水不溶性膳食纤维生理功能、制备工艺及应用研究进展

宋康，宋莎莎，弓志青，崔文甲，王文亮，李春香

山东省农业科学院农产品研究所/山东省农产品精深加工技术重点实验室/农业农村部新食品资源加工重点实验室（济南 250100）

膳食纤维是指不能被人体消化吸收的木质素和多糖类碳水化合物，主要是基料、碳水化合物和填充类化合物三部分[1]。近年来随着大家对其生理功能尤其是在促进肠胃蠕动、预防心脑血管疾病及肥胖方面日益重视，膳食纤维被列为七大营养素之一。根据膳食纤维在水中的溶解性可将其分为水溶性膳食纤维与水不溶性膳食纤维。其中水不溶性膳食纤维占天然纤维的2/3～3/4，是指不溶于水且不易被人体消化道酶消化的膳食纤维，主要成分包括纤维素、部分半纤维素及木质素等，是组成细胞壁的重要成分[2-4]，大部分来源于谷物食品以及果蔬类食品。主要介绍水不溶性膳食纤维的理化特性、保健功能、制备工艺及在农产品加工行业的应用进展，并对其进一步研究做了展望。

1 水不溶性膳食纤维的理化特性

1.1 持水力与膨胀力

果蔬、食用菌等日常食物中含有的膳食纤维具有一定吸水性和持水性。因为膳食纤维的化学结构有许多亲水性基团，这些亲水性基团使其能吸收1.5～25倍的水分，另外水不溶性膳食纤维的纤维素中存在毛细管结构，使其具有一定吸水性[5-6]。纤维素存在无定形区，无定形区存在一些空隙，使其有限溶胀，增大体积[6]。膳食纤维吸水后膨胀，在肠道中会使得粪便体积增大，有促进肠道蠕动的功效。

1.2 离子交换作用

在一些膳食纤维分子结构中，含有一些重要的侧链基团，主要有羟基、羧基等。这些基团可与阳离子进行可逆性交换，扮演一个弱酸性阳离子交换树脂的角色[7]。Chau等[8]测定3种豆类的水不溶性膳食纤维的阳离子交换能力，发现均具有较强的离子结合能力，且阳离子交换能力的强弱与膳食纤维结构中糖醛酸含量有关。

1.3 吸附作用

膳食纤维分子具有一定长度、强度与弹性，在机体的消化道中能够形成具有一定强度和体积的网状结构，其中网状结构具有物理性吸附特性，能够吸附某些物质[9]，如胆固醇、脂肪等。

2 水不溶性膳食纤维的保健功能

2.1 预防及减轻便秘

水不溶性膳食纤维因其在消化道中具有吸水性及膨胀性，对于促进肠胃蠕动和改善便秘具有一定作用。宋江良[10]研究不同目数的茶叶水不溶性膳食纤维对改善便秘的功能性，研究结果表明80目的水不溶性膳食纤维具有通便作用，但是对促进小肠蠕动功能不明显，100，150和200目的膳食纤维具有明显的通便与促进小肠蠕动作用。王娟等[11]通过动物试验研究香蕉中水不可溶性膳食纤维的通便作用，研究表明小鼠在4 g/（kg BW·d）的饲喂计量下，具有促进便秘模型小鼠小肠蠕动作用，在1 g/（kg BW·d）剂量下，具有缩短缩便时间、加快排便速度的效果。

2.2 改善肠道菌群

近年来，大量研究结果认为可以将肠道菌群视为人体的一个器官，而且是重要器官。其重要性体现在肠道菌群不仅可以与机体进行物质与信息交换，影响机体的正常代谢与营养吸收，而且与肠道黏膜的免疫应答形成和维持也有着非常密切的关系，有最新研究揭示一种肠道微生物放大肺部炎症反应的生物学机制[12-15]。大量学者通过研究证实膳食纤维具有调节肠道菌群的功效。吴占威等[16]从豆渣中提取膳食纤维，并灌胃小鼠研究对小鼠肠道菌群的影响，结果表明高剂量的水不溶性膳食纤维对小鼠肠道菌群调理作用明显，可以增加乳酸杆菌与双歧杆菌的数量，并在一定程度上抑制肠球菌与肠杆菌的增长。白冰瑶等[17]进行的试验结果表明在小鼠摄入红枣膳食纤维剂量达0.60 g/（kg·d）时，可以显著降低其肠道内产气荚膜梭菌、肠杆菌和肠球菌含量，同时能够促进乳杆菌与双歧杆菌增殖。刘昱迪等[18]从金针菇子实体中提取膳食纤维并研究其对4种肠道菌群体外生长的影响。研究发现水不可溶性膳食纤维能够显著促进保加利亚乳杆菌的生长并与添加量呈正相关，抑制大肠杆菌与白色假丝酵母生长的最佳添加量为2.4 g/mL。

2.3 吸附重金属离子

膳食纤维分子中富含羟基、羧基和氨基等化学基团，并与肠胃内的铁、钙、铜、汞和镉等二价金属阳离子结合，进而表现出相应的阳离子离子交换能力，可部分消除体内的重金属离子，有助于机体健康[19]。李浡等[20]通过研究发现葡萄皮渣中水不溶性膳食纤维可有效降低铅中毒模型小鼠体内的铅含量，具有一定排铅作用。欧仕益等[21]建立体外模拟消化道模型，研究发现麦麸中水不溶性膳食纤维对汞、铅、镉3种重金属离子具有显著的吸附作用。

2.4 预防心脑血管疾病

膳食纤维可以减轻营养过剩对心脑血管系统造成的危害，在预防和改善冠状动脉硬化造成的心脏病中扮演重要角色。主要是在脂肪代谢过程中能够吸附脂肪酸，缩短脂肪通过肠道的时间[20]，龚卫华等[22]从麻竹笋笋壳中提取木质素，研究表明，木质素对胆酸钠和牛磺胆酸钠均有较高吸附率，同时对鹅脱氧胆酸钠和脱氧胆酸钠也表现出很强的吸附能力。Zhang等[23]通过利用鸡蛋黄制备胆固醇胶束体外模拟胃肠环境，研究结果表明从大豆种子壳中所提取的水不溶性膳食纤维对于胆固醇胶束具有一定吸附能力。段振[24]通过研究发现石榴皮中水不溶性膳食纤维不仅能够吸附油脂、胆固醇胶束及胆酸盐，而且能抑制胰脂肪酶活性，达到降血脂效果。上述研究结果表明水不溶性膳食纤维能够吸附脂肪酸胆固醇等不利于人体心脑血管健康的物质，从而达到预防心脑血管疾病效果。

3 水不溶性膳食纤维的制备工艺

国内外制备膳食纤维的主要方法有水提法、化学法、酶法、生物发酵法及其他方法等。由于热水提取法提取率较低，一般不予采用。主要介绍化学法、酶法、生物发酵法及其他制备方法。

3.1 化学法

化学法提取是采用化学试剂来分离膳食纤维，主要有酸法、碱法和絮凝剂等，化学法提取膳食纤维的优势是生产成本较低，但是制备出的膳食纤维产品色泽欠佳，工业化生产会产生较多污水，对环境不友好。

表1 化学法应用实例

3.2 酶法

酶法提取是利用各种酶，如蛋白酶、α-淀粉酶、糖化酶等降解原料中的非膳食纤维成分。酶法制备膳食纤维工艺简单，膳食纤维得率高、纯度好，是一种较为理想的工业化生产膳食纤维的方法。

表2 酶法应用实例

3.3 生物发酵法

生物发酵法是采用微生物发酵的原理，在特定环境条件下从发酵底物中提取膳食纤维的一种方法。生物发酵法成本较低，提取所得膳食纤维产品得率高，产品色泽质地良好，理化性质优良。但是因对环境因素要求较高，研究仍处于试验阶段，距离实现工厂化生产还有很长距离。

表3 生物发酵法应用实例

4 水不溶性膳食纤维的应用进展

随着生活水平提高，饮食消费习惯有了很大改变，对饮食健康越来越重视。很多膳食纤维强化食品及膳食纤维功能食品应运而生。国内外文献关于膳食纤维在食品中的应用主要体现在流体食品、面食制品及肉制品三方面。

4.1 膳食纤维在面制品中应用

膳食纤维加入面食产品中能够提高其营养价值的同时改善面制品的质构品质。刘宇等[42]研究豆渣中不溶性膳食纤维对酥性饼干特性的影响，结果表明添加豆渣不溶性膳食纤维的饼干持水性与硬度均提高；李曼等[43]以高温蒸煮改性蕨菜膳食纤维为原料制备酥性饼干，研究表明最适添加量9%，在此添加量下饼干具有适宜的硬度与酥脆性，感官品质最佳。陶春生等[44]研究挤压改性麦麸膳食纤维对面条品质的影响，结果发现随着膳食纤维添加量加大，面条的硬度、咀嚼性与胶黏性均增加，添加量6%时面条感官评价较对照面条总分提高，面条品质较好。张丰等[45]从香蕉皮中提取不溶性膳食纤维，并添加到面团里，制备出品质较好的面包。

4.2 膳食纤维在肉制品中的应用

膳食纤维因其具有较好的吸附脂肪的特性及良好的保水性，因此研究其在肉制品中的应用成为近年来国内外研究的热点。刘英丽等[46]研究不同粒径不同添加量的小麦麸膳食纤维对猪肌原纤维蛋白凝胶乳化特性的影响，发现粒径越小越能提高其蛋白凝胶硬度与保水性，添加量1%时最佳。Zhuang等[47]在肉糜中添加甘蔗纤维协同乳化技术研究其对肉糜品质的影响，发现肉糜持水持油力及流变学特性均显著提高，并且产品中胆固醇与脂肪含量减少。进一步研究[48]不溶性甘蔗纤维对肌原纤维蛋白凝胶特性的影响，并通过拉曼光谱揭示甘蔗水不溶性膳食纤维的添加对肉糜形成均匀致密的凝胶具有积极的影响。宋玉[49]通过高温高压蒸煮结合纤维素酶对竹笋膳食纤维进行改性，与一定比例的水和猪皮混合制备成脂肪替代物凝胶应用在中式香肠中，其比对照组香肠水分含量提高3.27%、脂肪含量降低9.26%、蒸煮损失率降低26.65%，改善质构性质的同时拥有优良口感。

4.3 膳食纤维在流体食品中的应用

膳食纤维具有良好的吸水性和保水性，有利于凝胶的形成和结构稳定并能够减缓脱水收缩作用。因此许多学者研究膳食纤维与流体食品的复配。李西腾等[50]从榆黄蘑中提取膳食纤维加入酸奶中，研究最优制备工艺，制备得到香味浓郁、酸甜适中的膳食纤维酸奶产品。司俊玲等[51]在鲜奶中添加燕麦膳食纤维，采用混合发酵剂发酵制备凝固型酸奶，风味独特，感官效果佳。代曜伊等[52]采用竹笋不溶性膳食纤维复配草莓果酱，研究流体体系性质，结果表明竹笋不溶性膳食纤维能够提高体系稳定性，增加体系弹性与黏性，使体系内部凝胶性增强。

5 前景与展望

近10年，关于膳食纤维的研究大幅增长，但是多数研究集中在提取工艺及在食品中的应用上，在基础研究方面研究不够深入，对膳食纤维的性质探索方面，不同工艺对其物理化学性质的影响较多，宏观性研究对小鼠肠道菌群的影响、研究对高脂、便秘模型小鼠的改善较多，但是对其分子结构及其构效关系研究层次不够深。另外，水不溶性膳食纤维的应用有一定局限性，加强对水不溶性膳食纤维的改性研究将对提高膳食纤维在食品中的应用具有非常重要意义。

此外，中国作为一个农业大国，应充分利用国内巨大的膳食纤维资源，如食用菌副产物。若能将其中富含的膳食纤维进行合理开发，不仅使其变废为宝，减少资源浪费和环境污染，而且具有重要的经济和社会意义。