竹笋膳食纤维理化特性及改性技术研究进展

汪 楠,黄 山,张 月,郑 炯

(西南大学食品科学学院,食品科学与工程国家级实验教学示范中心,重庆 400715)

竹笋是中国传统佳肴,味香质脆,食用和栽培历史悠久,富含蛋白质、膳食纤维、碳水化合物、氨基酸、矿物质、无机盐等多种营养成分[1],是人们喜爱的一种绿色森林蔬菜。中国是目前世界上最主要的竹笋种植国家,其每年生产的竹笋约60%需进行加工处理。竹笋加工过程中,竹笋壳、笋头和笋脚等部分目前通常作为加工副产物被随意丢弃,而这些竹笋加工副产物中含有丰富的膳食纤维(Dietary fiber,DF),是一种来源广泛、价格低廉和绿色天然的潜在DF资源。

DF具有控制体重、改善便秘、降低血糖以及促进肠道健康等多种生理功能[2]。目前,随着人们生活水平的提高及对健康更加重视,使得DF在国内外均具有广泛的市场。竹笋及其加工副产物作为DF的丰富来源,越来越受到研究者的关注。目前,已有研究将竹笋来源的DF应用于肉制品、果酱、面团和乳制品等食品中[3]。根据水溶性,DF被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),SDF和IDF的比例对DF的生理功能和加工特性有重要作用,30%～50% SDF和50%～70% IDF被认为是一个平衡的比例[4]。然而,竹笋膳食纤维(Bamboo shoot dietary fiber,BSDF)大约由8%的SDF和92%的IDF组成[5]。因此,通过改性技术提高BSDF中SDF的含量对其品质的提升有重要意义。

化学法、生物法和物理法是常用的改性DF的方法,其中化学法主要是通过酸或碱的作用来改性DF,生物法主要通过酶的降解和微生物发酵来改性DF,物理改性技术包括微波、超微粉碎、超声波、挤压、微流态化、高温蒸煮等。近年来,许多文献报道了以上技术应用于BSDF的改性研究中。因此,本文就这些改性技术的基本原理及其对BSDF理化性质、生理功能和结构的影响等方面进行全面系统的论述,旨在为BSDF的开发与利用提供参考。

1 BSDF的理化性质

1.1 水合性质

BSDF的水合性质包括持水力、膨胀力和结合水力。良好的水溶性对DF的应用有着重要影响,DF的水溶性与其亲水基团密切相关。持水力代表BSDF受到外力作用时保持水分的能力,有研究发现BSDF中SDF含量越高,持水力就越强,颗粒尺寸、表面特性和加工技术等条件均可影响持水力。膨胀力是DF吸收水的体积和DF重量之间的比率,膨胀力与SDF含量有关,可溶性成分增加,膨胀力增大[6]。DF的结合水力受DF颗粒大小、温度以及DF分子的物化结构、pH和周围流体电解液浓度等的影响[7]。Luo等[8]研究发现竹笋中SDF的持水力最高为7.10 g/g,而IDF和总膳食纤维的持水力分别为2.83和5.90 g/g。

1.2 持油力

BSDF的持油力是指DF防止脂肪和油脂流失的能力,与DF颗粒的表面特性、疏水性和总电荷密度有关。通过外力的作用使DF紧密的结构变得松散,孔隙增多,更多的亲脂基团暴露,使持油力得到改善。研究表明,BSDF具有良好的持油力,其可以在消化系统中结合脂肪从而降低血清胆固醇水平[9]。Ge等[10]认为挤压处理后BSDF持油力的降低是部分多孔网状结构和表面亲脂基团被破坏所致。

1.3 阳离子交换和吸附能力

阳离子交换能力主要是DF中的羧基和羟基基团,产生与弱酸性阳离子交换树脂类似的功能,并与阳离子可逆地相互作用[11]。阳离子交换能力的增加通过降低离子吸收容量和改变离子的浓度来实现的。pH和渗透压会影响BSDF的阳离子交换能力。DF与肠道中的K+、Na+结合,可以降低由于Na+、K+摄入过量而导致的多种疾病[12]。对亚硝酸盐、胆固醇、葡萄糖、金属离子的吸附能力是DF的一个重要特性,对亚硝酸盐的吸附有助于防止过量亚硝酸盐对人体的毒害,结合小肠中的胆汁酸和胆固醇从而有较好的降血脂作用,对葡萄糖的吸附可以延缓或减少葡萄糖在胃肠道的消化吸收,对降血糖起着重要的作用[11]。Song等[13]发现改性后的BSDF葡萄糖吸附能力为158 mg/g,胆固醇吸附能力分别为9.8(pH=2)、11.4 mg/g(pH=7),亚硝酸盐离子吸附量分别为29(pH=2)和21 μg/g(pH=7)。

1.4 粒径和电位

粒径在DF的功能特性中起着重要作用。粒径大小与DF的表面特性和分散能力密切相关。随着粒径的减小,DF颗粒具有更大的比表面积,更多的功能基团被暴露,水合性质和吸附能力得到改善[14-15]。电位是测定水相与附着在浸没粒子上的固定相界面处的电位,可用来预测胶体悬浮液的稳定性[16],被广泛用于指示相邻及带电胶体之间的静电斥力程度。物质表面电荷与聚电解质之间的相互作用有关,粒子表面负电荷的增加会加强粒子间的静电斥力,破坏现有的胶体团聚体,并阻止进一步的聚集,负电荷越低,粒子解离程度越大[17-18]。DF粒径大小和表面电位将影响颗粒间的空间排斥度和静电力,从而对DF稳定性及其在水悬浮液中的分散和流变行为产生影响[19]。李璐等[20]发现重压研磨粉碎和气流粉碎后,雷竹笋DF粒径分别降低了84.82%、94.81%。

2 BSDF的改性技术

2.1 化学改性技术

化学方法是用酸和碱去除竹笋中的淀粉和蛋白质等成分,使糖苷键断裂产生新的还原性末端,纤维类大分子的聚合度下降转化成非消化性的水溶性多糖,以此来提高SDF的含量,进而改善DF的理化特性和生理功能[21]。王昕岑等[22]分别优化了酸法和碱法提取马蹄笋头和笋壳DF的工艺条件。化学法改性后DF色泽偏白,结构疏松多孔,呈现不规则的形状。在酸奶中添加化学法改性的BSDF,显著提高了酸奶的粘性[23],DF的水合性质、持油力、阳离子交换能力、吸附能力均得到提高[24],如表1所示。化学改性技术处理简单、成本较低,适宜工业化生产,但该法转化效率低,存在食品安全性和环境污染等问题。

2.2 生物酶技术

生物酶技术主要是利用酶降解DF,使糖苷键断裂,不溶性糖类水解为可溶性小分子物质[25]。常用的生物酶有蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶和木聚糖酶等。Wang等[6]用酶法改性的毛竹笋DF的膨胀力、持水力和持油力都有所提升(表1)。DF粒径最小可达39.41 μm,表面呈蜂窝状结构,有较多的孔洞和裂纹,与酶法改性马蹄笋DF的理化性质变化一致[26]。Zheng等[27]用酶法改性后的BSDF喂养小鼠,发现能降低小鼠餐后血糖值,与对照组相比,SDF、IDF组小鼠血糖水平分别降低30.1%、27.3%。同时,酶解后的BSDF也被证明可以有效改善果酱和大豆蛋白的流变性能和质构特性[28-29],降低香肠脂肪能力吸收,改善营养价值和质量特性[30]。生物酶技术反应条件温和、特异性强,处理后DF的组成和结构几乎不受破坏,也不会造成化学污染,在食品工业中具有较高的应用潜力[31],但存在改性DF的纯化酶价格较高,以及酶与底物接触和反应不均匀的问题。

2.3 发酵技术

2.4 挤压技术

挤压技术是指物料受到高温、高压和高剪切力,使得物料的内部水分在挤出机的出口处快速蒸发,在高温和低水分环境中,DF中的共价键和非共价键的断裂,形成更小和更易溶解的分子片段[37]。Ge等[10]用双螺旋挤压技术对BSDF进行改性,改性后DF的膨胀力和持水力提升,持油力下降,在pH7.0时挤压改性DF的胆固醇吸附量高于pH2.0,可能是羟基和羧基等基团化学结构导致酸性条件下胆固醇吸附能力降低。将挤压技术与酶解结合改性毛竹笋DF,改性后DF的持水力、膨胀力、持油力以及对胆固醇吸附能力和NO2-吸附能力均高于单独挤压改性[12],而且改性后SDF含量可达22.17%,SDF被破碎成较小的碎片,具有不均匀、不规则、粗糙的表面。可见,酶解处理与挤压改性可能存在协同作用,未来可以考虑将挤压与其他技术联合改性BSDF,可能会得到更高品质的BSDF。挤压技术通用性强,生产率高,在对DF改性过程中,促进了大分子和聚合物的降解,DF的消化率和水溶性都得到了充分的提高,具有广阔的应用前景[38]。

2.5 超微粉碎技术

2.6 超声波技术

超声波技术是利用超声波探针的周期性机械运动将能量传递到流体介质中,并产生高温、压力和剪切力,破坏DF主链中的糖苷键,导致DF的结构、理化性质和功能性质发生变化[41]。张艳等[42]用超声波技术分别对新鲜、干制、冷冻的方竹笋DF进行改性处理,结果表明,干制方竹笋 DF超声波改性后的理化性能明显优于改性后的新鲜和冷冻方竹笋DF,干制方竹笋DF的持水力、膨胀力和持油力如表1所示。改性处理后的新鲜方竹笋DF呈现疏松多孔的类似蜂窝状结构,干制方竹笋DF呈现无规则凹凸状结构,冷冻方竹笋DF呈现较紧实的无规则凹凸状结构。方竹笋DF的特征峰型、位置及峰的数量均未有显著变化。刘玉凌[43]也用超声波技术对新鲜、干制、冷冻的方竹笋DF改性,水合性质和持油力结果与张艳等[42]研究结果相似。改性后DF的自由基清除率显著增强,冷冻方竹笋DF的持油力下降,可能是解冻时冰晶的消长使细胞组织结构发生改变,BSDF表面亲油基团的减少导致的。超声波技术节能、省时、有机溶剂消耗少,是改性BSDF一种高效绿色的技术。

2.7 微波技术

微波技术是应用电磁波使物料中的极性分子在微波电场中产生剧烈运动,物料温度快速升高,化学键断裂,小分子物质急剧挥发,相互间挤压,促使物料微孔隙的形成,比表面积增大,达到改善物料性能的作用[44]。任雨离等[39]用微波技术对方竹笋DF进行改性,改性后方竹笋DF水合性质得到提高(见表1)。DF孔状结构更加密集、网状结构更为明显,比表面积增大,更多的亲水基团暴露,持油力和超氧离子清除率下降。通过红外光谱发现,微波改性对方竹笋DF的主要官能团影响较小,X-衍射显示方竹笋DF的结晶区强度发生变化,但结晶结构未发生变化。目前,微波技术已经成功地应用于许多食品加工中,如蒸煮、杀菌、解冻、干燥和脱水等,该技术条件温和,操作简便,易实现工业化。

2.8 其他技术

高速剪切结合纤维素酶处理竹笋膳食纤维,强烈的剪切力促进了BSDF破碎和大孔隙的产生,改性后毛竹笋DF表面结构不规则且粗糙,具有孔状蜂窝结构,改性后SDF含量达到10.15%,粒径从383.90 μm降低到30.65 μm,持水力和膨胀力增大,见表1[14]。红外光谱分析表明,处理后的竹笋中含有羟基、糖、亚甲基和苯环等芳香族化合物。通过微胶囊技术将BSDF包裹成1～1000 μm的微小颗粒[45],可以改变毛竹笋DF的理化性质(表1)和热敏性,强化某些营养成分,改性后SDF增加了10.24%,BSDF的口感更细腻,颜色更白[46]。

表1 不同改性技术对BSDF理化性质的影响Table 1 Effects of different modification technologies on the physicochemical properties of BSDF

高温蒸煮技术是在高温高压作用下,导致IDF分子链断裂,转变为SDF[47]。高温蒸煮处理破坏了DF分子间作用力和晶体结构,如表1所示,处理后DF的持水力、持油力、膨胀力均提高,改性后的BSDF颗粒变小,组织结构更加疏松,空隙增多,BSDF的结构被破坏[48]。动态高压微射流作为一种新兴技术,使物料在处理时受到剪切、碰撞、粉碎等机械力的作用[49],可以使BSDF的粒径明显减小,结晶度和热稳定性提高,表面可见蜂巢状形貌和较大的空腔,BSDF的持水力、持油力和吸附能力显著提高(见表1)[9]。

3 展望

近年来,BSDF加工技术方面的研究取得了较大的进展,这些研究成果为BSDF高附加值产品的开发提供了实验和理论支撑。但是,总的来说,有关BSDF加工技术的研究目前仍处于起步阶段,还存在较多问题亟待解决,例如:通过改性获取的BSDF稳定性较差,且工艺条件较复杂,成本较高,离工业化生产还有较大距离;利用现代食品加工技术来改善BSDF口感及其消化特性等方面的研究还较少;不同加工技术对BSDF结构及构效关系的作用机理还不明确。这些问题都极大地制约着BSDF工业化生产及竹笋加工产业的可持续健康发展。因此,目前对BSDF改性技术的基础研究及应用基础研究亟待加强,对于这些改性技术仍需进一步研究改性BSDF的机制。另外,研究不同改性技术联合或协同使用对BSDF的影响也有待进一步加强。利用现代食品加工技术和理论高效制备BSDF,实现高活性BSDF的工业化生产是今后要努力的方向。