不同膳食纖維改性技術研究進展

王 強，趙 欣

(重慶第二師范學院食品安全與營養(yǎng)研究所，生物與化學工程系，重慶400067)

膳食纖維(DF)被認為是不能在小腸內消化吸收，且聚合度大于3 的碳水化合物的統稱，其不僅存在于天然食物中，還可以經物理、酶或化學法處理食物原料后獲得。已有研究證實［1-3］，膳食纖維具有降低胃腸通過時間、增加糞便量、降低血總膽固醇、降低餐后血糖等功效。膳食纖維以在水中的溶解性分為水溶性膳食纖維(SDF)與非水溶性膳食纖維(IDF)。其中IDF 對腸道蠕動，緩解便秘，減少肥胖等起到重要作用，而SDF 可對碳水化合物及脂類代謝產生顯著影響，同時還具備吸附重金屬離子及膽固醇等功能。盡管SDF 在膳食纖維中所占比例較高，然而許多天然膳食纖維中SDF 含量僅為3% ～4%，無法達到高品質膳食纖維(SDF≥10%)的要求，其調節(jié)血糖、血脂等功能受到一定的限制［4-5］。如何采用一定的化學或物理手段使DF 中的大分子組分連接鍵斷裂變?yōu)樾》肿游镔|，從而疏松其致密的網狀結構，使IDF 向SDF 轉化，增加SDF 含量，進一步提高其理化性質及生理活性成為目前膳食纖維改性研究的熱點。本文結合近年來國內外相關研究結論，就膳食纖維的改性技術研究進行論述，旨在為相關領域研究者提供理論參考。目前文獻報道的膳食纖維改性方法主要有:以酸法、堿法為主的化學方法;以酶法、發(fā)酵法為主的生物技術方法及物理方法(超微粉碎技術、擠壓技術、超高壓技術等)，同時也可運用以上多種方法進行聯合處理，從而達到提高SDF 的目的。

1 化學方法

化學處理方法是指通過某種方式，使纖維類大分子不同程度的轉化為多糖(非消化性)，從而使得其聚合度大幅下降，在適當的反應條件如pH、時間及溫度下，斷裂其中的糖苷鍵，使之產生具有還原性的末端。

有研究證實［6-7］，酸堿處理可有效影響膳食纖維中SDF 含量，樣品經堿處理后，SDF 的含量大幅上升，同時SDF 值的高低與pH 呈顯著正相關關系，而在酸處理過程中發(fā)現SDF 值與pH 呈負相關，即隨著pH 減少可溶膳食纖維含量越多。趙國華［8］等在研究羧甲基化對豆渣膳食纖維的影響時發(fā)現，當取代度達到0.9，其樣品中SDF 含量可達25.03%。經該技術處理后，發(fā)現豆渣膳食纖維的理化指標(如持水力、結合水力、粘度、陽離子交換能力)均有顯著提高，這些指標的變化在不同程度上可提高豆渣中可溶性膳食纖維的含量。Elleuch 等［9］在對甜菜膳食纖維進行改性研究中發(fā)現，采用乙醇為醚化介質，分兩次添加堿液，可得到高得率、高粘度的改性膳食纖維，處理后的膳食纖維占甜菜廢粕重量比例高達36.51%，顯著的高于傳統方法。因此，化學法處理通過分子結構單元的變化從而有效提高膳食纖維中SDF 含量，改善膳食纖維的理化和生理功能。

化學處理可較簡單的提高SDF 含量，但SDF 轉化的效率通常受到反應時間及條件的制約，并不能滿足大規(guī)模生產的需要，而且化學基團的引入也給食品中利用此類SDF 帶來較大風險。因此，化學法在食品基膳食纖維原料改性方面并不占有優(yōu)勢，可更多考慮運用于包裝材料的使用。

2 生物技術方法

2.1 酶法

酶法是近年來國內處理膳食纖維改性的新方法，由于其具有作用條件溫和、專一性強、產品色澤變化小、反應時間較短、副產物較少、純度高等優(yōu)點，被認為是一種較有潛力的改性方法。目前主要應用于膳食纖維改性的酶主要有木聚糖酶、纖維素酶和木質素氧化酶等。黃茂坤［10］研究香菇丙改性膳食纖維時發(fā)現，在纖維素酶添加量為0.9%，酶解溫度50℃，酶解時間4.5h，pH5.5，液料比4∶1 的最佳條件下，測出SDF 溶出量為10.11g/100g。姚文華［11］等采用纖維素酶制備棗渣膳食纖維時發(fā)現，最佳工藝條件為:酶用量0.7%，溫度35℃，酶解時間2h，SDF 含量可提高28%，且制得樣品的持水性和膨脹性均比以前較好。侯傳偉［12］等在采用木聚糖酶和纖維素酶組合酶解制備玉米皮水溶性膳食纖維時發(fā)現，纖維素酶和木聚糖酶添加量分別為40mg/g 底物，料液比1∶14(g/mL)，酶解時間90min 的條件下，得到SDF 為5.96%。胡葉碧［13］在研究玉米皮膳食纖維改性時發(fā)現，用40IU/g 木聚糖酶處理4h 后再用4IU/g 纖維素酶處理2h 的改性效果與單獨用一種酶處理的結果相比，明顯優(yōu)于后者，纖維素酶和木聚糖酶的協同作用可以顯著提高SDF 的含量。Chau 等［14］認為DF 脂肪酶抑制活性與其OHC 有關，一方面，DF 吸附脂肪，防止脂肪酶與脂肪接觸;另一方面，DF 中疏水基團也有可能吸附一定量脂肪酶或影響脂肪酶結構，從而影響其活性。由此可見，酶法處理可縮短膳食纖維改性時間并擴大改性膳食纖維種類，由于其專一性的特點，其作用效率優(yōu)勢明顯。

2.2 微生物發(fā)酵法

發(fā)酵法是利用微生物長時間的發(fā)酵，菌種發(fā)酵產生的有機酸類代謝產物逐漸累積，從而給膳食纖維營造了一個酸性微環(huán)境，酸性條件下提供的質子能夠使纖維素的糖苷鍵斷裂，產生新的還原性末端，將膳食纖維的大分子組分分解成小分子化合物，進而使可溶性膳食纖維的含量不斷增加，從而提高膳食纖維的品質。在微生物發(fā)酵中，常用的微生物主要是乳酸菌，還有一些其它的混合菌群。

林德榮［15］等在采用乳酸菌混合發(fā)酵時，對大豆纖維進行改性處理，發(fā)現SDF 含量隨時間的累加而增加，在發(fā)酵1d 后，SDF 值由初始發(fā)酵的16.4%提高到21.93%，到達第6d，上升到31.49%，而發(fā)酵6d 后的值則維持一個比較穩(wěn)定的水平，即發(fā)酵對膳食纖維的改性達到了一個平穩(wěn)期。李安平［16］等采用響應曲面分析方法得到乳酸發(fā)酵對竹筍膳食纖維改性的最佳條件為:接種量2.9%、發(fā)酵溫度40.9℃、發(fā)酵時間23h，在該條件下改性后膳食纖維的持水力高達9.19g/g。涂宗財［17］等研究了利用自制混合菌曲制備高活性大豆膳食纖維的工藝，處理后SDF 量由4.23%提高到13.13%，且持水力和吸水性增強，并且發(fā)酵除去了豆渣的豆腥味和苦澀味，且賦予了豆渣特殊的香味。這些研究均表明，膳食纖維大分子的降解用微生物處理較為理想，同時，微生物的代謝過程也會產生一些代謝產物，可以促進人體的消化吸收，并賦予制品某些獨特的風味，提高制品的口感。無論是微生物法還是酶法，膳食纖維的改性效果均大為提高，但是由于酶法的制取成本以及優(yōu)勢微生物的選育培養(yǎng)是制約生物法改性的最大障礙，因此生物法改性尚有較大的研究空間。

3 物理方法

3.1 擠壓膨化法

擠壓膨化法是指膳食纖維經高溫、高壓及剪切力作用，導致分子間和分子內空間結構發(fā)生變形，在擠壓設備出口的瞬間失去壓力，從而造成膳食纖維結構發(fā)生變化，由于壓力的突然下降，水蒸汽迅速膨脹和散失，使產品形成多孔結構，使得部分大分子不溶性膳食纖維(IDF)組分的連接鍵斷裂，轉變?yōu)樾》肿拥目扇苄陨攀忱w維(SDF)，從而提高SDF［18-19］。Larrea 等［20］將采用擠壓膨化方法處理橘皮渣，測定其可溶性膳食纖維含量提高了原料的80%;Perez 等［21］對以1∶1 質量比混合后的玉米粉和綠豆粉進行擠壓膨化處理后發(fā)現，其可溶性膳食纖維由原料的1.06%提高到7.94%。Gajula 等［22］以小麥粉為原料，經擠壓膨化處理后，可溶性膳食纖維由1.5%增加到2.4%。Valencia 等［23］對印第安土著糧食進行擠壓膨化處理，測得可溶性膳食纖維含量由原來的2.5%提高到3.1%。Vasanthan 等［24］優(yōu)化大麥(Phoenix 和CDC-Candle)膳食纖維的擠壓改性工藝時發(fā)現:CDC-Candle 大麥和Phoenix 大麥分別在140℃(50%含水量)和90℃(50%含水量)條件下進行擠壓處理，其可溶性成分分別由擠壓前的5.6%增加到7.24%，2.4% 增 加 到 3.8%。Berrios 等［25］研 究 顯 示，在160℃，水分含量17%，螺桿轉速500r/min 條件下對干豌豆進行擠壓處理，其可溶性膳食纖維含量由0.65%增加到2.9%。從目前有關研究報道來看，擠壓膨化法可處理多種原料來源的膳食纖維，且經擠壓膨脹后的可溶性膳食纖維的含量和質量都有顯著提高。

3.2 超微粉碎法

超微粉碎技術通常是指將物料顆粒粉碎至粒徑在100μm 以下的一種粉碎技術，是一門新興技術。粉碎后顆粒粒徑的大小決定了超微粉碎的等級，共分為微米級粉碎(1 ～100μm)、亞微米級粉碎(0.1 ～1μm)和納米級粉碎(0.001 ～0.1μm，即1 ～100nm)。目前在天然植物資源開發(fā)領域中，所應用的超微粉碎技術一般以微米級粉碎為主，不僅可對細胞壁進行破壞，使顆粒微細化，而且會進一步增加膳食纖維物料比表面積和孔隙率，增加其溶解性和接觸面，并賦予了產品細膩的口感［26-27］。藍海軍［28］等比較了大豆膳食纖維經微射流作用后濕法超微粉碎和經研磨式干法超微粉碎后的改性效果，結果表明濕法超微粉碎與干法超微粉碎相比，顯著提高其膨脹力、持水力，且分別提高26%和8%。此外，經超微粉碎后的小麥胚芽膳食纖維和脫脂米糠膳食纖維，膨脹力、持水力、持油力和膨脹力等性質均顯著增加，陽離子交換能力顯著降低，且由于部分半纖維素轉化為水溶物，增大了其在水中的溶解性［［29-30］。

3.3 超高壓技術

食品高壓處理通常是用100MPa 以上(一般100～1000MPa)的壓力，在常溫或較低溫度(一般低于100℃)下，作用于包裝或無包裝的液體及固體食品，從而達到滅菌、物料改性及改變食品某些理化反應速率的作用［31］。該技術方式為純物理過程，對物料進行瞬間壓縮、作用均勻，且操作安全、能耗低，處理過程無任何化學變化反應產生，有利于保持食品色香味形及生態(tài)環(huán)境等。

目前越來越多的人開始研究并使用該項技術，如Mateos-Aparicio 等人利用高流體靜壓處理豆渣DF 后發(fā)現SDF 含量顯著增加，并且與壓力呈顯著正相關［32］。而Tu 等人則以高壓均質技術研究了改性豆渣中SDF 含量的變化，發(fā)現改性后SDF 含量可提高10% ～28%，其含量隨處理壓力升高而增加［33］;Yang［34］等運用高流體靜壓處理龍眼，發(fā)現水溶性膳食纖維提高3%，而木質素含量無變化;Wennberg等［35］利用高流體靜壓技術對白菜中膳食纖維進行了研究，發(fā)現經高溫高壓處理后對白菜中SDF 含量影響很小，溫度與壓力和溶解性卻呈顯著負相關;李鳳［36-37］等采用高流體靜壓處理大豆和小麥膳食纖維，處理后的膳食纖維持水力和膨脹率均有較大幅度提高，結論推測膳食纖維持水力的提高可能與結構改變引起的親水基團外露和組織疏松引起的組織滯留水分能力增強有關，而膨脹率的提高與空間網狀結構的完整性和良好支撐作用有關。

4 聯合處理技術

無論是化學法，還是物理法，單一處理方法均各有利弊，因此多種方法的聯合應用可避免單一方法的缺陷，協同作用更加明顯。例如，與單純擠壓改性方法相比，擠壓與其他技術手段的聯用能更有效的分散和降解膳食纖維的聚團結構，從而大幅提高水溶性膳食纖維的含量。

目前諸多研究結果表明利用混合技術改性能可取得良好效果。李鳳鳳［38］采用堿浸-濕法超微粉碎聯合法對啤酒糟IDF 進行改性，發(fā)現IDF 中SDF 含量能夠提高到5.61%，而持水力和膨脹力均比以前有了顯著提高。涂宗財［39］等認為，對豆渣膳食纖維進行發(fā)酵法改性和超高壓勻質法改性可分別提高SDF 含量15%和35%，將兩種方法結合后，SDF 含量最高可達到37%以上。此外，在膳食纖維進行擠壓改性處理時加入檸檬酸與碳酸氫鈉等堿液，改性后樣品中SDF 含量顯著增加，與直接擠壓改性相比，其持水性得到明顯提高［40-41］。綜合相關研究不難發(fā)現，聯合技術的運用使得膳食纖維無論在改性的數量還是質量上均有較為明顯的優(yōu)勢，這體現在聯合處理可有效彌補單一處理方法的缺陷，而且協同處理可較大程度上降低膳食纖維的改性難度，降低改性的成本，有利于改性膳食纖維的應用。

5 結語

隨著社會“文明病”發(fā)病率的不斷上升，消費者對具有功能性膳食纖維的需求更加迫切。由于膳食纖維中不溶性膳食纖維和可溶性膳食纖維各自的生理功能不同，如何通過多種途徑提高膳食纖維中SDF含量，使其發(fā)揮更大的生理功效，已成為相關領域專家和學者研究的熱點問題。我國膳食纖維資源較為豐富，應當充分利用該資源優(yōu)勢，大力開展膳食纖維改性技術研究，該技術的研究不僅可以滿足市場化需求，而且會對國民營養(yǎng)健康產生深遠的影響。

［1］中國營養(yǎng)學會營養(yǎng)與保健食品分會.膳食纖維的定義、方法和能量值研討會論文［J］.第三屆營養(yǎng)與保健品專業(yè)會議，2005:138-141.

［2］Mckee L H，Latner T A.Underutilized sources of dietary fiber［J］.Plant Foods for Human Nutrition，2000，55(4):285-304.

［3］韓東平，劉玉環(huán)，李瑞貞，等.提高豆渣膳食纖維活性改性研究［J］.食品科學，2008，29(8):670-672.

［4］Richard E A，Domal D L J.Pasaterl balanced fiber composition［P］.E N Patent，1989，4877:627.

［5］鄭建仙.功能性食品［M］.北京:中國輕工業(yè)出版社，1999:50-65.

［6］Sudha ML，Baskaran V，Leelavathi K.Apple pomace as a source of dietary fiber and polyphenols and its effect on the rheological characteristics and cake making［J］.Food Chemistry，2007，104:686-692.

［7］陳存社，董銀卯，趙華.蘋果膳食纖維改性實驗研究［J］.食品工業(yè)科技，2003，24(6):34-35.

［8］趙國華，曾凱紅，闞健全.羧甲基豆渣膳食纖維的制備及其性能研究［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2003，29(7):88-90.

［9］Mohamed E，Dorothea B，Olivier R，et al.Dietary fibre and fibre- rich by- products of food processing:Characterisation，technological functionality and commercial applications:A review［J］.Food Chemistry，2011，124:411-421.

［10］黃茂坤.香菇柄膳食纖維的改性及仿真素食品的研制［D］.福州:福建農林大學，2008:4.

［11］姚文華，胡玉宏.酶法制備棗渣膳食纖維與應用的研究［J］.食品科學，2007，28(1):139-142.

［12］侯傳偉，魏書信，王安建.雙酶改性制備玉米皮水溶性膳食纖維的工藝研究［J］.食品科學，2009，30(22):119-121.

［13］胡葉碧，王璋.纖維素酶和木聚糖酶對玉米皮膳食纖維組成和功能特性的影響［J］.食品工業(yè)科技，2006，27(11):103-105.

［14］Chau C F，Wang Y T，Wen Y L.Different micronization methods significantly improve the functionality of carrot insoluble fibre［J］.Food Chemistry，2007，100:1402-1407.

［15］林德榮，涂宗財，阮榕生.提高大豆膳食纖維中可溶性成分的方法［J］.糧油加工，2008，33(5):39-41.

［16］李安平，謝碧霞，種秋平.響應面分析法優(yōu)化竹筍膳食纖維乳酸發(fā)酵改性條件研究［J］.食品工業(yè)科技，2009，30(6):193-195.

［17］涂宗財，李金林.微生物發(fā)酵法研制高活性大豆膳食纖維的研究［J］.食品工業(yè)科技，2005，26(5):49-50.

［18］王岸娜，朱海蘭，吳立根，等.膳食纖維的功能、改性及應用［J］.河南工業(yè)大學學報:自然科學版，2009，30(2):89-94.

［19］李世敏.功能食品加工技術［M］.北京:中國輕工業(yè)出版社，2003.

［20］Larrea M A，Chang Y K，Bustos F M. Effect of some operational extrusion parameters on the constituents of orange pulp［J］.Food Chemistry，2005，89(2):301-308.

［21］Perez N C，Gonzalez R，Chel G L，et al.Effect of extrusion on nutritional quality of maize and Lima bean flour blends［J］.Journal of the Science of Food and Agriculture，2006，14(86):2477-2484.

［22］Gajula H，Alavi S，Adhikari K，et al.Precooked branenriched wheat flour using extrusion:dietary fiber profile and sensory characteristics［J］. Journal of the Science of Food Science，2008，73(4):173-179.

［23］Repo-Carrasco-Valencia R，Pe?a J，Kallio H，et al.Dietary fiber and other functional components in two varieties of crude and extruded kiwicha［J］.Journal of Cereal Science，2009，49(2):219-224.

［24］Thava V，Jiang G S，Judy Y，et al.Dietary fiber profile of barley flour as affected by extrusion cooking［J］.Food Chemistry，2002，77(1):35-40.

［25］Berrios J D，Morales P，Cámara M，et al.Carbohydrate composition of raw and extruded pulse flours［J］.Food Research International，2010，43(2):531-536.

［26］Chi-Fai Chau，Yu-Ling Wen，Yi-Ting Wang.Effects of micronization on the characteristics and physic - chemical properties of insoluble fibers［J］.Journal of the Science of Food and Agriculture.2006:2380-2386.

［27］Chi-Fai Chau，Yi-Ting Wang，Yu-Ling Wen.Different micronization methods significantly improve the functionality of carrot insoluble fiber［J］.Food Chemistry，2007:1402-1408.

［28］藍海軍，劉成梅，涂宗財，等.大豆膳食纖維的濕法超微粉碎與干法超微粉碎比較研究［J］.食品科學，2007，28(6):171-174.

［29］陳存社，劉玉峰.超微粉碎對小麥胚芽膳食纖維物化性質的影響［J］.食品科技，2004(9):88-94.

［30］李倫，張暉，王興國，等.超微粉碎對脫脂米糠膳食纖維理化特性及組成成分的影響［J］.中國油脂，2009，34(2):56-59.

［31］令博，吳洪斌，明建，等.高壓技術在膳食纖維改性中的應用［J］.食品科學，2010，31(15):312-316.

［32］Mateos- aparicio I，Mateos- peinado C，Rupérez P.High hydrostatic pressure improves the functionalit y of dietary fibrer in okara by-product from soybean［J］.Innovative Food Science and Emerging Technologies，2010，4(4):1-6.

［33］Zongcai Tu，Jinglin Li，RuanRoger，et al. Process for increasing soluble dietary fiber content of soybean meals［J］.Transaction of the CSAE，2007，23(5):246-249.

［34］Yang Bao，Jiang Yueming，Wang Rui，et al.Ultra- high pressure treatment effects On poly saccharides and lignins of longan fruit pericarp［J］.Food Chemistry，2009，112 (2):428-431.

［35］Wennberg M，Nyman M.On the possibility of using high pressure treatment to modify physico - chemical properties of dietary fiber in white cabbage［J］.Innovative Food Science and Emerging Technologies，2004，5(2):171-177.

［36］李鳳.UHP 處理對小麥膳食纖維的改性研究［J］.食品科學，2007，28(9):96-98.

［37］李鳳.超高壓處理對大豆膳食纖維的改性［J］.大豆科學，2008，27(1):142-144.

［38］李鳳鳳.啤酒糟膳食纖維的提取及不可溶膳食纖維的改性研究［D］.吉林:吉林大學，2006.

［39］涂宗財，李金林.利用豆渣生產高活性膳食纖維的研究［J］.食品科學，2006，27(7):144-147.

［40］陳雪峰，吳麗萍，劉愛香.擠壓改性對蘋果膳食纖維物理化學性質的影響［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2005，31(12):56-60.

［41］Lee S Y，Chen H，Milford A，et al. Preparation and characterization of tapioca starch-poly(lactic acid)nanocomposite foams by melt intercalation based on clay type［J］.Industrial Crops and Products，2008，28:95-106.