膳食纤维的改性及应用

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　　[摘要】本文对膳食纤维的改性方法和利用进行了综述。膳食纤维改性处理有助于改善其应用特性和功效，改性方法主要包含化学改性法、物理改性法、生物改性法以及协同改性法等。膳食纤维可应用在烘焙制品、饮料、面制品及其他各类食品中，其品质仍有待提高。高品质膳食纤维产品具备广阔的发展空间和研究前景。
　　[关键词】膳食纤维;改性;应用
　　膳食纤维（ Dietarv Fiher，DF）广泛存在于蔬果、杂粮、豆制品类及菌藻类等食物中，被称作有益于人类生命健康的第7营养素。根据美国谷物化学家协会的定义，膳食纤维“是一种在人体小肠抗消化、吸收，在大肠完全或部分发酵的植物可食用组织或相似碳水化合物”[1]。依据其溶解性差异可划分为不溶性膳食纤维（ Insoluble Dietary Fiher，IDF）和可溶性膳食纤维（Soluble Dielary Fiber，SDF）[1]。IDF中的纤维素、木质素和半纤维素具有促进肠道蠕动、减少肥胖、通便排毒等重要功效，SDF中的水溶性半纤维素、低聚糖和果胶等物质在调理血糖血脂浓度、预防心血管疾病等方面拥有较好的生理活性[3]。
　　IDF结构中的大部分亲水活性基团赋予其很强的吸附作用，在吸水、持水和促进膨胀方面有独特优势。活性基团的作用是降低体内的胆固醇、胆汁酸以及肠道内的毒害物质、化学药品等有机化合物，也可以与某些金属阳离子相互作用，从而实现特定的离子交换功能。
　　SDF具有诸多重要的生理功能。在预防肠道疾病方面，DF能有效帮助肠道内有益菌群的生长，同时还能通过调节肠道pH值改善有益菌群的生长环境，使肠道蠕动加快，降低肠内疾病的发生概率;在预防糖尿病方面，在饮食中提高DF的摄入量，可增加小肠内容物黏度、降低游离葡萄糖浓度、抑制α-淀粉酶活性、增加食物在胃肠内的消化时间和胃排空时间，使人体对葡萄糖吸收速度减慢，进餐后的血糖值不会急剧回升;在抑制胆固醇方面，DF在小肠中形成的胶状物质与胆汁酸结合后可加速排出体外，达到胆固醇向胆汁酸转化降低胆固醇的目的[4—6]。
　　尽管SDF具备多种对人体有益的功效，但大多数天然原料中SDF含量仅为3%～4%，无法达到人们追求SDF含量10%以上的要求。因此，人们使用多种方法对天然DF进行改性，提高其SDF的含量，改善其应用特性，提高其生理功效。
　　1 膳食纤维的改性方法
　　膳食纤维改性是利用不同的技术对DF进行处理，使IDF内部的糖苷键发生断裂，将IDF的全部或部分转化为SDF，提高SDF含量，同时致密的网状结构变得疏松，具备更高的生理效能。国内外已报道的DF改性方法有化学方法（以酸法、碱法为主）、生物技术方法（以酶法、发酵法为主）、物理方法（以超微粉碎技术、挤压技术、超高压技术和冷冻技术等为主）[7-10]。
　　1.1 化学改性方法
　　在特定的条件下，对膳食纤维进行酸或碱处理，提高SDF含量，进而改善其理化特性。
　　Qi等[1]利用硫酸和强氧化钠对米糠IDF进行改性处理，改性后其吸附葡萄糖和抑制a-淀粉酶活性明显改善，从而能有效降低血糖含量。Na等”[2]采用碱性过氧化氢对番茄皮进行优化改性，SDF的提取率从7.9%大幅提高到27.5%，与原有SDF相比，改性SDF具有更强的多孔结构及吸附葡萄糖和胆汁酸的能力，促使螯合二价离子形成更强的凝胶，保护食品加工和贮存过程中不稳定的功能成分不被破坏。吴丽萍等[13]使用醚化方法对花生壳膳食纤维进行处理，在最佳优化条件下得到的羧甲基花生壳DF含量为16.8%，改性后样品DF结构疏松，松散性良好，物化特性有所改善。
　　化学改性的优势在于试剂成本低廉，方法简便易于实现，但劣势在于IDF向SDF的转化因为条件的限制而出现转化率低，要选用耐腐性強的反应设备，引入的离子基团如何取舍等诸多难题”[14]。
　　1.12 生物改性方法
　　生物改性方法包含酶法和发酵法。酶法一般是使用木聚糖酶、半纤维素酶、纤维素酶和木质素酶将DF大分子通过酶的作用分解成可溶性小分子化合物。Napolitano等[8]通过酶法改性小麦DF，改性前其SDF含量为3.1%，改性后提高到了8.8%。Guoyong等[15]采用复酶法对胡萝卜渣中IDF进行了改性，使其表面结构更为松散，SDF含量达到15.07%，胆固醇吸附能力相应明显提高。酶法优点诸多，比如反应条件温和、副产物较少、产品纯度高等。酶法改性的决定因素是酶制剂的选择和用量，应事先考虑原料的成分差异和产品的质量要求，选择相匹配的酶制剂，为提高产品的得率和纯度，可采用一种或多种酶制剂相结合的方法。
　　发酵法是利用微生物新陈代谢将DF进行分解，增加SDF的含量，原理与酶法类似。李静[16]使用黑曲霉发酵提取香蕉皮SDF，得到的香蕉皮发酵液中SDF提取率达到了12.83%，李状等[17]发现根霉菌可利用糖类和蛋白质进行发酵代谢，将竹笋下脚料为根霉菌培养基制备DF，得到保持了竹笋本身特有风味的功能活性较高的DF。令博等[18]以酿酒葡萄皮渣为培养基，添加保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌混合菌进行发酵改性，总DF含量发酵后为84.4%，较发酵前提高了14.79%，SDF含量发酵后为17.25%，较发酵前提高了8.88%，物理特性如膨胀力、保水力和持油力均得到有效提高。发酵法的缺点是必须选择适合的菌种，发酵时间也相对漫长;优点是生产工艺简便、成本低、易于大量生产。
　　1.3 物理改性方法
　　物理改性通常是运用超微粉碎、冷冻粉碎、高静水压、挤压膨化、超声和微波振动等机械降解方法，使大分子纤维成分发生膨化、粉碎、破裂，使部分IDF转化为SDF。物理改性方法容易实现工业规模化，避免了化学改性方法中引起的环境污染。
　　挤压技术是指DF在高温高压条件下，物料内部受剪切力作用，所含水分快速汽化，纤维分子间和分子内空间结构产生改变。Huanhuan等[19]研究了挤压对莲藕节粉末中SDF分子结构和理化性质的影响，结果表明，挤压影响了莲藕节粉末SDF的微观结构和分子大小，导致DF中纤维素和半纤维素发生降解，改善了SDF的水化性能，包括膨胀能力、保水性和乳化性等物理特性。 　　高静水压技术是指将物料置于液体介质中，施加100～1000MPa压力，物料体积在液体介质中被压缩[20]。高压产生的极高静压能改变生物高分子立体结构中的氢键、离子键和疏水键等非共价键，使蛋F1凝结、淀粉变性。Guoyong等[5]采用较高的静水压力对胡萝卜渣DF改性，其持水力、膨胀力、油脂吸附力和阳离子交换等物理性能得到显著提高。
　　超微粉碎是运用流体动力或机械力学技术，克服物料内部凝聚力，将3mm以上的物料颗粒粉碎至粒径在100μm以下的一种方法。粉碎后的物料颗粒由于体积变小，表面积、孔隙度和亲水基团增加，使得溶解性提高。王安建等[2]利用超微粉碎技术对玉米皮DF进行改性，设定粉碎细度区间为160～200目，IDF含量无变化，但其物理特性均有所提升，提升比例为持水力2.04%、膨胀力14.12%、阳离子交换能力17.85%、不饱和脂肪持油力15.24%、饱和脂肪持油力25.41%。
　　蒸汽爆破法（气爆）通常作为一种预处理方法，其机理为物料从高温高压状态下突然下降到常温常压，物料内部的水分，迅速汽化膨胀爆破，从而使物料体积变大形成海绵状，纤维组织等结构遭到破坏，内含物暴露促进目标物的溶出[22—23]。王安建等[24]利用蒸汽爆破法改性玉米皮SDF，改性后玉米皮SDF提取率达到了9.76%，其最佳优化工艺参数为作用时间80s、压力I.OMPa、水分含量100%。
　　超声一微波协同萃取法是通过物料吸入微波能、结合超声波空化效应和超声相械作用，促进物料中SDF溶出。Lou等[25]以牛蒡为原料，利用微波超声波协同法制备DF，在超声波功率50W、微波功率40W、反应时间60s、料液比1：15（g/mL）的条件下，改性后DF的保水力、膨胀力、吸附力均有不同程度的提高。
　　1.4 协同改性方法
　　综合运用化学、生物和物理多种手段进行协同处理，可有效提高DF中SDF所占比例，并对SDF的生理活性产生一定的影响。
　　Ya等[26]分别对酶法及微粉化辅助酶法对米糠DF结构和功能性能的影响进行了研究，发现纤维素酶、木聚糖酶、微粉化、联合酶和酶协同微粉化处理使其SDF含量分别增加了3.8倍、4.7倍、3.5倍、10.0倍、11.4倍，同时其膨胀能力、胆固醇和牛磺胆酸钠的吸收能力也有明显提高。试验表明纤维素酶和木聚糖酶可以改变米糠DF的结构和功能特性，而运用微粉化辅助酶法处理米糠DF能更为有效地改变其性能。
　　Lai等[27]借助超声波辅助酶法从甘薯渣中制备DF，DF得率可高达37.19%，对应工艺条件为超声时间11.55min、d一淀粉酶剂量1.47mL、蛋门酶0.43mL、葡萄糖淀粉5.52mL。邵卓[28]以超高压协同纤维素酶法改性豆渣DF，在pH值为5、温度为60。C、料液比为1：26、酶解时间为1.5h、加酶量为1：200的条件下，豆渣SDF从11.13%提高到25.4%。康丽君[29]对气爆预处理后的小米糠膳食纤维采用超声一微波协同酶法改性，在酶添加量为5.85%、温度为56℃、pH值为4.64、微波功率为45IW的条件下，其SDF含量从2.16%提高到了13.12%。吴俊男[30]采用微波协同酶法对小麦麸皮DF进行改性，研究微波功率、微波加热时间、酶添加量、酶处理时间对小麦麸皮DF化学特性和生物活性的影响，结果显示改性后的小麦麸皮DF具有较强的抗氧化特性和较好的热稳定性。2 膳食纤维的应用2.1 提升烘焙食品品质 膳食纤维能有效改善面包、蛋糕、饼于等烘焙食品质构，根据不同的产品需求来提高持水力、柔软性和疏松性，在储存期内保持外观和口感。Anwarul等[31]研究发现，添加60%麸皮DF的饼干在颜色、质地、风味和接受程度方面，都与未添加麸皮DF的饼干相当。吴卫国等1321研究发现，添加6%麦麩DF的蛋糕，感观指标有所改善，蛋糕比容有所增大。
　　2.2 提高饮料纤维含量
　　膳食纤维饮料从20世纪80年代起，就已开始在欧美日等发达国家风靡，取得了飞速的发展。我国膳食纤维饮料种类繁多，主要有液体、固体和碳酸饮料，另外也有将膳食纤维用乳酸杆菌发酵而生产的乳清型饮料。郭健等[33]将乳酸菌引入到麦麸DF中进行发酵，经调配均质成功研制出了一种具有功能性的麦麸DF乳酸活菌饮料。 余毅等[34]在麦麸膳食纤维中添加悬浮剂和风味剂，经搅拌、混合制成了麦麸膳食纤维含量高达64%的低热量低脂肪的新型固体饮料。
　　2.3改善肉制品的口感
　　膳食纤维的高持水力、阳离子结合交换力和填充力，对改良肉制品的组成成分、质构、货架期有良好的效果，可达到强化营养和保健的目的。Isabel等1351利用小麦膳食纤维使鱿鱼制品保持了更高的水分，改善了肉品质构特性的同时做到了不影响产品外观。刘伟兰1361将麦麸粉和麦麸膳食纤维粉分别添加到以猪肉、鸡肉和鱼肉为原料的肉丸中，改善了肉丸的质构，增加了肉丸的营养和保健功能。
　　2.4 优化面食结构特性
　　膳食纤维可添加于面条、馒头等面食。面条加入膳食纤维后，生面条拉伸度降低，但熟面条口感反而更劲道。邵佩兰等[37]研究发现，麦麸膳食纤维面条具有更好的烹煮品质。赵文华等1381将麦麸膳食纤维添加到馒头中，确定麦麸膳食纤维在馒头面团中最适添加量为8%时口感与未添加差别不大。
　　2.5在其他食品中的应用
　　膳食纤维还被用于糖果、冰激凌等制作，效果良好。马静等[39]探讨了麦麸膳食纤维软糖的制备工艺，得到的产品香味浓、口感软、耐咀嚼，能促进胃肠蠕动，具有一定的保健功能。据美国专利发现，将麦麸SDF以5%的比例添加到牛乳中制作冰激凌，制成品组织结构光滑，口感细腻[40]。
　　3 结论
　　由于膳食纤维具有特殊营养和功能，受到消费者越来越多的关注。我国拥有丰富的农产品加工副产物资源，膳食纤维的来源广泛、量多。但是，目前大多数膳食纤维食品的开发只是局限于普通膳食食品，这类食品外观一般，口感也略显粗糙索然无味，市场接受认可度较低。因此，如何开发具有较高活性和优良感官品质的DF配料，是目前所面临的最主要问题。随着人们对健康生活的更多追求和更高要求，高品质膳食纤维产品仍具有巨大的发展潜力。 　　參考文献
　　[1] CHO S，CRAIG S，DEVRIE J，et al The definition of dietaryfiber[J].Cereal Foods World.2001（3）： 112-126
　　[2]郑建仙.功能性食品[M]，北京：中国轻工业出版社，1999.
　　[3]马占倩，郭宇波，唐文兴，等.米糠膳食纤维提取工艺及高纤 健康粥配方优化[J】粮食科技与经济，2017（4）：54-56
　　[4]刘威梅，李资玲，梁瑞红，等.膳食纤维的生理功能与应用现 状[J].食品研究与开发，2006（1）：122-125.
　　[5]金英姿.膳食纤维的功能及其在食品中的应用研究[J]新疆石 油教育学院学报，2004（6）：16-17.
　　[6]丁虹.膳食纤维在疾病作用中的研究进展[J].食品研究与开发，2005（3）：141-143
　　[7]李鹏飞，陆红佳，任志远，不同方法提取麦麸膳食纤维的比较 研究[J]现代农业科学，2009（6）：7-9.
　　[8] NAPOLITANO A，COSTABILE A，MARTIN-PELAEZ S，et alPotential prebiotic activity of oligosaccharides obtained byenzymatic conversion durum wheat insoluble dietary fiber intosoluble dietary fib er [J].Nutr metab cardiovase dis，2009（4）：2 83-290
　　[9]李正阳，张彩云，量鑫，等.水溶性膳食纤维的提取纯化技术及 其抗氧化活性研究进展[J].粮食科技与经济，2016 （1）：69-72.
　　[10]李伦，张晖，王兴国，等超微粉碎对脱脂小米糠理化特性及组成成分的影响[J]中国油脂，2009 （2）：56-59
　　[11] QI J， LI Y，MASAMBA K G.et al. The effect of chemicaltreatment on the invitro hypoglycemic properties of rice braninsoluble dietary fiber[J] .Food Hydrocolloids，2016（3）： 699-706
　　[12] NA LI， ZIQIAN FENG. YUGE NIU. et al. Structural， theologicaland functional properties of modified soluble dietary fiber fromtomato peels[J]. Food Hydrocolloids.2018（2）：557-565
　　[13]吴丽萍，朱妞，陈雪峰，等.花生壳膳食纤维化学改性工艺参数优化及品质分析[J]食品工业科技，2014 （22）：286-290.
　　[14]张印红，赵春生，方涛，等.纯天然胡麻胶的提取工艺优化及化学改性研究[J】精细与专用化学品，2018 （3）：36-38.
　　[15] GUOYONG YU. JIA BEI. JING ZHAO. et al. Modification ofcarrot （daucus carota linn. var. sativa hoffm.） pomace insolubledietary fiber with complex enzyme method， ultrafine comininuion.and high hvdrostatic pressure[J] .FoodChemistry，201 8（2）：333-340
　　[16]李静.黑曲霉发酵制备香蕉皮可溶性膳食纤维研究[J】中国食品添加剂，2015 （5）：137-141.
　　[17]李状，朱德明，李积华，等.发酵法制备竹笋下脚料膳食纤维的研究[J].热带作物学报，2014 （8）：1638-1642.
　　[18]今博，田云波，吴洪斌，等.微生物发酵法制取葡萄皮渣膳食纤维的工艺优化[J]食品科学，2012 （15）：178-182.
　　[19] HUANHUANCHEN. CHUNMEI ZHAO. JIE LI. et al. Effectsof extrusion on structural and physicochemical properties ofsoluble dietary fiber from nodes of lotus root[J].Food Science andTechnology2018（8）：204-211
　　[20]张憨，方忠祥.高静水压联合保藏食品技术的研究进展[J].无锡轻工大学学报（食品与生物技术），2005 （1）：105-110.
　　[21]王安建，魏书信，侯传伟.超微粉碎改性玉米皮膳食纤维技术研究[J]食品科技，2010 （9）：194-196.
　　[22]罗鹏，刘忠蒸汽爆破法预处理术质纤维原料的研究[J】林业科技.2005 （3）：53-56.
　　[23]任向荣.徐敏强，李伟然，等.蒸汽爆破生物质秸秆的工业应用[J]现代化工，2009 （11）：89-91.
　　[24]王安建，田广瑞，魏书信，等.固态气爆技术制备玉米皮水溶性膳食纤维的研究[J]食品科技，2011 （6）：209-212.
　　[25] LOU Z X. WANG H X. WANG D X. Preparation of inulinand phenols-rich dietary fiber powder from burdock root[J]C.arbohvdrate Polymers，2009（4）：666-671 　　[26] YA WEN， MENG NIU， BINJIA ZHANG. et al. Structuralcharacteristics and functional properties of rice bran dietary fibermodified by enzymatic and enzyme-micronization treatments[J]Food Science and Technology，2017（7）：344-351
　　[27] LAI A. LU G. WANG Y Ultrasonic-assisted enzymatic extractiontechnology of dietary fiber from sweet potato residue [J].Joumal ofChinese Cereals and Oils Association，2015（8）：99-104
　　[28]邵卓.物理处理提高豆渣可溶性膳食纤维含量的比较研究[D].天津：天津科技大学，2016.
　　[29]康丽君超声一微波协同酶法改性小米糠膳食纤维及工艺优化[J]食品工业科技，2016 （23）：221-226.
　　[30]吴俊男.小麦麸皮膳食纖维的微波一酶法改性研究[J]食品科技，2017 （2）：175-180.
　　[31] ANWARUL HAQUE M. SHAMS UD DIN M， HAQUE AThe effect of aqueous extracted wheat bran on the bakingquality of biscuit[J] .International Journal of Food Science&Technology，2002（4）：453 -462
　　[32]吴卫国，郭时印，周虹.麦麸膳食纤维的制备、性质与应用[J]粮食与饲料工业，1998（11）：37-39.
　　[33]郭健，汪江波.麦麸膳食纤维乳酸饮料的研制[J]现代商贸 工业.2001 （9）：40-41.
　　[34]余毅，李庆龙.小麦麸膳食纤维系列食品开发研究[D].武汉：武汉工业大学，2008.
　　[35] ISABEL SAN CHEZ ALONSO. MARIA SOLAS.A JAVIER BORDER A S Technological implications of addition of wheatdietary fibre to giant squid（dosidicus gigas） surimigels [J].Joumalof Food Engineering，2007（8）：404-411
　　[36]刘伟兰.麦麸膳食纤维在肉丸中的应用[D].广州：华南理工大学.2011.
　　[37]邵佩兰，徐明.麦麸膳食纤维面条烹煮品质特性的研究[J].农业科学研究，2007 （2）：27-29
　　[38]赵文华，魏彩娇，白瑞平，等.麦麸膳食纤维对面团流变学特性及馒头品质的影响[J]
　　[39]马静，刘树兴，苏风先 科技.2006 （6）：75-76.西部粮油科技，2009 （3）：16-19麦麸膳食纤维软糖的制备[J]食品
　　[40] KAINUMA S. NAKAMURA N. YAMAMOTO M.Method of preparing water-soluble dietary fiber[J].USPatent.1997（4）：522-530.
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