水溶性膳食纤维部分水解瓜尔胶的生产、功能和应用

 

摘要：部分水解瓜尔豆胶（也称半乳甘露聚糖，PHGG）是瓜尔豆胶通过甘露聚糖酶水解制备而成，是一种具有良好益生元活性及多种生理功能活性的水溶性膳食纤维。利用专用甘露聚糖酶降解瓜尔胶成功制备得到PHGG。经分析，所得PHGG的重均分子量（Mw）为2.5×10⁴ Da。总膳食纤维含量为90.6%，聚合度小于7的甘露寡糖含量为24.9%，与国外同类产品存在明显区别。现已证实，PHGG具有降糖、降脂、改善心血管疾病和调整肠道菌群等多种生理功能活性。PHGG因其良好的理化性质及功能特性，在饮料、乳制品、肉制品、烘焙食品等食品工业中广泛应用。

 

食品法典委员会定义膳食纤维为一类由3个或3个以上单体组成的，无法被人体小肠内源酶降解的碳水化合物。摄入充足的膳食纤维有助于维持人体体重、促进心血管和消化系统健康以及促进肠道有益菌增殖。世界卫生组织建议健康成年人每天最少摄取30 g膳食纤维，然而人们每天从食物中摄入膳食纤维的量却远小于推荐值。因此，寻找一种额外的膳食纤维补充剂对增加人们日常膳食纤维摄入是十分必要的。

 

瓜尔胶是来源于豆科植物Cyamopsis tetragonalobusa种子中的一种植物胶，是一种较为廉价的食品添加剂。其主要成分是半乳甘露聚糖，作为一种可溶性膳食纤维，瓜尔胶具有增强饱腹感、降低体重等多种功能活性。然而，瓜尔胶粘度极高、易成凝胶，在食品中添加过多会破坏食物口感，甚至阻碍营养物质吸收、降低蛋白质和脂质利用率。将瓜尔胶降解为短链、低粘的部分水解瓜尔胶（Partially hydrolyzed guar gum，PHGG）可以在保持瓜尔胶多种功能活性的同时克服瓜尔胶物性上的诸多不足。

 

美国食品药品监督管理局已认定PHGG为一种“公认为安全的（Generally recognized as safe，GRAS）”食品添加剂；我国也已颁布部分水解瓜尔胶相关国家标准——《食品安全国家标准 食品添加剂 半乳甘露聚糖》（BG 1886.301-2018）。此外，我国食品添加剂（GB 2760-2014）和营养强化剂（GB 14880-2012）的相关国家标准中也已批准半乳甘露聚糖（即PHGG）可作为食品添加剂和营养强化剂分别用于普通食品和特医食品的生产加工。PHGG已被证实具有多种功能活性，例如降低血脂、控制血糖、预防便秘、延缓衰老、保护肝脏、促进矿质元素吸收等。

 

目前，PHGG主要利用甘露聚糖酶降解瓜尔胶进行生产。与其他物理、化学等方法相比，酶法降解的反应过程可控、反应条件温和、反应清洁无污染，是一种绿色环保的水溶性膳食纤维生产方法。与槐豆胶、田菁胶等植物胶不同，瓜尔胶中的半乳甘露聚糖含有丰富的半乳糖残基侧链，增加了甘露聚糖酶与半乳甘露聚糖主链间的空间位阻，导致多数甘露聚糖酶对瓜尔胶的比酶活力和水解效率很低。因此，合适的甘露聚糖酶是生产PHGG的关键。

 

通过利用专用甘露聚糖酶对瓜尔胶进行水解，制备得到PHGG产品，并对产品的相关理化特性进行了测定，随后围绕PHGG的功能和应用等方面进行了介绍，为PHGG的大规模生产和应用提供一定的理论基础和实践依据。

 

1. PHGG的生产

 

在最适水解条件（5%瓜尔胶，甘露聚糖酶加酶量50 U/mL）下，瓜尔胶中92%的半乳甘露聚糖被水解，最终PHGG的得率达87.5%。整个水解过程中，PHGG中甘露寡糖和总膳食纤维的含量如表1所示。可以看出，水解结束后，PHGG中聚合度在7以下的甘露寡糖含量达到24.9%，总膳食纤维含量降低至90.6%。

 

 

^a 甘露寡糖组成及含量用HPLC-ELSD进行分析测定。M：甘露糖；M2：甘露二糖；M3：甘露三糖；M4：甘露四糖；M5：甘露五糖；M6：甘露六糖；U1和U2：未知的甘露寡糖。

^b 总膳食纤维采用美国分析化学家学会提供的方法（AOAC 2009-01）进行测定。

 

瓜尔胶和水解过程中PHGG的分子量分布如图1所示。水解前，瓜尔胶的水溶液呈现均匀的凝胶状，具有很高的重均分子量，达1.2×10⁶ Da。加入甘露聚糖酶后，瓜尔胶凝胶迅速液化；随着水解时间的逐渐延长，瓜尔胶水解物的分子量也逐渐降低。在水解早期，高分子量（>10⁷ Da）的瓜尔胶逐步被降解成分子量较低的瓜尔胶片段（10⁴-10⁵ Da）；随着水解的进行，PHGG的分布曲线逐步向低分子量区域移动，并在低分子量区域出现双峰，在高分子量区域则出现拖尾情况。水解8 h后，PHGG的重均分子量达2.5×10⁴ Da。

 

 

 

2. PHGG的理化性质

 

上述制备得到的PHGG是一种白色粉末，在高温、酸性、碱性和各种消化酶处理条件下，均具有良好的稳定性。此外，PHGG具有良好的水溶性，其水溶液无色、无味、透明、澄清。每克PHGG在体内提供的能量约为1.6-1.9 kcal（6.7-7.9 kJ）。

 

对比了PHGG与国外同类产品的相关性质。结果表明，上述生产得到的PHGG在外观、溶解性等性质与国外同类产品相比没有明显区别。不同的是，国外同类产品的重均分子量约为3.0×10⁴ Da，略高于上述PHGG（2.5×10⁴ Da）。国外同类产品中，总膳食纤维含量（75%）也低于上述PHGG。此外，利用高效液相色谱分析了PHGG与国外同类产品的组成（图2）。结果表明，上述PHGG产品中含有较多的甘露寡糖（24.9%），而国外同类产品中甘露寡糖的含量则相对较少（< 10%）。甘露寡糖可以增强PHGG的相关功能活性。

 

 

PHGG的功能活性

 

PHGG是甘露糖和半乳糖组成的低聚糖，不能被肠道消化酶消化，能够改善机体的新陈代谢功能，有着典型的膳食纤维和益生元特性。PHGG的低粘特性使其便于口服，为在食品工业上的应用和临床上的使用提供了极大的优势。在临床应用上，PHGG常用于治疗肠易激综合征（IBS）、便秘、小肠细菌过度生长（SIBO）、功能性腹痛等肠道疾病。动物实验和人群实验结果表明PHGG具有降糖、降脂、改善心血管疾病和调整肠道菌群等多种生理功能活性。

 

改善糖脂代谢功能

 

PHGG可促进粪便中胆汁酸的排泄，减少肠肝系统中的胆汁酸，从而有助于促进胆固醇的合成并降低体内游离胆固醇水平。对4周龄雄性Sprague-Dawley大鼠进行PHGG饮食干预发现，大鼠甘油三酯水平由57 mg/dL降低至27-30 mg/dL。在Wistar大鼠的日粮中添加8％PHGG，实验21天后发现，对照组的总胆固醇为2.18 mmol/L，而PHGG组降至1.97 mmol/L，表明PHGG能一定程度上改变胆固醇和胆汁酸的肠肝循环。在仓鼠的高脂饮食中添加一定量的PHGG可降低血浆胆固醇和血清胆固醇含量，增强细胞间黏附分子-1（ICAM-1）表达，延缓动脉血栓形成，并提高体内氧化应激水平，增加血清中抗氧化指标Bcl-2和HSP-70蛋白的表达。临床研究表明PHGG具有降脂和降胆固醇活性。将PHGG添加到健康志愿者饮用的葡萄糖水中，在饮用后的第1、2、4、6和8小时分别测量志愿者血液中的血糖、胰岛素、总胆固醇、三酰基甘油酯、低密度脂蛋白、极低密度脂蛋白和磷脂浓度。结果表明，饮用PHGG的志愿者血液中与糖脂代谢相关的指标在所有时间点均低于对照组。健康年轻女性持续2周摄入5或15 g/天PHGG后，血液中的胆固醇和游离脂肪酸均显著降低。在11名健康成年男性中进行随机单盲安慰剂对照交叉实验，志愿者食用添加了6g /天PHGG的酸奶1周后血清甘油三酯和胆固醇水平较对照组均显著降低。此外，PHGG能够降低食品中碳水化合物降解速率和血糖指数，减少大鼠内腔中葡萄糖的扩散来降低大鼠小肠的吸收率，从而降低餐后血糖。5周龄雄性Sprague-Dawley大鼠食用7.5％PHGG 30天后，大鼠的葡萄糖耐量显著改善，从而降低胰岛素水平并改善由高果糖饮食引起的高脂血症。

 

调节肠道菌群，维护肠道稳态

 

PHGG因其良好的益生元活性，能够选择性地增殖肠道中益生菌地生长，抑制致病菌增殖，调节肠道菌群，维护机体健康。采用体外粪便发酵的方法，在培养基中接种志愿者粪便匀浆，并以PHGG作为唯一碳源进行体外发酵，发酵48 h后发酵体系内乳杆菌和双歧杆菌数量显著增加。31位志愿者食用添加有PHGG的饼干21天后检测志愿者粪便中菌群组成，发现双歧杆菌和乳杆菌数量显著提升。健康成年人持续2-3周摄入PHGG后，粪便中双歧杆菌和乳酸杆菌增加，梭菌属，肠杆菌科和链球菌科减少；且摄入PHGG对粪便pH值、平均每日大便次数、腹痛、肠胀气或胃肠胀气没有不利影响。肠道微生物组成变化通常被认为是炎性肠病或肠易激综合征发病机理中的重要因素。PHGG能够调节肠道菌群，促进肠道内乳酸杆菌、AI2酵母菌 和MD2嗜热链球菌等益生菌的增殖；并且还可以提高机体的免疫力，改善健康状况。由于竞争性排斥，乳酸菌的增殖将抑制腐败菌的生长，可减少炎症性肠病。研究发现在产蛋母鸡饲料中添加0.025％的PHGG，可减少粪便中肠炎沙门氏菌的分泌，降低肠球菌肠炎的发病率。

 

治疗肠道疾病

 

PHGG的饮食干预能够改善患者的肠易激综合症，缓解便秘、腹泻及其他肠道问题。膳食纤维可增加粪便重量，增大粪便体积，促进排便，增加肠道转运，从而缓解便秘。研究发现不同剂量的PHGG均有效地提高了便秘小鼠粪便的湿重和粒数，不仅缓解了便秘症状，而且还改善了小肠绒毛的组织形态，提高了粪便中的短链脂肪酸含量。在将PHGG供给325名健康志愿者的15项研究实验中，PHGG体现出了良好的便秘缓解效果，并且在研究中未观察到服用PHGG而产生的任何副作用。实验从粪便排便次数、粪便重量、粪便含水量、粪便体积、粪便排泄感等多方面对志愿者进行评价，结果发现5-7 g/day 的服用剂量能够明显改善健康便秘人群的排便次数。在便秘型自闭症障碍儿童的饮食中添加部分水解瓜尔胶有助于改善便秘和肠道失调症状，进而有助于降低血清炎症细胞因子和行为应激水平。对具有腹泻倾向的健康志愿者调查研究发现，服用3个月的PHGG可显著改善大便形态，使用BSS（布里斯托大便分类法）进行评估，且对大便频率无影响。与安慰剂组相比，服用PHGG组BSS明显正常化。 

 

在DSS诱导的肠道炎症中，PHGG治疗可显著改善结肠损伤，降低脂质过氧化指标，抑制TNF-α基因的表达，降低小鼠体内炎症水平。在一项双盲随机试验中，100例住院患者服用PHGG补充剂（20g）可显著调节结肠细胞对钠和水的吸收，促进短链脂肪酸的产生和提高胆固醇激素水平，从而减少腹泻的发生。PHGG（10 g）可用于抑制由麦芽糖醇引起的腹泻，有效地治疗IBS-C患者的腹痛、腹胀等症状。小肠道细菌过度生长（SIBO）是一种由于小肠中的细菌数量异常导致腹泻、胀气、胃肠胀气和腹痛的病症。治疗SIBO，PHGG和利福昔明连用比单独用利福昔明更有效。因此，使用PHGG可以大幅降低治疗SIBO症状所需的抗生素的使用量。另外，PHGG能够有效减少IBS和功能性便秘患的甲烷非正常排泄症状（p < 0.001）。综上，PHGG在改善便秘、腹泻和疼痛等所有症状方面是安全且有效的。

 

其它功能活性

 

除上述功能活性外，研究表明PHGG在控制体重和减肥、保护肝脏、抑制氧化损伤等方面具有一定的功效。PHGG是一种水溶性胶体，与其他可溶性膳食纤维一样，可增加饱腹感，增大食物体积，延长胃排空时间，降低食欲，降低食物的热量密度，减少碳水化合物和油脂类食物的消化吸收，从而有助于减轻体重，降低胆固醇，降低血糖指数，改善糖尿病以及预防肥胖。研究发现，餐前食用PHGG饮料可减少健康成年人的食物摄入量，减少饥饿感和进食欲望。PHGG在HepG2细胞模型及酒精诱导的小鼠急性肝损伤模型中都发挥了肝保护作用；它在酒精诱导的HepG2细胞中减轻了乳酸脱氢酶的释放，保护HepG2 细胞的线粒体膜完整性；减少了细胞炎症因子的产生，调节了与肝细胞炎症和损伤相关的通路和蛋白表达；并且保护了酒精诱导的急性肝损伤小鼠的肝组织形态；降低了血清中转氨酶和胆碱酯酶的含量，提高了抗氧化酶活性，减轻了急性酒精诱导的肝脏炎症反应，对受到酒精刺激的受损肝脏组织起到一定的保护作用。PHGG可显著提高大鼠血清和大脑中抗氧化酶的活性，降低了丙二醛的含量。肝脏和海马的氧化损伤明显减轻，脑源性神经营养因子和胆碱乙酰转移酶表达增加。

 

PHGG在食品工业中的应用

 

PHGG具有高度可溶性，对所添加的食品几乎没有物理性状上的不利影响，因此在食品工业中应用十分广泛。PHGG在低pH条件下的耐崩解性和在冷水中的溶解性使其能够用于饮料的生产过程中，能够增加饮料的稠度和稳定性，防止汁液分层和沉淀。酸奶中加1-6％的PHGG，可以减少水乳分离，提高酸奶的持水性，从而改善低脂肪酸奶的流变性和质地特性。PHGG很容易与冷水和热水结合，形成稳定的水溶液。因此，生产肉制品和肉罐头产品时，常将其作为润滑剂和水粘合剂；并且，它可以减少储存期间肉制品的脂肪迁移和水渗出，延长货架期。制作面点时，在面粉中添加PHGG，可以提高面团的强度和成膜力，有效防止生产出来的冷冻饼干和馅饼的开裂、收缩和脱水，降低油脂渗透。研究发现，在PHGG浓度为2.0-3.0％时，饼干的硬度降低，质地更柔软，优化了饼干的感官和物理特性。面包在储藏过程中，由于水分的损失，水和淀粉在长期储存期间的回生，会发生老化。PHGG有助于面包在储藏时保持水分，从而保持面包柔软度完好，并减缓面包脱水过程。据报道，在全麦面粉中加入浓度为0.25-1％的PHGG，能够增加面粉的吸水性，使其更易于加工；以此面粉制作的薄饼的柔软度、质地和柔韧性也得到改善。

 

小结

 

PHGG具有良好的益生元活性和多种生理功能活性，可调节菌群、促进排便、控制血糖血脂、保护肝脏等，对促进机体健康有着十分重要的意义。PHGG在食品工业中得到广泛的应用，常用于饮料、乳品、肉制品、和烘焙食品等生产中。将其添加到食品中后，不仅能优化食品的产品特性，而且还因其良好的功能活性，提升了产品的营养价值。

 

 

 

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