2.1 菊粉的来源、结构和分类
2.1.1 来源
在历史上,人们把富含菊粉的植物当作主要粮食来食用,如菊苣、菊芋和大丽花等植物。1605年人们把菊芋引进到西欧,当地人把它作为一种糖源进行食用,直到1750年左右才被马铃薯所代替。菊粉作为一种植物中的储备性多糖,在自然界中分布十分广泛,以植物中含量最高,一些真菌和细菌类中含量次之。菊粉在菊科植物中含量最为丰富。不同种植物及同一种植物不同生长时期菊粉的聚合度存在明显的差异。一些常见植物(湿重)中菊粉含量如表2-1所示。
表2-1 常见植物中的菊粉含量
工业上生产菊粉最重要的原料是菊苣和菊芋,其菊粉含量占其块茎干重的70%以上。菊芋是菊科多年生草本植物,分布广,适应性强,对土壤要求不严,耐贫瘠和干旱,繁殖能力强,抗风沙,无病虫害,是治理沙漠的优良作物。菊芋栽植一次,其块茎可连续收获多年利用,在我国被广泛种植,主要用于腌制。菊苣是一种两年生植物,适于生长在海洋气候条件下,在西欧国家是一种普遍种植的蔬菜品种。
2.1.2 结构
图2-1 菊粉化学结构
菊粉分子是由D-呋喃果糖分子以β-(2→1)-糖苷键连接而成的线性直链多糖,末端常带一个葡萄糖残基,属于一类天然果聚糖的混合物。菊粉的分子式表示为GFn,即Glucose-(Fructose)n,其中G为终端葡萄糖单位,F表示果糖单元,n则代表果糖单位数,一般为2~60,其分子结构如图2-1所示。
2.1.3 分类
根据菊粉的水溶性,通常可分为两类:一类是易溶于水的,另一类是较难溶于水的。通常把聚合度(DP)为10作为临界点,DP<10的菊粉易溶于水,而且易发酵;DP>10的菊粉难溶于水,且不易被细菌降解发酵,但在大肠中能被益生菌发酵利用。
根据菊粉分子量的平均聚合度,可分为短链菊粉、天然菊粉和长链菊粉。目前,通常把平均聚合度≤10的菊粉称为短链菊粉;平均聚合度≥23的菊粉称为长链菊粉;从天然植物(菊芋或菊苣)中提取的菊粉其聚合度分布较广泛,通常变化范围在2~60,称为天然菊粉。短链菊粉和天然菊粉均含有一定的单糖和双糖,因此略带甜味,其甜度大约相当于蔗糖的10%~30%;长链菊粉中由于不含单糖和双糖,几乎没有甜味。表2-2是比利时Beneo公司生产的菊粉系列产品及特性。
表2-2 比利时Beneo公司生产的菊粉系列产品
不同植物中所含菊粉的链长也有所差异,如小麦、洋葱、香蕉所含菊粉分子聚合度较小,其最大聚合度DPmax<10;大理花块根、大蒜、菊芋所含的菊粉分子聚合度居中,DPmax<40;而球菊芋和菊苣所含的菊粉分子聚合度较长,DPmax<100。有些植物如百合、龙舌兰和某些细菌(如突变链球菌)含有更高聚合度的菊粉,其DPmax>100。在实际生产过程中,根据需要可利用人工控制及合成的方法来调控菊粉的聚合度,利用内切酶(EC3.2.1.7)水解菊苣中的菊粉可获得DP范围在2~7、平均DP为4的低聚果糖。如市场上常见的低聚果糖的产品(中国平安高科VILOF®NanoFOS P95、荷兰Sensus公司Frutafit®S20),它主要是以菊粉为原料通过酶解而获得的一类低聚合度的混合物,是指1~4个果糖基以β-(2→1)-糖苷键连接在蔗糖的D-果糖基上形成的蔗果三糖(GF2)、蔗果四糖(GF3)、蔗果五糖(GF4)和蔗果六糖(GF5)的混合物,一般还含有少量蔗糖、果糖和葡萄糖,其甜度约为蔗糖的30%~60%,它既保持了蔗糖的纯正甜味性质,又比蔗糖甜味清爽,同时还具有益生元的功效。利用物理分离技术(结晶和过滤)可生产平均聚合度不小于23的长链菊粉,这类菊粉几乎没有甜度,在水中的溶解性也很差,但具有优良的质构特性,可用于为产品提供滑爽的口感、增加其稠度和稳定性、改变其触变性等,如比利时Beneo生产的Orafti®HP和Orafti®HPX,荷兰Sensus公司生产的Frutafit®TEX等。