菊粉型果聚糖在無麩質產品中應用的研究進展

李延華 王偉軍 方魯平 王繼鋒 蔡麗琴

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

含麩質的谷類(小麥、黑麥、大麥等)廣泛用于食品制品中，谷類蛋白質中有80%左右的谷蛋白。麩質(Gluten)又稱面筋，由兩種主要的蛋白質組成：麥膠蛋白和麥谷蛋白。麥膠蛋白主要提供面團的韌性；麥谷蛋白對面團彈性有重要作用[1]。因此，麩質在加工過程中可以增加面團的延伸性，保留膨松氣體，固化面團結構，并賦予面包質地彈性。然而，全球很多人群存在對面筋蛋白的不耐受問題，必須避免消費含麩質的產品。因此，不含面筋的無麩質產品(Gluten-free，GF)的飲食是比較推薦的，甚至是與麩質食品相關疾病的基本治療方法，包括乳糜瀉、小麥過敏及非腹腔麩質敏感性[2]。研究也發現一些吸收不良的短鏈碳水化合物存在于許多含麩質的食品中，會誘發腹痛、腹脹和改變腸道適應性(與腸易激綜合癥相關)的癥狀[3]。為滿足對GF產品快速增長的需求，GF產品的生產是食品行業中發展最快的分支之一[4]。由于GF產品不易獲得，嚴格遵守GF飲食并不容易。相比含麩質的類似產品，GF產品價格較高，并且口感和營養價值較差。與含谷蛋白的相應產品相比，GF產品提供更低含量的B族維生素(硫胺素、核黃素、煙酸)、葉酸、鐵和膳食纖維[5,6]。消費者越來越意識到GF食品的健康益處，更加關注具有創新性的GF產品，希望GF產品能夠與含有谷蛋白的對應產品具有相同的風味和質地。這種消費市場需求將促進越來越多的研究開發具有增加營養和功能特性的GF產品。菊粉型果聚糖(inulin-type fructan，ITFs)作為GF產品成分的應用已被廣泛探索，菊粉可用作益生元、脂肪替代品、糖替代品、質地改良劑，并用于開發功能性食品，以改善健康[7]。ITFs與GF的相互作用對無麩質產品的開發及質量提升具有重要作用。

1 ITFs的化學結構及其在食品中的應用

ITFs又稱菊糖，為白色無定型粉末，是一種水溶性的儲備多糖，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為是ITFs的最豐富來源[8](見表1)。ITFs是含有一個或多個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)和化學結構有差異(圖1)。根據DP，ITFs可分為低聚果糖(Fructooligosaccharides，FOS)(DP=3～10)和菊粉(DP=11～65)[9,12]，其組成、鏈長、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量分數(鮮重)

圖1 菊粉的分子結構及(根據DP)劃分

在美國，ITFs的平均每日消費量為1～4 g[14]，歐洲菊粉的消費量大大高于每日3～11 g，低于報道的每日至少10～20 g的耐受量[15]。由于其獨特的結構特性，ITFs不會被特異于α-連接的上腸消化道酶水解。因此，ITFs可以完整地到達結腸。ITFs與益生元家族的其他物質一樣，可用于腸道微生物群發酵，產生短鏈脂肪酸(主要是乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽)和乳酸鹽，使pH值降低。ITFs可以增加細菌生物量，進而增加糞便排便頻率。ITFs也影響結腸上皮細胞，通過刺激腺細胞的增殖，增加多胺的濃度，改變黏蛋白的結構，調節內分泌和免疫功能[16]。ITFs的添加體現為增加礦物質的吸收，特別是鈣和鎂的吸收，使血液中的三?；视驼；?，并降低大腸癌的風險[17,18]。

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

2 無麩質面包中的菊粉型果聚糖

2.1 無麩質面包的結構特征及原料對其品質的影響

對GF產品研究最多的是面包，所使用的GF烘焙技術不同于傳統烘焙技術，原因是面筋是保持發酵過程中產生二氧化碳所必需的組分，缺乏面筋所形成的網絡結構很難獲得具有良好質地的無麩質面包(gluten-free bread，GFB)[25]。由于淀粉老化，GFB和其他烘焙的GF產品(主要由不同的淀粉組成)會形成易破碎的質地，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構。此外，與其他含谷蛋白的產品相比，GF烘焙產品的感官品質會降低[26]。

模仿面筋黏彈性是一項關鍵的技術問題。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，并可以延長GFB的保質期[27]。具有不同來源和化學結構的高分子量的長鏈多糖類膠體也常用于GFB配方中，由于具有親水性，膠體會產生凝膠網絡結構，用于增加面糊黏度和增強膨脹結構的邊界，增加烘烤過程中的氣體保留，并增強GFB的體積、結構、質地和外觀。

提高GFB配方的技術和營養價值，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。這些物質中所富含的蛋白質、礦物質、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原料的蛋白質不能保留在發酵和烘焙過程中的氣體，通常通過蛋白質交聯促進蛋白質網絡和類似彈性的性能，利用酶來改善制品質量，并延長GFB的保質期。GFB生產中最常用的酶是淀粉修飾酶(淀粉酶和環糊精糖基轉移酶)、蛋白質連接酶(轉谷氨酰胺酶-TG和葡萄糖氧化酶-GO)和蛋白酶。影響營養和技術特性的GF生產的另一個重要方法是添加動物蛋白(乳蛋白和蛋類蛋白)和非谷蛋白植物蛋白[31-33]。質地、風味、GFB的保質期和營養價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酵的酸面團得到改善。這些效應來自酸面團的乳酸菌和酵母的復雜代謝活動，如酸化、胞外多糖的產生、蛋白質水解、淀粉分解和植酸酶活性，以及抗菌物質的產生[34]。

2.2 ITFs強化無麩質面包

基于ITFs在傳統面包制作中的應用效果，已有研究將ITFs在GFB生產中進行應用。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]評估了不同益生元添加劑(包括菊粉)補充GF制劑對GFB質量的影響，指出添加5%菊粉是改善GFB技術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合的能力。與對照GFB相比，存儲期間菊粉強化GFB的面包碎屑硬化率顯著降低(P<0.05)。這種現象可以通過ITFs減緩水從面包內部向外的遷移能力來解釋，從而延長了菊粉強化GFB的新鮮度。Maryam等[36]研究發現菊粉可以降低GFB中淀粉的結晶度，所形成的面包碎屑更軟，菊粉強化面包的硬度和咀嚼性降低。菊粉的應用影響GF面糊的含水量，與未強化的GF對照面團相比，含菊粉的GF面團中含水量增加5%，表明菊粉微晶形成包圍大量水的凝膠結構[37]。

ITFs的應用改善了GFB的性能，可能是由于CO2保留能力的增加[38]。與對照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分。Alexandrina等[39]以小麥為原料制作面包，發現菊粉的添加量會影響面團的可加工性，不同比例的菊粉對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，說明富含ITFs的GFB可以成為一種能夠為乳糜瀉患者提供營養(11%膳食纖維)和功能益處的產品。但存在的缺點是ITFs在GFB配方的應用會減少面糊的水分，從而減少了面包的水分，從而加快了儲存面包的老化。

菊粉的DF決定了其在無麩質產品中的應用特性[40]。受強化的GFB中ITFs影響的變化范圍取決于其結構，包括DP。Juszczak等[41]表明添加到GF面團中的長鏈菊粉顯著地影響其流變性和黏彈性(P<0.05)，導致稠度和糊狀黏度降低，面團中菊粉比例增加，糊化溫度增加。分析原因為菊粉與水結合，減少淀粉顆粒的膨脹，減少淀粉顆粒的體積和有限的摩擦會導致黏度性質的降低。較低DP(<10)的ITFs對GFB的物理和技術特性產生有利影響[42]。短鏈ITFs添加量的增加會顯著增加GF面包的體積(P<0.05)。低DP菊粉(含有單糖和低聚糖)與淀粉之間未結合水的競爭導致淀粉糊化延遲，促進面包體積增加。隨著菊粉含量的增加，面包硬度降低，延長了富含菊粉的GFB的保質期。同時，菊粉含有大量親水基團，具有保水能力，菊粉的應用可減少面包中的水分流失[43]。

根據針對乳糜瀉患者進行的消費者測試，以及由經過培訓的感官小組進行的定量描述性分析(QDA)進行評估。在分析的GFB中，由于改善了外皮顏色、孔隙率和質地，以及味道和風味，與用FOS強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[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家流行的特殊產品[45]，研究時發現添加FOS(9%)降低了吸水指數，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采用具有低轉化酶活性的酵母發酵制作菊粉面包，發現所選用的酵母可以降低菊粉在烘烤過程中的損失，表明具有低轉化酶活性的酵母可被推薦用于制作富含菊粉的無麩質面包[46]。

3 ITFs在其他無麩質產品中的應用

3.1 無麩質面食

意大利面是在世界各地非常受歡迎的食品。傳統的意大利面僅由粗小麥粉和水組成，在這種條件下，小麥蛋白提供適當的面筋結構，并在烹飪過程中影響其質地。面筋在烹飪過程中凝固，形成一個強大的網絡，防止淀粉顆粒浸出。由于GF面食中缺乏適當的面筋網絡，造成產品的黏性較差[47]。GF意大利面主要由玉米和(或)米粉組成，其質地和感官特性較傳統的粗面粉糊差，可使用包括ITFs在內的不同添加劑來改善GF面食的質量。Mastromatteo等[48]將菊粉(高達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，發現采用5%菊粉強化的GF玉米面食具有最高的感官質量得分。富含較低添加量(5%或7.5%)菊粉的玉米面食的伸長率和剪切黏度值較高；由于面團堅固度太高，富含較高含量菊粉(15%或20%)的樣品無法進行流變學測量，得出增加菊粉的添加量(超過12.5%)會導致面團的堅固度增加。

此外，在含有麩質的意大利式細面條中添加較高含量的菊粉會對樣品的整體感官質量產生負面影響，原因是菊粉添加量的增加會導致淀粉糊化減少，進而產生硬度降低。面團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中有關[49]。菊粉是一種高度結合水的大分子，與淀粉競爭水分子，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玉米粉面團進行預糊化，這一過程可能影響面團的流變性質。當淀粉在有水存在條件下加熱及隨后冷卻時，淀粉會發生老化現象，分裂的直鏈淀粉和支鏈淀粉鏈可以再次重排成結晶的結構，同時伴隨著一系列物理變化，如黏度增加、凝膠形成、水滲出和結晶度增加[51]。

3.2 無麩質餅干產品

由于面筋在餅干中的作用相對較小，生產無麩質餅干比生產無麩質面包更容易[52]。含有大量菊粉對餅干產品是有益的，原因是菊粉降低了產品的熱量值，并增加了膳食纖維含量，使餅干產品更健康。因此，有關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(質地、香氣、風味、柔軟度)或物理(寬度、厚度、擴散因子、水分)性質之間沒有顯著影響。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餅干比對照GF餅干具有更低的熱量值和更高的礦物質含量；菊芋粉在GF玉米餅干中的應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者接受，菊粉的添加可以增強鈣的吸收。

3.3 無麩質調味汁和甜點

牛乳、油、小麥粉和鹽是白汁的經典成分，因此白汁不能被GF飲食的消費者食用。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用于GF白醬的生產。然而，由于對低脂肪產品的需求增加，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白色調味汁中的應用效果，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者接受，適于配制可在冰箱中儲存穩定的GF白色調味汁。Guardeno等[57]也發現不同玉米淀粉的GF白醬中可以添加菊粉。用改性玉米淀粉制成的GF白色調味汁在整個儲存期間具有穩定的顏色參數，可供需要消費排除面筋且具有特定營養需求的消費者食用。

乳蛋糕是一種奶油甜點，配料中所使用的可傾倒的醬汁及糕點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[58]。添加到GF木薯粉中的短鏈菊粉會產生較高的厚度、甜度和香草味感覺，產品不具有乳蛋糕的典型流變性質。當使用較高含量的長鏈菊粉(短鏈菊粉和長鏈菊粉的比例為25∶75)時，乳蛋白的質地和假塑性達到最高值。其他關于奶油甜點的研究證實，在卡拉膠存在時，添加短鏈菊粉和長鏈菊粉(6%和7.5%)可以提高產品的稠度、黏度和彈性，原因是卡拉膠具有更高的水結合能力，起到共溶的作用，從而有助于提高黏度[59]。另一方面，長鏈果聚糖可以相互作用，并聚集形成水結合復合物，熱穩定性更好，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，短鏈菊粉可以增強風味和甜味，而長鏈果聚糖可以改善稠度，同時降低光滑度，并增加粗糙感。

4 結論與展望

與谷蛋白相關的病癥有所增加，并成為世界范圍內常見的問題，在飲食中減少或排除含谷蛋白的谷物已成為針對這些疾病的有效安全的解決方法。在食品加工領域中，ITFs被用于影響GF產品的流變學和工藝參數，目前，富含ITFs的GF谷物類產品主要為面包、面食、餅干、調味汁和甜點等制品，添加到GF產品中的ITFs會與其他成分和添加劑相互作用，并且可以改善GF產品的感官、質地和保質期。然而，富含ITFs的GF產品在市場上的供應仍然非常有限，研究可以進一步加強富含ITFs的GF產品的功能和潛在的健康益處方面的探索，提升富含ITFs的GF產品的品質，滿足市場需求。