幾種典型天然甜味劑的功能活性及食品加工應(yīng)用

成圓，王宇加，王婷婷，丁淼，樊梓鸞

（東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江省森林食品資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150040)

中國(guó)是世界食糖大國(guó)之一，過(guò)多攝入高糖食品會(huì)引起人體肥胖、高血糖等代謝疾病。近年來(lái)，我國(guó)肥胖人數(shù)居高不下且逐漸趨向年輕化。青少年肥胖引起體內(nèi)器官、分泌和代謝系統(tǒng)異常，增加兒童高血壓、心臟病和糖尿病等疾病的風(fēng)險(xiǎn)。研究結(jié)果顯示，2014年我國(guó)糖尿病患病人數(shù)占全球糖尿病患者總?cè)藬?shù)的24.4%，位居全球第一[1]，2010～2021年中國(guó)糖尿病患病人數(shù)由0.9億增長(zhǎng)到1.4億，增長(zhǎng)率高達(dá)56%。同時(shí)，中國(guó)青少年中血糖異?，F(xiàn)象呈上升趨勢(shì)，從2002年到2016年上升1.64%[2]。但將食品生產(chǎn)為完全無(wú)糖產(chǎn)品會(huì)嚴(yán)重降低感官價(jià)值。目前，我國(guó)對(duì)蔗糖的控制受到重視，市場(chǎng)上出現(xiàn)許多以甜味劑替代蔗糖的“零蔗糖”食品以及“零卡糖”食品，所以，在控糖的同時(shí)尋找出蔗糖的代替品十分重要。

在早期食品加工工業(yè)中人們廣泛使用糖精、阿斯巴甜、安賽蜜等合成甜味劑替代蔗糖。但糖精的苦味和金屬味等后味，嚴(yán)重影響食品品質(zhì)，且安全性存在很大爭(zhēng)議，因此在現(xiàn)代食品生產(chǎn)中使用量逐漸減少。天然甜味劑具有熱量低、甜度高、安全性優(yōu)良的特點(diǎn)而倍受年輕人士和相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)人員追捧。此外，天然甜味劑的功能活性可用于某些疾病的日常管理和治療，如糖醇類可預(yù)防和緩解便秘；二氫查爾酮類具有美白效果可用于化妝品中；甘草甜素可通過(guò)抑制基因和通路表達(dá)誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋零等。在我國(guó)，由于人們對(duì)天然甜味劑的優(yōu)點(diǎn)和功能活性認(rèn)知程度較低，在一定程度上阻礙了其在我國(guó)的發(fā)展。本文綜述了天然甜味劑的功能活性及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用，詣在為天然甜味劑功能活性更廣泛的開(kāi)發(fā)和利用提供參考。

1 天然甜味劑功能活性

天然甜味劑主要指經(jīng)過(guò)直接提取或修飾在自然界中得到的以賦予食品甜味為目的的食品添加劑，大多數(shù)是植物或微生物的次生代謝產(chǎn)物[3]。天然甜味劑具體種類和安全性問(wèn)題如表1所示。

表1 天然甜味劑具體種類及安全性問(wèn)題Table 1 Specific classification, sources, and properties of natural sweeteners

1.1 調(diào)節(jié)腸道菌群、緩解便秘

腸道菌群可影響人體對(duì)食物攝取的能力，進(jìn)而影響人體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收、營(yíng)養(yǎng)代謝和免疫能力。正常情況下，人體腸道各菌株間保持平衡狀態(tài)以維持健康，但受到壓力、藥物、環(huán)境等外界條件刺激時(shí)，菌群平衡被打破。如表2所示糖醇類可有效調(diào)節(jié)腸道菌群，預(yù)防或緩解便秘。

表2 天然甜味劑調(diào)節(jié)腸道菌群的藥理作用Table 2 Natural sweeteners regulate the pharmacological action of the intestinal flora

2017年歐盟批準(zhǔn)一項(xiàng)健康聲明，評(píng)估指出成人每日攝取10 g乳糖醇可增加腸道內(nèi)滲透壓，增加人體排便次數(shù)，具有維持腸道正常運(yùn)轉(zhuǎn)的功能[12,13]。除以上糖醇，如低聚果糖[14,15]、低聚半乳糖[16,17]和大豆低聚糖[18]等也具有調(diào)節(jié)腸道緩解便秘得作用。

1.2 抗癌、抗病毒

甘草甜素具有良好的抗炎[19]、護(hù)肝和抗腫瘤功效[20]。甘草甜素具有抗單純皰疹病毒-Ⅰ作用，主要通過(guò)降低細(xì)胞粘附作用達(dá)到抗病毒效果[21]。2002年我國(guó)非典型肺炎爆發(fā)，甘草甜素可抑制SARS冠狀病毒復(fù)制，同時(shí)對(duì)病毒引起的肝損害具有保護(hù)作用，有效降低轉(zhuǎn)氨酶[22]。Murck[23]解釋人體感染新冠病毒主要由于刺突蛋白與人類血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2（Angiotensin-Converting Enzyme 2，ACE2）蛋白結(jié)合，甘草甜素可減少ACE2在肺中表達(dá)。此外甘草甜素代謝所產(chǎn)生的甘草次酸可抑制11β-HSD2。甘草甜素和殼寡糖抗癌效果如表3所示。

表3 與甘草甜素和殼寡糖有關(guān)的抗癌、抗病毒機(jī)制和通路Table 3 Anticancer and antiviral mechanisms and pathways associated with glycyrrhizin and chitosan oligosaccharides

1.3 神經(jīng)保護(hù)、治療阿爾茨海默癥

阿爾茨海默癥（Alzheimer's Disease，AD）又稱老年癡呆癥，為常見(jiàn)神經(jīng)退行性疾病主要癥狀有認(rèn)知能力下降、記憶喪失并發(fā)運(yùn)動(dòng)障礙、語(yǔ)言障礙等[31]。臨床中治療方法主要包括小分子藥物治療、免疫治療、干細(xì)胞療法和血漿療法等[32]。中醫(yī)亦可通過(guò)針灸、艾灸等方法治療。

三葉苷是一種主要從木姜葉柯（Lithocarpus litseifolius）中提取的二氫查爾酮類化合物，其甜度為蔗糖300倍[33]。具有保護(hù)神經(jīng)、清除自由基、抗炎等作用[33]。由表4可知三葉苷可通過(guò)清除自由基、保護(hù)神經(jīng)起到減輕AD并發(fā)癥達(dá)到治療AD的作用。除上述通路外三葉苷還可通過(guò)AMPK/Nrf2/SIRT3信號(hào)通路對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的氧化損傷起到保護(hù)作用[34]。

表4 三葉苷保護(hù)神經(jīng)、治療阿爾茨海默癥的功能活性Table 4 Natural sweeteners protect nerves and treat the pharmacological activity of Alzheimer's disease

1.4 抗氧化、美白、祛斑

人體內(nèi)過(guò)量ROS產(chǎn)生可引起氧化損傷從而引起DNA、RNA和膜脂等生物分子的氧化，導(dǎo)致人體衰老，引發(fā)癌癥、糖尿病以及動(dòng)脈硬化等疾病[39]。如表5所示，甜菊糖、新橙皮苷二氫查爾酮、柚皮苷二氫查爾酮具有抗氧化和抑制酪氨酸酶的作用，從而表現(xiàn)出美白和祛斑的功效[40,41]。

表5 天然甜味劑抗氧化、美白、祛斑的功能活性Table 5 Pharmacological activity of natural sweeteners for antioxidant, whitening and spot removal

1.5 抗糖化、抗糖尿病

晚期糖基化終末產(chǎn)物（Advanced Glycation End Products，AGEs）是美拉德反應(yīng)第三階段產(chǎn)物。積累過(guò)多會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生威脅，引起心臟病、高血壓、老年癡呆、糖尿病等。我國(guó)糖尿病患者中95%患病類型為Ⅱ型糖尿病，Ⅱ型糖尿病患病原因主要是胰島素抵抗，AGEs可引起人體氧化應(yīng)激從而導(dǎo)致胰島素抵抗。Ali等[45]研究了糖精、三氯蔗糖、阿斯巴甜、安賽蜜四種人工甜味劑對(duì)于AGEs的抑制效果，結(jié)果顯示只有安賽蜜具有抑制效果。隨后Ali等[46]又對(duì)天然甜味劑中甜菊糖的抗氧化和抗AGEs性質(zhì)進(jìn)行研究，并對(duì)其抗糖尿病效果進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明甜菊糖具有抗氧化和抗AGEs能力，抗糖尿病測(cè)試中甜菊糖對(duì)體外α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶均有抑制作用。綜上可見(jiàn)，甜菊糖具有抗氧化、抗AGEs及控制糖尿病的能力。Tian等[47]通過(guò)試驗(yàn)證明海藻糖、赤蘚糖醇、山梨糖醇、木糖醇具有促進(jìn)GLP-1、GLP-2、PYY的分泌作用，且海藻糖、赤蘚糖醇、山梨糖醇通過(guò)增強(qiáng)甜味受體信號(hào)通路關(guān)鍵基因T1R2、T1R3、Gα-gustducin、PLCβ2 TRPM5 mRNA的表達(dá)量，促進(jìn)胞內(nèi)濃度促進(jìn)GLP-1分泌。α-葡萄糖苷酶存在于小腸上皮絨毛膜刷狀緣上，將食物中碳水化合物分解為單糖最終被人體利用，抑制α-葡萄糖苷酶可降低血糖波動(dòng)。劉國(guó)玉等[48]證實(shí)將赤蘚糖醇與海藻糖或赤蘚糖醇與異麥芽糖醇復(fù)配可抑制α-葡萄糖苷酶活性。以上研究成果對(duì)糖尿病治療和日常護(hù)理提供了新思路。

2 在食品中的應(yīng)用

2.1 在乳制品中的應(yīng)用

天然甜味劑在乳制品中的應(yīng)用主要是運(yùn)用天然甜味劑替代蔗糖，降低糖的添加量和產(chǎn)品熱量。Michele等[49]運(yùn)用了Napping和響應(yīng)面法相結(jié)合優(yōu)化高蛋白酸奶甜菊糖的添加量，分析甜菊糖配方酸奶與蔗糖三氯蔗糖配方酸奶之間的差距。結(jié)果顯示，加入蔗糖、三氯蔗糖、甜菊糖的配方酸奶在總體接受度方面未存在顯著差異。但甜菊糖入口后會(huì)有苦澀后味，影響感官品質(zhì)，產(chǎn)生這一結(jié)果的原因可能是甜菊糖苷特異性激活hT2R4和hT2R14苦味受體而激發(fā)了此種味覺(jué)[50]。目前對(duì)于甜菊糖不良后味的改善主要運(yùn)用酶法修飾改性。萬(wàn)會(huì)達(dá)等[51]為改善甜菊糖后苦味利用一種新型α-環(huán)糊精葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶為催化劑催化轉(zhuǎn)糖苷反應(yīng)。Ti等[52]利用突變葡聚糖蔗糖酶Gtf180-ΔN-Q1140E和蔗糖作為供體底物對(duì)甜菊糖苷進(jìn)行優(yōu)化和α-糖基化，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的α-糖基化甜菊糖苷后苦味明顯的改善。

天然甜味劑還可以應(yīng)用于奶油和冰淇淋[53]等乳制品的生產(chǎn)。Mohamad等[54]將天然甜味劑應(yīng)用到鮮奶油的生產(chǎn)中，以萊鮑迪苷A和異麥芽糖醇代替蔗糖并加入麥芽糊精生產(chǎn)鮮奶油，可改善儲(chǔ)存中脫水率和粘度等指標(biāo)。

2.2 在飲料中的應(yīng)用

2016年3 月，加拿大允許赤蘚糖醇作為天然甜味劑加入飲料，目前多國(guó)已允許其作為食品添加劑加入多種飲料中[55]?！?021中國(guó)無(wú)糖飲料市場(chǎng)趨勢(shì)洞察報(bào)告》中指出2020年我國(guó)無(wú)糖飲料市場(chǎng)總規(guī)模為117.8億，其中無(wú)糖碳酸飲料占66.9億，市場(chǎng)總規(guī)模與2014年相比增長(zhǎng)了7倍[56]。

高圣君等[57]研究赤蘚糖醇對(duì)檸檬汁中Vc的保護(hù)作用，證明赤蘚糖醇不僅可以作為甜味劑還可以保護(hù)維生素不被破壞。進(jìn)一步研究證實(shí)這種保護(hù)作用主要是因?yàn)槌嗵\糖醇具有抗氧化的作用，緩解Vc的降解，提高反應(yīng)活化能。Rezvan等[58]研究甜菊糖、赤蘚糖醇和異麥芽糖醇復(fù)配替代蔗糖的豆奶粉配方，通過(guò)感官品質(zhì)和理化性質(zhì)證實(shí)，80%甜菊糖，赤蘚糖醇和異麥芽糖醇比例為75:25復(fù)配后加工的豆奶粉品質(zhì)最優(yōu)。

2.3 在焙烤食品中的應(yīng)用

天然甜味劑用于焙烤食品中可優(yōu)先改善產(chǎn)品硬度、面團(tuán)老化及延長(zhǎng)保質(zhì)期等[59-61]。焙烤食品中常用天然甜味劑包括甜菊糖、糖醇類和低聚木糖。天然甜味劑可延緩冰晶對(duì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的破壞，提高面團(tuán)的彈性、持水性和聚合性。且由于糖醇結(jié)構(gòu)缺少酮基和醛基所以不會(huì)與氨基酸發(fā)生美拉德反應(yīng)，可減少身體對(duì)美拉德反應(yīng)不良產(chǎn)物的攝入。

利用糖醇類為底物生產(chǎn)糖醇酯如赤蘚糖醇酯、甘露糖赤蘚糖醇酯等，可作為表面活性劑、乳化劑和消泡劑等[62]。甘露糖赤蘚糖醇酯可用于冷凍面團(tuán)，增強(qiáng)面團(tuán)流變性，減少面團(tuán)中凍結(jié)水含量，抑制蠟樣芽孢桿菌及其芽孢的生長(zhǎng)，作為改良劑和抑菌劑[63]。

綜上天然甜味劑的加入可以部分或完全替代蔗糖，降低熱量、改善產(chǎn)品品質(zhì)，但也暴露出來(lái)天然甜味劑的加入使產(chǎn)品生產(chǎn)成本增加的問(wèn)題。替代蔗糖、改善產(chǎn)品品質(zhì)的同時(shí)降低生產(chǎn)成本將成為天然甜味劑在焙烤食品中應(yīng)用另一個(gè)需要解決的問(wèn)題。

2.4 在水產(chǎn)品中的應(yīng)用

鮮水產(chǎn)品中富含大量水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中極易受到外界微生物和內(nèi)源酶的影響而腐敗。傳統(tǒng)鮮水產(chǎn)品的保藏主要為冰藏、凍藏等，但這些方法凍結(jié)效率低、冰晶成核緩慢，造成冰晶體積過(guò)大、形狀不規(guī)律，使產(chǎn)品嫩度降低、保水性變差[64]。常用水產(chǎn)品保水劑主要是磷酸鹽類，但此類保水劑通常會(huì)留下金屬澀味且對(duì)健康不利，因此探求無(wú)磷保水劑成為此領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一[65]。Zhang等[66]以8種常見(jiàn)糖醇為研究對(duì)象，研究了糖醇對(duì)冷凍南美蝦仁的保水作用。研究表明蝦仁經(jīng)過(guò)木糖醇、異麥芽糖醇和甘露糖醇浸泡后，水分、質(zhì)構(gòu)特性和色澤劣變得到較好的控制，水分活度顯著降低，木糖醇、甘露糖醇和異麥芽糖醇可作為無(wú)磷保水劑應(yīng)用于水產(chǎn)品儲(chǔ)藏。李桂敏等[65]探究了碳酸氫鈉、檸檬酸鈉和山梨糖醇組成的復(fù)合無(wú)磷保水劑對(duì)凍融鱘魚(yú)片理化性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)的影響，證實(shí)其對(duì)凍融鱘魚(yú)片品質(zhì)有良好保持作用。除做保水劑外，Cai等[67]證實(shí)木糖醇、三氯蔗糖和甜菊糖可增加鱈魚(yú)皮凝膠的凝膠強(qiáng)度、硬度、熱變形溫度以及焓變值，且可顯著提高鱈魚(yú)皮凝膠的儲(chǔ)能模量、耗能模量、起泡性和持水性，說(shuō)明木糖醇可有效代替蔗糖用于生產(chǎn)凝膠制品。

2.5 在其他方面的應(yīng)用

植物蛋白類作物如大豆、豌豆、高粱等富含碳水化合物、蛋白質(zhì)、纖維素等對(duì)人體健康有益，但因其口感不佳、消化性不好或功能性不突出，其價(jià)值未被良好應(yīng)用。糖醇類可改善其結(jié)構(gòu)從而改善溶解性、持水性、乳化性，提高吸水性，減少回生，提高消化率[68-70]。

3 結(jié)論

本文綜述了天然甜味劑的功能活性可用于疾病預(yù)防和治療的深入研究。近年來(lái)對(duì)于“控糖”的呼吁不斷增加，這也促進(jìn)了天然甜味劑在我國(guó)的發(fā)展，深入了解天然甜味劑在食品加工中的應(yīng)用在“低糖、零糖”產(chǎn)品多樣化和“控糖”方面多樣化具有較大意義。且天然甜味劑相應(yīng)法規(guī)的不斷出臺(tái)，為其在食品加工中擴(kuò)大應(yīng)用提供了法律依據(jù)。

但天然甜味劑在我國(guó)的發(fā)展仍受到較多條件制約。如國(guó)民認(rèn)可度不高，開(kāi)發(fā)程度不夠，純化手段不足等。天然甜味劑無(wú)論是在食品工業(yè)生產(chǎn)還是人類生活中都發(fā)揮著巨大作用，但天然甜味劑是否對(duì)人體健康完全沒(méi)影響，這一問(wèn)題是有待商榷的。據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道某些甜味劑可能會(huì)對(duì)人體腸道健康產(chǎn)生影響。如，甜菊糖可能會(huì)影響影響人體腸道菌群組成；當(dāng)多元醇到達(dá)結(jié)腸時(shí)，可以引起劑量依賴性腸胃脹氣，尤其是在炎癥性腸病患者中。而這些問(wèn)題在我國(guó)鮮有文章報(bào)道。綜上，增加消費(fèi)者認(rèn)知度，關(guān)注天然甜味劑安全性問(wèn)題，擴(kuò)大天然甜味劑應(yīng)用范圍是天然甜味劑在我國(guó)發(fā)展需要解決的問(wèn)題。