膳食纤维改性研究进展

王俊丽，臧明夏

（河南师范大学生命科学学院，河南 新乡 453007）

膳食纤维（dietary fiber，DF）是指不能被人体消化的可食碳水化合物及其类似物，这些物质不能被小肠消化吸收，但在大肠中可全部或部分发酵，其成分包括多糖、低聚糖、木质素，或与之相缔合的植物成分[1]。膳食纤维能够平衡人体营养，调节机体机能，并对结肠癌、糖尿病、肥胖症、冠状动脉硬化等多种疾病具有明显的治疗作用。在饮食日益精细的今天，由于营养过剩和营养失调导致的糖尿病、心血管病、肥胖症等所谓的富贵病越来越普遍，严重威胁人类的健康。膳食纤维因其对这些富贵病明显的治疗作用而被称为第七大营养素，成为近年来营养学家、流行病学家和食品科学家的研究热点。

膳食纤维根据溶解性不同可分为水溶性膳食纤维和水不溶性膳食纤维，不溶性膳食纤维包括纤维素、木质素和部分半纤维素，有助于胃肠蠕动，具有防止便秘的功能。水溶性膳食纤维包括低聚糖、果胶和树胶等亲水胶体物质和部分半纤维素，较之不溶性膳食纤维有更重要的生理功能，如抑制肿瘤生长、调节血糖血脂、控制肥胖等[2]。天然膳食纤维由于水溶性成分含量偏低而不能发挥有效的生理功能，因此如何通过各种方法改善水溶性膳食纤维与不溶性膳食纤维的比例，从而提高膳食纤维的品质和生理功能成为近年来该领域的研究重点。目前膳食纤维的改性主要有化学处理、物理机械降解和生物改性等方法。无论何种改性方法，其目的都是使膳食纤维中大分子组分断裂成小分子成分，使部分不溶性成分转变成可溶性成分，使致密网状结构转变为疏松网状结构，从而改善膳食纤维品质，提高其生理功能。

1 化学方法

主要是在一定的温度下，使用酸或碱等化学试剂处理膳食纤维，使部分不溶性膳食纤维的糖苷键断裂，聚合度下降，转化成为水溶性膳食纤维以达到改性目的。酸碱处理不仅能提高可溶性膳食纤维含量，还增强了膳食纤维的胆酸吸附能力，可以帮助减低血液中胆固醇含量和降低罹患结肠癌的可能性[3]。陈培基等[4]采用KOH处理麒麟菜，不仅能较好地去除藻体中的蛋白质、脂肪、淀粉、硫酸基和色素等非膳食纤维成分，而且能显著提高藻体中的卡拉胶凝胶性，减少卡拉胶的流失。Arpathsra Sangnark等[5]用1%碱性过氧化氢处理甘蔗渣得到的蔗渣膳食纤维的亮度、持水力、持油力分别增加34%、96%、55%。

化学改性法的优点在于成本低，适合规模化生产，但同时也存在转化率低、反应时间长、物料颜色变深、对设备反应条件要求高、引入大量阴阳离子等不良因素。

2 物理方法

物理改性通常是采用挤压蒸煮、超微粉碎、高压膨化等机械降解处理手段使纤维物质发生破碎、膨化，从而达到改变其理化性质的目的。

2.1 挤压蒸煮

挤压蒸煮技术是在挤压力和剪切力的作用下，物料内部水分短时间迅速汽化，纤维物质分子间和分子内空间结构扩展变形，并在挤出膨化机出口的瞬间，由于突然失压，大分子的不溶性纤维组分的部分连接键断裂，转变成为较小分子的可溶性膳食纤维，从而使得物料具有很高的膨胀力和持水性。国内外关于苹果渣[6]、豆渣[7]、玉米皮[8]、大麦[9]等不同来源膳食纤维的挤压改性均有报道。影响挤压改性效果的因素主要有pH、进料水分、螺杆转速、进料速度、挤压温度等。挤压蒸煮改性与化学方法相比有较高的转化率，而且能改善物料的色泽和风味、具有高温短时杀菌作用，故在工业化生产中，膳食纤维改性一般采用挤压改性方法。但挤压改性对膳食纤维阳离子交换能力影响较小。

2.2 超微粉碎

超微粉碎一般是指利用机械或流体动力途径将物料颗粒粉碎至10 μm以下的过程。经超微粉碎处理后，部分半纤维素转化成为水溶性膳食纤维，原有膳食纤维的品质不仅大幅提高，口感也得到改善。作为一种现代食品工程高新技术，超微粉碎已广泛应用于膳食纤维的开发与生产，美国利用该技术生产的“金谷纤维王”已风靡欧美。超微粉碎改性后的膳食纤维品质与粉碎粒径大小有关[10]，随着粒径的不断减小，膳食纤维的持油力、持水力、膨胀力、重金属离子吸咐力等功能性质不断提高。超微粉碎改性后的马铃薯渣具有降血脂、降血糖功能[11]，主要是因为与其相关的一些物化性质的提高（吸油力、阳离子交换能力、胰脂酶抑制力、葡萄糖束缚能力和淀粉酶活力抑制力）。在这些功能特性中，改性马铃薯渣空间网络结构的包囊能力及其比表面积的增大起了重要的作用。

2.3 冷冻粉碎

冷冻粉碎技术是将冷冻与粉碎两种单元操作相结合，使物料在冻结状态下，利用超低温脆性实现粉碎。它可以粉碎在常温下难以粉碎的物料，使物料颗粒流动性更好、粒度分布更理想，不会因粉碎使物料发热而出现氧化、分解、变色等现象。黄晟等[12]比较超微粉碎和冷冻粉碎技术对麦麸水不溶性膳食纤维的改性效果发现，冷冻粉碎的膳食纤维，其各种功能性质均优于超微粉碎样品。

2.4 瞬时高压作用

瞬时高压是集输送、混合、超微粉碎、加压、加温、膨化等多种单元操作于一体的一项全新技术。物料经过短时间高压作用后，进入处理腔接受高速撞击、空穴作用、高速剪切、瞬间压降等机械作用，纤维类大分子糖苷键可能发生断裂，部分转化为可溶性膳食纤维，从而达到改性目的。瞬时高压作用对液体物料具有较好的杀菌效果，是一种全新的物理杀菌技术和超微粉碎新技术，对制备高活性膳食纤维有重要作用。刘伟等[13]的研究表明，经过瞬时高压处理后的麦麸膳食纤维的持水力、膨胀力都有不同程度的提高，可溶性膳食纤维含量明显增加。I.Mateos-Aparicio等[14]通过瞬时高压法对大豆不溶性膳食纤维进行改性处理，随着压力和温度的增加，物料中的可溶性膳食纤维含量增大。而当压力增加到一定范围时可溶性膳食纤维含量的增加幅度有所降低[15]。

2.5 微波、超声波提取法

微波提取法和超声波提取法[16]同时具有节能、省时、环保等特点，并且都有助于物料中可溶性膳食纤维的提取。微波法通过物料吸收微波能，细胞内部温度迅速上升，其中的纤维素、半纤维素和果胶等粗纤维成分被选择性加热，这样它们就容易水解成低聚寡糖。而超声波法提取可溶性膳食纤维主要是利用超声波空化效应和超声机械作用。

Lou ZX等[17]通过同步微波超声波作用从牛蒡里提取出富含酚类的膳食纤维（菊粉），得出最合适的提取条件：超声波功率50 W，微波功率40 W，1 g固体材料与15 mL水混合，反应时间60 s。虽然这种提取方法的菊粉得率（99.03 mg/g）比传统搅拌萃取（99.7899 mg/g）的少，但提取时间从原来的300 s减少到60 s。提取出的膳食纤维持水力、膨胀力、持油力分别为（12.72±0.34）mL water/g，（16.10±0.57）mL/g 和（8.50±0.36）mL oil/g。

3 生物技术方法

3.1 酶法

目前应用于膳食纤维改性的酶主要有木聚糖酶、纤维素酶和木质素氧化酶等。在50℃、145 r/min条件下，膳食纤维与木聚糖酶处理1.75 h后，降低动脉粥样硬化指数能力比未处理增强50%，而且具备更强的脂质转化功能[18]。Kyung等[19]利用食用蜗牛粗酶从胡萝卜渣中提取水溶性膳食纤维，在pH 5，50℃、1%底物浓度和水解96 h的条件下，每水解100 g胡萝卜渣便可产生77.3 g水溶性膳食纤维。钟振声等[20]分别用木聚糖酶、β-葡聚糖酶、纤维素酶和半纤维素酶对大豆不溶性膳食纤维进行改性，结果表明木聚糖酶对提高不溶性膳食纤维持水力的效果最明显。胡叶碧等[21]通过研究得出：纤维素酶和木聚糖酶复合处理能显著地提高玉米皮膳食纤维的可溶性膳食纤维含量和溶胀性、持水力、持油力等物理特性。Napolitano等[22]对小麦膳食纤维进行酶法改性，可溶性成分从3.1%增加到8.8%，不溶性膳食纤维向可溶性膳食纤维的转化有利于人体肠道内双歧杆菌和乳酸杆菌的生长，同时释放的阿魏酸溶解在血浆中，也起到了减缓心血管疾病的作用。

酶法膳食纤维改性技术的优点是膳食纤维产物色泽浅，易漂白，无异味，纯度高，且条件温和、反应速度快、专一性强。缺点是成本高，产率低，在实际生产方面还无法推广。

3.2 发酵法

发酵法是利用微生物发酵消耗蛋白质、淀粉等成分，将膳食纤维大分子组分分解成可溶性小分子化合物，增强与水的结合能力，改善持水力，提高水溶性膳食纤维含量，以达到改性目的。膳食纤维经微生物发酵可产生酪酸，这种四碳脂肪酸能有效治疗糖尿病[23]。涂宗财等[24]以豆渣为原料，经微生物发酵处理和40 MPa下动态超高压均质处理即可生产出可溶性膳食纤维含量为30%的高活性膳食纤维，发酵处理降低了均质处理的成本，为工业化生产提供了条件。汤葆莎等[25]采用巴西蘑菇固体发酵制备麦麸膳食纤维，通过利用麦麸中可溶性营养成分，促进菌丝生长，提高对麦麸不溶性纤维的降解，增加麦麸膳食纤维中的粗蛋白含量。

与非发酵的膳食纤维相比，发酵后的膳食纤维产品气味和色泽得到显著改善，颗粒更松散，溶胀性和持水力得到很大提高，同时膳食纤维产物中的蛋白质、粗纤维、乙醚提取物含量也相应增加。并且发酵生产过程简便，成本低廉，较易于工业化大规模生产。

4 展望

随着社会的发展和人们对自身健康的重视，膳食纤维作为人体健康必不可少的食品添加剂，以其独特的生理功能，日益成为功能性食品、保健品和医药制品的重要成分。而目前面临的问题是：自然界中存在的膳食纤维原料绝大多数是不可溶的，对人体的生理活性低。如何将膳食纤维原料制成可溶性成分含量高的膳食纤维产品，是目前该领域的研究重点。虽然有关膳食纤维改性的研究很多，但在实际生产中，真正高效可行的改性方法并不多。因此，寻找合适的改性方法，研制相应的技术设备，提高改性效率，增加产品附加值是膳食纤维研究领域今后要解决的重要课题。

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