一种高生物利用度的魔芋膳食纤维食品及其制备方法【技术领域】，特别是一种溶解性好、吸水性低，在人体中能够长时间提供益生菌所需养料，维持益生菌持续繁殖，持续维持人体肠道内益生菌和有害菌有益比例，有益人体健康，以魔芋葡甘聚糖为原料制作的食品。[0002]全世界公认，膳食纤维摄入不足是高血脂、心脑血管疾病、糖尿病、肥胖、便秘、月旨肪肝、痛风、内分泌失调等代谢性疾病的主要饮食根源，在高糖、高脂和高蛋白等高热量膳食结构中尤其如此。以膳食纤维改造传统食品，平衡膳食，抑制过度碳水化合物、脂肪和蛋白的副作用，降低食物的血糖生成指数，保障良性代谢，有效排毒，保持健康的人体微生态环境成为健康饮食的核心诉求。[0003]营养医学界对于优秀膳食纤维的寻觅在近一个世纪以来付出了巨大努力，但结果甚微。因为自然界的膳食纤维大多口感粗糙，或者不易加工，与其他食品配料的配伍性差，或者其功能有副作用，人类始终面对饮食结构中膳食纤维不足甚至严重不足的问题，导致上述大量生活方式疾病，损失了社会生产力，影响人的生命生活质量，加重了各国政府社会保障负担。[0004]自20世纪80年代以来，随着中国开发魔芋产业，人们开始认识了一种新型的、天然的膳食纤维，即魔芋葡萄甘露聚糖。(简称魔芋葡甘聚糖，Konjac glucomannan, KGM)KGM是从天南星科植物魔芋中提取的葡萄甘露聚糖，魔芋是迄今为止唯一能够工业提取葡甘聚糖的植物，因此，凡是说葡甘聚糖都是指魔芋葡甘聚糖。为准确起见，也可说魔芋葡甘聚糖。国际上都采用美国AACC (美国谷物化学家学会)对于膳食纤维的定义，定义中明确表示膳食纤维具有降血脂、降血糖和通便的有益生理功能中的一种、两种或者全部。魔芋具有膳食纤维定义中的全部有益生理功能而没有副作用，且口感良好，与其它食材和食品工业原料配伍性好。KGM膳食纤维抑制淀粉酶的活性，从而降低食物的血糖生成指数，使得人体可以减少糖类摄入，降低血糖峰值，减轻胰腺负担，保持适当饥饿感而不至饥饿，这对人体健康有着十分特殊的意义。这些有益生理功能已经被临床证实，并在国外逐渐得到相关管理当局的正式认可，允许对KGM声称健康功能。[0005]根据研究，从细胞的角度看，人体不仅仅是一个“人”的细胞构成的机体，而是一个由“人”的细胞和“共生微生物”细胞共同构成的复杂系统。其中细菌的细胞数竟然是人的细胞数的10倍之多。[0006]因此，从基因的角度看，人体内有两个“基因组”:一个是从父母那里遗传来的人基因组，编码大约25，000个基因，叫做“第一基因组”；另一个则是人体内多达1000多种共生微生物的遗传信息的总和，叫“微生物组”，也可称为“元基因组”，它们所编码的基因有100万以上。[0007]人在母亲子宫体内时是无菌的，出生以后才开始从环境里获得共生微生物。大约到3岁时肠道菌群就成熟、稳定了，人体免疫系统也在这时发育成熟，对肠道菌群的正常成员产生免疫耐受，把它们当作身体的一部分接受下来。从此以后，肠道菌群就与人终身相伴，影响着我们的生老病死。可以说，肠道菌群是后天获得的“第二个基因组”。
[0008]人基因组和微生物组共同作用影响人体的免疫、营养和代谢过程。人的健康状况发生变化，体内的共生微生物的组成就会发生变化；体内共生微生物的组成的变化也会导致人体的健康状况的改变。共生微生物有益生菌、有害菌和中性菌。一般认为，强健人的肠道菌群基本为:有益菌75%，有害菌15%，中性菌15% (有益菌压倒性的胜利)；普通人的肠道菌群基本为:有益菌25%，有害菌25%，中性菌50% (菌群基本平衡)；便秘人的肠道菌群基本为:有益菌15%，有害菌65%，中性菌20%(有害菌占了优势)，而癌症病人的肠道菌群基本为:有益菌10%，有害菌90% (有害菌侵略成功)。有害菌的养料来源和人体相同，有害菌从食物残渣中吸收人体消化道未能消化吸收的营养；有益菌从人类不能消化吸收的膳食纤维中吸收养料。要维持人体健康，就是要维持人体的微生态环境有益于人体健康的平衡。全世界众多研究和实践证明魔芋葡甘聚糖是人体内益生菌群的优质养料，是为益生菌群提供养料的首选膳食纤维。
[0009]按照营养学界的研究，人体对于膳食纤维是有一定需要量的，各国根据本国实际都有大致相同的推荐摄入量，中国为每人每天25-35克。有研究证实，魔芋葡甘聚糖人体起作用的摄入量为每公斤体重0.17-1.5克，实践证明较佳摄入量为每公斤体重每天I克左右。现代人类通过普通饮食远远不能实现对膳食纤维的摄入需求。通过食用魔芋葡甘聚糖来补充膳食纤维正逐渐成为一种选择。
[0010]迄今为止，魔芋作为膳食纤维来源的食用方法包括:
1、魔芋丝、块
做法是以葡甘聚糖和水混合成糊，加入氢氧化钙脱乙酰基，形成不可逆凝胶。这是一种传统吃法，吃的主要是口感。主要问题是葡甘聚糖含量低(3-5%)，难以通过这种食品获得足够膳食纤维摄入，运输费用高，保存期短，不易入味，携带不便。
[0011]2、直接食用葡甘聚糖粉末(包括胶囊、压片)
葡甘聚糖分子量大，粘度高，吸水性强，膨胀率高，食后需要大量饮水，若缺水，葡甘聚糖会吸收肠道液体，易至身体不适甚至危险。若摄入量小，作用不明显，若摄入量大，再大量饮水，容易妨碍正常进食，造成营养不良。
[0012]3、少数食品中含有较多葡甘聚糖干品，但入口后粘牙，口感不适，且亦需要大量饮水。
[0013]4、食用魔芋甘露低聚糖。
[0014]但是，由于葡萄甘露聚糖的相对分子量太高，分子量的分布范围较为集中，在水中的粘度非常大，食用时对水的需求量大，上述直接食用的方法都不可能使人体能够安全、有效摄入足够膳食纤维需要量。虽然已有魔芋低聚糖(甘露寡糖)问世，但魔芋葡甘聚糖做成低聚糖后，其功能局限于下消化道，对血糖和血脂改善的直接作用基本丧失，在全消化道收集毒素排出体外的功能也大打折扣。也有单独获取某个特定聚合度降解产物的技术，但其生物利用度仍然无法得以提高。特定聚合度的葡甘聚糖降解产物，无法保证为肠道内益生菌群持续供给养料，维持益生菌群的持续繁殖，因而影响人体的微生态环境。
[0015]迄今为止，尚不存在将不同聚合度魔芋葡甘聚糖降解产物配合使用以实现为人体肠道内益生菌群持续供给养料，维持益生菌群持续繁殖，持续使肠道内益生菌群和有害菌群维持在有益于人体健康比例，维持人体内有益微生态环境的纯膳食纤维食品。


[0016]本发明的目的是提供一种为人体肠道内益生菌群持续提供养料的魔芋膳食纤维食品，其水溶性高，粘度小，能在肠道内，长时间为益生菌群提供养料的，且具有口感好，降血脂、降血糖、减肥、调节肠道益生菌和通便、排毒等全面功效，在全消化道整体发挥健康生理功能。
[0017]本发明提供一种魔芋膳食纤维食品，该食品由魔芋粉降解后，所产生的分子量小于52650的全部降解产物混合所组成，其中包含寡糖和聚合度2-65的葡甘聚糖，混合物的各组分分子量呈梯度。
[0018]本发明得到上述食品的方式是将一种较大分子量降解产物与一种较小分子量的降解产物混合制得，其中定义分子量在5265— 52650之间的为较大分子量，分子量小于15390的为较小分子量。其中分子量在5265— 52650之间的较大分子量降解产物由酸法降解制备得到，制备步骤包括:
(1)在反应罐中配制浓度为45±2%(v/V)的乙醇溶液；
(2)在上述乙醇溶液中加入浓度为36-38%的化学纯浓盐酸，搅拌使其均匀混合；
(3)水解反应:将魔芋粉在搅拌条件下徐徐加入反应罐，至完全分散，加热使温度达68°C — 78°C，反应一段时间，通过测量产品的粘度检测反应进度，由粘度值换算成DP值，待达到预期DP时，可停止水解，进行下一步骤；
(4)中和反应:将氢氧化钠的乙醇溶液加入反应结束后的反应液混合液中，维持68°C—78°C，进行中和反应，以中和掉反应液中的盐酸；
(5)粗滤:用离心机分离滤除反应废液，得到待精洗的解聚魔芋葡甘聚糖产物；
(6)离心脱水，真空干燥；升温100-105°C杀菌，直至解聚魔芋葡甘聚糖产物的水分含量小于10%。
[0019](7)重复上述(I)至(6)过程，改变上述步骤(2)的浓盐酸和(4)的氢氧化钠用量，获得聚合度更高或者更低的葡甘聚糖降解产物。增加重复的次数，增加浓盐酸的用量，可以得到更多更低聚合度的葡甘聚糖；反之，当盐酸的用量少，上述步骤重复次数少，则得到聚合度更高的解聚魔芋葡甘聚糖。更佳地做法是，在粗滤步骤(5)之后还包括一个精洗步骤:用浓度80-85%的乙醇溶液，洗涤经粗滤的解聚魔芋葡甘聚糖产物。
[0020]其中分子量小于15390的较小分子量降解产物，包括聚合度2-20的葡甘聚糖和一些寡糖，由酶法降解制备得到，制备步骤包括:
(O配制水解液:将纤维素酶或者甘露聚糖酶溶解于水中，制成水解液备用；
(2 )拌料装盘:将纯化魔芋粉置于带搅拌器的拌料桶中，在高速搅拌下将酶水解液雾化喷洒与纯化魔芋粉均匀混合，并迅速出料分装于不锈钢水解盘中；
(3)酶解反应:将装料水解盘置于提前预热到摄氏40-45度的恒温箱中，在恒温摄氏40-45度条件下酶解5-7小时，每两个小时将物料翻拌一次；
(4)闻温杀囷；
(5)烘干:在摄氏60-70度条件下抽真空干燥4-5小时，然后停止加热条件下继续抽真空干燥1-2小时； (6)粉碎。
[0021]其中对于步骤(3)，纯化魔芋粉与酶水解液的用量比例为1:2的质量比。
[0022]本发明的食品是由魔芋葡甘聚糖的降解产物中，分子量小于52650的降解产物所组成，其中包含不同聚合度的葡甘聚糖和一些寡糖，不同分子量所对应的不同聚合度产物在肠道内存在时间长短不一，由于利用的难易程度和时机不同，形成肠道内可供益生菌利用的膳食纤维源可连续性地长时间存在，能够持续地为益生菌群提供养料源，保证益生菌的不断增殖过程，快速增殖的益生菌又可利用膳食纤维降解所产生的葡甘聚糖，维持益生菌菌群水平和抑制有害菌，确保人体的微生态环境，从而有利于人体健康。在此过程中，本发明膳食纤维食品被肠道益生菌群所利用，酵解产生短链脂肪酸和维生素等，有效提高膳食纤维的生物利用度。

[0023]本发明的魔芋膳食纤维食品是由魔芋粉降解后，所产生分子量小于52650的降解产物所组成，其中包含寡糖和聚合度2-65的葡甘聚糖，混合物的各组分分子量呈梯度。实践证明，食用本发明的食品后，可使人体内毒素逐渐排除，血脂、血糖代谢得以改善，肠道菌群发生有益变化，益生菌群生长旺盛，抑制有害菌群，免疫力提高，对能量需求减少，肥胖者体重朝着合理BMI变化，精力旺盛，体质逐渐发生深层改进。
[0024]本发明食品中较高聚合度产物和较低聚合度产物的配比，根据所加入产品的葡甘聚糖含量、低聚糖含量、容许粘度等来决定。比如，为调整食品胶体质感和防止脱水，或主要追求降脂降糖作用，可选择更多高聚合度葡甘聚糖，少配后者；如想快速解决菌群失调，则使用更多低聚合度葡甘聚糖，降低高聚合度产物的比例；如果要追求整个下消化道菌群增殖的延续，则高低聚合度比例相当。
[0025]本发明的膳食纤维食品，可直接用水、汤、汁等调糊食用，或者掺入饼干，面包等工业食品中食用，或者做成凝胶状态，包装后出售而供食用。由于经解聚后，分子变小，粘度变小，与大分子的葡甘聚糖配用时形成的凝胶更具有保水(防止脱水)和改善胶体质地的功倉泛。
[0026]聚合度高于65的葡甘聚糖，聚合度较高需要水多，粘度大，很难使人体摄入理想的量，在工业上也难于加工操作。从最终产品的质地和保水性出发，聚合度小于65的葡甘聚糖也更为理想，做成的食品口感更好更便于后期的进一步加工。
[0027]制备本发明食品的方法包括使用现有技术制备不同聚合度(分子量)的解聚魔芋葡甘聚糖，加以混合，使混合物中各组分分子量呈梯度分布。关于魔芋葡甘聚糖定分子量(定聚合度)制备方法可选择现有的技术，例如可参照《食品工业科技》工艺技术，第2006年10月第27卷《β -葡聚糖酶分级降解魔芋葡甘聚糖工艺研究》，或《食品工业科技》第2011年第09期《魔芋葡甘聚糖酶解过程及各种不同分子量葡甘露低聚糖制备条件的研究》(作者:姚雪；罗学刚；韩本超)等文章。
[0028]但在本发明中，上述聚合度为6.5—65的较高聚合度解聚产物(分子量在5265—52650之间的解聚葡甘聚糖)，本发明较佳是主要采用化学酸降解法制备得到。以下以112KG、纯度为74% (葡甘聚糖含量)左右的魔芋粉制备较高聚合度葡甘聚糖解聚产物的过程为例进行说明，具体制备步骤包括: (1)在反应罐中配制500L浓度为45±2%(Vv)的乙醇溶液；
(2)在上述乙醇溶液中加入6000ml浓度为36-38%的化学纯浓盐酸，搅拌约十分钟，使其均匀混合；
(3)解聚(水解)反应:将112KG规格为2AHC的魔芋粉在搅拌条件下徐徐加入反应罐，至完全分散，开启热源使反应罐加热，在确保安全的条件下15分钟内升温至68°C—78°C，开始计时，反应60分钟。
[0029]通过适时测量产品的粘度检测反应进度，由粘度值换算成DP值，待达到预期DP时，可停止水解反应，关于解聚产物的粘度与DP值之间的对照关系，可作试验形成一定对应函数图或曲线关系图，以便快速找出粘度所对应的DP (degree of proliferation)值。
[0030](4)中和反应:称取氢氧化钠3000g，加入45±2%乙醇溶液10kg，充分搅拌使氢氧化钠溶解，然后徐徐加入反应结束后的反应液混合液中，维持68°C — 78°C，进行中和反应10分钟，以中和掉反应液中的盐酸；由氢氧化钠和盐酸的用量比可知，盐酸在整个反应中并没有消耗，只是起到催化作用。
[0031](5)粗滤:用离心机分离滤除反应废液，得到待精洗的解聚魔芋葡甘聚糖产物。
[0032](6)精洗:用450L浓度80_85%的乙醇溶液，洗涤经粗滤解聚魔芋葡甘聚糖产物，搅拌精洗15分钟。
[0033](7)离心脱水，真空干燥；升温100-105°C杀菌15分钟，直至解聚魔芋葡甘聚糖产物的水分含量小于10%。
[0034](8 )重复上述(I)至(7 )过程，改变上述(2 )的浓盐酸和(4 )的氢氧化钠用量，获得聚合度更高或者更低的葡甘聚糖降解产物。重复前述步骤多次，以及增加浓盐酸的用量，可以得到更多更低聚合度的葡甘聚糖。
[0035]上述反应中，用到的魔芋粉的规格为规格2AHC-080，粘度为8000cps。
[0036]HC意为高透明度，即在不经过醇洗情况下采用物理方法做到纯度最高，kgm含量为74%左右，因而同时提高透明度；080是代表颗粒度，即通过80目，这是根据最终解聚产物所需颗粒度决定的。
[0037]经检测:上述解聚后的产物的产率达到原魔芋粉总量的70%(如果以纯魔芋精粉来算，产率应达到[(70%) / (74%) *100%]，且其特性如下:
分子量下降:200000-2000000 降到 5265— 52650 ；
聚合度降低:247— 2469降到6.5 — 65，聚合大于20的约占65-80% ；
粘度降低:相同浓度条件下，粘度由8000cps降到300-600cps ；
成糊需要用水大幅减少:25-100倍减少到2-10倍。
[0038]上述方法的降解的过程，基本不影响原葡甘露聚糖的亲水基“乙酰基”，能保持葡甘聚糖的溶解性，1%浓度的溶液，静置无沉淀产生。
[0039]经人群试验后，发现聚合度6.5—65的解聚产物在上消化道产生降血脂、降血糖的生理功能得以保持，且能够随意摄入所需要的量。
[0040]本发明实施例中所采用的酸降解方法，具有至少以下优点(I)容易形成产能；(2)生产周期短；(3)溶剂有酒精，限制了葡甘聚糖的溶胀，不成糊，粘度低，便于回收；(4)只会得到一定聚合度以上产品，不易产生过低聚合度产品，尤其不易产生单糖，大部分产物维持葡甘聚糖形态，聚合度20以上的产物占大部分。[0041]上述分子量小于15390的较小分子量降解产物，包括聚合度2-20的葡甘聚糖和一些寡糖，本发明较佳是采用酶解法制备得到。
[0042]以下以IOKG纯化魔芋粉为例，制备分子量小于15390的解聚产物的过程为例进行说明，具体制备步骤包括:
(I)配制水解液
将30克纤维素酶或者25克甘露聚糖酶溶解于20KG水中，制成水解液备用。
[0043](2)拌料装盘
将IOKG纯化魔芋粉置于带搅拌器的拌料桶中，在高速搅拌下将20KG酶水解液雾化喷洒与纯化魔芋粉均匀混合，并迅速出料分装于不锈钢水解盘中，装料高度不得高于不锈钢盘高度的一半，以便于后续的杀菌、烘干以及中途的翻拌。纯化魔芋粉吸水性极强，必须保证所有纯化魔芋粉颗粒均匀与水解液混合。
[0044]( 3 )解聚(酶解)反应
将装料水解盘置于提前预热到摄氏40-45度的恒温箱中，在恒温摄氏40-45度条件下酶解5-7小时，每两个小时人工翻拌一次。
[0045](4)杀菌
杀菌温度:121?123°C，杀菌恒温时间:40分钟。
[0046](5)烘干
真空干燥器烘干约6小时，温度摄氏60-70度。
[0047]先在摄氏60-70度条件下抽真空干燥4-4.5小时，然后停止加热条件下继续抽真空干燥至六小时。
[0048](6)粉碎。
[0049]上述酶法降解魔芋葡甘聚糖后得到聚合度为2-20的产物，实际上是聚合度较低的葡甘聚糖和低聚糖的混合品。
[0050]经检测:上述解聚后的产物的产率达到原魔芋粉总量的85-90%，且其特性如下: 分子量下降:200000-2000000 降到 324—15390 ；
聚合度降低:247— 2469降到20以下，产生聚合度2_20的葡甘聚糖和一些寡糖，此过程中可通过控制酶解反应的时间，来控制不同聚合度产物所占的比例大小；
粘度降低:未解聚的魔芋膳食纤维1%浓度时，粘度为17000cps ;解聚产物20%的浓度时，粘度为50cps，且成糊需要用水大幅减少25-100倍减少到I倍。
[0051]其中的低聚糖，除健康功能外，同时可以代糖增加食品的口感，且这些低聚糖在上消化道对脂肪和血糖的影响有限，而其中的低聚合度葡甘聚糖部分除扮演葡甘聚糖角色在上消化道利于血脂血糖代谢外，还要继续在下消化道继续降解成低聚糖发挥作用。而其中聚合度小于2的部分失去乙酰基，自溶于水，显示甜味，可以代糖；聚合度大于2的部分带部分乙酰基，遇水可膨胀而不会或较少糊化。
[0052]经临床试验后，发现聚合度小于20的解聚产物在给益生菌提供养料和产生通便作用上十分明显，因为其中低聚合度的葡甘聚糖可以迅速为益生菌群提供养料，促其增殖。
[0053]上述酶法解聚过程，所用纯化魔芋粉与酶水解液的比例为1:2，所用纤维素酶为纯化魔芋粉的0.3%左右，所用甘露聚糖酶为纯化魔芋粉的0.25%左右。本发明酶解聚反应，所用的酶量很少，直接用到魔芋粉参与降解反应，无需将其事先进行高倍数的溶解和稀释，使得降解过程更简单，将酶水解液雾化喷洒与魔芋粉均匀混合，且在高速搅拌下进行，使魔芋粉与水解液均匀混合，酶降解速度更快，更充分，大大提高产能，与现有技术相比，其产物不需要酒精进行分离提纯，因此大大节约了生产成本。
[0054]将上述酸化解聚的较大分子量产物与酶法解聚的较小分子量产物混合后得到本发明食品，其食品中的分子聚合度具有梯度性，具有明显的降血脂、降血糖、通便和排毒的完整的膳食纤维生理功能，既能在上消化道实现降血脂、降血糖、收集毒素带入下消化道的生理功能，又能实现在下消化道促进益生菌生长，促进肠道蠕动，顺利排便排毒的生理功倉泛。
[0055]由于本发明的食品是由聚合度呈连续性梯度分布的葡甘聚糖所组成，而不同聚合度的葡甘聚糖被益生菌利用的难易程度和时机不同，形成肠道内可供益生菌利用的膳食纤维源长时间存在，保证益生菌的不断增殖过程，维持益生菌菌群水平和抑制有害菌。葡甘聚糖被肠道内快速增殖的益生菌所利用，同时产生的短链脂肪酸和维生素等，是对人体极为有益的副产物。
[0056]本发明酸法降解产物的聚合度覆盖中低端聚合度(与未经降解的高聚合度葡甘聚糖相对而言)，能避免太多单糖，酶法覆盖低端聚合度，兼有低端葡甘聚糖和寡糖，寡糖既可代替糖又可在下消化道迅速作用，给益生菌供应食物。酸法制得的产品降血脂、降血糖、减肥的功能强于酶法制得的产品，酶法制得的产品培养益生菌和通便、排毒效果更为迅速，且能够代替糖提供甜味。两者配合使用则可获得降血脂、降血糖和通便、减肥和排毒的全面显著效果，同时局部或者全部代替食品中所需的糖提供甜味而不需消耗胰岛素。
[0057]相对于传统的以定分子量魔芋葡甘聚糖做成食品食用，或由魔芋精粉降解后随机得到的不同聚合度的产物制成食品食用，所带来的生物利用度不高等一系列的问题，本发明独创地以聚合度梯度分布的降解产物混合制备得到，使低聚合度的葡甘聚糖可以使益生菌快速增殖，增殖的益生菌又可以迅速降解高聚合度的葡甘聚糖，产生人体可利用的短链脂肪酸和B族维生素以及一些低聚合度葡甘聚糖，葡甘聚糖与益生菌之间相互促进，相辅相成，在人体内形成一个良性循环。因此本发明从发现技术问题到解决技术问题，不失为魔芋膳食纤维食品领域的一个重大革新与进步。