可溶性膳食纖維的制備及其在畜牧生產(chǎn)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

周龍珠，王朋，董雙，丁雪純，王靜，康盈閣，王金榮

（河南工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院，河南鄭州 450001）

膳食纖維（Dietary Fiber，DF）被認(rèn)為是繼糖類、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素、礦物質(zhì)和水之后的第七營養(yǎng)素，通常是指聚合度不低于3 的碳水化合物，主要包括天然存在且可食用的碳水化合物聚合體、從食品原料中通過物理或酶或化學(xué)方法獲得的碳水化合物聚合體以及人工合成的碳水化合物聚合體?；谄湮锢砘瘜W(xué)性質(zhì)差異，DF 可以分為可溶性膳食纖維（Soluble Dietary Fiber，SDF）和不可溶性膳食纖維（Insoluble Dietary Fiber，IDF）兩類。SDF 是指DF 中可溶于水部分，包括果膠、低聚糖、樹膠等。

農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)物是SDF 的良好來源。例如，大豆榨油后副產(chǎn)物豆粕除了作為畜禽主要蛋白飼料來源，還含有豐富的SDF；柑橘和蘋果等果皮、豌豆和蠶豆等蔬菜也含有較多的果膠。但當(dāng)前我國農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)物的開發(fā)利用十分有限。近年來，國內(nèi)外學(xué)者相繼從果渣、豆渣、蔬菜渣等原料中提取SDF 并進(jìn)行改性研究，積極探索其生物學(xué)功能和應(yīng)用。本文就SDF 理化特性、制備工藝、生物學(xué)功能和在畜牧生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，以期為SDF 高效開發(fā)及應(yīng)用提供參考。

1 SDF 理化特性

SDF 理化特性主要指纖維的水合作用、持油性（Oil Holding Capacity，OHC）、吸附能力、流變學(xué)特性和陽離子交換能力等。SDF 會(huì)吸水膨脹，因而具有較強(qiáng)持水性和膨脹力，其水合作用與其單糖種類、親水官能團(tuán)的類型及數(shù)目、粒度和環(huán)境溫度有關(guān)。OHC 是指SDF 和油混合后所保留油的質(zhì)量，SDF 的來源、化學(xué)結(jié)構(gòu)及其組成是決定OHC 強(qiáng)弱的主要因素，而體積密度、表面特性和疏水性是影響其OHC 的次要因素?；赟DF 結(jié)構(gòu)中的孔隙以及活性基團(tuán)，SDF 可以對(duì)膽汁酸、膽固醇、葡萄糖等有機(jī)分子進(jìn)行吸附，吸附力大小取決于SDF 種類和pH。例如，在酸性條件下SDF 對(duì)膽汁酸的具有較強(qiáng)的吸附能力，而當(dāng)pH 升高時(shí)其吸附力逐漸降低。流變學(xué)特性是指SDF 乳化活性和乳化穩(wěn)定性，主要由SDF 的來源、化學(xué)結(jié)構(gòu)和分子量所決定。由于SDF 呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中氨基、羥基和羧基等側(cè)鏈基團(tuán)對(duì)離子有吸引力，所以整個(gè)纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類似于弱酸性陽離子交換樹脂，可以與陽離子發(fā)生可逆交換，交換能力與纖維粒度和纖維外雜質(zhì)含量有關(guān)。李楊等發(fā)現(xiàn)，豆渣SDF 粒度越小，分子中的羧基、羥基和氨基等側(cè)鏈暴露增多，其弱酸性表現(xiàn)得更明顯，而且陽離子交換能力更強(qiáng)。

2 SDF 的制備

目前，SDF 的制備方法主要包括化學(xué)法、酶解法、酶－化學(xué)法、發(fā)酵法和物理法，其制備原理是破壞SDF與其他物質(zhì)之間的連接，從而使SDF 游離釋放被獲取。

2.1 化學(xué)法 化學(xué)法是最常用的SDF 提取方法，一般是通過酸水解去除原料中的淀粉，堿溶解去除原料中的蛋白質(zhì)以及皂化反應(yīng)去除脂肪。常用的酸堿包括鹽酸、檸檬酸、氫氧化鈉等。李曉寧等采用酸法制取大豆皮SDF，其提取率為12.49%，純度為60.13%。李施瑤等用化學(xué)法提取紅樹莓果渣SDF，在單因素試驗(yàn)中堿法和酸法工藝條件下的平均得率分別是21.45%和3.39%。孫艷分別采用酸法和堿法對(duì)8 種釀酒葡萄品種的皮渣進(jìn)行SDF 提取，結(jié)果發(fā)現(xiàn)酸法對(duì)其提取率的影響較大。雖然酸堿均可對(duì)不同原料進(jìn)行SDF 提取，酸法提取效果相對(duì)較好。雖然化學(xué)法制備SDF 成本較低，便于工業(yè)化生產(chǎn)，但其會(huì)有大量化學(xué)物質(zhì)殘留，使產(chǎn)物的顏色加深，影響SDF 口感，食品安全性不易保障，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生廢水會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定污染。

2.2 酶解法 根據(jù)酶解目標(biāo)物的不同，酶解法提取SDF主要有纖維素酶解法和其他酶解法2 種類型。纖維素酶解法是使用纖維素酶分解纖維素，使其酶解為較小的分子，從而增加纖維素在水中的溶解度。陶顏娟等用纖維素酶法提取麥麩SDF，制備得率高達(dá)40% 以上。此外，在對(duì)豆類、果類SDF 的提取中也有應(yīng)用，反應(yīng)過程中條件溫和、選擇性高，可有效提高SDF 的提取效率。其他酶解法是以-淀粉酶、糖化酶、蛋白酶等酶類混合作用，去除DF 以外的成分，得到原料中的SDF。樊柳等用混合酶法提取葡萄皮渣SDF，在最佳工藝條件下，其SDF 的溶出率、色澤及純度均達(dá)到預(yù)期。在對(duì)谷物類殘?jiān)奶崛≈幸捕嗍褂没旌厦傅姆椒?，同時(shí)加入混合酶可縮短酶解時(shí)間，節(jié)省試驗(yàn)工序。酶解法制備SDF 具有反應(yīng)條件溫和、較高提取效率和改善其理化特性等優(yōu)點(diǎn)，然而酶法的利用和推廣還存在一些瓶頸問題，包括高效特異性酶制劑開發(fā)和酶制劑價(jià)格較高等。

2.3 酶－化學(xué)法 酶－化學(xué)法是在酶法基礎(chǔ)上與化學(xué)法以組合方式制備SDF 的方法，主要有酸－蛋白酶法和淀粉酶－堿法。常用的酶有-淀粉酶、糖化酶、纖維素酶等，酸為鹽酸，堿有氫氧化鈉。目前很多研究都證實(shí)，酶－化學(xué)法通過改性來提高SDF 提取率，其提取率高于單用酶解法或者單用化學(xué)法，而且成本也會(huì)有所降低，且得到的SDF 具有較高的持水力、膨脹力，故其在SDF 的提取中被廣泛應(yīng)用。杜曉靜等采用-淀粉酶、糖化酶、氫氧化鈉等試劑對(duì)脫脂椰蓉進(jìn)行SDF 提取，發(fā)現(xiàn)其提取率比單一堿法要高。陶志杰等通過酶－化學(xué)法優(yōu)化麥麩SDF 的提取工藝，發(fā)現(xiàn)單一堿法提取麥麩SDF 的提取率為7.65%，用酶法進(jìn)行第2 次處理后，麥麩中SDF 的提取率提高53.70%。因此，酶－化學(xué)法有效改善了酶法制劑成本較高以及化學(xué)法試劑殘留等問題，同時(shí)具有較高的提取率和較為優(yōu)良的理化特性。

2.4 發(fā)酵法 發(fā)酵是利用微生物發(fā)酵從而消耗試驗(yàn)原料中碳源和氮源，通過微生物的作用產(chǎn)酸或微生物自身的酶類作用來提高SDF 提取率。常用乳酸桿菌、芽孢桿菌、鏈球菌等益生菌來進(jìn)行發(fā)酵，可以采用單一菌種或混合菌種。閔鐘熳等利用枯草芽孢桿菌提取米糠粕中SDF，SDF 最終得率為12.88%，比優(yōu)化前提高了8.88%。也有學(xué)者選擇綠色木霉對(duì)蘋果渣進(jìn)行改性發(fā)酵，獲得含量較高的蘋果渣SDF。杜斌等用植物乳桿菌和嗜酸乳桿菌（1:1）混合發(fā)酵藍(lán)莓果渣，其SDF 得率高于非發(fā)酵條件。通過保加利亞桿菌和嗜熱鏈球菌混合對(duì)一些豆渣進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵產(chǎn)物中SDF 比例明顯提高。發(fā)酵法優(yōu)點(diǎn)在于其工藝簡單、成本消耗低、產(chǎn)物產(chǎn)量大以及整個(gè)試驗(yàn)過程無污染，且得到的SDF 質(zhì)量較好。然而，由于發(fā)酵過程無法精準(zhǔn)控制，容易導(dǎo)致酶解過度和產(chǎn)量降低，也會(huì)對(duì)SDF 功能及其理化性質(zhì)帶來不利影響。

2.5 物理法 動(dòng)態(tài)超高壓微射流法是當(dāng)前比較流行的一種超微細(xì)化的物理處理方法，其原理是使用超高壓的微射流均質(zhì)技術(shù)提取SDF 成分，即在高壓的推動(dòng)作用下使壓力發(fā)生變化，巨大的壓力使流體原料受到劇烈的高速碰撞、剪切、空穴等各種物理效應(yīng)，進(jìn)而影響原料的物理特性。研究發(fā)現(xiàn)，采用動(dòng)態(tài)超高壓微射方法提取豆渣SDF，SDF 與IDF 的比值隨著動(dòng)態(tài)高壓微射流中均質(zhì)壓力的變大而升高，因此采用超高壓微射流均質(zhì)處理技術(shù)處理能有效提高原料中SDF 的提取量。超高壓微射與微生物發(fā)酵法聯(lián)合可以提高SDF 產(chǎn)率，豆渣經(jīng)乳酸發(fā)酵IDF/SDF 為7.8，再經(jīng)動(dòng)態(tài)超高壓微射后IDF 含量降低，IDF/SDF 比值降為2.5，豆渣中最大SDF 含量達(dá)23.6%。動(dòng)態(tài)超高壓微射流法不僅突破了酶法對(duì)反應(yīng)條件的嚴(yán)格要求，更可避免化學(xué)方法存在的使用危險(xiǎn)性物品和污染因素，其弊端主要體現(xiàn)在需要額外引入專業(yè)設(shè)備。

3 SDF 的生物學(xué)功能

3.1 SDF 的抗氧化性 SDF 可以通過清除自由基起到抗氧化的效果。很多研究表明，植物提取SDF 對(duì)羥自由基有明顯的清除作用。張明等對(duì)銀耳下腳料SDF 體外抗氧化活性的研究發(fā)現(xiàn)，酶法最佳參數(shù)提取下得到的SDF 對(duì)·OH、DPPH·和HO清除率以及還原能力分別為56.0%、28.0%、36.0%和86.3%，效果與水提SDF 相近且明顯優(yōu)于酸法和堿法。此外，SDF 還可以通過提高小鼠血清和肝組織過氧化氫酶、總超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶活力，進(jìn)而提高總抗氧化能力。SDF抗氧化能力強(qiáng)弱與提取物種類及其濃度密切相關(guān)。在畜禽生產(chǎn)中，飼糧添加SDF 菊粉可以顯著改善母豬、肉雞和黃金錦鯉抗氧化性能，表明SDF 對(duì)于畜禽抗氧化性能具有改善作用。

3.2 SDF 與糖脂代謝 在人類和嚙齒動(dòng)物上的研究發(fā)現(xiàn)，攝入SDF 有助于降低糖尿病患者或小鼠血糖水平，其降糖作用機(jī)制包括改善胰島素抵抗和調(diào)節(jié)糖脂代謝紊亂等。何書勵(lì)等發(fā)現(xiàn)，含有SDF 的混合DF 可以改善II 型糖尿病患者胰島素敏感性，而單一IDF 則不具備這一作用。華梅等的小鼠試驗(yàn)表明，SDF 可以顯著降低血糖、膽固醇和甘油三酯水平。此外，在母豬飼糧中添加SDF 的重要成分果寡糖，母豬血清中總膽固醇、甘油三酯含量也會(huì)顯著降低。

3.3 SDF 與腸道微生態(tài)平衡 SDF 對(duì)于機(jī)體腸道微生態(tài)平衡及健康具有重要調(diào)節(jié)作用。例如，飼糧添加菊粉可顯著提高蛋雞腸道益生菌乳酸桿菌和雙歧桿菌數(shù)量，降低有害菌大腸桿菌數(shù)量，促進(jìn)腸道發(fā)育；飼糧添加菊粉還可以顯著提高擬桿菌門/厚壁菌門比值，改善小鼠腸道微生態(tài)。此外，癌癥發(fā)生與人類飲食結(jié)構(gòu)中纖維性食物大量減少而高脂肪高能量食物增加密切相關(guān)。研究表明，SDF 可降低癌癥發(fā)生并調(diào)節(jié)微生物組成和結(jié)構(gòu)，進(jìn)而維持結(jié)腸健康密不可分。研究證實(shí)，SDF 通過促進(jìn)機(jī)體排毒、調(diào)節(jié)膽固醇和激素以及調(diào)節(jié)腸道菌群的功能等途徑緩解癌癥發(fā)生。值得注意的是，當(dāng)前SDF 影響結(jié)腸癌的發(fā)生存在許多不同推測(cè)，目前明確的是SDF 可以加強(qiáng)腸蠕動(dòng)，減少糞便在腸內(nèi)停留時(shí)間，改善腸道菌群。

3.4 SDF 對(duì)營養(yǎng)素生物利用度的調(diào)節(jié) 目前關(guān)于SDF生物利用度的研究相對(duì)較少，現(xiàn)有研究顯示其對(duì)營養(yǎng)素的吸收產(chǎn)生積極影響。SDF 通?；谄渌献饔?，通過降低膽固醇的彌散度和乳化度以及加快膽固醇排泄，進(jìn)而維持血液膽固醇穩(wěn)態(tài)，保持在一個(gè)較理想的水平；同時(shí)，SDF 還可以通過減少碳水化合物吸收及利用，從而降低餐后血糖血脂水平，這對(duì)人的血糖和血脂調(diào)節(jié)有重要指導(dǎo)作用。關(guān)于SDF 是否影響礦物質(zhì)的生物利用度，有試驗(yàn)表明SDF 可促進(jìn)鐵和鋅等吸收，并且SDF 對(duì)體內(nèi)重金屬離子的排出有重要意義。李晗等充分利用SDF 吸附特性，提取西番蓮果皮中SDF 對(duì)銅離子、鉛離子以及鎘離子進(jìn)行吸附試驗(yàn)，結(jié)果顯示SDF對(duì)這幾種重金屬離子有很好的吸附效果，將有助于這些離子從機(jī)體中排出。也有動(dòng)物試驗(yàn)表明，在家禽日糧中添加SDF 對(duì)鈣、磷、鎂等礦物質(zhì)的吸收利用影響較大，其主要原因是高劑量的SDF 加快了飼糧在消化道的流動(dòng)速度。由于目前關(guān)于SDF 及其對(duì)其他營養(yǎng)素生物利用度的研究還處于起步階段，在不同研究條件下、不同原料的SDF 和不同營養(yǎng)素利用度之間關(guān)系的研究結(jié)果并不一致，還有待于進(jìn)一步深入研究。

4 SDF 在畜牧生產(chǎn)中的應(yīng)用

4.1 豬 SDF 在豬的生產(chǎn)應(yīng)用中多集中于動(dòng)物繁殖和生產(chǎn)性能兩方面。在目前研究中，對(duì)于母豬的研究論證表現(xiàn)最多。從母豬的繁殖性能來講，SDF 會(huì)縮短母豬發(fā)情期，提高窩均產(chǎn)活仔數(shù)，降低弱仔率。此外，飼糧中添加SDF 對(duì)母豬便秘有明顯的治療效果，同時(shí)縮短母豬產(chǎn)程。SDF 可以顯著提高仔豬平均日增重，降低仔豬耗料增重比，從而創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。另外，SDF對(duì)仔豬有輕瀉作用，可以縮短代謝廢物在體內(nèi)的存留時(shí)間。

4.2 反芻動(dòng)物 在反芻動(dòng)物飼料中添加SDF，可以提高反芻動(dòng)物的營養(yǎng)吸收率。研究表明，斷奶羔羊飼糧添加SDF 可顯著提高其生長育肥效果。奶牛日糧添加SDF 能夠提高瘤胃pH、增加乙酸產(chǎn)量、降低瘤胃NH-N 濃度，進(jìn)而提高乳脂率。

4.3 家禽 SDF 不僅可以促進(jìn)消化與代謝，還可以調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)。例如，雞飼糧中添加菊糖和甘露寡糖可以提高有益菌的活性，同時(shí)通過影響腸道pH 提高淀粉酶與蛋白酶活性，從而提高飼料轉(zhuǎn)化率和日增重。此外，雞易受沙門氏菌感染，而飼糧添加菊糖可以有效抑制有害菌的生長，通過充當(dāng)免疫刺激的輔助因子提高免疫應(yīng)答能力。因此，家禽飼料中添加SDF 可以有效增強(qiáng)機(jī)體免疫力，提高成活率。

4.4 水產(chǎn)動(dòng)物 SDF 對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物的影響主要體現(xiàn)在兩方面：①SDF 促進(jìn)魚類生長，降低死亡率；②降低糞便中胺的排放，減少污染。此外，SDF 雖然對(duì)魚類腸道菌群數(shù)量無顯著影響，但卻顯著提高了大菱鲆魚類體內(nèi)中與消化有關(guān)的腸纖維素降解菌的豐富度。有研究報(bào)道SDF 有防治草魚赤皮病的生物功效。

5 小 結(jié)

綜上所述，SDF 具有多種制備方法且各有優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)原料不同選取合適制備工藝。SDF 因其具有良好的水合作用、持油性、吸附能力、流變學(xué)特性和陽離子交換能力，以及在糖脂代謝、腸道微生態(tài)平衡和抗氧化功能等方面的功效而受到越來越多動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)家的關(guān)注。盡管SDF 廣泛存在于農(nóng)副產(chǎn)品中，但是目前對(duì)SDF 資源開發(fā)利用有限。

近年來國內(nèi)外學(xué)者逐漸重視對(duì)SDF 的研究，但SDF 應(yīng)用受到包括來源、制備工藝、價(jià)格以及組成成分不清楚等諸多因素制約。建議進(jìn)一步深入研究：①SDF的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)類型，并通過改性提高SDF 提取率；②SDF 在畜禽不同生長階段的應(yīng)用，探索SDF 在畜禽飼糧中高效添加量。

隨著人們對(duì)SDF 與人類健康和動(dòng)物生產(chǎn)關(guān)系認(rèn)知的不斷加深，SDF 的需求將會(huì)極大增加。SDF 對(duì)人和動(dòng)物都有很好的保健效果，在食品、醫(yī)藥、畜牧生產(chǎn)等領(lǐng)域有廣闊的生產(chǎn)前景和較高的應(yīng)用價(jià)值。因此，客觀全面認(rèn)知SDF 生物學(xué)功能、科學(xué)合理開發(fā)和應(yīng)用SDF對(duì)于人類和動(dòng)物健康均具有重要意義。