果蔬加工副产物膳食纤维改性及应用研究进展

王瑶，张明，王兆升，杨立风，马超，王崇队，吴茂玉*

（1.山东农业大学食品科学与工程学院，山东泰安271000；2.中华全国供销合作总社济南果品研究院，山东济南250014）

果蔬加工副产物是指在果蔬加工过程中产生的果皮、果渣、老茎等副产物，主要成分有膳食纤维、木质素及蛋白质等。我国每年果蔬废弃物产量约占果蔬总产量的25%~30%，约有1 亿t 的水果和蔬菜废弃物被丢弃[1]。这些废弃物中含有大量的膳食纤维，其中不同膳食纤维的质量和生理功能差别明显，自然界原料中可溶性膳食纤维的含量一般在3%左右，研究表明只有可溶性膳食纤维含量达到10%以上，才具有良好的功能特性和加工性能，否则只是低品质的填充型膳食纤维[2]。因此，使不溶性膳食纤维（IDF）转化为可溶性膳食纤维（SDF），提高其生理活性，扩大应用范围具有重要的研究意义。本文结合近年来的研究，就膳食纤维的功能评价和改性方式等作简要综述，以期为果蔬加工副产物膳食纤维资源高值利用提供一定的参考和借鉴。

1 膳食纤维的化学成分及理化特性

1.1 化学成分

膳食纤维实际上是植物细胞壁及部分植物细胞内部的胶粘物质、植物受损的应激物质等组成的混合物[3，4]。根据植物体功能划分为三大类：（1）结构性多糖，包括纤维素、半纤维素及果胶等物质；（2）结构性非多糖，主要成分为木质素，是一种由C6-C3单元通过醚键、碳-碳键连接的多聚芳香族化合物；（3）非结构性多糖，是细胞内的分泌物，多为树胶、胶浆及部分多糖类物质。膳食纤维的主要化学成分见表1。

1.2 理化特性

膳食纤维的理化特性与化学组成密切相关。各分子链中单糖分子含有不同的基团，它们通过彼此结合，赋予了膳食纤维独特的理化特性，主要体现在持水性、离子交换能力和吸附能力、发酵性等方面。

1.2.1 持水性和溶胀性

膳食纤维含有大量的亲水基团，有较强的吸水、持水能力。不同来源、不同种类膳食纤维的持水力（WHC）和溶胀性各不相同。富含膳食纤维的食物进入消化道，吸收大量的水分，并膨胀形成高黏度的溶液或凝胶，从而产生饱腹感，减少了食物和热量的摄入。刘静娜等[5]对芦笋皮和茎中提取得到的SDF 和IDF 进行持水力和溶胀力的测定，结果表明，持水性能由大到小依次为：皮IDF、茎IDF、皮SDF、茎SDF，芦笋皮中的IDF 持水性是SDF 的2倍，芦笋茎的IDF 持水性是SDF 的4.8 倍，而芦笋皮SDF的持水性与茎IDF 相当；芦笋皮、芦笋茎的IDF 溶胀性能明显强于SDF，且芦笋皮SDF 的溶胀性为芦笋茎的2.2 倍，而芦笋皮IDF 的溶胀性比芦笋茎高1.5 倍。

1.2.2 离子交换和吸附能力

膳食纤维中尤其是酸性多糖类的结构含有一些侧链基团（主要为羧基和羟基），它们有较强的阳离子交换能力，且此交换为可逆性的，会优先交换铅等有害离子，同时还能吸附胆汁酸、胆固醇、变异原等有机分子。杨晓宽等[6]对酶碱法提取的膳食纤维，包括SDF、IDF 和TDF（总膳食纤维，SDF∶IDF=1∶2），进行特性比较，结果发现，SDF、IDF、TDF 的 阳 离 子 交 换 能 力 分 别 为0.77、0.27、0.48 mmol/g；吸附胆固醇的能力，SDF 为20.71 mg/g，IDF 为15.69 mg/g，TDF 为17.45 mg/g。

表1 膳食纤维的化学组成、结构及作用Table 1 Chemical composition，structure and function of dietary fiber

1.2.3 发酵性

膳食纤维不易在体内被消化酶降解，但在大肠内可被微生物（如双歧杆菌）酵解。这些微生物能以部分膳食纤维为营养进行代谢，同时产生大量的短链脂肪酸，促进有益菌群的增殖。微生物酵解的速率、程度与底物接触的程度（即膳食纤维基质的物理结构）、多糖的化学结构有关，可溶性多糖的酵解率比细胞壁内多糖的酵解率要高[7]。有益菌群增殖的同时可减少肠毒素的累积，减少对肠粘膜的刺激，从而保护肠道健康，预防结肠癌的发生。

2 膳食纤维的功能特性

2.1 预防心血管疾病

血液中胆固醇的来源可分为两种：食物摄取和体内合成，血液中的血脂和胆固醇含量高容易引起心血管疾病。肝脏中的胆固醇可代谢为胆汁酸，胆汁酸在小肠中消化脂肪，并被小肠吸收转换成胆固醇回到肝脏[8]。膳食纤维具有良好的吸附能力，能够吸附胆固醇的代谢产物——胆汁酸。为消化肠道内的食物，肝脏需要吸收更多的胆固醇进行代谢，导致血液中胆固醇含量下降；膳食纤维还能缩短脂肪经过肠道的时间，阻止或延缓肌体对脂肪的吸收，从而降低血液中脂和胆固醇的含量，预防心血管疾病[9]。

2.2 预防肠道疾病，改善便秘

厌氧菌与酵母菌可酵解膳食纤维，使其在大肠内发酵产生大量的短链脂肪酸（SCFA）。其中丁酸可降低肠道内的pH 值，利于双歧杆菌、乳酸杆菌等有益菌群的生长繁殖；同时还能抑制肿瘤细胞的生长，控制致癌基因表达，预防肠道疾病。另一方面IDF 对有害物质有较强的清除和吸附能力，且带有植酸、阿魏酸等生物活性物质，可抑制癌症的形成，降低结肠癌的发病率[10,11]。

SDF 具有较好的持水能力，且易被酵解为SCFA，刺激肠黏膜，增加粪便排泄量；IDF 不易被消化酵解，能促进肠道蠕动，缩短食物残渣通过的时间，从而加快排泄，预防便秘。

2.3 防止重金属中毒，预防高血压

膳食纤维尤其是酸性多糖类对阳离子有结合和交换能力，可以与钙、锌、铜、铅等离子进行交换，并对铅等有害离子有优先交换性，所以吸附在膳食纤维上的有害离子可以随粪便排出，从而防止重金属中毒。

医学研究表明，血液中钠、钾离子比值的大小直接影响血压的高低。膳食纤维在胃肠中进行离子交换，改变了阳离子浓度，对消化道pH、渗透压、氧化还原电位产生影响。随着尿液中钾离子和粪便中钠离子的排出，血液中Na/K 的比值降低，导致血压降低[11]。

2.4 预防糖尿病

水溶性膳食纤维在胃肠道中能形成凝胶基层，阻碍消化酶与食物的接触，减缓消化吸收进程，延缓胃排空时间；水不溶性膳食纤维能吸附葡萄糖，减慢机体对葡萄糖的吸收速度，降低肠液葡萄糖的有效浓度，有助于控制糖尿病患者的症状[10,12]。膳食纤维可影响消化酶对机体的调节作用，延长酶解时间，减缓肠液中葡萄糖的释放；还能改善末梢组织对胰岛素的感受性，使葡萄糖的吸收率下降，提高人体耐糖的程度，利于糖尿病的治疗和康复。

3 膳食纤维的改性方法

膳食纤维中不溶性成分主要刺激肠道产生机械蠕动，而可溶性成分则发挥代谢功能，故而膳食纤维中可溶性成分的组成比例对膳食纤维生理功能起着重要作用。有学者发现，高品质膳食纤维中SDF 的含量应该在10%以上[13]。然而大多数植物膳食纤维中的SDF 含量很少，未能达到膳食平衡标准，且性能存在某些缺陷，无法满足加工需求，须通过改性处理提高其品质。改性技术是指对膳食纤维进行适当的处理，使不溶性膳食纤维大分子结构的部分连接键断裂，转变为小分子低聚体的膳食纤维降解产物，其物理、化学特性以及生物活性发生变化，以满足生产需求[14]。

目前膳食纤维的改性方法主要有物理方法（超微粉碎技术、超高压技术等）、化学方法（酸法、碱法）和生物技术方法（酶法、发酵法），也可将上述方法联合使用，得到高品质的膳食纤维。

3.1 物理方法

3.1.1 超微粉碎技术

我国超微粉碎技术是20 世纪90 年代随着现代化工、电子、生物、材料及矿产开发等高新技术的不断发展而兴起的，是目前食品加工的高科技尖端技术[15]。它是利用机械或流体动力的方法克服固体内部凝聚力并使之破碎的粉碎技术，可以使物料的粒度达到10 μm 以下，甚至能够达到1 μm 的超微米水平[16]。膳食纤维在超微粉碎时，经高速高强度的碰撞剪切等，可使糖苷键断裂，物料比表面积增大，使得亲水基团暴露，致使其持水性、膨胀力等物化特性发生改变。

超微粉碎技术大致分为机械粉碎和化学合成粉碎，前者因成本低、产能高且操作方便而得以普遍应用。葛邦国等[17]对苹果渣膳食纤维进行改性试验，比较了化学法和物理法对膳食纤维改性的影响，得出物理方法对膳食纤维能进行较好的改性处理，经过超微粉碎处理的苹果渣膳食纤维的持水力提高了9.9%，膨胀力提高了9.8%。李安平等[18]对竹笋膳食纤维进行了研究，结果表明，超微粉碎时间增加，粒径减小，比表面积也增大，当粉碎处理40 min 时，粒度小于150 μm 的粉末颗粒可达到81.16%；此外，DF 粉末粒径越小，SDF 含量越高；超微粉碎获得的各种粒径竹笋DF 的SDF/IDF 比值在0.0048~0.0158 之间变化，且随着粒径的减小，DF 对NO2-和胆酸钠的吸附量却逐渐增大。

3.1.2 超高压技术

超高压改性是一种将样品置于常温或高温的液体介质中进行100~1000 MPa 处理以达到预期目标的方法。该技术是纯物理手段，在介质中物料体积被压缩。超高压会产生极高的静压，不仅影响细胞的形态，还会使生物高分子立体结构的非共价键发生变化，使蛋白质凝固、淀粉等变性[19]。

李雁等[20]对红薯渣不溶性膳食纤维进行超高压改性，结果表明，改性红薯渣IDF 的微观结构为疏松、光滑、蜂巢形的多孔网状结构；结晶度减小，比表面积增大。涂宗财等[21]研究了不同处理压力对提高豆渣中可溶性膳食纤维（SDF）含量的影响，结果表明，动态超高压均质处理法可提高可溶性膳食纤维含量达35%以上。

3.2 化学方法

化学改性指通过酸碱处理，使纤维类大分子不同程度地转化为多糖（非消化性），从而使聚合度大幅下降，在适当的反应条件（如pH、时间及温度）下，断裂其中的糖苷键，产生具有还原性的末端。吴丽萍等[22]对竹笋膳食纤维进行化学改性后，膨胀力、持水力、结合水力、SDF 含量都有一定程度的提高，但是阳离子交换力略有下降。化学改性虽可以提高SDF 含量，但其转化率低、反应时间长，不能满足大规模生产的需求，而且化学基团的引入容易造成离子残留。故化学改性在食品加工方面并不占优势，更多用于包装材料的使用[23]。

3.3 生物技术方法

生物技术方法主要指酶法和发酵法。酶法改性是通过复合酶制剂作用于不溶性膳食纤维，使其部分成分发生降解，提高溶解性，同时改善持水性等理化性质。酶法反应条件温和，专一性强，反应时间短。目前主要用于膳食纤维改性的酶有木聚糖酶、纤维素酶和木质素氧化酶等。麻佩佩等[24]利用纤维素酶对挤压后的苹果渣膳食纤维进行改性，提高可溶性膳食纤维的含量，从而提高产品的功能性。

发酵法主要是通过微生物代谢产生的有机酸的作用，将大分子膳食纤维分解为小分子化合物。目前应用的发酵菌种主要是乳酸菌和其它混合菌群。陈海强等[25]利用枯草芽孢杆菌BF7658 发酵绿豆粉，结果发现，产品SDF 含量高达10.08%，在发酵原料0.78%的基础上增加了9.30%。

4 果蔬副产物膳食纤维在食品中的应用

据统计，我国果蔬加工业的副产物高达1 亿t。这些副产物基本上没有开发利用，不仅污染环境，而且浪费资源。因为这些副产物中含有丰富的蛋白质、氨基酸、果胶、膳食纤维等营养成分。从果蔬副产物中提取的DF 具有持水性、持油性、乳化性、成胶性等特性，添加到食品中，可赋予食品适当的流变学特性，改善食品的风味和质构，在产品加工方面有较明显作用。

4.1 在主食中的应用

主食主要包括面条、馒头、面包等。面条一般添加5%的DF，种类不同，效果也不同。将DF 加到面粉中制成馒头，可强化面团筋力，并且具有特殊香味，口感适宜。在国外，大部分面包都不同程度地添加了DF，其蜂窝状组织和口感有明显改善，是一种最常见强化膳食纤维的食品。

刘婷婷等[26]对玉米高品质膳食纤维（CHQDF）面包的质构进行了研究，发现CHQDF 可增大面包的硬度和咀嚼性，而在弹性和回复性方面影响较小；通过对面包比容、保水性、物性、老化度及感官品质等进行综合分析，确定CHQDF 添加量为9%时效果最好，此时面包口感细腻、弹性适宜、质地柔软、味道纯正。Fan Lisheng 等[27]将黑木耳子实体中的多糖提取出来，按9%的比例添加到面粉中，得到的面包口感良好，且具有很好的抗氧化性。

4.2 在焙烤食品中的应用

改性后的DF 有良好的水合性能，在焙烤食品中应用广泛，如饼干、蛋糕、馅饼等食品中。其中焙烤饼干中的糖、油用量较多，水分偏少，面粉筋力较低，需要添加DF改善饼干的口感。而糕点中含有大量水分，在焙烤时影响产品质量，DF 有较高的WHC，可吸附水分，利于产品形成合理质构。DF 的用量一般不超面粉的10%，否则影响面团的醒发。

在一定添加量范围内，随着苹果渣膳食纤维添加量的增加，桃酥摊裂度逐渐降低；且膳食纤维的粒度越小，桃酥的组织结构和口感越好[28]。将DF 与焦糖色素、油脂、维生素等营养成分、木糖醇等甜味剂混合后制成馅料，可用于馅饼、汉堡等面制食品。且在普通的馅料中加1%的膳食纤维，同样可以补充膳食纤维。

4.3 在饮料中的应用

膳食纤维可作为均质剂和稳定剂添加到饮料中。市场上的果汁大多采用果胶、黄原胶等作为稳定剂。适量的膳食纤维可使饮料中的微粒分布均匀，避免分层和沉淀，改善口感。Hou Xujie 等[29]将巴楚菇中的多糖提取出来制成一种混合饮料，质地均匀透彻，香气浓郁，比压榨的苹果汁味道更好。还可将提取后的米糠膳食纤维经再处理后应用于胡萝卜饮料中，制成富含纤维的营养保健饮料[30]。

目前国内添加膳食纤维的饮料已有上百种，其中比较有代表性的有：伊利集团的“谷粒多”系列，开辟了谷物乳饮料的先河；蒙牛乳业的“早餐奶”系列，也是成功运用谷物的概念体现膳食纤维；娃哈哈的“营养快线、呦呦奶茶”系列，把膳食纤维作为复合营养素的一种；此外，在固体饮料中膳食纤维的应用更是广泛，市场上80%的膳食纤维补充剂都是固体饮料形式的，已成为一种大众化的产品形式[31]。

4.4 在保健食品中的应用

保健品市场中最为热门的功效是润肠通便、减肥美容等，而膳食纤维在这些方面作用突出。在实际生产中，国内外已有多家研究机构和企业推出膳食纤维加工技术和保健品，如日本大冢制药公司用食用水溶性膳食纤维制造纤维素饮品MINIFIBER，畅销日本和韩国；浙江工商大学杭州商学院研制的高纤维保健品——麦宝；宁波宝鼎公司研发的新型海洋生物膳食纤维保健品；河南科龙保健食品厂以谷物为原料开发的纯天然保健食品膳食纤维粉等[32]。除了作为功能性产品配料使用以外，目前还产生了以可溶性膳食纤维为主的片剂、胶囊及冲剂等保健产品，表现出了良好的市场前景。

4.5 在其他食品中的应用

膳食纤维有较强的持水力和保水力，可减缓水分流失，使烹调的食物不易干硬或酥烂，如大豆食用纤维可使肉灌制食品保持良好口感，提高出品率。膳食纤维还可部分替代食品中的油脂，如植物胶能提供奶油状、滑腻的口感性质，卡拉胶和瓜尔豆胶混合物可以用作冰激凌的稳定剂。瓜尔豆胶、卡拉胶和阿拉伯胶可添加到调味品（如酱油）中作增稠剂和稳定剂来提高产品稠度，防止组分分离，调整口味。此外，膳食纤维在香肠、膨化食品、内脂豆腐、糖果中也有广泛应用。

5 展望

随着经济水平的提高和人们对养生的重视，DF 因其特有的生理功能和保健作用成为功能性食品研发的热点之一。目前，关于DF 的研究很多，主要集中在提取和研究植物性纤维方面，关于DF 的构效关系和分子水平的研究较少，能适应市场的高品质纤维产品缺口较大。我国是农业大国，农产品资源丰富，从农产品加工的副产品（如废渣）提取DF 不仅解决了环境污染问题，还提高了食品产业的附加值，因此膳食纤维及其改性在食品中应用的研究和开发具有重要的现实意义。