低脂食品設計原理與研究現狀

劉 楠 高彥祥 毛立科

(北京食品營養與人類健康高精尖創新中心；中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京 100083)

根據我國飲食特點，成年居民膳食蛋白質、碳水化合物及脂肪適宜供能比分別為10%～15%、55%～65%以及20%～30%，但1989—2009年我國九省居民均存在脂肪和膽固醇攝入過量問題，脂肪供能比超30%及膽固醇平均攝入水平超300 mg/d的人群比例顯著增加[1,2]。據世界衛生組織(WHO)實況報道，2016年全球18歲及以上成年人中有39%超重，其中13%達到肥胖，5～19歲兒童和青少年的超重和肥胖比例大幅上升，增加了患心血管疾病、糖尿病和某些癌癥的風險，原因之一是富含脂肪的高能量食物的過多攝入[3]。現代醫學及營養學研究表明，低脂肪膳食有助于預防和治療肥胖[4]，高脂肪膳食易導致身材發胖，內臟脂肪堆積更可能會造成葡萄糖和脂質代謝紊亂，引起高血壓等循環障礙疾病[5]。隨著人們健康意識的提高，越來越多的消費者意識到高脂肪攝入對健美身材與健康體質的不利影響，對健康低脂食品的需求也與日俱增。

但脂肪在食品加工中發揮著不可或缺的作用，并對最終產品的營養功效影響很大。膳食脂肪是人體必需脂肪酸的重要來源以及脂溶性維生素載體，能夠賦予食品潤滑的口感、獨特的風味、良好的穩定性以及飽腹效果。直接降低脂肪含量會導致感官特性變差，不易被消費者接受，因此脂肪替代品(Fat replacers)應運而生，降低脂肪含量的同時一定程度上彌補感官品質的不足，但低脂膳食仍存在一系列明顯的問題，如感官品質差、無法載送脂溶性功能因子等。

為順應時代發展并滿足消費者的健康需求，食品行業的工作者正致力于開發健康低脂食品，或通過某些方法降低消費者攝入的脂肪含量，同時保證產品的感官品質和營養功效。本文涉及脂肪替代品的基本分類、低脂食品的應用缺陷和解決思路以及降低脂肪攝入的手段和方法，以期幫助廣大讀者了解低脂食品行業的發展現狀，并鼓勵相關科研人員進行更深入的研究。

1 脂肪替代品的基本介紹及分類

脂肪替代品(Fat replacers)可代替甘油三酯，降低食品脂肪含量和熱量。按功能特性可劃分為兩類，一類是碳水化合物、烷基糖苷和糖醇(多元醇)的脂肪酸酯[6]，通過改變分子結構降低其可消化性，同時具有類似油脂的物理及功能特性，也稱代脂肪，最具代表性的Olestra(蔗糖脂肪酸聚酯)于1996年被批準使用，但其無法水解過量攝入可能導致肛漏和滲透性腹瀉[7]；另一類是以其他高分子化合物(主要是蛋白質和碳水化合物)模擬脂肪性狀而合成的脂肪模擬物，高溫下結構不穩定，不適用于需高溫處理的食品，同時也不能攜帶脂溶性功能成分。

脂肪替代品按基本成分主要分為四類：脂肪基質(fat-based)，蛋白質基質(protein-based)，碳水化合物基質(carbohydrate-based)和復合型脂肪替代品(combination fat)。目前應用最廣泛的商業脂肪替代品即前文中提及的Olestra(蔗糖脂肪酸聚酯)，其酯鍵被疏水基團嚴密包裹，空間位阻大，無法被機體吸收也不能提供能量[8]；Benefat是由非吸收性長鏈脂肪酸和兩條短鏈脂肪酸結合而成的甘油三酯，熱量僅為普通甘油三酯的55%[9]；Simplesse是一種蛋白質基質脂肪替代品，主要原料為乳蛋白和雞蛋蛋白，二者經加熱發生一定程度的變性，然后經微粒化處理使蛋白質顆粒細度小于舌的敏感閾(0.1～0.2 μm)，顆粒間發生滾動并相互壓縮從而產生類似脂肪的口感，干物質熱量僅為16.7 kJ/g[10]；碳水化合物基的脂肪替代品[11]可改善水相結構特征，形成三維網狀結構的凝膠截留大量水，具有較好的流動性，能模擬脂肪的質構和口感，如淀粉及其衍生物、纖維、菊粉[12]等。

2 低脂食品的應用缺陷及解決措施

作為三大營養素之一，除了供能，脂肪在決定食品質地、風味、口感和穩定性方面的作用不可忽視。無論是直接降低食品中的脂肪含量還是加入脂肪替代品部分取代脂肪都不可避免帶來一系列問題，本文主要探討低脂食品的三個典型缺陷：質構特性變差、風味不足以及功能因子遞送問題。

2.1 低脂食品的質構缺陷及解決思路

高能量密度的食品通常具有更高的適口性，嘗起來更加美味，口感更好[13]，而低脂食品通常缺乏平滑細膩的口感及理想的質構特性。

研究表明牛奶脂肪對奶酪質構特性影響很大。脂肪含量降低導致蛋白質基質形成致密的微觀結構，硬度和彈性增大，內聚性和粘附性降低，從而影響質地。脂肪的存在會破壞酪蛋白之間的相互作用，使蛋白質基質松弛，有助于獲得質地理想的干酪[14]。其他低脂奶制品的質構特性同樣受蛋白質-蛋白質相互作用的控制。

近年來低脂酸奶受到追捧，然而降低脂肪含量常導致酸奶黏度降低、平滑度下降、口感變差且易出現乳清析出等問題[15,16]。Sandoval-Castilla等[17]發現脂肪替代品的種類不同，酸奶的微觀結構和質地屬性差異很大，多種脂肪替代品混合使用可以產生更好的效果；而脂肪替代品種類繁多，需全方位分析比較以確定最佳選擇，Nguyen等[18]利用摩擦學模型分析比較了含不同水膠體(明膠、黃原膠、角叉菜膠和改性淀粉)的低脂酸奶的質地和感官特性，發現明膠能顯著提高產品硬度和黏度，減緩脫水收縮并改善潤滑性；為模擬脂肪在口腔中的感官特性，常通過一定處理將凝結的蛋白質破碎成直徑0.3～10 μm的微粒，代替脂肪滴和淀粉顆粒，同時增加食品乳液的黏度和亮度，Torres等[19]用微粒化乳清蛋白(MWP)代替天然乳清蛋白(WPI)，把MWP看作活性填料以提供酸化凝膠中的蛋白質基質，導致局部致密聚集體比例減小，乳清析出情況得到改善，MWP的變性程度對最終產品的質構和感官品質有影響[20]，基于顯微結構研究推斷MWP不易與酪蛋白膠束及乳清蛋白相互作用，能像全脂酸奶中脂肪球的一樣發揮作用[21]。

近年來許多學者嘗試利用蛋白和多糖凝膠作為脂肪模擬物，通過多糖屏蔽活性帶電基團并增加溶液黏度以減少分子間碰撞，從而防止微粒化蛋白質之間的相互作用和聚結，同時多糖可以結合大量水在口腔中提供乳脂感和潤滑感[22]。Chung等[23]利用MWP和多糖組合開發脂肪模擬物，用于生產具有良好口感的低熱量乳液型食品，如醬汁、調味品和蘸料等；Sun等[24]利用MWP-果膠復合物替代蛋黃醬中的脂肪，添加量達60%時可提高低脂蛋黃醬的穩定性，添加量為40%時與全脂蛋黃醬具有相似的質地、顏色、外觀和風味。

多種脂肪替代品混合使用以及脂肪替代品的微粒化同樣適用于其他低脂食品。Troutt等[25]利用聚葡萄糖、馬鈴薯淀粉和甜菜、燕麥或豌豆纖維組合改善低脂牛肉餅的硬度，使其口感、質地與含有20%脂肪的牛肉餅相似。Liu等[26]發現果膠弱凝膠和微粒果膠凝膠作為脂肪模擬物應用于低脂蛋黃醬中可以形成與全脂蛋黃醬相似的質地屬性，比用WPI /果膠基脂肪模擬物效果更好。

低脂食品還常存在硬度不足、容易塌陷等問題，Oliver等[27]發現通過誘導液滴聚集可以提高凝膠的剛度，該效果可用于降低總脂肪含量同時保持相似的凝膠硬度。例如，填充有25%非聚集狀態乳脂肪滴的凝膠與含有15%聚集狀態乳脂肪滴的凝膠的硬度相當，在這種情況下，誘導脂肪滴聚集可減少40%的脂肪，同時保持相似的凝膠特性。

2.2 低脂食品的風味缺陷及解決思路

降低脂肪含量會削弱親脂性風味成分與食物基質的結合，從而影響風味的釋放[28,29]。Delahunty等[30]發現親脂性風味成分會優先進入脂肪，在進食過程中緩慢揮發，脂肪含量變化會影響不同親脂性風味成分的分配，因此低脂和高脂食品之間的化合物平衡會有所不同。脂肪含量較高時，風味釋放緩慢，當脂肪含量較低(<5%)時風味先是爆發，隨后風味強度迅速下降，為了模擬低脂條件下“全脂”食物的風味釋放，需選擇性降低親脂性風味成分的釋放速率，例如利用含油凝膠顆粒控制風味成分釋放[31]。

除了脂肪，食品中其他主要成分如蛋白質、碳水化合物及脂肪替代品(乳液凝膠體系等)、增稠劑等都會與揮發性成分結合，脂肪含量降低或使用增稠劑引起的質構變化也會影響風味，Brauss等[32]發現酸奶黏度和顆粒大小會影響風味，影響程度取決于化合物的物理化學性質。增稠劑在改善低脂食品質地的同時會削弱食品的香氣和味道，主要與增稠劑類型有關[33,34]。

對于乳制品甜點而言，乳脂肪含量和芳香化合物的親脂性都會影響其風味釋放，增加脂肪含量可以保留更多的親脂性化合物從而形成更好的風味[35,36]。乳脂肪通過疏水相互作用保留風味成分，在低脂乳蛋糕中加入淀粉的濃度及存儲時間均對風味釋放有影響，再次證明食品的風味與食物基質的流變學特性以及風味物質和基質之間復雜的物理化學結合相關[37]。Arancibia等[38]以檸檬味乳制品甜點為模型，發現脂肪含量主要影響最親脂的芳香化合物(芳樟醇)向鼻腔的遞送，而增稠劑類型和濃度主要影響最小親脂性化合物(順式-3-己烯-1-醇)的釋放。

風味感知是由咀嚼和吞咽期間食物的動態分解引起的，并受物理、化學、生理和心理等因素的影響，因而很難預測和控制[39]。目前關于質地-香味-味道的研究很多，但大多基于同一系統中可能存在的二元相互作用(如香氣對味道的作用)，在真正的食物系統中往往存在多種感官感覺并發生多種相互作用，所以目前的研究有很大局限性。食品的微觀結構對風味物質的釋放起決定性作用，將油脂封裝在凝膠化的顆粒中增加擴散的路徑長度，抑制油相和連續相之間的質量傳遞速率，減緩親脂性風味成分的釋放，并且不會顯著改變食物質地。親脂性風味成分的釋放速率取決于風味分子的物理化學性質以及顆粒的組成和微觀結構，顆粒大小、油含量及香料的油水分配系數是影響釋放速率的主要因素，通過選擇合適的生物聚合物制備凝膠，可在生理條件下控制顆粒在口腔中的分解，從而控制風味釋放[40]。

2.3 低脂食品中脂溶性功能因子遞送

長期食用低脂食品，可能導致一些脂溶性功能成分(如維生素A、D、E和K，ω-3脂肪酸，植物甾醇，類胡蘿卜素等)攝入不足而引發健康問題。本文以典型的脂溶性維生素類胡蘿卜素為例進行探討。

如圖1所示，食物基質中釋放的類胡蘿卜素首先進入脂肪滴，形成膠束后才能被進一步吸收，說明膳食脂肪含量對類胡蘿卜素的消化吸收至關重要，但并不意味著脂肪含量越高脂溶性功能因子吸收的也越多。研究表明每餐中5 g脂肪足以保證攝入足夠量的類胡蘿卜素[41]，Jalal等[42]表示截止點在3～5 g之間，在甘薯點心中添加3 g或18 g脂肪并不會對血清中視黃醇含量造成明顯影響。Hof等的研究結果顯示，富含類胡蘿卜素的低脂肪膳食(3 g脂肪/每餐)在提高血漿中α-胡蘿卜素和β-胡蘿卜素濃度方面與富含類胡蘿卜素的全脂肪膳食(35 g脂肪/每餐)一樣有效。然而，對于以葉黃素酯的形式添加的葉黃素來說，全脂肪膳食能使血漿反應提高100%，可能是因為少量脂肪限制了葉黃素酯在脂肪相中的溶解以及酯酶和脂肪酶的活性，從而影響葉黃素酯的吸收。

其次，脂肪的類型及消化率也非常重要。脂肪類型會影響類胡蘿卜素的生物利用率，如中鏈甘油三酯主要通過門靜脈吸收，攝入僅含有此類甘油三酯的膳食后只能形成很少的乳糜微粒(如圖1)，即使在此類膳食中加入β-胡蘿卜素，與同樣加入β-胡蘿卜素的含有長鏈甘油三酯的膳食相比，β-胡蘿卜素在乳糜微粒中的摻入量也很低[44]。前文提及過一種不可吸收的脂肪替代品——蔗糖聚酯，它能使血漿中類胡蘿卜素的含量降低20%～120%，降低程度取決于類胡蘿卜素的類型及蔗糖聚酯含量，其中最親脂番茄紅素和β-胡蘿卜素吸收效果最差。如果參與實驗者可隨意食用含蔗糖聚酯的零食，而不是在主餐期間與類胡蘿卜素的主要膳食來源一起食用，就不會產生那么明顯的降低血漿中類胡蘿卜素含量的效果。由此推斷在蔗糖聚酯存在的情況下，從食物基質中釋放的類胡蘿卜素會優先和不可吸收的蔗糖聚酯結合，而不是摻入由膳食脂肪形成的膠束中[45-47]。

近年來，利用乳液體系傳遞親脂性功能成分的研究很多。乳液液滴大小直接影響脂質消化和類胡蘿卜素的生物利用率[48]，液滴越小活性表面積越大，腸脂肪酶可吸附結合的位點更多，脂肪消化速度更快，消化率更高，類胡蘿卜素的生物利用率提高。Salvia-Trujillo等[49]發現乳液液滴初始尺寸對脂質消化、膠束形成以及類胡蘿卜素摻入混合膠束等動力學過程有顯著影響，液滴尺寸越小類胡蘿卜素的吸收率越高。因此可以利用乳液體系及乳液凝膠顆粒降低食品脂肪含量同時實現功能因子定點釋放，從而提高低脂食品中脂溶性功能成分的生物利用率[50]。

圖1 類胡蘿卜素的消化吸收步驟以及影響類胡蘿卜素吸收的膳食因素[43]

表1低脂食品的應用缺陷及解決思路

低脂食品的應用缺陷解決思路食品類型參考文獻質構特性缺陷多種脂肪替代品混合使用;低脂酸奶、低脂肉制品[17,25]通過處理使脂肪替代品呈微粒化結構;低脂酸奶、低脂蛋黃醬[19-21,26]使用蛋白與多糖組合開發脂肪模擬物;通過誘導液滴聚集提高凝膠的硬度。低脂蛋黃醬、醬汁、調味品和蘸料等凝膠型食品[22-24][27]風味不足利用含油凝膠顆粒控制風味成分的釋放速率;乳制品甜點等[31,40]控制增稠劑的類型和濃度。低脂膳食[33,34,38]脂溶性功能因子根據脂溶性功能因子的特點確定脂肪添加量的截止點;低脂膳食[42,43]攝入不足注意脂肪類型對功能因子吸收的影響;低脂膳食[44]避免同時食用脂肪酸酯和富含脂溶性功能因子的膳食;低脂膳食[45-47]利用乳液及凝膠化的乳液顆粒實現功能因子的定點釋放。低脂膳食[48-50]

3 降低脂肪攝入的手段和方法

3.1 提高飽腹感

飽腹感由一系列因素控制，從開始消耗食物至胃腸道的消化吸收，都會在大腦特定區域生成信號，這些區域還涉及能量攝入調節，響應于對所消耗食物的感官感覺、認知感覺以及胃的擴張。這些信號由大腦整合，刺激人們停止進食，當營養物質被腸道吸收，許多激素信號再次整合到大腦中誘導飽腹感產生。飽腹感還受激素(如瘦素和胰島素)波動的影響，與體內脂肪儲存水平相關[51]。

通過提高食品的飽腹感以減少食物消耗量，從而達到降低脂肪攝入的目的。研究表明，在提供相同能量的情況下，蛋白質比碳水化合物或脂肪有更強的飽腹效果[52,53]，但目前沒有明確證據表明不同來源的蛋白質(動物或植物蛋白)飽腹強度是否存在差異[54]。食物形態和質地帶來的感官感受在飽腹感中起基本作用，利用蛋白質的技術功能特性(乳化、膠凝、發泡等)可在食品中構建微觀結構以增強飽腹感，延長食物的感官暴露時間同樣有利，可以向食物中添加蛋白質以延長口服消耗時間或提高咀嚼頻率。

為優化高蛋白食品的飽腹感，還應考慮碳水化合物和脂肪的比例，關于這兩種營養素添加量的高低目前還沒有定論，攝入碳水化合物所導致的血糖變化會影響飽腹感信號傳遞，使研究變得更加困難和復雜[55]。但近年來低脂膳食觀念深入人心，更多消費者堅信消耗更多的碳水化合物而非脂肪可以降低超重或肥胖的風險[56,57]，因此在設計高飽腹食品時可優先選擇碳水化合物。

另一種可以提高飽腹感的食物成分是膳食纖維[58]。纖維是一種復雜多變的常量營養素，包括一系列非淀粉多糖(碳水化合物)和木質素(非碳水化合物醇衍生物)，其對飽腹感的影響主要取決于纖維類型、溶脹能力、黏度、凝膠能力及在腸道中的發酵狀況等[59]。纖維可以增加胃擴張，減緩胃的排空速度并影響飽腹感激素釋放，同時促進其他增強飽腹感的反應[60]。有文獻報道高纖維食物可能會影響食欲，歐洲食品安全局(EFSA)也否決了纖維能提高飽腹感的聲稱，理由是該食物成分總是以多種形式出現并且其影響尚未得到充分表征。由于纖維類型復雜、功能多樣且具有豐富的感官特性，在應用于高飽腹感產品時必須慎重考慮。

總之，食品中蛋白質和膳食纖維含量高，碳水化合物比例高于脂肪，可能可以達到令人滿意的飽腹效果。近些年與飽食/飽腹感相關的專利很多，主要是添加蛋白質，如乳清蛋白、糖巨肽、乳白蛋白、酪蛋白酸鈉、水解酵母蛋白、鱈魚或雞蛋等，有些專利中蛋白質配方能刺激與饑餓控制相關的神經遞質或酶，有些專利利用某些蛋白質在胃pH范圍內形成水凝膠狀的交聯球狀蛋白質以增強飽腹感。此外在開發低脂飽腹食品時還需保證其具有可接受的感官風味，掌握質構特性對感官品質的影響十分重要，有報道稱富含乳清蛋白的高蛋白飽食酸奶[61]和高蛋白飽腹條中出現了令人不快的味道和質地。

3.2 控制脂肪消化率

通過改變食品的微觀結構和理化特性，可降低人體內脂肪消化的速率和程度 。本文重點介紹以下三種途徑：控制脂質分子的結構特征、調整液滴尺寸和界面性質以及改變食物基質的結構和組成。

三酰甘油的生物利用率取決甘油骨架上脂肪酸鏈的類型和位置[62]。脂肪分解過程中短鏈和中鏈脂肪酸的釋放速率比長鏈脂肪酸快，由于胰脂肪酶對sn-1和sn-3具有高度特異性，所以sn-1和sn-3位置的脂肪酸比sn-2位置的釋放速率更快。因為單酰甘油比游離脂肪酸更易吸收，所以sn-2位置的脂肪酸吸收率更高。長鏈飽和游離脂肪酸吸收效果差，因為其熔點高，并容易與陽離子多價礦物離子(如Ca2 +和Mg2 +)在小腸中形成不溶性皂[63]。長鏈飽和脂肪如硬脂酸和棕櫚酸的生物利用率較低導致某些脂肪的能量小于9 kcal/g，有學者發現給幼鼠喂食三硬脂酸甘油酯時，其能量可降到3 kcal /g[64]。典型的脂肪替代品如Salatrim和Caprenin，就是利用長鏈飽和脂肪酸的消化率受其立體定向位置影響這一原理，其在sn-1和sn-3位置上分別是相對高濃度的硬脂酸和二十二烷酸，由此降低人體對脂肪酸的吸收并減少飽和脂肪酸的熱量貢獻值，這些結構化脂肪的能量約為5～7 kcal / g[65,66]。此外，三酰甘油類型可能會影響液滴破裂及其在口腔、胃和小腸中聚結的趨勢，間接影響消化吸收過程。

脂肪消化率和食物液滴尺寸大小相關[67]，胃和小腸中脂質消化速率取決于暴露在周圍水相中的表面積，因此可以通過控制食物中初始液滴大小來控制其在口腔、胃和小腸中破裂或聚結穩定性及脂質的生物利用率。液滴周圍界面層的組成和性質也會影響脂質消化吸收。首先，界面特性會影響液滴在口腔、胃和小腸中破壞或聚結穩定性，影響暴露在周圍水相中的表面積。其次，液滴的界面特性會影響胃或胰脂肪酶的吸附和相互作用能力[68,69]。但是食品體系的界面組成是不斷變化著的，其變化取決于各種表面活性物質的相對濃度和表面活性，具有最高表面活性和濃度的傾向于在界面處占主導地位[70,71]。對大鼠的研究表明，酪蛋白穩定的乳液液滴比磷脂穩定的液滴消化速率慢，凸顯了界面組成對脂質消化的重要性[72]，還有研究發現由蛋白質(酪蛋白酸鹽或乳清蛋白)穩定的乳液，脂質水解程度遠大于由小分子表面活性劑(吐溫20或卵磷脂)穩定的乳液。Espinal-Ruiz等[73]將多糖與水包油乳液混合進行體外消化實驗發現，隨著果膠、甲基纖維素和殼聚糖濃度的增加，脂質消化的速率和程度降低，并推測多糖能誘導液滴絮凝或和參與脂質水解的分子(如膽汁鹽，脂肪酸和鈣)相互作用。相關研究人員可以利用食品化學和膠體科學知識控制液滴大小和界面組成[74]，從而更有效地控制脂質消化速率。

大多數食品中的脂質相在體溫下是液體，但在某些食品中可能是部分或完全結晶的。脂質相的結晶度可以改變脂肪酶水解脂質的能力或改變消化產物的吸收率，如長鏈脂肪酸在多價陽離子(如Ca2 +和Mg2 +)存在下形成不溶性皂，延緩脂質消化。有些學者開發了基于固體脂質顆粒(至少部分脂質相為結晶態)的遞送系統用于包封、保護和遞送親脂性功能組分[75,76]。體外和體內研究表明，包封的親脂性分子能夠從固體脂質顆粒中釋放出來，表明固態的脂質仍可被消化，并且被包封的親脂性成分仍具生物活性[77]。在消化過程中，脂質相的結晶度和結構組織會影響親脂性分子的釋放速度，隨著結晶度的增加，固體脂質顆粒的消化速率下降，親脂性成分的釋放速率也降低[78]。

食品中其他基質如膳食纖維、礦物質、蛋白質、碳水化合物和表面活性劑等也會影響脂肪的消化速率，它們可能與脂肪酶結合降低酶活，可能在脂肪滴表面形成保護層阻止其與脂肪酶接觸，也可能增加脂肪滴周圍水相的黏度阻礙脂質消化運輸。降低脂肪消化率的途徑和手段有很多，食品科學家可以根據影響脂質消化吸收的物理化學因素并利用結構特性方面的知識對食品進行合理的設計以降低脂肪消化率。

4 結論

隨著社會發展及相關醫療水平的進步，人們逐漸意識到預防慢性疾病是重要的公共衛生問題。由超重和肥胖引發的慢性病已引起全球消費者的警惕，隨著膳食結構調整，人們對健康低脂食品的關注和需求也越來越大。本文闡明了低脂食品的研究現狀及研究意義，介紹了低脂食品在質構、風味等方面的缺陷和解決思路，最后還討論了通過提高食品飽腹感或降低脂肪消化率來設計新型低脂食品的方法。通過本文的介紹可以發現食品乳液及乳液凝膠體系在新型健康低脂食品的開發方面大有前途，以期為相關領域的研究人員提供一個新的思路。