菊粉的特性、功能及其在食品中的應用

張之握

（山東農業大學食品科學與工程學院，山東泰安 271018）

菊粉又稱菊糖，是植物貯藏多糖之一，也是除淀粉外植物的另一種能量儲存形式，廣泛分布于植物組織中[1-3]。菊粉是一類天然果糖聚合物（果聚糖，Fructan），屬于非消化性碳水化合物，是優質的天然水溶性膳食纖維和益生元（Prebiotic），具有一定的甜度，熱量低，與水結合易形成凝膠；同時具有降血糖血脂、調節腸道菌群、增強胃腸功能及促進維生素及微量元素吸收等多種生理功能[4-7]。菊粉已被美國食品藥品監督管理局（FDA）確認為GRAS（公認安全物質）[1]，并被我國批準為新資源食品[4]，目前已在食品、飼料、保健品等領域廣泛應用。

菊粉具有營養和健康功效及優良的應用性能，是優質的多功能天然食品配料，被廣泛應用于奶制品、面制品及飲料等各類食品中，用以增強食品的健康保健功能，改善其質構及口感。未來菊粉在食品各領域的應用將更為廣泛，其應用形式及食品類型也將更加多樣化。本文概述了菊粉的來源、分子結構、物化特性、生理功能及其在食品中的應用現狀，以促進對菊粉及其應用的深入研究，為新類型菊粉食品的開發提供參考。

1 菊粉的來源及結構特性

1.1 來源

菊粉存在于許多單子葉和雙子葉植物中，如百合科、石蒜科、菊科和禾本科等[1-4]，其中有些種類如菊苣、菊芋（洋姜）、大蒜、韭菜、蘆筍、洋蔥等常作為蔬菜食用。在百合科、石蒜科和菊科植物中，菊粉通常儲存在鱗莖、塊莖和塊根等器官中，由于含量大且干擾成分少，因此較易提取[2]。目前菊科植物菊苣（Cichorium intybusL.）和菊芋（Helianthus tuberosusL.）的根或塊莖是工業化規模生產制備菊粉的兩種主要原料，其菊粉含量可達15%～21%（鮮質量）[1,3]。

1.2 分子結構

菊粉是由D-果糖（D-fructose，F）經β（2→1）糖苷鍵聚合而成的線性直鏈多（寡）糖，其末端通常以α（1→2）糖苷鍵連接有一個葡萄糖殘基（glucose，G），可表示為GFn（n代表果糖單元數目）[5-6,8-9],菊粉的聚合度（degree of polymerization，DP）為2～60，平均為10～12，受來源植物種類、生長環境、收獲時期及存儲時間等因素的影響而有較大變動[1,5]。根據聚合度的不同，可將菊粉分為短鏈（低聚果糖，DP≤10）、中鏈和長鏈（DP≥23）等不同類型[4]。自植物中提取的菊粉通常為含有短、中和長鏈菊粉的混合物，稱為天然菊粉[4]，可進一步經分級純化獲得不同鏈長（聚合度）的菊粉。不同鏈長菊粉的性質功能有較大差異[9-10]。菊粉果糖單體間特殊的β（2→1）糖苷鍵（具有β構型異頭碳）連接，使其可抵御人胃腸道消化酶的水解，因此被認為是非消化性碳水化合物，但可被大腸中的腸道微生物分解發酵而具有多種有益功能[1,3,6,8,11]。

1.3 物化特性

菊粉為白色無定形粉末，無異味；較易溶于水，天然菊粉25 ℃溶解度可達120 g/L[10]，其溶解度隨溫度的升高而增加，但隨鏈長增加而降低[5]。短鏈及天然菊粉的甜度分別為蔗糖的30%～50%和10%（長鏈菊粉幾乎沒有甜味）[5,10]，且其熱量值很低，其中短鏈菊粉為1～2 kcal/g，僅約為蔗糖的三分之一，因此常用作蔗糖代用品[5]。

菊粉溶液黏度隨濃度增加而增大，濃度達10%～30%時開始形成凝膠，濃度越高形成凝膠的速度越快[5]。菊粉形成凝膠后具有柔滑細膩類似脂肪的質地，是理想的脂肪替代品。菊粉具有優良的吸濕性，可吸收水分降低水活度，防止水分蒸發[5]。菊粉具有較強的熱穩定性，在中性pH 條件下即使在80～100 ℃高溫下也較難分解[4-5]。

2 菊粉的生理功能

2.1 調節腸道微生物群落結構

菊粉為優質的水溶性膳食纖維，具有優良的益生元功效[1,3-5,9,12-13]。菊粉在人體中不能被消化酶水解，無法被小腸吸收，但在結腸中會選擇性被雙歧桿菌和乳酸桿菌等有益微生物吸收利用并發酵產生醋酸、丙酸和丁酸等短鏈脂肪酸（SCFAs）和乳酸等有機酸；既能增加腸道酸度，促進腸道有益菌的生長并激發其活力，有利于增加有益菌的相對豐度，同時又能抑制有害菌的增殖，從而改善腸道微生物群落結構，減少毒害物質的產生，有利于維護健康的腸道環境[11-15]。此外，腸道有益菌的滋生，短鏈脂肪酸的產生以及菊粉在腸道內的吸水膨脹，可增加大便的含水量和質量，增強腸道蠕動，縮短大便在結腸的停留時間，增加排便次數，并促進有毒物質的排放，預防或緩解便秘甚至結腸癌變[1-2,4-6]。

2.2 調控血糖

菊粉在小腸內不會被水解成單糖吸收，因而不會導致血糖水平和胰島素含量的升高，是一種健康糖源[4,13]。菊粉在結腸內分解發酵產生的短鏈脂肪酸促進肝糖元合成，并抑制糖異生作用[1-2,16-17]，從而降低血糖水平。另外菊粉溶液有較高黏度，濃度大時甚至形成凝膠，增加小腸黏膜厚度[18]，可減少食物與消化液的充分接觸，減緩攝入的碳水化合物水解，降低葡萄糖吸收速度，控制餐后的血糖水平[19]。

2.3 降血脂

菊粉可與脂肪形成脂肪-膳食纖維復合物并隨糞便排出，減少機體對脂肪的吸收，有助于降低血脂水平[4,16-17]。菊粉亦可降低血液中膽固醇和三酰甘油含量[20-21]，菊粉發酵生成的短鏈脂肪酸在該過程中發揮重要作用，其中丙酸可以抑制肝臟膽固醇和三酰甘油合成，增加膽汁酸的合成和分泌，從而降低血脂水平[1-2]。另外，菊粉發酵可使膽汁酸在腸道內的重吸收減少[16,22]，從而阻礙膽固醇的重新合成，影響血脂水平。

2.4 促進礦物質吸收

菊粉在結腸內發酵產生短鏈脂肪酸和其他有機酸，使腸道內pH 值下降，礦物質復合物發生分解，促進礦物質元素釋放，并增加礦物質溶解度，使其更容易被人體吸收。菊粉能明顯提高Ca2+、Mg2+、Cu2+和Fe2+等礦物元素，尤其是Ca2+和Mg2+的吸收[5-6,13,23-25]。同時，短鏈脂肪酸尤其是丁酸能刺激結腸黏膜細胞的生長，從而增加腸黏膜吸收面積，增強其吸收能力[5-6]。

3 菊粉在食品中的應用

菊粉具有多項有益健康的生理功能及優良的加工特性，已作為膳食纖維、益生元、脂肪及糖類替代品、質構與口感的改良劑等被廣泛應用于乳制品、面制品、肉制品和飲料加工中[1-4,6]。

3.1 在乳制品中的應用

液態奶、奶粉、酸奶、奶酪等各類乳制品是菊粉應用的理想食品體系，也是菊粉最早被應用的食品種類[4]。菊粉可增加乳制品中的膳食纖維和益生元成分，其與水混合后形成奶油狀結構，具有細膩柔滑的質地，可部分代替脂肪以降低脂肪含量，增強乳制品的質地、風味和口感，同時菊粉亦可以促進人體對乳品中鈣的吸收[4,9]。在發酵乳或酸奶制作中加入菊粉，有利于保護嗜熱鏈球菌、乳桿菌或雙歧桿菌等益生菌，促進其增殖和發酵，減緩儲藏期益生菌活菌數量的降低，同時可減少乳清析出率，增加黏稠度和持水性，從而提高產品品質[4,9,26-28]。菊粉亦可用于制備多種功能性乳制品，使之具有低脂、低糖特性，以及增加膳食纖維、改善腸道功能、降低血糖血脂等保健功能，以適用于不同人群的飲食需求[4,29]。

3.2 在面制品中的應用

菊粉具有與面粉相似的粉體特性，有良好的水溶性、成凝膠性及熱穩定性，適合應用于各類面制品的制作中，以改善產品的特性和品質。菊粉能夠增加面團的形成時間，提高其穩定性，促進面團的發酵過程，降低冷凍對面團的不利影響。添加菊粉可加速面包外觀顏色及風味物質形成，從而縮短面包焙烤時間，增大面包體積，改善面包品質[4,30]。添加適量的菊粉亦可以改善饅頭的感官品質和質構[31-32]。菊粉（長鏈）的加入能夠縮短意大利面的煮制時間，且不影響面條的煮制損失率、吸水性和膨脹度，有利于提高意大利面的品質[33]。中筋面粉混入菊粉制成面條的干物質吸水率、彈性和咀嚼性幾乎不受影響，可制作高膳食纖維面條食品[34]。

3.3 在肉制品中的應用

肉制品營養豐富，但缺乏膳食纖維，且脂肪含量高，這對人體不利。菊粉在肉制品加工中常用以取代脂肪，降低脂肪含量，增加膳食纖維增含量，同時改善肉制品的質構，增強風味及感官特性[3-4]。Mendoza 等[35]研究發現菊粉的加入可使低脂發酵香腸的硬度變小，彈性增加，質地更為柔軟；與傳統高脂香腸相比，其多汁感變弱，但嫩度、彈性、黏附性、咀嚼性相近，卻有效降低了香腸的脂肪含量及熱量值，提高了其營養特性（膳食纖維含量）。Yilmaz 等[36]發現牛肉丸中添加5%菊粉可增加肉丸的亮度、硬度、蛋白及膳食纖維含量，增強其香味，同時能降低肉丸的反式脂肪酸含量和蒸煮損失率，但基本不影響其整體口感。

3.4 在飲料中的應用

菊粉易溶于水，可添加到各類飲料中，改善其質地、風味和口感，并賦予飲料多種有益功能。將菊糖加入到植物蛋白飲料中，能夠增加飲料的稠度，掩蓋苦澀及其他不良味道，增加柔合度，使其風味更為濃郁，同時使其具有膳食纖維功能及益生元功效[4,37]。菊粉可作為替代甜味劑添加到果汁飲料中，增強果漿與水的結合能力，增強其風味，并增加多種保健功能[4,38]。

4 小結

菊粉是來源于谷物、蔬菜及水果等多種植物中的天然組分，食用安全性好，是優質的天然水溶性膳食纖維及益生元，具有調節腸道微生物菌群、增益腸胃功能、控制血糖、降低血脂、促進礦物質吸收等生理功效。菊粉突出的健康效益、優異的加工性能及其對食品感官品質的塑造特性使其在食品領域得到廣泛應用，是目前應用最廣的膳食纖維，已經被40 多個國家批準為“食品營養增補劑”，被譽為“21 世紀人類健康最具代表性的典型產品”[4,39]?？梢灶A見，隨著人們對菊粉特性及功能認識的加深，現代健康營養食品理念認知的提升以及大眾對高品質食品的不懈追求，菊粉在食品中應用的廣度和深度將不斷拓展。研制更多不同形式且具有特殊功能的含菊粉食品，研究菊粉對人體健康的效應機制，研究其對食品品質的影響規律和機制，是未來菊粉應用研究的重點。