发酵技术在膳食纤维改性中的应用

王 丽，康晶晶

（贵州医科大学公共卫生学院，环境污染与疾病监控教育部重点实验室，贵州贵阳 550025）

膳食纤维（Dietary Fiber，DF），又称为人体第7营养素[1]，广泛存在于植物（杂粮、豆制品、蔬果及菌藻类）的表皮中，对人体具有重要生物活性[2-3]，例如DF不仅能够预防心血管疾病和肠道疾病的发生，还能减缓重金属对人体的毒性，与人类的身体健康和生理功能密切相关[4]，因此，除英国与日本外，世界各国对DF推荐摄入量均有了明确的规定（25～35 g/d）[5-6]。然而，天然的DF中IDF含量过高，整体口感粗糙，人体几乎无法吸收和消化，因此天然DF的生物活性发挥受限，多作为废料被丢弃，造成了一定的环境压力和DF资源浪费。为了改变人们日常饮食中DF摄入不足的现象，不少企业纷纷将谷豆类、果蔬类、海藻类和其他植物中的DF应用于各种食品中，DF市场日渐繁荣。为了更有效地综合利用DF资源，有必要借助相关的改性方法来增加水溶性DF（Soluble Dietary Fiber, SDF）的比例。研究发现，当DF中SDF含量达到25%以上，才能够发挥DF的最佳生理功能[7]。目前，通过物理、化学或生物等改性方法，提高DF中SDF含量，改善DF理化性质和生物活性，已成为了DF的研究热点。改性后DF中SDF含量增加，其持水力、膨胀性、粘性和吸附作用均有所改善，展现出更好的加工特性和应用活性。

发酵技术是利用微生物的发酵作用，运用技术手段工业化生产某一特定发酵产物的技术；发酵技术改性DF就是运用技术手段促使微生物大量分泌纤维素水解酶，用于改变DF的结构和生物活性的过程[8]。研究发酵技术在DF改性中的应用，不仅增加了DF的品质和应用价值，还迎合了当下利用发酵技术加工保鲜食品的趋势，利于研究食品发酵过程中DF与其它营养成分的相互作用，从分子水平揭秘DF的活性机理。本文分别从DF定义、DF理化性质和功能性质、微生物改性DF的优势和微生物改性DF的应用等方面对发酵技术在膳食纤维改性中的应用进行了综述，为未来发酵改性DF的研究提供理论参考。

1 膳食纤维的简介

1.1 膳食纤维的定义

据表1可知，自 Hispley于 1953年首次提出DF概念以来，各界展开了长达半个世纪之久的DF定义探讨，尽管说法各异，但总体上DF的定义基本满足以下条件[9]：食物原料来源；单体数目≥3且不提供能量的糖类碳水化合物；人体消化道内不能消化吸收；有益于人体健康。根据以上要求，DF主要由纤维素、半纤维素、木质素、植物黏质、果胶、葡聚糖及部分低聚糖组成[10]。根据其水中溶解性差异，DF主要分为可溶性DF（Soluble Dietary Fiber, SDF）和不可溶性 DF（Insoluble Dietary Fiber，IDF）[11]，其中，SDF主要为植物细胞内存物、植物细胞分泌物和部分微生物多糖及部分合成多糖，而IDF主要为纤维素、木质素、植物蜡和部分半纤维素，多来自于细胞壁[12]。

表1 各界对膳食纤维的定义Table 1 Definition of dietary fiber from all walks of life

1.2 膳食纤维的理化性质与功能性质

DF是一类人体无法消化的多糖类碳水化合物，因DF种类不同，其化学结构、化学组成和物理特性均有所区别[19]，例如，IDF的主要功能是持水膨胀，在肠道内产生机械蠕动，防止便秘发生，在保持肠道健康方面发挥着积极作用[20]；SDF能调节胆固醇血脂含量，在预防糖尿病、心血管疾病和结肠癌方面具有较好的生物活性[21]。由图1所示，DF化学结构中含有大量的氨基、羧基、羟基、醛基和酮基等活性基团，这些活性基团的存在赋予了DF较强的持水性、持油性、吸附作用和可逆交换[22-23]（如图2）等功能活性；由于羟基、氨基和羧基等亲水性基团的大量存在，DF具有较强的持水性，当DF吸收了大量的水后，体积就会发生膨胀，粘度增加，排空时间和胃消化吸收时间延长，促使人体产生较强的饱腹感，起到减餐作用，同时DF的疏松多孔结构增加了其吸附脂类、胆固醇和糖类的能力，阻碍了这些成分在人体中的吸收，进而预防高血脂、高胆固醇症、胆结石和肥胖病的发生，促使DF发挥出降脂减肥的功效；另外，持水的SDF形成溶胶，能够润滑肠道，加快排便速度，防治肠道疾病的发生[24]。

图1 膳食纤维素的分子结构[25-26]Fig.1 Fig.1 Molecular strctures of dietary fiber[25-26]

图2 膳食纤维素理化性质与功能性质的关系Fig.2 Relationship between physical-chemical properties and functional properties of dietary fiber

1.3 改性在膳食纤维生产应用中的积极作用

天然植物的DF中SDF含量很低，不利于DF生物活性和保健功能的发挥，当其替代糖类或脂肪作为填充剂添加于食物中，DF无法被胃肠消化，故多被大量丢弃，增加了可食植物综合利用的难度，造成了DF资源的极大浪费[7]。故可采用不同的改性方法对天然DF进行改性，增加DF中SDF比例。例如，朱妞[27]研究了苹果渣经绿色木霉发酵改性后的理化特性发现，改性后苹果渣DF的理化性质更佳，膨胀力、持水力、阳离子交换力、乳化性和乳化稳定性分别增加了117.77%、106.85%、53.46%、1.52%和15.24%，并对和胆酸钠具有较强的吸附效果；张海芳等[28]研究发现马铃薯DF经复合酶改性后持水力、持油力、结合水力、溶解度和阳离子交换力分别提高了115.22%、16.73%、27.18%、45.27%和173.18%；因此对DF的改性，不仅从根本上减少了原料的浪费，利于DF资源的综合利用，还改善了DF的品质，使其应用特性和生物活性最大化，在DF生产应用中发挥着重要的作用。

2 微生物发酵与膳食纤维改性

2.1 微生物发酵改性膳食纤维的作用机理

所选的微生物菌种利用原料中的碳水化合物、蛋白质和脂肪等成分，在合适的发酵条件（温度、O2和pH）下进行生长繁殖，并向发酵环境中分泌出纤维水解酶、葡萄糖苷酶或木聚糖酶，这些酶进一步将原料环境中的大分子IDF（纤维素、半纤维素和木质素）水解为较小分子的SDF[29-30]；另外，由于发酵时间较长，培养环境中产生了大量的有机酸代谢产物， DF长时间处于酸性的条件下，糖苷键易断裂，DF大分子聚合度下降，部分DF转化成SDF，从而达到DF改性效果[8]；不仅如此，相关研究发现，酸性环境下改性的DF具有更好的生物活性[31]。目前，微生物发酵改性的DF原料主要为果蔬皮渣[32-33]、粱谷麸皮[34-37]及其它农副产品[38-41]，所涉及的微生物菌群主要包括有乳酸菌类[42]、霉菌[43-44]、酵母菌[45]和食用菌[46]等。例如，Li等[47]采用植物乳酸菌和乳酸链球菌混合菌种对四川腌菜中的DF进行改性发现，改性后DF的溶胀性、保水性、重金属吸附力、胆酸盐吸附力和α-淀粉酶抑制力均有所提高；Chen等[48]研究了绿色木霉发酵对茶渣SDF结构特征及体外结合能力的影响发现，发酵21 d后，茶渣SDF含量增加至31.56%，改性后的茶渣DF热稳定、结晶度、结合重金属能力均增加。

2.2 微生物发酵改性膳食纤维的优势

如表2所示，除了微生物发酵改性外，DF的改性方法还主要包括物理改性、化学改性和酶改性等3种，其中，DF物理改性的能耗较大，一定程度上限制了改性DF的生产规模；化学改性过程中因使用了大量试剂，易造成环境污染，且DF产品存在一定的安全隐患；酶法改性对酶的特异性要求较高，酶制剂花销成本较高，从而限制了DF原料的选择；与酶法相比，微生物发酵法中DF改性酶种类更多，产出的SDF种类更丰富，并解决了酶解产物的分离问题，生产成本大大降低，更易于DF的工业化改性[49]。因此，微生物发酵改性法尽管耗时较长，但工艺简单、成本低、且改性后DF产品的应用性能和生物活性较好。与其他3种改性方法相比，微生物发酵改性法优势更明显，例如，陶俊奎[50]比较了化学、酶法和发酵改性竹笋DF的感官品质、理化特性及微观形态发现，发酵法DF的整体品质优于其它两种；赵雪[51]研究发现发酵法改性的麦麸DF在肠道菌群调节方面效果优于酶改性和化学改性；李可[52]测定和比较了不同方法改性的亚麻籽粕DF的理化性质发现，乳酸菌发酵的亚麻籽粕DF品质最优；同样，徐灵芝等[53]研究发现微生物发酵改性的雷竹笋渣DF在水合、阳离子交换、胆固醇吸附和吸附方面均优于化学改性DF。为了显著改善改性DF的品质，不少学者将微生物发酵改性与其他改性方法联合，如林德荣[54]将发酵后豆渣DF经过动态超高压处理表观粘度显著增加，持水力和膨胀力提高。

表2 膳食纤维常用的改性方法Table 2 Methods commonly used in the modification of dietary fiber

2.3 微生物发酵改性膳食纤维的影响因素

微生物发酵过程中影响DF改性效果的因素主要有微生物菌群、菌种的接种量、发酵原料、发酵pH、发酵温度和发酵时间等，其中，微生物菌群是DF改性成功与否的关键因素，而菌种接种量、DF原料、发酵pH和发酵时间以及发酵温度等则严重地影响DF的转化效率。

2.3.1 发酵菌种的选择 菌种不同，其适宜的发酵环境不同，其生长繁殖过程中分泌的酶种类和含量也不同，这些环境和酶的差异一定程度上影响了DF的改性效果。例如，李艳芳等[65]比较了黑曲霉和米曲酶的改性效果，发现黑曲霉改性豆渣DF效果优于米曲霉；袁惠君等[66]研究发现米根霉2种方式（固体发酵和液体发酵）改性马铃薯渣效果均优于白地霉；赵泰霞等[67]更是采用复合菌群（保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌）进行豆渣改性，改性后的豆渣品质和风味均有所显著的改善。因此，菌种的选择对DF改性的整体效果具有重要的意义。

2.3.2 发酵菌种的接种量 适宜的接种量对微生物改性DF的效果影响较大，接种量过大或过小，均不利于SDF的生成。当接种量过少时，发酵环境达到DF改性条件所需的时间较长，一定时间内的DF改性效果不显著；随着菌种接种量的增加，菌种大量繁殖，纤维素酶的分泌量增加，SDF产率升高，DF改性效果改善；当菌种接种量过多时，菌种发酵前期生长过快，消耗了大量的氮素和可溶性糖类，并产酸过多，影响了菌种的代谢和纤维素酶分泌，导致DF改性动力不足，不利于SDF产率的提高，菌种生长繁殖过程中会消耗一定量的SDF，一定程度上影响了DF的改性效果。例如，李静等[68]在用植物乳杆菌对香菇柄进行发酵时确定其最佳接种量为1.5%，但当接种量大于5%时，SDF的产率明显下降；杜斌等[69]采用植物乳杆菌和嗜酸乳杆菌1:1混合菌种发酵蓝莓，确定其最佳接种量为12%。

2.3.3 发酵原料 选择的发酵原料不同，DF的改性效果有所差异，目前，发酵过程中的DF原料多来自于含有丰富DF的谷类（如麦麸、豆渣、小米等[70]）、果渣[34-37]或其它副产品。原料不同，其中所包含的营养成分不同，对微生物生长繁殖的影响也不同。例如，李静[71]采用黑曲霉发酵改性香蕉皮DF后得到的SDF产率为12.83%，但当黑曲霉发酵改性豆渣DF时，SDF得率为 37.84%[72]；熊俐等[73]和朱妞[74]均采用绿色木霉发酵分别对黄豆渣DF和苹果渣DF进行改性，得到SDF得率分别为12.03%和30.27%。

2.3.4 发酵pH 微生物菌群不同，其生长繁殖的最适pH范围不同，例如，乳酸菌、酵母和霉菌生长的最适 pH 范围分别为 5.5～6.0、5.0～6.0 和 6.0～7.0，发酵环境pH过高或过低，微生物菌群均不能很好地生长繁殖，只有营造一个合适的pH环境，菌种才能更好生长繁殖，所产生的酶才能更好地达到改性DF的效果，pH值越靠近菌种生长繁殖的适宜pH，SDF产率就越高。例如，杜斌等[69]确定了混合菌发酵改性蓝莓果渣的最佳发酵pH为6.0；张雪梅等[75]利用绿色木霉发酵改性柠檬皮DF，确定出最佳的发酵pH为6.3。

2.3.5 发酵温度 与发酵pH的作用效果相似，不同菌群的最适温度也不同，根据最适生长温度不同，微生物菌群可分为嗜热菌、中温菌和嗜冷菌三大类，当发酵温度离最适温度过远，微生物菌群将处于休眠状态，生长繁殖受到严重的限制；随着发酵温度上升，DF改性中的SDF转化率提高，至最高值后下降；当发酵温度过高时，过高的温度可以致使菌种死亡和纤维素酶失活，不利于DF的微生物发酵改性，但过高的温度可加快IDF化学键的断裂，产生一定量的SDF。例如，熊俐等[73]确定了绿色木霉发酵改性桂圆壳的最适温度为 50 ℃；Rodríguez 等[76]采用酿酒酵母固态发酵苹果渣的最优温度为29.5 ℃；牛广财等[42]优化了乳酸菌发酵改性沙果渣的工艺，得出乳酸菌的最佳发酵温度为40 ℃；而司方等[77]发现，发酵温度超过绿色木霉的适宜生长繁殖温度（50 ℃）后，SDF的产率依旧增加，阐释了菌种的最适生长温度并不一定是最优的改性温度。

2.3.6 发酵时间 时间也是影响微生物发酵改性DF的因素之一。发酵过程中菌群种类的选择不同，整个发酵过程所需要的时间也有所差异[78]。发酵初期，SDF转化率极低，随着发酵时间的延长，菌株大量繁殖，分泌出的纤维素酶量增加，加快了IDF向SDF的转化，SDF转化率增加至最大，随着发酵时间的继续延长，原料中的营养成分逐渐减少，次级代谢产物与有害物质逐渐增加，基质中代谢产物过多，菌株生长繁殖速度下降，产酶量下降，并消耗了一定含量的SDF，SDF转化率整体下降。例如，王宏勋等[79]利用药用真菌发酵葛根所需的最佳时间为30 h；绿色木霉发酵改性桂圆壳的的最佳时间为58 h[69]。

3 微生物发酵改性膳食纤维的应用

微生物发酵改性后的DF中SDF含量较高，这些高含量的SDF赋予了微生物发酵改性DF较高的应用价值，使其在食品、医药方面具有广泛的应用，在包装材料方面有很大的发展潜力。

3.1 食品方面的应用

由于SDF具有持水力强、粘性小和低pH下稳定[80-82]等特点，经过微生物发酵改性的DF会展现出SDF的特性，适量地添加发酵改性DF可赋予食品较好的感官和功能性质；微生物发酵改性后的DF安全性高，人体食用了富含DF的食物后，心血管疾病、各种癌症和2型糖尿病的发病风险大大降低，故改性后DF在食品方面的应用很广泛。当改性后DF应用于无脂及低脂的食品体系，能防止低脂食品脱水收缩，有利于产品口感和质地的改善[83]，在酸奶、牛奶、糖果、水果馅料和饮料等低脂及无脂产品中具有较大的应用潜力。当DF与益生菌混合培养后，不仅改性后DF的抗氧化性、酚类结合力有所增加，还提高了益生菌的热稳定性和耐胃消化能力，可作为益生菌的良好载体，添加到各类发酵产品中[84]。例如Hashim等[85]在牛奶中添加3%大枣DF，经过乳酸菌发酵后，酸奶的质地和色泽增加，酸度降低；同样，Jelena等[86]在牛奶中添加了1.5%的小黑麦IDF，经过乳酸菌发酵后，酸奶的脱水度、粘度、触变性和屈服应力等得到了极大的改善。高脂高糖食品体系中，改性后DF可以作为食品乳化剂，增加水相和油相的有效混合，利于高脂高糖食品质地和口感的改善，同时，加热过程可促使改性DF与脂肪酸发生美拉德反应，重新赋予产品独特的风味和色泽，利于产品整体品质的提高[87]。例如，Somaie等[88]在塔夫顿面包中添加15%的酵母菌改性的麦麸DF，发现面包的货架期延长，且滋味、风味和整体接受度均有所改善；Li等[89]研究发现添加了0.5%发酵麦麸DF的曲奇具有更酥脆的口感。改性后DF添加到液体饮料中，可作为食品乳化稳定剂和增稠剂，能提高饮料的稳定性、分散性，避免饮料分层现象出现[90]。

3.2 医药保健方面的应用

微生物发酵改性的DF生物活性较强，具有降固醇、缓解便秘、预防结肠癌和治疗糖尿病等功效，在医药保健方面具有广泛的应用。例如，Lin等[91]研究了黑曲霉和粗糙脉孢菌混合菌发酵改性豆腐渣DF的降血脂效果发现，改性后的DF能显著降低小鼠血清总胆固醇、低密度脂蛋白胆固醇、甘油三酯和动脉粥样硬化指数，对高胆固醇小鼠的高脂血症具有重要的预防作用；司方[77]研究发现绿色木霉发酵改性的大豆渣DF不仅具有较高的持水性、溶胀性，更具有较好的益生元特性，能够促使双歧杆菌的大量增殖，在结肠癌和糖尿病预防方面具有较好的疗效。目前，医药保健市场DF产品多以咀嚼片、泡腾片或冲剂的形式出现，主要涉及减肥和缓解便秘的功能应用[92]；其中，减肥方面，安利纽莱来的果蔬纤维素片是DF减肥产品市场推广最为成功的案例之一，且市场上减肥代餐粉、减肥泡腾片等天然减肥产品的主要天然成分也为DF[93-95]；便秘的治疗方面，不少公司和个人也开发出了能够治疗便秘的DF产品[96-97]。除此之外，凭借较强的化学结构稳定性和多酚结合能力，DF是结肠靶向多酚较好的输送系统，由于微生物改性后DF的持水性增强，多酚-改性DF胶囊的生物吸收率增强，多酚增效[98]。

3.3 可生物降解包装方面

由于DF安全性和稳定性好，适合与食品或药品直接接触，当DF与其它成膜成分如甘油、淀粉、糊精混合成膜后，生成的膜不仅阻水性能和柔韧性良好，且具有一定的抗紫外线性和生物降解性，能够满足可生物降解包装的要求[99-101]，DF生物可降解包装纸的研究已经成为了人们研究的热点之一。但由于微生物发酵改性DF技术目前尚不成熟，因此在可生物降解包装方面的应用尚未涉略，现下用于可食包装方面的改性SDF多为化学改性或酶法改性，如Wang等[102]通过比较胶体磨、低压均质和高压均质等三种方法改性的金针菇IDF的成膜性质，发现高压均质金针菇IDF的成模热稳定性，颜色和透明度更好；Song等[103]采用碱法提取膳食纤维制备了一种食用水果蔬菜膳食纤维纸; Himanshu等[104]将稻壳和甘蔗渣羧甲基化后，制成一种可生物降解的薄膜，该薄膜就有较大的拉伸强度和伸长率，能用于食品可降解包装；Zhao等[105]将碱改性的榴莲皮DF置于氯化锂/N，N二甲基乙酰胺中再生出DF膜，该膜不仅外观良好、表面光滑、透明性好，还具有较高的硬度和拉伸强度，且4周内在土壤中100%降解。

4 展望

凭借绿色安全、低廉、有效的特点，新型发酵技术应用价值的探索越发得到了人们的青睐。随着发酵技术在食品保鲜加工方面的应用，作为植源性食物重要组成的DF，发酵技术保鲜加工食品过程中DF性质的变化日益成为了研究的热点之一，DF发酵改性及其应用研究也因此取得了较大的进展，但相对于其它DF的改性方法，仍处于起步阶段，大量的问题有待解决，例如，发酵过程中DF与食物其他成分的结合状态变化、DF与发酵菌群的相互关系、发酵改性前后DF应用性能的变化机理、DF发酵过程中的构效变化等均不明确，制约了发酵DF的工业化生产和应用。另外，利用纳米技术和发酵技术联合改性DF，实现其高活性的工业化生产，势必是DF改性研究的重要方向。