粮食加工副产品中可溶性膳食纤维制备的研究进展

郑文新，刘占英，石雅丽，胡建华，朱明达

(内蒙古工业大学化工学院，内蒙古 呼和浩特 010051)

粮食加工副产品中可溶性膳食纤维制备的研究进展

郑文新，刘占英，石雅丽，胡建华，朱明达

(内蒙古工业大学化工学院，内蒙古 呼和浩特 010051)

粮食加工副产品中含有丰富的膳食纤维，其主要成分分为可溶性膳食纤维和不可溶性膳食纤维。利用粮食加工副产品制备可溶性膳食纤维，不仅了提高粮食资源的利用率，而且是未来食品加工研究的方向之一。综述了膳食纤维的定义及性质功能，重点总结了国内外粮食加工副产品中可溶性膳食纤维的制备方法，并对膳食纤维的制备技术的应用和发展进行了展望。

粮食加工副产品；膳食纤维；可溶性膳食纤维；制备

当前，人们高血压、高血脂、糖尿病等疾病的发病率越来越高。可溶性膳食纤维已被证明可明显降低血清中总胆固醇、甘油三酯和低密度脂蛋白胆固醇，提高高密度脂蛋白胆固醇[1]。随着人们对平衡膳食的认识和健康意识的增强，越来越多的研究人员开始利用新兴技术对粮食加工副产品进行分级分离、生物转化、生物修饰以及生物发酵，以求在粮食深加工和综合利用方面深入研究膳食纤维、可溶性膳食纤维和低聚糖的制备，以满足需求。

我们对近年来国内外利用粮食加工副产品制备可溶性膳食纤维的方法进行综述，为进一步开发利用可溶性膳食纤维提供一定的参考。

1 介绍

1.1 粮食加工副产品现状

我国作为一个粮食大国，每年都会产生米糠、麦麸、豆渣、花生壳和玉米芯等大量粮食加工副产品。长期以来，我国的粮食资源利用率低，就米面而言，小麦加工精制小麦粉的出品率只70%左右，稻米加工精制米的出品率只65%左右，粮食中的营养物质随着麦麸、米糠和豆渣等加工副产品流失，麦麸中蛋白质质量分数为14.1%，脂肪3.9%，淀粉53.6%，粗纤维10.5%，膳食纤维35%～40%[2]；米糠中含蛋白质12%～16%，脂肪12%～24%，膳食纤维30%～40%[3]；豆渣中含蛋白质18%～23%，膳食纤维50%～55%[3]，粮食中抗性淀粉、膳食纤维、低聚糖以及蛋白质等可食用资源损失率高。以米糠为例，我国每年米糠产量约为1 000万t，大部分都作为饲料使用，小部分用于制作肥料，大量营养物质由于没有进行深加工而浪费。对粮食加工副产品进行深加工，不仅提高粮食资源的利用率，而且是未来食品加工研究的方向之一。

1.2 膳食纤维的定义

2009-06食品法典委员对膳食纤维作出了新的定义[5]：膳食纤维是指聚合度大于等于3的可食碳水化合物，不能被人类的小肠内源酶水解，且有以下特点：天然存在于食物中的可食用碳水化合物，由可食用原料经物理、酶或化学法获得的碳水化合物，对健康表现出有益的生理作用。膳食纤维一般由不溶性植物细胞壁材料和细胞内非淀粉的水溶性多糖组成，不同种类食物的膳食纤维组成、功能以及植物多糖的结构也不同。

1.3 膳食纤维的分类

膳食纤维根据其在水中的溶解性分为可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维。可溶性膳食纤维如β-D-葡聚糖，是一种水溶性多糖。此外，水溶性也受某些官能团的存在、温度和离子强度的影响，例如果胶、瓜尔胶及黄原胶等亲水胶体。相比谷物而言，水果和蔬菜中的膳食纤维大部分可溶，可溶比例越高，对健康的影响越重要[6]。

1.4 可溶性膳食纤维的性质与功能

可溶性膳食纤维的物理化学性质主要有持水力、膨胀力、持油力等。可溶性膳食纤维的水化性质主要是持水力和膨胀力。持水力是指1 g干重的纤维在一定条件下束缚水、动力水和物理束缚水的总和。膨胀力是指纤维浸入水中，对水的吸收能力。除了水化性能，可溶性膳食纤维还具有对油的吸附能力。持油力是指纤维和油混合离心后油保留的质量。这是一种与膳食纤维多糖结构、颗粒的表面性质、总电荷密度和亲水性相关的特性。

可溶性膳食纤维有控制体质、预防肥胖的作用。可溶性膳食纤维在大肠内发酵，提供的能量低于普通碳水化合物。某些可溶性膳食纤维如菊粉可以在小肠内与蛋白质、脂肪等物质形成复合物，不利于对蛋白质和脂肪的吸收，从而起到一定的减肥作用[7]。可溶性膳食纤维的水化作用可使粪便湿润、松软、量多、表面光滑，促进排便从而起到防治痔疮的作用[8]。

2 可溶性膳食纤维的制备

目前，对于不同来源的可溶性膳食纤维的制备方法有物理法、化学法、酶法和微生物发酵法。提取温度、提取时间、pH值和溶剂等操作条件决定了可溶性膳食纤维的得率、结构和功能特性。目前的研究主要集中在提取技术和操作条件的组合优化，在获得产品预期的收益和功能特性的同时，尽量选择适宜的温度，减少溶剂的消耗和操作的时间。

2.1 物理法

物理法在可溶性膳食纤维的提取中应用广泛，用物理法对原料进行预处理(如微粉处理、挤压等)可改善膳食纤维的一些物化性质。传统的浸提法对膳食纤维进行制备可获得较高的提取率，而一些新兴辅助提取技术如微波、超声波和高压处理等，与传统制备方法相比具有更好的效果。

2.1.1微粉法

Raghavendra等[9]研究发现，采取研磨减小膳食纤维粒子尺寸(1 127～550 μm)会提高水化性能，然而低于550 μm时水化性能会随着尺寸的减小而减弱。微射流技术对燕麦中的不溶性膳食纤维的影响显示[10]，当粒径达到亚微米级时，一些不溶性膳食纤维变为可溶。经微射流后，燕麦中不溶性膳食纤维的平均粒径从111.1 μm减小到74.4 μm。微射流处理后，燕麦中膳食纤维的溶解性、持水力、膨胀力和持油力分别提高了3.6、2.1、1.3和3.7倍。Zhu等[11]将小麦麸皮膳食纤维进行超细粉碎，发现其持水力及膨胀力均显著降低。一些研究表明[9-11]，减小粒径会增强锁水力使水化性能增强，但是某些情况下，粒径减小会损伤纤维，使毛孔崩坏，导致水化性能下降。

2.1.2挤压法

挤压法是一种常见的食品加工技术，将挤压法运用到膳食纤维的预处理中可提高膳食纤维中可溶性膳食纤维的含量。挤压过程中膳食纤维会受到高温的作用，不溶性膳食纤维分解，糖苷键断裂，形成可溶性微粒，实现不溶到可溶的转变。高剪应力在挤压过程中可能会造成多糖糖苷键断裂释放低聚糖，增加可溶性膳食纤维含量[12]。

Zhang等[13]研究了挤压技术对麦麸可溶性膳食纤维含量的影响，结果表明，当使用双螺杆挤压机时(转速150 r/min，温度140℃)，可溶性膳食纤维含量比原来增加了5.3%，使用单螺杆挤压机时(转速90 r/min，温度150℃)，可溶性膳食纤维含量比原来增加了12.4%。Gajula等[14]将小麦粉与麦麸进行混合挤压，发现当原料中麦麸添加量为10%时，挤压后可溶性膳食纤维增量最大(73%)。李向阳等[15]研究了挤压加碱对麦麸膳食纤维的影响，当转速为250 r/min，温度为115℃时，可溶性膳食纤维含量提高了96.72%。

2.1.3浸提法

浸提法是提取膳食纤维的最常用的方法之一，一些膳食纤维甚至可在室温下搅拌得到，在高温下可得到更大的收益，然而浸提法提取率低于酶法或化学法。浸提法的水温、pH值和时间等条件的控制取决于要提取的膳食纤维的特性。

Wen等[16]用浸提法提取米糠中的膳食纤维，膳食纤维提取率达到了76.7%，其中可溶性膳食纤维的得率为1.5%。Caprita等[17]研究了热处理对小麦可溶性膳食纤维的影响，结果显示,在150℃下，随着时间的增加，膳食纤维含量和可溶性膳食纤维比例有所增加，表明膳食纤维发生了从不溶到可溶的转化。

研究表明[18-19]，浸提法破坏了多糖结构中相对较弱的糖苷键，导致细胞膨胀和破裂，引发颗粒粒径的减小，从而增加细胞的表面积，改变多糖的性质。浸提温度增加对膳食纤维造成的影响最大，会导致质量大幅度降低。因此，有时浸提法会与酸性介质、溶剂、螯合剂或新技术结合，有助于从细胞壁中释放膳食纤维。

2.1.4微波和超声波法

微波和超声波常用来辅助膳食纤维的提取，与传统的制备方法相比，其效率更高。微波通过引起细胞破裂来提取生物质中的各种化合物。微波使生物质内产生热，在非均质材料内建立一个加热点，粒子爆炸，导致木质纤维素结构破裂[20]。温度的快速增加，降低了黏度，并打破了样品的外膜，提高了提取率。超声波制造了一个连续的从高到低的压力周期，创造小气泡，气泡猛烈破裂引起气蚀。这种现象产生强烈的剪切力，使溶剂在固体中穿透得更深，从而增加了扩散速率[21]。这个过程会导致植物组织的细胞结构的破坏，溶剂更易达到细胞内部，从而更有效地释放细胞成分。

Benito-Roman等[21]用超声辅助提取法制备麦麸中的β-葡聚糖，处理强度低时得到的β-葡聚糖的分子量较高，但提取率较低；而高强度的处理会导致β-葡聚糖解聚。蔡锦源等[22]用微波预处理并结合超声波和碱解对玉米芯中的可溶性膳食纤维进行制备，最佳工艺条件为：微波功率560 W，时间150 s，超声波功率200 W，温度50℃，时间35 min，可溶性膳食纤维得率为4.75%。该方法与超声波提取法(3.24%)相比有较明显的提高。温志英等[23]对微波辅助提取花生壳可溶性膳食纤维进行了研究，确定最佳工艺为微波功率320 W，处理30 s，可溶性膳食纤维的得率为17.25%，所得的膳食纤维具有良好的持水力和膨胀力，并具有一定的阳离子交换能力。

2.1.5高压法

高压处理已经成为制备可溶性膳食纤维的新兴技术。因为压力不受质量和时间的影响，高压处理法不同于常规的热处理，其具有均匀和瞬时的效果，该方法的主要优势是处理时间短。

高压处理法提取膳食纤维时，处理过程中可能发生结构修改，使膳食纤维的性质和功能改变。Mateos-Aparicio等[24]利用高静压技术改善了大豆豆渣中膳食纤维的功能。经高压处理后，豆渣中可溶性膳食纤维的含量由原来的2.08%变为16.86%(60℃，400 MPa)，可溶性膳食纤维占比由原来的4.6%变为37.2%，膳食纤维的持水力、膨胀力、持油力分别从原来的6.84 g/g、9.09 ml/g、3.78 g/g增加到了12.56 g/g、12.92 ml/g、7.97 g/g。Pérez-López等[25]在Ultraflo®L辅助下研究高静压对豆渣中膳食纤维的影响，在600 MPa、0.025%加酶量的条件下，可溶性膳食纤维由原来的低于5%提高到15.64%。Tu等[26]利用动态高压微流化对豆渣膳食纤维进行处理，使得可溶性膳食纤维由原来的6.4%提高到14.0%，不溶组分与可溶组分之比由11.6降到4.5。

2.2 化学法

化学法制备不同来源的膳食纤维，经常在酸或碱条件下结合高温对可溶性膳食纤维进行提取。化学法的主要缺点是时间和温度等处理条件可能对食品基质造成损伤，同时这种方法可能会使提取出的多糖的官能团损坏，导致膳食纤维的功能降低。

Xiong等[27]在酸性条件下(115℃，100 min，pH4.5)和碱性条件下(50～90℃，1.5～3 h，pH9～13)从蛋白质离析后的甘蔗渣中提取可溶性膳食纤维。结果发现，酸处理与碱处理相比，膳食纤维的酯化程度低，并且分子量也较低。膳食纤维的分子量随着酯化程度的增加而增加，酯化度低的膳食纤维具有较低的水性黏度和较好的乳化活性。袁建等[28]用醇碱提取麦麸中的膳食纤维，当醇碱比为1∶4时，提取效果最佳，可溶性膳食纤维得率为3.08%。郭苗苗等[29]采用碱提取方法对麦麸中的可溶性膳食纤维进行提取，确定的最佳工艺参数为：料液比1∶20，温度85℃，pH11.75，时间2 h。此条件下麦麸可溶性膳食纤维得率为11.45%。

虽然化学法需要较长的处理时间和较高的处理温度，但仍然被广泛采用。目前研究人员一直采用改变溶剂或使用氧化剂、螯合剂等方法优化处理条件，从而提高膳食纤维的功能特性。

2.3 酶法

化学或物理制备过程是高效的，但是这些方法提取出的膳食纤维只有一部分在上消化道内可被吸收，而酶法制备的条件可模拟消化系统中的条件，提取的膳食纤维吸收利用率更高。体外消化最常用的生物分子有胰酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶。

Gamel等[30]测定了淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶对从燕麦麸皮中获得的β-葡聚糖的溶解度和黏度的影响，加入酶使黏度增加，并促进燕麦麸皮多糖的释放。Villanuevasuarez等[31]对豆渣进行了一系列的酶法提取，酶提取法导致可溶性膳食纤维的组分增加，并且提高了可溶与不溶纤维的比例。Liu等[32]为了研究超细微粉碎和酶水解处理对燕麦麸皮中β-葡聚糖的影响，用酶法和浸提法结合的方法对燕麦麸皮中的β-葡聚糖进行提取，结果表明超细微粉碎可提高β-葡聚糖的提取率，但是纯度会有所下降，纤维素酶水解显著降低了β-葡聚糖的分子量。Wen等[16]用浸提法提取米糠中的膳食纤维，膳食纤维提取率达到了76.7%，其中可溶性膳食纤维的得率只有1.5%。但是经过纤维素酶、木聚糖酶、组合酶(纤维素酶和木聚糖酶)以及组合酶微粉化处理后，可溶性膳食纤维的含量分别提高到7.2%、8.6%、15.1%、18.7%。Meyer等[33]用酶法(62.5℃，pH3.5，1 h)从无淀粉马铃薯浆中提取出了具有高分子量的果胶。

酶法提取成功地克服了一些酸处理方法的缺点，如高温、低pH值、酸腐蚀并且需要中和以及去除过程中产生的大量的废物，但几乎所有的酶法提取都需要较长时间和较高温度。最近的研究发现[34],用酶处理作为一种创新的方法提取膳食纤维，通过最优的处理条件在短时间内获得大量的膳食纤维。Thomassen等[35]发现了从马铃薯渣提取多糖的最佳条件。研究发现，酶提取技术与其他技术结合可提高膳食纤维的产量和功能。

2.4 微生物发酵法

发酵法是利用微生物发酵，消耗原料中的碳源、氮源，除去原料中的植酸，减少蛋白质、淀粉等成分制取可溶性膳食纤维。主要采用曲霉、乳酸菌和链孢霉等微生物。曲霉发酵麦麸、果渣或豆渣是通过菌体分泌纤维素酶、半纤维素酶类等物质，使不溶性纤维的糖苷键断裂，生成小分子多糖，转化为水溶性纤维，从而改善膳食纤维的生理活性。

Tu等[26]用嗜热链球菌和德氏乳酸杆菌对豆渣中的膳食纤维进行发酵提取(温度42℃，时间20 h，pH3.7～4.3)，可溶性膳食纤维由原来的6.4%提高到了9.7%，不溶组分与可溶组分的比例由11.6降到7.8。另外，发酵法和动态高压微流化结合使可溶性膳食纤维含量提高到了23.6%。涂宗财等[36]以豆渣为原料，用一种自制的混合菌曲A发酵制备大豆膳食纤维(温度38～42℃，时间8～12 d，pH3.9～4.1)，发现此膳食纤维可溶性组分含量(13.13%)明显高于发酵前(4.23%)，并且持水力也从516 ml/g增加到663 ml/g。

3 应用与展望

可溶性膳食纤维在食品工业中具有非常广泛的应用。其经常作为一种食品添加剂应用于食品工业中。如将膳食纤维添加到面点中可增强面团的吸水率、延长稳定时间并且增强面点的弹性[37]。在肉制品中添加可溶性膳食纤维可增强口感、提高出品率、降低成本并且具有降脂作用，尤其适用于糖尿病患者[38]。在饮料中添加可溶性膳食纤维可使微粒分布均匀、久存无沉淀、无胶质感还可以起到保健作用[39]。

我国拥有丰富的粮食加工副产物资源，为减少资源浪费并且保护环境，应加大副产物的开发与利用。因此，开发与利用粮食加工副产物资源已经成为了一种趋势。膳食纤维广泛存在于各种粮食加工的副产品中，因其特殊的营养功能受到医学界、食品界乃至普通民众的广泛关注。目前，国外提取粮食加工副产物膳食纤维的主要方法为化学法，拥有成熟的技术，已经应用到工业化生产中，但由于在加工过程中会对膳食纤维的理化性质产生影响，从而使其营养保健功能降低，并且加工过程产生的大量废水含有有机试剂，对环境造成污染。因此，目前研究人员一直在寻找一种条件温和且环保的方法代替传统方法。而酶法、微生物发酵法以及新兴辅助提取技术(微波、超声波、高静压)因其具有独特的优越性且无污染越来越受到研究人员的关注。

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Researchadvancesonpreparationofsolubledietaryfiberfromcerealprocessingby-products

ZHENG Wen-xin,LIU Zhan-ying,SHI Ya-li,HU Jian-hua,ZHU Ming-da

(School of Chemical Engineering, Inner Mongolia University of Technology,Hohehot 010051,China)

There are plenty of resources of dietary fiber which are divided into soluble dietary fiber and insoluble dietary fiber in cereal processing by-products. The preparation of soluble dietary fiber from cereal processing by-products not only improves the utilization ratio of cereal resources, but also is one of the future research directions of food processing. The definition and function of dietary fiber were summarized, emphatically the preparation methods of soluble dietary fiber in food processing by-products in domestic and abroad,and the application and development of soluble dietary fiber were prospected.

cereal processing by-product; dietary fiber; soluble dietary fiber; preparation

2017-06-22；

2017-11-27

国家自然科学基金项目(No.61361016)；教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目(No.2013151412000)；呼和浩特市厅产学研协同创新科技合作项目(No.2015150103000137)。

郑文新(1993-)，男，硕士研究生，研究方向为生物质资源利用。

朱明达(1975-)，男，博士，硕士研究生导师，研究方向为生物质资源利用。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.12.009

TS201.2+3;TS210.9

A

1003-6202(2017)12-0031-05

赵琳琳)