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菊糖在多种食品中加工应用

时间:2018-08-10 11:17作者:乐枫
本文导读:这是一篇关于菊糖在多种食品中加工应用的文章,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]。
  摘要:菊糖 (Inulin) 是一种天然果聚糖, 分子中富含羟基, 根据其链长可分为长链菊糖和短链菊糖。长链菊糖的分子呈多重螺旋结构, 具有良好的亲水性, 常在食品加工中被用作增稠剂、脂肪代替物、保水剂;短链菊糖呈环状或单螺旋结构, 在水中易水解而具有一定甜味, 常被用作糖类代替物;同时, 菊糖具有益生元特性, 能促进微生物生长, 常被作为发酵食品的益生元。因此, 在低脂乳制品、肉制品和冰淇淋的生产中添加菊糖可弥补因低脂而造成的质构和风味的缺失, 在巧克力中添加菊糖可部分替代蔗糖, 在烘焙和蒸煮面制品中添加菊粉可改善其质构, 并提高各类产品的品质。综述菊糖的分子结构、加工特性以及在多种食品中的应用。
 
  关键词:菊糖; 多糖; 加工特性; 食品; 应用;
食品加工
 
  Characteristics and Application of Inulin in Food Processing
 
  LU Yu-rong GUO Xiu-lan HOU Cai-yun TANG Ren-yong LUO Jing HUANG Ren-mao
 
  College of Pharmacy and Biological Engineering, Chengdu University
 
  Abstract:
 
  Inulin is a natural fructan, which is rich in hydroxyl groups and can be divided into long-chain and short-chain inulin according to its chain length. The molecular structure of long-chain inulin is multi-helix structure and has good hydrophilicity, to be used as thickener, fat substitute and water retaining agent in food processing;the structure of short-chain inulin is ring or single spiral. Also, short-chain inulin can be used as the a substitute for sugars for it is easily dissolved in water to have a certain sweetness.Meanwhile, inulin can play the role of prebiotic in fermented food, because inulin can promote the growth of microorganisms and has the characteristics of prebiotics. Therefore, the addition of inulin can compensate for the lack of texture and flavor caused by low-fat, such as meat products and ice cream;the addition of inulin to chocolate can be partially substituted for sucrose;the addition of inulin can improve the texture of cooked products and baking.Generally, inulin can improve the texture and quality of various products. This paper reviewed the molecular structure, processing characteristics and application of inulin in foods.
 
  Keyword:
 
  inulin; polysaccharide; processing characteristics; food; application;
 
  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 m Pa·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 m Pa·s;DP为12时, 溶液粘度为1.6 m Pa·s;DP为25时, 溶液粘度为2.4 m Pa·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 m Pa·s, DP为30时溶液黏度为1.27 m Pa·s;DP为33时溶液黏度为1.31 m Pa·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  
 
 
 
  注:-表示文献中未明确提出。
 
  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。
 
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