膳食纖維改性研究進展

王俊麗，臧明夏

（河南師范大學生命科學學院，河南 新鄉(xiāng) 453007）

膳食纖維（dietary fiber，DF）是指不能被人體消化的可食碳水化合物及其類似物，這些物質(zhì)不能被小腸消化吸收，但在大腸中可全部或部分發(fā)酵，其成分包括多糖、低聚糖、木質(zhì)素，或與之相締合的植物成分[1]。膳食纖維能夠平衡人體營養(yǎng)，調(diào)節(jié)機體機能，并對結腸癌、糖尿病、肥胖癥、冠狀動脈硬化等多種疾病具有明顯的治療作用。在飲食日益精細的今天，由于營養(yǎng)過剩和營養(yǎng)失調(diào)導致的糖尿病、心血管病、肥胖癥等所謂的富貴病越來越普遍，嚴重威脅人類的健康。膳食纖維因其對這些富貴病明顯的治療作用而被稱為第七大營養(yǎng)素，成為近年來營養(yǎng)學家、流行病學家和食品科學家的研究熱點。

膳食纖維根據(jù)溶解性不同可分為水溶性膳食纖維和水不溶性膳食纖維，不溶性膳食纖維包括纖維素、木質(zhì)素和部分半纖維素，有助于胃腸蠕動，具有防止便秘的功能。水溶性膳食纖維包括低聚糖、果膠和樹膠等親水膠體物質(zhì)和部分半纖維素，較之不溶性膳食纖維有更重要的生理功能，如抑制腫瘤生長、調(diào)節(jié)血糖血脂、控制肥胖等[2]。天然膳食纖維由于水溶性成分含量偏低而不能發(fā)揮有效的生理功能，因此如何通過各種方法改善水溶性膳食纖維與不溶性膳食纖維的比例，從而提高膳食纖維的品質(zhì)和生理功能成為近年來該領域的研究重點。目前膳食纖維的改性主要有化學處理、物理機械降解和生物改性等方法。無論何種改性方法，其目的都是使膳食纖維中大分子組分斷裂成小分子成分，使部分不溶性成分轉變成可溶性成分，使致密網(wǎng)狀結構轉變?yōu)槭杷删W(wǎng)狀結構，從而改善膳食纖維品質(zhì)，提高其生理功能。

1 化學方法

主要是在一定的溫度下，使用酸或堿等化學試劑處理膳食纖維，使部分不溶性膳食纖維的糖苷鍵斷裂，聚合度下降，轉化成為水溶性膳食纖維以達到改性目的。酸堿處理不僅能提高可溶性膳食纖維含量，還增強了膳食纖維的膽酸吸附能力，可以幫助減低血液中膽固醇含量和降低罹患結腸癌的可能性[3]。陳培基等[4]采用KOH處理麒麟菜，不僅能較好地去除藻體中的蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉、硫酸基和色素等非膳食纖維成分，而且能顯著提高藻體中的卡拉膠凝膠性，減少卡拉膠的流失。Arpathsra Sangnark等[5]用1%堿性過氧化氫處理甘蔗渣得到的蔗渣膳食纖維的亮度、持水力、持油力分別增加34%、96%、55%。

化學改性法的優(yōu)點在于成本低，適合規(guī)模化生產(chǎn)，但同時也存在轉化率低、反應時間長、物料顏色變深、對設備反應條件要求高、引入大量陰陽離子等不良因素。

2 物理方法

物理改性通常是采用擠壓蒸煮、超微粉碎、高壓膨化等機械降解處理手段使纖維物質(zhì)發(fā)生破碎、膨化，從而達到改變其理化性質(zhì)的目的。

2.1 擠壓蒸煮

擠壓蒸煮技術是在擠壓力和剪切力的作用下，物料內(nèi)部水分短時間迅速汽化，纖維物質(zhì)分子間和分子內(nèi)空間結構擴展變形，并在擠出膨化機出口的瞬間，由于突然失壓，大分子的不溶性纖維組分的部分連接鍵斷裂，轉變成為較小分子的可溶性膳食纖維，從而使得物料具有很高的膨脹力和持水性。國內(nèi)外關于蘋果渣[6]、豆渣[7]、玉米皮[8]、大麥[9]等不同來源膳食纖維的擠壓改性均有報道。影響擠壓改性效果的因素主要有pH、進料水分、螺桿轉速、進料速度、擠壓溫度等。擠壓蒸煮改性與化學方法相比有較高的轉化率，而且能改善物料的色澤和風味、具有高溫短時殺菌作用，故在工業(yè)化生產(chǎn)中，膳食纖維改性一般采用擠壓改性方法。但擠壓改性對膳食纖維陽離子交換能力影響較小。

2.2 超微粉碎

超微粉碎一般是指利用機械或流體動力途徑將物料顆粒粉碎至10 μm以下的過程。經(jīng)超微粉碎處理后，部分半纖維素轉化成為水溶性膳食纖維，原有膳食纖維的品質(zhì)不僅大幅提高，口感也得到改善。作為一種現(xiàn)代食品工程高新技術，超微粉碎已廣泛應用于膳食纖維的開發(fā)與生產(chǎn)，美國利用該技術生產(chǎn)的“金谷纖維王”已風靡歐美。超微粉碎改性后的膳食纖維品質(zhì)與粉碎粒徑大小有關[10]，隨著粒徑的不斷減小，膳食纖維的持油力、持水力、膨脹力、重金屬離子吸咐力等功能性質(zhì)不斷提高。超微粉碎改性后的馬鈴薯渣具有降血脂、降血糖功能[11]，主要是因為與其相關的一些物化性質(zhì)的提高（吸油力、陽離子交換能力、胰脂酶抑制力、葡萄糖束縛能力和淀粉酶活力抑制力）。在這些功能特性中，改性馬鈴薯渣空間網(wǎng)絡結構的包囊能力及其比表面積的增大起了重要的作用。

2.3 冷凍粉碎

冷凍粉碎技術是將冷凍與粉碎兩種單元操作相結合，使物料在凍結狀態(tài)下，利用超低溫脆性實現(xiàn)粉碎。它可以粉碎在常溫下難以粉碎的物料，使物料顆粒流動性更好、粒度分布更理想，不會因粉碎使物料發(fā)熱而出現(xiàn)氧化、分解、變色等現(xiàn)象。黃晟等[12]比較超微粉碎和冷凍粉碎技術對麥麩水不溶性膳食纖維的改性效果發(fā)現(xiàn)，冷凍粉碎的膳食纖維，其各種功能性質(zhì)均優(yōu)于超微粉碎樣品。

2.4 瞬時高壓作用

瞬時高壓是集輸送、混合、超微粉碎、加壓、加溫、膨化等多種單元操作于一體的一項全新技術。物料經(jīng)過短時間高壓作用后，進入處理腔接受高速撞擊、空穴作用、高速剪切、瞬間壓降等機械作用，纖維類大分子糖苷鍵可能發(fā)生斷裂，部分轉化為可溶性膳食纖維，從而達到改性目的。瞬時高壓作用對液體物料具有較好的殺菌效果，是一種全新的物理殺菌技術和超微粉碎新技術，對制備高活性膳食纖維有重要作用。劉偉等[13]的研究表明，經(jīng)過瞬時高壓處理后的麥麩膳食纖維的持水力、膨脹力都有不同程度的提高，可溶性膳食纖維含量明顯增加。I.Mateos-Aparicio等[14]通過瞬時高壓法對大豆不溶性膳食纖維進行改性處理，隨著壓力和溫度的增加，物料中的可溶性膳食纖維含量增大。而當壓力增加到一定范圍時可溶性膳食纖維含量的增加幅度有所降低[15]。

2.5 微波、超聲波提取法

微波提取法和超聲波提取法[16]同時具有節(jié)能、省時、環(huán)保等特點，并且都有助于物料中可溶性膳食纖維的提取。微波法通過物料吸收微波能，細胞內(nèi)部溫度迅速上升，其中的纖維素、半纖維素和果膠等粗纖維成分被選擇性加熱，這樣它們就容易水解成低聚寡糖。而超聲波法提取可溶性膳食纖維主要是利用超聲波空化效應和超聲機械作用。

Lou ZX等[17]通過同步微波超聲波作用從牛蒡里提取出富含酚類的膳食纖維（菊粉），得出最合適的提取條件：超聲波功率50 W，微波功率40 W，1 g固體材料與15 mL水混合，反應時間60 s。雖然這種提取方法的菊粉得率（99.03 mg/g）比傳統(tǒng)攪拌萃取（99.7899 mg/g）的少，但提取時間從原來的300 s減少到60 s。提取出的膳食纖維持水力、膨脹力、持油力分別為（12.72±0.34）mL water/g，（16.10±0.57）mL/g 和（8.50±0.36）mL oil/g。

3 生物技術方法

3.1 酶法

目前應用于膳食纖維改性的酶主要有木聚糖酶、纖維素酶和木質(zhì)素氧化酶等。在50℃、145 r/min條件下，膳食纖維與木聚糖酶處理1.75 h后，降低動脈粥樣硬化指數(shù)能力比未處理增強50%，而且具備更強的脂質(zhì)轉化功能[18]。Kyung等[19]利用食用蝸牛粗酶從胡蘿卜渣中提取水溶性膳食纖維，在pH 5，50℃、1%底物濃度和水解96 h的條件下，每水解100 g胡蘿卜渣便可產(chǎn)生77.3 g水溶性膳食纖維。鐘振聲等[20]分別用木聚糖酶、β-葡聚糖酶、纖維素酶和半纖維素酶對大豆不溶性膳食纖維進行改性，結果表明木聚糖酶對提高不溶性膳食纖維持水力的效果最明顯。胡葉碧等[21]通過研究得出：纖維素酶和木聚糖酶復合處理能顯著地提高玉米皮膳食纖維的可溶性膳食纖維含量和溶脹性、持水力、持油力等物理特性。Napolitano等[22]對小麥膳食纖維進行酶法改性，可溶性成分從3.1%增加到8.8%，不溶性膳食纖維向可溶性膳食纖維的轉化有利于人體腸道內(nèi)雙歧桿菌和乳酸桿菌的生長，同時釋放的阿魏酸溶解在血漿中，也起到了減緩心血管疾病的作用。

酶法膳食纖維改性技術的優(yōu)點是膳食纖維產(chǎn)物色澤淺，易漂白，無異味，純度高，且條件溫和、反應速度快、專一性強。缺點是成本高，產(chǎn)率低，在實際生產(chǎn)方面還無法推廣。

3.2 發(fā)酵法

發(fā)酵法是利用微生物發(fā)酵消耗蛋白質(zhì)、淀粉等成分，將膳食纖維大分子組分分解成可溶性小分子化合物，增強與水的結合能力，改善持水力，提高水溶性膳食纖維含量，以達到改性目的。膳食纖維經(jīng)微生物發(fā)酵可產(chǎn)生酪酸，這種四碳脂肪酸能有效治療糖尿病[23]。涂宗財?shù)萚24]以豆渣為原料，經(jīng)微生物發(fā)酵處理和40 MPa下動態(tài)超高壓均質(zhì)處理即可生產(chǎn)出可溶性膳食纖維含量為30%的高活性膳食纖維，發(fā)酵處理降低了均質(zhì)處理的成本，為工業(yè)化生產(chǎn)提供了條件。湯葆莎等[25]采用巴西蘑菇固體發(fā)酵制備麥麩膳食纖維，通過利用麥麩中可溶性營養(yǎng)成分，促進菌絲生長，提高對麥麩不溶性纖維的降解，增加麥麩膳食纖維中的粗蛋白含量。

與非發(fā)酵的膳食纖維相比，發(fā)酵后的膳食纖維產(chǎn)品氣味和色澤得到顯著改善，顆粒更松散，溶脹性和持水力得到很大提高，同時膳食纖維產(chǎn)物中的蛋白質(zhì)、粗纖維、乙醚提取物含量也相應增加。并且發(fā)酵生產(chǎn)過程簡便，成本低廉，較易于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

4 展望

隨著社會的發(fā)展和人們對自身健康的重視，膳食纖維作為人體健康必不可少的食品添加劑，以其獨特的生理功能，日益成為功能性食品、保健品和醫(yī)藥制品的重要成分。而目前面臨的問題是：自然界中存在的膳食纖維原料絕大多數(shù)是不可溶的，對人體的生理活性低。如何將膳食纖維原料制成可溶性成分含量高的膳食纖維產(chǎn)品，是目前該領域的研究重點。雖然有關膳食纖維改性的研究很多，但在實際生產(chǎn)中，真正高效可行的改性方法并不多。因此，尋找合適的改性方法，研制相應的技術設備，提高改性效率，增加產(chǎn)品附加值是膳食纖維研究領域今后要解決的重要課題。

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