水溶性膳食纖維的提取方法及其在食品中的應用

許錫凱，辛嘉英，任佳欣，肖婧泓，胡新婷

（哈爾濱商業大學省高校食品科學與工程重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150076）

膳食纖維（dietary fiber，DF），被稱為第七大營養素，對人體健康有諸多重要作用，這一概念最早被Trowell于1972年提出，指不能被消化道的各種酶所消化的植物細胞壁成分[1]。之后聯合國糧農組織，國際食品法典委員會分別于2007年[2]、2009年[3]對定義進行了不同程度的修改。目前，中國營養學會將DF定義為在人體內不易被消化酶消化的多糖類食物成分的總稱[4]。總的來講，膳食纖維指的是既不易讓胃腸道消化吸收，也無法產生能量的一種多糖物質，它是一種安全優質的可作為保健食品原輔料的功能性成分，按其水溶性分為水溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和水不溶性膳食纖維（insolubledietaryfiber，IDF）[5]。其中SDF通過降低餐后血糖含量和血清膽固醇含量，不僅可以達到減肥的目的，還可以預防心臟病、腸胃病及糖尿病等疾病[6-7]，正日益引起人們關注。按結構的不同，SDF可分為β-葡聚糖、半乳甘露糖膠、菊糖和大量不易消化的低聚糖類（如低聚木糖、低聚果糖等）；按其來源的不同，又可將SDF分為谷物類、豆類、水果類、蔬菜類及合成或轉化類等[8]。根據現今的研究來看，豆類、麥麩、胡蘿卜和柑橘等食物中均含有豐富的SDF[9]。近年來，SDF因其良好的加工性能和優異的功能特性，在食品加工工業中常用以對食品進行增稠、填充[10]。

據調查，我國成人平均膳食纖維的攝入量約為13.3 g/d，遠不足建議攝入量25 g/d～35 g/d，且天然來源的膳食纖維中SDF含量較少，需要采用化學法、酶法、發酵法、物理法等對天然原料改性，提高其SDF的含量和品質[5]，這也是學者們近年來對水溶性膳食纖維的研究重點。并且由于飲食文化的不同，目前歐美國家對SDF的研究更趨成熟，關于SDF在食品體系中作用機理的研究也更加完善。相對而言，我國關于SDF的研究工作起步較晚，且多集中于添加SDF食品的工藝優化方面及提取方法方面，對SDF的功能特性的研究則不多，關于SDF的基礎研究有巨大的發展空間和廣闊的前景。因此，本文將主要對近年來水溶性膳食纖維的提取方法進行總結，概述其功能性質和在食品加工制品中的應用，以期為水溶性膳食纖維今后的開發利用提供一定的參考。

1 SDF的提取方法

為了得到SDF，通常需將其從天然原料中分離提取出來。不同的提取方法，如提取溫度、提取時間、pH值和溶劑的不同，所提取SDF產品的得率、化學組成、理化特性及功能特性會有所不同[11]。常見的SDF提取方法有化學法、物理法、酶解法、發酵法和聯合法等，基本原理是通過破壞水溶性膳食纖維與其他物質之間連接的結構或者多糖之間的糖苷鍵，促進IDF向SDF的轉化，使水溶性膳食纖維游離釋放，增大SDF與水或者其他溶劑的接觸面積，從而使SDF被提取[12]。目前對SDF提取方法的研究主要集中于提取技術和操作條件的組合優化，盡量選擇適宜的溫度，減少試劑的消耗和操作的時間，同時保證達到或者高于預期的SDF產品的得率和功能特性[13]。

1.1 化學法

化學法是指天然原料經過干燥、粉碎，再經相應的化學試劑脫雜（除去脂肪、淀粉、蛋白質等成分）處理后，在酸或堿條件下結合高溫進行提取，從而得到水溶性膳食纖維的一種方法[14]，是目前應用最廣泛的提取方法，常用于獲得各種不同來源的SDF。化學法根據工藝不同可分為酸法、堿法、絮凝劑法等[15]。堿法是常用的萃取法，Chen等[16]用KOH處理藻類，結果顯著改善了藻類中角叉菜膠的膠凝特性，減少了角叉菜膠的損失，且更好地去除藻類中蛋白質、脂肪、淀粉和色素等非膳食纖維成分。酸水解法可用于從果膠含量高的原料中制備SDF。Fissore等[17]用檸檬酸水解提取甜菜和白胡桃中的水溶性膳食纖維，結果表明，隨著pH值的降低和提取時間的增加，SDF提取率增加。而李施瑤等[18]的研究則將兩種方法進行了對比，使用酸法和堿法分別對紅樹莓果渣中的可溶性膳食纖維進行提取和純度測定，發現堿法和酸法提取的SDF平均得率分別是（21.45±2.3）%和（3.39±0.68）%，平均純度分別為73.84%和76.17%，得出了酸法和堿法均可用于紅樹莓果渣SDF的提取，且堿法SDF提取效果明顯優于酸法的結論。

由此可見化學法具有簡單快捷、操作方便的優點，主要缺點是提取得到的SDF的色澤較差、純度不高，pH值和溫度等處理條件也會對SDF的活性造成影響，且加工過程中產生大量的污水廢氣，容易對環境造成污染[15]。研究者們正針對不同的原料，采取改變溶劑或使用氧化劑、螯合劑等方法優化處理條件，從而提高SDF的品質。

1.2 物理法

物理法早期多指浸提法，現指采用超微粉碎、超聲波處理、擠壓蒸煮等物理方法對SDF進行提取的方法[19-22]。其中水溶醇沉法最為簡便，將處理后的粗原料溶于溫水或熱水中，再將其水溶液用4倍體積的乙醇沉淀得到SDF，利用的是SDF易溶于水、不易溶于乙醇等化學溶劑的特點，在工業上被廣泛應用[12]。隨著科技發展，許多新興技術逐漸被用于與水溶醇沉法相結合對SDF進行提取。Zhu等[23]將小麥麩皮進行超微粉碎后浸提得到SDF，發現減小孔徑會增強SDF的鎖水能力，但是某些情況下，孔徑減小則會損傷纖維，使毛孔崩壞，導致其水化性能下降。姜翠翠等[24]研究得到用超聲波提取番石榴可溶性膳食纖維的最佳工藝參數是pH 2.94、提取時間40.36 min、提取溫度50.02℃、液料比值 14：1（mL/g）、超聲波功率 240 W，在此條件下可溶性膳食纖維實際提取得率為17.2%，所得的可溶性膳食纖維成品顏色微黃，持水性和吸水膨脹性較好。Yan Xiaoguang等[25]采用新型的擠壓膨化工藝，使麥麩可溶性膳食纖維（SDF）含量由（9.82±0.16）%顯著提高到（16.72±0.28）%，提高了麥麩SDF的保水性和膨脹性。

研究可見，物理法的優點在于提取用時短，得到的SDF得率和純度均較高，缺點在于所采取的設備價格昂貴且維修費用高，且采用新技術的具體工藝條件有待進一步探索，過高或者過低的條件可能都會使SDF的得率降低、品質下降。

1.3 酶解法

酶解法是通過使用多種酶去除原料中除膳食纖維以外的其他成分（主要是蛋白質、脂肪、還原糖、淀粉等），從而使可溶性膳食纖維游離釋放，從而被提取出來，酶法中使用的酶主要包括α-淀粉酶、蛋白酶等[26]。一些活性成分也可以通過使用纖維素酶，半纖維素酶，果膠酶進行制備獲得，纖維素酶可以分解水不溶性膳食纖維以產生小分子量的單糖或寡糖，從而提高水溶性膳食纖維的提取率[27]。操作過程中采用單一酶制劑或復合酶制劑進行處理[28]。由于酶具有專一性，不同的天然原料的SDF提取需要不同的酶制劑[29]。劉美池等[30]采用雙酶法（耐高溫α-淀粉酶、木瓜蛋白酶）提取香蕉皮中可溶性膳食纖維，確定了最佳工藝條件為α-淀粉酶用量17.5 mg，木瓜蛋白酶用量12.5 mg，酶解時間60 min。在此條件下，可溶性膳食纖維提取率可達到6.33%。李梁等[31]通過響應面優化出了纖維素酶提取蘋果梨渣可溶性膳食纖維的最佳工藝參數：料液比1 ∶17（g/mL），酶添加量 60 U/g，酶解時間 7 h 和酶解溫度49℃，此時可溶性膳食纖維的得率高達15.31%。從目前的研究來看，幾乎所有的酶法提取SDF都需要較長的時間。但有研究認為，用最小的酶處理提取SDF，通過優化工藝條件可以在短時間內獲得大量的SDF[32]。

總體來講，由于酶的強特異性，酶法制備的膳食纖維具有較高的純度，這也是酶法提取膳食纖維的主要優勢，此外與化學法相比，酶法提取條件溫和，不需要高溫高壓，能明顯降低對原料結構的破壞[15]，且操作簡便，既節省了能源，又節約了部分工藝和設備，有利于環境保護，特別適合于高淀粉和蛋白質含量的原料中的SDF的提取。但由于酶制劑價格昂貴使得制備SDF費用過高，難以實現工業化生產。

1.4 發酵法

發酵法是一種新型的提取方法，利用微生物發酵消耗食品原料中的蛋白質、淀粉等，分泌出的纖維素酶、半纖維素酶等破壞多糖之間的糖苷鍵使多糖由大分子變為小分子結構，從而制取水溶性膳食纖維[12]。研究主要采用真菌（如曲霉、鏈孢霉等）[33-34]、細菌（如乳酸菌）等微生物[35]。發酵底物多為含膳食纖維豐富的谷類，如麥麩、小米、豆渣等[36]。謝歡等[37]以SDF/DF為指標，通過正交試驗優化黑曲霉發酵豆渣制備高SDF豆渣的工藝，結果顯示黑曲霉發酵豆渣DF的最優條件為：發酵溫度30℃，接種量1.5%、料液比1∶3（體積比）、發酵初始pH值為自然pH值。在此條件下，發酵后的豆渣中SDF的含量占總膳食纖維（total dietary fiber，TDF）的37.84%，與未發酵豆渣相比提高了7.19倍，SDF的持水力增加了55.33%，膨脹力增加了60.67%，結合水力增加了21.74%，說明了黑曲霉發酵可作為提高豆渣膳食纖維品質的有效方法。據Jia Mengyun等[38]通過對綠色木霉發酵米糠得到的SDF的理化性質和功能特性的研究，發現發酵后的米糠SDF的水合性有明顯提高。也有一些研究者選擇果膠含量高的水果皮、渣，蔬菜等作為發酵原料[39-40]。周笑犁等[41]以保加利亞乳酸桿菌與嗜熱鏈球菌1∶1混合菌種為發酵劑探究提取刺梨果渣可溶性膳食纖維的最佳工藝條件為：接種量12%、pH6.0、發酵時間48 h、料液比1∶25（g/mL）、發酵溫度40℃。在此條件下刺梨果渣SDF的比例明顯提高，其得率為16.81%，經發酵法制備的刺梨果渣膳食纖維持水力和膨脹力也均高于刺梨果渣。

從大量的研究可以看出，發酵法提取SDF的得率、色澤、質地都較好，提取得到的SDF的持水性、持油性等理化性質也有顯著提高，且發酵原料多為食品加工的副產物，成本低廉。該方法的不足之處在于操作過程比較復雜，發酵需要一定的環境條件，工業化流程尚未完善。

1.5 聯合法

綜上所述，無論是化學法、物理法還是生物法，都各有其優缺點，適用的食品加工范圍也不盡相同。將其中兩種或多種方法進行結合，一方面可以避免單一方法的缺陷，另一方面可以使多種方法相互配合，更有效地提高SDF的得率和品質；通常多種方法的組合要比單一方法的效果更好[42]。

目前常見的組合方法有化學法與酶法聯合、超聲波輔助法、機械預處理法等[43-46]。陶志杰等[47]建立以麥麩為試驗材料，通過酶-化學法提取后，其最優提取條件為堿用量12%，堿解時間45 min，酶用量0.2%，酶解時間4.5 h，可溶性膳食纖維提取率平均值為16.53%，該研究建立了麥麩可溶性膳食纖維的酶-化學法提取最佳工藝。劉靜等[48]以香椿老葉為試材，通過響應面優化試驗確定了超聲波協同酶法提取香椿老葉可溶性膳食纖維的最佳提取工藝參數，結果表明最佳條件下可溶性膳食纖維的提取率可達7.11%，產品雜質含量低，持水力和膨脹力分別為7.29 g/g和4.40 mL/g。He H[49]以花生殼為原料，經擠壓預處理，化學（酸）洗，淀粉酶水解等制備膳食纖維，所得花生殼膳食纖維的SDF含量達到18.1%，大大提高了膳食纖維的利用率，經進一步進行超高壓均質處理后，SDF/DF比高達41.44%，是高壓均質前的4.56倍。

研究可見，多法聯合提取SDF的得率更高，純度也更高，也可降低酶法、擠壓法等單一應用時的昂貴成本，有較高的研究和利用價值。

2 SDF的功能特性

SDF結構疏松，含有較多的親水性因子，因此具有優良的溶解性、持油性和水合性等理化性質，這些理化性質使得它具有良好的吸附葡萄糖、膽固醇等的能力[50-51]，從而可以達到降低血糖、血脂的效果，預防糖尿病、動脈硬化、高脂血癥等疾病[52-54]。同時也使SDF可以螯合一些化學成分，起到較強的清除自由基、清除有毒有害金屬離子的效果，可預防腫瘤、抗氧化[55-57]。最近的研究發現，不同來源的SDF的功能特性會有較大的不同，MirmiranParvin的研究表明，豆類、水果和蔬菜的膳食纖維與心血管疾病風險呈負相關；然而，谷物和堅果來源的膳食纖維與心血管疾病風險無關[58]。這給SDF的功能特性的研究提供了新的方向和參考，在優化各種提取工藝，采用多種改性方法提高SDF功能特性的同時，選擇合適的天然原料也同樣重要。

3 在食品中的應用

早在1965年，膳食纖維已經被應用于食品中，經過20年的發展后，才吸引了大量食品加工廠廠商的目光[9]。由于SDF具有上述功能特性，它的添加可以明顯改善食品的品質，提高食品的加工工藝：1）改善食品的風味質構，將其應用到面包、餅干、面條、火腿腸、和糖果等食品中，有助于提高食品的凝膠性、抗粘連性和抗凝結性，增加食物的適口性[59]。2）改善食品的營養成分，SDF可部分或全部地替代糖和脂肪成分加入到食品中，既降低食品能量，又提高營養水平[60]。

3.1 在米面制品中的應用

在米面制品中添加SDF能夠有效改善產品韌性和彈性，以延緩產品熱量損失，增強食品抗氧化能力、發酵能力和保水性，防止其儲存期變質[59]。但也有研究表明，由于SDF具有高水合性，會搶奪水分，影響面筋的形成[61]。研究表明：隨著水溶性膳食纖維含量的增加，面包芯的硬度逐漸增加，當添加4%的水溶性膳食纖維時，面包的各項感官評分最高，且最高添加量不宜超過6%[28]。而相比面包，餅干中則可以添加更多的SDF，MengyunJia等[62]研究發現，添加SDF可降低餅干的硬度和黏性，且添加6%的SDF的配方可獲得口感和可接受度最高的餅干。此外，添加了SDF的大米煮制的米飯也會具有蓬松清香的良好口感[63]。

3.2 在飲料乳品中的應用

在飲料中添加SDF可使飲料中的顆粒分布均勻，使飲料持久不沉淀，不產生膠凝作用，增加產品的穩定性。研究表明，SDF在果汁、果肉渾濁類飲品中使用量0.5%～1.5%為宜，在透明類飲品中添加0.3%～1.2%為宜[64]。而將膳食纖維應用到以乳制品為主要原料的配方乳粉中，會對控制血糖、改善胰島素分泌起到很好的效果[65]，提高乳粉的營養性。近幾年國內部分飲料生產公司都有意推出高纖飲料，乳品企業已經推出了高纖奶產品。

3.3 在肉制品中的應用

在肉制品中添加SDF可提高脂肪持水性，達到增強口感，增加產量和降低成本的效果，并具有降脂作用，因此所生產的肉制品特別適合糖尿病患者[66]。李可等[67]通過提取豬肉鹽溶性蛋白，添加不同比例的竹筍SDF，應用質構儀、流變儀等測定分析形成的凝膠體系的凝膠強度，發現竹筍SDF能夠明顯改善豬肉鹽溶性蛋白的凝膠功能特性，在肉制品加工中有廣闊的應用前景。張根生等[68]以馬鈴薯SDF作為脂肪替代物制備肉丸，同時與普通肉丸的營養成分進行對比，結果表明前者的脂肪含量降低了39%，達到了低脂的目的。

3.4 在保健品中的應用

SDF目前常被用作預防糖尿病的保健食品的添加劑，用來調整飲食結構，增強保健功能。專家認為，膳食纖維食品將是21世紀主導食品之一[69]。而SDF可溶于水的特性又使其便于應用在食品加工環節中，是一種理想的食品保健原料，若能充分開發利用生產出多類型SDF保健食品，將會使居民的膳食結構得以更加均衡。

4 總結與建議

本文總結了不同的SDF提取方法的優缺點，見表1。

我國擁有豐富的食品加工副產物資源，水溶性膳食纖維則廣泛存在于各種食品加工的副產物中，因其特殊的營養功能特性受到了食品領域、生物領域以及醫學領域廣泛關注，現在也正應用于多種食品的加工生產中。未來我們仍需要對SDF的提取工藝進一步進行優化，尋求更加有利于規模化生產且環境友好的方法，例如嘗試將微生物與酶結合提取SDF等；同時加深對SDF的功能特性的研究，闡明其在血液循環中的具體作用機理，與食品中其它組分的相互作用機制等；最后擴大SDF的應用范圍，例如將其用于食品包裝，減少白色污染等。

表1 不同的SDF提取方法的優缺點比較Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of different SDF extraction methods