膳食纖維的改性及應(yīng)用

呂秉霖 袁爾東

[摘要】本文對膳食纖維的改性方法和利用進(jìn)行了綜述。膳食纖維改性處理有助于改善其應(yīng)用特性和功效，改性方法主要包含化學(xué)改性法、物理改性法、生物改性法以及協(xié)同改性法等。膳食纖維可應(yīng)用在烘焙制品、飲料、面制品及其他各類食品中，其品質(zhì)仍有待提高。高品質(zhì)膳食纖維產(chǎn)品具備廣闊的發(fā)展空間和研究前景。

[關(guān)鍵詞】膳食纖維;改性;應(yīng)用

膳食纖維（ Dietarv Fiher，DF）廣泛存在于蔬果、雜糧、豆制品類及菌藻類等食物中，被稱作有益于人類生命健康的第7營養(yǎng)素。根據(jù)美國谷物化學(xué)家協(xié)會的定義，膳食纖維“是一種在人體小腸抗消化、吸收，在大腸完全或部分發(fā)酵的植物可食用組織或相似碳水化合物”[1]。依據(jù)其溶解性差異可劃分為不溶性膳食纖維（ Insoluble Dietary Fiher，IDF）和可溶性膳食纖維（Soluble Dielary Fiber，SDF）[1]。IDF中的纖維素、木質(zhì)素和半纖維素具有促進(jìn)腸道蠕動、減少肥胖、通便排毒等重要功效，SDF中的水溶性半纖維素、低聚糖和果膠等物質(zhì)在調(diào)理血糖血脂濃度、預(yù)防心血管疾病等方面擁有較好的生理活性[3]。

IDF結(jié)構(gòu)中的大部分親水活性基團(tuán)賦予其很強(qiáng)的吸附作用，在吸水、持水和促進(jìn)膨脹方面有獨特優(yōu)勢?；钚曰鶊F(tuán)的作用是降低體內(nèi)的膽固醇、膽汁酸以及腸道內(nèi)的毒害物質(zhì)、化學(xué)藥品等有機(jī)化合物，也可以與某些金屬陽離子相互作用，從而實現(xiàn)特定的離子交換功能。

SDF具有諸多重要的生理功能。在預(yù)防腸道疾病方面，DF能有效幫助腸道內(nèi)有益菌群的生長，同時還能通過調(diào)節(jié)腸道pH值改善有益菌群的生長環(huán)境，使腸道蠕動加快，降低腸內(nèi)疾病的發(fā)生概率;在預(yù)防糖尿病方面，在飲食中提高DF的攝入量，可增加小腸內(nèi)容物黏度、降低游離葡萄糖濃度、抑制α-淀粉酶活性、增加食物在胃腸內(nèi)的消化時間和胃排空時間，使人體對葡萄糖吸收速度減慢，進(jìn)餐后的血糖值不會急劇回升;在抑制膽固醇方面，DF在小腸中形成的膠狀物質(zhì)與膽汁酸結(jié)合后可加速排出體外，達(dá)到膽固醇向膽汁酸轉(zhuǎn)化降低膽固醇的目的[4—6]。

盡管SDF具備多種對人體有益的功效，但大多數(shù)天然原料中SDF含量僅為3%～4%，無法達(dá)到人們追求SDF含量10%以上的要求。因此，人們使用多種方法對天然DF進(jìn)行改性，提高其SDF的含量，改善其應(yīng)用特性，提高其生理功效。

1 膳食纖維的改性方法

膳食纖維改性是利用不同的技術(shù)對DF進(jìn)行處理，使IDF內(nèi)部的糖苷鍵發(fā)生斷裂，將IDF的全部或部分轉(zhuǎn)化為SDF，提高SDF含量，同時致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變得疏松，具備更高的生理效能。國內(nèi)外已報道的DF改性方法有化學(xué)方法（以酸法、堿法為主）、生物技術(shù)方法（以酶法、發(fā)酵法為主）、物理方法（以超微粉碎技術(shù)、擠壓技術(shù)、超高壓技術(shù)和冷凍技術(shù)等為主）[7-10]。

1.1 化學(xué)改性方法

在特定的條件下，對膳食纖維進(jìn)行酸或堿處理，提高SDF含量，進(jìn)而改善其理化特性。

Qi等[1]利用硫酸和強(qiáng)氧化鈉對米糠IDF進(jìn)行改性處理，改性后其吸附葡萄糖和抑制a-淀粉酶活性明顯改善，從而能有效降低血糖含量。Na等”[2]采用堿性過氧化氫對番茄皮進(jìn)行優(yōu)化改性，SDF的提取率從7.9%大幅提高到27.5%，與原有SDF相比，改性SDF具有更強(qiáng)的多孔結(jié)構(gòu)及吸附葡萄糖和膽汁酸的能力，促使螯合二價離子形成更強(qiáng)的凝膠，保護(hù)食品加工和貯存過程中不穩(wěn)定的功能成分不被破壞。吳麗萍等[13]使用醚化方法對花生殼膳食纖維進(jìn)行處理，在最佳優(yōu)化條件下得到的羧甲基花生殼DF含量為16.8%，改性后樣品DF結(jié)構(gòu)疏松，松散性良好，物化特性有所改善。

化學(xué)改性的優(yōu)勢在于試劑成本低廉，方法簡便易于實現(xiàn)，但劣勢在于IDF向SDF的轉(zhuǎn)化因為條件的限制而出現(xiàn)轉(zhuǎn)化率低，要選用耐腐性強(qiáng)的反應(yīng)設(shè)備，引入的離子基團(tuán)如何取舍等諸多難題”[14]。

1.12 生物改性方法

生物改性方法包含酶法和發(fā)酵法。酶法一般是使用木聚糖酶、半纖維素酶、纖維素酶和木質(zhì)素酶將DF大分子通過酶的作用分解成可溶性小分子化合物。Napolitano等[8]通過酶法改性小麥DF，改性前其SDF含量為3.1%，改性后提高到了8.8%。Guoyong等[15]采用復(fù)酶法對胡蘿卜渣中IDF進(jìn)行了改性，使其表面結(jié)構(gòu)更為松散，SDF含量達(dá)到15.07%，膽固醇吸附能力相應(yīng)明顯提高。酶法優(yōu)點諸多，比如反應(yīng)條件溫和、副產(chǎn)物較少、產(chǎn)品純度高等。酶法改性的決定因素是酶制劑的選擇和用量，應(yīng)事先考慮原料的成分差異和產(chǎn)品的質(zhì)量要求，選擇相匹配的酶制劑，為提高產(chǎn)品的得率和純度，可采用一種或多種酶制劑相結(jié)合的方法。

發(fā)酵法是利用微生物新陳代謝將DF進(jìn)行分解，增加SDF的含量，原理與酶法類似。李靜[16]使用黑曲霉發(fā)酵提取香蕉皮SDF，得到的香蕉皮發(fā)酵液中SDF提取率達(dá)到了12.83%，李狀等[17]發(fā)現(xiàn)根霉菌可利用糖類和蛋白質(zhì)進(jìn)行發(fā)酵代謝，將竹筍下腳料為根霉菌培養(yǎng)基制備DF，得到保持了竹筍本身特有風(fēng)味的功能活性較高的DF。令博等[18]以釀酒葡萄皮渣為培養(yǎng)基，添加保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌混合菌進(jìn)行發(fā)酵改性，總DF含量發(fā)酵后為84.4%，較發(fā)酵前提高了14.79%，SDF含量發(fā)酵后為17.25%，較發(fā)酵前提高了8.88%，物理特性如膨脹力、保水力和持油力均得到有效提高。發(fā)酵法的缺點是必須選擇適合的菌種，發(fā)酵時間也相對漫長;優(yōu)點是生產(chǎn)工藝簡便、成本低、易于大量生產(chǎn)。

1.3 物理改性方法

物理改性通常是運用超微粉碎、冷凍粉碎、高靜水壓、擠壓膨化、超聲和微波振動等機(jī)械降解方法，使大分子纖維成分發(fā)生膨化、粉碎、破裂，使部分IDF轉(zhuǎn)化為SDF。物理改性方法容易實現(xiàn)工業(yè)規(guī)?；?，避免了化學(xué)改性方法中引起的環(huán)境污染。

擠壓技術(shù)是指DF在高溫高壓條件下，物料內(nèi)部受剪切力作用，所含水分快速汽化，纖維分子間和分子內(nèi)空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生改變。Huanhuan等[19]研究了擠壓對蓮藕節(jié)粉末中SDF分子結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)的影響，結(jié)果表明，擠壓影響了蓮藕節(jié)粉末SDF的微觀結(jié)構(gòu)和分子大小，導(dǎo)致DF中纖維素和半纖維素發(fā)生降解，改善了SDF的水化性能，包括膨脹能力、保水性和乳化性等物理特性。

高靜水壓技術(shù)是指將物料置于液體介質(zhì)中，施加100～1000MPa壓力，物料體積在液體介質(zhì)中被壓縮[20]。高壓產(chǎn)生的極高靜壓能改變生物高分子立體結(jié)構(gòu)中的氫鍵、離子鍵和疏水鍵等非共價鍵，使蛋F1凝結(jié)、淀粉變性。Guoyong等[5]采用較高的靜水壓力對胡蘿卜渣DF改性，其持水力、膨脹力、油脂吸附力和陽離子交換等物理性能得到顯著提高。

超微粉碎是運用流體動力或機(jī)械力學(xué)技術(shù)，克服物料內(nèi)部凝聚力，將3mm以上的物料顆粒粉碎至粒徑在100μm以下的一種方法。粉碎后的物料顆粒由于體積變小，表面積、孔隙度和親水基團(tuán)增加，使得溶解性提高。王安建等[2]利用超微粉碎技術(shù)對玉米皮DF進(jìn)行改性，設(shè)定粉碎細(xì)度區(qū)間為160～200目，IDF含量無變化，但其物理特性均有所提升，提升比例為持水力2.04%、膨脹力14.12%、陽離子交換能力17.85%、不飽和脂肪持油力15.24%、飽和脂肪持油力25.41%。

蒸汽爆破法（氣爆）通常作為一種預(yù)處理方法，其機(jī)理為物料從高溫高壓狀態(tài)下突然下降到常溫常壓，物料內(nèi)部的水分，迅速汽化膨脹爆破，從而使物料體積變大形成海綿狀，纖維組織等結(jié)構(gòu)遭到破壞，內(nèi)含物暴露促進(jìn)目標(biāo)物的溶出[22—23]。王安建等[24]利用蒸汽爆破法改性玉米皮SDF，改性后玉米皮SDF提取率達(dá)到了9.76%，其最佳優(yōu)化工藝參數(shù)為作用時間80s、壓力I.OMPa、水分含量100%。

超聲一微波協(xié)同萃取法是通過物料吸入微波能、結(jié)合超聲波空化效應(yīng)和超聲相械作用，促進(jìn)物料中SDF溶出。Lou等[25]以牛蒡為原料，利用微波超聲波協(xié)同法制備DF，在超聲波功率50W、微波功率40W、反應(yīng)時間60s、料液比1：15（g/mL）的條件下，改性后DF的保水力、膨脹力、吸附力均有不同程度的提高。

1.4 協(xié)同改性方法

綜合運用化學(xué)、生物和物理多種手段進(jìn)行協(xié)同處理，可有效提高DF中SDF所占比例，并對SDF的生理活性產(chǎn)生一定的影響。

Ya等[26]分別對酶法及微粉化輔助酶法對米糠DF結(jié)構(gòu)和功能性能的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)纖維素酶、木聚糖酶、微粉化、聯(lián)合酶和酶協(xié)同微粉化處理使其SDF含量分別增加了3.8倍、4.7倍、3.5倍、10.0倍、11.4倍，同時其膨脹能力、膽固醇和牛磺膽酸鈉的吸收能力也有明顯提高。試驗表明纖維素酶和木聚糖酶可以改變米糠DF的結(jié)構(gòu)和功能特性，而運用微粉化輔助酶法處理米糠DF能更為有效地改變其性能。

Lai等[27]借助超聲波輔助酶法從甘薯渣中制備DF，DF得率可高達(dá)37.19%，對應(yīng)工藝條件為超聲時間11.55min、d一淀粉酶劑量1.47mL、蛋門酶0.43mL、葡萄糖淀粉5.52mL。邵卓[28]以超高壓協(xié)同纖維素酶法改性豆渣DF，在pH值為5、溫度為60。C、料液比為1：26、酶解時間為1.5h、加酶量為1：200的條件下，豆渣SDF從11.13%提高到25.4%?？蝶惥齕29]對氣爆預(yù)處理后的小米糠膳食纖維采用超聲一微波協(xié)同酶法改性，在酶添加量為5.85%、溫度為56℃、pH值為4.64、微波功率為45IW的條件下，其SDF含量從2.16%提高到了13.12%。吳俊男[30]采用微波協(xié)同酶法對小麥麩皮DF進(jìn)行改性，研究微波功率、微波加熱時間、酶添加量、酶處理時間對小麥麩皮DF化學(xué)特性和生物活性的影響，結(jié)果顯示改性后的小麥麩皮DF具有較強(qiáng)的抗氧化特性和較好的熱穩(wěn)定性。2 膳食纖維的應(yīng)用2.1 提升烘焙食品品質(zhì) 膳食纖維能有效改善面包、蛋糕、餅于等烘焙食品質(zhì)構(gòu)，根據(jù)不同的產(chǎn)品需求來提高持水力、柔軟性和疏松性，在儲存期內(nèi)保持外觀和口感。Anwarul等[31]研究發(fā)現(xiàn)，添加60%麩皮DF的餅干在顏色、質(zhì)地、風(fēng)味和接受程度方面，都與未添加麩皮DF的餅干相當(dāng)。吳衛(wèi)國等1321研究發(fā)現(xiàn)，添加6%麥麩DF的蛋糕，感觀指標(biāo)有所改善，蛋糕比容有所增大。

2.2 提高飲料纖維含量

膳食纖維飲料從20世紀(jì)80年代起，就已開始在歐美日等發(fā)達(dá)國家風(fēng)靡，取得了飛速的發(fā)展。我國膳食纖維飲料種類繁多，主要有液體、固體和碳酸飲料，另外也有將膳食纖維用乳酸桿菌發(fā)酵而生產(chǎn)的乳清型飲料。郭健等[33]將乳酸菌引入到麥麩DF中進(jìn)行發(fā)酵，經(jīng)調(diào)配均質(zhì)成功研制出了一種具有功能性的麥麩DF乳酸活菌飲料。 余毅等[34]在麥麩膳食纖維中添加懸浮劑和風(fēng)味劑，經(jīng)攪拌、混合制成了麥麩膳食纖維含量高達(dá)64%的低熱量低脂肪的新型固體飲料。

2.3改善肉制品的口感

膳食纖維的高持水力、陽離子結(jié)合交換力和填充力，對改良肉制品的組成成分、質(zhì)構(gòu)、貨架期有良好的效果，可達(dá)到強(qiáng)化營養(yǎng)和保健的目的。Isabel等1351利用小麥膳食纖維使魷魚制品保持了更高的水分，改善了肉品質(zhì)構(gòu)特性的同時做到了不影響產(chǎn)品外觀。劉偉蘭1361將麥麩粉和麥麩膳食纖維粉分別添加到以豬肉、雞肉和魚肉為原料的肉丸中，改善了肉丸的質(zhì)構(gòu)，增加了肉丸的營養(yǎng)和保健功能。

2.4 優(yōu)化面食結(jié)構(gòu)特性

膳食纖維可添加于面條、饅頭等面食。面條加入膳食纖維后，生面條拉伸度降低，但熟面條口感反而更勁道。邵佩蘭等[37]研究發(fā)現(xiàn)，麥麩膳食纖維面條具有更好的烹煮品質(zhì)。趙文華等1381將麥麩膳食纖維添加到饅頭中，確定麥麩膳食纖維在饅頭面團(tuán)中最適添加量為8%時口感與未添加差別不大。

2.5在其他食品中的應(yīng)用

膳食纖維還被用于糖果、冰激凌等制作，效果良好。馬靜等[39]探討了麥麩膳食纖維軟糖的制備工藝，得到的產(chǎn)品香味濃、口感軟、耐咀嚼，能促進(jìn)胃腸蠕動，具有一定的保健功能。據(jù)美國專利發(fā)現(xiàn)，將麥麩SDF以5%的比例添加到牛乳中制作冰激凌，制成品組織結(jié)構(gòu)光滑，口感細(xì)膩[40]。

3 結(jié)論

由于膳食纖維具有特殊營養(yǎng)和功能，受到消費者越來越多的關(guān)注。我國擁有豐富的農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)物資源，膳食纖維的來源廣泛、量多。但是，目前大多數(shù)膳食纖維食品的開發(fā)只是局限于普通膳食食品，這類食品外觀一般，口感也略顯粗糙索然無味，市場接受認(rèn)可度較低。因此，如何開發(fā)具有較高活性和優(yōu)良感官品質(zhì)的DF配料，是目前所面臨的最主要問題。隨著人們對健康生活的更多追求和更高要求，高品質(zhì)膳食纖維產(chǎn)品仍具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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