膳食纤维的改性方法及应用探究

　　纤维论文（专业范文10篇）之第十篇

　　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：纤维,膳食纤维,改性,应用

　　膳食纤维 (Dietary Fiber, 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 Fiber, IDF) 和可溶性膳食纤维 (Soluble Dietary Fiber, SDF) [2]。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[4,5,6]。

　　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) [7,8,9,10]。

　　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[11]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α-淀粉酶活性明显改善, 从而能有效降低血糖含量。Na等[12]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, 要选用耐腐性强的反应设备, 引入的离子基团如何取舍等诸多难题[14]。

　　1.2 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100～1 000MPa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, 使蛋白凝结、淀粉变性。Guoyong等[15]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着提高。

　　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[21]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1.0MPa、水分含量100%。

　　超声—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、α-淀粉酶剂量1.47mL、蛋白酶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℃、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-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451W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、饼干等烘焙食品质构, 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6%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[32]研究发现, 添加6%麦麸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[35]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[36]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[38]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]。

　　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。

　　参考文献
　　[1]CHO S, CRAIG S, DEVRIE J, et al.The definition of dietary fiber[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]刘成梅, 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.

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