果蔬加工副產物膳食纖維改性及應用研究進展

王瑤，張明，王兆升，楊立風，馬超，王崇隊，吳茂玉*

（1.山東農業(yè)大學食品科學與工程學院，山東泰安271000；2.中華全國供銷合作總社濟南果品研究院，山東濟南250014）

果蔬加工副產物是指在果蔬加工過程中產生的果皮、果渣、老莖等副產物，主要成分有膳食纖維、木質素及蛋白質等。我國每年果蔬廢棄物產量約占果蔬總產量的25%~30%，約有1 億t 的水果和蔬菜廢棄物被丟棄[1]。這些廢棄物中含有大量的膳食纖維，其中不同膳食纖維的質量和生理功能差別明顯，自然界原料中可溶性膳食纖維的含量一般在3%左右，研究表明只有可溶性膳食纖維含量達到10%以上，才具有良好的功能特性和加工性能，否則只是低品質的填充型膳食纖維[2]。因此，使不溶性膳食纖維（IDF）轉化為可溶性膳食纖維（SDF），提高其生理活性，擴大應用范圍具有重要的研究意義。本文結合近年來的研究，就膳食纖維的功能評價和改性方式等作簡要綜述，以期為果蔬加工副產物膳食纖維資源高值利用提供一定的參考和借鑒。

1 膳食纖維的化學成分及理化特性

1.1 化學成分

膳食纖維實際上是植物細胞壁及部分植物細胞內部的膠粘物質、植物受損的應激物質等組成的混合物[3，4]。根據植物體功能劃分為三大類：（1）結構性多糖，包括纖維素、半纖維素及果膠等物質；（2）結構性非多糖，主要成分為木質素，是一種由C6-C3單元通過醚鍵、碳-碳鍵連接的多聚芳香族化合物；（3）非結構性多糖，是細胞內的分泌物，多為樹膠、膠漿及部分多糖類物質。膳食纖維的主要化學成分見表1。

1.2 理化特性

膳食纖維的理化特性與化學組成密切相關。各分子鏈中單糖分子含有不同的基團，它們通過彼此結合，賦予了膳食纖維獨特的理化特性，主要體現在持水性、離子交換能力和吸附能力、發(fā)酵性等方面。

1.2.1 持水性和溶脹性

膳食纖維含有大量的親水基團，有較強的吸水、持水能力。不同來源、不同種類膳食纖維的持水力（WHC）和溶脹性各不相同。富含膳食纖維的食物進入消化道，吸收大量的水分，并膨脹形成高黏度的溶液或凝膠，從而產生飽腹感，減少了食物和熱量的攝入。劉靜娜等[5]對蘆筍皮和莖中提取得到的SDF 和IDF 進行持水力和溶脹力的測定，結果表明，持水性能由大到小依次為：皮IDF、莖IDF、皮SDF、莖SDF，蘆筍皮中的IDF 持水性是SDF 的2倍，蘆筍莖的IDF 持水性是SDF 的4.8 倍，而蘆筍皮SDF的持水性與莖IDF 相當；蘆筍皮、蘆筍莖的IDF 溶脹性能明顯強于SDF，且蘆筍皮SDF 的溶脹性為蘆筍莖的2.2 倍，而蘆筍皮IDF 的溶脹性比蘆筍莖高1.5 倍。

1.2.2 離子交換和吸附能力

膳食纖維中尤其是酸性多糖類的結構含有一些側鏈基團（主要為羧基和羥基），它們有較強的陽離子交換能力，且此交換為可逆性的，會優(yōu)先交換鉛等有害離子，同時還能吸附膽汁酸、膽固醇、變異原等有機分子。楊曉寬等[6]對酶堿法提取的膳食纖維，包括SDF、IDF 和TDF（總膳食纖維，SDF∶IDF=1∶2），進行特性比較，結果發(fā)現，SDF、IDF、TDF 的 陽 離 子 交 換 能 力 分 別 為0.77、0.27、0.48 mmol/g；吸附膽固醇的能力，SDF 為20.71 mg/g，IDF 為15.69 mg/g，TDF 為17.45 mg/g。

表1 膳食纖維的化學組成、結構及作用Table 1 Chemical composition，structure and function of dietary fiber

1.2.3 發(fā)酵性

膳食纖維不易在體內被消化酶降解，但在大腸內可被微生物（如雙歧桿菌）酵解。這些微生物能以部分膳食纖維為營養(yǎng)進行代謝，同時產生大量的短鏈脂肪酸，促進有益菌群的增殖。微生物酵解的速率、程度與底物接觸的程度（即膳食纖維基質的物理結構）、多糖的化學結構有關，可溶性多糖的酵解率比細胞壁內多糖的酵解率要高[7]。有益菌群增殖的同時可減少腸毒素的累積，減少對腸粘膜的刺激，從而保護腸道健康，預防結腸癌的發(fā)生。

2 膳食纖維的功能特性

2.1 預防心血管疾病

血液中膽固醇的來源可分為兩種：食物攝取和體內合成，血液中的血脂和膽固醇含量高容易引起心血管疾病。肝臟中的膽固醇可代謝為膽汁酸，膽汁酸在小腸中消化脂肪，并被小腸吸收轉換成膽固醇回到肝臟[8]。膳食纖維具有良好的吸附能力，能夠吸附膽固醇的代謝產物——膽汁酸。為消化腸道內的食物，肝臟需要吸收更多的膽固醇進行代謝，導致血液中膽固醇含量下降；膳食纖維還能縮短脂肪經過腸道的時間，阻止或延緩肌體對脂肪的吸收，從而降低血液中脂和膽固醇的含量，預防心血管疾病[9]。

2.2 預防腸道疾病，改善便秘

厭氧菌與酵母菌可酵解膳食纖維，使其在大腸內發(fā)酵產生大量的短鏈脂肪酸（SCFA）。其中丁酸可降低腸道內的pH 值，利于雙歧桿菌、乳酸桿菌等有益菌群的生長繁殖；同時還能抑制腫瘤細胞的生長，控制致癌基因表達，預防腸道疾病。另一方面IDF 對有害物質有較強的清除和吸附能力，且?guī)в兄菜?、阿魏酸等生物活性物質，可抑制癌癥的形成，降低結腸癌的發(fā)病率[10,11]。

SDF 具有較好的持水能力，且易被酵解為SCFA，刺激腸黏膜，增加糞便排泄量；IDF 不易被消化酵解，能促進腸道蠕動，縮短食物殘渣通過的時間，從而加快排泄，預防便秘。

2.3 防止重金屬中毒，預防高血壓

膳食纖維尤其是酸性多糖類對陽離子有結合和交換能力，可以與鈣、鋅、銅、鉛等離子進行交換，并對鉛等有害離子有優(yōu)先交換性，所以吸附在膳食纖維上的有害離子可以隨糞便排出，從而防止重金屬中毒。

醫(yī)學研究表明，血液中鈉、鉀離子比值的大小直接影響血壓的高低。膳食纖維在胃腸中進行離子交換，改變了陽離子濃度，對消化道pH、滲透壓、氧化還原電位產生影響。隨著尿液中鉀離子和糞便中鈉離子的排出，血液中Na/K 的比值降低，導致血壓降低[11]。

2.4 預防糖尿病

水溶性膳食纖維在胃腸道中能形成凝膠基層，阻礙消化酶與食物的接觸，減緩消化吸收進程，延緩胃排空時間；水不溶性膳食纖維能吸附葡萄糖，減慢機體對葡萄糖的吸收速度，降低腸液葡萄糖的有效濃度，有助于控制糖尿病患者的癥狀[10,12]。膳食纖維可影響消化酶對機體的調節(jié)作用，延長酶解時間，減緩腸液中葡萄糖的釋放；還能改善末梢組織對胰島素的感受性，使葡萄糖的吸收率下降，提高人體耐糖的程度，利于糖尿病的治療和康復。

3 膳食纖維的改性方法

膳食纖維中不溶性成分主要刺激腸道產生機械蠕動，而可溶性成分則發(fā)揮代謝功能，故而膳食纖維中可溶性成分的組成比例對膳食纖維生理功能起著重要作用。有學者發(fā)現，高品質膳食纖維中SDF 的含量應該在10%以上[13]。然而大多數植物膳食纖維中的SDF 含量很少，未能達到膳食平衡標準，且性能存在某些缺陷，無法滿足加工需求，須通過改性處理提高其品質。改性技術是指對膳食纖維進行適當的處理，使不溶性膳食纖維大分子結構的部分連接鍵斷裂，轉變?yōu)樾》肿拥途垠w的膳食纖維降解產物，其物理、化學特性以及生物活性發(fā)生變化，以滿足生產需求[14]。

目前膳食纖維的改性方法主要有物理方法（超微粉碎技術、超高壓技術等）、化學方法（酸法、堿法）和生物技術方法（酶法、發(fā)酵法），也可將上述方法聯合使用，得到高品質的膳食纖維。

3.1 物理方法

3.1.1 超微粉碎技術

我國超微粉碎技術是20 世紀90 年代隨著現代化工、電子、生物、材料及礦產開發(fā)等高新技術的不斷發(fā)展而興起的，是目前食品加工的高科技尖端技術[15]。它是利用機械或流體動力的方法克服固體內部凝聚力并使之破碎的粉碎技術，可以使物料的粒度達到10 μm 以下，甚至能夠達到1 μm 的超微米水平[16]。膳食纖維在超微粉碎時，經高速高強度的碰撞剪切等，可使糖苷鍵斷裂，物料比表面積增大，使得親水基團暴露，致使其持水性、膨脹力等物化特性發(fā)生改變。

超微粉碎技術大致分為機械粉碎和化學合成粉碎，前者因成本低、產能高且操作方便而得以普遍應用。葛邦國等[17]對蘋果渣膳食纖維進行改性試驗，比較了化學法和物理法對膳食纖維改性的影響，得出物理方法對膳食纖維能進行較好的改性處理，經過超微粉碎處理的蘋果渣膳食纖維的持水力提高了9.9%，膨脹力提高了9.8%。李安平等[18]對竹筍膳食纖維進行了研究，結果表明，超微粉碎時間增加，粒徑減小，比表面積也增大，當粉碎處理40 min 時，粒度小于150 μm 的粉末顆?？蛇_到81.16%；此外，DF 粉末粒徑越小，SDF 含量越高；超微粉碎獲得的各種粒徑竹筍DF 的SDF/IDF 比值在0.0048~0.0158 之間變化，且隨著粒徑的減小，DF 對NO2-和膽酸鈉的吸附量卻逐漸增大。

3.1.2 超高壓技術

超高壓改性是一種將樣品置于常溫或高溫的液體介質中進行100~1000 MPa 處理以達到預期目標的方法。該技術是純物理手段，在介質中物料體積被壓縮。超高壓會產生極高的靜壓，不僅影響細胞的形態(tài)，還會使生物高分子立體結構的非共價鍵發(fā)生變化，使蛋白質凝固、淀粉等變性[19]。

李雁等[20]對紅薯渣不溶性膳食纖維進行超高壓改性，結果表明，改性紅薯渣IDF 的微觀結構為疏松、光滑、蜂巢形的多孔網狀結構；結晶度減小，比表面積增大。涂宗財等[21]研究了不同處理壓力對提高豆渣中可溶性膳食纖維（SDF）含量的影響，結果表明，動態(tài)超高壓均質處理法可提高可溶性膳食纖維含量達35%以上。

3.2 化學方法

化學改性指通過酸堿處理，使纖維類大分子不同程度地轉化為多糖（非消化性），從而使聚合度大幅下降，在適當的反應條件（如pH、時間及溫度）下，斷裂其中的糖苷鍵，產生具有還原性的末端。吳麗萍等[22]對竹筍膳食纖維進行化學改性后，膨脹力、持水力、結合水力、SDF 含量都有一定程度的提高，但是陽離子交換力略有下降?；瘜W改性雖可以提高SDF 含量，但其轉化率低、反應時間長，不能滿足大規(guī)模生產的需求，而且化學基團的引入容易造成離子殘留。故化學改性在食品加工方面并不占優(yōu)勢，更多用于包裝材料的使用[23]。

3.3 生物技術方法

生物技術方法主要指酶法和發(fā)酵法。酶法改性是通過復合酶制劑作用于不溶性膳食纖維，使其部分成分發(fā)生降解，提高溶解性，同時改善持水性等理化性質。酶法反應條件溫和，專一性強，反應時間短。目前主要用于膳食纖維改性的酶有木聚糖酶、纖維素酶和木質素氧化酶等。麻佩佩等[24]利用纖維素酶對擠壓后的蘋果渣膳食纖維進行改性，提高可溶性膳食纖維的含量，從而提高產品的功能性。

發(fā)酵法主要是通過微生物代謝產生的有機酸的作用，將大分子膳食纖維分解為小分子化合物。目前應用的發(fā)酵菌種主要是乳酸菌和其它混合菌群。陳海強等[25]利用枯草芽孢桿菌BF7658 發(fā)酵綠豆粉，結果發(fā)現，產品SDF 含量高達10.08%，在發(fā)酵原料0.78%的基礎上增加了9.30%。

4 果蔬副產物膳食纖維在食品中的應用

據統計，我國果蔬加工業(yè)的副產物高達1 億t。這些副產物基本上沒有開發(fā)利用，不僅污染環(huán)境，而且浪費資源。因為這些副產物中含有豐富的蛋白質、氨基酸、果膠、膳食纖維等營養(yǎng)成分。從果蔬副產物中提取的DF 具有持水性、持油性、乳化性、成膠性等特性，添加到食品中，可賦予食品適當的流變學特性，改善食品的風味和質構，在產品加工方面有較明顯作用。

4.1 在主食中的應用

主食主要包括面條、饅頭、面包等。面條一般添加5%的DF，種類不同，效果也不同。將DF 加到面粉中制成饅頭，可強化面團筋力，并且具有特殊香味，口感適宜。在國外，大部分面包都不同程度地添加了DF，其蜂窩狀組織和口感有明顯改善，是一種最常見強化膳食纖維的食品。

劉婷婷等[26]對玉米高品質膳食纖維（CHQDF）面包的質構進行了研究，發(fā)現CHQDF 可增大面包的硬度和咀嚼性，而在彈性和回復性方面影響較?。煌ㄟ^對面包比容、保水性、物性、老化度及感官品質等進行綜合分析，確定CHQDF 添加量為9%時效果最好，此時面包口感細膩、彈性適宜、質地柔軟、味道純正。Fan Lisheng 等[27]將黑木耳子實體中的多糖提取出來，按9%的比例添加到面粉中，得到的面包口感良好，且具有很好的抗氧化性。

4.2 在焙烤食品中的應用

改性后的DF 有良好的水合性能，在焙烤食品中應用廣泛，如餅干、蛋糕、餡餅等食品中。其中焙烤餅干中的糖、油用量較多，水分偏少，面粉筋力較低，需要添加DF改善餅干的口感。而糕點中含有大量水分，在焙烤時影響產品質量，DF 有較高的WHC，可吸附水分，利于產品形成合理質構。DF 的用量一般不超面粉的10%，否則影響面團的醒發(fā)。

在一定添加量范圍內，隨著蘋果渣膳食纖維添加量的增加，桃酥攤裂度逐漸降低；且膳食纖維的粒度越小，桃酥的組織結構和口感越好[28]。將DF 與焦糖色素、油脂、維生素等營養(yǎng)成分、木糖醇等甜味劑混合后制成餡料，可用于餡餅、漢堡等面制食品。且在普通的餡料中加1%的膳食纖維，同樣可以補充膳食纖維。

4.3 在飲料中的應用

膳食纖維可作為均質劑和穩(wěn)定劑添加到飲料中。市場上的果汁大多采用果膠、黃原膠等作為穩(wěn)定劑。適量的膳食纖維可使飲料中的微粒分布均勻，避免分層和沉淀，改善口感。Hou Xujie 等[29]將巴楚菇中的多糖提取出來制成一種混合飲料，質地均勻透徹，香氣濃郁，比壓榨的蘋果汁味道更好。還可將提取后的米糠膳食纖維經再處理后應用于胡蘿卜飲料中，制成富含纖維的營養(yǎng)保健飲料[30]。

目前國內添加膳食纖維的飲料已有上百種，其中比較有代表性的有：伊利集團的“谷粒多”系列，開辟了谷物乳飲料的先河；蒙牛乳業(yè)的“早餐奶”系列，也是成功運用谷物的概念體現膳食纖維；娃哈哈的“營養(yǎng)快線、呦呦奶茶”系列，把膳食纖維作為復合營養(yǎng)素的一種；此外，在固體飲料中膳食纖維的應用更是廣泛，市場上80%的膳食纖維補充劑都是固體飲料形式的，已成為一種大眾化的產品形式[31]。

4.4 在保健食品中的應用

保健品市場中最為熱門的功效是潤腸通便、減肥美容等，而膳食纖維在這些方面作用突出。在實際生產中，國內外已有多家研究機構和企業(yè)推出膳食纖維加工技術和保健品，如日本大冢制藥公司用食用水溶性膳食纖維制造纖維素飲品MINIFIBER，暢銷日本和韓國；浙江工商大學杭州商學院研制的高纖維保健品——麥寶；寧波寶鼎公司研發(fā)的新型海洋生物膳食纖維保健品；河南科龍保健食品廠以谷物為原料開發(fā)的純天然保健食品膳食纖維粉等[32]。除了作為功能性產品配料使用以外，目前還產生了以可溶性膳食纖維為主的片劑、膠囊及沖劑等保健產品，表現出了良好的市場前景。

4.5 在其他食品中的應用

膳食纖維有較強的持水力和保水力，可減緩水分流失，使烹調的食物不易干硬或酥爛，如大豆食用纖維可使肉灌制食品保持良好口感，提高出品率。膳食纖維還可部分替代食品中的油脂，如植物膠能提供奶油狀、滑膩的口感性質，卡拉膠和瓜爾豆膠混合物可以用作冰激凌的穩(wěn)定劑。瓜爾豆膠、卡拉膠和阿拉伯膠可添加到調味品（如醬油）中作增稠劑和穩(wěn)定劑來提高產品稠度，防止組分分離，調整口味。此外，膳食纖維在香腸、膨化食品、內脂豆腐、糖果中也有廣泛應用。

5 展望

隨著經濟水平的提高和人們對養(yǎng)生的重視，DF 因其特有的生理功能和保健作用成為功能性食品研發(fā)的熱點之一。目前，關于DF 的研究很多，主要集中在提取和研究植物性纖維方面，關于DF 的構效關系和分子水平的研究較少，能適應市場的高品質纖維產品缺口較大。我國是農業(yè)大國，農產品資源豐富，從農產品加工的副產品（如廢渣）提取DF 不僅解決了環(huán)境污染問題，還提高了食品產業(yè)的附加值，因此膳食纖維及其改性在食品中應用的研究和開發(fā)具有重要的現實意義。