菊粉的功能特性及其在肉制品中的應用研究進展

韓薇，賀稚非,2，謝兆華，柴利，廖林，李洪軍,2*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)2(重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶，400715)

肉類是一種營養豐富的食物，可提供高生物價值的蛋白質和鋅、硒、鐵和磷等礦物質，在人類飲食中一直占據重要地位。盡管其營養豐富，但食用高脂肪加工肉制品與心血管疾病及癌癥風險增加有關，這促使消費者更傾向于選擇低脂健康的功能性肉制品[1]。研究者們常在肉制品中加入有益健康的天然功能性成分，在豐富產品營養的同時增加有益的生理功能[2]。

菊粉作為一種富集益生元成分的膳食纖維，已被世界40多個國家批準為食品的營養增補劑，一方面具有改善腸道微環境、抗氧化作用和抗菌作用等生理功能，另一方面菊粉主要用于替代脂肪或糖類以改善低脂食物的質地[3]。本文重點綜述了菊粉的功能特性及其在肉制品中的應用研究，以期為提高菊粉的利用價值和開發功能性肉制品提供理論依據。

1 菊粉概述

1.1 菊粉的來源

菊粉廣泛存在于水果和蔬菜中，主要來源于單子葉和雙子葉科，如百合科、石蒜科和菊科，常見來源為菊苣、菊芋、韭菜、洋蔥、大蒜、蘆筍和香蕉等植物[4]。其中菊苣中的菊粉含量很高，是提取菊粉的重要來源，一般鮮菊苣含菊粉68%，干菊苣中菊粉含量高達98%[5]。菊苣是一種高產藥食兩用植物，隸屬菊科，大多種植于溫帶地區，廣泛分布于亞洲和歐洲，因其含有如生物堿、香豆素、類黃酮、菊粉、不飽和甾醇和維生素等營養物質，具有很高的藥用價值[6]。菊苣因其高菊粉含量、對季節不敏感和易種植等特性成為工業生產中最主要的菊粉來源[7]。不同植物來源的菊粉含量見表1[4-5]。

1.2 菊粉的結構

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，葡萄糖分子常位于每個果糖鏈的末端[8]。菊粉的DP為2～60，根據聚合度大小分為短鏈菊粉(DP 2～5)、中鏈菊粉(DP 6～10)和長鏈菊粉(DP 11～60)[9]。菊粉的分子式表示為GFn，其中G代表終端葡萄糖單元，F代表果糖分子，n代表果糖單元數。菊糖的一般分子結構如圖1所示。

圖1 菊粉的結構(n=2～60)Fig.1 Structure of inulin(n=2-60)

根據DP的不同，菊粉型果聚糖基本上可分為低聚果糖和菊糖兩大類，其聚合度分別為3～10和11～60[9]。DP和分支的存在是影響菊粉功能性的重要屬性，包括溶解性、熱穩定性、甜度和益生菌活性[7]。長鏈菊粉DP高，比天然菊粉耐熱難溶，黏性更大；高度支化的菊糖聚合物更易溶于水，會形成奶油般光滑的凝膠，改變食品質地，并提供脂肪般的口感[10]。由于果糖單體中β(2→1)鍵的存在，菊粉多糖可以抵抗人體消化道中消化酶的水解，不會像典型的碳水化合物一樣被消化[1]。因此，菊粉型果聚糖是不可消化的碳水化合物，可用作脂肪替代物。

1.3 菊粉的生產工藝

由于菊粉在食品、醫藥等行業應用廣泛，對其提取分離的研究一直受到廣泛關注。菊粉生產的主要原材料是菊苣和菊芋，主要流程包括提取、純化和干燥[8]。圖2詳細說明了生產菊粉的主要流程[9]。

圖2 生產菊粉的主要流程Fig.2 Main process of inulin production

1.3.1 提取

菊粉可溶于水，其溶解度隨著溫度的升高而增加。熱水擴散萃取法因其操作簡單和產量高而廣受歡迎，因此工業上常采用熱水浸提的方法提取菊粉[11]。萃取過程中的提取溫度、時間和溶液pH是影響提取率的主要因素，特別是pH的控制，當pH降到約6.0時，菊粉對酸性水解很敏感[12]。但普遍的熱水提取法需要較高的提取溫度和較長的提取時間，為克服這些問題，研究者們引入了非常規的菊粉提取方法，如酶輔助提取、超聲波輔助提取、微波輔助提取、超臨界流體提取和脈沖電場輔助提取等，使得菊粉提取過程具有更短的浸提時間、更高的產量和純度[11]。

酶輔助提取的目的是降解植物細胞壁，以促進擴散過程，加快整個提取進程。NI等[13]使用具有高熱穩定性的新型菊糖蔗糖酶JV-V16處理蔗糖,顯示出高轉果糖基化能力,在優化條件pH 6.0和45 ℃情況下，600 g/L蔗糖可以得到278.4 g/L菊粉，其提取率為46%。酶輔助提取雖然能夠提高提取率，但其處理溫度一般較高，因此對酶的熱穩定性要求較高而具有一定的局限性。而超聲波輔助提取是利用超聲波在液體介質中的壓力波動引起的空化現象，加速植物細胞壁的破壞，達到在不加熱的前提下也能夠加強萃取、加強傳質、減少處理時間的效果[11]。MORO等[14]對牛蒡根輔助超聲波處理發現增加超聲振幅和時間可以提高菊粉提取效率。新型萃取技術的應用大大縮短了菊粉處理時間，提升了菊粉的生產效率。

1.3.2 純化

菊粉提取的過程中會產生大量雜質，使其進一步的純化變得必不可少，純化過程包括澄清過濾、脫鹽和脫色[8]。首先，粗提取物通過細布過濾以除去不溶性殘留物，然后通過脫鹽和脫色去除小分子雜質。脫鹽主要是使用離子交換樹脂去除菊粉糖漿中的礦物質，如鈉離子、鉀離子和鎂離子[7]。脫色過程主要是用活性炭完成，EI-KHOLY等[15]將木炭粉加入到菊粉濾液中，并用玻璃棒在60 ℃下攪拌15～30 min以除去著色物質。但活性炭孔徑較大，通常會導致過多的樣品損失，而大孔樹脂脫色法因其脫色損失小、處理量大和脫色效率高而逐漸受到重視[16]。

1.3.3 干燥

純化后要使菊粉從溶液中析出。由于菊粉不溶于有機試劑，實驗室通常使用一些有機試劑來沉淀菊粉，如乙醇、丙醇、丙酮和乙腈等[8]。有機試劑沉淀菊粉會保留菊粉的天然結構，但成本過高且不環保，因此尋找天然環保的低成本沉淀劑尤為重要[17]。沉淀析出后開始菊粉的回收，將沉淀的菊粉置于真空干燥箱中去除多余溶劑，然后在冷凍干燥機中干燥24 h后研磨成粉即可[15]。也可以通過將純化后的菊粉精制液降膜蒸發濃縮后進行噴霧干燥而得到較高純度的菊粉[18]。

2 菊粉的功能特性

2.1 菊粉作為膳食纖維的作用

膳食纖維是改善人類健康的關鍵成分，它的基本特征是：不被小腸內源酶水解的碳水化合物，對人體消化酶的水解和小腸的吸收具有抵抗力，但部分會被結腸中的有益菌發酵[19]。菊粉作為一種水溶性膳食纖維進入大腸后，在上腸粘膜沒有發生任何消化作用，但在結腸中會被有益微生物發酵產生短鏈脂肪酸，如醋酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽，抑制糖的異生作用，減少血漿中的游離脂肪酸含量，增強胰島素抗性，不會影響血液中的血糖和胰島素含量[20]。ZOU等[21]研究發現富含菊粉但不含其他纖維素的飲食可有效預防鏈脲佐菌素誘發的糖尿病，并能使胰腺功能正?；?，顯著增強胰島素敏感性。AVIRINENI等[22]研究了蛋白質與纖維素或益生元菊粉對能量平衡和腸道微生物群的影響，發現富含菊粉的飲食部分通過膽囊收縮素促進飽腹感，并控制血糖和減少體重增加。而肉制品本身缺乏膳食纖維，因此，在今后的研究中可以通過將菊粉添加到肉類產品中來提高肉制品的膳食纖維和實現菊粉的功能價值。

2.2 菊粉作為益生元的作用

益生元是一種不可消化的食品成分，它通過選擇性地刺激有限數量的已存在于結腸中的細菌而提高其生長活性,對宿主產生有益影響，從而改變宿主的健康[23]。一種物質要被視為具有益生元效應，其成分必須滿足以下特定要求：(1)對胃酸的耐受性；(2)通過胃腸道微生物群發酵的能力；(3)選擇性刺激與健康有關的腸道細菌生長的能力[19]。菊粉就是一種能夠抗胃酸和防止上消化道吸收的碳水化合物，它可以通過增加乳酸桿菌和雙歧桿菌的數量和代謝活性來改善腸道微生物平衡，從而抑制病原微生物的生長[24]。菊粉還會通過厭氧腸道微生物群發酵產生短鏈脂肪酸被結腸粘膜捕獲，為宿主提供重要的能量補充，如醋酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽[25]。醋酸鹽通常在腎臟、心臟、大腦和肌肉中代謝；丙酸鹽作為葡萄糖生成的前體，阻止膽固醇合成并被肝臟清除；丁酸鹽作用于結腸上皮細胞，在細胞分化和調節中起著重要作用[26]。菊粉滿足作為益生元的上述3種要求，因此在本質上是一種益生元。AVIRINENI等[22]研究發現菊粉益生元會改變腸道微生物群組成，增加短鏈脂肪酸的產生和飽腹感激素的分泌，包括膽囊收縮素、胰高血糖素樣肽-1和肽YY激素等。HOFFMAN等[27]研究發現喂食富含8%菊粉飲食的高血脂癥小鼠會減輕促炎性疾病的嚴重程度，菊粉通過調節腸道微生物使小鼠免受3,3,4,4,5-五氯聯苯的促炎毒性作用。

2.3 菊粉的抗氧化作用

氧化作用是一個重要的為身體提供能量的生物過程，然而人體正常代謝過程中不可避免地會產生一系列活性氧，主要以超氧陰離子自由基、羥自由基及其活性衍生物等自由基的形式存在[28]?？寡趸瘎┦且活愔苯踊蜷g接減少自由基和抑制氧化的化學物質。菊粉作為一種植物多糖具有很好的抗氧化活性，其發酵產物短鏈脂肪酸可以誘導谷胱甘肽硫轉移酶來抗氧化應激，因此菊粉可以清除活性氧并預防與其相關的疾病[29]。YANG等[30]研究發現含有菊粉的飲食通過抑制血清丙氨酸轉氨酶、天冬氨酸轉氨酶和γ-谷氨酰轉氨酶的活性顯示出保肝作用，并同時發揮降低膽固醇的作用。菊粉對抗氧化反應的調節是激活核因子E2相關因子2信號通路并上調抗氧化基因的表達，同時抑制了Toll樣受體4的信號通路和促炎細胞因子的轉錄水平[30]。因此，含有菊粉的飲食可以通過提高抗氧化能力、抑制炎癥反應和增強腸道屏障功能對動物的健康產生有益的影響。

菊粉因其無毒、生物可降解等良好特性而受到廣泛關注，然而菊粉的低生物活性限制了其應用，化學修飾是提高其生物活性的有效方法。WEI等[28]利用銅(I)催化的疊氮-炔環加成法合成了含1,2,3-三唑和磷酸二苯酯的菊粉衍生物并在體外評估了其抗氧化活性，結果顯示1.6 mg/mL菊粉衍生物對羥自由基和超氧陰離子自由基的清除率分別為98.2%和95.4%，表現出更強的自由基清除能力。MI等[31]通過在羧甲基菊粉上引入氨基雜環部分合成了一系列新型菊粉衍生物，帶有雜環部分的菊粉衍生物在抗氧化和抗真菌活性方面均有顯著改善。這些合成方法為制備新型菊粉衍生物提供了有效途徑，在生物材料、食品和醫藥等領域具有廣闊的應用前景。

2.4 菊粉的抗菌作用

菊粉作為一種有機多糖,通過席夫堿反應可以增強其抗菌活性[32]。CHEN等[32]通過席夫堿化學法開發了6種菊粉衍生物，發現它們對蘆筍莖枯病菌、灰霉病菌和尖孢鐮刀菌均顯示出較強的降解真菌的潛力，其抑菌率分別為82%、93%和83%。菊粉衍生物還可以通過季膦鹽化學修飾而成。三苯基膦修飾菊粉衍生物在1.0 mg/mL時表現出良好的抗真菌活性，對蘆筍擬青霉、炭疽病菌和尖孢鐮刀菌的抑制率分別為78.8%、80.0%和87.4%[33]。同樣，辛烯基琥珀酸酐-菊粉衍生物也被用于提高抗菌能力，其抑制指數隨著物質濃度增加而增加，對大腸桿菌的最低抑菌濃度約為0.5%，對金黃色葡萄球菌的最小抑菌濃度約為1%[17]。LI等[34]合成了三唑菊粉衍生物并驗證了它們對植物病原菌拉格納菌和赤霉菌的抑制作用，其最高抑菌率分別為57.93%和82.56%。三唑菊粉衍生物的實質作用是其陽離子與真菌細胞壁上的陰離子相互作用的結果，這很大程度上歸因于1,2,3-三唑集團的烷基化作用[28]。因此，利用菊粉的抗菌特性可以開發保鮮劑或抑菌涂膜，在食品保鮮方面有廣闊的發展前景。

2.5 菊粉改善便秘的作用

便秘作為一種常見的健康隱患，其癥狀主要表現為排便次數減少、大便量減少、大便干燥、排便費力等[35]。缺乏體力活動、膳食纖維和水分攝入量會增加便秘的風險。作為膳食纖維的菊粉進入胃部后，易吸水膨脹形成一種由消化道中的細菌發酵而成的凝膠狀物質，使食用者產生飽腹感，胃的排空時間相應延長[1]。WATSON等[36]研究發現健康中年人每天攝入10 g天然菊苣粉可以增加排便頻率，通過增加大便重量和大便軟度從而改善排便情況，這被稱之為膨脹效應。這些改善可能與腸道微生物區系的改變，特別是結腸中雙歧桿菌和乳桿菌的變化以及菊糖產生單鏈脂肪酸的能力有關[9]。LE等[37]研究發現菊粉會降低腸道pH并顯著改善腸道功能，但它并不能改善腹脹和疼痛，其作用原理也是因為菊粉的攝入會增加結腸中微生物數量，增加雙歧桿菌、糞桿菌和乳桿菌的相對豐度，并降低了類桿菌、厭氧菌和腸球菌數量。因此，利用菊粉開發能夠疏通腸道、改善便秘的功能性食品可作為菊粉未來的研究方向之一。

3 菊粉在肉制品中的應用

3.1 菊粉作為脂肪替代品和品質改良劑對肉制品的影響

脂肪在肉制品中起著重要作用，是影響食品風味、色澤、質地、口感和整體感官特性的重要成分之一。肉制品脂肪含量較高容易產生心血管疾病、肥胖癥等疾病，但肉制品中脂肪含量的顯著降低又會影響肉制品質地和感官特性，因此尋找既能降低肉制品中脂肪含量還能保持產品質量的脂肪替代物意義重大[1]。而膳食纖維具有改善產品蒸煮損失、水分流失和質地松散等特性，可以用作脂肪替代品[19]。菊粉就是一種具有多種用途的膳食纖維，它的長鏈結構與水作用時會形成穩定的凝膠網絡，并增強肉制品滑嫩多汁的口感[1]。

DOS等[38]使用菜籽油、竹纖維和菊粉制成的豬皮乳液凝膠用于雞肉香腸中，可以代替其中50%的豬背脂肪，由于菊粉對肉糜成分的粘結作用和竹纖維的保水能力，處理組產生更加均勻和緊密的蛋白質網絡，香腸孔隙比對照組更小。由此可見菊粉有助于在乳化肉制品中產生更致密的微觀結構。菊粉替代產品中脂肪的同時，還會影響其口感和質地。GLISIC等[39]發現在干發酵香腸中用菊粉凝膠懸浮液取代16%的豬肉背脂，降低了香腸的彈性、咀嚼性和硬度，增加了香腸的黏附性。此外，菊粉還是一種重要的食品營養增補劑，添加到肉制品中可以增加產品的營養價值。DE等[40]探討了菊粉基乙二醇作為脂肪替代品在減脂降鹽肉制品中的潛在用途，發現用含有菊粉的高纖維乳膠替代豬背脂肪后可以得到纖維含量更高、脂肪酸組成較好和不飽和脂肪酸含量較高的產品，新配方產品的脂肪和鈉含量分別降低了11%～34%和35%～45%。由此可見菊粉是一種良好的潛在脂肪替代品，可用于開發更健康低脂的肉制品。

3.2 菊粉對肉制品理化品質特性的影響

菊粉作為一種具有多種用途的膳食纖維加入到肉制品中，對食品的理化品質有很大的影響，包括含水量、灰分、pH、色澤和蒸煮損失等。EL等[41]發現添加菊粉的低脂牛肉漢堡的含水量為75%，顯著高于對照組的漢堡，這可能歸因于菊粉的長鏈分子結構在烹飪過程中會與水結合會發生凝膠作用而鎖住水分。除了水分，菊粉的添加還會影響產品的灰分和pH值。有研究表明，添加了菊粉的牛肉漢堡[41]、雞肉香腸[42]和乳化型香腸[43]中的灰分含量都有所提升。肉制品灰分含量的增加可能反映了產品中菊粉添加量的高低，然而BERIZI等[43]發現乳化型香腸的灰分含量不隨菊粉用量的增加而變化，因此菊粉對肉制品灰分含量的影響還需進一步研究。GLISIC等[39]研究發現菊粉能顯著提高干發酵香腸的可滴定酸度，香腸發酵過程中對照組的乳酸菌數量增加了1.59 lgCFU/g，而處理組的乳酸菌數量增加了1.85 lgCFU/g，可能是由于菊粉能夠促使乳酸發酵而使pH降低。

肉制品中的脂肪含量減少會降低脂肪提供的光澤感，所以低脂肉制品的顏色通常較深且無光澤，但適量的菊粉能提高產品的亮度從而對低脂肉制品的色澤產生有益的影響[44]。DE等[40]研究發現將菊粉乳膠加入到臘腸中會使產品的L*提高，這與SADEGHI等[45]的研究結果一致，當菊粉代替魚肉香腸中的部分脂肪后，樣品在貯存期間損失的水分較少，同時增加了香腸的亮度和紅色并顯示出更高的硬度。MAHDAVI等[46]研究發現菊粉能夠降低鰱魚火腿的蒸煮損失，處理組的蒸煮損失值為1.62%，對照組為2.09%。并且火腿中的菊粉纖維在油炸過程中會迅速與水分子形成氫鍵，從而防止水分外流。?ZER等[47]研究了菊粉對發酵香腸品質特性變化的影響，研究表明在低脂發酵香腸生產中添加25%的菊粉可降低牛肉脂肪和能量值，豐富膳食纖維，提高香腸貨架期。因此，適量的菊粉不僅能降低肉制品脂肪含量，還可以改善產品的理化品質特性，在開發高品質、高纖維的低脂肉制品等方向具有重要的應用價值。

3.3 菊粉對肉制品感官特性的影響

4 展望

如今人們越來越飲食對人體健康的重要性，食用高脂肪加工肉制品會增加心血管疾病、癌癥和代謝性疾病的發病率，因此，消費者對健康低脂食品的需求不斷增加。在肉制品中添加膳食纖維有助于開發具有保水性、乳化穩定性、潤滑性、質地改性和低脂肪等特性的產品。菊粉作為一種具有益生元效應的膳食纖維，將其添加到肉制品中可以豐富產品的營養，改善肉制品的功能和健康特性。然而關于菊粉作為功能性成分在肉制品中的作用研究仍較少，富含菊粉的功能性肉制品的開發還需要進一步的研究。因此，為開發出健康低脂的功能性肉制品，未來亟需發展的方向為：

(1)菊粉替代肉制品中的部分動物脂肪會對產品原有的口感、色澤、風味等產生不良影響，因此需對菊粉替代脂肪的工藝參數進行改進優化，使其保持低脂肪的同時具有良好的口感和質地等。

(2)菊粉含有豐富的有益生理功能，如調節腸道微生物、抗氧化作用、防止便秘等，但利用其活性成分研發功能性肉制品以及其他保健品的研究主要停留在實驗室階段，應當重視臨床實驗及產業化生產方向。

(3)對菊粉功能活性的研究還不夠深入，仍需進一步探明肉制品中添加菊粉對人體消化吸收及健康的潛在作用機制。