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环糊精(cyclodextrin-CD)是淀粉经过环糊精转葡糖基酶的作用,以α-1,4键结合6~8个葡萄糖构成的环状低聚糖,其结构具有外侧亲水,内侧亲油的特性。常见的环糊精有α-CD,β-CD,γ-CD三种,环糊精的发现有近百年的历史,由于缺乏有效的制造方法,尽管许多研究人员从其特性研究了各种利用方法,可是实际应用较晚。近年来由于生产工艺的突破,环糊精发展迅速,以加工食品为中心,成为广泛应用的安全的食品添加剂。

α-CD是一种由6个葡萄糖单位组成的环状结构聚合物,极性羟基向外。环的核心是疏水的,容易与各种疏水化合物结合,包括游离脂肪酸,美国农业部从官方的角度认可了α-CD对人体的安全性。α-CD具有优良的理化特性,可被用于多个领域。目前相对比较成熟和广泛接受的应用领域主要是将其作为可溶性膳食纤维或改善代谢综合征方面的素材用于功能性食品、药物辅料等领域。其次,其抑制血糖上升的功能也已经得到欧盟委员会的认证;再次,其减肥功效在美国广受欢迎和好评,在日本也逐步被接受和认可。[1]我国《GB2760-2014》食品添加剂使用标准规定α-CD作为稳定剂和增稠剂,可在各类食品中按生产需要适量使用。

图1:α-CD的结构

α-CD对肠道菌群的调节作用

肠道益生菌的作用在于扶植肠道内正常的微生物菌群,拮抗病原菌,把生态失衡调节的肠道调回到生态平衡状态。肠道生态系统失调通常是由于小肠内一些细菌在数量上的增加或减少引起的,尤其是一些需氧菌(肠杆菌科和链球菌属类细菌)的增加,另外双歧杆菌和梭状芽孢杆菌属等有益菌的减少也会造成肠道微生物失调。α-CD是一种无味、不易消化、无热量、无致龋性的糖类,不被胃肠道消化,但可以被肠道菌群发酵促进肠道有益菌的生长。Nanako等人的研究发现,小鼠喂食高脂肪饮食16周后,肠道中的双歧杆菌、拟杆菌、乳酸杆菌等有益菌的数量明显降低,但如果小鼠喂食高脂饮食的同时食用α-CD,不仅小鼠的体重得到明显的控制,肠道中的这些有益菌的数量也明显增加,恢复到正常的饮食状态(见图2)。一般情况下,肠道不能直接消化吸收α-CD,直接的证据来自无菌鼠的研究[2],给无菌鼠喂食α-CD后,食物中的α-CD几乎完全随粪便排出。但口服α-CD后,极少部分(约摄入量的1%)可以以代谢产物的方式从肠道吸收,大部分发生在结肠,α-CD经过肠道菌群代谢后,降解成线性麦芽寡糖,然后进一步水解和发酵成为可吸收的短链脂肪酸对人体发挥有益作用。[3]总的来说,摄入α-CD的代谢类似于其他不可消化但可发酵的碳水化合物,如抗性淀粉或菊粉这类普通的可溶性膳食纤维。

图2:小鼠喂食普通饮食、高脂饮食或高脂饮食添加了α-CD后肠道菌群的变化,A:总菌群数量,B:双歧杆菌,C:类杆菌/普雷沃菌,D:乳酸杆菌。数据来源:Nihei, N., Okamoto, H., Furune, T., Ikuta, N., Sasaki, K., Rimbach, G., … Terao, K. (2018). Dietary α-cyclodextrin modifies gut microbiota and reduces fat accumulation in high-fat-diet-fed obese mice. BioFactors, 44(4), 336–347. doi:10.1002/biof.1429 

α-CD可以降低餐后血糖

α-CD不仅对一般的淀粉降解酶有抗性,而且可以通过与淀粉酶活性位点的结合直接抑制直链淀粉的水解。长期过量食用高升糖指数的食物会增加患糖尿病、高血脂、高血压和动脉粥样硬化的风险,因此食用低升糖指数的食物比高血糖指数的食物会更受欢迎。医生常常建议糖尿病前期和糖尿病患者食用低升糖指数食物。高升糖指数饮食增加患病风险的机制可能始于餐后血糖升高,高血糖直接刺激胰岛分泌过多的胰岛素,长期如此高胰岛素血症和胰岛素抵抗就逐渐发生了。在日常的饮食中,如果经常摄入低升糖指数的食物可以降低餐后血糖浓度的峰值和胰岛素的分泌,对胰岛功能的保护是大有裨益的。在一项人体研究中,健康受试者分别食用了50克白米饭,或食用了等量白米饭但添加了不同量的α-CD,分别为2、5或10 克,之后观察餐后血糖的变化,结果发现α-CD以剂量依赖的方式降低了血糖反应(在摄入10g α-CD后测定餐后葡萄糖水平降低了50%)(图3)。这个人体研究说明,添加了α-CD的高升糖指数的白米饭可以转变成低升糖指数的健康食物。

图3:人进食白米饭或白米饭添加不同剂量的α-CD后血糖的变化,A: 进餐前及进餐后不同时间的血糖值,B:餐后血糖值的曲线下面积。数据来源:Buckley, J. D., Thorp, A. A., Murphy, K. J., & Howe, P. R. C. (2006). Dose-Dependent Inhibition of the Post-Prandial Glycaemic Response to a Standard Carbohydrate Meal following Incorporation of Alpha-Cyclodextrin. Annals of Nutrition and Metabolism, 50(2), 108–114. doi:10.1159/000090498

人体对α-CD耐受度也很好,澳大利亚和新西兰食品标准评估了每天每人可以摄入α-CD的量,即使摄入的量高达38.6克,依旧是安全的。欧洲食品安全管理局(EFSA)已经确认了含淀粉膳食加入α-CD后,餐后血糖会随之降低,两者之间有明确的因果关系,因此含α-CD的食物可以有如下的声称:食用α-环糊精有助于降低含淀粉类食物的餐后血糖。为了达到声称的效果,每50克淀粉中应同时摄入5克α-CD。欧盟食品安全管理局(EFSA)规定的α-环糊精摄入量及建议的功能宣称见下表:

数据来源: Scientific Opinion on the substantiation of health claims related to alpha cylcodextrin and reduction of post prandial glycaemic responses (ID 856, 2926), maintenance or achievement of a normal body weight (ID 2925) pursuant to Article 13(1) of Regulation (EC) No 1924/2006. EFSA Journal, 8(2). doi:10.2903/j.efsa.2010.1479

由此可见,α-环糊精对糖尿病人的血糖控制是有好处的,生产成本减低后,在健康食品领域必将得到广泛的应用。

参考资料:

  1. Fenyvesi, É., Vikmon, M., & Szente, L. (2015). Cyclodextrins in Food Technology and Human Nutrition: Benefits and Limitations. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 56(12), 1981–2004.doi:10.1080/10408398.2013.809513
  2. Nihei, N., Okamoto, H., Furune, T., Ikuta, N., Sasaki, K., Rimbach, G., … Terao, K. (2018). Dietary α-cyclodextrin modifies gut microbiota and reduces fat accumulation in high-fat-diet-fed obese mice. BioFactors, 44(4), 336–347. doi:10.1002/biof.1429 
  3. Van Ommen, B., De Bie, A. T. H. J. and Bar, A. (2004). Disposition of 14Calpha-cyclodextrin in germ-free and conventional rats. Regul. Toxicol.Pharmacol. 39(Suppl. 1):S57–S66.
  4. Buckley, J. D., Thorp, A. A., Murphy, K. J., & Howe, P. R. C. (2006). Dose-Dependent Inhibition of the Post-Prandial Glycaemic Response to a Standard Carbohydrate Meal following Incorporation of Alpha-Cyclodextrin. Annals of Nutrition and Metabolism, 50(2), 108–114. doi:10.1159/000090498
  5. Scientific Opinion on the substantiation of health claims related to alpha cylcodextrin and reduction of post prandial glycaemic responses (ID 856, 2926), maintenance or achievement of a normal body weight (ID 2925) pursuant to Article 13(1) of Regulation (EC) No 1924/2006. EFSA Journal, 8(2). doi:10.2903/j.efsa.2010.1479 

 

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