豆渣膳食纖維的改性研究進(jìn)展

李偉偉,周才瓊,2,*

(1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院,重慶 400715; 2.食品科學(xué)與工程國家級實驗教學(xué)示范中心(西南大學(xué)),重慶 400715)

膳食纖維具有調(diào)節(jié)胃腸道和預(yù)防慢性疾病等重要的生理功能,被譽(yù)為第七大營養(yǎng)素;但不同膳食纖維功能特性不同。其中可溶性膳食纖維(Soluble dietary fiber,SDF)比不溶性膳食纖維(Insoluble dietary fiber,IDF)具有更強(qiáng)的功能性[1-3]。IDF主要由木質(zhì)素、纖維素和部分半纖維素組成,可加強(qiáng)腸道的蠕動,減少腸癌、便秘等疾病的發(fā)生;SDF由部分半纖維素和親水性果膠等物質(zhì)組成,可有效降低膽固醇,提高葡萄糖耐受力[4-5]。Richard等[6]認(rèn)為人類的食物中的總膳食纖維中要含至少10%的可溶性膳食纖維才能算是平衡膳食。

豆渣(soybean residue)是中國傳統(tǒng)豆類制品加工中的副產(chǎn)品,加工大豆過程中,濕豆渣產(chǎn)率120%[7]。豆渣富含膳食纖維和部分黃酮、鈣、鐵、磷和維生素[8],是一種低廉且營養(yǎng)價值高的膳食纖維來源。但由于主要為不溶性膳食纖維,口感較差而限制了其在食品加工中的應(yīng)用。為此,采用不同的方法對豆渣膳食纖維進(jìn)行改性是提升豆渣應(yīng)用價值的重要手段。

目前報道的對豆渣膳食纖維進(jìn)行改性的方法主要是高壓、高溫、發(fā)酵、酶解、均質(zhì)、離子液體處理或者這幾種方法聯(lián)合處理等[4-5,9]。本文對各種改性方法的作用原理,對豆渣改性的結(jié)果及應(yīng)用前景等進(jìn)行了綜述,為豆渣膳食纖維改性及應(yīng)用于食品加工提供支持。

1 不同膳食纖維功能特性

膳食纖維分為可溶和不可溶兩類,不可溶纖維在水中難于分散,其持水性、粘度、膽酸結(jié)合能力、陽離子交換能力和對發(fā)酵的敏感度等有差異。不同膳食纖維功能特性綜述見表1。表明通過改性提高膳食纖維SDF含量,是提升膳食纖維品質(zhì)及應(yīng)用的重要途徑。

表1 膳食纖維的不同性質(zhì)與功能之間的關(guān)系Table 1 Relationship between different properties and functions of dietary fiber

2 改性對豆渣膳食纖維的影響

不同處理對豆渣膳食纖維的影響概括如表2。

表2 不同處理對豆渣膳食纖維的影響Table 2 Effects of different treatments on dietary fiber of soybean dregs

2.1 物理改性對豆渣膳食纖維的影響

常用物理處理方法有擠壓、膨化、粉碎,主要原理是通過強(qiáng)烈的物理作用力(如剪切、擠壓、破碎等)使大分子的不溶性纖維如纖維素或半纖維素的分子鍵斷裂變成可溶性成分,基本不會改變總膳食纖維含量。不足之處是該處理方法缺乏針對性,對其他營養(yǎng)成分也產(chǎn)生一定影響,特別是處理過度會損失部分SDF。所以物理改性的條件控制十分重要,目前大多研究都集中在條件優(yōu)化上。

2.1.1 瞬時高壓及對豆渣膳食纖維的影響 瞬時高壓作用(instantaneous high pressure,IHP)是一種以微射流均質(zhì)機(jī)為基礎(chǔ)的液相超微粉碎技術(shù),涵蓋了加壓、膨化、升溫、超微粉碎、輸送、混合等多種技術(shù),主要用來對液體混合物料等進(jìn)行膨化、破碎、剪切和均質(zhì)等。它屬于一種機(jī)械降解處理,其工作原理主要是利用空穴作用、高剪切作用、流體高速撞擊作用、渦旋作用等各種效應(yīng),使物料進(jìn)行超微粉碎。劉成梅等[46]研究發(fā)現(xiàn),豆渣中的可溶性膳食纖維含量在40 MPa壓力下為7.08%,而在100、120 MPa的壓力下分別為17.51%、24.76%,均遠(yuǎn)高于烘干處理的2.33%,而不溶性豆渣膳食纖維隨壓力的升高而降低,推測豆渣受到強(qiáng)烈的物理碰撞后,大分子物質(zhì)如纖維素中的糖苷鍵發(fā)生斷裂,不溶性成分轉(zhuǎn)化為可溶性成分。熊雪薇等[47]用IHP處理豆渣膳食纖維后發(fā)現(xiàn)其顆粒分布更加均勻,溶液性質(zhì)更加穩(wěn)定,非牛頓流體性質(zhì)更加明顯;具有明顯的觸變性;黏度升高。黏稠性和假塑性較好的液體更適合人們的口感[48]。此外,劉成梅等[15]報道經(jīng)過IHP處理過的豆渣的膳食纖維吸附能力明顯升高,尤其是對Cu2+、Ca2+、Mg2+、Pb2+等重金屬離子的能力增強(qiáng)。

2.1.2 超高壓均質(zhì)處理及對豆渣膳食纖維的影響 超高壓均質(zhì)(Ultra-High Pressure Homogenization,UHPH)是在均質(zhì)處理(壓力20～60 MPa)基礎(chǔ)上將壓力提升至60 MPa以上[29,49]。豆渣經(jīng)UHPH處理受到高壓、高剪切力和空穴效應(yīng)等作用,壓力在90～110 MPa時,SDF的含量隨壓力升高而增加。IDF分子在UHPH處理過程中由于糖苷鍵斷裂轉(zhuǎn)化成SDF。當(dāng)壓力較小時,主要是植物膠分子裂解,空穴膨化和高壓剪切產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng),共同作用使其裂解成SDF;壓力接近110 MPa時,半纖維素和纖維素大分子的糖苷鍵開始斷裂,SDF含量急劇增加。并發(fā)現(xiàn)繼續(xù)提升壓力會導(dǎo)致SDF下降。SDF的得率比普通均質(zhì)處理有些許上升。處理后的SDF持油力、持水力、膨脹力明顯提高[30]。

瞬時高壓處理和超高壓均質(zhì)處理的區(qū)別:瞬時高壓處理主要用于液體的處理,而且處理時間較短,對物質(zhì)的品質(zhì)影響較小;超高壓處理著重在于壓力的提高。兩者都涉及到空穴作用和剪切作用,而且處理的時間都不能過長,都是相對較短的,但是瞬時高壓處理還包含了流體高速撞擊作用、渦旋作用。

2.1.3 擠壓蒸煮及對豆渣膳食纖維的影響 擠壓蒸煮是通過強(qiáng)烈的壓力、摩擦力和剪切力,使纖維素大分子物料裂解,分子降解增多,暴露更多可溶性基團(tuán),提升可溶性膳食纖維含量。婁海偉等[31]使用單螺桿擠壓機(jī)在160 ℃、水分含量為20%,轉(zhuǎn)速175 r/min的條件下擠壓豆渣,SDF含量占比總膳食纖維(Total dietary fiber,TDF)從4.43%提高到23.06%,TDF含量基本沒變,IDF含量下降,與有關(guān)報道[32]SDF是由IDF轉(zhuǎn)化而來相符。豆渣膳食纖維經(jīng)擠壓處理后持水性、膨脹性、持油性、乳化性都會上升[33],利于其在食品加工中的應(yīng)用。

2.1.4 微波處理及對豆渣膳食纖維的影響 微波主要是通過高頻率的電磁波傳遞能量,引起分子電磁振蕩,加速分子運(yùn)動實現(xiàn)加熱作用。電磁波有極強(qiáng)的穿透能力,可穿透介質(zhì)到達(dá)物料內(nèi)部,將能量傳給物料,細(xì)胞內(nèi)部壓力過大,細(xì)胞壁受力膨脹,導(dǎo)致細(xì)胞破裂,細(xì)胞中的可溶性成分流出,使SDF提取率升高[34]。王繼楠等[35]報道微波在一定功率下處理豆渣,SDF提取量由原來的4.60%升到11.43%,并發(fā)現(xiàn)主要受微波處理時間和功率的影響。

2.1.5 膨化處理及對豆渣膳食纖維的影響 膨化處理有擠壓和壓差兩種方式。擠壓處理可使纖維素微粒化,分子極性發(fā)生改變,增加與水分子的親和性,增大膳食纖維的水溶性并改善其口感。劉漢文等[36]報道用雙螺旋擠壓機(jī)處理豆渣,通過擠壓膨化,大部分分子糖苷鍵如C-O鍵和C-C鍵斷裂,SDF含量與對照相比增加了99.64%,主要增加的單糖組分是戊糖,己糖和糖醛酸也有所增加,得出半纖維素是SDF的主要來源,果膠和纖維素也會產(chǎn)生部分SDF。食品化學(xué)特性研究顯示擠壓膨化豆渣膳食纖維溶脹力和持水力分別提高了125%和94%,并發(fā)現(xiàn)SDF主要影響因素是處理溫度和物料含水量。

壓差式膨化處理又叫做爆炸膨化干燥(Explosion Puffing Drying),集結(jié)了真空冷凍干燥和熱風(fēng)干燥兩種干燥方式的優(yōu)勢。該法采用“爆米花”原理,原料先加熱同時高壓(80～100 ℃、0.1～0.4 MPa),原料中的水分汽化散失,然后減壓,壓力驟減(-0.1 MPa)使物料內(nèi)部的水分出現(xiàn)“閃蒸”而物料被高溫干燥固化,內(nèi)部組織膨脹,出現(xiàn)均勻蜂窩狀,真空處理一段時間,水分持續(xù)蒸發(fā),達(dá)到要求后,停止加熱,冷卻至室溫即得到產(chǎn)品[37-38]。紀(jì)緒前等[39]采用此法處理豆渣的SDF含量上升,從對照的3.9%升高至18.2%,豆渣持水性、水溶性和膨脹性也分別提高了30.8%、43.5%和37.0%。推測水溶性上升可能是因為部分半纖維素、纖維素轉(zhuǎn)化為SDF。通過瞬時壓差和高溫膨化處理使大分子裂解,豆渣結(jié)構(gòu)疏松,豆渣顆?？讖阶兇?膨脹性變大,提升其應(yīng)用價值。

2.2 生物改性及對豆渣膳食纖維的影響

生物改性主要是采用酶解和發(fā)酵的方式。與物理改性和化學(xué)改性相比,生物改性條件溫和無污染,可最大程度回收有效成分。酶解法處理快速有針對性,但該法需要的某些酶價格昂貴,需要嚴(yán)格控制酶最適條件。發(fā)酵法不僅可提高SDF含量,還可除去部分抗?fàn)I養(yǎng)因子,產(chǎn)生一些對人體有益的小分子物質(zhì),且不需要高端設(shè)備,但發(fā)酵過程易出現(xiàn)一些不可控因素,且該方法一般所需時間比較長。

2.2.1 酶解處理及對豆渣膳食纖維的影響 酶處理可使纖維素、半纖維素分子分解成小分子糖或單糖。蔣竹茂等[40]報道酶解處理豆渣可使豆渣SDF含量從對照的11.34%提高到16.59%。景言等[41]報道用纖維素酶處理IDF殘渣,可得到顆粒更小的SDF(得率7.64%),酶解作用破壞了糖苷鍵并將多糖鏈內(nèi)鏈間的氫鍵水解,使分子碎片化,水溶性升高,得到高品質(zhì)的SDF,適合工業(yè)推廣。

2.2.2 發(fā)酵處理及對豆渣膳食纖維的影響 目前報道的發(fā)酵豆渣的微生物一般為霉菌(黑曲霉、米曲霉、根霉、毛霉、綠色木霉等)、粗壯脈紋孢菌、乳酸菌、酵母菌、枯草芽孢桿菌或由它們組成的復(fù)合體系。提高SDF的機(jī)理是菌種產(chǎn)生的纖維素酶、半纖維素酶使纖維素大分子中的糖苷鍵斷裂,增強(qiáng)水溶性;加上發(fā)酵過程中大量有機(jī)酸代謝產(chǎn)物生成,纖維素分子在酸性條件下也會導(dǎo)致糖苷鍵斷裂,分子聚合度降低[42]。謝歡等[43]報道黑曲霉發(fā)酵豆渣,半纖維素降解,SDF在TDF中占比達(dá)對照的8.19倍。后續(xù)食品化學(xué)特性研究顯示其結(jié)合水力增加了21.74%,持水力為對照的155.33%,膨脹力也提高了60.67。

2.3 聯(lián)合處理

為克服不同處理方法的缺點并提升處理效果,有采用聯(lián)合處理的文獻(xiàn)報道。目前報道的聯(lián)合處理方法主要是生物處理結(jié)合物理處理。包括:

a、酶解和擠壓結(jié)合[50],采用纖維素酶進(jìn)一步對擠壓處理后的塌陷和斷裂結(jié)構(gòu)進(jìn)行酶解處理,與單獨采用酶解法或擠壓處理相比,兩種方法結(jié)合處理后的豆渣膳食纖維粒度更小,黏度更低,抗氧化能力、吸附膽固醇和陽離子交換能力更高,且工藝簡單,適合推廣。

b、發(fā)酵和均質(zhì)聯(lián)合[51],在發(fā)酵基礎(chǔ)上采用高壓均質(zhì)處理時,當(dāng)壓力處于40 MPa時,SDF含量達(dá)30%左右,降低了高壓均質(zhì)處理豆渣膳食纖維的難度,不僅可減弱膳食纖維對設(shè)備的破壞,還可節(jié)省資源。

c、高壓、微波和酶解相結(jié)合[52],與單一處理相比,SDF得率進(jìn)一步升高,最終SDF含量可提高到近40%。

d、高壓蒸煮和酶解法聯(lián)合處理,高溫高壓使豆渣膳食纖維分子變得疏松,有利于酶解進(jìn)行,減少酶用量和酶解時間等。

雖然采用單獨的物理、化學(xué)、生物等方法處理豆渣可達(dá)到使SDF含量上升的結(jié)果,但不同方法結(jié)合處理可大大提高處理的效率進(jìn)而節(jié)省資源。

2.4 離子液體處理

自Swatloski等首次發(fā)現(xiàn)離子液體1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽([BMIm]Cl)可很好地溶解纖維素后,用離子液體(Ionic Liquids,ILs)溶解纖維素的技術(shù)便迅速發(fā)展起來[53]。ILs是一種在室溫或近室溫條件下呈液態(tài)的由有機(jī)陽離子和陰離子(有機(jī)、無機(jī))組成的鹽,是一種透明、無特殊氣味、毒性較小、可以流動、燃點較高的溶解性較好的綠色溶劑[53]。目前報道的ILs在食品中的應(yīng)用主要為研究纖維素[53]、淀粉[54]、蛋白質(zhì)[55]、生物柴油[56]等物質(zhì)的溶解性和分離提取。離子液體中的陰、陽離子含不同的官能團(tuán)如羥基等可形成氫鍵,破壞微晶纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu),增強(qiáng)纖維素的溶解性[57]。溶解的效果不僅與糖類分子的結(jié)構(gòu)有關(guān),還受到糖類分子與離子液體之間相互作用的影響[58]。離子液體能夠破壞超分子結(jié)晶纖維素是由于纖維素分子中羥基中的H原子和O原子與離子液體中的陰、陽離子形成電子對,使纖維素分子中的氫鍵破壞而溶解[59-60]。

張引等[61]通過響應(yīng)面優(yōu)化法用ILs處理豆渣使其SDF含量由對照的6.0%提高到11.6%。并發(fā)現(xiàn)處理溫低于100 ℃時,SDF隨溫度升高而增加,原因是分子移動能力增強(qiáng),纖維素分子的氫鍵斷裂更加容易,離子間的作用力在較高溫度下會減弱,同時存在于離子和氫鍵之間的作用力增強(qiáng)[62]。Cheng等[63]發(fā)現(xiàn)纖維素的結(jié)晶構(gòu)型經(jīng)過離子液體處理后可能從原來的I型轉(zhuǎn)化成為無定型或Ⅱ型。葉發(fā)銀[64]將豆渣用離子液體處理發(fā)現(xiàn)IDF中的木糖和阿拉伯糖含量降低,SDF的葡萄糖、甘露糖升高,證明豆渣中的纖維素和半纖維素部分降解,且SDF中的半乳糖醛酸大幅度增加,說明果膠也發(fā)生了降解[65]。通過離子液體處理,膳食纖維單糖的組成發(fā)生改變,持水力升高了10%,持油力也增加了16%,豆渣的結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞,分子結(jié)構(gòu)也發(fā)生了改變。

3 展望

綜上,目前豆渣膳食纖維改性研究報道主要包括物理改性(如瞬時高壓;超高壓均質(zhì);微波處理;擠壓蒸煮;壓差式膨化處理及擠壓式膨化處理等)、生物改性(如纖維素酶;真菌發(fā)酵處理等)、聯(lián)合處理(酶解和擠壓結(jié)合;發(fā)酵和均質(zhì)聯(lián)合;高壓、微波和酶解相結(jié)合等)和新技術(shù)處理(ILs溶解纖維素技術(shù))。豆渣膳食纖維改性研究的初衷是因為其營養(yǎng)價值高,價格低廉,但口感不佳。目前改性研究結(jié)果沒有廣泛應(yīng)用,主要有這幾個方面,物理方法主要通過剪切、擠壓等方式,缺乏針對性,需要嚴(yán)格控制改性條件,設(shè)備價格高昂,很多工廠難以達(dá)到該生產(chǎn)條件;生物改性條件溫和,但需要嚴(yán)控酶解條件或發(fā)酵條件,具有不穩(wěn)定性且技術(shù)不太成熟,不利于大批生產(chǎn);化學(xué)改性加入了太多附加物,有可能會影響產(chǎn)品的風(fēng)味。這幾種方法不是附加值太高,就是操作困難,無法推廣應(yīng)用。為此,目前人們更加關(guān)注聯(lián)合處理,以提高處理的效率;而采用離子液體新技術(shù)處理溶解纖維素成為人們關(guān)注的方向。

未來豆渣改性技術(shù)處理可能集中在聯(lián)合改性和新技術(shù)的應(yīng)用,特別是聯(lián)合生物改性以提升改性效果;或者以食品加工中特定需要來綜合估計需要采用的合適的改性方法。新技術(shù)改性研究中應(yīng)更加關(guān)注安全性。