膳食纖維的制備技術(shù)及理化性能的研究進(jìn)展

葉秋萍，曾新萍，鄭曉倩

（福建省亞熱帶植物研究所廈門市農(nóng)林新優(yōu)種苗繁育工程技術(shù)研究中心，福建廈門361006）

膳食纖維（dietary fiber，DF）被稱為人類的第七大營養(yǎng)素，享有“腸道清潔夫”和“生命綠洲”的美稱，對預(yù)防齲齒、降血脂、促進(jìn)腸道消化吸收、防止便秘、減肥、降低血糖、降低血壓等都有一定的作用[1-3]。除此之外，膳食纖維還對降低與荷爾蒙相關(guān)的癌癥（如乳腺癌等）有一定的功效。我國具有豐富的膳食纖維原材料如谷物、蔬菜、水果、茶葉等，加工過程產(chǎn)生的下腳料和廢棄物如麥麩、米糠、山藥皮、火龍果皮、臍橙皮、茶梗等，有一部分被開發(fā)成飼料或者肥料，仍有很大部分被當(dāng)成廢棄物丟棄，因此其附加值較低。本文擬通過對膳食纖維的各種制備方法的分析比較，對其理化特性、生理功能及在食品方面的應(yīng)用等研究概況進(jìn)行全面闡述，以期為膳食纖維的深入研究提供思路，對充分挖掘廢棄資源的再利用、提升附加值具有重要的理論意義和生產(chǎn)實(shí)踐意義。

1 膳食纖維的定義

膳食纖維最早由Hipsley提出，是一類不能被人體消化酶消化、也不能被小腸吸收的以多糖為主的高分子物質(zhì)的總稱，主要成分包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素及樹膠、果膠、黏質(zhì)等[4]。Trowell根據(jù)膳食纖維的可食用性和抗消化性將其定義為“不被人體所消化吸收的多糖碳水化合物和木質(zhì)素”[5]。美國谷物化學(xué)協(xié)會(huì)將膳食纖維定義為“凡是不能被人體內(nèi)源酶消化吸收的可食用植物細(xì)胞、木質(zhì)素、多糖以及相關(guān)物質(zhì)的總稱”[6]。Mudgil等[7-8]認(rèn)為膳食纖維主要是指來源于植物的內(nèi)源性抗消化的木質(zhì)素以及碳水化合物。國際食品法典委員會(huì)則認(rèn)為[9]：膳食纖維是指在人體內(nèi)不能被小腸消化吸收，且聚合度大于3或者10以上的碳水化合物的聚合物[10]。目前，被大家普遍認(rèn)可的定義是：膳食纖維是指不能被人體小腸消化吸收，而能被人體大腸全部或部分發(fā)酵的可食用性植物、木質(zhì)素、多糖以及其他相關(guān)的物質(zhì)總稱。膳食纖維根據(jù)溶解性不同，可分為水不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）和水溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）。其中IDF包括纖維素、部分半纖維素和木質(zhì)素，SDF包括果膠、樹膠、低聚糖等親水膠體物質(zhì)和部分半纖維素[11]。

2 膳食纖維的制備方法

2.1 化學(xué)法

化學(xué)法是指將原材料清洗干燥、并粉碎過篩目之后，加入酸堿試劑進(jìn)行浸提處理，制備膳食纖維的方法[12]?；瘜W(xué)法一般包括直接水提法、酸法、堿法等。采用直接水提法和酸法具有工藝流程簡單、成本低、無污染的優(yōu)點(diǎn)，但是制備SDF的得率較低[13]。堿法使用最為普遍，其方法是：在提取過程中加入堿試劑從而改變浸提液的酸堿度，并加入其他化學(xué)試劑，將IDF和SDF進(jìn)一步分離[14]。采用堿法提取茶末水溶性膳食纖維發(fā)現(xiàn)提取SDF的適宜工藝為：NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%，提取溫度為90℃，提取時(shí)間為75 min。在pH值7.0時(shí)，SDF對膽固醇的吸附量高于pH值2.0下的，而對NO2-的吸附則相反。采用酸堿法制備茶渣水不溶性膳食纖維，結(jié)果表明pH值為13.5、溫度為90℃、時(shí)間為3 h條件下，制得的水不溶性膳食纖維含量為91.32%，得率為20.11%[15]。又有采用堿法提取石阡苔茶茶渣水不溶性膳食纖維的，結(jié)果表明：浸提溫度為32.6℃、堿濃度 0.2 mol/L、浸提時(shí)間 50 min、料液比 1∶13.5（g/mL），提取率最高為78.66%，持水力為183.92%，溶脹度為2.83 mL/g[16]。李鳳霞等采用堿法提取薇菜中不溶性膳食纖維，提取率達(dá)41.81%[17]。綜上，化學(xué)法制備的膳食纖維得率較高，操作便捷，是較為常用的提取方法，但是該法易產(chǎn)生大量污水，造成環(huán)境污染，而且由于制備過程采用過多的酸或堿的浸泡導(dǎo)致膳食纖維的生物活性降低。

2.2 酶法

酶法是采用多種酶將膳食纖維以外的其它組分（蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉等物質(zhì)）分解去除，從而獲得膳食纖維的方法[18]。此法使用的酶制劑成本高，但是酶解工藝溫度較低、操作方便，更可以省去部分工藝和設(shè)備，環(huán)境污染較少，對于淀粉和蛋白質(zhì)含量高的原料制備膳食纖維尤為適合[19]。采用酶法制備茶下腳料中膳食纖維，獲得最佳提取工藝為：0.5%α-淀粉酶、60℃下處理90 min，洗滌過濾，再以0.5%的NaOH于70℃下處理25 min，漂洗至中性再進(jìn)行烘干[20]。采用a-淀粉酶提取棗渣中的不溶性膳食纖維，提取率是化學(xué)法的1.5倍[21]。酶法應(yīng)用過程中，酶制劑的種類較多，需先進(jìn)行選擇，且要求控制酶反應(yīng)的溫度和pH值，反應(yīng)時(shí)間較長，但其提取條件較為溫和、污染少，產(chǎn)品無溶劑殘留，因此目前應(yīng)用較多。

2.3 發(fā)酵法

發(fā)酵法是利用微生物發(fā)酵提供的酸性環(huán)境，產(chǎn)生的酶類使原料中的成分如蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉等發(fā)生反應(yīng)分解，獲得膳食纖維的方法。目前主要選用綠色木霉、保加利亞乳酸桿菌和嗜熱鏈球菌混合菌、枯草芽孢桿菌、白腐菌等作為發(fā)酵菌種。與化學(xué)法相比，此法生產(chǎn)的膳食纖維具有較好的色澤、氣味、質(zhì)地及分散程度，膨脹率和持水率也較佳[22]。采用保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌（1∶1，體積比）混合菌發(fā)酵制備茶渣可溶性膳食纖維，品質(zhì)較佳。采用枯草芽孢桿菌提取米糠柏中可溶性膳食纖維，研究發(fā)現(xiàn)發(fā)酵時(shí)間22.4 h、溫度35℃、接種量6.6%，SDF的得率達(dá)到12.88%[23]。發(fā)酵法能有效促進(jìn)IDF向SDF轉(zhuǎn)化，提取的膳食纖維實(shí)用性和生物活性較高，但是由于發(fā)酵時(shí)間較長，需選擇合適的菌種。

2.4 膜分離法

膜分離法是對不同分子量的膳食纖維，以改變膜的分子截留量的方式進(jìn)行分離提取[19]。目前此法適用于可溶性膳食纖維的分離制備，但還需進(jìn)一步研究不溶性膳食纖維的分離。由于該法對設(shè)備和技術(shù)水平要求較高，目前還難以實(shí)現(xiàn)大生產(chǎn)[18]。

2.5 多方法輔助提取法

酶-化學(xué)法是指同時(shí)使用化學(xué)試劑和各種酶分解、去除膳食纖維以外的其他成分，獲得純度較高的膳食纖維。此法可結(jié)合化學(xué)法和酶法的優(yōu)點(diǎn)，一般選用α-淀粉酶、纖維素酶、蛋白酶等酶類，獲得的膳食纖維具有較高的持水力、膨脹力和得率，但此法的成本較高[13]。

超聲波提取法是根據(jù)超聲波的特殊物理屬性，通過壓電換能器產(chǎn)生的快速機(jī)械振動(dòng)波，使目標(biāo)萃取物與樣品基體之間的作用力減小，達(dá)到固、液分離萃取。該法具有提取溫度低、時(shí)間短、得率高等優(yōu)點(diǎn)，已被應(yīng)用于中藥材和各種有效成分的提取，是環(huán)保節(jié)能型的現(xiàn)代高新技術(shù)提取手段[24]。

目前也有采用微波提取可溶性膳食纖維，具有設(shè)備簡單、時(shí)間短、污染小、得率高等優(yōu)點(diǎn)。

3 膳食纖維的理化特性

3.1 水合作用

由于膳食纖維具有多孔狀結(jié)構(gòu)，且含有很多親水性基團(tuán)，故其具有很強(qiáng)的水合作用[25]。膳食纖維的水合能力一般以持水力和膨脹率等指標(biāo)來衡量。膳食纖維的持水力因原料、制備方法、顆粒大小及分析方法的不同而不同，一般為自身重量的1.5倍～25倍，其中果膠含量高的吸水性較強(qiáng)[13]。提高膳食纖維的持水力有利于排便，可以減輕直腸內(nèi)的壓力，起到預(yù)防結(jié)腸癌、預(yù)防便秘、痔瘡等腸道疾病的作用[26]。膳食纖維由于吸水膨脹后體積變大，易產(chǎn)生飽腹感，影響人體對其他成分的吸收，有益于肥胖癥患者[27-28]。目前，已有學(xué)者對茶渣和茶梗的膳食纖維的持水力和膨脹力開展了研究，證明其具有較好的水合作用[16，20，27]。

3.2 吸附能力

膳食纖維分子表面含有很多活性基團(tuán)，可以吸附其他的分子。不僅可以吸附油類、香氣等物質(zhì)，賦予食品各種香氣和風(fēng)味。同時(shí)還可螯合膽固醇、膽汁酸以及腸道內(nèi)源毒素，化學(xué)藥品和外源性毒素等有機(jī)化合物[29]。膳食纖維還可以吸附礦質(zhì)離子、重金屬和鹽類物質(zhì)[13，30]。膳食纖維可形成具有一定厚度的網(wǎng)狀物，可吸附腸道中的某些物質(zhì)如脂肪顆粒等[31-33]，起到降血脂的作用。

3.3 離子交換能力

膳食纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有羧基和羥基類等活性基團(tuán)，屬于弱酸性陽離子，可與有機(jī)陽離子進(jìn)行可逆的交換[34]。還可與Ca、Zn、Pb等陽離子交換，并且能優(yōu)先交換Pb等有害離子，使有害離子隨糞便排出。同時(shí)還能改變陽離子的瞬間濃度、消化道的pH值、滲透壓及氧化電位，還能與腸道中的鈉離子和鉀離子交換，從而降低血液中鈉離子和鉀離子的比值，起到降血壓的作用[35]。此外，膳食纖維完全發(fā)酵后產(chǎn)生短鏈脂肪酸，可以促進(jìn)人體對鈣、鎂、鐵等礦物質(zhì)的吸收[36]。

3.4 菌群調(diào)節(jié)作用

膳食纖維可被大腸內(nèi)微生物發(fā)酵降解，產(chǎn)生乙酸、丙酸等短鏈脂肪酸，使pH值降低，既抑制厭氧菌的產(chǎn)生，又可誘導(dǎo)產(chǎn)生大量的好氧有益菌[37]，從而改善了腸道菌群。膳食纖維的降解程度受到種類、顆粒大小和攝入方式等的影響。水溶性纖維素如果膠幾乎可被完全降解，水不溶性纖維如纖維素等幾乎不能被發(fā)酵；顆粒小比顆粒大的更容易降解；單獨(dú)攝入的較易被降解[34]。

3.5 具有類似填充劑的作用

膳食纖維吸水膨脹后體積變大，易引起飽腹感。人體食用膳食纖維后還會(huì)減緩其他物質(zhì)的消化吸收，故不易產(chǎn)生饑餓感。因此，膳食纖維能夠預(yù)防肥胖癥的發(fā)生。

3.6 溶解性和黏性

膳食纖維的溶解性主要是由其有序和無序結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性所決定的。結(jié)構(gòu)越不規(guī)則，溶解性越好[38]。如瓜兒膠具有不規(guī)則的主鏈和側(cè)鏈結(jié)構(gòu)使其具有較好的溶解性；纖維素具有線性有序結(jié)構(gòu)，溶解性差[25]。

膳食纖維的黏性主要是由物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)、溫度、溶劑和濃度所決定的。如瓊脂、果膠、瓜兒膠等都具有良好的黏性和膠凝性，可形成高黏度的溶液。在胃腸道中，它們可增加內(nèi)容物黏度，形成膠基層，降低胃排空率，延緩和減少對膽固醇、膽汁酸、葡萄糖等物質(zhì)的吸收[39]。

4 膳食纖維的生理功能

4.1 預(yù)防肥胖癥

膳食纖維具有吸水膨脹性，在胃中體積變大形成高黏度的溶膠或凝膠，易產(chǎn)生飽腹感而影響對其他食物的攝入[40]。膳食纖維不僅能通過影響蛋白質(zhì)、脂肪等消化酶的活性，減少人體對這些物質(zhì)的吸收[41-42]；還可吸附脂肪排出體外，減少人體對脂肪的吸收[43]。

4.2 緩解便秘

水溶性膳食纖維具有較強(qiáng)的持水性，可使排泄物濕潤、松軟；不溶性膳食纖維通過刺激腸道蠕動(dòng)，加速有害物質(zhì)的排出[44-45]。此外，膳食纖維易被大腸內(nèi)的細(xì)菌發(fā)酵降解，產(chǎn)生氣體和大量短鏈脂肪酸，這些酸類物質(zhì)會(huì)使酸度和糞便量增加，加速腸糞便排出，起到預(yù)防便秘的作用[29，46-47]。

4.3 改善腸道菌群

膳食纖維可被腸道微生物降解，產(chǎn)生短鏈脂肪酸，增加腸內(nèi)酸度，促進(jìn)腸道有益菌的生長繁殖，同時(shí)抑制有害腐敗菌的生長，對增強(qiáng)人體免疫力、保護(hù)肝臟起到積極的作用[34]；部分未被發(fā)酵的膳食纖維還可刺激腸道蠕動(dòng)，加快有害物質(zhì)的排泄速度，避免相關(guān)疾病的發(fā)生[48]。

4.4 降血壓降血糖

膳食纖維中的酸性多糖，具有較強(qiáng)的陽離子交換能力，對消化道的氧化還原電位、滲透壓以及pH值均產(chǎn)生影響，形成緩沖環(huán)境；再者膳食纖維還可與腸道中的鈉離子和鉀離子交換，降低二者在血液中的比值，起到降血壓作用[34]。

可溶性膳食纖維吸水后增加腸道黏度，降低胃排空速度，從而阻礙葡萄糖分子進(jìn)入腸道黏膜細(xì)胞，而不可溶膳食纖維則吸附葡萄糖，減少人體對葡萄糖的吸收，降低對胰島素的需求，對于改善糖尿病具有積極的作用[33]。因此，增加膳食纖維的攝入量，可有效降低膽固醇和低密度脂蛋白量，提高胰島素降血糖作用，有利于糖尿病患者[49]。

4.5 降低膽固醇

膳食纖維可加快脂肪通過腸道的速度，延緩或抑制膽固醇和甘油三酯在淋巴中的吸收；同時(shí)膳食纖維還能吸附膽固醇代謝產(chǎn)物膽汁酸，降低膽固醇和甘油三酯消化產(chǎn)物分子團(tuán)的溶解，更多的膽固醇需要被消耗以補(bǔ)充被排出的膽汁酸，從而降低了膽固醇含量[50-51]。華聘聘等研究表明動(dòng)物食用可溶性大豆膳食纖維能降低膽固醇、甘油三酯[52]。Satija等研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)常攝入谷物膳食纖維能改善心血管機(jī)能，減少心血管疾病的發(fā)生[53]。

4.6 提高人體免疫力

膳食纖通過刺激腸道黏膜細(xì)胞生長，抑制腸道細(xì)菌的滋生，為腸道菌群生長提供所需的代謝底物和良好的生存環(huán)境，從而增強(qiáng)人體免疫力。從食用菌中提取可溶性膳食纖維，其中的多糖組分可通過巨噬細(xì)胞并產(chǎn)生抗體，從而提高人體免疫力[54]。從百香果、芒果、菠蘿和番石榴等水果中提取的膳食纖維具有良好的抗氧化性[55-56]。

4.7 其他生理功能

膳食纖維能吸附體內(nèi)的游離型雌激素，起到預(yù)防乳腺癌的作用[57]；吸附毒素和水分，幫助人體正常代謝雜質(zhì)，使腸胃保持順暢，可改善上火、口臭等問題[17]；清除汞、砷、鎘和銅，將濃度降低至安全水平。此外，膳食纖維的缺乏還與膽結(jié)石、闌尾炎、間歇性疝、腎結(jié)石、十二指腸潰瘍和潰瘍性結(jié)腸炎等疾病有很大的關(guān)系[58-60]。

5 膳食纖維的應(yīng)用

5.1 在面制品中的應(yīng)用

谷物制品中添加膳食纖維，不僅可以增加營養(yǎng)、預(yù)防疾病，還可以改善產(chǎn)品的黏性、質(zhì)地、感官特性以及貨架期[61-65]。侯漢學(xué)等[66]在面包中添加4%的膳食纖維，發(fā)現(xiàn)可以提高面包品質(zhì)。王伊沂[67]將可溶性膳食纖維添加到面條、饅頭、米飯中，發(fā)現(xiàn)口感較沒有添加的好。Gómez等[68]將2%豌豆皮膳食纖維添加到面包中，可明顯降低面包表皮硬度。Piteira等[69]將豌豆皮和其他纖維添加曲奇餅干中，可提高面團(tuán)的機(jī)械性。

5.2 在飲料中的應(yīng)用

在飲料中加入膳食纖維，飲料的沖調(diào)性、穩(wěn)定性及分散性可以明顯的提高，并且具有保健性。在酸奶中加入膳食纖維，制成谷物膳食纖維發(fā)酵乳和果蔬膳食纖維發(fā)酵乳，可以加強(qiáng)胃腸蠕動(dòng)，有利于促進(jìn)毒素排除、消化，防治便秘[70-74]。在乳飲料中加入膳食纖維，既可改善其穩(wěn)定性，又能增加營養(yǎng)價(jià)值[75-76]。

5.3 在肉制品中的應(yīng)用

肉制品中添加膳食纖維，可保持水分，增加黏性和凝膠能力，能夠很好的支撐組織結(jié)構(gòu)[77]，保證了出品率，改善口感[65，78]，還可以抑制微生物的生長[66]。余歡歡等[78]研究表明：添加10%的燕麥膳食纖維到牛肉中，可降低其硬度，顯著改善嚼勁，顯著提高出品率和感官品質(zhì)。Cardoso等[79]將豌豆纖維添加到鱈魚中，可改善魚肉的組織結(jié)構(gòu)，延長保質(zhì)期。

5.4 在餡料、湯料食品中的應(yīng)用

在包子和點(diǎn)心餡等面食制品中加入膳食纖維，效果良好。此外，在普通湯料中加入1%的膳食纖維，可以起到補(bǔ)充營養(yǎng)的作用[80]。

5.5 在果醬、調(diào)味品等食品中的應(yīng)用

在果醬、果凍食品中添加可溶性膳食纖維，可增強(qiáng)黏度，防止脫水。劉晶晶等[81]將大豆膳食纖維添加到冰淇淋中，色澤自然，風(fēng)味獨(dú)特，具有保健作用。沈群[82]在調(diào)味品（如醬油）中添加膳食纖維，可以提高黏稠度，防止組分分離，調(diào)整風(fēng)味。此外，膳食纖維還可用于西餐色拉的調(diào)制等。

5.6 在其他食品中的應(yīng)用

膳食纖維除了用于上述食品的研制外，還可應(yīng)用于糖果、罐頭、嬰幼兒食品、香腸、擠壓膨化或油炸食品和保健食品的制作[83-85]。

6 展望

膳食纖維具有預(yù)防肥胖癥、緩解便秘、改善腸道菌群等生理功能，其在食品領(lǐng)域的應(yīng)用日愈廣泛，充分利用谷物、果蔬等食品的皮、渣制備膳食纖維，對提高農(nóng)副產(chǎn)品的附加值具有重要的意義。因此，如何采用綠色安全的提取技術(shù)制備高提取率和高品質(zhì)的膳食纖維，已成為科技工作者研究的重要任務(wù)。為提高農(nóng)副產(chǎn)品的下腳料和廢棄物的的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，應(yīng)加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究：1）挖掘含有豐富纖維素的食品副產(chǎn)物如食用菌下腳料、茶梗等，節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，提升附加值，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型。2）膳食纖維分為SDF和IDF，SDF相對IDF具有更重要的生理功能，采用高效、綠色制備技術(shù)，使IDF向SDF轉(zhuǎn)化，提高SDF的含量，以提高膳食纖維的功能品質(zhì)。如將超聲波提取法與酶法相結(jié)合，充分利用超聲波提取法既能解決酶法反應(yīng)時(shí)間長、成本高的問題，又可獲得較高提取率、高膨脹率和高持水率的高品質(zhì)膳食纖維；或者選用乳酸菌或綠色木霉作為發(fā)酵菌種，發(fā)酵法可獲得高提取率和較高生物活性的膳食纖維。3）加強(qiáng)產(chǎn)品的性能研究，目前關(guān)于膳食纖維的性能研究很多僅限于持水力和膨脹力等水合性能研究，還應(yīng)增加膳食纖維的膽固醇、脂肪、葡萄糖等吸附性能和清除DPPH自由基、還原能力等抗氧化性能研究，以期探明膳食纖維的理化特性，為其今后在食品方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)。