麦麸膳食纤维理化特性、制备方法及应用研究进展

李 琦,曾凡坤,*,华 蓉,王继飞

(1.西南大学食品科学学院,重庆 400715;2.贵州省普定县农业农村委员会,贵州普定 562100)

英国医生Hipsley(1953)[1]首次提出“膳食纤维”(Dietary Fiber,DF),指明其是植物组分中的可食部分,主要包括纤维素、半纤维素和木质素。后来Trowell等[2]将其定义为不能被人体内消化酶消化的植物细胞壁残余物。美国谷物化学家协会(AACC)则指出，膳食纤维是植物可食用部分或类似碳水化合物的残留物,它们抵抗人小肠的消化和吸收,并在大肠中完全或部分发酵,它包括多糖、低聚糖、木质素和相关的植物物质[3-5]。2009年,食品法典委员会(CAC)在经过近二十年的研究后提出,膳食纤维是指具有10个或更多单体单元的碳水化合物聚合物,且在人类小肠中不会被内源酶水解[6]。其基本结构如图1[7]所示,R1、R2可能是氢、乙酰基、阿拉伯呋喃糖或者4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸。

图1 麦麸膳食纤维基本结构示意图

根据水溶性差异,膳食纤维可分为两大类:不溶性膳食纤维(Insoluble dietary fiber,IDF)和水溶性膳食纤维(Soluble dietary fiber,SDF),如表1[8]所示。IDF主要由细胞壁成分组成,主要来源是全谷类粮食及蔬菜和水果等;而SDF由非纤维素多糖组成,主要来源于海藻、魔芋等[9-10]。膳食纤维的生理作用主要是对胃排空和小肠运输时间的影响,从而改善葡萄糖耐量并减少淀粉的消化。SDF在很大程度上被多种厌氧细菌发酵,导致细菌生物量及其副产物增加,粪便质量增加。IDF大多无法在结肠中发酵,几乎专门用作填充剂,通过颗粒形成和保水能力增加粪便质量和体积,同时减少肠道运输时间[3,9]。

表1 膳食纤维的分类

随着经济发展和生活水平提高,人们对饮食要求更高,更加注重营养平衡和机体健康。近年来,由于人们摄入过多高热量、高蛋白、高脂肪和精加工食品,导致现代“富贵病”发病率逐年升高,包括肥胖、高血压、高血脂、糖尿病、便秘、冠心病等[11-12]。膳食纤维作为“第七大营养素”,具有特殊生理功能。研究表明,膳食纤维对预防和缓解便秘、糖尿病、结肠癌、肥胖、中风、高血压等有重要作用[5,9,13],在居民膳食结构、功能性食品和临床医学上越来越受到重视。

麦麸是小麦加工成面粉的副产品,具有特殊组织结构和多种多样的化学组成,是一种复杂的生物活性材料,含有丰富矿物质和维生素,其中膳食纤维约占干物质量的35%～50%,与精制米面相比,麸皮更具功能性和健康性。据统计,全世界每年生产约1.5亿吨麦麸,通常用来酿酒或被用作低价值原料的动物饲料[14],造成资源浪费。我国每年麦麸产量丰富,价格低廉,通过合理加工利用,既带来经济效益,又提高附加值。目前膳食纤维已成为国内外食品工业领域的研究热点,由于各国饮食文化和综合国力的差异,我国对麦麸膳食纤维的研究大多是麦麸膳食纤维的制备和改性工艺及其优化,对其在食品体系中的作用机理和产品研发还不够深入和完善;国外科研工作者对麦麸膳食纤维生理功能的研究更成熟,对于麦麸膳食纤维与人体健康的关系和缓解慢性病的机理研究也更完善。因此,本文对麦麸膳食纤维的主要理化特性、制备方法以及在食品工业的应用进行介绍,以期为麦麸膳食纤维的深入挖掘、综合利用和市场推广提供一定的参考。

1 麦麸膳食纤维主要理化性质

1.1 水合性质

膳食纤维有很强的吸水能力,能吸收高于自身质量好几倍的水,其水合性质主要包括持水力(Water holding capacity,WHC)和膨胀力(Swelling capacity,SC)。持水力是指每克膳食纤维干基物料浸入水后在特定的温度、浸泡时间和离心力的条件下所持有的水的质量(g);膨胀力是指每克膳食纤维干基物料浸入水后达到平衡所占的体积(mL)[15],一般WHC的变化范围为自身重量的1.5～25倍[16]。有报道指出优良的水合性质可使面制品吸水性提高,明显缩短面团醒发时间,同时也是其预防和缓解肥胖、便秘和肠道疾病的重要原因[17]。麦麸膳食纤维的水合性质与其自身化学结构中多糖链形成的多孔基质结构有关,多糖链通过氢键保持大量水[18]。此外还与一些物理性质有关。样品粒度减小,可供吸水的表面积增大,且纤维组成结构更松散,毛细孔数量更多,渗入更多水分;但细度过大,样品纤维结构可能被破坏,毛细孔出现裂缝,WHC下降[19]。李茜等[20]对麦麸SDF进行蛋白脱除技术处理,使SDF中多糖分子暴露,增加液体与多糖的接触面积,提高了持水力和膨胀力。

研究表明,对麦麸膳食纤维改性有利于改善其理化特性。借助物理机械作用或化学基团间的作用力干扰纤维结构和化学键,使得其本身的活性基团与水、油或其他分子相互作用,促进IDF和SDF的转变,进而影响其理化特性。有试验证实挤压膨化和蒸汽爆破有利于SDF和戊聚糖在麦麸中的形成,而SDF和戊聚糖的化学结构中有大量亲水基团,从而增加持水力[21]。孙强等[22]采用丙烯酸接枝化对麦麸IDF进行改性,当麦麸IDF原料8.000 g,液料比10.4(m/m),引发时间1 h,引发剂用量0.150 g,丙烯酸8.5 mL,在87 ℃下接枝2.6 h,IDF得率89.01%,其持水力达9.648 g/g,比原料提高了67.90%。

1.2 持油力

持油力(Oil holding capacity,OHC)是指纤维和油混合后油保留的质量(g),主要取决于膳食纤维结构的多孔性。膳食纤维中有大量木质素和非淀粉多糖,对脂类物质有亲和性,对脂肪有吸附和清除作用,且这种作用随粒度减小而减小[21]。Zhang等[23]分别通过羧甲基化、复杂的酶水解和超细粉碎对麦麸IDF进行修饰,修饰前样品ORC不到5 μg/g,羧甲基化和复杂酶水解处理后的IDF的持油力分别增加至5.52和5.74 μg/g,超细粉碎后的IDF持油力有一定下降。Yan等[24]在不损失其他营养素的前提下,用新型爆破挤压工艺将麦麸SDF含量从9.82%增加至16.72%的同时提高了SDF的持油力。有报道指出,经过真空冷冻干燥的膳食纤维相比经低温真空干燥的膳食纤维对脂肪有更好吸附力,且同种膳食纤维对猪油的吸附力比对花生油强,说明膳食纤维吸附饱和脂肪的能力强于吸附不饱和脂肪的能力[25]。

1.3 阳离子交换能力

阳离子交换能力除了与膳食纤维的网状结构有关,还与其中的氨基、羟基和羧基有关,它们一般存在于结构侧链上,与阳离子发生交换,使离子浓度瞬间稀释,影响肠道的氧化还原电位、pH、渗透压,从而形成有利于人体肠道消化吸收的环境,与Pb2+、Cu2+的接触交换可减轻重金属与人体蛋白质的结合;与Na+、K+的置换反应可缓解血压升高。此外,阳离子交换能力还受到膳食纤维颗粒粒度及其他杂质如蛋白质和矿物质元素等影响。研究表明,粉碎可使膳食纤维的一些化学基团暴露,对膳食纤维的阳离子交换能力有一定改善作用,且冷冻粉碎样品要强于超微粉碎样品[26]。胡燃[27]分别用高压均质和高强度超声波处理麦麸膳食纤维,结果两种方法对样品阳离子交换能力均有显著改善。

1.4 DPPH自由基清除力

麦麸中的主要抗氧化成分具有酚类特征,这些酚类物质抗氧化性好且安全性高,是很有发展前景的天然抗氧化剂,主要有酚酸、阿魏酸、香草酸和对香豆酸,其中游离和结合状态的酚酸含量很大程度上决定了麦麸的抗氧化性能[28],阿魏酸绝大多数以不溶性结合状态存在,促进产生消除自由基的酶,抑制产生自由基的酶。有研究表明膳食纤维抗氧化的机理主要通过终止氧化过程中脂质氧化的链式反应和金属螯合[29],与SDF结构上的许多不规则侧链和羧基羟基等活性基团密切相关。吴俊男等[30]用微波-酶联合法对麦麸膳食纤维改性,一定范围内,随微波功率增加,改性膳食纤维的自由基清除力增强,微波功率达280 W时其自由基清除力最强。

1.5 吸附能力

2 麦麸膳食纤维的主要制备方法

常用的膳食纤维制备方法比较如表2所示。

表2 膳食纤维制备方法比较

2.1 化学法

化学法是将产品原料进行清洗、干燥、粉碎过筛等一系列处理之后,选择相应的化学试剂(酸、碱、螯合剂等)去除产品中的淀粉、脂肪、蛋白质等成分,进而获得膳食纤维的方法。原料种类和性质、化学试剂浓度、液料比、提取温度和时间等都会影响产品得率。目前酸法、碱法和酸碱结合法应用较广。贾元飞等[35]用碱法提取麦麸IDF,当溶液pH9,60 ℃下碱浸提取60 min,IDF提取率达58.87%。袁建等[36]采用醇碱提取-盐析同时提取麦麸膳食纤维和蛋白质,该实验得到88.76%麦麸IDF和5.23%蛋白质。

虽然化学法简单方便,但不适用于后续需要深加工的产品的制备,其中的化学残留是不可避免的影响因素。目前更偏向于采用其他方法与化学法结合的方式进行制备,在提高产量和效率的同时,减少化学试剂对产品内部结构的破坏和改善理化性质,从而获得高质量产品,也减轻了环境负担。

2.2 酶法

酶法是用单一酶制剂或复合酶制剂逐一去除原料中的淀粉、脂肪、蛋白质等非膳食纤维成分,最终分离提纯得到高纯度膳食纤维产品的方法。常用酶制剂有α-淀粉酶、糖化酶、蛋白酶等,掌握其浓度和用量对结果至关重要,太少会水解不完全,太多则降低提取率。对于非纤维物质含量高的原料,根据实际情况可以进行多次酶解,以尽量去除非纤维成分获得纯度更高的产品,也减少浪费。

在实际生产中,综合考虑各方面因素,可以使用单一酶制剂,也可用复合酶制剂;可以一步酶解,也可分步进行酶解。黄纪念等[37]分别用碱性蛋白酶、胰蛋白酶、风味蛋白酶制备麦麸膳食纤维,发现碱性蛋白酶为最优酶制剂,制得产品纯度达93.28%。宋玉等[38]发现采用α-淀粉酶结合复合纤维素酶处理麦麸效果显著优于单独使用一种酶处理,将麦麸SDF得率提高至25.3%,且显著降低了淀粉、蛋白质及植酸含量。

此法安全无毒,用少量酶制剂即可制备得率较高的产品。在生产加工中,酶法通常与化学法结合使用。张国真[29]分别用双酶法、酶碱法、酸酶法、化学法制备麦麸膳食纤维,产品纯度大小依次为双酶法>酶碱法>酸酶法>化学法。

2.3 发酵法

发酵法是利用微生物菌群消耗原料中的淀粉、脂肪、蛋白质等杂质,通过自身代谢产生的酶来发酵得到膳食纤维的方法。凌阿静等[39]分别用黑曲霉、米曲霉、里氏木霉发酵麦麸,结果表明,里氏木霉是制备麦麸SDF的优良菌种,由其固态发酵7 d时,膳食纤维得率和抗氧化活性最高。汤葆莎等[40]用巴西蘑菇固体发酵制备麦麸膳食纤维,巴西蘑菇通过利用麦麸中可溶性营养成分来促进菌丝生长,它对麦麸细胞壁淀粉多糖的降解,使得麦麸IDF的溶胀性、持水性等明显改善。

此法是利用微生物生长代谢去除原料中非纤维成分进而获得产品的生物方法,关键在于选择适宜的菌种。由于微生物繁殖代谢需要一定时间,此法生产周期比其他方法较长,制得的膳食纤维成分较单一,主要是纤维素;但其产品得率高、生物活性高、综合质量好,易于操作,有利于后续深入加工,可实现大规模生产。

2.4 膜分离法

膜分离法是通过改变膜的分子截留量来对不同分子量的膳食纤维进行分离提取的物理方法。膜分离技术是一种高效环保的新兴分离技术,一般在室温或低温下进行,尤其适宜分离热敏感、易氧化的物质。与化学法相比,此法没有化学残留的隐患,对膳食纤维也没有较大损伤,而且节约试剂,但不适于IDF的提取,且由于成本、技术和后期维护费用难以达到要求,一定程度上限制了其在实际生产中的使用,后续需要加大研究投资力度和推广力度。

2.5 多种方法协同制备法

结合多方法协同提取膳食纤维,可以扬长避短,既能集中各自优点提高产量和质量、高效环保,又可避免破坏纤维结构和特性,最大限度地提高膳食纤维的得率和生物活性,是今后麦麸膳食纤维提取工艺的重要发展方向之一。Yan等[41]分别用SWE(亚临界水萃取)、SWEC(SWE+柠檬酸)、USWEC(SWE+柠檬酸+超声波)方法提取麦麸SDF,结果显示不同方法得到的产品产量和性质也不同,用USWEC提取的SDF得率更高、粒径更小、结构更疏松多孔。张慧娟等[42]将麦麸经过发酵和酶解双重处理,有效地增加了其中总膳食纤维和可溶性膳食纤维的含量。吴素萍[43]用微波辅助酶法制备出得率为69.23%的膳食纤维。

3 麦麸膳食纤维在食品工业上的主要应用

麦麸膳食纤维可作为食品稳定剂、增稠剂、脂肪替代物、抗氧化剂或其他添加剂添加于水产品、保健品、即食小吃、膨化食品和果酱等食品。加到食品中的效果则取决于食物类型、膳食纤维粉粗细度、预处理和烹饪方法[28]。适量地添加麦麸膳食纤维可以在保证良好的外观与风味的前提下,改善营养价值,但不适量的添加麦麸膳食纤维对食品品质有很强的劣化作用,会带来负面影响。此外,由于其加入食品中可能存在颜色深、口感粗糙、溶解性不理想等问题,一定程度上会降低食品的可接受度,影响今后的推广。

3.1 在面制品中的应用

膳食纤维添加到面条、蛋糕、面包、饼干等面食中,在一定程度上可改善面制品的质构特性和感官品质,同时提高产品营养价值;不同的食品适宜添加的膳食纤维种类和颗粒大小也各不相同,应视实际情况挑选合适的纤维,有资料显示添加多种膳食纤维的效果比单一膳食纤维好,粉末更细的比粗的好。麦麸膳食纤维在面制品的适宜添加量一般为3%～6%。

麦麸膳食纤维凭借其侧链上的羧基、羟基等活性基团和良好的水合性质与面团中的水发生相互作用,减少淀粉和蛋白质与水的结合,影响面筋蛋白网络结构,使面团结构更紧致,延长面团形成时间;对面条而言,适宜的添加量可以改善面条蒸煮特性,减少断条率,但感官品质可能会减弱[44]。陶春生等[45]分析了挤压改性麦麸膳食纤维对面条品质的影响,研究发现,随膳食纤维含量增加,面条硬度、咀嚼性、胶黏性及吸水率增加;蒸煮损失率则减小;而黏性、弹性及内聚性与膳食纤维含量没有明显相关性;当膳食纤维含量为6%时面条有较好的综合品质。

在面包中添加麦麸膳食纤维不仅可以赋予面包麦麸香味,还能通过羟基与水的作用提高面包吸水性、保水性,使之松软可口,不易干硬,利于面包品质的稳定和保鲜;但由于面包持气性降低,相比未添加膳食纤维时的体积和弹性略有减小[46]。彭红梅等[47]研究发现添加3%～6%麦麸膳食纤维的面包外形、色泽、质地和口感较好,弹性适中,符合工业化生产需求;添加6%的面包货架期更长;超过6%时感观品质会明显下降,面包体积小、口感硬、质构粗糙,失去原有弹性。此外,Rekha等[48]用麦麸纤维为原料制作印度北部最受欢迎的牛奶蛋糕,并用抗菌剂延长其存储期。张国真等[49]还研究了麦麸无糖酥性饼干的制作工艺。麦麸膳食纤维在面制品中的应用研究比较广泛,但真正推广应用还需要科研工作者做出更大努力。

3.2 在肉制品中的应用

肉制品营养价值高,是人体蛋白质、维生素和各种矿物质的重要来源,但其饱和脂肪酸、胆固醇含量高,能量高,膳食纤维少,过度食用会导致人体营养不平衡甚至引发慢性疾病。在肉制品中添加麦麸膳食纤维,一方面使肉制品内部形成更致密均匀的网状结构,便于保水、润滑、提高其持水能力和乳化稳定性[50],另一方面,膳食纤维在肉制品中可充当粘合剂、填充剂或成为其他不健康成分的替代品,最终得到低胆固醇、高膳食纤维的肉制品,且烹饪损失少,色泽、风味、外观品质良好。与其他种类的膳食纤维相比,麦麸膳食纤维添加在肉制品中具有最好的功效,且最适添加量为5%～15%[17]。Talukder等[51]添加15%麦麸以制备蒸鸡肉馅饼可显著提高烹饪产量、硬度和不饱和脂肪酸,且降低水分、脂肪和胆固醇含量,接受度较好。Kim等[52]将麦麸纤维用红花素着色,再加入香肠中,不仅改善了香肠的颜色,且可防止脂肪氧化和减少亚硝酸盐残留量,可用来代替亚硝酸盐。此外,高晓光等[53]还研究了乳化型麦麸膳食纤维香肠的制作工艺。

3.3 在饮料加工中的应用

随着现代社会的发展,饮料作为一种口感良好的方便饮品,逐渐受到广大人群的青睐。在饮料中加入膳食纤维不会破坏饮品本身质量和感官特性,而且有利于改善口感,提高液体饮料的均匀性、分散性和稳定性,使其能在较长时间内不结块沉淀。随着消费者越发注重食品天然和健康,因此在饮料中加入膳食纤维完全符合现代饮料市场的发展趋势和低热、低糖、低脂肪的健康追求。章中[54]提取麦麸膳食纤维中的SDF,并将其与橙汁调配,制得一种新型营养又美味的饮料。Antonella等[55]通过自然发酵麦麸和玉米粉的水性悬浮液制作罗马尼亚传统饮料,随着发酵的进行,辛辣酸和山羊奶气味增加,而麸皮和酸奶的气味减少。Staffolo等[56]将小麦膳食纤维添加到酸奶中,随储存时间增长,其理化特性保持稳定,且产品颜色、风味和质地都有明显改善。

3.4 在其他食品中的应用

膳食纤维还可应用于咀嚼片[57]、代餐粉[58]、桃酥[59]、火腿肠[60]、软糖[61]、冰淇淋[62]等食品。将麦麸膳食纤维添加到食品中可以研制出感官品质良好、低热量、低脂肪、具有保健功能的食品,符合现代消费者的需求,在食品市场上具有良好的发展潜力。

4 前景及展望

麦麸膳食纤维作为一种良好的膳食纤维来源,价格低,来源广,兼有预防心血管疾病、糖尿病、肥胖症、高血压等疾病的功能。随着信息和认知不断更新,膳食纤维定义的范围也不断变化。麦麸膳食纤维的提取方法多种多样,不同的方法制备的膳食纤维组分含量、比例和生物活性也有差异;目前虽然已经能够运用多种方法制备出质量优良的膳食纤维,但对冷冻粉碎、纳米技术、空气微射流技术和膜分离技术等新技术的研究还有待完善,突破的难点在于挖掘高品质的膳食纤维高效制备技术。麦麸膳食纤维具有良好的持水力、持油力、抗氧化能力等特性,但国内市场上可供消费者选择的感官品质良好、营养价值高的麦麸膳食纤维产品寥寥无几,没有形成稳定的市场规模和规模化的消费群体和消费形式,膳食纤维产业发展水平无法满足市场需求。因此,加快设施建设、创新技术、制定生产和评价标准法规是改善当前膳食纤维市场的重要措施。继续深入研究麦麸膳食纤维的制备加工和开发利用,对提高麦麸附加值、提升社会经济效益、改善居民饮食结构、预防慢性疾病具有重要意义。