膳食纤维挤压改性研究进展

房岩强 杨海莺 谢 天 任晨刚 左乃北 丁庆波

(中粮营养健康研究院 营养健康与食品安全北京市重点实验室，北京 102209)

膳食纤维挤压改性研究进展

房岩强 杨海莺 谢 天 任晨刚 左乃北 丁庆波

(中粮营养健康研究院 营养健康与食品安全北京市重点实验室，北京 102209)

随着人们生活水平和健康意识的不断提高，对高膳食纤维含量食品的需求和青睐度越来越高。为提高天然膳食纤维的品质，膳食纤维改性技术和方法的研究备受关注。其中，挤压是实现食品原料中膳食纤维改性最为理想的技术之一。在分析相关文献的基础上，从溶解性、持水力、膨胀力以及微观结构4个方面，综述了膳食纤维在挤压过程中发生的变化。同时，综述了挤压温度、机械剪切强度和含水量3个主要挤压因素对膳食纤维特性的影响规律。最后对膳食纤维挤压改性研究中存在的问题进行总结，对挤压技术在膳食纤维改性中的应用前景进行了展望。

螺杆挤压技术 膳食纤维 理化特性

膳食纤维(Dietary Fiber，DF)是指能抗人体小肠消化吸收的而在人体大肠中能部分或全部发酵的可食用的植物性成分、碳水化合物及其相类似物质的总和，包括多糖、寡糖、木质素以及相关的植物物质[1]。根据溶解性，DF可分为可溶性膳食纤维(Soluble Dietary Fiber，SDF)和不溶性膳食纤维(Insoluble Dietary Fiber，IDF)。应用过程中，DF较好加工特性、生理活性和保健功能的发挥不仅与其添加剂量有关，更与其组成中SDF的比例密切相关。高品质的DF，其组成中SDF含量应达到10%以上；否则只是一种无能量填充剂[2-3]。另外，SDF与IDF的比例为1∶3时，DF组成合理，能够最佳地发挥DF的生理功能[4-5]。但是，天然存在的纤维中大部分为IDF，SDF含量一般仅占3%～4%，远低于高品质DF的要求。因此，通过改性提高天然纤维中SDF的含量为国内外学者所关注。常见的DF改性方法包括化学法、机械降解法、微生物发酵法、酶法以及几种方法相结合的混合处理法。

挤压法为机械降解法之一，与其他方法相比，挤压法集物料的均质、破碎、熔融、杀菌和熟化等一系列复杂操作单元于一体，能在短时间内实现部分大分子聚合物直接或间接转化为SDF。且高纤维物料经挤压处理后，还可改良色泽与风味，钝化部分能引起不良风味的分解酶，进而改善挤压产品的稳定性和风味，因此，在工业化生产中，DF改性一般采用挤压改性方法[6]。在挤压热力场、机械能场以及高压作用下，维持纤维素束状结构的氢键遭到破坏，其致密空间网络结构转变为疏松网络空间结构，纤维分子的结晶度降低，晶粒尺寸减小，纤维分子微粒化；同时，由于纤维素大分子具有极性和方向性，在挤压能量场的作用下，纤维晶粒的取向程度增加[3，5，7-8]。宏观上，表现为纤维素溶解性、持水力和膨胀力等特性的变化。本研究总结和论述了挤压过程中DF特性及结构的变化规律，以期为控制挤压过程中DF特性的改变及优化DF挤压改性的工艺提供参考。

1 对膳食纤维溶解性的影响

IDF主要作用于肠道产生机械蠕动效果，而SDF更多地发挥代谢功能，如影响可利用碳水化合物和脂类的代谢[8]。因此，提高DF的水溶性，即提高SDF的组成比例是提高DF生理功能的重要途径，这也是应用挤压工艺改性DF的主要目的之一。

有关DF在挤压过程中溶解性的变化，前人已进行了较多研究[9-12]。尽管挤压设备和原料有所不同，但研究结论较为一致，认为挤压可有效提高DF组成中SDF的比例，提高幅度在2.5%～15%。Bjöorck等[13]较早开展了挤压对小麦DF影响的研究，结果表明，挤压处理后，小麦粉SDF的比例可增加10%～15%[14]。同时，Björck等[13]和Aoe等[15]都发现小麦粉挤压后增加的SDF能改善纤维的消化率。Wang等[16]使用Wenger TX-52双螺杆挤压机，对挤压前后小麦麸皮SDF含量的变化研究后发现，经过喂料速度1.3 kg/min、挤压温度141 ℃、含水量21.8%、螺杆转速400 r/min的工艺挤压后，小麦麸皮SDF含量由1.72%增加至4.25%，增加了2.53%。Zhang等[17]在含水量10%、挤压温度140 ℃条件下，分析了挤压对燕麦麸皮SDF的影响。结果表明，挤压后燕麦麸皮SDF含量由8.9%增加至14.2%，提高了5.3%。侯汉学等[18]在山东济南赛信DS56-X双螺杆挤压机平台上，也进行了挤压对麦麸DF改性的研究。结果表明，经过含水量25%、螺杆转速800 r/min、挤出机出料口温度190℃的挤压工艺处理后，麦麸纤维中可溶物含量提高了10%。许晖[19]使用Clextral BC 45双螺杆挤压机，在挤压温度150 ℃、含水量17.5%、螺杆转速150 r/min条件下，研究了挤压对米糠DF的影响。结果表明，挤压后米糠SDF含量由2.80%增加至15.58%，增加了12.78%。

1.1 挤压温度对膳食纤维溶解性的影响

挤压过程中物理、化学反应的剧烈程度随挤压条件的不同而发生变化。对于挤压工艺参数与DF溶解特性的变化关系，前人已进行了较多探讨，发现挤压温度是影响DF溶解性的重要因素。Jing等[20]在山东济南赛信DS56-Ⅲ双螺杆挤压机平台上，分别对70、90、110、130和150 ℃挤压处理后大豆残渣SDF含量进行了测定，结果表明，当挤压温度小于110 ℃时，温度对SDF含量存在正影响；当挤压温度高于110 ℃时，温度对SDF含量存在负影响。分析认为，温度过高时，可能会引起物料的焦糊和团聚，从而降低SDF含量，最佳挤压温度为115 ℃。徐红华等[21]分别对90、110和130 ℃挤压处理后的稻麸中SDF含量进行了测定。与Jing等[20]有类似发现，稻麸挤出物中SDF的含量随挤压温度提高明显增加，但温度过高时，增加趋势会降低。单成俊等[3]使用济南山工DS32-Ⅲ双螺杆挤压机，分别对110、150、190和230 ℃挤压处理后甘薯渣中SDF含量进行了测定。结果表明，SDF含量在各温度处理后都有显著增加，分别增加了111%、168%、155%和113%，优化的最佳挤压温度为159.7 ℃。谢碧霞等[5]以Clextral BC45双螺杆挤压机的研究表明，当挤出物的温度由103 ℃升高到115 ℃时，蔗渣纤维中SDF含量由8.3%升高到12.9%，提高了4.6%；进一步提高挤出物温度至118 ℃，蔗渣纤维SDF含量降低至12.6%。可见，挤压温度对挤出物中SDF含量的影响存在阈值，该阈值由挤压原料、设备等参数共同决定。当挤压温度小于该阈值时，温度对SDF含量存在正影响；当温度大于该阈值时，温度对SDF含量存在负影响。一般认为，挤压温度控制在115～160 ℃之间对提高SDF含量最为适合。

1.2 机械剪切强度对膳食纤维溶解性的影响

挤压过程中，SDF含量的变化同时受到机械剪切强度的影响。机械剪切的强度可通过单位机械能耗(Specific Mechanical Energy，SME)表征。Ralet等[8]发现，当SME由232 kW·h/t升至386 kW·h/t，小麦麸皮SDF含量由10.8%升高至16.0%。郑建仙等[22]发现，当SME由181 kW·h/t升至231 kW·h/t，蔗渣SDF含量由8.2%升高至11.3%。可见，机械剪切强度对SDF含量有显著正影响。前人有以螺杆转速表征机械剪切强度，研究其与SDF含量的关系。单成俊等[3]发现，当螺杆转速由60 r/min升高到150 r/min时，甘薯渣中SDF含量由9.33%降低至7.93%，表明螺杆转速对SDF含量有负影响。徐红华等[21]也认为螺杆转速与SDF含量显著负相关。但是，Wang等[16]发现，当螺杆转速由200 r/min升至400 r/min时，小麦麸皮SDF含量由2.96%升高至4.25%。表明螺杆转速对SDF含量有正影响。谢碧霞等[5]也认为螺杆转速与SDF含量显著正相关。前人研究结论的不一致可能是由于挤压过程中，螺杆转速对SDF含量存在相反的两方面影响[23]。一方面，提高螺杆转速，物料受到的机械剪切强度增大，有利于大分子的降解，从而增加SDF含量；另一方面，提高螺杆转速，物料在挤压机机腔内的滞留时间变短，物料不能吸收足够的能量，从而不利于SDF的生成。可见，挤压过程中，以螺杆转速表征机械剪切的强度，研究SDF含量与剪切强度的关系并不合理。

1.3 挤压含水量对膳食纤维溶解性的影响

挤压过程中，含水量也是影响SDF含量的重要因素。水分是挤压物料的塑化剂，可以降低物料的玻璃化转变温度、熔融温度和熔融黏度；是挤压系统的导热剂和熟化剂，将机筒外壁电加热套和蒸汽的热能迅速传到物料内部，促进理化反应的进行。同时，水分起到润滑剂和降黏剂的作用，增加含水量将会降低物料与挤压机机筒内壁、螺杆和模口之间的摩擦，同时降低熔融体的黏度，从而降低机械剪切的强度[24]。可见，含水量过低或过高都不利于SDF含量的升高。钱建亚等[25]分别对15%、20%和25%含水量下挤压处理的大豆残渣SDF含量进行了测定。结果表明，SDF含量在各处理后都有显著增加，分别增加了281%、171%和100%。谢碧霞等[5]发现，当物料含水量由60%降低至30%时，蔗渣SDF含量由5.3%增加至12.3%。娄海伟等[26]发现，当含水量由10%升高至40%过程中，大豆残渣SDF含量呈现出先增加后降低的趋势，最适含水量为25%。Jing等[20]也有类似发现，当挤压含水量由20%升高至40%过程中，大豆残渣SDF含量先增加后降低，最适含水量为30%。一般认为，挤压水分控制在15%～30%之间对提高SDF含量最为适合。

挤压可显著提高DF组成中SDF的比例，提高幅度在2.5%～15%。挤压温度、剪切强度和含水量是影响DF溶解性的重要因素。控制挤压温度115～160 ℃，含水量15%～30%对提高SDF含量最为适合，机械剪切强度对SDF含量存在显著正影响。

2 对膳食纤维持水力的影响

持水力是评价DF生理活性和加工应用性能的一个重要指标，高持水力的DF能够增加人体排便的体积和速度，减轻直肠内压力，预防和治疗便秘、直肠癌等；另外，高持水力的DF添加于食品中能够降低食品的脱水收缩作用，延长食品货架期[26]。高品质的DF其持水力不应低于7 g/g[5]。

关于挤压过程中DF持水力的变化，前人已进行了较多探讨，研究结论较为一致，认为适宜条件下的挤压处理可显著提高DF的持水力，一般提高20%～75%。提高幅度跨度较大的原因可能是原料种类、挤压设备和挤压工艺不同所致。Ralet等[8]使用Clextral BC45双螺杆挤压机，在喂料速度32 kg/h、挤压温度100 ℃、含水量17.5%、螺杆转速250 r/min条件下，研究了挤压对小麦麸皮DF持水力的影响。结果表明，挤压后，小麦麸皮DF持水力由2.7 g/g增加至3.75 g/g，增加了39%。刘金霞等[7]使用DS32-III实验型双螺杆挤压机，在挤压温度140 ℃、螺杆转速100 r/min、含水量15%条件下，也开展了挤压对小麦麸皮DF持水力影响的研究。结果表明，挤压后，小麦DF持水力由3.48 g/g增加至4.18 g/g，提高20%。娄海伟等[26]发现，经过挤压温度160 ℃、螺杆转速175 r/min、含水量20%的挤压蒸煮工艺处理后，豆渣DF持水力由5.56 g/g上升到9.71 g/g，增加了75%。

2.1 挤压温度对膳食纤维持水力的影响

挤压过程中，DF的持水力会因挤压温度的不同而发生变化。适宜的温度条件下，物料紧密的组织结构及大分子构象被挤压过程中的多种作用力所松散、切断，使其亲水基团暴露并增多，从而产生更多的毛细孔，使水分易于渗入并被束缚，因此，其持水力增加；但温度过高，挤压强度增加，物料原有的组织结构被严重破坏(如原有的毛细孔变成大的裂缝)，反而影响了对水分的吸收，因此，导致其持水力下降[28]。Hashimoto等[29]发现，当挤压温度在150～180 ℃范围内时，温度与木薯DF的持水力呈现显著负相关关系。刘金霞等[28]建议，挤压温度控制在120～160 ℃，最有利于小麦DF持水力的提高。一般认为，为提高DF持水力，挤压温度控制在120～160 ℃之间最为适合。

2.2 机械剪切强度对膳食纤维持水力的影响

机械剪切强度对DF持水力的影响，前人也有报道。Ralet等[8]发现，当SME由232 kW·h/t升至386 kW·h/t，小麦麸皮持水力由3.75 g/g降低至2.2 g/g，后者比未挤压麸皮低19%。可能的原因是中低强度的挤压(232～316 kW·h/t)通过改善DF的结构产生了更多水分子可以渗入的气孔；而高强度的挤压(386 kW·h/t)可能导致气孔结构的塌陷。Hashimoto等[29]发现，当螺杆转速由120 r/min升至180 r/min时，木薯DF的持水力呈现出先降低后增加的趋势，以120 r/min条件下最高。Wang 等[16]发现，螺杆转速(200～400 r/min)与小麦麸皮DF持水力呈正相关关系。刘金霞等[28]发现，当螺杆转速在50～200 r/min范围时，小麦DF持水力与螺杆转速呈正相关关系；当螺杆转速在200～300 r/min范围时，小麦DF持水力与螺杆转速呈负相关关系；建议螺杆转速控制在100～250 r/min，最有利于小麦DF持水力的提高。可见，为提高DF持水力，挤压强度控制在中低机械强度最为合适。

2.3 挤压含水量对膳食纤维持水力的影响

挤压含水量对DF持水力的影响，前人研究较少。刘金霞等[28]发现，含水量对DF持水力的影响不是单一的线性相关关系；当含水量控制在15%～45%范围挤压时，小麦DF持水力最高。Ralet等[8]挤压时，含水量控制在8.7%～17.5%时较为合适。Wang等[16]挤压时，含水量控制在18.2%～21.8%。Zhang等[17]挤压时，含水量控制在10%～30%。谢碧霞等[5]认为DF改性时，水分可控制在30%～60%。分析认为，水分应根据挤压温度的高低而调节，一般控制在15%～45%范围较为合适。

适宜条件的挤压处理可显著提高DF的持水力，提高幅度可达20%～75%。控制挤压温度120～160 ℃，机械剪切中低强度，含水量15%～45%对提高DF持水力最为适合。

3 对膳食纤维膨胀力的影响

膨胀力是评价DF生理活性和加工应用性能的另一个重要指标，高品质的DF其膨胀力不应低于10 mL/g[5]。

有关挤压对DF膨胀力的影响，国外学者研究较少，国内学者进行了较多研究。结果表明，挤压可显著提高DF的膨胀力，提高幅度在6%～60%。Jing等[20]发现，经过最适条件的挤压蒸煮处理后，大豆残渣DF膨胀力由5.79 mL/g升至6.13 mL/g，增加6%。张明[30]发现，经过最适条件的挤压蒸煮处理后，小麦DF膨胀力提高16%～30%。刘金霞等[28]发现，经过最适条件的挤压蒸煮处理后，小麦DF膨胀力由3.45 ml/g增加至4.70 ml/g，提高36%。娄海伟等[26]发现，经过最适条件的挤压蒸煮处理后，豆渣DF的膨胀力从6.33 mL/g上升到9.58 mL/g，增加了51%。陈雪峰等[31]发现，经过最适条件的挤压蒸煮处理后，苹果DF膨胀力增加幅度可达60%左右。

3.1 挤压温度对膳食纤维膨胀力的影响

挤压过程中，挤压温度对DF膨胀力的影响规律与对持水力的影响规律基本一样。张艳荣等[32]认为，挤压温度超过145 ℃，挤出程度过于剧烈，物料的组织结构被严重破坏，原有的毛细孔变成大的裂缝，立体微孔网状结构出现破损，降低了纤维对水分的吸收能力，导致膨胀力和持水力的减小。张明[30]优化的小麦麸皮DF的最佳挤压温度为133 ℃。娄海伟等[26]优化的豆渣DF的最佳挤压蒸煮温度为160 ℃。刘金霞等[28]建议，挤压温度控制在120～160 ℃，最有利于小麦DF膨胀力的提高。一般认为，为提高DF膨胀力，挤压温度应控制在120～160 ℃之间。

3.2 机械剪切强度对膳食纤维膨胀力的影响

前人对于机械剪切强度和挤压含水量对DF膨胀力影响的报道较为少见。刘金霞等[28]发现，当螺杆转速在50～200 r/min范围时，小麦DF膨胀力与螺杆转速呈正相关关系；当螺杆转速在200～300 r/min范围时，小麦DF膨胀力与螺杆转速呈负相关关系；建议螺杆转速控制在100～250 r/min，最有利于小麦DF膨胀力的提高。可见，为提高DF膨胀力，挤压强度控制在中低机械强度最为合适。

3.3 挤压含水量对膳食纤维膨胀力的影响

前人对于挤压含水量对DF膨胀力影响的报道也较为少见。刘金霞等[28]发现，随着挤压含水量的不断提高，小麦DF的膨胀力不断增大；当含水量达到15%～45%范围时，小麦DF的膨胀力达到最大；当含水量超过45%，小麦DF的膨胀力随着含水量进一步提高呈现降低趋势。结果表明，含水量控制在15%～45%范围挤压时，最有利于小麦DF膨胀力的提高。

适宜条件的挤压处理可显著提高DF的膨胀力，提高范围在6%～60%。挤压温度、机械剪切强度和含水量对DF膨胀力的影响规律基本与对DF持水力的影响规律一致，这可能是国外学者较少关注挤压对DF膨胀力影响规律的原因。控制挤压温度120～160 ℃，机械剪切中低强度，含水量15%～45%对提高DF膨胀力最为合适。

4 对膳食纤维改性机理分析

根据DF结构决定其特性的理论，DF经过挤压呈现出的高溶解性、高持水力和高膨胀力等优良品质是由其微观分子结构决定的。对于挤压过程中DF微观结构的变化，前人研究主要围绕SDF的增加机理展开。一般认为，SDF的增加主要存在3种途径[33]。第1种是IDF向SDF转化，在挤压高温、高压、强剪切力下，IDF发生热力分解，导致化学键(糖苷键等)的断裂，进而形成可溶性微粒。Redgwell等[34]利用化学分馏方法，对挤压后的柑橘中的SDF进行了分析，发现条件相对温和的挤压处理引起半纤维素的降解、增溶；而条件剧烈的情况下可能引起纤维素的降解。钱建亚等[25]发现，挤压前后大豆DF水溶物与半纤维素两者相加，基本为定值，因此认为水溶物主要由半纤维素转化而来。第2种是通过转糖苷作用形成新的SDF。Vasanthan等[12]和Theander等[35]的研究都表明，挤压过程中，SDF的增加除来自IDF转化外，挤压过程产生的一些脱水化合物(1，6-脱水-D-葡萄糖单位)，能与淀粉反应，通过转糖苷作用形成葡聚糖，从而增加SDF含量。第3种是增加SDF的溶出[33]。挤压后物料粒度更加均匀，组织结构更加疏松，有利于测定过程中水溶性成分的溶出。

对于具体结构的变化，前人的研究内容主要集中在2个方面，一个是DF微观网状结构的变化；另一个是DF晶体结构的变化。陈雪峰等[31]发现，未挤压苹果DF微观网状结构表面比较光滑平整；挤压后，变得凹凸不平，分布大量小碎片。王昌涛等[36]也有类似发现，挤压前燕麦麸皮DF微观网状结构表面平滑；挤压后表面粗糙。另外，挤压后DF的微观网状结构更加明显、疏松，有利于对水的保持。挤压对DF晶体结构的影响方面，陈雪峰等[31]的研究表明，挤压过程中强挤压力和剪切力的存在，会导致纤维素的部分断裂，引起结晶区的减少。但钱建亚等[25]、金茂国等[37]、郑建仙[38]以及金征宇等[39]的研究表明，挤压对纤维素的结晶区结构没有明显影响。钱建亚等[25]认为，可能是由于原料中的蛋白质胶体在挤压过程中起了润滑或是缓冲的作用，使机械剪切不足以破坏结晶区。一般认为，常规条件下，挤压处理更多的作用于纤维素的无定形区，对结晶区没有显著影响。

5 结语

研究和明确挤压对DF特性及结构的影响规律，可为控制挤压过程中DF的改性提供参考。挤压过程中，高温、高压和强剪切作用引起DF微观网状结构的改善和IDF的降解，并最终导致DF宏观特性，如溶解性、持水力和膨胀力的显著提高。

前人基本明确了DF挤压改性的工艺条件，但是对于原料种类与DF改性程度的研究，前人鲜有涉及。原料选择是影响食品新产品开发和工业生产的重要环节，既关乎工艺设计，又影响产品成本。因此，对于原料种类与DF改性程度的研究，有待系统开展。另一方面，相比于IDF，天然SDF能够更多地发挥代谢功能，益于人体健康；对于通过改性手段提高的SDF对人体是否具有与天然SDF相同的健康效应，有待进一步评估。相信，随着人们对DF挤压改性研究的深化，改性DF的品质将会不断提高。同时，挤压改性的工艺将会更加的高效和节能。经过挤压处理的高品质DF原料将会更加广泛地应用于烘焙食品、蒸煮食品、饮料和各种谷物休闲食品等的加工中，满足人们对高含量和高品质DF产品的需求。另一方面，挤压技术改性DF应用的不断拓展，也会助推挤压设备的不断更新、挤压理论的不断完善和DF挤压改性研究的进一步深化。

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Research Progress on Modifications of Dietary Fiber in Extrusion Cooking

Fang Yanqiang Yang Haiying Xie Tian Ren Chengang Zuo Naibei Ding Qingbo

(Beijing Key Laboratory of Nutrition，Health and Food Safety，COFCO Nutrition and Health Research Institute，Beijing 102209)

Food rich in dietary fiber are requested gradually with the improvement of people’s living standard and health awareness.Research on the technology and method of dietary fiber modification is eye-catching in order to enhance the quality of natural dietary fiber.Among the technologies for the modification of dietary fiber，extrusion cooking is one of the best.The modifications of solubility，water holding capacity，swelling ability and microstructure of dietary fiber during extrusion cooking process were reviewed.Meanwhile，the specific effects of extrusion temperature，mechanical shear strength and moisture content on the quality of dietary fiber were reviewed respectively.At last，the problems that existed in the researches on dietary fiber modification during extrusion cooking process were summarized.In addition，the application prospect of extrusion cooking in dietary fiber modification was expected.

extrusion technology，dietary fiber，physicochemical properties

TS209

A

1003-0174(2016)02-0141-06

中粮集团产品开发项目(2014-C2-P007)

2014-07-21

房岩强，男，1987年出生，硕士，谷物休闲食品开发

丁庆波，男，1966年出生，博士，休闲食品开发