不同膳食纤维改性技术研究进展

王 强，赵 欣

(重庆第二师范学院食品安全与营养研究所，生物与化学工程系，重庆400067)

膳食纤维(DF)被认为是不能在小肠内消化吸收，且聚合度大于3 的碳水化合物的统称，其不仅存在于天然食物中，还可以经物理、酶或化学法处理食物原料后获得。已有研究证实［1-3］，膳食纤维具有降低胃肠通过时间、增加粪便量、降低血总胆固醇、降低餐后血糖等功效。膳食纤维以在水中的溶解性分为水溶性膳食纤维(SDF)与非水溶性膳食纤维(IDF)。其中IDF 对肠道蠕动，缓解便秘，减少肥胖等起到重要作用，而SDF 可对碳水化合物及脂类代谢产生显著影响，同时还具备吸附重金属离子及胆固醇等功能。尽管SDF 在膳食纤维中所占比例较高，然而许多天然膳食纤维中SDF 含量仅为3% ～4%，无法达到高品质膳食纤维(SDF≥10%)的要求，其调节血糖、血脂等功能受到一定的限制［4-5］。如何采用一定的化学或物理手段使DF 中的大分子组分连接键断裂变为小分子物质，从而疏松其致密的网状结构，使IDF 向SDF 转化，增加SDF 含量，进一步提高其理化性质及生理活性成为目前膳食纤维改性研究的热点。本文结合近年来国内外相关研究结论，就膳食纤维的改性技术研究进行论述，旨在为相关领域研究者提供理论参考。目前文献报道的膳食纤维改性方法主要有:以酸法、碱法为主的化学方法;以酶法、发酵法为主的生物技术方法及物理方法(超微粉碎技术、挤压技术、超高压技术等)，同时也可运用以上多种方法进行联合处理，从而达到提高SDF 的目的。

1 化学方法

化学处理方法是指通过某种方式，使纤维类大分子不同程度的转化为多糖(非消化性)，从而使得其聚合度大幅下降，在适当的反应条件如pH、时间及温度下，断裂其中的糖苷键，使之产生具有还原性的末端。

有研究证实［6-7］，酸碱处理可有效影响膳食纤维中SDF 含量，样品经碱处理后，SDF 的含量大幅上升，同时SDF 值的高低与pH 呈显著正相关关系，而在酸处理过程中发现SDF 值与pH 呈负相关，即随着pH 减少可溶膳食纤维含量越多。赵国华［8］等在研究羧甲基化对豆渣膳食纤维的影响时发现，当取代度达到0.9，其样品中SDF 含量可达25.03%。经该技术处理后，发现豆渣膳食纤维的理化指标(如持水力、结合水力、粘度、阳离子交换能力)均有显著提高，这些指标的变化在不同程度上可提高豆渣中可溶性膳食纤维的含量。Elleuch 等［9］在对甜菜膳食纤维进行改性研究中发现，采用乙醇为醚化介质，分两次添加碱液，可得到高得率、高粘度的改性膳食纤维，处理后的膳食纤维占甜菜废粕重量比例高达36.51%，显著的高于传统方法。因此，化学法处理通过分子结构单元的变化从而有效提高膳食纤维中SDF 含量，改善膳食纤维的理化和生理功能。

化学处理可较简单的提高SDF 含量，但SDF 转化的效率通常受到反应时间及条件的制约，并不能满足大规模生产的需要，而且化学基团的引入也给食品中利用此类SDF 带来较大风险。因此，化学法在食品基膳食纤维原料改性方面并不占有优势，可更多考虑运用于包装材料的使用。

2 生物技术方法

2.1 酶法

酶法是近年来国内处理膳食纤维改性的新方法，由于其具有作用条件温和、专一性强、产品色泽变化小、反应时间较短、副产物较少、纯度高等优点，被认为是一种较有潜力的改性方法。目前主要应用于膳食纤维改性的酶主要有木聚糖酶、纤维素酶和木质素氧化酶等。黄茂坤［10］研究香菇丙改性膳食纤维时发现，在纤维素酶添加量为0.9%，酶解温度50℃，酶解时间4.5h，pH5.5，液料比4∶1 的最佳条件下，测出SDF 溶出量为10.11g/100g。姚文华［11］等采用纤维素酶制备枣渣膳食纤维时发现，最佳工艺条件为:酶用量0.7%，温度35℃，酶解时间2h，SDF 含量可提高28%，且制得样品的持水性和膨胀性均比以前较好。侯传伟［12］等在采用木聚糖酶和纤维素酶组合酶解制备玉米皮水溶性膳食纤维时发现，纤维素酶和木聚糖酶添加量分别为40mg/g 底物，料液比1∶14(g/mL)，酶解时间90min 的条件下，得到SDF 为5.96%。胡叶碧［13］在研究玉米皮膳食纤维改性时发现，用40IU/g 木聚糖酶处理4h 后再用4IU/g 纤维素酶处理2h 的改性效果与单独用一种酶处理的结果相比，明显优于后者，纤维素酶和木聚糖酶的协同作用可以显著提高SDF 的含量。Chau 等［14］认为DF 脂肪酶抑制活性与其OHC 有关，一方面，DF 吸附脂肪，防止脂肪酶与脂肪接触;另一方面，DF 中疏水基团也有可能吸附一定量脂肪酶或影响脂肪酶结构，从而影响其活性。由此可见，酶法处理可缩短膳食纤维改性时间并扩大改性膳食纤维种类，由于其专一性的特点，其作用效率优势明显。

2.2 微生物发酵法

发酵法是利用微生物长时间的发酵，菌种发酵产生的有机酸类代谢产物逐渐累积，从而给膳食纤维营造了一个酸性微环境，酸性条件下提供的质子能够使纤维素的糖苷键断裂，产生新的还原性末端，将膳食纤维的大分子组分分解成小分子化合物，进而使可溶性膳食纤维的含量不断增加，从而提高膳食纤维的品质。在微生物发酵中，常用的微生物主要是乳酸菌，还有一些其它的混合菌群。

林德荣［15］等在采用乳酸菌混合发酵时，对大豆纤维进行改性处理，发现SDF 含量随时间的累加而增加，在发酵1d 后，SDF 值由初始发酵的16.4%提高到21.93%，到达第6d，上升到31.49%，而发酵6d 后的值则维持一个比较稳定的水平，即发酵对膳食纤维的改性达到了一个平稳期。李安平［16］等采用响应曲面分析方法得到乳酸发酵对竹笋膳食纤维改性的最佳条件为:接种量2.9%、发酵温度40.9℃、发酵时间23h，在该条件下改性后膳食纤维的持水力高达9.19g/g。涂宗财［17］等研究了利用自制混合菌曲制备高活性大豆膳食纤维的工艺，处理后SDF 量由4.23%提高到13.13%，且持水力和吸水性增强，并且发酵除去了豆渣的豆腥味和苦涩味，且赋予了豆渣特殊的香味。这些研究均表明，膳食纤维大分子的降解用微生物处理较为理想，同时，微生物的代谢过程也会产生一些代谢产物，可以促进人体的消化吸收，并赋予制品某些独特的风味，提高制品的口感。无论是微生物法还是酶法，膳食纤维的改性效果均大为提高，但是由于酶法的制取成本以及优势微生物的选育培养是制约生物法改性的最大障碍，因此生物法改性尚有较大的研究空间。

3 物理方法

3.1 挤压膨化法

挤压膨化法是指膳食纤维经高温、高压及剪切力作用，导致分子间和分子内空间结构发生变形，在挤压设备出口的瞬间失去压力，从而造成膳食纤维结构发生变化，由于压力的突然下降，水蒸汽迅速膨胀和散失，使产品形成多孔结构，使得部分大分子不溶性膳食纤维(IDF)组分的连接键断裂，转变为小分子的可溶性膳食纤维(SDF)，从而提高SDF［18-19］。Larrea 等［20］将采用挤压膨化方法处理橘皮渣，测定其可溶性膳食纤维含量提高了原料的80%;Perez 等［21］对以1∶1 质量比混合后的玉米粉和绿豆粉进行挤压膨化处理后发现，其可溶性膳食纤维由原料的1.06%提高到7.94%。Gajula 等［22］以小麦粉为原料，经挤压膨化处理后，可溶性膳食纤维由1.5%增加到2.4%。Valencia 等［23］对印第安土著粮食进行挤压膨化处理，测得可溶性膳食纤维含量由原来的2.5%提高到3.1%。Vasanthan 等［24］优化大麦(Phoenix 和CDC-Candle)膳食纤维的挤压改性工艺时发现:CDC-Candle 大麦和Phoenix 大麦分别在140℃(50%含水量)和90℃(50%含水量)条件下进行挤压处理，其可溶性成分分别由挤压前的5.6%增加到7.24%，2.4% 增 加 到 3.8%。Berrios 等［25］研 究 显 示，在160℃，水分含量17%，螺杆转速500r/min 条件下对干豌豆进行挤压处理，其可溶性膳食纤维含量由0.65%增加到2.9%。从目前有关研究报道来看，挤压膨化法可处理多种原料来源的膳食纤维，且经挤压膨胀后的可溶性膳食纤维的含量和质量都有显著提高。

3.2 超微粉碎法

超微粉碎技术通常是指将物料颗粒粉碎至粒径在100μm 以下的一种粉碎技术，是一门新兴技术。粉碎后颗粒粒径的大小决定了超微粉碎的等级，共分为微米级粉碎(1 ～100μm)、亚微米级粉碎(0.1 ～1μm)和纳米级粉碎(0.001 ～0.1μm，即1 ～100nm)。目前在天然植物资源开发领域中，所应用的超微粉碎技术一般以微米级粉碎为主，不仅可对细胞壁进行破坏，使颗粒微细化，而且会进一步增加膳食纤维物料比表面积和孔隙率，增加其溶解性和接触面，并赋予了产品细腻的口感［26-27］。蓝海军［28］等比较了大豆膳食纤维经微射流作用后湿法超微粉碎和经研磨式干法超微粉碎后的改性效果，结果表明湿法超微粉碎与干法超微粉碎相比，显著提高其膨胀力、持水力，且分别提高26%和8%。此外，经超微粉碎后的小麦胚芽膳食纤维和脱脂米糠膳食纤维，膨胀力、持水力、持油力和膨胀力等性质均显著增加，阳离子交换能力显著降低，且由于部分半纤维素转化为水溶物，增大了其在水中的溶解性［［29-30］。

3.3 超高压技术

食品高压处理通常是用100MPa 以上(一般100～1000MPa)的压力，在常温或较低温度(一般低于100℃)下，作用于包装或无包装的液体及固体食品，从而达到灭菌、物料改性及改变食品某些理化反应速率的作用［31］。该技术方式为纯物理过程，对物料进行瞬间压缩、作用均匀，且操作安全、能耗低，处理过程无任何化学变化反应产生，有利于保持食品色香味形及生态环境等。

目前越来越多的人开始研究并使用该项技术，如Mateos-Aparicio 等人利用高流体静压处理豆渣DF 后发现SDF 含量显著增加，并且与压力呈显著正相关［32］。而Tu 等人则以高压均质技术研究了改性豆渣中SDF 含量的变化，发现改性后SDF 含量可提高10% ～28%，其含量随处理压力升高而增加［33］;Yang［34］等运用高流体静压处理龙眼，发现水溶性膳食纤维提高3%，而木质素含量无变化;Wennberg等［35］利用高流体静压技术对白菜中膳食纤维进行了研究，发现经高温高压处理后对白菜中SDF 含量影响很小，温度与压力和溶解性却呈显著负相关;李凤［36-37］等采用高流体静压处理大豆和小麦膳食纤维，处理后的膳食纤维持水力和膨胀率均有较大幅度提高，结论推测膳食纤维持水力的提高可能与结构改变引起的亲水基团外露和组织疏松引起的组织滞留水分能力增强有关，而膨胀率的提高与空间网状结构的完整性和良好支撑作用有关。

4 联合处理技术

无论是化学法，还是物理法，单一处理方法均各有利弊，因此多种方法的联合应用可避免单一方法的缺陷，协同作用更加明显。例如，与单纯挤压改性方法相比，挤压与其他技术手段的联用能更有效的分散和降解膳食纤维的聚团结构，从而大幅提高水溶性膳食纤维的含量。

目前诸多研究结果表明利用混合技术改性能可取得良好效果。李凤凤［38］采用碱浸-湿法超微粉碎联合法对啤酒糟IDF 进行改性，发现IDF 中SDF 含量能够提高到5.61%，而持水力和膨胀力均比以前有了显著提高。涂宗财［39］等认为，对豆渣膳食纤维进行发酵法改性和超高压匀质法改性可分别提高SDF 含量15%和35%，将两种方法结合后，SDF 含量最高可达到37%以上。此外，在膳食纤维进行挤压改性处理时加入柠檬酸与碳酸氢钠等碱液，改性后样品中SDF 含量显著增加，与直接挤压改性相比，其持水性得到明显提高［40-41］。综合相关研究不难发现，联合技术的运用使得膳食纤维无论在改性的数量还是质量上均有较为明显的优势，这体现在联合处理可有效弥补单一处理方法的缺陷，而且协同处理可较大程度上降低膳食纤维的改性难度，降低改性的成本，有利于改性膳食纤维的应用。

5 结语

随着社会“文明病”发病率的不断上升，消费者对具有功能性膳食纤维的需求更加迫切。由于膳食纤维中不溶性膳食纤维和可溶性膳食纤维各自的生理功能不同，如何通过多种途径提高膳食纤维中SDF含量，使其发挥更大的生理功效，已成为相关领域专家和学者研究的热点问题。我国膳食纤维资源较为丰富，应当充分利用该资源优势，大力开展膳食纤维改性技术研究，该技术的研究不仅可以满足市场化需求，而且会对国民营养健康产生深远的影响。

［1］中国营养学会营养与保健食品分会.膳食纤维的定义、方法和能量值研讨会论文［J］.第三届营养与保健品专业会议，2005:138-141.

［2］Mckee L H，Latner T A.Underutilized sources of dietary fiber［J］.Plant Foods for Human Nutrition，2000，55(4):285-304.

［3］韩东平，刘玉环，李瑞贞，等.提高豆渣膳食纤维活性改性研究［J］.食品科学，2008，29(8):670-672.

［4］Richard E A，Domal D L J.Pasaterl balanced fiber composition［P］.E N Patent，1989，4877:627.

［5］郑建仙.功能性食品［M］.北京:中国轻工业出版社，1999:50-65.

［6］Sudha ML，Baskaran V，Leelavathi K.Apple pomace as a source of dietary fiber and polyphenols and its effect on the rheological characteristics and cake making［J］.Food Chemistry，2007，104:686-692.

［7］陈存社，董银卯，赵华.苹果膳食纤维改性实验研究［J］.食品工业科技，2003，24(6):34-35.

［8］赵国华，曾凯红，阚健全.羧甲基豆渣膳食纤维的制备及其性能研究［J］.食品与发酵工业，2003，29(7):88-90.

［9］Mohamed E，Dorothea B，Olivier R，et al.Dietary fibre and fibre- rich by- products of food processing:Characterisation，technological functionality and commercial applications:A review［J］.Food Chemistry，2011，124:411-421.

［10］黄茂坤.香菇柄膳食纤维的改性及仿真素食品的研制［D］.福州:福建农林大学，2008:4.

［11］姚文华，胡玉宏.酶法制备枣渣膳食纤维与应用的研究［J］.食品科学，2007，28(1):139-142.

［12］侯传伟，魏书信，王安建.双酶改性制备玉米皮水溶性膳食纤维的工艺研究［J］.食品科学，2009，30(22):119-121.

［13］胡叶碧，王璋.纤维素酶和木聚糖酶对玉米皮膳食纤维组成和功能特性的影响［J］.食品工业科技，2006，27(11):103-105.

［14］Chau C F，Wang Y T，Wen Y L.Different micronization methods significantly improve the functionality of carrot insoluble fibre［J］.Food Chemistry，2007，100:1402-1407.

［15］林德荣，涂宗财，阮榕生.提高大豆膳食纤维中可溶性成分的方法［J］.粮油加工，2008，33(5):39-41.

［16］李安平，谢碧霞，种秋平.响应面分析法优化竹笋膳食纤维乳酸发酵改性条件研究［J］.食品工业科技，2009，30(6):193-195.

［17］涂宗财，李金林.微生物发酵法研制高活性大豆膳食纤维的研究［J］.食品工业科技，2005，26(5):49-50.

［18］王岸娜，朱海兰，吴立根，等.膳食纤维的功能、改性及应用［J］.河南工业大学学报:自然科学版，2009，30(2):89-94.

［19］李世敏.功能食品加工技术［M］.北京:中国轻工业出版社，2003.

［20］Larrea M A，Chang Y K，Bustos F M. Effect of some operational extrusion parameters on the constituents of orange pulp［J］.Food Chemistry，2005，89(2):301-308.

［21］Perez N C，Gonzalez R，Chel G L，et al.Effect of extrusion on nutritional quality of maize and Lima bean flour blends［J］.Journal of the Science of Food and Agriculture，2006，14(86):2477-2484.

［22］Gajula H，Alavi S，Adhikari K，et al.Precooked branenriched wheat flour using extrusion:dietary fiber profile and sensory characteristics［J］. Journal of the Science of Food Science，2008，73(4):173-179.

［23］Repo-Carrasco-Valencia R，Peña J，Kallio H，et al.Dietary fiber and other functional components in two varieties of crude and extruded kiwicha［J］.Journal of Cereal Science，2009，49(2):219-224.

［24］Thava V，Jiang G S，Judy Y，et al.Dietary fiber profile of barley flour as affected by extrusion cooking［J］.Food Chemistry，2002，77(1):35-40.

［25］Berrios J D，Morales P，Cámara M，et al.Carbohydrate composition of raw and extruded pulse flours［J］.Food Research International，2010，43(2):531-536.

［26］Chi-Fai Chau，Yu-Ling Wen，Yi-Ting Wang.Effects of micronization on the characteristics and physic - chemical properties of insoluble fibers［J］.Journal of the Science of Food and Agriculture.2006:2380-2386.

［27］Chi-Fai Chau，Yi-Ting Wang，Yu-Ling Wen.Different micronization methods significantly improve the functionality of carrot insoluble fiber［J］.Food Chemistry，2007:1402-1408.

［28］蓝海军，刘成梅，涂宗财，等.大豆膳食纤维的湿法超微粉碎与干法超微粉碎比较研究［J］.食品科学，2007，28(6):171-174.

［29］陈存社，刘玉峰.超微粉碎对小麦胚芽膳食纤维物化性质的影响［J］.食品科技，2004(9):88-94.

［30］李伦，张晖，王兴国，等.超微粉碎对脱脂米糠膳食纤维理化特性及组成成分的影响［J］.中国油脂，2009，34(2):56-59.

［31］令博，吴洪斌，明建，等.高压技术在膳食纤维改性中的应用［J］.食品科学，2010，31(15):312-316.

［32］Mateos- aparicio I，Mateos- peinado C，Rupérez P.High hydrostatic pressure improves the functionalit y of dietary fibrer in okara by-product from soybean［J］.Innovative Food Science and Emerging Technologies，2010，4(4):1-6.

［33］Zongcai Tu，Jinglin Li，RuanRoger，et al. Process for increasing soluble dietary fiber content of soybean meals［J］.Transaction of the CSAE，2007，23(5):246-249.

［34］Yang Bao，Jiang Yueming，Wang Rui，et al.Ultra- high pressure treatment effects On poly saccharides and lignins of longan fruit pericarp［J］.Food Chemistry，2009，112 (2):428-431.

［35］Wennberg M，Nyman M.On the possibility of using high pressure treatment to modify physico - chemical properties of dietary fiber in white cabbage［J］.Innovative Food Science and Emerging Technologies，2004，5(2):171-177.

［36］李凤.UHP 处理对小麦膳食纤维的改性研究［J］.食品科学，2007，28(9):96-98.

［37］李凤.超高压处理对大豆膳食纤维的改性［J］.大豆科学，2008，27(1):142-144.

［38］李凤凤.啤酒糟膳食纤维的提取及不可溶膳食纤维的改性研究［D］.吉林:吉林大学，2006.

［39］涂宗财，李金林.利用豆渣生产高活性膳食纤维的研究［J］.食品科学，2006，27(7):144-147.

［40］陈雪峰，吴丽萍，刘爱香.挤压改性对苹果膳食纤维物理化学性质的影响［J］.食品与发酵工业，2005，31(12):56-60.

［41］Lee S Y，Chen H，Milford A，et al. Preparation and characterization of tapioca starch-poly(lactic acid)nanocomposite foams by melt intercalation based on clay type［J］.Industrial Crops and Products，2008，28:95-106.