水溶性膳食纤维聚葡萄糖的功能研究与应用现状

文 / 陈智慧 云南曲靖农业学校食品技术学部

庞明利 杨海军 保龄宝生物股份有限公司

膳食纤维是人体不可缺少的第七营养素。自20世纪60年代Trowell首次列出现代“文明病”的特征，并提出膳食纤维在对抗“文明病”方面的重要作用以来，膳食纤维的研究和开发便迅即受到世界各国的高度重视。营养学界、临床医学界和食品科学界相继投入很大的精力进行研究，在全球范围内掀起了研究膳食纤维的热潮。

聚葡萄糖是一种低热量、低血糖指数的特殊碳水化合物，具有水溶性膳食纤维和益生元的特点。它是由天然存在的葡萄糖和少量山梨醇、柠檬酸经高温熔融缩聚而成，是随机交联的葡萄糖组成的多糖。聚葡萄糖作为一种作用和性能良好的膳食纤维之一，近年来得到快速发展，在50 多个国家被批准使用，在众多食品、饮料、保健食品中得到越来越广泛的应用。

1 聚葡萄糖的生理功能研究现状

1.1 低能量

聚葡萄糖是随机聚合的产物，糖甙键种类多，分子结构复杂，难以被人体或动物消化利用，因此具有较低的热量。大量动物或人体试验均证实，聚葡萄糖具有较低的热量值，大约为4.18 kJ/g。

通过模拟人体条件下的试验或人体试验也证实了聚葡萄糖具有较低的能量值。如White等采用α-淀粉酶、支链淀粉酶、淀粉糖甙酶结合，在模拟人体内的条件下对聚葡萄糖进行酶解，测量产生的葡萄糖数量，推算出聚葡萄糖在体内的消化率为22%～25% ，热量值约为4.18 kJ/g。Lotfi等评价了7 名健康志愿者每天摄入30 g聚葡萄糖的短期（服用聚葡萄糖4 天）和长期阶段（服用聚葡萄糖26 天）的能量值，其能量值通过在早餐时服用10 g14C标记的聚葡萄糖来进行测定。在短期和长期服用阶段，48 h内分别有31%和29%的14C出现在呼吸作用中，有4%出现在尿中，在排出的气体中有1%，粪便中的脂肪酸中占有1%，细菌中占有3%～4%。在短期和长期阶段，大便中分别含有33%和32%的14C，49%左右出现在大肠内14C标记的醋酸中。经过计算，当呼吸作用中的14CO2和聚葡萄糖产生的挥发性脂肪酸被计算在内时，聚葡萄糖的能量值在短期和长期服用阶段分别为4.0 kJ/g和6.1 kJ/g。测定聚葡萄糖能量值的方法虽有所不同，但结果都在4.18 kJ/g左右，证明其确为难消化性糖类。

1.2 调节肠道功能，防止便秘的发生

由于聚葡萄糖具有很好的持水性，未消化的聚葡萄糖增加了肠道的蠕动和粪便的排出。同时在大肠内，部分聚葡萄糖可以被双歧杆菌等有益菌发酵利用，产生大量的短链脂肪酸而降低肠道的pH值，刺激肠道的蠕动，增加粪便的湿润度并保持一定的渗透压，从而双向调节肠道内环境而防止便秘的发生。一项对120 名健康成年人的研究表明，在摄入聚葡萄糖大约2 天后，大多数受试者的粪便被软化并易于排出。随着聚葡萄糖摄入量的增加，排便的频率和难易程度也得到改善，粪便的湿重和干重相应增加。这说明即使每日摄入4 g的聚葡萄糖也能够明显改善排便状况。与不服用聚葡萄糖时相比，人体短期服用聚葡萄糖（服用4 天）和长期服用（服用26 天）对改善肠道功能均有明显的效果，如粪便的重量由对照的122 g/天增加到短期阶段的164 g/天和长期阶段的158 g/天，粪便中的水分也相应的由93 g/天增加到129 g/天和119 g/天，说明聚葡萄糖对改善排便功能具有良好的作用。

1.3 调节肠道菌群平衡的益生元功能

益生元是“不被消化的食物成分，可以选择性地促进结肠中的一种或少数几种细菌的生长或活性而对宿主产生有益影响，从而保持宿主健康”。

许多研究表明，聚葡萄糖是有效的益生元，被摄入人体后，在胃肠道的上半部分并不被消化，只是到了胃肠道的下半部分才有部分被发酵，促进肠道有益菌（双歧杆菌、乳杆菌）的增殖，并抑制有害菌，如梭状芽孢杆菌和拟杆菌的生长。聚葡萄糖被有益菌发酵产生短链脂肪酸如醋酸、丁酸等，降低了肠道pH值，可以帮助抵抗感染，并降低癌症的发生机率。

1.3.1 促进肠道有益菌的生长，调整肠道菌群平衡，抑制有害菌的生长

在人体肠道模拟器3 级连续培养系统中，浓度为1%和2%的聚葡萄糖即可对肠道双歧杆菌有显著的刺激作用。它所作用的双歧杆菌范围较广，除了对青春双歧杆菌、两叉双歧杆菌、长双歧杆菌等有增殖作用外，还对婴儿双歧杆菌有增殖作用。而人体临床试验研究表明，人体摄入聚葡萄糖后，粪便中厌氧微生物显著改变，双歧杆菌和乳杆菌增加，而拟杆菌减少。服用聚葡萄糖4、8、12 g后，大肠中的双歧杆菌分别增加了大约3 倍、7 倍和10 倍，乳杆菌分别增加了大约4 倍、5 倍和7 倍，而拟杆菌（脆弱拟杆菌、普通拟杆菌、中间型拟杆菌）平均减少了大约54.6%、80.8%、82.7%。

1.3.2 产生短链脂肪酸，降低肠道pH值

动物试验、人体模拟或临床试验均表明，聚葡萄糖在肠道内可以被部分发酵产生短链脂肪酸，从而降低肠道的pH值。在大鼠食物中添加5%、10%和20%聚葡萄糖与添加不溶性膳食纤维素相比，均能够显著降低大肠的pH值。在模拟大肠的体外试验中证实了，在可可糖中添加2%的聚葡萄糖可显著地增加总短链脂肪酸和丁酸的浓度，分别从103 mM增加到468 mM（P<0.01）和从12 mM增加到22 mM（P<0.01）。人体临床试验研究表明，聚葡萄糖在有益菌发酵过程中即使在每日4g的低剂量水平下也会使产生的短链脂肪酸如乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、异戊酸等的量增加。当摄入量为8 g/天或12 g/天时，醋酸和丁酸的增加量非常显著，醋酸的浓度分别由4.12 mg/g增加到4.7 mg/g和5.12 mg/g，而丁酸的浓度由对照组的0.94 mg/g分别增加到1.31 mg/g和1.41 mg/g。粪便pH值分别由摄入前的7.00、6.93降低到摄入后的6.71和6.37，而对照组没有明显变化。醋酸和丙酸经吸收后进入血液循环，在肝脏及其外部组织中被代谢；而丁酸是最重要的发酵产物，能够作为肠道细胞的能量来源，对上皮细胞的正常发育也十分重要。而肠道pH值的降低能够抑制肠内毒素的产生，如吲哚和对甲酚等，有利于预防或防止便秘及肠憩室病的发生，从而降低肠癌的发生率。

1.4 清除体内有毒物质，降低肠道癌症发生的风险，提高机体免疫力

聚葡萄糖能够抑制有毒物质在肠道的吸收，并通过粪便的形式将其排出体外，降低有毒物质在体内的积累。如环境中存在的二噁英类物质是一种毒性很强的、难以分解的有机氯化合物，可通过食物被摄入到人体内，极易被吸收并蓄积，会引起肝脏代谢障碍、免疫性障碍及导致遗传毒性、致癌和致畸。给大白鼠投喂二噁英类物质，并喂食高野豆腐、聚葡萄糖等，结果表明，聚葡萄糖能有效地促进二噁英类从粪便中排出，有效地抑制其在肝脏中的蓄积。8 周食饵组的肝脏蓄积率比较低，说明长期摄取聚葡萄糖能更有效地控制二噁英类物质在肝脏中的蓄积。

聚葡萄糖已被证实能够改善肠道微生物的组成和活性，从而具有降低肠癌风险的功能。Mkivuokko等联合应用2 种不同的体外体系，即4 阶段的结肠发酵模拟器和反应人类肠道上皮功能的细胞培养模型，研究了水溶性膳食纤维聚葡萄糖对结肠癌发生的影响。在Caco-2细胞（人类结肠癌细胞系）观察到COX-2的表达呈剂量依赖性降低。COX-2表达降低与聚葡萄糖在结肠发酵的密切相关性进一步表明聚葡萄糖具有抗癌作用。Fava等利用猪的模型证实聚葡萄糖在结肠里能缓慢而持续的发酵，并且能够显著地改变发酵的终产物，尤其是在大肠末端。试验还证实，聚葡萄糖具有降低黏膜环氧酶COX-2表达的趋势，因此，可能降低大肠末端形成肠癌发生条件的风险。Ishizuka等利用大鼠模型，观察到聚葡萄糖能显著降低致癌剂1，2-二甲基肼诱导的异常隐窝灶（ACF）的形成。该作用在直肠尤其明显，抑制率高达65%。由此得出结论，摄入聚葡萄糖能预防结直肠癌的发生。

1.5 促进矿物元素的吸收

许多研究表明，摄取非消化性糖类物质可以促进大鼠对钙的吸收，这些物质包括各种各样的糖醇、低聚糖以及多糖类物质，因此非消化性糖类物质可能对人体钙的吸收和保留起到有益的作用。而聚葡萄糖作为一种非消化性多糖也具有促进钙吸收的作用，如Hara等研究了用聚葡萄糖喂养正常的和全胃切除的大鼠对钙吸收和骨矿化的影响，并与另一种膳食纤维瓜尔豆胶水解物（GGH）的作用进行了比较。结果表明，对于全胃切除和正常的大鼠用聚葡萄糖喂养时（50 g/kg，21 天），均可增加对钙的吸收和骨的矿化，但是用GGH喂养的正常大鼠没有这种作用。推测其促进钙吸收主要是小肠的作用，而与大肠无关。Mineo等研究表明，随着聚葡萄糖的浓度在0～100 mmol/L增加时，大鼠空肠、回肠、盲肠、大肠的钙吸收作用呈递增趋势。当聚葡萄糖的浓度大于100 mmol/L时大鼠空肠、回肠、盲肠和结肠对钙的吸收显著提高。

1.6 改善脂质代谢，降低甘油三酯和胆固醇

胆固醇是一种脂溶性物质，和蛋白质结合成脂蛋白微粒在血液中运行，人体血液中胆固醇含量高会导致动脉硬化和高血压的发生。动物试验表明，聚葡萄糖可阻止或降低甘油三酯和胆固醇向肠系膜淋巴的运输作用，从而减少了大鼠对甘油三酯和胆固醇的吸收。Saku等研究了61 名健康志愿者每天服用15 g聚葡萄糖对血清脂质、脂蛋白和载脂蛋白的影响，结果表明聚葡萄糖能够有选择性地降低高密度脂蛋白水平（HDL）及其主要蛋白质A-I和 A-II代谢。

将聚葡萄糖添加到食品中同样具有降低甘油三酯和胆固醇的作用。如人体一次食用46 g用聚葡萄糖（15%，w/w）和乳糖醇制成的无糖巧克力对血清甘油三酯的升高几乎没有影响，而食用含糖的巧克力30～150 min内，血清甘油三酯会缓慢的升高。

1.7 降低血糖反应

富含各种糖和淀粉等高生血糖碳水化合物的膳食，越来越与肥胖症和早期Ⅱ型糖尿病等健康问题相关。聚葡萄糖难被吸收，血糖指数很低（相对于葡萄糖的4%～7%），摄入后不易使血糖升高，不刺激胰岛素的分泌，非常适于糖尿病患者食用。聚葡萄糖还能用于取代各种食品中高血糖指数的碳水化合物，降低最终产品的总体血糖负荷。临床试验表明，人体摄入12 g聚葡萄糖和50 g葡萄糖后血糖指数为89%（对照为摄取50 g葡萄糖后的血糖指数为100%），说明聚葡萄糖是非胰岛素依赖性，也表明聚葡萄糖可以延缓葡萄糖在小肠内的吸收，可能由于聚葡萄糖的填充和小肠粘度的增加而延迟了胃排空的时间所引起的。

1.8 增加饱腹感，有助于减轻肥胖

全球患肥胖症的人数正在不断上升，而低热量的膳食是体重控制的有效手段。聚葡萄糖具有较低的热量值，能使人在摄入较少热量的情况下，达到增进饱腹感的效果。一方面，用聚葡萄糖生产的低热量食品能增进饱腹感，从而使消费者避免很快感到饥饿。聚葡萄糖还可以抑制食欲，减少进食量，并从人体内带走多余的脂肪和能量。另一方面，聚葡萄糖还可在胃肠壁上形成一层薄膜，缠裹部分食物中的脂肪，限制消化道内脂肪的吸收，促进脂类物质的排泄，从而达到减少脂肪堆积，控制体重的功效。

2 聚葡萄糖的安全性

动物和人体试验证实，聚葡萄糖具有高度的安全性。FDA和FAO/WHO均已批准聚葡萄糖为安全的食品添加剂。目前，中国、日本、澳大利亚等45 个国家已批准使用聚葡萄糖。另外，日本的厚生省已确认聚葡萄糖是一种食品，我国已将其列入国家食品添加剂。食品中添加聚葡萄糖作为通便剂的平均最大无作用量为90 g/天。

3 聚葡萄糖的特性及应用

聚葡萄糖理化性质是以葡萄糖为主要聚合体，柠檬酸为催化剂，山梨醇为增塑剂，经热聚合而形成的一种水溶性高分子化合物。聚葡萄糖作为一种新型的膳食纤维和增稠剂、膨胀剂、配方助剂、填充剂等，主要应用于低能量、高纤维等功能性食品中。在纤维食品中，聚葡萄糖以其90%以上的水溶性膳食纤维含量成为一种主要的纤维来源；在低能量食品中，聚葡萄糖可以部分或全部替代糖和脂肪，在降低食品能量的同时，能保持食品原有的风味和质感，带来令人满意的口感享受。

3.1 水溶性

聚葡萄糖具有良好的水溶性，可以制备浓度高达80%的水溶液。它不溶于乙醇，但能部分溶于甘油和丙二醇。聚葡萄糖水溶液可以很容易由聚葡萄糖粉末制得，溶解速度取决于混合设备的速度、剪切力以及粉末加入水中时的状态。在制备高浓度水溶液时，可将聚葡萄糖缓慢加入热水中，同时进行有效的机械搅拌以加速溶解。加入另一种物质作为分散剂，也可起到同样的效果。

3.2 稳定性

在实验室中，在25 ℃、45 ℃和60 ℃裸露的条件下观察无包装的聚葡萄糖，它可以稳定地保存90 天以上。在密闭容器中和合适的贮存条件下，聚葡萄糖的保质期可达2 年。

3.3 粘性

与蔗糖一样，聚葡萄糖水溶液是典型的牛顿液体。在相同条件下，聚葡萄糖水溶液的粘度比蔗糖稍高。20 ℃时，两者的粘度之差为1 000 cP（1 Pa·s）。

3.4 湿润性

聚葡萄糖可以作为一种湿润剂，防止或减缓含湿食品的不良变化，能使食品既不脱水也不吸水。在糖果和焙烤食品中，聚葡萄糖可以调节贮存过程中水分吸收或丧失的速度。但水分吸收和丧失的速度还受多种因素的影响，如食品的性质、配方、包装、贮存或食用时的环境条件等。

4 聚葡萄糖的应用

聚葡萄糖具有低热量、代糖、代脂的功能，在国外已成为一种用途广泛的新型功能性食品添加剂。食品工业生产中用作脂肪代用品、优质代糖填充剂、防冻剂、水分保持剂、水溶性膳食纤维来源等。由于聚葡萄糖已被确认为安全无毒的食品添加剂，因此被广泛用于糖类、果酱、糕点、巧克力、冷冻甜点类等食品的生产。

4.1 饮料行业

聚葡萄糖是强化纤维饮料的理想纤维来源，它具有水溶性好， pH值低及加热条件下稳定性高，在货架期内稳定，纤维无损失等优良特性，使其能广泛应用于饮料产品（包括固体饮料），无不良口味，色泽和透明度均良好。聚葡萄糖还可增强无糖或低糖饮料的口感。

4.2 乳制品

聚葡萄糖在低pH值下稳定，用于酸奶生产，能提供清爽口感和纤维强化；用于乳饮料中，能直接强化纤维；用在低脂或无脂产品中，能防止析水，赋予产品良好的质构和奶油口感。

4.3 焙烤食品

聚葡萄糖可用于生产高纤维的面包、蛋糕和饼干等焙烤食品，强化焙烤食品的纤维概念。聚葡萄糖十分耐热，作为蔗糖和油脂的替代品，能延缓淀粉老化，保持水分，提供良好的质构和口感，特别适于加工低糖、低脂的焙烤食品。

4.4 保健品或药品

因聚葡萄糖具有较低的热量值（4.18 kJ/g），可用于生产针对爱美人士或年轻女性的低能量，瘦身、减肥的保健食品或功能性饮料。

4.5 糖果

聚葡萄糖是无糖糖果的良好配料，其良好的耐受性，高水溶性和高粘度，可保证硬糖和橡皮糖的良好咀嚼性；能防止结晶，特别是使用糖醇的糖果；非致龋性，适用于健齿糖果。添加聚葡萄糖的蔗糖糖果，能起到强化纤维和益生元，降低蔗糖的作用，也可降低热量或降低总血糖生成值。

4.6 其它应用

聚葡萄糖还可用于巧克力、冰淇淋/冷冻甜点、果酱和果陷、肉制品等食品中，具有改善食品质构，强化营养的功能。

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