A-全脂体系；B-无脂体系；C-脂肪体系；D-不规则脂肪模拟体系；E-规则脂肪模拟体系；F-脂肪替代体系
图1 不同脂肪替代品的替代机理[13]
Fig.1 The substitution mechanism of different fat substitutes
近几年，烘焙食品深受人们欢迎，不仅美味，还可为我们提供膳食纤维和其他营养物质，烘焙行业快速发展。但据世界卫生组织统计，2014年全世界有约39%的人口超重，约13%的人口肥胖，且肥胖率逐年上升，健康问题日益突出，低脂的健康饮食成为潮流。然而，大多数传统烘焙食品具有高油、高糖、高卡路里、易肥胖等特点，并不属于健康饮食，无法满足人们对健康的需求，是现如今烘焙行业面临的主要问题之一。故低脂的健康烘焙将成为烘焙行业发展的大趋势之一，但烘焙食品中的脂肪在食品的质地和口感方面具有一定作用，若简单地去除会对食物的品质造成严重影响，从而降低消费者对食物的可接受度。因此，脂肪替代品的开发与研究刻不容缓，目前已有部分学者对脂肪替代品进行了大量研究，本文将从脂肪在烘焙产品中的作用、脂肪替代品的分类及其应用这几方面进行分析总结。
脂肪是由甘油和脂肪酸组成的三酰甘油酯，在面包、蛋糕和饼干等固态烘焙食品中通常存在于与固体基质分离的不规则分散相或连续相中。其中，起酥油是一系列由氢化植物油或动物脂肪制成的半固体脂肪，在烘焙产品制作过程中，起酥油与其他材料混合，液体部分与蛋白质和淀粉表面的水竞争，而固体脂肪晶体埋于蛋白质网络中，分布在空气-油或油-水界面[1]。烘烤后，液体和固体脂肪形成了连续或分散的油相，组成了食品的结构[2]。
在烘焙产品中，脂肪通过阻碍蛋白质和淀粉形成连续固体网络，从而赋予食物柔软的质地，当食物中的脂肪减少时，脂肪-脂肪、脂肪-蛋白质和脂肪-多糖之间的相互作用减少，改变食品的质构，固体网络的弹性和脆性变大，产品将具有高硬度和弹性[3]。厚度、光滑度、油性和乳脂状等感官特性以及食物的颜色、持水力、微观结构特征和粒径等均与食物中的脂肪密切相关[4]。
除此之外，食品中的脂肪可保存一定的亲脂性特征风味和香气，影响水相中味道化合物浓度的变化以及食物的苦味、涩味、酸味和咸味[5]。同时脂肪也会影响食物中的生化过程，比如对于需要发酵或后熟的食物(例如面包)，去除脂肪会导致特征性脂肪来源的香气消失以及一些不良味道和气味的产生[6]。
为了降低由脂肪减少所引起的食物感官特性的变化，许多学者用脂肪替代品来替代部分食物中的脂肪。脂肪替代品根据其化学组成和功能一般可分为两类：脂肪替代物和脂肪模拟物。脂肪替代物通常指基于脂质的脂肪替代品，一般具有与三酰甘油酯类似的结构，且用于一对一地替代脂肪；而脂肪模拟物通常指基于蛋白质或碳水化合物的脂肪替代品，具有与脂肪相当的功能，且不一定通过一对一替代脂肪[7]，而不同脂肪替代品的替代机理根据PENG等[13]阐述的碳水化合物基替代机理并稍作修改，如图1所示。
A-全脂体系；B-无脂体系；C-脂肪体系；D-不规则脂肪模拟体系；E-规则脂肪模拟体系；F-脂肪替代体系
图1 不同脂肪替代品的替代机理[13]
Fig.1 The substitution mechanism of different fat substitutes
脂肪替代物是以脂肪酸为基础的酯化产品，其酯键能抵抗脂肪酶的催化水解，消化率低，因此能量较低或为0。如图1-A～图1-C所示，它的最大优点是具备类似油脂的物化特性。用脂肪替代物来替代食品中的部分或全部油脂，可显著降低食品的能量且几乎不会对食品的感官品质造成不良影响。同时这类化合物具有热稳定性，在高温油炸及焙烤食品中有独特的优越性。目前常用的脂肪替代物为蔗糖聚酯、三烷氧基丙三羧酸酯、二元酸酯、羧酸酯、聚硅氧烷、霍霍巴油和丙氧基甘油酯等,如表1所示。
表1 不同代脂肪的组成和生产公司
Table 1 Composition and production companies of different fat substitutes.
产品组成生产公司蔗糖聚酯蔗糖与C8～C22脂肪酸的酯化产物Procter&Gamble公司salatrim一类经过改性的三酰基甘油,富含短链脂肪酸和硬脂酸Danisco-Cultor公司三烷氧基丙三羧酸酯三丙三羧酸与C8～C30饱和或不饱和醇的酯化产物CPC国际公司二元酸酯丙二酸酯化物,其烷基包含1～20碳原子,酯基包含12～18碳原子Frito-Lay公司羧酸酯由2种不同类型的酸(脂肪酸与具有酸功能的酯或醚)与多元醇组成的复合酯化产物Nabisco Brands公司聚硅氧烷二氧化硅的有机衍生物(主要是甲基或苯基)Dow Corning合作公司霍霍巴油单不饱和长链脂肪酸与C20～C22(包含1个双键)脂肪醇组成的线性酯混合物Lever兄弟公司丙氧基甘油酯环氧多元醇与C8～C24脂肪酸的乙酰化物Arco化学公司
2.1.1 蔗糖聚酯
蔗糖聚酯(olestra)是蔗糖和食用油的酯化产物，结构类似于甘油三酯，蔗糖取代了甘油为核心，具有6～8个脂肪酸侧链，可为食品提供脂肪风味和质构。由于olestra分子很大，几乎不能被人体完全吸收，也不能被消化酶分解，故不产生能量。同时olestra具有热稳定性，可替代焙烤产品和油炸食品等各类食物中的脂肪[8]。汤晓娟等[9]研究发现，蔗糖聚酯可替代休闲蛋糕中25%的油脂，对休闲蛋糕面糊流变特性和感官品质不产生影响。但休闲蛋糕的硬度和咀嚼度会随蔗糖聚酯的增加而增加，所以脂肪替代率达到50%时，会对休闲蛋糕的质构产生很大影响。豆玉静等[10]用蔗糖聚酯替代蛋糕中的黄油，可使蛋糕脂肪含量降低61.1%，热量降低466 kJ/100g，且在弹韧性和感官评价上要优于普通蛋糕。大量动物和人体的研究表明，olestra可帮助人体减少胆固醇的吸收并增加其排泄，且已有约75项人体研究证实了olestra的安全性[8]。美国FDA于1996年批准了olestra在油炸小吃食品中的应用，而中国在 2010 年批准蔗糖聚酯为新资源食品。
2.1.2 Salatrim
salatrim是一类经过改性的三酰基甘油，富含如乙酸、丙酸和丁酸的短链脂肪酸和硬脂酸。由于短链脂肪酸所提供的热量比长链脂肪酸少，且吸收性不好的硬脂酸比例很高，故salatrim的所提供的热量低于传统脂肪。根据美国法规salatrim的热值约为21 kJ/g，根据欧盟法规，salatrim的热值约为25 kJ/g，而传统脂肪热值为38 kJ/g。salatrim的物化性质与普通油脂非常相似，可在高脂食品中以任意比例替换普通油脂。PIMDIT等[11]用salatrim替代酥皮糕点中的起酥油，可使糕点的脂肪含量降低25%，在比容和脆性上2种糕点没有显著差异，但在亮度、外观、香气和风味上具有显著差异。salatrim的安全性已经得到认可，于1994年通过美国FDA的安全审查，被批准为GRAS食品。
由于脂肪模拟物的化学性质与脂肪完全不同，所以无法在分子水平上模拟脂肪。然而，蛋白质和碳水化合物主要通过这2种方法来模拟脂肪：一方面，如图1-D所示，蛋白质和碳水化合物保持其原有的不规则形态，通过特有的物理化学和感官特性(例如黏度和厚度)来模拟脂肪；另一方面，如图1-E所示，蛋白质和碳水化合物可加工成具有类似于脂肪球和乳液滴尺寸和形状的微粒，从而模拟脂肪[12]。
2.2.1 碳水化合物基脂肪替代品
碳水化合物基脂肪替代品来源很多，包括淀粉胶体、纤维及其衍生物，但淀粉为主要来源。脂肪可通过与蛋白质相互作用从而阻碍蛋白质网络的形成，产生柔软的质地，而碳水化合物基脂肪替代品可通过破坏蛋白质固体网络形成，产生脂肪般质地[13]。除此之外，大部分碳水化合物基脂肪替代物能被人体完全消化且不会产生副作用。
2.2.1.1 淀粉
淀粉在人体胃肠道中易消化，如表2所示，淀粉来源广泛，天然淀粉平均提供4 cal/g的能量，远低于脂肪。天然淀粉中与脂肪乳粒径相似的淀粉可形成凝胶状基质，润滑且具有流动性，与脂肪性质类似，可模拟脂肪[14]。SERINYEL等[15]研究发现淀粉基脂肪替代品由于其良好的水结合性可以改善蛋糕的体积、对称性、硬度和感官特性，是良好的低脂烘焙产品的脂肪替代品。YOUNGTACK等[16]分别用天然和改性淀粉(乙酰化和羟丙基化)来替代马芬蛋糕和饼干中20%的黄油，发现低脂蛋糕和饼干与全脂蛋糕和饼干在体积、重量、密度、高度、颜色等物理变化以及外观、风味、质地等感官性质方面没有显著性差异(P>0.05)。
通常，天然或未改性淀粉由于其在各种温度、pH和剪切条件下的不稳定性而在食品中的应用受限。但对淀粉进行化学、物理、酶处理和基因等方法的修饰可使其获得更理想的功能特性[17]。化学改性是生产变性淀粉的主要途径，吴俊等[18]用亲酯改性的微细化淀粉替代饼干中的油脂，制作成的低脂压缩饼干口感细腻、成型良好、连食性强。交联淀粉与天然淀粉相比，具有更低的溶胀度、溶解度和消化率，更高的糊稳定性和耐蒸煮剪切，对温度和低pH值的敏感度更低，产生的卡路里更低[19]， RODRIGUEZ-SANDOVAL等[20]研究发现可用交联木薯淀粉替代马芬蛋糕中8%的油脂，实验组和对照组在重量损失、比容、面包含水量、水分活度、黏性、质构和色泽方面没有显著差异。而用辛烯基琥珀酸钠(octenyl succnic anhydride，OSA)来改良天然淀粉，可增强淀粉颗粒的乳化性质从而更好地模拟脂肪，BALIC等[21]用小麦和木薯OSA改性淀粉替代面包中的起酥油，发现OSA改性淀粉可改善面团的糊化特性、凝胶硬度、黏性、混合性和面团强度，且木薯OSA改性淀粉比小麦OSA改性淀粉效果好。
2.2.1.2 麦芽糖糊精
麦芽糖糊精是通过淀粉的部分酶酸水解获得的，是具有低聚合度(degree of polymerization，DP)的α-D葡聚糖。麦芽糖糊精通常用其葡萄糖当量(dextrose equivalent，DE)值标记，DE值通常不超过20。DE值越大，水溶性和甜味强度越大。如表2所示，低DE值麦芽糊精可形成柔软、可伸展、热可逆的凝胶，有利于提高产品的顺滑感、柔软性、持水性、黏稠性从而替代脂肪。为了达到更好地脂肪替代效果，可以将低DE麦芽糖糊精加工成成直径为1～3 μm的不规则形状的微凝胶[22]，含有20%～25%(质量分数)麦芽糖糊精，且提供的能量(4.2 J/g)比干麦芽糖糊精(16.7 J/g)低得多。除此之外，不同植物来源也会对麦芽糖糊精的功能产生影响。例如，用蜡质玉米淀粉形成的麦芽糖糊精微凝胶比马铃薯淀粉更适合替代氢化植物油。
SERIN等[23]分别用菊粉、聚葡萄糖和麦芽糖糊精代替土耳其传统烘焙产品中的油脂，研究发现用麦芽糖糊精和聚葡萄糖制备糕点的感官评价比菊粉的分数高，麦芽糖糊精可以替代糕点中30%的脂肪，总卡路里降低约22%，且对糕点品质不产生影响。CHYSIRICHOTE等[24]用麦芽糖糊精凝胶和菊粉凝胶用作脂肪替代品，开发低脂的中式糕点，结果表明麦芽糖糊精凝胶替代脂肪的效果没有菊粉凝胶好。李东霞等[25]研究了低DE值麦芽糖糊精替代部分苏式月饼皮中的猪油，结果表明，低DE值麦芽糖糊精可替代水油皮面团中30%的猪油而不会对产品感官品质造成影响，但低DE值麦芽糊精不能替代油酥皮面团中的猪油。
2.2.1.3 聚葡萄糖
聚葡萄糖是在柠檬酸作用下由葡萄糖和山梨醇合成的一种高分子糖类化合物，其平均DP(约12)低于大多数碳水化合物聚合物(例如淀粉、树胶和纤维)。如表2所示，葡萄糖和山梨糖醇单元之间的随机交联使聚葡萄糖对人体消化酶具有抗性，因此聚葡萄糖的能量很低(1 J/g)[26]，且聚葡萄糖具有复杂的结构和较强的持水性，有利于保持烘焙食品的柔软度，改善组织结构和延缓淀粉老化糊化等。除此之外，聚葡萄糖具有调节肠道、血糖血脂等作用，是一种功能性水溶膳食纤维。
聚葡萄糖能替代烘焙产品中的糖和脂肪，并通过其独特的功能来维持低脂产品的品质。AGGARWAL等[27]研究发现聚葡萄糖能替代饼干中30%的油脂，并对饼干的感官特性不产生影响。KOCER等[28]用聚葡萄糖来替代蛋糕中的脂肪和糖，发现聚葡萄糖可替代25%的脂肪和22%的糖，从而使蛋糕卡路里降低了22%。ZOULIAS等[29]用聚葡萄糖来替代饼干中的脂肪，可替代20%的油脂，且对饼干的硬度几乎没有影响。同时，聚葡萄糖对人体不存在毒性，粮农组织/世界卫生组织食品添加剂联合专家委员会没有限制聚葡萄糖的每日摄入量。
2.2.1.4 胶体
天然胶体的来源广泛，如植物来源(瓜尔豆和果胶等)、树源(蔷薇科分泌胶等)、细菌来源(黄原胶和葡聚糖胶等)和藻类来源(褐藻胶等)等。胶体是一组天然存在的多糖，被广泛用作胶凝剂、增稠剂、乳化剂、涂层剂和稳定剂。胶体中存在大量羟基，具有一定的亲水能力，其中许多胶体是由聚合物组成，可形成交联网络并将水固定在黏弹性系统中[30]。如表2所示，胶体可使油和水稳定地混合，同时可稳定食品中结合水等组分并抑制水分流失，增加产品的稠度，提供与脂肪类似的口感，因此它们被广泛应用在低脂食品中。
HU等[31]用秋葵胶替代香蕉面包中50%、75%和100%的脂肪，发现所有的低脂面包与普通面包相比，在风味、质地、颜色和总体可接受度上没有显著差异。SALEHI等[32]研究发现在蛋糕中加入胶体后，蛋糕糊的黏度和蛋糕体积显著增加了，蛋糕密度从344 kg/m3降至321 kg/m3，蛋糕质地更加柔软了。HAJMOHAMADI等[33]认为将黄原胶(质量分数0.4%为佳)加入到海绵蛋糕中，有利于改善蛋糕质地并且可延长保质期。在50多年的广泛应用中，基本上没有临床或可靠的科学证据表明食用胶会对人体的健康造成威胁。
2.2.1.5 纤维素类
纤维素是一种在自然界大量存在的可再生的生物聚合物。植物来源纤维素脂肪替代品主要通过机械研磨(例如，粉末纤维素)、化学解聚、湿机械崩解(例如，微晶纤维素/纤维素凝胶)和化学衍生(例如羧甲基纤维素钠/纤维素胶， 甲基纤维素/改性植物胶和羟丙基甲基纤维素/碳水化合物胶)等获得[34-35]。如表2所示，纤维素大都不能被人体消化吸收，故不能转化为能量，能量为0～16.75 J/g。纤维素类粒子的直径通常小于10 μm，与脂肪微粒大小差不多，纤维素粒子可通过物理键能的作用与水分子形成三维网状结构的弱凝胶从而获得类似于脂肪的特性[36]。
LAGUNA等[37]分别用菊粉和羟丙基甲基纤维素取代饼干中的脂肪，研究发现最高可替代饼干中15%的脂肪，并且羟丙基甲基纤维素模拟脂肪的效果要比菊粉好。OH等[38]将羟丙基甲基纤维素(hydroxypropyl methlcellulose，HPMC)和向日葵油加工成HPMC油凝胶，替代马芬蛋糕中的起酥油。研究结果表明，HPMC油凝胶可以有效地替代高达50%起酥油，且不会对马芬蛋糕的品质造成影响。SANZ等[39]用不同的纤维素醚乳液(羟丙基甲基纤维素HPMC，甲基纤维素MC和具有更大甲氧基取代的甲基纤维素MCH)来替代饼干中的起酥油，其中MCH乳液替代起酥油的效果最好，与普通饼干的品质相似，最受人欢迎。食品中的纤维素不仅能替代脂肪，降低食物的卡路里，还具有提高人体免疫力，预防癌症、糖尿病和心血管疾病等功能[40]。
表2 不同脂肪模拟物及其功能
Table 2 The different fat mimics and their functions
脂肪模拟物的类型来源能量/(J·g-1)功能作用应用碳水化合物基天然淀粉17改性淀粉物理法(如热、微波、超声波、挤压和电离放射线等)化学法(氧化、酯化、接枝、交联和复合等)生物法(酶处理、转基因技术等)其他法(多种改性法联用等)木薯、土豆、小麦、燕麦、玉米、豌豆等4～17有利于胶凝、增稠、改善质构、提高持水性和稳定性马芬蛋糕、压缩饼干、面包和沙拉酱等麦芽糊精玉米、小麦、土豆和木薯等4～17有利于提高顺滑感、柔软性、持水性、黏稠性中式糕点、苏式月饼皮等聚葡萄糖合成4有利于提高脂肪般口感、柔软性、持水性、改善组织结构、延缓淀粉老化糊化饼干、蛋糕等胶体瓜尔豆、果胶、蔷薇科分泌胶、黄原胶、褐藻胶等0有利于保持水分、增稠、稳定体系、提供脂肪般口感曲奇饼干、面包、海绵蛋糕等纤维β-葡聚糖菊粉谷类纤维纤维素衍生物燕麦和大麦等菊芋、菊苣等小麦、燕麦、大豆、豌豆、玉米等植物4～1760有利于提高持水性、顺滑感、稳定乳液和泡沫、维持体系质感、增加光泽饼干、马芬蛋糕等蛋白质基蛋白质物理法(热变性、超高压、机械、超声等)酶解法化学法(酰化、去酰胺、磷酸化、糖基化和pH等)鸡蛋、牛奶、乳清、大豆、明胶和小麦面筋等17有利于提供脂肪般顺滑感和质地、稳定体系曲奇饼干、酥皮糕点、马芬蛋糕、海绵蛋糕等
2.2.2 蛋白质基脂肪替代品
蛋白质基脂肪模拟物是以天然高分子蛋白质为原料，通过热处理、酶解等方法而获得的能够模拟脂肪特性的脂肪替代品。其来源广泛，比如鸡蛋、牛奶、乳清、大豆、明胶和小麦面筋等。可通过热作用剪切使蛋白质基脂肪模拟物微粒化，从而形成可变形的圆形微颗粒来模拟脂肪的质地和口感；也可通过物理化学等方法使其变性，使分子中的疏水基团暴露在分子表面，从而模拟油脂的疏水性状。虽然大部分蛋白质基脂肪模拟物是非热稳定性的不能用于油炸，但部分蛋白质基脂肪模拟物可替代超高温食物的脂肪。
NutraSweet Kelco公司开发的simplesse是由乳清蛋白浓缩物经微粒化加工而来的，其干基的卡路里为4 kJ/g，使用时与水形成凝胶可减少卡路里。虽然simplesse能提供脂肪般的质感，但与其他蛋白质基模拟物一样，会掩盖食物原有的风味[34]。ZOULIAS等[29]用基于蛋白质和碳水化合物的5种脂肪替代品去替代曲奇中的脂肪，发现simplesse的添加能使饼干变软，适合应用于低脂软曲奇。用蛋白质基脂肪替代品替代烘焙产品中的脂肪还能显著提高食品中蛋白质含量。AKESOWAN等[41]用m(小麦粉)∶m(魔芋粉)∶m(大豆分离蛋白)=89.5∶0.5∶10的混合物来加工蛋糕，并用水替代50%～70%的油，蛋糕中水分和蛋白质含量显著提高，蛋糕的硬度和咀嚼性显著降低。PIMDIT等[43]用不同来源的脂肪替代品替代酥皮糕点中的脂肪，研究表明，脂肪基脂肪替代物Salatrim能使酥皮糕点的外观与普通相似但同时产生一种令人不悦的气味，使用碳水化合物基和蛋白质基脂肪替代品能使酥皮糕点的质地更致密，其中添加麦芽糖糊精的酥皮糕点的感官评价分最高，但仍无法完全替代脂肪。
目前，没有一种单一的脂肪替代品能够完全模拟脂肪的功能和感官特性。因此人们将不同基质来源的脂肪替代品按照一定比例混合在一起，形成复合型脂肪替代物，如图1所示，利用脂肪替代物、碳水化合物基和蛋白质基脂肪模拟物各自的特性来协同模拟脂肪的特性。CHUGH等[43]用聚葡萄糖和瓜尔胶作为脂肪替代品优化开发低脂饼干，最终得到的最优配方为面粉100 g、糖24 g、油10.5 g、聚葡萄糖24.2 g、瓜尔胶0.3 g、碳酸氢铵2 g、水24 mL，可替代饼干中70%的油脂，且比普通饼干具有更强的氧化稳定性。MORIANO等[45]用聚葡萄糖和抗性淀粉替代饼干中的油脂，经优化得到的最终配方如下：12.38 g/100g起酥油，10.69 g/100g聚葡萄糖，33.64 g/100g小麦粉，4.81 g/100g抗性淀粉，11.54 g/100g蔗糖，1.23 g/100g发酵剂，0.08 g/100g盐和25.63 g/100g水，饼干中起酥油含量降低了46.3%，且对品质没有显著影响。FORKER等[46]用单一脂肪替代物(玉米纤维、麦芽糖糊精和羽扇豆提取物)或二元组合来替代饼干中的油脂，研究发现玉米纤维和羽扇豆提取物以1∶1的比例替代饼干中30%油脂得到的低脂饼干品质最佳。复合型脂肪替代物可以是人为混合的，也可以是从天然产物中提取的混合物。NAMIR等[47]从番茄渣中提取乙醇不溶性基质TAIS来替代海绵蛋糕中的油脂，研究发现TAIS具有很强的膨胀、持水和持油能力，可替代海绵蛋糕中25%的油脂从而获得低脂高营养价值的海绵蛋糕。
近几年来，随着肥胖率的不断升高，人们越来越重视健康饮食。烘焙产品虽深受大众欢迎，但脂肪含量过高，不宜过多食用，开发低脂烘焙产品是未来的趋势。但目前已有的脂肪替代物大都不能完全替代脂肪在食品中的作用，满足产品开发需求。单一的脂肪替代品由于其功能特性有限无法模拟脂肪的所有功能和感官特性，故一方面应寻找新的脂肪替代来源，另一方面需在复合型脂肪替代品方面还进行更深入的研究。由于烘焙产品大都会经过高温处理，故需要开发具有热稳定性、高持水性、低热量和营养安全的脂肪替代品。
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