全谷物食品重要膳食纖維組分
——谷物β-葡聚糖的最新研究進展

申瑞玲，陳文文

（鄭州輕工業大學 食品與生物工程學院，河南 鄭州 450000）

谷物是東方膳食的重要組成部分，與精制谷物相比，全谷物保留了更多麩皮和胚芽，含有豐富的營養成分，特別是膳食纖維、微量營養素和多酚等植物化學物。許多證據表明食用全谷物對平衡膳食，降低Ⅱ型糖尿病、心血管疾病及結直腸癌等慢性疾病有極大改善作用[1]。因此，鼓勵以全谷物食品代替精制谷物食品是改善居民膳食營養的重要途徑。膳食纖維是全谷物食品中重要的功能性組分，調查顯示，膳食中谷物來源的膳食纖維對人體健康作用大于其它來源的膳食纖維，這與其結構差異有關[2]。β-葡聚糖是一種重要的谷物膳食纖維組分，在于胚乳細胞壁中，是由D-葡萄糖單體間經 β-(1→3)和 β-(1→4)糖苷鍵混合連接的多糖[3]，在大麥（2.5%～11.3%）燕麥（2.2%～7.8%）中含量最高，黑麥（1.2%～2.0%）和小麥（0.4%～1.4%）中也含有較少量 β-葡聚糖[4]。

近年來，隨著公眾對營養健康關注度的提高，全谷物食品消費量不斷增加，特別是基于美國FDA和歐盟對β-葡聚糖功效的健康聲稱，使得富含β-葡聚糖的燕麥大麥等食品的消費量也逐年增加，國內外對谷物β-葡聚糖相關研究深度和廣度都有了極大拓展，研究從β-葡聚糖提取分離純化方法的多樣化；食品加工和處理技術對于β-葡聚糖結構和性質的影響；β-葡聚糖與蛋白質、脂質等物質之間相互作用；β-葡聚糖在不同類型食品中的應用以及β-葡聚糖營養健康功效的研究等，為此，本論文針對谷物β-葡聚糖近年研究進展進行了綜述。

1 谷物β-葡聚糖的提取制備及純化

谷物 β-葡聚糖主要存在于籽粒的亞糊粉層和胚乳細胞壁中，谷物β-葡聚糖的性質及應用主要基于其分子結構特征。提取條件不僅影響β-葡聚糖提取率，也影響其分子結構，因此，近年來大量文獻報道了對谷物β-葡聚糖的提取、分離以及純化方法。綜述文獻發現[5-6]，目前提取谷物 β-葡聚糖主要的方法均源于 Wood等[7]的研究，基本步驟如圖1所示。隨后，在此基礎上研究者分別針對不同谷物原料、前期提取條件、影響得率和純度的因素等進行了深入的研究（見表1）。目前，用于提取谷物β-葡聚糖的主要原料包括大麥、青稞、燕麥及燕麥麩皮。從大麥及青稞中提取β-葡聚糖提取率較高，而使用燕麥及燕麥麩皮作為原料提取率較低，這與谷物中β-葡聚糖的分布相關。比較不同提取方法，發現不同方法提取β-葡聚糖提取率約在 50%～87%之間，得率約在5%～8.5%之間，酶法提取的提取率相對較高，而微波輔助提取法得率相對較高。此外，Ahmada等[3]報道，酶法提取得到的谷物 β-葡聚糖產品穩定性和功能特性均較好。然而，提取是個復雜的過程，不僅要關注產率，更要關注功能和產品穩定性等；因此，谷物β-葡聚糖的提取，特別是工業化制備方面在技術和產品質量指標穩定性和能耗方面還需要綜合考慮。

表1 谷物β-葡聚糖提取部分研究方法Table 1 The partial research methods of cereal β-glucan extraction

圖1 谷物β-葡聚糖常規提取辦法Fig.1 The conventional extraction method of cereal β-glucan

2 谷物β-葡聚糖功能性質的深入解析及在食品中的應用

近年來，隨著對于谷物 β-葡聚糖健康作用的了解以及對其分子特性研究的不斷深入，許多研究者更加關注β-葡聚糖的結構和功能特性與應用前景的關系。楊成峻等[20]綜述了燕麥β-葡聚糖結構與物理特性、營養特性以及在肉類食品、烘焙食品和飲料行業食品應用；Izydorczyk[21]綜述了大麥β-葡聚糖分子結構、理化特性及其在食品中的應用。食品工業中β-葡聚糖主要包括面制品、乳品、飲料、肉制品和休閑食品等（見表2），近年來，谷物β-葡聚糖的應用研究不斷增多，一方面將β-葡聚糖添加在不同的食品中，研究對食品體系組分性質和食品品質的影響；另一方面，基于β-葡聚糖與食品體系中不同分子之間的相互作用，研究β-葡聚糖復合物的功能性質與應用。為此，本論文以β-葡聚糖在面制品中應用為例，概述β-葡聚糖添加對面團特性和食品品質的影響；同時，對β-葡聚糖復合物的研究及應用進行了綜述。

表2 谷物β-葡聚糖在食品中的應用Table 2 The application of cereal β-glucan in food

2.1 β-葡聚糖在面制品食品中的應用

β-葡聚糖添加到面制品中，一方面可以增加產品的水溶性膳食纖維含量；另一方面影響面團流變特性、水合特性以及產品質地等。研究表明適量添加燕麥β-葡聚糖（OG）能夠改善面團流變學特性，添加0.5%～5.0%的OG于低筋、中筋和高筋面粉及饅頭專用粉中，隨著添加量增加，4種面粉面團的吸水率、形成時間和穩定時間均增大；0.5%～1.0%的OG添加量能使低筋面粉的拉伸特性接近饅頭專用面粉；OG能使中筋面粉的糊化溫度稍有升高，但亦能降低饅頭專用粉糊化溫度及4種面粉的最終黏度、衰減值和回生值[36]。也有研究表明，β-葡聚糖的添加對面團有劣化作用，當添加大麥β-葡聚糖（BG）≥0.5%，小麥面團抗延伸阻力增加，面團形成時間、穩定時間、弱化度（值）及延伸性均顯著降低；β-葡聚糖添加量≥1.5%時，小麥粉面包比容明顯減小、硬度增大、彈性降低[37]。

β-葡聚糖還通過影響面團水合特性而影響產品品質。研究表明，OG添加在面條和饅頭中可抑制水分遷移和淀粉老化，減少失水率和烹調損失[38-39]。含 OG 70%的水溶性膳食纖維添加到小麥粉中，通過優化含水量，可以得到和白面包類似質構的富含可溶性膳食纖維（SDF）的面包[40]。β-葡聚糖對面團水合特性的影響與其分子大小等精細結構有關[41]。Skendi等[42]研究了兩種不同相對分子質量（1.00×105和 2.03×105）BG 對兩種小麥粉面團流變學、黏彈性和面包品質的影響，結果表明，兩種分子量BG均能增加面團的彈性、抗變形性和流動性，其中低分子量 BG 添加到低筋小麥粉中得到與高筋小麥粉品質類似的面粉。Rieder等[43]指出高分子量的β-葡聚糖能增加面團水相粘度，穩定氣孔；但Gill等[44]則指出高分子量的β-葡聚糖會對面團造成更為不利的影響，使面團的抗延展性更高，膨脹性更低。這是由于高分子量β-葡聚糖遇水產生高粘性凝膠，附著在面筋蛋白表面，與面筋蛋白競爭水分，影響面筋網絡結構的形成與穩定性[45]。

2.2 β-葡聚糖復合物理化性質及在食品中應用

近年來，對谷物β-葡聚糖的研究已經拓展到其與其它大分子復合物理化性質的研究與應用領域。

2.2.1 β-葡聚糖多糖復合物

β-葡聚糖具有一定的凝膠性，與多糖復配可以增強其凝膠性。魔芋葡甘露聚糖與β-葡聚糖的相互作用能夠通過氫鍵吸附和包埋β-葡聚糖分子而顯著增強復合凝膠的流動性、持水性、黏彈性、內聚性及貯藏穩定性，但對硬度有明顯降低作用[43]。因此，添加適量魔芋葡甘露聚糖可增加β-葡聚糖在涂抹性食品中的應用潛力。燕麥淀粉中添加β-葡聚糖后也可以通過氫鍵連接形成均勻致密的網絡結構，β-葡聚糖對淀粉結晶區有一定的保護作用，在超高壓處理條件下可形成晶核，抑制淀粉老化[44]。大麥β-葡聚糖與小麥淀粉復配，也會通過氫鍵結合在淀粉顆粒表面，促進吸水膨脹和直鏈淀粉有序化排列并增加了直鏈淀粉的重均相對分子質量[46]。

β-葡聚糖具有一定的凝膠性，與多糖復配可以增強其凝膠性，進一步影響食品的加工品質。研究表明魔芋葡甘露聚糖與β-葡聚糖的相互作用能夠通過氫鍵吸附和包埋β-葡聚糖分子而顯著增強復合凝膠的流動性、持水性、黏彈性、內聚性及貯藏穩定性，但對硬度有明顯降低作用。魔芋甘露聚糖與β-葡聚糖復合，可增加β-葡聚糖在涂抹性食品中的應用潛力[47]。β-葡聚糖添加到燕麥淀粉中可通過氫鍵連接形成均勻致密的網絡結構，β-葡聚糖對淀粉結晶區有一定的保護作用，在超高壓處理條件下可形成晶核，抑制淀粉老化[48]。大麥β-葡聚糖能夠促進小麥淀粉的溶脹和糊化，BBG提高通過氫鍵結合在淀粉顆粒表面，促進吸水膨脹和直鏈淀粉有序化排列并增加了直鏈淀粉的重均相對分子質量，形成復合凝膠降低冷藏過程中的硬度和熱焓值，延緩小麥淀粉的長期回生[49]。采用噴霧干燥法，大麥β-葡聚糖復合改性玉米淀粉微膠囊可以包裹魚油（EPA），防止魚油氧化[50]。

2.2.2 β-葡聚糖脂質復合物

食品體系中，谷物 β-葡聚糖可能與其中的不同脂質結合形成復合物，對親脂性小分子有一定荷載作用，可以促進其靶向釋放，提高生物可利用率。利用飽和脂肪酸硬脂酸對燕麥β-葡聚糖進行疏水改性，可以獲得燕麥β-葡聚糖硬脂酸酯，并用于負載楊梅素，在燕麥β-葡聚糖硬脂酸酯的濃度為1.5 mg/mL，燕麥β-葡聚糖硬脂酸酯與楊梅素添加比例1∶1，在12 Kr/min均質速度下均質 3 min，復合物中楊梅素的荷載量能夠達到55.86 μg/mg，并對楊梅素有一定緩釋作用[46]。燕麥β-葡聚糖與辛烯基琥珀酸酐（OS）通過酯化反應可獲得 OS-燕麥 β-葡聚糖酯（OSβG），不同取代度和重均分子質量的OSβG能夠自聚集成表面帶負電荷、粒徑為175～600 nm的球形膠束，并具有載荷姜黃素作用，取代度為0.019 9和重均分子質量為1.68×105g/mol的OSβG能夠荷載姜黃素(4.21±0.16) μg/mg[51]；但食品中的氨基酸對 OSβG載荷姜黃素的穩定性有一定影響[52]。辛烯基琥珀酸酐與青稞β-葡聚糖形成的復合酯，以此作為壁材，黑果枸杞花青素作為芯材，在水相體系中可以包埋46%的花青素作用，花青素微膠囊在低溫和較低 pH條件下較穩定，且對氧化降解有一定的保護作用[53]。

2.2.3 β-葡聚糖蛋白質復合物

谷物 β-葡聚糖與蛋白質相互作用，可以增強其功能特性，拓寬β-葡聚糖的應用范圍，也為富含β-葡聚糖食品的精準加工和精準營養提供了新的思路。大麥β-葡聚糖（BG）與面筋蛋白可在水相分散系中產生直接相互作用，當水分過量時，BG通過增加面筋蛋白在水相中對弱結合水的束縛能力而增加了面筋蛋白的持水性和可凍結水含量，弱化面筋蛋白交聯；利用BG對小麥面筋蛋白進行糖基化改性，能顯著提高小麥蛋白的溶解度和乳化性和起泡性，這些結果為大麥β-葡聚糖復合小麥蛋白作為脂肪模擬物的制備和應用提供了新思路[12,54]。燕麥β-葡聚糖（OG）和乳鐵蛋白在 25 ℃和 90 ℃條件下能夠改變乳鐵蛋白的二級結構形成自組裝體和熱聚集體，熱處理后形成球形顆粒，進一步噴霧干燥，能夠用于運載姜黃素[55]。燕麥β-葡聚糖與大豆分離蛋白可以通過氫鍵相互作用，增強混合凝膠的乳化性和凝膠性，并提高混合凝膠的玻璃化轉變溫度（Tg）和熱穩定性[56]。將不同濃度（0.25%～1%）的燕麥 β-葡聚糖添加到4%的肌原纖維蛋白溶液中，于80 ℃的溫度條件下加熱20 min制成復合凝膠，能顯著提高肌原纖維蛋白凝膠保水性、凝膠硬度和肌原纖維蛋白粘彈性[57]；香腸中加入大麥β-葡聚糖可以使肌肉蛋白質形成更緊密的網絡結構而提高香腸持水性和蛋白質變性溫度[58]，這些研究為富含β-葡聚糖的肉糜制品的研發提供了理論依據。近年來，植物基飲品或奶制品產品的消費呈現不斷增長的趨勢，牛奶中添加高分子量的燕麥β-葡聚糖可以降低牛奶的能量并具有降膽固醇的作用，因此，β-葡聚糖與牛乳蛋白相互作用的研究也較多，β-葡聚糖添加對牛乳體系的粘度、產品的流動性和穩定性都會產生一定的影響。酸凝固酪蛋白酸鈉和BG混合凝膠在微觀水平上存在相分離，在β-葡聚糖低濃度(3% w/w)時混合體系的特性受控于蛋白質的組成，但隨著多糖濃度的增加，混合體系凝膠強度和熱穩定性則受到多糖結構的影響，即酸化脫脂牛奶凝膠中包含 BG可削弱蛋白質網絡結構[58]。多糖分子量變化也會引起蛋白質/多糖混合體系的相分離，OG和酪蛋白酸納混合體系產生相分離現象所需的OG含量取決于自身分子量，當 OG 相對分子質量（Mr）由 3.5×104增大到6.5×104時，其所需含量由2%～ 2.5%（w/w）減少到 1%～1.5%（w/w）即可表現出熱力學不相容性[59]。在熱動力學平衡的狀態下，混合體系中低分子量β-葡聚糖的粘度是影響體系平衡狀態的因素，依賴于蛋白質濃度變化高分子量β-葡聚糖能夠迅速聚集[60]。BG（產品名 GLucagel）對脫脂牛奶相分離的驅動力是在多糖分子中酪蛋白膠粒的絮凝損耗，隨著酪蛋白膠粒容積率和大麥GLucagel濃度的不同，兩相體系或者由于瞬時凝膠態或形成沉淀而分離，較高濃度的β-葡聚糖可以提高酪蛋白膠粒的容積率[61]。因此，牛奶蛋白與β-葡聚糖的熱力學不相容性以及相分離是對產品的一個很大的挑戰。

3 谷物β-葡聚糖的營養研究

谷物 β-葡聚糖作為一類重要的水溶性膳食纖維，近年來對β-葡聚糖及其食品的消化、吸收、轉運與代謝與健康功能相關的研究都有了不斷的深入，特別是從β-葡聚糖分子特性與精準營養相關性方面，研究報道都有了縱深的發展。主要的研究內容見表3。β-葡聚糖的營養功能主要包括對胃腸道健康的影響、降血糖、降脂減肥、改善腸道菌群、抗氧化與抗炎、免疫促進以及部分抗癌功能。這些研究從β-葡聚糖原料來源、加工方式、分子大小或粘度高低等方面，采用體內外研究等多種不同對象，從生化指標、代謝調控以及代謝組學、基因組學和轉錄組學等多方面對營養功效進行表征。這些研究不僅從理論上詮釋了β-葡聚糖的營養作用，也為未來研發新型健康食品提供了科學依據。

表3 谷物β-葡聚糖的營養研究概況Table 3 General situation on nutrition research for cereal β-glucan

4 結論

谷物 β-葡聚糖作為全谷物食品中明顯具有健康功效的膳食纖維組分，已被從多種谷物及其副產品（麩皮等）中單獨提取純化，并應用于各類食品的生產中。向食品中添加谷物β-葡聚糖，不僅可以增加食品的膳食纖維含量，提高其健康功效，同時可利用谷物β-葡聚糖自身黏度、凝膠特性和流動特性等功能特性改善食品品質。因此，谷物β-葡聚糖已經成為健康食品領域的炙手可熱的原料或食品配料之一。然而，目前雖然已有多項研究關注如何提高β-葡聚糖提取率及純度，但工藝條件仍然局限在實驗室規模，缺乏適合工業化生產的提取純化工藝，這仍然是制約谷物β-葡聚糖進一步產業化發展的主要因素。此外，目前谷物β-葡聚糖與淀粉、蛋白質、脂質等其他大分子形成的復合物的功能特性研究及在食品中的應用成為該領域新的研究熱點，但是復合后谷物β-葡聚糖的健康功效及作用機制與單純谷物β-葡聚糖相比差異如何，這也是值得進一步研究的科學問題。

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