可溶性膳食纤维制备工艺及其生理功能的研究进展

王 天，江含秀，邬晓霞，曾 芳，孙雁霞

(成都大学-农业农村部杂粮加工重点实验室，四川 成都 610106)

1953年Hipsley提出“膳食纤维”(DF)是植物细胞壁中不可消化的成分，其中已知的组成有纤维素、半纤维素和木质素[1]。2009-06国际食品法典委员会重新定义膳食纤维为含10个及以上单体链节的碳水化合物，不能被人体小肠内源酶水解，主要包括食物中天然存在的可食碳水化合物；由食物原料经物理、化学或酶法制备的碳水化合物；对人体健康有益的人工合成碳水化合物。

膳食纤维与蛋白质、脂肪、碳水化合物、维生素、矿物质和水统称为七大营养素，它能够较好地提升膳食质量，改善人们的饮食结构，增强机体的免疫力，为人们的身体健康保驾护航。根据是否溶于水，分为可溶性膳食纤维(SDF)和不可溶性膳食纤维(IDF)，其中SDF主要包括植物细胞壁内的储存物质和分泌物质、部分微生物多糖和合成类多糖[2]。大量科研实验表明，DF中的SDF不仅能够维持膳食平衡，而且在改善肠道菌群、预防肠胃疾病、调节血糖血压和预防心血管疾病等方面也具有重要的生理功能，另外，对一些癌症的发生也有一定的预防作用。SDF的来源、制备工艺、分子结构、分子质量和分子间相互作用等因素会影响其理化性质进而决定其生理功能，同时DF中SDF的比重越大对人体的健康越有益。基于此，我们综述了SDF的制备工艺、优缺点、生理功能和可能的作用机理，为开发新型功能性食品提供一定的参考。

1 可溶性膳食纤维制备工艺

SDF的制备工艺对其理化性质和健康功效有着重要影响。目前，国内外制备SDF主要有物理法、化学法、酶法、膜分离法和微生物发酵法，料液比、温度、时间、pH值、溶剂、酶用量、微生物种类和膜材料等因素共同决定了SDF的提取率、分子质量大小、结构和纯度等。多方法辅助提取和原材料改性是获得高提取率、高纯度和改善生物活性的有效手段。

1.1 物理法

1.1.1微波辅助提取

利用微波在溶剂中形成偶极旋转，迅速升温，提高化合物的溶解度；同时微波还会增加新鲜组织的细胞内压力，破坏细胞壁，释放出更多的活性成分。与传统工艺相比，微波能直接穿透壁材到达样品中心，使样品加热更快、更均匀，从而节省更多的能源和时间，能有选择性和快速地得到SDF；同时此方法有降低溶剂消耗量、减少副产物形成和降低能量消耗的优点[3]。

刘素稳等[4]采用微波辅助提取苹果渣SDF，其SDF最高提取率为20.98%。电镜和X射线衍射分析表明，微波能使苹果渣纤维素结晶间产生裂纹，结晶度降低，加速提取进程；与传统方法相比，提取时间缩短为原来的1/30，提取率增加了4个百分点。Chen等[5]采用微波结合酸法从马铃薯浆粕中提取SDF，在六偏磷酸1.0%，料液比1∶40，微波时间1.26 min时，SDF提取率可达44%。Wongkaew等[6]采用微波辅助提取芒果皮果胶，提取率可达13.85%；与常规方法相比，提取的果胶具有较高的当量(1 485.78 mg/mol)、酯化度(77.19%)和甲氧基含量(19.33%)，结构孔隙度较大。

1.1.2超声波辅助提取

超声波在通过液体时会形成小的真空气泡，在压缩和反射条件下气泡破裂，最终形成空腔，使植物细胞壁破裂和细胞溶解，降低各成分间的结合程度，使SDF更容易渗透到提取液中，加快蛋白质分子降解，提高SDF提取效率[7]。

Zhang等[8]利用碱法和超声波辅助碱法提取番木瓜果皮SDF，超声辅助后提取率最高可达到36.99%，与碱法相比，超声后番木瓜果SDF中的必需氨基酸和微量元素增加，热稳定性增强，有较好的持水性、持油性和膨胀性。李晗等[9]以西番莲果皮为原料采用超声波辅助酶法提取SDF，结果表明，料液比1∶26，酶解温度70℃，超声功率250 W，混合酶量0.6% 时，提取率为14.82%。与西番莲果皮粉比较，其纤维空间和比表面积增大,表面活性较好，同时超声处理可能破坏了其原有的紧密结构，使亲水性基团和一些非极性基团更多地暴露出来，具有更好的理化性质。

1.1.3超高压和挤压膨化

超高压和挤压膨化处理既能提高SDF提取率，又能改善其口感和理化特性，现己被广泛运用到膳食纤维物理改性领域。研究指出，挤压膨化处理能在一定程度上使原料中的纤维素和半纤维素降解，使IDF部分转化为SDF，进而增加提取率[10]。

Wang等[11]对麦麸进行挤压处理后，使麦麸SDF提取率从3.08%增加到11.78%，持水力、对饱和及不饱和油脂的持油量和膨胀力分别达到5.67、3.34、3.58 g/g和4.3 ml/g。周丽媛等[12]以黑小麦麸皮为原料，探究超微粉碎、超高压、挤压膨化三种方式制备SDF的最佳工艺条件，结果表明：超高压最佳工艺参数为料液比1∶15，时间15 min，压力300 MPa，其提取率为17.72%；超微粉碎到200目时提取率最高，为17.54%；挤压膨化最佳条件为物料水分7%，挤压转速350 r/min，温度150℃，提取率为16.17%。三种方式都能不同程度改善SDF的基本理化性质和抗氧化活性，其中在持水力、持油力和膨胀性方面，超高压和挤压膨化处理优于超微粉碎，而在对胆固醇和胆酸钠的吸附量以及抗氧化活性方面，超微粉碎处理后效果最优，超高压提取的黑小麦麸皮SDF具有良好的流变特性，可替代食品中的部分胶体，运用于食品加工中。

1.2 化学法

原料经干燥和粉碎后，用水、酸或碱作为提取溶剂，最后通过离心、过滤并以乙醇等有机溶剂进行沉淀，最后得到SDF。化学法的主要缺点是强酸和强碱等条件可能对食品基质造成损伤，同时也可能会造成纤维素、半纤维素等组分损失，导致膳食纤维的功能活性受到影响。

Wang等[13]采用热压缩水法提取玉米皮SDF，在150℃下浸提60 min，SDFA提取率最大值为33.0%。当温度从110℃升高到180℃时，SDFB的提取率从2.0%增加到56.9%，而固体残留物的产率从88.7%下降到27.7%。热压缩水提取法不仅绿色、安全，还能有效处理食品原材料副产物，提升其附加值。戴余军等[14]采用碱法提取菠萝皮SDF，提取率最高可达23.58%。李晓宁等[15]采用酸法制取大豆皮SDF，最大提取率为12.49%，其纯度为60.13%。Xiong等[16]研究不同碱性条件下豆渣SDF的提取效果，发现碱性越强膳食纤维的酯化程度越低，分子质量越低，并且蛋白质含量较低(1.2%～1.9%)；弱碱处理原料后，得到的多糖在相同浓度下，具有较低的水性黏度和较好的乳化活性，可添加到酸性乳饮料中增加其稳定性。

1.3 酶法

利用酶反应的高度专一性除去原料中的还原糖、淀粉、蛋白质等非膳食纤维成分，经乙醇沉淀最终得到SDF。常用的酶有α-淀粉酶、蛋白酶、糖化酶、纤维素和半纤维素酶等，根据不同的原料，选用单一酶或复合酶进行提取[17]。酶法相对化学法其操作条件较为复杂，反应时间长；但其优势在于不易破坏SDF的分子结构，使其生物活性得到充分发挥；同时，纤维素和半纤维素酶可以使部分IDF降解转化为SDF，增加提取率。

Zhang等[18]以美人蕉副产物为原料，采用化学法、物理化学法、酶法、物理-酶法、化学-酶法和物化-酶法6种不同方法制备SDF。其中物理-酶法制备的SDF含量最高(68.71%)，可能与其过程中阿拉伯木聚糖的形成有着重要联系。Cheng等[19]发现，与未经酶处理相比，纤维素酶、木聚糖酶和复合酶分别使马铃薯果肉SDF提取率提高了52.6%、30.0%和90.0%。酶处理后，纤维素和半纤维素的结合能力降低，淀粉完全水解，表观黏度下降，使SDF更容易从混合物中分离出来，酶也能使部分不溶性纤维素和半纤维素水解，从而提高提取率。酶解可以使更多的官能团暴露和增加其比表面积，表现出更好的吸附性和抗氧化性能。因此，适当的酶解预处理后，SDF可作为一种良好的功能成分，以满足不同功能食品的加工需求。Ma等[20]以紫萝卜为原料，采用化学和酶法制备膳食纤维。两种方法都能降低膳食纤维中蛋白质、多酚和灰分的含量，酶法提取后SDF具有更好的持油力、体外胆固醇吸附能力和微观流变特性，较化学提取具有更高的安全性。因此，酶法制备SDF运用于食品加工领域具有良好的市场前景。

1.4 微生物发酵法

利用微生物发酵，消耗原材料中的碳源、氮源(淀粉和蛋白质等)，产生酶和酸，破坏糖苷键，使其裂解为小分子结构，从而制取SDF。目前主要选用绿色木霉、保加利亚乳酸杆菌和嗜热链球菌混合菌、枯草芽孢杆菌、白腐菌等作为发酵菌种，增加膳食纤维中SDF的含量，从而改善膳食纤维的生理活性。微生物发酵的方法成本较低，SDF的提取率较高且色泽、质地、气味和分散程度都比较完善，基本的理化性质和抗氧化活性也较强。不足之处就是此工艺所需的发酵时间长，发酵过程难以精准控制，工厂化操作流程有待完善和提高[21]。

Napolitano等[22]用木霉处理小麦和大麦，发现SDF的提取量增加了2倍，但总膳食纤维没有减少；同时还会使与多糖相连的羟基肉桂酸(主要是阿魏酸)释放，增加游离酚类的浓度和水溶性抗氧化剂活性，提高了酚类化合物的生物利用度。丁小娟等[23]通过混合菌种发酵刺梨果渣，在料液比1∶5、嗜酸乳杆菌、戊糖乳杆菌和生香酵母比例1∶2∶1、接种量10%、发酵温度30℃、发酵时间52 h的条件下其提取率达到11.59%，较原果渣提高76.53%，此方法得到膳食纤维的持水力、持油力和膨胀力均强于原果渣。陈晓媛[24]采用里氏木霉发酵油茶粕，通过单因素试验和响应面分析，优化里氏木霉的发酵条件。结果显示，在油茶粕比例为8.6%，微晶纤维素含量为0.93%，接种量为12.48%，pH值为4.9条件下，突变菌株N-50-15发酵法提取油茶粕SDF的提取率最高，为3.81 g/100 g，比热水浸提法的提取率增加了170.23%，较原菌种发酵法的提取率增加了74.17%。

1.5 膜分离法

以天然或人工的选择性透过膜为分离介质，通过在膜两侧体系形成电位差、浓度差或压力差，使组分中的成分根据膜的选择性而透过，从而达到分级、分离、提取、浓缩和纯化的目的[25]。此法的全过程都是物理上的分级和分离，不会发生相或者状态的变化，解决了化学法提取后有机试剂的残留问题，工艺简单，操作方便，同时可避免活性成分被氧化。此法相对于传统的水法提取，不需要后续的醇沉工艺，节约成本并且耗能低，绿色环保，具有良好的发展前景。但是膜分离法设备要求高，膜的研制成本较高，目前技术还不成熟，有关于膜分离提取技术的文献报道很少见。

肖小年等[26]采用超滤膜分离法制备车前草SDF，选用分子量为10万的中空纤维超滤膜进行截留，SDF的含量可达到80.4%。王世清等[27]借助超滤膜对花生壳中的SDF进行分离纯化，选用PS-30聚砜膜，在压力为0.08 MPa、料液比为1∶75、温度为30℃ 时，成效最佳，SDF提取率可达到67.56%。Wan等[28]采用由聚醚砜制成的MWCO(1，5和10 ku)膜来纯化脱脂米糠可溶性膳食纤维(SRBF)，以除去所含的矿物质和单糖。SRBF经过纯化后其溶液的黏度和可溶性固形物的含量都得到了增加，这使得超滤过程中SRBF可溶性组分的浓度增加，从而达到一个浓缩的效果。超滤显著降低了SRBF溶液中的矿物质含量，且在100 kPa下，10 ku的MWCO膜具有较好的纯化效果，因此可以在纯化SRBF过程中，运用超滤的方法来代替传统的透析法和乙醇沉淀法。

2 可溶性膳食纤维的生理功能

人们在日常生活中主要通过食用谷物、豆类、蔬菜和水果来获取膳食纤维，但随着饮食精细化程度的提高，人们获取的膳食纤维总量也随之减少；加之，高油高脂的不良饮食习惯，使得患各种慢性疾病的几率增加。根据文献报道，膳食纤维在调节饮食结构和改善生活质量方面具有重要作用。大量摄入全谷物或谷物纤维与降低心血管疾病、癌症、糖尿病、呼吸道疾病的死亡率有极大的关联，多食用全谷物尤其是谷物纤维成分更有益于人体健康，并且认为SDF在保护人体健康方面具有更为广泛的作用效果[29]。

2.1 预防肥胖

肥胖症是全球公共健康问题之一，肥胖人群体内一般具有比较严重的代谢紊乱现象，从而引发一系列的并发症，怎样预防肥胖成为解决此问题的关键所在。膳食纤维结构中存在很多的极性基团，其中SDF的大分子极性基团更多，它具有很强的亲水性，通过吸收水分而充分溶胀，使人产生饱腹感，同时膳食纤维还可以作用于胃肠道增加与饱腹感信号相关的激素产生，减少饮食摄入量，进而达到预防肥胖的目的[30]。

近年来，膳食纤维食品受到食品企业和消费者的广泛关注。研究发现，大鼠饲料中添加可溶性膳食纤维，在体内吸水溶胀后可增强饱腹感，减少饲料摄入量并降低饲料在大鼠肠道中的消化率，使总体摄入能量减少，减少脂肪的过度积累[31]。同时，黏性可溶性膳食纤维能够减缓小肠对碳水化合物的吸收，防止人就餐后血糖的迅速上升，并且能影响氨基酸代谢，从而起到减轻体重的作用。Fabek等[32]发现，可溶性膳食纤维能增加肠腔的黏度，干扰营养物质的酶消化，使营养物质的消化速度减慢。

2.2 调节肠道菌群

人体肠道中含有种类繁多的微生物菌群，它们组成一个庞大而复杂的微生态系统，在长期竞争和进化过程中与宿主相互依赖，直接或间接参与人体的食物消化、营养吸收、能量供应、脂肪代谢、免疫调节和疾病预防等诸多方面，在维护人体健康过程中扮演着非常重要的角色。肠道菌群可以代谢肠道内容物，产生多种有益代谢产物，例如短链脂肪酸(乙酸、丙酸和丁酸)、维生素、胆汁酸和胆碱等，这些有益代谢产物作用于相应的靶器官，以调节宿主的代谢稳态和控制疾病的发展，有益于人体的健康[33]。

杜亚军[34]在培养基中加入水溶性膳食纤维作为唯一碳源，发现水溶性膳食纤维能促进双歧杆菌或嗜酸乳杆菌的生长，进而产生大量短链脂肪酸，使其环境pH值下降，抑制大肠杆菌的增殖；同时，摄入膳食纤维可以影响结直肠癌患者的肠道菌群微环境，且有益菌与膳食纤维水平呈正相关关系，有利于提高肠道有益菌的水平。通过细菌16S rRNA基因测序结果显示，添加可溶性膳食纤维会增加通常与代谢健康相关的益生菌的相对丰度[35]，起到有效调节肠道菌群的作用；同时肠道细菌的酶解和厌氧发酵产生大量的短链脂肪酸，通过直接或者间接调节的形式作用于人体，充分发挥出有益人体健康的作用。

2.3 降低餐后血糖，预防糖尿病

糖尿病是一种由环境因素和遗传基因缺陷共同作用引发的慢性代谢紊乱疾病，主要特征是长期血糖指数高于正常水平，分为Ⅰ型、Ⅱ型和妊娠糖尿病等。据报道显示，全球范围内因高血糖而导致的死亡占比达到6%，并且呈现上升的趋势，其中Ⅱ型糖尿病占比高达90%～95%。Ⅱ型糖尿病是一类复杂的、多因素代谢综合征，其中包括几种异常的代谢关联，如碳水化合物、脂肪和蛋白质的代谢失调，高血糖和胰岛素抵抗，血脂异常和慢性炎症[36]。

大量研究表明，膳食纤维(主要是SDF)可有效控制Ⅱ型糖尿病患者的血糖水平，进而减轻患者的病痛并可以减少其并发症。Zhao等[37]研究发现，魔芋葡甘聚糖可以改善Ⅱ型糖尿病大鼠体内细胞对胰岛素的敏感性，降低血糖含量，并且能够增加大鼠体内酶类和非酶类抗氧化剂的含量，从而减轻氧化应激和进一步的炎症。Yu等[38]探讨了燕麦β-葡聚糖饮料对Ⅱ型糖尿病患者胃排空、餐后血糖和胰岛素之间的影响作用，试验中把30名Ⅱ型糖尿病患者和10名健康人随机分成无SDF组和等能量SDF组(除燕麦β-葡聚糖外，其余营养成分完全相同)。结果显示燕麦β-葡聚糖可降低糖尿病患者的餐后血糖和胰岛素的含量，并且与可溶性膳食纤维饮料的远端排空量呈负相关，分析得出SDF降低患者餐后血糖的机制与食物在胃肠的排空速率有关系。Chen等[39]采用稳态模型评估法，对117名(40～70岁)Ⅱ型糖尿病患者治疗前后1个月的空腹和餐后2 h内的血糖、血清胰岛素、连接肽(C-肽)水平以及胰岛素抵抗指数进行了测定，结果表明，食用SDF可显著改善患者的血糖、空腹胰岛素、低密度脂蛋白水平和胰岛素抵抗指数，而不会影响胰岛的分泌功能。Post等[40]发现，黏性膳食纤维降低血糖的机制主要在于黏性膳食纤维能吸附葡萄糖和其他常量营养素，减少肠壁对其的吸收量，同时黏性膳食纤维可在消化酶和营养物质的表面形成屏障，减缓食物分解成人体可吸收成分的速率，减缓葡萄糖餐后反应，从而降低餐后血糖水平，起到预防糖尿病的作用。

2.4 降低胆固醇，预防心脑血管疾病

心脑血管疾病是一类严重威胁人体健康的常见病，具有高患病率、高致残率和高死亡率的特点，高血脂是其一大诱因，高胆固醇是高血脂的主要表型，高血脂症往往会引起动脉粥样硬化，即动脉壁增厚、变硬而失去弹性，从而带来心脑血管疾病的威胁。1960年首次报道了膳食纤维对心血管疾病的保护作用，认为这种作用是通过降低血清中脂质的含量来实现的。膳食纤维摄入量与心脑血管疾病发生率呈负相关；经常食用膳食纤维有助于减轻体重，并具有降低血压、载脂蛋白B、胆固醇、甘油三酯等作用。可溶性膳食纤维的降胆固醇效果取决于纤维类型、消耗量、适应时间和整体饮食的性质等许多因素；其作用机制推断为可溶性膳食纤维能与胆固醇鳌合，从而抑制或减少机体对胆固醇的吸收，并降低对人体健康不利的低密度脂蛋白胆固醇，而高密度脂蛋白胆固醇不减少或略有增加；研究表明，高黏性膳食纤维在降低胆固醇中发挥重要作用，通过形成凝胶，胆汁在回肠中受到凝胶的物理性吸附，使其被肠壁的重吸收量减少，但随粪便的排出量增加[41]。

研究发现燕麦β-葡聚糖降低低密度脂蛋白胆固醇的效果在Ⅱ型糖尿病患者和低密度脂蛋白胆固醇基线水平较高的患者中更大，这可能表明燕麦β-葡聚糖通过与血糖紊乱、胰岛素抵抗和胰岛素分泌有关的一个或多个机制来降低血清胆固醇[42]。每天食用含有5 g亚麻籽胶的饮料，持续1周后，可显著增加粪便脂肪排泄量，显著降低总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇；但当以相同量的亚麻籽胶添加到面包中时，其作用效果不如作为饮料食用时明显，说明了食物基质对其功能作用有着非常重要的影响[43]，同时可溶性膳食纤维的理化性质和分子质量大小都关系到其降血脂水平的能力。

2.5 预防癌症

许多流行病学研究发现，在日常生活中多食用含膳食纤维的食物，可明显抑制和缓解某些癌症的发生，如直肠癌、结肠癌、肝癌和乳腺癌等。膳食纤维在人的胃和小肠中不能被酶解消化，进入大肠后在微生物的作用下可被部分或全部发酵，产生大量的短链脂肪酸，包括丁酸、乳酸等，通过短链脂肪酸对癌细胞周期调节、介导癌细胞氧化应激反应、降低组蛋白去乙酰化酶的活性来改变基因转录的能力，并且还能通过一些外在途径诱导癌细胞凋亡，抑制肿瘤的形成，从而达到预防癌症的作用，其中丁酸盐被认为是预防结直肠癌的重要保护因子[44]。

Yin等[45]发现菊粉发酵产物中的丁酸与抑菌率呈正相关，而乳酸则与抑菌率呈负相关，发酵产物丁酸盐可通过诱导DNA片段化和增加处理细胞中的总凋亡数而引起结肠癌细胞HCT-116凋亡，从而表现出较强的抗结肠癌活性。Ramachandran等[46]测试了改性柑橘果胶(MCP)诱导人类血液淋巴细胞亚群(如T，B和NK细胞)活化的能力，MCP在人血样中具有免疫刺激特性，包括针对培养中的K562白血病细胞激活功能性NK细胞，不饱和的低聚半乳糖醛酸似乎是MCP中的免疫刺激性碳水化合物。我国学者研究发现，MCP对肝癌H22细胞有较强抑制作用，高剂量下抑制率可达47.8%；对宫颈癌U14细胞抑制率在中等剂量及高剂量下分别可达36.5%和38.5%[47]。Wang等[48]从未成熟的核桃种皮中提取的水溶性膳食纤维不仅可以抑制S180细胞的增殖，而且还能改善淋巴细胞的增殖和巨噬细胞的吞噬活性，对S180肿瘤小鼠的肿瘤生长有明显的抑制作用。腹腔注射海带多糖可提高H22肝癌小鼠血清白细胞介素2和肿瘤坏死因子-α水平，同时增加小鼠体内的肿瘤抑制率[49]。同时，有研究发现，摄入可溶性膳食纤维可能对口腔癌，咽喉癌和食道癌具有保护作用。

综合上述分析，SDF进入人体胃肠道以及其在肠道微生物发酵后的产物在预防肥胖、糖尿病、心脑血管疾病和癌症等慢性疾病中具有良好的健康功效。

3 展望

我国是农业大国，膳食纤维的来源广泛，大量存在于各种食品原料(蔬菜、水果、谷物、豆类等)和加工副产物中(如米糠、麦麸、豆渣、果渣和植物秸秆等)，其原料价格低廉，产品附加值高，具有良好的市场应用前景；在常规制备工艺外，研究发现将超声波、超高压、微粉碎、挤压膨化和高温瞬时热处理等加工技术运用到制备过程中后可以提高可溶性膳食纤维的提取率、纯度以及生物活性。基于我国对于膳食纤维功能特性的研究工作起步较晚，尽管膳食纤维在高血脂、糖尿病、心血管疾病、肿瘤和癌症等慢性疾病的预防和治疗作用在动物试验以及临床试验中都得到了有力证实，然而膳食纤维的来源、食用方式和最适量的确定，以及膳食纤维进入人体后其代谢途径和调控机制目前还缺乏更深层次的研究。同时，膳食纤维也可作为一种辅助药物治疗方法加以运用，探究膳食纤维与药物对疾病的共同作用机制同样也是非常重要的研究方向。