菊粉的特性及在特殊医学用途配方食品中的应用前景

菊粉是除淀粉外植物的另一种能量储存的形式,几乎存在于所有的植物中,如单子叶植物中的禾本科、百合科及双子叶植物中的菊科、龙胆科、桔梗科等都含有丰富的菊粉 ,其中菊苣和菊芋最适合作为生产菊粉的原料,它们来源丰富,且菊粉占其块茎干质量的70%以上。

利用微生物所产菊粉内切酶酶解菊粉也可大量生产菊粉低聚糖,产物仅为低聚果糖和少量果糖 。菊粉与低聚果糖对人体的健康作用相似,均无法被人体消化吸收,提供的热能仅为1%,是一种天然的膳食纤维;可以促进肠道益生菌群的增殖并抑制病原菌的生长,起到益生元的作用,可以放心食用。

在食品工业中,菊粉能够改善食品质构、提高流变学性质和营养特性 ,已逐步成为一种新型的天然食品配料,并成功应用于乳制品、糖果、饮料、保健食品和棉织品等产品中。研究表明,膳食纤维的摄入量与肠道疾病、糖尿病、心血管病和肥胖病等慢性疾病之间存在密切的关系。

特殊医学用途配方食品是介于普通食品、保健品与药品之间的一类新型产品,是针对特殊食物管理的患者研发的具有特殊食物用途的食品补充特殊医学用途配方食品。特殊医学用途配方食品是为了满足由于完全或部分进食受限、消化吸收障碍或代谢紊乱人群的每天营养需要,或满足由于某种医学状况或疾病而产生的对某些营养素或日常食物的特殊需求加工配制而成,且必须在医生或临床营养师指导下使用的配方食品。该类食品可以与普通食品或其他特殊食品共同使用。

作为理想的功能性食品配料,菊粉和低聚果糖优良的原料理化特性、特有的益生元功效及对人体有利的免疫功能,赋予了该类原料在特殊医学用途配方食品中的良好应用前景。

1 特殊医学用途配方食品概况

1.1 特殊医学用途配方食品发展现状

在临床营养产品类目中,肠内营养产品占有非常重要的地位,但是,我国医疗界对“特殊医学用途配方食品”的认识才刚刚开始。在20世纪80年代,特殊医学用途配方食品因为临床需要引入中国,但国内缺乏这一类临床食物的分类,于是被冠以“药品”的名义引入中国。

在特殊医学用途配方食品注册管理办法实施前,国内市场上按照特殊医学用途配方食品特性进行生产销售的产品主要以药品、特殊膳食食品、普通食品、保健食品等形式存在。其中以药品身份存在的特殊医学用途配方食品占据了大部分市场份额,但种类非常少。此外,由于此前国内的药品注册时间长,导致这些注册为药品的特殊医学用途类食品配方更新难度大。

1.1.1 国外特殊医学用途配方食品的发展现状

欧盟在1999年正式颁布了FSMP标准,在2001年又颁布了“可用于特殊营养目的用食品中的可添加物质名单”,明确规定了可使用在FSMP中的营养物质,并且拟添加在医用食品中的新成分/新原料需要获得欧盟食品安全局(European Food Safety Authority,EFSA)的批准。对于上市前的批准,各成员国还在欧盟标准的基础上制定了本国的相应规定。

如荷兰、西班牙等国上市前需要到相关政府部门进行备案,法国、德国、波兰等国则要求企业提供资料进行技术审评,主要审查产品的安全性和有效性,但审核程序相对简单,审核期一般为3个月。

美国在1988年首次在药品法修订版“Orphan Drug Act Amendments”中对于医用食品进行明确定义。同年,美国食品药品监督管理局(food and drug administration,FDA)首次出台对于特殊医学用途配方食品的生产和监管的指导原则,包括生产、抽样、检验和判定等多项内容,拟添加在特殊医学用途配方食品中的新成分/新原料需要进行公认安全(generally recognized as safe,GRAS)评估,不需要上市前的注册和批准。

澳大利亚/新西兰食品法规委员会于2012年5月发布关于FSMP标准的评估报告终稿,不需要上市前的注册批准要求。

1.1.2 国内特殊医学用途配方食品的发展现状

为满足我国糖尿病、肾病等临床患者对特殊医学用途配方食品的需求并降低使用者的经济负担,我国在大力发展特殊医学用途配方食品的同时,积极建立与国际接轨的相关配套国家标准体系。

2010年12月21日,我国发布国标GB25596—2010《食品安全国家标准特殊医学用途婴儿配方食品通则》,对一岁以内婴幼儿的特医食品做出规定。2012年8月27日,卫生部根据《食品安全法》及其实施条例的规定,组织制定《食品安全国家标准特殊医学用途配方食品通则(征求意见稿)》,该标准编制与国际通行标准接轨,注重标准的可操作性,严格按食品安全国家标准要求编写。

起草工作组收集了国内相关国家标准,同时也参考了欧盟、国际食品法典委员会(codex alimentarius commission,CAC)、美国、澳大利亚和新西兰等国家的相关标准。

国家卫生计生委2013年第11号公告公布了GB29922—2013《特殊医学用途配方食品通则》和GB29923—2013《特殊医学用途配方食品良好生产规范》两项国家标准,连同我国2010年颁布的国标GB25596—2010《特殊医学用途婴儿配方食品通则》,在我国食品安全标准体系中已经有了3个关于“特殊医学用途配方食品”方面的标准。

由于这是第一次在食品安全标准中出现这类特殊医学用途食品的标准,而且是强制性国家标准,因此标准发布后引起了社会各方面的很大关注。

1.2 特殊医学用途配方食品适用人群

特殊医学用途配方食品适用于胃肠功能尚可,且需要特殊营养的人群,包括吞咽和咀嚼困难者;意识障碍或昏迷、无进食能力者;消化系统疾病稳定期能进行肠内营养者,如消化管瘘、短肠综合征、炎性肠病和胰腺炎等;高分解代谢者,如严重感染、手术、创伤及大面积灼伤患者;慢性消耗性疾病,如结核、肿瘤等。不同的人群针对其年龄、疾病或其他特殊需求有不同的医用食品种类。

2 菊粉的理化性质及生理功能

2.1 菊粉的理化性质

菊粉是D-果糖分子以β-1,2-糖苷键链接成的果聚糖,末端常含有一个葡萄糖基,聚合度(degree of polymerization,DP)范围为2~60,平均聚合度10,聚合度范围2~9之间时称为低聚果糖。菊粉特殊的结构赋予了其特有的理化性质。

干燥的菊粉为白色无定形粉末。通常短链菊粉比长链菊粉易溶于水,菊粉的溶解度会随着温度的升高而明显加大,普通菊粉在10℃的溶解度约为6%,在90℃时约为33%。短链菊粉含有较多的单糖和双糖,甜度大约相当于蔗糖的30%~50%,普通菊粉略带甜味,约为蔗糖甜度的10%,长链菊粉几乎没有甜味。

当菊粉溶液浓度达到10%~30%时,开始形成凝胶,浓度达到40%~50%即可以形成十分坚实的凝胶,凝胶粘度随温度的升高而降低。长链的菊粉溶解度相对较小,在水中形成不易察觉的微晶体,这些微晶体之间相互作用可形成一种平滑的乳脂状的结构,口感类似与脂肪。

菊粉吸湿性强,具有结合自由水的能力,可以降低水分活度,这一点可充分利用到食品加工中延缓水分的蒸发,防止产品变味,延长食品货架期和保质期。

2.2 菊粉的生理功能

2.2.1 具有益生元作用

目前,菊粉和低聚果糖作为一种重要的益生元日益受到人们的重视,益生元的概念起源于1995年,由GIB-SON G R等 在菊粉生理功能的研究基础上首次提出,并且在预防便秘和腹泻,以及抑制有害发酵产物,预防结肠癌方面起到了积极的作用。

研究表明,人体摄食菊粉通过两种方式抑制有害菌的生长,一方面,每天摄食菊粉能使结肠中的双歧杆菌增殖8~10倍,增殖的双歧杆菌通过与病原菌竞争营养物质达到抑制其生长的效果;另一方面,菊粉经肠道菌群发酵后产生的乳酸、乙酸、丙酸和丁酸等短链脂肪酸可降低肠道p H,从而抑制有害菌生长。

作为一种可溶性膳食纤维 ,菊粉可促进肠道蠕动、增加大便的含水量及改变大便的形态,从而缩短了粪便在结肠的停留时间,促进了致癌物的排泄和排便次数,对预防便秘、腹泻和预防结肠癌起到有利的作用。

特殊医学用途配方食品的目标人群是病人,该类人群属于轻度运动量者并且包括很多卧床类病人,进食普通的食物存在障碍,平时的运动能力受限,易产生便秘,可以在配方中添加具有改善便秘和腹泻的菊粉作为膳食纤维原料来源。

一些研究发现,菊粉的代谢产物丁酸可促进肠上皮细胞增生,维持肠道黏膜完整性,诱导癌细胞发生凋亡及抑制多种肿瘤细胞生长等发挥抗癌作用。在特殊医学用途配方食品包括的13种特定全营养配方食品中,肿瘤全营养配方食品作为肿瘤患者适用的一类产品,因该类人群患病特殊性,针对菊粉所具有的以上特性,在特殊医学用途配方产品中添加菊粉作为膳食纤维类配料,对该类人群有着巨大的意义。

2.2.2 促进矿物质和维生素的吸收和合成,维持骨骼健康

近年来,研究发现菊粉在肠道内经有益菌发酵后产生的短链脂肪酸可以降低肠道p H值l~2个单位,提高了多种矿物质的可溶性并且可以降解矿物质,使得Ca2+、Mg2+、Zn2+、Cu2+、Fe2+等金属离子得到有效的吸收而促进被动扩散,使更多的金属离子顺利快速的进入肠细胞。

菊粉经发酵产生的短链脂肪酸可刺激结肠粘膜生长 ,从而促进上皮细胞的增殖并增大吸收面积,使得矿物质的运输通道增多。此外,菊粉的发酵产物可促进B族维生素合成,提高机体的营养状况和免疫力。

特殊医学用途配方食品中的全营养配方食品和特定全营养配方食品都可以作为单一营养源满足目标人群的营养需求,这两类配方食品中含有人体所需要的全部种类的维生素和矿物质。由于菊粉在促进维生素和矿物质的吸收和合成方面有着一定的功能,对于特定人群对该类食品的吸收利用有着很大的作用。

当机体摄入在小肠不能消化吸收的菊粉和低聚果糖等碳水化合物后,这些碳水化合物能进入大肠,通过代谢产物改变肠道内环境来增加大肠钙吸收。GREGE J L等研究表明乙酸和丙酸可以提高人远端结肠钙的吸收能力,且丙酸的作用大于乙酸的作用,这也间接的表明了乙酸和丙酸作为菊粉和低聚果糖可以通过结肠菌群发酵产生乙酸和丙酸等短链脂肪酸来促进人体对钙的吸收。

2012年我国居民平均钙摄入量为366.1 mg/d,其中城市为412.4 mg/d,农村为321.4 mg/d,与2002年相比略有下降。在《中国居民膳食营养素参考摄入量》2013版中针对1岁以上人群钙的推荐摄入量为800~1 000 mg/d。根据以上数据显示钙缺乏在我国居民中的现状突出,结合菊粉可以促进钙的吸收起到促进骨骼健康的功效,可以在特殊医学用途配方食品中作为膳食纤维的一种原料进行添加。

2.2.3 降低血糖和血脂,预防疾病

菊粉在人体口腔、胃及小肠中基本不分解和吸收,只有在结肠部位可以被益生菌发酵水解成单糖,因而对血糖水平和胰岛素含量没有影响。最近研究表明,菊粉经结肠菌群发酵后产生的丙酸盐对抑制糖异生有很好的效果,从而减少了血浆脂肪酸水平,增强了胰岛素抗性。

KIMM等认为菊粉黏度高,可以影响肠黏膜对葡萄糖的吸收。LUO J等 认为菊粉发酵产生的短链脂肪酸可以促进肝糖元的合成,同时,菊粉作为可溶性膳食纤维可以延缓碳水化合物的消化吸收,从而减轻餐后高血糖。

菊粉味微甜也可以作为甜味剂替代品,20世纪初人们开始认识到菊粉可以作为糖尿病人的一种食品,供糖尿病病人放心食用,同时添加菊粉后的食品可以在保持原有风味的基础上向低糖和高膳食纤维类转化,有利于人体健康易被消费者接受,这使得菊粉在糖尿病全营养配方食品中拥有广阔的应用前景。

菊粉在肠道发酵形成的乳酸盐、乙酸盐和丙酸盐等短链脂肪酸可以作为肝脏代谢的调节剂,因为乙酸盐是胆固醇合成的前体物质之一,丙酸盐是胆固醇生物合成反应的抑制剂,肠道菌群发酵菊粉后促使人体内丙酸盐和乙酸盐的比率升高,从而起到降低人体胆固醇水平的作用 。

PEDERSENA等研究发现摄入菊粉可有效降低高密度脂蛋白含量和低密度脂蛋白含量。《中国居民营养与慢性病状况报告》(2015版)中提到2012年中国18岁以上居民血脂异常患病率为40.4%,其中城市为39.9%,农村为40.8%。面临如此严峻的血脂异常慢性病人群,在针对病人的特殊医学用途配方食品中添加优质的原料来改善该类人群的血脂状况的迫切性可见一斑。

来自《中国居民营养与慢性病状况报告》(2015版)的数据显示,无论成人还是儿童少年,超重肥胖率均呈现上升趋势,其中7~17岁儿童青少年超重肥胖率增长幅度最为显著。伴随着肥胖带来的高血压、高血糖和高血脂等慢性疾病的发病率居高不下,在这种状况下开发适合该类人群的特殊医学用途配方产品用于控制体质量和达到预防疾病的诉求也越来越大。

作为可溶性膳食纤维,菊粉可在胃中吸水膨胀成高黏度胶体,延长胃排空时间,使人不易产生饥饿感,减少食物摄入量;在小肠内与脂肪和蛋白质等物质形成复合物,抑制此类物质的吸收,起到减肥的功效。它通过促进矿物质和维生素的吸收,使人保持健康,体力充沛,可以适当的增加运动量来控制体质量。

另外,摄取菊粉后通过缓释作用控制血糖的升高,减少胰岛素分泌量,从而减少葡萄糖的产生,起到控制体质量的作用。

3 菊粉的安全性评价

菊粉是多种蔬菜和水果中存在的一种天然成分,许多欧美国家认为它对人体没有危害,将其归为天然食品配料。大鼠亚急性毒性试验表明,每天每千克体质量摄入平均聚合度为3.5的低聚果糖4.5 g持续6周是安全的。小鼠和大鼠的急性毒理试验表明,平均聚合度为3.5的低聚果糖半数致死量>9 g/kg体质量。致突变试验证明低聚果糖无潜在的基因毒性。

大鼠慢性毒性试验和致癌试验表明低聚果糖没有潜在的致癌性 。人体试验中仅有的副作用是过量摄食后,菊粉在肠道内发酵产生的二氧化碳、氢和甲烷等气体会导致胀气和腹泻。研究发现,一次性摄食过多的聚合度为3~5的短链菊粉可引起腹泻,但连续进食多次可使人体产生耐受性,而长链菊粉通常在结肠后部被发酵,一般不引起胀气。

各个国家对菊粉的用量的规定存在着较大的差异,因为目前没有国际化的标准。2003年美国FDA确认菊粉为公认安全物质,推荐最大日摄入量为15~20 g,日有效摄入量为5 g,从而使菊粉作为膳食纤维广泛应用于食品、生物、化工、饲料等领域。当前美国人的每日膳食中含菊粉约为1~4 g,欧洲人的每日膳食中含菊粉约3~11 g。

COUSSEMENTPA认为菊粉的适宜摄入量为3~8 g/d,GIBSONCR等认为菊粉摄入量可以达到15 g/d,在日常生活中,低剂量摄入菊粉对人体是有益的。我国卫生部公告2009年第5号规定菊粉的摄入量不超过15 g/d 。

在Imperial Sensus公司资助的项目GRAS Notice No.GRN000118总结中认为菊粉没有任何潜在的毒性,成年人每天摄入40~70 g菊粉没有明显的副作用。人体每天摄入5 g菊粉或低聚果糖,肠道菌群中双歧杆菌的数量明显增加,且对健康无不良影响。

4 菊粉在特殊医学用途配方食品上的应用前景

根据国家标准GB 29922—2013《特殊医学用途配方食品通则》的规定,特殊医学用途配方食品中可以添加一些膳食纤维类的营养强化剂,如低聚糖、多聚糖等。膳食纤维作为可选择性成分指标,上限为0.7 g/100 k J。

《中国居民膳食营养素参考摄入量》(2013版)中推荐膳食纤维的适宜摄入量为25 g/d,没有区分人群年龄阶段;美国医学研究所推荐摄入量为21~38 g/d。特殊医学用途配方食品中常用原料包括:(1)阿拉伯胶、抗性淀粉、大豆多糖和燕麦纤维等水溶性膳食纤维。该类膳食纤维遇水膨胀,可延长食物在胃内停留时间,减缓葡萄糖在小肠内的吸收;为肠道益生菌提供养分;为结肠粘膜提供能量物质,避免肠粘膜萎缩;吸附有毒物质如胆酸及胆固醇等。

(2)大豆纤维等不溶性膳食纤维,可以软化粪便、增加粪便体积,具有刺激肠蠕动、缩短食糜在肠道内的通过时间,从而起到改善便秘的作用。这些原料都具有膳食纤维的一般功效,但在其他功效方面的特点不太明显。随着人们对健康的重视,我国对菊粉的开发利用也广泛重视起来,菊粉是非常适合中老年人的一种膳食纤维,尤其对于咀嚼能力有限,肠道功能减退的老年人。

无论是针对中老年人群的全营养配方食品、糖尿病全营养配方食品还是肿瘤全营养配方食品等都是运用菊粉的一个理想系统。因此,菊粉在特殊医学用途配方食品中有着良好的应用前景。