功能食品開發工程

樞紐科技顧問首席顧問 姚念周 食品資訊第238期p26~30 由於經濟情勢變化，許多業界產品研發面臨朝向於降低產品成本以降低售價的壓力以及降低研發成本的趨勢，但在壓低各項成本下，很可能面臨低價原料品質、安全性/穩定性評估及研發時間不足研發上的問題，因此系統化的研發流程變得格外重要。而保健食品或功能性食品已成產業趨勢的顯學，投入者眾，但產品開發的過程有諸多考量的重點，產品定位、企劃、研發、品管及行銷都是環環相扣的重點，本文將僅針對研發或所謂產品開發的步驟進行探討，且探討重點不在於新功能食材/成份開發或已知食材/成份的新功能開發上，而著重於選用已知功能食材/成份以及其在新產品或載體上的應用開發。 在開發的首要步驟上，就屬產品概念(product concept)最重要，沒有明確的產品概念，開發過程很容易喪失方向重點而遷就於研發人員的主觀意識，產品概念的範疇包括目標族群、產品使用情境、產品訴求等議題，一份歐盟去年的調查研究即顯示不同目標族群對同類型保健食品的認知、使用情境、訴求訊息與消費行為都不相同，且不同區域也有不同的認知與行為，例如德國與荷蘭消費者認為麵包是保健食品很好的載體，但英國與義大利的消費者卻認為優格(Yogurt)才是最好的載體，而台灣在我們先前的調查數據中(91年執行)顯示以果汁載體的接受性最高，但可能隨時間變化已有改變；又如義大利消費者不受產品功能訴求的訊息影響，但英國消費者願意嘗試各種新功能訴求的研究成果，而荷蘭消費者則會受圖片功能性暗示的影響，因此公司團隊(企畫/研發/行銷)如何將產品訴求與使用情境連結起來將是主要課題。 再來是食材或原料成份的選定，成份一直是食品研發的重要基礎，從最早的保存食品添加物、調味料成份到營養成分，而到20世紀開始健康(保健)成份則成為焦點，甚至所謂基改等[永續性]成份也成為趨勢。在選定功能食材方面，以植物性功能成份研發例，從全球人口老化的趨勢中，與老化有關的糖尿病或心血管疾病比例顯著增加，當然，這跟飲食營養的角度有關，攝取各種植物性飲食成為重要關鍵，實際上這也從許多民族早期文獻中可以看出植物對健康的重要性，尤其是中國、印度、埃及、希臘及拉丁等古文明都記載這類訊息，而且很多食用習慣仍存於目前許多國家中，國際專文彙整出植物性治療(phytotherapy)成份為兩大類： 1.植物多酚類： 主要用於預防心血管疾病與代謝異常的植物都含有高量的植物多酚類物質，也就是所謂的強抗氧化劑，能降低自由基產生的疾病機率，包括葡萄科類(葡萄籽)、越菊屬類(越橘)、茶樹類(綠茶)、油橄欖類(橄欖)等，商業化上述類別的標準萃取物主要都包括多酚類的化學結構，如葡萄科多含有沒食子酸(gallic acid)、兒茶素(catechins)、外兒茶素(epicatechins)、原花青素(proanthocyanidins)及其低聚物，萃取製程除需確認活性物質外，還需要確認安全性與一致性(批次間)，而葡萄科類這些萃取物已有多篇研究報告顯示功能包括降低動脈硬化及降低氧化壓力等；另如典型地中海植物油橄欖類所含多酚類物質則為羥基酪醇(hydroxytyrosol)、酪醇(tyrosol)、咖啡酸(caffeic acid)、毛蕊花苷(verbascoside)及黃酮類等；越橘屬類則有花青素類；茶樹類則與葡萄科類似有兒茶素、外兒茶素及沒食子酸衍生物等。 2.植物蛋白類 除了前述植物多酚類外，許多可食性植物的蛋白質也引起科學家的興趣，其機制為改善代謝異常的疾病，這類植物蛋白質包括菜豆屬(或稱芸豆)、白羽扇豆屬(或稱白扁豆)、黃豆屬(或稱大豆)等。菜豆含有α-澱粉酶抑制劑，可以降低澱粉酶活性因而減少葡萄糖的吸收，科學實驗顯示可以降低血糖，若長期食用可以降低體重；白羽扇豆含有低聚物糖蛋白(conglutin γ)，羽扇豆因含啶類生物鹼(quinolizidine alkaloids)自1930年起就被用於治療糖尿病，但實驗發現即使去除生物鹼時，羽扇豆萃取物仍具有活性，因此被認為conglutin γ有類似活性，但機制尚不清楚；最新研究顯示黃豆的衍生球蛋白具有降低質體脂肪的生物活性，主要是透過調升β極低密度脂蛋白(β-VLDL)受器的機制。 所有這些生物性可重複數據史重要的，在安全性與有效性方面來說，植物萃取物必須能夠在不同時間皆含有相同的活性成分、也必須能在製程中穩定存在以及不能產生任何毒性或副作用，因此標準化是降低這些變數很重要的步驟，當然這對植物性成份是有一定的挑戰性，包括要持續控制原料的品質與製程關鍵步驟，所以甚至GAP(良好農業規範)在植物種植端的實施是重要的，確保採收在於含量高峰期以及避免各種汙染，採收後亦必須採取步驟確保酵素性或微生物性的降解，標準化就是要確保各化學成份的重複性。除了已知的茶、葡萄、越橘與橄欖等功能植物應進行標準化的工程外，也非常值得針對其他東西方的傳統植物進行相同的標準化工程，讓消費者有更多元的選擇。 在選定某功能食材或成份後，接下來的開發工作有幾個重點，包括食材或成份與該載體食品系統的融入性問題、食材或成份功能於製造/運銷過程中的穩定性維持及添加功能食材或成份後食品感官品質的維持。 如果採用多種營養素或功能成份於同一系統中，是否都能被吸收或都維持保健功能呢？主要在於這些物質於被傳遞的路線中能被吸收的能力為何。有科學家提出利用植物營養素來強化營養素於腸胃道的傳遞，胡椒的香辛辣味能點綴出食品的功能已人盡皆知，而辣度的主要來源是胡椒素(piperine)，這種辛辣物質除了刺激口腔，實際上也會刺激皮膚，因而也被應用於強化吸收上，根據研究，可與胡椒素一起使用的營養素或成份包括： 1.草藥萃取物類：如薑黃素、乳香櫸萃取物、Ashwagandha香草藥、銀杏萃取物、辣椒素、生物黃酮等。 2.水溶性維他命類：如Vit B1、B2、B6、B12、菸酸、葉酸及VitC。 3.脂溶性維他命類：如胡蘿蔔素、Vit A、D、E、K 4.抗氧化劑類：如β-隱黃素(cryptoxanthin)、茄紅素、葉黃素、玉米黃質(zeaxanthin)、松皮黃酮等 5.胺基酸類：如離胺酸、異亮胺酸、亮胺酸、蘇胺酸、纈胺酸、色胺酸、苯丙胺酸、蛋胺酸等 6.礦物質類：如鐵、鋅、硒、釩、鉻、碘、鉀、銅、鈣、鎂、鍺、錳等 其數據顯示胡椒素能增加各營養素吸收率至少30%如Q10達32%、硒達42.6%、Vit C達52.3%、胡蘿蔔素達61.2%。 另外的融入性問題也顯示在溶解度不同的問題上，許多成份可能有的溶解度高有的低，甚至有的是脂溶性而有的是水溶性，可以考慮的解決方案包括逐步工程，也就是不同溶解度在不同的階段添加進入體系，也可以思考採用包埋模式，將脂溶性者包埋起來，微膠囊化或奈米化都是新技術可以嘗試的，當然乳化仍是很好用的選擇。 在提高穩定性方面，由於保健食品彼此之間的競爭著重於功能成份的含量、保健訴求、針對特定族群需求的客製化程度等焦點，關鍵點是製造商必須有能力提供符合產品標示上所承諾的，其承諾的保健訴求就在於功能成份在食品或飲料系統中的穩定性，然而很多內在與外在變數會影響成份的完整性、功能效力與架售期，而當多重功能成份時，這些內外在變數就更複雜了，這在產業中不乏實際案例，例如最近新聞即報導國內某知名飲料廠的綠茶產品其兒茶素含量不足，顯示若不符合對消費者的承諾，將影響至鉅，因此當設計保健產品時，思考下列4項因素將功能成份的穩定性最適化是很重要的。 ㄧ、成份活性 首先，產品開發者必須思考各個成份的物性與弱點，茲舉例如下： 1.脂溶性維他命：維他命A對熱、光、空氣與酸性等不穩定，雖有穩定態的合成維他命A，但仍需謹慎考量；維他命D則在鹼性環境下對熱、光、氧等相對不穩定，另草酸與磷酸鹽會對抗維他命D而影響鈣與磷的吸收；維他命E(尤其是生育醇)可擔任油脂的抗氧化劑，因此對氧、光、熱都敏感，雖然油脂可促進E的吸收，但氧化時也會破壞E，尤其是多元不飽和脂肪酸，其他金屬會促進氧化者如銅鐵等也對E造成威脅；維他命K則在鹼性與強酸性下都不穩定，對光也敏感。 2.水溶性維他命：維他命C主要會被熱、氧及金屬(尤其是銅鐵)破壞，但有些交叉的特別現象存在，如無氧氣時，光對C並沒有影響，又如在酸性環境下，鐵對C也無影響，這些都對產品開發者很重要，甚至有科學證據顯示C可增加鐵的生物利用性；維他命B1對熱、硫酸鹽類與鹼性敏感；維他命B2則對光敏感，尤其是在鹼性環境下，其他條件下相當穩定；菸鹼酸非常穩定；維他命B6對氧、熱、pH與光都敏感，其鹽酸吡哆醇(pyridoxine hydrochloride)態，吡哆醇(pyridoxine)與吡哆醛(pyridoxal)態則在高濕度食品系統很容易被氧氣、光及熱破壞；維他命B12雖相對穩定，但仍受氧氣、光、熱與弱鹼的影響，在pH值4~7之間最沒問題；葉酸也不穩定，在酸性環境下會受熱破壞，會在儲存過程中流失，也會與菸鹼酸產生抗性；生物素則相當穩定，除非碰到很強的氧化劑；泛酸於中性下很穩定，但於一般維他命較喜歡的酸性環境下很不穩定。 3.礦物質：礦物質本身通常都很穩定，但一些熬合態的礦物質如鈣及鋅有更高的穩定性與生物利用性，另一個考慮重點則為礦物質與維他命的交互作用，一如前述某些維他命會受一些礦物值影響之外，維他命與礦物質的結合反應還可能影響原食品系統的顏色，例如VitC與鐵結合，很容易產生棕色斑點，但若採用硫化鐵的包埋型式，就可以解決此類問題 4.胺基酸：胺基酸如果裂解會造成攝取不平衡的問題，另外如果胺基酸與還原糖產生梅納反應則會產生褐變，尤其是離胺酸與蘇胺酸最容易，解決方案包括低溫儲存、降低還原糖含量及降低水活性等，皆可預防梅納反應；再如脂肪氧化的過氧化物與醛類也都很容易與胺基酸反應；再如非硫基的胺基酸易受熱破壞，因此前述都是面對胺基酸添加時所需面對的問題。 二、成品中的其他成份 當製造者在思考添加功能成份的穩定性時，食品系統中對穩定性有影響的成份包括脂肪、蛋白質、碳水化合物、礦物質、水含量及抗氧化劑，例如，不論是添加還是天然存在的脂肪可以保護脂溶性維他命免於破壞，但脂肪本身裂解產生的過氧化物卻對維他命C有負面影響；再如低水活性可讓維他命降低對光與熱的敏感性，但一些水溶性反應物也容易在低中水活性情況下累積到達啟動反應的濃度，其他食品系統中會用的添加物如緩衝劑、熬合劑及保鮮劑都有可能影響穩定性，甚至在製程中被食物包住的空氣都可能是影響因子。 三、添加的方法 在製程當中，如果添加的功能成份並非原本食品系統中的成份或者添加並無前例可循時，必須探討添加物本身的型態及添加的時機，以降低對原本食品系統的平衡改變及系統對添加成份的穩定性影響。理論上，成份的化學態與添加時機應能讓成份分佈均勻並將穩定性極大化，選項因素包括功能成份的物化性、食品的天然環境(乾或濕)、食品的處置過程(含運銷與消費)等，某些鹽類或酯類化學態比其它類別更穩定，在某些情況下，我們必須採用保護載體/保護膜或塗佈膜來保護成份，免於製程或儲存時產生的損失，當然，這些保護措施不得影響成份的生物利用性，也需要了解目前某些已商業化的功能成份產品型態通常是為特定應用情況而設計，若要引用，應注意其數據是否可以擴充解釋；添加時機的考量則在於何時添加可以接觸最少的光/熱/氧氣等因子，例如熱敏感的維他命成份可以噴灑在產品上，而不必在製程中加入去受熱，或者，會於水中降解的成份，則考慮於消費時才將成份由消費者加入產品。 四、製程條件與程序 1.熱製程 殺菁殺菌等熱製程必須最適化才能得到想要的價值，除了傳統的額外添加熱敏感的成份外，採用有塗佈膜保護的型態也是選項。 2.脫水與烘焙 如上述低水活性可能造成濃度效應，因此添加最好在乾燥過程之後，若必須經過乾燥過程則可以選擇添加抗氧化劑或包埋方式。 3.儲存及其它消費前的狀況 儲存、運輸、零售及烹調都需要考慮，溫度與時間的關係是重點，光線與氧氣接觸也應避免，包裝與倉儲控制就應該全盤考量。 因此為防止開發與生產過程的錯誤，會影響終產品穩定性的所有變數都應該在研發前端就考慮進去，也許事先的開發工作較多，但效益是可以有好的產品穩定性，也讓產品有一致性與均一性，長期而言，反而是降低開發成本與時程，根據統計這種損失可降低達50%-60%。 在感官品質的維持方面，Food Navigator的專文討論到保健食品市場上一個主力族群為[戰後嬰兒潮]，也就是目前的銀髮族群，食品製造商著重的主要載體則為飲品與餐條，但多年來上千種上市的保健新產品中，不乏失敗案例，其中一個主因就是所有食品上市的教條之一的風味教條，這個教條全球通用，也適用於每個年齡層，保健食品領域中，消費者反應雖然重視吃的健康，但很明顯的美味與否決定重複購買的行為，而消費者對美味的定義牽涉多種感官特性，包括視覺、味覺、嗅覺與口感(觸覺)，這也給予所有製造商許多挑戰，如何整合功能成份的風味特徵的議題就是研發課題之一，同時還要考量地理文化上感官偏好的問題，不論你的目標是低熱量食品、強化食品、功能食品、低糖低指食品都必須考量其風味與質地以及這些特性的穩定性，對於因為降低糖或脂肪而失去的特性，必須設法用[取代]或[強化維持]的方式維持該特性，對於因添加而產生新的特性(如異味)，過去有ㄧ些研究試圖用去除[異味]成份的方式進行風味維持，但引起的質疑是去除過程是否也將功能成份去除了？因此[遮蔽作用]或[交互作用]是比較適合的方法。 過去的主要問題在於添加1~2項保健成份時，所添加者本身的特定感官特性產生的困擾，例如多元不飽和脂肪酸與膽鹼很容易產生[異味]、VitB1易產生苦味與蛋硫味、鋅/銅/鐵等礦物質易產生持久的金屬味。但現今的消費者希望的已不是僅僅添加1~2項的保健效益，而是希望有更多的綜合效益且是個別化的需求，如特定年齡或性別或慢性病族群(如免疫、骨骼、心血管或腸胃道)，這代表不再只是要解決單一成份的挑戰，必須考量多種功能成份組合時的問題，因此需要更多研發工作，且在添加多種成份進入食品系統中，也代表會破壞原食品系統的平衡，尤其是不同水活性的成份會產生水分子移動，加上其它顏色分子、脂肪分子、氧氣與風味分子等也可能移動，營養小分子如維他命與礦物質也會遷移，甚至新的交互作用會產生，因此可能會改變原系統的風味、外觀、質地及穩定性或產品生命週期。 從遮蔽或交互作用的角度出發，可以選擇的工具包括風味劑、質地調整劑、產品型態與包埋等方式。1.風味劑：使用風味劑方法不但可以遮蔽功能成份帶進的奇怪風味特性，也可以提供消費者風味選項，風味劑的滲透率與遮蔽效果則是需要考量的重點，較強的異味可能需要較強的風味劑，例如巧克力的遮蔽效果會比香草強。2.質地調整劑：質地會直接影響口感，例如粗糙感、平滑感、顆粒感等，口腔肌肉的觸覺是主要感官系統，而食品系統各成份的濃度、黏度、表面張力及其他物性也皆有關連。3.產品型態：選擇適當的成份型態也可以考量，可用於即飲飲料的礦物質與可用於沖泡式飲料的礦物質型態不同，溶解度不同是因素之一，其它功能成份也是一樣，但一個成份的溶解度高時，也代表其離子化能力高，而容易與食品中其它成份作用。4.包埋：選擇適當的塗佈包覆材料可以保存風味，因為好的包埋方式可以阻擋前述分子遷移的問題，不至於過早釋放功能成份，造成前述的不當風味或降低產品保存期限，所以製程也可以扮演一定的角色。 我們以添加魚油為例，由於其多元不飽和脂肪酸為易氧化因子，會面臨風味、氣味、氧化穩定性、溶解度及生物利用性等問題，而解決方案包括1.穩定氧化作用：添加抗氧化劑、金屬熬合劑、蛋白質等；2.調整製程：可以採用分流製程(Split Stream)、充氮包覆、低剪力混合、低氧均質等；3.添加風味遮蔽劑或風味修飾劑；4.修飾製程：則有包埋、乳化、調整溶解度、塗佈塗料(coating)等方式。以上都是在開發工程中可以參考的方法，但不論採取哪一種方法，其最後的效果檢定都必須透過消費者的接受度或感官品評來驗證，許多公司會將品評部門納入開發工程中篩選步驟的一環，由品評人員來決定何時可用內部員工進行，而何時該用消費者進行，大家也都了解消費者的接受度是產品成功與否的關鍵，如何在消費者反應研究上投入資源就考驗業者的能耐了。 添加機能成份於一般食品中，某個程度而言是要與一般食品的現況來競爭，在現今競爭與變動的市場中，消費者隨時面對上千種新產品的推出，也面對選擇產品時的評估步驟，消費者評估的因素包括品質、價格、可獲得性、便利性等等，雖然每個人對品質的要求程度不一，但絕不會接受低品質的產品，保健產品的重要品質指標就是安全與功能性(或營養性)，但也不會忽略方便與感官接受性的價值，因此與其它產品的比較評估的因素就是這幾個因素的總和，而感官特性中觸覺的質地或口感通常較被忽略，但許多保健飲品與許多產品載體就牽涉到這方面的特性，如顆粒感、平滑感、密實度、黏度、表面特性等等，這些都可能與成份特性、製程與使用的穩定劑有關。例如添加礦物質時，鈣鎂鉀等就需要考慮其顆粒感的問題，必須透過礦物質型態、配方、製程等方式調整。雖然質地類的感官特性看起來有許多物理性質的量測儀器可以應用為指標量測工具，但實務操作上仍有許多變數是儀器無法考量的，喜好性也無法用儀器預測，因此感官分析仍是產業上的重要依據，感官分析方法也常被誤用，業者容易因此而對產品決策作出錯誤的判斷。 各功能成份本身這些年來未必有大改變，但周遭的因素改變很多，包括消費者理解力、消費需求、法規環境、產業技術水準等等都改變了，如何建立起系統化的開發工程會是我們最主要的努力的重點。