果蔬副产品膳食纤维提取工艺及在食品工业应用研究进展

涂凌云，莫文凤，刘涛，邹雪莲，范毅烽，邓永飞，陆登俊

(广西大学 轻工与食品工程学院，南宁 530004)

膳食纤维(dietary fiber,DF)包括纤维素、木质素、果胶、半纤维素、树胶等非淀粉多糖类物质，最早是由Eban Hispley[1]提出，他认为DF是无营养物质。但在后人研究中，DF显示出多种功能特性，在食品、药品及化妆品方面都有广泛应用。DF中的纤维素、半纤维素、木质素等粗纤维物质能够加速人体肠道的蠕动，增大排便量，对人体肠道功能有增益作用[2]；果胶、树胶具有良好的凝胶作用，在增强食品凝胶特性的同时还能丰富口感[3]；DF还具有抗氧化性，能力大小取决于还原糖和糖醛酸的含量，制成的包装材料能够延长食品货架期[4]。DF是多种物理及化学性质不同的化合物的组合，在食品工业中具有强大的研究潜力。

果蔬(特别是果皮、果壳)中含有丰富的DF，世界卫生组织建议每人每天所摄入的果蔬量应达到400 g，能够有效预防肠道方面的疾病。我国作为世界上第二大人口国家，现有人口14亿，2010年水果产量为27400.84万吨，人均果蔬消费价格指数近两年最低上涨3.9%，人均果蔬消费价格指数近两年最低上涨3.9%，鲜果瓜类消费价格指数最高上涨12.3%(与上一年对比)[5]。但在果蔬加工业中，大约1/3的水果和蔬菜以皮、核、壳、渣的形式在准备和加工阶段就会被丢弃[6]，这不仅是一种资源上的浪费，还有可能会污染生态环境。合理利用果蔬副产品，不仅能获得经济效益，还能够推动食品工业的资源循环发展。

本文主要综述了果蔬副产品中DF的提取方法以及在食品工业中利用的研究进展，为进一步开发果蔬副产品的高价值利用提供了科学参考。

1 膳食纤维定义及分类

2015年食品法典委员会[7]将DF定义为具有10个或10个以上单体单位的碳水化合物聚合物，不被人类小肠内的内源性酶水解。膳食纤维根据其来源分为谷类膳食纤维、藻类膳食纤维、水果类膳食纤维等；根据可溶性可分为可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber,SDF)和不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber,IDF)。

SDF是指能够溶于水且能够被人体肠道内微生物酵解的非淀粉多糖类物质，存在于植物细胞液和细胞间质中，大部分来源于谷物食品和果蔬类食品中，主要包括果胶、树胶等。SDF的主要组成成分是6种单糖，分别为鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、甘露糖和木糖，根据来源的不同，比例有所不同。SDF具有良好的溶解性，易形成凝胶[8]，从而可以作为工业增稠剂、乳化剂[9]等运用于食品中，在红枣饮料[10]中添加SDF既可以作为营养加强添加剂，也可以丰富饮料的口感。

IDF是指不能够溶于水也不能够被人体微生物酵解的非淀粉多糖类物质，在天然纤维中占比为2/3～3/4，常存在于植物的根、茎、干、叶、皮、果中，主要包括纤维素、半纤维素和木质素。IDF具有良好的持水性、吸胀性，可以改善肉制品凝胶体系的微观结构，使其更加均匀致密，在兔肉丸中添加IDF赋予肉丸更好的回弹性和咀嚼性。IDF在人体消化道中主要起调节菌群[11]、吸附有害物质[12]等作用。

2 膳食纤维的提取方法

在植物细胞壁中，DF通常与淀粉、蛋白质、脂肪类物质构成紧密结构，可以通过物理、化学、生物法破坏该结构，将果蔬副产品中的DF提取出来。化学法主要包括酸法和碱法；物理法有微波法、超声波法、超微粉碎法、挤压蒸煮法、高压均质法；生物法有酶法和发酵法。已有研究表明，不同的提取方法可能会改变DF的成分与结构，从而影响它的理化性质与功能。

2.1 化学法

2.1.1 酸法

早在1976年酸法技术就已经发展得较为成熟，目前研究中主要用酸试剂为柠檬酸与盐酸。罗忠圣等[13]利用盐酸提取豆渣中的DF，实验考察了pH、温度、料液比、时间对DF提取率的影响，随着这些因素的增加，都呈现先增加后减小的趋势，影响强弱为料液比>时间>温度>pH。实验结果表明在pH为4.6、料液比为1∶25 (g/mL)、温度为87 ℃、时间为2.8 h的条件下，得到平均DF提取率为59.1%，比对照组豆渣DF提取率增加14.4%。

酸法制备DF成本低、操作简单，但是反应温度高、作用时间长，提取得到的DF色泽较差且纯度低。

2.1.2 碱法

目前研究中主要用碱试剂为氢氧化钠和碳酸钠，提取时加入过氧化氢[14-15]，更易打开DF与非DF结合的紧密结构，暴露内部的羟基，从而增加DF持水能力。杨妍等[16]对苹果渣中DF进行研究，得到DF提取率为76%，SDF含量为30.20%，利用碱性过氧化氢提取的苹果渣DF持水力和膨胀力增长，持油力下降。D-I-Llanes Gil-López等[17]利用微波辅助碱法处理甘蔗渣，结果表明碱处理有助于木质素的分解，实验中大约90%以上的木质素被破坏。

碱法提取得到的DF具有较高的持水性，且更适用于SDF的提取，高浓度的碱能够提高DF提取率，但是排出的废气、废水会污染环境，过高的pH值会破坏提取到的DF孔结构，导致持水性、膨胀性下降。

2.2 物理法

2.2.1 微波法

微波法是利用果蔬副产品中各个成分吸收微波效率不同，某些成分能被选择性加热，从而与基质有效地分离。沈蒙等[18]采用微波辅助超声波法提取黑豆皮中SDF，在微波功率450 W、时间30 min、温度45 ℃条件下，黑豆皮SDF得率为15.72%。巫永华等[19]在沈蒙的研究基础上加入纤维素酶，在微波功率400 W、温度60 ℃、时间23 min条件下，黑豆皮SDF得率为19.12%±0.23%。同时对提取得到的黑豆皮SDF进行了理化特性分析，其膨胀力、持水力、持油力分别为585.71%、11.89 g/g、10.52 g/g。

目前现有文献研究中，微波法一般作为辅助方法。微波法提取时间短，产品质量、纯度更高，且能够改变DF的微观结构，增加其吸附力，但是不适用工厂大规模生产。

2.2.2 超声波法

超声波会破坏植物材料的细胞壁，溶剂更容易进入细胞内提取目标分析物。郑艺梅等[20]利用超声波辅助碱法提取琯溪蜜柚囊衣中的IDF，在超声功率400 W、10 min条件下，IDF提取率为50.9%，比传统提取法提高了19.9%。Gan Jiapan等[21]利用微波辅助超声波法提取柚皮中的DF，在超声波功率为200 W条件下，IDF的提取率为55.02%，SDF的提取率为8.35%，该SDF具有更好的持水、持油能力以及吸附力。

超声波法能够大大减少有机溶剂的用量，并且简化了工艺流程，缩短了提取时间，但是超声波功率过大会降低DF提取率，DF的微观结构会遭到破坏，吸附力大大降低。

2.2.3 超微粉碎法

常规研磨机研磨的粉末粒径一般为0.14～0.42 mm，超微法是通过增加剪切力或者加大材料与其他物质中的碰撞能量将粉末粉碎成亚微米级(10～66 μm)的微粒[22]。超微粉碎法一般有两种：一种是干法超微法，另一种是湿法超微法。Chen等[23]使用携带直径5 mm氧化锆陶瓷研磨球的球磨机，以750 r/min的旋转速度研磨豆渣6 h后，DF平均粒径从161 μm显著降低至15 μm，提取得到的SDF含量由3.9 g/100 g干重增长至34.86 g/100 g干重，研磨使DF的无定形区域暴露，导致43%的IDF转变为SDF。

超微粉碎法对设备要求不高，操作流程简单，DF的粒径的减小会增加其在食品中的适口性，同时增大DF比表面积和孔隙率，从而提高其吸附性、分散性，但是不能大幅度提高DF的提取率。

2.2.4 挤压蒸煮法

挤压蒸煮法是一个高剪切、高温和高压相结合的连续过程。对比单螺杆挤压，双螺杆挤压提取得到的SDF显示出更大的膨胀特性[24]。Zhong Liezhou等[25]利用挤压蒸煮法提取澳大利亚甜羽扇豆种皮中的SDF，结果表明挤压蒸煮能显著增加种皮中SDF含量，从29.03 g/kg干重增加到90.28 g/kg干重，水溶性增强，但水结合减弱。次年，Zhong Liezhou等[26]利用双螺杆挤压蒸煮法处理澳大利亚甜羽扇豆种皮，其SDF含量从44.17 g/kg干重增加到113.69 g/kg干重。

挤压蒸煮法适用于坚韧但是不坚硬的材料，如硬质的果皮、谷物，能够一次性处理大量材料，大幅度提高SDF提取率，但是提取全过程消耗的能量大。

2.2.5 高压均质法

高压均质法是通过对材料施予高强压力，使各个组分分离，主要技术为高静水压力、动态高压微射流[27]、蒸汽爆破和高剪切乳化。康芳芳[28]利用蒸汽爆破法提取豆渣中DF，结果表明，当汽爆强度为1.5 MPa、30 s时，SDF含量提高至36.28%，较对照样品增加了26倍。Pérez-López E 等利用水解酶辅助高静水压力法提取豆渣中DF，在600 MPa压力下经过30 min的处理，豆渣中SDF含量增加了74%，溶解度增大。

高压均质法对实验设备要求高，操作危险性大，压力过强，会导致DF提取率下降，但是处理时间短，DF水溶性显著提高，适用于SDF的提取。

2.3 生物法

2.3.1 酶法

酶法是指利用各种酶，如α-淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶、木聚糖酶等将果蔬副产品中的非DF成分降解成小分子，破坏DF与非DF形成的紧密结构，释放DF。酶具有专一性与特异性，通常使用复合酶会比单酶的DF提取率高。根据Feng Ziqian等[29]的研究，黑豆皮中SDF含量仅为6.9%。沈蒙等利用复合酶法(纤维素酶∶半纤维素酶为1∶2)提取黑豆皮中SDF，在酶添加量为5%、时间为3 h条件下，SDF的提取率提高至14.90%。

酶法工艺简单快速，DF的提取率高，由于酶的专一性与高效性，得到的DF纯度高。但是酶价格较为昂贵，且种类不同的酶作用条件不同，处理过程复杂，处理时间长。

2.3.2 发酵法

发酵法是利用微生物产出的蛋白酶和淀粉酶，降解材料中的非DF成分，从而可以提取得到DF。目前常用的发酵微生物包括黑曲霉[30-31]、乳酸菌[32]、保加利亚乳杆菌、绿色木霉、嗜热链球菌等。Lin Derong等[33]利用乳酸菌和神经孢霉混合发酵法提取豆渣中DF，在最优条件下SDF提取率为7.09%，IDF提取率为40.07%。赵泰霞等[34]利用保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌(1∶1)作为发酵剂，在41 ℃发酵30 h后，从豆渣中提取的DF得率为75.6%，其中SDF提取率为17.2%。

发酵法是一种绿色环保的方法，DF提取率较高，但是发酵法中微生物在生产酶的同时也会生产废液，纯度会降低，且接种前需对材料进行高温杀菌，防止杂菌生长，在高温处理中可能会对DF提取产生不良影响。

3 膳食纤维在食品工业中的应用

市场上超过50%的功能食品都含有膳食纤维作为活性成分[35]。DF的还原糖含量、官能团、整体结构的不同会产生不同的理化特性，主要理化性质包括持水/油性、吸收膨胀性、抗氧化性、吸附性与黏性。在食品工业中，利用其理化性质对食品进行加工改造能够得到口感更好、营养价值更高的产品。

3.1 在烘焙食品中的应用

在烘焙食品中添加DF不仅能够稳定面糊，还能够减少面团中面筋结构的形成，保持食品拥有更久的新鲜口感。在DF添加量不影响烘焙食品口感下，既能够降低其脂肪含量，又可以增加烘焙食品的营养价值。

3.2 在饮料中的应用

Émilie Paquet等[39]在苹果汁中添加SDF(大麦葡聚糖、魔芋甘露聚糖、瓜尔胶)，由于SDF具有黏性与吸附性，在饮料中可以充当稳定剂，降低饮料的絮凝度。李晶[40]以玉米皮作为SDF来源，当果汁中SDF添加量为1%～8%时，体系稳定性好，粘度低，果汁贮藏后期的稳定性提高。Piyali Chakraborty等[41]进一步研究了DF的添加对燕麦糠纤维饮料口感的影响，结果表明当饮料中IDF的浓度超过2%(W/W)时，在口腔中会产生颗粒感、糊状感，这种感觉会持续较长时间；而在饮料中添加可溶性β-葡聚糖，在口腔中会产生粘滑感和光滑感。

饮料中一般采用SDF作为稳定剂，在降低絮凝度的同时能赋予饮料清爽的口感和透明度，但是过量IDF的加入会导致饮料易分层且口感恶化。目前高DF饮料的大众接受度还较低，主要原因包括口感较差和价格过高。

3.3 在肉制品中的应用

DF常用于肉肠[42]、肉松、肉饼等肉制品中，在鸡肉香肠中添加苹果渣DF[43]，大大降低了香肠中脂肪的含量，提高了降脂鸡肉乳糜香肠的乳糜稳定性，同时也提高了肉制品的硬度、黏性和咀嚼性。Lin Yanan等[44]从绿豆的副产品中提取DF，将其加入鱼松，利用快速蒸发电离质谱(REIMS)结合体外消化试验研究DF对鱼松多级消化的影响，实验结果表明DF的添加有效减缓了磷脂的消化速率，由于DF还具有抗氧化性，能够缓解脂肪的消化腐败，从而延缓鱼松的货架期。除了直接添加，DF还可作保鲜膜中的抗氧化成分，同样能够延长肉制品的保鲜期。

DF是一种良好的乳化剂，能够有效稳定肉糜产品，与水结合后形成凝胶将脂肪牢牢吸附，降低卡路里的同时还能够带走部分脂肪。目前市场上并没有大规模将DF应用于肉制品，但是果蔬副产品DF的开发利用为“健康吃肉”这一目标提供了可能性。

3.4 在乳制品中的应用

在牛奶发酵过程中，酸释放导致pH值下降，酪蛋白与变性乳清蛋白通过二硫键聚集在一起形成了酸奶。DF的添加有利于缩短酸化时间，降低生产成本，酸奶的硬度和贮藏模量在冷藏过程中显著提高。除了上述优点，由于DF具有乳化性，Wang Xinya等[45]制作的含有苹果渣DF的酸奶具有更加稳定的结构，不容易乳清分离。在冷藏过程中，DF能够有效抑制pH的降低，pH在14 d内保持稳定(对照组为7 d)。Christos Soukoulis等[46]对添加不同含量DF的冰激凌的研究表明IDF显著增加了冰淇淋的粘度，而SDF的添加能限制冰点的降低，具有潜在的低温保护作用。

对于冷冻乳制品而言，DF具有控制结晶和再结晶现象的潜在能力，能够增加冷冻乳制品的抗熔性。对于非冷冻乳制品，DF能够增加其稳定性，乳清分离现象减少，使食品的外观得到改善。

3.5 在其他食品中的应用

果冻[47-48]中添加的DF充当了凝胶基质中的增强剂，提高了果冻的粘弹性和机械性能，苹果和亚麻籽中DF的添加(样品A和P)使果冻脱水收缩降低了50%和100%。

于桐[49]将刺葡萄皮渣与马铃薯全粉、大米粉混合，通过双螺杆挤压膨化技术制作一种新型挤压膨化食品，由于DF的抗氧化性，能够抑制天冬酰胺与还原糖反应过程中产生的中间产物向丙烯酰胺的转化，减少丙烯酰胺的产生。当刺葡萄皮渣添加量为5%时，产品中葡萄香味明显且口感酸甜酥脆，感官评价得分高。

除此之外，DF在面制品、果酱等食品都有应用，利用其自身的物理特性(吸水性、膨胀性、抗氧化性)为这些食品提供高价值营养的同时，还能够有效提高食品的一定特性，如面制品的易消化性和果酱制品的黏性。

4 结论与展望

水果蔬菜在我们生活中必不可少，随着果蔬种植面积的增大和果蔬干制品、果蔬腌制品、果汁、果酒等产业规模的扩大和发展，越来越多的果蔬副产品被直接遗弃或者做成饲料，这些果蔬副产品中含有的DF没有得到充分利用。选取合适的方法提取果蔬副产品中的DF，既能够推动DF产业的良好发展，同时能够实现果蔬副产品的高值化利用，减少资源浪费。目前研究中更侧重于找到一种绿色无污染且纯度高的DF提取手段。酶解法是其中高效且绿色无污染的方法，但其作用周期长这一问题还有待解决。DF中含有多种成分，如何将其中各组分完全分离也是目前的一大难题。

DF在食品保健方面越发凸显其价值，得到社会各界人士的关注，对于充分开发果蔬副产品中DF的营养价值、综合利用、提高其附加值具有重要意义。