膳食纤维功能、提取工艺及应用研究进展

曲鹏宇，李丹，李志江，*，周义，于果，张东杰，*

（1.黑龙江八一农垦大学食品学院，黑龙江大庆163319；2.黑龙江省农产品加工与质量安全重点实验室，黑龙江大庆163319）

随着人民生活水平的不断提高，人们膳食结构越来越趋于精细化，过度饮食和高营养能量的摄入，产生很多“亚健康”和“富贵病”的现象[1]。膳食纤维作为人类第七种营养素，受到了广泛的关注，可有效地提升膳食质量，对当前膳食结构改善有较好的促进作用[2]。大量研究表明，膳食纤维（dietary fiber，DF）有许多的生理功能，对人体血糖、血脂有良好的调节作用，也可有效的预防肥胖、糖尿病和冠心病等病症[3]。因此，关注膳食纤维对健康的促进和改善作用，具有重要的研究意义。本文通过对近年来国内外研究成果进行了综述，包括膳食纤维的提取方法，主要有化学法、酶解法、化学与酶结合法和微生物发酵法等，并对提取工艺参数和提取率进行了总结，以为膳食纤维的应用提供参考。

1 膳食纤维

1.1 膳食纤维的定义

Trowell于1972年首次将膳食纤维定义为不能被消化道酶消化的植物细胞壁成分[4]，之后联合国粮农组织于2007年7月也进行了定义，国际食品法典委员认为膳食纤维是由10个或以上单体链节的组成的碳水化合物，且一般不能够被人体小肠内生酶水解；美国谷物化学家协会则提出，膳食纤维是一种能抗人体小肠消化吸收，在人体大肠能部分或全部发酵的可食用的植物性成分，以及碳水化合物及其相类似物质的总和[5-6]。中国营养学会的定义则较简单，指在人体内不易被消化酶消化的多糖类食物成分的总称[7]。总之，膳食纤维是一类碳水化合物，且具备不易酶解或消化的特点。

1.2 膳食纤维的分类和来源

膳食纤维按照其水溶性的不同，可以分为水溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）和水不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF）两大类。SDF 分为果胶、β-葡聚糖、半乳甘露糖胶、菊糖和大量不易消化的低聚糖类，主要来源于果胶、海藻、魔芋等；IDF分为木质素、纤维素和半纤维素等三类，主要来源于全谷物粮食类，包括麦类、米类及豆类等谷物，以及蔬菜和水果等果蔬类[8]。SDF和IDF的生理功效不同，SDF与血液中胆固醇有关，IDF与水吸收和肠调节有关[9-10]。这些膳食纤维的分类和来源有助于指导消费者有选择的摄入，以利于健康水平的提升。

2 膳食纤维的理化性质和生理功能

2.1 膳食纤维的理化性质

2.1.1 吸水膨胀能力

人们日常的食物中的膳食纤维具有一定的持水性，这些持水性膳食纤维具有很强的吸水性[11]。当膳食纤维进入人体肠道之后，会迅速与肠道内的水分结合并充满肠道，使摄食者感受到较强的饱腹感，这一作用为减肥者所认可，即摄食富含膳食纤维的食物可替代高能量食物带来的饱腹感，从而达到减肥的效果[12-13]。同时，膳食纤维还具有胶质的吸附性质，快速带走肠道中所含有的对人类无益的物质，促进肠道内微生物的生长和食物的消化，达到良好的保健效果[14-15]。

2.1.2 离子交换能力

膳食纤维分子中富含羟基、羧基和氨基等化学基团，并与肠胃内的铁、钙、铜、汞和镉等二价金属阳离子结合，进而表现出相应的阳离子离子交换能力，可部分消除体内的重金属离子，有助于机体健康[16]。

2.1.3 梯度黏合能力

果胶和菊糖等膳食纤维可形成复杂的胶态物质，具有一定的表观黏度特征，其黏度及结合能力与化学结构相关，不同品种和来源的膳食纤维所表现出来的黏度也有差异，称为膳食纤维的梯度黏合作用[17]。日常摄入的调制饮料常含有人工添加的果胶成分，就是一种典型的梯度黏合作用，使得饮料稳定性增强。

2.1.4 增稠稳定能力

SDF具有很好的持水吸水膨胀能力，从而表现出一定的增稠稳定作用[18]。例如，从海带中提取海藻酸钠高分子多糖，是一种典型的水溶性膳食纤维，是良好的食品增稠乳化稳定剂[19]。

2.1.5 菌群调节能力

膳食纤维在动物的机体肠道内很难被消化，只有当膳食纤维蠕动至含有大量微生物的大肠内时，才能够被生物分解。膳食纤维的分解产生一些酸性物质，增加了肠道的酸性，调整肠道整体菌群结构，利于有益好气性微生物的延续性生长，制约有害厌氧型微生物的生长，对生物体体内种群的结构、分布和消长等起到了良好的调制作用[20]。

2.2 膳食纤维的生理功能

2.2.1 改善大肠蠕动，防止便秘功能

SDF因含其有很多亲水性的因子，能够蓄存一定量的水分子，具较好的持水能力，进而增大肠道内食物的体积和润滑度，促进肠道生物学蠕动，便于排泄。对于便秘者而言，可以通过增加可溶性膳食纤维的摄入量达到预防便秘的功效[21-24]。

2.2.2 降低血压功能

由于淀粉、蛋白质和脂肪等快速分解成小分子物质进入血液，导致人体血压升高，而膳食纤维从胃部继续向下蠕动至肠道时，膳食纤维的水和作用，与这些小分子物质进行结合达到一定的化合作用，从而延缓血压快速增加；同时膳食纤维还可以阻碍无机盐的吸收，对于高血压人群具有较好的缓解血压快速升高的作用[25-26]。

2.2.3 降低胆固醇功能

胆固醇是冠心病、中风、心脑血管等疾病的直接诱因，膳食纤维可通过螯合吸附胆固醇和胆汁酸等有机分子，从而抑制和减缓人体对胆固醇的吸收，起到降低人体摄入胆固醇及潜在的心脑血管疾病的发生[27]。

2.2.4 降糖功能

高血压、高血糖和高血脂俗称“三高”症，是“富贵病”的常见症状。膳食纤维具有良好的水溶性和脂溶性特征，能够与肠道内的糖类物质结合，也可改善调节体内生物菌群，减缓淀粉酶解的速度，达到降低血糖的效果；膳食纤维能够改善胰岛素的生物活性，增强其敏感性，从而降低了人体对胰腺分泌胰岛素的需求，达到一定的降糖功能[28]。

2.2.5 预防癌症功能

动物病理学和生物学研究表明，高膳食纤维的饮食习惯能够有效的降低乳腺癌和结肠癌的发病率，不同来源的纤维素对于预防结肠癌均有不同程度的功效，但具体机制和机理还有待于进一步研究[29-31]。

2.2.6 清除吸收毒素功能

生物学病理学研究表明，膳食纤维对汞、铅和镉等重金属及高浓度铜和锌等具有良好的清除能力[16]。有害毒素与肠道内膳食纤维后不但被充分的稀释，还能够更容易排查体外，水溶性膳食纤维被人体消化吸收，进入大肠内为双歧杆菌所利用，促进双歧杆菌增殖。双歧杆菌能分解致癌物亚硝胺，并能提高巨噬细胞的吞噬能力，增加人体免疫功能和对肿瘤的抵抗力[32]。

2.2.7 保护口腔功能

摄入富含膳食纤维的食物，可以增强口腔肌肉运动能力，使牙齿咀嚼受力机会增加，锻炼牙床。同时，膳食纤维在牙齿表明的机械性摩擦，可以清洁牙齿表面，达到改善使口腔的功能效果[33]。

3 膳食纤维提取工艺研究进展

根据膳食纤维的结构和功能特点，可以采用化学法、酶解法、化学-酶结合法、生物发酵法等方法提取富集膳食纤维。综述了国内外常见的膳食纤维提取原理、方法、提取率和优缺点等[34-35]，见表1和表2。

表1 膳食纤维提取方法原理与优缺点Table 1 Method principles and the advantages and disadvantages of dietary fiber extraction

表2 各种提取方法应用实例Table 2 Application examples of various extraction methods

续表2 各种提取方法应用实例Continue table 2 Application examples of various extraction methods

从表1可知，每种膳食纤维提取方法选择是基于膳食纤维的结构与特点进行的，因此具有不同的优缺点。选择合适的方法进行膳食纤维提取，应综合考虑生产规模、成本、产品质地及污染等情况。

从表2可以总结出，4种膳食纤维的提取方法都有很好的应用，其中酶法和化学法提取应用最为广泛。原料和方法的不同，膳食纤维的提取率不同，酶法提取麸皮膳食纤维提取率最高可达87.84%，水溶性膳食纤维提取率一般小于水不溶性膳食纤维。酶和化学结合的方法对膳食纤维提取率较高，其纯度和理化性质得到改善。使利用微生物发酵技术提取膳食纤维是一种可行的新方法，将原料经乳酸菌、保加利亚乳杆菌、嗜链球菌等益生菌发酵，再通过水洗至中性，干燥后得到膳食纤维，具有较好的利用和发展前景。

4 膳食纤维在食品中的应用研究

结合膳食纤维的理化性质和功能，在食品工业中得到了广泛的应用，起到了改善食物感官性质和提高人们的膳食水平的作用，并为食物提供多种功能特性和改善人体健康[60-61]。膳食纤维在食品中的添加，有助于提高食物和水的结合能力，提高食品凝胶性、抗粘连性和抗凝结性，增加了食物的适口性和感官喜好性[62-63]。利用膳食纤维的持水功能，可以有效的延长焙烤食品的新鲜度，改善面包的比容体积、黏弹性、柔软度和硬度[64]。膳食纤维能够提高肉制品的烹饪质量，增强脂肪持水性，改善质地[65]。膳食纤维还可增加饮料的感官黏度和稳定性[66]。将膳食纤维添加到烘焙食品中，可以延缓产品热量损失，增强食品抗氧化能力、发酵能力和保水性能力[67-68]。在乳制品中使用膳食纤维也很普遍，如将菊糖添加到冰淇淋和奶酪等乳制品中，可以促进奶酪类和冰淇淋的口感的增加[68]。在果酱的加工过程中，利用果胶的酯化功能提高了果酱的产品的稳定性[69-70]。此外，菊粉类的膳食纤维，如低聚果糖等还被用作糖的替代品[71]。

5 展望

目前，国内外提取膳食纤维的主要方法是化学法、酶法以及二者结合的方法。化学法工艺技术比较成熟，并且已经应用于工业化生产中，但加工处理可能导致膳食纤维结构或构象的变化，导致部分营养保健功能损失，并且化学加工过程还有一定的废物对环境造成破坏污染。因此，利用条件温和、且对环境无危害的方法取代传统化学法，是膳食纤维提取的未来发展方向。同时，利用酶法、微生物发酵法以及新兴技术（如微波和超声波提取技术），也是膳食纤维提取技术的新方向。选择优良的提取方法，可以有效推动膳食纤维产业的发展，也能够带动膳食纤维在食品工业中的快速应用于发展，进而提高人们的机体健康水平。