菊粉的功能與利用

彭英云，鄭清，張濤

（1.鹽城工學(xué)院化生學(xué)院食品系，江蘇 鹽城 224003；2.江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)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(xiàn)代表果糖分子，n則代表果糖分子數(shù)。當(dāng)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(xì)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(zhì)

1.1 物理性質(zhì)

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(qiáng)，易于結(jié)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(jié)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(zhì)

不同濃度的菊粉水溶液其黏度也不同，當(dāng)菊粉含量增加時黏度逐漸增大，濃度與黏度的關(guān)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(dāng)達(dá)到25%～30%時，黏度增加較快，漸漸變稠但未出現(xiàn)凝膠，如果溶液中菊粉濃度達(dá)到30%，菊糖與水結(jié)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(dāng)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(xù)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(qiáng)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(fù)凝膠狀態(tài)。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(jī)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(dǎo)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(guān)，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(qiáng)度大、質(zhì)構(gòu)柔滑、微粒均一細(xì)膩等特點。另外，通過添加晶種可以使菊粉凝膠達(dá)到最大強(qiáng)度，當(dāng)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(jìn)行剪切處理，所形成的菊粉凝膠質(zhì)構(gòu)緊密，口感良好。

1.3 菊粉的水解產(chǎn)物

菊粉溶液可被菊粉酶（inulinase）或酸水解成短鏈的物質(zhì)，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(chǎn)生大量副產(chǎn)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(fā)生水解，但必須有可供利用的“自由水”，因此凝膠狀態(tài)的菊粉即使在酸性環(huán)境或高溫下，如果沒有可利用的水將仍是穩(wěn)定的。

2 菊粉的制取

工業(yè)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(shù)2次的條件下，菊粉提取率可達(dá)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(dá)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(jìn)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(jīng)過熱水浸提得到的提取液中含有蛋白質(zhì)、色素、果膠、有機(jī)酸等雜質(zhì)，使顏色混濁，如不經(jīng)純化則制得菊粉顏色深、易結(jié)塊。通常采用的方法是石灰乳－磷酸先進(jìn)行預(yù)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(jié)構(gòu)，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(yù)防肥胖

菊粉是可溶性膳食纖維，在口腔、胃和小腸內(nèi)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(fā)酵降解，產(chǎn)生短鏈脂肪酸（乙酸、丙酸和丁酸）和乳酸，產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)還可與蛋白質(zhì)、脂肪等物質(zhì)形成復(fù)合物，抑制此類物質(zhì)的吸收，達(dá)到減肥目的。

3.1.2 調(diào)節(jié)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(chǎn)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(qiáng)[10]。

3.1.3 降血脂，預(yù)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(yǎng)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(yù)防便秘和腹瀉

菊粉能在人的結(jié)腸中發(fā)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(nèi)水分不被過分吸收，增加排便次數(shù)和質(zhì)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(fā)酵產(chǎn)物，預(yù)防結(jié)腸癌食物

經(jīng)消化吸收后所剩殘渣到達(dá)結(jié)腸，在腸道腐敗菌（大腸桿菌、梭狀芽孢桿菌等）的作用下可產(chǎn)生許多有毒代謝產(chǎn)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(jié)腸癌促進(jìn)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(chǎn)物的生成，并且對有毒發(fā)酵產(chǎn)物具有吸附螯合作用，清除腐敗產(chǎn)物和細(xì)菌毒素，從而減輕肝臟負(fù)擔(dān)促進(jìn)營養(yǎng)合成。另外菊粉代謝產(chǎn)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(shù)和質(zhì)量，加速致癌物的排泄，有利于預(yù)防結(jié)腸癌[13-14]。

3.3 促進(jìn)礦物質(zhì)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(zhì)的吸收，這是因為菊粉在發(fā)酵中被降解，其產(chǎn)生的短鏈脂肪酸使腸道內(nèi)部的pH降低1～2個單位，增加了金屬離子溶解度，并促進(jìn)了被動擴(kuò)散使更多金屬離子進(jìn)入腸細(xì)胞[15]。菊糖分解的短鏈脂肪酸還可刺激結(jié)腸粘膜生長，從而增大吸收面積。此外，菊粉的代謝產(chǎn)物可促進(jìn)B族維生素及葉酸的合成，提高機(jī)體的新陳代謝，提高免疫力和抗病力。

3.4 預(yù)防癌癥作用

菊粉具有潛在預(yù)防癌癥作用，其作用源于發(fā)酵后產(chǎn)生短鏈脂肪酸，特別是丁酸和高濃度鈣、鎂離子對細(xì)胞增殖抑制作用。一些研究發(fā)現(xiàn)，丁酸在結(jié)腸粘膜的上皮吸收代謝，可促進(jìn)腸上皮增生使柱狀細(xì)胞和杯狀細(xì)胞更生，杯狀細(xì)胞黏液增多，維持結(jié)腸及全腸道粘膜完整性，使損傷上皮DNA修復(fù)，抑制多種腫瘤細(xì)胞生長、誘導(dǎo)細(xì)胞分化；同時丁酸鈉還能通過許多途徑誘導(dǎo)癌細(xì)胞發(fā)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(xì)胞增殖率[16-17]。

4 菊粉的開發(fā)利用

近年來，菊粉的開發(fā)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(lǐng)域成功應(yīng)用。

4.1 高果糖漿的生產(chǎn)

利用傳統(tǒng)方法從玉米淀粉生產(chǎn)42%高果糖漿至少通過三步反應(yīng)得到：α－淀粉酶的液化、糖化酶的糖化和葡萄糖異構(gòu)酶的異構(gòu)化。42%高果糖漿經(jīng)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(fā)、離子交換得到55%高果糖漿。整個生產(chǎn)過程步驟繁瑣，且果糖的得率低[18]。日本、蘇聯(lián)曾經(jīng)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(jìn)行分離純化得到高果糖漿，我國周永國、林影等曾對此法進(jìn)行過研究[19-20]。酸法水解產(chǎn)量較高，但色素重，無機(jī)離子含量高，脫色素和無機(jī)離子使得生產(chǎn)成本增加。80年代，加拿大、法國、比利時、荷蘭等國的科學(xué)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(yīng)，就可得到高果糖漿，果糖的得率可達(dá)90%以上。與淀粉轉(zhuǎn)化法和酸法相比，用菊粉酶法制取果糖具有轉(zhuǎn)化過程簡單，僅需一種酶即可的優(yōu)點，而且產(chǎn)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(chǎn)物中果糖占＞95%，葡萄糖＜5%，不含其它糖[21]。

4.2 生產(chǎn)低聚果糖

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

4.3 發(fā)酵生產(chǎn)酒精

用K.fragilis或K.marxianus直接發(fā)酵菊粉生產(chǎn)酒精，幾乎能完全將菊粉發(fā)酵成酒精。發(fā)酵粗菊芋提取液，不須加其它營養(yǎng)物質(zhì)，25 h內(nèi)酒精產(chǎn)量87.8%。因此，應(yīng)用微生物菊粉酶為生產(chǎn)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(chǎn)低脂、脫脂乳或蔬菜奶油，還可替代冰淇淋和其他類似產(chǎn)品中的油脂。菊粉可穩(wěn)定水或脂肪的結(jié)構(gòu)，改進(jìn)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(qiáng)等曾研究了菊粉對低脂冰淇淋流變性、質(zhì)構(gòu)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(jié)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(biāo)與全脂冰淇淋接近[29]。菊粉可替代低脂肉制品的油脂，改進(jìn)肉制品結(jié)構(gòu)，保持品質(zhì)穩(wěn)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(fā)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(fā)酵香腸中，結(jié)果表明加入菊粉12.5%時可提供低脂發(fā)酵香腸較軟的質(zhì)地，且咀嚼性、彈性、內(nèi)聚性和黏附性與傳統(tǒng)香腸非常接近[30]。

4.5 菊粉在乳制品中的應(yīng)用

乳制品是運用菊粉的一個理想系統(tǒng)，它能有效提高人體對鈣質(zhì)的吸收，并能模擬乳脂肪的口感在應(yīng)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(chǎn)品的整體營養(yǎng)價值又不犧牲產(chǎn)品的食用品質(zhì)，還具有益生元特性。因此，近幾年來菊粉被廣泛應(yīng)用于低脂或脫脂牛奶[14]。

4.6 菊粉作為飼料添加劑的應(yīng)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(shù)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(yīng)用效果，結(jié)果表明菊粉有促進(jìn)雛雞生長，提高雛雞免疫器官指數(shù)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(qū)系及生產(chǎn)性能的影響，結(jié)果表明菊粉能顯著降低斷奶仔豬盲腸、結(jié)腸和直腸后段內(nèi)容物pH，促進(jìn)斷奶仔豬盲腸內(nèi)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(shù)量[32]。

4.7 菊粉在各種食品中的應(yīng)用

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

表3 菊粉在各種食品中的應(yīng)用Table 3 The application of inulin in foods

5 菊粉的應(yīng)用前景

菊粉作為膳食纖維已被大眾接受，并被FDA批準(zhǔn)進(jìn)入美國市場，在中國、美國、日本及歐洲作為食品和營養(yǎng)的增補(bǔ)劑，廣泛應(yīng)用于食品、飼料、生物、化工等工業(yè)領(lǐng)域中。目前工業(yè)上菊粉一般多從菊芋根中提取。菊芋的生長對土質(zhì)要求不嚴(yán)，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(jīng)選種復(fù)壯后的塊莖可達(dá)0.5 kg以上，菊芋在我國的大部分地區(qū)都有種植，如集中栽植、培育，可得高產(chǎn)作物。我國的荒漠化土地面積達(dá)262萬km2，菊芋可以防風(fēng)固沙，大大改善生態(tài)環(huán)境。利用其生產(chǎn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

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