擠壓提高膳食纖維水溶性的研究進(jìn)展

龍道崎，鄒 妍，趙國華，2，*

(1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶400715;2.重慶市農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400715)

膳食纖維是指能抗人體小腸消化吸收而能在大腸部分或全部發(fā)酵的可食用植物性成分、碳水化合物及其相類似化合物總稱。膳食纖維按溶解性可以分為水不溶性膳食纖維(纖維素、木質(zhì)素和一部分半纖維素)和水溶性膳食纖維(戊聚糖、果膠、樹膠、粘液)［1］。水溶性膳食纖維(Soluble dietary fiber，SDF)與水不溶性膳食纖維(Insoluble dietary fiber，IDF)具有不同的生理功能。IDF的主要作用在于腸道產(chǎn)生機(jī)械蠕動(dòng)效果，SDF則更多地發(fā)揮代謝功能，影響碳水化合物和脂類的代謝，控制血糖指數(shù)，減少血漿膽固醇，降低患心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)等［2］。SDF含量是影響膳食纖維生理功能的重要因素。功能型膳食纖維要求其中SDF占到總膳食纖維10%以上，否則就只能為填充料型膳食纖維［3］。農(nóng)產(chǎn)品加工后的殘?jiān)?豆渣、果皮渣、薯渣、甜菜渣等)是良好的膳食纖維材料，但其缺點(diǎn)是SDF含量很低、口感粗糙。為提高這類資源的功能及口感，常用不同的方法對其進(jìn)行改性。目前，膳食纖維改性主要有4種方法:物理方法(微細(xì)化處理、擠壓蒸煮、高壓處理等)、化學(xué)方法(酸水解法、堿水解法等)、生物方法(酶法、發(fā)酵法等)、聯(lián)合方法［4］。大量研究發(fā)現(xiàn)擠壓蒸煮能夠大幅度提高可溶性膳食纖維的含量，同時(shí)具有高效率、成本低、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)［5］。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在擠壓蒸煮的工藝和技術(shù)上創(chuàng)新頗多。本文主要總結(jié)擠壓提高膳食纖維水溶性的影響因素及其工藝優(yōu)化，并論述其相關(guān)機(jī)理，為這一技術(shù)和產(chǎn)品在食品工業(yè)中的應(yīng)用提供參考。

1 聯(lián)合擠壓蒸煮改性膳食纖維的工藝創(chuàng)新

近年來，擠壓蒸煮改性膳食纖維的工藝創(chuàng)新頗多，物料前處理、擠壓方法不斷得到改進(jìn)，見表1。張艷榮等［6］對玉米皮擠壓改性時(shí)，采用超臨界CO2流體技術(shù)原料預(yù)處理后，再經(jīng)擠出得到的高品質(zhì)膳食纖維中SDF含量比未經(jīng)處理的玉米原料中SDF含量增加了12.1g/100g。周令國［7］采用濕法超粉碎聯(lián)合擠壓制備大豆膳食纖維粉，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過濕法超微粉碎-擠壓-噴霧干燥工藝制備的大豆膳食纖維粉的SDF含量明顯高于對照組，同時(shí)膳食纖維的功能性質(zhì)也得到改善。黃茂坤等［8］發(fā)現(xiàn)擠壓-纖維素酶聯(lián)合改性香菇柄膳食纖維能明顯增加SDF的溶出量，且該方法可以更好地改善香菇柄纖維的理化品質(zhì)。李向陽等［9］研究了麥麩加堿擠壓的最佳工藝條件為物料粒度60目、物料含水量32.5%、堿液濃度4.5%、膨化溫度115℃、轉(zhuǎn)速250r/min，此條件下SDF含量與未加堿擠壓相比提高了19.94g/100g。王兆升等［10］研究了加酸擠壓的最佳工藝條件為物料粒度50目、水添加量27.5%、鹽酸濃度0.035mol/L、膨化溫度115℃、轉(zhuǎn)速225r/min，此條件下SDF含量與未加酸擠壓相比提高了16.48g/100g。劉洵妤等［11］利用CO2爆破擠壓法對番茄皮渣膳食纖維進(jìn)行改性，結(jié)果表明擠壓爆破法改性番茄皮渣能明顯提高SDF含量，與原料相比提高了8.73g/100g。

表1 擠壓改性工藝創(chuàng)新Table 1 Process innovations of extrusion

2 擠壓提高水溶性膳食纖維含量的影響因素

擠壓提高膳食纖維水溶性的影響因素有擠壓溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、物料含水量、物料粒度、進(jìn)料速度、物料酸堿性、擠壓機(jī)類型、原料種類等。表2總結(jié)了不同原料的最佳擠壓工藝參數(shù)和產(chǎn)物SDF增加的情況。

要保證擠出過程的穩(wěn)定及順利進(jìn)行，纖維加水量、螺桿轉(zhuǎn)速、擠出溫度等各個(gè)因素之間要協(xié)調(diào)。在大多數(shù)情況下，較高的擠壓溫度有利于SDF的提高。但擠壓溫度過高會(huì)造成物料焦糊、色澤變化和營養(yǎng)損失;一般來說，為了保持營養(yǎng)成分，應(yīng)該避免高擠壓溫度(≥200℃)和過低水分含量(≤15%)［12］。一般來說，當(dāng)其它條件不變時(shí)，螺桿轉(zhuǎn)速越高，機(jī)筒內(nèi)的壓力越大，物料受到的摩擦力和剪切力越大，纖維物料分子裂解程度增大，SDF增量越大，而轉(zhuǎn)速過高會(huì)導(dǎo)致物料在機(jī)筒內(nèi)滯留時(shí)間過短，不利于SDF的提高;物料含水量越高，擠出時(shí)溫降程度越大，不溶性纖維斷裂，增溶效果越差，SDF含量就低，但水分含量太低會(huì)引起機(jī)筒堵塞和焦糊現(xiàn)象的發(fā)生;物料粒度決定物料的比表面積，纖維高聚物發(fā)生斷裂的作用力主要來自擠腔內(nèi)的擠壓力和剪切力，在一定膨化溫度、螺桿轉(zhuǎn)速等條件下，適宜的物料粒度所受擠壓力和剪切力最大，纖維高聚物易生斷裂，SDF增量就高;增加擠出次數(shù)一方面可使未降解功能化的部分不溶性纖維有機(jī)會(huì)發(fā)生改性作用，另一方面可能會(huì)導(dǎo)致已降解功能化的膳食纖維劣變，失去原有功能，擠出次數(shù)的確定應(yīng)視擠壓參數(shù)的劇烈程度而定;擠壓改性設(shè)備分為單螺桿擠壓機(jī)和雙螺桿擠壓機(jī)，雙螺旋擠壓機(jī)對時(shí)間和混合過程的控制更為精準(zhǔn)，具有優(yōu)越的傳熱和傳質(zhì)能力［13］。Larrea 等［14］研究擠壓對橘渣膳食纖維的改性作用，發(fā)現(xiàn)較高的溫度(大于140℃)和較低的螺桿轉(zhuǎn)速(小于140r/min)有利于SDF含量的提高;擠壓溫度是影響SDF含量最重要的變量，其次是擠壓溫度和螺桿轉(zhuǎn)速的相互作用。董海洲等［15］發(fā)現(xiàn)豆渣擠壓的最佳物料粒度為65目。陳雪峰等［16］研究發(fā)現(xiàn)物料堿化對蘋果渣擠壓改性有促進(jìn)作用，而物料酸化則效果不明顯。許暉［17］、金茂國等［18］對比了雙螺桿擠壓和單螺桿擠壓作用，表明影響單螺桿擠壓的主要因素為擠壓溫度，而影響雙螺桿擠壓的主要因素則為螺桿轉(zhuǎn)速，且雙螺桿的擠壓效果(SDF增量)優(yōu)于單螺桿。

除了表2中所列擠壓條件外，原料的種類也影響可溶性膳食纖維含量的增加程度。在原料中加入一些富含膳食纖維的物質(zhì)進(jìn)行混合擠壓能夠顯著改變擠壓物的可溶性膳食纖維含量。Rzedzicki等［24］將豌豆殼加入到玉米粉中混合擠壓，發(fā)現(xiàn)原料中豌豆殼20%～80%的添加量，擠壓后混合物中SDF增量為3.02%～5.92%。Gajula［25］將小麥粉和麥麩混合擠壓，原料中麥麩0～30%的添加量，擠壓后混合物中SDF的增量為22%～73%。

大多數(shù)報(bào)道物料擠壓后SDF變化明顯，但少數(shù)研究(Esposito 等［1］、Robin 等［26］)表明擠壓對 SDF 含量影響較小，主要是由擠壓條件造成，在輕度或者中度的擠壓條件下，擠壓蒸煮沒有顯著改變膳食纖維含量，在更加劇烈的擠壓條件下，水溶性膳食纖維含量趨于增加。但當(dāng)條件太劇烈時(shí)，易造成SDF結(jié)構(gòu)的破壞(Gualberto等［27］)，不利于SDF含量的提高。

3 擠壓提高水溶性膳食纖維含量的機(jī)理

3.1 水不溶性膳食纖維向水溶性膳食纖維的轉(zhuǎn)化

擠壓過程中使可溶性膳食纖維含量增加，主要是由于受到剪應(yīng)力和高溫作用，不溶性膳食纖維發(fā)生熱力分解，導(dǎo)致化學(xué)鍵(糖苷鍵等)的斷裂，形成可溶性微粒，實(shí)現(xiàn)IDF(纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、不溶性果膠等)向SDF的轉(zhuǎn)變。高機(jī)械應(yīng)力在擠壓過程中可能會(huì)造成多糖糖苷破裂釋放低聚糖，最終增加可溶性膳食纖維含量。Redgwell等［28］研究柑橘的擠壓改性，發(fā)現(xiàn)擠壓后可溶性柑橘纖維單糖成分中糖醛酸(果膠指示物)含量的增高，表明擠壓過程果膠物質(zhì)的增溶，而甘露糖和葡萄糖的增加表明了細(xì)胞壁中半纖維素聚合物結(jié)構(gòu)的降解。并且對擠壓后的SDF進(jìn)行化學(xué)分餾后，發(fā)現(xiàn)擠壓條件相對溫和的情況下能引起半纖維素的增溶，而條件劇烈的情況下可能引起纖維素的降解。Onyango［29］報(bào)道，擠壓過程SDF的增加是IDF片段增溶的結(jié)果，細(xì)胞壁中木質(zhì)纖維素鏈的斷裂，導(dǎo)致低分子可溶性片段的形成。Zarzyck等［30］報(bào)道這種方式形成的可溶性膳食纖維保持有不溶性片段的化學(xué)結(jié)構(gòu)，擠壓形成的可溶性片段并不完全具有本來可溶性片段的性質(zhì)。

3.2 轉(zhuǎn)糖苷作用形成新的SDF

擠壓增加SDF含量有可能是由于擠壓形成的中間產(chǎn)物(如1，6-脫水-D-葡萄糖單位)與淀粉發(fā)生反應(yīng)，由于轉(zhuǎn)糖苷作用形成的抗消化葡聚糖。Vasanthan等［22］報(bào)道，擠壓后大麥 SDF增加，一部分是由于IDF向SDF的轉(zhuǎn)變，而SDF的增量大于IDF的減少量，原材料中非膳食纖維成分(淀粉)形成一些額外的SDF，可能是由于轉(zhuǎn)糖苷作用形成的難消化的葡聚糖促使SDF的增加。Theander等［31］報(bào)道淀粉和小麥粉混合擠壓過程中產(chǎn)生的一些脫水化合物(1，6-脫水-D-葡萄糖單位)，能與淀粉反應(yīng)，通過轉(zhuǎn)糖苷作用形成新的不能被淀粉酶水解的葡聚糖，從而使擠壓后SDF含量增加。

表2 不同原料擠壓加工的最佳工藝條件Table 2 The optimum conditions for extrusion cooking of different materials

3.3 增加SDF的溶出

物料被送入擠壓膨化機(jī)中，在螺桿的推動(dòng)作用下，由于螺桿與物料、物料與機(jī)筒以及物料內(nèi)部的機(jī)械摩擦作用，物料被強(qiáng)烈地?cái)D壓、攪拌、剪切，使物料細(xì)化、均化、質(zhì)地疏松，從而使其在測定過程中水溶性成分更易溶出。

4 展望

擠壓蒸煮是大眾化的食品加工技術(shù)，應(yīng)用擠壓蒸煮技術(shù)加工膳食纖維能提高膳食纖維的水溶性，在膳食纖維的開發(fā)利用方面具有廣闊前景。國內(nèi)外關(guān)于擠壓改性膳食纖維的研究已較大進(jìn)步，但仍然存在以下兩方面問題:擠壓提高水溶性膳食纖維含量的機(jī)理有待深入，目前擠壓相關(guān)機(jī)理主要是從單糖變化推測水溶性膳食纖維增加來源，缺乏擠壓前后膳食纖維的結(jié)構(gòu)表征，深入分析水溶性膳食纖維擠壓前后的組成和結(jié)構(gòu)變化以及其與蛋白質(zhì)、淀粉等營養(yǎng)成分間的相互作用是今后研究的重點(diǎn);擠壓改性膳食纖維缺乏過程模擬，將擠壓技術(shù)進(jìn)行過程模擬將有助于其應(yīng)用和工業(yè)化推廣。

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