菊粉的性质、功能及在食品中的应用进展

李 烜 罗登林,2 向进乐,2 徐宝成,2 李佩艳,2 许 威 黄继红

(河南科技大学食品与生物工程学院1，洛阳 471023)(河南省食品原料工程技术研究中心2，洛阳 471023)(信阳师范学院生命科学学院3，信阳 464000)(河南工业大学生物工程学院4，郑州 532927)

菊粉(inulin)，又名菊糖，它作为一种天然的膳食纤维具有许多突出的生理功能，包括促进益生菌增殖、抑制肠道腐败菌生长、改善肠道微环境、调节血糖水平等[1]。同时，菊粉还表现出优异的食品加工性能，如外表呈洁白的粉末状，无不良气味，易溶于水，微甜，能形成柔滑而细腻的凝胶等[2]。在2009年，菊粉被我国原卫生部正式批准为新资源食品，它作为目前全球认知度最高、市场份额最大、应用领域最广的膳食纤维，正以突出的健康效应和优良的应用性能引领益生元市场的快速发展。因此，深入了解菊粉的性质、功能和应用，对推动我国菊粉产业健康发展、提高国民饮食健康和实现我国2017—2030年国民营养计划具有重要的意义。

1 菊粉概述

1.1 来源

菊粉属于一种天然的储备性多糖，在自然界中分布十分广泛，以植物中含量最丰富，其次是一些真菌和细菌。菊粉主要存在于菊科类植物中，如桔梗科、龙胆科、菊科等(表1)[3]。工业上菊粉生产的主要原料是菊苣和菊芋，其块茎中菊粉占比在70%以上(干基)。

表1 常见植物中的菊粉含量

1.2 结构

菊粉分子是由D-呋喃果糖分子以β (2→1)键连接而成的线性直链多糖，末端常带一个葡萄糖残基。菊粉的分子式表示为GFn，G为终端葡萄糖单元，F为果糖单元，n为果糖单元数，聚合度(DP)一般在2～60。通常把平均DP≤10的菊粉称为短链菊粉或低聚果糖，平均DP≥23的称为长链菊粉或多聚果糖，从天然植物(菊芋或菊苣)中提取的菊粉同时含有短链、中链和长链结构，称为天然菊粉。短链菊粉和天然菊粉都含有一定的单糖和双糖，因此略带甜味，其甜度大约相当于蔗糖的10%～30%；长链菊粉中由于不含单糖和双糖，则没有甜味[4]。

不同植物种类所含菊粉的聚合度也有所差异。小麦、洋葱和香蕉中所含菊粉的聚合度最低(最大聚合度DPmax<10)，大理花块根、大蒜和菊芋所含菊粉的聚合度较低(DPmax<40)，球菊芋和菊苣则所含菊粉的聚合度较高(DPmax<100)，百合、朝鲜蓟和某些细菌(如突变链球菌)所含菊粉的聚合度最高(DPmax>100)。在实际生产过程中，可利用人工合成的方法来调控菊粉的聚合度，如利用合成酶可生产不同聚合度的短链菊粉，利用内切酶(EC3. 2. 1. 7)可水解菊苣菊粉获得DP范围在2～7、平均DP=4的低聚果糖，利用物理分离技术(结晶和膜分离)可生产平均聚合度不小于23的长链菊粉[5]。

1.3 理化性质

根据菊粉在水中的溶解大小，可分为易溶和难溶于水两类。通常把聚合度为10作为临界点，DP≤10的菊粉易溶于水，而DP>10的菊粉较难溶于水。

1.3.1 溶解性质

菊粉溶解度的差异与其聚合度和环境温度有关(表2)。短链菊粉比长链菊粉更易溶于水，随着温度的升高，菊粉的溶解度显著增加。在室温下天然菊粉和长链菊粉在水中的溶解度分别为4.92 g和0.92 g；当温度升至80 ℃时，其值分别增大至31.16 g和22.71 g[6]。

表2 不同聚合度菊粉在水中的溶解性

1.3.2 溶液pH

菊粉属于一种中性多糖，理论上其水溶性显中性，但由于实际生产工艺的不同，会导致不同聚合度菊粉的水溶液呈现不同的酸碱性。室温下天然菊粉水溶液呈弱酸性，随着质量分数的增大，其酸性增强，2%和20%天然菊粉水溶液的pH分别为6.97和6.35；长链菊粉水溶液则呈弱碱性，2%和20%的长链菊粉水溶液的pH分别为7.04和8.32[6,7]。

1.3.3 溶液黏度

菊粉水溶液的黏度随其含量和聚合度的增加而增大(表3)。当天然菊粉的质量分数<25%时，其水溶液的黏度很低，但超过25%时黏度显著增加，这主要是因为菊粉开始形成颗粒状弱凝胶，分子间相互作用改变了溶液的物理状态。如对于5%的菊苣菊粉水溶液，在10 ℃时溶液黏度为1.65 mPa·s，但在30%时显著增加至100 mPa·s[8]。温度对菊粉溶液的黏度影响非常明显，随温度的升高溶液黏度显著降低，这归因于高温下菊粉的溶解度显著增大，难以形成凝胶。另外，菊粉的聚合度也影响明显，长链菊粉在较低温度和含量下更易形成凝胶，具有增加食品体系黏度的作用。因此，在食品中长链菊粉通常用于增稠和替代脂肪与糖类，赋予食品特定的质构和口感；而天然和短链菊粉由于溶解性好表现为低黏度，经常用作填充剂和功能成分应用于食品中，在生产过程中既方便大量添加又不会影响生产工艺和产品品质[7]。

表3 不同聚合度菊粉在水中的动态黏度

1.3.4 持水性

菊粉具有较强的持水性，能降低食品中的水分活度，延缓水分蒸发，从而延长产品的货架期[7]。温度和聚合度均会影响到菊粉的持水性，随着温度的升高，天然菊粉和长链菊粉的持水性均呈先升高后降低的趋势。天然菊粉的持水力在40 ℃时达到最大值(2.85 g/g水)，而长链菊粉在70 ℃时持水力才达到最大值(2.92 g/g水)[6]。

1.4 生产工艺

菊粉的生产工艺与蔗糖的制备有相似之处。通常是先将新鲜的菊苣或菊芋经清洗、切丝后热水浸提，浸提液经过脱色、中和、除杂等工序，以去除蛋白、胶质、粗纤维和色素，然后经过离子交换膜以除去盐类成分，再采用纳滤技术对溶液进行浓缩纯化，最后经过降膜蒸发浓缩后喷雾干燥得到较高纯度的菊粉[5]。

2 菊粉的生理功能

菊粉作为一种可溶性的膳食纤维，具有相比普通膳食纤维(果蔬类、谷物类、豆类、菌类等)更加突出的生理功能，常作为研究其他益生元功效的标准对照物，其具体生理功能见表4。

表4 菊粉的生理功能

2.1 促进肠道益生菌增殖，改善肠道微生态

菊粉虽然不能在人体小肠内消化吸收，但可以在大肠内被各种益生菌发酵利用，降低肠道内的pH值，从而抑制多种腐败菌增殖，间接地减少了肠道内毒素物质的产生，有效改善肠道健康水平。研究表明，每日摄入一定量的菊粉能够使结肠中的益生菌增加至10倍，显著减少病原菌和腐败菌的数量，如金黄色葡萄球菌、李斯特菌、沙门氏菌和大肠菌群等[2]。菊粉可用于治疗成人急性腹泻，有助于改善急性腹泻患者的肠道黏膜功能，促进肠道菌群的恢复。不同聚合度的菊粉对肠道影响不同，低聚合度的菊粉对肠道菌落结构的影响更明显，而高聚合度型菊粉对结肠微生物区系有明显的有益作用[9]。

2.2 调节血糖水平

菊粉在小肠内不能被水解成单糖，不会引起体内血糖水平的显著升高，它还能促进机体对Mg2+的吸收，起到稳定血糖的作用[10]。欧洲食品安全局指出，低聚果糖对于血糖控制起着至关重要的作用，它与摄入后血糖反应改善之间存在显著的相关性，此次声明旨在认可低聚果糖具有降低餐后血糖的作用。研究表明，富含菊粉的富硒阿胶-菊粉咀嚼片能够显著降低小鼠的血糖水平，与二甲双胍的作用相当[11]。另外，菊粉不仅能降低小鼠血糖水平和胰岛素抵抗指数，还能增强胰岛β-细胞的功能[12]。

2.3 减肥

菊粉能提高胃内容物的黏度，减缓食物从胃进入小肠的速度，降低饥饿感，从而减少食物的摄入量。菊粉在消化系统内不被吸收，而在结肠中被发酵，产生的热能低，其热值约为4.2～6.3 kJ/g，分别相当于葡萄糖和脂肪热值的26%～39%和11%～16%[13]。研究发现，短链菊粉可有效减少肥胖小鼠肝脏脂肪堆积，增加益生菌群占比，缓解小鼠肥胖[14]。菊粉对肥胖病患者的总胆固醇水平、甘油三酯水平、高密度脂蛋白水平均有显著的降低效果，这与服用的剂量、时长和病人的自身生理状态有关[15]。

2.4 改善便秘

菊粉能有效增加排便次数和改善排便质量，具有促进肠道蠕动、缩短粪便在结肠中的停留时间、增加粪便质量和排泄量等作用。在膳食中每天按推荐剂量补充菊粉，可以显著增加便秘患者的排便频率，使大便变得松软连贯，由便秘引发的恶心和头痛也随之消失。便秘患者若每天食用菊粉15 g，2周后会感觉大便通畅，便秘症状明显缓解，臭味也明显减少[16]。菊粉作为益生元可促使肠道菌群组成朝着双歧杆菌和/或乳杆菌相对增加的方向“转移”，改善便秘患者的生活状态[17]。

2.5 促进矿物质的吸收

菊粉能促进结肠微生物选择性发酵，引起短链脂肪酸浓度上升和肠道内pH值下降，导致矿物质复合物发生分解，从而促进了矿物质元素释放、溶解和吸收[18]。菊粉能明显提高Ca2+、Mg2+、Fe2+等矿物质的吸收率，尤其是Ca2+的吸收率。此外，菊粉还能使肠道隐窝高度及上皮细胞数量增殖，矿物质运输通道增加，使钙结合蛋白D9k的表达量增加，激活钙扩散通道[19]。

2.6 降血脂

菊粉能加速脂质的分解基细胞质基因肽的产生，促进双歧杆菌的增殖和短链脂肪酸的生成和粪便中胆汁盐及胆固醇的排除。研究发现，对于健康男子，若每日早餐中加入9 g菊粉，4周后发现他们体内总胆固醇和甘油三酯含量分别降低了8.2%和26.5%；对于老年病人，若每日摄入8 g的短链菊粉，2周后他们血液中的总胆固醇和甘油三脂水平显著降低。对于糖尿病人，若每日进食8 g菊粉，2周后他们体内总胆固醇含量降低了7.9%[20]。

2.7 减少患癌风险和提高免疫力

菊粉能与病原菌的外源凝集素发生特异性结合，使其不能在肠道壁上黏附。菊粉还可通过促进双岐杆菌的生长和增殖，刺激免疫系统，激活吞噬细胞，产生抗菌素，减少有毒物质的产生，平衡肠道菌群[21]。菊粉在大肠中经发酵生成的乳酸和短链脂肪酸降低了β-葡萄糖苷酶的活性，有利于肠内亚硝基胺、吲哚等致癌物质的排放[22]。

3 菊粉的安全性和分析方法

3.1 安全性

菊粉作为一种功能性食品配料在全世界已得到广泛的应用，其安全性问题也倍受人们的关注。许多研究表明，菊粉不存在安全性方面的问题，相关毒理学实验并没有发现它可以增加人们发病率、死亡率或导致靶器官中毒的证据，也不具有诱发突变、致癌或致畸方面的风险，美国FDA也确认菊粉为公认安全物质。临床研究表明，每日摄入40～70 g菊粉对人体健康无不良影响。菊粉仅有可能引起腹部不适，最常见表现为胀气，其次是腹鸣和气鼓，严重时会引起轻度腹泻，但这些胃肠道不适都是剂量依赖性，即摄入量越大，胃肠道不适感越明显，一旦减少摄入量，这些症状就会立马减轻或消失。对于健康人群，每日按0.14 g/kg体重的菊粉补充量是不易引起不良反应的，对于敏感人群或肠易激综合症(IBS)患者，为了避免症状加重，需要谨慎补充菊粉，最好是从0.5 g/d开始，若症状稳定，每3 d增加1倍。对于IBS患者，菊粉每次的摄入上限在5 g为宜[23]。

3.2 分析方法

目前菊粉的分析方法并不统一，AOAC999.03的测定方法为比色法，是将样液中的蔗糖用蔗糖酶水解，然后利用硼氢化钠还原成糖醇，再利用果聚糖酶水解样液中的果聚糖，通过比色法测定果聚糖含量。AOAC997.08的测定方法是离子色谱法，对样液进行2次水解并进行3次糖含量测定。GB 5009.255—2016 《食品安全国家标准 食品中果聚糖的测定》采用离子色谱法测定食品中果聚糖含量，适用于绝大多数食品。

4 菊粉在食品工业中的应用

近些年来菊粉的开发利用受到国际食品界的高度重视，已被广泛应用于乳制品、饮料、面制品、肉制品等各类食品中。

4.1 乳制品

菊粉作为一种优良的脂肪替代物，当与水完全混合后会形成一种奶油状结构，可赋予脱脂乳滑爽的口感。菊粉的加入可以促进人体对乳品中钙的吸收[13]。在酸奶的制作中，添加6%的菊粉会减少乳清析出率，有助于提高酸奶的品质。在羊奶酸奶中添加6%的菊粉所得产品的口感更好[24]。研究表明，在低脂酸奶中加入菊粉，有利于嗜热链球菌、保加利亚乳杆菌、嗜酸乳杆菌、鼠李糖乳杆菌等益生菌的生长和发酵，提高酸奶储藏期中活菌数量。在利用嗜热链球菌与不同乳杆菌或双歧杆菌共同发酵的酸奶中，添加2%～4%的菊粉还能增加酸奶的硬度。菊粉在凝固型酸奶中合适的脂肪替代水平为40%，在脱脂牛奶饮料中短链和长链菊粉的合适添加量分别为4%～10%和4%～6%[25]。

利用菊粉特殊的营养功能可制成各种功能性乳制品，如在非发酵乳制品中添加低聚果糖，可解决婴幼儿和中老年人易上火和便秘等问题，也有降低血脂和血糖的作用；在脱脂乳中添加低剂量的菊粉，可显著提高非脂肪发酵乳中嗜酸乳杆菌、鼠李糖乳杆菌和乳双歧杆菌的生长和寿命；在婴儿饮食中补充一定量富含低聚果糖的菊粉，可以促进体内肠道微生物群更接近母乳喂养水平，并且安全有效[26]。

4.2 面制品

菊粉的外观与小麦粉相似，呈白色粉末状，具有良好的亲水性，吸水后能形成细腻、爽滑的质地。利用菊粉的这些特性可改善面团的加工性能、提高产品品质和营养价值，优化产品的营养结构。研究表明，菊粉能增加面团的形成时间、稳定时间、粉质指数、拉伸阻力、拉伸比和拉伸能量，降低面团的弱化度，这与菊粉增加了小麦蛋白质的乳化活性和β-折叠含量、降低β-转角含量、与谷蛋白发生交联等作用有关[27]。菊粉的这种影响与其平均聚合度和添加量密切相关。若添加过量的长链菊粉(>5%)则会对面团及其制品的品质产生明显负面作用，这可能归因于长链菊粉分子量较大，疏水性强，在和面过程中遇水极易形成黏性极强的小颗粒，导致和面不均匀和破坏了面筋网络结构；对于短链和天然菊粉，由于其平均聚合度较低且含有一定量的低聚糖，其亲水性好，易于溶解或分散在水中，在和面中易于分散均匀，因此在一定的添加量下(<10%)会使促进面团的发酵过程，增加面团的总产气量和持气量，赋予产品内部细小、均匀而致密的气室和柔软富有弹性的质的，有助于提高产品的得率和品质[28]。添加菊粉的酥性饼干口感酥松，质地均匀，色泽金黄，体外消化率低于普通饼干[29]。菊粉能增大面包的孔隙率、体积和比容，缩短焙烤时间，延缓面包老化[30]。

4.3 肉制品

在肉制品中，菊粉经常被用于替代其油脂或淀粉类物质，以降低产品能量、增加膳食纤维含量和提高产品的营养功能。菊粉部分取代香肠中的油脂，在一定程度上会增加其硬度、黏着性和回复性，降低其弹性、咀嚼性和凝聚性，这主要与脂肪的质地比菊粉凝胶柔软有关[31]。添加20%菊粉到牛肉丸中可以使其脂肪和反式脂肪酸含量、水分、盐含量、蒸煮损失和红度变量值降低，亮度值和灰分含量增加[32]。用0.2%～3.0%的菊粉取代里昂式香肠中的脂肪，香肠中脂肪含量降低了32%～88%，多汁感变好，肉质粗糙感和硬度下降[33]。将短链菊粉部分取代香肠中的淀粉，则会降低其硬度、咀嚼性、凝聚性、多汁性和蒸煮损失率，增加其黏着性和回复性，改善其感官品质[34]。菊粉也可作为鱼肉类制品的冷冻保护剂，研究表明在白鲢鱼鱼糜中添加1.5%的菊粉所制得的产品品质最好[35]。菊粉中的羟基部分可与蛋白质结合，抑制了蛋白质的聚集，羟基中的氢键也可与水分子结合，降低水分子的移动性和可冻结水的含量，抑制冰晶的形成和生长，因此菊粉具有一定的抗冻保护作用。短链菊粉的抗冻保护效果最好，天然菊粉的抗冻保护效果次之，长链菊粉的抗冻保护效果最差，这可能归因于短链菊粉中一些低分子的糖类更易暴露游离羟基，与水形成分子间氢键，而长链菊粉由于链长，更易发生分子内键合[36]。

4.4 饮料

菊粉易溶于水，当溶液pH大于4时对热相对稳定，因此可广泛应用于各种饮料中。在果汁饮料、功能性饮料、运动饮料、固体饮料、植物蛋白饮料等产品中添加菊粉后，除了可以取代脂肪和砂糖、提高产品水结合能力和增加黏性外，还能赋予产品高膳食纤维含量，提高钙、镁、铁等矿物质的吸收率(> 20%)，掩盖其苦涩味。菊粉的添加能增加饮料稠度，解决植物蛋白饮料口感稀薄的问题，使乳脂感更强并给人以柔软的感觉，使饮料风味更浓，质地更好[37]。菊粉促进钙的吸收率可达70%，因此含有菊粉的饮料不仅具有益生元功能，还可促进生长发育和防止骨质疏松。添加菊粉的饮料能明显促进老人的肠道蠕动，增加排便次数13%[38]。

4.5 其他方面

在豆制品中添加菊粉可改善其凝胶性能和质构特性。菊粉能增加嫩豆腐的黏弹性和凝胶性，这可能与菊粉的持水性和胶凝性有关[39]。菊粉可作为一种天然抗氧化剂在油脂工业中使用。研究表明，菊粉对菜籽油具有一定的抗氧化作用，并与VC、柠檬酸等具有协同效应[40]。在巧克力中，菊粉可以改善其质构和纹理，增加其白度和延长保质期，用菊粉代替蔗糖制作的无糖巧克力具有更好的黏度、硬度和颜色[41]。添加菊粉的果冻质地更加均匀，风味更好，且营养健康[42]。鲜切水果若经菊粉溶液涂膜处理后，其褐变程度降低，产品的货架期、力学性能和保水性能均有所改善[43]。

5 存在问题和展望

菊粉作为目前全球应用最广的膳食纤维，具有许多突出的生理功能和优良的加工特性，它可作为益生元、脂肪替代品、糖类替代品和质地改良剂，用于生产低脂、低糖、低能量、具有促进肠道健康和预防各种慢性疾病的功能食品。目前在其他方面还需进一步深入研究：

不同聚合度菊粉的健康效应。对于短链、天然和长链菊粉，其分子平均聚合度差异明显，导致其可溶性膳食纤维与不可溶性膳食纤维的含量显著不同，其在改善代谢综合症、影响肠道菌群多样性和机体免疫力、调节肠道微生态等方面的差异性及具体表现，以及与可溶性膳食纤维和不可溶性膳食纤维的比例的相关性有待研究。

不同聚合度菊粉的应用领域和范围。聚合度会影响菊粉的溶解性、持水性、膨胀性、吸附性、结晶性、胶凝性、质构特性和食品加工稳定性等方面。因此，需要深入了解不同聚合度菊粉在不同食品体系中的应用优势与局限性，例如长链菊粉适合应用于取代脂肪、增稠和改善质构等方面，而短链菊粉更适合应用于饮料和冷冻甜点类等。

菊粉与食品体系中其他分子如蛋白质、淀粉、脂肪和水间的相互作用。由于食品是一个非常复杂的体系，菊粉的加入会改变原先食品体系中各分子间的相互作用，如菊粉会影响不同性质的水分发生迁移，削弱或增强淀粉的热力学稳定性，抑制或促进不同类型淀粉的老化与结晶，改变蛋白质的乳化性能、网络结构、分子二级和高级结构等，从而会影响食品的加工和贮藏性能，改变其风味特征和感官品质。