食用海藻膳食纤维的分离与表征研究进展

刘思岐,杨贺棋,周 慧,汪秋宽,武 龙

(大连海洋大学食品科学与工程学院,辽宁大连 116023)

国际食品法典委员会2009年将膳食纤维(dietary fiber,DF)定义为含有10个或更多单体单元的碳水化合物聚合物,且其不会被小肠中的内源性酶类水解[1]。DF主要包括天然存在于食物中的,或通过物理、化学及酶处理从食品原料中提取所得,以及人工合成的碳水化合物聚合物。根据其在水中的溶解度,可分为可溶性膳食纤维(SDF)和不溶性膳食纤维(IDF)。大量研究表明合理摄入膳食纤维有助于改善消化道健康、降低血脂、调节血糖、控制体重等[2]。此外,膳食纤维还可用于改善食品的感官品质和加工特性,在食品工业中得到高度关注[3]。

大型海藻分为三大类:褐藻、红藻和绿藻。联合国粮农组织统计显示,世界海藻总产量在2010～2017年间增长了78.8%,在2017年达3189.6余万吨,其中红藻占到总产量的54.6%,褐藻占45.3%,绿藻仅有少量生产[4]。我国是世界第一大经济海藻及可食性褐藻生产国,2018年我国大型海藻养殖产量达235.08余万吨,其中海带及裙带菜等大型褐藻产量占到总产量的72.4%[5]。除供直接食用外,经济海藻还是提取食品添加成分的重要原料。相关产业发展势头强劲。

可食性海藻主要来自大型褐藻和红藻。紫菜、石花菜、海萝、麒麟菜和江蓠等是利用率最高的经济红藻。褐藻中具有显著商业价值的品种包括海带、裙带菜、羊栖菜及其他来自马尾藻和墨角藻属的品种[6]。相比之下,对可食性绿藻资源的开发尚不深入[7]。

常见可食性海藻的基本组成如表1所示[8],可见其中富含不可被人体消化吸收的膳食纤维成分,此外还含有多种具有调节代谢功效的生物活性成分,如功能性碳水化合物、多不饱和脂肪酸、维生素、微量元素等,已被认为是一种健康食品资源[9-11]。海藻的化学组成受其品种、生长期、地理栖息地和环境条件等的影响[12-13]。主要可食性海藻的膳食纤维含量如表2所示[14],总膳食纤维含量在32.7%～74.6%之间,远高于其他食品原料,是补充膳食纤维的理想渠道。将膳食纤维成分分离纯化后进一步改性,还可用作食品添加剂或膳食补充剂。此外,可食性海藻中不含有木质素类成分,因此其膳食纤维多糖在可及性与功能活性上较高等植物膳食纤维更具优势,同时也有利于目标成分的分离提取[15]。

表1 典型食用海藻的基本组成(干基%)Table 1 Proximate composition of some typical edible seaweeds(%)

表2 典型食用海藻的膳食纤维含量(干基%)Table 2 Dietary fiber content of some typical edible seaweeds(%)

本文对近年来文献报道的典型可食性海藻中膳食纤维成分的提取及其性质与功能评价相关内容加以梳理总结,包括海藻膳食纤维提取相关的新兴技术,及其物化性质与功能特性的研究进展,并简要介绍海藻膳食纤维的潜在健康功效,旨在为海洋膳食纤维的开发利用与健康食品研发提供参考。

1 食用海藻中膳食纤维的提取

1.1 可溶性膳食纤维的提取

1.1.1 褐藻

1.1.1.1 褐藻胶 巨藻、海带、马尾藻、泡叶藻等大型褐藻的细胞壁中存在丰富的褐藻胶,其含量可占总生物量的18%～40%(干重)[16-17]。褐藻胶是褐藻酸的亲水衍生物的统称,一般以褐藻酸盐的形式存在。其由β-D-甘露糖醛酸(M)和α-L-古罗糖醛酸(G)通过β-(1,4)键或α-(1,4)键(在GG阻滞的情况下)连接而成。甘露糖醛酸和古罗糖醛酸的比例一般为1∶1,但会随着藻类的种类和年龄以及收获季节和地点而改变[18]。不同结构的褐藻胶溶解度不同,有些可溶于热水,有些可溶于冷水,主要受其pH、聚合物浓度和介质中的离子等的影响[19]。

在提取过程中使用不同的盐,可以制备出不同种类的褐藻胶(即褐藻酸盐),如:褐藻酸钠、钾、铵、钙等。以最常见的褐藻酸钠为例,其制备过程首先需将碎海藻与热的碳酸钠溶液搅拌,以提取可溶性褐藻酸钠,进而加入水降低体系黏度,以便通过过滤去除固体残留物。随后,可以通过转化褐藻酸(或褐藻酸钙)的工艺对提取物进行纯化[20]。产物褐藻胶的颜色通过使用漂白剂(如次氯酸钠)改善,可以在提取阶段或纯化阶段对料液进行漂白。

1.1.1.2 岩藻聚糖硫酸酯 岩藻聚糖硫酸酯是一种含岩藻糖的硫酸化多糖(FCSPs),由于其显著的生理功能,受到广泛的关注。岩藻聚糖硫酸酯是一种结构性杂多糖,存在于褐藻细胞壁基质中。其主要由L-岩藻糖(超过50%)和其他单糖残基组成,如:D-葡萄糖醛酸、D-半乳糖、D-木糖、D-葡萄糖和D-甘露糖等[21-22]。

近年来的研究表明,岩藻聚糖硫酸酯的生物活性随其组成和结构的不同而变化。在提取具有特定生物活性的目标物过程中,保持其结构完整性非常关键[23]。以干海藻为原料提取岩藻聚糖硫酸酯首先要进行乙醇预处理,以去除色素、脂类、萜类和酚类物质。然后用热水或酸溶液反复处理固体残渣,使目标物充分溶解并通过乙醇分步沉淀或超滤方法使其中的岩藻聚糖硫酸酯得到分离[24]。在热水处理过程中加入氯化钙,以防止海藻酸盐的释放。相比之下,使用酸提取的优点是可将海藻酸盐沉淀为海藻酸,但需要对提取液进行中和以防止目标物的降解。此外,微波、超声和酶辅助提取等新兴技术也已被报道,可以进一步提高提取效率[25]。

1.1.1.3 褐藻淀粉 褐藻淀粉是存在于褐藻细胞质中的储能性碳水化合物。其由β-(1,3)连接的D-葡萄糖单元链组成,还含有β-(1,6)支链,两种糖苷键的比例为3∶1[26]。从褐藻中提取褐藻淀粉有多种方法,一般采用热水或弱酸(如浓度为0.1 mol/L的盐酸或硫酸)进行提取[26]。当使用热水抽提时,需加入氯化钙以防止藻酸盐的溶解,最后通过乙醇分步沉淀方法将褐藻淀粉和岩藻聚糖硫酸酯加以分离。此外,超滤也是一种有效的分离纯化方法,根据抽提物中褐藻淀粉与岩藻聚糖硫酸酯等物质的分子量差别,选择具有适宜截留分子量的膜材料,可以使较低分子量的褐藻淀粉得到分离[25]。

1.1.2 红藻

1.1.2.1 琼脂 琼脂是从红藻中提取的多糖,是目前世界上用途最广泛的海藻胶之一[27]。琼脂是由琼脂糖和琼脂胶混合而成的细胞壁多糖。琼脂糖是琼脂的主要成分,占比约70%,是一种线性聚合物,由琼脂二糖的重复单体组成。琼脂二糖是由D-半乳糖和3,6-脱水-L-吡喃半乳糖组成的二糖。琼脂胶是一种小分子的非均质混合物,含量较少,由D-半乳糖和L-半乳糖的交替单元组成,这些单元由大量酸性侧基修饰,如硫酸盐、甲基和丙酮酸等[28-30]。琼脂可溶于热水(>85 ℃),冷却后形成热可逆凝胶[27]。

琼脂的提取步骤主要包括碱预处理、过滤、浓缩和脱水[30]。碱预处理条件因原料而异。例如,用Na2CO3溶液处理石花菜,在85～90 ℃下用浓度为0.5%～7%的NaOH溶液处理江蓠等。此外,还可在压力下用热水处理石花菜(105～110 ℃,2～4 h),以提高提取效率和产量。对热提取物进行粗过滤除去海藻残渣,然后将滤液冷却形成凝胶,其中含有约1%的琼脂,剩余为盐、色素和可溶性碳水化合物等杂质,可以通过漂白脱色、浸泡、洗涤等手段进行纯化。对提取物的浓缩可以通过冷冻-解冻手段完成。当材料解冻时,排出大部分水,留下含有约10%～12%琼脂的浓缩凝胶[27]。另一种脱水方法是压力法,利用压力迫使固液分离达到脱水浓缩的目的[31]。最后将浓缩的凝胶干燥、研磨并过筛,得到琼脂。

1.1.2.2 卡拉胶 卡拉胶是从红藻中提取的一种线性硫酸化多糖,又名角叉菜胶或麒麟菜胶。卡拉胶可占藻类细胞壁成分的30%～80%,其含量主要受品种、收获季节和生长条件的影响[32]。卡拉胶由重复的D-半乳糖和3,6-脱水-D-半乳糖单元的硫酸酯通过α-(1,3)和β-(1,4)糖苷键连接而成。卡拉胶的硫酸酯基团和3,6-脱水-D-半乳糖残基的数目不同,影响其水合性能、强度、质地、凝胶形成温度和凝胶结合力[32]。根据其中硫酸酯基团的数量、位置不同,可分为κ型、ι型、λ型卡拉胶。其他结构,如μ和ν-卡拉胶,是提取过程中“碱改性”后的κ和ι-卡拉胶的前体[33]。所有卡拉胶均溶于热水,λ、κ和ι-卡拉胶的钠盐可溶于冷水。

卡拉胶的提取主要有两种方法,分别获得精制卡拉胶(RC)和半精制卡拉胶(SRC)。前者首先洗涤原料并用热碱性溶液处理数小时,除去部分硫酸根基团并增加3,6-脱水半乳糖环的数量以形成结构更强的凝胶[32]。处理后通过离心、过滤除去残渣,得到澄清的卡拉胶溶液。向滤液中加入氯化钾溶液或有机溶剂(如异丙醇),以形成凝胶。通过冷冻—解冻手段浓缩凝胶,干燥并研磨以获得精制卡拉胶。后者实际上并没有从海藻中分离出卡拉胶。其原理是从原料中去除可溶于碱溶液的物质,留下卡拉胶及其他不溶性物质,所得产物为卡拉胶和细胞壁组分的混合物。例如以长心卡帕藻和麒麟菜为原料,加入氢氧化钾并加热,释放可溶性低分子量化合物并抑制卡拉胶的溶解。将残余物洗涤数次以除去碱和杂质,干燥并研磨,得到半精制卡拉胶[27]。

1.1.3 绿藻 石莼多糖是一种水溶性多糖,存在于石莼属绿藻中并具有多种生物活性。它是一种细胞壁碳水化合物,占藻类干重的8%～29%[34]。主要由L-鼠李糖(16.8%～45.0%)、D-木糖(2.1%～12.0%)、糖醛酸(6.5%～19.0%,包括D-葡萄糖醛酸、L-艾杜糖醛酸)和D-葡萄糖(0.5%～6.4%)组成。

石莼多糖的提取可以采用稀碱溶液回流浸提工艺。以质量浓度为1%的NaOH溶液在70 ℃下浸提回流2 h,抽提完毕后对悬浮液进行过滤,除去杂质。调整提取液的pH,通过醇沉法收集多糖。沉淀物经乙醇洗涤、干燥后得到石莼多糖[34]。

1.2 不溶性膳食纤维(纤维素)提取

纤维素是一种天然多糖,是地球上最丰富的有机物质。与其他藻类多糖不同,纤维素的开发利用尚未得到重视。纤维素不仅是藻类和高等植物中不溶性膳食纤维的关键成分,也是具有重要商业价值和环境意义的生物质资源[35]。作为细胞壁结构多糖,纤维素由β-(1,4)连接的葡萄糖残基链组成,并且具有晶体结构。大型藻类也被认为是纤维素的潜在来源[36-37]。

从生物精炼的角度出发,工业生产藻胶等有价化学物质后所得固体残渣,是提取纤维素的理想原料。纤维素在此类生物质中得到富集,可占干物质的30%[38]。特别是在没有木质素保护的情况下,纤维素的提取可以在相对温和条件下进行,从而赋予炼制过程潜在的经济和环境优势[15]。

尽管藻类纤维素尚未被商业开发,但是从红藻、绿藻和褐藻中提取纤维素的方法已得到广泛研究。结晶结构使纤维素不易溶解和降解,在一定程度上有利于其分离。制备藻类纤维素的关键在于去除杂质,包括藻胶、蛋白质、无机盐、色素和其他碳水化合物。例如,将干燥的海带粉末在室温下通过甲醇抽提进行脱脂,然后在酸性条件下以亚氯酸钠进行漂白。用水洗涤后,再用热碱及酸处理。将所得产物洗涤并干燥可获得高纯度海藻纤维素[39]。另一种方法是将海藻粉末用水洗涤以除去异物,并在高于120 ℃的温度下用水萃取,并加入一定量的硫酸和硫代硫酸钠。通过过滤回收固体部分,并分别使用二氧化氯和过氧化氢进行漂白,然后将所得物质洗涤并干燥以获得纤维素[40]。

2 新型食用海藻多糖提取技术

为实现更有效、低成本和环境友好的海藻膳食纤维多糖提取,大量研究关注新型提取技术的开发及应用[41-42]。文献报道较多的方法有:酶辅助提取、微波辅助提取和超声辅助提取等。

2.1 酶辅助提取

打破藻类细胞结构是提取各种有用成分的前提条件。酶处理可有效的破坏其细胞壁,释放目标化合物并去除杂质。此外,酶处理是一种环保型技术,因为它的工艺条件相对温和并可减少危险化学品的使用[43]。酶辅助提取(EAE)过程可应用多种酶的组合,通常为碳水化合物酶及蛋白酶,以发挥更大的效用。翟为[44]利用木聚糖酶、木瓜蛋白酶、果胶酶和纤维素酶复合酶法提取昆布多糖,产物得率及纯度均较高。李鸶鸶等[45]利用复合酶EAE法从多肋藻中提取硫酸化岩藻多糖并进行了降血脂功能评价,发现纤维素酶、果胶酶、蛋白酶的联合作用可以从细胞壁基质中有效分离目标成分,所得产物具有显著生理活性。

2.2 微波辅助提取

微波辅助提取(MAE)已被用于从藻类中提取包括多糖在内的多种活性物质[46-48]。微波处理会导致介电材料的温度升高,细胞内液蒸发过程中产生的压力导致细胞壁结构的破坏,使溶剂渗透到基质中,从而促进细胞内化合物的释放[49-50]。与传统溶剂提取技术相比具有提取效率高、溶剂用量少、产率高等优点。MAE被认为是从各种植物中提取生物活性化合物的可行技术路线[51]。Yuan等[52]通过MAE从泡叶藻中提取岩藻聚糖硫酸酯,对提取工艺条件进行了优化,所得产物具有显著抗氧化活性。还有研究利用MAE从裙带菜孢子叶中提取岩藻聚糖硫酸酯,并将其降解成5～30 kDa左右的更有价值的低分子量产品,在140 ℃下进行MAE处理可获得约13 kDa的低分子量岩藻聚糖[53-54]。然而,微波辅助提取对多糖的结构性质和生物活性的影响仍有待进一步明确。

2.3 超声辅助提取

超声波是指20 kHz以上的高频声波,它们可以通过震动和压缩来穿过固体、气体和液体介质。超声处理可以提高生物基质中生物活性化合物的提取效率和产率。此外,超声辅助提取(UAE)可在较低的温度下进行,有利于热敏性化合物的提取。UAE与常规提取方法相结合,被认为是一种提取藻类生物活性物质的潜在技术。戴圣佳等[55]通过单因素试验和正交试验对海带褐藻多糖硫酸酯的超声辅助提取工艺进行优化,实现多糖提取率达5.58%,粗多糖中岩藻糖含量20.93%,硫酸酯基含量26.87%,均高于热水法提取的多糖。热水提取方法和超声辅助提取方法所得的多糖均不含蛋白质和核酸,超声辅助提取的多糖色素更少。Kadam等[56]使用响应面法对泡叶藻生物活性物质(总酚、岩藻糖、糖醛酸)的超声辅助酸提取条件进行了优化,并发现与常规提取相比,用超声波破坏坚韧的藻类细胞壁使提取率提高了5倍。

3 海藻膳食纤维的功能特性评价

膳食纤维的功能特性取决于其组分的理化性质。对DF理化性质的评价主要包括:水合能力、结合(吸附)能力和可发酵性等[57]。

3.1 持水力、膨胀力和持油力

膳食纤维化学结构中的亲水基团使其表现出极强的吸水性、持水性和吸水膨胀性。在研究膳食纤维的功能特性时,水合能力是一个重要的考察指标。研究表明持水力(WHC)与膨胀力(SC)呈显著正相关[58]。研究发现海带膳食纤维持水力、膨胀力均优于燕麦膳食纤维和魔芋膳食纤维,并且通过动物实验证明其具有较好的通便作用,有利于防止便秘和直肠癌的发生[59-60]。膳食纤维持油性除可发挥吸附脂肪、胆固醇等的作用外,还可改善食品的质构特性,赋予食品更好的感官品质[61-63]。提取自常见食用海藻的膳食纤维的WHC和SC可达4.9～10.2 g/g和7.2～11.4 mL/g[64]。低pH(胃液环境)可以显著降低海藻膳食纤维的WHC和SC,此外测定温度也是一个重要影响因素[65-66]。有报道指出海藻膳食纤维具有比高等植物膳食纤维更高的水合能力[67]。海藻膳食纤维的OHC通常较低(一般在0.9～1.67 g/g),可归因于其带电多糖的亲水性,特别是其中亲水性胶体多糖的存在[14,64,68]。而通过挤压膨化处理结合蛋白酶解工艺制备的大豆生物解离膳食纤维的OHC可达5.48 g/g[69]。

3.2 结合力

结合力(BC)是膳食纤维的另一个重要特性,因为它决定了膳食纤维在营养吸收、有害物质去除和生理调节方面的功能特性。通常可利用食品着色剂、胆固醇、胆盐、金属离子和有害化学物质等来评估膳食纤维的结合力。Suzuki等[70]以人造食用色素(苋菜红、赤藓红、玫瑰红)为对象,通过比色法考察海藻膳食纤维的结合力,发现浒苔、海带、羊栖菜、昆布和紫菜等的膳食纤维对着色剂表现出显著的结合力,其中昆布较为明显,且WHC和SC与着色剂结合能力呈正相关,表明结合力受到WHC的SC的影响较高[70]。Suzuki等[70]还评价了海藻膳食纤维对胆汁酸的结合能力,发现紫菜的结合力最高(12.6%～15.5%),是其他海藻的两倍以上,海带和羊栖菜结合力最低。叶静等[71]研究了江蓠藻膳食纤维对脂肪、胆固醇和胆酸钠的结合力,并发现其水溶性膳食纤维对于胆固醇和胆酸钠的吸附能力大于水不溶性膳食纤维和总膳食纤维,而水不溶性膳食纤维对于脂肪的吸附作用要强于水溶性膳食纤维和总膳食纤维。胆汁酸与各种膳食纤维的结合已被广泛研究,对于高等植物的DF,木质素具有较高的BC,而纤维素和半纤维素吸收胆汁酸的能力较差[72-73]。李刘冬等[74]采用模拟胃和小肠环境的体外试验和大白鼠体内试验研究了四种海藻膳食纤维对雌性激素的吸附效果,发现海带DF的吸附力最强,且褐藻类膳食纤维(海带和马尾藻)对雌性激素的吸附作用大于红藻类(江蓠和麒麟菜)膳食纤维。Raman等[75]对异枝麒麟菜DF对杂环胺和多环芳胺的结合力进行了测定,发现其水溶性和水不溶性DF对目标物均展示出较高的吸附力。对金属离子的吸附力取决于膳食纤维来源、阳离子类型和pH;含有游离羧基、羟基或氨基的膳食纤维分子对矿物质阳离子具有更大的结合力。不同海藻DF对重金属离子(Cd2+、Pb2+、Hg2+)结合能力依次为海带、麒麟菜、麦麸、江蓠和马尾藻[76]。体外研究还表明,每克褐藻膳食纤维能吸收59 mg的钠,展示出一定的离子交换能力及潜在健康功效[77]。

3.3 发酵能力

部分膳食纤维多糖经肠道厌氧菌酵解生成短链脂肪酸(碳链中碳原子小于6个的有机脂肪酸,包括:甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸、异戊酸、己酸和异己酸),使得大肠理化环境发生改变,并影响肠道和机体健康[78]。目前,对食用海藻膳食纤维的发酵性能的研究还不够充分。高等植物SDF已被证明可以被肠道菌群发酵,并显著改变菌群结构,发挥有益健康的作用[79]。相较而言,海藻SDF多糖对发酵的抵抗性更强,因而可更好地保留其理化性质[80]。有研究指出海藻酸钠和褐藻淀粉可被人肠道细菌发酵,而岩藻聚糖硫酸酯则不可被发酵[81]。高比例的岩藻聚糖和硫酸基团以及特殊的结构可能是导致其不能被人体肠道微生物降解的原因。同时,海藻酸盐表现出特别的发酵性能,其被降解的部分中只有65%被代谢成为短链脂肪酸[80]。

4 结论

近年来,全球及我国食用海藻的产量日益增加,为可再生海洋生物资源的综合开发创造了良好的条件。海藻的化学成分与陆生植物有显著差异,具备多种有益于人体健康的生理功能。膳食纤维已被认为是现代社会的必需营养素之一。到目前为止,从食用海藻中提取膳食纤维组分并对其进行功能评价的研究已经相当深入。存在于海藻中的各种功能性多糖是膳食纤维的良好来源。藻类膳食纤维的功能挖掘以及健康食品的产品研发应得到更多研究关注。此外,应进一步加强政、产、学、研各方合作,促进科技成果的转化,为我国海藻及海洋健康食品产业的不断发展进步提供持续动力。