豆渣水溶性膳食纖維提取工藝的研究現(xiàn)狀與展望*

張 慧，肖志剛，王 東

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150030；2.黑龍江畜牧獸醫(yī)職業(yè)學(xué)院，黑龍江 雙城 150111）

膳食纖維（dietary fiber，簡(jiǎn)稱DF）是指不易被人體消化吸收的，以多糖類為主的大分子物質(zhì)的總稱，是由纖維素、果膠類物質(zhì)、半纖維素和糖蛋白等物質(zhì)組成的聚合體。隨著科學(xué)的進(jìn)步，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，攝取食物過(guò)于精細(xì)會(huì)導(dǎo)致多種疾病的發(fā)生，而食用富含膳食纖維的食品則可大大降低發(fā)病率。因此，20世紀(jì)70年代開始，西方一些國(guó)家就已經(jīng)重視對(duì)膳食纖維的研究，我國(guó)在進(jìn)入90年代以來(lái)對(duì)膳食纖維的研究和開發(fā)工作也開始蓬勃發(fā)展起來(lái)。

膳食纖維的主要生理功能有整腸、通便、防治腸道疾病和便秘，還能夠調(diào)控血清膽固醇，降血壓，防治心血管疾病，降血糖，以及預(yù)防肥胖等。國(guó)內(nèi)外近幾年關(guān)于豆渣水溶性膳食纖維的研究也在逐漸增多，主要研究物理法、化學(xué)法、生物技術(shù)法和多種方法的結(jié)合來(lái)提高豆渣中水溶性膳食纖維的含量，以及提取豆渣水溶性膳食纖維的工藝條件，從而制備出高活性、高含量的豆渣水溶性膳食纖維。通過(guò)對(duì)豆渣營(yíng)養(yǎng)成分的測(cè)定發(fā)現(xiàn)，豆渣含有豐富的膳食纖維，約為60%[1]，合理開發(fā)利用這一資源生產(chǎn)豆渣水溶性膳食纖維，對(duì)提高大豆資源的利用率具有重要實(shí)際意義。

1 膳食纖維的分類

根據(jù)膳食纖維的溶解性可分成水溶性膳食纖維（SDF）和不溶性膳食纖維（IDF）。水溶性膳食纖維是指不能被人體消化道分泌的消化酶所消化，但可溶于溫水或熱水，且其水溶液又能被相當(dāng)于四倍乙醇再沉淀的那部分膳食纖維[2]。水溶性膳食纖維主要有植物細(xì)胞內(nèi)的儲(chǔ)存物質(zhì)和分泌物，其組成主要有一些膠類物質(zhì)，如：果膠、阿拉伯膠、交叉膠、瓜兒膠等，以及半乳甘露聚糖、葡聚糖等。水溶性膳食纖維具有很高的生理活性，具有不同的功能，例如可作為分散劑、乳化劑、穩(wěn)定劑、黏附劑[3]。因此，它不僅可以作為纖維強(qiáng)化食物的膳食粗原料，也可以用作制藥以及工業(yè)上的添加劑。

2 膳食纖維的改性

膳食纖維有很好的生理作用，且其中很多重要的生理作用都與其SDF有很大的關(guān)系。許多天然存在的膳食纖維資源中水溶性膳食纖維所占比例很少，無(wú)法達(dá)到膳食平衡要求。近年來(lái)國(guó)際營(yíng)養(yǎng)學(xué)家一直致力膳食纖維的改性研究。目的是使膳食纖維中的大分子組分的連接鍵斷裂，轉(zhuǎn)變成小分子成分；部分不溶性成分轉(zhuǎn)變成可溶性成分；使致密的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷傻目臻g網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)證明經(jīng)過(guò)改性的膳食纖維，其功能得到了強(qiáng)化，應(yīng)用范圍得到了拓寬。目前，應(yīng)用于提取豆渣水溶性膳食纖維的工藝主要有以下3種：物理法、化學(xué)法及生物技術(shù)法。

2.1 物理方法

在許多原料（特別是豆渣）中，總膳食纖維（TDF）含量很高，但水溶性膳食纖維含量比較低。通過(guò)擠壓膨化、超高壓均質(zhì)、超聲等處理，可以提高水溶性膳食纖維的含量。其機(jī)理是：通過(guò)擠壓膨化、超高壓均質(zhì)、超聲等過(guò)程中的高速撞擊、高速剪切、激波振蕩、空穴爆炸等作用，使較大分子量的不溶性膳食纖維，如：纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等大分子的糖苷鍵熔融或斷裂，轉(zhuǎn)化為水溶性聚合物，部分不溶性膳食纖維轉(zhuǎn)化為非消化性的水溶性膳食纖維[4]。

2.1.1 擠壓蒸煮法 擠壓蒸煮技術(shù)是使物料在擠壓膨化設(shè)備中受到高溫、高壓、高剪切作用，從而使物料內(nèi)部的水分在短時(shí)間內(nèi)迅速汽化，纖維物質(zhì)分子間和分子內(nèi)空間結(jié)構(gòu)擴(kuò)展變形，并在擠出膨化機(jī)出口的瞬間由于突然失壓造成物料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成疏松多孔的狀態(tài)。將物料送入擠壓蒸煮機(jī)中，在高溫、高壓條件下進(jìn)行擠壓、剪切等處理，不但改善了物料的色澤和風(fēng)味，更重要的是由于高溫、高剪切力作用使得大分子量的不溶性纖維組分的部分連接鍵斷裂轉(zhuǎn)變成為較小分子量的水溶性膳食纖維。水溶性膳食纖維增加的量與半纖維素減少的量成正相關(guān)，原因是部分半纖維素（如阿拉伯木聚糖）及不溶性果膠類物質(zhì)會(huì)發(fā)生熔斷現(xiàn)象或斷裂部分連接鍵，轉(zhuǎn)變成為水溶性聚合物，使SDF含量增加到10%～16%，但是擠壓過(guò)程基本上對(duì)豆渣纖維素的結(jié)晶性質(zhì)沒有影響。

馬毓霞[5]等采用擠壓膨化方法對(duì)大豆膳食纖維進(jìn)行了多功能活化，其可溶性纖維、持水力、膨脹力等均有不同程度的提高；特別是可溶性纖維（SDF）含量由對(duì)照的2.4%提高到14.26%以上。錢建亞等[6]使用BC21型雙螺桿擠壓機(jī)，在180℃、15%水分、螺桿轉(zhuǎn)速250r/min條件下，可使SDF含量達(dá)到10.03%。豆渣經(jīng)上述擠壓條件處理，其可溶性膳食纖維含量得到顯著提高，物化特性得到明顯改善，生理功能特性得到增強(qiáng)。

2.1.2 瞬時(shí)高壓技術(shù) 瞬時(shí)高壓作用（IHP）可顯著提高可溶性膳食纖維的含量，其原理[7,8]是：在高壓均質(zhì)處理的過(guò)程中，利用高速撞擊、高速剪切、激波振蕩、空穴爆炸、膨化等一系列作用，使較大分子量的不溶性膳食纖維如纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等大分子的糖苷鍵斷裂，部分不溶性膳食纖維轉(zhuǎn)化為非消化性的可溶性膳食纖維，即SDF/TDF值增大。

劉成梅等[9]采用以微射流均質(zhì)機(jī)為物質(zhì)基礎(chǔ)的瞬時(shí)高壓作用，對(duì)豆渣的膳食纖維進(jìn)行物理機(jī)械處理，獲取了瞬時(shí)高壓作用處理前后膳食纖維可溶性受到的影響。物料經(jīng)40MPa高壓均質(zhì)處理和經(jīng)100MPa和120MPa微射流均質(zhì)處理后，其可溶性膳食纖維的含量分別為7.08%、17.51%、24.76%，總膳食纖維含量分別為63.87%、72.19%、69.78%，可溶解性膳食纖維（SDF）含量與總膳食纖維（TDF）含量比值分別為0.1109、0.2424、0.3548，由此可見，經(jīng)瞬時(shí)高壓處理后，樣品膳食纖維總含量和可溶性膳食纖維的含量均有所增加。

2.1.3 超聲波 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，其頻率范圍為2×104～109Hz[10]。超聲波在物質(zhì)介質(zhì)中形成介質(zhì)粒子的機(jī)械振動(dòng)，可引起與媒質(zhì)的相互作用，在液體內(nèi)的作用主要來(lái)自超聲波的熱作用、機(jī)械作用和空化作用[11]。其熱作用可使介質(zhì)吸收超聲波能量轉(zhuǎn)變成熱能，使自身溫度升高；其機(jī)械作用可使介質(zhì)膨脹、壓縮，并具有速度和加速度；其空化作用可產(chǎn)生瞬時(shí)的高溫、高壓，且空化泡的塌陷產(chǎn)生強(qiáng)烈的機(jī)械作用，在液體中產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波，在固體界面附近產(chǎn)生快速射流和聲沖擊。超聲波降解大分子物質(zhì)主要機(jī)理是機(jī)械性斷鍵作用及自由基氧化還原反應(yīng)。超聲波機(jī)械性斷鍵作用是由于物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)在超聲波中具有極高的運(yùn)動(dòng)加速度，產(chǎn)生激烈而快速變化的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，分子在介質(zhì)中隨著波動(dòng)的高速振動(dòng)及剪切力作用而降解。自由基和熱造成的機(jī)械剪切對(duì)分子量較低的大分子物質(zhì)較有效，而機(jī)械效應(yīng)對(duì)高分子物質(zhì)效應(yīng)更為顯著，且隨分子量增加而增加[12]。

2.2 化學(xué)方法

化學(xué)方法是采用酸、堿等化學(xué)試劑控制適當(dāng)pH、溫度和反應(yīng)時(shí)間使糖苷鍵斷裂，產(chǎn)生新的還原性末端，使纖維類大分子的聚合度下降轉(zhuǎn)化成非消化性的水溶性多糖。酸堿處理能使水溶性膳食纖維含量得以較大地提高，且成本較低，易于實(shí)現(xiàn)大型生產(chǎn)，但是需大量的水洗從而造成水溶性膳食纖維大量損失，酸堿處理還存在轉(zhuǎn)化率低、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、副反應(yīng)較多、工藝過(guò)程復(fù)雜、溫度較高、對(duì)設(shè)備要求較高等不利因素[13-16]。

2.2.1 酸法 纖維中纖維素、半纖維素的糖苷鍵對(duì)酸的穩(wěn)定性差，只要在適當(dāng)?shù)膒H、溫度及時(shí)間下，它們就會(huì)發(fā)生水解，說(shuō)明酸是一種催化劑，它可以降低糖苷鍵斷裂的活化能，加快其水解速度，產(chǎn)生新的還原性末端，使聚合度下降，使膳食纖維中IDF轉(zhuǎn)變?yōu)镾DF。

Furuta等[17]在pH 2.0、100℃條件下，提取1.5h使豆渣中SDF的含量大幅提高。在pH 3.0條件下提取4.5h，SDF含量為8%左右[5]。孫保華[18]、陳正宏[19]等采用1mol/L的鹽酸調(diào)酸，使pH在3～5之間，80～100℃的熱水處理后，再用1mol/L的氫氧化鈉調(diào)pH至中性，烘干粉碎后得到色澤較白、無(wú)腥臭味的大豆膳食纖維產(chǎn)品。

2.2.2 堿法 堿性降解包括堿性水解反應(yīng)和剝皮反應(yīng)兩種類型，與上述酸性水解相同，堿性水解也需在適當(dāng)pH、溫度和時(shí)間下糖苷鍵斷裂，聚合度下降。另外，在堿性溶液中，即使是在很溫和的條件下，纖維素和半纖維素都會(huì)發(fā)生剝皮反應(yīng)，具有還原性末端的糖基逐個(gè)分解下來(lái)，直到產(chǎn)生末端基轉(zhuǎn)變?yōu)槠兲撬峄姆€(wěn)定反應(yīng)為止，分解下來(lái)的糖基在溶液中最后轉(zhuǎn)變?yōu)楫愖兲撬幔⒁云溻c鹽形式存在于溶液中。但是，盡管二者都使膳食纖維聚合度下降，但由于異變糖酸鈉鹽數(shù)量的提高制約了IDF向SDF的轉(zhuǎn)變，因此使得堿解SDF得率較酸解差些。

孫云霞[20]利用Na2CO3溶液提取大豆豆渣中的水溶性膳食纖維，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，將5g濕豆渣置于75mL、4%的Na2CO3溶液中，水浴加熱至90℃，浸提60min，可得到產(chǎn)率為41.86%的水溶性膳食纖維。華欲飛[21]等人報(bào)道了堿性過(guò)氧化氫能改變豆渣纖維的物理化學(xué)性質(zhì)，色澤、持水性、溶脹性等指標(biāo)顯著改善?？梢缘玫缴攀忱w維含量達(dá)94%、色淺、無(wú)異味的功能性大豆纖維，其持水能力是本身重量的12倍，充分溶脹后體積增加24倍。錢建亞和丁宵霖[22]研究了酸堿作用對(duì)膳食纖維組成的影響，發(fā)現(xiàn)酸堿處理可以提高SDF的含量，酸堿強(qiáng)度和用量與半纖維素向水溶性纖維的轉(zhuǎn)化率成正相關(guān)。但酸堿對(duì)纖維素的作用受到限制。

2.3 生物技術(shù)法

2.3.1 酶法 采用化學(xué)方法制備的膳食纖維還含有少量的蛋白質(zhì)和淀粉，要制備極純凈的膳食纖維必須結(jié)合酶處理。酶法主要是通過(guò)蛋白酶除去蛋白質(zhì)，淀粉酶溶解淀粉，利用纖維素酶分解不溶性膳食纖維中的纖維素成分，生成小分子量的單糖或寡糖，從而可增加可溶性膳食纖維的產(chǎn)率[5，23-24]。

馬毓霞等人[5]報(bào)道采用纖維蛋白酶novo44055對(duì)豆渣進(jìn)行功能活化，酶對(duì)糖苷鍵的催化作用較強(qiáng)，在溫和的條件下即發(fā)生明顯反應(yīng)。經(jīng)酶處理后，SDF的得率為10.8%，持水力為7.75%，膨脹力為4.22%。劉昊飛等人[25]將0.5%的Viscozyme L復(fù)合纖維素酶添加到豆渣中，調(diào)節(jié)反應(yīng)溶液pH為5，于50℃下反應(yīng)1.5h，豆渣SDF得率為10.45%。

2.3.2 發(fā)酵法 發(fā)酵法是利用微生物發(fā)酵，消耗原料中的碳源、氮源，以消除原料中的植酸，減少蛋白質(zhì)、淀粉等成分[5]，通過(guò)產(chǎn)酸或酶類的作用，提高SDF的含量，但是過(guò)度的水解也可能對(duì)其功能性造成影響[26,27]。發(fā)酵法生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)便，成本低廉，產(chǎn)品無(wú)異味易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，制取的膳食纖維其蛋白質(zhì)、粗纖維、乙醚提取物（主要為黃酮類化合物）的含量高且其持水力顯著高于化學(xué)法制取的膳食纖維的持水力。其中，利用乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)酸制備豆渣SDF，是使豆渣處在酸性環(huán)境下，糖苷鍵發(fā)生斷裂，產(chǎn)生新的還原末端，使IDF轉(zhuǎn)化為SDF[28]。霉菌發(fā)酵豆渣是通過(guò)菌體分泌纖維素酶、半纖維素酶類等物質(zhì)，使IDF的糖苷鍵斷裂，生成小分子多糖，轉(zhuǎn)化為SDF，從而改善膳食纖維的生理活性。

姜竹茂[29]等人將綠色木霉接種于豆渣后，因綠色木霉可以產(chǎn)生大量C1、CX、纖維素酶、淀粉酶等，將部分不溶性膳食纖維和淀粉迅速分解成單糖或寡糖及其他成分，所以，可溶性膳食纖維產(chǎn)率明顯上升，30℃搖床培養(yǎng)72h后，SDF產(chǎn)率為11.06%。

3 展望

隨著人們生活水平的不斷提高，飲食日趨精細(xì)，人們已逐漸認(rèn)識(shí)到水溶性膳食纖維的生理功能，水溶性膳食纖維的提取工藝必然會(huì)成為功能性食品的研究熱點(diǎn)之一，研究的發(fā)展趨勢(shì)將主要是以下幾個(gè)方面：①膳食纖維分離制備方法的研究，由于不同的加工方法對(duì)膳食纖維產(chǎn)品的理化性質(zhì)和生理功能有明顯影響，如反復(fù)用水浸泡沖洗和頻繁的熱處理會(huì)明顯減少膳食纖維終產(chǎn)品的持水力和膨脹力，這樣不僅會(huì)惡化其工藝特性，而且會(huì)影響其生理功能的發(fā)揮。因此，采用較為溫和的工藝方法和高新技術(shù)提取分離膳食纖維是今后膳食纖維的研究方向之一；②膳食纖維的工業(yè)化生產(chǎn)的研究，如何將膳食纖維這一長(zhǎng)期被忽視的寶貴資源充分利用起來(lái)，不僅要求其應(yīng)用范圍的拓寬，更要求將膳食纖維產(chǎn)品以工業(yè)化規(guī)模開發(fā)出來(lái)，使之有經(jīng)濟(jì)上的可行性，提高膳食纖維開發(fā)利用的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，也是研究方向之一。

總之，隨著人們對(duì)水溶性膳食纖維營(yíng)養(yǎng)價(jià)值認(rèn)識(shí)的提高，以及國(guó)內(nèi)外對(duì)水溶性膳食纖維的深入研究，豆渣水溶性膳食纖維的開發(fā)應(yīng)用將具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的市場(chǎng)前景。

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