不溶性膳食纤维的提取、表征及改性研究进展

周 新,唐世英,杨贺棋,董秀瑜,李欣蔚,张曦文,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)

当前,伴随着精制食品与过量能量摄入的普遍化,亚健康态及现代文明病日趋高发。合理摄入膳食纤维已被公认有助于改善消化道健康、降低血脂、调节血糖、控制体重等。世界卫生组织建议成人每日至少摄入25 g膳食纤维[1]。近期调查指出,我国成年居民不溶性膳食纤维摄入量平均为12. 2 g/d,总膳食纤维摄入量平均为18.5 g/d(18～64岁,n=11960),公众摄入膳食纤维不足问题形势依然严峻[2]。

国际食品法典委员会(Codex Alimentarius Commission,CAC)将膳食纤维定义为具有超过10个单体单元的碳水化合物聚合物,且其不会被人类小肠中的消化酶水解[3]。根据膳食纤维在水中的溶解性,一般将其分为可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber,SDF)及不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber,IDF)。前者常存在于植物细胞液和细胞间质中,主要为多糖及聚糖醛酸类物质,如陆生及海洋植物胶。后者主要为植物细胞壁的结构性组分,核心成分为纤维素、半纤维素、木质素等[4]。研究表明,膳食纤维的健康功效主要与水合、增稠、凝胶、吸附及可发酵性等性质密切相关[5-6]。一般认为IDF主要通过降低能量密度、促进肠道蠕动、改善排便等发挥作用,对其调节代谢相关能力尚存争议[7-8]。另一方面,膳食纤维(特别是IDF)的添加可能对各类产品的加工特性、感官品质、稳定性等带来显著影响[9]。为了进一步拓展优质膳食纤维补充渠道,更好地满足大众对健康食品的需求,通过各种手段对IDF的功能特性加以改善,已得到相关领域研究重点关注[10]。

近年来,从各种天然原料中分离提取膳食纤维,并通过物理、化学及生物处理对其组成与结构进行改造得到较多报道。大量研究运用物理作用力、化学反应或酶解等手段,实现膳食纤维在食品加工与营养健康方面功能特性的强化。本文对国内外文献报道的IDF提取、改性及应用研究进行梳理总结,以期为优质膳食纤维资源的开发利用提供参考。

1 不溶性膳食纤维的提取与性质表征

1.1 IDF的制备

在可持续发展背景下,为了提高生物资源的利用率与附加值、减轻环境压力,以大宗农产品加工副产物为原料分离IDF得到相关研究的普遍关注,也是本文关注的重点。根据膳食纤维的定义,其制备的关键在于有效去除原料中的蛋白质、脂肪和淀粉等可消化组分。表1列举了近年来文献报道的副产物IDF主要提取方法、提取原料、工艺条件以及产物得率。由表1可见,在提取方法方面,物理、化学、酶处理技术以及组合手段均得到应用。化学法提取IDF操作简单、成本较低,其中使用碱处理的化学法应用较为普遍。化学处理反应较强烈,可破坏产物的结构(特别是功能性基团)并对其生物活性造成显著影响[11]。酶水解法一般使用中性蛋白酶、高温淀粉酶、糖化酶等水解除去非目标物质,具有条件温和易控制、提取率高、环境友好、产物活性高等优点,因此其应用越来越广泛[12]。此外,超声波、微波等辅助提取技术可以进一步提高提取效率,也得到越来越多的研究应用。

表1 以农产品加工副产物为原料制备不溶性膳食纤维的方法、条件与得率比较Table 1 Comparison of methods,conditions and yields for preparing insoluble dietary fiber from by-products of agricultural product processing

1.2 IDF的结构、性质与功能表征

1.2.1 IDF的组成与结构 IDF主要由纤维素、半纤维素、木质素等植物细胞壁结构性成分组成,一般通过化学方法进行组分分离进而加以分析。文攀等[29]通过酶法提取的黄皮果皮IDF,并采用蒽酮比色法测定黄皮果皮IDF中纤维素含量为18.79%,通过DNS比色法测得半纤维素含量为11.33%,进而以重量法测定木质素含量为42.02%。姬玉梅[30]对以化学法、酸-酶法、复合酶法制备的小麦麸皮膳食纤维进行了比较分析,发现产物的基本成分有明显不同,复合酶法IDF的纯度优于酸-酶法及化学法,通过化学法测定其中纤维素含量为29.23%、半纤维素含量33.02%、木质素含量为6.41%,且其结合水能力与抗氧化能力较强。可见原料和提取方法决定IDF的基本组成,进而影响其性质与性能。

IDF的化学结构(如:分子量、结晶结构、官能团结构等)可以通过聚合度分析、X射线衍射分析(X-Ray Diffraction,XRD)和傅里叶变换红外光谱分析(Fourier Transform infrared spectroscopy,FT-IR)等加以表征。魏春光[31]采用铜乙二胺粘度法测定经过挤出处理的马铃薯IDF样品的聚合度与相对分子质量,研究发现处理后样品的平均聚合度由1051降到273,分子量则由170333降到44226。IDF的核心成分纤维素具有结晶性结构,其结晶度直接影响亲水、亲油等物理化学性质[32]。Hua等[27]对酶法提取的人参IDF进行XRD分析,发现样品在衍射角2θ为15.02和21.08 °处出现两个明显的衍射峰,为典型纤维素I型晶体结构,结晶度为34.24%。根据IDF样品的FT-IR谱图中特征峰出现的位置可以判断其结构特征。表2归纳了文献报道中IDF的常见FT-IR特征峰与对应的化学结构信息。可见,通过分析可以监测样品在提取及改性处理前后的结构变化,特别是功能性基团的变化情况,进而为揭示其性质变化提供依据。

表2 IDF的常见FT-IR特征峰与对应结构信息Table 2 Common FT-IR characteristic peaks and assignment for IDF

IDF的微观表面结构、颗粒尺度、比表面积等对于其性质影响深远。Meng等[38]通过复合酶法制备荞麦秸秆IDF,运用扫描电镜(Scanning electron microscope,SEM)观察到紧凑且完整的管状形状,应为荞麦秸秆的维管组织。Karaman等[39]对柠檬籽IDF、橙籽IDF、葡萄柚籽IDF进行SEM分析,观察到三种样品都存在丝状结构。阮之阳[40]以剑麻渣和辣木茎为原料,通过酶-超声联合方法制备两种IDF,粒度分析表明剑麻渣及其IDF的平均粒径分别为313及234 μm;辣木茎及其IDF的平均粒径分别为155及94 μm。满永刚等[41]研究发现通过300 Hz气流粉碎提取出的大豆皮IDF粒径为19.24 μm,比表面积达152.95 m2/kg。IDF的表面形态以及粒径、比表面积是改善IDF理化性质、提升功能特性的重要结构基础。

1.2.2 IDF的理化性质

1.2.2.1 亲水性质 膳食纤维的水合能力是其发挥功效的关键性质。Kim等[42]测定了大豆皮IDF持水力为4.64 g/g、持油力为2.22 g/g和膨胀力为6.25 mL/g。Gómez-Ordóez等[43]发现海条藻(Himanthalia)IDF的持水能力达10.97 g/g。钟雅云等[44]发现海带IDF的持水力为11.82 g/g、持油力为10.05 g/g、膨胀力为5.99 mL/g。Chau[45]等测出胡萝卜IDF持水力为12.5 g/g,而经过高压微粉化处理后其持水力达到42.5 g/g。可见不同来源的IDF性能差异显著,而通过改变IDF的组成与结构,可以调控其亲水/疏水性质,从而使其拥有更加优异的性能。

1.2.3 IDF的功能特性

1.2.3.1 体外评价 段振[48]发现石榴皮IDF可以通过阻碍底物乳液与胰脂肪酶的相互作用而抑制脂肪酶活性,半抑制量(IC50)为275.42 mg。Yang等[51]研究发现日本葡萄果渣IDF对α-葡萄糖苷酶的半抑制浓度IC50为0.841 mg/mL,抑制率为62.23%。α-葡萄糖苷酶抑制剂可发挥调控餐后血糖水平的作用[52]。祁静[53]发现酸法提取的米糠IDF对胰脂酶和淀粉酶的抑制能力分别达77.52%及40.48%。说明米糠IDF具有调控碳水化合物及脂肪代谢的潜力。可见IDF具有调节人体对淀粉、脂肪消化吸收的潜力,可望发挥调节代谢的功效。

1.2.3.2 体内评价 Li等[54]用酶法提取的大麦不溶性膳食纤维(BIF)喂养正常大鼠及2型糖尿病大鼠模型;研究发现,对模型组饲喂BIF 4周后,大鼠空腹血糖浓度从24.33 mmol/L降低至21.88 mmol/L。孙海燕等[55]用豆渣IDF饲喂2型糖尿病大鼠并观察其血糖变化情况,发现喂食含15%IDF的饲料4周后,大鼠空腹血糖浓度从14.60 mmol/L降低至6.09 mmol/L,表明高剂量豆渣IDF具有调控血糖的功效。研究指出IDF的摄入干扰了肠道内消化酶与碳水化合物之间的反应,降低了碳水化合物的消化率,同时降低了葡萄糖由肠腔进入肠上皮细胞吸收表面的速度,从而达到降低血糖的作用[56-57]。

高脂血症是指脂肪代谢或运转异常使血液中血脂含量高于正常范围的一种症状,伴随血脂异常往往也会影响肝脏功能[58]。膳食干预疗法被公认为对防治高脂血症至关重要[59]。付慧等[60]用添加不同水平(5%、10%、15%)多肋藻(Costariacostata)渣IDF的饲料饲喂高血脂模型小鼠,28 d后,15% IDF组小鼠血清中总胆固醇(Total cholesterol,TC)水平较模型组降低17.4%、甘油三酯(Triglyceride,TG)降低22.0%、高密度脂蛋白胆固醇(High density liptein cholesterol,HDL-C)值升高115.4%、低密度脂蛋白胆固醇(Low density lipoprotein cholesterol,LDL-C)值降低47.9%、动脉粥样硬化指数(Arteriosclerosis,AI)值降低了75.3%。Yang等[51]通过超声辅助酶解法提取葡萄果渣IDF,并考察其对小鼠的降血脂作用,28 d后,对比高脂饮食组,添加IDF饮食组的TC、TG、LDL-C水平显著降低,HDL-C值显著升高,AI降低42.68%。

2 不溶性膳食纤维的改性方法

由前述可见,提取原料与方法决定了IDF的组成与结构,并对其理化性质以及功能特性带来显著影响,也为其功能性改性提供了依据。相关研究运用物理、化学及生化手段对IDF加以处理,通过调控其组成与结构而实现性能的提升。

2.1 物理改性

物理改性是目前报道较多的一类IDF改性方法。运用超高压、超微粉碎、高压均质等技术手段,改变样品的组成、形态结构及颗粒尺寸,进而改变其理化性质、增强功能特性。

2.1.1 超高压技术 超高压改性是将样品置于液体介质中,在100～1000 MPa的静压下进行处理,当超高压技术的液体介质为水时,也称为高静水压法。在极高的静压下,物料体积被压缩,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,使大分子物质改性或变性[61]。李雁等[62]对红薯渣IDF进行超高压改性(60 ℃,600 MPa下处理15 min),SEM分析显示改性后样品表面出现疏松、蜂巢形的多孔网状结构,比表面积增大,结晶度减小;其抑制淀粉酶活性和吸附葡萄糖能力与对照组相比分别提高了1738.1%和20.4%;吸附胆固醇能力和持油力分别提高了141.8%和29.0%;改性产物调节血糖与血脂能力明显增强。Fan等[63]以紫薯IDF为对象,采用高静水压法(25 ℃,200 MPa下处理30 min)进行物理改性,研究发现改性IDF对α-葡萄糖苷酶抑制活性从95.5%提升至96.1%。

2.1.2 超微粉碎技术 超微粉碎技术利用机械或流体力学手段产生高强度剪切力,使糖苷键断裂、比表面积增大、亲水基团暴露,从而改变IDF组成、结构及物化特性[64]。王安建等[65]使用超微粉碎机对玉米皮IDF进行改性,使其颗粒度达到160～200目,研究发现改性产物的持水力、膨胀力、阳离子交换能力、饱和及不饱和脂肪持油力分别提升了2.04%、14.12%、17.85%、15.24%及25.41%,并将变化归因于超微粉碎减小了粒径、增大了比表面积,提升了亲水能力。同时发现,粉碎目数超200目时持水力反而减小,可能是由于IDF的组织结构破坏严重,虽然接触面积增大了,但颗粒个体结合水的能力减小,从而导致整体持水力降低。李伦等[66]使用超微粉碎机对米糠IDF进行改性,随着样品粒径不断减小,其持水力、持油力、膨胀力均显著提高,并发现改性后米糠IDF中半纤维素转化成水溶物。

2.1.3 高压均质技术 高压均质技术利用高压使料液高速通过均质腔,物料在高速剪切、高频震荡、空穴现象和对流撞击等机械力作用下粉碎细化,并可进一步提高产物的均匀度和稳定性[67]。丁莎莎等[68]利用高压均质对油橄榄果渣IDF进行改性,改性产物持水力提高了31.7%、膨胀力提高了78%、持油力提高了38.92%,对重金属Cd2+的吸附能力提高了7.53%。Fan等[63]发现高压均质改性紫薯IDF的乳化稳定性、α-葡萄糖苷酶抑制活性、抗氧化活性及要明显优于高静水压改性产物,并认为可溶性组分增加、颗粒度下降以及表面结构的复杂化是其主要原因。

物理改性具有工艺简单、效果显著、作用均匀等特点,得到了研究的广泛关注。然而相关设备及运行成本较高,限制了其工业化应用,因此开发具有经济技术可行性的技术手段应得到更多研究关注。

2.2 化学改性

化学改性可分为两大类,一类是通过酸、碱等试剂对IDF进行处理从而改变其成分与结构;另一类则是通过醚化、酯化、接枝化等反应对IDF进行修饰,改性产物的性能由引入基团、取代位置和取代程度等因素所决定。

2.2.2 醚化改性 醚化改性是通过控制反应条件在IDF化学组分中不同程度地引入烷基、羟烷基、羧烷基等基团。例如以亲水基团取代纤维素分子中的部分羟基,可以起到提高持水性、增强生理活性的作用。Abdel-Halim[73]等对甘蔗IDF羟乙基化改性开展研究,提出最优工艺条件是使用20%氢氧化钠溶液和200%环氧乙烷(基于甘蔗IDF的重量),在100 ℃下反应60 min,摩尔取代度可达0.45以上。黄纪念等[74]以麦麸IDF为原料,对其进行羧甲基化改性;研究发现,在氢氧化钠浓度3.38 mol/L、碱化温度35 ℃、碱化时间56 min、乙醇体积分数87%、醚化温度53 ℃、醚化时间3.3 h条件下改性产物的得率为113.87%,取代度为0.2939;改性IDF的持水力提高了105.79%,达11.825 g/g。

化学改性可以有效提升IDF的水合、吸附、交换等能力,并可赋予其新的功能。但化学改性在应用的过程中会产生化学废弃物,造成环境压力,也制约了其在食品领域的工业化应用,开发安全、环保、经济技术可行性高的改性技术应是未来研究关注的重点。

2.3 酶法改性

酶法改性是通过酶制剂使IDF中的大分子解聚,从而改变其成分与结构[77]。针对IDF组成特点,常用纤维素酶、半纤维素酶(木聚糖酶)以及木质素降解酶(如:漆酶)等对其进行处理。

Zhou等[78]采用纤维素酶对苦荞麦麸膳食纤维进行改性处理;发现改性后可溶性膳食纤维比例增加,且膳食纤维粒径减小,表面积增大,产物持水力、膨胀力明显提高。野大川[79]采用木聚糖酶改性IDF,发现改性产物的溶胀力为6.93 mL/g、持水力为6.53 g/g、持油力为3.23 g/g,与未改性IDF相比提升显著。刘丽娜等[80]通过复合酶(纤维素酶和木聚糖酶)改性玉米芯IDF,复合酶处理使IDF 大分子的糖苷键断裂,并使致密的网状结构疏松;改性后玉米芯IDF持水力增加了40.26%、膨胀力增加了48.67%、持油力增加了74.16%。赵梅[81]采用纤维素酶和木聚糖酶改性枣渣IDF;改性产物FT-IR谱图中在波数750 cm-1附近的吸收峰消失,证实了组分的游离溶解;XRD分析显示改性产物结晶区域受到破坏,促进了束缚在纤维素网络内的水溶性成分的释出。Yu等[82]使用纤维素酶和木聚糖酶对胡萝卜渣IDF进行改性,研究发现,改性后其持水力、膨胀力、持油力及阳离子交换力分别提高1.28倍、1.06倍、1.09倍和1.67倍。Luo等[83]采用纤维素酶和木聚糖酶对竹壳IDF进行改性,结果表明,改性后竹壳IDF粒径显著减小,表面出现蜂窝状结构;改性后具有更高的持水力、持油力、对亚硝酸根离子吸附力以及与葡萄糖和胆固醇的结合能力。

酶法改性可通过降解大分子、释放小分子而提高膳食纤维溶解性[84-85],同时改性可使粒径变小、表面结构复杂化,从而暴露更多的亲水性基团,综合促进其性质与性能的改善。复合酶改性比单一酶改性IDF的功能性质提升更加明显。酶法改性反应条件温和、专一性强、对设备要求低且环境友好,但存在反应时间长、生产效率较低及生产成本高等问题,因此开发更为有效的酶制剂是改性技术工业化应用所面临的核心课题之一。

2.4 联合改性

采用多种方法联合改性IDF,不仅可以避免单一方法的不足,而且可以通过相互协作,更加有效地提升IDF性能。钟先锋[86]采用超高压联合超声波处理燕麦麸皮IDF,改性产物比表面积增加13.49倍,持油力、膨胀力、粘度值和阳离子交换能力均显著提高。Ma等[87]通过高静水压(50 ℃,200 MPa下处理15 min)与复合酶(漆酶和纤维素酶)联合处理孜然IDF,SEM分析揭示出更加松散和多孔的结构,改性产物表现出更高的持水力(10.02 g/g)、溶胀力(11.19 mL/g)、持油力(10.44 g/g)、葡萄糖吸附能力(63.54 mmol/g)、α-淀粉酶抑制活性(37.95%)和胆汁酸阻滞指数(52.58%),综合性能提升显著;通过破坏组分共价键和非共价键,产生更小和更可溶的分子片段,总酚含量及抗氧化活性有所提高,此外还可通过改变工艺参数(压力、加水量和温度等),对其功能特性加以调控[88-90]。Ling等[91]采用高静水压(25 ℃,300 MPa下处理15 min)和超细粉碎的方法对梨渣膳食纤维进行物理改性,研究发现经过改性的总膳食纤维中IDF含量下降、SDF含量上升,有一部分IDF粒径降到微米级;改性产物持水力与持油力显著上升;随着超细粉碎时间的增加,IDF粒径越小,其对胆固醇的吸附能力越高。

联合改性可以综合其他改性方法的优缺点,可根据原料特点对各种技术手段加以组合实现高质量改性膳食纤维的高效制备,具有高度的应用前景。

3 改性不溶性膳食纤维的应用研究

改性IDF具有更加优异的功能特性。作为食品添加成分,其对食品工业的积极作用主要体现在两方面,一是在食品加工中,可对加工过程、感官品质与产品稳定性等带来积极的影响;另一方面是作为健康功能因子参与代谢调节,更好地发挥健康功效。

3.1 食品加工方面

改性IDF的加入能有效改善面制品质构,根据不同的产品需求来提高持水力、柔软性和疏松性,在储存期内保持外观和口感。孙杰等[92]将莲蓬IDF和经过高温改性后的IDF分别加入挂面中,发现仅添加IDF会使挂面硬度增加,而在挂面中添加3%～5%的改性IDF,未显著影响挂面的质构特征,产品口感良好。陶春生等[93]将挤压改性的麦麸IDF与高筋面粉混合,制成面团,发现随改性IDF添加量的增加,面团的吸水率不断增加,延伸性逐渐降低;指出适量添加改性IDF可提高面团的形成时间、稳定时间、面团的拉伸阻力和拉伸比数,降低面团的弱化值;当改性IDF添加量为6%时,可改善面制品(馒头、面包)的品质,增加产品的体积,提高含水量,改善质地,并延长面制品的货架期。王彪[94]将通过酶解-超声波联合改性后青稞IDF与未改性青稞IDF分别添加到面团中制作成面条,研究发现,添加了联合改性后青稞IDF面条吸水率提升36.2%,且使面条的硬度减小、回复性和粘结性增大,咀嚼性无明显差异。吕远[95]在戚风蛋糕中添加面粉重量10%的改性大豆IDF,在蛋糕制作当中表现出良好的泡沫稳定性和悬浮稳定性;蛋糕保存第8 d时,其水分仍保持在20%以上,并指出改性IDF的添加延长了蛋糕的货架期。

方东亚[96]将采用酶法改性后笋头IDF添加到酸奶中,发现添加改性IDF的酸奶持水力显著上升;改性IDF因其粒径小,持水力、膨胀力、吸附性强,添加至酸奶中分散性好,不易沉淀,产品稳定好且口感细腻。宋玉[97]将高压蒸煮结合纤维素酶改性后的竹笋IDF、猪皮和水以1∶2∶2的比例混合制备成脂肪替代物应用在中式香肠中,发现含有40%脂肪替代物的产品水分含量增加了3.27%、蒸煮损失率降低了26.65%、出油率降低了0.21%、出水率降低了1.86%;指出改性IDF的水结合能力降低了香肠的蒸煮损失率,并提高了香肠的乳化稳定性和质构特性。

3.2 功能性食品方面

马梦梅[90]研究了超高压-酶法复合改性孜然IDF的降血糖活性;发现其对高糖高脂饮食和链脲佐菌素诱导的 2 型糖尿病大鼠具有明显地降血糖功效。令博[98]研究了超微粉碎改性葡萄皮渣IDF对STZ诱导的糖尿病大鼠血糖的影响,发现改性IDF对糖尿病大鼠体重下降均具有显著的抑制作用,连续灌胃三周后大鼠糖原、血清胰岛素、C-肽和糖化血清蛋白水平也可恢复正常。改性IDF的降血糖活性已得到众多研究确认,可望用于开发辅助调节血糖的功能性食品。Dai等[99]通过纤维素酶水解对豆渣IDF进行改性,并用改性产物(MDF)饲喂高脂饮食小鼠,探究其对体质量、脂肪分布、血清代谢组学参数和脂肪酸谱的影响;结果表明MDF对高脂饮食组小鼠的体重增加具有显著的抑制作用,并导致TG、TC、LDL-C和极低密度脂蛋白胆固醇(Very Low density lipoprotein cholesterol,VLDL-C)的水平显著降低;对代谢物的进一步分析表明,MDF组中的缬氨酸水平高于高脂饮食组,牛磺酸水平在MDF组中的增加表明摄入MDF后胆固醇的合成受到抑制。Wang等[100]用纤维素酶改性生姜渣IDF,发现改性产物(MIDF)的持水力、膨胀力、持油力、阳离子交换能力、吸附能力等均高于未改性样品;用改性产物喂食高脂饮食小鼠32 d后,血清TG、TC和LDL-C水平显著低于高脂饮食组,而HDL-C水平达到高脂饮食组的2.36倍;与MIDF组相比,IDF组降低动脉粥样硬化风险的能力较弱;并指出MIDF可作为功能性添加成分用于辅助减肥食品的开发。

4 结语

当前,膳食纤维强化食品研发倍受产、学、研各方关注。为了拓展优质膳食纤维补充渠道,改善IDF的加工特性与健康功效已得到相关领域研究重点关注。IDF的组成与结构决定其各方面性质与性能。通过物理法、化学法、酶法等对IDF进行改性,可使IDF的水合、吸附、离子交换等性质明显改善,并使其具有更强的抑制消化酶类活性能力,进而提升其调节代谢能力,以及改善消化道健康功效。改性产物的功能特性使其在食品加工与功能性食品开发领域具有高度的应用潜力。开发具有经济技术可行性的物理改性技术、探索安全、环保的化学改性手段、寻找更为有效的生物改性酶制剂等问题应是相关研究的重点方向。此外,在改性膳食纤维的工业化应用开发、产物功能特性调控及其体内调节代谢机制的阐明等方面仍有大量科技问题亟待解决,应得到未来研究的重点关注,以期更好地满足大众对健康功能食品的需求。