大豆膳食纖維提取工藝研究進(jìn)展

郭麗娟

（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院大豆研究所，哈爾濱 150086）

大豆膳食纖維是指大豆中不溶性碳水化合物，主要成分是非淀粉多糖類，包括纖維素、混合鍵的β-葡萄糖、半纖維素、果膠質(zhì)、樹膠、木聚糖、甘露糖等，是不能為人體消化酶所消化的高分子糖類的總稱[1]。膳食纖維具有非常廣泛的藥理作用，能預(yù)防高脂高糖的發(fā)生，刺激腸道蠕動，保護(hù)胃腸道，增加糞便容積和排便次數(shù)，還能治療嬰幼兒腹瀉，預(yù)防術(shù)后感染等[2-3]。隨著人們對飲食健康的重視，有關(guān)膳食纖維類保健食品的研發(fā)越來越多，膳食纖維將具有很好的開發(fā)與應(yīng)用前景。

1 大豆膳食纖維的功用

1.1 保健功效

盡管膳食纖維不能為人體提供任何營養(yǎng)成分，但對人體具有重要的生理作用。

（1）降低體內(nèi)血液中膽固醇含量，預(yù)防動脈硬化、冠心病[4]；（2）改善血糖生成反應(yīng)，促進(jìn)血糖和胰島素保持正常水平，防治糖尿病效果顯著；國外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，膳食纖維可有效地控制餐后血糖上升幅度，改善葡萄糖耐量，其中可溶性膳食纖維效果優(yōu)于不溶性膳食纖維，如可溶性膳食纖維具有持水力強、降低葡萄糖的吸收速率等特性，使其在預(yù)防和輔助治療糖尿病方面引起廣泛關(guān)注[5-7]。（3）改善大腸功能，促進(jìn)胃腸正常蠕動，從而預(yù)防便秘與結(jié)腸癌；（4）此外，膳食纖維還能增加胃部飽滿感，減少食物攝入量，具有減肥瘦身的功效[2-3]。

1.2 食物原料

大豆膳食纖維可用作一種食品配料，作為穩(wěn)定劑具有增稠、延長食品貨架期作用，以及被作為冷凍穩(wěn)定劑使用；經(jīng)過處理的大豆膳食纖維能增強面團(tuán)結(jié)構(gòu)特性，是高檔面包烘焙中比較理想的天然添加劑。此外大豆膳食纖維可用于糕點、餅干、膨化食品等低熱谷物食品，也可用于各類保健飲料[8-9]。

2 大豆膳食纖維提取工藝研究進(jìn)展

目前，國內(nèi)外積極采用擠壓成型技術(shù)、膜分離技術(shù)、發(fā)酵工程技術(shù)、酶促反應(yīng)工程技術(shù)、生物加工技術(shù)、現(xiàn)代食品分離技術(shù)、高壓處理技術(shù)、微膠囊造粒技術(shù)以及先進(jìn)滅菌技術(shù)等現(xiàn)代高新技術(shù)，提高大豆制品的使用價值。不僅大大拓寬了大豆精深加工利用的范圍，提高了綜合開發(fā)能力，而且在加工過程中能夠保持大豆的營養(yǎng)成分。在大豆膳食纖維提取方面，方法很多，有化學(xué)法[10-12]、酶解法[13-18]、微生物發(fā)酵法[19]、微波輔助提取法以及多方法配合等方法[20-22]。

2.1 化學(xué)法

化學(xué)法提取大豆膳食纖維主要指的是酸解法和堿解法的相互配合。因提取膳食纖維的原料不同，所用的酸解和堿解的濃度、作用時間不同，大豆膳食纖維的得率也不同[10-12]。這就需要應(yīng)用正交實驗法估算最佳提取工藝。姜愛莉等用脫脂大豆粉12倍重量的6%NaOH溶液[10]，50℃下提取45min，其產(chǎn)率可達(dá)20.8%。該水不溶性膳食纖維的持水性為6.34，溶脹性為6.48mL/g。然后對非水溶性膳食纖維（Insoluble Dietary Fibers，IDF）進(jìn)行改性，用鹽酸調(diào)pH值4.5，除去蛋白質(zhì)，再用NaOH調(diào)pH值6.5，加乙醇進(jìn)行沉淀，得到水溶性膳食纖維，產(chǎn)率為12%，持水性為5.25，溶脹性為5.38mL/g。李文佳等用酸法和堿法結(jié)合提取大豆膳食纖維并對其進(jìn)行微晶化處理[11]，豆渣原料經(jīng)過酸堿處理后，可以得到基本無腥味、纖維含量約72.04%的大豆膳食纖維。其正交實驗得到最佳工藝條件，豆渣經(jīng)過pH值3，95℃條件下提取1.5h（料液比1:10），再將pH值調(diào)至11，在40℃下浸泡2h，水洗至中性，干燥粉碎得到大豆膳食纖維產(chǎn)品。經(jīng)過微晶化的大豆膳食纖維的膨脹力、持水力和總膳食纖維含量均高于未經(jīng)處理的大豆膳食纖維。尚永彪等用酸堿處理法提取水不溶性膳食纖維[12]，其最佳堿處理，NaOH（1mol/L）用量5mL/g，處理溫度40℃，處理時間8min；酸處理，鹽酸（1mol/L）用量4mL/g，酸處理時間80min。產(chǎn)品中膳食纖維含量達(dá)78.3%。

2.2 酶解法

酶解法提取大豆膳食纖維的關(guān)鍵技術(shù)在于酶解反應(yīng)。相較化學(xué)法而言，酶解法提取大豆膳食纖維產(chǎn)率最高[13]。原因如下，（1）酶的催化率高、專一性強和不發(fā)生副反應(yīng)，因此在生產(chǎn)上應(yīng)用時產(chǎn)率高、質(zhì)量好，便于產(chǎn)品提純和簡化工藝步驟；（2）酶作用條件溫和，一般不需要高溫、高壓條件，因此對設(shè)備要求簡單，并可節(jié)約煤和電等能源；（3）酶及其反應(yīng)物大多沒毒，適于在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用。然而此工藝生產(chǎn)出的膳食纖維有可能出現(xiàn)腥味重、色澤深的缺點[14]。因此在酶解法提取大豆膳食纖維時，有必要對豆渣進(jìn)行預(yù)處理[14-18]。

值得注意得是，在酶解法提取大豆膳食纖維的過程中，提取溫度、固液比和提取時間是影響豆渣水溶性膳食纖維提取率的3大重要因素。其中提取溫度是主要因素，其次是時間，再次是固液比[14]。

2.3 微生物發(fā)酵法

微生物發(fā)酵制得的膳食纖維生理活性明顯增強，是一種優(yōu)質(zhì)的膳食纖維。其生產(chǎn)過程簡單，成本低廉，且易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)[19]。涂宗財?shù)壤米灾苹旌暇统邏壕|(zhì)機減小纖維顆粒的粒度，發(fā)酵制得的膳食纖維為淺黃色的粉末產(chǎn)品。該產(chǎn)品具有特殊香味、無豆渣原有的豆腥味和苦澀味、持水力高、吸水性強等特點，且加工過程中不易失去水分，水溶性膳食纖維（Soluble Dietary Fibers，SDF）占膳食纖維（Dietary Fibers，DF）的比例高達(dá)13.13%。

2.4 多方法配合提取工藝

化學(xué)法的酸性水解和堿性水解都要在適當(dāng)pH值、溫度和時間下糖苷鍵斷裂，聚合度下降，膳食纖維完成由IDF到SDF的性變。并且在堿性溶液中，即使是在很溫和的條件下，纖維素和半纖維素都發(fā)生剝皮反應(yīng)，即具有還原性末端的糖基逐個掉下來，直到產(chǎn)生末端基轉(zhuǎn)變?yōu)槠兲撬峄姆€(wěn)定反應(yīng)為止，掉下來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。但是盡管兩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，使得堿降解SDF得率較酸降解差些[13]。相較之下，酶解法具有催化率高、不發(fā)生副反應(yīng)，作用條件溫和，對設(shè)備要求簡單，并可節(jié)約煤電能源等特點，但因其反應(yīng)的專一性強，對底物要求較高，作用得率不一。因此多種方法需配合使用，揚長避短，這樣才能最大限度的提高大豆膳食纖維的提取效率[21-22]。

3 大豆膳食纖維的改性

膳食纖維的物理性質(zhì)與其化學(xué)結(jié)構(gòu)及其多相網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有關(guān)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中有無定形區(qū)與結(jié)晶區(qū)，也有親水區(qū)和疏水區(qū)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的維持依賴于不同強度的化學(xué)鍵及物理作用。因此膳食纖維的改性研究受到普遍關(guān)注。目前報道的大豆膳食纖維改性方法主要有化學(xué)法、生物法、超微粉碎、擠壓蒸煮、瞬時高壓（Instantaneous High Pres?sure，IHP）作用和超高壓食品處理技術(shù)（Ultra High Pressure，UHP）等方法。

化學(xué)法對大豆膳食纖維進(jìn)行改性，酸的濃度和強度以及堿的濃度和水的數(shù)量對可溶性纖維（SDF）的轉(zhuǎn)化都有利，其變化主要發(fā)生在半纖維素部分，而纖維素所受影響很小[23]。

超微粉碎法具有微細(xì)間隙且高速旋轉(zhuǎn)的動、定刃口間產(chǎn)生的強大剪切、摩擦和擠壓力，可對物料產(chǎn)生強大的破壞力；纖維在濕狀態(tài)下能夠充分吸水伸展、膨脹，組織結(jié)構(gòu)相對疏松、軟脆，比干狀態(tài)下更容易斷裂，利用濕脹、干縮有助于得到微細(xì)顆粒。研磨過程中水的存在，不僅有助于輸送物料、提高喂入性，同時還可為系統(tǒng)降溫，避免物料過熱。超微粉碎高強的作用力在破壞非水溶性膳食纖維微粒結(jié)構(gòu)、切斷其連接的同時，還有可能對其微粒的結(jié)晶狀態(tài)產(chǎn)生影響，形成結(jié)晶疏松區(qū)和晶間裂紋，強化破碎效果，還可以降低粗糙感，改善膳食纖維的適口性[24]。

液相法超微粉碎技術(shù)主要是應(yīng)用Microfluidizer微射流均質(zhì)機對膳食纖維的物料微粒進(jìn)行超微化處理。然而由于超微粒子之間的強自吸附特性，團(tuán)聚體是不可避免的[25]，且經(jīng)Microfludizer破碎后的物料體系出現(xiàn)黏度略有提高、吸光度升高、透射比下降、折光率變化較小、總固形物含量下降等現(xiàn)象[26]。

基于Microfluidizer儀作用機理，有研究者提出了瞬時高壓作用（Instantaneous High Pressure，IHP）法，即壓力變化的瞬時性和處理過程的瞬時性。當(dāng)物料在高壓作用下快速通過Microfluidizer的核心原件——反應(yīng)腔（Interactive Chember）時，在反應(yīng)腔內(nèi)，物料承受高達(dá)300MPa的壓力，由于物料快速通過該反應(yīng)腔，所以高壓對物料的作用時間非常短，壓力變化速率極大，物料通過處理腔時受到高速撞擊、高頻震蕩（動）、瞬間壓降、高速剪切、空穴作用等機械力作用，使物料得到了超微粉碎，進(jìn)而對其理化性質(zhì)產(chǎn)生了影響，故將此過程總稱為瞬時高壓作用過程[27-29]。

超高壓食品處理技術(shù)（Ultra High Pressure，UHP）是指將食品放入液體介質(zhì)，在100～1000MPa壓力下處理。超高壓處理過程是一個純物理過程，物料在液體介質(zhì)中體積被壓縮。超高壓產(chǎn)生的極高的靜壓不僅會影響細(xì)胞的形態(tài)，還能使形成的生物高分子立體結(jié)構(gòu)的氫鍵、離子鍵和疏水鍵等非共價鍵發(fā)生變化，使蛋白質(zhì)凝固、淀粉等變性[30-31]。李鳳將膳食纖維充分吸水后經(jīng)700MPa靜壓[32]，15min處理后樣品的持水率、膨脹率都有較大的提高；處理后樣品黏度略有下降；處理后樣品的組織結(jié)構(gòu)更加的疏松，空隙增多增大，但是其瓣膜狀的空間結(jié)構(gòu)沒有改變。

綜上所述，膳食纖維對人類健康的意義重大，人們在日常生活中應(yīng)增強膳食纖維的攝入量，注重攝入谷物類、豆類和蔬菜水果類等，對預(yù)防肥胖、結(jié)腸癌、心腦血管病具有非常深遠(yuǎn)的意義。因此不論是從國際市場上來看還是國內(nèi)市場上來看，大豆膳食纖維都具有很大的發(fā)展前景。研究者們積極利用豆渣等富含大豆膳食纖維的研究基質(zhì)，不斷優(yōu)化提取工藝，以期提高可溶性大豆膳食纖維的提取效率。這樣不僅可以解決豆渣等基質(zhì)所引起的環(huán)境問題和商業(yè)難題，還可以帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，推進(jìn)膳食纖維類保健食品的研發(fā)，具有很好的開發(fā)和應(yīng)用前景。

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