竹筍膳食纖維的提取、生理功能特性及其在食品中的應用

劉欣，姜鵬飛，傅寶尚，楊晶琦，祁立波，尚珊

1(國家海洋食品工程技術研究中心(大連工業(yè)大學)，遼寧 大連，116034) 2(贛州市全標生物科技有限公司，江西 贛州，360700)

我國是世界最大的竹筍生產(chǎn)國之一，擁有竹林面積約500萬公頃，竹子品種高達500多種。其中，可食竹種有200多種，品質(zhì)優(yōu)良的筍用竹有30多種，可食竹種產(chǎn)量最高的品種有毛竹筍、雷竹筍等，大部分分布在我國的浙江、福建、四川、湖北和江西等地[1]。鮮筍中不僅含有多種營養(yǎng)物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)和氨基酸等，還含有膳食纖維(dietary fibers, DF)、黃酮、植物甾醇、維生素和多酚等功能性物質(zhì)，兼具食用和藥用價值[2]。竹筍中含有豐富的竹筍膳食纖維(bamboo shoots dietary fibers, BSDF)，且含量根據(jù)地域存在差異性，比如江西方竹膳食纖維含量1.87～4.77 g/100 g[3]，浙江雷竹0.894～2.130 g/100 g[4]及四川麻竹2.483 g/100 g[5]。DF是人體中非常重要的一種營養(yǎng)素，不僅具有多種營養(yǎng)特性，還具有良好的物化特性，因此DF在食品開發(fā)中的應用越來越多，并且越來越受歡迎。

DF是一類不易被人體本身所具有的內(nèi)源酶消化吸收的一種功能性物質(zhì)[6]。BSDF主要包括寡糖和多糖，例如纖維素、半纖維素、果膠、樹膠和抗性淀粉；對人體健康具有很大的益處，具有控制體重、降血脂和降血糖等作用[7]。BSDF不僅具有廣泛的生物活性，而且還能改善食品的質(zhì)地。很多研究表明，在各種食品中增添BSDF可以改善食品的顏色、風味、質(zhì)構和營養(yǎng)價值，可作為改良劑和生物活性成分用于焙烤食品、飲料制品和功能性食品中[8]。因此，富含BSDF的食品比一般加工制品具有更高的營養(yǎng)價值和保健功能。

本文對BSDF的提取方法、組成成分、作用機制、生理功能及其在食品中的開發(fā)應用進行了總體概述。圍繞BSDF展開的論述將極大促進BSDF資源的開發(fā)應用，并對BSDF食品的研究開發(fā)具有一定的意義。

1 BSDF的提取方法

DF的物化特性主要取決于其來源和加工方法，同時其生理功能也會存在差異。早期DF的提取方法主要包括粗分離法、膜分離法、化學試劑和酶結(jié)合分離法等[9]。隨著對DF的深入研究，Prosky法(酶-重力分析法)、超聲波法、高壓蒸煮法、發(fā)酵法和擠壓法等提取方法也應用于DF的提取中[10]，其中最常用的提取方法主要包括酶提取法、化學分離法、膜分離法和發(fā)酵法[11]。目前BSDF提取方法主要包括以酸堿法為主的化學提取、基于發(fā)酵法和酶法的生物提取、基于超微粉碎、高壓均質(zhì)、擠壓爆破等的物理輔助提取法以及使用上述方法的組合提取方法[9]。常用的4種提取方法的優(yōu)缺點及提取工藝如表1所示。根據(jù)DF結(jié)構和特性的不同，其提取工藝也各有不同，需要綜合考慮產(chǎn)品的質(zhì)地、提取成本、生產(chǎn)規(guī)模和環(huán)境污染等多種因素作用；將來DF的提取方法將向更高提取率、更高純度、工藝更簡單、污染更少、投資更少等的方向發(fā)展[12]。

表1 四種DF提取方法的提取工藝及優(yōu)缺點Table 1 Advantages and disadvantages of four different extraction methods and extraction process

BSDF的提取率和品質(zhì)根據(jù)提取方法的不同而不同。彭昕等[8]比較了化學法、水提法和酶解法3種不同提取法對BSDF提取率的影響。結(jié)果表明，化學法優(yōu)于水提法和酶解法，對應的提取率分別為31.25%、9.18%和2.6%。吳麗萍等[17]采用真菌發(fā)酵法，利用黑曲霉提取毛竹筍可溶性膳食纖維(soluble dietary fiber,SDF)，其提取率相比對照組提高了20.21%。陳如壽等[16]對苦竹、毛竹、麻竹等對清水漂洗法、化學法、溶劑法和發(fā)酵法4種BSDF提取方法分析比較，發(fā)現(xiàn)化學法及溶劑法由于其操作過程較為繁瑣、溶劑消耗量高而難以實現(xiàn)工業(yè)化；而發(fā)酵法加工處理后的BSDF純度較高，味道清淡，顏色自然，提升了BSDF的營養(yǎng)保健價值。TANG等[18]以竹筍為原料，采用物理法、化學法和酶法制備BSDF，發(fā)現(xiàn)酶解法不僅能保持原纖維的網(wǎng)狀結(jié)構，而且纖維的表面和孔隙度得到了較大的改善，保持了原有的結(jié)合酚，使其具有較高的生物活性和廣闊的應用前景。

2 BSDF的成分組成

竹筍中含有大量的DF，主要分為以纖維素、木質(zhì)素和半纖維素主要代表的中性洗滌纖維(neutral washing fiber，NDF)和以纖維素和木質(zhì)素為主要代表的酸性洗滌纖維(acidic washing fiber，ADF)，NDF決定了植物材料的不可消化成分[9]。目前就木質(zhì)素的提取和組成成分進行大量研究。陳友地等[19]報告了10種竹子中DF的主要成分，其中含量最高的是半纖維素，且以聚木糖的形式存在。PRAKASH等[20]研究半纖維素中糖的組成發(fā)現(xiàn)，半纖維素主要由木糖(44.39%～72.71%)、阿拉伯糖(26.36%～51.87%)、核糖(0.93%～2.72%)和糖醛酸(0.29%～5.27%)組成。研究表明，半纖維素可用于食品工業(yè)和能源工業(yè)，造紙、生產(chǎn)木糖醇、木糖和功能性低聚木糖以及生物乙醇等[21]。

根據(jù)溶解性不同，DF又可被分為SDF和不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber,IDF)[22]。SDF是一種非淀粉性多糖，大部分來自谷物食品和果蔬，普遍存在于植物細胞間質(zhì)及細胞液中，可溶于水，能被人體腸道中的微生物酵解；其主要成分是β-葡聚糖、果膠、樹膠黏液和一些半纖維素等[23]。SDF的單糖構成主要包括葡萄糖、鼠李糖、半乳糖、甘露糖、木糖和阿拉伯糖。根據(jù)竹筍來源的不同，每種單糖所占的比例存在差異；SDF的溶解性較好，能夠在一定程度上增強凝膠特性，常被作為工業(yè)乳化劑和增稠劑[24]。IDF也是一類非淀粉性多糖，大部分來自于植物中的根、莖、葉、果、皮和干，不可溶于水，也不能被人體腸道中的微生物酵解；在天然纖維素中所占的比例在2/3～3/4，主要組成成分是纖維素、木質(zhì)素、木聚糖、半纖維素、木葡聚糖及半乳甘露聚糖[24]。IDF具有良好的持水能力和吸脹性能，在一定的添加量范圍內(nèi)能夠顯著提升肉類制品的凝膠特性和持水性。

BSDF的組成成分及含量根據(jù)提取工藝的不同具有顯著性差異。TANG等[18]發(fā)現(xiàn)用物理、化學和酶法制備的BSDF主要組成成分均為葡萄糖、鼠李糖、半乳糖、阿拉伯糖、甘露糖和木糖，但3種制備方法所得的單糖含量存在顯著性差異(圖1)。化學法制備的BSDF主要單糖為葡萄糖(49.81%)和木糖(34.25%)，占總成分的84.06%，酶法制備的BSDF主要由木糖(44.35%)、阿拉伯糖(24.92%)和葡萄糖(19.98%)組成，占比高達89.25%，物理法制備的BSDF由葡萄糖(43.57%)和木糖(31.99%)組成，占比75.56%。WANG等[25]比較了酶法和化學法制備BSDF的組成成分發(fā)現(xiàn)，2種方法制備的BSDF均由鼠李糖、阿拉伯糖、木糖、甘露糖、葡萄糖和半乳糖組成；而化學法制備的BSDF的主要單糖成分是葡萄糖，占總成分的68.01%；酶法制備的BSDF主要由阿拉伯糖(24.07%)、木糖(24.66%)和葡萄糖(26.02%)3種成分組成，另外還含有14.38%的半乳糖。

a-單糖的標準；b-物理法；c-化學法；d-酶法圖1 物理法、化學法和酶法制備BSDF的氣相色譜圖[18]Fig.1 Gas chromatogram of BSDF prepared by physical, chemical and enzymatic methods

3 BSDF的作用機制及生理功能

BSDF在生理代謝和疾病預防等方面具有非常重要的作用，因其獨特的理化特性和生理功能對人體健康具有促進作用[18]。BSDF具有良好的持水力、持油力、膨脹力、離子交換能力、吸附能力及自由基清除能力等理化性質(zhì)，通過降低血液膽固醇水平,增加胰島素敏感性等有效防患高血壓、心臟病、糖尿病、冠心病等[26]。DF的理化性質(zhì)、作用機制與其生理功能密切相關(表2)。DF適量攝取有益于人體健康，但攝取過多會對礦物質(zhì)及維生素的吸收利用產(chǎn)生負面影響[27-28]。根據(jù)《中國居民膳食營養(yǎng)素參考攝入量(2013)》[28]，我國居民DF的合理攝取量為低能量膳食的攝取量為25～35 g/d[28]。中國營養(yǎng)學會和美國食品藥品監(jiān)督局均推薦DF攝入量為25～35 g/d，美國防癌協(xié)會推薦標準相對較高，為30～40 g/d，日本膳食平衡指南推薦標準為20～30 g/d[27]。合理適量地攝入DF對人體健康至關重要。

表2 DF的理化性質(zhì)、作用機制及生理功能Table 2 Physicochemical properties, mechanism and physiological function of dietary fiber

3.1 生理功能

3.1.1 控制體重

DF具有很強的吸水性和膨脹性，當食物進入消化道后會快速吸收水分，膨脹形成一種黏度很高的凝膠狀態(tài)；DF體積變大，從而使人產(chǎn)生飽腹感并降低進食速度[29]。同時，由于凝膠狀纖維能夠?qū)⑹澄锇?，從而減少蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶對食物中的蛋白質(zhì)、淀粉和脂肪進行分解，以達到減少人體對營養(yǎng)成分的吸收，達到控制體重的目的[33]。張麗萍[34]研究發(fā)現(xiàn)，海帶DF可以減緩肥胖小鼠體重的增加，具有調(diào)節(jié)脂代謝的功效，能加快脂肪分解，減少脂肪堆積，從而可能對肥胖癥患者控制體重起到一定的作用。王彩虹[10]在研究BSDF對小鼠的降血脂效果中發(fā)現(xiàn)BSDF實驗組中的小鼠血清中的膽固醇含量和甘油三酯的含量顯著低于對照組，小鼠體重得到明顯控制；因此BSDF能夠有效減少脂肪含量，調(diào)節(jié)體重增長。

3.1.2 降低膽固醇

高血脂會導致冠心病、腦梗、動脈硬化等心血管疾病，對身體產(chǎn)生不利影響[35]。且有研究證實，DF能抑制人體對膽固醇、膽酸鈉、甘油三酯和低密度脂蛋白等物質(zhì)的吸收，減少血脂水平；同時也能將體內(nèi)的油脂和脂肪代謝產(chǎn)物吸附出來，降低身體對油脂的吸收量，從而達到預防高血脂和膽結(jié)石等疾病的目的[35]。PARK等[36]比較了高纖維竹筍飲食與無纖維飲食對8名21～23歲女性的影響，測定了血糖、三酰甘油、總膽固醇、谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶、動脈粥樣硬化指數(shù)、高密度脂蛋白膽固醇及低密度脂蛋白膽固醇等血液生化指標并發(fā)現(xiàn)，與無纖維膳食相比，竹筍膳食可降低血清總膽固醇、低密度脂蛋白膽固醇和動脈粥樣硬化指數(shù)，喂食竹筍的受試者的糞便量和排便頻率顯著增加；結(jié)果表明竹筍作為良好膳食纖維來源，對血脂和腸道功能產(chǎn)生有益影響。

3.1.3 調(diào)節(jié)血糖

隨著人民生活水平的不斷提高，“三高”的患病率呈逐年增高的趨勢，而中老年人的發(fā)病率尤其明顯[33]。有研究表明，天然植物及海洋資源中含有包括DF在內(nèi)的多種活性成分，能有效地防治2型糖尿病，并能在消化道內(nèi)形成黏膜，減緩食物的消化吸收，降低胃排空速度；DF的吸附作用使部分葡萄糖被吸附，從而降低葡萄糖在胃腸道內(nèi)的含量和擴散速率；同時DF還可以提高神經(jīng)末梢對胰島素的敏感性，降低胰島素的產(chǎn)生，從而達到調(diào)節(jié)血糖水平的目的[33]。LI等[37]研究發(fā)現(xiàn)，BSDF通過增強胰島素信號傳導和激活PGC-1α(過氧化物酶體增殖物激活受體-γ共激活因子-1α)可以改善高脂肪飲食喂養(yǎng)小鼠的胰島素敏感性，進而起到調(diào)節(jié)血糖的功效。ZHENG等[38]使用體外和體內(nèi)方法研究了BSDF的降血糖特性，發(fā)現(xiàn)BSDF緩解了小鼠的糖尿病綜合征，可作為功能性食品中潛在的膳食來源。

3.1.4 提高腸道功能、改善腸道菌群

3.1.5 提高機體免疫力

當今消費者普遍傾向于能夠帶來健康益處、降低或延緩患病和機體紊亂風險的產(chǎn)品。竹筍中含有的DF等生物活性成分可作為一種具有生理效益或預防和控制疾病的成分加入到食品研發(fā)，此類新穎的產(chǎn)品吸引著研究人員、營養(yǎng)學家、消費者和實業(yè)家的關注[41]。人類常見的炎癥性腸胃疾病主要包括潰瘍性結(jié)腸炎，其快速增長的發(fā)病率逐漸給醫(yī)療系統(tǒng)帶來了嚴重的負擔，其發(fā)病機制是多因素的，涉及免疫、環(huán)境和遺傳因素之間的相互作用，現(xiàn)有的許多治療策略對患者的健康都有不利的影響，而長期服用抗炎藥物可能會導致免疫力下降，使患者更容易受到感染。研究表明從竹筍中提取純化的膳食纖維可替代一些抗炎藥物通過調(diào)節(jié)腸道微生物群的組成、防止腸道屏障破壞起到有效的抗炎作用，進而提高免疫功能[42]。有研究指出DF中的多糖能促進免疫能力的增強和免疫細胞數(shù)目的增加[11]?？娦±虻萚43]研究發(fā)現(xiàn)添加果膠DF的腸內(nèi)營養(yǎng)能夠提高重癥患者的營養(yǎng)狀況，提高患者的免疫功能，并使胃腸道并發(fā)癥的發(fā)生幾率降低。

3.1.6 調(diào)節(jié)口腔健康

隨著人們對精糧攝入的增多，牙齒的咀嚼能力降低，口腔肌肉和牙周不能得到充分的鍛煉，導致牙周萎縮、患齲齒的幾率增大[11]。增加DF在飲食中的攝入量，可以提升口腔肌肉活動的幾率和牙齒咀嚼能力，增強牙齒對酸堿的緩沖作用，減少牙齒表面的黏附物，進而改善口腔衛(wèi)生。非消化纖維為結(jié)腸細菌提供了代謝底物，SEDGHI等[44]證明了纖維會改變小鼠牙齒微生物群，以及口腔健康與胃腸道和全身健康之間的緊密的聯(lián)系；他們推測膳食纖維在牙齒表面起到機械力的作用并有助于牙齒微生物生物膜的脫落。攝入富含BSDF的飲食可通過限制致癌物與黏膜的接觸和促進身體的抗氧化機制降低口腔癌的發(fā)病率[45]。

4 BSDF在食品中的應用

隨著人們生活水平不斷地提升，人們對于食物的攝取也更加精細化，但與此同時，肥胖癥、糖尿病、腸道疾病等多種疾病的患病率也在逐年遞增。在膳食中添加BSDF對健康飲食和降低脂質(zhì)具有良好的作用，在食物中強化DF可降低油炸食品中的脂肪含量，也可解決因過量攝入高脂肪食物而引起的肥胖和各種心血管疾病[41]。竹筍因其豐富的營養(yǎng)物質(zhì)和低脂、低能量的特點一直被作為良好膳食的來源。竹筍的初級加工產(chǎn)品主要包括鮮筍、調(diào)味筍和發(fā)酵筍干等產(chǎn)品[46](圖2)。BSDF具有廣泛的結(jié)構多樣性和良好的功能特性，是各種功能性和保健食品的理想原料，在食品和保健品行業(yè)中日益受到歡迎[41]。

圖2 竹筍的產(chǎn)品開發(fā)及特性分析[46]Fig.2 Product development and characterization analysis of bamboo shoots

為了提高竹筍的高值化精深加工，BSDF在食品中的應用越來越受到人們的關注，富含BSDF食品的開發(fā)不僅能提升人們的健康水平，還將極大地帶動地區(qū)經(jīng)濟的進步。BSDF因其具有廣泛的生物活性，在食品加工中的應用日益增加，目前已應用于谷物麥片、飲料、烘焙產(chǎn)品、肉制品、醬汁和面制品等食品[23]。BSDF不僅熱量低，而且還能改善食品的品質(zhì)；在各種食品中增添BSDF可以改進食品的顏色、風味和質(zhì)地，提高產(chǎn)品的功能性和營養(yǎng)價值[10]。因此，BSDF應作為一種高效的功能性食品成分加以推廣，并努力將其納入未來預防癌癥的飲食制度中。WANG等[47]研究發(fā)現(xiàn)Fargesiaspathacea(鮮筍的一個品種)DF具有很強的膽固醇吸附活性和益生菌潛力，可以改善食品的質(zhì)地，穩(wěn)定高脂食品和乳狀液，延長食品的貨架期，可以作為一種生物活性成分用于功能性食品的生產(chǎn)。

4.1 BSDF在焙烤食品中的應用

在小麥粉中適量添加BSDF可增加面團的硬度、彈性、黏附性和咀嚼性，改善面粉的粉質(zhì)特性，有助于提高面粉的食用品質(zhì)，提升面制品的抗氧化性能，延長貨架期[48]。張華等[49]將BSDF加入到面團中發(fā)現(xiàn)BSDF改變了冷凍面團的水分分布和微觀結(jié)構，增強了面團的持水能力并使淀粉顆粒與面筋網(wǎng)絡排列更加均勻，有效改善冷凍面團的穩(wěn)定性和產(chǎn)品的烘焙特性。趙雙麗等[50]將BSDF應用于反復凍融的面團當中，發(fā)現(xiàn)BSDF在一定范圍內(nèi)能避免面筋蛋白網(wǎng)絡結(jié)構的破壞，提高面團持水力和黏彈性，減少水分遷移，抑制重結(jié)晶，改善冷凍面團品質(zhì)特性。古明亮等[51]以雷竹筍為原料，采用發(fā)酵法制備BSDF并將其應用于餅干中，使餅干中的網(wǎng)絡結(jié)構更加均勻致密，持水性增強，優(yōu)化得到組織酥脆、甜度適宜、品質(zhì)優(yōu)良、低脂高纖的酥性餅干。謝碧霞等[52]采用乳酸菌發(fā)酵法制備BSDF用于高纖維餅干的研究中，優(yōu)化出高BSDF含量餅干的最佳配方和工藝參數(shù)指標，不僅提高了餅干中的DF含量，同時使餅干的食用品質(zhì)更佳。吳麗萍等[53]以蕎麥粉和低筋面粉為主要原料，以BSDF和大豆分離蛋白為輔料，對蕎麥餅干的品質(zhì)進行工藝優(yōu)化，制備得到高膳食纖維蕎麥餅干。

4.2 BSDF在糜類食品中的應用

BSDF可用作糜類產(chǎn)品的脂肪替代品，降低肉糜的蒸煮損耗，增加穩(wěn)定性提升口感、改善風味和質(zhì)地特征。LI等[54]將BSDF應用于豬肉糜中發(fā)現(xiàn)在一定添加量范圍內(nèi)加入BSDF顯著降低豬肉糜中鹽溶蛋白的蒸煮損失和水分流失，提高了豬肉鹽溶蛋白的凝膠特性和保水性，可以開發(fā)出更健康的糜類肉制品來滿足消費者的需求，具備巨大的發(fā)展?jié)摿?。BUDA等[55]將SDF應用于鰱魚魚糜中，發(fā)現(xiàn)加入SDF可提高保水性、增強凝膠網(wǎng)絡結(jié)構、提高凝膠強度、使魚肉彈性增強，同時提高魚糜制品的營養(yǎng)價值。HE等[56]研究發(fā)現(xiàn)BSDF懸浮液是水包油(oil-in-water，O/W)Pickering乳液(Pickering乳液定義為通過乳液滴表面的固體顆粒穩(wěn)定的乳液，對聚結(jié)和熟化有較強的穩(wěn)定性)的良性顆粒穩(wěn)定劑，所得Pickering乳液在食品領域具有廣闊的應用前景。BSDF制品種類繁多，除了應用在烘焙產(chǎn)品和糜類產(chǎn)品中，還有將其應用到口香糖、膳食纖維粉和乳制品等食品[57]。隨著人們健康意識的提高和對功能性食品需求的不斷增長，竹筍作為一種既具有食用價值又具有藥用價值的食品，已經(jīng)顯示出其獨特的價值，但目前針對BSDF的研究還停留在實驗階段，還未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用，未來仍需進一步加強BSDF的標準化生產(chǎn)，使其成為市場需求的新型食品并進入人們的飲食結(jié)構中，BSDF功能性食品的開發(fā)將具有很好的發(fā)展前景。

4.3 改性BSDF在食品中的應用

5 結(jié)語

近年來人民生活水平不斷提高，創(chuàng)新生產(chǎn)低脂低熱量的健康食品的需求與日俱增。我國的竹筍資源在世界中名列前茅，竹筍中的BSDF更是具有良好的降血脂、降血糖和改善腸道功能的特性，具有巨大的潛在應用價值。酶法提取、化學分離法提取、發(fā)酵法提取及聯(lián)合提取等方法是BSDF的常見提取方法，但提取工藝仍需進行不斷優(yōu)化。改性后的BSDF具有良好的持水性、持油性和膨脹能力，但對于改性后BSDF的功能特性需進一步深入研究，使其更好地發(fā)揮生物活性功能，為今后BSDF在功能性食品中的開發(fā)利用提供參考。這將促進竹筍高值化開發(fā)利用，對地區(qū)竹筍產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有非常重要的意義。