高壓技術(shù)在膳食纖維改性中的應(yīng)用

令 博，吳洪斌，鄭 剛，吳 宏，趙國(guó)華,2，明 建,2,*

(1. 西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715； 2. 重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶 400715；3. 新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，新疆 石河子 832000)

高壓技術(shù)在膳食纖維改性中的應(yīng)用

令 博1，吳洪斌3，鄭 剛1，吳 宏3，趙國(guó)華1,2，明 建1,2,*

(1. 西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715； 2. 重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶 400715；3. 新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，新疆 石河子 832000)

大量研究證實(shí)，改性后的膳食纖維對(duì)人體具有更好的生理功能。高壓技術(shù)作為一種重要的食品加工技術(shù)在膳食纖維的改性研究中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。本文綜述高壓技術(shù)的特點(diǎn)、分類及其在膳食纖維改性中的應(yīng)用進(jìn)展，為進(jìn)一步了解和提高膳食纖維的生理活性、膳食纖維綜合開發(fā)和利用提供參考。

高壓技術(shù)；膳食纖維；改性；特性

Abstract：A large number of studies have proved that modified dietary fiber is more favorable to human physiological functions than its native counterpart. High-pressure technology as an important food processing technology has unique advantages in the modification of dietary fiber. This paper reviews characteristics and classification of high-pressure technology as well as its applications for the modification of dietary fiber in order to offer references for further understanding and improvement of physiological functions of dietary fiber and its comprehensive ultilization and exploitation.

Key words：high-pressure technology；dietary fiber；modification；characteristics

膳食纖維(dietary fiber，DF)通常指能抵抗人體小腸的消化吸收而能在大腸被部分或者全部發(fā)酵的可食用植物性成分(纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等)、碳水化合物及其類似物質(zhì)的總稱[1]。DF對(duì)人體具有重要生理功能，被稱為繼碳水化合物、蛋白質(zhì)、水分、脂肪、礦物質(zhì)、維生素之后的“第七大營(yíng)養(yǎng)素”[2]。膳食纖維分為水溶性(soluble dietary fiber，SDF)和水不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber，IDF)，IDF有利于腸道產(chǎn)生機(jī)械蠕動(dòng)，可以緩解便秘，預(yù)防腸道疾??；SDF則有影響碳水化合物和脂類代謝、吸附重金屬離子及膽固醇等功能[3-4]。因此，DF中SDF的組成比例是影響其生理功能的主要因素。一般來講，高品質(zhì)DF中SDF含量應(yīng)達(dá)到10%以上，否則只能被稱作填充型DF，而許多天然DF中SDF含量?jī)H為3%～4%，無法達(dá)到膳食平衡[5]。DF的改性就是通過適當(dāng)手段使其中的大分子組分連接鍵斷裂變?yōu)樾》肿游镔|(zhì)，致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變的更加疏松；使IDF向SDF轉(zhuǎn)化，增加SDF含量，提高其生理活性。常用的改性方法有化學(xué)法、物理法和生物法等[6]，高壓技術(shù)作為全新的食品加工方法而倍受關(guān)注，已廣泛用于食品加工領(lǐng)域。

1 高壓技術(shù)的發(fā)展及其在食品加工中的應(yīng)用

食品高壓處理(high pressure processing，HPP)通常是用100MPa以上(一般100～1000MPa)的壓力(一般為靜水壓)，在常溫或較低溫度(一般低于100℃)條件下，作用于包裝或無包裝的液體及固體食品，從而達(dá)到滅菌、物料改性和改變食品某些理化反應(yīng)速率的效果。由于該技術(shù)是一個(gè)純物理過程，具有瞬間壓縮、作用均勻、操作安全、能耗低，處理過程不伴隨化學(xué)變化，有利于食品色香味形的保持及保護(hù)生態(tài)環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前研究最多、產(chǎn)業(yè)化程度最高的非熱加工技術(shù)之一。

1899年，Hite[7]發(fā)現(xiàn)高壓能延長(zhǎng)牛奶的保存期，隨后又有人發(fā)現(xiàn)超高壓會(huì)使蛋白質(zhì)凝固和酶失活，并能殺死微生物[8]。由于受當(dāng)時(shí)超高壓設(shè)備制造技術(shù)和消費(fèi)水平的限制，該技術(shù)并沒有被應(yīng)用到食品加工領(lǐng)域，直到20世紀(jì)80年代后期，高壓設(shè)備技術(shù)的成熟才使其在食品加工中逐漸得到應(yīng)用。1991年，日本明治屋食品公司利用高壓技術(shù)生產(chǎn)的果醬作為世界上第一種高壓食品問世，標(biāo)志著高壓加工技術(shù)處理農(nóng)產(chǎn)品取得了突破性進(jìn)展，預(yù)示高壓加工時(shí)代的到來[9-10]。

近幾年，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，食品高壓處理技術(shù)逐漸拓展形成了高流體靜壓(high hydrostatic pressure，HHP)、高壓均質(zhì)(high pressure homogenization，HPH)和高壓二氧化碳(high pressure carbon dioxide，HPCD)3種主要方法[11]。盡管它們都屬于高壓技術(shù)范疇，但在作用原理與方式上卻存在著較大區(qū)別，其中HHP與HPH在食品加工中應(yīng)用最多并已被用于DF的改性研究。

1.1 HHP技術(shù)

高流體靜壓又稱超高壓(ultra high pressure，UHP)，是在室溫或較低的條件下將物料放入液體介質(zhì)利用100～1000MPa的壓力產(chǎn)生的極高靜壓影響細(xì)胞形態(tài)，使形成生物高分子立體結(jié)構(gòu)的氫鍵、離子鍵和疏水鍵等非共價(jià)鍵發(fā)生變化，使蛋白質(zhì)凝固、淀粉變性[12]，從而達(dá)到殺菌、鈍酶以及物料改性的目的，該技術(shù)是被美國(guó)農(nóng)業(yè)部食品安全與檢查局(USDA-FSIS)認(rèn)證并為消費(fèi)者所接受的食品加工技術(shù)[13]。

目前將該技術(shù)與熱處理結(jié)合即高壓高溫短時(shí)工藝(high pressure high temperature，HPHT)用于滅活細(xì)菌孢子是食品保藏學(xué)研究的熱點(diǎn)[14]，兩種效應(yīng)的協(xié)同作用能夠使一些致病菌如肉毒梭狀芽孢桿菌、腐敗桿菌和梭菌等的孢子大大減少，縮短食品熱處理時(shí)間[15-18]，而且該過程不破壞食品成分中的共價(jià)鍵及小分子物質(zhì)，可使風(fēng)味成分、維生素、色素等免受破壞，延長(zhǎng)貨架期并保持食品較好的品質(zhì)[19]。研究發(fā)現(xiàn)HHP作用還能夠使形成酶活性中心的蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)如鹽鍵、疏水鍵以及氫鍵等次級(jí)鍵結(jié)構(gòu)破壞，使食品中的內(nèi)源酶鈍化蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)受到較大影響[20]。在DF的改性研究中，李鳳[21-22]使用UHP技術(shù)分別對(duì)小麥和大豆DF進(jìn)行了改性，Wennberg等[23]利用UHP技術(shù)對(duì)白菜中DF進(jìn)行了改性，Yang等[24]利用UHP技術(shù)對(duì)龍眼皮中DF進(jìn)行了改性。

1.2 HPH技術(shù)

高壓均質(zhì)(high pressure homogenization，HPH)又稱動(dòng)態(tài)高壓(dynamic high pressure)技術(shù)[25]，它是基于均質(zhì)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的空穴作用、湍流作用、碰撞作用以及剪切作用等機(jī)械作用對(duì)樣品進(jìn)行超微粉碎[26]，使生物大分子的物理、化學(xué)及結(jié)構(gòu)性質(zhì)發(fā)生變化，以此制備新材料或達(dá)到改性的目的，根據(jù)工作原理又將其稱為瞬時(shí)高壓作用(instantaneous high pressure，IHP)或超高壓微射流技術(shù)(high pressure microfluidization，HPM)。與HHP相比，該技術(shù)壓力相對(duì)較低、處理時(shí)間較短，但作用效果很好，并且由于剪切力與空穴作用能夠破壞共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，所以能夠使一些大分子聚合物中的連接鍵斷裂形成小分子物質(zhì)[27-28]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)HPH技術(shù)的研究很多，國(guó)外學(xué)者研究了HPH對(duì)奶酪微細(xì)結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明隨著壓力增大奶酪中的脂肪球會(huì)小很多[29]，并且利用動(dòng)態(tài)超高壓微射流技術(shù)制備了亞微米級(jí)的乳狀液[30]，其他研究也證明了HPM技術(shù)會(huì)影響聚合體的結(jié)構(gòu)得到更小的聚合體[31]。在對(duì)熱變性小麥蛋白的功能性影響研究中則顯示微射流處理可以提高含有熱變性小麥蛋白的溶解性[32]。國(guó)內(nèi)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)超高壓均質(zhì)處理可以極大減小懸浮顆粒的尺寸，形成單層微脂粒[33]。研究還發(fā)現(xiàn)HPH技術(shù)對(duì)果蔬汁的流變性[34-35]、蛋白質(zhì)(包括酶制劑)的功能性質(zhì)[36-38]和淀粉的物理性質(zhì)[39]有一定的影響。壓力在350MPa以上的高壓均質(zhì)技術(shù)被廣泛用于消毒殺菌以及對(duì)食品、生物大分子和乳化劑進(jìn)行改性[40]，由于食品經(jīng)部分殺菌鈍酶后能夠延長(zhǎng)其貨架期、提高安全性，所以HPH技術(shù)是一種有潛力的食品加工技術(shù)[41]。在DF改性研究中，HPM技術(shù)已在麥麩及豆渣DF[42-43]的改性中得到了廣泛應(yīng)用。

1.3 高壓技術(shù)與其他方法聯(lián)合使用

高壓技術(shù)作為一種極具發(fā)展?jié)摿Φ氖称贩菬峒庸ぜ夹g(shù)可以和許多傳統(tǒng)技術(shù)聯(lián)合使用發(fā)揮更好的作用。例如與化學(xué)處理、機(jī)械處理、微生物發(fā)酵或酶法結(jié)合后用于DF的改性便是目前的熱點(diǎn)。涂宗財(cái)?shù)萚44]以豆渣為原料，研究發(fā)現(xiàn)單純以發(fā)酵法或IHP法可提高SDF含量15%或35%以上，而在發(fā)酵處理的基礎(chǔ)上，利用超高壓均質(zhì)技術(shù)進(jìn)一步處理和改性，SDF含量最高可達(dá)37%以上。表明發(fā)酵處理可降低提高SDF含量的難度，節(jié)約均質(zhì)能源，并減少DF對(duì)設(shè)備的破壞，使得超高壓均質(zhì)處理提高SDF含量更加容易。

2 高壓技術(shù)改性對(duì)DF特性的影響

研究證實(shí)DF有益于人體的眾多生理功能與它的一些特殊性質(zhì)關(guān)系密切，所以在考察某種改性技術(shù)是否有效時(shí)，主要是通過測(cè)量改性后DF的一些特性變化進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 高壓技術(shù)改性對(duì)DF形態(tài)學(xué)特性的影響

DF的生理功能很大程度上與其水化作用(如膨脹力、持水力等)有關(guān)，而水化作用除與DF的來源和改性工藝有關(guān)外，還與成品的粒度有很大關(guān)系。一般來說，DF的粒度越小則其表面積越大，其持水力和膨脹性也相應(yīng)增大，生理功能發(fā)揮越顯著。HPH技術(shù)作為一種成熟的超微粉碎技術(shù)對(duì)改變DF的粒度具有很大優(yōu)勢(shì)。

劉偉等[42]研究顯示麥麩DF經(jīng)均質(zhì)處理后膨脹率、持水力、結(jié)合水力均有不同程度的增加，纖維懸浮液中顆粒分布更均勻、性質(zhì)更穩(wěn)定，在電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，纖維發(fā)生了明顯的斷裂和破碎，形貌發(fā)生了根本的變化，一定程度上提高了DF的品質(zhì)。李鳳[21-22]研究發(fā)現(xiàn)用HHP處理后的小麥和大豆DF持水力和膨脹率均有很大提高，并推測(cè)持水力的提高可能與結(jié)構(gòu)改變帶來的親水基團(tuán)裸露和組織疏松帶來的組織滯留水分能力增強(qiáng)有關(guān)，預(yù)示處理后樣品的組織應(yīng)該更加疏松。膨脹率的提高可能與較好的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所具有的良好支撐作用有關(guān)，預(yù)示處理后樣品的空間結(jié)構(gòu)可能沒有受到大的破壞。Yang等[24]對(duì)龍眼皮進(jìn)行HHP處理后纖維素的水解度可提高3%，而木質(zhì)素成分并沒有發(fā)生變化，由此也證實(shí)了HHP技術(shù)并不能改變大分子物質(zhì)中的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。

2.2 高壓技術(shù)改性對(duì)DF流變學(xué)特性的影響

食品流變學(xué)是食品工業(yè)向高質(zhì)量、大型化、自動(dòng)化發(fā)展的必然結(jié)果，已引起越來越多的食品專家的重視。在食品加工中，改進(jìn)物料的流變學(xué)特性使其具有更好的加工性能、提高產(chǎn)品質(zhì)量非常重要，直接關(guān)系到食品加工效果和經(jīng)濟(jì)效益。高壓處理一般是在液相中進(jìn)行的，所以流變性的研究主要集中在改性后DF溶液黏度的變化方面。

通過對(duì)小麥DF進(jìn)行HHP處理后發(fā)現(xiàn)其黏度略有降低，而經(jīng)HHP處理后的大豆DF其黏度下降了12.5%，但原料仍表現(xiàn)非水溶性特征，說明HHP處理不足以破壞纖維素聚合物的基本結(jié)構(gòu)，IDF的根本性質(zhì)并沒有改變[21-22]。有研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)HPH處理后的DF溶液具有更高的流變模型擬合度和更高的屈服力，溶液黏度大幅提高，當(dāng)按一定比例添加入純牛奶后能改變?nèi)槠妨髯冃再|(zhì)，增加其黏度[45]。還有研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)HPH改性后的DF溶液黏度值隨壓力和濃度的增大而升高，并在稀釋過程中相比未處理樣品黏度的非線性下降幅度低一些[46-47]。

2.3 高壓技術(shù)改性對(duì)SDF的影響

由于SDF更多發(fā)揮的是代謝功能，所以提高溶解性或增加SDF的含量是改性研究的關(guān)鍵。

劉成梅等[48]利用HPH對(duì)豆渣DF改性后發(fā)現(xiàn)，DF的粒度變細(xì)，IDF含量有所減少，并隨壓力的增大減少越多，相反SDF含量有所增加，但幅度隨壓力增大而變小。Tu等[49]以豆渣為原料研究發(fā)現(xiàn)用HPH技術(shù)改性后SDF含量可提高10%～28%，并隨處理壓力的升高而增大。趙健等[50]利用HHP技術(shù)對(duì)紅薯渣DF處理后發(fā)現(xiàn)其化學(xué)結(jié)構(gòu)基本沒有變化，但會(huì)使纖維比例發(fā)生改變，SDF含量減少，IDF含量增加。Wennberg等[23]利用HHP技術(shù)對(duì)白菜中DF進(jìn)行了改性研究，發(fā)現(xiàn)高溫高壓處理對(duì)白菜中SDF含量影響很小，溶解性卻隨溫度與壓力的增加而下降，這主要是由于處理后的SDF與IDF含量發(fā)生了改變，SDF含量減少，IDF的含量增加所致，而類似研究如Mateos-Aparicio等[51]利用HHP處理豆渣DF后卻發(fā)現(xiàn)SDF含量增加，并隨壓力的升高增加越多，這種相反的結(jié)果可能是由于不同植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)各異所引起的。

2.4 高壓技術(shù)改性對(duì)DF吸附金屬離子及膽汁酸特性的影響

在DF的眾多生理功能中，吸附金屬離子及膽酸鹽的作用對(duì)人體可以起到排毒、減體質(zhì)量、調(diào)血脂，預(yù)防腸癌等重要作用，在保健食品的研發(fā)中具有十分誘人的價(jià)值。

有研究表明DF對(duì)各種有害物質(zhì)的吸附作用主要是物理吸附與化學(xué)吸附的綜合結(jié)果，所以通過改性工作改變DF的物理化學(xué)特性，提高其對(duì)有害物質(zhì)的吸附能力具有重要的研究?jī)r(jià)值[52]。例如，豆渣DF經(jīng)HPH處理后樣品光滑細(xì)膩、顆粒高度破碎、吸附面積增大、黏度增大使顆粒內(nèi)能或表面能增大、物料顆粒的活性得到較大提高，當(dāng)其在生理?xiàng)l件(37℃，pH7～2)時(shí)對(duì)Cu2+、Ca2+、Mg2+、Pb2+等重金屬離子的吸附作用明顯增強(qiáng)[43]。

研究發(fā)現(xiàn)DF降低血漿膽固醇含量和心血管疾病發(fā)病率等生理功能，主要與吸附膽汁酸并減少其吸收量有關(guān)[53]。如豆渣DF經(jīng)HPH處理后IDF的顆粒變小，吸附面積增大，黏度增大，可明顯提高IDF對(duì)膽酸鈉的吸附量并延長(zhǎng)吸附時(shí)間，還可增加在降血脂作用中發(fā)揮實(shí)際作用的SDF含量[54]。紅薯渣DF經(jīng)HHP處理后對(duì)膽酸鹽的吸附能力高于對(duì)照組，但并未隨壓力增大而增強(qiáng)[50]。荷葉DF經(jīng)120MPa瞬時(shí)高壓作用處理后對(duì)脂肪和膽固醇的吸附能力均有較大的提高[55]。

3 展 望

與傳統(tǒng)的化學(xué)改性技術(shù)相比，高壓改性技術(shù)通過單純的物理方法來改變DF中纖維的組成比例及纖維的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響其功能特性，可以作為一種未來的主導(dǎo)技術(shù)對(duì)DF進(jìn)行有目的改性。HHP技術(shù)雖然能夠使DF組織更加疏松，使持水力、膨脹力、黏度及溶解性等理化性質(zhì)有一定改變，但由于該技術(shù)改變了DF中纖維的構(gòu)成比例，使SDF相對(duì)減少，IDF相對(duì)增加，而總體化學(xué)結(jié)構(gòu)卻無改變，所以HHP技術(shù)不適于作為一種提高SDF含量的改性方法，其利用價(jià)值還有待進(jìn)行更深層次的研究。而HPH技術(shù)由于瞬間產(chǎn)生的空穴作用、湍流作用、碰撞作用以及剪切作用使DF顆粒的粒度發(fā)生變化，并且由于破壞了共價(jià)鍵，導(dǎo)致大分子物質(zhì)間的連接鍵斷裂形成小分子物質(zhì)，從而使其理化性質(zhì)發(fā)生根本變化，部分IDF轉(zhuǎn)化為SDF，SDF/IDF值增大，改善了DF的功能特性。所以，HPH技術(shù)是目前最具潛力的改性方法，進(jìn)一步突破其技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)擴(kuò)大其應(yīng)用范圍具有特別重要的意義。

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Application of High-Pressure Technology for the Modification of Dietary Fiber: A Review

LING Bo1，WU Hong-bin3，ZHENG Gang1，WU Hong3，ZHAO Guo-hua1,2，MING Jian1,2,*
(1. College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China；2. Chongqing Special Food Programme and Technology Research Center, Chongqing 400715, China；3. Instiute of Agro-food Science and Technology, Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation, Shihezi 832000, China )

S567；R284

A

1002-6630(2010)15-0312-05

2010-05-04

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)工業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目(2009GG39)；新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)博士資金項(xiàng)目(2009JC12)

令博(1986—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称坊瘜W(xué)與營(yíng)養(yǎng)學(xué)。E-mail：6lb6lb@163.com

*通信作者：明建(1972—)，男，副教授，博士，研究方向?yàn)槭称坊瘜W(xué)與營(yíng)養(yǎng)學(xué)。E-mail：mingjian1972@163.com