益生元被国际益生菌和益生元科学协会定义为“被宿主微生物群选择性利用并赋予宿主健康效益的底物”,通过诱导肠道菌群多样性,提高肠道屏障完整性等方式,改善肠道微环境和代谢平衡,在维持肠道健康方面发挥重要作用,已成为一种理想的功能因子[1]。随着相关研究日渐深入,益生元的天然食物资源日趋多样,在许多谷物、果蔬、豆类、薯类及其副产物中,均存在具有益生元潜能的功能组分,主要包括膳食纤维(功能性低聚糖和多糖类)及酚类物质[2-6]。这些新型天然益生元的开发利用,极大地促进了功能性食品的研发,也已成为国内外肠道健康领域的热点话题。
随着国民对于饮食健康的日益重视,添加益生元提升面制品的营养功能和感官品质成为一个新的趋势。面包、面条、饼干等面制品中的蛋白质、多糖等生物大分子可与益生元发生络合,对益生元具有一定保护作用,可作为递送益生元的良好载体;同时,益生元通过良好的持水性、增稠性、凝胶性等理化特性,可改善面制品的质构、色泽和风味,延缓淀粉老化,提高面制品整体品质。近年来,越来越多的研究者开始研发益生元功能性面制品,在改善面制品感官品质的同时,赋予了产品调节肠道菌群的功能性[7-8]。
目前对于益生菌功能性食品的研究报道较多,但关于益生元面制品的研究鲜见综述。因此,本文将对益生元应用在面制品中的最新研究动态及开发瓶颈展开综述,以期为进一步开发适宜中国人群的益生元面制品提供参考与借鉴。
1 益生元面制品品质改良研究进展
近年来,益生元中的两种代表性类型——功能性低聚糖和多糖,被广泛应用于面制品品质改良,显著增强了面制品的口感、色泽、香气及延长货架期,发挥了面制品的感官和营养的双重提升效果。
1.1 功能性低聚糖对面制品品质改良
被添加到益生元面制品中的功能性低聚糖种类主要包含:低聚果糖(fructo-oligosaccharides, FOS)、低聚木糖(xylooligosaccharides, XOS)、低聚半乳糖(galacto-oligosaccharides, GOS)和低聚异麦芽糖(isomaltooligosaccharides, IMO)。
FOS热量低、甜度低,可赋予面包和蛋糕清甜的口感,并能降低产品热量,提高保湿性,延缓淀粉老化,防止面制品硬化,延长货架期;还能改进烘焙食品的色泽与脆性,有利于饼干、面包的膨化[9]。
XOS甜度低、耐酸碱、热稳定性也较理想。能改善蒸烤馒头感官品质及贮存性能,抑制面制品中的水分迁移,改善面包贮存期保水性,延长货架期,在烘焙产品中具有增味剂的作用。XOS 可以改善饼干的烘焙特性,表现为焦糖味增加、颜色更深、质地更脆[10]。
GOS热量低、耐高温、保湿性好,制成的面包松软有弹性,货架期延长。向烘焙食品中添加GOS具有很好的耐热性和稳定性,在加工、烘烤和贮藏过程中保留率很高[11]。
IMO保湿性好、渗透压高,能防止淀粉老化和糖类析出,耐低pH和高温。常用于蛋糕中,可以改善蛋糕的质构与色泽,并延长货架期[12]。
1.2 功能性多糖对面制品品质改良
常用于面制品中进行品质改良的功能性多糖主要包括:菊粉、魔芋葡甘露聚糖(konjac glucomannan, KGM)、β-葡聚糖(β-glucan, BG)、水溶性阿拉伯木聚糖(water-extractable arabinoxylan, WEAX)及抗性淀粉(resistant starch, RS)。
菊粉可以提高小麦蛋白的乳化性能和热稳定性,其机理为促进蛋白质中自由巯基向二硫键的转化,使β-转角向β-折叠结构和无规卷曲结构转化[13]。在一定的添加量(<10%)下的短链菊粉会促进面团的发酵过程,增大面包的孔隙率、体积和比容,缩短焙烤时间,并能赋予酥性饼干良好的口感与质地,降低饼干体外消化率[14]。
KGM富含羟基,因此可以束缚住大量水分子,防止面团水分散失,维持面团拉伸能力,改善面包流变特性,延缓面包老化[15-16]。KGM还能通过氢键和疏水键与面筋蛋白作用形成糖网络,强化面筋网络,改善小麦面团的冻藏稳定性。此外,KGM通过疏水相互作用和物理缠结改变面筋蛋白的构象,影响多肽链空间结构的重排,促进面筋蛋白中β-转角和无规卷曲结构转化为结构更稳定的α-螺旋和β-折叠结构,提高面筋蛋白的黏弹性和热稳定性[17]。
BG具有良好的持水性,能与淀粉相互作用,抑制馒头和面条中的水分迁移及淀粉老化,提高面团的蒸煮产量、黏合力和延展性,改善面制品品质[18]。BG还能通过与脂质、多糖和蛋白质形成复合物,维持面团流变特性和淀粉结晶区结构,增强其凝胶性以及对面团的冷冻保护作用,促进营养小分子的靶向释放,为精准加工和精准营养提供思路[19]。
WEAX具有高持水力、高黏度及氧化凝胶的能力,能显著影响面包面团的水平衡、流变特性以及淀粉的回生,可改善面团的保水性能、附着力、延展性、黏弹性和持气性[20]。WEAX在热量诱导下发生氧化交联,通过结构变化和含量减少,改善面包的持气性。WEAX吸收水分,使自由水减少,降低了冷冻贮藏时冰晶对面筋网络的破坏,有助于维持气室的形状,可作为小麦冷冻面团的改良剂[21]。
RS热稳定性高,持水性低,消化率低,适合用于面包等烘焙产品。研究表明,添加RS可以提高面团的吸水率,抑制淀粉的回生,降低面包的硬度[22],赋予面包更好的保水性,而对面包屑的颜色、外观和对称性无明显影响[23]。
1.3 其他益生元对面制品品质改良
除了功能性低聚糖和多糖这两类主要的益生元被开发作为面制品品质改良剂,益生元中其他种类也有类似研究,例如酚类抗氧化剂对面制品也可以改善面制品的烘焙特性、蒸煮特性、水合特性和流变学特性。小麦中的阿魏酸以及外源添加的茶多酚等酚类抗氧化剂,通过羟基与蛋白质肽残基的羰基之间形成氢键,或者通过疏水相互作用吸附在蛋白质表面,与蛋白质和(或)多糖发生络合。这种由氢键和疏水相互作用介导的交联会影响面包体系在烘烤过程中的结构和特性变化,从而改善产品品质[24-25]。
2 益生元面制品对肠道健康的影响
益生元以面制品作为载体,经人体摄入后,到达消化道,起到了调节肠道微环境的效果,作用机制主要可以概括为3个方面(图1),调节肠道菌群结构、调整代谢产物种类及水平和补充膳食纤维。
(1)面制品作为载体运送益生元进入机体,经由肠道菌群代谢利用,满足益生菌复杂的营养需求[26]。微生物对于益生元的利用存在选择性差异,菌群结构的调节效果主要体现为刺激双歧杆菌、乳酸杆菌等益生菌的大量增殖,并抑制大肠杆菌、梭菌、幽门螺旋杆菌等致病菌的生长,因此益生元面制品可以改变肠道菌群结构[27]。WALTON等[28]研究发现,食用含阿拉伯木聚糖寡糖的面包能促进粪便双歧杆菌数量的增加,同时观察到蛋白质发酵指标降低、糖酵解发酵终产物增加,这说明阿拉伯木聚糖寡糖面包促进肠道菌群结构的有益转变。NISSEN等[29]发现4%橄榄渣多酚纤维提高了面包中可发酵蛋白质和碳水化合物的比例,使其更适合于纤维发酵而非蛋白质发酵。在多单位体外结肠模型中细菌种群的变化也显示,与纤维发酵相关的物种(双歧杆菌、乳杆菌)增加,对人体有害的蛋白水解类物种(肠杆菌、大肠杆菌、梭菌)减少(P<0.05)。
(2)促进益生菌的生长活动,调整代谢物的种类及水平,其中对于短链脂肪酸(short chain fatty acids, SCFAs)(主要是乙酸、丙酸、丁酸及其盐类)的调节最为引人关注。食用益生元面制品后,可提高SCFAs的水平,从而降低肠道pH值,使管腔酸化,促进黏液素的分泌,为益生菌提供适宜的定植环境。COSTABILE等[30]发现,含低聚半乳糖的面包能显著促进丁酸盐和醋酸盐含量增加,还可以抑制危害宿主健康的蛋白质发酵过程,表现为异戊酸盐和复合支链脂肪酸、戊酸盐和己酸盐浓度降低。另一方面,SCFAs能维持肠上皮细胞60%～70%的能量供给,有助于维护肠道屏障完整性,抑制致病菌在肠上皮细胞表面的入侵,预防炎症性肠病(inflammatory bowel disease, IBD)。LLUANS
等[31]研究发现,克罗恩病和溃疡性结肠炎患者在食用3种由旧金山乳酸菌(Lactobacillus sanfranciscensis)发酵的益生元面包后,肠道菌群多样性和SCFAs产量均增加,这为IBD 患者恢复肠道健康的潜在方式提供了一种饮食治疗方案。
(3)为机体补充可溶性膳食纤维。益生元在肠道中吸收水分,增大肠道内容物体积,刺激肠道蠕动,加速肠道转运,通过增加粪便的持水性和体积改善通便功能,起到“肠内清道夫”的作用,同时缓冲胃中过多的酸,防止便秘[32]。HONGISTO等[33]研究发现,富含纤维的黑麦面包缩短了粪便通过肠道的时间,增加排便频率、软化粪便质地,并使排便更顺畅,可改善便秘女性的肠道功能。
图1 益生元面制品与健康的关系
Fig.1 Relationship of prebiotic flour products and health
3 益生元面制品其他功能特性研究
近年来,国内外研究者开展了大量体外模拟消化实验及体内动物实验,以探究益生元面制品的营养特性,发现其还具有改善脂代谢、糖稳态、促进矿物质吸收和抗氧化等功能,这对于提高益生元面制品的附加价值具有重要意义。
益生元面制品具有改善脂代谢的效果。膳食纤维类益生元可以吸附肠道中的胆汁酸,促进胆汁酸排出,协助机体将更多的胆固醇分解成胆汁酸,从而降低血液中的总胆固醇和低密度脂蛋白(low-density lipoprotein, LDL)水平。BYRNE等[34]研究发现,添加益生元菊糖丙酸酯的面包卷,可以抑制食欲,防止体重增加和血脂水平增高,具有改善由血脂异常导致的动脉粥样硬化的效果。CONTERNO等[35]发现食用富含橄榄果渣[(17.1±4.01) mg/100 g羟基酪醇及其衍生物]的饼干能够抑制LDL的氧化修饰,降低氧化型LDL,预防动脉粥样硬化。
益生元面制品可以稳定血糖水平,具有的抗消化能力有助于降低血糖指数,减缓面制品在体内的消化速率,改善糖耐量并增强胰岛素敏感性,有效控制体内葡萄糖释放,有利于稳定餐后血糖和体重管理,适合高血糖、糖尿病患者及肥胖人群食用[36]。CAPRILES等[37]发现,添加12%菊糖型果聚糖能降低无麸质面包的血糖指数(从71降至48)和血糖负荷(从12降至8),可为乳糜泻患者提供营养并稳定血糖,同时增加钙的吸收。此外,ROMAN等[38]发现用天然香蕉抗性淀粉替代30%米粉的饼干明显降低了血糖生成指数,同时具有稳定血糖的效果。
益生元面制品可以提升机体对于矿物质的吸收效率。在肠道感染或炎症的情况下,肠道对钙的吸收率较低,导致罹患骨质疏松的风险增加。而SCFAs的含量与钙的吸收密切相关,通过摄入益生元面制品可提高SCFAs含量,从而促进钙的吸收,预防由钙吸收障碍导致的骨质疏松症[39]。而KRUPA-KOZAK等[40]发现,无麸质面包中的菊粉可以通过调节大鼠肠道微生态系统(管腔酸化、氨浓度降低和SCFAs产量增多),促进对钙和镁的吸收,从而预防骨质疏松症,且当钙摄入量不足时,这种影响更加深刻。
添加酚类益生元的面制品具有良好的抗氧化潜力。酚类益生元可以中和活性氧、清除自由基、抑制毒素的产生[41]。徐敏[42]开发的茶多酚挂面,显著提高了DPPH自由基清除能力和抗淀粉消化能力,且酸性条件下功能特性更显著。罗昆等[43]发现,发酵麦麸面包在经肠胃消化后,游离酚和阿魏酸含量更高,且吸收效果好(67.80%～72.30%的阿魏酸被吸收),显著提高了面包的抗氧化活性。
4 益生元面制品开发瓶颈
4.1 抗营养因子的干扰
目前在面制品中加入益生元的最大挑战是如何在成品中最大限度地保留益生元功能。谷物中的BG、阿拉伯木聚糖、纤维素等非淀粉多糖,以及植酸、胰蛋白酶抑制剂、凝集素、单宁等,具有明显的抗营养作用,会降低机体消化酶的活性,对糖、氨基酸、脂肪酸和矿物质的吸收利用产生抑制作用[44]。这些抗营养因子的作用机制与其黏性有关。黏性越高,越影响消化酶与底物接触及消化产物向小肠上皮绒毛渗透[45]。目前食品界降低抗营养作用的主要解决方法有:(1)将酶法改性用于BG、阿拉伯木聚糖的提取[46],以改变纤维结构,优化氨基酸组成,同时降低益生元的黏性,加快食糜排空速度,提高益生元进入人体消化道后发挥的营养价值;(2)将研磨和挤压膨化技术应用于阿拉伯木聚糖微观结构的改变[47]。例如MORALES等[48]发现,从经过研磨和挤压改性后的小扁豆粉中提取出的阿拉伯木聚糖,表现出更高的益生元活力和更低的抗营养作用。(3)筛选出具有益生菌特性的乳酸菌和酵母菌,具有高效的植酸降解能力,可以被用作生产面包的发酵剂[49]。
4.2 益生元的副作用
益生元的副作用主要体现在过量服用时引起的腹泻、腹胀、痉挛和肠胃胀气等不良反应。例如短链阿拉伯木聚糖和乳果糖等小分子质量益生元,在近端结肠被代谢,产生大量氢气导致不良反应。益生元的安全性与服用剂量有关,例如乳果糖的服用剂量从3 g/d增加到5 g/d才可能会引发腹胀[50],高剂量(40～50 g/d)才会导致渗透性腹泻[51]。因此,在进行益生元面制品的开发时应关注益生元添加量的适宜性。
4.3 新型益生元的不稳定性
植物多酚作为一种新型益生元,化学性质比低聚糖和多糖类益生元更不稳定,需要利用谷物蛋白质和植物多酚构建纳米输送载体等方式,以提高产品的乳化性能、抗氧化活性和热稳定性,改善食品的功能性和品质[52]。但现有技术由于成本较高、操作复杂、试剂和能量消耗大等缺点,不易推广至大规模生产,尚需进一步优化提取方法[53]。
5 结论与展望
益生元可以有效提升面制品的感官品质与营养功能,具有广阔的发展前景和消费市场。我国在益生元面制品的开发方面已有良好基础,未来还有以下工作急需开展:结合体内和体外消化实验继续深入探究益生元面制品发挥的实际营养功能;在分子和代谢水平探究新型益生元对肠道微生物菌群的调节机制;加强对益生元成分与面制品中其他组分之间相互作用模式的研究,提高产品的适口性、运输性以及益生元的稳定性;优化益生元面制品加工技术,降低抗营养因子对营养素生物利用率的影响;开展对益生元与益生菌、后生元等功能组分协同作用的研究,为开发下一代复合型益生元面制品提供理论依据。
我国作为人口大国,在未来将有更多功能性面制品的消费需求,加快益生元面制品的开发不仅有助于提升产品口感品质,也将给予大众更加符合健康理念的膳食选择,在饮食个性化、精准化营养、以肠道菌群为靶点的慢性病预防方面发挥更大的作用。
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