柑橘纖維及其在乳制品中的應(yīng)用研究進(jìn)展

張玉律

（乳業(yè)生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海乳業(yè)生物工程技術(shù)研究中心，光明乳業(yè)股份有限公司乳業(yè)研究院，上海 200436）

柑橘類水果是最重要的水果作物之一，最有商業(yè)價(jià)值的主要是橙子、檸檬、柚子和橘子等[1-3]。柑橘類水果通常由外表皮、黃皮層、白皮層和維管束組成[3]，皮中含有膳食纖維、果膠、色素、類黃酮和精油等多種活性成分[4]。作為世界第二大水果加工業(yè)，柑橘類水果的加工利用方式也非常多元，如制作罐頭、果汁、果膠、精油等產(chǎn)品[5]。隨著柑橘種植面積和加工規(guī)模的不斷擴(kuò)大，我國(guó)柑橘皮渣（占果質(zhì)量的20%～50%）的年產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到1 200多萬(wàn)t，柑橘皮渣的有效利用率低，由此帶來(lái)一系列的環(huán)境污染問(wèn)題，已經(jīng)引起行業(yè)的高度重視[6]。

膳食纖維是一種來(lái)源于植物細(xì)胞壁的非淀粉多糖，可分為水溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）[7-9]。膳食纖維可以降低罹患冠心病、高血壓、糖尿病和肥胖等疾病的風(fēng)險(xiǎn)[10-14]，并能改善胃腸系統(tǒng)健康[15-16]。柑橘纖維是從柑橘類水果的果皮中提取的一種天然膳食纖維[3,17]。相比較其他來(lái)源的纖維，柑橘類水果來(lái)源的膳食纖維可溶性膳食纖維含量較高[18]，并且因?yàn)楦涕倮w維具有較大的內(nèi)表面積、較好的保水能力及表觀黏度[19]，被廣泛應(yīng)用于烘焙制品、肉類、乳制品、醬料和調(diào)味品中[4,20-25]。柑橘纖維在食品中的應(yīng)用前景廣闊，但因其研究較晚于其他膳食纖維，研究和利用仍處于初級(jí)階段[26]。柑橘纖維在乳制品中有著廣泛的應(yīng)用，常被用來(lái)部分替代脂肪、提升黏度和持水性。果膠和瓊脂等增稠劑常被用于乳制品中，用以增加產(chǎn)品黏度，保證產(chǎn)品在貨架期內(nèi)的穩(wěn)定性。近年來(lái)消費(fèi)者越來(lái)越關(guān)注清潔標(biāo)簽的趨勢(shì)，不使用食品添加劑的產(chǎn)品將更加受到消費(fèi)者的青睞。柑橘纖維作為一種非食品添加劑的食品原料，無(wú)論是產(chǎn)品宣稱還是健康益處，都具有一定的優(yōu)勢(shì)。

本文主要綜述柑橘纖維的理化特性、提取工藝及其應(yīng)用，以期為柑橘纖維在乳制品中的推廣應(yīng)用提供一定的參考。

1 柑橘纖維的理化性質(zhì)

1.1 柑橘纖維的組成

Lundberg等[27]評(píng)估了柑橘纖維的基本組成。由表1可知，柑橘纖維中果膠含量約42.25%，與目前食品行業(yè)商用柑橘纖維中的果膠含量基本一致。果膠以半乳糖醛酸為主，經(jīng)α-1,4糖苷鍵共價(jià)結(jié)合，其側(cè)鏈主要是半乳糖、阿拉伯糖和葡萄糖等中性糖，由此共同聚合而成天然雜多糖，因其優(yōu)異的凝膠特性被廣泛應(yīng)用于果醬、果凍、果汁、酸乳飲料、冰淇淋等食品中[28]。由此可見(jiàn)，柑橘纖維中的果膠是其發(fā)揮凝膠作用的重要功能成分。有研究表明，果膠能夠與纖維素相互作用[29-30]，但仍有部分果膠天然被包裹在纖維素中，其功能作用不能充分發(fā)揮，通過(guò)物理、化學(xué)等方法釋放出更多的果膠，促進(jìn)果膠通過(guò)氫鍵與纖維素-半纖維素形成網(wǎng)絡(luò)連接，可以顯著提高膳食纖維的理化性能[31]。

表1 柑橘纖維的組成[27]Table 1 Composition of citrus fiber[27]

1.2 柑橘纖維的微觀結(jié)構(gòu)

周麗玲等[9]利用掃描電子顯微鏡研究來(lái)源于臍橙、蘋(píng)果柚、沃柑和檸檬4 種柑橘纖維的結(jié)構(gòu)差異。來(lái)源于臍橙和檸檬的柑橘纖維排布都較為緊實(shí)，其中，臍橙纖維呈現(xiàn)出明顯的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，表面粗糙不平，并且可見(jiàn)顆粒碎片；蘋(píng)果柚纖維結(jié)構(gòu)疏松，呈現(xiàn)較大的孔隙，明顯不同于其他3 種柑橘纖維；沃柑纖維表面呈致密蜂窩狀，孔隙度較高。柑橘纖維微觀結(jié)構(gòu)的不同也反映了其理化性質(zhì)的不同，不同來(lái)源的柑橘纖維理化性質(zhì)差異明顯。Huang Jiayi等[4]以柑橘皮為原料，分別通過(guò)堿性過(guò)氧化氫和均質(zhì)處理制備了果膠含量較高的膳食纖維。未經(jīng)處理的柑橘纖維呈現(xiàn)光滑、密集的特點(diǎn)，而經(jīng)過(guò)堿性過(guò)氧化氫處理后，柑橘纖維呈現(xiàn)松散的波紋狀，從而暴露出更多的羥基和羧基等極性基團(tuán)及其他水結(jié)合位點(diǎn)，從而促進(jìn)柑橘纖維與水的結(jié)合與吸附[32-33]，這可能是由于化學(xué)處理導(dǎo)致纖維素微原纖維呈現(xiàn)更加松散的狀態(tài)，以及糖苷鍵斷裂和纖維大分子降解的原因[34]。經(jīng)過(guò)堿性過(guò)氧化氫處理后，柑橘纖維持水力也明顯提高，可達(dá)到自重的5～25 倍[5]。經(jīng)過(guò)均質(zhì)處理后，由于強(qiáng)烈的機(jī)械剪切和撕裂等作用，柑橘纖維表面呈現(xiàn)較多的孔洞和裂紋[4]，這也在一定程度上增大了柑橘纖維的比表面積。Kieserling等[20]研究來(lái)源于橙子的不同粒徑、不同含量的柑橘纖維對(duì)酸乳凝膠流變學(xué)等性能的影響。結(jié)果表明，酸乳中添加不同含量的柑橘纖維，其微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的不同。柑橘纖維添加量為0.1%（占酸乳或柑橘纖維懸浮液總質(zhì)量的百分比，下同）時(shí)，酪蛋白聚合體被吸附到纖維顆粒上；柑橘纖維添加量為1.0%時(shí)，酸乳出現(xiàn)了更緊密的微結(jié)構(gòu)，纖維顆粒似乎嵌入到濃縮的酪蛋白聚集體網(wǎng)絡(luò)中。

結(jié)構(gòu)疏松的柑橘纖維往往具有較大的比表面積，較大的比表面積和較小的孔隙可以使柑橘纖維的持水性能增強(qiáng)，也能懸浮一些小的顆粒，柑橘纖維也呈現(xiàn)出較好的性能。針對(duì)不同質(zhì)地的乳制品，需要對(duì)應(yīng)選擇不同空間結(jié)構(gòu)的柑橘纖維，如對(duì)于長(zhǎng)保質(zhì)期酸乳的研發(fā)，需要選擇比表面積較大及持水性較強(qiáng)的柑橘纖維，用以維持酸乳在較長(zhǎng)貨架期內(nèi)的穩(wěn)定性。柑橘纖維的來(lái)源、粒徑大小及不同程度的物理化學(xué)處理都會(huì)影響酸乳等乳制品的品質(zhì)，所以要選擇合適粒徑和性能的柑橘纖維，以滿足乳制品對(duì)質(zhì)構(gòu)的差異化需求。

1.3 柑橘纖維的持水力

柑橘纖維的持水力是衡量其功能作用的重要指標(biāo)，有研究[35]表明，柑橘纖維顆粒尺寸越小，其持水能力越低。而Chau等[36]認(rèn)為，當(dāng)柑橘纖維被研磨到更小的顆粒尺寸時(shí)，其比表面積會(huì)增大，且潛在的水結(jié)合位點(diǎn)也會(huì)增加，從而導(dǎo)致保水能力提高。在Lundberg等[27]的研究中，不同粒徑的柑橘纖維顆粒的持水能力和溶脹能力沒(méi)有較大差異，這可能是多方面相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。研究認(rèn)為：一方面，柑橘纖維的顆粒粒徑越小，對(duì)應(yīng)的堆積密度就越大，因而持水能力就會(huì)降低；另一方面，柑橘纖維的顆粒粒徑越小，水結(jié)合位點(diǎn)、極性基團(tuán)和表面積都會(huì)對(duì)應(yīng)增加，這也就導(dǎo)致持水能力的增加[27]。

1.4 柑橘纖維的流變學(xué)特性

流變學(xué)是研究物質(zhì)的流動(dòng)和變形的科學(xué)[37]。Lundberg等[27]研究4 種不同粒徑柑橘纖維溶液的剪切力與剪切速率的關(guān)系。屈服應(yīng)力是溶液開(kāi)始流動(dòng)前需要施加的剪切應(yīng)力[38]，當(dāng)纖維顆粒尺寸較小時(shí)，屈服應(yīng)力也較小，其剪切力與剪切速率更接近于線性關(guān)系。在相同剪切速率下，較大尺寸的顆粒往往有著更高的剪切力，這可能是由于大尺寸纖維顆粒之間的作用。由此可見(jiàn)，較長(zhǎng)尺寸的柑橘纖維溶液更接近非牛頓流體的特性。Agoda-Tandjawa等[39]研究蔗糖對(duì)高壓均質(zhì)柑橘纖維懸浮液干燥前后流變學(xué)特性的影響，以期確定柑橘纖維/蔗糖的最佳混合比例，使柑橘纖維重構(gòu)后的功能特性得到最佳恢復(fù)。結(jié)果表明，添加28.38%蔗糖的柑橘纖維懸濁液干燥后的圖譜與不添加蔗糖干燥前的圖譜形狀幾近重合，說(shuō)明蔗糖對(duì)恢復(fù)柑橘纖維干燥前的特性具有明顯的保護(hù)作用，而不添加蔗糖進(jìn)行干燥會(huì)導(dǎo)致黏彈性的重大損失。Kieserling等[20]通過(guò)跟蹤普通酸乳和添加柑橘纖維酸乳發(fā)酵過(guò)程中儲(chǔ)能模量（G’）和損耗模量（G”）的變化，研究不同粒徑和不同濃度的柑橘纖維對(duì)酸乳凝膠流變學(xué)等性能的影響。結(jié)果表明，普通酸乳發(fā)酵7 h后有明顯的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，當(dāng)柑橘纖維添加量為0.1%時(shí)，約5 h后發(fā)生溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，當(dāng)柑橘纖維添加量為1.0%時(shí)，發(fā)酵過(guò)程中未檢測(cè)到G’和G”相等的情況。從主要具有黏性的溶膠（G”＞G’）轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕哂袕椥缘哪z（G’＞G”），該過(guò)程常伴隨G’和G”的急劇增加和交叉，這也表明過(guò)量的柑橘纖維影響了酸乳產(chǎn)品的發(fā)酵過(guò)程。Jiang Zhanmei等[40]研究球磨碾磨結(jié)合高壓均質(zhì)對(duì)柑橘纖維結(jié)構(gòu)、理化及流變性能的影響，結(jié)果表明，球磨碾磨結(jié)合高壓均質(zhì)是一種有效的物理改性柑橘纖維的方法，顯著改變了柑橘纖維的空間結(jié)構(gòu)，改善了柑橘纖維的理化性質(zhì)和表觀黏度，為食品工業(yè)獲得優(yōu)良的柑橘纖維提供了理論依據(jù)。

目前市面上酸乳常分為攪拌型和凝固型，攪拌型酸乳的流動(dòng)性受乳清蛋白與酪蛋白比例等因素的影響，而酪蛋白網(wǎng)絡(luò)的形成可以通過(guò)流變學(xué)來(lái)反映[41-42]。通過(guò)食品流變學(xué)不僅能夠了解柑橘纖維對(duì)酸乳組織結(jié)構(gòu)變化的影響，還可以評(píng)估食品原料中常用的載體和填充劑蔗糖對(duì)柑橘纖維復(fù)水的保護(hù)作用。

2 柑橘纖維的提取工藝

物理法和化學(xué)法是目前生產(chǎn)柑橘纖維的主要方法，物理法主要包括磨粉、水洗、超微粉碎及干燥等程序，超微粉碎技術(shù)能顯著降低物料顆粒的粒徑，使得物料內(nèi)部暴露出更多的親水基團(tuán)[43]?；瘜W(xué)法主要采用酸堿消解法，使糖苷鍵斷裂，降低纖維大分子的聚合度，從而提高SDF含量。另外常用的方法還有生物法，主要包括酶處理和微生物發(fā)酵。其中，酶處理可以將膳食纖維中的大分子成分酶解成可溶性小分子化合物，專一性強(qiáng)，可以較徹底去除淀粉和蛋白質(zhì)，所得產(chǎn)品純度高、色澤穩(wěn)定，但成本也相對(duì)較高。微生物持續(xù)代謝產(chǎn)生有機(jī)酸、外切葡聚糖苷酶、內(nèi)切葡聚糖苷酶及β-葡萄糖苷酶等，使得纖維素的糖苷鍵斷裂，產(chǎn)生新的還原性末端，部分IDF可以轉(zhuǎn)化成可溶性多糖，顯著提高SDF得率，但微生物發(fā)酵法的條件控制是比較大的挑戰(zhàn)[31,44]。目前常用的菌種也多為食品發(fā)酵生產(chǎn)所用的傳統(tǒng)菌株，如保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌、綠色木霉和藥用真菌等[45]。各提取工藝舉例見(jiàn)表2。

表2 柑橘纖維提取工藝Table 2 Examples of the application of extraction techniques for citrus fiber

目前柑橘纖維的提取工藝主要是物理和化學(xué)方法，由此產(chǎn)生的廢水污染問(wèn)題需要業(yè)內(nèi)人士的更多關(guān)注。生物法能耗及設(shè)備投入較低，而菌株的篩選及生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性控制也具有一定的挑戰(zhàn)性。各生產(chǎn)方法的合理組合使用或可以提高終產(chǎn)品得率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)。

3 柑橘纖維在乳制品中的應(yīng)用

柑橘纖維因其優(yōu)良持水性等理化特性，被作為清潔的食品原料廣泛應(yīng)用于食品行業(yè)中，其作用主要體現(xiàn)在改善加工特性、提高感官品質(zhì)、延長(zhǎng)保質(zhì)期、提高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、作為脂肪替代物以及替代穩(wěn)定劑和乳化劑等[53]。

3.1 柑橘纖維對(duì)改善酸乳質(zhì)構(gòu)的作用

賈迪等[54]研究柑橘纖維在常溫長(zhǎng)保質(zhì)期酸乳中的應(yīng)用情況，柑橘纖維的添加量大于0.6%時(shí)，相對(duì)于空白對(duì)照組，酸乳具有良好的黏度和質(zhì)構(gòu)，尤其是柑橘纖維添加量為0.9%和1.2%時(shí)，樣品具有較好的質(zhì)構(gòu)特性和持水力，而黏度和觸變性相對(duì)適中。表明柑橘纖維作為一種膳食纖維起到增稠、提升產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)和持水力的作用，可以應(yīng)用在長(zhǎng)貨架期酸乳中。Kieserling等[20]評(píng)估來(lái)源于富含果膠的橙子纖維的纖維顆粒大小和纖維濃度對(duì)酸乳產(chǎn)品的影響。結(jié)果表明，當(dāng)添加量為1%時(shí)，顆粒較小的纖維作為填充物來(lái)穩(wěn)定酸乳體系中的酪蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這可能是由于機(jī)械剪切與和熱處理的影響，果膠從橙子纖維中被釋放出來(lái)，而果膠的鈣敏感特性支持了酪蛋白膠束的“橋接”作用，從而起到穩(wěn)定酸乳體系的作用。Shin等[55]研究柑橘纖維和豌豆蛋白在清潔標(biāo)簽豆乳酸乳中的應(yīng)用，結(jié)果表明，0.1%的柑橘纖維即有助于改善攪拌酸乳的黏度和流動(dòng)性等性質(zhì)，而且不影響豆乳酸乳中的活菌數(shù)，該研究結(jié)果可為今后開(kāi)發(fā)清潔標(biāo)簽的攪拌型豆乳酸乳提供參考與借鑒。柑橘纖維作為一種食品原料，而非食品增稠劑，在乳制品的穩(wěn)定體系中具有較明顯的持水作用及穩(wěn)定蛋白的作用。特別是近年來(lái)消費(fèi)者越來(lái)越青睞清潔標(biāo)簽食品，柑橘纖維在清潔標(biāo)簽乳制品中將會(huì)有較大的應(yīng)用空間。

3.2 柑橘纖維在替代脂肪中的作用

除了維持酸乳體系的穩(wěn)定，柑橘纖維還具有替代脂肪口感的較大潛力。Yi Tian等[56]研究普通柑橘纖維粉和球磨微?；母涕倮w維對(duì)低脂酸乳品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，球磨微?；母涕倮w維比普通柑橘纖維粉表現(xiàn)出更好的物理化學(xué)和功能特性，并且2%球磨微?；母涕倮w維可以作為脂肪替代品應(yīng)用在低脂酸乳中，且可以呈現(xiàn)全脂酸乳的大部分質(zhì)地和感官特性。由此可知，球磨微?；母涕倮w維具有代替脂肪的較大潛力。Crizel等[57]研究柑橘纖維在冰淇淋中作為脂肪替代品的應(yīng)用，結(jié)果表明，在冰淇淋中使用來(lái)源于橙子的柑橘纖維作為脂肪替代品，可以減少70%脂肪，而不會(huì)對(duì)產(chǎn)品的顏色、氣味和質(zhì)地等特性產(chǎn)生明顯影響。所以，柑橘纖維被證明是冰淇淋中一種很有前途的脂肪替代品。Liutkevi?ius等[24]研究柑橘纖維在低脂酸奶油中應(yīng)用的可行性，發(fā)現(xiàn)0.3%～0.7%柑橘纖維對(duì)低脂酸奶油（脂肪含量15%）物理和感官特性具有明顯的正向影響。為響應(yīng)國(guó)家大力倡導(dǎo)“三減三健”的健康理念，降低脂肪含量和糖添加量是乳制品行業(yè)近年來(lái)的方向，而柑橘纖維具有替代脂肪的功能特性，可以部分彌補(bǔ)乳制品減少脂肪后的口感損失，適合應(yīng)用在低脂乳制品中。

3.3 柑橘纖維對(duì)乳制品品質(zhì)及益生菌的影響

Erkaya-Kotan等[58]研究來(lái)源于橙子的纖維對(duì)益生菌酸乳品質(zhì)和益生菌活性的影響。結(jié)果表明，添加橙子纖維促進(jìn)了乳雙歧桿菌BB-12的增殖，但抑制了嗜熱鏈球菌ST-20Y的生長(zhǎng)，且添加橙子纖維的酸乳在貯藏期內(nèi)的抗氧化活性均高于對(duì)照組樣品。另外，1.5%的橙子纖維對(duì)酸乳樣品的表觀黏度具有正向影響。表明使用來(lái)源于橙子的柑橘纖維作為膠體替代物可以改善益生菌酸乳的品質(zhì)。Casarotti等[59]研究來(lái)源于橙子的柑橘纖維，及其在含益生菌的羊乳和谷物發(fā)酵產(chǎn)品中的應(yīng)用效果。結(jié)果顯示，添加柑橘纖維不影響羊乳酸乳的發(fā)酵時(shí)間，對(duì)益生菌的增殖沒(méi)有顯著影響，但增加了益生菌對(duì)模擬胃腸道條件的耐受性，使得菌落總數(shù)比對(duì)照組高出2（lg（CFU/mL）），表明添加來(lái)源于橙子等水果的柑橘纖維有助于提高益生菌發(fā)酵產(chǎn)品的功能屬性，并增強(qiáng)了產(chǎn)品對(duì)消費(fèi)者的吸引力。Sendra等[60]在含有來(lái)源于檸檬和橙子的柑橘纖維的MRS培養(yǎng)基中富集培養(yǎng)嗜酸乳桿菌CECT 903、干酪乳桿菌CECT 475和兩歧雙歧桿菌CECT 870。結(jié)果表明，在貯藏期間，柑橘纖維增強(qiáng)了嗜酸乳桿菌CECT 903和干酪乳桿菌CECT 475的存活率，但對(duì)兩歧雙歧桿菌CECT 870的結(jié)果不穩(wěn)定，來(lái)源于橙子的柑橘纖維促進(jìn)其生長(zhǎng)，而檸檬柑橘纖維抑制了其生長(zhǎng)。表明富含柑橘纖維的發(fā)酵乳具有良好的可接受性，并且是多種商業(yè)益生菌的良好載體，而兩歧雙歧桿菌的存活率仍有待研究。

另外，柑橘纖維與乳酸菌的聯(lián)合使用具有很好的可行性，可以推廣到乳制品等含乳酸菌的食品中。然而，不同來(lái)源的柑橘纖維對(duì)乳酸菌生長(zhǎng)的影響不同，需要針對(duì)不同食品基料進(jìn)行專業(yè)化驗(yàn)證。另外，適量的柑橘纖維還可應(yīng)用于新型生物活性添加劑的制備，為柑橘纖維的應(yīng)用打開(kāi)了新的領(lǐng)域。

4 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)柑橘類水果產(chǎn)量大，由此產(chǎn)生的皮渣量巨大，需要綠色環(huán)保的方法進(jìn)行妥善處理。柑橘纖維是來(lái)自于柑橘類水果的膳食纖維，其內(nèi)部比表面積大，具有較好的表觀黏度和持水性能，可以改善乳制品質(zhì)構(gòu)、部分替代脂肪，并且可以特異性促進(jìn)益生菌增殖，可以推廣到酸乳、飲料、奶酪等多種乳制品的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用中。柑橘纖維的提取工藝多元，物理、化學(xué)和生物學(xué)方法均能較高效率生產(chǎn)柑橘纖維，而更高得率及更加綠色的生產(chǎn)方式仍是提取工藝改進(jìn)的方向和趨勢(shì)。柑橘加工產(chǎn)業(yè)和柑橘纖維精細(xì)加工產(chǎn)業(yè)在迅速發(fā)展，本行業(yè)從業(yè)人員致力于提升柑橘纖維終產(chǎn)品得率、提高終產(chǎn)品性能，以期將不同特性的柑橘纖維推廣到更多乳制品的應(yīng)用中。