魏永峰,趙雷振,王 蕓,黃志強,袁文鵬*

1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 山東省科學(xué)院菏澤分院 山東省生物工程技術(shù)創(chuàng)新中心,山東 菏澤 274000;2.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,山東 濟南 250353

水蘇糖是一種自然存在于唇形科、豆科、玄參科等植物中的功能性低聚四糖,屬于α-低聚半乳糖。水蘇糖分子式C24H42O21,分子量666.59,由1分子α-葡萄糖,1分子β-果糖和2分子α-半乳糖結(jié)構(gòu)組成,其分子式結(jié)構(gòu)如圖1,其甜度僅為蔗糖的22%,具有較高的熱穩(wěn)定性和溶解性[1-3]。水蘇糖理化性質(zhì)穩(wěn)定,生理功能特殊,為其在功能性食品領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)[4-5]。

圖1 水蘇糖的分子結(jié)構(gòu)

水蘇糖是一種天然的超強雙歧因子,具有調(diào)節(jié)腸道微生物菌群,促進腸道蠕動,防治便秘,治療急慢性腹瀉、結(jié)腸炎,增強機體免疫能力,輔助降血壓、降血脂,預(yù)防齲齒,促進體內(nèi)鉛排除,治療亞臨床肝性腦病(SHE)等生理功能[6-9]。隨著其生理功能的不斷發(fā)掘和大健康產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,水蘇糖逐漸成為保健食品和功能性食品行業(yè)研究和開發(fā)的新焦點,應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩啾婚_拓。本文主要闡述水蘇糖的生理功能及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用,以期為水蘇糖的進一步開發(fā)利用提供理論支持和科學(xué)指導(dǎo)。

1 水蘇糖的生理功能

1.1 調(diào)節(jié)腸道微生物菌群,預(yù)防腸道黏膜損傷

水蘇糖是一種功能性低聚糖,不能被腸胃消化液分解,但可被腸道中的雙歧桿菌、乳桿菌等益生菌群吸收利用,促進腸道內(nèi)有益微生物菌群增殖,起到保持腸道內(nèi)微生態(tài)平衡、改善腸道功能的作用。有多項研究表明:水蘇糖可被雙歧桿菌等腸道有益微生物菌群吸收利用,分解為醋酸和乳酸,調(diào)節(jié)腸道內(nèi)pH值,抑制大腸埃希菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌等有害菌的生長繁殖,維持腸道內(nèi)微生態(tài)平衡,同時起到減少腸道內(nèi)毒素產(chǎn)生的作用[10-12]。另有研究報道,水蘇糖作為益生因子可促進雙歧桿菌以40倍的速度增殖,顯著高于其他益生因子作用于腸道菌群[13]。Zhao等[14]研究水蘇糖在體外對人腸道微生物豐度和多樣性以及對腸道新陳代謝的影響,水蘇糖在腸道菌群的作用下分解成短鏈脂肪酸(SCFAs),包括乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸和異戊酸等,這些短鏈脂肪酸可降低腸道內(nèi)pH值,增加乳酸菌、鏈球菌等細(xì)菌的相對豐度,降低志賀氏菌、擬桿菌屬和副擬桿菌屬的相對豐度,有效抑制病原菌的增殖,起到維持腸道正常功能的作用。表明水蘇糖在體外可調(diào)節(jié)人腸道微生物豐度和多樣性以及腸道代謝產(chǎn)物,因此起到改善腸道微生物環(huán)境、預(yù)防消化道疾病的作用。

動物腸道黏膜組織結(jié)構(gòu)與功能狀態(tài)是判斷腸道黏膜完整性的重要指標(biāo),腸道黏膜絨毛高度與成熟細(xì)胞數(shù)呈正相關(guān),絨毛較長,成熟細(xì)胞數(shù)量增加,腸道功能趨于正常;絨毛基部隱窩深度與細(xì)胞生成率相關(guān)聯(lián),隱窩深度變淺,表明細(xì)胞生成率上升,分泌功能增強。絨毛高度與隱窩深度比值 (the Ratio of Villus Height to Crypt Depth,V/C值)升高,表明腸道黏膜損傷改善,消化吸收能力增強,腸道功能得到調(diào)節(jié)[15]。水蘇糖在維持腸道微生態(tài)平衡的同時,可預(yù)防免疫抑制小鼠的腸黏膜損傷。Shang等[16]研究水蘇糖對環(huán)磷酰胺誘導(dǎo)免疫抑制小鼠腸黏膜損傷的影響,經(jīng)環(huán)磷酰胺誘導(dǎo),免疫抑制小鼠的腸道菌群平衡被打破,腸道黏膜完整性被破壞。與環(huán)磷酰胺組相比,經(jīng)水蘇糖處理,回腸V/C值由(2.525±0.10)增加到(4.891±0.16),空腸V/C值由(2.719±0.03)升至(5.827±0.19),表明水蘇糖可能通過刺激V/C值升高起到改善腸道黏膜損傷的作用。同時經(jīng)水蘇糖處理,小鼠的腸球菌數(shù)量顯著減少,雙歧桿菌數(shù)量顯著增加,并提高小鼠血液中白細(xì)胞數(shù)量和自然殺傷細(xì)胞(NK)活性,表明水蘇糖能增強免疫抑制小鼠的細(xì)胞免疫功能。

嬰兒階段是腸道微生物菌群發(fā)育的關(guān)鍵時期,嬰兒腸道微生態(tài)構(gòu)建的動態(tài)變化直接影響其童年時期的生長發(fā)育,并且與機體的免疫力密切相關(guān)。嬰兒初期的腸道微生態(tài)構(gòu)建極易受到各種因素的影響,尤其是日常飲食、益生元、營養(yǎng)補充劑等的影響。通過探究益生元對嬰兒階段腸道菌群動態(tài)構(gòu)建的影響,可以掌握益生元對嬰兒腸道微生態(tài)形成的作用和規(guī)律,以進一步探究其作用機制和臨床應(yīng)用。目前,無菌動物模型已在腸道微生物菌群研究和免疫與新陳代謝研究領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用,成為研究人與動物功能微生物組不可或缺的技術(shù)工具。迄今為止,有關(guān)水蘇糖對嬰兒腸道菌群影響的研究較少,其作用機制仍不明確。Xi等[17]將嬰兒糞便(嬰兒腸道菌群)移植到無菌小鼠構(gòu)建人源化菌群小鼠模型,研究生命早期階段攝入水蘇糖對腸道微生態(tài)構(gòu)建的影響,對無菌小鼠進行糞便移植后,小鼠腸道內(nèi)益生菌如雙歧桿菌、A.muciniphila豐度增加,并改善小鼠結(jié)腸結(jié)構(gòu),增厚黏膜和腸壁。杯狀細(xì)胞可以通過分泌粘蛋白MUC2,增強腸道免疫力,維持腸黏膜體外液體平衡,參與腸黏膜屏障形成[18]。通過攝入水蘇糖,顯著促進小鼠杯狀細(xì)胞的數(shù)量,分泌更多粘液和腸黏膜外層,防止腸道組織細(xì)菌感染,同時下調(diào)NF-κB的表達,調(diào)節(jié)結(jié)腸炎癥水平[19],這進一步證實水蘇糖具備減輕腸黏膜損傷、增強腸道的屏障功能。

1.2 潤腸通便,緩解便秘

便秘是臨床常見的腸道疾病,我國成人慢性便秘患病率為4%～10%。研究發(fā)現(xiàn):便秘患者通常存在腸道菌群失調(diào),專性厭氧菌減少,腸道功能紊亂,腸蠕動緩慢等癥狀。因此,可以通過改變腸道微生態(tài)環(huán)境,調(diào)節(jié)腸道功能,從而改善便秘癥狀。水蘇糖可促進雙歧桿菌等有益菌群增殖,降低腸道pH值,在腸道形成生物菌膜,抑制有害菌繁殖,刺激腸道蠕動,縮短糞便在腸道內(nèi)的時間,增加排便次數(shù)[20]。同時水蘇糖具有較強的吸水性,可增加糞便含水量,避免糞便失水硬化,防止便秘發(fā)生。Li等[21]采用復(fù)方地芬諾酯建立小鼠便秘模型,研究高富含水蘇糖的低聚糖對小鼠腸道菌群和便秘癥狀的影響,結(jié)果顯示高富含水蘇糖的低聚糖可促進腸道有益細(xì)菌的生長,抑制病原菌的生長;攝入不同劑量低聚糖小鼠的平均小腸推進度均顯著高于便秘對照組小鼠,同時能顯著縮短便秘小鼠的排便時間,增加便秘小鼠的排泄量,明顯增加小鼠5 h內(nèi)排出黑便的重量和次數(shù),即使是低劑量攝入也能對小鼠的便秘癥狀緩解有明顯的促進作用。表明富含水蘇糖的低聚糖具有促進小腸蠕動,縮短排便時間,改善腸道功能的作用,這與梁耀鋒的研究結(jié)果相一致。梁耀鋒等[22]利用水蘇糖制作水蘇沖劑進行灌胃小鼠,結(jié)果顯示水蘇沖劑能明顯促進小鼠的小腸蠕動,縮短小鼠的首次排便時間。

席昭雁等[23]利用水蘇糖產(chǎn)品進行人體臨床試驗,選104例受試者,其中試驗組53例。試驗組口服水蘇糖產(chǎn)品,經(jīng)臨床觀察30 d,試驗組實驗前后血常規(guī)、尿常規(guī)以及血生化指標(biāo)無明顯異常,排便次數(shù)明顯增加,排便狀況明顯改善,表明水蘇糖產(chǎn)品對人體具有改善便秘,潤腸通便的作用。

1.3 降低炎癥因子、調(diào)節(jié)免疫功能

水蘇糖被雙歧桿菌利用分解產(chǎn)生蜜二糖、甘露三糖等免疫活性因子,這些免疫活性因子可以活化免疫細(xì)胞,降低炎癥因子,促進機體進行免疫調(diào)節(jié)。NF-κB通路是炎癥因子釋放的關(guān)鍵通路,抗生素的使用會增加結(jié)腸組織中炎癥因子IL-1β、6、17 和 TNF-α 的表達。Xi等[24]證實水蘇糖可下調(diào) NF-κB 通路以調(diào)節(jié)炎癥因子釋放,降低血清中IL-17和TNF-α的水平,并增加Occludin和ZO-1的表達和SIgA 的水平,以改善腸黏膜的緊密連接,減輕腸道損傷,增強腸道屏障和免疫功效。

長期高脂飲食(HFD)會引起多種健康問題,是糖尿病、中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥、非酒精性脂肪肝其他疾病的高危險因素。有研究證明,與正常飲食相比,喂食小鼠長期高脂飲食會影響其對環(huán)境因素的免疫反應(yīng),引起炎癥發(fā)生,改變免疫特征、巨噬細(xì)胞冠樣結(jié)構(gòu)、脾臟 CD4+T 細(xì)胞和 CD11c+樹突細(xì)胞[25]。Liu等[26]研究水蘇糖對長期高脂飲食誘導(dǎo)的小鼠炎癥和腸道菌群失調(diào)的調(diào)節(jié)作用,結(jié)果證實,通過水蘇糖干預(yù)可顯著抑制長期高脂飲食誘導(dǎo)的TNF-α升高,增加長期高脂飲食誘導(dǎo)小鼠的 CD4+T 細(xì)胞數(shù)量,急劇下調(diào)小鼠全血中白細(xì)胞的比例,并明顯改善小鼠結(jié)腸組織中因長期高脂飲食誘導(dǎo)的隱窩變形或萎縮、黏膜表面不規(guī)則、杯狀細(xì)胞減少、基底淋巴細(xì)胞聚集等病理變化。同時,通過水蘇糖干預(yù)可明顯減少長期高脂飲食誘導(dǎo)的肝臟炎癥細(xì)胞浸潤,進一步證實水蘇糖具有改善炎癥、調(diào)節(jié)免疫功效的作用。

潰瘍性結(jié)腸炎多數(shù)是由于外界的病原菌入侵體內(nèi),導(dǎo)致腸道菌群失衡、微生物多樣性降低,引發(fā)局部發(fā)病,引起陣發(fā)性的腹痛腹瀉,嚴(yán)重的還會導(dǎo)致嘔吐,食欲減退,腹脹等并發(fā)癥。葡聚糖硫酸鈉(DSS)誘導(dǎo)的急性結(jié)腸炎小鼠模型在癥狀和病理表現(xiàn)上與潰瘍性結(jié)腸炎相似,He等[27]研究水蘇糖對急性結(jié)腸炎小鼠炎癥水平和腸道微生物菌群的影響,通過組織學(xué)分析表明,水蘇糖顯著減少DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎結(jié)腸病變,抑制DSS誘導(dǎo)的炎性細(xì)胞因子IL-6、IL-10、IL-17a 和 TNF-α 水平的上調(diào),有效減輕結(jié)腸炎炎癥,為水蘇糖治療結(jié)腸炎提供數(shù)據(jù)支持。

另外,水蘇糖還具有防止齲齒、促進排鉛、改善胰島功能、調(diào)節(jié)肝臟炎癥等功能[28-30]。

2 水蘇糖在食品工業(yè)中的應(yīng)用

2.1 在乳制品工業(yè)中的應(yīng)用

水蘇糖在乳制品工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。水蘇糖可刺激雙歧桿菌的生長與活性,作為益生元應(yīng)用到乳制品生產(chǎn)中,開發(fā)出功能性乳制品[31-32]。于靜等[33]將水蘇糖添加到酸奶制品中,以活菌數(shù)和感官評分為指標(biāo),得到質(zhì)地均勻,粘稠度和流動性均適宜的高活菌數(shù)酸奶,充分利用水蘇糖和益生菌的雙重保健功效。陳合等[34]和Shu等[35]利用水蘇糖作為益生元,添加到酸羊乳中,以開發(fā)一款利用羊奶為原料的功能性酸羊乳,當(dāng)水蘇糖添加量為8%時,能促進普通酸羊乳益生菌增殖,添加量為4%時,能促進酸羊乳嗜酸乳桿菌增殖。

針對人們普遍存在的腸道功能紊亂問題,目前眾多廠家以功能性低聚糖為切入點,通過添加低聚果糖、低聚半乳糖等功能性低聚糖,開發(fā)出具有調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)平衡功能的配方奶粉產(chǎn)品。但多數(shù)功能性低聚糖需通過較多的攝入量,才能達到預(yù)期的效果。較高的功能性低聚糖添加量,將對奶粉的理化指標(biāo)和感官評價有很大的影響,因此迫切需要一款較低添加量,同時能達到調(diào)節(jié)腸道功能的低聚糖,實現(xiàn)產(chǎn)品功效和口感的平衡與協(xié)同提升的目標(biāo)。陳合等[36]將水蘇糖添加到奶粉中,研究其對奶粉理化性質(zhì)、增菌效果的影響,結(jié)果表明:當(dāng)添加量≤3.5%時,水蘇糖對奶粉的酸度和蛋白質(zhì)含量等理化指標(biāo)沒有顯著影響,但對以奶粉為營養(yǎng)物質(zhì)培養(yǎng)的雙歧桿菌具有明顯的增菌作用,且對嗜酸乳桿菌、鼠李糖乳桿菌均有促進增殖作用,起到益生元的作用,為開發(fā)含水蘇糖具有腸道保健功能的配方奶粉提供理論依據(jù),因此,可針對不同人群開發(fā)出含水蘇糖的兒童奶粉、孕婦奶粉、中老年奶粉等產(chǎn)品。水蘇糖亦可添加到普通殺菌乳或者調(diào)制乳中,以增加其保健功能。

2.2 在面制品工業(yè)中的應(yīng)用

面制品是我國的主食之一,不同面制品的生產(chǎn)工藝對面粉品質(zhì)要求不一,需要添加品質(zhì)改良劑以制備各類面制品專用粉。隨著食品工業(yè)的快速發(fā)展和人們對綠色健康飲食要求的提高,添加天然、無毒害作用,且具備營養(yǎng)和功能的面粉改良劑有著廣闊的前景。水蘇糖作為一種低聚糖,被譽為“高活性雙歧因子”,可促進腸道益生菌的快速繁殖,抑制有害菌的生長,將水蘇糖添加到面制品中,可有效改善面粉品質(zhì),提高面粉營養(yǎng)價值,賦予面制品功能特性。陳衛(wèi)軍等[37]和呂俊麗等[38]利用水蘇糖溶于水后具有較好的流動性,研究水蘇糖對面粉品質(zhì)的影響,結(jié)果表明水蘇糖吸水后具有較好的粘彈性,隨著水蘇糖添加量增加,可明顯降低面粉的吸水率,增加面團的流動性,改善面團的穩(wěn)定時間,同時水蘇糖可延緩淀粉的老化速度,有效改善面團的彈性。呂俊麗等[39-40]利用布拉班德粉質(zhì)儀和拉伸儀探究水蘇糖對高筋、中筋、低筋三種不同筋力的小麥粉面團流變學(xué)性質(zhì)的影響,研究結(jié)果與陳衛(wèi)軍等[37]的研究相一致。小麥粉中的水蘇糖吸水后形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),對面團流變學(xué)起到改良作用,其面團的拉伸阻力、最大拉伸阻力和拉伸能量均有增加,為含水蘇糖功能性小麥粉的進一步開發(fā)利用提供理論支持。

饅頭是我國的傳統(tǒng)發(fā)酵面食,添加3%～5%的水蘇糖可延緩饅頭硬度的增加速率,抑制饅頭老化,延長貨架期,同時可改善饅頭的外觀和咀嚼感,增加人們對水蘇糖的攝入量,提高饅頭的保健價值。冷凍面團技術(shù)是現(xiàn)代發(fā)酵面食保鮮技術(shù)之一,添加水蘇糖可為酵母菌提供碳源,增加饅頭比容、高徑比,降低硬度,有效提高冷凍面團饅頭的品質(zhì)[41]。水蘇糖同樣對面包的焙烤、貨架期,和對面條的蒸煮、質(zhì)構(gòu)均有影響,適當(dāng)添加水蘇糖對其系統(tǒng)的感官評價有增益作用。

2.3 在果蔬加工業(yè)中的應(yīng)用

果蔬原料在干燥加工過程中,通常需要進行滲透預(yù)處理,以縮短干燥時間,避免發(fā)生褐變,目前常用滲透液有葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉糖漿、玉米糖漿、麥芽糖漿等,而消費者的低糖需求,迫切我們尋找新的滲透液原料。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院肖敏等[42]利用水蘇糖滲透預(yù)處理蘋果片,進行制備熱風(fēng)-壓差閃蒸聯(lián)合干燥(HA-ICPDD)蘋果脆片,比較蘋果脆片微觀結(jié)構(gòu)、硬度、脆度、色澤、總酚含量等指標(biāo),結(jié)果證實,進行水蘇糖滲透預(yù)處理可提升蘋果脆片的品質(zhì),提高其脆度、保持其色澤,避免蘋果片總酚含量下降。

功能性低聚糖水蘇糖被譽為“超強益生元”,能促進雙歧桿菌顯著增值,具有溶解度高、耐酸、耐高溫等良好的物理加工特性,無任何不良?xì)馕?適宜于開發(fā)功能性飲料,在果蔬飲料加工中具有極廣闊的應(yīng)用前景。目前,水蘇糖在果蔬飲料中主要應(yīng)用于開發(fā)豆乳飲料、茶飲料、麥芽飲料、咖啡飲料、果蔬汁飲料、植物蛋白飲料、固體飲料等產(chǎn)品,已成為果蔬飲料加工的新熱點。

2.4 在保健食品中的應(yīng)用

目前,已有多個國家和地區(qū)將水蘇糖應(yīng)用到保健食品中,截至2022年3月28日,從國家“特殊食品信息查詢平臺”檢索的數(shù)據(jù)顯示,以水蘇糖作為保健食品原料獲批的產(chǎn)品共有26個。

從功能聲稱來看,以改善胃腸道功能(潤腸通便)聲稱類產(chǎn)品為主,其次是促進排鉛、增加骨密度聲稱類產(chǎn)品,此外還有少量的調(diào)節(jié)腸道菌群、改善睡眠、增強免疫力、延緩衰老等功能聲稱產(chǎn)品。其中,單一聲稱改善胃腸道功能(潤腸通便)類、促進排鉛、增加骨密度的產(chǎn)品數(shù)量分別占42.3%(共計11個)、11.5%(共計3個)、11.5%(共計3個),聲稱同時具有改善睡眠、改善胃腸道功能(潤腸通便)的產(chǎn)品數(shù)量占7.7%(共計2個),其他產(chǎn)品數(shù)量占26.9%(共計7個)。結(jié)合水蘇糖保健功能研究進展可知,其主要保健功能為改善腸胃功能、潤腸通便,因此這類功能獲批數(shù)量最多。

從劑型上來看,口服溶液的產(chǎn)品居多。水蘇糖主要保健功能為改善腸胃功能及潤腸通便,結(jié)合水蘇糖具有良好的加工特性,味甜、易溶解、耐酸性,因此在劑型選擇上多偏好于口服溶液。統(tǒng)計結(jié)果顯示,口服溶液產(chǎn)品占53.8%(共計14個),片劑產(chǎn)品占19.2%(共計5個),粉劑產(chǎn)品占15.3%(共計4個),膠囊劑產(chǎn)品占11.5%(共計3個)。

另外,水蘇糖除以上應(yīng)用外,還可應(yīng)用于冰淇淋、米粉、餅干等食品中,以滿足人們對食品多元化、功能化的需求[43]。

3 結(jié)語與展望

水蘇糖作為新興的功能性低聚糖,備受國內(nèi)外人們的重視。隨著人們健康理念的更新,日益重視攝入飲食的功能性。目前,國內(nèi)外對水蘇糖的功效和作用機理已進行深入研究,在食品工業(yè)中的應(yīng)用也很廣泛,但仍有待發(fā)展的地方。例如,水蘇糖對人體內(nèi)的作用機制研究還很少;水蘇糖的應(yīng)用,無論是從食品的種類和產(chǎn)量上,還是消費者對水蘇糖的認(rèn)知度和信任度上,都有很大的提升空間。許多水蘇糖制品還沒有形成工業(yè)化生產(chǎn),僅處于研究階段,應(yīng)利用其多種生理功效,有針對性的開發(fā)水蘇糖系列保健食品。今后水蘇糖在食品工業(yè)中的應(yīng)用將會有更加廣闊的空間,其應(yīng)用將成為一個重要的研究方向。