可溶性膳食纤维的制备及其在畜牧生产中的应用研究进展

周龙珠，王朋，董双，丁雪纯，王静，康盈阁，王金荣

（河南工业大学生物工程学院，河南郑州 450001）

膳食纤维（Dietary Fiber，DF）被认为是继糖类、蛋白质、脂肪、维生素、矿物质和水之后的第七营养素，通常是指聚合度不低于3 的碳水化合物，主要包括天然存在且可食用的碳水化合物聚合体、从食品原料中通过物理或酶或化学方法获得的碳水化合物聚合体以及人工合成的碳水化合物聚合体。基于其物理化学性质差异，DF 可以分为可溶性膳食纤维（Soluble Dietary Fiber，SDF）和不可溶性膳食纤维（Insoluble Dietary Fiber，IDF）两类。SDF 是指DF 中可溶于水部分，包括果胶、低聚糖、树胶等。

农产品加工副产物是SDF 的良好来源。例如，大豆榨油后副产物豆粕除了作为畜禽主要蛋白饲料来源，还含有丰富的SDF；柑橘和苹果等果皮、豌豆和蚕豆等蔬菜也含有较多的果胶。但当前我国农产品加工副产物的开发利用十分有限。近年来，国内外学者相继从果渣、豆渣、蔬菜渣等原料中提取SDF 并进行改性研究，积极探索其生物学功能和应用。本文就SDF 理化特性、制备工艺、生物学功能和在畜牧生产中的应用进行综述，以期为SDF 高效开发及应用提供参考。

1 SDF 理化特性

SDF 理化特性主要指纤维的水合作用、持油性（Oil Holding Capacity，OHC）、吸附能力、流变学特性和阳离子交换能力等。SDF 会吸水膨胀，因而具有较强持水性和膨胀力，其水合作用与其单糖种类、亲水官能团的类型及数目、粒度和环境温度有关。OHC 是指SDF 和油混合后所保留油的质量，SDF 的来源、化学结构及其组成是决定OHC 强弱的主要因素，而体积密度、表面特性和疏水性是影响其OHC 的次要因素。基于SDF 结构中的孔隙以及活性基团，SDF 可以对胆汁酸、胆固醇、葡萄糖等有机分子进行吸附，吸附力大小取决于SDF 种类和pH。例如，在酸性条件下SDF 对胆汁酸的具有较强的吸附能力，而当pH 升高时其吸附力逐渐降低。流变学特性是指SDF 乳化活性和乳化稳定性，主要由SDF 的来源、化学结构和分子量所决定。由于SDF 呈网状结构中氨基、羟基和羧基等侧链基团对离子有吸引力，所以整个纤维网络结构类似于弱酸性阳离子交换树脂，可以与阳离子发生可逆交换，交换能力与纤维粒度和纤维外杂质含量有关。李杨等发现，豆渣SDF 粒度越小，分子中的羧基、羟基和氨基等侧链暴露增多，其弱酸性表现得更明显，而且阳离子交换能力更强。

2 SDF 的制备

目前，SDF 的制备方法主要包括化学法、酶解法、酶－化学法、发酵法和物理法，其制备原理是破坏SDF与其他物质之间的连接，从而使SDF 游离释放被获取。

2.1 化学法 化学法是最常用的SDF 提取方法，一般是通过酸水解去除原料中的淀粉，碱溶解去除原料中的蛋白质以及皂化反应去除脂肪。常用的酸碱包括盐酸、柠檬酸、氢氧化钠等。李晓宁等采用酸法制取大豆皮SDF，其提取率为12.49%，纯度为60.13%。李施瑶等用化学法提取红树莓果渣SDF，在单因素试验中碱法和酸法工艺条件下的平均得率分别是21.45%和3.39%。孙艳分别采用酸法和碱法对8 种酿酒葡萄品种的皮渣进行SDF 提取，结果发现酸法对其提取率的影响较大。虽然酸碱均可对不同原料进行SDF 提取，酸法提取效果相对较好。虽然化学法制备SDF 成本较低，便于工业化生产，但其会有大量化学物质残留，使产物的颜色加深，影响SDF 口感，食品安全性不易保障，生产过程中产生废水会对环境造成一定污染。

2.2 酶解法 根据酶解目标物的不同，酶解法提取SDF主要有纤维素酶解法和其他酶解法2 种类型。纤维素酶解法是使用纤维素酶分解纤维素，使其酶解为较小的分子，从而增加纤维素在水中的溶解度。陶颜娟等用纤维素酶法提取麦麸SDF，制备得率高达40% 以上。此外，在对豆类、果类SDF 的提取中也有应用，反应过程中条件温和、选择性高，可有效提高SDF 的提取效率。其他酶解法是以-淀粉酶、糖化酶、蛋白酶等酶类混合作用，去除DF 以外的成分，得到原料中的SDF。樊柳等用混合酶法提取葡萄皮渣SDF，在最佳工艺条件下，其SDF 的溶出率、色泽及纯度均达到预期。在对谷物类残渣的提取中也多使用混合酶的方法，同时加入混合酶可缩短酶解时间，节省试验工序。酶解法制备SDF 具有反应条件温和、较高提取效率和改善其理化特性等优点，然而酶法的利用和推广还存在一些瓶颈问题，包括高效特异性酶制剂开发和酶制剂价格较高等。

2.3 酶－化学法 酶－化学法是在酶法基础上与化学法以组合方式制备SDF 的方法，主要有酸－蛋白酶法和淀粉酶－碱法。常用的酶有-淀粉酶、糖化酶、纤维素酶等，酸为盐酸，碱有氢氧化钠。目前很多研究都证实，酶－化学法通过改性来提高SDF 提取率，其提取率高于单用酶解法或者单用化学法，而且成本也会有所降低，且得到的SDF 具有较高的持水力、膨胀力，故其在SDF 的提取中被广泛应用。杜晓静等采用-淀粉酶、糖化酶、氢氧化钠等试剂对脱脂椰蓉进行SDF 提取，发现其提取率比单一碱法要高。陶志杰等通过酶－化学法优化麦麸SDF 的提取工艺，发现单一碱法提取麦麸SDF 的提取率为7.65%，用酶法进行第2 次处理后，麦麸中SDF 的提取率提高53.70%。因此，酶－化学法有效改善了酶法制剂成本较高以及化学法试剂残留等问题，同时具有较高的提取率和较为优良的理化特性。

2.4 发酵法 发酵是利用微生物发酵从而消耗试验原料中碳源和氮源，通过微生物的作用产酸或微生物自身的酶类作用来提高SDF 提取率。常用乳酸杆菌、芽孢杆菌、链球菌等益生菌来进行发酵，可以采用单一菌种或混合菌种。闵钟熳等利用枯草芽孢杆菌提取米糠粕中SDF，SDF 最终得率为12.88%，比优化前提高了8.88%。也有学者选择绿色木霉对苹果渣进行改性发酵，获得含量较高的苹果渣SDF。杜斌等用植物乳杆菌和嗜酸乳杆菌（1:1）混合发酵蓝莓果渣，其SDF 得率高于非发酵条件。通过保加利亚杆菌和嗜热链球菌混合对一些豆渣进行发酵，发酵产物中SDF 比例明显提高。发酵法优点在于其工艺简单、成本消耗低、产物产量大以及整个试验过程无污染，且得到的SDF 质量较好。然而，由于发酵过程无法精准控制，容易导致酶解过度和产量降低，也会对SDF 功能及其理化性质带来不利影响。

2.5 物理法 动态超高压微射流法是当前比较流行的一种超微细化的物理处理方法，其原理是使用超高压的微射流均质技术提取SDF 成分，即在高压的推动作用下使压力发生变化，巨大的压力使流体原料受到剧烈的高速碰撞、剪切、空穴等各种物理效应，进而影响原料的物理特性。研究发现，采用动态超高压微射方法提取豆渣SDF，SDF 与IDF 的比值随着动态高压微射流中均质压力的变大而升高，因此采用超高压微射流均质处理技术处理能有效提高原料中SDF 的提取量。超高压微射与微生物发酵法联合可以提高SDF 产率，豆渣经乳酸发酵IDF/SDF 为7.8，再经动态超高压微射后IDF 含量降低，IDF/SDF 比值降为2.5，豆渣中最大SDF 含量达23.6%。动态超高压微射流法不仅突破了酶法对反应条件的严格要求，更可避免化学方法存在的使用危险性物品和污染因素，其弊端主要体现在需要额外引入专业设备。

3 SDF 的生物学功能

3.1 SDF 的抗氧化性 SDF 可以通过清除自由基起到抗氧化的效果。很多研究表明，植物提取SDF 对羟自由基有明显的清除作用。张明等对银耳下脚料SDF 体外抗氧化活性的研究发现，酶法最佳参数提取下得到的SDF 对·OH、DPPH·和HO清除率以及还原能力分别为56.0%、28.0%、36.0%和86.3%，效果与水提SDF 相近且明显优于酸法和碱法。此外，SDF 还可以通过提高小鼠血清和肝组织过氧化氢酶、总超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶活力，进而提高总抗氧化能力。SDF抗氧化能力强弱与提取物种类及其浓度密切相关。在畜禽生产中，饲粮添加SDF 菊粉可以显著改善母猪、肉鸡和黄金锦鲤抗氧化性能，表明SDF 对于畜禽抗氧化性能具有改善作用。

3.2 SDF 与糖脂代谢 在人类和啮齿动物上的研究发现，摄入SDF 有助于降低糖尿病患者或小鼠血糖水平，其降糖作用机制包括改善胰岛素抵抗和调节糖脂代谢紊乱等。何书励等发现，含有SDF 的混合DF 可以改善II 型糖尿病患者胰岛素敏感性，而单一IDF 则不具备这一作用。华梅等的小鼠试验表明，SDF 可以显著降低血糖、胆固醇和甘油三酯水平。此外，在母猪饲粮中添加SDF 的重要成分果寡糖，母猪血清中总胆固醇、甘油三酯含量也会显著降低。

3.3 SDF 与肠道微生态平衡 SDF 对于机体肠道微生态平衡及健康具有重要调节作用。例如，饲粮添加菊粉可显著提高蛋鸡肠道益生菌乳酸杆菌和双歧杆菌数量，降低有害菌大肠杆菌数量，促进肠道发育；饲粮添加菊粉还可以显著提高拟杆菌门/厚壁菌门比值，改善小鼠肠道微生态。此外，癌症发生与人类饮食结构中纤维性食物大量减少而高脂肪高能量食物增加密切相关。研究表明，SDF 可降低癌症发生并调节微生物组成和结构，进而维持结肠健康密不可分。研究证实，SDF 通过促进机体排毒、调节胆固醇和激素以及调节肠道菌群的功能等途径缓解癌症发生。值得注意的是，当前SDF 影响结肠癌的发生存在许多不同推测，目前明确的是SDF 可以加强肠蠕动，减少粪便在肠内停留时间，改善肠道菌群。

3.4 SDF 对营养素生物利用度的调节 目前关于SDF生物利用度的研究相对较少，现有研究显示其对营养素的吸收产生积极影响。SDF 通常基于其水合作用，通过降低胆固醇的弥散度和乳化度以及加快胆固醇排泄，进而维持血液胆固醇稳态，保持在一个较理想的水平；同时，SDF 还可以通过减少碳水化合物吸收及利用，从而降低餐后血糖血脂水平，这对人的血糖和血脂调节有重要指导作用。关于SDF 是否影响矿物质的生物利用度，有试验表明SDF 可促进铁和锌等吸收，并且SDF 对体内重金属离子的排出有重要意义。李晗等充分利用SDF 吸附特性，提取西番莲果皮中SDF 对铜离子、铅离子以及镉离子进行吸附试验，结果显示SDF对这几种重金属离子有很好的吸附效果，将有助于这些离子从机体中排出。也有动物试验表明，在家禽日粮中添加SDF 对钙、磷、镁等矿物质的吸收利用影响较大，其主要原因是高剂量的SDF 加快了饲粮在消化道的流动速度。由于目前关于SDF 及其对其他营养素生物利用度的研究还处于起步阶段，在不同研究条件下、不同原料的SDF 和不同营养素利用度之间关系的研究结果并不一致，还有待于进一步深入研究。

4 SDF 在畜牧生产中的应用

4.1 猪 SDF 在猪的生产应用中多集中于动物繁殖和生产性能两方面。在目前研究中，对于母猪的研究论证表现最多。从母猪的繁殖性能来讲，SDF 会缩短母猪发情期，提高窝均产活仔数，降低弱仔率。此外，饲粮中添加SDF 对母猪便秘有明显的治疗效果，同时缩短母猪产程。SDF 可以显著提高仔猪平均日增重，降低仔猪耗料增重比，从而创造更高的经济价值。另外，SDF对仔猪有轻泻作用，可以缩短代谢废物在体内的存留时间。

4.2 反刍动物 在反刍动物饲料中添加SDF，可以提高反刍动物的营养吸收率。研究表明，断奶羔羊饲粮添加SDF 可显著提高其生长育肥效果。奶牛日粮添加SDF 能够提高瘤胃pH、增加乙酸产量、降低瘤胃NH-N 浓度，进而提高乳脂率。

4.3 家禽 SDF 不仅可以促进消化与代谢，还可以调节免疫系统。例如，鸡饲粮中添加菊糖和甘露寡糖可以提高有益菌的活性，同时通过影响肠道pH 提高淀粉酶与蛋白酶活性，从而提高饲料转化率和日增重。此外，鸡易受沙门氏菌感染，而饲粮添加菊糖可以有效抑制有害菌的生长，通过充当免疫刺激的辅助因子提高免疫应答能力。因此，家禽饲料中添加SDF 可以有效增强机体免疫力，提高成活率。

4.4 水产动物 SDF 对水产动物的影响主要体现在两方面：①SDF 促进鱼类生长，降低死亡率；②降低粪便中胺的排放，减少污染。此外，SDF 虽然对鱼类肠道菌群数量无显著影响，但却显著提高了大菱鲆鱼类体内中与消化有关的肠纤维素降解菌的丰富度。有研究报道SDF 有防治草鱼赤皮病的生物功效。

5 小 结

综上所述，SDF 具有多种制备方法且各有优缺点，可根据原料不同选取合适制备工艺。SDF 因其具有良好的水合作用、持油性、吸附能力、流变学特性和阳离子交换能力，以及在糖脂代谢、肠道微生态平衡和抗氧化功能等方面的功效而受到越来越多动物营养学家的关注。尽管SDF 广泛存在于农副产品中，但是目前对SDF 资源开发利用有限。

近年来国内外学者逐渐重视对SDF 的研究，但SDF 应用受到包括来源、制备工艺、价格以及组成成分不清楚等诸多因素制约。建议进一步深入研究：①SDF的化学组成和结构类型，并通过改性提高SDF 提取率；②SDF 在畜禽不同生长阶段的应用，探索SDF 在畜禽饲粮中高效添加量。

随着人们对SDF 与人类健康和动物生产关系认知的不断加深，SDF 的需求将会极大增加。SDF 对人和动物都有很好的保健效果，在食品、医药、畜牧生产等领域有广阔的生产前景和较高的应用价值。因此，客观全面认知SDF 生物学功能、科学合理开发和应用SDF对于人类和动物健康均具有重要意义。