膳食纖維功能、提取工藝及應(yīng)用研究進(jìn)展

曲鵬宇，李丹，李志江，*，周義，于果，張東杰，*

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江大慶163319；2.黑龍江省農(nóng)產(chǎn)品加工與質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶163319）

隨著人民生活水平的不斷提高，人們膳食結(jié)構(gòu)越來(lái)越趨于精細(xì)化，過(guò)度飲食和高營(yíng)養(yǎng)能量的攝入，產(chǎn)生很多“亞健康”和“富貴病”的現(xiàn)象[1]。膳食纖維作為人類第七種營(yíng)養(yǎng)素，受到了廣泛的關(guān)注，可有效地提升膳食質(zhì)量，對(duì)當(dāng)前膳食結(jié)構(gòu)改善有較好的促進(jìn)作用[2]。大量研究表明，膳食纖維（dietary fiber，DF）有許多的生理功能，對(duì)人體血糖、血脂有良好的調(diào)節(jié)作用，也可有效的預(yù)防肥胖、糖尿病和冠心病等病癥[3]。因此，關(guān)注膳食纖維對(duì)健康的促進(jìn)和改善作用，具有重要的研究意義。本文通過(guò)對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究成果進(jìn)行了綜述，包括膳食纖維的提取方法，主要有化學(xué)法、酶解法、化學(xué)與酶結(jié)合法和微生物發(fā)酵法等，并對(duì)提取工藝參數(shù)和提取率進(jìn)行了總結(jié)，以為膳食纖維的應(yīng)用提供參考。

1 膳食纖維

1.1 膳食纖維的定義

Trowell于1972年首次將膳食纖維定義為不能被消化道酶消化的植物細(xì)胞壁成分[4]，之后聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織于2007年7月也進(jìn)行了定義，國(guó)際食品法典委員認(rèn)為膳食纖維是由10個(gè)或以上單體鏈節(jié)的組成的碳水化合物，且一般不能夠被人體小腸內(nèi)生酶水解；美國(guó)谷物化學(xué)家協(xié)會(huì)則提出，膳食纖維是一種能抗人體小腸消化吸收，在人體大腸能部分或全部發(fā)酵的可食用的植物性成分，以及碳水化合物及其相類似物質(zhì)的總和[5-6]。中國(guó)營(yíng)養(yǎng)學(xué)會(huì)的定義則較簡(jiǎn)單，指在人體內(nèi)不易被消化酶消化的多糖類食物成分的總稱[7]?？傊?，膳食纖維是一類碳水化合物，且具備不易酶解或消化的特點(diǎn)。

1.2 膳食纖維的分類和來(lái)源

膳食纖維按照其水溶性的不同，可以分為水溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和水不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）兩大類。SDF 分為果膠、β-葡聚糖、半乳甘露糖膠、菊糖和大量不易消化的低聚糖類，主要來(lái)源于果膠、海藻、魔芋等；IDF分為木質(zhì)素、纖維素和半纖維素等三類，主要來(lái)源于全谷物糧食類，包括麥類、米類及豆類等谷物，以及蔬菜和水果等果蔬類[8]。SDF和IDF的生理功效不同，SDF與血液中膽固醇有關(guān)，IDF與水吸收和腸調(diào)節(jié)有關(guān)[9-10]。這些膳食纖維的分類和來(lái)源有助于指導(dǎo)消費(fèi)者有選擇的攝入，以利于健康水平的提升。

2 膳食纖維的理化性質(zhì)和生理功能

2.1 膳食纖維的理化性質(zhì)

2.1.1 吸水膨脹能力

人們?nèi)粘５氖澄镏械纳攀忱w維具有一定的持水性，這些持水性膳食纖維具有很強(qiáng)的吸水性[11]。當(dāng)膳食纖維進(jìn)入人體腸道之后，會(huì)迅速與腸道內(nèi)的水分結(jié)合并充滿腸道，使攝食者感受到較強(qiáng)的飽腹感，這一作用為減肥者所認(rèn)可，即攝食富含膳食纖維的食物可替代高能量食物帶來(lái)的飽腹感，從而達(dá)到減肥的效果[12-13]。同時(shí)，膳食纖維還具有膠質(zhì)的吸附性質(zhì)，快速帶走腸道中所含有的對(duì)人類無(wú)益的物質(zhì)，促進(jìn)腸道內(nèi)微生物的生長(zhǎng)和食物的消化，達(dá)到良好的保健效果[14-15]。

2.1.2 離子交換能力

膳食纖維分子中富含羥基、羧基和氨基等化學(xué)基團(tuán)，并與腸胃內(nèi)的鐵、鈣、銅、汞和鎘等二價(jià)金屬陽(yáng)離子結(jié)合，進(jìn)而表現(xiàn)出相應(yīng)的陽(yáng)離子離子交換能力，可部分消除體內(nèi)的重金屬離子，有助于機(jī)體健康[16]。

2.1.3 梯度黏合能力

果膠和菊糖等膳食纖維可形成復(fù)雜的膠態(tài)物質(zhì)，具有一定的表觀黏度特征，其黏度及結(jié)合能力與化學(xué)結(jié)構(gòu)相關(guān)，不同品種和來(lái)源的膳食纖維所表現(xiàn)出來(lái)的黏度也有差異，稱為膳食纖維的梯度黏合作用[17]。日常攝入的調(diào)制飲料常含有人工添加的果膠成分，就是一種典型的梯度黏合作用，使得飲料穩(wěn)定性增強(qiáng)。

2.1.4 增稠穩(wěn)定能力

SDF具有很好的持水吸水膨脹能力，從而表現(xiàn)出一定的增稠穩(wěn)定作用[18]。例如，從海帶中提取海藻酸鈉高分子多糖，是一種典型的水溶性膳食纖維，是良好的食品增稠乳化穩(wěn)定劑[19]。

2.1.5 菌群調(diào)節(jié)能力

膳食纖維在動(dòng)物的機(jī)體腸道內(nèi)很難被消化，只有當(dāng)膳食纖維蠕動(dòng)至含有大量微生物的大腸內(nèi)時(shí)，才能夠被生物分解。膳食纖維的分解產(chǎn)生一些酸性物質(zhì)，增加了腸道的酸性，調(diào)整腸道整體菌群結(jié)構(gòu)，利于有益好氣性微生物的延續(xù)性生長(zhǎng)，制約有害厭氧型微生物的生長(zhǎng)，對(duì)生物體體內(nèi)種群的結(jié)構(gòu)、分布和消長(zhǎng)等起到了良好的調(diào)制作用[20]。

2.2 膳食纖維的生理功能

2.2.1 改善大腸蠕動(dòng)，防止便秘功能

SDF因含其有很多親水性的因子，能夠蓄存一定量的水分子，具較好的持水能力，進(jìn)而增大腸道內(nèi)食物的體積和潤(rùn)滑度，促進(jìn)腸道生物學(xué)蠕動(dòng)，便于排泄。對(duì)于便秘者而言，可以通過(guò)增加可溶性膳食纖維的攝入量達(dá)到預(yù)防便秘的功效[21-24]。

2.2.2 降低血壓功能

由于淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪等快速分解成小分子物質(zhì)進(jìn)入血液，導(dǎo)致人體血壓升高，而膳食纖維從胃部繼續(xù)向下蠕動(dòng)至腸道時(shí)，膳食纖維的水和作用，與這些小分子物質(zhì)進(jìn)行結(jié)合達(dá)到一定的化合作用，從而延緩血壓快速增加；同時(shí)膳食纖維還可以阻礙無(wú)機(jī)鹽的吸收，對(duì)于高血壓人群具有較好的緩解血壓快速升高的作用[25-26]。

2.2.3 降低膽固醇功能

膽固醇是冠心病、中風(fēng)、心腦血管等疾病的直接誘因，膳食纖維可通過(guò)螯合吸附膽固醇和膽汁酸等有機(jī)分子，從而抑制和減緩人體對(duì)膽固醇的吸收，起到降低人體攝入膽固醇及潛在的心腦血管疾病的發(fā)生[27]。

2.2.4 降糖功能

高血壓、高血糖和高血脂俗稱“三高”癥，是“富貴病”的常見(jiàn)癥狀。膳食纖維具有良好的水溶性和脂溶性特征，能夠與腸道內(nèi)的糖類物質(zhì)結(jié)合，也可改善調(diào)節(jié)體內(nèi)生物菌群，減緩淀粉酶解的速度，達(dá)到降低血糖的效果；膳食纖維能夠改善胰島素的生物活性，增強(qiáng)其敏感性，從而降低了人體對(duì)胰腺分泌胰島素的需求，達(dá)到一定的降糖功能[28]。

2.2.5 預(yù)防癌癥功能

動(dòng)物病理學(xué)和生物學(xué)研究表明，高膳食纖維的飲食習(xí)慣能夠有效的降低乳腺癌和結(jié)腸癌的發(fā)病率，不同來(lái)源的纖維素對(duì)于預(yù)防結(jié)腸癌均有不同程度的功效，但具體機(jī)制和機(jī)理還有待于進(jìn)一步研究[29-31]。

2.2.6 清除吸收毒素功能

生物學(xué)病理學(xué)研究表明，膳食纖維對(duì)汞、鉛和鎘等重金屬及高濃度銅和鋅等具有良好的清除能力[16]。有害毒素與腸道內(nèi)膳食纖維后不但被充分的稀釋，還能夠更容易排查體外，水溶性膳食纖維被人體消化吸收，進(jìn)入大腸內(nèi)為雙歧桿菌所利用，促進(jìn)雙歧桿菌增殖。雙歧桿菌能分解致癌物亞硝胺，并能提高巨噬細(xì)胞的吞噬能力，增加人體免疫功能和對(duì)腫瘤的抵抗力[32]。

2.2.7 保護(hù)口腔功能

攝入富含膳食纖維的食物，可以增強(qiáng)口腔肌肉運(yùn)動(dòng)能力，使牙齒咀嚼受力機(jī)會(huì)增加，鍛煉牙床。同時(shí)，膳食纖維在牙齒表明的機(jī)械性摩擦，可以清潔牙齒表面，達(dá)到改善使口腔的功能效果[33]。

3 膳食纖維提取工藝研究進(jìn)展

根據(jù)膳食纖維的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，可以采用化學(xué)法、酶解法、化學(xué)-酶結(jié)合法、生物發(fā)酵法等方法提取富集膳食纖維。綜述了國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的膳食纖維提取原理、方法、提取率和優(yōu)缺點(diǎn)等[34-35]，見(jiàn)表1和表2。

表1 膳食纖維提取方法原理與優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Method principles and the advantages and disadvantages of dietary fiber extraction

表2 各種提取方法應(yīng)用實(shí)例Table 2 Application examples of various extraction methods

續(xù)表2 各種提取方法應(yīng)用實(shí)例Continue table 2 Application examples of various extraction methods

從表1可知，每種膳食纖維提取方法選擇是基于膳食纖維的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)進(jìn)行的，因此具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。選擇合適的方法進(jìn)行膳食纖維提取，應(yīng)綜合考慮生產(chǎn)規(guī)模、成本、產(chǎn)品質(zhì)地及污染等情況。

從表2可以總結(jié)出，4種膳食纖維的提取方法都有很好的應(yīng)用，其中酶法和化學(xué)法提取應(yīng)用最為廣泛。原料和方法的不同，膳食纖維的提取率不同，酶法提取麩皮膳食纖維提取率最高可達(dá)87.84%，水溶性膳食纖維提取率一般小于水不溶性膳食纖維。酶和化學(xué)結(jié)合的方法對(duì)膳食纖維提取率較高，其純度和理化性質(zhì)得到改善。使利用微生物發(fā)酵技術(shù)提取膳食纖維是一種可行的新方法，將原料經(jīng)乳酸菌、保加利亞乳桿菌、嗜鏈球菌等益生菌發(fā)酵，再通過(guò)水洗至中性，干燥后得到膳食纖維，具有較好的利用和發(fā)展前景。

4 膳食纖維在食品中的應(yīng)用研究

結(jié)合膳食纖維的理化性質(zhì)和功能，在食品工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，起到了改善食物感官性質(zhì)和提高人們的膳食水平的作用，并為食物提供多種功能特性和改善人體健康[60-61]。膳食纖維在食品中的添加，有助于提高食物和水的結(jié)合能力，提高食品凝膠性、抗粘連性和抗凝結(jié)性，增加了食物的適口性和感官喜好性[62-63]。利用膳食纖維的持水功能，可以有效的延長(zhǎng)焙烤食品的新鮮度，改善面包的比容體積、黏彈性、柔軟度和硬度[64]。膳食纖維能夠提高肉制品的烹飪質(zhì)量，增強(qiáng)脂肪持水性，改善質(zhì)地[65]。膳食纖維還可增加飲料的感官黏度和穩(wěn)定性[66]。將膳食纖維添加到烘焙食品中，可以延緩產(chǎn)品熱量損失，增強(qiáng)食品抗氧化能力、發(fā)酵能力和保水性能力[67-68]。在乳制品中使用膳食纖維也很普遍，如將菊糖添加到冰淇淋和奶酪等乳制品中，可以促進(jìn)奶酪類和冰淇淋的口感的增加[68]。在果醬的加工過(guò)程中，利用果膠的酯化功能提高了果醬的產(chǎn)品的穩(wěn)定性[69-70]。此外，菊粉類的膳食纖維，如低聚果糖等還被用作糖的替代品[71]。

5 展望

目前，國(guó)內(nèi)外提取膳食纖維的主要方法是化學(xué)法、酶法以及二者結(jié)合的方法。化學(xué)法工藝技術(shù)比較成熟，并且已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)中，但加工處理可能導(dǎo)致膳食纖維結(jié)構(gòu)或構(gòu)象的變化，導(dǎo)致部分營(yíng)養(yǎng)保健功能損失，并且化學(xué)加工過(guò)程還有一定的廢物對(duì)環(huán)境造成破壞污染。因此，利用條件溫和、且對(duì)環(huán)境無(wú)危害的方法取代傳統(tǒng)化學(xué)法，是膳食纖維提取的未來(lái)發(fā)展方向。同時(shí)，利用酶法、微生物發(fā)酵法以及新興技術(shù)（如微波和超聲波提取技術(shù)），也是膳食纖維提取技術(shù)的新方向。選擇優(yōu)良的提取方法，可以有效推動(dòng)膳食纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也能夠帶動(dòng)膳食纖維在食品工業(yè)中的快速應(yīng)用于發(fā)展，進(jìn)而提高人們的機(jī)體健康水平。