊糖可生成硫化氢和二氧化碳等气体以及乙酸、丙酸等能够调节肝脏代谢的有机酸，进而抑制胆固醇的生成，并将胆固醇转化成胆酸，使体内血脂含量降低。此外，服用菊糖可对肥胖病患者起到明显的减肥作用，高黏度的菊糖溶液能够减缓食物从胃进入小肠的速度，增加饱腹感[12]；同时，菊糖能在小肠中与脂肪和蛋白质等物质结合，形成难以吸收的复合物，延缓胃的排空，阻止机体对于营养物质的吸收，间接减少摄食量，达到预防肥胖和减肥的目的。Huang等[11]的研究证明菊糖具有显著的降血脂效果。

2.2 改善肠道微环境

菊糖具有调节肠道微生物菌群，防止便秘，促进矿物质吸收的作用。由于特殊的化学结构，菊糖在上消化道不能被消化吸收，可通过代谢循环到达肠道，优先被肠道微生物分解代谢，使肠道微生物活力增强，种群数量增加。研究表明，菊糖的摄入可使肠道内双歧杆菌的生长速度提高40倍[13]。双歧杆菌作为一种生理性有益微生物，能够抑制肠道内的病原体，改善肠道健康，有效平衡肠道微生物分布。其作用机制可能是菊糖在发酵过程中所形成的乳酸和短链脂肪酸会降低肠道的pH，阻止多种腐败菌的增殖，间接减少肠道内毒素的产生，进而保持良好的肠道功能，缓解便秘[14]。此外，菊糖具有吸水性，可以改善粪便中的水分，增加排便的次数和规律性，并且可通过发酵刺激肠道蠕动，缩短粪便在肠道中的停留时间，起到预防和治疗便秘的作用[15]。菊糖不仅可通过肠道微环境的改善缓解便秘，还能够促进矿物质的吸收。不同于普通膳食纤维会因植酸含量过高而妨碍机体对于矿物质的吸收，菊糖可明显改善并提高人体对矿物质的吸收率[16]，尤其是对钙的吸收。Abrams等[17]发现每天摄入8 g菊糖可提高约20%的钙吸收，并显著增加身体骨骼矿物质含量和密度。这可能是由于菊糖经双歧杆菌、乳酸菌等有益菌代谢分解后，产生的酸性物质可降低肠道pH，导致矿物质复合物发生分解，提高多种矿物质的溶解度和生物有效性[18]。尤其是结肠部位，菊糖发酵所形成的短链脂肪酸，可以促进结肠黏膜细胞的持续生长，增加膜表面积，提高黏膜的吸收能力，促进人体对钙、镁、锌等矿物质的吸收，起到防治骨质疏松的作用[19]。

2.3 减少患癌风险和提高免疫力

大量研究表明，菊糖可刺激免疫系统，提高免疫力，具有预防癌症的效果，尤其是预防结肠癌。发酵后的菊糖能够产生具有抗癌作用的短链脂肪酸，促进矿物质的吸收，提高人体内钙、镁离子的浓度。高浓度的金属离子可以抑制癌细胞的增殖，同时不饱和脂肪酸能够诱导癌细胞的凋亡，达到较好的抗癌效果[20]。Wargovich等[21]证实菊糖对结肠癌的抑制作用，与对照组大鼠相比，添加菊糖的饲粮显著抑制结肠的异位隐窝病灶总数。Verma等[22]发现饲喂菊糖的大鼠与饲喂低聚果糖的大鼠相比，隐窝异常病灶（aberrant crypt foci，ACF；是结肠癌发生过程中早期肿瘤前的恶性潜能标记物）的形成显著减少。Taper等[23]将肝肿瘤细胞和乳腺癌细胞注射给小鼠并诱导其病理变化，通过检测喂养菊糖组的生物体和对照组中癌细胞的生长状态，发现前者癌细胞的生长明显减弱。菊糖还具有提高免疫力的作用，主要通过免疫调节和免疫佐剂来控制人体的免疫反应。张名涛等[24]发现，菊糖能够促进多种益生菌在肠道内的增殖和生长，并使其黏附在肠黏膜上，刺激免疫系统，激活吞噬细胞，形成非常有效的免疫屏障。

2.4 其他

除了上述功能营养特性外，研究者还发现一些与菊糖相关但尚未完全明确和总结的生理功能，如表1所示。

表1 菊糖可能存在的生理功能和作用机制

3 菊糖的研究现状

在食品工业领域中，菊糖常被用作代脂肪或代糖类食品原料以提高产品对特定人群的适用性，或作为功能性食品添加剂以提高食品功能活性，抑或对菊糖进行衍生化处理赋予菊糖特定的营养特性。近年来，菊糖作为一类新兴的功能性膳食纤维逐渐成为食品领域的研究重点，为我国菊糖产业的发展、功能性食品的开发以及医药事业的发展带来推动力量。

3.1 食品工业中的菊糖

菊糖的黏度、热稳定性、甜度等理化性质主要受其聚合度和支链的影响[29]。长链菊糖呈多重螺旋结构，具有良好的亲水性，与水作用时会形成稳定的凝胶网络，提供理想的脂肪质地与口感。但由于长链菊糖不具备单糖和双糖结构，在溶液中不易发生水解，其在溶液中几乎没有甜味。而短链菊糖呈环状或单螺旋结构，由于聚合度低，难以形成凝胶。与长链菊糖相比，短链菊糖含有较多的单糖和双糖，故在溶液中具有一定甜味。因此，在食品工业中长链菊糖通常用作脂肪替代品和质地改良剂，赋予食品特定的质构和口感；而短链菊糖则常作为糖类替代品和功能成分应用于食品中。

3.1.1 良好的脂肪替代物

大多数脂肪替代物往往无法提供脂肪的组织质地，导致脂肪的味道消失并产生异味，影响脂溶性风味物质在食品中的分配和保留。而菊糖与水充分混合后，形成的凝胶具有光滑细腻的奶油状结构，能够提供与脂肪类似的润滑口感和组织质地，保持脂肪的风味，是良好的脂肪替代物[30]。该特性被广泛应用于各类食品中，不仅能避免过量脂肪摄入引起高脂血症、高血压、心脏病等发病率的提高，还能提升食品的营养价值，改变热稳定性、乳化能力及润滑性等相关的食品特性[31]。杜鹃等[32]采用菊糖替代冰淇淋中的部分脂肪发现添加5%菊糖的低脂冰淇淋的感官指标评价与全脂冰淇淋非常接近。陈朝晖等[33]向原料乳中添加不同质量比的菊糖，发现菊糖含量9%的切达干酪的含水量和质构特性与原切达干酪相比均有显著改善，并提高凝乳的产量、质量和均匀性。杨媚等[34]研究指出，添加2%~4%的菊糖能够明显改善绿豆蛋白低脂酸奶的黏弹性、硬度、咀嚼性和持水力等食品品质，具有较好的脂肪替代效果。表2为几种常见的菊糖类脂肪替代物在食品中的应用及优势。

表2 常见的菊糖作为脂肪替代物在食品中的应用

3.1.2 糖替代品

天然菊糖因含单糖和双糖而带有微微的甜味，是理想的糖替代品。短链菊糖含有较多的单糖和双糖，分散在水中时，其末端的果糖基易发生断裂形成果糖分子，使溶液具有一定的甜味，其甜度约为蔗糖的40%，且口感优于蔗糖；而长链菊糖基本不具备甜味[39]。另外，由于菊糖能够抵抗人体中消化酶的水解，产生极小的热量（＜1.5 kal/g）[40]，且食用后基本不会转化为脂肪，因此能够在避免蔗糖、脂肪的过量摄入引起多种疾病危害的同时，带来甜味享受。菊糖已被逐渐用作代糖品用于低热量食品的生产，最大程度满足控糖人群、糖尿病患者和肥胖病患者的需求。菊糖被添加应用于软糖、硬糖、巧克力等制品中。研究发现，用菊糖代替蔗糖制作而成的无糖巧克力具有更好的黏度、颜色和硬度，巧克力的流变学性质得到改善，其品质与普通巧克力相差不大[41]。

3.1.3 良好的质构改良剂

对比传统膳食纤维素，菊糖的分子质量较小，具有良好的吸湿性和色泽，能够在一定程度上改善食品的质地并提高其加工性能和营养价值，是良好的质构改良剂。因菊糖具有与面粉相似的粉体特性，能够参与面筋蛋白网络结构的形成，使其在面制品品质改良方面的应用更显优越性[42]。孙健平等[43]发现，菊糖的添加使面团中的水分发生迁移，明显延长面团的形成时间，提高面团的稳定性，增加面团的抗延伸阻力和黏弹性。刘崇万等[44]将不同比例的菊糖添加到面粉中，证明菊糖能够显著改善面团的流变学特性、增强饼干的持水能力，显著改善酥性饼干的质构特性与感官品质。胡雅婕等[45]利用差示扫描量热分析，证明菊糖对馒头粉热力学性质具有显著影响。

3.2 菊糖衍生物

菊糖已被40多个国家确定为功能食品，在医药、食品及保健品等领域中具有良好的应用前景。2020年5月，菊芋来源菊糖通过美国食品药品监督管理局的公认为安全（Generally recognized as safe，GRAS）认证，标志着菊芋来源菊糖在美国各领域应用的合法性。然而，相关产品仍以纯菊糖为主，产品结构过于单一，且功能性有限。菊糖中含有的伯羟基等多个羟基基修饰位点，使得菊糖展现出较大的结构修饰空间。在此基础上，可对菊糖进行针对性的化学修饰，引入功能性基团（如硫酸基、羧甲基、烷基等），改进菊糖的理化性质，赋予菊糖更高的功能活性或新的特性，以满足人类的需求。

关于菊糖衍生物的研究方向主要集中在两方面。其一，把功能基团、生物活性分子或生物大分子嫁接到菊糖骨架上，有效地提高菊糖的抗氧化、抗炎和抗癌等生物活性。具有较强抗氧化功能的菊糖衍生物能够以绿色安全的形式更好地保存食品的营养价值，延长货架期，为开发具有抗氧化功能的食品添加剂及食品包装材料奠定基础，扩展菊糖的应用。Liu等[46]the antioxidant activity and hepatoprotective effect of inulin and catechin grafted inulin（catechin-g-inulin把多酚黄酮接枝到菊糖主链上，得到稳定性较强的儿茶素菊糖共聚物。不仅显著提高菊糖清自由基的能力，还有助于多酚黄酮在体内的消化吸收和靶向调节。Arizmendi-Cotero等[47]将没食子酸与菊糖嫁接，制备出抗氧化性较强的没食子酸菊糖共聚物，该衍生物对嗜酸乳杆菌的生长有显著的促进作用，并具备一定清除自由基能力。李青等[48]在菊糖分子上引入具有较高抗氧化活性和安全性的酚基，制备出酚类菊糖衍生物，极大地提高了菊糖的抗氧化活性和生物相容性。此外，Han等[49]将菊糖与长链脂肪酸发生酰氯酯化反应，改变其在油/水界面的稳定性，使制备得到的菊糖衍生物具有表面活性，在溶液中能够形成胶束结构。检测发现C10~C14菊糖酯化物能够形成稳定的水包油乳液，C16菊糖酯化物能够形成稳定的油包水乳液，明显降低界面张力且稳定性较强，可作为乳化剂应用于食品加工中。其二，利用菊糖稳定性强、肠道靶向性高和毒性低等独特的特点，使其成为功能因子的载体，起到保护功能因子的作用，以实现功能因子在体内的缓慢释放。菊糖衍生物常作为药物载体的包埋或包衣结构，极大地改善被包埋成分的不良反应大、效率低下及生物相容性差等问题。Mandracchia等[50]以菊糖生育酚琥珀酸酯作为载体，发现其能极大提高抗癌药物姜黄素及塞来昔布的生物活性和水溶性，有效防止新血管生成，以达到防癌的效果。Muley等[51]评估月桂基氨基甲酸酯菊糖作为天然抗癌物质紫杉醇的纳米胶束载体的可能性。发现在相同功效情况下，被包埋的紫杉醇剂量可以减半，且该衍生物对小鼠黑素瘤具有较强的抵抗作用。但针对菊糖衍生物作为载体的研究主要集中在药物方面，而对菊糖衍生物功能性食品的研究仍存在较大空白。因此亟须拓展和创新菊糖衍生化功能新产品，如把菊糖衍生物开发为食品微胶囊壁材等。食品工业已成功利用多糖及其衍生物为材料，开发微胶囊技术，保护活性物质免受外界不利环境的影响，从而提高活性物质的稳定性及拓宽其应用范围[52]。作为一种天然且安全的水溶性多糖，同时其衍生物具有价格低廉、溶解度好、生物相容性好等优点，菊糖是理想的食品微胶囊壁材，有望应用于功能性食品方面的开发，丰富菊糖市场，促进市场经济发展。

4 结语

我国菊糖资源丰富且价格实惠，菊糖的相关研究日渐蓬勃，开发菊糖基产品具有巨大的市场潜力和经济意义，但菊糖在一些研究领域还需进一步探讨。有研究表明，在一定条件下，长期食用菊糖可能会诱导黄疸型肝细胞癌（hepato cellular carcinoma，HCC）的发生，相关机制仍在研究，尚不清楚。未来应加大对菊糖安全性的相关研究，制定出符合食品安全国家标准的剂量，为菊糖的广泛应用提供有效参考[53]。不同的聚合度、链长、浓度对菊糖的理化性质影响差异较大，使菊糖应用于不同的领域和范围，如长链菊糖适合替代脂肪、增稠和改善质地；而短链菊糖更适合作为甜味剂用于饮料和冷冻甜点，导致研究结果繁杂混乱。因此，亟须深入了解不同聚合度菊糖在不同食品体系中的优势和局限性。当前对菊糖的功能性研究主要停留在实验室阶段，菊糖在人体内的许多作用机制尚不明确，应当重视临床实验和产业化发展，推动我国菊糖产业优化升级。