豆渣水溶性膳食纤维提取工艺的研究现状与展望*

张 慧，肖志刚，王 东

（1.东北农业大学，哈尔滨 150030；2.黑龙江畜牧兽医职业学院，黑龙江 双城 150111）

膳食纤维（dietary fiber，简称DF）是指不易被人体消化吸收的，以多糖类为主的大分子物质的总称，是由纤维素、果胶类物质、半纤维素和糖蛋白等物质组成的聚合体。随着科学的进步，人们逐渐认识到，摄取食物过于精细会导致多种疾病的发生，而食用富含膳食纤维的食品则可大大降低发病率。因此，20世纪70年代开始，西方一些国家就已经重视对膳食纤维的研究，我国在进入90年代以来对膳食纤维的研究和开发工作也开始蓬勃发展起来。

膳食纤维的主要生理功能有整肠、通便、防治肠道疾病和便秘，还能够调控血清胆固醇，降血压，防治心血管疾病，降血糖，以及预防肥胖等。国内外近几年关于豆渣水溶性膳食纤维的研究也在逐渐增多，主要研究物理法、化学法、生物技术法和多种方法的结合来提高豆渣中水溶性膳食纤维的含量，以及提取豆渣水溶性膳食纤维的工艺条件，从而制备出高活性、高含量的豆渣水溶性膳食纤维。通过对豆渣营养成分的测定发现，豆渣含有丰富的膳食纤维，约为60%[1]，合理开发利用这一资源生产豆渣水溶性膳食纤维，对提高大豆资源的利用率具有重要实际意义。

1 膳食纤维的分类

根据膳食纤维的溶解性可分成水溶性膳食纤维（SDF）和不溶性膳食纤维（IDF）。水溶性膳食纤维是指不能被人体消化道分泌的消化酶所消化，但可溶于温水或热水，且其水溶液又能被相当于四倍乙醇再沉淀的那部分膳食纤维[2]。水溶性膳食纤维主要有植物细胞内的储存物质和分泌物，其组成主要有一些胶类物质，如：果胶、阿拉伯胶、交叉胶、瓜儿胶等，以及半乳甘露聚糖、葡聚糖等。水溶性膳食纤维具有很高的生理活性，具有不同的功能，例如可作为分散剂、乳化剂、稳定剂、黏附剂[3]。因此，它不仅可以作为纤维强化食物的膳食粗原料，也可以用作制药以及工业上的添加剂。

2 膳食纤维的改性

膳食纤维有很好的生理作用，且其中很多重要的生理作用都与其SDF有很大的关系。许多天然存在的膳食纤维资源中水溶性膳食纤维所占比例很少，无法达到膳食平衡要求。近年来国际营养学家一直致力膳食纤维的改性研究。目的是使膳食纤维中的大分子组分的连接键断裂，转变成小分子成分；部分不溶性成分转变成可溶性成分；使致密的空间网状结构转变为疏松的空间网状结构。实验证明经过改性的膳食纤维，其功能得到了强化，应用范围得到了拓宽。目前，应用于提取豆渣水溶性膳食纤维的工艺主要有以下3种：物理法、化学法及生物技术法。

2.1 物理方法

在许多原料（特别是豆渣）中，总膳食纤维（TDF）含量很高，但水溶性膳食纤维含量比较低。通过挤压膨化、超高压均质、超声等处理，可以提高水溶性膳食纤维的含量。其机理是：通过挤压膨化、超高压均质、超声等过程中的高速撞击、高速剪切、激波振荡、空穴爆炸等作用，使较大分子量的不溶性膳食纤维，如：纤维素、半纤维素、木质素等大分子的糖苷键熔融或断裂，转化为水溶性聚合物，部分不溶性膳食纤维转化为非消化性的水溶性膳食纤维[4]。

2.1.1 挤压蒸煮法 挤压蒸煮技术是使物料在挤压膨化设备中受到高温、高压、高剪切作用，从而使物料内部的水分在短时间内迅速汽化，纤维物质分子间和分子内空间结构扩展变形，并在挤出膨化机出口的瞬间由于突然失压造成物料结构发生变化，形成疏松多孔的状态。将物料送入挤压蒸煮机中，在高温、高压条件下进行挤压、剪切等处理，不但改善了物料的色泽和风味，更重要的是由于高温、高剪切力作用使得大分子量的不溶性纤维组分的部分连接键断裂转变成为较小分子量的水溶性膳食纤维。水溶性膳食纤维增加的量与半纤维素减少的量成正相关，原因是部分半纤维素（如阿拉伯木聚糖）及不溶性果胶类物质会发生熔断现象或断裂部分连接键，转变成为水溶性聚合物，使SDF含量增加到10%～16%，但是挤压过程基本上对豆渣纤维素的结晶性质没有影响。

马毓霞[5]等采用挤压膨化方法对大豆膳食纤维进行了多功能活化，其可溶性纤维、持水力、膨胀力等均有不同程度的提高；特别是可溶性纤维（SDF）含量由对照的2.4%提高到14.26%以上。钱建亚等[6]使用BC21型双螺杆挤压机，在180℃、15%水分、螺杆转速250r/min条件下，可使SDF含量达到10.03%。豆渣经上述挤压条件处理，其可溶性膳食纤维含量得到显著提高，物化特性得到明显改善，生理功能特性得到增强。

2.1.2 瞬时高压技术 瞬时高压作用（IHP）可显著提高可溶性膳食纤维的含量，其原理[7,8]是：在高压均质处理的过程中，利用高速撞击、高速剪切、激波振荡、空穴爆炸、膨化等一系列作用，使较大分子量的不溶性膳食纤维如纤维素、半纤维素、木质素等大分子的糖苷键断裂，部分不溶性膳食纤维转化为非消化性的可溶性膳食纤维，即SDF/TDF值增大。

刘成梅等[9]采用以微射流均质机为物质基础的瞬时高压作用，对豆渣的膳食纤维进行物理机械处理，获取了瞬时高压作用处理前后膳食纤维可溶性受到的影响。物料经40MPa高压均质处理和经100MPa和120MPa微射流均质处理后，其可溶性膳食纤维的含量分别为7.08%、17.51%、24.76%，总膳食纤维含量分别为63.87%、72.19%、69.78%，可溶解性膳食纤维（SDF）含量与总膳食纤维（TDF）含量比值分别为0.1109、0.2424、0.3548，由此可见，经瞬时高压处理后，样品膳食纤维总含量和可溶性膳食纤维的含量均有所增加。

2.1.3 超声波 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率范围为2×104～109Hz[10]。超声波在物质介质中形成介质粒子的机械振动，可引起与媒质的相互作用，在液体内的作用主要来自超声波的热作用、机械作用和空化作用[11]。其热作用可使介质吸收超声波能量转变成热能，使自身温度升高；其机械作用可使介质膨胀、压缩，并具有速度和加速度；其空化作用可产生瞬时的高温、高压，且空化泡的塌陷产生强烈的机械作用，在液体中产生强大的冲击波，在固体界面附近产生快速射流和声冲击。超声波降解大分子物质主要机理是机械性断键作用及自由基氧化还原反应。超声波机械性断键作用是由于物质的质点在超声波中具有极高的运动加速度，产生激烈而快速变化的机械运动，分子在介质中随着波动的高速振动及剪切力作用而降解。自由基和热造成的机械剪切对分子量较低的大分子物质较有效，而机械效应对高分子物质效应更为显著，且随分子量增加而增加[12]。

2.2 化学方法

化学方法是采用酸、碱等化学试剂控制适当pH、温度和反应时间使糖苷键断裂，产生新的还原性末端，使纤维类大分子的聚合度下降转化成非消化性的水溶性多糖。酸碱处理能使水溶性膳食纤维含量得以较大地提高，且成本较低，易于实现大型生产，但是需大量的水洗从而造成水溶性膳食纤维大量损失，酸碱处理还存在转化率低、反应时间长、副反应较多、工艺过程复杂、温度较高、对设备要求较高等不利因素[13-16]。

2.2.1 酸法 纤维中纤维素、半纤维素的糖苷键对酸的稳定性差，只要在适当的pH、温度及时间下，它们就会发生水解，说明酸是一种催化剂，它可以降低糖苷键断裂的活化能，加快其水解速度，产生新的还原性末端，使聚合度下降，使膳食纤维中IDF转变为SDF。

Furuta等[17]在pH 2.0、100℃条件下，提取1.5h使豆渣中SDF的含量大幅提高。在pH 3.0条件下提取4.5h，SDF含量为8%左右[5]。孙保华[18]、陈正宏[19]等采用1mol/L的盐酸调酸，使pH在3～5之间，80～100℃的热水处理后，再用1mol/L的氢氧化钠调pH至中性，烘干粉碎后得到色泽较白、无腥臭味的大豆膳食纤维产品。

2.2.2 碱法 碱性降解包括碱性水解反应和剥皮反应两种类型，与上述酸性水解相同，碱性水解也需在适当pH、温度和时间下糖苷键断裂，聚合度下降。另外，在碱性溶液中，即使是在很温和的条件下，纤维素和半纤维素都会发生剥皮反应，具有还原性末端的糖基逐个分解下来，直到产生末端基转变为偏变糖酸基的稳定反应为止，分解下来的糖基在溶液中最后转变为异变糖酸，并以其钠盐形式存在于溶液中。但是，尽管二者都使膳食纤维聚合度下降，但由于异变糖酸钠盐数量的提高制约了IDF向SDF的转变，因此使得碱解SDF得率较酸解差些。

孙云霞[20]利用Na2CO3溶液提取大豆豆渣中的水溶性膳食纤维，经研究发现，将5g湿豆渣置于75mL、4%的Na2CO3溶液中，水浴加热至90℃，浸提60min，可得到产率为41.86%的水溶性膳食纤维。华欲飞[21]等人报道了碱性过氧化氢能改变豆渣纤维的物理化学性质，色泽、持水性、溶胀性等指标显著改善。可以得到膳食纤维含量达94%、色浅、无异味的功能性大豆纤维，其持水能力是本身重量的12倍，充分溶胀后体积增加24倍。钱建亚和丁宵霖[22]研究了酸碱作用对膳食纤维组成的影响，发现酸碱处理可以提高SDF的含量，酸碱强度和用量与半纤维素向水溶性纤维的转化率成正相关。但酸碱对纤维素的作用受到限制。

2.3 生物技术法

2.3.1 酶法 采用化学方法制备的膳食纤维还含有少量的蛋白质和淀粉，要制备极纯净的膳食纤维必须结合酶处理。酶法主要是通过蛋白酶除去蛋白质，淀粉酶溶解淀粉，利用纤维素酶分解不溶性膳食纤维中的纤维素成分，生成小分子量的单糖或寡糖，从而可增加可溶性膳食纤维的产率[5，23-24]。

马毓霞等人[5]报道采用纤维蛋白酶novo44055对豆渣进行功能活化，酶对糖苷键的催化作用较强，在温和的条件下即发生明显反应。经酶处理后，SDF的得率为10.8%，持水力为7.75%，膨胀力为4.22%。刘昊飞等人[25]将0.5%的Viscozyme L复合纤维素酶添加到豆渣中，调节反应溶液pH为5，于50℃下反应1.5h，豆渣SDF得率为10.45%。

2.3.2 发酵法 发酵法是利用微生物发酵，消耗原料中的碳源、氮源，以消除原料中的植酸，减少蛋白质、淀粉等成分[5]，通过产酸或酶类的作用，提高SDF的含量，但是过度的水解也可能对其功能性造成影响[26,27]。发酵法生产过程简便，成本低廉，产品无异味易于实现工业化，制取的膳食纤维其蛋白质、粗纤维、乙醚提取物（主要为黄酮类化合物）的含量高且其持水力显著高于化学法制取的膳食纤维的持水力。其中，利用乳酸菌发酵产酸制备豆渣SDF，是使豆渣处在酸性环境下，糖苷键发生断裂，产生新的还原末端，使IDF转化为SDF[28]。霉菌发酵豆渣是通过菌体分泌纤维素酶、半纤维素酶类等物质，使IDF的糖苷键断裂，生成小分子多糖，转化为SDF，从而改善膳食纤维的生理活性。

姜竹茂[29]等人将绿色木霉接种于豆渣后，因绿色木霉可以产生大量C1、CX、纤维素酶、淀粉酶等，将部分不溶性膳食纤维和淀粉迅速分解成单糖或寡糖及其他成分，所以，可溶性膳食纤维产率明显上升，30℃摇床培养72h后，SDF产率为11.06%。

3 展望

随着人们生活水平的不断提高，饮食日趋精细，人们已逐渐认识到水溶性膳食纤维的生理功能，水溶性膳食纤维的提取工艺必然会成为功能性食品的研究热点之一，研究的发展趋势将主要是以下几个方面：①膳食纤维分离制备方法的研究，由于不同的加工方法对膳食纤维产品的理化性质和生理功能有明显影响，如反复用水浸泡冲洗和频繁的热处理会明显减少膳食纤维终产品的持水力和膨胀力，这样不仅会恶化其工艺特性，而且会影响其生理功能的发挥。因此，采用较为温和的工艺方法和高新技术提取分离膳食纤维是今后膳食纤维的研究方向之一；②膳食纤维的工业化生产的研究，如何将膳食纤维这一长期被忽视的宝贵资源充分利用起来，不仅要求其应用范围的拓宽，更要求将膳食纤维产品以工业化规模开发出来，使之有经济上的可行性，提高膳食纤维开发利用的经济价值，也是研究方向之一。

总之，随着人们对水溶性膳食纤维营养价值认识的提高，以及国内外对水溶性膳食纤维的深入研究，豆渣水溶性膳食纤维的开发应用将具有重要的现实意义和广阔的市场前景。

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