柑橘皮渣膳食纤维的特性及其在食品中的应用

何雅静，陈珊珊，孙志高

（西南大学柑桔研究所，国家柑桔工程技术研究中心，重庆 400712）

膳食纤维（Dietary Fiber,DF）是指不能被人体小肠消化吸收，而对人体有保健功能的多糖类物质。研究表明 DF 具有预防肥胖、减少心血管疾病发病率[1]、调节肠道功能、预防便秘、预防结肠癌[2−3]等生理功效，在医学和营养学方面具有不可或缺的作用，因此它被称为第七大营养素。由于目前居民膳食更加偏向于精细化，对膳食纤维的摄入量不足且种类单一，易引起膳食纤维缺乏，进而导致疾病。因此世界粮农组织建议人均每天DF 摄入量应达到27 g，我国营养学会建议成人每天摄入量为30 g[4−5]。

柑橘是世界加工三大作物之一，年产量超过1.225 亿吨，约有1/3 被用于加工制成各种柑橘类产品，如柑橘果酱、柑橘饮料等[6]。随着柑橘产业的发展，在柑橘加工过程中产生的籽和皮渣等固体废弃物约占加工果实总量的30%～50%，若不对柑橘皮渣等加以利用，不仅会造成资源浪费，而且会导致严重的环境污染。国内外学者对柑橘皮渣的利用主要集中在生产饲料和肥料，提取皮渣中膳食纤维、黄酮和精油等活性成分，还有少量被制成蜜饯或其它休闲食品[7]。据研究柑橘膳食纤维在食品中的应用具有以下优势：其一，柑橘膳食纤维含有多酚、类胡萝卜素和类柠檬苦素等功能性成分而使食品具有抗氧化、抗癌、消炎和抑菌等生理功效[8−9]；其二，柑橘膳食纤维的持水性、持油性和凝胶特性等理化特性有利于食品加工生产[10]；其三，柑橘膳食纤维能提升食品色泽、风味和口感等感官品质[11]。因此，本文对柑橘膳食纤维的理化特性以及在食品工业的应用进行介绍，以期为柑橘膳食纤维的研究和应用提供理论基础，为柑橘综合利用提供科学参考。

1 柑橘皮渣膳食纤维的分类及含量

柑橘皮渣是果蔬膳食纤维的重要来源之一，依据柑橘皮渣膳食纤维在水中的不同溶解度而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 主要由果胶组成（见图1A），果胶是半乳糖醛酸残基以α-1,4 糖苷键连接的复杂多糖，一般由半乳糖醛酸聚糖（HGA），鼠李半乳糖醛酸聚糖Ⅰ（RG-Ⅰ），鼠李半乳糖醛酸聚糖Ⅱ（RG-Ⅱ）组成[12]。IDF 主要由纤维素（见图1B）组成，纤维素大分子是由D－葡萄糖为主链通过β-1,4 糖苷键连接的线性不溶性无支链聚合物。不同柑橘种类的膳食纤维含量及组成都略有不同，详见表1。柑橘果皮中的DF 含量约为60.3%～78.8%，其中IDF的比例（48.5%～50.3%）比SDF的比例（12.9%～14.1%）更高。

表1 不同柑橘品种膳食纤维组成分析Table 1 Analysis on composition of dietary fiber in different citrus varieties

图1 果胶和纤维素结构示意图Fig.1 Schematic diagram of pectin and cellulose structure

2 柑橘皮渣膳食纤维的理化性质

2.1 水合作用

柑橘皮渣膳食纤维的水合作用主要包括持水性（Water holding capacity,WHC）和膨胀力（Swelling capacity,SWC）。WHC 是指DFs 在压力下或离心后所保留的水量，SWC 是指DFs 浸没在水中一段时间后的总容积变化。柑橘DFs的水合作用与柑橘DFs的单糖组成、亲水官能团（如羧基、羟基、氨基、醛酮基）的结构和数量、以及膳食纤维的微观形态和环境温度有关[20]；柑橘皮渣膳食纤维结构中多糖链形成的多孔基质结构能够保持大量水。此外，因膳食纤维化学结构中的极性基团易与水分子形成氢键，同时因吸水后体积膨胀而具有较强的持水性和膨胀力。通常膳食纤维的粒度越小，其纤维结构就越松散，对水的吸附能力越强，但若膳食纤维粒度过小，则纤维的结构就会被破坏反而会导致其持水性下降[21]。水合作用是DFs 最重要的理化性质之一，影响着DFs在食品加工中的应用特性。高WHC的DFs 可以延长咀嚼时间，可应用于肉制品中，也可提高肉制品的品质。高SWC的DFs 遇水后体积膨胀会影响碳水化合物在肠道中的消化吸收，容易产生饱腹感，故可应用于烘焙食品，以减少摄入的热量[22]。如表2 所示，葡萄柚和柚皮膳食纤维的WHC 含量最高，这表明葡萄柚和柚类膳食纤维更有利于增强食品的持水性。

表2 不同柑橘种类膳食纤维的理化性质Table 2 Physical and chemical properties of different types of dietary fiber

2.2 持油性

持油性（Oil holding capacity,OHC）是指DFs 和油混合后所保留油的质量（g）。从表2 可以看出，柑橘DFs的持油性较高，达3.2～8.2 g/g，高OHC的柑橘皮渣膳食纤维就是一种可以应用于肉制品和乳制品的食品乳化剂，是良好的脂肪替代品，能够显著降低脂肪的摄入量[23]。据研究DFs的来源和化学结构是其OHC 含量的主要决定因素，且DFs的体积密度、表面特性和疏水性也直接影响OHC的含量。膳食纤维的体积密度越小，膳食纤维化学结构的孔隙率和表面积就越大，它对脂肪的吸附或结合脂质成分的能力就越强。此外，膳食纤维中木质素含量也会影响持油性，木质素含量越高，对脂肪清除作用越强[24]。

2.3 吸附能力

DFs 表面的微观结构如孔隙率、颗粒大小、形状、颗粒排列、活性基团等可以吸附离子和有机质，柑橘皮渣膳食纤维的微观结构表面不规则、不平整、裂缝和孔洞数量多，因此柑橘DFs 对香气成分和油类等有机物质具有更好的吸附作用，若添加到食品中可以增加食品风味和香气。柑橘DFs 还能吸附胆汁酸、胆固醇、变异原等有机分子，但其吸附能力强弱取决于柑橘膳食纤维的种类和pH[30]，在酸性条件下DFs 吸附胆汁酸的量最高，而随着pH的增加其吸附能力逐渐降低[31]。

2.4 阳离子交换能力

柑橘皮渣纤维的网状结构中含有氨基、羟基和羧基等侧链基团，可呈现出一个类似于阳离子树脂的交换作用，与阳离子发生可逆的交换。柑橘膳食纤维可以结合Ca2＋，置换Na+和K+，从而可缓解血压的升高，减少心血管疾病的发生。柑橘DFs 也可与Pb2+和Cu2+交换，以减轻重金属与人体蛋白质的结合。Wai 等[32]研究了柑橘果胶在去甲酯化后与Pb2+结合的能力，其大小依次为：去酯柑橘果胶>柑橘果胶。此外，阳离子交换能力还受到柑橘膳食纤维的颗粒粒度和其它杂质如蛋白质等的影响，颗粒越小则阳离子交换能力越强。

2.5 流变学特性

流变学特性主要是指柑橘膳食纤维乳化活性（Emulsifying Activity，EA）和乳化稳定性（Emulsion-Stability，ES）。膳食纤维的流变学特性是由其来源、化学结构、分子量所决定的[33]。DFs 中的疏水性基团，如蛋白质、阿魏酸和乙酰基等则会影响DFs的乳化活性和乳化稳定性，疏水性基团含量高，能促进乳化。EA 是指分子溶解或分散两种不能混溶液体的能力，ES 是保持乳液的能力。在食品加工中，较高的EA 和ES 用于乳化液的形成和延长货架期。柑橘DFs的EA 和ES 分别为56.4 和45.5 mL/100 mL[23]，而马铃薯DFs的EA 和ES 仅为16.8 和14.5 mL/100 mL[34]。Akhtar 等[35]发现中等分子量（56 kDa 和70 kDa）的柑橘SDF 比48 kDa 和146 kDa的柑橘SDF 乳化特性更好，且70 kDa的SDF 可以使乳液稳定保存2 个月。

2.6 凝胶特性

柑橘皮渣DFs的凝胶性质与其分子量和酯化程度密切相关。通常DFs的碳链越短、分子量越低，其凝胶性能就越好。柑橘皮渣SDF 按甲酯化程度（DE）分为高甲氧基果胶（DE ≥50%）和低甲氧基果胶（DE<50%），高甲氧基果胶在糖存在或酸性条件下（pH2.0～3.5）通过疏水相互作用和氢键促进果胶聚集，从而形成凝胶[20]。而低甲氧基果胶则需要在Ca2+存在下才可形成凝胶，Ca2+与低甲氧基果胶分子中的羧基发生离子交换过程，影响了分子之间的相互键合作用，导致分子重量增加形成凝胶[21]。柑橘果胶的酯化度高，平均分子量较低（84～743 kDa），凝胶性能好，因此特别适合在强酸性果酱和蜜饯食品上应用[36]。

3 柑橘皮渣膳食纤维在食品中的应用

3.1 在肉制品中的应用

肉及肉制品是一大类消费及加工制品，能提供人体所需的脂肪、蛋白质等营养素，是居民膳食结构中重要组成部分。肉中的脂肪虽能改善肉制品的持水性、持油性、维持感官品质，但摄入过多可能会引起生理疾病，如肥胖、心血管疾病等[37]。研究表明在肉制品中添加适量的柑橘膳食纤维可提高肉的品质和商品性等，具有良好的应用效果。

3.1.1 改变加工特性 柑橘膳食纤维与肉制品中肌肉蛋白和肌球蛋白之间存在交联反应，利用分子间的相互作用力，如氢键、离子键等，可改善肉制品的乳化特性和持水性[38]。Cristina 等[39]研究发现柑橘纤维能够降低肉类水分流失率达17.87%，且低浓度的柑橘纤维不会显著影响肉制品的硬度，这证明适量添加柑橘膳食纤维能够显著改善肉制品的持水性，有利于保持肉制品的良好品质。Maja 等[37]研究表明，在含25%脂肪的德国里昂香肠和30%脂肪的肝香肠中添加菊粉、柑橘膳食纤维可将其脂肪含量分别减少至3%～17%和3%～20%，膳食纤维增至1.0%～5.6%，消费者对脂肪为10%的产品评价最优。但不同柑橘种类、不同溶解度的膳食纤维，它们与肌肉蛋白质分子间的相互作用机制等尚不十分清楚，有待于进一步深入研究。

3.1.2 延长产品保质期 在肉制品中添加柑橘膳食纤维能增强肉制品抗氧化与抗菌能力，进而延长其保质期[17]。其机理主要是由于柑橘纤维中的多酚类化合物等活性物质抑制了微生物细胞壁及细胞膜的蛋白活性，而增加了微生物细胞膜的通透性，使微生物胞内成分泄漏而导致其死亡。Perez-Burillo 等[40]在干发酵的萨拉米香肠配方中分别添加柑橘纤维、阿拉伯半乳聚糖和菊粉，结果表明添加纤维既可增加香肠的抗氧化能力，又能增加人体肠道菌体消化所产生的短链脂肪酸（SCFA）数量，其中效果尤以柑橘膳食纤维最佳。同时柑橘膳食纤维还能够降低大肠埃希氏菌/志贺氏菌的数量，Ranucci 等[41]在猪肉香肠制作中添加5%和10%石榴和柑橘属混合物，结果证实它们会延迟香肠储存过程中pH的下降时间，降低香肠在60 d 储存期间的细菌总数，提高香肠的货架期5 d 和10 d。

3.1.3 降低亚硝酸盐含量和改善色泽 肉制品中添加柑橘膳食纤维不仅能降低亚硝酸盐含量，还能改善肉制品的色泽，且能确保感官品质不受影响。究其原因可能与柑橘膳食纤维中的生物活性成分（如黄酮类、多酚和VC）有关，它们与亚硝酸盐发生了化学反应，能部分消除肉制品中的亚硝酸盐。雷激等[42]研究发现在午餐肉中添加1.0%柠檬膳食纤维能够保证午餐肉的色泽，且降低了午餐肉中41%亚硝酸盐的残留量。Viuda-Martos 等[43]发现添加1.0%柑橘膳食纤维的熟香肠色泽最佳，富有咀嚼性，且使香肠中的亚硝酸盐残留量降低了57.56%。Fruet 等[44]将0.6%柑橘膳食纤维加入到牛肉馅饼中，发现柑橘膳食纤维能使牛肉饼的最佳色泽稳定保持5～6 d。

3.2 在焙烤食品中的应用

焙烤食品主要为食用者提供碳水化合物、蛋白质、维生素和矿物质等，但也为食用者带来诸如血糖浓度升高、肥胖等健康问题。膳食纤维在焙烤食品的应用较为广泛，主要的产品有面包、饼干、桃酥等。据研究在焙烤食品中添加柑橘膳食纤维能够改善产品的物理性质和感官品质。

3.2.1 改善焙烤食品的品质 柑橘皮渣膳食纤维通过影响面筋蛋白键合关系，提高面团结合水的能力，使得烘焙食品内部形成稳定的三维结构，改善焙烤食品的品质，抑制焙烤食品中淀粉的老化，延长焙烤食品的保质期[45−46]。谢婧等[47]在酥性饼干中添加4%的柚皮IDF、SDF 和柚皮果胶，可以使饼干风味纯正、色泽均匀鲜亮，且其硬度、黏性等均有所提高。还有研究发现[48]，在面包中添加1.0%的柠檬膳食纤维可以改善面包的外观形态和口感，延长面包的保质期1 d。但是研究发现过量添加柑橘膳食纤维反而会影响面团的延展性，破坏面筋结构，导致焙烤食品的品质下降[49]。因此研究柑橘膳食纤维在焙烤食品中的应用，也应该研究其最适添加量，当焙烤食品中添加1%～10%的柑橘膳食纤维时，既能保障烘焙食品的感官品质，也能赋予焙烤食品独特的柑橘风味。

3.2.2 提高焙烤食品的营养价值 柑橘皮渣膳食纤维可以作为一种烘焙食品的营养强化剂，其总膳食纤维含量可达60%以上。高膳食纤维烘焙食品能够增加饱腹感而减少食品的摄入量，并可促进肠道蠕动和肠道内益生菌的生长，又因其离子交换等特性，还具有降低血压和血糖等功效[50−51]。Romero-López 等[52]研究表明在英格兰小松饼中添加10%的柑橘膳食纤维不仅能减缓抗性淀粉的产生速度，而且能降低人体血糖指数。Spina 等[53]研究发现，在小麦面包中添加2%的血橙和柠檬纤维能够生产出一种高品质“高纤维”面包，若过量添加会影响小麦面包在25 ℃贮藏期间的硬度，但其它感官指标与对照无显著差异。

3.3 在乳制品中的应用

乳制品如酸奶、冰淇淋、杀菌牛奶等是一种高脂肪、高蛋白含量的食品。乳制品因为其独特的风味占领了食品市场较高的份额，在乳制品中添加柑橘皮渣膳食纤维主要有两点：第一是膳食纤维能提高乳制品的稳定性，延长产品货架期，以及改善乳制品的口感和风味；第二是利用柑橘膳食纤维以增加乳制品中膳食纤维的含量，从而提高乳制品的营养及保健价值[54−56]。

3.3.1 提高乳制品的稳定性和风味 柑橘皮渣膳食纤维在乳制品中通过形成凝胶、大量捕获乳制品中游离脂肪，稳定乳制品乳液结构，从而提高其稳定性，并降低脂肪含量，还赋予乳制品水果风味。Tian 等[57]研究证实将2%锦橙膳食纤维添加到低脂酸奶中，可保持其最好的质构和感官特性，并提高稳定性而避免酸奶中的乳清析出。Kieserling 等[58]研究发现柑橘膳食纤维能加速酸奶发酵过程中酪蛋白网络结构的形成，提高酸奶凝胶强度而增加稳定性；但若添加量过高则酸奶的致密度加大，将导致酸奶颗粒感增强、口感品质下降。Crizel 等[59]研究表明柑橘膳食纤维具有良好的持水性和持油性，且富含多酚和类胡萝卜素，将其添加到巧克力冰淇淋中，可替代冰淇淋中70%的脂肪，并改善冰淇淋的口感和风味，是冰淇淋脂肪的良好替代品。

3.3.2 提高乳制品的营养价值和保健功能 柑橘皮渣膳食纤维可以作为发酵乳制品中活性菌的营养源，确保活性菌的生长并维持其活力，将乳制品中的乳糖转化为乳酸，更适合乳糖不耐症的消费者食用，而且柑橘皮渣膳食纤维进入体内后能够发挥其生理活性，进一步提高乳制品的营养价值[60]。Tuba 等[61]研究发现柑橘膳食纤维增强了酸奶中益生菌的活性，而且柑橘膳食纤维酸奶具有较高的血管紧张素转换酶抑制活性和抗氧化活性，能够起到降血压和降血糖的作用。Casarotti 等[62]发现柑橘膳食纤维能够增强乳制品中益生菌对模拟胃肠道条件的耐受性，因而柑橘膳食纤维可作为一种乳制品的膳食补充剂，还能提高发酵乳制品调节肠道菌群的能力。

4 结语

柑橘皮渣膳食纤维是一种良好的膳食纤维来源，它在食品中的应用前景广阔，但因其研究较晚于其它膳食纤维，研究和利用仍处于初级阶段，目前国内市场上缺乏高品质的柑橘膳食纤维，也没有形成规模化生产和消费市场。经过分析和研究，作者认为柑橘皮渣膳食纤维后续研究的重点应放在这两个方面：一是研究不同柑橘品种中膳食纤维的种类和含量，明确各品种柑橘膳食纤维的加工特性和生理特性，以及它们在不同应用领域或产品类型中的作用机制，建立柑橘膳食纤维数据库，为柑橘膳食纤维的进一步研究和应用提供基础数据；二是针对性地研发出高品质柑橘膳食纤维新产品，或者通过改善柑橘膳食纤维的特性如改性等措施以进一步扩展其应用领域，同时进行柑橘膳食纤维产业化生产技术研发，以期为其产业化生产和应用、开拓市场等提供技术支撑和保障。