豆渣膳食纖維的改性研究進展

李偉偉,周才瓊,2,*

(1.西南大學食品科學學院,重慶 400715; 2.食品科學與工程國家級實驗教學示范中心(西南大學),重慶 400715)

膳食纖維具有調節胃腸道和預防慢性疾病等重要的生理功能,被譽為第七大營養素;但不同膳食纖維功能特性不同。其中可溶性膳食纖維(Soluble dietary fiber,SDF)比不溶性膳食纖維(Insoluble dietary fiber,IDF)具有更強的功能性[1-3]。IDF主要由木質素、纖維素和部分半纖維素組成,可加強腸道的蠕動,減少腸癌、便秘等疾病的發生;SDF由部分半纖維素和親水性果膠等物質組成,可有效降低膽固醇,提高葡萄糖耐受力[4-5]。Richard等[6]認為人類的食物中的總膳食纖維中要含至少10%的可溶性膳食纖維才能算是平衡膳食。

豆渣(soybean residue)是中國傳統豆類制品加工中的副產品,加工大豆過程中,濕豆渣產率120%[7]。豆渣富含膳食纖維和部分黃酮、鈣、鐵、磷和維生素[8],是一種低廉且營養價值高的膳食纖維來源。但由于主要為不溶性膳食纖維,口感較差而限制了其在食品加工中的應用。為此,采用不同的方法對豆渣膳食纖維進行改性是提升豆渣應用價值的重要手段。

目前報道的對豆渣膳食纖維進行改性的方法主要是高壓、高溫、發酵、酶解、均質、離子液體處理或者這幾種方法聯合處理等[4-5,9]。本文對各種改性方法的作用原理,對豆渣改性的結果及應用前景等進行了綜述,為豆渣膳食纖維改性及應用于食品加工提供支持。

1 不同膳食纖維功能特性

膳食纖維分為可溶和不可溶兩類,不可溶纖維在水中難于分散,其持水性、粘度、膽酸結合能力、陽離子交換能力和對發酵的敏感度等有差異。不同膳食纖維功能特性綜述見表1。表明通過改性提高膳食纖維SDF含量,是提升膳食纖維品質及應用的重要途徑。

表1 膳食纖維的不同性質與功能之間的關系Table 1 Relationship between different properties and functions of dietary fiber

2 改性對豆渣膳食纖維的影響

不同處理對豆渣膳食纖維的影響概括如表2。

表2 不同處理對豆渣膳食纖維的影響Table 2 Effects of different treatments on dietary fiber of soybean dregs

2.1 物理改性對豆渣膳食纖維的影響

常用物理處理方法有擠壓、膨化、粉碎,主要原理是通過強烈的物理作用力(如剪切、擠壓、破碎等)使大分子的不溶性纖維如纖維素或半纖維素的分子鍵斷裂變成可溶性成分,基本不會改變總膳食纖維含量。不足之處是該處理方法缺乏針對性,對其他營養成分也產生一定影響,特別是處理過度會損失部分SDF。所以物理改性的條件控制十分重要,目前大多研究都集中在條件優化上。

2.1.1 瞬時高壓及對豆渣膳食纖維的影響 瞬時高壓作用(instantaneous high pressure,IHP)是一種以微射流均質機為基礎的液相超微粉碎技術,涵蓋了加壓、膨化、升溫、超微粉碎、輸送、混合等多種技術,主要用來對液體混合物料等進行膨化、破碎、剪切和均質等。它屬于一種機械降解處理,其工作原理主要是利用空穴作用、高剪切作用、流體高速撞擊作用、渦旋作用等各種效應,使物料進行超微粉碎。劉成梅等[46]研究發現,豆渣中的可溶性膳食纖維含量在40 MPa壓力下為7.08%,而在100、120 MPa的壓力下分別為17.51%、24.76%,均遠高于烘干處理的2.33%,而不溶性豆渣膳食纖維隨壓力的升高而降低,推測豆渣受到強烈的物理碰撞后,大分子物質如纖維素中的糖苷鍵發生斷裂,不溶性成分轉化為可溶性成分。熊雪薇等[47]用IHP處理豆渣膳食纖維后發現其顆粒分布更加均勻,溶液性質更加穩定,非牛頓流體性質更加明顯;具有明顯的觸變性;黏度升高。黏稠性和假塑性較好的液體更適合人們的口感[48]。此外,劉成梅等[15]報道經過IHP處理過的豆渣的膳食纖維吸附能力明顯升高,尤其是對Cu2+、Ca2+、Mg2+、Pb2+等重金屬離子的能力增強。

2.1.2 超高壓均質處理及對豆渣膳食纖維的影響 超高壓均質(Ultra-High Pressure Homogenization,UHPH)是在均質處理(壓力20～60 MPa)基礎上將壓力提升至60 MPa以上[29,49]。豆渣經UHPH處理受到高壓、高剪切力和空穴效應等作用,壓力在90～110 MPa時,SDF的含量隨壓力升高而增加。IDF分子在UHPH處理過程中由于糖苷鍵斷裂轉化成SDF。當壓力較小時,主要是植物膠分子裂解,空穴膨化和高壓剪切產生協同效應,共同作用使其裂解成SDF;壓力接近110 MPa時,半纖維素和纖維素大分子的糖苷鍵開始斷裂,SDF含量急劇增加。并發現繼續提升壓力會導致SDF下降。SDF的得率比普通均質處理有些許上升。處理后的SDF持油力、持水力、膨脹力明顯提高[30]。

瞬時高壓處理和超高壓均質處理的區別:瞬時高壓處理主要用于液體的處理,而且處理時間較短,對物質的品質影響較小;超高壓處理著重在于壓力的提高。兩者都涉及到空穴作用和剪切作用,而且處理的時間都不能過長,都是相對較短的,但是瞬時高壓處理還包含了流體高速撞擊作用、渦旋作用。

2.1.3 擠壓蒸煮及對豆渣膳食纖維的影響 擠壓蒸煮是通過強烈的壓力、摩擦力和剪切力,使纖維素大分子物料裂解,分子降解增多,暴露更多可溶性基團,提升可溶性膳食纖維含量。婁海偉等[31]使用單螺桿擠壓機在160 ℃、水分含量為20%,轉速175 r/min的條件下擠壓豆渣,SDF含量占比總膳食纖維(Total dietary fiber,TDF)從4.43%提高到23.06%,TDF含量基本沒變,IDF含量下降,與有關報道[32]SDF是由IDF轉化而來相符。豆渣膳食纖維經擠壓處理后持水性、膨脹性、持油性、乳化性都會上升[33],利于其在食品加工中的應用。

2.1.4 微波處理及對豆渣膳食纖維的影響 微波主要是通過高頻率的電磁波傳遞能量,引起分子電磁振蕩,加速分子運動實現加熱作用。電磁波有極強的穿透能力,可穿透介質到達物料內部,將能量傳給物料,細胞內部壓力過大,細胞壁受力膨脹,導致細胞破裂,細胞中的可溶性成分流出,使SDF提取率升高[34]。王繼楠等[35]報道微波在一定功率下處理豆渣,SDF提取量由原來的4.60%升到11.43%,并發現主要受微波處理時間和功率的影響。

2.1.5 膨化處理及對豆渣膳食纖維的影響 膨化處理有擠壓和壓差兩種方式。擠壓處理可使纖維素微粒化,分子極性發生改變,增加與水分子的親和性,增大膳食纖維的水溶性并改善其口感。劉漢文等[36]報道用雙螺旋擠壓機處理豆渣,通過擠壓膨化,大部分分子糖苷鍵如C-O鍵和C-C鍵斷裂,SDF含量與對照相比增加了99.64%,主要增加的單糖組分是戊糖,己糖和糖醛酸也有所增加,得出半纖維素是SDF的主要來源,果膠和纖維素也會產生部分SDF。食品化學特性研究顯示擠壓膨化豆渣膳食纖維溶脹力和持水力分別提高了125%和94%,并發現SDF主要影響因素是處理溫度和物料含水量。

壓差式膨化處理又叫做爆炸膨化干燥(Explosion Puffing Drying),集結了真空冷凍干燥和熱風干燥兩種干燥方式的優勢。該法采用“爆米花”原理,原料先加熱同時高壓(80～100 ℃、0.1～0.4 MPa),原料中的水分汽化散失,然后減壓,壓力驟減(-0.1 MPa)使物料內部的水分出現“閃蒸”而物料被高溫干燥固化,內部組織膨脹,出現均勻蜂窩狀,真空處理一段時間,水分持續蒸發,達到要求后,停止加熱,冷卻至室溫即得到產品[37-38]。紀緒前等[39]采用此法處理豆渣的SDF含量上升,從對照的3.9%升高至18.2%,豆渣持水性、水溶性和膨脹性也分別提高了30.8%、43.5%和37.0%。推測水溶性上升可能是因為部分半纖維素、纖維素轉化為SDF。通過瞬時壓差和高溫膨化處理使大分子裂解,豆渣結構疏松,豆渣顆粒孔徑變大,膨脹性變大,提升其應用價值。

2.2 生物改性及對豆渣膳食纖維的影響

生物改性主要是采用酶解和發酵的方式。與物理改性和化學改性相比,生物改性條件溫和無污染,可最大程度回收有效成分。酶解法處理快速有針對性,但該法需要的某些酶價格昂貴,需要嚴格控制酶最適條件。發酵法不僅可提高SDF含量,還可除去部分抗營養因子,產生一些對人體有益的小分子物質,且不需要高端設備,但發酵過程易出現一些不可控因素,且該方法一般所需時間比較長。

2.2.1 酶解處理及對豆渣膳食纖維的影響 酶處理可使纖維素、半纖維素分子分解成小分子糖或單糖。蔣竹茂等[40]報道酶解處理豆渣可使豆渣SDF含量從對照的11.34%提高到16.59%。景言等[41]報道用纖維素酶處理IDF殘渣,可得到顆粒更小的SDF(得率7.64%),酶解作用破壞了糖苷鍵并將多糖鏈內鏈間的氫鍵水解,使分子碎片化,水溶性升高,得到高品質的SDF,適合工業推廣。

2.2.2 發酵處理及對豆渣膳食纖維的影響 目前報道的發酵豆渣的微生物一般為霉菌(黑曲霉、米曲霉、根霉、毛霉、綠色木霉等)、粗壯脈紋孢菌、乳酸菌、酵母菌、枯草芽孢桿菌或由它們組成的復合體系。提高SDF的機理是菌種產生的纖維素酶、半纖維素酶使纖維素大分子中的糖苷鍵斷裂,增強水溶性;加上發酵過程中大量有機酸代謝產物生成,纖維素分子在酸性條件下也會導致糖苷鍵斷裂,分子聚合度降低[42]。謝歡等[43]報道黑曲霉發酵豆渣,半纖維素降解,SDF在TDF中占比達對照的8.19倍。后續食品化學特性研究顯示其結合水力增加了21.74%,持水力為對照的155.33%,膨脹力也提高了60.67。

2.3 聯合處理

為克服不同處理方法的缺點并提升處理效果,有采用聯合處理的文獻報道。目前報道的聯合處理方法主要是生物處理結合物理處理。包括:

a、酶解和擠壓結合[50],采用纖維素酶進一步對擠壓處理后的塌陷和斷裂結構進行酶解處理,與單獨采用酶解法或擠壓處理相比,兩種方法結合處理后的豆渣膳食纖維粒度更小,黏度更低,抗氧化能力、吸附膽固醇和陽離子交換能力更高,且工藝簡單,適合推廣。

b、發酵和均質聯合[51],在發酵基礎上采用高壓均質處理時,當壓力處于40 MPa時,SDF含量達30%左右,降低了高壓均質處理豆渣膳食纖維的難度,不僅可減弱膳食纖維對設備的破壞,還可節省資源。

c、高壓、微波和酶解相結合[52],與單一處理相比,SDF得率進一步升高,最終SDF含量可提高到近40%。

d、高壓蒸煮和酶解法聯合處理,高溫高壓使豆渣膳食纖維分子變得疏松,有利于酶解進行,減少酶用量和酶解時間等。

雖然采用單獨的物理、化學、生物等方法處理豆渣可達到使SDF含量上升的結果,但不同方法結合處理可大大提高處理的效率進而節省資源。

2.4 離子液體處理

自Swatloski等首次發現離子液體1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽([BMIm]Cl)可很好地溶解纖維素后,用離子液體(Ionic Liquids,ILs)溶解纖維素的技術便迅速發展起來[53]。ILs是一種在室溫或近室溫條件下呈液態的由有機陽離子和陰離子(有機、無機)組成的鹽,是一種透明、無特殊氣味、毒性較小、可以流動、燃點較高的溶解性較好的綠色溶劑[53]。目前報道的ILs在食品中的應用主要為研究纖維素[53]、淀粉[54]、蛋白質[55]、生物柴油[56]等物質的溶解性和分離提取。離子液體中的陰、陽離子含不同的官能團如羥基等可形成氫鍵,破壞微晶纖維素結晶結構,增強纖維素的溶解性[57]。溶解的效果不僅與糖類分子的結構有關,還受到糖類分子與離子液體之間相互作用的影響[58]。離子液體能夠破壞超分子結晶纖維素是由于纖維素分子中羥基中的H原子和O原子與離子液體中的陰、陽離子形成電子對,使纖維素分子中的氫鍵破壞而溶解[59-60]。

張引等[61]通過響應面優化法用ILs處理豆渣使其SDF含量由對照的6.0%提高到11.6%。并發現處理溫低于100 ℃時,SDF隨溫度升高而增加,原因是分子移動能力增強,纖維素分子的氫鍵斷裂更加容易,離子間的作用力在較高溫度下會減弱,同時存在于離子和氫鍵之間的作用力增強[62]。Cheng等[63]發現纖維素的結晶構型經過離子液體處理后可能從原來的I型轉化成為無定型或Ⅱ型。葉發銀[64]將豆渣用離子液體處理發現IDF中的木糖和阿拉伯糖含量降低,SDF的葡萄糖、甘露糖升高,證明豆渣中的纖維素和半纖維素部分降解,且SDF中的半乳糖醛酸大幅度增加,說明果膠也發生了降解[65]。通過離子液體處理,膳食纖維單糖的組成發生改變,持水力升高了10%,持油力也增加了16%,豆渣的結晶結構被破壞,分子結構也發生了改變。

3 展望

綜上,目前豆渣膳食纖維改性研究報道主要包括物理改性(如瞬時高壓;超高壓均質;微波處理;擠壓蒸煮;壓差式膨化處理及擠壓式膨化處理等)、生物改性(如纖維素酶;真菌發酵處理等)、聯合處理(酶解和擠壓結合;發酵和均質聯合;高壓、微波和酶解相結合等)和新技術處理(ILs溶解纖維素技術)。豆渣膳食纖維改性研究的初衷是因為其營養價值高,價格低廉,但口感不佳。目前改性研究結果沒有廣泛應用,主要有這幾個方面,物理方法主要通過剪切、擠壓等方式,缺乏針對性,需要嚴格控制改性條件,設備價格高昂,很多工廠難以達到該生產條件;生物改性條件溫和,但需要嚴控酶解條件或發酵條件,具有不穩定性且技術不太成熟,不利于大批生產;化學改性加入了太多附加物,有可能會影響產品的風味。這幾種方法不是附加值太高,就是操作困難,無法推廣應用。為此,目前人們更加關注聯合處理,以提高處理的效率;而采用離子液體新技術處理溶解纖維素成為人們關注的方向。

未來豆渣改性技術處理可能集中在聯合改性和新技術的應用,特別是聯合生物改性以提升改性效果;或者以食品加工中特定需要來綜合估計需要采用的合適的改性方法。新技術改性研究中應更加關注安全性。