柑橘纤维研究进展

孙哲浩，李巧玲，吕广，王等

1. 河北科技大学食品科学与工程系（石家庄 050091）；2. 河北兄弟伊兰食品科技股份有限公司（石家庄 050800）

纤维素是地球上最丰富、最古老的天然高分子，是重要的生物可降解和可再生的生物资源。纤维素来源于植物、动物和微生物。植物界中，一棵树1 d平均合成约13.7 g纤维，纤维素总量约21.6×1011～21.6×1012t。如果将所有的每天合成的纤维连接在一起，将覆盖2.62×1010km，相当于175倍太阳和地球的距离。纤维素可作为造纸、纺织和食品的功能性材料。

膳食纤维是纤维素的一种，是可被食用但不被人体消化吸收的植物性成分、碳水化合物及相类似物质的总称，包括多糖、寡糖、木质素及相关植物物质的总和。膳食纤维被人们称为除蛋白质、脂肪、糖类、维生素、水、无机盐这六大营养素之外的第七大营养素。

膳食纤维按来源分为植物性来源膳食纤维（纤维素、半纤维素、木质素、果胶）、海藻多糖类膳食纤维（海藻酸盐、卡拉胶）、动物性来源膳食纤维（甲壳素、壳聚糖、胶原蛋白）、微生物来源膳食纤维（真菌多糖、黄原胶）以及合成、半合成膳食纤维（葡聚糖）等，柑橘纤维属于植物来源的膳食纤维。

膳食纤维按溶解性分为水溶性纤维和水不溶性纤维，常见的水溶性纤维有菊粉、葡聚糖、抗性淀粉、抗性糊精、壳聚糖、燕麦β-葡聚糖、瓜尔胶、海藻酸钠、真菌多糖等。主要功能为调整代谢，降低血脂、胆固醇，预防心脏病等。常见的非水溶性纤维有纤维素、半纤维素和木质素，可增加食物通过消化道的速率，且可预防某些癌症的发生。主要功能为：吸收水分，预防便秘；促进肠胃蠕动，缩短食物在大肠内滞留时间，减少吸收有害物质。

膳食纤维的五大功能性特征为：具有较强的吸水功能和膨胀功能；改善肠道系统中微生物群落组成；吸附无机物；阳离子交换和吸附功能；粘结作用。膳食纤维在食品加工中常被作为增稠剂、膨胀剂、配方助剂和填充剂，用于保健食品、乳制品、饮料、婴幼儿食品、酱料等食品工业中。膳食纤维的摄入量男性推荐每天30～38 g，女性推荐21～25 g，另外建议30%的纤维来自可溶纤维[1-7]。

柑橘类属于芸香科，包含橘子、柑、青柠、柠檬、酸橙和柚子。Shafiya[8]综述柑橘皮的废物利用，可以从中提出多酚类化合物、黄酮及纤维，图1列明柑橘皮中所含营养素。

图1 柑橘的切面图

柑橘纤维也称柑橘粉，是一种从柑橘类原浆中提取的纯天然的功能性食品原料，具有良好的保水、保油、增稠、乳化及凝胶性能。柑橘纤维具有特殊的复合结构，是一种富含水溶性纤维和非水溶性纤维的复合物，水溶性纤维具有超强的吸水能力，非水溶性纤维具有强大的锁水功能，由于其较高的可溶膳食纤维含量而越来越受到人们的关注。Figuerola[9]研究发现经常性使用柑橘纤维可以减少许多慢性病的发生，如便秘、肥胖、糖尿病、高血脂、癌症以及降低血液中胆固醇和葡萄糖的含量。Wilbur[11]研究发现每百克柑橘类水果含4.0～4.4 g纤维；祝渊等[10]发现柠檬中的纤维含量要高于其他柑橘类型，一般果皮中含量高于果肉中的含量。表1为不同柑橘皮纤维含量。

表1 不同来源柑橘皮纤维含量[10-12]

1 柑橘纤维的分离提取及改性[13-14]

柑橘纤维的生产原料一般来源于柑橘类果汁工厂榨汁后的副产物，这些副产物过去只能当废物回到农田，对当地的生态环境造成一定的破坏，经过科学家的研究，其不仅可以从营养角度作为人类膳食纤维的补充，而且其经过一定的分离纯化后表现出一定功能特性，如保水性、增加稠度、凝胶性等食品所需的功能特性。

提取一般是将压榨果汁后的果皮渣经过干燥粉碎后作为原料进入纤维的加工工厂，经过一定分离、提纯、脱色等工艺，成为商品级的柑橘纤维，国内外有多家公司进行研发与生产，如国外的Fiber-star、Ceam、HerbalFood等，国内的乐檬。一般采用酸提醇沉工艺。柑橘纤维提取分离及纯化流程：柑橘皮渣→稀酸处理→固液分离→醇沉（乙醇或异丙醇+部分中性的钠钾盐）→过滤→纯化（浓缩、脱色）→干燥→粉碎→不同粒度的产品。提取前后的产品变化如图2所示，加工后产品变成一些具有海绵状的多孔结构。

图2 柑橘纤维加工前后的结构变化

在提取工艺中引入酶法、酶-化学结合法、微波提取等先进的提取方式，有助于改善产品的得率和特性[15]。膜过滤法的引入提高得率，且提高生产效率。Katleen[16]研究高压均质对于柑橘纤维黏弹特性和物理化学特性的影响，结果发现由于从柑橘皮中先进行果胶的提取，因此果胶在提取液中的残留量影响着柑橘纤维的黏弹特性，果胶围绕着细胞壁纤维的网络结构，部分果胶的提取并不能很大程度影响纤维的内部相互作用，高压均质破坏这种交互作用，使柑橘纤维的黏弹特性有所降低。Oguz[17]采用高压均质对于纤维的持水能力的改善进行研究。Clara[18]研究发现热风干燥结合微波干燥的方法生产的柑橘纤维在总纤维含量以及可溶纤维的含量上均高于单纯用热风干燥的。

柑橘纤维产品的改性是最近的研究热点。Fayin[19]研究微粉化对于柑橘纤维物理化学特性影响，研究发现气流粉碎较常规的机械粉碎使柑橘纤维的颗粒更加细小及均一，颗粒表面光滑，具有较高的流动性及Ca2+的交换能力，同时降低柑橘纤维的持水性、持油性以及膨胀能力。Redgwell[20]研究挤压膨化对于柑橘纤维物理化学特性的影响，研究发现挤压机械能达到400 kJ/kg时能够达到30%可溶纤维，而挤压机械能200 kJ/kg时可溶纤维比率仅8%～12%，经过挤压膨化的纤维表现出持水力的降低，这可能是由于挤压过程破坏了细胞壁的结构，不同的挤压强度也产生不同黏度的柑橘纤维产品，同时也产生不同相对分子质量的产品及单糖分子组成。Zhang[21]研究碱性过氧化氢及均质处理柑橘纤维后物理化学特性的影响，结果发现2种处理分别能增加柑橘纤维膨胀能力433%和276%，持水能力分别增加253%和197%。2种处理增加总膳食纤维含量和热稳定性，通过扫描电镜、核磁共振等研究，纤维的原始结构被破坏并形成多孔状的结构。

2 柑橘纤维的功能特性[22-27]

Brock[23]分析柑橘纤维的成分，经测定其成分如表2（柑橘纤维材料来源于Fiberstar）所示。柑橘纤维主要由碳水化合物组成，其中果胶、纤维素和半纤维素是主体，同时含有一部分蛋白质，这也就决定柑橘纤维作为食品配料成分的一些基础的功能特性。

表2 柑橘纤维的化学成分

2.1 持水能力与水膨胀性

持水能力反映了生物高分子在食物体系中对水分的保持能力。表3列出不同来源纤维的持水能力，可以看出柑橘纤维较其他纤维具有较高的持水能力。研究发现，可溶性纤维主要是吸收水分，而不溶性纤维保持住水分，这可能与其结构有关，可溶性纤维具有很多亲水基团，与水分子形成氢键，而不溶性纤维由于其纤维素结构未被破坏，其纤维固有的网络结构，具有较强的锁水能力。纤维在水中开始溶胀，吸水的过程需要一定的时间。由图3可以看出，5 min的吸水是必要的，直至完全的溶胀。pH也会影响到柑橘的持水能力，由pH 3升到pH 6，持水能力呈现上涨的趋势（图4）。Denis[24]也发现颗粒大的柑橘纤维比颗粒小的具有更加强的持水能力，而吸水膨胀性差异不大，吸水膨胀性多与难溶的纤维有关。

表3 不同纤维的水分保持能力

图3 柑橘纤维吸水膨胀时间

图4 pH对柑橘纤维持水能力的影响

2.2 持油能力

持油能力通常反映稳定高油脂含量食品的能力，脂肪的吸收能力一般与原料颗粒的表面特性、电荷密度、稠度及疏水性质有关，一般颗粒小的柑橘纤维具有更好的持油能力。

2.3 黏度和凝胶能力

黏度和一定的凝胶能力主要是由于柑橘纤维含有许多可溶性大分子成分，吸收水分后，形成胶状的物质，赋予溶液黏度和凝胶性能。Brock[23]研究发现，pH 7时，溶液的黏度随温度的升高而变化不大，温度从30 ℃升高至70 ℃，黏度只降低28%，这与其他热敏感胶体性质不同，最主要原因是纤维素和其他不溶成分稳定了柑橘纤维的黏度。

2.4 乳化稳定

柑橘纤维由于含有蛋白，可能形成一定糖蛋白结构，表现出良好的乳化特性。

表4 不同类型乳化剂的乳化稳定指数

3 柑橘纤维在食品工业中的应用

由于具有上述的功能特性，柑橘纤维在食品工业中的应用越来越广泛。最主要的应用在于提升产量、减少成本、部分脂肪替代、清洁标签、替代常规的稳定剂和乳化剂、改善质量、减少脱水收缩、改善黏性和质构、改善营养等[28-51]。

徐水鑫等[46]研究柑橘纤维在面包中替代油脂的研究，结果显示随着柑橘纤维取代油脂的比例增大，面包的体积呈下降趋势，感官测试在2%～6%的取代比例下，与单独使用油脂的对照相比均可接受。Denis[24]也研究柑橘纤维对冷冻面团质量特性的影响，由于柑橘纤维的添加，面粉的吸水时间在增加，而形成时间、稳定时间及破裂时间均在减少，冷冻面团的体积变化不是很明显，但面包的硬度在增加。

Garcia[47]研究发现添加1.5%的柑橘纤维可以作为发酵香肠的脂肪替代物，由于柑橘纤维中还含有聚多酚，可以抑制脂质氧化，因此延长产品的货架期。

McKenna[48]进行用柑橘纤维替代磷酸盐的研究，添加0.5%～1.0%的柑橘纤维与添加0.38%的三聚磷酸盐的猪肉肠在得率、乳化稳定及口感上没有明显差异。Fernandez[49]研究发现柑橘纤维可以减少残留的硝酸盐含量。Esther[50]在发酵乳的乳饮料中加入柑橘纤维会有利于乳酸菌的生长。

总之，随着人们对于柑橘纤维的提取、改性的研究越来越成熟，其作为一功能和营养成分会在食品工业中发挥更大作用。