竹笋膳食纤维的提取、生理功能特性及其在食品中的应用

刘欣，姜鹏飞，傅宝尚，杨晶琦，祁立波，尚珊

1(国家海洋食品工程技术研究中心(大连工业大学)，辽宁 大连，116034) 2(赣州市全标生物科技有限公司，江西 赣州，360700)

我国是世界最大的竹笋生产国之一，拥有竹林面积约500万公顷，竹子品种高达500多种。其中，可食竹种有200多种，品质优良的笋用竹有30多种，可食竹种产量最高的品种有毛竹笋、雷竹笋等，大部分分布在我国的浙江、福建、四川、湖北和江西等地[1]。鲜笋中不仅含有多种营养物质，如蛋白质、矿物质和氨基酸等，还含有膳食纤维(dietary fibers, DF)、黄酮、植物甾醇、维生素和多酚等功能性物质，兼具食用和药用价值[2]。竹笋中含有丰富的竹笋膳食纤维(bamboo shoots dietary fibers, BSDF)，且含量根据地域存在差异性，比如江西方竹膳食纤维含量1.87～4.77 g/100 g[3]，浙江雷竹0.894～2.130 g/100 g[4]及四川麻竹2.483 g/100 g[5]。DF是人体中非常重要的一种营养素，不仅具有多种营养特性，还具有良好的物化特性，因此DF在食品开发中的应用越来越多，并且越来越受欢迎。

DF是一类不易被人体本身所具有的内源酶消化吸收的一种功能性物质[6]。BSDF主要包括寡糖和多糖，例如纤维素、半纤维素、果胶、树胶和抗性淀粉；对人体健康具有很大的益处，具有控制体重、降血脂和降血糖等作用[7]。BSDF不仅具有广泛的生物活性，而且还能改善食品的质地。很多研究表明，在各种食品中增添BSDF可以改善食品的颜色、风味、质构和营养价值，可作为改良剂和生物活性成分用于焙烤食品、饮料制品和功能性食品中[8]。因此，富含BSDF的食品比一般加工制品具有更高的营养价值和保健功能。

本文对BSDF的提取方法、组成成分、作用机制、生理功能及其在食品中的开发应用进行了总体概述。围绕BSDF展开的论述将极大促进BSDF资源的开发应用，并对BSDF食品的研究开发具有一定的意义。

1 BSDF的提取方法

DF的物化特性主要取决于其来源和加工方法，同时其生理功能也会存在差异。早期DF的提取方法主要包括粗分离法、膜分离法、化学试剂和酶结合分离法等[9]。随着对DF的深入研究，Prosky法(酶-重力分析法)、超声波法、高压蒸煮法、发酵法和挤压法等提取方法也应用于DF的提取中[10]，其中最常用的提取方法主要包括酶提取法、化学分离法、膜分离法和发酵法[11]。目前BSDF提取方法主要包括以酸碱法为主的化学提取、基于发酵法和酶法的生物提取、基于超微粉碎、高压均质、挤压爆破等的物理辅助提取法以及使用上述方法的组合提取方法[9]。常用的4种提取方法的优缺点及提取工艺如表1所示。根据DF结构和特性的不同，其提取工艺也各有不同，需要综合考虑产品的质地、提取成本、生产规模和环境污染等多种因素作用；将来DF的提取方法将向更高提取率、更高纯度、工艺更简单、污染更少、投资更少等的方向发展[12]。

表1 四种DF提取方法的提取工艺及优缺点Table 1 Advantages and disadvantages of four different extraction methods and extraction process

BSDF的提取率和品质根据提取方法的不同而不同。彭昕等[8]比较了化学法、水提法和酶解法3种不同提取法对BSDF提取率的影响。结果表明，化学法优于水提法和酶解法，对应的提取率分别为31.25%、9.18%和2.6%。吴丽萍等[17]采用真菌发酵法，利用黑曲霉提取毛竹笋可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber,SDF)，其提取率相比对照组提高了20.21%。陈如寿等[16]对苦竹、毛竹、麻竹等对清水漂洗法、化学法、溶剂法和发酵法4种BSDF提取方法分析比较，发现化学法及溶剂法由于其操作过程较为繁琐、溶剂消耗量高而难以实现工业化；而发酵法加工处理后的BSDF纯度较高，味道清淡，颜色自然，提升了BSDF的营养保健价值。TANG等[18]以竹笋为原料，采用物理法、化学法和酶法制备BSDF，发现酶解法不仅能保持原纤维的网状结构，而且纤维的表面和孔隙度得到了较大的改善，保持了原有的结合酚，使其具有较高的生物活性和广阔的应用前景。

2 BSDF的成分组成

竹笋中含有大量的DF，主要分为以纤维素、木质素和半纤维素主要代表的中性洗涤纤维(neutral washing fiber，NDF)和以纤维素和木质素为主要代表的酸性洗涤纤维(acidic washing fiber，ADF)，NDF决定了植物材料的不可消化成分[9]。目前就木质素的提取和组成成分进行大量研究。陈友地等[19]报告了10种竹子中DF的主要成分，其中含量最高的是半纤维素，且以聚木糖的形式存在。PRAKASH等[20]研究半纤维素中糖的组成发现，半纤维素主要由木糖(44.39%～72.71%)、阿拉伯糖(26.36%～51.87%)、核糖(0.93%～2.72%)和糖醛酸(0.29%～5.27%)组成。研究表明，半纤维素可用于食品工业和能源工业，造纸、生产木糖醇、木糖和功能性低聚木糖以及生物乙醇等[21]。

根据溶解性不同，DF又可被分为SDF和不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber,IDF)[22]。SDF是一种非淀粉性多糖，大部分来自谷物食品和果蔬，普遍存在于植物细胞间质及细胞液中，可溶于水，能被人体肠道中的微生物酵解；其主要成分是β-葡聚糖、果胶、树胶黏液和一些半纤维素等[23]。SDF的单糖构成主要包括葡萄糖、鼠李糖、半乳糖、甘露糖、木糖和阿拉伯糖。根据竹笋来源的不同，每种单糖所占的比例存在差异；SDF的溶解性较好，能够在一定程度上增强凝胶特性，常被作为工业乳化剂和增稠剂[24]。IDF也是一类非淀粉性多糖，大部分来自于植物中的根、茎、叶、果、皮和干，不可溶于水，也不能被人体肠道中的微生物酵解；在天然纤维素中所占的比例在2/3～3/4，主要组成成分是纤维素、木质素、木聚糖、半纤维素、木葡聚糖及半乳甘露聚糖[24]。IDF具有良好的持水能力和吸胀性能，在一定的添加量范围内能够显著提升肉类制品的凝胶特性和持水性。

BSDF的组成成分及含量根据提取工艺的不同具有显著性差异。TANG等[18]发现用物理、化学和酶法制备的BSDF主要组成成分均为葡萄糖、鼠李糖、半乳糖、阿拉伯糖、甘露糖和木糖，但3种制备方法所得的单糖含量存在显著性差异(图1)。化学法制备的BSDF主要单糖为葡萄糖(49.81%)和木糖(34.25%)，占总成分的84.06%，酶法制备的BSDF主要由木糖(44.35%)、阿拉伯糖(24.92%)和葡萄糖(19.98%)组成，占比高达89.25%，物理法制备的BSDF由葡萄糖(43.57%)和木糖(31.99%)组成，占比75.56%。WANG等[25]比较了酶法和化学法制备BSDF的组成成分发现，2种方法制备的BSDF均由鼠李糖、阿拉伯糖、木糖、甘露糖、葡萄糖和半乳糖组成；而化学法制备的BSDF的主要单糖成分是葡萄糖，占总成分的68.01%；酶法制备的BSDF主要由阿拉伯糖(24.07%)、木糖(24.66%)和葡萄糖(26.02%)3种成分组成，另外还含有14.38%的半乳糖。

a-单糖的标准；b-物理法；c-化学法；d-酶法图1 物理法、化学法和酶法制备BSDF的气相色谱图[18]Fig.1 Gas chromatogram of BSDF prepared by physical, chemical and enzymatic methods

3 BSDF的作用机制及生理功能

BSDF在生理代谢和疾病预防等方面具有非常重要的作用，因其独特的理化特性和生理功能对人体健康具有促进作用[18]。BSDF具有良好的持水力、持油力、膨胀力、离子交换能力、吸附能力及自由基清除能力等理化性质，通过降低血液胆固醇水平,增加胰岛素敏感性等有效防患高血压、心脏病、糖尿病、冠心病等[26]。DF的理化性质、作用机制与其生理功能密切相关(表2)。DF适量摄取有益于人体健康，但摄取过多会对矿物质及维生素的吸收利用产生负面影响[27-28]。根据《中国居民膳食营养素参考摄入量(2013)》[28]，我国居民DF的合理摄取量为低能量膳食的摄取量为25～35 g/d[28]。中国营养学会和美国食品药品监督局均推荐DF摄入量为25～35 g/d，美国防癌协会推荐标准相对较高，为30～40 g/d，日本膳食平衡指南推荐标准为20～30 g/d[27]。合理适量地摄入DF对人体健康至关重要。

表2 DF的理化性质、作用机制及生理功能Table 2 Physicochemical properties, mechanism and physiological function of dietary fiber

3.1 生理功能

3.1.1 控制体重

DF具有很强的吸水性和膨胀性，当食物进入消化道后会快速吸收水分，膨胀形成一种黏度很高的凝胶状态；DF体积变大，从而使人产生饱腹感并降低进食速度[29]。同时，由于凝胶状纤维能够将食物包裹住，从而减少蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶对食物中的蛋白质、淀粉和脂肪进行分解，以达到减少人体对营养成分的吸收，达到控制体重的目的[33]。张丽萍[34]研究发现，海带DF可以减缓肥胖小鼠体重的增加，具有调节脂代谢的功效，能加快脂肪分解，减少脂肪堆积，从而可能对肥胖症患者控制体重起到一定的作用。王彩虹[10]在研究BSDF对小鼠的降血脂效果中发现BSDF实验组中的小鼠血清中的胆固醇含量和甘油三酯的含量显著低于对照组，小鼠体重得到明显控制；因此BSDF能够有效减少脂肪含量，调节体重增长。

3.1.2 降低胆固醇

高血脂会导致冠心病、脑梗、动脉硬化等心血管疾病，对身体产生不利影响[35]。且有研究证实，DF能抑制人体对胆固醇、胆酸钠、甘油三酯和低密度脂蛋白等物质的吸收，减少血脂水平；同时也能将体内的油脂和脂肪代谢产物吸附出来，降低身体对油脂的吸收量，从而达到预防高血脂和胆结石等疾病的目的[35]。PARK等[36]比较了高纤维竹笋饮食与无纤维饮食对8名21～23岁女性的影响，测定了血糖、三酰甘油、总胆固醇、谷氨酸丙酮酸转氨酶、动脉粥样硬化指数、高密度脂蛋白胆固醇及低密度脂蛋白胆固醇等血液生化指标并发现，与无纤维膳食相比，竹笋膳食可降低血清总胆固醇、低密度脂蛋白胆固醇和动脉粥样硬化指数，喂食竹笋的受试者的粪便量和排便频率显著增加；结果表明竹笋作为良好膳食纤维来源，对血脂和肠道功能产生有益影响。

3.1.3 调节血糖

随着人民生活水平的不断提高，“三高”的患病率呈逐年增高的趋势，而中老年人的发病率尤其明显[33]。有研究表明，天然植物及海洋资源中含有包括DF在内的多种活性成分，能有效地防治2型糖尿病，并能在消化道内形成黏膜，减缓食物的消化吸收，降低胃排空速度；DF的吸附作用使部分葡萄糖被吸附，从而降低葡萄糖在胃肠道内的含量和扩散速率；同时DF还可以提高神经末梢对胰岛素的敏感性，降低胰岛素的产生，从而达到调节血糖水平的目的[33]。LI等[37]研究发现，BSDF通过增强胰岛素信号传导和激活PGC-1α(过氧化物酶体增殖物激活受体-γ共激活因子-1α)可以改善高脂肪饮食喂养小鼠的胰岛素敏感性，进而起到调节血糖的功效。ZHENG等[38]使用体外和体内方法研究了BSDF的降血糖特性，发现BSDF缓解了小鼠的糖尿病综合征，可作为功能性食品中潜在的膳食来源。

3.1.4 提高肠道功能、改善肠道菌群

3.1.5 提高机体免疫力

当今消费者普遍倾向于能够带来健康益处、降低或延缓患病和机体紊乱风险的产品。竹笋中含有的DF等生物活性成分可作为一种具有生理效益或预防和控制疾病的成分加入到食品研发，此类新颖的产品吸引着研究人员、营养学家、消费者和实业家的关注[41]。人类常见的炎症性肠胃疾病主要包括溃疡性结肠炎，其快速增长的发病率逐渐给医疗系统带来了严重的负担，其发病机制是多因素的，涉及免疫、环境和遗传因素之间的相互作用，现有的许多治疗策略对患者的健康都有不利的影响，而长期服用抗炎药物可能会导致免疫力下降，使患者更容易受到感染。研究表明从竹笋中提取纯化的膳食纤维可替代一些抗炎药物通过调节肠道微生物群的组成、防止肠道屏障破坏起到有效的抗炎作用，进而提高免疫功能[42]。有研究指出DF中的多糖能促进免疫能力的增强和免疫细胞数目的增加[11]。缪小莉等[43]研究发现添加果胶DF的肠内营养能够提高重症患者的营养状况，提高患者的免疫功能，并使胃肠道并发症的发生几率降低。

3.1.6 调节口腔健康

随着人们对精粮摄入的增多，牙齿的咀嚼能力降低，口腔肌肉和牙周不能得到充分的锻炼，导致牙周萎缩、患龋齿的几率增大[11]。增加DF在饮食中的摄入量，可以提升口腔肌肉活动的几率和牙齿咀嚼能力，增强牙齿对酸碱的缓冲作用，减少牙齿表面的黏附物，进而改善口腔卫生。非消化纤维为结肠细菌提供了代谢底物，SEDGHI等[44]证明了纤维会改变小鼠牙齿微生物群，以及口腔健康与胃肠道和全身健康之间的紧密的联系；他们推测膳食纤维在牙齿表面起到机械力的作用并有助于牙齿微生物生物膜的脱落。摄入富含BSDF的饮食可通过限制致癌物与黏膜的接触和促进身体的抗氧化机制降低口腔癌的发病率[45]。

4 BSDF在食品中的应用

随着人们生活水平不断地提升，人们对于食物的摄取也更加精细化，但与此同时，肥胖症、糖尿病、肠道疾病等多种疾病的患病率也在逐年递增。在膳食中添加BSDF对健康饮食和降低脂质具有良好的作用，在食物中强化DF可降低油炸食品中的脂肪含量，也可解决因过量摄入高脂肪食物而引起的肥胖和各种心血管疾病[41]。竹笋因其丰富的营养物质和低脂、低能量的特点一直被作为良好膳食的来源。竹笋的初级加工产品主要包括鲜笋、调味笋和发酵笋干等产品[46](图2)。BSDF具有广泛的结构多样性和良好的功能特性，是各种功能性和保健食品的理想原料，在食品和保健品行业中日益受到欢迎[41]。

图2 竹笋的产品开发及特性分析[46]Fig.2 Product development and characterization analysis of bamboo shoots

为了提高竹笋的高值化精深加工，BSDF在食品中的应用越来越受到人们的关注，富含BSDF食品的开发不仅能提升人们的健康水平，还将极大地带动地区经济的进步。BSDF因其具有广泛的生物活性，在食品加工中的应用日益增加，目前已应用于谷物麦片、饮料、烘焙产品、肉制品、酱汁和面制品等食品[23]。BSDF不仅热量低，而且还能改善食品的品质；在各种食品中增添BSDF可以改进食品的颜色、风味和质地，提高产品的功能性和营养价值[10]。因此，BSDF应作为一种高效的功能性食品成分加以推广，并努力将其纳入未来预防癌症的饮食制度中。WANG等[47]研究发现Fargesiaspathacea(鲜笋的一个品种)DF具有很强的胆固醇吸附活性和益生菌潜力，可以改善食品的质地，稳定高脂食品和乳状液，延长食品的货架期，可以作为一种生物活性成分用于功能性食品的生产。

4.1 BSDF在焙烤食品中的应用

在小麦粉中适量添加BSDF可增加面团的硬度、弹性、黏附性和咀嚼性，改善面粉的粉质特性，有助于提高面粉的食用品质，提升面制品的抗氧化性能，延长货架期[48]。张华等[49]将BSDF加入到面团中发现BSDF改变了冷冻面团的水分分布和微观结构，增强了面团的持水能力并使淀粉颗粒与面筋网络排列更加均匀，有效改善冷冻面团的稳定性和产品的烘焙特性。赵双丽等[50]将BSDF应用于反复冻融的面团当中，发现BSDF在一定范围内能避免面筋蛋白网络结构的破坏，提高面团持水力和黏弹性，减少水分迁移，抑制重结晶，改善冷冻面团品质特性。古明亮等[51]以雷竹笋为原料，采用发酵法制备BSDF并将其应用于饼干中，使饼干中的网络结构更加均匀致密，持水性增强，优化得到组织酥脆、甜度适宜、品质优良、低脂高纤的酥性饼干。谢碧霞等[52]采用乳酸菌发酵法制备BSDF用于高纤维饼干的研究中，优化出高BSDF含量饼干的最佳配方和工艺参数指标，不仅提高了饼干中的DF含量，同时使饼干的食用品质更佳。吴丽萍等[53]以荞麦粉和低筋面粉为主要原料，以BSDF和大豆分离蛋白为辅料，对荞麦饼干的品质进行工艺优化，制备得到高膳食纤维荞麦饼干。

4.2 BSDF在糜类食品中的应用

BSDF可用作糜类产品的脂肪替代品，降低肉糜的蒸煮损耗，增加稳定性提升口感、改善风味和质地特征。LI等[54]将BSDF应用于猪肉糜中发现在一定添加量范围内加入BSDF显著降低猪肉糜中盐溶蛋白的蒸煮损失和水分流失，提高了猪肉盐溶蛋白的凝胶特性和保水性，可以开发出更健康的糜类肉制品来满足消费者的需求，具备巨大的发展潜力。BUDA等[55]将SDF应用于鲢鱼鱼糜中，发现加入SDF可提高保水性、增强凝胶网络结构、提高凝胶强度、使鱼肉弹性增强，同时提高鱼糜制品的营养价值。HE等[56]研究发现BSDF悬浮液是水包油(oil-in-water，O/W)Pickering乳液(Pickering乳液定义为通过乳液滴表面的固体颗粒稳定的乳液，对聚结和熟化有较强的稳定性)的良性颗粒稳定剂，所得Pickering乳液在食品领域具有广阔的应用前景。BSDF制品种类繁多，除了应用在烘焙产品和糜类产品中，还有将其应用到口香糖、膳食纤维粉和乳制品等食品[57]。随着人们健康意识的提高和对功能性食品需求的不断增长，竹笋作为一种既具有食用价值又具有药用价值的食品，已经显示出其独特的价值，但目前针对BSDF的研究还停留在实验阶段，还未实现产业化应用，未来仍需进一步加强BSDF的标准化生产，使其成为市场需求的新型食品并进入人们的饮食结构中，BSDF功能性食品的开发将具有很好的发展前景。

4.3 改性BSDF在食品中的应用

5 结语

近年来人民生活水平不断提高，创新生产低脂低热量的健康食品的需求与日俱增。我国的竹笋资源在世界中名列前茅，竹笋中的BSDF更是具有良好的降血脂、降血糖和改善肠道功能的特性，具有巨大的潜在应用价值。酶法提取、化学分离法提取、发酵法提取及联合提取等方法是BSDF的常见提取方法，但提取工艺仍需进行不断优化。改性后的BSDF具有良好的持水性、持油性和膨胀能力，但对于改性后BSDF的功能特性需进一步深入研究，使其更好地发挥生物活性功能，为今后BSDF在功能性食品中的开发利用提供参考。这将促进竹笋高值化开发利用，对地区竹笋产业发展具有非常重要的意义。