膳食纤维的制备技术及理化性能的研究进展

叶秋萍，曾新萍，郑晓倩

（福建省亚热带植物研究所厦门市农林新优种苗繁育工程技术研究中心，福建厦门361006）

膳食纤维（dietary fiber，DF）被称为人类的第七大营养素，享有“肠道清洁夫”和“生命绿洲”的美称，对预防龋齿、降血脂、促进肠道消化吸收、防止便秘、减肥、降低血糖、降低血压等都有一定的作用[1-3]。除此之外，膳食纤维还对降低与荷尔蒙相关的癌症（如乳腺癌等）有一定的功效。我国具有丰富的膳食纤维原材料如谷物、蔬菜、水果、茶叶等，加工过程产生的下脚料和废弃物如麦麸、米糠、山药皮、火龙果皮、脐橙皮、茶梗等，有一部分被开发成饲料或者肥料，仍有很大部分被当成废弃物丢弃，因此其附加值较低。本文拟通过对膳食纤维的各种制备方法的分析比较，对其理化特性、生理功能及在食品方面的应用等研究概况进行全面阐述，以期为膳食纤维的深入研究提供思路，对充分挖掘废弃资源的再利用、提升附加值具有重要的理论意义和生产实践意义。

1 膳食纤维的定义

膳食纤维最早由Hipsley提出，是一类不能被人体消化酶消化、也不能被小肠吸收的以多糖为主的高分子物质的总称，主要成分包括纤维素、半纤维素、木质素及树胶、果胶、黏质等[4]。Trowell根据膳食纤维的可食用性和抗消化性将其定义为“不被人体所消化吸收的多糖碳水化合物和木质素”[5]。美国谷物化学协会将膳食纤维定义为“凡是不能被人体内源酶消化吸收的可食用植物细胞、木质素、多糖以及相关物质的总称”[6]。Mudgil等[7-8]认为膳食纤维主要是指来源于植物的内源性抗消化的木质素以及碳水化合物。国际食品法典委员会则认为[9]：膳食纤维是指在人体内不能被小肠消化吸收，且聚合度大于3或者10以上的碳水化合物的聚合物[10]。目前，被大家普遍认可的定义是：膳食纤维是指不能被人体小肠消化吸收，而能被人体大肠全部或部分发酵的可食用性植物、木质素、多糖以及其他相关的物质总称。膳食纤维根据溶解性不同，可分为水不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF）和水溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）。其中IDF包括纤维素、部分半纤维素和木质素，SDF包括果胶、树胶、低聚糖等亲水胶体物质和部分半纤维素[11]。

2 膳食纤维的制备方法

2.1 化学法

化学法是指将原材料清洗干燥、并粉碎过筛目之后，加入酸碱试剂进行浸提处理，制备膳食纤维的方法[12]。化学法一般包括直接水提法、酸法、碱法等。采用直接水提法和酸法具有工艺流程简单、成本低、无污染的优点，但是制备SDF的得率较低[13]。碱法使用最为普遍，其方法是：在提取过程中加入碱试剂从而改变浸提液的酸碱度，并加入其他化学试剂，将IDF和SDF进一步分离[14]。采用碱法提取茶末水溶性膳食纤维发现提取SDF的适宜工艺为：NaOH的质量分数为8%，提取温度为90℃，提取时间为75 min。在pH值7.0时，SDF对胆固醇的吸附量高于pH值2.0下的，而对NO2-的吸附则相反。采用酸碱法制备茶渣水不溶性膳食纤维，结果表明pH值为13.5、温度为90℃、时间为3 h条件下，制得的水不溶性膳食纤维含量为91.32%，得率为20.11%[15]。又有采用碱法提取石阡苔茶茶渣水不溶性膳食纤维的，结果表明：浸提温度为32.6℃、碱浓度 0.2 mol/L、浸提时间 50 min、料液比 1∶13.5（g/mL），提取率最高为78.66%，持水力为183.92%，溶胀度为2.83 mL/g[16]。李凤霞等采用碱法提取薇菜中不溶性膳食纤维，提取率达41.81%[17]。综上，化学法制备的膳食纤维得率较高，操作便捷，是较为常用的提取方法，但是该法易产生大量污水，造成环境污染，而且由于制备过程采用过多的酸或碱的浸泡导致膳食纤维的生物活性降低。

2.2 酶法

酶法是采用多种酶将膳食纤维以外的其它组分（蛋白质、脂肪、淀粉等物质）分解去除，从而获得膳食纤维的方法[18]。此法使用的酶制剂成本高，但是酶解工艺温度较低、操作方便，更可以省去部分工艺和设备，环境污染较少，对于淀粉和蛋白质含量高的原料制备膳食纤维尤为适合[19]。采用酶法制备茶下脚料中膳食纤维，获得最佳提取工艺为：0.5%α-淀粉酶、60℃下处理90 min，洗涤过滤，再以0.5%的NaOH于70℃下处理25 min，漂洗至中性再进行烘干[20]。采用a-淀粉酶提取枣渣中的不溶性膳食纤维，提取率是化学法的1.5倍[21]。酶法应用过程中，酶制剂的种类较多，需先进行选择，且要求控制酶反应的温度和pH值，反应时间较长，但其提取条件较为温和、污染少，产品无溶剂残留，因此目前应用较多。

2.3 发酵法

发酵法是利用微生物发酵提供的酸性环境，产生的酶类使原料中的成分如蛋白质、脂肪、淀粉等发生反应分解，获得膳食纤维的方法。目前主要选用绿色木霉、保加利亚乳酸杆菌和嗜热链球菌混合菌、枯草芽孢杆菌、白腐菌等作为发酵菌种。与化学法相比，此法生产的膳食纤维具有较好的色泽、气味、质地及分散程度，膨胀率和持水率也较佳[22]。采用保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌（1∶1，体积比）混合菌发酵制备茶渣可溶性膳食纤维，品质较佳。采用枯草芽孢杆菌提取米糠柏中可溶性膳食纤维，研究发现发酵时间22.4 h、温度35℃、接种量6.6%，SDF的得率达到12.88%[23]。发酵法能有效促进IDF向SDF转化，提取的膳食纤维实用性和生物活性较高，但是由于发酵时间较长，需选择合适的菌种。

2.4 膜分离法

膜分离法是对不同分子量的膳食纤维，以改变膜的分子截留量的方式进行分离提取[19]。目前此法适用于可溶性膳食纤维的分离制备，但还需进一步研究不溶性膳食纤维的分离。由于该法对设备和技术水平要求较高，目前还难以实现大生产[18]。

2.5 多方法辅助提取法

酶-化学法是指同时使用化学试剂和各种酶分解、去除膳食纤维以外的其他成分，获得纯度较高的膳食纤维。此法可结合化学法和酶法的优点，一般选用α-淀粉酶、纤维素酶、蛋白酶等酶类，获得的膳食纤维具有较高的持水力、膨胀力和得率，但此法的成本较高[13]。

超声波提取法是根据超声波的特殊物理属性，通过压电换能器产生的快速机械振动波，使目标萃取物与样品基体之间的作用力减小，达到固、液分离萃取。该法具有提取温度低、时间短、得率高等优点，已被应用于中药材和各种有效成分的提取，是环保节能型的现代高新技术提取手段[24]。

目前也有采用微波提取可溶性膳食纤维，具有设备简单、时间短、污染小、得率高等优点。

3 膳食纤维的理化特性

3.1 水合作用

由于膳食纤维具有多孔状结构，且含有很多亲水性基团，故其具有很强的水合作用[25]。膳食纤维的水合能力一般以持水力和膨胀率等指标来衡量。膳食纤维的持水力因原料、制备方法、颗粒大小及分析方法的不同而不同，一般为自身重量的1.5倍～25倍，其中果胶含量高的吸水性较强[13]。提高膳食纤维的持水力有利于排便，可以减轻直肠内的压力，起到预防结肠癌、预防便秘、痔疮等肠道疾病的作用[26]。膳食纤维由于吸水膨胀后体积变大，易产生饱腹感，影响人体对其他成分的吸收，有益于肥胖症患者[27-28]。目前，已有学者对茶渣和茶梗的膳食纤维的持水力和膨胀力开展了研究，证明其具有较好的水合作用[16，20，27]。

3.2 吸附能力

膳食纤维分子表面含有很多活性基团，可以吸附其他的分子。不仅可以吸附油类、香气等物质，赋予食品各种香气和风味。同时还可螯合胆固醇、胆汁酸以及肠道内源毒素，化学药品和外源性毒素等有机化合物[29]。膳食纤维还可以吸附矿质离子、重金属和盐类物质[13，30]。膳食纤维可形成具有一定厚度的网状物，可吸附肠道中的某些物质如脂肪颗粒等[31-33]，起到降血脂的作用。

3.3 离子交换能力

膳食纤维化学结构中含有羧基和羟基类等活性基团，属于弱酸性阳离子，可与有机阳离子进行可逆的交换[34]。还可与Ca、Zn、Pb等阳离子交换，并且能优先交换Pb等有害离子，使有害离子随粪便排出。同时还能改变阳离子的瞬间浓度、消化道的pH值、渗透压及氧化电位，还能与肠道中的钠离子和钾离子交换，从而降低血液中钠离子和钾离子的比值，起到降血压的作用[35]。此外，膳食纤维完全发酵后产生短链脂肪酸，可以促进人体对钙、镁、铁等矿物质的吸收[36]。

3.4 菌群调节作用

膳食纤维可被大肠内微生物发酵降解，产生乙酸、丙酸等短链脂肪酸，使pH值降低，既抑制厌氧菌的产生，又可诱导产生大量的好氧有益菌[37]，从而改善了肠道菌群。膳食纤维的降解程度受到种类、颗粒大小和摄入方式等的影响。水溶性纤维素如果胶几乎可被完全降解，水不溶性纤维如纤维素等几乎不能被发酵；颗粒小比颗粒大的更容易降解；单独摄入的较易被降解[34]。

3.5 具有类似填充剂的作用

膳食纤维吸水膨胀后体积变大，易引起饱腹感。人体食用膳食纤维后还会减缓其他物质的消化吸收，故不易产生饥饿感。因此，膳食纤维能够预防肥胖症的发生。

3.6 溶解性和黏性

膳食纤维的溶解性主要是由其有序和无序结构的稳定性所决定的。结构越不规则，溶解性越好[38]。如瓜儿胶具有不规则的主链和侧链结构使其具有较好的溶解性；纤维素具有线性有序结构，溶解性差[25]。

膳食纤维的黏性主要是由物质化学结构、温度、溶剂和浓度所决定的。如琼脂、果胶、瓜儿胶等都具有良好的黏性和胶凝性，可形成高黏度的溶液。在胃肠道中，它们可增加内容物黏度，形成胶基层，降低胃排空率，延缓和减少对胆固醇、胆汁酸、葡萄糖等物质的吸收[39]。

4 膳食纤维的生理功能

4.1 预防肥胖症

膳食纤维具有吸水膨胀性，在胃中体积变大形成高黏度的溶胶或凝胶，易产生饱腹感而影响对其他食物的摄入[40]。膳食纤维不仅能通过影响蛋白质、脂肪等消化酶的活性，减少人体对这些物质的吸收[41-42]；还可吸附脂肪排出体外，减少人体对脂肪的吸收[43]。

4.2 缓解便秘

水溶性膳食纤维具有较强的持水性，可使排泄物湿润、松软；不溶性膳食纤维通过刺激肠道蠕动，加速有害物质的排出[44-45]。此外，膳食纤维易被大肠内的细菌发酵降解，产生气体和大量短链脂肪酸，这些酸类物质会使酸度和粪便量增加，加速肠粪便排出，起到预防便秘的作用[29，46-47]。

4.3 改善肠道菌群

膳食纤维可被肠道微生物降解，产生短链脂肪酸，增加肠内酸度，促进肠道有益菌的生长繁殖，同时抑制有害腐败菌的生长，对增强人体免疫力、保护肝脏起到积极的作用[34]；部分未被发酵的膳食纤维还可刺激肠道蠕动，加快有害物质的排泄速度，避免相关疾病的发生[48]。

4.4 降血压降血糖

膳食纤维中的酸性多糖，具有较强的阳离子交换能力，对消化道的氧化还原电位、渗透压以及pH值均产生影响，形成缓冲环境；再者膳食纤维还可与肠道中的钠离子和钾离子交换，降低二者在血液中的比值，起到降血压作用[34]。

可溶性膳食纤维吸水后增加肠道黏度，降低胃排空速度，从而阻碍葡萄糖分子进入肠道黏膜细胞，而不可溶膳食纤维则吸附葡萄糖，减少人体对葡萄糖的吸收，降低对胰岛素的需求，对于改善糖尿病具有积极的作用[33]。因此，增加膳食纤维的摄入量，可有效降低胆固醇和低密度脂蛋白量，提高胰岛素降血糖作用，有利于糖尿病患者[49]。

4.5 降低胆固醇

膳食纤维可加快脂肪通过肠道的速度，延缓或抑制胆固醇和甘油三酯在淋巴中的吸收；同时膳食纤维还能吸附胆固醇代谢产物胆汁酸，降低胆固醇和甘油三酯消化产物分子团的溶解，更多的胆固醇需要被消耗以补充被排出的胆汁酸，从而降低了胆固醇含量[50-51]。华聘聘等研究表明动物食用可溶性大豆膳食纤维能降低胆固醇、甘油三酯[52]。Satija等研究发现经常摄入谷物膳食纤维能改善心血管机能，减少心血管疾病的发生[53]。

4.6 提高人体免疫力

膳食纤通过刺激肠道黏膜细胞生长，抑制肠道细菌的滋生，为肠道菌群生长提供所需的代谢底物和良好的生存环境，从而增强人体免疫力。从食用菌中提取可溶性膳食纤维，其中的多糖组分可通过巨噬细胞并产生抗体，从而提高人体免疫力[54]。从百香果、芒果、菠萝和番石榴等水果中提取的膳食纤维具有良好的抗氧化性[55-56]。

4.7 其他生理功能

膳食纤维能吸附体内的游离型雌激素，起到预防乳腺癌的作用[57]；吸附毒素和水分，帮助人体正常代谢杂质，使肠胃保持顺畅，可改善上火、口臭等问题[17]；清除汞、砷、镉和铜，将浓度降低至安全水平。此外，膳食纤维的缺乏还与胆结石、阑尾炎、间歇性疝、肾结石、十二指肠溃疡和溃疡性结肠炎等疾病有很大的关系[58-60]。

5 膳食纤维的应用

5.1 在面制品中的应用

谷物制品中添加膳食纤维，不仅可以增加营养、预防疾病，还可以改善产品的黏性、质地、感官特性以及货架期[61-65]。侯汉学等[66]在面包中添加4%的膳食纤维，发现可以提高面包品质。王伊沂[67]将可溶性膳食纤维添加到面条、馒头、米饭中，发现口感较没有添加的好。Gómez等[68]将2%豌豆皮膳食纤维添加到面包中，可明显降低面包表皮硬度。Piteira等[69]将豌豆皮和其他纤维添加曲奇饼干中，可提高面团的机械性。

5.2 在饮料中的应用

在饮料中加入膳食纤维，饮料的冲调性、稳定性及分散性可以明显的提高，并且具有保健性。在酸奶中加入膳食纤维，制成谷物膳食纤维发酵乳和果蔬膳食纤维发酵乳，可以加强胃肠蠕动，有利于促进毒素排除、消化，防治便秘[70-74]。在乳饮料中加入膳食纤维，既可改善其稳定性，又能增加营养价值[75-76]。

5.3 在肉制品中的应用

肉制品中添加膳食纤维，可保持水分，增加黏性和凝胶能力，能够很好的支撑组织结构[77]，保证了出品率，改善口感[65，78]，还可以抑制微生物的生长[66]。余欢欢等[78]研究表明：添加10%的燕麦膳食纤维到牛肉中，可降低其硬度，显著改善嚼劲，显著提高出品率和感官品质。Cardoso等[79]将豌豆纤维添加到鳕鱼中，可改善鱼肉的组织结构，延长保质期。

5.4 在馅料、汤料食品中的应用

在包子和点心馅等面食制品中加入膳食纤维，效果良好。此外，在普通汤料中加入1%的膳食纤维，可以起到补充营养的作用[80]。

5.5 在果酱、调味品等食品中的应用

在果酱、果冻食品中添加可溶性膳食纤维，可增强黏度，防止脱水。刘晶晶等[81]将大豆膳食纤维添加到冰淇淋中，色泽自然，风味独特，具有保健作用。沈群[82]在调味品（如酱油）中添加膳食纤维，可以提高黏稠度，防止组分分离，调整风味。此外，膳食纤维还可用于西餐色拉的调制等。

5.6 在其他食品中的应用

膳食纤维除了用于上述食品的研制外，还可应用于糖果、罐头、婴幼儿食品、香肠、挤压膨化或油炸食品和保健食品的制作[83-85]。

6 展望

膳食纤维具有预防肥胖症、缓解便秘、改善肠道菌群等生理功能，其在食品领域的应用日愈广泛，充分利用谷物、果蔬等食品的皮、渣制备膳食纤维，对提高农副产品的附加值具有重要的意义。因此，如何采用绿色安全的提取技术制备高提取率和高品质的膳食纤维，已成为科技工作者研究的重要任务。为提高农副产品的下脚料和废弃物的的经济价值，应加强以下几个方面的研究：1）挖掘含有丰富纤维素的食品副产物如食用菌下脚料、茶梗等，节约资源、保护环境，提升附加值，促进产业升级转型。2）膳食纤维分为SDF和IDF，SDF相对IDF具有更重要的生理功能，采用高效、绿色制备技术，使IDF向SDF转化，提高SDF的含量，以提高膳食纤维的功能品质。如将超声波提取法与酶法相结合，充分利用超声波提取法既能解决酶法反应时间长、成本高的问题，又可获得较高提取率、高膨胀率和高持水率的高品质膳食纤维；或者选用乳酸菌或绿色木霉作为发酵菌种，发酵法可获得高提取率和较高生物活性的膳食纤维。3）加强产品的性能研究，目前关于膳食纤维的性能研究很多仅限于持水力和膨胀力等水合性能研究，还应增加膳食纤维的胆固醇、脂肪、葡萄糖等吸附性能和清除DPPH自由基、还原能力等抗氧化性能研究，以期探明膳食纤维的理化特性，为其今后在食品方面的应用提供理论依据。