高壓技術在膳食纖維改性中的應用

令 博，吳洪斌，鄭 剛，吳 宏，趙國華,2，明 建,2,*

(1. 西南大學食品科學學院，重慶 400715； 2. 重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶 400715；3. 新疆農墾科學院農產品加工研究所，新疆 石河子 832000)

高壓技術在膳食纖維改性中的應用

令 博1，吳洪斌3，鄭 剛1，吳 宏3，趙國華1,2，明 建1,2,*

(1. 西南大學食品科學學院，重慶 400715； 2. 重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶 400715；3. 新疆農墾科學院農產品加工研究所，新疆 石河子 832000)

大量研究證實，改性后的膳食纖維對人體具有更好的生理功能。高壓技術作為一種重要的食品加工技術在膳食纖維的改性研究中具有獨特優勢。本文綜述高壓技術的特點、分類及其在膳食纖維改性中的應用進展，為進一步了解和提高膳食纖維的生理活性、膳食纖維綜合開發和利用提供參考。

高壓技術；膳食纖維；改性；特性

Abstract：A large number of studies have proved that modified dietary fiber is more favorable to human physiological functions than its native counterpart. High-pressure technology as an important food processing technology has unique advantages in the modification of dietary fiber. This paper reviews characteristics and classification of high-pressure technology as well as its applications for the modification of dietary fiber in order to offer references for further understanding and improvement of physiological functions of dietary fiber and its comprehensive ultilization and exploitation.

Key words：high-pressure technology；dietary fiber；modification；characteristics

膳食纖維(dietary fiber，DF)通常指能抵抗人體小腸的消化吸收而能在大腸被部分或者全部發酵的可食用植物性成分(纖維素、半纖維素、木質素等)、碳水化合物及其類似物質的總稱[1]。DF對人體具有重要生理功能，被稱為繼碳水化合物、蛋白質、水分、脂肪、礦物質、維生素之后的“第七大營養素”[2]。膳食纖維分為水溶性(soluble dietary fiber，SDF)和水不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber，IDF)，IDF有利于腸道產生機械蠕動，可以緩解便秘，預防腸道疾病；SDF則有影響碳水化合物和脂類代謝、吸附重金屬離子及膽固醇等功能[3-4]。因此，DF中SDF的組成比例是影響其生理功能的主要因素。一般來講，高品質DF中SDF含量應達到10%以上，否則只能被稱作填充型DF，而許多天然DF中SDF含量僅為3%～4%，無法達到膳食平衡[5]。DF的改性就是通過適當手段使其中的大分子組分連接鍵斷裂變為小分子物質，致密的網狀結構變的更加疏松；使IDF向SDF轉化，增加SDF含量，提高其生理活性。常用的改性方法有化學法、物理法和生物法等[6]，高壓技術作為全新的食品加工方法而倍受關注，已廣泛用于食品加工領域。

1 高壓技術的發展及其在食品加工中的應用

食品高壓處理(high pressure processing，HPP)通常是用100MPa以上(一般100～1000MPa)的壓力(一般為靜水壓)，在常溫或較低溫度(一般低于100℃)條件下，作用于包裝或無包裝的液體及固體食品，從而達到滅菌、物料改性和改變食品某些理化反應速率的效果。由于該技術是一個純物理過程，具有瞬間壓縮、作用均勻、操作安全、能耗低，處理過程不伴隨化學變化，有利于食品色香味形的保持及保護生態環境等諸多優點，是目前研究最多、產業化程度最高的非熱加工技術之一。

1899年，Hite[7]發現高壓能延長牛奶的保存期，隨后又有人發現超高壓會使蛋白質凝固和酶失活，并能殺死微生物[8]。由于受當時超高壓設備制造技術和消費水平的限制，該技術并沒有被應用到食品加工領域，直到20世紀80年代后期，高壓設備技術的成熟才使其在食品加工中逐漸得到應用。1991年，日本明治屋食品公司利用高壓技術生產的果醬作為世界上第一種高壓食品問世，標志著高壓加工技術處理農產品取得了突破性進展，預示高壓加工時代的到來[9-10]。

近幾年，隨著相關技術的發展，食品高壓處理技術逐漸拓展形成了高流體靜壓(high hydrostatic pressure，HHP)、高壓均質(high pressure homogenization，HPH)和高壓二氧化碳(high pressure carbon dioxide，HPCD)3種主要方法[11]。盡管它們都屬于高壓技術范疇，但在作用原理與方式上卻存在著較大區別，其中HHP與HPH在食品加工中應用最多并已被用于DF的改性研究。

1.1 HHP技術

高流體靜壓又稱超高壓(ultra high pressure，UHP)，是在室溫或較低的條件下將物料放入液體介質利用100～1000MPa的壓力產生的極高靜壓影響細胞形態，使形成生物高分子立體結構的氫鍵、離子鍵和疏水鍵等非共價鍵發生變化，使蛋白質凝固、淀粉變性[12]，從而達到殺菌、鈍酶以及物料改性的目的，該技術是被美國農業部食品安全與檢查局(USDA-FSIS)認證并為消費者所接受的食品加工技術[13]。

目前將該技術與熱處理結合即高壓高溫短時工藝(high pressure high temperature，HPHT)用于滅活細菌孢子是食品保藏學研究的熱點[14]，兩種效應的協同作用能夠使一些致病菌如肉毒梭狀芽孢桿菌、腐敗桿菌和梭菌等的孢子大大減少，縮短食品熱處理時間[15-18]，而且該過程不破壞食品成分中的共價鍵及小分子物質，可使風味成分、維生素、色素等免受破壞，延長貨架期并保持食品較好的品質[19]。研究發現HHP作用還能夠使形成酶活性中心的蛋白質三級結構如鹽鍵、疏水鍵以及氫鍵等次級鍵結構破壞，使食品中的內源酶鈍化蛋白質的空間結構受到較大影響[20]。在DF的改性研究中，李鳳[21-22]使用UHP技術分別對小麥和大豆DF進行了改性，Wennberg等[23]利用UHP技術對白菜中DF進行了改性，Yang等[24]利用UHP技術對龍眼皮中DF進行了改性。

1.2 HPH技術

高壓均質(high pressure homogenization，HPH)又稱動態高壓(dynamic high pressure)技術[25]，它是基于均質機工作時產生的空穴作用、湍流作用、碰撞作用以及剪切作用等機械作用對樣品進行超微粉碎[26]，使生物大分子的物理、化學及結構性質發生變化，以此制備新材料或達到改性的目的，根據工作原理又將其稱為瞬時高壓作用(instantaneous high pressure，IHP)或超高壓微射流技術(high pressure microfluidization，HPM)。與HHP相比，該技術壓力相對較低、處理時間較短，但作用效果很好，并且由于剪切力與空穴作用能夠破壞共價鍵結構，所以能夠使一些大分子聚合物中的連接鍵斷裂形成小分子物質[27-28]。

國內外對HPH技術的研究很多，國外學者研究了HPH對奶酪微細結構的影響，結果表明隨著壓力增大奶酪中的脂肪球會小很多[29]，并且利用動態超高壓微射流技術制備了亞微米級的乳狀液[30]，其他研究也證明了HPM技術會影響聚合體的結構得到更小的聚合體[31]。在對熱變性小麥蛋白的功能性影響研究中則顯示微射流處理可以提高含有熱變性小麥蛋白的溶解性[32]。國內學者研究發現超高壓均質處理可以極大減小懸浮顆粒的尺寸，形成單層微脂粒[33]。研究還發現HPH技術對果蔬汁的流變性[34-35]、蛋白質(包括酶制劑)的功能性質[36-38]和淀粉的物理性質[39]有一定的影響。壓力在350MPa以上的高壓均質技術被廣泛用于消毒殺菌以及對食品、生物大分子和乳化劑進行改性[40]，由于食品經部分殺菌鈍酶后能夠延長其貨架期、提高安全性，所以HPH技術是一種有潛力的食品加工技術[41]。在DF改性研究中，HPM技術已在麥麩及豆渣DF[42-43]的改性中得到了廣泛應用。

1.3 高壓技術與其他方法聯合使用

高壓技術作為一種極具發展潛力的食品非熱加工技術可以和許多傳統技術聯合使用發揮更好的作用。例如與化學處理、機械處理、微生物發酵或酶法結合后用于DF的改性便是目前的熱點。涂宗財等[44]以豆渣為原料，研究發現單純以發酵法或IHP法可提高SDF含量15%或35%以上，而在發酵處理的基礎上，利用超高壓均質技術進一步處理和改性，SDF含量最高可達37%以上。表明發酵處理可降低提高SDF含量的難度，節約均質能源，并減少DF對設備的破壞，使得超高壓均質處理提高SDF含量更加容易。

2 高壓技術改性對DF特性的影響

研究證實DF有益于人體的眾多生理功能與它的一些特殊性質關系密切，所以在考察某種改性技術是否有效時，主要是通過測量改性后DF的一些特性變化進行評價。

2.1 高壓技術改性對DF形態學特性的影響

DF的生理功能很大程度上與其水化作用(如膨脹力、持水力等)有關，而水化作用除與DF的來源和改性工藝有關外，還與成品的粒度有很大關系。一般來說，DF的粒度越小則其表面積越大，其持水力和膨脹性也相應增大，生理功能發揮越顯著。HPH技術作為一種成熟的超微粉碎技術對改變DF的粒度具有很大優勢。

劉偉等[42]研究顯示麥麩DF經均質處理后膨脹率、持水力、結合水力均有不同程度的增加，纖維懸浮液中顆粒分布更均勻、性質更穩定，在電鏡下觀察發現，纖維發生了明顯的斷裂和破碎，形貌發生了根本的變化，一定程度上提高了DF的品質。李鳳[21-22]研究發現用HHP處理后的小麥和大豆DF持水力和膨脹率均有很大提高，并推測持水力的提高可能與結構改變帶來的親水基團裸露和組織疏松帶來的組織滯留水分能力增強有關，預示處理后樣品的組織應該更加疏松。膨脹率的提高可能與較好的空間網狀結構所具有的良好支撐作用有關，預示處理后樣品的空間結構可能沒有受到大的破壞。Yang等[24]對龍眼皮進行HHP處理后纖維素的水解度可提高3%，而木質素成分并沒有發生變化，由此也證實了HHP技術并不能改變大分子物質中的共價鍵結構。

2.2 高壓技術改性對DF流變學特性的影響

食品流變學是食品工業向高質量、大型化、自動化發展的必然結果，已引起越來越多的食品專家的重視。在食品加工中，改進物料的流變學特性使其具有更好的加工性能、提高產品質量非常重要，直接關系到食品加工效果和經濟效益。高壓處理一般是在液相中進行的，所以流變性的研究主要集中在改性后DF溶液黏度的變化方面。

通過對小麥DF進行HHP處理后發現其黏度略有降低，而經HHP處理后的大豆DF其黏度下降了12.5%，但原料仍表現非水溶性特征，說明HHP處理不足以破壞纖維素聚合物的基本結構，IDF的根本性質并沒有改變[21-22]。有研究發現經HPH處理后的DF溶液具有更高的流變模型擬合度和更高的屈服力，溶液黏度大幅提高，當按一定比例添加入純牛奶后能改變乳品流變性質，增加其黏度[45]。還有研究發現經HPH改性后的DF溶液黏度值隨壓力和濃度的增大而升高，并在稀釋過程中相比未處理樣品黏度的非線性下降幅度低一些[46-47]。

2.3 高壓技術改性對SDF的影響

由于SDF更多發揮的是代謝功能，所以提高溶解性或增加SDF的含量是改性研究的關鍵。

劉成梅等[48]利用HPH對豆渣DF改性后發現，DF的粒度變細，IDF含量有所減少，并隨壓力的增大減少越多，相反SDF含量有所增加，但幅度隨壓力增大而變小。Tu等[49]以豆渣為原料研究發現用HPH技術改性后SDF含量可提高10%～28%，并隨處理壓力的升高而增大。趙健等[50]利用HHP技術對紅薯渣DF處理后發現其化學結構基本沒有變化，但會使纖維比例發生改變，SDF含量減少，IDF含量增加。Wennberg等[23]利用HHP技術對白菜中DF進行了改性研究，發現高溫高壓處理對白菜中SDF含量影響很小，溶解性卻隨溫度與壓力的增加而下降，這主要是由于處理后的SDF與IDF含量發生了改變，SDF含量減少，IDF的含量增加所致，而類似研究如Mateos-Aparicio等[51]利用HHP處理豆渣DF后卻發現SDF含量增加，并隨壓力的升高增加越多，這種相反的結果可能是由于不同植物細胞壁結構各異所引起的。

2.4 高壓技術改性對DF吸附金屬離子及膽汁酸特性的影響

在DF的眾多生理功能中，吸附金屬離子及膽酸鹽的作用對人體可以起到排毒、減體質量、調血脂，預防腸癌等重要作用，在保健食品的研發中具有十分誘人的價值。

有研究表明DF對各種有害物質的吸附作用主要是物理吸附與化學吸附的綜合結果，所以通過改性工作改變DF的物理化學特性，提高其對有害物質的吸附能力具有重要的研究價值[52]。例如，豆渣DF經HPH處理后樣品光滑細膩、顆粒高度破碎、吸附面積增大、黏度增大使顆粒內能或表面能增大、物料顆粒的活性得到較大提高，當其在生理條件(37℃，pH7～2)時對Cu2+、Ca2+、Mg2+、Pb2+等重金屬離子的吸附作用明顯增強[43]。

研究發現DF降低血漿膽固醇含量和心血管疾病發病率等生理功能，主要與吸附膽汁酸并減少其吸收量有關[53]。如豆渣DF經HPH處理后IDF的顆粒變小，吸附面積增大，黏度增大，可明顯提高IDF對膽酸鈉的吸附量并延長吸附時間，還可增加在降血脂作用中發揮實際作用的SDF含量[54]。紅薯渣DF經HHP處理后對膽酸鹽的吸附能力高于對照組，但并未隨壓力增大而增強[50]。荷葉DF經120MPa瞬時高壓作用處理后對脂肪和膽固醇的吸附能力均有較大的提高[55]。

3 展 望

與傳統的化學改性技術相比，高壓改性技術通過單純的物理方法來改變DF中纖維的組成比例及纖維的物理化學結構進而影響其功能特性，可以作為一種未來的主導技術對DF進行有目的改性。HHP技術雖然能夠使DF組織更加疏松，使持水力、膨脹力、黏度及溶解性等理化性質有一定改變，但由于該技術改變了DF中纖維的構成比例，使SDF相對減少，IDF相對增加，而總體化學結構卻無改變，所以HHP技術不適于作為一種提高SDF含量的改性方法，其利用價值還有待進行更深層次的研究。而HPH技術由于瞬間產生的空穴作用、湍流作用、碰撞作用以及剪切作用使DF顆粒的粒度發生變化，并且由于破壞了共價鍵，導致大分子物質間的連接鍵斷裂形成小分子物質，從而使其理化性質發生根本變化，部分IDF轉化為SDF，SDF/IDF值增大，改善了DF的功能特性。所以，HPH技術是目前最具潛力的改性方法，進一步突破其技術難點，對擴大其應用范圍具有特別重要的意義。

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Application of High-Pressure Technology for the Modification of Dietary Fiber: A Review

LING Bo1，WU Hong-bin3，ZHENG Gang1，WU Hong3，ZHAO Guo-hua1,2，MING Jian1,2,*
(1. College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China；2. Chongqing Special Food Programme and Technology Research Center, Chongqing 400715, China；3. Instiute of Agro-food Science and Technology, Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation, Shihezi 832000, China )

S567；R284

A

1002-6630(2010)15-0312-05

2010-05-04

新疆生產建設兵團工業科技攻關項目(2009GG39)；新疆生產建設兵團博士資金項目(2009JC12)

令博(1986—)，男，碩士研究生，研究方向為食品化學與營養學。E-mail：6lb6lb@163.com

*通信作者：明建(1972—)，男，副教授，博士，研究方向為食品化學與營養學。E-mail：mingjian1972@163.com