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摘 要：菊糖作为一种天然果聚糖，在自然界广泛存在，且具有多种功效和用途，将菊糖进行化学修饰，可以进一步改善其原有性能，赋予新性能，扩展菊糖的应用，提高菊糖的附加值。本文对关于菊糖改性的专利进行了综述，以期为菊糖改性和应用的发展提供参考。
关键词：菊糖;果聚糖;改性
中图分类号：TS252 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）24-0097-03
Review of Patented Technology on Modification of Inulin
HU Xiangyu LIU Yan
（Patent Examination Cooperation Guangdong Center of the Patent Off ice， CNIPA， Guangzhou Guangdong 510700）
Abstract： As a kind of natural fructan， inulin exists widely in nature and has a variety of functions and applications. Chemical modification of inulin can further improve its original properties and add new performances， as to expand the application of inulin and improve the added value of inulin. This article summarizes the patents on the modification of inulin is to provide reference for the development of inulin modification and application.
Keywords： inulin;fructan; modification
菊糖，又称菊粉，是一种天然果菊糖，广泛存在于植物组织中，约有3.6万种植物中含有菊糖，尤其是菊芋（又名洋姜）、菊苣、大丽花的块根中含有丰富的菊糖，可以通过热水浸提法、超声波辅助提取法、微波辅助提取法、酶提取法或这些手段的组合来提取菊糖。天然萃取的菊糖，具有良好的营养特性，是食品加工中理想的增量剂，并具备代用脂及代用糖的功能。由于菊糖分子不被人体小肠所消耗吸收，因此不会造成血糖浓度增加，更不会刺激血糖中胰岛素浓度上升，适于糖尿病患者使用[1]。此外，菊糖还具有降血糖、降血脂、促进维生素及矿物质吸收、调节肠道益生菌和增强胃肠功能、减肥美容等功效，在食品、饲料和保健品等领域具有巨大发展潜力。以菊粉为主要原料，开发天然保健、低热量化的功能性食品将会具有极高的市场价值[2]。
菊糖由D-呋喃果糖分子之间通过β-（2，1）-糖苷键连接而成，末端常连有1分子不具有还原性的α-D-葡萄糖残基，结构式如图1所示。菊糖的分子式常用GFn表示，其中G代表终端葡萄糖基团，F代表呋喃果糖分子，n代表聚合度，其聚合度一般从2个到65个不等[3]。其中，来源于球状洋蓟的菊糖具有较高的聚合度，而洋葱与菊芋拥有聚合度较低的菊糖（又称之为寡果糖）[1]。菊糖分子中具有多个活性羟基，可以作为改性位点。通过菊糖的化学修饰，可以改善菊糖的生物活性、扩展菊糖的应用、提高菊糖的附加值，是目前菊糖的发展重要方向之一。
1 菊糖的酯化改性
菊糖的酯化改性通常包括羧酸酯化、硫酸酯化、磷酸酯等。其中，以羧酸酯化最为常见，在专利中具有大量记载，例如US5877144A、CN107674100A、CN106957377A等。
US5877144A提供了多种菊粉脂肪族羧酸酯的制备方法：可以在吡啶作为唯一溶剂的存在下使菊粉与具有2～22个碳原子的饱和酸酐或酰氯或其混合物反应制得;亦可以使菊粉与具有2～22个碳原子的饱和羧酸的酸酐或其混合物在水作为唯一溶剂的存在下反应制得;还可以在不存在溶剂的情况下使菊粉与具有2～22个碳原子的饱和羧酸的酸酐或其混合物反应制得;還可以在不存在溶剂和存在催化剂的情况下使菊粉与具有2～22个碳原子的饱和羧酸酯或其混合物在挤出机或捏合机中反应制得，所述催化剂选自4-（二甲基氨基）-吡啶、乙酸钠、碳酸钾、酸性或碱性形式的离子交换剂和吡啶。该专利指出低取代度（DS=0.03-0.5）的菊粉酯可实现高表面活性，特别适合作为表面活性剂，可用于洗涤剂（如衣物洗涤剂、餐具洗涤剂）、化妆品（如清洁霜、洗发液、身体乳）中，还可作为增塑剂或造纸、纺织和涂料工业中的辅助材料。
进一步地，菊粉短链脂肪酸酯（如乙酸酯、丙酸酯、丁酸酯）是常见的菊粉脂肪族羧酸酯，CN107674100A公开了菊粉脂肪族羧酸酯能在结肠内被某些细菌酵解，产生短链脂肪酸（SCFA），SCFA对人体的影响机制主要有以下两个方面，一是SCFA中的有机酸能够刺激大脑食欲控制中心，调整和控制人的食欲，产生饱腹感信号，刺激结肠内分泌厌食的胃肠激素（多肽YY和胰高血糖素样肽GLP-1），从而降低食欲，减少体重的增加;另一方面，SCFA可以与G蛋白偶联受体—短链脂肪酸受体（FFAR）结合，刺激结肠细胞，促进胰高血糖素样肽GLP-1，影响食欲调节。
进一步地，菊粉丙酸酯是常见的菊粉短链脂肪酸酯，CN106957377A公开了菊粉丙酸酯能降低血糖、控制血脂、促进人体矿物质的吸收、减少肠道病原菌和腐败菌，防便秘及治疗肥胖症，也能有效用于药物载体、疫苗辅剂、金属螯合以及去垢。 2 菊糖的醚化改性
羧基烷基菊粉是常见的菊粉醚化产物，特别是羧甲基菊粉，可有效地用于减肥食品的增稠剂、饮料的增稠剂等。例如，JP3532209B2公开了以水作为介质通过菊粉与氯乙酸反应制备羧甲基菊粉，其可以作为碳酸钙结晶抑制剂。但是，JP特开2007―51249A指出以水为介质，存在羧甲基醚化剂的有效利用率不够高，菊粉在糊状态反应需要特殊的设备的问题。基于此，提出在含水有机溶剂中，将菊粉进行碱处理，然后向经碱处理的菊粉中添加羧甲基醚化剂，进行醚化处理，制得羧甲基菊粉。CN104231117A公开了在离子液体促进下制备羧甲基菊粉的方法，并指出该方法不仅有效地避免了菊粉的糊化，而且使整个反应过程在室温下就能很好地进行，且有效促进了碱化及醚化反应，明显减少了反应时，所得产品羧甲基菊粉取代度高，外观优良。而羧甲基菊粉中引入的羧基是一种活性较高的基团，可以以此为基础进一步改性，获得新的功能，例如，CN104231099A将菊粉先用氢氧化钠进行碱化，再用氯乙酸进行醚化，生产羧甲基菊粉，最后将羧甲基菊粉与锌离子螯合，制得羧甲基菊粉锌，羧甲基菊粉锌可作为一种补锌剂。
此外，菊粉的醚化产物还包括菊粉聚-γ-丙基磺酸醚、烯丙基菊粉等。例如，FR1507370A公开了将菊粉与氢氧化钠溶液混合并通过搅拌均化，然后在搅拌下向混合物中分批加入丙磺酸内酯进行反应，制得菊粉聚-γ-丙基磺酸醚，该化合物可以溶解纤维蛋白和降低血脂，特别是可降低胆固醇。GB1093658A公开了将菊粉与烯丙基溴反应制得了部分醚化的烯丙基菊粉，然后将烯丙基菊粉水溶液与碘放射性标记的氯化碘的醇溶液反应，制得了碘放射性标记的氯碘丙基菊粉，其中，碘优选同位素碘-125和碘-131，因为它们的放射特性和它们有利的半衰期值，该碘放射性标记的氯碘丙基菊粉可用于肾功能的诊断测试。
3 菊糖中引入含N基团的化学修饰
在菊糖中引入含N基团的化学修饰是菊糖改性的一个重要方向，大量的工作已被报道。例如，WO96/34017A1公开了一系列的引入含N基团的菊糖衍生物，其将菊糖的羟基与丙烯腈在碱的存在下反应形成氰乙基菊糖，反应式如下所示：
多糖-OH+CH2=CH-CN→多糖-O-CH2-CH2-CN
腈基是反應性官能团，其可以转化为其他官能团，例如可以使用合适的还原剂（例如硼氢化钠）将腈基还原为伯胺;或通过与羟胺反应将氰乙基菊糖转化为具有式-O-CHR1-CHR2-C（=NOH）-NH2的偕胺肟（羟基脒基-乙基衍生物）;或通过水合转化为酰胺和羧酸。氰乙基化产物可用作其他C3-延伸的菊糖衍生物的起始材料，以及用作织物处理试剂;它们还具有良好的分散性能。羟基脒基-乙基化产物具有强螯合性质，可用于萃取或除去金属离子。
此外，如下表1所示，还列举了一些引入含N基团的菊糖衍生物，可以看出，引入新的基团后，可以提高菊粉的原有性能，或赋予菊粉新的性能，通过菊粉改性，可以扩展菊糖的用途，提高菊粉的附加值。
4 结语
菊粉是一种天然果聚糖，在自然界中广泛存在，来源丰富，易于获取，且菊糖具有多种功效，在食品、药品和保健品等领域具有巨大发展潜力。目前关于菊粉的提取纯化技术已较为成熟，而为了提高菊粉的性能，扩展菊粉的用途，提高菊粉的附加值，可以选择将菊粉进行改性，但是关于此方面的专利相对菊粉的提取纯化而言还比较少，因此，将菊粉进行改性并研究改性产物的性能和用途，是未来菊粉专利发展的一个重要方向。
参考文献：
[1] 邓舜扬.功能性食品与保健[M].北京：科学技术文献出版社，2006.
[2] 张泽生，刘亚萍，李雨蒙，等.菊粉的研究与开发[J].中国食品添加剂，2017（10）：183-188.
[3] 陈源.菊糖衍生物的制备及其生物活性研究[D].山东：烟台大学，2017.
关键词：菊糖;果聚糖;改性
中图分类号：TS252 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）24-0097-03
Review of Patented Technology on Modification of Inulin
HU Xiangyu LIU Yan
（Patent Examination Cooperation Guangdong Center of the Patent Off ice， CNIPA， Guangzhou Guangdong 510700）
Abstract： As a kind of natural fructan， inulin exists widely in nature and has a variety of functions and applications. Chemical modification of inulin can further improve its original properties and add new performances， as to expand the application of inulin and improve the added value of inulin. This article summarizes the patents on the modification of inulin is to provide reference for the development of inulin modification and application.
Keywords： inulin;fructan; modification
菊糖，又称菊粉，是一种天然果菊糖，广泛存在于植物组织中，约有3.6万种植物中含有菊糖，尤其是菊芋（又名洋姜）、菊苣、大丽花的块根中含有丰富的菊糖，可以通过热水浸提法、超声波辅助提取法、微波辅助提取法、酶提取法或这些手段的组合来提取菊糖。天然萃取的菊糖，具有良好的营养特性，是食品加工中理想的增量剂，并具备代用脂及代用糖的功能。由于菊糖分子不被人体小肠所消耗吸收，因此不会造成血糖浓度增加，更不会刺激血糖中胰岛素浓度上升，适于糖尿病患者使用[1]。此外，菊糖还具有降血糖、降血脂、促进维生素及矿物质吸收、调节肠道益生菌和增强胃肠功能、减肥美容等功效，在食品、饲料和保健品等领域具有巨大发展潜力。以菊粉为主要原料，开发天然保健、低热量化的功能性食品将会具有极高的市场价值[2]。
菊糖由D-呋喃果糖分子之间通过β-（2，1）-糖苷键连接而成，末端常连有1分子不具有还原性的α-D-葡萄糖残基，结构式如图1所示。菊糖的分子式常用GFn表示，其中G代表终端葡萄糖基团，F代表呋喃果糖分子，n代表聚合度，其聚合度一般从2个到65个不等[3]。其中，来源于球状洋蓟的菊糖具有较高的聚合度，而洋葱与菊芋拥有聚合度较低的菊糖（又称之为寡果糖）[1]。菊糖分子中具有多个活性羟基，可以作为改性位点。通过菊糖的化学修饰，可以改善菊糖的生物活性、扩展菊糖的应用、提高菊糖的附加值，是目前菊糖的发展重要方向之一。
1 菊糖的酯化改性
菊糖的酯化改性通常包括羧酸酯化、硫酸酯化、磷酸酯等。其中，以羧酸酯化最为常见，在专利中具有大量记载，例如US5877144A、CN107674100A、CN106957377A等。
US5877144A提供了多种菊粉脂肪族羧酸酯的制备方法：可以在吡啶作为唯一溶剂的存在下使菊粉与具有2～22个碳原子的饱和酸酐或酰氯或其混合物反应制得;亦可以使菊粉与具有2～22个碳原子的饱和羧酸的酸酐或其混合物在水作为唯一溶剂的存在下反应制得;还可以在不存在溶剂的情况下使菊粉与具有2～22个碳原子的饱和羧酸的酸酐或其混合物反应制得;還可以在不存在溶剂和存在催化剂的情况下使菊粉与具有2～22个碳原子的饱和羧酸酯或其混合物在挤出机或捏合机中反应制得，所述催化剂选自4-（二甲基氨基）-吡啶、乙酸钠、碳酸钾、酸性或碱性形式的离子交换剂和吡啶。该专利指出低取代度（DS=0.03-0.5）的菊粉酯可实现高表面活性，特别适合作为表面活性剂，可用于洗涤剂（如衣物洗涤剂、餐具洗涤剂）、化妆品（如清洁霜、洗发液、身体乳）中，还可作为增塑剂或造纸、纺织和涂料工业中的辅助材料。
进一步地，菊粉短链脂肪酸酯（如乙酸酯、丙酸酯、丁酸酯）是常见的菊粉脂肪族羧酸酯，CN107674100A公开了菊粉脂肪族羧酸酯能在结肠内被某些细菌酵解，产生短链脂肪酸（SCFA），SCFA对人体的影响机制主要有以下两个方面，一是SCFA中的有机酸能够刺激大脑食欲控制中心，调整和控制人的食欲，产生饱腹感信号，刺激结肠内分泌厌食的胃肠激素（多肽YY和胰高血糖素样肽GLP-1），从而降低食欲，减少体重的增加;另一方面，SCFA可以与G蛋白偶联受体—短链脂肪酸受体（FFAR）结合，刺激结肠细胞，促进胰高血糖素样肽GLP-1，影响食欲调节。
进一步地，菊粉丙酸酯是常见的菊粉短链脂肪酸酯，CN106957377A公开了菊粉丙酸酯能降低血糖、控制血脂、促进人体矿物质的吸收、减少肠道病原菌和腐败菌，防便秘及治疗肥胖症，也能有效用于药物载体、疫苗辅剂、金属螯合以及去垢。 2 菊糖的醚化改性
羧基烷基菊粉是常见的菊粉醚化产物，特别是羧甲基菊粉，可有效地用于减肥食品的增稠剂、饮料的增稠剂等。例如，JP3532209B2公开了以水作为介质通过菊粉与氯乙酸反应制备羧甲基菊粉，其可以作为碳酸钙结晶抑制剂。但是，JP特开2007―51249A指出以水为介质，存在羧甲基醚化剂的有效利用率不够高，菊粉在糊状态反应需要特殊的设备的问题。基于此，提出在含水有机溶剂中，将菊粉进行碱处理，然后向经碱处理的菊粉中添加羧甲基醚化剂，进行醚化处理，制得羧甲基菊粉。CN104231117A公开了在离子液体促进下制备羧甲基菊粉的方法，并指出该方法不仅有效地避免了菊粉的糊化，而且使整个反应过程在室温下就能很好地进行，且有效促进了碱化及醚化反应，明显减少了反应时，所得产品羧甲基菊粉取代度高，外观优良。而羧甲基菊粉中引入的羧基是一种活性较高的基团，可以以此为基础进一步改性，获得新的功能，例如，CN104231099A将菊粉先用氢氧化钠进行碱化，再用氯乙酸进行醚化，生产羧甲基菊粉，最后将羧甲基菊粉与锌离子螯合，制得羧甲基菊粉锌，羧甲基菊粉锌可作为一种补锌剂。
此外，菊粉的醚化产物还包括菊粉聚-γ-丙基磺酸醚、烯丙基菊粉等。例如，FR1507370A公开了将菊粉与氢氧化钠溶液混合并通过搅拌均化，然后在搅拌下向混合物中分批加入丙磺酸内酯进行反应，制得菊粉聚-γ-丙基磺酸醚，该化合物可以溶解纤维蛋白和降低血脂，特别是可降低胆固醇。GB1093658A公开了将菊粉与烯丙基溴反应制得了部分醚化的烯丙基菊粉，然后将烯丙基菊粉水溶液与碘放射性标记的氯化碘的醇溶液反应，制得了碘放射性标记的氯碘丙基菊粉，其中，碘优选同位素碘-125和碘-131，因为它们的放射特性和它们有利的半衰期值，该碘放射性标记的氯碘丙基菊粉可用于肾功能的诊断测试。
3 菊糖中引入含N基团的化学修饰
在菊糖中引入含N基团的化学修饰是菊糖改性的一个重要方向，大量的工作已被报道。例如，WO96/34017A1公开了一系列的引入含N基团的菊糖衍生物，其将菊糖的羟基与丙烯腈在碱的存在下反应形成氰乙基菊糖，反应式如下所示：
多糖-OH+CH2=CH-CN→多糖-O-CH2-CH2-CN
腈基是反應性官能团，其可以转化为其他官能团，例如可以使用合适的还原剂（例如硼氢化钠）将腈基还原为伯胺;或通过与羟胺反应将氰乙基菊糖转化为具有式-O-CHR1-CHR2-C（=NOH）-NH2的偕胺肟（羟基脒基-乙基衍生物）;或通过水合转化为酰胺和羧酸。氰乙基化产物可用作其他C3-延伸的菊糖衍生物的起始材料，以及用作织物处理试剂;它们还具有良好的分散性能。羟基脒基-乙基化产物具有强螯合性质，可用于萃取或除去金属离子。
此外，如下表1所示，还列举了一些引入含N基团的菊糖衍生物，可以看出，引入新的基团后，可以提高菊粉的原有性能，或赋予菊粉新的性能，通过菊粉改性，可以扩展菊糖的用途，提高菊粉的附加值。
4 结语
菊粉是一种天然果聚糖，在自然界中广泛存在，来源丰富，易于获取，且菊糖具有多种功效，在食品、药品和保健品等领域具有巨大发展潜力。目前关于菊粉的提取纯化技术已较为成熟，而为了提高菊粉的性能，扩展菊粉的用途，提高菊粉的附加值，可以选择将菊粉进行改性，但是关于此方面的专利相对菊粉的提取纯化而言还比较少，因此，将菊粉进行改性并研究改性产物的性能和用途，是未来菊粉专利发展的一个重要方向。
参考文献：
[1] 邓舜扬.功能性食品与保健[M].北京：科学技术文献出版社，2006.
[2] 张泽生，刘亚萍，李雨蒙，等.菊粉的研究与开发[J].中国食品添加剂，2017（10）：183-188.
[3] 陈源.菊糖衍生物的制备及其生物活性研究[D].山东：烟台大学，2017.