柑橘皮渣膳食纖維的特性及其在食品中的應(yīng)用

何雅靜，陳珊珊，孫志高

（西南大學(xué)柑桔研究所，國家柑桔工程技術(shù)研究中心，重慶 400712）

膳食纖維（Dietary Fiber,DF）是指不能被人體小腸消化吸收，而對人體有保健功能的多糖類物質(zhì)。研究表明 DF 具有預(yù)防肥胖、減少心血管疾病發(fā)病率[1]、調(diào)節(jié)腸道功能、預(yù)防便秘、預(yù)防結(jié)腸癌[2?3]等生理功效，在醫(yī)學(xué)和營養(yǎng)學(xué)方面具有不可或缺的作用，因此它被稱為第七大營養(yǎng)素。由于目前居民膳食更加偏向于精細化，對膳食纖維的攝入量不足且種類單一，易引起膳食纖維缺乏，進而導(dǎo)致疾病。因此世界糧農(nóng)組織建議人均每天DF 攝入量應(yīng)達到27 g，我國營養(yǎng)學(xué)會建議成人每天攝入量為30 g[4?5]。

柑橘是世界加工三大作物之一，年產(chǎn)量超過1.225 億噸，約有1/3 被用于加工制成各種柑橘類產(chǎn)品，如柑橘果醬、柑橘飲料等[6]。隨著柑橘產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在柑橘加工過程中產(chǎn)生的籽和皮渣等固體廢棄物約占加工果實總量的30%～50%，若不對柑橘皮渣等加以利用，不僅會造成資源浪費，而且會導(dǎo)致嚴重的環(huán)境污染。國內(nèi)外學(xué)者對柑橘皮渣的利用主要集中在生產(chǎn)飼料和肥料，提取皮渣中膳食纖維、黃酮和精油等活性成分，還有少量被制成蜜餞或其它休閑食品[7]。據(jù)研究柑橘膳食纖維在食品中的應(yīng)用具有以下優(yōu)勢：其一，柑橘膳食纖維含有多酚、類胡蘿卜素和類檸檬苦素等功能性成分而使食品具有抗氧化、抗癌、消炎和抑菌等生理功效[8?9]；其二，柑橘膳食纖維的持水性、持油性和凝膠特性等理化特性有利于食品加工生產(chǎn)[10]；其三，柑橘膳食纖維能提升食品色澤、風味和口感等感官品質(zhì)[11]。因此，本文對柑橘膳食纖維的理化特性以及在食品工業(yè)的應(yīng)用進行介紹，以期為柑橘膳食纖維的研究和應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，為柑橘綜合利用提供科學(xué)參考。

1 柑橘皮渣膳食纖維的分類及含量

柑橘皮渣是果蔬膳食纖維的重要來源之一，依據(jù)柑橘皮渣膳食纖維在水中的不同溶解度而分為可溶性膳食纖維（Soluble Dietary Fiber,SDF）和不溶性膳食纖維（Insoluble Dietary Fiber,IDF）。SDF 主要由果膠組成（見圖1A），果膠是半乳糖醛酸殘基以α-1,4 糖苷鍵連接的復(fù)雜多糖，一般由半乳糖醛酸聚糖（HGA），鼠李半乳糖醛酸聚糖Ⅰ（RG-Ⅰ），鼠李半乳糖醛酸聚糖Ⅱ（RG-Ⅱ）組成[12]。IDF 主要由纖維素（見圖1B）組成，纖維素大分子是由D－葡萄糖為主鏈通過β-1,4 糖苷鍵連接的線性不溶性無支鏈聚合物。不同柑橘種類的膳食纖維含量及組成都略有不同，詳見表1。柑橘果皮中的DF 含量約為60.3%～78.8%，其中IDF的比例（48.5%～50.3%）比SDF的比例（12.9%～14.1%）更高。

表1 不同柑橘品種膳食纖維組成分析Table 1 Analysis on composition of dietary fiber in different citrus varieties

圖1 果膠和纖維素結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of pectin and cellulose structure

2 柑橘皮渣膳食纖維的理化性質(zhì)

2.1 水合作用

柑橘皮渣膳食纖維的水合作用主要包括持水性（Water holding capacity,WHC）和膨脹力（Swelling capacity,SWC）。WHC 是指DFs 在壓力下或離心后所保留的水量，SWC 是指DFs 浸沒在水中一段時間后的總?cè)莘e變化。柑橘DFs的水合作用與柑橘DFs的單糖組成、親水官能團（如羧基、羥基、氨基、醛酮基）的結(jié)構(gòu)和數(shù)量、以及膳食纖維的微觀形態(tài)和環(huán)境溫度有關(guān)[20]；柑橘皮渣膳食纖維結(jié)構(gòu)中多糖鏈形成的多孔基質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠保持大量水。此外，因膳食纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)中的極性基團易與水分子形成氫鍵，同時因吸水后體積膨脹而具有較強的持水性和膨脹力。通常膳食纖維的粒度越小，其纖維結(jié)構(gòu)就越松散，對水的吸附能力越強，但若膳食纖維粒度過小，則纖維的結(jié)構(gòu)就會被破壞反而會導(dǎo)致其持水性下降[21]。水合作用是DFs 最重要的理化性質(zhì)之一，影響著DFs在食品加工中的應(yīng)用特性。高WHC的DFs 可以延長咀嚼時間，可應(yīng)用于肉制品中，也可提高肉制品的品質(zhì)。高SWC的DFs 遇水后體積膨脹會影響碳水化合物在腸道中的消化吸收，容易產(chǎn)生飽腹感，故可應(yīng)用于烘焙食品，以減少攝入的熱量[22]。如表2 所示，葡萄柚和柚皮膳食纖維的WHC 含量最高，這表明葡萄柚和柚類膳食纖維更有利于增強食品的持水性。

表2 不同柑橘種類膳食纖維的理化性質(zhì)Table 2 Physical and chemical properties of different types of dietary fiber

2.2 持油性

持油性（Oil holding capacity,OHC）是指DFs 和油混合后所保留油的質(zhì)量（g）。從表2 可以看出，柑橘DFs的持油性較高，達3.2～8.2 g/g，高OHC的柑橘皮渣膳食纖維就是一種可以應(yīng)用于肉制品和乳制品的食品乳化劑，是良好的脂肪替代品，能夠顯著降低脂肪的攝入量[23]。據(jù)研究DFs的來源和化學(xué)結(jié)構(gòu)是其OHC 含量的主要決定因素，且DFs的體積密度、表面特性和疏水性也直接影響OHC的含量。膳食纖維的體積密度越小，膳食纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)的孔隙率和表面積就越大，它對脂肪的吸附或結(jié)合脂質(zhì)成分的能力就越強。此外，膳食纖維中木質(zhì)素含量也會影響持油性，木質(zhì)素含量越高，對脂肪清除作用越強[24]。

2.3 吸附能力

DFs 表面的微觀結(jié)構(gòu)如孔隙率、顆粒大小、形狀、顆粒排列、活性基團等可以吸附離子和有機質(zhì)，柑橘皮渣膳食纖維的微觀結(jié)構(gòu)表面不規(guī)則、不平整、裂縫和孔洞數(shù)量多，因此柑橘DFs 對香氣成分和油類等有機物質(zhì)具有更好的吸附作用，若添加到食品中可以增加食品風味和香氣。柑橘DFs 還能吸附膽汁酸、膽固醇、變異原等有機分子，但其吸附能力強弱取決于柑橘膳食纖維的種類和pH[30]，在酸性條件下DFs 吸附膽汁酸的量最高，而隨著pH的增加其吸附能力逐漸降低[31]。

2.4 陽離子交換能力

柑橘皮渣纖維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中含有氨基、羥基和羧基等側(cè)鏈基團，可呈現(xiàn)出一個類似于陽離子樹脂的交換作用，與陽離子發(fā)生可逆的交換。柑橘膳食纖維可以結(jié)合Ca2＋，置換Na+和K+，從而可緩解血壓的升高，減少心血管疾病的發(fā)生。柑橘DFs 也可與Pb2+和Cu2+交換，以減輕重金屬與人體蛋白質(zhì)的結(jié)合。Wai 等[32]研究了柑橘果膠在去甲酯化后與Pb2+結(jié)合的能力，其大小依次為：去酯柑橘果膠>柑橘果膠。此外，陽離子交換能力還受到柑橘膳食纖維的顆粒粒度和其它雜質(zhì)如蛋白質(zhì)等的影響，顆粒越小則陽離子交換能力越強。

2.5 流變學(xué)特性

流變學(xué)特性主要是指柑橘膳食纖維乳化活性（Emulsifying Activity，EA）和乳化穩(wěn)定性（Emulsion-Stability，ES）。膳食纖維的流變學(xué)特性是由其來源、化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子量所決定的[33]。DFs 中的疏水性基團，如蛋白質(zhì)、阿魏酸和乙酰基等則會影響DFs的乳化活性和乳化穩(wěn)定性，疏水性基團含量高，能促進乳化。EA 是指分子溶解或分散兩種不能混溶液體的能力，ES 是保持乳液的能力。在食品加工中，較高的EA 和ES 用于乳化液的形成和延長貨架期。柑橘DFs的EA 和ES 分別為56.4 和45.5 mL/100 mL[23]，而馬鈴薯DFs的EA 和ES 僅為16.8 和14.5 mL/100 mL[34]。Akhtar 等[35]發(fā)現(xiàn)中等分子量（56 kDa 和70 kDa）的柑橘SDF 比48 kDa 和146 kDa的柑橘SDF 乳化特性更好，且70 kDa的SDF 可以使乳液穩(wěn)定保存2 個月。

2.6 凝膠特性

柑橘皮渣DFs的凝膠性質(zhì)與其分子量和酯化程度密切相關(guān)。通常DFs的碳鏈越短、分子量越低，其凝膠性能就越好。柑橘皮渣SDF 按甲酯化程度（DE）分為高甲氧基果膠（DE ≥50%）和低甲氧基果膠（DE<50%），高甲氧基果膠在糖存在或酸性條件下（pH2.0～3.5）通過疏水相互作用和氫鍵促進果膠聚集，從而形成凝膠[20]。而低甲氧基果膠則需要在Ca2+存在下才可形成凝膠，Ca2+與低甲氧基果膠分子中的羧基發(fā)生離子交換過程，影響了分子之間的相互鍵合作用，導(dǎo)致分子重量增加形成凝膠[21]。柑橘果膠的酯化度高，平均分子量較低（84～743 kDa），凝膠性能好，因此特別適合在強酸性果醬和蜜餞食品上應(yīng)用[36]。

3 柑橘皮渣膳食纖維在食品中的應(yīng)用

3.1 在肉制品中的應(yīng)用

肉及肉制品是一大類消費及加工制品，能提供人體所需的脂肪、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)素，是居民膳食結(jié)構(gòu)中重要組成部分。肉中的脂肪雖能改善肉制品的持水性、持油性、維持感官品質(zhì)，但攝入過多可能會引起生理疾病，如肥胖、心血管疾病等[37]。研究表明在肉制品中添加適量的柑橘膳食纖維可提高肉的品質(zhì)和商品性等，具有良好的應(yīng)用效果。

3.1.1 改變加工特性 柑橘膳食纖維與肉制品中肌肉蛋白和肌球蛋白之間存在交聯(lián)反應(yīng)，利用分子間的相互作用力，如氫鍵、離子鍵等，可改善肉制品的乳化特性和持水性[38]。Cristina 等[39]研究發(fā)現(xiàn)柑橘纖維能夠降低肉類水分流失率達17.87%，且低濃度的柑橘纖維不會顯著影響肉制品的硬度，這證明適量添加柑橘膳食纖維能夠顯著改善肉制品的持水性，有利于保持肉制品的良好品質(zhì)。Maja 等[37]研究表明，在含25%脂肪的德國里昂香腸和30%脂肪的肝香腸中添加菊粉、柑橘膳食纖維可將其脂肪含量分別減少至3%～17%和3%～20%，膳食纖維增至1.0%～5.6%，消費者對脂肪為10%的產(chǎn)品評價最優(yōu)。但不同柑橘種類、不同溶解度的膳食纖維，它們與肌肉蛋白質(zhì)分子間的相互作用機制等尚不十分清楚，有待于進一步深入研究。

3.1.2 延長產(chǎn)品保質(zhì)期 在肉制品中添加柑橘膳食纖維能增強肉制品抗氧化與抗菌能力，進而延長其保質(zhì)期[17]。其機理主要是由于柑橘纖維中的多酚類化合物等活性物質(zhì)抑制了微生物細胞壁及細胞膜的蛋白活性，而增加了微生物細胞膜的通透性，使微生物胞內(nèi)成分泄漏而導(dǎo)致其死亡。Perez-Burillo 等[40]在干發(fā)酵的薩拉米香腸配方中分別添加柑橘纖維、阿拉伯半乳聚糖和菊粉，結(jié)果表明添加纖維既可增加香腸的抗氧化能力，又能增加人體腸道菌體消化所產(chǎn)生的短鏈脂肪酸（SCFA）數(shù)量，其中效果尤以柑橘膳食纖維最佳。同時柑橘膳食纖維還能夠降低大腸埃希氏菌/志賀氏菌的數(shù)量，Ranucci 等[41]在豬肉香腸制作中添加5%和10%石榴和柑橘屬混合物，結(jié)果證實它們會延遲香腸儲存過程中pH的下降時間，降低香腸在60 d 儲存期間的細菌總數(shù)，提高香腸的貨架期5 d 和10 d。

3.1.3 降低亞硝酸鹽含量和改善色澤 肉制品中添加柑橘膳食纖維不僅能降低亞硝酸鹽含量，還能改善肉制品的色澤，且能確保感官品質(zhì)不受影響。究其原因可能與柑橘膳食纖維中的生物活性成分（如黃酮類、多酚和VC）有關(guān)，它們與亞硝酸鹽發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，能部分消除肉制品中的亞硝酸鹽。雷激等[42]研究發(fā)現(xiàn)在午餐肉中添加1.0%檸檬膳食纖維能夠保證午餐肉的色澤，且降低了午餐肉中41%亞硝酸鹽的殘留量。Viuda-Martos 等[43]發(fā)現(xiàn)添加1.0%柑橘膳食纖維的熟香腸色澤最佳，富有咀嚼性，且使香腸中的亞硝酸鹽殘留量降低了57.56%。Fruet 等[44]將0.6%柑橘膳食纖維加入到牛肉餡餅中，發(fā)現(xiàn)柑橘膳食纖維能使牛肉餅的最佳色澤穩(wěn)定保持5～6 d。

3.2 在焙烤食品中的應(yīng)用

焙烤食品主要為食用者提供碳水化合物、蛋白質(zhì)、維生素和礦物質(zhì)等，但也為食用者帶來諸如血糖濃度升高、肥胖等健康問題。膳食纖維在焙烤食品的應(yīng)用較為廣泛，主要的產(chǎn)品有面包、餅干、桃酥等。據(jù)研究在焙烤食品中添加柑橘膳食纖維能夠改善產(chǎn)品的物理性質(zhì)和感官品質(zhì)。

3.2.1 改善焙烤食品的品質(zhì) 柑橘皮渣膳食纖維通過影響面筋蛋白鍵合關(guān)系，提高面團結(jié)合水的能力，使得烘焙食品內(nèi)部形成穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)，改善焙烤食品的品質(zhì)，抑制焙烤食品中淀粉的老化，延長焙烤食品的保質(zhì)期[45?46]。謝婧等[47]在酥性餅干中添加4%的柚皮IDF、SDF 和柚皮果膠，可以使餅干風味純正、色澤均勻鮮亮，且其硬度、黏性等均有所提高。還有研究發(fā)現(xiàn)[48]，在面包中添加1.0%的檸檬膳食纖維可以改善面包的外觀形態(tài)和口感，延長面包的保質(zhì)期1 d。但是研究發(fā)現(xiàn)過量添加柑橘膳食纖維反而會影響面團的延展性，破壞面筋結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致焙烤食品的品質(zhì)下降[49]。因此研究柑橘膳食纖維在焙烤食品中的應(yīng)用，也應(yīng)該研究其最適添加量，當焙烤食品中添加1%～10%的柑橘膳食纖維時，既能保障烘焙食品的感官品質(zhì)，也能賦予焙烤食品獨特的柑橘風味。

3.2.2 提高焙烤食品的營養(yǎng)價值 柑橘皮渣膳食纖維可以作為一種烘焙食品的營養(yǎng)強化劑，其總膳食纖維含量可達60%以上。高膳食纖維烘焙食品能夠增加飽腹感而減少食品的攝入量，并可促進腸道蠕動和腸道內(nèi)益生菌的生長，又因其離子交換等特性，還具有降低血壓和血糖等功效[50?51]。Romero-López 等[52]研究表明在英格蘭小松餅中添加10%的柑橘膳食纖維不僅能減緩抗性淀粉的產(chǎn)生速度，而且能降低人體血糖指數(shù)。Spina 等[53]研究發(fā)現(xiàn)，在小麥面包中添加2%的血橙和檸檬纖維能夠生產(chǎn)出一種高品質(zhì)“高纖維”面包，若過量添加會影響小麥面包在25 ℃貯藏期間的硬度，但其它感官指標與對照無顯著差異。

3.3 在乳制品中的應(yīng)用

乳制品如酸奶、冰淇淋、殺菌牛奶等是一種高脂肪、高蛋白含量的食品。乳制品因為其獨特的風味占領(lǐng)了食品市場較高的份額，在乳制品中添加柑橘皮渣膳食纖維主要有兩點：第一是膳食纖維能提高乳制品的穩(wěn)定性，延長產(chǎn)品貨架期，以及改善乳制品的口感和風味；第二是利用柑橘膳食纖維以增加乳制品中膳食纖維的含量，從而提高乳制品的營養(yǎng)及保健價值[54?56]。

3.3.1 提高乳制品的穩(wěn)定性和風味 柑橘皮渣膳食纖維在乳制品中通過形成凝膠、大量捕獲乳制品中游離脂肪，穩(wěn)定乳制品乳液結(jié)構(gòu)，從而提高其穩(wěn)定性，并降低脂肪含量，還賦予乳制品水果風味。Tian 等[57]研究證實將2%錦橙膳食纖維添加到低脂酸奶中，可保持其最好的質(zhì)構(gòu)和感官特性，并提高穩(wěn)定性而避免酸奶中的乳清析出。Kieserling 等[58]研究發(fā)現(xiàn)柑橘膳食纖維能加速酸奶發(fā)酵過程中酪蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，提高酸奶凝膠強度而增加穩(wěn)定性；但若添加量過高則酸奶的致密度加大，將導(dǎo)致酸奶顆粒感增強、口感品質(zhì)下降。Crizel 等[59]研究表明柑橘膳食纖維具有良好的持水性和持油性，且富含多酚和類胡蘿卜素，將其添加到巧克力冰淇淋中，可替代冰淇淋中70%的脂肪，并改善冰淇淋的口感和風味，是冰淇淋脂肪的良好替代品。

3.3.2 提高乳制品的營養(yǎng)價值和保健功能 柑橘皮渣膳食纖維可以作為發(fā)酵乳制品中活性菌的營養(yǎng)源，確?；钚跃纳L并維持其活力，將乳制品中的乳糖轉(zhuǎn)化為乳酸，更適合乳糖不耐癥的消費者食用，而且柑橘皮渣膳食纖維進入體內(nèi)后能夠發(fā)揮其生理活性，進一步提高乳制品的營養(yǎng)價值[60]。Tuba 等[61]研究發(fā)現(xiàn)柑橘膳食纖維增強了酸奶中益生菌的活性，而且柑橘膳食纖維酸奶具有較高的血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制活性和抗氧化活性，能夠起到降血壓和降血糖的作用。Casarotti 等[62]發(fā)現(xiàn)柑橘膳食纖維能夠增強乳制品中益生菌對模擬胃腸道條件的耐受性，因而柑橘膳食纖維可作為一種乳制品的膳食補充劑，還能提高發(fā)酵乳制品調(diào)節(jié)腸道菌群的能力。

4 結(jié)語

柑橘皮渣膳食纖維是一種良好的膳食纖維來源，它在食品中的應(yīng)用前景廣闊，但因其研究較晚于其它膳食纖維，研究和利用仍處于初級階段，目前國內(nèi)市場上缺乏高品質(zhì)的柑橘膳食纖維，也沒有形成規(guī)?；a(chǎn)和消費市場。經(jīng)過分析和研究，作者認為柑橘皮渣膳食纖維后續(xù)研究的重點應(yīng)放在這兩個方面：一是研究不同柑橘品種中膳食纖維的種類和含量，明確各品種柑橘膳食纖維的加工特性和生理特性，以及它們在不同應(yīng)用領(lǐng)域或產(chǎn)品類型中的作用機制，建立柑橘膳食纖維數(shù)據(jù)庫，為柑橘膳食纖維的進一步研究和應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；二是針對性地研發(fā)出高品質(zhì)柑橘膳食纖維新產(chǎn)品，或者通過改善柑橘膳食纖維的特性如改性等措施以進一步擴展其應(yīng)用領(lǐng)域，同時進行柑橘膳食纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)，以期為其產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用、開拓市場等提供技術(shù)支撐和保障。