酶法提取可溶性膳食纤维的研究进展

2022-09-08 05:51史志瑛
现代食品 2022年15期
关键词:酶法化学法溶性

◎ 史志瑛

(阳高县疾病预防控制中心,山西 阳高 038100)

蛋白质、碳水化合物、脂肪、维生素、矿物质和水是人们维持生命和健康所需的六大营养素。随着人们生活水平的提高,动物性食物消费量增加,谷类、根茎类的消费量下降,同时食品加工精度不断提高,导致人们所摄入的食物中,粗纤维的含量越来越少,现代“文明病”诸如心脑血管疾病、糖尿病、便秘和肥胖症等,威胁着现代人的身体健康。

膳食纤维是一类特殊的碳水化合物,它虽然不能被人体消化道酶分解,但因为有着重要的生理功能,也成为人体不可缺少的物质,被称为人类的“第七大营养素”。中国营养学会《营养术语》定义膳食纤维(Dietary Fiber,DF)为植物性食物中含有的不能被人体小肠消化吸收的,在大肠可全部或部分发酵的,对人体有健康意义的碳水化合物,包括多糖、低聚糖、木质素,或与之相缔合的植物成分,具有促进健康的生理学特性[1]。研究表明膳食纤维具有降糖、降脂、降血液胆固醇、调节血压、调节肠道菌群、减肥以及提高免疫力等生理功能[2]。

随着学者对膳食纤维的不断研究,发现与膳食纤维主要来自于植物的细胞壁,包含纤维素、半纤维素、树胶、果胶及木质素等。其中木质素、纤维素和半纤维素为不溶性膳食纤维(Insoluble Dietary Fiber,IDF)组分,果胶和部分半纤维素属于可溶性膳食纤维(Soluble Dietary Fiber,SDF)组分。据研究可知,不溶性膳食纤维吸收液体,在消化道膨胀,加快食物在消化道移动,但却不参加人体的血液和体液循环,不能被大肠中微生物酵解,而可溶性膳食纤维溶于液体,参与循环,并能被酵解,在循环过程中吸附和净化血液和身体各部分器官,是维持健康水平的有效工具,所以可溶性膳食纤维更加弥足珍贵[3]。

《中国居民膳食营养素参考摄入量》中推荐每天摄取膳食纤维25 ~35 g[4],而通常天然纤维中可溶性膳食纤维的含量仅为3%~5%[5]。资源的浪费及膳食纤维摄入的需求,彰显研究提取膳食纤维的必要。目前提取可溶性膳食纤维的常用方法主要有酶法、发酵法、物理法(如超声波法、挤压膨化法、高压均质法)和化学法(如酸、碱处理)。其中,酶法具有反应条件温和、绿色、环保、高效等优点,符合环境友好型社会的主题,所以成为提取可溶性膳食纤维研究的首选方向。

1 酶处理对膳食纤维结构的影响

膳食纤维的结构决定了溶解性的强弱。纤维素、木质素和半纤维素是不溶性膳食纤维的致密结构。其中,纤维素位于结构的内部,半纤维素贯穿在纤维素长链,木质素在纤维素与半纤维素外侧,进一步促使不溶性膳食纤维结构紧密,抑制水分和其他酶渗入,最终呈现低溶解性。研究表明,酶处理能破坏不溶性膳食纤维的紧密结构和交联结构,使其粒径变小、质地松散,释放内部可溶性小分子,还可以定向切割不溶性膳食纤维糖苷键瓦解致密结构,促使亲水性官能团暴露,这些空间结构的改变易于与水分子形成氢键而高度可溶,实现不溶性膳食纤维向可溶性膳食纤维的结构转变,提高其溶解性[6-7]。

2 酶处理对SDF 含量的影响

目前,相关研究中常见的可溶性膳食纤维的提取方法有酶法、复合酶法、高温-复合酶法、酶-超声联合法和酶-化学法,详见表1。

表1 可溶性膳食纤维的提取方法表

续表1

2.1 酶法

李蕴等[8]用纤维素酶提取黑豆中的可溶性膳食纤维,提取率在酶添加量为1.8%后,趋于稳定,在2.2%时达到最高,在最佳条件下的可溶性膳食纤维得率为38.40%。杭瑜瑜等[9]用酶法(纤维素酶)提取百香果皮中的可溶性膳食纤维的提取率为27.78%。当纤维素酶的添加量小于1.1%时,可溶性膳食纤维提取率上升较为迅速,当酶量大于1.1%时,可溶性膳食纤维的提取率增长缓慢。

2.2 复合酶法

为进一步提高提取率,刘雨萌等[10]研究用复合酶(纤维素∶半纤维素酶∶α-淀粉酶=20 ∶5 ∶1)提取褐藻中的可溶性膳食纤维,发现在酶添加量为0.5%~2.0%,提取率随添加量的增加而上升,当酶添加量超过2.0%,提取率开始下降。在最佳条件下,褐藻可溶性膳食纤维提取率为38.15%。万仁口等[11]利用α-淀粉酶、糖化酶和胰酶,在最佳条件下对竹笋可溶性膳食纤维的提取率由原料中的5.53%提升为10%。张云等[12]提取大蒜中的可溶性膳食纤维。结果发现在纤维素酶添加量为1.6%时,可溶性膳食纤维得率最多为29.5%;在木瓜蛋白酶添加量为2.2%时,得率最高,为28.8%;在最佳条件下,使用复合酶时,可溶性膳食纤维的提取率高达32.06%。在复合酶酶解过程中,膳食纤维分子内的氢键、次级键逐渐断裂,断裂后的氢键与次级键更容易与水分子结合,使得膳食纤维的水溶性增加,但随着酶解时间的过度延长,部分可溶性膳食纤维聚合度降低,不能被无水乙醇沉淀,导致得率逐渐降低。

2.3 高温-复合酶法

高温高压蒸煮具有使木质素熔化、半纤维和纤维素分子断裂、降解的特性。为了缩短酶解时间,使产品可溶性膳食纤维提取率提升,丁彩云等[13]使用高温复合酶法(木聚糖酶∶纤维素酶=2 ∶1)对小米糠的可溶性膳食纤维提取率最大达到17.27%,比只使用高温方法提高了6.48%。张向辉等[14]用此法提取绿豆皮中的可溶性膳食纤维,在最佳的高温蒸煮条件下,可溶性膳食纤维得率为10.29%,再加入复合酶(木聚糖酶0.75%、纤维素酶1.5%)后,得率提升至20.12%。孙静等[15]在高温蒸煮结合酶解法对枣渣进行提取,在最佳高温蒸煮条件下的可溶性膳食纤维提取率为14.12%,再加入0.55%纤维素酶后,提取率提升到20%。不溶性膳食纤维处于高温高压环境下,只能使部分氢键断裂,同时酶解可进一步减弱多糖链的分子内作用,使结构更松散,水分子更容易进入,并释放部分可溶性成分,从而使可溶性膳食纤维溶出增多。但蒸煮时间过长会破坏结晶区中的氢键,可溶性膳食纤维结构破坏,醇沉时亦难以析出。

2.4 酶-超声联合法

为了避免高温蒸煮容易破坏可溶性膳食纤维结构的弊端,近年有研究利用物理手段——超声波破碎技术代替,超声可以使IDF 中致密的结构变疏松,由不溶的大分子物质变成可溶的小分子物质,以提高可溶性膳食纤维提取率。国内关于超声波的研究一直保持活跃,但与国际相比还存在很大差距[6]。

阮之阳等[16]对比了酶法、超声法和酶-超声联合法提取剑麻渣、辣木茎中的可溶性膳食纤维,结果表明酶法中可溶性膳食纤维的提取率为12.9%,超声法9.4%,酶-超声联合法为20.1%,远高于单一的处理方法。朱广成等[17]用超声辅助酶法提取绿芦笋中的可溶性膳食纤维,未加酶时可溶性膳食纤维得率为5%,加酶最高得率为7.135%,而超声辅助酶法则为8.81%。

超声波破碎技术是将电能转换为声能,这种能量通过液体介质而变成一个密集的小气泡,这些小气泡迅速炸裂,从而起到破碎细胞,提高可溶性膳食纤维得率,缩短提取时间,提高工作效率的目的。超声时间过短或过长都会降低可溶性膳食纤维含量,这是因为时间过短超声波产生的冲击力并没有破坏所有的细胞壁,可溶性膳食纤维未完全释放出来,而超声时间过长则会降解可溶性膳食纤维,综合二者考虑,超声辅助酶法是优于单一的酶处理法,并且无化学物质残留[16]。

2.5 酶-化学法

化学法是利用强酸强碱使糖苷键断裂产生新的还原性末端来降低IDF 的聚合度,酶-化学联合法可以使胶联结构进一步降解[16]。曹新志等[18]用酶碱法提取麸皮中的可溶性膳食纤维,结果表明,用酶法提取,可溶性膳食纤维得率为46%,酶-碱法则提高到72%。吴丽萍等[19]采用酶-碱结合法对春笋可溶性膳食纤维进行改性。结果显示,用0.5%α-淀粉酶酶解时,可溶性膳食纤维提取率为5.8%,再经0.4%木聚糖酶酶解后,提取率为7.4%,再加0.06%的NaOH 溶液碱解后达12.70%。朱宣宣等[20]对麦麸用1.2%的 α-淀粉酶和0.12%的木瓜蛋白酶酶解,再用1 mol·L-1的HCl 酸解后,加1.5%的纤维素酶再次酶解,结果显示原麦麸中可溶性膳食纤维约3.29%,经酶-化学法后提高至21.39%,显著提高了麦麸中可溶性膳食纤维的含量。化学改性在一定程度上可以改善可溶性膳食纤维的结构,但是存在许多弊端。例如,产品色泽差不易漂白、对容器腐蚀严重、反应复杂、污染环境以及残留可能给人体带来安全隐患等。

3 结语与展望

酶处理膳食纤维是一种公认的高效、高利用率、便捷、绿色无污染的提取可溶性膳食纤维的方法。虽然单一酶法改性具有反应条件温和、专一性强、对设备要求低且环保等优点,但依然存在反应时间长、生产效率较低等问题。为此研究者摸索复合酶法、高温协助酶法、酶-化学法等改性方法,使DF 的紧密结构和胶联结构朝预期转变。目前研究主要集中于对不同底物来源的提取以及处理后对DF 的影响等,工艺还未形成标准,在食品与健康领域尚缺乏深入、系统研究。据文献数量看国内对此研究活跃性减弱,而国外则有逐年重视的趋势。

为改善膳食纤维理化性质,提高可溶性膳食纤维提取率,拓宽其应用领域,今后对酶及酶联合法处理膳食纤维理化性质与结构影响的研究应重点关注以下3 个方面。①膳食纤维经酶处理后,其理化性质如吸附性、抗氧化性、离子交换能力等在不同酶添加量、pH、温度等条件下的变化规律研究。②建立膳食纤维理化特性、结构与处理方法关系的数学模型,解析膳食纤维理化特性与构象间的关系。③加强膳食纤维在人与动物不同生长阶段的应用研究,探索最适的添加水平和营养配方,明确膳食纤维的在体功能及其作用机制,以期将酶法改性实现工业化。

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