山楂膳食纤维的研究进展

2020-01-07刘田崔同高哲田粟

食品研究与开发 2020年6期

刘田，崔同，高哲，田粟，*

（1.河北医科大学公共卫生学院，河北石家庄050017；2.河北省环境与人群健康重点实验室，河北石家庄050017；3.河北农业大学食品科技学院，河北保定071001）

“膳食纤维”术语最早出现在1953 年，最初是Hipsley 用于描述植物细胞壁中不可消化的成分（比如纤维素、半纤维素和木质素），随着时间的推移和研究的深入，“膳食纤维”的定义在不断完善，所包含的物质也在逐渐增多。2006 年联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）/世界卫生组织（World Health Organization，WHO）将膳食纤维定义为一种聚合度不低于3 的碳水化合物，包括天然存在的可食用的碳水化合物聚合体、从食品原料中通过物理、酶或者化学的方法获得的碳水化合物聚合体，以及合成的碳水化合物聚合体。纤维素、半纤维素、果胶、树胶、木质素、抗性淀粉等都是常见的膳食纤维的种类。它们根据在水中的溶解性的不同，又可分为可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维。虽然膳食纤维不能在小肠消化也不能被吸收，但是它却可以发挥加快肠道运动、增加粪便体积、调节肠道菌群、预防结肠癌、控制餐后血糖和/或胰岛素水平、降低血液中总胆固醇和/或低密度脂蛋白胆固醇水平等生理保健功能[1-2]。

膳食纤维对人体健康的保护作用，是需要以每日适当的摄入量为前提的，美国农业部发布的美国居民膳食指南提出，总膳食纤维的适宜摄入量为每1 000 kcal能量需要14 g，相对于19～50 岁成年人的能量推荐标准（女性2 000 kcal/d，男性2 600 kcal/d）而言，膳食纤维的建议摄入量分别为女性28 g/d，男性36 g/d[3]。中国居民膳食营养素参考摄入量（2013 版）建议，我国成人膳食纤维特定建议值为25 g/d[4]。研究表明在推荐的摄入范围内，总膳食纤维每增加10 g/d，冠心病发生的风险可降低14%，因冠状动脉病变所致死亡风险可降低27%[5]。可溶性膳食纤维在2 g/d～10 g/d 的范围内，每增加1 g，总胆固醇可下降1.74 mg/dL[6]。然而，《中国居民膳食纤维摄入白皮书》显示，我国居民膳食纤维摄入普遍不足，目前每日人均膳食纤维（不可溶）的摄入量为11 g；由于食物成分表中可溶性膳食纤维数据不足，采用折算系数推算出每日膳食纤维总量约为13 g。与《中国居民膳食营养素参考摄入量》中膳食纤维的建议量相比，能达到适宜摄入量（25 g/day）的人群不足5%。因此，膳食纤维的发展尚有巨大的需求空间。如何利用我国的资源，研究开发适应国际发展的膳食纤维产品，使其更好地发挥特有的生理功能，应是今后膳食纤维研究的方向。

山楂（Crataegus pinnatifida Bge）为蔷薇科山楂属植物，又名山里红，在我国栽培历史悠久，资源丰富，主要分布于河北、河南、辽宁、山东等地[7]。山楂自古以来一直被认为具有良好的药用价值，早在《本草纲目》中就有记载“山楂性酸甘、微温，化饮食，消内积癥瘕，痰饮痞满吞酸，滞血肿胀”[8]。现代研究表明，山楂果肉中富含维生素、矿物质、膳食纤维[9]、黄酮类[10-11]、原花青素[12]、三萜类等成分[13]；具有降血压、降血脂、抗氧化、抗菌杀毒、治疗心血管疾病、防癌抗癌[13]、健脾消食等功能[14-17]，因此，常被用作保健食品的原料[18]。本文就山楂膳食纤维的研究现况进行综述，旨在为山楂膳食纤维的进一步研究、开发和利用提供参考。

1 山楂膳食纤维的健康功效

1.1 降血脂作用

1954 年 Walker 和 Anvidsson 首次提出“南非图族人的低血胆固醇水平可能与他们的高膳食纤维摄入量有关”，随后各国学者相继进行了大量的动物实验和临床实验，结果表明膳食纤维确实有降血脂的功效。

张春霞等比较了山楂不溶性膳食纤维粗粉和经超微粉碎后的不溶性膳食纤维超微粉对高脂饲料喂养的雄性昆明小鼠的降血脂作用，发现山楂不溶性膳食纤维粗粉和超微粉都可以降低血清和肝脏总胆固醇（total cholesterol，TC）和甘油三酯（triglyceride，TG）水平，其中超微粉降血脂的作用更显著且呈现出一定的量效关系，还具有显著降低低密度脂蛋白胆固醇（low density lipoprotein cholesterol，LDL-C）的能力，究其原因，笔者认为是由于超微粉碎改善了膳食纤维的理化性质，增加了其持水力膨胀力，也暴露出更多的活性，从而增强了降血脂效果[19]。

果胶是一种广泛存在于蔬菜和水果中的膳食纤维。Li T P 等[20]利用高脂饲料诱导雄性昆明小鼠高脂血症模型后，分别给予不同浓度的山楂果胶、山楂果胶高分子水解物、山楂果胶低聚糖进行30 d 干预，结果发现山楂果胶、山楂果胶高分子水解物、山楂果胶低聚糖均具有不同程度的降低TG、TC、但不影响高密度脂蛋白胆固醇（high density lipoprotein cholesterol，HDL-C）的效果，尤以山楂果胶低聚糖在150 mg/kg～300 mg/kg 的灌胃浓度下，具有的降血脂作用最显著。此效果也被Zhu 等[21]利用喂饲高胆固醇饮食的叙利亚金黄仓鼠的研究所证实。同时，山楂果胶、山楂果胶高分子水解物和山楂果胶低聚糖还可以改善肝脏脂肪变性[21]和附睾、肾周脂肪的积累[20，22]，其中，也是以山楂果胶低聚糖效果最为突出。

目前大量对山楂果胶低聚糖（山楂果胶寡糖）的研究表明，山楂果胶五聚半乳糖醛酸具有显著的降低血浆和肝脏TC 水平，并升高HDL-C 和载脂蛋白A-Ⅰ（apolipoprotein A-Ⅰ，apoA-Ⅰ）水平的效果，而其作用机制可能体现在：（1）通过下调参与肝脏胆固醇合成的3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A 还原酶（3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase，HMGCR）、酰基辅酶A 胆固醇酰基转移酶（acyl-coenzyme A：cholesterol acyltransferase，ACAT）活性和表达，减少了内源性胆固醇合成并增加了肝脏对脂质的水解代谢所致[23]；（2）通过激活过氧化物酶体增殖物激活受体α（peroxisome proliferator activated receptor-α，PPARα），上调了包括酰基辅酶A，肉碱棕榈酰转移酶I（carnitine palmitoyltransferase I，CPT-I），3-酮脂酰-辅酶 A 硫解酶（3-ketoacyl-CoA thiolase，3KCT）和 2,4-二烯酰辅酶 A 还原酶（2,4-dienoyl-CoA reductase，DCR）等脂质氧化相关酶的活性和表达，改善肝脏脂质代谢，而影响了血清脂质水平[24]；（3）通过降低甘油三酯生物合成的定向和限速酶——甘油-3-磷酸酰基转移酶（glycerol 3-phosphate acyltransferase，GPAT）以及甘油三酯生物合成途径中的磷脂酰磷酸水解酶（phosphatidate phosphohydrolase，PAP）的活性和表达水平，而降低了肝脏TG 含量[22]；（4）通过上调腺苷三磷酸结合转运蛋白 A1（ATP-binding cassette transport A1，ABCA1）和三磷酸结合转运蛋白G1（ATP-binding cassette transport G1，ABCG1）的表达，加速了胆固醇从肠细胞内排出进入肠腔，从而促进了体内胆固醇的清除，也通过提高胆固醇 7α-羟化酶（cholesterol-7α-hydroxylase，CYP7A1）活性，加快了胆固醇分解为胆汁酸的速率，促进了体内胆固醇的分解，影响了血胆固醇水平[20，25]；（5）还可以抑制肠道胆汁酸的重吸收并促进肝脏胆汁酸的生物合成，影响血脂水平[26]。

1.2 润肠通便

膳食纤维的吸水性可以促使粪便膨胀、增加粪便重量，而利于排便。膳食纤维还可以为结直肠内细菌提供可发酵底物，增加粪便中短链脂肪酸的水平，从而可以促进肠道蠕动、缩短粪便在肠道的通过时间，对改善便秘具有良好的辅助效果[27-28]。

动物实验显示，山楂膳食纤维能显著促进便秘小鼠的小肠推进率、缩短首粒黑便时间、增加排便量[29]。杨光等的膳食纤维强化冻干山楂果对小鼠肠道健康影响的研究显示，给予小鼠1 g/（kg·d）的低剂量，粪便质量增重29.73%，既表现出具有较强的持水能力，又可以改善小鼠肠道内环境[30]。

1.3 改善肠道菌群

膳食纤维被肠内微生物利用后，可以促进肠道内酵解作用的发生，使乙酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸含量明显升高，降低肠道pH 值，促进耐酸有益菌，如乳酸杆菌、双歧杆菌的大量繁殖，抑制了如肠杆菌、肠球菌、产气荚膜梭菌等有害菌的生长，减少了肠道有害物质产生，从而有助于改善肠道内环境健康，预防相关肠道疾病的发生[31]。但是目前对于山楂膳食纤维对肠道菌群的影响作用的研究还尚少，仅显示出使用膳食纤维强化冻干山楂果干预后，结肠内容物中的乳酸菌、双歧杆菌等益生菌的数量增加了，而且抑制了肠杆菌等有害菌的繁殖，改善了肠道内环境[30]。

1.4 抗氧化和清除自由基作用

到目前为止，有诸多的研究报道了山楂及山楂提取物的抗氧化以及清除自由基的作用，但它们多集中于山楂中的绿原酸、表儿茶素、前花青素、金丝桃苷、芦丁、槲皮素等游离酚类和类黄酮成分，对山楂膳食纤维的抗氧化和清除自由基作用的报道相对较少。

潘广彦的研究显示山楂可溶性膳食纤维具有一定的清除·OH，DPPH·，O2-·的作用，最高清除率分别可达52.56%、52.94%、43.12%[32]。李拖平等对山楂果胶的相关研究也表明，高质量浓度（10 mg/mL）的山楂果胶、山楂果胶低分子酶解物、以及山楂果胶水解后的五聚半乳糖醛酸均对O2-·，DPPH·和·OH 表现出了显著的清除效果，且山楂果胶低分子酶解物和五聚半乳糖醛酸的清除自由基作用还呈现出浓度依赖性。此外，给予高脂喂养的昆明小鼠山楂果胶和山楂果胶五聚半乳糖醛酸补充后，也可以提高小鼠肝脏超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）和过氧化氢酶（catalase，CAT）等抗氧化酶的活性[22，24，33]。

其中，山楂果胶半乳糖醛酸还可以通过增强细胞抗氧化酶活性、减少活性氧产生、抑制基质金属蛋白酶-1 以及促进胶原蛋白合成等机制，对中波紫外线（ultraviolet radiation B，UVB）辐射导致的人永生角质形成细胞（HaCaT）的氧化损伤具有保护作用[34]。此结果对开发皮肤保护产品具有重要意义。

1.5 抗菌作用

虽然山楂果胶本身不具有抗菌活性，但被果胶酶水解到一定程度后，其酶解产物可表现出较强的对大肠杆菌的抑菌作用[35]。随着水解时间的增加，果胶酶会将多聚半乳糖醛酸随机切断成小片段的聚半乳糖醛酸[36]，其中，平均聚合度为3 的果胶寡糖对大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌抗菌效果最为明显[37]。因此山楂果胶寡糖可作为天然防腐剂，抑制食品中腐败菌和致病菌的生长，延长食品的保质期。而就其作用机制而言，考虑是由于果胶寡糖破坏了细菌胞膜的通透性和完整性，导致内容物外漏从而影响其代谢活性，抑制了细菌生长[38]。李拖平等还发现，山楂果胶寡糖与乳酸钠形成复合物后，对枯草芽孢杆菌的生长具有更强的抗菌作用，此技术在天然食品添加防腐剂的开发利用方面具有良好的前景[39]。

1.6 其他作用

动物实验研究还显示[32]，山楂膳食纤维摄入量为500 mg/（kg·d）时可以有效降低小鼠肝脏、血液和骨中铅的含量，其中血铅对山楂膳食纤维的影响最敏感，说明山楂膳食纤维具有很强的阳离子交换作用，这为膳食纤维排铅解毒功能提供了一个新的依据。

2 山楂膳食纤维的提取

根据膳食纤维的结构和功能特点，常用的提取富集膳食纤维的方法有化学法、酶解法、化学-酶结合法、生物发酵法等[40]。其中，酶解法、化学-酶结合法、超声波微波提取法多见于山楂膳食纤维的提取。

2.1 酶解法

山楂果实中可溶性膳食纤维是最重要的膳食纤维部分。张娜等以新鲜山楂果为原料，按1 ∶40（g/mL）的比例加入蒸馏水，采用酶提取法，加入500 IU 复合酶（纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶的质量比例为1 ∶1 ∶1），在 50 ℃、pH 5.5 的条件下恒温 8 h，离心取上清，然后按体积比1 ∶5 向上清液中加入90%的食用酒精，搅拌 15 min，静置 5 h，离心取沉淀。再按 1 ∶50（g/mL）的比例向沉淀中加入蒸馏水，搅拌溶解后加入分子截留量为500 的纳滤膜分离，收集棕褐色截留液经真空减压浓缩喷雾干燥后获得可溶性山楂膳食纤维[41]。这种方法不仅成本低，且可以广泛应用于食品和保健领域。

张春霞等采用酶提取法，以山楂干品为原料，将山楂粉末按1 ∶25（g/mL）比例加蒸馏水，搅拌振荡至完全分散后，加入50 μL/g 淀粉酶液混匀，调节pH 值为5，40 ℃水浴恒温振荡反应 2.5 h 后，7 000 r/min 离心10 min，弃上清液，沉淀干燥，得到了不溶性山楂膳食纤维[19]。

2.2 酶-化学结合法

酶-化学结合法多用于山楂不溶性膳食纤维的提取。刘钊等则以新鲜山楂果榨汁取渣作为原料，对山楂果实干粉采用酶化学结合法提取了不溶性膳食纤维。通过单因素试验和正交试验获得了去除山楂果中淀粉的液态淀粉酶的酶解以及去除蛋白质、脂肪等杂质加入碱性氢氧化钠的最佳条件，结果显示，当液化淀粉酶加入量为0.01%，酶解时间35 min，碱加入量为0.50%，碱解温度45 ℃时，总杂质去除率可达97.8%，所得不溶性膳食纤维纯度较高，提取率为3.52%[42]。

2.3 超声波微波辅助提取法

超声波微波辅助提取法具有快速、高效、廉价等优点，近年来国内外学者在天然产物分离提取方面也做了大量的相关研究[43-45]。朱传合等以山楂渣为原料，采用超声波微波辅助法提取山楂可溶性膳食纤维[46]。提取条件为料液比为 1 ∶16（g/mL），温度 65 ℃，超声功率70 W～80 W，超声时间7 min～9 min，微波功率为1 886.5 MHz，微波时间2.5 min～3.5 min，提取率可达78.77 mg/g。这种方法不需要纤维素酶及灭酶处理工序、提取时间短、有利于保护可溶性膳食纤维。潘广彦也是以山楂渣为原料，比较超声波辅助酶法和超声波辅助微波法提取山楂可溶性膳食纤维的效率[35]。研究结果显示，超声波辅助酶法的最优条件为，料液比为1 ∶12（g/mL），超声温度为 50 ℃，超声功率为 90%，酶解pH 值为4.5；超声波辅助微波法最优条件为，料液比为 1 ∶16（g/mL），超声温度 65 ℃，超声功率 70%，超声时间9 min，微波功率中高，微波时间2.5 min。其中超声波辅助酶法提取率为83.84 mg/g，超声波辅助微波法提取率为78.77 mg/g，低于超声波辅助酶法，但节约了时间。

侯玉婷等以干燥的山楂粉为原料，评价了热水浸提法[料液比为 1 ∶15（g/mL），温度为 90 ℃]、超声波辅助热水浸提法[料液比为 1 ∶15（g/mL），温度为 80 ℃，超声波功率为500 W]、酶法辅助热水浸提法[料液比为1 ∶15（g/mL），pH 值为 6.0，按 2.5%比例加入木聚糖醇，60 ℃充分搅拌提取3 h，100 ℃灭酶 10 min]提取山楂果胶的效果，结果显示超声波辅助热水浸提法提取率最低，为6.4%，热水浸提法次之为10.1%，酶辅助法提取率最高为17.7%，说明采用不同提取方法山楂果胶的提取率有较大差异[47]。

2.4 其他

唐霞等还探讨了山楂果胶的微波-盐酸-盐析法的提取条件，发现以新鲜山楂果心为原料，在盐酸浓度0.05 mol/L、微波功率800 W、饱和硫酸铝溶液7 mL、料液比 1 ∶15（g/mL）、微波时间 50 s 的最适提取条件下，果胶提取率为5.87%[48]。

目前的研究发现山楂果实中的膳食纤维以可溶性为主，如果仅作为保健食品原料进行开发利用而言，使用蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶、果胶酶进行降解，不仅会提高生产成本，降低产率而且还会改变产品的风格品质。本项目组也曾开发出两种无废弃的山楂综合利用技术[32，49]，其方法是用乙醇提取山楂鲜果或山楂干粉中的小分子成分，包括糖类、有机酸、氨基酸、多酚、以及脂溶性成分，然后将醇不溶性成分制成山楂膳食纤维。这种产品中不仅包括着主要成分果胶，还含有一定量的纤维素、半纤维素、木质素、少量蛋白质、矿物质以及结合形态的多酚等，是制作保健食品的优质原料。

3 山楂膳食纤维的含量测定及单糖组成特点

我国GB5009.88-2014《食品安全国家标准食品中膳食纤维的测定》规定了食品中膳食纤维的测定方法（酶重量法）[50]，根据此方法获得的山楂中不可溶性膳食纤维的含量为3.1 g/100 g 可食部，高于苹果（1.7 g/100 g可食部）和橙子（0.6 g/100 g 可食部）[51]。王孝娣等采用非酶重量法也测定了8 种水果的总膳食纤维含量，其中山楂的总膳食纤维为10.29%（以干重计），与苹果相当，稍高于蜜桔[52]。吕明霞等通过气相色谱法分析北方水果中的膳食纤维单糖组成计算得到总膳食纤维、不溶性膳食纤维和可溶性膳食纤维含量的结果显示，山楂中可溶性膳食纤维占总膳食纤维的比例可高达75%，是苹果的2 倍；其单糖组成中半乳糖醛酸含量极高（91.1%），其它中性单糖含量均不超过2%，这提示山楂是膳食纤维的良好来源，也是提取果胶的优质材料[53]。