菊粉的性質、功能及在食品中的應用進展

李 烜 羅登林,2 向進樂,2 徐寶成,2 李佩艷,2 許 威 黃繼紅

(河南科技大學食品與生物工程學院1，洛陽 471023)(河南省食品原料工程技術研究中心2，洛陽 471023)(信陽師范學院生命科學學院3，信陽 464000)(河南工業大學生物工程學院4，鄭州 532927)

菊粉(inulin)，又名菊糖，它作為一種天然的膳食纖維具有許多突出的生理功能，包括促進益生菌增殖、抑制腸道腐敗菌生長、改善腸道微環境、調節血糖水平等[1]。同時，菊粉還表現出優異的食品加工性能，如外表呈潔白的粉末狀，無不良氣味，易溶于水，微甜，能形成柔滑而細膩的凝膠等[2]。在2009年，菊粉被我國原衛生部正式批準為新資源食品，它作為目前全球認知度最高、市場份額最大、應用領域最廣的膳食纖維，正以突出的健康效應和優良的應用性能引領益生元市場的快速發展。因此，深入了解菊粉的性質、功能和應用，對推動我國菊粉產業健康發展、提高國民飲食健康和實現我國2017—2030年國民營養計劃具有重要的意義。

1 菊粉概述

1.1 來源

菊粉屬于一種天然的儲備性多糖，在自然界中分布十分廣泛，以植物中含量最豐富，其次是一些真菌和細菌。菊粉主要存在于菊科類植物中，如桔?？?、龍膽科、菊科等(表1)[3]。工業上菊粉生產的主要原料是菊苣和菊芋，其塊莖中菊粉占比在70%以上(干基)。

表1 常見植物中的菊粉含量

1.2 結構

菊粉分子是由D-呋喃果糖分子以β (2→1)鍵連接而成的線性直鏈多糖，末端常帶一個葡萄糖殘基。菊粉的分子式表示為GFn，G為終端葡萄糖單元，F為果糖單元，n為果糖單元數，聚合度(DP)一般在2～60。通常把平均DP≤10的菊粉稱為短鏈菊粉或低聚果糖，平均DP≥23的稱為長鏈菊粉或多聚果糖，從天然植物(菊芋或菊苣)中提取的菊粉同時含有短鏈、中鏈和長鏈結構，稱為天然菊粉。短鏈菊粉和天然菊粉都含有一定的單糖和雙糖，因此略帶甜味，其甜度大約相當于蔗糖的10%～30%；長鏈菊粉中由于不含單糖和雙糖，則沒有甜味[4]。

不同植物種類所含菊粉的聚合度也有所差異。小麥、洋蔥和香蕉中所含菊粉的聚合度最低(最大聚合度DPmax<10)，大理花塊根、大蒜和菊芋所含菊粉的聚合度較低(DPmax<40)，球菊芋和菊苣則所含菊粉的聚合度較高(DPmax<100)，百合、朝鮮薊和某些細菌(如突變鏈球菌)所含菊粉的聚合度最高(DPmax>100)。在實際生產過程中，可利用人工合成的方法來調控菊粉的聚合度，如利用合成酶可生產不同聚合度的短鏈菊粉，利用內切酶(EC3. 2. 1. 7)可水解菊苣菊粉獲得DP范圍在2～7、平均DP=4的低聚果糖，利用物理分離技術(結晶和膜分離)可生產平均聚合度不小于23的長鏈菊粉[5]。

1.3 理化性質

根據菊粉在水中的溶解大小，可分為易溶和難溶于水兩類。通常把聚合度為10作為臨界點，DP≤10的菊粉易溶于水，而DP>10的菊粉較難溶于水。

1.3.1 溶解性質

菊粉溶解度的差異與其聚合度和環境溫度有關(表2)。短鏈菊粉比長鏈菊粉更易溶于水，隨著溫度的升高，菊粉的溶解度顯著增加。在室溫下天然菊粉和長鏈菊粉在水中的溶解度分別為4.92 g和0.92 g；當溫度升至80 ℃時，其值分別增大至31.16 g和22.71 g[6]。

表2 不同聚合度菊粉在水中的溶解性

1.3.2 溶液pH

菊粉屬于一種中性多糖，理論上其水溶性顯中性，但由于實際生產工藝的不同，會導致不同聚合度菊粉的水溶液呈現不同的酸堿性。室溫下天然菊粉水溶液呈弱酸性，隨著質量分數的增大，其酸性增強，2%和20%天然菊粉水溶液的pH分別為6.97和6.35；長鏈菊粉水溶液則呈弱堿性，2%和20%的長鏈菊粉水溶液的pH分別為7.04和8.32[6,7]。

1.3.3 溶液黏度

菊粉水溶液的黏度隨其含量和聚合度的增加而增大(表3)。當天然菊粉的質量分數<25%時，其水溶液的黏度很低，但超過25%時黏度顯著增加，這主要是因為菊粉開始形成顆粒狀弱凝膠，分子間相互作用改變了溶液的物理狀態。如對于5%的菊苣菊粉水溶液，在10 ℃時溶液黏度為1.65 mPa·s，但在30%時顯著增加至100 mPa·s[8]。溫度對菊粉溶液的黏度影響非常明顯，隨溫度的升高溶液黏度顯著降低，這歸因于高溫下菊粉的溶解度顯著增大，難以形成凝膠。另外，菊粉的聚合度也影響明顯，長鏈菊粉在較低溫度和含量下更易形成凝膠，具有增加食品體系黏度的作用。因此，在食品中長鏈菊粉通常用于增稠和替代脂肪與糖類，賦予食品特定的質構和口感；而天然和短鏈菊粉由于溶解性好表現為低黏度，經常用作填充劑和功能成分應用于食品中，在生產過程中既方便大量添加又不會影響生產工藝和產品品質[7]。

表3 不同聚合度菊粉在水中的動態黏度

1.3.4 持水性

菊粉具有較強的持水性，能降低食品中的水分活度，延緩水分蒸發，從而延長產品的貨架期[7]。溫度和聚合度均會影響到菊粉的持水性，隨著溫度的升高，天然菊粉和長鏈菊粉的持水性均呈先升高后降低的趨勢。天然菊粉的持水力在40 ℃時達到最大值(2.85 g/g水)，而長鏈菊粉在70 ℃時持水力才達到最大值(2.92 g/g水)[6]。

1.4 生產工藝

菊粉的生產工藝與蔗糖的制備有相似之處。通常是先將新鮮的菊苣或菊芋經清洗、切絲后熱水浸提，浸提液經過脫色、中和、除雜等工序，以去除蛋白、膠質、粗纖維和色素，然后經過離子交換膜以除去鹽類成分，再采用納濾技術對溶液進行濃縮純化，最后經過降膜蒸發濃縮后噴霧干燥得到較高純度的菊粉[5]。

2 菊粉的生理功能

菊粉作為一種可溶性的膳食纖維，具有相比普通膳食纖維(果蔬類、谷物類、豆類、菌類等)更加突出的生理功能，常作為研究其他益生元功效的標準對照物，其具體生理功能見表4。

表4 菊粉的生理功能

2.1 促進腸道益生菌增殖，改善腸道微生態

菊粉雖然不能在人體小腸內消化吸收，但可以在大腸內被各種益生菌發酵利用，降低腸道內的pH值，從而抑制多種腐敗菌增殖，間接地減少了腸道內毒素物質的產生，有效改善腸道健康水平。研究表明，每日攝入一定量的菊粉能夠使結腸中的益生菌增加至10倍，顯著減少病原菌和腐敗菌的數量，如金黃色葡萄球菌、李斯特菌、沙門氏菌和大腸菌群等[2]。菊粉可用于治療成人急性腹瀉，有助于改善急性腹瀉患者的腸道黏膜功能，促進腸道菌群的恢復。不同聚合度的菊粉對腸道影響不同，低聚合度的菊粉對腸道菌落結構的影響更明顯，而高聚合度型菊粉對結腸微生物區系有明顯的有益作用[9]。

2.2 調節血糖水平

菊粉在小腸內不能被水解成單糖，不會引起體內血糖水平的顯著升高，它還能促進機體對Mg2+的吸收，起到穩定血糖的作用[10]。歐洲食品安全局指出，低聚果糖對于血糖控制起著至關重要的作用，它與攝入后血糖反應改善之間存在顯著的相關性，此次聲明旨在認可低聚果糖具有降低餐后血糖的作用。研究表明，富含菊粉的富硒阿膠-菊粉咀嚼片能夠顯著降低小鼠的血糖水平，與二甲雙胍的作用相當[11]。另外，菊粉不僅能降低小鼠血糖水平和胰島素抵抗指數，還能增強胰島β-細胞的功能[12]。

2.3 減肥

菊粉能提高胃內容物的黏度，減緩食物從胃進入小腸的速度，降低饑餓感，從而減少食物的攝入量。菊粉在消化系統內不被吸收，而在結腸中被發酵，產生的熱能低，其熱值約為4.2～6.3 kJ/g，分別相當于葡萄糖和脂肪熱值的26%～39%和11%～16%[13]。研究發現，短鏈菊粉可有效減少肥胖小鼠肝臟脂肪堆積，增加益生菌群占比，緩解小鼠肥胖[14]。菊粉對肥胖病患者的總膽固醇水平、甘油三酯水平、高密度脂蛋白水平均有顯著的降低效果，這與服用的劑量、時長和病人的自身生理狀態有關[15]。

2.4 改善便秘

菊粉能有效增加排便次數和改善排便質量，具有促進腸道蠕動、縮短糞便在結腸中的停留時間、增加糞便質量和排泄量等作用。在膳食中每天按推薦劑量補充菊粉，可以顯著增加便秘患者的排便頻率，使大便變得松軟連貫，由便秘引發的惡心和頭痛也隨之消失。便秘患者若每天食用菊粉15 g，2周后會感覺大便通暢，便秘癥狀明顯緩解，臭味也明顯減少[16]。菊粉作為益生元可促使腸道菌群組成朝著雙歧桿菌和/或乳桿菌相對增加的方向“轉移”，改善便秘患者的生活狀態[17]。

2.5 促進礦物質的吸收

菊粉能促進結腸微生物選擇性發酵，引起短鏈脂肪酸濃度上升和腸道內pH值下降，導致礦物質復合物發生分解，從而促進了礦物質元素釋放、溶解和吸收[18]。菊粉能明顯提高Ca2+、Mg2+、Fe2+等礦物質的吸收率，尤其是Ca2+的吸收率。此外，菊粉還能使腸道隱窩高度及上皮細胞數量增殖，礦物質運輸通道增加，使鈣結合蛋白D9k的表達量增加，激活鈣擴散通道[19]。

2.6 降血脂

菊粉能加速脂質的分解基細胞質基因肽的產生，促進雙歧桿菌的增殖和短鏈脂肪酸的生成和糞便中膽汁鹽及膽固醇的排除。研究發現，對于健康男子，若每日早餐中加入9 g菊粉，4周后發現他們體內總膽固醇和甘油三酯含量分別降低了8.2%和26.5%；對于老年病人，若每日攝入8 g的短鏈菊粉，2周后他們血液中的總膽固醇和甘油三脂水平顯著降低。對于糖尿病人，若每日進食8 g菊粉，2周后他們體內總膽固醇含量降低了7.9%[20]。

2.7 減少患癌風險和提高免疫力

菊粉能與病原菌的外源凝集素發生特異性結合，使其不能在腸道壁上黏附。菊粉還可通過促進雙岐桿菌的生長和增殖，刺激免疫系統，激活吞噬細胞，產生抗菌素，減少有毒物質的產生，平衡腸道菌群[21]。菊粉在大腸中經發酵生成的乳酸和短鏈脂肪酸降低了β-葡萄糖苷酶的活性，有利于腸內亞硝基胺、吲哚等致癌物質的排放[22]。

3 菊粉的安全性和分析方法

3.1 安全性

菊粉作為一種功能性食品配料在全世界已得到廣泛的應用，其安全性問題也倍受人們的關注。許多研究表明，菊粉不存在安全性方面的問題，相關毒理學實驗并沒有發現它可以增加人們發病率、死亡率或導致靶器官中毒的證據，也不具有誘發突變、致癌或致畸方面的風險，美國FDA也確認菊粉為公認安全物質。臨床研究表明，每日攝入40～70 g菊粉對人體健康無不良影響。菊粉僅有可能引起腹部不適，最常見表現為脹氣，其次是腹鳴和氣鼓，嚴重時會引起輕度腹瀉，但這些胃腸道不適都是劑量依賴性，即攝入量越大，胃腸道不適感越明顯，一旦減少攝入量，這些癥狀就會立馬減輕或消失。對于健康人群，每日按0.14 g/kg體重的菊粉補充量是不易引起不良反應的，對于敏感人群或腸易激綜合癥(IBS)患者，為了避免癥狀加重，需要謹慎補充菊粉，最好是從0.5 g/d開始，若癥狀穩定，每3 d增加1倍。對于IBS患者，菊粉每次的攝入上限在5 g為宜[23]。

3.2 分析方法

目前菊粉的分析方法并不統一，AOAC999.03的測定方法為比色法，是將樣液中的蔗糖用蔗糖酶水解，然后利用硼氫化鈉還原成糖醇，再利用果聚糖酶水解樣液中的果聚糖，通過比色法測定果聚糖含量。AOAC997.08的測定方法是離子色譜法，對樣液進行2次水解并進行3次糖含量測定。GB 5009.255—2016 《食品安全國家標準 食品中果聚糖的測定》采用離子色譜法測定食品中果聚糖含量，適用于絕大多數食品。

4 菊粉在食品工業中的應用

近些年來菊粉的開發利用受到國際食品界的高度重視，已被廣泛應用于乳制品、飲料、面制品、肉制品等各類食品中。

4.1 乳制品

菊粉作為一種優良的脂肪替代物，當與水完全混合后會形成一種奶油狀結構，可賦予脫脂乳滑爽的口感。菊粉的加入可以促進人體對乳品中鈣的吸收[13]。在酸奶的制作中，添加6%的菊粉會減少乳清析出率，有助于提高酸奶的品質。在羊奶酸奶中添加6%的菊粉所得產品的口感更好[24]。研究表明，在低脂酸奶中加入菊粉，有利于嗜熱鏈球菌、保加利亞乳桿菌、嗜酸乳桿菌、鼠李糖乳桿菌等益生菌的生長和發酵，提高酸奶儲藏期中活菌數量。在利用嗜熱鏈球菌與不同乳桿菌或雙歧桿菌共同發酵的酸奶中，添加2%～4%的菊粉還能增加酸奶的硬度。菊粉在凝固型酸奶中合適的脂肪替代水平為40%，在脫脂牛奶飲料中短鏈和長鏈菊粉的合適添加量分別為4%～10%和4%～6%[25]。

利用菊粉特殊的營養功能可制成各種功能性乳制品，如在非發酵乳制品中添加低聚果糖，可解決嬰幼兒和中老年人易上火和便秘等問題，也有降低血脂和血糖的作用；在脫脂乳中添加低劑量的菊粉，可顯著提高非脂肪發酵乳中嗜酸乳桿菌、鼠李糖乳桿菌和乳雙歧桿菌的生長和壽命；在嬰兒飲食中補充一定量富含低聚果糖的菊粉，可以促進體內腸道微生物群更接近母乳喂養水平，并且安全有效[26]。

4.2 面制品

菊粉的外觀與小麥粉相似，呈白色粉末狀，具有良好的親水性，吸水后能形成細膩、爽滑的質地。利用菊粉的這些特性可改善面團的加工性能、提高產品品質和營養價值，優化產品的營養結構。研究表明，菊粉能增加面團的形成時間、穩定時間、粉質指數、拉伸阻力、拉伸比和拉伸能量，降低面團的弱化度，這與菊粉增加了小麥蛋白質的乳化活性和β-折疊含量、降低β-轉角含量、與谷蛋白發生交聯等作用有關[27]。菊粉的這種影響與其平均聚合度和添加量密切相關。若添加過量的長鏈菊粉(>5%)則會對面團及其制品的品質產生明顯負面作用，這可能歸因于長鏈菊粉分子量較大，疏水性強，在和面過程中遇水極易形成黏性極強的小顆粒，導致和面不均勻和破壞了面筋網絡結構；對于短鏈和天然菊粉，由于其平均聚合度較低且含有一定量的低聚糖，其親水性好，易于溶解或分散在水中，在和面中易于分散均勻，因此在一定的添加量下(<10%)會使促進面團的發酵過程，增加面團的總產氣量和持氣量，賦予產品內部細小、均勻而致密的氣室和柔軟富有彈性的質的，有助于提高產品的得率和品質[28]。添加菊粉的酥性餅干口感酥松，質地均勻，色澤金黃，體外消化率低于普通餅干[29]。菊粉能增大面包的孔隙率、體積和比容，縮短焙烤時間，延緩面包老化[30]。

4.3 肉制品

在肉制品中，菊粉經常被用于替代其油脂或淀粉類物質，以降低產品能量、增加膳食纖維含量和提高產品的營養功能。菊粉部分取代香腸中的油脂，在一定程度上會增加其硬度、黏著性和回復性，降低其彈性、咀嚼性和凝聚性，這主要與脂肪的質地比菊粉凝膠柔軟有關[31]。添加20%菊粉到牛肉丸中可以使其脂肪和反式脂肪酸含量、水分、鹽含量、蒸煮損失和紅度變量值降低，亮度值和灰分含量增加[32]。用0.2%～3.0%的菊粉取代里昂式香腸中的脂肪，香腸中脂肪含量降低了32%～88%，多汁感變好，肉質粗糙感和硬度下降[33]。將短鏈菊粉部分取代香腸中的淀粉，則會降低其硬度、咀嚼性、凝聚性、多汁性和蒸煮損失率，增加其黏著性和回復性，改善其感官品質[34]。菊粉也可作為魚肉類制品的冷凍保護劑，研究表明在白鰱魚魚糜中添加1.5%的菊粉所制得的產品品質最好[35]。菊粉中的羥基部分可與蛋白質結合，抑制了蛋白質的聚集，羥基中的氫鍵也可與水分子結合，降低水分子的移動性和可凍結水的含量，抑制冰晶的形成和生長，因此菊粉具有一定的抗凍保護作用。短鏈菊粉的抗凍保護效果最好，天然菊粉的抗凍保護效果次之，長鏈菊粉的抗凍保護效果最差，這可能歸因于短鏈菊粉中一些低分子的糖類更易暴露游離羥基，與水形成分子間氫鍵，而長鏈菊粉由于鏈長，更易發生分子內鍵合[36]。

4.4 飲料

菊粉易溶于水，當溶液pH大于4時對熱相對穩定，因此可廣泛應用于各種飲料中。在果汁飲料、功能性飲料、運動飲料、固體飲料、植物蛋白飲料等產品中添加菊粉后，除了可以取代脂肪和砂糖、提高產品水結合能力和增加黏性外，還能賦予產品高膳食纖維含量，提高鈣、鎂、鐵等礦物質的吸收率(> 20%)，掩蓋其苦澀味。菊粉的添加能增加飲料稠度，解決植物蛋白飲料口感稀薄的問題，使乳脂感更強并給人以柔軟的感覺，使飲料風味更濃，質地更好[37]。菊粉促進鈣的吸收率可達70%，因此含有菊粉的飲料不僅具有益生元功能，還可促進生長發育和防止骨質疏松。添加菊粉的飲料能明顯促進老人的腸道蠕動，增加排便次數13%[38]。

4.5 其他方面

在豆制品中添加菊粉可改善其凝膠性能和質構特性。菊粉能增加嫩豆腐的黏彈性和凝膠性，這可能與菊粉的持水性和膠凝性有關[39]。菊粉可作為一種天然抗氧化劑在油脂工業中使用。研究表明，菊粉對菜籽油具有一定的抗氧化作用，并與VC、檸檬酸等具有協同效應[40]。在巧克力中，菊粉可以改善其質構和紋理，增加其白度和延長保質期，用菊粉代替蔗糖制作的無糖巧克力具有更好的黏度、硬度和顏色[41]。添加菊粉的果凍質地更加均勻，風味更好，且營養健康[42]。鮮切水果若經菊粉溶液涂膜處理后，其褐變程度降低，產品的貨架期、力學性能和保水性能均有所改善[43]。

5 存在問題和展望

菊粉作為目前全球應用最廣的膳食纖維，具有許多突出的生理功能和優良的加工特性，它可作為益生元、脂肪替代品、糖類替代品和質地改良劑，用于生產低脂、低糖、低能量、具有促進腸道健康和預防各種慢性疾病的功能食品。目前在其他方面還需進一步深入研究：

不同聚合度菊粉的健康效應。對于短鏈、天然和長鏈菊粉，其分子平均聚合度差異明顯，導致其可溶性膳食纖維與不可溶性膳食纖維的含量顯著不同，其在改善代謝綜合癥、影響腸道菌群多樣性和機體免疫力、調節腸道微生態等方面的差異性及具體表現，以及與可溶性膳食纖維和不可溶性膳食纖維的比例的相關性有待研究。

不同聚合度菊粉的應用領域和范圍。聚合度會影響菊粉的溶解性、持水性、膨脹性、吸附性、結晶性、膠凝性、質構特性和食品加工穩定性等方面。因此，需要深入了解不同聚合度菊粉在不同食品體系中的應用優勢與局限性，例如長鏈菊粉適合應用于取代脂肪、增稠和改善質構等方面，而短鏈菊粉更適合應用于飲料和冷凍甜點類等。

菊粉與食品體系中其他分子如蛋白質、淀粉、脂肪和水間的相互作用。由于食品是一個非常復雜的體系，菊粉的加入會改變原先食品體系中各分子間的相互作用，如菊粉會影響不同性質的水分發生遷移，削弱或增強淀粉的熱力學穩定性，抑制或促進不同類型淀粉的老化與結晶，改變蛋白質的乳化性能、網絡結構、分子二級和高級結構等，從而會影響食品的加工和貯藏性能，改變其風味特征和感官品質。