柑橘纤维及其在乳制品中的应用研究进展

张玉律

（乳业生物技术国家重点实验室，上海乳业生物工程技术研究中心，光明乳业股份有限公司乳业研究院，上海 200436）

柑橘类水果是最重要的水果作物之一，最有商业价值的主要是橙子、柠檬、柚子和橘子等[1-3]。柑橘类水果通常由外表皮、黄皮层、白皮层和维管束组成[3]，皮中含有膳食纤维、果胶、色素、类黄酮和精油等多种活性成分[4]。作为世界第二大水果加工业，柑橘类水果的加工利用方式也非常多元，如制作罐头、果汁、果胶、精油等产品[5]。随着柑橘种植面积和加工规模的不断扩大，我国柑橘皮渣（占果质量的20%～50%）的年产量已经达到1 200多万t，柑橘皮渣的有效利用率低，由此带来一系列的环境污染问题，已经引起行业的高度重视[6]。

膳食纤维是一种来源于植物细胞壁的非淀粉多糖，可分为水溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF）[7-9]。膳食纤维可以降低罹患冠心病、高血压、糖尿病和肥胖等疾病的风险[10-14]，并能改善胃肠系统健康[15-16]。柑橘纤维是从柑橘类水果的果皮中提取的一种天然膳食纤维[3,17]。相比较其他来源的纤维，柑橘类水果来源的膳食纤维可溶性膳食纤维含量较高[18]，并且因为柑橘纤维具有较大的内表面积、较好的保水能力及表观黏度[19]，被广泛应用于烘焙制品、肉类、乳制品、酱料和调味品中[4,20-25]。柑橘纤维在食品中的应用前景广阔，但因其研究较晚于其他膳食纤维，研究和利用仍处于初级阶段[26]。柑橘纤维在乳制品中有着广泛的应用，常被用来部分替代脂肪、提升黏度和持水性。果胶和琼脂等增稠剂常被用于乳制品中，用以增加产品黏度，保证产品在货架期内的稳定性。近年来消费者越来越关注清洁标签的趋势，不使用食品添加剂的产品将更加受到消费者的青睐。柑橘纤维作为一种非食品添加剂的食品原料，无论是产品宣称还是健康益处，都具有一定的优势。

本文主要综述柑橘纤维的理化特性、提取工艺及其应用，以期为柑橘纤维在乳制品中的推广应用提供一定的参考。

1 柑橘纤维的理化性质

1.1 柑橘纤维的组成

Lundberg等[27]评估了柑橘纤维的基本组成。由表1可知，柑橘纤维中果胶含量约42.25%，与目前食品行业商用柑橘纤维中的果胶含量基本一致。果胶以半乳糖醛酸为主，经α-1,4糖苷键共价结合，其侧链主要是半乳糖、阿拉伯糖和葡萄糖等中性糖，由此共同聚合而成天然杂多糖，因其优异的凝胶特性被广泛应用于果酱、果冻、果汁、酸乳饮料、冰淇淋等食品中[28]。由此可见，柑橘纤维中的果胶是其发挥凝胶作用的重要功能成分。有研究表明，果胶能够与纤维素相互作用[29-30]，但仍有部分果胶天然被包裹在纤维素中，其功能作用不能充分发挥，通过物理、化学等方法释放出更多的果胶，促进果胶通过氢键与纤维素-半纤维素形成网络连接，可以显著提高膳食纤维的理化性能[31]。

表1 柑橘纤维的组成[27]Table 1 Composition of citrus fiber[27]

1.2 柑橘纤维的微观结构

周丽玲等[9]利用扫描电子显微镜研究来源于脐橙、苹果柚、沃柑和柠檬4 种柑橘纤维的结构差异。来源于脐橙和柠檬的柑橘纤维排布都较为紧实，其中，脐橙纤维呈现出明显的团簇结构，表面粗糙不平，并且可见颗粒碎片；苹果柚纤维结构疏松，呈现较大的孔隙，明显不同于其他3 种柑橘纤维；沃柑纤维表面呈致密蜂窝状，孔隙度较高。柑橘纤维微观结构的不同也反映了其理化性质的不同，不同来源的柑橘纤维理化性质差异明显。Huang Jiayi等[4]以柑橘皮为原料，分别通过碱性过氧化氢和均质处理制备了果胶含量较高的膳食纤维。未经处理的柑橘纤维呈现光滑、密集的特点，而经过碱性过氧化氢处理后，柑橘纤维呈现松散的波纹状，从而暴露出更多的羟基和羧基等极性基团及其他水结合位点，从而促进柑橘纤维与水的结合与吸附[32-33]，这可能是由于化学处理导致纤维素微原纤维呈现更加松散的状态，以及糖苷键断裂和纤维大分子降解的原因[34]。经过碱性过氧化氢处理后，柑橘纤维持水力也明显提高，可达到自重的5～25 倍[5]。经过均质处理后，由于强烈的机械剪切和撕裂等作用，柑橘纤维表面呈现较多的孔洞和裂纹[4]，这也在一定程度上增大了柑橘纤维的比表面积。Kieserling等[20]研究来源于橙子的不同粒径、不同含量的柑橘纤维对酸乳凝胶流变学等性能的影响。结果表明，酸乳中添加不同含量的柑橘纤维，其微观结构呈现明显的不同。柑橘纤维添加量为0.1%（占酸乳或柑橘纤维悬浮液总质量的百分比，下同）时，酪蛋白聚合体被吸附到纤维颗粒上；柑橘纤维添加量为1.0%时，酸乳出现了更紧密的微结构，纤维颗粒似乎嵌入到浓缩的酪蛋白聚集体网络中。

结构疏松的柑橘纤维往往具有较大的比表面积，较大的比表面积和较小的孔隙可以使柑橘纤维的持水性能增强，也能悬浮一些小的颗粒，柑橘纤维也呈现出较好的性能。针对不同质地的乳制品，需要对应选择不同空间结构的柑橘纤维，如对于长保质期酸乳的研发，需要选择比表面积较大及持水性较强的柑橘纤维，用以维持酸乳在较长货架期内的稳定性。柑橘纤维的来源、粒径大小及不同程度的物理化学处理都会影响酸乳等乳制品的品质，所以要选择合适粒径和性能的柑橘纤维，以满足乳制品对质构的差异化需求。

1.3 柑橘纤维的持水力

柑橘纤维的持水力是衡量其功能作用的重要指标，有研究[35]表明，柑橘纤维颗粒尺寸越小，其持水能力越低。而Chau等[36]认为，当柑橘纤维被研磨到更小的颗粒尺寸时，其比表面积会增大，且潜在的水结合位点也会增加，从而导致保水能力提高。在Lundberg等[27]的研究中，不同粒径的柑橘纤维颗粒的持水能力和溶胀能力没有较大差异，这可能是多方面相互竞争的结果。研究认为：一方面，柑橘纤维的颗粒粒径越小，对应的堆积密度就越大，因而持水能力就会降低；另一方面，柑橘纤维的颗粒粒径越小，水结合位点、极性基团和表面积都会对应增加，这也就导致持水能力的增加[27]。

1.4 柑橘纤维的流变学特性

流变学是研究物质的流动和变形的科学[37]。Lundberg等[27]研究4 种不同粒径柑橘纤维溶液的剪切力与剪切速率的关系。屈服应力是溶液开始流动前需要施加的剪切应力[38]，当纤维颗粒尺寸较小时，屈服应力也较小，其剪切力与剪切速率更接近于线性关系。在相同剪切速率下，较大尺寸的颗粒往往有着更高的剪切力，这可能是由于大尺寸纤维颗粒之间的作用。由此可见，较长尺寸的柑橘纤维溶液更接近非牛顿流体的特性。Agoda-Tandjawa等[39]研究蔗糖对高压均质柑橘纤维悬浮液干燥前后流变学特性的影响，以期确定柑橘纤维/蔗糖的最佳混合比例，使柑橘纤维重构后的功能特性得到最佳恢复。结果表明，添加28.38%蔗糖的柑橘纤维悬浊液干燥后的图谱与不添加蔗糖干燥前的图谱形状几近重合，说明蔗糖对恢复柑橘纤维干燥前的特性具有明显的保护作用，而不添加蔗糖进行干燥会导致黏弹性的重大损失。Kieserling等[20]通过跟踪普通酸乳和添加柑橘纤维酸乳发酵过程中储能模量（G’）和损耗模量（G”）的变化，研究不同粒径和不同浓度的柑橘纤维对酸乳凝胶流变学等性能的影响。结果表明，普通酸乳发酵7 h后有明显的溶胶-凝胶转变现象，当柑橘纤维添加量为0.1%时，约5 h后发生溶胶-凝胶转变现象，当柑橘纤维添加量为1.0%时，发酵过程中未检测到G’和G”相等的情况。从主要具有黏性的溶胶（G”＞G’）转变为主要具有弹性的凝胶（G’＞G”），该过程常伴随G’和G”的急剧增加和交叉，这也表明过量的柑橘纤维影响了酸乳产品的发酵过程。Jiang Zhanmei等[40]研究球磨碾磨结合高压均质对柑橘纤维结构、理化及流变性能的影响，结果表明，球磨碾磨结合高压均质是一种有效的物理改性柑橘纤维的方法，显著改变了柑橘纤维的空间结构，改善了柑橘纤维的理化性质和表观黏度，为食品工业获得优良的柑橘纤维提供了理论依据。

目前市面上酸乳常分为搅拌型和凝固型，搅拌型酸乳的流动性受乳清蛋白与酪蛋白比例等因素的影响，而酪蛋白网络的形成可以通过流变学来反映[41-42]。通过食品流变学不仅能够了解柑橘纤维对酸乳组织结构变化的影响，还可以评估食品原料中常用的载体和填充剂蔗糖对柑橘纤维复水的保护作用。

2 柑橘纤维的提取工艺

物理法和化学法是目前生产柑橘纤维的主要方法，物理法主要包括磨粉、水洗、超微粉碎及干燥等程序，超微粉碎技术能显著降低物料颗粒的粒径，使得物料内部暴露出更多的亲水基团[43]。化学法主要采用酸碱消解法，使糖苷键断裂，降低纤维大分子的聚合度，从而提高SDF含量。另外常用的方法还有生物法，主要包括酶处理和微生物发酵。其中，酶处理可以将膳食纤维中的大分子成分酶解成可溶性小分子化合物，专一性强，可以较彻底去除淀粉和蛋白质，所得产品纯度高、色泽稳定，但成本也相对较高。微生物持续代谢产生有机酸、外切葡聚糖苷酶、内切葡聚糖苷酶及β-葡萄糖苷酶等，使得纤维素的糖苷键断裂，产生新的还原性末端，部分IDF可以转化成可溶性多糖，显著提高SDF得率，但微生物发酵法的条件控制是比较大的挑战[31,44]。目前常用的菌种也多为食品发酵生产所用的传统菌株，如保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌、绿色木霉和药用真菌等[45]。各提取工艺举例见表2。

表2 柑橘纤维提取工艺Table 2 Examples of the application of extraction techniques for citrus fiber

目前柑橘纤维的提取工艺主要是物理和化学方法，由此产生的废水污染问题需要业内人士的更多关注。生物法能耗及设备投入较低，而菌株的筛选及生产过程的稳定性控制也具有一定的挑战性。各生产方法的合理组合使用或可以提高终产品得率，同时实现绿色生产。

3 柑橘纤维在乳制品中的应用

柑橘纤维因其优良持水性等理化特性，被作为清洁的食品原料广泛应用于食品行业中，其作用主要体现在改善加工特性、提高感官品质、延长保质期、提高营养价值、作为脂肪替代物以及替代稳定剂和乳化剂等[53]。

3.1 柑橘纤维对改善酸乳质构的作用

贾迪等[54]研究柑橘纤维在常温长保质期酸乳中的应用情况，柑橘纤维的添加量大于0.6%时，相对于空白对照组，酸乳具有良好的黏度和质构，尤其是柑橘纤维添加量为0.9%和1.2%时，样品具有较好的质构特性和持水力，而黏度和触变性相对适中。表明柑橘纤维作为一种膳食纤维起到增稠、提升产品质构和持水力的作用，可以应用在长货架期酸乳中。Kieserling等[20]评估来源于富含果胶的橙子纤维的纤维颗粒大小和纤维浓度对酸乳产品的影响。结果表明，当添加量为1%时，颗粒较小的纤维作为填充物来稳定酸乳体系中的酪蛋白网络结构。这可能是由于机械剪切与和热处理的影响，果胶从橙子纤维中被释放出来，而果胶的钙敏感特性支持了酪蛋白胶束的“桥接”作用，从而起到稳定酸乳体系的作用。Shin等[55]研究柑橘纤维和豌豆蛋白在清洁标签豆乳酸乳中的应用，结果表明，0.1%的柑橘纤维即有助于改善搅拌酸乳的黏度和流动性等性质，而且不影响豆乳酸乳中的活菌数，该研究结果可为今后开发清洁标签的搅拌型豆乳酸乳提供参考与借鉴。柑橘纤维作为一种食品原料，而非食品增稠剂，在乳制品的稳定体系中具有较明显的持水作用及稳定蛋白的作用。特别是近年来消费者越来越青睐清洁标签食品，柑橘纤维在清洁标签乳制品中将会有较大的应用空间。

3.2 柑橘纤维在替代脂肪中的作用

除了维持酸乳体系的稳定，柑橘纤维还具有替代脂肪口感的较大潜力。Yi Tian等[56]研究普通柑橘纤维粉和球磨微粒化的柑橘纤维对低脂酸乳品质的影响。结果表明，球磨微粒化的柑橘纤维比普通柑橘纤维粉表现出更好的物理化学和功能特性，并且2%球磨微粒化的柑橘纤维可以作为脂肪替代品应用在低脂酸乳中，且可以呈现全脂酸乳的大部分质地和感官特性。由此可知，球磨微粒化的柑橘纤维具有代替脂肪的较大潜力。Crizel等[57]研究柑橘纤维在冰淇淋中作为脂肪替代品的应用，结果表明，在冰淇淋中使用来源于橙子的柑橘纤维作为脂肪替代品，可以减少70%脂肪，而不会对产品的颜色、气味和质地等特性产生明显影响。所以，柑橘纤维被证明是冰淇淋中一种很有前途的脂肪替代品。Liutkevičius等[24]研究柑橘纤维在低脂酸奶油中应用的可行性，发现0.3%～0.7%柑橘纤维对低脂酸奶油（脂肪含量15%）物理和感官特性具有明显的正向影响。为响应国家大力倡导“三减三健”的健康理念，降低脂肪含量和糖添加量是乳制品行业近年来的方向，而柑橘纤维具有替代脂肪的功能特性，可以部分弥补乳制品减少脂肪后的口感损失，适合应用在低脂乳制品中。

3.3 柑橘纤维对乳制品品质及益生菌的影响

Erkaya-Kotan等[58]研究来源于橙子的纤维对益生菌酸乳品质和益生菌活性的影响。结果表明，添加橙子纤维促进了乳双歧杆菌BB-12的增殖，但抑制了嗜热链球菌ST-20Y的生长，且添加橙子纤维的酸乳在贮藏期内的抗氧化活性均高于对照组样品。另外，1.5%的橙子纤维对酸乳样品的表观黏度具有正向影响。表明使用来源于橙子的柑橘纤维作为胶体替代物可以改善益生菌酸乳的品质。Casarotti等[59]研究来源于橙子的柑橘纤维，及其在含益生菌的羊乳和谷物发酵产品中的应用效果。结果显示，添加柑橘纤维不影响羊乳酸乳的发酵时间，对益生菌的增殖没有显著影响，但增加了益生菌对模拟胃肠道条件的耐受性，使得菌落总数比对照组高出2（lg（CFU/mL）），表明添加来源于橙子等水果的柑橘纤维有助于提高益生菌发酵产品的功能属性，并增强了产品对消费者的吸引力。Sendra等[60]在含有来源于柠檬和橙子的柑橘纤维的MRS培养基中富集培养嗜酸乳杆菌CECT 903、干酪乳杆菌CECT 475和两歧双歧杆菌CECT 870。结果表明，在贮藏期间，柑橘纤维增强了嗜酸乳杆菌CECT 903和干酪乳杆菌CECT 475的存活率，但对两歧双歧杆菌CECT 870的结果不稳定，来源于橙子的柑橘纤维促进其生长，而柠檬柑橘纤维抑制了其生长。表明富含柑橘纤维的发酵乳具有良好的可接受性，并且是多种商业益生菌的良好载体，而两歧双歧杆菌的存活率仍有待研究。

另外，柑橘纤维与乳酸菌的联合使用具有很好的可行性，可以推广到乳制品等含乳酸菌的食品中。然而，不同来源的柑橘纤维对乳酸菌生长的影响不同，需要针对不同食品基料进行专业化验证。另外，适量的柑橘纤维还可应用于新型生物活性添加剂的制备，为柑橘纤维的应用打开了新的领域。

4 结 语

我国柑橘类水果产量大，由此产生的皮渣量巨大，需要绿色环保的方法进行妥善处理。柑橘纤维是来自于柑橘类水果的膳食纤维，其内部比表面积大，具有较好的表观黏度和持水性能，可以改善乳制品质构、部分替代脂肪，并且可以特异性促进益生菌增殖，可以推广到酸乳、饮料、奶酪等多种乳制品的开发与应用中。柑橘纤维的提取工艺多元，物理、化学和生物学方法均能较高效率生产柑橘纤维，而更高得率及更加绿色的生产方式仍是提取工艺改进的方向和趋势。柑橘加工产业和柑橘纤维精细加工产业在迅速发展，本行业从业人员致力于提升柑橘纤维终产品得率、提高终产品性能，以期将不同特性的柑橘纤维推广到更多乳制品的应用中。