膳食纤维的组成、改性及其功能特性研究

徐燕，谭熙蕾，周才琼*

（1.西南大学 食品科学学院，重庆 400715；2.食品科学与工程国家级实验教学示范中心（西南大学），重庆 400715）

中国营养学会《营养术语》定义膳食纤维（dietary fiber，DF）为植物性食物中含有的不能被人体小肠消化吸收的，在大肠可全部或部分发酵的对人体有健康意义的碳水化合物[1]。膳食纤维包括纤维素、半纤维素、果胶和菊粉等[2]，近年将植物细胞壁的蜡、角质和不被消化的细胞壁蛋白质、抗性淀粉、美拉德反应产物以及动物来源的抗消化物质（如氨基多糖）等也归入膳食纤维[3]。膳食纤维对人体起着重要的生理功能，如减脂、调控糖代谢、调节肠道微生物和降低抑郁症患病风险等[4-6]，被誉为第七大营养素。本文通过对现有的膳食纤维特性以及改性方法研究的系统总结，为后续膳食纤维进一步改性方法的探索和功能性应用提供指引。

1 膳食纤维构成及化学特性

1.1 膳食纤维构成及来源

膳食纤维种类较多，按化学结构可将其分为纤维素、半纤维素、果胶、菊粉、抗性淀粉、不易消化的低聚糖类（如低聚果糖、低聚木糖）以及非糖类物质（木质素）[2]；根据来源可分为谷物类、豆类、果蔬及合成或转化类[7]；依据溶解特性，把可在水中分散的纤维称为可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF），以及在水中难于分散的纤维称为不可溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF）。SDF主要是植物细胞的贮存物和分泌物，还包括微生物多糖和合成多糖以及抗性淀粉等[8]。不溶性膳食纤维主要包括纤维素、木质素和大部分半纤维素（含壳聚糖），主要来自植物细胞壁组成成分，禾谷类和豆类种子外表及植物的茎和叶[9]。膳食纤维构成及来源见表 1[2，10-12]。

表1 膳食纤维来源及构成Table 1 The source and composition of dietary fiber

1.2 膳食纤维的化学特性

膳食纤维含亲水基团，与水缔合形成氢键，具有较强的持水性[3]；膳食纤维所含的表面活性基团有吸附螯合作用，可吸附肠道内有毒化学品以及螯合胆固醇和胆汁酸等[8，13]。膳食纤维含羧基、羟基和氨基等，可与阳离子可逆交换，在离子交换时改变阳离子瞬时浓度，起稀释作用，故对消化道pH值、渗透压及氧化电位产生影响，形成理想的缓冲环境[11]。膳食纤维的发酵特性可改变肠道系统中微生物群系组成，但有研究显示分离的纤维较在食物基质中的纤维易被酵解，同一来源颗粒度小易被酵解[5]。膳食纤维的这些特性使其具有调节胃肠功能、控制肥胖、预防心血管病、降血糖及预防糖尿病等功能作用[8]。但膳食纤维来源广泛，组成复杂，不同种类的膳食纤维由于其组成和结构不同，含IDF和SDF比例不同，其理化功能性质也存在明显差异。

1.2.1 不可溶性膳食纤维的功能特性

IDF具有一般膳食纤维的吸附、溶胀和水合等性质，其主要作用体现在刺激肠道蠕动、增加排便量、控制体重等方面。金针菇、胡萝卜和燕麦等常见食物中IDF含量较为丰富，不同的食物因其IDF组成和结构差异，在功能特性上也有差异[14]。IDF因其结构排列较为有序使得它的溶解性较差、形成溶液黏度较低，对葡萄糖、有害离子及亚硝酸盐等物质的吸附能力较差，但其中黏性较低的纤维素和木质素可以对一些大分子起机械隔离作用[15]。此外IDF在人体肠道内几乎不能被发酵，对调节肠道微生物的影响较小。也有研究表明在一定条件下IDF会影响脂溶性维生素如维生素A、维生素E和胡萝卜素发挥作用，可能还会使便秘患者的临床症状加重[16]。

1.2.2 可溶性膳食纤维功能特性

SDF因其分子中含有较多的活性因子以及疏松的结构，比IDF具有更为优良的水合性质、吸附能力、离子交换能力以及抗氧化性。SDF更多的是发挥生理代谢功能，影响人体体内的脂肪和糖类代谢，起到降血糖、预防心血管疾病和改善肠道环境等作用[8]，其良好的发酵特性在调节肠道方面起着更有效的作用[3]。膳食纤维的溶解性和黏性与其结构有密切关系。相较于IDF有序的结构，SDF不规则的主链和侧链结构[3]使得SDF溶解性更好，黏性和凝胶性更优，具有更好的吸附特性，对发挥膳食纤维生理功能起着重要作用。

考虑SDF和IDF的功能特性的差异以及在食品中的应用，SDF含量高的食品更受关注。有研究表明，食品中SDF的含量在总纤维含量的10%以上才可称为高品质膳食纤维[17]，但天然的膳食纤维中SDF的含量低，限制其生理活性并影响其在食品中的应用，常见食品加工副产物膳食纤维含量及组成见表2，这些大宗食品加工副产物富含DF，均含较高的IDF，除甘薯渣略低，其它膳食纤维中IDF占比均在90%以上，使其应用受限。因此，通过适当改性处理，提升SDF占比和提高膳食纤维利用价值是近年的研究目标。

表2 部分食品加工副产物膳食纤维含量及组成Table 2 Dietary fiber content and composition of some food processing by-products g/100 g干基

2 膳食纤维改性及其功能特性

常见大宗食品加工副产物均含较高的IDF，通过适当的物理、化学和生物的方式对其进行改性，提升SDF占比以改进膳食纤维的化学特性和功能作用，可以拓展其利用价值。目前，膳食纤维改性方法主要有物理法、化学法、生物法以及联合改性法。

2.1 膳食纤维改性

2.1.1 物理改性法

2.1.1.1 超微粉碎技术

超微粉碎技术是通过外力将各种固体物质细化成微米级甚至纳米级微粉的技术。与传统粉碎方法相比，超微粉碎后的微粒均匀细腻，可提高物料的吸附性、溶解度、水溶性和生物效应等，避免物料污染，节约物料的同时可最大限度保持成分的完整性[23]。超微粉碎技术分干法粉碎和湿法粉碎两种，干法粉碎有利于水分蒸发，湿法粉碎对改善膨胀力、持水力、结合水力影响更大[24]。高虹等[25]对香菇柄中的膳食纤维进行超微粉碎改性后发现，较改性前，香菇柄总膳食纤维和SDF均有所提高，持水力、持油力和膨胀力分别提高了37%、46%和109%。施建斌等[26]将超微粉碎麦麸及麦麸膳食纤维水合能力以及吸附能力同普通粉碎麦麸进行比较，结果表明超微粉碎后的麦麸膳食纤维持水性和持油性及吸附葡萄糖的能力得到提升，阳离子交换能力无明显改变。

2.1.1.2 挤压膨化技术

挤压膨化是指可以实现一系列单元操作同时并连续操作的新型技术，集混合、搅拌、破碎、加热、蒸煮、杀菌、膨化和成型为一体，可以改善物料的品质特性[27]，现多用于麦麸膳食纤维改性。在高温、高压、高剪切力的作用下膳食纤维内部结构发生变化，难溶膳食纤维部分化学键断裂，从而增加SDF的含量提高膳食纤维的溶解性、持水性和膨胀性[9]。Yan等[28]使用新型的挤压膨化技术改性麦麸后，可将SDF含量由（9.82±0.16）%提高到（16.72±0.28）%，并提高其膨胀性和保水性。Larrea等[29]发现采用单螺杆挤压膨化处理橘皮渣可使其SDF含量提高80%。

2.1.1.3 冷冻粉碎技术

冷冻粉碎技术是将冷冻与粉碎两种单元操作相结合，使物料在冻结状态下，利用超低温脆性实现粉碎，使物料颗粒流动性更好、粒度分布更理想，以最大程度保存原有营养物质分子结构、成分及活性。可避免因粉碎使物料发热而出现的氧化、分解、变色等现象[30]。黄晟等[19]研究用超微粉碎和冷冻粉碎这两种方法处理麦麸膳食纤维粒径3 h后，粒径相较于未粉碎的都明显减小，分别为20.861 μm和13.382 μm。SDF含量、膨胀力、重金属离子吸附能力增加，冷冻粉碎后的麦麸膳食纤维各功能性质优于超微粉碎。徐田辉等[31]对洋蓟膳食纤维进行低温冷冻-超微粉碎处理，结果发现冷冻处理后洋蓟膳食纤维更易被粉碎，粒径更小、分布更均匀。SDF含量明显增多，可能与改性过程中亲水性基团暴露有关。

2.1.1.4 蒸汽爆破技术

蒸汽爆破技术是一种环保且高效的新型改性技术，指在高温高压的环境下，将蒸汽渗入纤维组织，再瞬间解除高压使组织间过热蒸汽汽化，纤维因体积膨胀而发生爆破，发生一定程度的机械断裂和结构重排[32-33]。何晓琴等[33]对苦荞麸皮膳食纤维进行蒸汽爆破预处理，结果表明，苦荞麸皮SDF的含量在最佳蒸汽爆破条件（1.2 MPa、90 s）下可以增加到 12.36 g/100 g，同时具有较好的持水力、持油力、膨胀力、α-淀粉酶活性抑制能力和葡萄糖吸收能力；CHEN等[34]对豆渣采用蒸汽爆破处理可将SDF含量提高27.5%，改性后SDF降胆固醇的能力得到提升。WANG等[35]采用蒸汽爆破与稀硫酸结合处理对桔皮进行改性，SDF含量从8.04%上升到33.74%。王田林[21]利用蒸汽爆破对甘薯渣进行改性，在最佳爆破条件下（蒸汽压力0.51 MPa、维压时间165 s、物料粒径60目），可溶性膳食纤维的含量可达到22.75%，并且甘薯渣SDF的化学组成没有发生明显变化。

物理改性方法所用时间短，很大程度上能保持物料成分的完整性，对物料的化学组成影响较小。通过物理改性处理后，物料的SDF含量得到了不同程度提高，但该方法所用设备比较昂贵。

2.1.2 化学改性

化学改性是指在一定条件下，对膳食纤维进行酸或碱等化学试剂处理，破坏其中的糖苷键，促使难溶性膳食纤维向SDF转化从而提高SDF的含量，改善其理化性质的方法。Cornfine等[36]对羽扇豆膳食纤维进行酸碱处理发现，纤维表面的疏水性以及与胆汁酸的结合能力都得到了增强；Li等[37]通过对番茄皮进行碱性过氧化氢处理，SDF的提取率由原来的7.9%提高到了27.5%；杨妍等[38]采用氢氧化钠溶液（1.5%）处理石榴皮渣（籽）进行改性，大大提升SDF的得率，在其最优条件下SDF得率达到了73.58%。

化学改性可大大提升SDF的含量，但对SDF品质影响较大，所得膳食纤维色泽较差，同时采用的化学试剂可能会造成环境污染。目前有研究使用过氧化氢对膳食纤维进行改性，反应后过氧化氢可完全除去，对环境污染较小。

2.1.3 生物改性

2.1.3.1 酶法

酶法是指通过酶解作用后，纤维大分子由于分子链断裂被降解，从而使SDF含量增加。目前常用的酶主要有木聚糖酶、纤维素酶和木质素氧化酶等[7，39]。张光等[39]采用纤维素酶与木聚糖酶对米糠膳食纤维进行复合酶法改性，通过优化试验，发现酶解液pH 5.0下添加纤维素酶（70 U/g）和木聚糖酶（30 U/g）后在50℃酶解4 h，可使SDF含量达到9.23%；王佳等[40]研究单一酶（纤维素酶和木聚糖酶）和复合酶对竹笋膳食纤维的改性，发现改性后SDF含量均增加，理化性质改善。在酶解液pH 5.0下同时添加纤维素酶（180 U/g DF）和木聚糖酶（90 U/g DF）后，50℃酶解 2 h，竹笋膳食纤维改性效果最佳。可溶性膳食纤维含量为12.1%。同时复合酶处理相较于单一酶处理的膳食纤维微观结构更具优势。

2.1.3.2 微生物发酵

发酵改性是指微生物通过发酵产酸以及微生物胞外纤维素酶、半纤维素酶等来破坏大分子间的糖苷键，从而提高SDF含量。

目前常用的微生物有霉菌（如绿色木霉）、乳酸菌、酵母菌等。李伟伟等[18]研究以真菌结合乳酸菌发酵改性豆渣膳食纤维可显著降低IDF占比，使豆渣DF粒径降低了近50%，改性后的膳食纤维吸附脂质、胆固醇以及亚硝酸盐的能力都得到了提升；朱妞[41]采用绿色木霉发酵改性苹果渣膳食纤维可使SDF含量明显增加，食品化学特性改善，膨胀力、持水力、结合水力、吸油力和阳离子交换能力有所改善，对NO2-有较好的吸附力。

生物改性相较于物理改性和化学改性比较温和，改性后SDF的纯度、得率以及颜色质地等比较好，但由于操作比较复杂，难以工业化生产。

2.1.4 联合改性

联合改性是指将多种改性方法结合使用发挥优势，改善单一方法的不足，提升膳食纤维改性效果。目前的研究多为生物改性与物理改性方法的联合。Song等[42]采用挤压与纤维素酶结合改性，使联合处理后竹笋膳食纤维结构改变，SDF含量提高，显示出更高的持水性、持油性和溶胀性，阳离子交换能力和吸附特性也得到增强，且主要成分没有被破坏；邢珂慧等[43]采用超微粉碎联合纤维素酶改性红枣果渣膳食纤维，发现当超微粉碎10 s后添加纤维素酶（0.34%），在pH 4.86和 49℃下，酶解 1.43 h，SDF得率为（15.47±0.37）%，比单独使用超微粉碎时SDF得率（8.53±0.15）%高。李伟伟等[18]研究采用多菌种联合发酵比单一菌种效果更好，以黑曲霉结合乳酸菌效果最好，联合改性后SDF含量、水合性质等明显提高，粒径更小。

膳食纤维改性方法及作用特点见表3。

表3 膳食纤维改性方法及作用特点Table 3 Modification methods and function characteristics of dietary fiber

2.2 改性膳食纤维功能特性

2.2.1 水合性质提高

膳食纤维的水合性质主要指吸水性、持水性和膨胀力。大量研究表明，通过超微粉碎、高压、酶等多种改性方法处理后，膳食纤维的水溶性、持水力和膨胀力可以得到明显的提升[25，27，40]。膳食纤维的高持水力和膨胀力可增加粪便的体积和排便速度，减轻直肠内和泌尿系统的压力，有利于有害物质排出，有效地预防结肠癌等胃肠道疾病；此外，膳食纤维良好的乳化性和悬浮性使其在肠胃中吸水膨胀形成高黏度的溶液，使人产生饱腹感抑制食欲从而起到减肥的功效[8]。

2.2.2 吸附特性提高

膳食纤维的吸附能力提高主要分为两大原因，一是经过改性后的膳食纤维粒的大分子结构被破坏，表面积增大使大量活性基团暴露，提高了结合吸附物质的能力；二是改性后溶解性大大提高，黏性物质增加，形成更多的凝胶来吸附物质[8，13，44]。膳食纤维对亚硝酸盐、胆固醇、血糖等的吸附是其吸附性能的重要体现。吸附亚硝酸盐可缓解亚硝酸盐引起的中毒[45]；吸附胆固醇可起到降脂作用，膳食纤维还可通过吸附胆酸促进胆固醇消耗，从而起降血脂功效。改性后持油力的提高也有利于膳食纤维对脂肪的吸收。膳食纤维对葡萄糖的吸附可以起降血糖、辅助治疗糖尿病的作用，尤其是对2型糖尿病有明显作用[46]。

2.2.3 阳离子交换作用提高

膳食纤维结构中包含了一些呈弱酸性的羧基和羟基类等活性基团，具有较强的阳离子交换作用。改性后使更多的活性基团暴露，使膳食纤维阳离子交换作用增强。膳食纤维的阳离子交换作用有解毒和降血压的功效，如铜、铅、铂等重金属阳离子可与DF的羧基和羟基侧链进行交换，对金属中毒起一定的缓解作用，可作为重金属解毒剂使用（如果胶）[8，46]；肠道中的钠、钾离子可通过交换作用从尿液和粪便中排出，从而降低血液中钠钾比，起到降血压作用[25]。也有研究表明某些矿物质元素和维生素的有效性会受到膳食纤维离子交换作用的抑制[8]。

2.2.4 抗氧化能力提高

膳食纤维抗氧化能力可通过DPPH自由基清除率、ABTS+自由基清除率以及铁还原能力来衡量[20]，部分膳食纤维含具有抗氧化活性的多酚类物质[8]。研究表明DF经改性后抗氧化活性明显提升与生物发酵改性中产生的一些酮类物质，以及DF中蛋白质等大分子物质在酶和有机酸作用下分解产生的一些具有还原性的氨基酸如色氨酸、亮氨酸等有关[18]。

2.2.5 肠道调节能力提高

DF对肠道调节有重要意义。改性DF良好的水合性质有利于增加排便量和排便速度；可促进肠道有益微生物如拟杆菌门和厚壁菌门等生长繁殖，DF发酵产生短链脂肪酸可干预机体代谢从而降低胆固醇水平[47]，此时伴随产生的气体会增加腔内压力从而刺激参与胃肠分泌及肠蠕动调控的神经递质5-羟色胺的分泌，对维持肠道稳态有重要作用[48]。而肠道菌群体系的优化可预防肥胖[48-49]。也有研究认为DF在肠道中的发酵作用并不都是有益的，低聚糖等部分短链的可高度发酵的DF因为快速产生气体可能会导致腹胀腹痛[50]。

3 展望

我国作为谷物果蔬消费大国，每年有许多富含膳食纤维的副产物未能得到有效利用，如何在已有的膳食纤维改性研究基础上，通过新技术的应用及对高效微生物发酵技术的研究，以大宗农产品加工副产物为目标，探求更为绿色高效的改性方法，提高膳食纤维的利用率；而有关膳食纤维的功能特性在血液、肠道的应用机理还没有非常明确的解释，仍是未来需要研究的方向。

膳食纤维可作为膳食补充剂来改善人群膳食结构，起到控制体重、调节代谢和预防心血管疾病等作用，近年来含膳食纤维类食品开发迅速发展，包括面制品、乳制品以及肉制品等生产中的应用，但我国人均膳食纤维摄入量远未达到中国营养学会推荐每天摄入25 g的要求。本文通过对膳食纤维功能特性以及对膳食纤维改性方法的综述，为膳食纤维含量丰富的食品加工副产物的再利用提供支持，为膳食纤维改性及在食品中的应用提供思路。期待通过合理改性及提升膳食纤维的感官品质和功能品质，从而提升其在食品产品中的应用，从而提高膳食纤维食品的摄入，更好满足人们对膳食纤维的需要。