水溶性膳食纤维的提取方法及其在食品中的应用

2021-02-26许锡凯辛嘉英任佳欣肖婧泓胡新婷

食品研究与开发 2021年4期

许锡凯，辛嘉英，任佳欣，肖婧泓，胡新婷

（哈尔滨商业大学省高校食品科学与工程重点实验室，黑龙江哈尔滨 150076）

膳食纤维（dietary fiber，DF），被称为第七大营养素，对人体健康有诸多重要作用，这一概念最早被Trowell于1972年提出，指不能被消化道的各种酶所消化的植物细胞壁成分[1]。之后联合国粮农组织，国际食品法典委员会分别于2007年[2]、2009年[3]对定义进行了不同程度的修改。目前，中国营养学会将DF定义为在人体内不易被消化酶消化的多糖类食物成分的总称[4]。总的来讲，膳食纤维指的是既不易让胃肠道消化吸收，也无法产生能量的一种多糖物质，它是一种安全优质的可作为保健食品原辅料的功能性成分，按其水溶性分为水溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）和水不溶性膳食纤维（insolubledietaryfiber，IDF）[5]。其中SDF通过降低餐后血糖含量和血清胆固醇含量，不仅可以达到减肥的目的，还可以预防心脏病、肠胃病及糖尿病等疾病[6-7]，正日益引起人们关注。按结构的不同，SDF可分为β-葡聚糖、半乳甘露糖胶、菊糖和大量不易消化的低聚糖类（如低聚木糖、低聚果糖等）；按其来源的不同，又可将SDF分为谷物类、豆类、水果类、蔬菜类及合成或转化类等[8]。根据现今的研究来看，豆类、麦麸、胡萝卜和柑橘等食物中均含有丰富的SDF[9]。近年来，SDF因其良好的加工性能和优异的功能特性，在食品加工工业中常用以对食品进行增稠、填充[10]。

据调查，我国成人平均膳食纤维的摄入量约为13.3 g/d，远不足建议摄入量25 g/d～35 g/d，且天然来源的膳食纤维中SDF含量较少，需要采用化学法、酶法、发酵法、物理法等对天然原料改性，提高其SDF的含量和品质[5]，这也是学者们近年来对水溶性膳食纤维的研究重点。并且由于饮食文化的不同，目前欧美国家对SDF的研究更趋成熟，关于SDF在食品体系中作用机理的研究也更加完善。相对而言，我国关于SDF的研究工作起步较晚，且多集中于添加SDF食品的工艺优化方面及提取方法方面，对SDF的功能特性的研究则不多，关于SDF的基础研究有巨大的发展空间和广阔的前景。因此，本文将主要对近年来水溶性膳食纤维的提取方法进行总结，概述其功能性质和在食品加工制品中的应用，以期为水溶性膳食纤维今后的开发利用提供一定的参考。

1 SDF的提取方法

为了得到SDF，通常需将其从天然原料中分离提取出来。不同的提取方法，如提取温度、提取时间、pH值和溶剂的不同，所提取SDF产品的得率、化学组成、理化特性及功能特性会有所不同[11]。常见的SDF提取方法有化学法、物理法、酶解法、发酵法和联合法等，基本原理是通过破坏水溶性膳食纤维与其他物质之间连接的结构或者多糖之间的糖苷键，促进IDF向SDF的转化，使水溶性膳食纤维游离释放，增大SDF与水或者其他溶剂的接触面积，从而使SDF被提取[12]。目前对SDF提取方法的研究主要集中于提取技术和操作条件的组合优化，尽量选择适宜的温度，减少试剂的消耗和操作的时间，同时保证达到或者高于预期的SDF产品的得率和功能特性[13]。

1.1 化学法

化学法是指天然原料经过干燥、粉碎，再经相应的化学试剂脱杂（除去脂肪、淀粉、蛋白质等成分）处理后，在酸或碱条件下结合高温进行提取，从而得到水溶性膳食纤维的一种方法[14]，是目前应用最广泛的提取方法，常用于获得各种不同来源的SDF。化学法根据工艺不同可分为酸法、碱法、絮凝剂法等[15]。碱法是常用的萃取法，Chen等[16]用KOH处理藻类，结果显著改善了藻类中角叉菜胶的胶凝特性，减少了角叉菜胶的损失，且更好地去除藻类中蛋白质、脂肪、淀粉和色素等非膳食纤维成分。酸水解法可用于从果胶含量高的原料中制备SDF。Fissore等[17]用柠檬酸水解提取甜菜和白胡桃中的水溶性膳食纤维，结果表明，随着pH值的降低和提取时间的增加，SDF提取率增加。而李施瑶等[18]的研究则将两种方法进行了对比，使用酸法和碱法分别对红树莓果渣中的可溶性膳食纤维进行提取和纯度测定，发现碱法和酸法提取的SDF平均得率分别是（21.45±2.3）%和（3.39±0.68）%，平均纯度分别为73.84%和76.17%，得出了酸法和碱法均可用于红树莓果渣SDF的提取，且碱法SDF提取效果明显优于酸法的结论。

由此可见化学法具有简单快捷、操作方便的优点，主要缺点是提取得到的SDF的色泽较差、纯度不高，pH值和温度等处理条件也会对SDF的活性造成影响，且加工过程中产生大量的污水废气，容易对环境造成污染[15]。研究者们正针对不同的原料，采取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SDF的品质。

1.2 物理法

物理法早期多指浸提法，现指采用超微粉碎、超声波处理、挤压蒸煮等物理方法对SDF进行提取的方法[19-22]。其中水溶醇沉法最为简便，将处理后的粗原料溶于温水或热水中，再将其水溶液用4倍体积的乙醇沉淀得到SDF，利用的是SDF易溶于水、不易溶于乙醇等化学溶剂的特点，在工业上被广泛应用[12]。随着科技发展，许多新兴技术逐渐被用于与水溶醇沉法相结合对SDF进行提取。Zhu等[23]将小麦麸皮进行超微粉碎后浸提得到SDF，发现减小孔径会增强SDF的锁水能力，但是某些情况下，孔径减小则会损伤纤维，使毛孔崩坏，导致其水化性能下降。姜翠翠等[24]研究得到用超声波提取番石榴可溶性膳食纤维的最佳工艺参数是pH 2.94、提取时间40.36 min、提取温度50.02℃、液料比值 14：1（mL/g）、超声波功率 240 W，在此条件下可溶性膳食纤维实际提取得率为17.2%，所得的可溶性膳食纤维成品颜色微黄，持水性和吸水膨胀性较好。Yan Xiaoguang等[25]采用新型的挤压膨化工艺，使麦麸可溶性膳食纤维（SDF）含量由（9.82±0.16）%显著提高到（16.72±0.28）%，提高了麦麸SDF的保水性和膨胀性。

研究可见，物理法的优点在于提取用时短，得到的SDF得率和纯度均较高，缺点在于所采取的设备价格昂贵且维修费用高，且采用新技术的具体工艺条件有待进一步探索，过高或者过低的条件可能都会使SDF的得率降低、品质下降。

1.3 酶解法

酶解法是通过使用多种酶去除原料中除膳食纤维以外的其他成分（主要是蛋白质、脂肪、还原糖、淀粉等），从而使可溶性膳食纤维游离释放，从而被提取出来，酶法中使用的酶主要包括α-淀粉酶、蛋白酶等[26]。一些活性成分也可以通过使用纤维素酶，半纤维素酶，果胶酶进行制备获得，纤维素酶可以分解水不溶性膳食纤维以产生小分子量的单糖或寡糖，从而提高水溶性膳食纤维的提取率[27]。操作过程中采用单一酶制剂或复合酶制剂进行处理[28]。由于酶具有专一性，不同的天然原料的SDF提取需要不同的酶制剂[29]。刘美池等[30]采用双酶法（耐高温α-淀粉酶、木瓜蛋白酶）提取香蕉皮中可溶性膳食纤维，确定了最佳工艺条件为α-淀粉酶用量17.5 mg，木瓜蛋白酶用量12.5 mg，酶解时间60 min。在此条件下，可溶性膳食纤维提取率可达到6.33%。李梁等[31]通过响应面优化出了纤维素酶提取苹果梨渣可溶性膳食纤维的最佳工艺参数：料液比1 ∶17（g/mL），酶添加量 60 U/g，酶解时间 7 h 和酶解温度49℃，此时可溶性膳食纤维的得率高达15.31%。从目前的研究来看，几乎所有的酶法提取SDF都需要较长的时间。但有研究认为，用最小的酶处理提取SDF，通过优化工艺条件可以在短时间内获得大量的SDF[32]。

总体来讲，由于酶的强特异性，酶法制备的膳食纤维具有较高的纯度，这也是酶法提取膳食纤维的主要优势，此外与化学法相比，酶法提取条件温和，不需要高温高压，能明显降低对原料结构的破坏[15]，且操作简便，既节省了能源，又节约了部分工艺和设备，有利于环境保护，特别适合于高淀粉和蛋白质含量的原料中的SDF的提取。但由于酶制剂价格昂贵使得制备SDF费用过高，难以实现工业化生产。

1.4 发酵法

发酵法是一种新型的提取方法，利用微生物发酵消耗食品原料中的蛋白质、淀粉等，分泌出的纤维素酶、半纤维素酶等破坏多糖之间的糖苷键使多糖由大分子变为小分子结构，从而制取水溶性膳食纤维[12]。研究主要采用真菌（如曲霉、链孢霉等）[33-34]、细菌（如乳酸菌）等微生物[35]。发酵底物多为含膳食纤维丰富的谷类，如麦麸、小米、豆渣等[36]。谢欢等[37]以SDF/DF为指标，通过正交试验优化黑曲霉发酵豆渣制备高SDF豆渣的工艺，结果显示黑曲霉发酵豆渣DF的最优条件为：发酵温度30℃，接种量1.5%、料液比1∶3（体积比）、发酵初始pH值为自然pH值。在此条件下，发酵后的豆渣中SDF的含量占总膳食纤维（total dietary fiber，TDF）的37.84%，与未发酵豆渣相比提高了7.19倍，SDF的持水力增加了55.33%，膨胀力增加了60.67%，结合水力增加了21.74%，说明了黑曲霉发酵可作为提高豆渣膳食纤维品质的有效方法。据Jia Mengyun等[38]通过对绿色木霉发酵米糠得到的SDF的理化性质和功能特性的研究，发现发酵后的米糠SDF的水合性有明显提高。也有一些研究者选择果胶含量高的水果皮、渣，蔬菜等作为发酵原料[39-40]。周笑犁等[41]以保加利亚乳酸杆菌与嗜热链球菌1∶1混合菌种为发酵剂探究提取刺梨果渣可溶性膳食纤维的最佳工艺条件为：接种量12%、pH6.0、发酵时间48 h、料液比1∶25（g/mL）、发酵温度40℃。在此条件下刺梨果渣SDF的比例明显提高，其得率为16.81%，经发酵法制备的刺梨果渣膳食纤维持水力和膨胀力也均高于刺梨果渣。

从大量的研究可以看出，发酵法提取SDF的得率、色泽、质地都较好，提取得到的SDF的持水性、持油性等理化性质也有显著提高，且发酵原料多为食品加工的副产物，成本低廉。该方法的不足之处在于操作过程比较复杂，发酵需要一定的环境条件，工业化流程尚未完善。

1.5 联合法

综上所述，无论是化学法、物理法还是生物法，都各有其优缺点，适用的食品加工范围也不尽相同。将其中两种或多种方法进行结合，一方面可以避免单一方法的缺陷，另一方面可以使多种方法相互配合，更有效地提高SDF的得率和品质；通常多种方法的组合要比单一方法的效果更好[42]。

目前常见的组合方法有化学法与酶法联合、超声波辅助法、机械预处理法等[43-46]。陶志杰等[47]建立以麦麸为试验材料，通过酶-化学法提取后，其最优提取条件为碱用量12%，碱解时间45 min，酶用量0.2%，酶解时间4.5 h，可溶性膳食纤维提取率平均值为16.53%，该研究建立了麦麸可溶性膳食纤维的酶-化学法提取最佳工艺。刘静等[48]以香椿老叶为试材，通过响应面优化试验确定了超声波协同酶法提取香椿老叶可溶性膳食纤维的最佳提取工艺参数，结果表明最佳条件下可溶性膳食纤维的提取率可达7.11%，产品杂质含量低，持水力和膨胀力分别为7.29 g/g和4.40 mL/g。He H[49]以花生壳为原料，经挤压预处理，化学（酸）洗，淀粉酶水解等制备膳食纤维，所得花生壳膳食纤维的SDF含量达到18.1%，大大提高了膳食纤维的利用率，经进一步进行超高压均质处理后，SDF/DF比高达41.44%，是高压均质前的4.56倍。

研究可见，多法联合提取SDF的得率更高，纯度也更高，也可降低酶法、挤压法等单一应用时的昂贵成本，有较高的研究和利用价值。

2 SDF的功能特性

SDF结构疏松，含有较多的亲水性因子，因此具有优良的溶解性、持油性和水合性等理化性质，这些理化性质使得它具有良好的吸附葡萄糖、胆固醇等的能力[50-51]，从而可以达到降低血糖、血脂的效果，预防糖尿病、动脉硬化、高脂血症等疾病[52-54]。同时也使SDF可以螯合一些化学成分，起到较强的清除自由基、清除有毒有害金属离子的效果，可预防肿瘤、抗氧化[55-57]。最近的研究发现，不同来源的SDF的功能特性会有较大的不同，MirmiranParvin的研究表明，豆类、水果和蔬菜的膳食纤维与心血管疾病风险呈负相关；然而，谷物和坚果来源的膳食纤维与心血管疾病风险无关[58]。这给SDF的功能特性的研究提供了新的方向和参考，在优化各种提取工艺，采用多种改性方法提高SDF功能特性的同时，选择合适的天然原料也同样重要。

3 在食品中的应用

早在1965年，膳食纤维已经被应用于食品中，经过20年的发展后，才吸引了大量食品加工厂厂商的目光[9]。由于SDF具有上述功能特性，它的添加可以明显改善食品的品质，提高食品的加工工艺：1）改善食品的风味质构，将其应用到面包、饼干、面条、火腿肠、和糖果等食品中，有助于提高食品的凝胶性、抗粘连性和抗凝结性，增加食物的适口性[59]。2）改善食品的营养成分，SDF可部分或全部地替代糖和脂肪成分加入到食品中，既降低食品能量，又提高营养水平[60]。

3.1 在米面制品中的应用

在米面制品中添加SDF能够有效改善产品韧性和弹性，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，防止其储存期变质[59]。但也有研究表明，由于SDF具有高水合性，会抢夺水分，影响面筋的形成[61]。研究表明：随着水溶性膳食纤维含量的增加，面包芯的硬度逐渐增加，当添加4%的水溶性膳食纤维时，面包的各项感官评分最高，且最高添加量不宜超过6%[28]。而相比面包，饼干中则可以添加更多的SDF，MengyunJia等[62]研究发现，添加SDF可降低饼干的硬度和黏性，且添加6%的SDF的配方可获得口感和可接受度最高的饼干。此外，添加了SDF的大米煮制的米饭也会具有蓬松清香的良好口感[63]。

3.2 在饮料乳品中的应用

在饮料中添加SDF可使饮料中的颗粒分布均匀，使饮料持久不沉淀，不产生胶凝作用，增加产品的稳定性。研究表明，SDF在果汁、果肉浑浊类饮品中使用量0.5%～1.5%为宜，在透明类饮品中添加0.3%～1.2%为宜[64]。而将膳食纤维应用到以乳制品为主要原料的配方乳粉中，会对控制血糖、改善胰岛素分泌起到很好的效果[65]，提高乳粉的营养性。近几年国内部分饮料生产公司都有意推出高纤饮料，乳品企业已经推出了高纤奶产品。

3.3 在肉制品中的应用

在肉制品中添加SDF可提高脂肪持水性，达到增强口感，增加产量和降低成本的效果，并具有降脂作用，因此所生产的肉制品特别适合糖尿病患者[66]。李可等[67]通过提取猪肉盐溶性蛋白，添加不同比例的竹笋SDF，应用质构仪、流变仪等测定分析形成的凝胶体系的凝胶强度，发现竹笋SDF能够明显改善猪肉盐溶性蛋白的凝胶功能特性，在肉制品加工中有广阔的应用前景。张根生等[68]以马铃薯SDF作为脂肪替代物制备肉丸，同时与普通肉丸的营养成分进行对比，结果表明前者的脂肪含量降低了39%，达到了低脂的目的。

3.4 在保健品中的应用

SDF目前常被用作预防糖尿病的保健食品的添加剂，用来调整饮食结构，增强保健功能。专家认为，膳食纤维食品将是21世纪主导食品之一[69]。而SDF可溶于水的特性又使其便于应用在食品加工环节中，是一种理想的食品保健原料，若能充分开发利用生产出多类型SDF保健食品，将会使居民的膳食结构得以更加均衡。

4 总结与建议

本文总结了不同的SDF提取方法的优缺点，见表1。

我国拥有丰富的食品加工副产物资源，水溶性膳食纤维则广泛存在于各种食品加工的副产物中，因其特殊的营养功能特性受到了食品领域、生物领域以及医学领域广泛关注，现在也正应用于多种食品的加工生产中。未来我们仍需要对SDF的提取工艺进一步进行优化，寻求更加有利于规模化生产且环境友好的方法，例如尝试将微生物与酶结合提取SDF等；同时加深对SDF的功能特性的研究，阐明其在血液循环中的具体作用机理，与食品中其它组分的相互作用机制等；最后扩大SDF的应用范围，例如将其用于食品包装，减少白色污染等。