蒸汽爆破對(duì)膳食纖維改性作用的研究進(jìn)展

田 婧，聶 晶，王樹林，李春霖，邵圣枝，袁玉偉?

（1.青海大學(xué) 農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧 810016；2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與營(yíng)養(yǎng)研究所，浙江 杭州 310021）

1 膳食纖維

膳食纖維（Dietary Fiber，DF）是指不能夠被人體消化道酶消化吸收的可食用植物細(xì)胞壁、多糖、木質(zhì)素以及相關(guān)物質(zhì)的總和[1]。膳食纖維可根據(jù)在熱水中的溶解性分為不溶性膳食纖維（Insoluble Dietary Fiber，IDF）和可溶性膳食纖維（Soluble Dietary Fiber，SDF），其中SDF具有較強(qiáng)的生理功能，SDF含量的多少是評(píng)價(jià)膳食纖維品質(zhì)好壞的一個(gè)重要指標(biāo)[2]。SDF的含量如果在10%以上，可以最大限度地發(fā)揮其良好的加工特性、生理活性和保健功能，許多食物中的膳食纖維總量很高，但其中的SDF含量?jī)H占膳食纖維總量的3～4%左右[3]。通過對(duì)膳食纖維進(jìn)行改性，可以有效地提高可溶性膳食纖維的含量，從而使膳食纖維的利用率達(dá)到最大。

2 蒸汽爆破技術(shù)

蒸汽爆破技術(shù)（簡(jiǎn)稱汽爆技術(shù)），最早是由美國(guó)學(xué)者W.H.Mason提出來的，其原理是在原料中通入高溫、高壓的水蒸氣，用過熱蒸汽將原料加熱至180～235 ℃，使蒸汽充分滲透到原料的組織與細(xì)胞之間，并在毫秒間釋放出高壓，在這個(gè)過程中，原料中的水分會(huì)快速膨脹、外溢，形成強(qiáng)大的剪切力，從而破壞原料的組成，提高纖維的品質(zhì)[4]。

蒸汽爆破是一種在木質(zhì)纖維原料預(yù)處理中得到廣泛應(yīng)用的技術(shù)，它在食品領(lǐng)域起步比較晚，但近年來發(fā)展迅速，被證明是一種有效提高食品加工品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的物理方法。作為一種新型原料熱處理加工技術(shù)，它是一種綠色環(huán)保，能夠有效溶出食品營(yíng)養(yǎng)成分和對(duì)食品中大分子物質(zhì)改性的方法，在食品原料預(yù)處理方面有廣闊的應(yīng)用前景。

3 蒸汽爆破對(duì)膳食纖維的改性作用

利用蒸汽爆破技術(shù)對(duì)膳食纖維進(jìn)行改性，可以將部分 IDF轉(zhuǎn)變成 SDF，其原因可能是因?yàn)镮DF是由纖維素、部分半纖維素和木質(zhì)素組成，而SDF是由果膠、樹膠、低聚糖和部分半纖維素組成[5]，當(dāng)高溫高壓水蒸氣在毫秒間迅速被釋放，使得IDF中大分子物質(zhì)的糖苷鍵斷裂，形成了小分子的糖類[6]，從而提高了SDF的含量。且高溫能使微生物活性降低，可延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期[7]。蒸汽爆破技術(shù)作為一種簡(jiǎn)單高效的食品副產(chǎn)物新加工技術(shù)，具有很大的發(fā)展前景。

在蒸汽爆破后，膳食纖維會(huì)在酸水解和熱降解過程中溶解成小分子，強(qiáng)大的機(jī)械力會(huì)破壞纖維大分子的結(jié)構(gòu)，氫鍵斷裂，分子鏈更容易重新排列[8]。蒸汽爆破技術(shù)在蔬菜、水果、糧谷類食品的膳食纖維改性中均有應(yīng)用，且改性效果明顯。現(xiàn)階段，對(duì)于膳食纖維的改性作用主要集中在原料加工副產(chǎn)物中。Li等[9]研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)钠幚砜娠@著提高豆渣中的 SDF含量，張立娟等[10]采用蒸汽爆破技術(shù)對(duì)葡萄酒副產(chǎn)物進(jìn)行改性，較未汽爆處理的SDF提取率提高了24.25%，Ma等[11]測(cè)定了蒸汽爆破處理后對(duì)麥麩中 SDF含量，SDF含量由 18.88%提高到 40.32%。由此可見，蒸汽爆破處理可以提高SDF的溶出率，增加食物副產(chǎn)物的附加值，且對(duì)于保護(hù)環(huán)境和資源的開發(fā)再利用有重要意義。本文對(duì)近年來蒸汽爆破技術(shù)在膳食纖維改性方面的研究進(jìn)行綜述，闡述了改性后的膳食纖維品質(zhì)的變化，以期為食物副產(chǎn)物的開發(fā)利用提供一定的參考。

3.1 對(duì)結(jié)構(gòu)特性的影響

膳食纖維的結(jié)構(gòu)會(huì)直接影響其理化和功能特性，結(jié)構(gòu)特性主要體現(xiàn)在其表面的形態(tài)特征、膳食纖維的結(jié)晶狀態(tài)以及化學(xué)基團(tuán)的組成等方面。通過掃描電子顯微鏡觀測(cè)、比表面積測(cè)定、X-射線衍射表征、傅里葉紅外光譜分析等多種方式對(duì)蒸汽爆破處理前后膳食纖維的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，可以更直觀的看到汽爆處理對(duì)膳食纖維結(jié)構(gòu)的影響，為研究其理化性質(zhì)提供依據(jù)。

未經(jīng)汽爆處理的膳食纖維表面平整，結(jié)構(gòu)緊實(shí)，當(dāng)在汽爆處理后，膳食纖維表面會(huì)出現(xiàn)大量空洞和孔隙，說明蒸汽爆破處理對(duì)原料的細(xì)胞壁進(jìn)行了破壞，將原料內(nèi)部的小分子物質(zhì)溶出，纖維的聚合度變小。鄭佳欣[12]對(duì)改性前后的刺梨渣膳食纖維進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，在電子顯微鏡下可以看出未經(jīng)汽爆處理的刺梨渣膳食纖維表面光滑平整、結(jié)構(gòu)致密，而汽爆處理后的其表面則是出現(xiàn)了大量褶皺、呈現(xiàn)蜂窩狀。姜永超等[13]對(duì)菠蘿皮渣膳食纖維的形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電鏡掃描，汽爆處理后，其表面出現(xiàn)了大量褶皺，具有很多空隙，增大了相對(duì)比表面積。蒸汽爆破處理破壞了膳食纖維原本的結(jié)構(gòu)，使其表面積增大，出現(xiàn)很多的孔隙，有利于增強(qiáng)膳食纖維的吸附能力，提高持油力等。

對(duì)于膳食纖維的晶體結(jié)構(gòu)，汽爆處理不會(huì)對(duì)其造成影響，王磊等[14]對(duì)改性后的麥麩進(jìn)行了X-射線衍射表征，發(fā)現(xiàn)對(duì)DF的晶體結(jié)構(gòu)基本不造成影響。

紅外光譜圖可根據(jù)吸收峰的峰形和峰面積等反映出膳食纖維官能團(tuán)的位置有沒有發(fā)生變化，以及膳食纖維中多糖的變化情況，對(duì)于汽爆處理后的膳食纖維，一般情況下，處理前后的峰形大致相似，因?yàn)槠幚頉]有改變膳食纖維原本的結(jié)構(gòu)，只是將一些大分子的纖維素轉(zhuǎn)變成小分子的糖類，因此，紅外光譜圖上會(huì)出現(xiàn)吸收峰的紅移，說明一些纖維素、半纖維素發(fā)生了水解，并且出現(xiàn)了一些多糖的特征性吸收峰。Wang等[15]分析了蒸汽爆破前后甘薯渣膳食纖維的紅外光譜圖，發(fā)現(xiàn)處理前后的紅外光譜大致相似，經(jīng)過汽爆處理對(duì)甘薯渣的膳食纖維結(jié)構(gòu)未造成顯著改變，何曉琴等[16]對(duì)汽爆處理前后的苦蕎麩皮進(jìn)行光譜分析發(fā)現(xiàn)，處理后SDF的吸收峰變窄，吸收強(qiáng)度提高，說明經(jīng)過汽爆處理的苦蕎麩皮中纖維的氫鍵斷裂，導(dǎo)致更多的羥基暴露在外面，使得SDF的吸收強(qiáng)度提高，汽爆處理有利于改善纖維的品質(zhì)。

汽爆處理后膳食纖維的表面出現(xiàn)褶皺和很多孔隙，比表面積增大，這些特征可以更直觀的反映出持水力、持油力、膨脹力等提高的原因。且汽爆處理沒有導(dǎo)致膳食纖維中出現(xiàn)新的官能團(tuán)，說明該技術(shù)不會(huì)引入其他有害物質(zhì)，影響膳食纖維的品質(zhì)。

3.2 對(duì)理化性質(zhì)的影響

理化性質(zhì)可以從持水力、持油力、膨脹力等方面表現(xiàn)出來，它們會(huì)影響食品在加工過程中擠壓、攪拌、均質(zhì)中膳食纖維與其他組分結(jié)合的能力，從而對(duì)食品的口感和品質(zhì)發(fā)揮作用。白曉州等[17]對(duì)廢棄的沙棘果渣中可溶性膳食纖維進(jìn)行了蒸汽爆破處理，沙棘果渣SDF其持水力、膨脹力和持油力比未經(jīng)處理的提高了2.43、2.04、2.48倍。說明經(jīng)過蒸汽爆破處理后，沙棘渣中SDF表面積增加，可以吸附更多的水分子和油分子，從而可以提高沙棘中SDF的持水力、膨脹力和持油力。崔瀟文等[18]以番茄皮渣為原料，蒸汽爆破處理后番茄皮渣膳食纖維持油力顯著提高。由于汽爆處理破壞了纖維結(jié)構(gòu)，增大了比表面積，所以提高了對(duì)油的吸附能力。

持水力和膨脹力的提高，有助于膳食纖維與水分子的結(jié)合，使得膳食纖維可以吸收腸道內(nèi)的水分，形成大體積的凝膠狀物質(zhì)，可以促進(jìn)腸道蠕動(dòng)，起到通便的作用來預(yù)防便秘。持油力與膳食纖維的表面結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系，經(jīng)過蒸汽爆破處理后的膳食纖維因其表面積增大，可以使更多的油分子吸附在膳食纖維表面，若可以將它們添加在脂肪含量高的食品中，可以減少因食用脂肪含量高的食物而導(dǎo)致肥胖的幾率。

綜上，汽爆處理可以提高食物原料副產(chǎn)物的利用，為廢棄的食物皮渣等提供附加值，如果今后將改性后的膳食纖維添加在其他食品中，理化性質(zhì)的提高對(duì)于研究功能性膳食纖維食品提供新的思路及方向。

3.3 對(duì)功能特性的影響

膳食纖維具有膽固醇吸收能力、降低血糖、維持膳后血糖水平和抗氧化等功能。膳食纖維中豐富的物質(zhì)主要通過三個(gè)途徑來降低血糖：一是抑制α-淀粉酶的活性、二是通過增加體系粘度來阻斷葡萄糖的擴(kuò)散、三是通過吸附游離葡萄糖降低消化道內(nèi)可吸收的葡萄糖[19]。Liu等[20]發(fā)現(xiàn)蒸汽爆破后的菠蘿皮膳食纖維的抗氧化活性提高，張明等[21]測(cè)定了汽爆壓力對(duì)西蘭花老莖膳食纖維DPPH自由基清除率的值，與對(duì)照組比較提高約2倍，胡瑩瑩等[22]對(duì)汽爆后香蕉花SDF對(duì)清除DPPH自由基能力進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)汽爆后清除DPPH自由基能力顯著提高。汽爆處理對(duì)于膳食纖維的抗氧化能力有明顯的效果，多食用富含抗氧化的食物，對(duì)于抗疲勞、緩解壓力有很好的作用。汽爆處理后的SDF表現(xiàn)出良好的膽固醇結(jié)合能力[23]，膽固醇具有合成膽汁的作用，可以更好的幫助人體消化。膳食纖維中葡萄糖的吸附能力與膳食纖維的比表面積有關(guān)，比表面積增大，其表面基團(tuán)的暴露增強(qiáng)了和葡萄糖的作用，汽爆處理可以顯著提高葡萄糖的吸附能力，從而降低人體的血糖濃度。汽爆處理后SDF對(duì)小鼠血糖水平有調(diào)節(jié)作用，可顯著降低小鼠的血糖[24]。

膳食纖維可以將血糖維持在正常的水平，降低血脂含量[25]，膽固醇的吸收被抑制[26]，還可以清除自由基提高抗氧化能力[27]，對(duì)于腸道益生菌的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，減少便秘[28]，控制體重，可以減少腸道癌等疾病的發(fā)病率。膳食纖維作為第七大營(yíng)養(yǎng)素，其原本的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值就很高，汽爆處理后對(duì)于膳食纖維的功能特性有輔助效應(yīng)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗氧化能力、清除自由基能力，今后可以將改性后的膳食纖維添加在食品中，為食品提供更高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

4 結(jié)論與展望

綜上所述，蒸汽爆破技術(shù)對(duì)于膳食纖維的改性作用效果明顯，可有效提高其SDF的溶出率，促進(jìn)膳食纖維中 IDF向SDF的轉(zhuǎn)化，SDF含量的提高，可提升膳食纖維的品質(zhì)。蒸汽爆破處理后改變了膳食纖維原有致密的結(jié)構(gòu)，使其中的小分子多糖溶解出來，變成疏松多孔的結(jié)構(gòu)，增大了表面積，有助于膳食纖維吸附更多的水油分子，結(jié)構(gòu)特性的改變對(duì)于理化特性和功能特性的研究奠定了基礎(chǔ)。汽爆處理提高了膳食纖維的抗氧化和清除自由基能力以及降血糖等功能，改善了膳食纖維的功能特性，蒸汽爆破技術(shù)對(duì)于食物中膳食纖維的利用具有良好的發(fā)展前景，對(duì)于廢棄食品原料的開發(fā)提供了新的發(fā)展方向。

目前，蒸汽爆破技術(shù)在膳食纖維中的研究主要集中在優(yōu)化工藝參數(shù)和理化結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)研究。對(duì)于蒸汽爆破處理后膳食纖維具體成分的變化以及改性機(jī)制的研究還較缺乏；對(duì)于蒸汽爆破處理后膳食纖維功能性食品的開發(fā)力度還不夠，還處于研究汽爆技術(shù)對(duì)于食品原材料改性基本機(jī)理的階段。今后，還需再深入研究其對(duì)于人體健康的影響；對(duì)改性后的膳食纖維應(yīng)用范圍可以擴(kuò)大，不能僅僅作為功能性食品出現(xiàn)在市場(chǎng)上，還要以其他形式的食品出現(xiàn)，以供消費(fèi)者更好的做出選擇，以期能將更高品質(zhì)的膳食纖維的應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中；對(duì)于蒸汽爆破的應(yīng)用，不能局限在原料的加工上，還應(yīng)根據(jù)蒸汽爆破技術(shù)的特點(diǎn)，找到其他適合開發(fā)的食物，以實(shí)現(xiàn)資源利用最大化。