几种典型天然甜味剂的功能活性及食品加工应用

成圆，王宇加，王婷婷，丁淼，樊梓鸾

（东北林业大学林学院，黑龙江省森林食品资源利用重点实验室，黑龙江哈尔滨 150040)

中国是世界食糖大国之一，过多摄入高糖食品会引起人体肥胖、高血糖等代谢疾病。近年来，我国肥胖人数居高不下且逐渐趋向年轻化。青少年肥胖引起体内器官、分泌和代谢系统异常，增加儿童高血压、心脏病和糖尿病等疾病的风险。研究结果显示，2014年我国糖尿病患病人数占全球糖尿病患者总人数的24.4%，位居全球第一[1]，2010～2021年中国糖尿病患病人数由0.9亿增长到1.4亿，增长率高达56%。同时，中国青少年中血糖异常现象呈上升趋势，从2002年到2016年上升1.64%[2]。但将食品生产为完全无糖产品会严重降低感官价值。目前，我国对蔗糖的控制受到重视，市场上出现许多以甜味剂替代蔗糖的“零蔗糖”食品以及“零卡糖”食品，所以，在控糖的同时寻找出蔗糖的代替品十分重要。

在早期食品加工工业中人们广泛使用糖精、阿斯巴甜、安赛蜜等合成甜味剂替代蔗糖。但糖精的苦味和金属味等后味，严重影响食品品质，且安全性存在很大争议，因此在现代食品生产中使用量逐渐减少。天然甜味剂具有热量低、甜度高、安全性优良的特点而倍受年轻人士和相关产品研发人员追捧。此外，天然甜味剂的功能活性可用于某些疾病的日常管理和治疗，如糖醇类可预防和缓解便秘；二氢查尔酮类具有美白效果可用于化妆品中；甘草甜素可通过抑制基因和通路表达诱导癌细胞凋零等。在我国，由于人们对天然甜味剂的优点和功能活性认知程度较低，在一定程度上阻碍了其在我国的发展。本文综述了天然甜味剂的功能活性及其在食品工业中的应用，诣在为天然甜味剂功能活性更广泛的开发和利用提供参考。

1 天然甜味剂功能活性

天然甜味剂主要指经过直接提取或修饰在自然界中得到的以赋予食品甜味为目的的食品添加剂，大多数是植物或微生物的次生代谢产物[3]。天然甜味剂具体种类和安全性问题如表1所示。

表1 天然甜味剂具体种类及安全性问题Table 1 Specific classification, sources, and properties of natural sweeteners

1.1 调节肠道菌群、缓解便秘

肠道菌群可影响人体对食物摄取的能力，进而影响人体对营养物质的消化吸收、营养代谢和免疫能力。正常情况下，人体肠道各菌株间保持平衡状态以维持健康，但受到压力、药物、环境等外界条件刺激时，菌群平衡被打破。如表2所示糖醇类可有效调节肠道菌群，预防或缓解便秘。

表2 天然甜味剂调节肠道菌群的药理作用Table 2 Natural sweeteners regulate the pharmacological action of the intestinal flora

2017年欧盟批准一项健康声明，评估指出成人每日摄取10 g乳糖醇可增加肠道内渗透压，增加人体排便次数，具有维持肠道正常运转的功能[12,13]。除以上糖醇，如低聚果糖[14,15]、低聚半乳糖[16,17]和大豆低聚糖[18]等也具有调节肠道缓解便秘得作用。

1.2 抗癌、抗病毒

甘草甜素具有良好的抗炎[19]、护肝和抗肿瘤功效[20]。甘草甜素具有抗单纯疱疹病毒-Ⅰ作用，主要通过降低细胞粘附作用达到抗病毒效果[21]。2002年我国非典型肺炎爆发，甘草甜素可抑制SARS冠状病毒复制，同时对病毒引起的肝损害具有保护作用，有效降低转氨酶[22]。Murck[23]解释人体感染新冠病毒主要由于刺突蛋白与人类血管紧张素转化酶2（Angiotensin-Converting Enzyme 2，ACE2）蛋白结合，甘草甜素可减少ACE2在肺中表达。此外甘草甜素代谢所产生的甘草次酸可抑制11β-HSD2。甘草甜素和壳寡糖抗癌效果如表3所示。

表3 与甘草甜素和壳寡糖有关的抗癌、抗病毒机制和通路Table 3 Anticancer and antiviral mechanisms and pathways associated with glycyrrhizin and chitosan oligosaccharides

1.3 神经保护、治疗阿尔茨海默症

阿尔茨海默症（Alzheimer's Disease，AD）又称老年痴呆症，为常见神经退行性疾病主要症状有认知能力下降、记忆丧失并发运动障碍、语言障碍等[31]。临床中治疗方法主要包括小分子药物治疗、免疫治疗、干细胞疗法和血浆疗法等[32]。中医亦可通过针灸、艾灸等方法治疗。

三叶苷是一种主要从木姜叶柯（Lithocarpus litseifolius）中提取的二氢查尔酮类化合物，其甜度为蔗糖300倍[33]。具有保护神经、清除自由基、抗炎等作用[33]。由表4可知三叶苷可通过清除自由基、保护神经起到减轻AD并发症达到治疗AD的作用。除上述通路外三叶苷还可通过AMPK/Nrf2/SIRT3信号通路对神经细胞的氧化损伤起到保护作用[34]。

表4 三叶苷保护神经、治疗阿尔茨海默症的功能活性Table 4 Natural sweeteners protect nerves and treat the pharmacological activity of Alzheimer's disease

1.4 抗氧化、美白、祛斑

人体内过量ROS产生可引起氧化损伤从而引起DNA、RNA和膜脂等生物分子的氧化，导致人体衰老，引发癌症、糖尿病以及动脉硬化等疾病[39]。如表5所示，甜菊糖、新橙皮苷二氢查尔酮、柚皮苷二氢查尔酮具有抗氧化和抑制酪氨酸酶的作用，从而表现出美白和祛斑的功效[40,41]。

表5 天然甜味剂抗氧化、美白、祛斑的功能活性Table 5 Pharmacological activity of natural sweeteners for antioxidant, whitening and spot removal

1.5 抗糖化、抗糖尿病

晚期糖基化终末产物（Advanced Glycation End Products，AGEs）是美拉德反应第三阶段产物。积累过多会对人体健康产生威胁，引起心脏病、高血压、老年痴呆、糖尿病等。我国糖尿病患者中95%患病类型为Ⅱ型糖尿病，Ⅱ型糖尿病患病原因主要是胰岛素抵抗，AGEs可引起人体氧化应激从而导致胰岛素抵抗。Ali等[45]研究了糖精、三氯蔗糖、阿斯巴甜、安赛蜜四种人工甜味剂对于AGEs的抑制效果，结果显示只有安赛蜜具有抑制效果。随后Ali等[46]又对天然甜味剂中甜菊糖的抗氧化和抗AGEs性质进行研究，并对其抗糖尿病效果进行评估。结果表明甜菊糖具有抗氧化和抗AGEs能力，抗糖尿病测试中甜菊糖对体外α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶均有抑制作用。综上可见，甜菊糖具有抗氧化、抗AGEs及控制糖尿病的能力。Tian等[47]通过试验证明海藻糖、赤藓糖醇、山梨糖醇、木糖醇具有促进GLP-1、GLP-2、PYY的分泌作用，且海藻糖、赤藓糖醇、山梨糖醇通过增强甜味受体信号通路关键基因T1R2、T1R3、Gα-gustducin、PLCβ2 TRPM5 mRNA的表达量，促进胞内浓度促进GLP-1分泌。α-葡萄糖苷酶存在于小肠上皮绒毛膜刷状缘上，将食物中碳水化合物分解为单糖最终被人体利用，抑制α-葡萄糖苷酶可降低血糖波动。刘国玉等[48]证实将赤藓糖醇与海藻糖或赤藓糖醇与异麦芽糖醇复配可抑制α-葡萄糖苷酶活性。以上研究成果对糖尿病治疗和日常护理提供了新思路。

2 在食品中的应用

2.1 在乳制品中的应用

天然甜味剂在乳制品中的应用主要是运用天然甜味剂替代蔗糖，降低糖的添加量和产品热量。Michele等[49]运用了Napping和响应面法相结合优化高蛋白酸奶甜菊糖的添加量，分析甜菊糖配方酸奶与蔗糖三氯蔗糖配方酸奶之间的差距。结果显示，加入蔗糖、三氯蔗糖、甜菊糖的配方酸奶在总体接受度方面未存在显著差异。但甜菊糖入口后会有苦涩后味，影响感官品质，产生这一结果的原因可能是甜菊糖苷特异性激活hT2R4和hT2R14苦味受体而激发了此种味觉[50]。目前对于甜菊糖不良后味的改善主要运用酶法修饰改性。万会达等[51]为改善甜菊糖后苦味利用一种新型α-环糊精葡萄糖基转移酶为催化剂催化转糖苷反应。Ti等[52]利用突变葡聚糖蔗糖酶Gtf180-ΔN-Q1140E和蔗糖作为供体底物对甜菊糖苷进行优化和α-糖基化，经过优化后的α-糖基化甜菊糖苷后苦味明显的改善。

天然甜味剂还可以应用于奶油和冰淇淋[53]等乳制品的生产。Mohamad等[54]将天然甜味剂应用到鲜奶油的生产中，以莱鲍迪苷A和异麦芽糖醇代替蔗糖并加入麦芽糊精生产鲜奶油，可改善储存中脱水率和粘度等指标。

2.2 在饮料中的应用

2016年3 月，加拿大允许赤藓糖醇作为天然甜味剂加入饮料，目前多国已允许其作为食品添加剂加入多种饮料中[55]。《2021中国无糖饮料市场趋势洞察报告》中指出2020年我国无糖饮料市场总规模为117.8亿，其中无糖碳酸饮料占66.9亿，市场总规模与2014年相比增长了7倍[56]。

高圣君等[57]研究赤藓糖醇对柠檬汁中Vc的保护作用，证明赤藓糖醇不仅可以作为甜味剂还可以保护维生素不被破坏。进一步研究证实这种保护作用主要是因为赤藓糖醇具有抗氧化的作用，缓解Vc的降解，提高反应活化能。Rezvan等[58]研究甜菊糖、赤藓糖醇和异麦芽糖醇复配替代蔗糖的豆奶粉配方，通过感官品质和理化性质证实，80%甜菊糖，赤藓糖醇和异麦芽糖醇比例为75:25复配后加工的豆奶粉品质最优。

2.3 在焙烤食品中的应用

天然甜味剂用于焙烤食品中可优先改善产品硬度、面团老化及延长保质期等[59-61]。焙烤食品中常用天然甜味剂包括甜菊糖、糖醇类和低聚木糖。天然甜味剂可延缓冰晶对网状结构的破坏，提高面团的弹性、持水性和聚合性。且由于糖醇结构缺少酮基和醛基所以不会与氨基酸发生美拉德反应，可减少身体对美拉德反应不良产物的摄入。

利用糖醇类为底物生产糖醇酯如赤藓糖醇酯、甘露糖赤藓糖醇酯等，可作为表面活性剂、乳化剂和消泡剂等[62]。甘露糖赤藓糖醇酯可用于冷冻面团，增强面团流变性，减少面团中冻结水含量，抑制蜡样芽孢杆菌及其芽孢的生长，作为改良剂和抑菌剂[63]。

综上天然甜味剂的加入可以部分或完全替代蔗糖，降低热量、改善产品品质，但也暴露出来天然甜味剂的加入使产品生产成本增加的问题。替代蔗糖、改善产品品质的同时降低生产成本将成为天然甜味剂在焙烤食品中应用另一个需要解决的问题。

2.4 在水产品中的应用

鲜水产品中富含大量水分和营养物质，在储运过程中极易受到外界微生物和内源酶的影响而腐败。传统鲜水产品的保藏主要为冰藏、冻藏等，但这些方法冻结效率低、冰晶成核缓慢，造成冰晶体积过大、形状不规律，使产品嫩度降低、保水性变差[64]。常用水产品保水剂主要是磷酸盐类，但此类保水剂通常会留下金属涩味且对健康不利，因此探求无磷保水剂成为此领域的热点之一[65]。Zhang等[66]以8种常见糖醇为研究对象，研究了糖醇对冷冻南美虾仁的保水作用。研究表明虾仁经过木糖醇、异麦芽糖醇和甘露糖醇浸泡后，水分、质构特性和色泽劣变得到较好的控制，水分活度显著降低，木糖醇、甘露糖醇和异麦芽糖醇可作为无磷保水剂应用于水产品储藏。李桂敏等[65]探究了碳酸氢钠、柠檬酸钠和山梨糖醇组成的复合无磷保水剂对冻融鲟鱼片理化性质和微观结构的影响，证实其对冻融鲟鱼片品质有良好保持作用。除做保水剂外，Cai等[67]证实木糖醇、三氯蔗糖和甜菊糖可增加鳕鱼皮凝胶的凝胶强度、硬度、热变形温度以及焓变值，且可显著提高鳕鱼皮凝胶的储能模量、耗能模量、起泡性和持水性，说明木糖醇可有效代替蔗糖用于生产凝胶制品。

2.5 在其他方面的应用

植物蛋白类作物如大豆、豌豆、高粱等富含碳水化合物、蛋白质、纤维素等对人体健康有益，但因其口感不佳、消化性不好或功能性不突出，其价值未被良好应用。糖醇类可改善其结构从而改善溶解性、持水性、乳化性，提高吸水性，减少回生，提高消化率[68-70]。

3 结论

本文综述了天然甜味剂的功能活性可用于疾病预防和治疗的深入研究。近年来对于“控糖”的呼吁不断增加，这也促进了天然甜味剂在我国的发展，深入了解天然甜味剂在食品加工中的应用在“低糖、零糖”产品多样化和“控糖”方面多样化具有较大意义。且天然甜味剂相应法规的不断出台，为其在食品加工中扩大应用提供了法律依据。

但天然甜味剂在我国的发展仍受到较多条件制约。如国民认可度不高，开发程度不够，纯化手段不足等。天然甜味剂无论是在食品工业生产还是人类生活中都发挥着巨大作用，但天然甜味剂是否对人体健康完全没影响，这一问题是有待商榷的。据国外文献报道某些甜味剂可能会对人体肠道健康产生影响。如，甜菊糖可能会影响影响人体肠道菌群组成；当多元醇到达结肠时，可以引起剂量依赖性肠胃胀气，尤其是在炎症性肠病患者中。而这些问题在我国鲜有文章报道。综上，增加消费者认知度，关注天然甜味剂安全性问题，扩大天然甜味剂应用范围是天然甜味剂在我国发展需要解决的问题。