脐橙皮膳食纤维的改性及功能性研究进展

谭敏华，白卫东，周金林，邓展华，于立梅，查尔斯·斯蒂芬·布伦南，涂俊才

（1.仲恺农业工程学院轻工食品学院，广东广州 510225；2.梅州金柚康健康科技有限公司，广东梅州 514779；3.广东顺兴种样股份有限公司，广东梅州 514299；4.林肯大学葡萄酒、食品和分子生物科学系，新西兰林肯坎特伯雷 7647）

0 引言

脐橙是属于无患子目芸香科柑橘属甜橙的一类栽培品种，主要分布在我国中西部地区。从植物学观点看，脐橙的外层果皮呈革质状，含有大量的油包，中层果皮疏松呈海绵状，二者均为不可食部分，俗称脐橙皮。脐橙皮含有丰富的膳食纤维、可溶性糖类、维生素、矿物质和多酚类化合物等多种营养素。脐橙果肉中TDF 占35.4%，其中SDF 占12.6%，IDF 占22.8%[1]。目前，脐橙榨汁后剩下的副产物未得到充分利用而被丢弃，不仅造成资源的利用率下降，还会引起环境污染。

膳食纤维（DF）是由10 个以上单体组成且不能被人体内源性酶水解的碳水化合物聚合物，存在于植物细胞壁及细胞内。可溶性膳食纤维（SDF）不仅对Ⅱ型糖尿病患者有一定治疗作用，而且能降低糖尿病的患病率[2]；还可以与胆酸结合[3]，有助于降低人体血液胆固醇和预防心脏病、高血压等疾病的发生[4]。不溶性膳食纤维（IDF）可以加强肠道蠕动，降低结直肠癌、便秘等疾病的发病率。通过对脐橙膳食纤维的提取制备和功能应用特性进行阐述，为膳食纤维的系统研究提供思路，对充分挖掘废弃资源的高值化具有重要的理论和实践意义。

1 膳食纤维的分类及化学组成

1.1 膳食纤维的分类

膳食纤维是植物细胞壁、部分植物细胞内部的胶黏物质和植物受损的应激物质等组成的混合物。按照植物体功能的不同，可分为结构性多糖（Cellulose、Hemicellulose、Pectin）、结构性非多糖（Lignin）和非结构性多糖（阿拉伯胶、黄芪胶、胶浆、部分多糖类物质）；按照其溶解性的不同，可分为 SDF 和 IDF， 其 中 SDF 包 括 Hemicellulose、Pectin、瓜尔胶、香豆胶等，IDF 包括 Cellulose、Hemicellulose、Lignin 等；按膳食纤维的来源不同，可分为植物类 （Cellulose、Hemicellulose、Lignin、Acacia senegal、半乳甘露聚糖等）、动物类（甲壳素、脱乙酰甲壳素、Collagen 等）、微生物类（汉生胶等）及合成类（右旋糖酐、羧甲纤维素等）。

1.2 膳食纤维的化学组成

王菁[5]分别测定温州、罗伯逊、琯溪、彭祖4 个地方柑橘果皮的柠檬苦素类化合物含量，结果表明罗伯逊脐橙果皮中黄酮类物质、总膳食纤维、不溶性膳食纤维、总酚酸的含量最高。沈胜男[6]探讨了伦晚脐橙和红肉脐橙在生长过程中果实品质的变化，结果表明2 种果皮的原果胶和水溶性果胶含量均高于果肉，并随着果实的生长，果肉纤维素含量逐渐升高，果皮纤维素含量不断下降。曾秀丽等人[7]研究了罗伯逊脐橙果实中原果胶（HP）、总果胶（TP）、半纤维素（HG）、酸性纤维素（CEL）和酸性木质素（Lignin）等膳食纤维的动态变化，结果表明罗伯逊脐橙果实在生长过程中HP、TP 和HG 在果实膨大期含量最高，CEL 和Lignin 含量最低。董涛等人[8]研究了红肉脐橙、纽荷尔脐橙、塔罗科血橙3 个品种的果实在生长过程中DF 和PG、Cx 活性的变化，结果表明3 个品种的果实在生长过程中DF 逐渐减少，PG 活性逐渐增加；Lignin 和 Hemicellulose 随着 Cx 活性增加而逐渐减少。

2 膳食纤维的提取与改性方法

2.1 膳食纤维的提取方法

膳食纤维的一般提取方法有溶剂提取法、酶法、发酵法、热处理和物理方法，但是大多数情况下由于提取时间长、温度高等因素会改变膳食纤维的结构与功能。近年来，利用电磁波、高压等新兴技术辅助萃取，可以提高膳食纤维的产量和增强其功能，减少处理时间和溶剂的使用。目前，常用于提取膳食纤维的方法包括溶剂提取法、化学和酶联合处理法、酶法、发酵法和膜分离法等。

2.1.1 溶剂提取法

溶剂提取法是利用溶质与溶剂相似相溶的原理来提取膳食纤维，如直接水提法、醇提法、酸处理和碱处理等。郝瑞娟等人[9]探讨了将乙醇脱色法与中性洗涤法相结合的方法来提取柑橘皮中的IDF，结果表明水不溶性膳食纤维的持水力和膨胀力在偏酸或偏碱条件下呈上升趋势，在过酸或过碱条件下呈下降趋势。丁洁等人[10]探讨了采用酒石酸提取柑橘皮渣中水溶性膳食的最优工艺，结果表明按最优工艺条件下水溶性膳食纤维的含量达到25.4%。夏天添[11]分析了干燥法、漂汤法和酸法3 种方法对橙皮酶活性和果胶品质的影响，结果表明酸法来预处理橙皮的效果最理想。

2.1.2 酶提取法

酶提取法是利用1 种或2 种及以上酶水解除去膳食纤维外的其他物质，最后获得膳食纤维的方法，主要有1,4-α-D-葡聚糖水解酶、解朊酶、糖化酶和半纤维素酶等。薛山[12]探讨了使用α-淀粉酶、酸性蛋白酶、糖化酶3 种酶提取榨汁后柑橘副产物中IADF 的最优工艺，在最佳工艺条件下所提取的水不溶性抗氧化膳食纤维（IDAF）含量最高，为3.520 mmol Trolox/100 g 水不溶性抗氧化膳食纤维（IDAF）。

2.1.3 发酵法

发酵法是利用微生物分泌的酶、酸等物质发酵并能强化膳食纤维功能特性的技术。刘云[13]比较了乳酸菌法和绿色木霉法2 种发酵法提取罗伯逊脐橙膳食纤维的物理性质和化学性质，结果表明使用绿色木霉发酵法提取的罗伯逊脐橙膳食纤维对过氧化氢的去除力明显低于使用乳酸菌发酵法提取的罗伯逊脐橙膳食纤维，可见乳酸菌发酵法提取罗伯逊脐橙副产物膳食纤维能够作为脐橙榨汁后产生大量无用副产物变成有用资源的一种有效措施。曹艳等人[14]采用混菌发酵联合分段控温工艺生产脐橙皮渣膳食纤维，结果表明发酵产物中可溶性膳食纤维和总膳食纤维比未发酵脐橙皮渣膳食纤维分别提高了3.08 倍和1.72 倍，可见混菌发酵联合分段控温工艺显著提高脐橙皮渣中可溶性膳食纤维含量。

2.2 膳食纤维的改性方法

膳食纤维改性是指将不溶性膳食纤维转换成可溶性膳食纤维的过程，天然的膳食纤维中可溶性膳食纤维的含量低，无法满足人体正常需求。因此，需要找出适当的改性方法，提高膳食纤维利用价值。目前，将不溶性膳食纤维转换成可溶性膳食纤维的方法主要有化学法、生物法、联合处理法和物理法。

在国外，Kieserling K 等人[15]采用机械处理和热处理对富含果胶的柳橙果肉纤维的颗粒结构、浸出度和水结合性能进行研究，表明粗纤维对机械应力的敏感性要比细纤维在减小颗粒尺寸方面更明显；附加热处理的机械处理最大限度地释放醇不溶性物质；粗纤维的保水能力比细纤维的好。Schalow S 等人[16]研究了柑橘果肉和果皮的膳食纤维是水结合力和热凝胶特性，结果表明机械预处理显著提高膳食纤维的保水能力，高温浸泡使其保水能力下降，果肉纤维比果皮纤维具有更好的保水能力，果皮和果肉膳食纤维在pH 值<2.7 时均能形成糖酸凝胶。Tejada-Ortigoza V 等人[17]研究了高静水压力和温度对膳食纤维组成和功能性能的影响，结果表明在22 ℃下橘皮的可溶性膳食纤维达到最高，为55.1%～62.3%。

在国内，Liu Y 等人[18]探讨了热风干燥、真空干燥、冷冻干燥对橘皮可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维的理化性质与体外降血糖的影响，结果表明冷冻干燥显著增加可溶性膳食纤维的黏度，冷冻干燥后的DF 具有更高的葡萄糖吸附能力和葡萄糖透析延迟指数，增强了膳食纤维对α-淀粉酶活性的抑制作用；冷冻干燥后的膳食纤维在体外降血糖的作用有明显的优势。Wang L 等人[19]采用水蒸汽爆炸（SE）与稀酸浸泡法（SAS）耦合制备橙皮可溶性膳食纤维与测定其理化性质，结果表明SE-SAS 处理的橙皮可溶性膳食纤维显著提高Pb、As、Cu 3 种阳离子的结合能力（p<0.05），差示扫描量热法（DSC）显示经SE-SAS 处理的橙皮可溶性膳食纤维的峰值温度（170.4±0.4 ℃）高于未处理的样品 （163.4±0.3 ℃），扫描电子显微镜显示经SE-SAS 处理的橙皮可溶性膳食纤维表面粗糙、塌陷。

3 膳食纤维的作用

3.1 膳食纤维的抗氧化作用

自由基又称游离基，是指生物分子的共价键发生均裂形成不成对电子的原子或基团。自由基具有氧化活性，能对机体造成迅速而强烈的损伤。脐橙含有丰富的黄酮类化合物、多酚类化合物和维生素等多种抗氧化物质，具有良好的抗氧化作用。目前有关从脐橙副产物中提取黄酮类化合物的研究相对较多，是脐橙副产物变废为宝的研究热点。李焕霞[20]采用高效液相色谱测定甜橙膳食纤维的活性成分。结果表明，甜橙DF 中富含类黄酮化合物，其中橙皮甙和柚皮苷的含量最高。石秀梅等人[21]比较了用脐橙、麦皮和柠檬3 种副产物为原料来提取DF 并检测其抗氧化能力。结果发现，麸皮中DF 的铁离子螯合能力最强，脐橙中DF 的还原力最强，柠檬中DF 的总抗氧化能力最强，3 种DF 都能有效抑制十八碳二烯酸氧化，柠檬 DF 对 O2-·、·OH 和 DPPH·的清除能力最强。王菁[5]分别测定了脐橙粗体液、BHT、柠檬苦素粗品的还原力和自由基清除能力。结果表明，在25～200 μg/mL 时，脐橙粗提液的还原力和自由基清除能力明显高于同质量浓度的二丁基羟基甲苯和柠檬苦素粗品。

3.2 膳食纤维的抗抑郁作用

抑郁症又称抑郁障碍，是世界第四大疾病，目前抑郁症的病因尚不明确，主要由心理、生物、社会环境等多方面因素引起。国内外关于膳食纤维摄入与抑郁症之间的关系尚不明确。徐慧[22]根据研究对象的年龄 （<45 岁、45～64 岁和 >64 岁组）、性别（男性和女性）和总能量摄入水平（低、正常和高能量摄入组）进行分组，进一步探索在不同分组人群中总膳食纤维及不同来源的膳食纤维与抑郁症之间的关联。结果表明，在16 807 名20 岁及以上的成年人中抑郁症的发病率为9.41%，在单因素logistic 回归模型中，总膳食纤维、蔬菜纤维、水果纤维和谷物纤维摄入量增加与抑郁症患病风险降低有关。Zhang L L 等人[23]探讨了脐橙对人体健康的影响，结果表明，从脐橙中提取的膳食精油可以缓解用单胺类神经递质治疗的利血平小鼠的抑郁症状，分析了脐橙膳食精油的主要化合物为萜烯类化合物，脐橙膳食精油可以抵消利血平诱导的低温和眼睑下垂和增加小鼠脑中的血清素与多巴胺水平。

3.3 膳食纤维对肠道菌群的作用

膳食纤维具有明显的保健功能，不仅能够有助于预防结肠肿瘤、糖尿病和便秘的发生，还能调整肠道菌群、减少面部色素沉着和提高免疫力等。目前，膳食纤维已经成为食品科学、营养学和流行病学研究的焦点。利用饮食途径调节胃肠道微生物群落的组成和代谢功能的研究受到越来越多的关注，调节肠道菌群的饮食策略是食用膳食纤维和益生元，其可以被胃肠道中的微生物代谢。抗酶解淀粉、木寡糖和菊粉3 种膳食纤维可以被肠道微生物发酵，产生有益健康的SCFA（如乙酸、丙酸、丁酸），能够有助于预防结肠癌的发生[24]。丛丽敏[25]探讨了使用益生菌、DF、益生菌联合DF 对建立标准化的盐酸氯哌拉米诱导的大鼠便秘模型进行干预。结果表明，益生菌和DF 均能改善便秘，而益生菌联合DF 能显著改善便秘。

4 膳食纤维的应用

目前脐橙榨汁后剩下的副产物未得到充分利用而被丢弃，这不仅造成资源浪费，还引起环境污染。在焙烤产品中，可以适量添加干果果渣代替部分食物原料，从而减少焙烤食品的能量，同时提高膳食纤维和抗氧化剂的含量；但是果渣的高纤维含量会导致技术功能的相互作用，从而影响物理化学和感官性能。

在国内，宋欢[26]研究了面包加工过程中添加膳食纤维后对其品质的影响，结果表明添加DF 前与添加DF 后相比，面包的体积基本不变，添加DF 后的面包老化速度变慢。廖兰等人[27]使用RSM 法对脐橙渣纸型食品的成膜工艺进行优化。结果表明，最优工艺条件为Sodium alginate 添加量为0.267%，魔芋DF添加量为0.196%，CMC 添加量为0.4% 。张文林[28]以柑橘果胶和皮渣为原料制备纳米多孔碳材料，以柑橘果胶为原料制备碳微米球，以柑橘果胶为原料制备碳包裹四氧化三铁纳米颗粒，以柑橘果胶为还原剂和包被剂制备银纳米颗粒。Yu Y 等人[29]以梨和橙为原料，研究了自然酸的作用对白面包品质的影响，成功地开发了添加酵母粉可以改善工艺和营养面包的特性。

在国外，Kirbas Z 等人[30]研究了苹果渣粉、胡萝卜渣粉和橙子渣粉对无麸质蛋糕品质特性的影响。结果表明，以不含润发粉的蛋糕为对照，含有5%橙子渣粉的蛋糕与对照样品具有相似的体积指数和硬度值，含有5%橙子渣粉的蛋糕获得的感官评价也是最高的。Obafaye R O 等人[31]考查了添加不同含量橙皮粉对珍珠小米饼干的影响。结果表明，随着橙皮粉添加量的增加，珍珠小米饼干的抗氧化能力和膳食纤维含量显著增加。还有研究人员比较了热风辅助微波干燥的新型柑橘膳食纤维和普通柑橘膳食纤维对无麸质松饼质地和感官特性的影响。结果表明，热风辅助微波干燥的新型柑橘膳食纤维在干燥过程中形成较强的凝胶状结构，可以解释松饼质地剖面中较高的硬度和咀嚼度。

5 结语

随着环境污染和生活压力的增加，人们更加重视健康和营养状况。食品中添加膳食纤维是提高营养和生理功能的有效途径。从脐橙膳食纤维的组成成分、提取及改性方法、功能和应用进行了剖析与总结。但这些方法过于注重SDF 含量的提高，对于改性后的结构特征变化与应用效果方面缺乏深入研究。因此，绿色安全的提改技术获取高效和高质的膳食纤维，是目前迫切需要关注的问题。发酵法可获得高提取率和较高生物活性的膳食纤维，其特异性菌种的筛选是关键。目前，关于膳食纤维的性能研究很多仅限于持水力和膨胀力等水合性能研究，膳食纤维的功能挖掘、健康食品的开发应得到更多研究关注，从深度和广度探明膳食纤维的理化性质和功能特性，以期为其今后在食品方面的应用提供理论依据。