天然甜味劑
——甜菊糖苷及其在食品中的應用

韓仁嬌，藍航蓮，王彩云，侯占群*

1(內蒙古乳業技術研究院有限責任公司，內蒙古 呼和浩特， 010110) 2(內蒙古伊利實業集團股份有限公司，內蒙古 呼和浩特， 010110)

糖是日常生活中的需求品，但是目前糖的過量食用問題已經開始威脅到人類的健康，過量食用糖會增加肥胖、高血壓以及糖尿病等的患病風險[1]。這使得許多國家紛紛開始了減糖行動，例如美國、英國和法國針對含糖飲料進行糖征稅，丹麥針對巧克力、冰激凌等產品制定的“肥胖稅”，這些減糖政策的制定都取得了積極的效果[2]。目前我國在健康中國行動中也對減糖提出了明確的要求，其中提到要盡快研制兒童食品添加蔗糖攝入的限量指導，提倡人群降低蔗糖的攝入量，鼓勵選擇用天然甜味物質和甜味劑替代蔗糖生產食品和飲料，盡可能地使超重、肥胖以及一些心腦血管疾病的風險降低。糖精是最早應用于食品工業代糖的甜味劑，但由于糖精的食用對人體有害無益，所以糖精逐漸被淘汰，取而代之的是以阿斯巴甜為代表的人工甜味劑。這類人工甜味劑在人體內很難被轉化，所以可以認為是無熱量的糖，目前也仍然在食品工業中被廣泛使用。但是隨著人們的不斷探索研究，以甜菊糖苷為代表的一類綠色、健康的天然甜味劑引起了人們的注意，甜菊糖苷的熱量僅為蔗糖的1/3，但甜度為蔗糖的幾百倍，是眾多糖尿病和高血壓患者的最佳選擇。目前甜菊糖苷已經開始應用于烘焙、乳制品、飲料等產品的生產中，其中在2019年全球推出的飲料新品中，新型甜味劑甜菊糖苷的使用量已經僅次于三氯蔗糖和安賽蜜。由此可見，甜菊糖苷具有很好的發展前景。

甜菊糖是一種天然存在于甜葉菊中的甜味劑，即甜菊烯二萜苷，通常被稱為甜菊糖苷[3]。這種甜味劑的應用最早起源于南美洲巴拉圭原住居民，甜菊糖苷在20世紀30年代由法國的兩位化學家從甜葉菊中成功分離。20世紀70年代日本開始從南美洲引進菊科植物甜葉菊并成功種植，后來甜菊糖開始作為一種甜味劑應用于日本食品工業。隨后不久，我國從日本引進了甜葉菊并試種成功[4]。甜葉菊中的甜味成分統稱為甜菊糖苷[5]，甜菊糖苷的種類繁多，主要包括萊鮑迪苷A族、萊鮑迪苷C族、萊鮑迪苷F族等，另外杜香苷A等也屬于甜菊糖苷類化合物[6]。2008年高純度的甜菊糖苷和萊鮑迪苷A通過了美國GRAS的安全認證；2011年甜菊糖苷已被進出口委員會(Committee on Import and Export，CODEX)采用，使其能作為食品添加劑使用并出版了食品使用標準；另外甜菊糖苷也通過了歐盟的安全性審查，并開始能夠作為甜味劑在歐盟地區使用；隨后中國、新加坡、馬來西亞等國家也開始將甜菊糖苷納入可使用甜味劑行列；2013年萊鮑迪苷A作為最常見的甜菊糖苷類化合物開始成為了世界的主流，并且開始在全球的主要國家中使用；2018年至今，素有“下一代甜菊糖”之稱的萊鮑迪苷M，由于其口感最接近于蔗糖，開始慢慢取代萊鮑迪苷A成為世界的主流。

甜菊糖苷類化合物的化學結構中均具有一個相同的基本骨架——內-貝殼杉烯酸(ent-kaurenoic acid)結構。具有甜味的甜菊糖苷化合物都是一些具有ent-kaurane骨架的二萜苷；另外，甜菊糖苷的甜度還與其化學結構有一定的關系，楊全花[7]根據各甜菊糖苷化合物的甜度值范圍得到的甜度大小順序：Ⅱ型骨架>Ⅲ型骨架>Ⅰ型骨架>Ⅴ型骨架>Ⅳ型骨架(圖1)。甜菊糖苷中最常見的2種化合物為萊鮑迪苷 A和甜菊苷(stevioside，St)。以蔗糖為標準，甜菊糖苷的相對甜度為150～300倍，而萊鮑迪苷A的相對甜度位于各甜菊糖苷類化合物之首，大約是250～450倍。另外，低熱量也是甜菊糖苷的一個顯著特點。由此可見，甜菊糖苷是蔗糖等傳統甜味劑的一種天然優良替代品。

a-Ⅰ型；b-Ⅱ型；c-Ⅲ型；d-Ⅳ型；e-Ⅴ型圖1 甜菊糖苷5種骨架結構圖Fig.1 Five kinds of skeleton structures of stevioside

1 甜菊糖苷及其衍生物(甜菊糖及其衍生物制備技術與結構分析)

甜菊糖苷類化合物的種類繁多，目前已經發現甜菊糖苷類化合物30多種[6]，主要包括較常見的甜菊苷和萊鮑迪苷A、逐漸成為世界主流的萊鮑迪苷M和萊鮑迪苷D以及含量較低的萊鮑迪苷R和萊鮑迪苷S等，這些甜菊糖苷的基本骨架大致相同，不同之處在于取代基上化學結構的不同。另外人們對于甜菊糖苷的衍生物甜菊醇、異甜菊醇也不斷地進行研究。甜菊糖苷及其衍生物不僅表現出了可應用于食品工業的優良性質，也表現出特殊的生理功能。

1.1 甜菊糖苷的提取方法

目前已發現的甜菊糖苷化合物的提取技術主要包括熱水提取、超聲輔助提取、酶法、大孔樹脂吸附法等，其中大孔樹脂吸附法的應用最多；隨著提取技術的不斷進步，近年來還出現了利用快速固液動態萃取法[8]、雙水相體系提取法[9]及超臨界萃取法[10]等方法提取甜菊糖苷。雖然目前針對甜菊糖苷提取的方法較多，但這些提取方法并不適用于所有的甜菊糖苷種類，每種方法僅適用于其特定的范圍。幾種主要的提取方法的適用甜菊糖苷范圍如表1所示。

表1 甜菊糖苷的主要提取方法及其適用種類Table 1 Main extraction methods of stevioside and its applicable species

因為甜菊苷和萊鮑迪苷A是甜菊糖苷類化合物中最常見的2種化合物，所以多數的甜菊糖苷提取方法主要是針對這2種甜菊糖苷。

1.2 甜菊糖苷及其衍生物

甜菊糖苷類化合物主要包括甜菊糖苷及其衍生物，主要分為自然界提取和已有的甜菊糖苷生物轉化以及利用基因工程技術獲得。由自然界提取而來的甜菊糖苷類化合物主要包括萊鮑迪苷A、萊鮑迪苷B、萊鮑迪苷C和萊鮑迪苷D等；由已有的甜菊糖苷生物轉化而來的主要是指甜菊糖苷的衍生物甜菊醇和異甜菊醇等；而利用基因工程技術獲取的甜菊糖苷類化合物主要是指萊鮑迪苷M。

由表2可以看出，甜菊糖苷及其衍生物的化學結構的不同之處在于它們的基本骨架上R1、R2位置上的取代基不同。甜度居于各甜菊糖苷化合物之首的是萊鮑迪苷A，其相對甜度為250～450倍，萊鮑迪苷A與甜菊苷的結構相似，不同之處只是多了一個葡萄糖部分[20]。萊鮑迪苷D與萊鮑迪苷A結構類似，通過一系列的體外實驗也可以證明兩者具有相似性，且實驗證明萊鮑迪苷D的安全性較高可以應用于食品中[21]。衍生物甜菊醇和異甜菊醇的分子質量較所列甜菊糖苷的分子質量低，它們主要是來源于甜菊糖苷在堿性或酸性條件下的水解，經水解之后分別生成ent-kaurane二萜甜菊醇或ent-beyerane二萜異甜菊醇[22]。

表2 甜菊糖苷及其衍生物歸納表[3,19]Table 2 Summary of stevioside and its derivatives

1.2.1 萊鮑迪苷A

萊鮑迪苷A(rebaudioside A)，化學式為C44H70O23，基本骨架R1和R2位置的取代基分別為β-Glc、β-Glc-[β-Glc(3-1)]-β-Glc(2-1)，分子質量為967.88 g/mol。萊鮑迪苷A是甜菊糖苷中的主要成分，也是甜菊糖苷中最穩定的成分[23]；目前萊鮑迪苷A的提純和精制工藝手段主要包括：高效液相色譜法、薄層色譜法、膜分離法、毛細管電泳法、液滴逆流分配層析法、超臨界萃取法、重結晶法[24]。萊鮑迪苷A與其他的甜菊糖苷相比顯示出更多的甜味和可口的味道，歐洲、美國、中國、韓國、巴西等地已批準萊鮑迪苷A作為一種甜味劑使用，但由于萊鮑迪苷A與一些已投入使用的甜味劑相比仍存在口感不佳的問題，這使得它在國內并沒有太高的熱度。

圖2 萊鮑迪苷A結構示意圖Fig.2 Structure of rebaudioside A

萊鮑迪苷A具有特殊的生理功能。一些研究表明，萊鮑迪苷A具有較強的降血糖作用[25], 它對2型糖尿病可能具有治療效果，并對胰島β細胞產生胰島素有直接影響[20]。萊鮑迪苷A的血液動力學效應研究中發現，在血壓正?；蛘Ｆ骄鶆用}壓較低的健康個體中，每日攝入1 000 mg/kg體重萊鮑迪苷A后，平均動脈壓或心率未觀察到顯著變化[26]，說明萊鮑迪苷A也具有一定的抗高血壓作用，對人體的血壓水平影響較小。萊鮑迪苷A還可以增強胰島素的產生，從而起到調節血糖的作用，具有健康的糖調節活性[3]。萊鮑迪苷A對TPA誘導的小鼠炎癥反應也有很強的抑制作用，表明其具有一定的抗癌作用[27-28]。另外SARAVANAN等[29]的研究結果表明，抗脂質過氧化、抗高血脂和抗氧化也是天然低熱量甜味劑萊鮑迪苷A的一些重要特性。

1.2.2 甜菊苷

甜菊苷(stevioside)，分子式為C38H60O18，其在基本骨架R1和R2位置的取代基分別為β-Glc、β-Glc-β-Glc(2→1)，相對甜度為250～300倍。甜菊苷是甜葉菊植物中主要的ent-kaurene型二萜糖苷之一，在南美洲、日本和中國等地甜菊苷已被商業用于許多食品的增甜，但不足之處是它具有一定的苦澀余味。目前甜菊苷的提取方法與萊鮑迪苷A基本相同，主要包括微波輔助提取、超臨界流體萃取和加壓熱水提取等。

圖3 甜菊苷結構示意圖Fig.3 Structure of stevioside

甜菊苷具有一定的抗炎作用，是一種胃保護劑，它可以阻斷鈣通道抑制平滑肌收縮，減少虹鱒魚組胺引起的胃異常，是減少組胺引起的酸分泌和抑制胃蛋白酶作用的潛在原因[30]。甜菊苷具有利尿功能和引起血管舒張，使血漿容量下降。一些基于人類的研究也表明，甜菊糖苷影響心血管系統，導致低血壓，縮短收縮時間，從而減少中風的發生；臨床試驗表明甜菊苷可以降低收縮壓和舒張壓[3]。一些體內和體外研究也表明，甜菊苷具有降血糖的作用,其機制主要是增加了胰島素分泌[31]。另外與萊鮑迪苷A相同的是，甜菊苷也具有抗癌活性[32]。

1.2.3 萊鮑迪苷D

萊鮑迪苷D(rebaudioside D)，分子式C50H80O28，其在基本骨架R1和R2位置的取代基分別為β-Glc-β-Glc(2→1)、β-Glc-[β-Glc-(3→1)]-β-Glc(2→1)，相對甜度居于200～300倍范圍，是甜葉菊植物中含量較少的一種甜菊糖苷類化合物。

圖4 萊鮑迪苷D結構圖Fig.4 Structure of rebaudioside D

萊鮑迪苷D的代謝和毒性與萊鮑迪苷A相似，但是萊鮑迪苷D的代謝途徑較長，腸道吸收率低；在體外實驗中，萊鮑迪苷A和萊鮑迪苷D溶液在模擬胃液和小腸液中表現出相似的穩定性，容易被從盲腸收集的腸道細菌水解[21]。

1.2.4 萊鮑迪苷M

萊鮑迪苷M(rebaudioside M)，分子式為C56H90O33，β-Glc-[β-Glc-(3→1)]-β-Glc(2→1)是其基本骨架R1和R2位置的取代基，相對甜度為200～350倍。萊鮑迪苷M的結構如圖5所示。

圖5 萊鮑迪苷M結構圖Fig.5 Structure of rebaudioside M

2014年PRAKASH等報道出一種新的甜菊糖苷類化合物——rebaudioside M[33]。萊鮑迪苷M甜味干凈，略帶苦澀味或甘草味，口感方面最接近于蔗糖。在pH 4～8溶液中萊鮑迪苷M最穩定，pH<2明顯不穩定，此外萊鮑迪苷M的穩定性還會隨著溫度的升高而降低；其穩定性與萊鮑迪苷A非常相似[34]。此外，萊鮑迪苷M被美國食品和藥物管理局認為是安全的。

萊鮑迪苷M在自然界中的含量很少，其主要有3種獲取途徑，第1種途徑主要是利用轉基因酵母從甜葉菊提取物中獲得，具有純度高的優點；第2種途徑主要是從葡萄糖被基因工程技術改造過的酵母發酵獲得，但是最終獲得的萊鮑迪苷M不再屬于天然來源；第3種途徑是通過不斷地改良育種來選育出萊鮑迪苷M含量較高的甜葉菊種類，從而能夠提取出大量的萊鮑迪苷M。

1.2.5 甜菊醇、異甜菊醇

甜菊醇(steviol)和異甜菊醇(isosteviol)，分子式均為C20H30O3，兩者的分子質量為318.2 g/mol，是甜菊糖苷化合物的衍生物。兩者的結構如圖6所示。

圖6 甜菊醇(左)和異甜菊醇(右)結構圖Fig.6 Structures of steviol (left) and isosteviol (right)

甜菊醇具有抗炎、降低血糖的生理功能，它可直接作用刺激胰島β細胞和INS-1細胞分泌胰島素[34-35]；另外甜菊醇對結腸上皮細胞還具有抗感染的效力。異甜菊醇可以抑制血管緊張素II誘導的細胞增殖和內皮素I的分泌，它還可以減少活性氧的生成，起到一定的抗氧化作用[23]。

2 甜菊糖苷在食品工業中的應用

在食品工業中蔗糖是最常見的甜味劑，但蔗糖的大量使用會導致餐后血糖的升高，會引起人體肥胖和增加心腦血管疾病的患病風險；鑒于這些問題的存在，人們開始尋求新的甜味劑來替代傳統甜味劑在食品工業上的應用。甜菊糖被譽為“人類第三代健康糖源”，是一種純天然、低熱量、高甜度、高安全性的物質，被發現可以有效的替代傳統甜味劑，作為一種健康甜味劑應用于食品工業。目前甜菊糖苷已經應用于烘焙、飲料、乳制品、糖果等產品中。

2.1 甜菊糖苷在烘焙產品中的應用

烘焙產品主要是指蛋糕、面包、點心等。在烘焙產品的制作中，糖是不可缺少的成分。其中最常見的是蔗糖在烘焙產品中的應用，它的參與可以改善產品的質地口感等，但蔗糖的長期大量食用會顯著增加肥胖、齲齒、心血管疾病的患病風險。而甜菊糖苷作為一種新型天然甜味劑，其自身具有的熱量低、甜度高的特點，可以有效地改善這種現狀。除此之外，甜菊糖苷熱穩定性也很高，它在整個烘焙過程中能保持其穩定性，并且可以加熱到200 ℃，在烹調過程中既不發酵也不發生褐變反應，能夠很好地保持產品風味、降低熱量，使延長產品的貨架期成為了可能，拓寬了烘焙的應用領域[36]。KARP等[37]將甜菊糖苷取代巧克力松餅中20%的蔗糖, 松餅的可可風味和甜味口感均有所提升。

2.2 甜菊糖苷在飲料中的應用

果汁飲料、碳酸飲料等飲料產品中均含有大量糖，長期飲用均會造成肥胖現象的不斷增加?？紤]到這些不良影響的存在，眾多的飲料公司開始在飲料制作過程中添加甜菊糖苷作為甜味劑，如萊鮑迪苷A已被全球最大的果汁飲料經銷商可口可樂公司應用于飲料的制作中[19]，在可口可樂推出的Coca Cola Life中使用甜菊糖作為甜味劑，成功地達到了減低熱量的效果；雀巢也開始在水果飲料Sanpellegrino 中加入甜菊糖來取代 40% 的白糖；百事可樂也推出了添加甜菊糖的產品七喜；另外目前市場上一些比較常見的飲料小茗同學、農夫山泉的茶Π等也開始使用甜菊糖苷來代替部分糖從而降低產品的甜度。雖然很多飲料公司都開始研發使用甜菊糖苷的新產品，但均有因新配方而喪失消費者的風險。目前在飲料市場中應用最多的為甜菊苷和萊鮑迪苷A，它們的加入既可以達到低熱量的效果，又能起到增甜的作用，最重要的是有效地降低了肥胖等不良現象的發生幾率。例如桃子汁由甜葉菊(160 mg/L)和蔗糖(56 g/L)混合配制而成，與含有9%蔗糖的對照樣品相比，在不影響產品感官品質的情況下，可使熱量減少25%[30]。

2.3 甜菊糖苷在乳制品中的應用

乳制品主要包括液體乳、冰激凌、干酪等乳制品，由于甜菊糖苷在經過熱處理后能保持其穩定性，因此成為乳制品的合適選擇[30]。在乳制品中，冰激凌是很受歡迎的冷凍乳制品之一，在冰激凌的制作過程中，它的質地、黏度、口味均會受到甜味劑的影響，冰激凌生產中最常使用的甜味劑是蔗糖，但由于蔗糖對健康的影響，人們開始將甜菊糖苷應用于冰激凌生產中。有研究表明，使用甜菊糖苷和蔗糖的混合物生產的冰激凌比只是用甜菊糖苷生產的冰激凌具有更好的感官評分[38-39]；另外，人們在一些酸奶產品中也發現甜菊糖苷與蔗糖混合使用會具有更好的口感。徐澤琦等[40]的甜菊糖苷低糖大豆發酵酸奶研究中用甜菊糖苷替代30%蔗糖發酵4 h后，不僅口感氣味色澤都較好，而且有更高的營養價值，適用于糖尿病病人、患有口腔齲齒的人食用。

2.4 甜菊糖苷改性研究

盡管甜菊糖苷是一種天然來源的甜味劑，并且具有低熱高甜、性質穩定等優點，但是它的甜味與白砂糖或糖醇類相比依然存在差異，有輕微的苦味以及較差的余味，尤其是應用在熱沖調產品中余味會越發明顯，通過改性的方法改善甜菊糖苷的味質是目前甜味劑公司共同努力的方向。主要的改性方法有化學修飾法、酶促修飾法和微生物轉化法。

2.4.1 化學修飾法

化學修飾法指通過化學反應改變甜菊苷的分子結構，從而改變其理化性質和感官品質，主要是通過改變連接在配基上的糖基來改善甜菊糖的味質?；瘜W修飾法因反應條件苛刻，合成步驟較多，加上安全原因，目前已很少研究。

2.4.2 酶促修飾法

酶促修飾法是指通過酶的轉糖基作用或水解作用，在甜菊糖苷中引入葡萄糖基以期改善其味質。采用的酶包括環糊精葡萄糖基轉移酶、β-半乳糖苷酶、糊精葡聚糖酶等，采用該方法制備的產物是葡萄糖基甜菊糖苷，屬于食用香料，甜菊糖苷經過上述酶法改性以后雖然味質得到了改善，但是相對甜度也會明顯降低，一般改性后產物的相對甜度是白砂糖的50～150倍左右。

2.4.3 微生物轉化法

微生物轉化法是指利用微生物代謝過程對甜菊苷進行轉化，目前的研究大多數是利用微生物體內的酶對甜菊糖苷進行改性，DE等[41]篩選了一株真菌Gibberellafujikuroi,用以甜菊苷Stv為唯一碳源的培養基誘導該真菌產酶，實現了將甜菊苷Stv部分轉化成味質更好的RA。用麩皮培養基對棘孢曲霉進行固體發酵,得到的酶液能夠在10 h內以沉淀析出的形式把甜菊糖中的Stv和萊鮑迪苷C全部轉化成甜菊醇(SV)，通過這樣的方法使得體系中味質更好的RA得以有效富集[42]。

3 展望

我國是世界上的第二食糖大國，但近年來由于糖的食用帶來的健康問題逐漸引起了人們的重視，“無糖”“低卡”已經成為了人們的健康追求。為了滿足消費者的需求，必須不斷地研究出新的甜味劑來改善現狀。甜菊糖苷作為一種綠色健康的新型甜味劑，具有低熱量、高甜度的優點既解決了傳統甜味劑的缺點，又滿足了消費者在口感上的要求，它可以有效地替代傳統甜味劑，達到人們對于健康追求的食用要求，具有很大的發展前景。