膳食纖維的提取及其在食品中的應(yīng)用研究

張博華，張明，楊立風(fēng)，門慶永，陳彩霞，王崇隊，馬超*

（1.中華全國供銷合作總社濟(jì)南果品研究院，山東濟(jì)南 250014；2.山東恒寶食品集團(tuán)有限公司，山東日照 276500）

膳食纖維是指可以對抗人體小腸消化吸收，能夠在大腸內(nèi)發(fā)酵的可食用的植物性成分、碳水化合物等整體的統(tǒng)稱[1]。膳食纖維被列為繼蛋白質(zhì)、脂肪、糖類、維生素、礦物質(zhì)和水之后的第七大營養(yǎng)素，由此可見其對人體的重要性。據(jù)國內(nèi)外大量研究與流行病學(xué)調(diào)查結(jié)果顯示，膳食纖維具有許多重要的生理功能，是維持人體健康必不可少的重要營養(yǎng)素之一，它的缺乏會導(dǎo)致心血管和腸道方面的疾病[1]。膳食纖維可以調(diào)整血糖及血脂水平，從而有效預(yù)防糖尿病及心血管病，同時還具有控制體重、預(yù)防肥胖[2]、改善胃腸道功能及預(yù)防胃腸道疾病等生理功能[3]。膳食纖維還可被用于食品領(lǐng)域（焙烤食品、肉制品、乳制品等），改善食品的加工特性、質(zhì)量以及外觀等。

膳食纖維資源豐富，價格低廉。國外對膳食纖維食品的開發(fā)應(yīng)用較為廣泛，而我國對膳食纖維的開發(fā)尚處于起步階段，隨著人們生活水平的提高，精細(xì)食品逐漸增加，膳食纖維攝入量降低，導(dǎo)致很多慢性病的發(fā)生，因此，膳食纖維作為功能性食品的原料，需求量會大大增加。加強(qiáng)膳食纖維的提取及應(yīng)用研究，充分開發(fā)利用國內(nèi)巨大的膳食纖維資源，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，為食品工業(yè)提供優(yōu)質(zhì)原料，是今后膳食纖維的研究方向。

膳食纖維按照其溶解性可分成兩類，即可溶性膳食纖維（SDF）與不溶性膳食纖維（IDF）[4]。目前膳食纖維提取方法主要有物理法、化學(xué)法、酶法和微生物發(fā)酵法四種，本文概述了四種提取方法的優(yōu)缺點(diǎn)及膳食纖維在食品領(lǐng)域中應(yīng)用的研究進(jìn)展。

1 膳食纖維提取方法

由于各原料的特性不同，所以進(jìn)行膳食纖維提取時選用的方法也各不相同，目前常用的提取方法有物理法、化學(xué)法、酶法和微生物發(fā)酵法。

1.1 物理法

物理法在膳食纖維的提取中應(yīng)用廣泛，主要是指通過物理方式提取膳食纖維，常見的有浸提法、超聲法和高壓法等。

1.1.1 浸提法

浸提法也稱液固萃取法，是用揮發(fā)性有機(jī)溶劑將原料中的某些成分轉(zhuǎn)移到溶劑相中，然后通過蒸發(fā)、蒸餾等手段回收有機(jī)溶劑，從而得到所需的較為純凈的萃取組分，是提取膳食纖維最常用的方法之一，一些膳食纖維甚至可在室溫下攪拌得到，在高溫下可得到更大的收益。

Basanta 等[5]利用浸提法在不同的溫度下提取李子中的果膠，提取時間2 h 以上，提取率達(dá)12%。姜竹茂等[6]通過浸提法從豆渣中制取可溶性膳食纖維，確定了直接水浸提法的最佳提取條件為提取溫度100 ℃、自然pH、提取時間10 min、加水量25 mL/g。在此條件下，可溶性膳食纖維提取率由原來的6.55%提高到11.34%，增加了近一倍。

有學(xué)者提出，浸提法破壞了多糖結(jié)構(gòu)中相對較弱的糖苷鍵，導(dǎo)致細(xì)胞膨脹和破裂，從而增加細(xì)胞的表面積，改變多糖的性質(zhì)[7]。而且，浸提溫度升高對膳食纖維造成的影響很大，會導(dǎo)致質(zhì)量大幅下降。浸提法提取率低于酶法或化學(xué)法。因此，有時此法會與酸性介質(zhì)、溶劑、螯合劑或新技術(shù)結(jié)合，有助于從細(xì)胞壁中釋放膳食纖維。

1.1.2 超聲法

超聲法是指利用超聲波輔助提取膳食纖維，與傳統(tǒng)的提取方法相比，效率更高。超聲波制造了一個連續(xù)的從高到低的壓力周期，制造小氣泡，氣泡猛烈破裂引起氣蝕，這種現(xiàn)象產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切力，使溶劑在固體中穿透的更深，從而增加了擴(kuò)散速率。這個過程會導(dǎo)致植物組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞，溶劑更易達(dá)到細(xì)胞內(nèi)部，從而有效地釋放細(xì)胞成分[8]。

陳瓊玲等[9]采用超聲波法提取紅薯葉中的膳食纖維，最佳提取條件為檸檬酸4%，液料比35:1（mL/g），超聲波功率240 W，超聲時間21 min，提取溫度60 ℃，膳食纖維得率4.37%。盧忠英等[10]以油茶枯為試驗材料，采用超聲輔助法提取油茶枯中的非水溶性膳食纖維，結(jié)果表明：超聲功率強(qiáng)度450 W，液料比25:1（mL/g），超聲溫度60 ℃，超聲時間40 min，在該條件下提取的油茶枯膳食纖維得率可達(dá)69.11%。

1.1.3 高壓法

食品高壓處理或高壓食品加工技術(shù)（High pressure processing，HPP） 又 稱 超 高 壓 殺 菌 技 術(shù)（Ultra-high pressure processing，UHP）、 超 高 壓 技 術(shù)（Ultra-high pressure，UHP）、高靜壓技術(shù)（High hydrostatic pressure，HHP），通常是用100 MPa 以上（一般100～1 000 MPa）的壓力（一般為靜水壓），在常溫或較低溫度（一般低于100℃）條件下，作用于包裝或無包裝的液體及固體食品，從而達(dá)到滅菌、物料改性和改變食品某些理化反應(yīng)速率的效果。由于該技術(shù)是一個純物理過程，具有瞬間壓縮，作用均勻，操作安全，能耗低，處理過程不伴隨化學(xué)變化，有利于食品色香味形的保持及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)[14]。

作為一種極具發(fā)展?jié)摿Φ氖称贩菬峒庸ぜ夹g(shù)，高壓法可以和許多傳統(tǒng)技術(shù)聯(lián)合使用發(fā)揮更好的作用。例如與化學(xué)處理、機(jī)械處理、微生物發(fā)酵或酶法結(jié)合后用于膳食纖維的改性便是目前的熱點(diǎn)。涂宗財?shù)萚15]以豆渣為原料，研究發(fā)現(xiàn)單純以發(fā)酵法或瞬時高壓法（IHP）分別可提高SDF 含量到15%、35%以上，而在發(fā)酵處理的基礎(chǔ)上，利用超高壓均質(zhì)技術(shù)進(jìn)一步處理和改性，SDF 含量最高可達(dá)37%以上。表明發(fā)酵處理可降低SDF 的提取難度，節(jié)約均質(zhì)能源，并減少膳食纖維對設(shè)備的破壞，使得超高壓均質(zhì)處理提高SDF 含量更加容易。

高壓法已經(jīng)成為提取可溶性膳食纖維的新興技術(shù)。高壓處理法不同于常規(guī)的熱處理，具有均勻和瞬時的效果，同時該方法的主要優(yōu)勢是處理時間短。Mateos-Aparicio 等[11]利用高靜壓技術(shù)改善了大豆豆渣中膳食纖維的功能。經(jīng)高壓處理后，豆渣中可溶性膳食纖維的含量由原來的2.08%提高到16.86%，可溶性膳食纖維占總膳食纖維的比例由原來的4.6%提高到37.2%，膳食纖維的持水力、膨脹力、持油力分別從原來的6.84 g/g、9.09 mL/g、3.78 g/g 增加到12.56 g/g、12.92 mL/g、7.97 g/g。劉成梅等[16]利用高壓均質(zhì)技術(shù)（High Pressure Homogenization Technology，HPH）對豆渣膳食纖維改性后發(fā)現(xiàn)，膳食纖維的粒度變細(xì)，IDF 含量有所減少，并隨壓力的增大而減少的越多，相反SDF 含量有所增加，但增加幅度隨壓力的增大而變小。Tu 等[17]以豆渣為原料研究發(fā)現(xiàn)，用HPH 技術(shù)改性后，SDF 含量可提高10%～28%，并隨處理壓力的升高而增大。趙健等[18]利用HHP 技術(shù)對紅薯渣膳食纖維處理后發(fā)現(xiàn)其化學(xué)結(jié)構(gòu)基本沒有變化，但會使纖維比例發(fā)生改變，SDF 含量減少，IDF 含量增加。

1.2 化學(xué)法

化學(xué)分離方法是指將粗產(chǎn)品或原料干燥、磨碎后采用化學(xué)試劑提取而制備成各種膳食纖維的方法，主要包括水提法、酸法、堿法和絮凝劑法等。經(jīng)過化學(xué)試劑處理后，再通過離心、過濾并輔以乙醇等有機(jī)溶劑，還可將可溶性膳食纖維與不溶性膳食纖維進(jìn)一步分離[19]?；瘜W(xué)法的主要缺點(diǎn)是時間和溫度等處理條件可能會損壞多糖的官能團(tuán)，導(dǎo)致膳食纖維的功能喪失。

日本不二公司以豆渣為原料，用含30%～70%堿性水溶液的親水性有機(jī)溶劑乙醇進(jìn)行抽提，再用酸中和、壓榨、脫水、干燥得到固體多糖，產(chǎn)品為無臭、無味的白色粉末。從豆渣中提取出的大豆多糖含膳食纖維60%。李澤珍等[19]選用的原料為紅薯渣，借助堿化學(xué)法提取膳食纖維，對最優(yōu)工藝進(jìn)行了明確，即料液比為1:6，堿濃度為10.0 g/L，提取溫度75 ℃，提取時間45 min，在此條件下，膳食纖維提取率可達(dá)70.25%。

1.3 酶法

酶法是用多種酶逐一除去原料中除膳食纖維以外的其它組分，主要是蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉等物質(zhì)?；瘜W(xué)法制備出的膳食纖維中會含有一些蛋白質(zhì)和淀粉，相比化學(xué)法而言，酶法得到的膳食纖維更加純凈，含的雜質(zhì)相對較少。常用的酶主要有淀粉酶、蛋白酶、半纖維素酶、阿拉伯聚糖酶等。酶法提取成功地克服了一些酸處理方法的缺點(diǎn)，如低pH、酸腐蝕、需要中和以及去除過程中產(chǎn)生大量的廢物等，但幾乎所有的酶法提取都需要較長的反應(yīng)時間。

李建周等[20]借助酶法來提取豆渣中的膳食纖維，確定了最優(yōu)工藝：蛋白酶、α-淀粉酶以及糖化酶的酶解溫度分別為50、70、50 ℃，酶解時間分別為5 h、1 h、30 min，用量分別為25、6 與5 mg/g，在此條件下，膳食纖維的提取率可達(dá)80.13%。

1.4 微生物發(fā)酵法

發(fā)酵法是利用微生物發(fā)酵，消耗原料中的碳源、氮源，除去原料中的植酸，減少蛋白質(zhì)、淀粉等成分，制取可溶性膳食纖維。采用發(fā)酵法生產(chǎn)的膳食纖維在色澤、質(zhì)地、氣味和分散程度上均優(yōu)于化學(xué)法，且比化學(xué)法提取得到的膳食纖維有較高的持水力和得率[11]。

趙泰霞等[21]以新鮮豆渣為原料，以保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌（1:1）為發(fā)酵劑，利用發(fā)酵法來提取大豆膳食纖維。結(jié)果表明，最佳工藝條件為發(fā)酵時間30 h，發(fā)酵劑接種量5%，3%脫脂奶粉+0.5%白砂糖，發(fā)酵溫度41℃，提取的膳食纖維得率為75.6%，成品呈淺黃色，無豆腥味、并有一股淡淡的特殊香味。

2 膳食纖維在食品中的應(yīng)用

膳食纖維被稱為“第七大營養(yǎng)素”，大量研究證實(shí)了其具有降血壓、降血脂、通便潤腸等功能，對特殊人群的治療具有輔助作用。在歐美發(fā)達(dá)國家早已將膳食纖維運(yùn)用到食品中，在20 世紀(jì)80 年代，美國將膳食纖維作為一種功能性食品配料運(yùn)用于食品工業(yè)，并制成各種各樣富含膳食纖維的糕點(diǎn)、飲品、果醬等。

2.1 在焙烤食品中的應(yīng)用

在焙烤食品中使用的膳食纖維主要來源于谷物、果蔬，膳食纖維在小劑量添加范圍內(nèi)對面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和面團(tuán)有一定的改良作用，能延緩面包陳化率，增大面包和糕點(diǎn)體積，改善餅干咀嚼性，滿足人們對高膳食纖維、低能量焙烤食品的需求[22]。

劉忠萍等[23]對大豆膳食纖維的研究發(fā)現(xiàn)，在面包中加2%～5%的大豆膳食纖維可改善面包蜂窩狀組織，增大體積；在饅頭中添加面粉量6%左右的大豆膳食纖維，可增強(qiáng)面團(tuán)力、口感好，有特殊香味；在餅干、糕點(diǎn)中也可以加入大豆膳食纖維，吸附大量水分，能夠通過保持水分來延長產(chǎn)品的貨架期。王世寬等[21]對麥麩膳食纖維的研究中，發(fā)現(xiàn)面團(tuán)的吸水率及穩(wěn)定時間隨膳食纖維添加量的增加而升高，弱化度隨其添加量的升高而下降，這表明麥麩膳食纖維的加入可顯著增強(qiáng)面粉的筋力。

2.2 在肉制品中的應(yīng)用

肉類中含有豐富的營養(yǎng)價值，能為人們提供優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)、多種礦物質(zhì)以及維生素；但是肉類食品中脂肪和膽固醇含量高且缺乏膳食纖維，將膳食纖維添加到肉制品中不僅可以提高肉制品的持水能力和乳化穩(wěn)定性，還可以增加肉制品的保健功能。

魏決等[24]將從蘋果皮渣中獲得的可溶性及非可溶性膳食纖維用于灌腸的制作中，通過對產(chǎn)品的感官評定和物性測定，分析不同比例的蘋果膳食纖維在灌腸中的最佳添加量，結(jié)果表明：SDF 添加量為1%或混合膳食纖維（SDF:IDF=1:1）添加量為1%時，灌腸的嫩度、咀嚼性和黏性使風(fēng)味達(dá)到最佳。胡勝杰等[12]通過單因素試驗和正交試驗，研究了玉米膳食纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)、大豆分離蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)對肉丸品質(zhì)和出品率的影響。結(jié)果表明，肉丸配比中大豆分離蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%、玉米膳食纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～6%時，肉丸感官品質(zhì)較好，出品率最高可達(dá)182.68%。

2.3 在乳制品中的應(yīng)用

在乳制品中加入膳食纖維能同時滿足人們對蛋白質(zhì)、脂肪等動物性營養(yǎng)成分和膳食纖維等植物性營養(yǎng)成分的需求，能進(jìn)一步提高乳制品的營養(yǎng)價值和應(yīng)用范圍。膳食纖維在乳品中的作用如下：一是可以改善乳品口感，提高穩(wěn)定性，且不與其中任何成分發(fā)生對人體不利的理化反應(yīng)；二是長期飲用含有膳食纖維的乳品，能使腸道舒暢，并可降低膽固醇、調(diào)節(jié)血脂、血糖，特別適于中老年人[25]。

司俊玲等[26]在鮮奶中添加燕麥膳食纖維，采用丁二酮乳酸鏈球菌、嗜熱鏈球菌和嗜酸乳桿菌為混合發(fā)酵劑，研究出一種新型添加燕麥膳食纖維的凝固性乳制品。試驗結(jié)果表明，在溶液pH 7.0 條件下，添加量l.5%的α-淀粉酶，酶解溫度65 ℃，時間40 min，燕麥麩皮膳食纖維的提取率達(dá)62.92%；發(fā)酵液最佳組合為：2.0%膳食纖維，6.0%蔗糖，0.4%CMC；混合發(fā)酵劑最優(yōu)組合為：0.5%丁二酮乳酸鏈球菌，0.7%嗜熱鏈球菌，1.2%嗜酸乳桿菌；在發(fā)酵4 h、溫度42 ℃、接種量5%的條件下，燕麥膳食纖維凝固性酸乳風(fēng)味獨(dú)特，感官效果最佳。李華麗等[27]通過單因素試驗研究了甜味劑、酸味劑、玉米皮SDF 的用量對乳飲料產(chǎn)品感官品質(zhì)的影響，確定了甜味劑為白糖4%、安賽蜜0.01%、甜蜜素0.04%，酸味劑為檸檬酸0.2%、蘋果酸0.1%、乳酸0.1%，玉米皮SDF 添加量8%。通過正交試驗研究了幾種單體穩(wěn)定劑對產(chǎn)品穩(wěn)定性的影響，確定了復(fù)合穩(wěn)定劑為CMC-Na 0.35%、黃原膠0.08%、PGA 0.03%、復(fù)合磷酸鹽0.02%。

2.4 在飲料中的應(yīng)用

飲料在世界范圍內(nèi)銷量巨大，種類豐富，隨著社會的發(fā)展，其在人們?nèi)粘Ｉ钪性絹碓绞艿綒g迎。飲料主要有乳飲料、碳酸飲料、功能飲料和茶飲料等幾大類。將膳食纖維添加到飲料中也是一種增加膳食纖維攝取量的有效方法。膳食纖維添加到飲料中要考慮膳食纖維對飲料口感、色澤和穩(wěn)定性等方面的影響。目前膳食纖維飲料制品的研究主要是在飲料配方中添加膳食纖維，在保證飲料口感、色澤和穩(wěn)定性的前提下，尋求膳食纖維的最大添加量。將膳食纖維添加到飲料中，研制出的新品種飲料具有良好的穩(wěn)定性、乳化性，符合低熱、低脂肪、低糖的健康食品標(biāo)準(zhǔn)，既能改善飲料營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，又能豐富飲料的種類。郭健等[28]以麥麩為原料提取膳食纖維，再接入乳酸菌進(jìn)行發(fā)酵，經(jīng)調(diào)配、均質(zhì)制成了一種新型的功能性麥麩膳食纖維乳酸活菌飲料。

3 小結(jié)

我國的膳食纖維來源廣、數(shù)量大、價格低廉，因此，要大力發(fā)展膳食纖維行業(yè)，研發(fā)符合人們需求的膳食纖維食品。膳食纖維食品的開發(fā)利用研究不斷發(fā)展，科研工作者正在不斷努力尋求新的處理方法和研究手段，超微粉碎技術(shù)、擠壓膨化技術(shù)、高溫瞬時熱處理等技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于提取出品質(zhì)更高的膳食纖維。雖然科研工作者已經(jīng)在膳食纖維食品的開發(fā)利用上做了大量的研究，但在國內(nèi)市場上可供消費(fèi)者選擇的食用方便、口感美味、具有吸引力的膳食纖維食品還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還有許多工作要做。另外，膳食纖維食品在市場上還處于起步階段，沒有形成穩(wěn)定的消費(fèi)人群，這就需要進(jìn)一步挖掘膳食纖維的潛在價值，加大宣傳力度，讓膳食纖維食品真正走進(jìn)消費(fèi)者的日常生活，真正為消費(fèi)者所接受，這是我們今后需要努力的方向。膳食纖維食品的開發(fā)研究不僅可以改善人們的飲食習(xí)慣，優(yōu)化人們的飲食結(jié)構(gòu)，而且能使農(nóng)副產(chǎn)品增值，促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高。