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甜菊糖的主要应用

发布日期:2019/4/26 14:25:08

背景及概述[1]

甜叶菊(Steviarebaudiana(Bertoni)Hemsl)又名甜菊、甜草、密菊、甜茶等,为菊科多年生草本植物,原产美洲巴拉圭和巴西交界的阿曼拜山脉,从1899年报道这种植物以来引起了很多学者浓厚的兴趣。日本在1970年引种成功之后,对甜叶菊的栽培、安全性和化学方面的研究得到很快的发展。我国自1977年由南京中山植物园、中国农业科学院等科研机构引种甜叶菊,试种成功以后迅速发展,至今全国已有23个省市自治区种植,已经跃居为世界上最大的甜菊糖生产国和出口国。甜菊糖为甜叶菊中的甜味成分,在甜叶菊的叶子、茎、根等部位均有分布,但以叶子中含量最高,且其含量随生长进程而变化,在现蕾期达到最高。甜菊糖因其无毒、安全、低热能等特点而备受青睐,被誉为“世界第三糖源”,有关甜菊糖的生物活性以及产品开发研究引起了国内外众多学者的兴趣。

药理活性[1]

作为新糖源,甜叶菊的药理活性和安全性研究一直以来是众多学者关注的焦点,目前报道的甜菊糖生物活性非常广泛,其中研究较为深入的主要为抗糖尿病、降血压、抗菌抗病毒、抗炎等活性。

1)抗糖尿病活性

在多年前美洲就已经把甜叶菊的叶子作为抗糖尿病药物使用,而现代药理学研究也证明甜叶菊叶

子具有较好的抗糖尿病作用,同时能够有效预防四氧嘧啶引起的血糖升高。甜叶菊的抗糖尿病活性主要有3个途径:(1)通过抑制肝脏糖异生而表现出阻止血糖升高;(2)甜菊苷、莱鲍迪苷A能够提高胰岛敏感性,刺激胰岛细胞分泌胰岛素,具有安全治疗II型糖尿病的作用;(3)甜菊糖苷还可以通过提高小鼠胰岛素的利用率而达到降血糖目的。

2)降血压、降血脂作用

研究发现,甜叶菊叶子提物取具有降血脂以及显著的降血压作用,目前发现其作用机理主要是通过抑制Ca2+内流入血管细胞,促使血管扩张,从而达到降血压作用。

3)抗菌、抗病毒作用

抑菌圈试验发现,甜叶菊叶子乙醇提取物的浓度为1000μg/mL时对蜡状芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、木糖葡萄球菌的抑菌圈直径分别为6、6、6mm;丙酮提取物的浓度为1000μg/mL时对蜡状芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、木糖葡萄球菌、反硝化产碱菌、铜绿假单胞菌的抑菌圈直径分别为7、5、6、7、9mm;甜菊苷在浓度为100μg/mL时对蜡状芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌的抑菌圈直径为分别为12、10、10、10mm。此外,Kataev等发现甜叶菊提取物还具有抗结核活性,其活性成分为甜菊苷和甜菊双糖苷,抗结核MIC值分别为7.5μg/mL和3.75μg/mL。T研究发现,甜叶菊的水提物能够与人轮状病毒外衣壳糖蛋白VP7结合,使VP7与细胞受体结合时位阻增大,从而阻止病毒依附于正常细胞,进而表现出抗人轮状病毒的活性。

4)抗炎作用

甜菊叶的三氯甲烷提取物和甲醇提取物具有显著的抗炎作用,对角叉菜胶诱导大鼠足趾肿胀有明显的预防作用。有学者通过实验推测,甜菊苷可能是抗炎的活性成分,其作用机理主要是通过刺激先天性免疫进而降低促炎反应的发生。进一步的研究证实,甜菊苷可以抑制NF-κB活性以及蛋白激酶抑制信号传递,从而表现出抗炎。甜菊苷能够通过调节NF-κB通路信号而提高卫星细胞活性,从而促使受伤肌肉的恢复。

5)免疫调节

甜叶菊叶子提取物和甜菊醇具有免疫调节活性,其作用机理是通过干扰NF-κB通路而表现出抗炎和较强的免疫调节作用。

6)抗癌作用

研究发现甜叶菊叶子的乙酸乙酯、丙酮、三氯甲烷、水提取物均表现出了抗癌潜质。最近报道,甜菊糖能促进Bax和细胞色素C的表达,进而释放到细胞质,诱导癌细胞凋亡。此外验结果表明甜菊糖还可以用于预防化学致癌。

7)其他作用

甜叶菊具有抗健忘症、预防肥胖症、预防心脏病龋齿、杀灭幼虫、作为饲料改善猪肉的品质、治疗代谢综合征等作用。

安全性[1]

甜菊糖作为食品添加剂使用,其安全性尤为重要。现代药理学研究证明甜叶菊及甜菊糖食用安全、无毒副作用。将实验大鼠随机分为3组,分别喂食500、1000和2000mg/(kg·d)3种不同剂量的莱鲍迪苷A,持续90d,结果没有显示任何毒副作用。在肉鸡的每个受精卵中分别注射剂量为0.08、0.8、4mg的甜菊苷,或0.025、0.25、1.25mg甜菊醇,结果发现孵化过程中胚胎均发育正常。采用艾姆斯实验、染色体畸变试验、骨髓微核试验和DNA合成检查法证明了莱鲍迪苷A无基因毒性。

应用[2]

1. 甜菊糖苷在食品饮料行业的应用

甜菊糖由于其甜度高、热量低、口感清新、对人体无副作用等特点被广泛应用于食品饮料等行业。1985年6月,我国卫生部批准将甜菊糖用作食品添加剂;1990年,卫生部扩大其适用范围,批准将其用作医药用甜味剂辅料;1999年,制定了甜菊糖苷标准(GB8270-1999),迄今,甜菊糖已被广泛应用于饮料、蜜饯、果脯、糕点、乳制品、降血压或减肥等功能性食品以及卷烟行业中。甜菊糖虽然甜度高,但后味却带有苦涩和甘草的余味,原因可能是其提取过程中苦味杂质的残留或甜菊糖的基本结构和糖配基等的影响。然而,将甜菊糖与柠檬酸、苹果酸,乳酸以及氨基酸等混合使用时,可消除甜菊糖后味的影响,有利于提高甜菊糖的口感。

此外,将甜菊糖与其他甜味剂进行复配,制成复合甜味剂,如赤藓糖醇和甜菊糖的天然复配,不仅增强了其保健功能,而且降低了赤藓糖醇的成本,掩盖甜菊糖的不良口感。甜菊糖可替代15%~35%的蔗糖生产饮料或酒类,不仅不影响口感,而且由于甜菊糖的抑菌效果,还能延长饮料的保质期,改善酒质。而将甜菊糖用于果脯、糕点制作,不仅大大降低了成本,还降低了热量,满足了日常低糖摄入人群的需求。将甜菊糖用于乳制品的生产,不仅能改善乳制品的口感,甜菊糖作为双歧杆菌生长的促进剂,不但能促进人体内双歧杆菌和乳酸杆菌的增殖,还能抑制大肠杆菌等的生长。用甜菊糖替代30%~50%的蔗糖加工水产品,能防止水产制品中蛋白质变质或因酸败反应而引起褐变、发霉现象。将甜菊糖用于酱油等调味品中,不仅能防止其褐变反应,还能抑制其咸度。

2. 甜菊糖苷在医药行业中的应用

目前,在药剂中,一般使用蔗糖作为矫味剂,但在临床应用中却存在一些弊端。比如大量的蔗糖将限制糖尿病患者的使用,同时,由于蔗糖的存在使得药剂色泽变黄,影响外观。阮文幼[7]曾利用甜菊糖代替肌苷口服液中的蔗糖,发现新配置的肌苷口服液具有粘稠度小、过滤快和成品透明度好、色泽好、成本低、不影响疗效、口感好等优点。除此之外,蔗糖在药剂使用中具有大量食用可能会诱发癌症,造成龋齿;在酸性的中药药剂溶液中不稳定,会降低其甜度;在清热解毒及收涩类药剂中甜度降低;蔗糖的存在不利于微生物的控制,从而影响药剂质量等缺点。甜菊糖具有甜度高、热量低、无副作用、预防龋齿、在3~10的pH范围内稳定、不发酵的特点,在制药过程中,使其成为代替蔗糖用作糖浆、冲剂、丸剂等药剂的矫味剂

2. 甜菊糖苷在有机化学中的应用

将甜菊糖苷在酸性条件下水解,可得到一种具有贝叶烷骨架的四环二萜类化合物———异斯特维醇,因其分子结构本身的刚性和特有的凹槽结构以及其化学结构稳定,手性环境优越的特点,近年来被开发应用于有机催化、分子识别及自组装等方面。

制备[3]

甜菊糖经过30多年的工业化生产,产品已发展到第三代:第一代甜菊糖为甜菊糖总甙,第二代产品的主要成分为ST和RA的混合物,第三代产品主要成分为RA,甜味成分及其特性见表1。甜菊糖的制备流程主要为:干燥粉碎甜菊叶、液相浸提、除杂、树脂处理、喷雾干燥和精制等步骤。

1)浸提

初蕾期的甜菊叶中甜菊糖含量最高,将此时期的甜菊叶干燥粉碎后,通常采用热水或醇类等极性溶剂液相浸提甜菊糖,二氧化碳超临界提取法尚未在工业中应用。在浸提用氯仿或正己烷除去叶片中的油脂、叶绿素和香精油等非极性物质。浸提方式通常分采用罐式分批浸提或逆流连续提取两类方法。通过离心、板框压滤和膜过滤等方法除去碎叶和其它固体杂质得到甜菊原液。

2)除杂

分离和提纯甜菊糖:甜菊原液里含有大量的蛋白质、有机酸、单宁、皂甙、色素、无机盐等杂质,这些杂质的含量是糖甙含量的5-7倍。常用柱层析法或膜过滤法从甜菊原液分离提纯甜菊糖采用柱层析法分离提纯甜菊糖时,首先需对甜菊原液进行预处理。否则,一方面,料液中的色素等杂质会污染树脂,造成树脂大量吸附色素,而减少对糖甙的吸附量,缩短吸附周期,增加酒精和糖甙的流失量,降低提取率,提高生产成本;另一方面,料液中的有些金属离子可造成树脂永久性中毒,缩短树脂的使用寿命,影响生产的正常进行;第三,将产品用于饮料生产时,会出现沉淀和灌装时起泡等问题,影响其推广使用。因此,氢氧化钙和硫酸铁常被用做絮凝剂帮助除去甜菊原液中的杂质。

钙盐不仅能与柠檬酸、酒石酸、琥珀酸、苹果酸、抗坏血酸及草酸等有机酸形成不溶性钙盐而沉淀,也能与多元酚、蛋白质、多糖类、色素类如叶绿素、胡萝卜素和叶黄素形成不溶性钙盐而沉淀等。铁盐能使单宁和铜、锌、铝、钙等金属盐产生沉淀。甜菊原液通过预处理除去其中的部分有色物质、蛋白质和杂味物质后,首先用大孔树脂选择性吸附液中的甜菊糖,再用水或有机溶剂洗脱。洗脱液中的盐类、大部分色素和其他极性杂质通过阴阳离子交换树脂除去,以得到甜菊糖富集液。

3)树脂处理

我国用树脂提纯甜菊原液的研究工作始于1982年。1984年,陈德昌等人在江苏省镇江市建立了中国第一家采用树脂法提纯甜菊糖的工厂。现常用的阳离子交换树脂有AmberliteIR-120B、001×14.5等,阴离子交换树脂有AmberliteIRA-93、D-280等,吸附树脂可采用AmberliteXAD-2、AB-8、DiaionHp-20、ADS-7、D107、D108等。采用膜过滤法分离提纯甜菊糖时,通过陶瓷微孔、超滤膜、纳米滤膜的过滤,可除去甜菊原液中离子化合物和分子量与甜菊糖相差较大的有机物分子,得到甜菊糖富集液。1998年加拿大国家研究委员会研发出膜过滤提纯甜菊糖的方法获得美国专利。

4)喷雾干燥

将富集液通过降温结晶、浓缩结晶或喷雾干燥可得到主要成分为ST和RA的甜菊糖粗品,颜色偏深。在结晶或喷雾干燥前可用活性炭脱色,以得到白色产品。我国大部分甜菊糖厂家出产的就是此类产品。

5)精制

精制富含RA或ST的甜菊糖:由于ST与RA在亲水性溶剂中溶解度有差异,可将甜菊糖粗品溶解于甲醇、乙醇等溶剂中,使其达到饱和浓度,然后通过浓缩、冷却等方法选择性析出ST或RA晶体。为确保获得高纯度RA,可用乙醇水溶液重新溶解晶体过滤除去不溶性杂质,通过喷雾干燥或浓缩结晶得到产品。

主要参考资料

[1] 甜菊糖药理作用及生产工艺研究进展

[2] 甜菊糖的应用研究进展

[3] 甜菊糖提取工艺进展及发展前景