菊糖在食品加工中的特性及应用

卢玉容，郭秀兰，侯彩云，唐仁勇，罗静，黄仁茂

（成都大学药学与生物工程学院，四川成都610106）

菊糖是一种天然果聚糖，广泛存在于菊芋、菊苣、婆罗门参、大丽花等36 000多种植物体内，同时在一些细菌和真菌体内也被发现[1]。一方面，菊糖作为一种生物多糖，其生理活性被国内外学者广泛研究，其中菊糖调节肠道菌群更是成为研究热点[2-3]；另一方面，在西方国家食品工业中，菊糖是一种食品辅料，用于改善食品的组织状态和感官品质。随着对菊糖研究的深入，菊糖的分子结构逐渐清晰，因在食品加工中具有独特的加工特性，常被用作增稠剂、脂肪代替物、保水剂、糖类代替物等。本文综述了菊糖的分子结构、加工特性以及在乳制品、肉制品、面制品、巧克力和冰淇淋等食品中的应用。

1 菊糖的结构

菊糖是由D-呋喃果糖分子以β-（2，1）糖苷键连接，末端以α-（1，2）糖苷键连接一个葡萄糖残基而成的果聚糖。其聚合度（degree of polymerization，DP）通常为2～60，平均聚合度为10，平均分子量在5 500 U左右。菊糖的聚合度和平均分子量与菊糖的来源、采收季节、处理方式等相关[1]。

菊糖是一种直链多聚糖，其骨架是聚乙烯氧化物，骨架上不含任何糖环[4]。与其他糖类相比，菊糖分子中的果糖糖环之间只有一个氧原子进行连接，且呋喃果糖均处于同一平面，因此菊糖分子具有更大的活动自由度，更易翻转和卷曲[5]，因而菊糖的分子结构具有多变的性质。有研究发现，菊糖的分子结构与其聚合度密切相关，特别是DP＜9和DP≥9的菊糖分子的结构有显著的差别[6]。DP为4和5的菊糖分子结构由于翻转和卷曲，形成环状结构[7]和单螺旋结构[6]；DP6～8的菊糖分子还没有定论，但其光谱特性与DP为4和5不同[8]，因此可推论菊糖分子的分子排布发生了变化；而DP≥9的菊糖分子呈现规则的螺旋结构——五重螺旋[7]和六重螺旋[9]。菊糖分子结构随着DP的增加而改变，因此DP会影响菊糖的加工特性。菊糖的分子结构见图1。

图1 菊糖的分子结构Fig.1 Molecular structure of inulin

2 菊糖的食品加工特性

2.1 亲水特性

菊糖分子中含有大量的羟基，具有良好的亲水性[5]，但其溶解性受链长的限制。菊糖溶于水后，在菊糖分子内、菊糖分子间、菊糖与水分子之间均形成氢键，相互连接成三维网状结构；而部分未溶于水的菊糖，将会以结晶菊糖的形式存在，而结晶菊糖会在分子间形成氢键，将菊糖分子链与链相连接，能强化菊糖的网状结构，形成含有结晶颗粒的凝胶网络结构[10]。

2.1.1 菊糖可作为增稠剂

在浓度为1%～10%菊糖水溶液中，溶液的黏度会增加，但不会形成凝胶[11]，其中菊糖的DP不明确。据Bouchard发现，在37℃的水中添加10%的菊糖（DP=8～12）时，溶液的黏度增加至 1.12 mPa·s[12]。Franck 在相同温度（10℃）、相同浓度（5%）下，研究了DP对菊糖溶液黏度的影响。其中，DP为4时，溶液黏度＜1.0 mPa·s；DP 为 12 时，溶液粘度为 1.6 mPa·s；DP为25时，溶液粘度为2.4 mPa·s。随着DP的增加，菊糖溶液的黏度随之增加[13]。Panchev的研究也有类似的报道，在25℃、菊糖浓度为5%时，DP为28时溶液黏度为 1.21 mPa·s，DP 为 30 时溶液黏度为 1.27 mPa·s；DP为33时溶液黏度为1.31 mPa·s[14]。通过报告发现，菊糖溶液的黏度与温度、浓度、DP息息相关，在实际应用中，食品的成分对黏度也具有较大影响。长链菊糖在较低的温度和浓度下能够显著增加溶液的黏度，在食品中常利用此特性，将其作为食品增稠剂。

2.1.2 菊糖可作为脂肪替代物

在菊糖水溶液中，当浓度为10%～20%时，溶液会缓慢形成凝胶，但凝胶状态不稳定；当浓度为20%～50%时，菊糖可与水形成较强的凝胶，此时凝胶具有奶油般的柔滑口感，能改善食品的质地，提供类似脂肪的口感；但当菊糖浓度＞50%时，凝胶将会变得坚硬，口感不佳[11]，但其中菊糖的DP不明确。由于菊糖DP会影响菊糖的分子结构，长链菊糖呈现出多重螺旋结构，因而能形成更强的凝胶。Meyer发现，DP越高，形成凝胶所需的菊糖浓度更低，且DP为22～23的长链菊糖形成的凝胶结构更强[15]。在食品中，常利用菊糖的凝胶特性，将其作为低脂食品中的脂肪替代物。但菊糖在实际应用中不仅限于与水形成凝胶，食品的基质对凝胶形成具有重要影响，比如在低脂酸奶制作中添加6%的长链菊糖，菊糖可与蛋白质形成二次凝胶结构，能赋予酸奶全脂的口感[16]。

2.1.3 菊糖可作为保水剂

在菊糖水溶液中，菊糖与水分子之间形成的三维立体网状结构能捕获大量水分子，水分子被包裹在菊糖分子中间，形成凝胶颗粒[10]。凝胶颗粒不易被环境破坏，水分子不易流失，因此菊糖具有良好的持水力和保湿性，在食品加工过程中，能有效降低水分损失，可用作保水剂。在酸奶的制作中，6%的菊糖会减少乳清析出率[17]；在肉制品加工中，18.7%的菊糖能有效改善肉制品水分流失的情况[18]；在巧克力中，5%的菊糖能防止水分的蒸发，延长食品的保质期[19]。

2.2 具有水解特性，可作为甜味剂

低浓度的菊糖溶液黏度变化不大，不易形成凝胶态，菊糖分子分散在水中，其末端果糖基容易断裂，产生果糖分子[11]。有研究表明，忽略短链菊糖所引起的溶液黏度和溶解度的变化，短链菊糖的水解率随其浓度增加而增加，其水解率可达40%，因此短链菊糖溶液中因含有较多的单糖和双糖而具有一定甜味，但其甜味远低于蔗糖，仅为蔗糖的40%[4]。同时有研究发现，菊糖可增加35%蔗糖甜度，因此可部分代替蔗糖甜味口感[20]。长链菊糖是高碳糖，且在低浓度状态下易形成凝胶态，因此在溶液中不易发生水解。

2.3 益生元特性

短链菊糖易水解产生果糖分子，能被大部分微生物作为碳源；除此之外，某些微生物体内含有菊糖酶，能将菊糖降解成单糖和双糖，从而加以利用，因此菊糖可以促进微生物的生长。有研究表明，在低脂酸奶中加入菊糖，有利于嗜热链球菌、保加利亚乳杆菌、嗜酸乳杆菌、鼠李糖乳杆菌等有益菌的生长和发酵，且能有效提高酸奶储藏期中的活菌数量[21]。

3 菊糖在食品中的应用

随着生活水平的提高，肥胖率越来越高，为防止发胖，更多的人更愿意选择低脂、低糖、富含纤维的食物。菊糖不仅是一种水溶性的膳食纤维，而且具有独特的加工特性，能有效改善低脂食品的感官与质构，因此常被应用于乳制品、肉制品、面制品、巧克力和冰淇淋等食品加工中。

3.1 乳制品

脱脂或低脂乳制品由于脂肪的缺乏，容易出现口味寡淡、乳清析出等不良现象。将菊糖加入乳制品中，可改善其质构，增加黏度和持水力，能提供类似脂肪的润滑口感；在发酵乳制品中可促进微生物生长。菊糖对乳制品的影响见表1。

表1 菊糖对乳制品的影响Table 1 Effects of inulin on dairy products

3.2 肉制品

菊糖的添加可以部分代替肉制品中的脂肪，得到与全脂肉制品类似的口感，但会导致肉制品颜色加深，硬度增加，纹理改变。Keenan在制作猪肉早餐香肠时用菊糖代替18.7%的背膘，这种低脂香肠具有多汁、润滑的口感，持水力提高，脂肪含量、蒸煮损失降低，并改善了纹理和高脂肪所带来的咸味感，但其黄度降低[18]。Tomaschunas将0.2%～3.0%的菊粉加入脂肪减少的里昂式香肠中（全脂脂肪含量为25%，菊糖香肠为3%～17%），不仅使香肠中的脂肪含量降低了32%～88%，而且改善了由于脂肪减少出现的肉味、多汁感减少，肉质粗糙、变硬的现象；同时，他将0.4%～4.6%的菊糖加入到脂肪减少的肝脏香肠中（全脂脂肪含量为30%，菊糖香肠为3%～20%），不仅将肝脏香肠中的脂肪降低了33%～90%，而且能改善肝脏香肠因为减少脂肪而引起的颗粒感，但硬度增加。两组试验均发现，菊糖会导致香肠色泽加深[26]。Menegas在制作发酵鸡肉肠的过程中加入68.13 g/kg菊糖代替80 g/kg玉米油，储藏期间发现，鸡肉肠的脂肪含量降低，脂质氧化被抑制，纹理改善，但色泽更暗红[27]。由此可知，菊糖可有效改善低脂肉制品的口感和质构，但对肉制品的颜色不利。

3.3 面制品

3.3.1 烘焙类面制品

烘焙类面制品主要包括面包、蛋糕和饼干，不同聚合度菊糖的添加对烘焙类产品有不同的改善，但均会增加产品的硬度，加深产品的颜色。Sirbu向面包中加入5%～20%的菊糖（DP＜10），提高了面包中的膳食纤维含量、口感和5%的孔隙率，但外壳皱缩、硬度增加，颜色加深，体积减小[28]。Peressini分别向面粉中加入2.5%～7.5%短链菊糖（DP=10）和长链菊糖（DP=23），并用这两种面粉制作面包，发现菊糖对面包的影响并不一致。其中，短链菊糖的添加会增加面包的体积、孔隙率和甜度，孔隙体积变小，但颜色加深。长链菊糖则能提高面筋蛋白网状结构的致密性和均匀性，添加量为5%时，感官认可度较高；但≥5%时体积减少，硬度增加[29]。Volpini Rapina向低脂蛋糕中添加5%的菊糖（DP≤10）制作益生元蛋糕，增加了蛋糕的感官认可度、均匀性和黏性，降低了破碎性；但蛋糕外壳的颜色加深，硬度增加，水分降低[30]。Laguna在饼干制作中加入15%～30%的菊糖（DP＜10），结果发现当菊糖添加量为15%时可代替饼干中15%的脂肪，且感官接受度较高，水分含量和水分活度降低；但添加量≥15%时饼干的硬度和断裂应力增加，风味降低[31]。

3.3.2 蒸煮类面制品

蒸煮类的面制品主要是馒头和面条，其中在馒头中加入适量菊糖可增加馒头比容，改善馒头质构，而不同菊糖类型对面条的影响不同。陈瑞红发现，在馒头加工中添加10%以下的短链菊粉，可以增大馒头比容，降低馒头径高比，并且馒头的质构特性也得到相应改善[32]。胡雅婕也有类似发现，在菊糖添加量为2%～8%时，馒头的比容呈现增加的趋势，大于8%则呈现降低趋势；菊粉添加量为8%时制作的馒头的感官品质较好，质构特性良好，馒头硬度、咀嚼性较低，弹性和回复性较高[33]。Aravind分别向面条中添加DP为7～8的短链菊糖和DP为12～14的中链菊糖发现，菊糖的添加能缩短面条的煮制时间，但其链长对面条的影响较大。其中，短链菊糖会引起面条吸水性的下降，当添加量≥7.5%，面条的硬度会增加，面条的煮制损失率增大；长链菊糖不会影响面条的吸水性和膨胀度，当添加量≥20%，面条的柔软性增加，但煮制损失率也会增加[34]。由此，菊糖DP不同会对产品产生不一样的影响。

3.4 巧克力制品

巧克力是一种高糖高热量的食物，全糖巧克力的蔗糖含量高达48%，不利于身体健康，因此有研究用菊糖代替蔗糖制作低糖或无糖巧克力。Aidoo用12%菊糖和36%多聚葡萄糖制作无糖巧克力，相较于48%蔗糖巧克力，无糖巧克力具有更优的黏度、硬度和颜色，且含水量高、能量低，流动性和熔融性没有显著变化[35]。Furlán用菊糖作稳定剂来制作氢化油无糖复合巧克力，在制作过程中加入5%～10%的菊糖，产品白度增加，保质期延长。随着菊粉浓度的增加，在储藏期巧克力的稳定性、黏度和屈服应力增加，游离脂肪含量降低。氢化油代替可可脂会使巧克力的脆度下降，但加入10%菊糖改善了菊糖巧克力的纹理和质构[19]。Aidoo用24.640 6%菊糖和75.359 4%聚右旋糖代替蔗糖生产无糖巧克力，提高了巧克力的流变性能，颜色、硬度、水分和粒度分布均与普通巧克力没有显著差异，但产品的膨化作用仍需优化[36]。由此可见，用菊糖代替蔗糖生产的产品不仅具有热量低的特点，而且可以改善其质构，但膨化仍需改善。

3.5 冰淇淋

冰淇淋是一种受人喜爱的甜品，其脂肪含量为8%～16%，蔗糖含量为14%～18%[37]，不能满足健康的需求，而低脂冰淇淋因低热量、低脂肪被广大消费者所接受。Povolny在低脂冰淇淋中加入DP为42的长链菊糖，发现冰淇淋的冰点下降，流动性降低，黏度增加，产品的质地和感官均得到了改善[38]。Akbari的研究也有类似报道，菊糖（DP=20）的添加降低了冰淇淋的凝固点、融化率和硬度，增加了黏度，而且改善了黄度降低的现象[39]。另外，杜鹃对低脂冰淇淋的工艺进行了优化，发现添加5%的菊糖时，低脂冰淇淋的感官最接近于全脂冰淇淋，且膨胀率为72.62%、融化率为10.91%，相较于全脂冰淇淋，膨胀率无显著差异，而抗融化性得到了改善[40]。另有El-Nagar研究发现，在低脂冰淇淋中加入了不同浓度（5%，7%，9%）的中链菊糖，冰淇淋的硬度降低，同时产品的流动一致性和表观粘度均显著增加，但抗融化性降低[41]。由此可知，菊糖类型对冰淇淋的品质有一定影响，其中长链菊糖可有效改善冰淇淋的口感和颜色，同时增加其抗融化性和膨胀率，对低脂冰淇淋的研发具有促进作用。

4 展望

随着生活水平的提高，公众对食品的要求不仅限于口味与安全，越来越多的人选择低热量且对身体有益的食物。菊糖在食品加工中能作为糖类和脂肪代替者，不仅降低了热量的摄入，而且改善了食品的口感和风味，因此菊糖在食品中的应用得到了广泛的研究。但就菊糖对食品影响的研究，仍存在一些不足。其一：菊糖的类型、链长、浓度对食品的影响差异较大，因此研究结果不太一致；其二，菊糖可作为一种益生元，其中酸奶的研究较多，其他发酵类食品研究仍较少；其三，关于添加菊糖的低热量功能性食品还值得进一步开发和研究。我国是菊苣的生产大国，但对菊糖的研究和应用均不广泛，菊糖作为一种生物多糖，还有更多的应用值得深入探讨和研究。

参考文献：

[1]饶志娟,郑建仙,贾呈祥.功能性食品基料—菊粉的研究进展[J].中国甜菜糖业,2002(4)：26-30

[2]RICARDO F,VINICIUS A R,MICHEL C M.Effects of inulin-type fructans,galacto oligosaccharides and related synbiotics on inflammatory markers in adult patients with overweight or obesity：A systematic review[J].Clinical Nutrition,2016,10：1-10

[3]WEITKUNAT K,SCHUMANN S,PETZKE K J.Effects of dietary inulin on bacterial growth,short-chain fatty acid production and hepatic lipid metabolism in gnotobiotic mice[J].Journal of Nutritional Biochemistry,2015,26：929-937

[4]BARCLAY T,GINIC-MARKOVIC M,COOPER P,et al.Inulin：A versatile polysaccharide with multiple pharmaceutical and food chemical uses[J].Journal of Excipients and Food Chemicals,2010,1：27-50

[5]SHOAIB M,SHEHZAD A,OMAR M,et al.Inulin：Properties,health benefits and food applications[J].Carbohydrate Polymers,2016,147：444-454

[6]Liu Jian-hua,WATERHOUSE A L,CHATTERTON N J.Do inulin oligomers adopt a regular helical form in solution[J].Journal of Carbohydrate Chemistry,1994,13：859-872

[7]OKA M.Studies on the conformational aspects of inulin oligomers[J].Chemical&Pharm-aceutical Bulletin,1992,40：1203-1207

[8]FRANCK A,DE LEENHEER L,STEINBUCHEL A,et al.Inulin,in biopolymers,polysaccharides II：polysaccharides from Eukaryotes[J].Wiley-VCH Verlag GmbH Berlin,2002,6：439-479

[9]ANDRE I.Molecular and crystal structures of inulin from electron diffraction data[J].Macromolecules,1996,29：4626-4635

[10]GLIBOWSKI P.Effect of thermal and mechanical factors on rheological properties of high performance inulin gels and spreads[J].Journal of Food Engineering,2010,99：106-113

[11]MENSINK M A,FRIJLINK H W,MAARSCHALK K V,et al.Inulin,a flexible oligosaccharide I：review of its physicochemical characteristics[J].Carbohydrate Polymers,2015,130：405-419

[12]BOUCHARD A,HOFLAND G W,WITKAMP G J.Properties of sugar,polyol,and polysaccharide water-ethanol solutions[J].Journal of Chemical&Engineering Data,2007,52：1838-1842

[13]FRANCK A.Technological functionality of inulin and oligofructose[J].British Journal of Nutrition,2007,87：287-291

[14]PANCHEV I,DELCHEV N,KOVACHEVA D,et al.Physicochemical characteristics of inulins obtained from Jerusalem artichoke(Helianthus tuberosus L)[J].European Food Research and Technology,2011,233：889-896

[15]MEYER D,BAYARRI S,TARREGA A,et al.Inulin as texture modifier in dairy products[J].Food Hydrocolloids,2011,25：1881-1890

[16]VILLEGAS B,COSTELL E.Flow behaviour of inulin-milk beverages.Influence of inulin average chain length and of milk fat content[J].International Dairy Journal,2007,17：776-781

[17]ARANGO O,TRUJILLO A J,CASTILLO M.Influence of fat replacement by inulin on rheological properties,kinetics of rennet milk coagulation,and syneresis of milk gels[J].Journal of Dairy Science,2013,96(4)：1984-1996

[18]KEENAN D F,RESCONI V C,KERRY J P,et al.Modelling the influence of inulin as a fat substitute in comminuted meat products on their physicochemical characteristics and eating quality using a mixture design approach[J].Meat Science,2014,96：1384-1394

[19]RODRIGUEZ-FURLAN L T,BARACCO Y,LECOT J,et al.Influence of hydrogenated oil as cocoa butter replacers in the development of sugar-free compound chocolates：Use of inulin as stabilizing agent[J].Food Chemistry,2017,217：637-647

[20]VILLEGAS B,TARREGA A,CARBONELL I,et al.Optimising acceptability of new prebiotic low-fat milk beverages[J].Food Quality and Preference,2010 21(2)：234-242

[21]SOUZA OLIVERA R P,PEREGO P,OLIVERA M N,et al.Effect of inulin as prebiotic and synbiotic interactions between probiotics to improve fermented milk firmness[J].Journal of Food Engineering,2011,107：36-40

[22]王文佳,温瑞,熊政委,等.菊糖的脂肪替代性在脱脂牛奶中的应用[J].中国酿造,2014,33(5)：58-61

[23]ISIDRO C G,CALLEROS L C,ANDREWS E H,et al.Effect of inulin and agave fructans addition on the rheological,microstructural and sensory properties of reduced-fat stirred yogurt[J].LWT-Food Science and Technology,2015,62：438-444

[24]FADAEI V,POURSHARIF K,DANESHI M,et al.Chemical characteristics of low-fat wheyless cream cheese containing inulin as fat replacer[J].European Journal of Experimental Biology,2012,2：690-694

[25]SALVATORE E,PES M,MAZZARELLO V,et al.Replacement of fat with long-chain inulin in a fresh cheese made from caprine milk[J].International Dairy Journal,2014,34：1-5

[26]TOMASCHUNAS M,ZORD R,FISCHER J,et al.Changes in sensory properties and consumer acceptance of reduced fat pork Lyonstyle and liver sausages containing inulin and citrus fiber as fat replacers[J].Meat Science,2013,95：629-640

[27]MENEGAS L Z,PIMENTEL T C,GARCIA S,et al.Dry-fermented chicken sausage produced with inulin and corn oil：Physicochemical,microbiological,and textural characteristics and acceptability during storage[J].Meat Science,2013,93：501-506

[28]SIRBU A,ARGHIRE C.Functional bread：Effect of inulin-type products addition on dough rheology and bread quality[J].Journal of Cereal Science,2017,75：220-227

[29]PERESSINI D,SENSIDONI A.Effect of soluble dietary fibre addition on rheological and breadmaking properties of wheat doughs[J].Journal of Cereal Science,2009,49：190-201

[30]VOLPINI-RAPINA L F,SOKEI F R,CONTI-SILVA A C.Sensory profile and preference mapping of orange cakes with addition of prebiotics inulin and oligofructose[J].LWT-Food Science and Technology,2012,48：37-42

[31]LAGUNA L,MARTIN P C,VARELA P,et al.SHPMC and inulin as fat replacers in biscuits：Sensory and instrumental evaluation[J].LWT-Food Science and Technology,2014,56：494-501

[32]陈瑞红.短链菊粉对馒头品质的影响[D].洛阳：河南科技大学,2014：32-44

[33]胡雅婕,高海燕,孙俊良,等.菊粉特性及其对馒头品质的影响研究[J].食品工业科技,2016,37(15)：60-64

[34]ARAVIND N,SISSONS M,EGAN N,et al.Effect of inulin soluble dietary fibre addition on technological,sensory,and structural properties of durum wheat spaghetti[J].Food Chemistry,2012,132(2)：993-1002

[35]AIDOO R P,AFOAKWA E O,DEWETTINCK K.Rheological properties,melting behaviours and physical quality characteristics of sugar-free chocolates processed using inulin/polydextrose bulking mixtures sweetened with stevia and thaumatin extracts[J].LWTFood Science and Technology,2015,62：592-597

[36]AIDOO R P,AFOAKWA E O,DEWETTINCK K.Optimization of inulin and polydextrose mixtures as sucrose replacers during sugarfree chocolate manufacture-Rheological,microstructure and physical quality characteristics[J].Journal of Food Engineering,2014,126：35-42

[37]INGLETT G E,GRISAMOR S B.Maltodextrin fat substitute lowers cholesterol[J].Food Technology,1991,45(6)：104

[38]SCHALLER-POVOLNY L A,Smith D E.Sensory attributes and storage life of reduced fat ice cream as related to inulin content[J].Journal of Food Science,1999,64：555-559

[39]AKBARI M,ESKANDARI M H,NIAKOSARI M,et al.The effect of inulin on the physicochemical properties and sensory attributes of low-fat ice cream[J].International Dairy Journal,2016,57：52-55

[40]杜鹃,靳志明,刘胜一,等.响应面法优化制备低脂冰淇淋的研究[J].食品工业科技,2013(12)：104-109

[41]EL-NAGAR G,GLOWERS G,TUDORRICA C M,et al.Rheological quality and stability of yog-ice cream with added inulin[J].International Journal of Dairy Technology,2002,55：89-93