膳食纖維的改性及應用

呂秉霖 袁爾東

[摘要】本文對膳食纖維的改性方法和利用進行了綜述。膳食纖維改性處理有助于改善其應用特性和功效，改性方法主要包含化學改性法、物理改性法、生物改性法以及協同改性法等。膳食纖維可應用在烘焙制品、飲料、面制品及其他各類食品中，其品質仍有待提高。高品質膳食纖維產品具備廣闊的發展空間和研究前景。

[關鍵詞】膳食纖維;改性;應用

膳食纖維（ Dietarv Fiher，DF）廣泛存在于蔬果、雜糧、豆制品類及菌藻類等食物中，被稱作有益于人類生命健康的第7營養素。根據美國谷物化學家協會的定義，膳食纖維“是一種在人體小腸抗消化、吸收，在大腸完全或部分發酵的植物可食用組織或相似碳水化合物”[1]。依據其溶解性差異可劃分為不溶性膳食纖維（ Insoluble Dietary Fiher，IDF）和可溶性膳食纖維（Soluble Dielary Fiber，SDF）[1]。IDF中的纖維素、木質素和半纖維素具有促進腸道蠕動、減少肥胖、通便排毒等重要功效，SDF中的水溶性半纖維素、低聚糖和果膠等物質在調理血糖血脂濃度、預防心血管疾病等方面擁有較好的生理活性[3]。

IDF結構中的大部分親水活性基團賦予其很強的吸附作用，在吸水、持水和促進膨脹方面有獨特優勢。活性基團的作用是降低體內的膽固醇、膽汁酸以及腸道內的毒害物質、化學藥品等有機化合物，也可以與某些金屬陽離子相互作用，從而實現特定的離子交換功能。

SDF具有諸多重要的生理功能。在預防腸道疾病方面，DF能有效幫助腸道內有益菌群的生長，同時還能通過調節腸道pH值改善有益菌群的生長環境，使腸道蠕動加快，降低腸內疾病的發生概率;在預防糖尿病方面，在飲食中提高DF的攝入量，可增加小腸內容物黏度、降低游離葡萄糖濃度、抑制α-淀粉酶活性、增加食物在胃腸內的消化時間和胃排空時間，使人體對葡萄糖吸收速度減慢，進餐后的血糖值不會急劇回升;在抑制膽固醇方面，DF在小腸中形成的膠狀物質與膽汁酸結合后可加速排出體外，達到膽固醇向膽汁酸轉化降低膽固醇的目的[4—6]。

盡管SDF具備多種對人體有益的功效，但大多數天然原料中SDF含量僅為3%～4%，無法達到人們追求SDF含量10%以上的要求。因此，人們使用多種方法對天然DF進行改性，提高其SDF的含量，改善其應用特性，提高其生理功效。

1 膳食纖維的改性方法

膳食纖維改性是利用不同的技術對DF進行處理，使IDF內部的糖苷鍵發生斷裂，將IDF的全部或部分轉化為SDF，提高SDF含量，同時致密的網狀結構變得疏松，具備更高的生理效能。國內外已報道的DF改性方法有化學方法（以酸法、堿法為主）、生物技術方法（以酶法、發酵法為主）、物理方法（以超微粉碎技術、擠壓技術、超高壓技術和冷凍技術等為主）[7-10]。

1.1 化學改性方法

在特定的條件下，對膳食纖維進行酸或堿處理，提高SDF含量，進而改善其理化特性。

Qi等[1]利用硫酸和強氧化鈉對米糠IDF進行改性處理，改性后其吸附葡萄糖和抑制a-淀粉酶活性明顯改善，從而能有效降低血糖含量。Na等”[2]采用堿性過氧化氫對番茄皮進行優化改性，SDF的提取率從7.9%大幅提高到27.5%，與原有SDF相比，改性SDF具有更強的多孔結構及吸附葡萄糖和膽汁酸的能力，促使螯合二價離子形成更強的凝膠，保護食品加工和貯存過程中不穩定的功能成分不被破壞。吳麗萍等[13]使用醚化方法對花生殼膳食纖維進行處理，在最佳優化條件下得到的羧甲基花生殼DF含量為16.8%，改性后樣品DF結構疏松，松散性良好，物化特性有所改善。

化學改性的優勢在于試劑成本低廉，方法簡便易于實現，但劣勢在于IDF向SDF的轉化因為條件的限制而出現轉化率低，要選用耐腐性強的反應設備，引入的離子基團如何取舍等諸多難題”[14]。

1.12 生物改性方法

生物改性方法包含酶法和發酵法。酶法一般是使用木聚糖酶、半纖維素酶、纖維素酶和木質素酶將DF大分子通過酶的作用分解成可溶性小分子化合物。Napolitano等[8]通過酶法改性小麥DF，改性前其SDF含量為3.1%，改性后提高到了8.8%。Guoyong等[15]采用復酶法對胡蘿卜渣中IDF進行了改性，使其表面結構更為松散，SDF含量達到15.07%，膽固醇吸附能力相應明顯提高。酶法優點諸多，比如反應條件溫和、副產物較少、產品純度高等。酶法改性的決定因素是酶制劑的選擇和用量，應事先考慮原料的成分差異和產品的質量要求，選擇相匹配的酶制劑，為提高產品的得率和純度，可采用一種或多種酶制劑相結合的方法。

發酵法是利用微生物新陳代謝將DF進行分解，增加SDF的含量，原理與酶法類似。李靜[16]使用黑曲霉發酵提取香蕉皮SDF，得到的香蕉皮發酵液中SDF提取率達到了12.83%，李狀等[17]發現根霉菌可利用糖類和蛋白質進行發酵代謝，將竹筍下腳料為根霉菌培養基制備DF，得到保持了竹筍本身特有風味的功能活性較高的DF。令博等[18]以釀酒葡萄皮渣為培養基，添加保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌混合菌進行發酵改性，總DF含量發酵后為84.4%，較發酵前提高了14.79%，SDF含量發酵后為17.25%，較發酵前提高了8.88%，物理特性如膨脹力、保水力和持油力均得到有效提高。發酵法的缺點是必須選擇適合的菌種，發酵時間也相對漫長;優點是生產工藝簡便、成本低、易于大量生產。

1.3 物理改性方法

物理改性通常是運用超微粉碎、冷凍粉碎、高靜水壓、擠壓膨化、超聲和微波振動等機械降解方法，使大分子纖維成分發生膨化、粉碎、破裂，使部分IDF轉化為SDF。物理改性方法容易實現工業規模化，避免了化學改性方法中引起的環境污染。

擠壓技術是指DF在高溫高壓條件下，物料內部受剪切力作用，所含水分快速汽化，纖維分子間和分子內空間結構產生改變。Huanhuan等[19]研究了擠壓對蓮藕節粉末中SDF分子結構和理化性質的影響，結果表明，擠壓影響了蓮藕節粉末SDF的微觀結構和分子大小，導致DF中纖維素和半纖維素發生降解，改善了SDF的水化性能，包括膨脹能力、保水性和乳化性等物理特性。

高靜水壓技術是指將物料置于液體介質中，施加100～1000MPa壓力，物料體積在液體介質中被壓縮[20]。高壓產生的極高靜壓能改變生物高分子立體結構中的氫鍵、離子鍵和疏水鍵等非共價鍵，使蛋F1凝結、淀粉變性。Guoyong等[5]采用較高的靜水壓力對胡蘿卜渣DF改性，其持水力、膨脹力、油脂吸附力和陽離子交換等物理性能得到顯著提高。

超微粉碎是運用流體動力或機械力學技術，克服物料內部凝聚力，將3mm以上的物料顆粒粉碎至粒徑在100μm以下的一種方法。粉碎后的物料顆粒由于體積變小，表面積、孔隙度和親水基團增加，使得溶解性提高。王安建等[2]利用超微粉碎技術對玉米皮DF進行改性，設定粉碎細度區間為160～200目，IDF含量無變化，但其物理特性均有所提升，提升比例為持水力2.04%、膨脹力14.12%、陽離子交換能力17.85%、不飽和脂肪持油力15.24%、飽和脂肪持油力25.41%。

蒸汽爆破法（氣爆）通常作為一種預處理方法，其機理為物料從高溫高壓狀態下突然下降到常溫常壓，物料內部的水分，迅速汽化膨脹爆破，從而使物料體積變大形成海綿狀，纖維組織等結構遭到破壞，內含物暴露促進目標物的溶出[22—23]。王安建等[24]利用蒸汽爆破法改性玉米皮SDF，改性后玉米皮SDF提取率達到了9.76%，其最佳優化工藝參數為作用時間80s、壓力I.OMPa、水分含量100%。

超聲一微波協同萃取法是通過物料吸入微波能、結合超聲波空化效應和超聲相械作用，促進物料中SDF溶出。Lou等[25]以牛蒡為原料，利用微波超聲波協同法制備DF，在超聲波功率50W、微波功率40W、反應時間60s、料液比1：15（g/mL）的條件下，改性后DF的保水力、膨脹力、吸附力均有不同程度的提高。

1.4 協同改性方法

綜合運用化學、生物和物理多種手段進行協同處理，可有效提高DF中SDF所占比例，并對SDF的生理活性產生一定的影響。

Ya等[26]分別對酶法及微粉化輔助酶法對米糠DF結構和功能性能的影響進行了研究，發現纖維素酶、木聚糖酶、微粉化、聯合酶和酶協同微粉化處理使其SDF含量分別增加了3.8倍、4.7倍、3.5倍、10.0倍、11.4倍，同時其膨脹能力、膽固醇和牛磺膽酸鈉的吸收能力也有明顯提高。試驗表明纖維素酶和木聚糖酶可以改變米糠DF的結構和功能特性，而運用微粉化輔助酶法處理米糠DF能更為有效地改變其性能。

Lai等[27]借助超聲波輔助酶法從甘薯渣中制備DF，DF得率可高達37.19%，對應工藝條件為超聲時間11.55min、d一淀粉酶劑量1.47mL、蛋門酶0.43mL、葡萄糖淀粉5.52mL。邵卓[28]以超高壓協同纖維素酶法改性豆渣DF，在pH值為5、溫度為60。C、料液比為1：26、酶解時間為1.5h、加酶量為1：200的條件下，豆渣SDF從11.13%提高到25.4%。康麗君[29]對氣爆預處理后的小米糠膳食纖維采用超聲一微波協同酶法改性，在酶添加量為5.85%、溫度為56℃、pH值為4.64、微波功率為45IW的條件下，其SDF含量從2.16%提高到了13.12%。吳俊男[30]采用微波協同酶法對小麥麩皮DF進行改性，研究微波功率、微波加熱時間、酶添加量、酶處理時間對小麥麩皮DF化學特性和生物活性的影響，結果顯示改性后的小麥麩皮DF具有較強的抗氧化特性和較好的熱穩定性。2 膳食纖維的應用2.1 提升烘焙食品品質 膳食纖維能有效改善面包、蛋糕、餅于等烘焙食品質構，根據不同的產品需求來提高持水力、柔軟性和疏松性，在儲存期內保持外觀和口感。Anwarul等[31]研究發現，添加60%麩皮DF的餅干在顏色、質地、風味和接受程度方面，都與未添加麩皮DF的餅干相當。吳衛國等1321研究發現，添加6%麥麩DF的蛋糕，感觀指標有所改善，蛋糕比容有所增大。

2.2 提高飲料纖維含量

膳食纖維飲料從20世紀80年代起，就已開始在歐美日等發達國家風靡，取得了飛速的發展。我國膳食纖維飲料種類繁多，主要有液體、固體和碳酸飲料，另外也有將膳食纖維用乳酸桿菌發酵而生產的乳清型飲料。郭健等[33]將乳酸菌引入到麥麩DF中進行發酵，經調配均質成功研制出了一種具有功能性的麥麩DF乳酸活菌飲料。 余毅等[34]在麥麩膳食纖維中添加懸浮劑和風味劑，經攪拌、混合制成了麥麩膳食纖維含量高達64%的低熱量低脂肪的新型固體飲料。

2.3改善肉制品的口感

膳食纖維的高持水力、陽離子結合交換力和填充力，對改良肉制品的組成成分、質構、貨架期有良好的效果，可達到強化營養和保健的目的。Isabel等1351利用小麥膳食纖維使魷魚制品保持了更高的水分，改善了肉品質構特性的同時做到了不影響產品外觀。劉偉蘭1361將麥麩粉和麥麩膳食纖維粉分別添加到以豬肉、雞肉和魚肉為原料的肉丸中，改善了肉丸的質構，增加了肉丸的營養和保健功能。

2.4 優化面食結構特性

膳食纖維可添加于面條、饅頭等面食。面條加入膳食纖維后，生面條拉伸度降低，但熟面條口感反而更勁道。邵佩蘭等[37]研究發現，麥麩膳食纖維面條具有更好的烹煮品質。趙文華等1381將麥麩膳食纖維添加到饅頭中，確定麥麩膳食纖維在饅頭面團中最適添加量為8%時口感與未添加差別不大。

2.5在其他食品中的應用

膳食纖維還被用于糖果、冰激凌等制作，效果良好。馬靜等[39]探討了麥麩膳食纖維軟糖的制備工藝，得到的產品香味濃、口感軟、耐咀嚼，能促進胃腸蠕動，具有一定的保健功能。據美國專利發現，將麥麩SDF以5%的比例添加到牛乳中制作冰激凌，制成品組織結構光滑，口感細膩[40]。

3 結論

由于膳食纖維具有特殊營養和功能，受到消費者越來越多的關注。我國擁有豐富的農產品加工副產物資源，膳食纖維的來源廣泛、量多。但是，目前大多數膳食纖維食品的開發只是局限于普通膳食食品，這類食品外觀一般，口感也略顯粗糙索然無味，市場接受認可度較低。因此，如何開發具有較高活性和優良感官品質的DF配料，是目前所面臨的最主要問題。隨著人們對健康生活的更多追求和更高要求，高品質膳食纖維產品仍具有巨大的發展潛力。

參考文獻

[1] CHO S，CRAIG S，DEVRIE J，et al The definition of dietaryfiber[J].Cereal Foods World.2001（3）： 112-126

[2]鄭建仙.功能性食品[M]，北京：中國輕工業出版社，1999.

[3]馬占倩，郭宇波，唐文興，等.米糠膳食纖維提取工藝及高纖 健康粥配方優化[J】糧食科技與經濟，2017（4）：54-56

[4]劉威梅，李資玲，梁瑞紅，等.膳食纖維的生理功能與應用現 狀[J].食品研究與開發，2006（1）：122-125.

[5]金英姿.膳食纖維的功能及其在食品中的應用研究[J]新疆石 油教育學院學報，2004（6）：16-17.

[6]丁虹.膳食纖維在疾病作用中的研究進展[J].食品研究與開發，2005（3）：141-143

[7]李鵬飛，陸紅佳，任志遠，不同方法提取麥麩膳食纖維的比較 研究[J]現代農業科學，2009（6）：7-9.

[8] NAPOLITANO A，COSTABILE A，MARTIN-PELAEZ S，et alPotential prebiotic activity of oligosaccharides obtained byenzymatic conversion durum wheat insoluble dietary fiber intosoluble dietary fib er [J].Nutr metab cardiovase dis，2009（4）：2 83-290

[9]李正陽，張彩云，量鑫，等.水溶性膳食纖維的提取純化技術及 其抗氧化活性研究進展[J].糧食科技與經濟，2016 （1）：69-72.

[10]李倫，張暉，王興國，等超微粉碎對脫脂小米糠理化特性及組成成分的影響[J]中國油脂，2009 （2）：56-59

[11] QI J， LI Y，MASAMBA K G.et al. The effect of chemicaltreatment on the invitro hypoglycemic properties of rice braninsoluble dietary fiber[J] .Food Hydrocolloids，2016（3）： 699-706

[12] NA LI， ZIQIAN FENG. YUGE NIU. et al. Structural， theologicaland functional properties of modified soluble dietary fiber fromtomato peels[J]. Food Hydrocolloids.2018（2）：557-565

[13]吳麗萍，朱妞，陳雪峰，等.花生殼膳食纖維化學改性工藝參數優化及品質分析[J]食品工業科技，2014 （22）：286-290.

[14]張印紅，趙春生，方濤，等.純天然胡麻膠的提取工藝優化及化學改性研究[J】精細與專用化學品，2018 （3）：36-38.

[15] GUOYONG YU. JIA BEI. JING ZHAO. et al. Modification ofcarrot （daucus carota linn. var. sativa hoffm.） pomace insolubledietary fiber with complex enzyme method， ultrafine comininuion.and high hvdrostatic pressure[J] .FoodChemistry，201 8（2）：333-340

[16]李靜.黑曲霉發酵制備香蕉皮可溶性膳食纖維研究[J】中國食品添加劑，2015 （5）：137-141.

[17]李狀，朱德明，李積華，等.發酵法制備竹筍下腳料膳食纖維的研究[J].熱帶作物學報，2014 （8）：1638-1642.

[18]今博，田云波，吳洪斌，等.微生物發酵法制取葡萄皮渣膳食纖維的工藝優化[J]食品科學，2012 （15）：178-182.

[19] HUANHUANCHEN. CHUNMEI ZHAO. JIE LI. et al. Effectsof extrusion on structural and physicochemical properties ofsoluble dietary fiber from nodes of lotus root[J].Food Science andTechnology2018（8）：204-211

[20]張憨，方忠祥.高靜水壓聯合保藏食品技術的研究進展[J].無錫輕工大學學報（食品與生物技術），2005 （1）：105-110.

[21]王安建，魏書信，侯傳偉.超微粉碎改性玉米皮膳食纖維技術研究[J]食品科技，2010 （9）：194-196.

[22]羅鵬，劉忠蒸汽爆破法預處理術質纖維原料的研究[J】林業科技.2005 （3）：53-56.

[23]任向榮.徐敏強，李偉然，等.蒸汽爆破生物質秸稈的工業應用[J]現代化工，2009 （11）：89-91.

[24]王安建，田廣瑞，魏書信，等.固態氣爆技術制備玉米皮水溶性膳食纖維的研究[J]食品科技，2011 （6）：209-212.

[25] LOU Z X. WANG H X. WANG D X. Preparation of inulinand phenols-rich dietary fiber powder from burdock root[J]C.arbohvdrate Polymers，2009（4）：666-671

[26] YA WEN， MENG NIU， BINJIA ZHANG. et al. Structuralcharacteristics and functional properties of rice bran dietary fibermodified by enzymatic and enzyme-micronization treatments[J]Food Science and Technology，2017（7）：344-351

[27] LAI A. LU G. WANG Y Ultrasonic-assisted enzymatic extractiontechnology of dietary fiber from sweet potato residue [J].Joumal ofChinese Cereals and Oils Association，2015（8）：99-104

[28]邵卓.物理處理提高豆渣可溶性膳食纖維含量的比較研究[D].天津：天津科技大學，2016.

[29]康麗君超聲一微波協同酶法改性小米糠膳食纖維及工藝優化[J]食品工業科技，2016 （23）：221-226.

[30]吳俊男.小麥麩皮膳食纖維的微波一酶法改性研究[J]食品科技，2017 （2）：175-180.

[31] ANWARUL HAQUE M. SHAMS UD DIN M， HAQUE AThe effect of aqueous extracted wheat bran on the bakingquality of biscuit[J] .International Journal of Food Science&Technology，2002（4）：453 -462

[32]吳衛國，郭時印，周虹.麥麩膳食纖維的制備、性質與應用[J]糧食與飼料工業，1998（11）：37-39.

[33]郭健，汪江波.麥麩膳食纖維乳酸飲料的研制[J]現代商貿 工業.2001 （9）：40-41.

[34]余毅，李慶龍.小麥麩膳食纖維系列食品開發研究[D].武漢：武漢工業大學，2008.

[35] ISABEL SAN CHEZ ALONSO. MARIA SOLAS.A JAVIER BORDER A S Technological implications of addition of wheatdietary fibre to giant squid（dosidicus gigas） surimigels [J].Joumalof Food Engineering，2007（8）：404-411

[36]劉偉蘭.麥麩膳食纖維在肉丸中的應用[D].廣州：華南理工大學.2011.

[37]邵佩蘭，徐明.麥麩膳食纖維面條烹煮品質特性的研究[J].農業科學研究，2007 （2）：27-29

[38]趙文華，魏彩嬌，白瑞平，等.麥麩膳食纖維對面團流變學特性及饅頭品質的影響[J]

[39]馬靜，劉樹興，蘇風先 科技.2006 （6）：75-76.西部糧油科技，2009 （3）：16-19麥麩膳食纖維軟糖的制備[J]食品

[40] KAINUMA S. NAKAMURA N. YAMAMOTO M.Method of preparing water-soluble dietary fiber[J].USPatent.1997（4）：522-530.