膳食纖維擠壓改性研究進展

房巖強 楊海鶯 謝 天 任晨剛 左乃北 丁慶波

(中糧營養健康研究院 營養健康與食品安全北京市重點實驗室，北京 102209)

膳食纖維擠壓改性研究進展

房巖強 楊海鶯 謝 天 任晨剛 左乃北 丁慶波

(中糧營養健康研究院 營養健康與食品安全北京市重點實驗室，北京 102209)

隨著人們生活水平和健康意識的不斷提高，對高膳食纖維含量食品的需求和青睞度越來越高。為提高天然膳食纖維的品質，膳食纖維改性技術和方法的研究備受關注。其中，擠壓是實現食品原料中膳食纖維改性最為理想的技術之一。在分析相關文獻的基礎上，從溶解性、持水力、膨脹力以及微觀結構4個方面，綜述了膳食纖維在擠壓過程中發生的變化。同時，綜述了擠壓溫度、機械剪切強度和含水量3個主要擠壓因素對膳食纖維特性的影響規律。最后對膳食纖維擠壓改性研究中存在的問題進行總結，對擠壓技術在膳食纖維改性中的應用前景進行了展望。

螺桿擠壓技術 膳食纖維 理化特性

膳食纖維(Dietary Fiber，DF)是指能抗人體小腸消化吸收的而在人體大腸中能部分或全部發酵的可食用的植物性成分、碳水化合物及其相類似物質的總和，包括多糖、寡糖、木質素以及相關的植物物質[1]。根據溶解性，DF可分為可溶性膳食纖維(Soluble Dietary Fiber，SDF)和不溶性膳食纖維(Insoluble Dietary Fiber，IDF)。應用過程中，DF較好加工特性、生理活性和保健功能的發揮不僅與其添加劑量有關，更與其組成中SDF的比例密切相關。高品質的DF，其組成中SDF含量應達到10%以上；否則只是一種無能量填充劑[2-3]。另外，SDF與IDF的比例為1∶3時，DF組成合理，能夠最佳地發揮DF的生理功能[4-5]。但是，天然存在的纖維中大部分為IDF，SDF含量一般僅占3%～4%，遠低于高品質DF的要求。因此，通過改性提高天然纖維中SDF的含量為國內外學者所關注。常見的DF改性方法包括化學法、機械降解法、微生物發酵法、酶法以及幾種方法相結合的混合處理法。

擠壓法為機械降解法之一，與其他方法相比，擠壓法集物料的均質、破碎、熔融、殺菌和熟化等一系列復雜操作單元于一體，能在短時間內實現部分大分子聚合物直接或間接轉化為SDF。且高纖維物料經擠壓處理后，還可改良色澤與風味，鈍化部分能引起不良風味的分解酶，進而改善擠壓產品的穩定性和風味，因此，在工業化生產中，DF改性一般采用擠壓改性方法[6]。在擠壓熱力場、機械能場以及高壓作用下，維持纖維素束狀結構的氫鍵遭到破壞，其致密空間網絡結構轉變為疏松網絡空間結構，纖維分子的結晶度降低，晶粒尺寸減小，纖維分子微粒化；同時，由于纖維素大分子具有極性和方向性，在擠壓能量場的作用下，纖維晶粒的取向程度增加[3，5，7-8]。宏觀上，表現為纖維素溶解性、持水力和膨脹力等特性的變化。本研究總結和論述了擠壓過程中DF特性及結構的變化規律，以期為控制擠壓過程中DF特性的改變及優化DF擠壓改性的工藝提供參考。

1 對膳食纖維溶解性的影響

IDF主要作用于腸道產生機械蠕動效果，而SDF更多地發揮代謝功能，如影響可利用碳水化合物和脂類的代謝[8]。因此，提高DF的水溶性，即提高SDF的組成比例是提高DF生理功能的重要途徑，這也是應用擠壓工藝改性DF的主要目的之一。

有關DF在擠壓過程中溶解性的變化，前人已進行了較多研究[9-12]。盡管擠壓設備和原料有所不同，但研究結論較為一致，認為擠壓可有效提高DF組成中SDF的比例，提高幅度在2.5%～15%。Bj?orck等[13]較早開展了擠壓對小麥DF影響的研究，結果表明，擠壓處理后，小麥粉SDF的比例可增加10%～15%[14]。同時，Bj?rck等[13]和Aoe等[15]都發現小麥粉擠壓后增加的SDF能改善纖維的消化率。Wang等[16]使用Wenger TX-52雙螺桿擠壓機，對擠壓前后小麥麩皮SDF含量的變化研究后發現，經過喂料速度1.3 kg/min、擠壓溫度141 ℃、含水量21.8%、螺桿轉速400 r/min的工藝擠壓后，小麥麩皮SDF含量由1.72%增加至4.25%，增加了2.53%。Zhang等[17]在含水量10%、擠壓溫度140 ℃條件下，分析了擠壓對燕麥麩皮SDF的影響。結果表明，擠壓后燕麥麩皮SDF含量由8.9%增加至14.2%，提高了5.3%。侯漢學等[18]在山東濟南賽信DS56-X雙螺桿擠壓機平臺上，也進行了擠壓對麥麩DF改性的研究。結果表明，經過含水量25%、螺桿轉速800 r/min、擠出機出料口溫度190℃的擠壓工藝處理后，麥麩纖維中可溶物含量提高了10%。許暉[19]使用Clextral BC 45雙螺桿擠壓機，在擠壓溫度150 ℃、含水量17.5%、螺桿轉速150 r/min條件下，研究了擠壓對米糠DF的影響。結果表明，擠壓后米糠SDF含量由2.80%增加至15.58%，增加了12.78%。

1.1 擠壓溫度對膳食纖維溶解性的影響

擠壓過程中物理、化學反應的劇烈程度隨擠壓條件的不同而發生變化。對于擠壓工藝參數與DF溶解特性的變化關系，前人已進行了較多探討，發現擠壓溫度是影響DF溶解性的重要因素。Jing等[20]在山東濟南賽信DS56-Ⅲ雙螺桿擠壓機平臺上，分別對70、90、110、130和150 ℃擠壓處理后大豆殘渣SDF含量進行了測定，結果表明，當擠壓溫度小于110 ℃時，溫度對SDF含量存在正影響；當擠壓溫度高于110 ℃時，溫度對SDF含量存在負影響。分析認為，溫度過高時，可能會引起物料的焦糊和團聚，從而降低SDF含量，最佳擠壓溫度為115 ℃。徐紅華等[21]分別對90、110和130 ℃擠壓處理后的稻麩中SDF含量進行了測定。與Jing等[20]有類似發現，稻麩擠出物中SDF的含量隨擠壓溫度提高明顯增加，但溫度過高時，增加趨勢會降低。單成俊等[3]使用濟南山工DS32-Ⅲ雙螺桿擠壓機，分別對110、150、190和230 ℃擠壓處理后甘薯渣中SDF含量進行了測定。結果表明，SDF含量在各溫度處理后都有顯著增加，分別增加了111%、168%、155%和113%，優化的最佳擠壓溫度為159.7 ℃。謝碧霞等[5]以Clextral BC45雙螺桿擠壓機的研究表明，當擠出物的溫度由103 ℃升高到115 ℃時，蔗渣纖維中SDF含量由8.3%升高到12.9%，提高了4.6%；進一步提高擠出物溫度至118 ℃，蔗渣纖維SDF含量降低至12.6%。可見，擠壓溫度對擠出物中SDF含量的影響存在閾值，該閾值由擠壓原料、設備等參數共同決定。當擠壓溫度小于該閾值時，溫度對SDF含量存在正影響；當溫度大于該閾值時，溫度對SDF含量存在負影響。一般認為，擠壓溫度控制在115～160 ℃之間對提高SDF含量最為適合。

1.2 機械剪切強度對膳食纖維溶解性的影響

擠壓過程中，SDF含量的變化同時受到機械剪切強度的影響。機械剪切的強度可通過單位機械能耗(Specific Mechanical Energy，SME)表征。Ralet等[8]發現，當SME由232 kW·h/t升至386 kW·h/t，小麥麩皮SDF含量由10.8%升高至16.0%。鄭建仙等[22]發現，當SME由181 kW·h/t升至231 kW·h/t，蔗渣SDF含量由8.2%升高至11.3%。可見，機械剪切強度對SDF含量有顯著正影響。前人有以螺桿轉速表征機械剪切強度，研究其與SDF含量的關系。單成俊等[3]發現，當螺桿轉速由60 r/min升高到150 r/min時，甘薯渣中SDF含量由9.33%降低至7.93%，表明螺桿轉速對SDF含量有負影響。徐紅華等[21]也認為螺桿轉速與SDF含量顯著負相關。但是，Wang等[16]發現，當螺桿轉速由200 r/min升至400 r/min時，小麥麩皮SDF含量由2.96%升高至4.25%。表明螺桿轉速對SDF含量有正影響。謝碧霞等[5]也認為螺桿轉速與SDF含量顯著正相關。前人研究結論的不一致可能是由于擠壓過程中，螺桿轉速對SDF含量存在相反的兩方面影響[23]。一方面，提高螺桿轉速，物料受到的機械剪切強度增大，有利于大分子的降解，從而增加SDF含量；另一方面，提高螺桿轉速，物料在擠壓機機腔內的滯留時間變短，物料不能吸收足夠的能量，從而不利于SDF的生成。可見，擠壓過程中，以螺桿轉速表征機械剪切的強度，研究SDF含量與剪切強度的關系并不合理。

1.3 擠壓含水量對膳食纖維溶解性的影響

擠壓過程中，含水量也是影響SDF含量的重要因素。水分是擠壓物料的塑化劑，可以降低物料的玻璃化轉變溫度、熔融溫度和熔融黏度；是擠壓系統的導熱劑和熟化劑，將機筒外壁電加熱套和蒸汽的熱能迅速傳到物料內部，促進理化反應的進行。同時，水分起到潤滑劑和降黏劑的作用，增加含水量將會降低物料與擠壓機機筒內壁、螺桿和模口之間的摩擦，同時降低熔融體的黏度，從而降低機械剪切的強度[24]。可見，含水量過低或過高都不利于SDF含量的升高。錢建亞等[25]分別對15%、20%和25%含水量下擠壓處理的大豆殘渣SDF含量進行了測定。結果表明，SDF含量在各處理后都有顯著增加，分別增加了281%、171%和100%。謝碧霞等[5]發現，當物料含水量由60%降低至30%時，蔗渣SDF含量由5.3%增加至12.3%。婁海偉等[26]發現，當含水量由10%升高至40%過程中，大豆殘渣SDF含量呈現出先增加后降低的趨勢，最適含水量為25%。Jing等[20]也有類似發現，當擠壓含水量由20%升高至40%過程中，大豆殘渣SDF含量先增加后降低，最適含水量為30%。一般認為，擠壓水分控制在15%～30%之間對提高SDF含量最為適合。

擠壓可顯著提高DF組成中SDF的比例，提高幅度在2.5%～15%。擠壓溫度、剪切強度和含水量是影響DF溶解性的重要因素。控制擠壓溫度115～160 ℃，含水量15%～30%對提高SDF含量最為適合，機械剪切強度對SDF含量存在顯著正影響。

2 對膳食纖維持水力的影響

持水力是評價DF生理活性和加工應用性能的一個重要指標，高持水力的DF能夠增加人體排便的體積和速度，減輕直腸內壓力，預防和治療便秘、直腸癌等；另外，高持水力的DF添加于食品中能夠降低食品的脫水收縮作用，延長食品貨架期[26]。高品質的DF其持水力不應低于7 g/g[5]。

關于擠壓過程中DF持水力的變化，前人已進行了較多探討，研究結論較為一致，認為適宜條件下的擠壓處理可顯著提高DF的持水力，一般提高20%～75%。提高幅度跨度較大的原因可能是原料種類、擠壓設備和擠壓工藝不同所致。Ralet等[8]使用Clextral BC45雙螺桿擠壓機，在喂料速度32 kg/h、擠壓溫度100 ℃、含水量17.5%、螺桿轉速250 r/min條件下，研究了擠壓對小麥麩皮DF持水力的影響。結果表明，擠壓后，小麥麩皮DF持水力由2.7 g/g增加至3.75 g/g，增加了39%。劉金霞等[7]使用DS32-III實驗型雙螺桿擠壓機，在擠壓溫度140 ℃、螺桿轉速100 r/min、含水量15%條件下，也開展了擠壓對小麥麩皮DF持水力影響的研究。結果表明，擠壓后，小麥DF持水力由3.48 g/g增加至4.18 g/g，提高20%。婁海偉等[26]發現，經過擠壓溫度160 ℃、螺桿轉速175 r/min、含水量20%的擠壓蒸煮工藝處理后，豆渣DF持水力由5.56 g/g上升到9.71 g/g，增加了75%。

2.1 擠壓溫度對膳食纖維持水力的影響

擠壓過程中，DF的持水力會因擠壓溫度的不同而發生變化。適宜的溫度條件下，物料緊密的組織結構及大分子構象被擠壓過程中的多種作用力所松散、切斷，使其親水基團暴露并增多，從而產生更多的毛細孔，使水分易于滲入并被束縛，因此，其持水力增加；但溫度過高，擠壓強度增加，物料原有的組織結構被嚴重破壞(如原有的毛細孔變成大的裂縫)，反而影響了對水分的吸收，因此，導致其持水力下降[28]。Hashimoto等[29]發現，當擠壓溫度在150～180 ℃范圍內時，溫度與木薯DF的持水力呈現顯著負相關關系。劉金霞等[28]建議，擠壓溫度控制在120～160 ℃，最有利于小麥DF持水力的提高。一般認為，為提高DF持水力，擠壓溫度控制在120～160 ℃之間最為適合。

2.2 機械剪切強度對膳食纖維持水力的影響

機械剪切強度對DF持水力的影響，前人也有報道。Ralet等[8]發現，當SME由232 kW·h/t升至386 kW·h/t，小麥麩皮持水力由3.75 g/g降低至2.2 g/g，后者比未擠壓麩皮低19%。可能的原因是中低強度的擠壓(232～316 kW·h/t)通過改善DF的結構產生了更多水分子可以滲入的氣孔；而高強度的擠壓(386 kW·h/t)可能導致氣孔結構的塌陷。Hashimoto等[29]發現，當螺桿轉速由120 r/min升至180 r/min時，木薯DF的持水力呈現出先降低后增加的趨勢，以120 r/min條件下最高。Wang 等[16]發現，螺桿轉速(200～400 r/min)與小麥麩皮DF持水力呈正相關關系。劉金霞等[28]發現，當螺桿轉速在50～200 r/min范圍時，小麥DF持水力與螺桿轉速呈正相關關系；當螺桿轉速在200～300 r/min范圍時，小麥DF持水力與螺桿轉速呈負相關關系；建議螺桿轉速控制在100～250 r/min，最有利于小麥DF持水力的提高。可見，為提高DF持水力，擠壓強度控制在中低機械強度最為合適。

2.3 擠壓含水量對膳食纖維持水力的影響

擠壓含水量對DF持水力的影響，前人研究較少。劉金霞等[28]發現，含水量對DF持水力的影響不是單一的線性相關關系；當含水量控制在15%～45%范圍擠壓時，小麥DF持水力最高。Ralet等[8]擠壓時，含水量控制在8.7%～17.5%時較為合適。Wang等[16]擠壓時，含水量控制在18.2%～21.8%。Zhang等[17]擠壓時，含水量控制在10%～30%。謝碧霞等[5]認為DF改性時，水分可控制在30%～60%。分析認為，水分應根據擠壓溫度的高低而調節，一般控制在15%～45%范圍較為合適。

適宜條件的擠壓處理可顯著提高DF的持水力，提高幅度可達20%～75%。控制擠壓溫度120～160 ℃，機械剪切中低強度，含水量15%～45%對提高DF持水力最為適合。

3 對膳食纖維膨脹力的影響

膨脹力是評價DF生理活性和加工應用性能的另一個重要指標，高品質的DF其膨脹力不應低于10 mL/g[5]。

有關擠壓對DF膨脹力的影響，國外學者研究較少，國內學者進行了較多研究。結果表明，擠壓可顯著提高DF的膨脹力，提高幅度在6%～60%。Jing等[20]發現，經過最適條件的擠壓蒸煮處理后，大豆殘渣DF膨脹力由5.79 mL/g升至6.13 mL/g，增加6%。張明[30]發現，經過最適條件的擠壓蒸煮處理后，小麥DF膨脹力提高16%～30%。劉金霞等[28]發現，經過最適條件的擠壓蒸煮處理后，小麥DF膨脹力由3.45 ml/g增加至4.70 ml/g，提高36%。婁海偉等[26]發現，經過最適條件的擠壓蒸煮處理后，豆渣DF的膨脹力從6.33 mL/g上升到9.58 mL/g，增加了51%。陳雪峰等[31]發現，經過最適條件的擠壓蒸煮處理后，蘋果DF膨脹力增加幅度可達60%左右。

3.1 擠壓溫度對膳食纖維膨脹力的影響

擠壓過程中，擠壓溫度對DF膨脹力的影響規律與對持水力的影響規律基本一樣。張艷榮等[32]認為，擠壓溫度超過145 ℃，擠出程度過于劇烈，物料的組織結構被嚴重破壞，原有的毛細孔變成大的裂縫，立體微孔網狀結構出現破損，降低了纖維對水分的吸收能力，導致膨脹力和持水力的減小。張明[30]優化的小麥麩皮DF的最佳擠壓溫度為133 ℃。婁海偉等[26]優化的豆渣DF的最佳擠壓蒸煮溫度為160 ℃。劉金霞等[28]建議，擠壓溫度控制在120～160 ℃，最有利于小麥DF膨脹力的提高。一般認為，為提高DF膨脹力，擠壓溫度應控制在120～160 ℃之間。

3.2 機械剪切強度對膳食纖維膨脹力的影響

前人對于機械剪切強度和擠壓含水量對DF膨脹力影響的報道較為少見。劉金霞等[28]發現，當螺桿轉速在50～200 r/min范圍時，小麥DF膨脹力與螺桿轉速呈正相關關系；當螺桿轉速在200～300 r/min范圍時，小麥DF膨脹力與螺桿轉速呈負相關關系；建議螺桿轉速控制在100～250 r/min，最有利于小麥DF膨脹力的提高。可見，為提高DF膨脹力，擠壓強度控制在中低機械強度最為合適。

3.3 擠壓含水量對膳食纖維膨脹力的影響

前人對于擠壓含水量對DF膨脹力影響的報道也較為少見。劉金霞等[28]發現，隨著擠壓含水量的不斷提高，小麥DF的膨脹力不斷增大；當含水量達到15%～45%范圍時，小麥DF的膨脹力達到最大；當含水量超過45%，小麥DF的膨脹力隨著含水量進一步提高呈現降低趨勢。結果表明，含水量控制在15%～45%范圍擠壓時，最有利于小麥DF膨脹力的提高。

適宜條件的擠壓處理可顯著提高DF的膨脹力，提高范圍在6%～60%。擠壓溫度、機械剪切強度和含水量對DF膨脹力的影響規律基本與對DF持水力的影響規律一致，這可能是國外學者較少關注擠壓對DF膨脹力影響規律的原因。控制擠壓溫度120～160 ℃，機械剪切中低強度，含水量15%～45%對提高DF膨脹力最為合適。

4 對膳食纖維改性機理分析

根據DF結構決定其特性的理論，DF經過擠壓呈現出的高溶解性、高持水力和高膨脹力等優良品質是由其微觀分子結構決定的。對于擠壓過程中DF微觀結構的變化，前人研究主要圍繞SDF的增加機理展開。一般認為，SDF的增加主要存在3種途徑[33]。第1種是IDF向SDF轉化，在擠壓高溫、高壓、強剪切力下，IDF發生熱力分解，導致化學鍵(糖苷鍵等)的斷裂，進而形成可溶性微粒。Redgwell等[34]利用化學分餾方法，對擠壓后的柑橘中的SDF進行了分析，發現條件相對溫和的擠壓處理引起半纖維素的降解、增溶；而條件劇烈的情況下可能引起纖維素的降解。錢建亞等[25]發現，擠壓前后大豆DF水溶物與半纖維素兩者相加，基本為定值，因此認為水溶物主要由半纖維素轉化而來。第2種是通過轉糖苷作用形成新的SDF。Vasanthan等[12]和Theander等[35]的研究都表明，擠壓過程中，SDF的增加除來自IDF轉化外，擠壓過程產生的一些脫水化合物(1，6-脫水-D-葡萄糖單位)，能與淀粉反應，通過轉糖苷作用形成葡聚糖，從而增加SDF含量。第3種是增加SDF的溶出[33]。擠壓后物料粒度更加均勻，組織結構更加疏松，有利于測定過程中水溶性成分的溶出。

對于具體結構的變化，前人的研究內容主要集中在2個方面，一個是DF微觀網狀結構的變化；另一個是DF晶體結構的變化。陳雪峰等[31]發現，未擠壓蘋果DF微觀網狀結構表面比較光滑平整；擠壓后，變得凹凸不平，分布大量小碎片。王昌濤等[36]也有類似發現，擠壓前燕麥麩皮DF微觀網狀結構表面平滑；擠壓后表面粗糙。另外，擠壓后DF的微觀網狀結構更加明顯、疏松，有利于對水的保持。擠壓對DF晶體結構的影響方面，陳雪峰等[31]的研究表明，擠壓過程中強擠壓力和剪切力的存在，會導致纖維素的部分斷裂，引起結晶區的減少。但錢建亞等[25]、金茂國等[37]、鄭建仙[38]以及金征宇等[39]的研究表明，擠壓對纖維素的結晶區結構沒有明顯影響。錢建亞等[25]認為，可能是由于原料中的蛋白質膠體在擠壓過程中起了潤滑或是緩沖的作用，使機械剪切不足以破壞結晶區。一般認為，常規條件下，擠壓處理更多的作用于纖維素的無定形區，對結晶區沒有顯著影響。

5 結語

研究和明確擠壓對DF特性及結構的影響規律，可為控制擠壓過程中DF的改性提供參考。擠壓過程中，高溫、高壓和強剪切作用引起DF微觀網狀結構的改善和IDF的降解，并最終導致DF宏觀特性，如溶解性、持水力和膨脹力的顯著提高。

前人基本明確了DF擠壓改性的工藝條件，但是對于原料種類與DF改性程度的研究，前人鮮有涉及。原料選擇是影響食品新產品開發和工業生產的重要環節，既關乎工藝設計，又影響產品成本。因此，對于原料種類與DF改性程度的研究，有待系統開展。另一方面，相比于IDF，天然SDF能夠更多地發揮代謝功能，益于人體健康；對于通過改性手段提高的SDF對人體是否具有與天然SDF相同的健康效應，有待進一步評估。相信，隨著人們對DF擠壓改性研究的深化，改性DF的品質將會不斷提高。同時，擠壓改性的工藝將會更加的高效和節能。經過擠壓處理的高品質DF原料將會更加廣泛地應用于烘焙食品、蒸煮食品、飲料和各種谷物休閑食品等的加工中，滿足人們對高含量和高品質DF產品的需求。另一方面，擠壓技術改性DF應用的不斷拓展，也會助推擠壓設備的不斷更新、擠壓理論的不斷完善和DF擠壓改性研究的進一步深化。

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Research Progress on Modifications of Dietary Fiber in Extrusion Cooking

Fang Yanqiang Yang Haiying Xie Tian Ren Chengang Zuo Naibei Ding Qingbo

(Beijing Key Laboratory of Nutrition，Health and Food Safety，COFCO Nutrition and Health Research Institute，Beijing 102209)

Food rich in dietary fiber are requested gradually with the improvement of people’s living standard and health awareness.Research on the technology and method of dietary fiber modification is eye-catching in order to enhance the quality of natural dietary fiber.Among the technologies for the modification of dietary fiber，extrusion cooking is one of the best.The modifications of solubility，water holding capacity，swelling ability and microstructure of dietary fiber during extrusion cooking process were reviewed.Meanwhile，the specific effects of extrusion temperature，mechanical shear strength and moisture content on the quality of dietary fiber were reviewed respectively.At last，the problems that existed in the researches on dietary fiber modification during extrusion cooking process were summarized.In addition，the application prospect of extrusion cooking in dietary fiber modification was expected.

extrusion technology，dietary fiber，physicochemical properties

TS209

A

1003-0174(2016)02-0141-06

中糧集團產品開發項目(2014-C2-P007)

2014-07-21

房巖強，男，1987年出生，碩士，谷物休閑食品開發

丁慶波，男，1966年出生，博士，休閑食品開發