菊粉型果聚糖在無麩質(zhì)產(chǎn)品中應(yīng)用的研究進(jìn)展

李延華 王偉軍 方魯平 王繼鋒 蔡麗琴

(浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院1，杭州 310018)(浙江一鳴食品股份有限公司2，溫州 325001)

含麩質(zhì)的谷類(小麥、黑麥、大麥等)廣泛用于食品制品中，谷類蛋白質(zhì)中有80%左右的谷蛋白。麩質(zhì)(Gluten)又稱面筋，由兩種主要的蛋白質(zhì)組成：麥膠蛋白和麥谷蛋白。麥膠蛋白主要提供面團(tuán)的韌性；麥谷蛋白對(duì)面團(tuán)彈性有重要作用[1]。因此，麩質(zhì)在加工過程中可以增加面團(tuán)的延伸性，保留膨松氣體，固化面團(tuán)結(jié)構(gòu)，并賦予面包質(zhì)地彈性。然而，全球很多人群存在對(duì)面筋蛋白的不耐受問題，必須避免消費(fèi)含麩質(zhì)的產(chǎn)品。因此，不含面筋的無麩質(zhì)產(chǎn)品(Gluten-free，GF)的飲食是比較推薦的，甚至是與麩質(zhì)食品相關(guān)疾病的基本治療方法，包括乳糜瀉、小麥過敏及非腹腔麩質(zhì)敏感性[2]。研究也發(fā)現(xiàn)一些吸收不良的短鏈碳水化合物存在于許多含麩質(zhì)的食品中，會(huì)誘發(fā)腹痛、腹脹和改變腸道適應(yīng)性(與腸易激綜合癥相關(guān))的癥狀[3]。為滿足對(duì)GF產(chǎn)品快速增長(zhǎng)的需求，GF產(chǎn)品的生產(chǎn)是食品行業(yè)中發(fā)展最快的分支之一[4]。由于GF產(chǎn)品不易獲得，嚴(yán)格遵守GF飲食并不容易。相比含麩質(zhì)的類似產(chǎn)品，GF產(chǎn)品價(jià)格較高，并且口感和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較差。與含谷蛋白的相應(yīng)產(chǎn)品相比，GF產(chǎn)品提供更低含量的B族維生素(硫胺素、核黃素、煙酸)、葉酸、鐵和膳食纖維[5,6]。消費(fèi)者越來越意識(shí)到GF食品的健康益處，更加關(guān)注具有創(chuàng)新性的GF產(chǎn)品，希望GF產(chǎn)品能夠與含有谷蛋白的對(duì)應(yīng)產(chǎn)品具有相同的風(fēng)味和質(zhì)地。這種消費(fèi)市場(chǎng)需求將促進(jìn)越來越多的研究開發(fā)具有增加營(yíng)養(yǎng)和功能特性的GF產(chǎn)品。菊粉型果聚糖(inulin-type fructan，ITFs)作為GF產(chǎn)品成分的應(yīng)用已被廣泛探索，菊粉可用作益生元、脂肪替代品、糖替代品、質(zhì)地改良劑，并用于開發(fā)功能性食品，以改善健康[7]。ITFs與GF的相互作用對(duì)無麩質(zhì)產(chǎn)品的開發(fā)及質(zhì)量提升具有重要作用。

1 ITFs的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其在食品中的應(yīng)用

ITFs又稱菊糖，為白色無定型粉末，是一種水溶性的儲(chǔ)備多糖，也是自然界廣泛存在的一種果聚糖，屬于一種非消化性碳水化合物。菊苣和菊芋塊根被認(rèn)為是ITFs的最豐富來源[8](見表1)。ITFs是含有一個(gè)或多個(gè)糖苷鍵的基于果糖的低聚糖和多聚糖的水溶性混合物[9]。在植物中，含有5種類型的果聚糖，包括線型菊糖型果聚糖、線型菊糖型果聚糖新生系列、線型梯牧草糖型果聚糖、混合型果聚糖和梯牧草糖型果聚糖新生系列[10,11]。ITFs含有β-(2-1)糖苷鍵，并且聚合度(Degree of polymerization，DP)和化學(xué)結(jié)構(gòu)有差異(圖1)。根據(jù)DP，ITFs可分為低聚果糖(Fructooligosaccharides，F(xiàn)OS)(DP=3～10)和菊粉(DP=11～65)[9,12]，其組成、鏈長(zhǎng)、分散度取決于植物基因型、栽培條件和提取程序[13]。

表1 菊粉型果聚糖在植物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(鮮重)

圖1 菊粉的分子結(jié)構(gòu)及(根據(jù)DP)劃分

在美國(guó)，ITFs的平均每日消費(fèi)量為1～4 g[14]，歐洲菊粉的消費(fèi)量大大高于每日3～11 g，低于報(bào)道的每日至少10～20 g的耐受量[15]。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，ITFs不會(huì)被特異于α-連接的上腸消化道酶水解。因此，ITFs可以完整地到達(dá)結(jié)腸。ITFs與益生元家族的其他物質(zhì)一樣，可用于腸道微生物群發(fā)酵，產(chǎn)生短鏈脂肪酸(主要是乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽)和乳酸鹽，使pH值降低。ITFs可以增加細(xì)菌生物量，進(jìn)而增加糞便排便頻率。ITFs也影響結(jié)腸上皮細(xì)胞，通過刺激腺細(xì)胞的增殖，增加多胺的濃度，改變黏蛋白的結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)內(nèi)分泌和免疫功能[16]。ITFs的添加體現(xiàn)為增加礦物質(zhì)的吸收，特別是鈣和鎂的吸收，使血液中的三?；视驼；?，并降低大腸癌的風(fēng)險(xiǎn)[17,18]。

ITFs主要從菊苣根中獲得，并廣泛用于食品工業(yè)。ITF的DP多樣性影響它們的理化性質(zhì)。短鏈FOS比長(zhǎng)鏈菊粉更易溶，并且更甜。因此，它們可以用作糖替代品，以改善低熱量產(chǎn)品的口感[19]。由于更低的溶解度，較高的黏度和熱穩(wěn)定性，長(zhǎng)鏈ITFs(菊粉)可用作填充劑和脂肪替代品，通常用于生產(chǎn)低脂乳制品，使產(chǎn)品具有光滑、奶油般的質(zhì)地[20]。此外，由于融化、凝膠形成能力，強(qiáng)度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度受DP影響，使得不同DP的ITFs可以用于配制新的特定食品[21]。ITFs可用于生產(chǎn)低脂肪肉類產(chǎn)品，如香腸[22]，或在烘焙工業(yè)中用作碳水化合物[23]和脂肪替代品[24]。

2 無麩質(zhì)面包中的菊粉型果聚糖

2.1 無麩質(zhì)面包的結(jié)構(gòu)特征及原料對(duì)其品質(zhì)的影響

對(duì)GF產(chǎn)品研究最多的是面包，所使用的GF烘焙技術(shù)不同于傳統(tǒng)烘焙技術(shù)，原因是面筋是保持發(fā)酵過程中產(chǎn)生二氧化碳所必需的組分，缺乏面筋所形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)很難獲得具有良好質(zhì)地的無麩質(zhì)面包(gluten-free bread，GFB)[25]。由于淀粉老化，GFB和其他烘焙的GF產(chǎn)品(主要由不同的淀粉組成)會(huì)形成易破碎的質(zhì)地，而且面包陳化的速率也較快。直鏈淀粉的線性分子和支鏈淀粉的線性部分將重新排列成晶體結(jié)構(gòu)。此外，與其他含谷蛋白的產(chǎn)品相比，GF烘焙產(chǎn)品的感官品質(zhì)會(huì)降低[26]。

模仿面筋黏彈性是一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)問題。纖維是GFB中研究最廣泛的功能性成分，有益地影響其物理和感官品質(zhì)，并可以延長(zhǎng)GFB的保質(zhì)期[27]。具有不同來源和化學(xué)結(jié)構(gòu)的高分子量的長(zhǎng)鏈多糖類膠體也常用于GFB配方中，由于具有親水性，膠體會(huì)產(chǎn)生凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，用于增加面糊黏度和增強(qiáng)膨脹結(jié)構(gòu)的邊界，增加烘烤過程中的氣體保留，并增強(qiáng)GFB的體積、結(jié)構(gòu)、質(zhì)地和外觀。

提高GFB配方的技術(shù)和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，以及使GFB配方多樣化的另一種方法是使用來自GF谷物、蜂花、豆類、堅(jiān)果、水果、燕麥、高粱、小米、蕎麥、莧菜、藜麥和苔麩的面粉。這些物質(zhì)中所富含的蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、膳食纖維和生物活性化合物，被提出作為GFB的成分[28-30]。

此外，由于GF原料的蛋白質(zhì)不能保留在發(fā)酵和烘焙過程中的氣體，通常通過蛋白質(zhì)交聯(lián)促進(jìn)蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)和類似彈性的性能，利用酶來改善制品質(zhì)量，并延長(zhǎng)GFB的保質(zhì)期。GFB生產(chǎn)中最常用的酶是淀粉修飾酶(淀粉酶和環(huán)糊精糖基轉(zhuǎn)移酶)、蛋白質(zhì)連接酶(轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶-TG和葡萄糖氧化酶-GO)和蛋白酶。影響營(yíng)養(yǎng)和技術(shù)特性的GF生產(chǎn)的另一個(gè)重要方法是添加動(dòng)物蛋白(乳蛋白和蛋類蛋白)和非谷蛋白植物蛋白[31-33]。質(zhì)地、風(fēng)味、GFB的保質(zhì)期和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值也可以通過使用由小麥粉、水和其他成分組成的混合物，并由乳酸菌和酵母發(fā)酵的酸面團(tuán)得到改善。這些效應(yīng)來自酸面團(tuán)的乳酸菌和酵母的復(fù)雜代謝活動(dòng)，如酸化、胞外多糖的產(chǎn)生、蛋白質(zhì)水解、淀粉分解和植酸酶活性，以及抗菌物質(zhì)的產(chǎn)生[34]。

2.2 ITFs強(qiáng)化無麩質(zhì)面包

基于ITFs在傳統(tǒng)面包制作中的應(yīng)用效果，已有研究將ITFs在GFB生產(chǎn)中進(jìn)行應(yīng)用。菊粉和低聚果糖是GFB配方中研究較多的功能性膳食纖維。Korus等[35]評(píng)估了不同益生元添加劑(包括菊粉)補(bǔ)充GF制劑對(duì)GFB質(zhì)量的影響，指出添加5%菊粉是改善GFB技術(shù)和感官特性的最有效方法。富含菊粉的GFB體積增加(5%和8%菊粉添加量的體積分別增加4%和9%)，原因可能為GFB中使用的菊粉具有較高的與水結(jié)合的能力。與對(duì)照GFB相比，存儲(chǔ)期間菊粉強(qiáng)化GFB的面包碎屑硬化率顯著降低(P<0.05)。這種現(xiàn)象可以通過ITFs減緩水從面包內(nèi)部向外的遷移能力來解釋，從而延長(zhǎng)了菊粉強(qiáng)化GFB的新鮮度。Maryam等[36]研究發(fā)現(xiàn)菊粉可以降低GFB中淀粉的結(jié)晶度，所形成的面包碎屑更軟，菊粉強(qiáng)化面包的硬度和咀嚼性降低。菊粉的應(yīng)用影響GF面糊的含水量，與未強(qiáng)化的GF對(duì)照面團(tuán)相比，含菊粉的GF面團(tuán)中含水量增加5%，表明菊粉微晶形成包圍大量水的凝膠結(jié)構(gòu)[37]。

ITFs的應(yīng)用改善了GFB的性能，可能是由于CO2保留能力的增加[38]。與對(duì)照GFB相比，富含ITFs的GFB具有顏色更深的外殼(P<0.05)，這可能是由于在烘焙過程中通過美拉德反應(yīng)有利地形成棕色含氮聚合物和黑精素。因此，這種富含ITFs的GFBs獲得了高感官接受性評(píng)分。Alexandrina等[39]以小麥為原料制作面包，發(fā)現(xiàn)菊粉的添加量會(huì)影響面團(tuán)的可加工性，不同比例的菊粉對(duì)面包體積和面包皮顏色影響顯著。此外，12%的ITFs添加水平降低了GFB血糖指數(shù)，說明富含ITFs的GFB可以成為一種能夠?yàn)槿槊訛a患者提供營(yíng)養(yǎng)(11%膳食纖維)和功能益處的產(chǎn)品。但存在的缺點(diǎn)是ITFs在GFB配方的應(yīng)用會(huì)減少面糊的水分，從而減少了面包的水分，從而加快了儲(chǔ)存面包的老化。

菊粉的DF決定了其在無麩質(zhì)產(chǎn)品中的應(yīng)用特性[40]。受強(qiáng)化的GFB中ITFs影響的變化范圍取決于其結(jié)構(gòu)，包括DP。Juszczak等[41]表明添加到GF面團(tuán)中的長(zhǎng)鏈菊粉顯著地影響其流變性和黏彈性(P<0.05)，導(dǎo)致稠度和糊狀黏度降低，面團(tuán)中菊粉比例增加，糊化溫度增加。分析原因?yàn)榫辗叟c水結(jié)合，減少淀粉顆粒的膨脹，減少淀粉顆粒的體積和有限的摩擦?xí)?dǎo)致黏度性質(zhì)的降低。較低DP(<10)的ITFs對(duì)GFB的物理和技術(shù)特性產(chǎn)生有利影響[42]。短鏈ITFs添加量的增加會(huì)顯著增加GF面包的體積(P<0.05)。低DP菊粉(含有單糖和低聚糖)與淀粉之間未結(jié)合水的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致淀粉糊化延遲，促進(jìn)面包體積增加。隨著菊粉含量的增加，面包硬度降低，延長(zhǎng)了富含菊粉的GFB的保質(zhì)期。同時(shí)，菊粉含有大量親水基團(tuán)，具有保水能力，菊粉的應(yīng)用可減少面包中的水分流失[43]。

根據(jù)針對(duì)乳糜瀉患者進(jìn)行的消費(fèi)者測(cè)試，以及由經(jīng)過培訓(xùn)的感官小組進(jìn)行的定量描述性分析(QDA)進(jìn)行評(píng)估。在分析的GFB中，由于改善了外皮顏色、孔隙率和質(zhì)地，以及味道和風(fēng)味，與用FOS強(qiáng)化的面包是有差異的，所以ITFs被納為特殊種類面包的添加物質(zhì)[44]。FOS還被用作基于酸木薯淀粉的奶酪GFB的添加劑，這是一種在一些南美國(guó)家流行的特殊產(chǎn)品[45]，研究時(shí)發(fā)現(xiàn)添加FOS(9%)降低了吸水指數(shù)，并增加了淀粉-FOS混合物的溶解度，表明淀粉與FOS之間缺乏協(xié)同相互作用。另外，與淀粉相比，低聚糖具有更高的水溶性，因此提高GFB配方中的FOS濃度可以降低糊化黏度。

此外，Morreale采用具有低轉(zhuǎn)化酶活性的酵母發(fā)酵制作菊粉面包，發(fā)現(xiàn)所選用的酵母可以降低菊粉在烘烤過程中的損失，表明具有低轉(zhuǎn)化酶活性的酵母可被推薦用于制作富含菊粉的無麩質(zhì)面包[46]。

3 ITFs在其他無麩質(zhì)產(chǎn)品中的應(yīng)用

3.1 無麩質(zhì)面食

意大利面是在世界各地非常受歡迎的食品。傳統(tǒng)的意大利面僅由粗小麥粉和水組成，在這種條件下，小麥蛋白提供適當(dāng)?shù)拿娼罱Y(jié)構(gòu)，并在烹飪過程中影響其質(zhì)地。面筋在烹飪過程中凝固，形成一個(gè)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)，防止淀粉顆粒浸出。由于GF面食中缺乏適當(dāng)?shù)拿娼罹W(wǎng)絡(luò)，造成產(chǎn)品的黏性較差[47]。GF意大利面主要由玉米和(或)米粉組成，其質(zhì)地和感官特性較傳統(tǒng)的粗面粉糊差，可使用包括ITFs在內(nèi)的不同添加劑來改善GF面食的質(zhì)量。Mastromatteo等[48]將菊粉(高達(dá)20%)用于GF玉米面食，干燥和煮熟的GF玉米面食中菊粉的含量不同，發(fā)現(xiàn)采用5%菊粉強(qiáng)化的GF玉米面食具有最高的感官質(zhì)量得分。富含較低添加量(5%或7.5%)菊粉的玉米面食的伸長(zhǎng)率和剪切黏度值較高；由于面團(tuán)堅(jiān)固度太高，富含較高含量菊粉(15%或20%)的樣品無法進(jìn)行流變學(xué)測(cè)量，得出增加菊粉的添加量(超過12.5%)會(huì)導(dǎo)致面團(tuán)的堅(jiān)固度增加。

此外，在含有麩質(zhì)的意大利式細(xì)面條中添加較高含量的菊粉會(huì)對(duì)樣品的整體感官質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響，原因是菊粉添加量的增加會(huì)導(dǎo)致淀粉糊化減少，進(jìn)而產(chǎn)生硬度降低。面團(tuán)硬度與烹飪過程中淀粉顆粒的水合作用，以及隨后將凝膠化淀粉顆粒嵌入基質(zhì)中有關(guān)[49]。菊粉是一種高度結(jié)合水的大分子，與淀粉競(jìng)爭(zhēng)水分子，從而限制淀粉溶脹和糊化，提高吸熱峰溫度值[50]。Mastromatteo等[48]將GF玉米粉面團(tuán)進(jìn)行預(yù)糊化，這一過程可能影響面團(tuán)的流變性質(zhì)。當(dāng)?shù)矸墼谟兴嬖跅l件下加熱及隨后冷卻時(shí)，淀粉會(huì)發(fā)生老化現(xiàn)象，分裂的直鏈淀粉和支鏈淀粉鏈可以再次重排成結(jié)晶的結(jié)構(gòu)，同時(shí)伴隨著一系列物理變化，如黏度增加、凝膠形成、水滲出和結(jié)晶度增加[51]。

3.2 無麩質(zhì)餅干產(chǎn)品

由于面筋在餅干中的作用相對(duì)較小，生產(chǎn)無麩質(zhì)餅干比生產(chǎn)無麩質(zhì)面包更容易[52]。含有大量菊粉對(duì)餅干產(chǎn)品是有益的，原因是菊粉降低了產(chǎn)品的熱量值，并增加了膳食纖維含量，使餅干產(chǎn)品更健康。因此，有關(guān)菊粉作為膳食纖維來源，并具有重要生理功能的GF餅干的相關(guān)研究較多。Maghaydah等[53]研究表明不同濃度菊粉制造的改善膳食纖維含量的餅干，其感官(質(zhì)地、香氣、風(fēng)味、柔軟度)或物理(寬度、厚度、擴(kuò)散因子、水分)性質(zhì)之間沒有顯著影響。菊芋作為豐富的菊粉來源(DM的50%～60%)可用作GF餅干中糖和脂肪的替代品。Sharoba等[54]在GF玉米粉餅干配方中使用菊芋粉，含有菊芋粉的GF玉米餅干中蛋白質(zhì)含量和纖維含量隨菊芋量的增加而增加；含有菊芋粉的GF餅干比對(duì)照GF餅干具有更低的熱量值和更高的礦物質(zhì)含量；菊芋粉在GF玉米餅干中的應(yīng)用沒有引起樣品感官特性的不良變化。Tatiane等[55]以菊粉作為米粉的部分替代品，將菊粉添加到無麩質(zhì)巧克力曲奇中，指出25%比例的菊粉替代米粉的巧克力曲奇具有較高的粗糙度、破碎性、黃色色度值和紅色色度值，并具有較低的焦糖香氣、焦糖風(fēng)味、亮度、黏附性、咀嚼性和硬度，菊粉替代米粉的巧克力曲奇的感官特性可被消費(fèi)者接受，菊粉的添加可以增強(qiáng)鈣的吸收。

3.3 無麩質(zhì)調(diào)味汁和甜點(diǎn)

牛乳、油、小麥粉和鹽是白汁的經(jīng)典成分，因此白汁不能被GF飲食的消費(fèi)者食用。然而，小麥粉可以被天然的GF淀粉取代，以獲得GF白醬。大米淀粉和玉米淀粉已應(yīng)用于GF白醬的生產(chǎn)。然而，由于對(duì)低脂肪產(chǎn)品的需求增加，這就要求使用淀粉替代品或者減少用量，或者使用脂肪替代品，如菊粉。Guardeno等[56]分析了菊粉在由天然或改性大米淀粉和大豆蛋白制成的低脂GF白色調(diào)味汁中的應(yīng)用效果，指出菊糖的添加有利于糊化顆粒和大豆蛋白-淀粉顆粒聚集體的分散，并且可以降低改性大米淀粉醬的黏度。此外，在含有大豆蛋白的改良大米淀粉醬中使用菊粉能夠被消費(fèi)者接受，適于配制可在冰箱中儲(chǔ)存穩(wěn)定的GF白色調(diào)味汁。Guardeno等[57]也發(fā)現(xiàn)不同玉米淀粉的GF白醬中可以添加菊粉。用改性玉米淀粉制成的GF白色調(diào)味汁在整個(gè)儲(chǔ)存期間具有穩(wěn)定的顏色參數(shù)，可供需要消費(fèi)排除面筋且具有特定營(yíng)養(yǎng)需求的消費(fèi)者食用。

乳蛋糕是一種奶油甜點(diǎn)，配料中所使用的可傾倒的醬汁及糕點(diǎn)奶油均具有不同的稠度。向木薯淀粉添加具有不同DP的菊粉可以影響乳蛋糕的品質(zhì)[58]。添加到GF木薯粉中的短鏈菊粉會(huì)產(chǎn)生較高的厚度、甜度和香草味感覺，產(chǎn)品不具有乳蛋糕的典型流變性質(zhì)。當(dāng)使用較高含量的長(zhǎng)鏈菊粉(短鏈菊粉和長(zhǎng)鏈菊粉的比例為25∶75)時(shí)，乳蛋白的質(zhì)地和假塑性達(dá)到最高值。其他關(guān)于奶油甜點(diǎn)的研究證實(shí)，在卡拉膠存在時(shí)，添加短鏈菊粉和長(zhǎng)鏈菊粉(6%和7.5%)可以提高產(chǎn)品的稠度、黏度和彈性，原因是卡拉膠具有更高的水結(jié)合能力，起到共溶的作用，從而有助于提高黏度[59]。另一方面，長(zhǎng)鏈果聚糖可以相互作用，并聚集形成水結(jié)合復(fù)合物，熱穩(wěn)定性更好，并且溶解性更小[60]。乳蛋糕的感官特性受兩種類型的ITFs的影響，短鏈菊粉可以增強(qiáng)風(fēng)味和甜味，而長(zhǎng)鏈果聚糖可以改善稠度，同時(shí)降低光滑度，并增加粗糙感。

4 結(jié)論與展望

與谷蛋白相關(guān)的病癥有所增加，并成為世界范圍內(nèi)常見的問題，在飲食中減少或排除含谷蛋白的谷物已成為針對(duì)這些疾病的有效安全的解決方法。在食品加工領(lǐng)域中，ITFs被用于影響GF產(chǎn)品的流變學(xué)和工藝參數(shù)，目前，富含ITFs的GF谷物類產(chǎn)品主要為面包、面食、餅干、調(diào)味汁和甜點(diǎn)等制品，添加到GF產(chǎn)品中的ITFs會(huì)與其他成分和添加劑相互作用，并且可以改善GF產(chǎn)品的感官、質(zhì)地和保質(zhì)期。然而，富含ITFs的GF產(chǎn)品在市場(chǎng)上的供應(yīng)仍然非常有限，研究可以進(jìn)一步加強(qiáng)富含ITFs的GF產(chǎn)品的功能和潛在的健康益處方面的探索，提升富含ITFs的GF產(chǎn)品的品質(zhì)，滿足市場(chǎng)需求。