膳食纤维的提取及其在食品中的应用研究

张博华，张明，杨立风，门庆永，陈彩霞，王崇队，马超*

（1.中华全国供销合作总社济南果品研究院，山东济南 250014；2.山东恒宝食品集团有限公司，山东日照 276500）

膳食纤维是指可以对抗人体小肠消化吸收，能够在大肠内发酵的可食用的植物性成分、碳水化合物等整体的统称[1]。膳食纤维被列为继蛋白质、脂肪、糖类、维生素、矿物质和水之后的第七大营养素，由此可见其对人体的重要性。据国内外大量研究与流行病学调查结果显示，膳食纤维具有许多重要的生理功能，是维持人体健康必不可少的重要营养素之一，它的缺乏会导致心血管和肠道方面的疾病[1]。膳食纤维可以调整血糖及血脂水平，从而有效预防糖尿病及心血管病，同时还具有控制体重、预防肥胖[2]、改善胃肠道功能及预防胃肠道疾病等生理功能[3]。膳食纤维还可被用于食品领域（焙烤食品、肉制品、乳制品等），改善食品的加工特性、质量以及外观等。

膳食纤维资源丰富，价格低廉。国外对膳食纤维食品的开发应用较为广泛，而我国对膳食纤维的开发尚处于起步阶段，随着人们生活水平的提高，精细食品逐渐增加，膳食纤维摄入量降低，导致很多慢性病的发生，因此，膳食纤维作为功能性食品的原料，需求量会大大增加。加强膳食纤维的提取及应用研究，充分开发利用国内巨大的膳食纤维资源，实现工业化生产，为食品工业提供优质原料，是今后膳食纤维的研究方向。

膳食纤维按照其溶解性可分成两类，即可溶性膳食纤维（SDF）与不溶性膳食纤维（IDF）[4]。目前膳食纤维提取方法主要有物理法、化学法、酶法和微生物发酵法四种，本文概述了四种提取方法的优缺点及膳食纤维在食品领域中应用的研究进展。

1 膳食纤维提取方法

由于各原料的特性不同，所以进行膳食纤维提取时选用的方法也各不相同，目前常用的提取方法有物理法、化学法、酶法和微生物发酵法。

1.1 物理法

物理法在膳食纤维的提取中应用广泛，主要是指通过物理方式提取膳食纤维，常见的有浸提法、超声法和高压法等。

1.1.1 浸提法

浸提法也称液固萃取法，是用挥发性有机溶剂将原料中的某些成分转移到溶剂相中，然后通过蒸发、蒸馏等手段回收有机溶剂，从而得到所需的较为纯净的萃取组分，是提取膳食纤维最常用的方法之一，一些膳食纤维甚至可在室温下搅拌得到，在高温下可得到更大的收益。

Basanta 等[5]利用浸提法在不同的温度下提取李子中的果胶，提取时间2 h 以上，提取率达12%。姜竹茂等[6]通过浸提法从豆渣中制取可溶性膳食纤维，确定了直接水浸提法的最佳提取条件为提取温度100 ℃、自然pH、提取时间10 min、加水量25 mL/g。在此条件下，可溶性膳食纤维提取率由原来的6.55%提高到11.34%，增加了近一倍。

有学者提出，浸提法破坏了多糖结构中相对较弱的糖苷键，导致细胞膨胀和破裂，从而增加细胞的表面积，改变多糖的性质[7]。而且，浸提温度升高对膳食纤维造成的影响很大，会导致质量大幅下降。浸提法提取率低于酶法或化学法。因此，有时此法会与酸性介质、溶剂、螯合剂或新技术结合，有助于从细胞壁中释放膳食纤维。

1.1.2 超声法

超声法是指利用超声波辅助提取膳食纤维，与传统的提取方法相比，效率更高。超声波制造了一个连续的从高到低的压力周期，制造小气泡，气泡猛烈破裂引起气蚀，这种现象产生强烈的剪切力，使溶剂在固体中穿透的更深，从而增加了扩散速率。这个过程会导致植物组织细胞结构的破坏，溶剂更易达到细胞内部，从而有效地释放细胞成分[8]。

陈琼玲等[9]采用超声波法提取红薯叶中的膳食纤维，最佳提取条件为柠檬酸4%，液料比35:1（mL/g），超声波功率240 W，超声时间21 min，提取温度60 ℃，膳食纤维得率4.37%。卢忠英等[10]以油茶枯为试验材料，采用超声辅助法提取油茶枯中的非水溶性膳食纤维，结果表明：超声功率强度450 W，液料比25:1（mL/g），超声温度60 ℃，超声时间40 min，在该条件下提取的油茶枯膳食纤维得率可达69.11%。

1.1.3 高压法

食品高压处理或高压食品加工技术（High pressure processing，HPP） 又 称 超 高 压 杀 菌 技 术（Ultra-high pressure processing，UHP）、 超 高 压 技 术（Ultra-high pressure，UHP）、高静压技术（High hydrostatic pressure，HHP），通常是用100 MPa 以上（一般100～1 000 MPa）的压力（一般为静水压），在常温或较低温度（一般低于100℃）条件下，作用于包装或无包装的液体及固体食品，从而达到灭菌、物料改性和改变食品某些理化反应速率的效果。由于该技术是一个纯物理过程，具有瞬间压缩，作用均匀，操作安全，能耗低，处理过程不伴随化学变化，有利于食品色香味形的保持及生态环境的保护等诸多优点[14]。

作为一种极具发展潜力的食品非热加工技术，高压法可以和许多传统技术联合使用发挥更好的作用。例如与化学处理、机械处理、微生物发酵或酶法结合后用于膳食纤维的改性便是目前的热点。涂宗财等[15]以豆渣为原料，研究发现单纯以发酵法或瞬时高压法（IHP）分别可提高SDF 含量到15%、35%以上，而在发酵处理的基础上，利用超高压均质技术进一步处理和改性，SDF 含量最高可达37%以上。表明发酵处理可降低SDF 的提取难度，节约均质能源，并减少膳食纤维对设备的破坏，使得超高压均质处理提高SDF 含量更加容易。

高压法已经成为提取可溶性膳食纤维的新兴技术。高压处理法不同于常规的热处理，具有均匀和瞬时的效果，同时该方法的主要优势是处理时间短。Mateos-Aparicio 等[11]利用高静压技术改善了大豆豆渣中膳食纤维的功能。经高压处理后，豆渣中可溶性膳食纤维的含量由原来的2.08%提高到16.86%，可溶性膳食纤维占总膳食纤维的比例由原来的4.6%提高到37.2%，膳食纤维的持水力、膨胀力、持油力分别从原来的6.84 g/g、9.09 mL/g、3.78 g/g 增加到12.56 g/g、12.92 mL/g、7.97 g/g。刘成梅等[16]利用高压均质技术（High Pressure Homogenization Technology，HPH）对豆渣膳食纤维改性后发现，膳食纤维的粒度变细，IDF 含量有所减少，并随压力的增大而减少的越多，相反SDF 含量有所增加，但增加幅度随压力的增大而变小。Tu 等[17]以豆渣为原料研究发现，用HPH 技术改性后，SDF 含量可提高10%～28%，并随处理压力的升高而增大。赵健等[18]利用HHP 技术对红薯渣膳食纤维处理后发现其化学结构基本没有变化，但会使纤维比例发生改变，SDF 含量减少，IDF 含量增加。

1.2 化学法

化学分离方法是指将粗产品或原料干燥、磨碎后采用化学试剂提取而制备成各种膳食纤维的方法，主要包括水提法、酸法、碱法和絮凝剂法等。经过化学试剂处理后，再通过离心、过滤并辅以乙醇等有机溶剂，还可将可溶性膳食纤维与不溶性膳食纤维进一步分离[19]。化学法的主要缺点是时间和温度等处理条件可能会损坏多糖的官能团，导致膳食纤维的功能丧失。

日本不二公司以豆渣为原料，用含30%～70%碱性水溶液的亲水性有机溶剂乙醇进行抽提，再用酸中和、压榨、脱水、干燥得到固体多糖，产品为无臭、无味的白色粉末。从豆渣中提取出的大豆多糖含膳食纤维60%。李泽珍等[19]选用的原料为红薯渣，借助碱化学法提取膳食纤维，对最优工艺进行了明确，即料液比为1:6，碱浓度为10.0 g/L，提取温度75 ℃，提取时间45 min，在此条件下，膳食纤维提取率可达70.25%。

1.3 酶法

酶法是用多种酶逐一除去原料中除膳食纤维以外的其它组分，主要是蛋白质、脂肪、淀粉等物质。化学法制备出的膳食纤维中会含有一些蛋白质和淀粉，相比化学法而言，酶法得到的膳食纤维更加纯净，含的杂质相对较少。常用的酶主要有淀粉酶、蛋白酶、半纤维素酶、阿拉伯聚糖酶等。酶法提取成功地克服了一些酸处理方法的缺点，如低pH、酸腐蚀、需要中和以及去除过程中产生大量的废物等，但几乎所有的酶法提取都需要较长的反应时间。

李建周等[20]借助酶法来提取豆渣中的膳食纤维，确定了最优工艺：蛋白酶、α-淀粉酶以及糖化酶的酶解温度分别为50、70、50 ℃，酶解时间分别为5 h、1 h、30 min，用量分别为25、6 与5 mg/g，在此条件下，膳食纤维的提取率可达80.13%。

1.4 微生物发酵法

发酵法是利用微生物发酵，消耗原料中的碳源、氮源，除去原料中的植酸，减少蛋白质、淀粉等成分，制取可溶性膳食纤维。采用发酵法生产的膳食纤维在色泽、质地、气味和分散程度上均优于化学法，且比化学法提取得到的膳食纤维有较高的持水力和得率[11]。

赵泰霞等[21]以新鲜豆渣为原料，以保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌（1:1）为发酵剂，利用发酵法来提取大豆膳食纤维。结果表明，最佳工艺条件为发酵时间30 h，发酵剂接种量5%，3%脱脂奶粉+0.5%白砂糖，发酵温度41℃，提取的膳食纤维得率为75.6%，成品呈浅黄色，无豆腥味、并有一股淡淡的特殊香味。

2 膳食纤维在食品中的应用

膳食纤维被称为“第七大营养素”，大量研究证实了其具有降血压、降血脂、通便润肠等功能，对特殊人群的治疗具有辅助作用。在欧美发达国家早已将膳食纤维运用到食品中，在20 世纪80 年代，美国将膳食纤维作为一种功能性食品配料运用于食品工业，并制成各种各样富含膳食纤维的糕点、饮品、果酱等。

2.1 在焙烤食品中的应用

在焙烤食品中使用的膳食纤维主要来源于谷物、果蔬，膳食纤维在小剂量添加范围内对面筋网络结构和面团有一定的改良作用，能延缓面包陈化率，增大面包和糕点体积，改善饼干咀嚼性，满足人们对高膳食纤维、低能量焙烤食品的需求[22]。

刘忠萍等[23]对大豆膳食纤维的研究发现，在面包中加2%～5%的大豆膳食纤维可改善面包蜂窝状组织，增大体积；在馒头中添加面粉量6%左右的大豆膳食纤维，可增强面团力、口感好，有特殊香味；在饼干、糕点中也可以加入大豆膳食纤维，吸附大量水分，能够通过保持水分来延长产品的货架期。王世宽等[21]对麦麸膳食纤维的研究中，发现面团的吸水率及稳定时间随膳食纤维添加量的增加而升高，弱化度随其添加量的升高而下降，这表明麦麸膳食纤维的加入可显著增强面粉的筋力。

2.2 在肉制品中的应用

肉类中含有丰富的营养价值，能为人们提供优质蛋白质、多种矿物质以及维生素；但是肉类食品中脂肪和胆固醇含量高且缺乏膳食纤维，将膳食纤维添加到肉制品中不仅可以提高肉制品的持水能力和乳化稳定性，还可以增加肉制品的保健功能。

魏决等[24]将从苹果皮渣中获得的可溶性及非可溶性膳食纤维用于灌肠的制作中，通过对产品的感官评定和物性测定，分析不同比例的苹果膳食纤维在灌肠中的最佳添加量，结果表明：SDF 添加量为1%或混合膳食纤维（SDF:IDF=1:1）添加量为1%时，灌肠的嫩度、咀嚼性和黏性使风味达到最佳。胡胜杰等[12]通过单因素试验和正交试验，研究了玉米膳食纤维质量分数、大豆分离蛋白质量分数对肉丸品质和出品率的影响。结果表明，肉丸配比中大豆分离蛋白质量分数为12%、玉米膳食纤维质量分数为5%～6%时，肉丸感官品质较好，出品率最高可达182.68%。

2.3 在乳制品中的应用

在乳制品中加入膳食纤维能同时满足人们对蛋白质、脂肪等动物性营养成分和膳食纤维等植物性营养成分的需求，能进一步提高乳制品的营养价值和应用范围。膳食纤维在乳品中的作用如下：一是可以改善乳品口感，提高稳定性，且不与其中任何成分发生对人体不利的理化反应；二是长期饮用含有膳食纤维的乳品，能使肠道舒畅，并可降低胆固醇、调节血脂、血糖，特别适于中老年人[25]。

司俊玲等[26]在鲜奶中添加燕麦膳食纤维，采用丁二酮乳酸链球菌、嗜热链球菌和嗜酸乳杆菌为混合发酵剂，研究出一种新型添加燕麦膳食纤维的凝固性乳制品。试验结果表明，在溶液pH 7.0 条件下，添加量l.5%的α-淀粉酶，酶解温度65 ℃，时间40 min，燕麦麸皮膳食纤维的提取率达62.92%；发酵液最佳组合为：2.0%膳食纤维，6.0%蔗糖，0.4%CMC；混合发酵剂最优组合为：0.5%丁二酮乳酸链球菌，0.7%嗜热链球菌，1.2%嗜酸乳杆菌；在发酵4 h、温度42 ℃、接种量5%的条件下，燕麦膳食纤维凝固性酸乳风味独特，感官效果最佳。李华丽等[27]通过单因素试验研究了甜味剂、酸味剂、玉米皮SDF 的用量对乳饮料产品感官品质的影响，确定了甜味剂为白糖4%、安赛蜜0.01%、甜蜜素0.04%，酸味剂为柠檬酸0.2%、苹果酸0.1%、乳酸0.1%，玉米皮SDF 添加量8%。通过正交试验研究了几种单体稳定剂对产品稳定性的影响，确定了复合稳定剂为CMC-Na 0.35%、黄原胶0.08%、PGA 0.03%、复合磷酸盐0.02%。

2.4 在饮料中的应用

饮料在世界范围内销量巨大，种类丰富，随着社会的发展，其在人们日常生活中越来越受到欢迎。饮料主要有乳饮料、碳酸饮料、功能饮料和茶饮料等几大类。将膳食纤维添加到饮料中也是一种增加膳食纤维摄取量的有效方法。膳食纤维添加到饮料中要考虑膳食纤维对饮料口感、色泽和稳定性等方面的影响。目前膳食纤维饮料制品的研究主要是在饮料配方中添加膳食纤维，在保证饮料口感、色泽和稳定性的前提下，寻求膳食纤维的最大添加量。将膳食纤维添加到饮料中，研制出的新品种饮料具有良好的稳定性、乳化性，符合低热、低脂肪、低糖的健康食品标准，既能改善饮料营养结构，又能丰富饮料的种类。郭健等[28]以麦麸为原料提取膳食纤维，再接入乳酸菌进行发酵，经调配、均质制成了一种新型的功能性麦麸膳食纤维乳酸活菌饮料。

3 小结

我国的膳食纤维来源广、数量大、价格低廉，因此，要大力发展膳食纤维行业，研发符合人们需求的膳食纤维食品。膳食纤维食品的开发利用研究不断发展，科研工作者正在不断努力寻求新的处理方法和研究手段，超微粉碎技术、挤压膨化技术、高温瞬时热处理等技术已经应用于提取出品质更高的膳食纤维。虽然科研工作者已经在膳食纤维食品的开发利用上做了大量的研究，但在国内市场上可供消费者选择的食用方便、口感美味、具有吸引力的膳食纤维食品还远远不够，还有许多工作要做。另外，膳食纤维食品在市场上还处于起步阶段，没有形成稳定的消费人群，这就需要进一步挖掘膳食纤维的潜在价值，加大宣传力度，让膳食纤维食品真正走进消费者的日常生活，真正为消费者所接受，这是我们今后需要努力的方向。膳食纤维食品的开发研究不仅可以改善人们的饮食习惯，优化人们的饮食结构，而且能使农副产品增值，促进企业经济效益的提高。