菊粉的功能與利用

彭英云，鄭清，張濤

（1.鹽城工學院化生學院食品系，江蘇 鹽城 224003；2.江南大學食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇 無錫 214122）

菊粉（inulin）又稱菊糖，土木香粉，是一種生物多糖，以能量的形式存在于多種植物和蔬菜里，尤其大量存在于菊科植物例如菊芋，菊苣等的塊根中。它由果糖分子通過β-（2，1）糖苷鍵連接，聚合程度從2～60，一般平均為10，其終端為葡萄糖單位，分子式可用GFn表示，其中G為終端葡萄糖單位，F代表果糖分子，n則代表果糖分子數。當聚合度較低時（DP＝2～9）可以稱為低聚果糖（Fructo Oligo Saccharide）。

菊粉在自然界中分布很廣，某些真菌和細菌中含有菊粉，但其主要來源是植物。全世界超過36000種植物，包括雙子葉植物中的菊科、桔?？?、龍膽科等11個科以及單子葉植物的百合科、禾木科，都含有豐富的菊粉。一些常見植物中的菊粉含量見表1[1-2]。

表1 一些常見植物中的菊粉含量Table 1 The content of inulin in some plants

1 菊粉的性質

1.1 物理性質

從菊芋中提取的菊粉是一種不同聚合度低聚糖的混合物。干燥菊粉為白色無定形、易吸濕的粉末，比重1.35，平均分子量約1600 Da[3]。它在水中的溶解度因溫度不同而不同，在10℃約6 g/（100 mL H2O），而90℃時約35 g/（100 mL H2O）。在正常條件下菊粉易分散于水中。由于吸水性強，易于結塊。在菊糖中混入砂糖或淀粉，可使菊粉速溶化，從而改善它的分散性。菊粉結合水的能力約為2∶1，在溶液中菊粉可降低水的冰點，提高水的沸點。由于含有少量單糖及雙糖，菊粉往往稍微帶點甜味。

1.2 菊粉的凝膠性質

不同濃度的菊粉水溶液其黏度也不同，當菊粉含量增加時黏度逐漸增大，濃度與黏度的關系可參見表2[4]。

表2 菊糖在水中的黏度Table 2 The viscosity of inulin solution

由表2可見濃度為1%～8%時起黏度逐漸增加，當達到25%～30%時，黏度增加較快，漸漸變稠但未出現凝膠，如果溶液中菊粉濃度達到30%，菊糖與水結合開始凝膠。在此濃度下冷卻約30 min～60 min就會形成凝膠，隨著水中菊粉濃度增加，凝膠形成時間加快，當溶液中菊粉濃度40%～45%時幾乎立刻形成凝膠。菊粉凝膠像奶油般柔滑，與脂肪十分相似。菊粉濃度繼續增加至50%，此時凝膠將變得十分堅實，但仍具有脂肪似的感覺，菊粉濃度是影響其凝膠強度的重要因子。

菊粉凝膠屬熱可逆凝膠即受熱液化，冷卻后又恢復凝膠狀態。菊粉凝膠的形成以及特性受到加熱溫度、菊粉濃度、溶液pH以及所添加的有機溶劑種類（如乙醇或甘油）等因素影響[5]。凝膠形成所需最小菊粉濃度隨著加熱溫度的升高而提高，而溫度過高（＞80℃）將導致菊粉水解。凝膠形成還與菊粉聚合度以及菊粉顆粒大小有關，聚合度越高，凝膠形成的最小濃度越低。因此，控制菊粉低水解度以及菊粉濃度對凝膠形成具有重要作用。與剪切作用相比較，加熱/冷卻所形成的菊粉凝膠具有強度大、質構柔滑、微粒均一細膩等特點。另外，通過添加晶種可以使菊粉凝膠達到最大強度，當菊粉溶液溫度升高至菊粉微粒完全水合，在冷卻過程中加入晶種，同時進行剪切處理，所形成的菊粉凝膠質構緊密，口感良好。

1.3 菊粉的水解產物

菊粉溶液可被菊粉酶（inulinase）或酸水解成短鏈的物質，最終可生成類似高果玉米糖漿（HFCS）的果糖糖漿，但酸水解菊粉時容易產生大量副產物。菊糖在pH很低（＜3.0）、溫度很高的情況下保持一定的時間可能發生水解，但必須有可供利用的“自由水”，因此凝膠狀態的菊粉即使在酸性環境或高溫下，如果沒有可利用的水將仍是穩定的。

2 菊粉的制取

工業上菊粉主要從菊芋（Jerusalem artichoke）或菊苣（Chicory）塊莖中提取。這兩種植物來源豐富，菊粉含量高，占其塊莖干重的70%以上。菊芋中提取菊粉的工藝包括提取、純化和干燥等3個基本過程。楊振等以新鮮菊芋為原料，采用熱水浸提法提取菊粉，在提取溫度68℃，提取時間70 min，料液比1∶21，提取次數2次的條件下，菊粉提取率可達到16.04%[6]。吳洪新等以普那菊苣干粉為原料提取菊粉，在溫度85℃，固液比為1∶30，提取時間60 min，菊粉提取率可達58.58%[7]。也有采用超聲波輔助提取的方法，利用高密度和高頻的聲波促進有效成分的溶出，提高了浸取速率。

菊粉的純化在菊粉制取過程中是一個重要的課題，經過熱水浸提得到的提取液中含有蛋白質、色素、果膠、有機酸等雜質，使顏色混濁，如不經純化則制得菊粉顏色深、易結塊。通常采用的方法是石灰乳－磷酸先進行預處理除雜，再采用活性炭法、H2O2法和樹脂法脫色，吳洪新等采用70℃～80℃用石灰乳脫蛋白，并采用活性碳脫色，脫色率為69.13%，菊粉損失率為7.93%[7]。

3 菊粉的生理功能

菊粉由于其特殊的結構，對人體具有很重要的生理功能。

3.1 菊粉膳食纖維的作用[7-8]

3.1.1 熱量低，可預防肥胖

菊粉是可溶性膳食纖維，在口腔、胃和小腸內不能被消化吸收，只能被腸道某些有益菌（雙歧桿菌等）完全發酵降解，產生短鏈脂肪酸（乙酸、丙酸和丁酸）和乳酸，產生熱量值小于1.5 kcal/g[8-9]。

菊粉在胃中吸水膨脹形成高黏度膠體，使人不易產生饑餓感并能延長胃的排空時間，從而減少食物攝入量，在小腸內還可與蛋白質、脂肪等物質形成復合物，抑制此類物質的吸收，達到減肥目的。

3.1.2 調節血糖，不引起血糖波動

菊粉通過人體口腔、胃及小腸過程中基本上不分解、不吸收，因而不會影響血液中血糖水平和胰島素含量，且菊粉能延長胃的排空時間或縮短腸運輸時間；產生丙酸鹽能抑制糖異生，減少血漿游離脂肪酸水平，促使胰島素抗性增強[10]。

3.1.3 降血脂，預防心腦血管疾病

大量試驗證實，菊粉能降低血清總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇，提高高密度脂蛋白/低密度脂蛋白比率，改善血脂狀況。如用飽和脂肪喂養的白鼠在食用菊苣根一段時間后，血液和肝臟中的甘油三酯含量顯著降低[11]。

3.2 具有益生素作用

3.2.1 改善腸道功能，預防便秘和腹瀉

菊粉能在人的結腸中發酵可使雙歧桿菌增殖8倍～10倍，從而抑制有害菌生長。同時，菊粉中含有的長鏈聚合物不被消化，可保持腸道內水分不被過分吸收，增加排便次數和質量，對便秘，濫用抗生素造成的腹瀉有顯著的改善作用[12]。

3.2.2 抑制有害發酵產物，預防結腸癌食物

經消化吸收后所剩殘渣到達結腸，在腸道腐敗菌（大腸桿菌、梭狀芽孢桿菌等）的作用下可產生許多有毒代謝產物，如氨（肝毒素）、亞硝胺（致癌物）、苯酚與甲苯酚（促癌物）、次級膽汁酸（結腸癌促進物）等。攝入菊粉后能顯著增加雙歧桿菌的生長，抑制腐敗菌生長，減少有毒產物的生成，并且對有毒發酵產物具有吸附螯合作用，清除腐敗產物和細菌毒素，從而減輕肝臟負擔促進營養合成。另外菊粉代謝產生的短鏈脂肪酸可降低腸道pH，抑制腐敗菌的生長，增加排便次數和質量，加速致癌物的排泄，有利于預防結腸癌[13-14]。

3.3 促進礦物質的吸收和維生素的合成

菊粉能大大提高 Ca2+，Mg2+，Zn2+，Cu2+和 Fe2+等礦物質的吸收，這是因為菊粉在發酵中被降解，其產生的短鏈脂肪酸使腸道內部的pH降低1～2個單位，增加了金屬離子溶解度，并促進了被動擴散使更多金屬離子進入腸細胞[15]。菊糖分解的短鏈脂肪酸還可刺激結腸粘膜生長，從而增大吸收面積。此外，菊粉的代謝產物可促進B族維生素及葉酸的合成，提高機體的新陳代謝，提高免疫力和抗病力。

3.4 預防癌癥作用

菊粉具有潛在預防癌癥作用，其作用源于發酵后產生短鏈脂肪酸，特別是丁酸和高濃度鈣、鎂離子對細胞增殖抑制作用。一些研究發現，丁酸在結腸粘膜的上皮吸收代謝，可促進腸上皮增生使柱狀細胞和杯狀細胞更生，杯狀細胞黏液增多，維持結腸及全腸道粘膜完整性，使損傷上皮DNA修復，抑制多種腫瘤細胞生長、誘導細胞分化；同時丁酸鈉還能通過許多途徑誘導癌細胞發生凋亡，具有顯著抗癌作用。此外，菊粉能在腸道中富集鈣、鎂離子，致使這些陽離子濃度升高，控制癌細胞增殖率[16-17]。

4 菊粉的開發利用

近年來，菊粉的開發利用受到國際食品界的高度重視，并在乳制品、飲料、焙烤食品、低脂低熱食品、保健食品等領域成功應用。

4.1 高果糖漿的生產

利用傳統方法從玉米淀粉生產42%高果糖漿至少通過三步反應得到：α－淀粉酶的液化、糖化酶的糖化和葡萄糖異構酶的異構化。42%高果糖漿經過色譜分離純化得到90%高果糖漿，將42%高果糖漿和90%高果糖漿混合、蒸發、離子交換得到55%高果糖漿。整個生產過程步驟繁瑣，且果糖的得率低[18]。日本、蘇聯曾經報道過用酸水解菊粉制取果糖，即在菊粉溶液中加入濃鹽酸，在高溫（100℃左右）的條件下水解，再進行分離純化得到高果糖漿，我國周永國、林影等曾對此法進行過研究[19-20]。酸法水解產量較高，但色素重，無機離子含量高，脫色素和無機離子使得生產成本增加。80年代，加拿大、法國、比利時、荷蘭等國的科學家開始了用微生物酶水解菊粉制取果糖的研究，即將菊粉水解酶加入菊粉溶液，在一定條件下反應，就可得到高果糖漿，果糖的得率可達90%以上。與淀粉轉化法和酸法相比，用菊粉酶法制取果糖具有轉化過程簡單，僅需一種酶即可的優點，而且產物較單一，果糖純度高。王建華等利用克魯霉酵母菊粉酶一步法制取高果糖漿，菊糖濃度15%，酶添加量22 μ/g，50℃作用6 h～36h。底物水解率＞95%、水解產物中果糖占＞95%，葡萄糖＜5%，不含其它糖[21]。

4.2 生產低聚果糖

由于低聚果糖的保健特性，以及菊粉結構的特點，國內外對應用內切菊粉酶水解菊粉生產低聚果糖的研究也日益增多。Penicillium purpurogenum內切菊粉酶[22]，水解菊粉產物以 F3、F4、F5、F6 為主，水解率為32%。Penicillium sp.TN-88[23]內切菊粉酶水解菊粉24h前產物以F2、F3、F4為主，水解率50%，72 h水解率達70%，產物以三糖為主。Steptomyces rochi E87[24]內切菊粉酶水解初期以四糖為主，24 h后水解終產物為三糖，產率為71%。Xanthomonas sp.內切菊粉酶水解菊粉，在pH 7時達到最高轉化率93%，水解產物主要是DP 5或DP＞5的低聚糖[25]。固定化內切菊粉酶在最佳條件：底物濃度50 g/L，反應液流速12 mL/h，在55℃下運轉15 d，低聚果糖產率達到83%。

4.3 發酵生產酒精

用K.fragilis或K.marxianus直接發酵菊粉生產酒精，幾乎能完全將菊粉發酵成酒精。發酵粗菊芋提取液，不須加其它營養物質，25 h內酒精產量87.8%。因此，應用微生物菊粉酶為生產酒精開辟了一條新途徑[26-28]。

4.4 作為脂肪替代品

菊粉在水中的黏度隨濃度的增大而增大，可形成像奶油般柔滑的凝膠，與脂肪十分相似，其口感與油脂一樣。故可替代油脂，生產低脂、脫脂乳或蔬菜奶油，還可替代冰淇淋和其他類似產品中的油脂。菊粉可穩定水或脂肪的結構，改進干酪的特性（如涂抹性）和口感，同時可代替乳清蛋白或淀粉衍生物。何強等曾研究了菊粉對低脂冰淇淋流變性、質構以及感官特性的影響，研究表明，菊粉的加入可提高冰淇淋漿料的黏度、成品的硬度以及粘結度，并改善冰淇淋的抗熔性，添加5%菊粉的低脂冰淇淋感官指標與全脂冰淇淋接近[29]。菊粉可替代低脂肉制品的油脂，改進肉制品結構，保持品質穩定性，還可替代焙烤食品中的脂肪和糖分，提高焙烤食品的松脆性；以及可在蛋糕、餅干、面包中用于發展新概念制品，如益生原面包、高纖維面包等。孫彩玉等研究了菊粉作為脂肪替代物加入到低脂發酵香腸中，結果表明加入菊粉12.5%時可提供低脂發酵香腸較軟的質地，且咀嚼性、彈性、內聚性和黏附性與傳統香腸非常接近[30]。

4.5 菊粉在乳制品中的應用

乳制品是運用菊粉的一個理想系統，它能有效提高人體對鈣質的吸收，并能模擬乳脂肪的口感在應用于低脂乳制品中，增加制品中碳水化合物的含量，既改善了產品的整體營養價值又不犧牲產品的食用品質，還具有益生元特性。因此，近幾年來菊粉被廣泛應用于低脂或脫脂牛奶[14]。

4.6 菊粉作為飼料添加劑的應用

上官明軍等通過在雛雞日糧中添加菊粉，研究菊粉對蛋雛雞生長性能、免疫器官指數和血清免疫球蛋白的影響，以及菊粉替代抗生素對蛋雛雞的應用效果，結果表明菊粉有促進雛雞生長，提高雛雞免疫器官指數和增加血清免疫球蛋白含量的作用，尤其以0.8%添加比例菊粉效果最好，可替代抗生索部分作用在蛋雛雞日糧中添加使用[31]。顧憲紅等研究了菊粉對斷奶仔豬大腸微生物區系及生產性能的影響，結果表明菊粉能顯著降低斷奶仔豬盲腸、結腸和直腸后段內容物pH，促進斷奶仔豬盲腸內乳酸桿菌生長，增加斷奶仔豬回腸后段、盲腸和直腸后段雙歧桿菌數量[32]。

4.7 菊粉在各種食品中的應用

如前所述，菊粉具有比較特殊的物理化學性質和重要的生理活性功能，菊粉的開發利用受到國際食品界的高度重視，并成功應用在焙烤食品、糖果、乳制品、飲料以及調味料等食品領域，如表3。

表3 菊粉在各種食品中的應用Table 3 The application of inulin in foods

5 菊粉的應用前景

菊粉作為膳食纖維已被大眾接受，并被FDA批準進入美國市場，在中國、美國、日本及歐洲作為食品和營養的增補劑，廣泛應用于食品、飼料、生物、化工等工業領域中。目前工業上菊粉一般多從菊芋根中提取。菊芋的生長對土質要求不嚴，易種植，不占耕地面積，如日本在沿海地帶大面積種植菊芋，經選種復壯后的塊莖可達0.5 kg以上，菊芋在我國的大部分地區都有種植，如集中栽植、培育，可得高產作物。我國的荒漠化土地面積達262萬km2，菊芋可以防風固沙，大大改善生態環境。利用其生產菊粉、高果糖漿及低聚果糖，綜合利用率極高，符合我國國情，可大大提高農業生產的經濟效益。

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