菊粉的特性、功能及其在食品中的应用

张之握

（山东农业大学食品科学与工程学院，山东泰安 271018）

菊粉又称菊糖，是植物贮藏多糖之一，也是除淀粉外植物的另一种能量储存形式，广泛分布于植物组织中[1-3]。菊粉是一类天然果糖聚合物（果聚糖，Fructan），属于非消化性碳水化合物，是优质的天然水溶性膳食纤维和益生元（Prebiotic），具有一定的甜度，热量低，与水结合易形成凝胶；同时具有降血糖血脂、调节肠道菌群、增强胃肠功能及促进维生素及微量元素吸收等多种生理功能[4-7]。菊粉已被美国食品药品监督管理局（FDA）确认为GRAS（公认安全物质）[1]，并被我国批准为新资源食品[4]，目前已在食品、饲料、保健品等领域广泛应用。

菊粉具有营养和健康功效及优良的应用性能，是优质的多功能天然食品配料，被广泛应用于奶制品、面制品及饮料等各类食品中，用以增强食品的健康保健功能，改善其质构及口感。未来菊粉在食品各领域的应用将更为广泛，其应用形式及食品类型也将更加多样化。本文概述了菊粉的来源、分子结构、物化特性、生理功能及其在食品中的应用现状，以促进对菊粉及其应用的深入研究，为新类型菊粉食品的开发提供参考。

1 菊粉的来源及结构特性

1.1 来源

菊粉存在于许多单子叶和双子叶植物中，如百合科、石蒜科、菊科和禾本科等[1-4]，其中有些种类如菊苣、菊芋（洋姜）、大蒜、韭菜、芦笋、洋葱等常作为蔬菜食用。在百合科、石蒜科和菊科植物中，菊粉通常储存在鳞茎、块茎和块根等器官中，由于含量大且干扰成分少，因此较易提取[2]。目前菊科植物菊苣（Cichorium intybusL.）和菊芋（Helianthus tuberosusL.）的根或块茎是工业化规模生产制备菊粉的两种主要原料，其菊粉含量可达15%～21%（鲜质量）[1,3]。

1.2 分子结构

菊粉是由D-果糖（D-fructose，F）经β（2→1）糖苷键聚合而成的线性直链多（寡）糖，其末端通常以α（1→2）糖苷键连接有一个葡萄糖残基（glucose，G），可表示为GFn（n代表果糖单元数目）[5-6,8-9],菊粉的聚合度（degree of polymerization，DP）为2～60，平均为10～12，受来源植物种类、生长环境、收获时期及存储时间等因素的影响而有较大变动[1,5]。根据聚合度的不同，可将菊粉分为短链（低聚果糖，DP≤10）、中链和长链（DP≥23）等不同类型[4]。自植物中提取的菊粉通常为含有短、中和长链菊粉的混合物，称为天然菊粉[4]，可进一步经分级纯化获得不同链长（聚合度）的菊粉。不同链长菊粉的性质功能有较大差异[9-10]。菊粉果糖单体间特殊的β（2→1）糖苷键（具有β构型异头碳）连接，使其可抵御人胃肠道消化酶的水解，因此被认为是非消化性碳水化合物，但可被大肠中的肠道微生物分解发酵而具有多种有益功能[1,3,6,8,11]。

1.3 物化特性

菊粉为白色无定形粉末，无异味；较易溶于水，天然菊粉25 ℃溶解度可达120 g/L[10]，其溶解度随温度的升高而增加，但随链长增加而降低[5]。短链及天然菊粉的甜度分别为蔗糖的30%～50%和10%（长链菊粉几乎没有甜味）[5,10]，且其热量值很低，其中短链菊粉为1～2 kcal/g，仅约为蔗糖的三分之一，因此常用作蔗糖代用品[5]。

菊粉溶液黏度随浓度增加而增大，浓度达10%～30%时开始形成凝胶，浓度越高形成凝胶的速度越快[5]。菊粉形成凝胶后具有柔滑细腻类似脂肪的质地，是理想的脂肪替代品。菊粉具有优良的吸湿性，可吸收水分降低水活度，防止水分蒸发[5]。菊粉具有较强的热稳定性，在中性pH 条件下即使在80～100 ℃高温下也较难分解[4-5]。

2 菊粉的生理功能

2.1 调节肠道微生物群落结构

菊粉为优质的水溶性膳食纤维，具有优良的益生元功效[1,3-5,9,12-13]。菊粉在人体中不能被消化酶水解，无法被小肠吸收，但在结肠中会选择性被双歧杆菌和乳酸杆菌等有益微生物吸收利用并发酵产生醋酸、丙酸和丁酸等短链脂肪酸（SCFAs）和乳酸等有机酸；既能增加肠道酸度，促进肠道有益菌的生长并激发其活力，有利于增加有益菌的相对丰度，同时又能抑制有害菌的增殖，从而改善肠道微生物群落结构，减少毒害物质的产生，有利于维护健康的肠道环境[11-15]。此外，肠道有益菌的滋生，短链脂肪酸的产生以及菊粉在肠道内的吸水膨胀，可增加大便的含水量和质量，增强肠道蠕动，缩短大便在结肠的停留时间，增加排便次数，并促进有毒物质的排放，预防或缓解便秘甚至结肠癌变[1-2,4-6]。

2.2 调控血糖

菊粉在小肠内不会被水解成单糖吸收，因而不会导致血糖水平和胰岛素含量的升高，是一种健康糖源[4,13]。菊粉在结肠内分解发酵产生的短链脂肪酸促进肝糖元合成，并抑制糖异生作用[1-2,16-17]，从而降低血糖水平。另外菊粉溶液有较高黏度，浓度大时甚至形成凝胶，增加小肠黏膜厚度[18]，可减少食物与消化液的充分接触，减缓摄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

菊粉可与脂肪形成脂肪-膳食纤维复合物并随粪便排出，减少机体对脂肪的吸收，有助于降低血脂水平[4,16-17]。菊粉亦可降低血液中胆固醇和三酰甘油含量[20-21]，菊粉发酵生成的短链脂肪酸在该过程中发挥重要作用，其中丙酸可以抑制肝脏胆固醇和三酰甘油合成，增加胆汁酸的合成和分泌，从而降低血脂水平[1-2]。另外，菊粉发酵可使胆汁酸在肠道内的重吸收减少[16,22]，从而阻碍胆固醇的重新合成，影响血脂水平。

2.4 促进矿物质吸收

菊粉在结肠内发酵产生短链脂肪酸和其他有机酸，使肠道内pH 值下降，矿物质复合物发生分解，促进矿物质元素释放，并增加矿物质溶解度，使其更容易被人体吸收。菊粉能明显提高Ca2+、Mg2+、Cu2+和Fe2+等矿物元素，尤其是Ca2+和Mg2+的吸收[5-6,13,23-25]。同时，短链脂肪酸尤其是丁酸能刺激结肠黏膜细胞的生长，从而增加肠黏膜吸收面积，增强其吸收能力[5-6]。

3 菊粉在食品中的应用

菊粉具有多项有益健康的生理功能及优良的加工特性，已作为膳食纤维、益生元、脂肪及糖类替代品、质构与口感的改良剂等被广泛应用于乳制品、面制品、肉制品和饮料加工中[1-4,6]。

3.1 在乳制品中的应用

液态奶、奶粉、酸奶、奶酪等各类乳制品是菊粉应用的理想食品体系，也是菊粉最早被应用的食品种类[4]。菊粉可增加乳制品中的膳食纤维和益生元成分，其与水混合后形成奶油状结构，具有细腻柔滑的质地，可部分代替脂肪以降低脂肪含量，增强乳制品的质地、风味和口感，同时菊粉亦可以促进人体对乳品中钙的吸收[4,9]。在发酵乳或酸奶制作中加入菊粉，有利于保护嗜热链球菌、乳杆菌或双歧杆菌等益生菌，促进其增殖和发酵，减缓储藏期益生菌活菌数量的降低，同时可减少乳清析出率，增加黏稠度和持水性，从而提高产品品质[4,9,26-28]。菊粉亦可用于制备多种功能性乳制品，使之具有低脂、低糖特性，以及增加膳食纤维、改善肠道功能、降低血糖血脂等保健功能，以适用于不同人群的饮食需求[4,29]。

3.2 在面制品中的应用

菊粉具有与面粉相似的粉体特性，有良好的水溶性、成凝胶性及热稳定性，适合应用于各类面制品的制作中，以改善产品的特性和品质。菊粉能够增加面团的形成时间，提高其稳定性，促进面团的发酵过程，降低冷冻对面团的不利影响。添加菊粉可加速面包外观颜色及风味物质形成，从而缩短面包焙烤时间，增大面包体积，改善面包品质[4,30]。添加适量的菊粉亦可以改善馒头的感官品质和质构[31-32]。菊粉（长链）的加入能够缩短意大利面的煮制时间，且不影响面条的煮制损失率、吸水性和膨胀度，有利于提高意大利面的品质[33]。中筋面粉混入菊粉制成面条的干物质吸水率、弹性和咀嚼性几乎不受影响，可制作高膳食纤维面条食品[34]。

3.3 在肉制品中的应用

肉制品营养丰富，但缺乏膳食纤维，且脂肪含量高，这对人体不利。菊粉在肉制品加工中常用以取代脂肪，降低脂肪含量，增加膳食纤维增含量，同时改善肉制品的质构，增强风味及感官特性[3-4]。Mendoza 等[35]研究发现菊粉的加入可使低脂发酵香肠的硬度变小，弹性增加，质地更为柔软；与传统高脂香肠相比，其多汁感变弱，但嫩度、弹性、黏附性、咀嚼性相近，却有效降低了香肠的脂肪含量及热量值，提高了其营养特性（膳食纤维含量）。Yilmaz 等[36]发现牛肉丸中添加5%菊粉可增加肉丸的亮度、硬度、蛋白及膳食纤维含量，增强其香味，同时能降低肉丸的反式脂肪酸含量和蒸煮损失率，但基本不影响其整体口感。

3.4 在饮料中的应用

菊粉易溶于水，可添加到各类饮料中，改善其质地、风味和口感，并赋予饮料多种有益功能。将菊糖加入到植物蛋白饮料中，能够增加饮料的稠度，掩盖苦涩及其他不良味道，增加柔合度，使其风味更为浓郁，同时使其具有膳食纤维功能及益生元功效[4,37]。菊粉可作为替代甜味剂添加到果汁饮料中，增强果浆与水的结合能力，增强其风味，并增加多种保健功能[4,38]。

4 小结

菊粉是来源于谷物、蔬菜及水果等多种植物中的天然组分，食用安全性好，是优质的天然水溶性膳食纤维及益生元，具有调节肠道微生物菌群、增益肠胃功能、控制血糖、降低血脂、促进矿物质吸收等生理功效。菊粉突出的健康效益、优异的加工性能及其对食品感官品质的塑造特性使其在食品领域得到广泛应用，是目前应用最广的膳食纤维，已经被40 多个国家批准为“食品营养增补剂”，被誉为“21 世纪人类健康最具代表性的典型产品”[4,39]。可以预见，随着人们对菊粉特性及功能认识的加深，现代健康营养食品理念认知的提升以及大众对高品质食品的不懈追求，菊粉在食品中应用的广度和深度将不断拓展。研制更多不同形式且具有特殊功能的含菊粉食品，研究菊粉对人体健康的效应机制，研究其对食品品质的影响规律和机制，是未来菊粉应用研究的重点。