楊明華,太周偉,俞政全,潘洪彬,李琦華,趙素梅,黃英(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,云南省動(dòng)物營養(yǎng)與飼料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南昆明650201)
膳食纖維改性技術(shù)研究進(jìn)展
楊明華,太周偉,俞政全,潘洪彬,李琦華,趙素梅*,黃英*
(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,云南省動(dòng)物營養(yǎng)與飼料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南昆明650201)
膳食纖維是不能被人體消化的多糖類碳水化合物及木質(zhì)素的總稱,由水溶性膳食纖維(SDF)和非水溶性膳食纖維(IDF)組成。SDF組成比例是影響膳食纖維生理功能的重要因素。膳食纖維改性技術(shù)是提高SDF含量,提升膳食纖維物理化學(xué)特性及生理功能的關(guān)鍵技術(shù)。本文結(jié)合當(dāng)今國內(nèi)外研究結(jié)論,從物理、化學(xué)、生物和聯(lián)合處理四個(gè)方面就膳食纖維改性技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,探討了改性對(duì)膳食纖維品質(zhì)的影響,旨在為相關(guān)領(lǐng)域研究者提供理論參考。
膳食纖維;改性技術(shù);生理功能
膳食纖維(Dietary fiber,DF)是由Hipsley等率先提出的,不能被人體消化的多糖類碳水化合物及木質(zhì)素的總稱。國內(nèi)外的研究表明,膳食纖維可縮短食物胃腸通過時(shí)間,增加排便量,有效降低血液膽固醇、血脂及餐后血糖含量,增強(qiáng)動(dòng)物抗氧化、抗胃腸癌的能力,是繼六大營養(yǎng)素后的“第七大營養(yǎng)素”[1-2]。
依據(jù)膳食纖維在水中的不溶解性可將它分為SDF 和IDF兩大類。其中IDF可增強(qiáng)腸道蠕動(dòng),緩解便秘,減少肥胖等;較IDF而言,SDF有著更廣泛更重要的生理功能,它不僅可以顯著影響碳水化合物及脂類的代謝,同時(shí)還具有吸附重金屬離子及膽固醇,是影響膳食纖維生理功能的重要因素。
然而,許多天然膳食纖維品質(zhì)低,SDF含量僅為3%~4%,達(dá)不到高品質(zhì)膳食纖維SDF含量≥10%的要求,不具備較好的生理活性和保健功能,無法滿足現(xiàn)代食品醫(yī)藥、食品開發(fā)與加工的需要[3-5]。對(duì)DF進(jìn)行改性已成為必然。
膳食纖維改性技術(shù)是對(duì)DF進(jìn)行適當(dāng)處理,促進(jìn)IDF向SDF轉(zhuǎn)化,使SDF含量增加的技術(shù)。其原理就是通過改性讓IDF大分子連接鍵——糖苷鍵斷裂,使致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)疏松,由此改變膳食纖維的物理化學(xué)特性及生物活性,使其具備更高的生理效能。
目前文獻(xiàn)報(bào)道的膳食纖維改性方法主要有4種。一是以超高壓、粉碎、擠壓膨化等技術(shù)為主的物理方法;二是以酸、堿法為主的化學(xué)方法;三是以酶法、發(fā)酵法為主的生物技術(shù)方法;四是同時(shí)運(yùn)用以上多種方法的聯(lián)合處理法。
1.1物理法
物理改性常指采用超高壓、超微粉碎、擠壓膨化等機(jī)械降解處理膳食纖維,使纖維物質(zhì)發(fā)生破碎、膨化。
1.1.1超高壓技術(shù)
超高壓技術(shù)是指將密封于彈性容器內(nèi)的食品置于以水或其他液體作為傳壓介質(zhì)的壓力系統(tǒng)中,采用100 MPa以上的壓力處理,達(dá)到殺菌、鈍化酶和改善食品功能特性的一種物理冷加工技術(shù)[6]。其作用均勻、操作安全、耗能低,可以破壞大分子物質(zhì)的氫鍵,使大分子物質(zhì)改性或變性[7]。經(jīng)超高壓處理,膳食纖維的葡萄糖吸附能力和膽酸鹽結(jié)合能力均高于對(duì)照,超高壓紅薯渣膳食纖維能將葡萄糖濃度控制在較低的水平,對(duì)餐后血糖的快速升高有抑制作用[6]。萬婕[8]等采用動(dòng)態(tài)高壓微射流技術(shù)(DHPM)對(duì)新鮮豆渣進(jìn)行處理時(shí)發(fā)現(xiàn):DHPM處理后膳食纖維的比表面積明顯高于未處理的原料膳食纖維(P<0.05),在40 MPa~140 MPa壓力區(qū)間內(nèi)樣品的比表面積隨處理壓力的升高而增加,且在140 MPa時(shí)達(dá)到最大值2.887 5 m2/g。該技術(shù)處理還可改善豆渣膳食纖維對(duì)重金屬Pb、Cu、Cd及Hg的吸附能力。在采取不同的相對(duì)最適處理壓力時(shí),豆渣膳食纖維對(duì)腸道中的Pb2+、Hg2+、Cu2+、Cd2+的吸附力達(dá)到最大,分別較未處理前提高15%、16%、12%和16%[9]。目前已被廣泛地應(yīng)用在膳食纖維改性上。
1.1.2超微粉碎
超微粉碎就是利用流體動(dòng)力或機(jī)械將3 mm以上的物料顆粒粉碎至粒徑在100 μm以下的一種高新技術(shù)。依據(jù)粉碎粒徑的大小又可分為微米級(jí)粉碎(1 μm~100 μm)、亞微米級(jí)粉碎(0.1 μm~1 μm)、納米級(jí)粉碎(0.001 μm~0.1 μm,即1 nm~100 nm)[10]。粉碎后的顆粒由于體積變小,表面積和孔隙率增加,親水性基團(tuán)暴露增多,溶解性得到提高[11]??嗍w麩、菱角、柑橘、楊桃等DF經(jīng)超微粉碎后粒徑減小,各項(xiàng)物化特性顯著增強(qiáng),柑橘DF的GAC(葡萄糖吸收能力)及α-淀粉酶抑制活性顯著增強(qiáng),分別升高至原來的1.7倍和6.4倍[11-14]。此外,膳食纖維的持油力、持水力、膨脹力、重金屬離子吸咐力等功能性質(zhì)隨著粒徑的減小而提高[15-16];Li等發(fā)現(xiàn),用D-ODF(超微粉碎處理的膳食纖維)、C-ODF(未經(jīng)超微化處理的樣品)灌喂BALB/c小鼠28 d,灌喂C-ODF對(duì)照組小鼠的甘油三酯水平較灌喂前有所升高,而D-ODF組則降低了29.2%[17]。
超微粉碎技術(shù)不僅可以將許多可食動(dòng)植物加工成超微粉,甚至還可以將動(dòng)植物的不可食部分通過超微化被人體吸收,提高原料的加工性能,賦予產(chǎn)品細(xì)膩的口感,是低脂酸奶中脂肪的較好替代品,在降低食品脂肪含量的同時(shí)仍能保持食品的高品質(zhì)[10,18]。
超微粉碎技術(shù)對(duì)設(shè)備、工藝要求不高,環(huán)境污染小,成本低,美國利用該技術(shù)生產(chǎn)的“金谷纖維王”膳食纖維含量高達(dá)80%,現(xiàn)已風(fēng)靡歐美[19]。
1.1.3冷凍粉碎
冷凍粉碎技術(shù)是利用超低溫脆性實(shí)現(xiàn)物料粉碎的技術(shù),由冷凍和粉碎兩個(gè)操作單元構(gòu)成。它能使富含纖維的韌性物料進(jìn)入“低溫脆性”,常溫下難以粉碎的物料較容易粉碎[20]。處理后的物料顆粒粒度分布理想,流動(dòng)性好,且不會(huì)因發(fā)熱出現(xiàn)變色、氧化、分解等現(xiàn)象,特別適用于常溫下難以粉碎物料及功效成分物料的粉碎[21]。
黃晟[20]等采用超微粉碎和冷凍粉碎技術(shù)處理麥麩水不溶性膳食纖維時(shí)發(fā)現(xiàn),冷凍粉碎可以縮短物料處理時(shí)間,冷凍粉碎1 h就可達(dá)到超微粉碎3 h的水平,粉體均勻性好。經(jīng)超微和冷凍粉碎3 h的麥麩膳食纖維平均粒徑分別為20.861 μm和13.382 μm,SDF含量分別提高到7.59%和11.47%,膨脹力分別增加了9.91%和37.77%,冷凍粉碎樣品各功能性質(zhì)大大優(yōu)于超微粉碎樣品。
1.1.4擠壓膨化
擠壓膨化技術(shù)是指膳食纖維經(jīng)高溫、高壓及剪切力作用,在擠壓設(shè)備出口瞬間失去壓力,導(dǎo)致DF分子及空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,IDF轉(zhuǎn)變?yōu)镾DF的手段,是集混合、攪拌、破碎、加熱、蒸煮、殺菌、膨化及成型為一體,能改善纖維物料口感的新型加工技術(shù)[22-23]。
任慶等[24]利用雙螺桿擠出機(jī)對(duì)白菜渣進(jìn)行擠壓,得到的白菜渣SDF含量為11.06%,比原白菜渣提高了3.57%;Berrios[25]等研究顯示,在最佳處理?xiàng)l件下對(duì)干豌豆進(jìn)行擠壓,其可溶性膳食纖維含量由0.65%增加到2.9%;葉發(fā)銀等研究發(fā)現(xiàn)擠壓處理番茄皮可使其水溶性膳食纖維的含量由處理前3.40 g/100 g上升到12.13 g/100 g[26];Yan X等通過擠壓膨脹處理麥麩,麥麩的SDF含量也從未處理的9.82提高到16.72,此外從擠壓得到的SDF中還可分離出水溶性多糖WSP,可作為天然抗氧化劑使用在功能性食品、化妝品和藥品中[27]。
從有關(guān)研究報(bào)道來看,擠壓膨化法可處理多種來源的膳食纖維,經(jīng)擠壓膨脹后的SDF含量和質(zhì)量都有顯著提高。
該技術(shù)對(duì)操作環(huán)境要求不嚴(yán),不破壞原料特性,不參入新的有害物質(zhì),工藝簡單適用性廣,可有效應(yīng)用于開發(fā)新型功能性產(chǎn)品[28]。
1.2化學(xué)法
化學(xué)法是指利用酸堿等化學(xué)試劑處理膳食纖維,使纖維類大分子轉(zhuǎn)化為非消化性多糖,使膳食纖維物化性質(zhì)和生理功能得以提高的方法[29]。吳麗萍[30-31]等分別對(duì)竹筍、花生殼膳食纖維進(jìn)行化學(xué)改性發(fā)現(xiàn):改性后的竹筍膳食纖維SDF的含量由改性前的5.04%提高到16.2%;改性后的花生殼膳食纖維組織均勻、分散,膳食纖維含量提高為16.8%,結(jié)構(gòu)及物化特性均得到改善。
化學(xué)方法雖方便快捷,但產(chǎn)品色澤差不易漂白、對(duì)容器腐蝕嚴(yán)重、反應(yīng)復(fù)雜、作用時(shí)間長、轉(zhuǎn)化率低、污染環(huán)境,已逐漸被其他降解方法所取代[5,32]。
1.3生物法
1.3.1酶法
酶法就是利用酶將膳食纖維中的大分子組分酶解成可溶性小分子化合物的方法。它作用溫和、專性強(qiáng)、產(chǎn)品色澤變化小、反應(yīng)時(shí)間短、純度高,是近年來處理膳食纖維改性的較有潛力的新方法[32]。目前常用的酶主要有木聚糖酶、纖維素酶和木質(zhì)素氧化酶等。趙梅[33]等研究顯示,添加纖維素酶和木聚糖酶雙酶法對(duì)棗渣進(jìn)行改性,可將棗渣纖維的可溶性纖維的比例由6.79%提高到10.15%,使SDF與IDF更接近1∶3的最佳比例。錢海峰等采用纖維素酶水解米糠膳食纖維,得到的總膳食纖維和可溶性膳食纖維的總酚含量分別是酶解前的2.08倍和8.82倍,總抗氧化能力分別是酶解前的2.13倍和4.86倍,在亞油酸體系中的抗氧化能力均強(qiáng)于0.5 mg/mL的抗壞血酸[34]。
盡管經(jīng)酶法改性的膳食纖維具有高的物化特性及生理功能活性,但由于膳食纖維改性的純化酶價(jià)格較高,酶法成本也因此比較昂貴,該技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中還無法全面推廣。
1.3.2微生物發(fā)酵法
微生物發(fā)酵法是利用微生物生長過程中分泌的酶和酸等發(fā)酵產(chǎn)物,強(qiáng)化膳食纖維功能特性的技術(shù)。其產(chǎn)品口感香甜、無異味,是一種相對(duì)安全、高效、低成本的膳食纖維改性方法[31]。
目前所用菌種多為用于食品發(fā)酵生產(chǎn)的傳統(tǒng)菌種,對(duì)保加利亞乳酸桿菌、嗜熱鏈球菌、綠色木霉、藥用真菌等的使用尤為普遍。令博[35]等用保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌混合菌對(duì)釀酒葡萄皮渣進(jìn)行發(fā)酵處理,總膳食纖維含量由發(fā)酵前的69.61%提高到了84.4%,SDF含量由8.37%提升至17.25%,膨脹力、持水力和持油力分別為3.38 mL/g、4.32g/g和1.87 g/g,膳食纖維的品質(zhì)得到有效提高。以杏仁果肉為原料采用綠色木霉發(fā)酵法制備SDF,通過飼喂實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種杏仁果肉粉可以減輕大鼠的糖尿病癥狀[36]。
1.4聯(lián)合處理
綜上所述,膳食纖維改性的方法中,不論是物理方法、化學(xué)法還是生物法,都各有利弊。采用多方法聯(lián)合處理膳食纖維,一方面可以避免單一方法的缺陷,一方面又能相互協(xié)作,更有效地提升膳食纖維的產(chǎn)率及品質(zhì)。何歡[37]以花生殼為原料,采用擠壓預(yù)處理、化學(xué)(酸)洗滌、a-淀粉酶酶解等多法處理制備膳食纖維,所得的花生殼膳食纖維SDF含量達(dá)18.1%,DF含量達(dá)到80.7%,大大提高了膳食纖維的獲得率。對(duì)發(fā)酵后的大豆膳食纖維進(jìn)一步進(jìn)行超高壓均質(zhì)處理,SDF/ TDF比值高達(dá)41.44%,是發(fā)酵后未經(jīng)高壓均質(zhì)的1.56倍,解決了經(jīng)發(fā)酵后SDF難以再提高的問題[38]。
膳食纖維是不能被消化酶所消化的食物組分,是正常生理、生化過程中非常重要的組成部分,能排毒素、降血脂、降血糖、抗癌等,在“文明病”發(fā)病率不斷攀升的今天人們對(duì)它的需求越來越大。然而來源于蔬菜、瓜果、谷物等的天然膳食纖維,SDF含量低,不能滿足人們?nèi)諠u增長的需求,人類只有積極地利用各種改性方法,才能盡可能地提高膳食纖維的得率及品質(zhì)。我國膳食纖維資源較為豐富,充分利用資源大力開展膳食纖維改性的技術(shù)研究,不僅可以滿足市場化需求,且深切地影響著國民的營養(yǎng)健康。因此膳食纖維的開發(fā)利用還存在著廣闊的空間,而且不同資源的膳食纖維改性技術(shù)還需優(yōu)化。
[1]趙麗,李倩,朱丹實(shí),等.膳食纖維的研究現(xiàn)狀與展望[J].食品與發(fā)酵科技,2014(5):76-82,86
[2]MCKEE L H,LATNER T A.Underutilized sources of dietary fiber:A review[J].Plant Foods for Human Nutrition,2000,55(4):285-304
[3]WESTENBRINK S,BRUNT K,JW V D K.Dietary fibre:Challenges in production and use of food composition data[J].Food Chemistry,2013,140(3):562-567
[4]韓東平,劉玉環(huán),李瑞貞,等.提高豆渣膳食纖維活性改性研究[J].食品科學(xué),2008,29(8):670-672
[5]朱國君,趙國華.膳食纖維改性研究進(jìn)展[J].糧食與油脂,2008(4):40-42
[6]趙健,鄭剛,趙國華.超高壓處理對(duì)紅薯渣膳食纖維理化性質(zhì)的影響[J].食品科學(xué),2009,30(17):109-112
[7]BALNY C.High Pressure and Protein Oligomeric Dissociation[J]. International Journal of High Pressure Research,2002,22(3):737-741
[8]萬婕,劉成梅,李俶,等.動(dòng)態(tài)高壓微射流作用對(duì)膳食纖維結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響[J].高壓物理學(xué)報(bào),2012,26(6):639-644
[9]阮傳英.動(dòng)態(tài)高壓微射流技術(shù)對(duì)豆渣膳食纖維吸附重金屬能力的影響[D].南昌:南昌大學(xué),2014
[10]孫穎.小麥麩皮膳食纖維的脫色及超微粉碎加工[D].無錫:江南大學(xué),2008
[11]CHI FAI CHAU,YU LING WEN,YI TING WANG.Effects of micronization on the characteristics and physicochemical properties of insolublefibers[J].Journal of the science of Food&Agriculture,2006,86(14):2380-2386
[12]鄭慧,王敏,于智峰,等.超微粉碎對(duì)苦蕎麩功能特性的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007,23(12):258-262
[13]WANG C C R,CIOU J Y,CHIANG P Y.Effect of micronization on functional properties of the water caltrop(Trapa taiwanensis Nakai)pericarp[J].Food Chemistry,2009,113(4):970-974
[14]CHI FAI CHAU,YU LING WEN,YI TING WANG.Improvement of the functionality of a potential fruit insoluble fibre by micron technology[J].International Journal of Food Science&Technology,2006,41(9):1054-1060
[15]李倫,張暉,王興國,等.超微粉碎對(duì)脫脂米糠膳食纖維理化特性及組成成分的影響[J].中國油脂,2009,34(2):56-59
[16]藍(lán)海軍,劉成梅,涂宗財(cái),等.大豆膳食纖維的濕法超微粉碎與干法超微粉碎比較研究[J].食品科學(xué),2007,28(6):171-174
[17]LI T,ZHONG J Z,JIE W,et al.Effects of micronized okara dietary fiber on cecal microbiota,serum cholesterol and lipid levels in BALB/c mice[J].International Journal of Food Sciences&Nutrition,2013,64(8):968-973
[18]TIAN Y,XING JIANG H,SIYI PAN,et al.Physicochemical and functional properties of micronized jincheng orange by-products (Citrus sinensis Osbeck)dietary fiber and its application as a fat replacer in yogurt[J].International Journal of Food Sciences&Nutrition,2014,65(5):565-572
[19]梅新,木泰華,陳學(xué)玲,等.超微粉碎對(duì)甘薯膳食纖維成分及物化特性影響[J].中國糧油學(xué)報(bào),2014,29(2):76-81
[20]黃晟,朱科學(xué),錢海峰,等.超微及冷凍粉碎對(duì)麥麩膳食纖維理化性質(zhì)的影響[J].食品科學(xué),2009(15):40-44
[21]李麗,王白鷗,羅倉學(xué),等.膳食纖維的改性研究[J].中國果菜,2007 (3):47-48
[22]劉傳富,王兆升,董海洲,等.擠壓膨化對(duì)豆渣加工特性影響的研究[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2008,34(12):102-105
[23]葛邦國,吳茂玉,肖麗霞,等.蘋果膳食纖維的研究進(jìn)展[J].食品研究與開發(fā),2009,30(2):162-165
[24]任慶,孫波,趙曉,等.擠壓膨化對(duì)白菜渣可溶性膳食纖維含量的影響[J].食品工業(yè),2014,35(10):96-99
[25]BERRIOS J D J,MORALES P,CAMARA M,et al.Carbohydrate composition of raw and extruded pulse flours[J].Food Research International,2010,43(2):531-536
[26]葉發(fā)銀,汪美鳳,劉嘉,等.擠壓處理番茄皮膳食纖維的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)[J].食品科學(xué),2014(13):43-48
[27]YAN X,YE R,CHEN Y.Blasting extrusion processing:The increase of soluble dietary fiber content and extraction of solublefiber polysaccharides from wheat bran[J].Food Chemistry,2015,180:106-115
[28]葉瓊娟,楊公明,張全凱,等.擠壓膨化技術(shù)及其最新應(yīng)用進(jìn)展[J].食品安全質(zhì)量檢測學(xué)報(bào),2013,4(5):1329-1334
[29]王強(qiáng),趙欣.不同膳食纖維改性技術(shù)研究進(jìn)展[J].食品工業(yè)科技,2013,34(9):392-395
[30]吳麗萍,朱妞.化學(xué)改性對(duì)竹筍膳食纖維結(jié)構(gòu)及理化性能的影響[J].食品工業(yè)科技,2013,34(21):124-126
[31]吳麗萍,朱妞,陳雪峰.花生殼膳食纖維化學(xué)改性工藝參數(shù)優(yōu)化及品質(zhì)分析[J].食品工業(yè)科技,2014,35(22):286-290
[32]YANGILAR F.The application of dietary fibre in food industry structural features,effects on health and definition,obtaining and analysis of dietary fibre:A review[J].Journal of Food and Nutrition Research,2013,1(3):13-23
[33]趙梅,許學(xué)勤,許艷順,等.纖維素酶-木聚糖酶對(duì)紅棗渣膳食纖維的酶法改性[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2014(5):11-15
[34]錢海峰,黃冬云,苑華寧,等.纖維素酶對(duì)米糠可溶性膳食纖維含量及抗氧化性的影響[J].食品工業(yè)科技,2014(15):112-115,120
[35]令博,田云波,吳洪斌,等.微生物發(fā)酵法制取葡萄皮渣膳食纖維的工藝優(yōu)化[J].食品科學(xué),2012(15):178-182
[36]CUI J,GU X,ZHANG Q,et al.Production and anti-diabetic activity of soluble dietary fiber from apricot pulp by Trichoderma viride fermentation[J].Food Funct,2015,6(5):1635-1642
[37]何歡.花生殼膳食纖維提取工藝的研究[J].中國食品添加劑,2015 (1):102-106
[38]涂宗財(cái),林德榮,劉成梅,等.粗壯脈紋孢菌發(fā)酵制備高活性膳食纖維的研究[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2008,34(4):68-70
The Progress of the Modification Technologies on Dietary Fiber
YANG Ming-hua,TAI Zhou-wei,YU Zheng-quan,PAN Hong-bin,LI Qi-hua,ZHAO Su-mei*,HUANG Ying*
(Yunnan Key Lab of Agricultural Animal Nutrition and Feed Science,Yunnan Agricultural University,Kunming 650201,Yunnan,China)
The modification technologies on dietary Fiber is to improve the content of soluble dietary fiber,enhance the dietary fiber physical and chemical properties and physiological function.Based on the conclusion of the study at home and abroad,the developments of dietary fiber's modification technologies treated by chemical,biolog-cal,physical and combined technology were reviewed,the effect of modification on dietary fiber quality were described,It provides a theoretical reference to reaserchers in the relative fields.
dietary fiber;modification technologies;physiological function
10.3969/j.issn.1005-6521.2016.10.051
楊明華(1967—),女(漢),實(shí)驗(yàn)師,碩士,研究方向:動(dòng)物營養(yǎng)與代謝調(diào)控。
*
趙素梅,教授,博士,研究方向:動(dòng)物營養(yǎng)與代謝調(diào)控;黃英,高級(jí)實(shí)驗(yàn)師,碩士,研究方向:動(dòng)物營養(yǎng)與代謝調(diào)控。
2015-05-22