物理改性对膳食纤维结构及功能特性的影响

周璇，谢卫红，孙哲浩*，李巧玲

1.河北科技大学食品与生物学院（石家庄 050018）；2.石家庄市君乐宝乐时乳业有限公司（石家庄 050299）

植物纤维素是世界上贮藏最为丰富的碳水化合物，其中来自于水果、蔬菜及大田作物中的一些纤维被人们作为膳食纤维。膳食纤维的定义最早由Hipsley给出，后来被各个地区发展成不同定义，但其基本含义还是指食品中不能被人类消化的多糖类物质及木质素的总称[1]。膳食纤维分为不溶性膳食纤维和可溶性膳食纤维，不溶性膳食纤维是细胞壁的组成成分，而可溶性膳食纤维多来自半纤维素及胞内、胞间成分，如果胶及一些黏性可溶性多糖。可溶性膳食纤维被人类利用已久，在食品工业中常作为增稠稳定剂使用，而不溶性膳食纤维由于其结构特性导致的食品加工功能特性不明显，应用受到限制[2-4]。近些年来，食品研究人员通过尝试各种改性方法来改变不溶性纤维的溶解度及功能特性，主要有化学改性、生物技术（发酵及酶技术）改性、物理改性等，其中物理改性由于绿色、环保的特性，受到许多研究者的关注。基于此，对物理改性的方法、物理改性对膳食纤维结构及功能特性的影响进行综述，以期为膳食纤维改性技术路线、加工功能特性改善提供参考。

1 膳食纤维的物理改性技术

物理改性技术是指采用热、力、光、电等手段来改变生物质原有的形态、结构、性质。膳食纤维的物理改性的目的是改变纤维素的天然构象，增加功能纤维在植物中总纤维的占比，一般以可溶性纤维与不溶性纤维的比例表示，并最终寻求较合理的比例[5]。膳食纤维的一些典型的物理改性技术如图1所示，改性后的膳食纤维不仅加工功能特性会提升，同时生理功能也得到改善[6-9]。

图1 应用到膳食纤维改性的典型物理改性技术

2 物理改性对膳食纤维结构和功能特性的影响

2.1 微观结构

植物细胞壁中的纤维素由直径5～10 nm的微纤维平行排列，密排成扁平的螺旋状，而微纤维由直径1～4 nm的原初纤维组成，原初纤维是纤维中最小的形态单位，是由葡萄糖通过β-1, 4-糖苷键连接形成的聚葡萄糖。植物纤维素是半结晶结构，自然状态下，其结晶的结构占约40%～75%，非结晶结构占10%～15%，依不同来源的植物纤维素而不同。由于结晶结构的存在，能够抵抗热、力学、酶及化学作用，但同时也限制其在食品工业中的应用。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[10]。物料经超微粉碎后，微粒变得更均匀细腻，且可提高其吸附性、水溶性、溶解度和生物效应等，可最大限度保持成分的完整性[11]。超微粉碎技术主要分为干法粉碎和湿法粉碎2种，与湿法粉碎相比，干法粉碎更有利于水分蒸发，但湿法粉碎对改善膨胀力、结合水力、持水力影响更大。

Hua等[12]研究高速均质及高压均质处理番茄渣纤维的微观结构变化，扫描电镜研究发现原始的番茄渣纤维是由六角形细胞壁组成的层状结构，被研磨成20～200 μm的颗粒时，呈现表面光滑、边缘不规则的形态。，经过高速均质后，纤维出现锐利和扭曲的边缘。而当高压均质后，纤维颗粒结构被破坏，进行重塑，产生许多微纤维，并形成新的网络结构。透射电镜研究也发现经高压均质处理后，产生许多的微纤维丝，说明高压剪切破坏原初纤维的结构。X射线衍射研究发现纤维的结晶度由原始的65%减少5～10个百分点，但高速或高压均质并不能够破坏纳米级的微纤丝结构，许多的研究也有类似的发现[13]。

2.2 水合特性

水合特性是食品原料能否在食品加工中广泛使用的一个重要特性，包括溶解度、持水性、膨胀能力以及凝胶性。天然的不溶膳食纤维在水合特性上表现一般，因此研究者们几乎应用所有的物理改性手段去研究物理作用对于膳食纤维的影响，一个最主要目的是改变其水合性质。

许多研究者将不溶的膳食纤维进行微粉化处理，主要利用球磨及气流粉碎机，微粉化后的难溶膳食纤维水合性质有所改善，这可能与增加纤维表面面积有关，同时机械力的作用也可使纤维的部分结构断裂[14]。挤压膨化是又一物理手段，挤压膨化技术利用高温、高压及高剪切力的作用，导致材料中水分的迅速气化，拉伸并改变材料的分子内及分子间的空间结构。挤压过程中，材料的分子结构发生变化，形成多孔的结构。Huang等[15]研究挤出与未挤出的橘皮纤维，挤压处理后的纤维持水性由5.8 g/g升至6.73 g/g，可溶性纤维由17.3%升至33.57%，同样的效果在大豆纤维中也得到证实。其原因在于挤压过程造成纤维素分子内共价键及非共价键的断裂，导致形成小的片段和可溶性纤维。爆破挤压技术也应用到改性中，Chen[16]爆破挤压处理豆渣，在170 ℃温度下，挤出螺旋速度150 r/min，可溶性纤维的含量增加27%。

通过对膳食纤维施加压力来进行改性的例子也有许多，Xie等[17]对比研究超高压处理和高压均质处理对于马铃薯纤维的特性的影响，高压均质更能够改变纤维的物理化学特性。Liu等[18]研究微射流作用于豆渣，明显增加可溶性纤维的含量。蒸汽爆破预处理是近年来发展起来的一种的物理改性方法。原料用蒸汽加热至180～235 ℃，维压一定时间，在突然减压喷放时，产生二次蒸汽，体积猛增，受机械力的作用，其固体物料结构被破坏。Liang等[19]研究在蒸汽压力0.51 MPa、维压时间168 s的处理条件下，蒸汽爆破处理的苹果渣，可溶性纤维由原始的6.27%增至29.85%，增加4.76倍；Wang等[20]利用汽爆处理橙皮渣中可溶性纤维含量从8.04%增加到33.74%，同时水溶性、保水性、持油性、溶胀性都得到提升。

超声波技术是利用超声波探针的周期性机械运动将能量传递到流体介质中，并产生高温、压力和剪切力，破坏膳食纤维主链中的糖苷键，导致膳食纤维的结构、理化性质和功能性质发生变化。此外，由于在气泡碰撞过程中的空穴效应导致水分子的解离，能够产生—OH及—H游离基团，这些化学基团会增加膳食纤维的提取率，在可溶性多糖的提取中，超声提取同时产生了小直径颗粒的多糖，也影响着可溶性多糖的功能特性。Huang等[21]研究超声波100 W、20 min处理蒜苗中可溶性膳食纤维，其持水性、持油性、膨胀能力都有所提升，红外测试发现此强度处理下，蒜苗中可溶性纤维的主体结构并未发生改变，推断只是打开部分糖苷键，导致其水合性质增强，但流变测试发现黏度在降低。研究也发现，超声处理的卡拉胶能够形成更好的凝胶状态。因此，一般认为超声处理并不能影响纤维素的主体结构，而是对其结晶度产生影响，主链和侧链的糖苷键被破坏，因而产生链的断裂，带来水合特性的变化。

微波技术是应用电磁波使物料中的极性分子在微波电场中产生剧烈运动，物料温度快速升高，化学键断裂，小分子物质急剧挥发，相互间挤压，促使物料微孔隙的形成，比表面积增大，达到改善物料性能的作用。任雨离等[22]用微波技术对竹笋膳食纤维进行改性，改性后的竹笋膳食纤维水合性质得到提高，这与纤维的孔状结构更加密集、网状结构更为明显、比表面积增大、更多的亲水基团暴露有关。通过红外光谱发现，微波改性对竹笋膳食纤维的主要官能团影响较小，X衍射研究显示竹笋膳食纤维的结晶区强度发生变化，但结晶结构未发生根本变化。

2.3 乳化特性

许多食品以乳状液的形式存在，如蛋黄酱、冰淇淋、植脂奶油、牛奶等。食品乳状液有水包油型（O/W）及油包水型（W/O），以及最近发展的多层乳状液结构及微乳、纳乳、Pickering乳状液等。乳状液在热力学上是不稳定体系，需要利用一定的乳化技术及乳化剂制备，其中来自植物高分子乳化剂的研究是目前的热点之一[23]。膳食纤维具有一定的持油性，这也是在香肠等含油量高的食品中具有良好应用的原因。由于具有一定的持油性，也就具有乳化能力的基础，通过物理改性，解聚其结构，暴露出更多的基团，增强其乳化能力。一些膳食纤维经过超微处理后，也是制造Pickering乳液颗粒稳定剂的良好材料。动态超高压微射流技术（dynamic high pressure microfluidization，DHPM），是一种先进的高压加工技术，它以超高压理论、流体力学理论、撞击流理论为基础，集输送、混合、超微粉碎、加压、膨化等多种单元操作于一体，能对流体混合物料进行强烈剪切、高速撞击、压力瞬时释放、高频振荡、膨爆和气穴等一系列的综合作用，从而起到很好的超微化、微乳化和均一化效果。动态超高压技术代表着一种重要的创新，因为它能被用于改变乳状液或生物高聚物，并且能应用在工业生产上。Onur等[24]研究动态超高压微射流对于橘皮纤维及玉米纤维乳化性质的影响，研究发现，高压微射流处理的纤维悬浮在连续相中几乎没有沉淀，增加了乳状液连续相的黏度。高压微射流处理的纤维其尺寸显著的减小，具有较大的表面积，能够准确定位于油滴的表面，阻止油滴的聚集，增强了乳化稳定能力。此外，通过物理改性的膳食纤维也是油脂替代物的良好选择[25]。

2.4 流变特性

黏度是膳食纤维尤其是可溶的膳食纤维的一个重要的物理化学性质，具有一定黏度的膳食纤维在人体代谢过程中发挥重要作用。物理改性后的膳食纤维因为可溶性多糖的增加，黏度在增加，最终影响人体肠道的黏度，抑制营养物质的吸收，对于生理功能，如血糖反应、血脂衰减、肠道酶活性、消化率和排泄等都有改善[26]。

3 物理改性后膳食纤维的生理功能

一般认为膳食纤维中的可溶性纤维与葡萄糖吸收、胆固醇吸收、离子吸附、延迟胃的排空、在小肠中的转运时间等有关，而不溶性纤维则与粪便的体积增加有关。Li等[27]研究γ-射线处理的脐橙可溶性纤维，结果发现其生理功能有明显的增强。由于γ-射线的照射，纤维的部分结构断裂，暴露出更多游离的羟基及羧基，增强离子交换能力，在胃中可增强对硝酸盐的吸附，在肠道中可以更多吸附人体摄入的K+、Na+及重金属，如Pb、Hg及Cd等，减少人体对于K+、Na+及一些重金属带来的毒害；同时也发现由于持油性增加而带来的胆固醇吸附能力的增强，可能的原因是由于持水性的增强，水分子被固定在膳食纤维的颗粒表面，能够黏结更多的葡萄糖，减少人体对葡萄糖的吸收，减低由此带来的血糖反应。此外，改性后的膳食纤维在自由基清除、抗氧化能力方面也有提升[28-31]。

4 结语与展望

物理改性是通过绿色环保的手段改变膳食纤维的微观结构及加工功能特性，有研究结果证实其在一定程度上发挥重要作用，这也为膳食纤维的综合利用带来有益方法，使这些农产品加工的副产品产生增值的效果，同时对于环保也有积极意义。尽管物理改性的方法简单有效，但单纯的物理改性效果有时并不明显，还需与化学和生物技术相结合，如物理法与化学法相结合或者酶法与物理法相结合等，需要进行更深入的实验探索，发现更加完善的膳食纤维改性方法，获得更多优良的功能特性，服务食品行业发展。