水溶性膳食纖維的提取方法及其在食品中的應(yīng)用

許錫凱，辛嘉英，任佳欣，肖婧泓，胡新婷

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)省高校食品科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150076）

膳食纖維（dietary fiber，DF），被稱為第七大營(yíng)養(yǎng)素，對(duì)人體健康有諸多重要作用，這一概念最早被Trowell于1972年提出，指不能被消化道的各種酶所消化的植物細(xì)胞壁成分[1]。之后聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織，國(guó)際食品法典委員會(huì)分別于2007年[2]、2009年[3]對(duì)定義進(jìn)行了不同程度的修改。目前，中國(guó)營(yíng)養(yǎng)學(xué)會(huì)將DF定義為在人體內(nèi)不易被消化酶消化的多糖類食物成分的總稱[4]?？偟膩?lái)講，膳食纖維指的是既不易讓胃腸道消化吸收，也無(wú)法產(chǎn)生能量的一種多糖物質(zhì)，它是一種安全優(yōu)質(zhì)的可作為保健食品原輔料的功能性成分，按其水溶性分為水溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和水不溶性膳食纖維（insolubledietaryfiber，IDF）[5]。其中SDF通過(guò)降低餐后血糖含量和血清膽固醇含量，不僅可以達(dá)到減肥的目的，還可以預(yù)防心臟病、腸胃病及糖尿病等疾病[6-7]，正日益引起人們關(guān)注。按結(jié)構(gòu)的不同，SDF可分為β-葡聚糖、半乳甘露糖膠、菊糖和大量不易消化的低聚糖類（如低聚木糖、低聚果糖等）；按其來(lái)源的不同，又可將SDF分為谷物類、豆類、水果類、蔬菜類及合成或轉(zhuǎn)化類等[8]。根據(jù)現(xiàn)今的研究來(lái)看，豆類、麥麩、胡蘿卜和柑橘等食物中均含有豐富的SDF[9]。近年來(lái)，SDF因其良好的加工性能和優(yōu)異的功能特性，在食品加工工業(yè)中常用以對(duì)食品進(jìn)行增稠、填充[10]。

據(jù)調(diào)查，我國(guó)成人平均膳食纖維的攝入量約為13.3 g/d，遠(yuǎn)不足建議攝入量25 g/d～35 g/d，且天然來(lái)源的膳食纖維中SDF含量較少，需要采用化學(xué)法、酶法、發(fā)酵法、物理法等對(duì)天然原料改性，提高其SDF的含量和品質(zhì)[5]，這也是學(xué)者們近年來(lái)對(duì)水溶性膳食纖維的研究重點(diǎn)。并且由于飲食文化的不同，目前歐美國(guó)家對(duì)SDF的研究更趨成熟，關(guān)于SDF在食品體系中作用機(jī)理的研究也更加完善。相對(duì)而言，我國(guó)關(guān)于SDF的研究工作起步較晚，且多集中于添加SDF食品的工藝優(yōu)化方面及提取方法方面，對(duì)SDF的功能特性的研究則不多，關(guān)于SDF的基礎(chǔ)研究有巨大的發(fā)展空間和廣闊的前景。因此，本文將主要對(duì)近年來(lái)水溶性膳食纖維的提取方法進(jìn)行總結(jié)，概述其功能性質(zhì)和在食品加工制品中的應(yīng)用，以期為水溶性膳食纖維今后的開發(fā)利用提供一定的參考。

1 SDF的提取方法

為了得到SDF，通常需將其從天然原料中分離提取出來(lái)。不同的提取方法，如提取溫度、提取時(shí)間、pH值和溶劑的不同，所提取SDF產(chǎn)品的得率、化學(xué)組成、理化特性及功能特性會(huì)有所不同[11]。常見的SDF提取方法有化學(xué)法、物理法、酶解法、發(fā)酵法和聯(lián)合法等，基本原理是通過(guò)破壞水溶性膳食纖維與其他物質(zhì)之間連接的結(jié)構(gòu)或者多糖之間的糖苷鍵，促進(jìn)IDF向SDF的轉(zhuǎn)化，使水溶性膳食纖維游離釋放，增大SDF與水或者其他溶劑的接觸面積，從而使SDF被提取[12]。目前對(duì)SDF提取方法的研究主要集中于提取技術(shù)和操作條件的組合優(yōu)化，盡量選擇適宜的溫度，減少試劑的消耗和操作的時(shí)間，同時(shí)保證達(dá)到或者高于預(yù)期的SDF產(chǎn)品的得率和功能特性[13]。

1.1 化學(xué)法

化學(xué)法是指天然原料經(jīng)過(guò)干燥、粉碎，再經(jīng)相應(yīng)的化學(xué)試劑脫雜（除去脂肪、淀粉、蛋白質(zhì)等成分）處理后，在酸或堿條件下結(jié)合高溫進(jìn)行提取，從而得到水溶性膳食纖維的一種方法[14]，是目前應(yīng)用最廣泛的提取方法，常用于獲得各種不同來(lái)源的SDF?；瘜W(xué)法根據(jù)工藝不同可分為酸法、堿法、絮凝劑法等[15]。堿法是常用的萃取法，Chen等[16]用KOH處理藻類，結(jié)果顯著改善了藻類中角叉菜膠的膠凝特性，減少了角叉菜膠的損失，且更好地去除藻類中蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉和色素等非膳食纖維成分。酸水解法可用于從果膠含量高的原料中制備SDF。Fissore等[17]用檸檬酸水解提取甜菜和白胡桃中的水溶性膳食纖維，結(jié)果表明，隨著pH值的降低和提取時(shí)間的增加，SDF提取率增加。而李施瑤等[18]的研究則將兩種方法進(jìn)行了對(duì)比，使用酸法和堿法分別對(duì)紅樹莓果渣中的可溶性膳食纖維進(jìn)行提取和純度測(cè)定，發(fā)現(xiàn)堿法和酸法提取的SDF平均得率分別是（21.45±2.3）%和（3.39±0.68）%，平均純度分別為73.84%和76.17%，得出了酸法和堿法均可用于紅樹莓果渣SDF的提取，且堿法SDF提取效果明顯優(yōu)于酸法的結(jié)論。

由此可見化學(xué)法具有簡(jiǎn)單快捷、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，主要缺點(diǎn)是提取得到的SDF的色澤較差、純度不高，pH值和溫度等處理?xiàng)l件也會(huì)對(duì)SDF的活性造成影響，且加工過(guò)程中產(chǎn)生大量的污水廢氣，容易對(duì)環(huán)境造成污染[15]。研究者們正針對(duì)不同的原料，采取改變?nèi)軇┗蚴褂醚趸瘎?、螯合劑等方法?yōu)化處理?xiàng)l件，從而提高SDF的品質(zhì)。

1.2 物理法

物理法早期多指浸提法，現(xiàn)指采用超微粉碎、超聲波處理、擠壓蒸煮等物理方法對(duì)SDF進(jìn)行提取的方法[19-22]。其中水溶醇沉法最為簡(jiǎn)便，將處理后的粗原料溶于溫水或熱水中，再將其水溶液用4倍體積的乙醇沉淀得到SDF，利用的是SDF易溶于水、不易溶于乙醇等化學(xué)溶劑的特點(diǎn)，在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用[12]。隨著科技發(fā)展，許多新興技術(shù)逐漸被用于與水溶醇沉法相結(jié)合對(duì)SDF進(jìn)行提取。Zhu等[23]將小麥麩皮進(jìn)行超微粉碎后浸提得到SDF，發(fā)現(xiàn)減小孔徑會(huì)增強(qiáng)SDF的鎖水能力，但是某些情況下，孔徑減小則會(huì)損傷纖維，使毛孔崩壞，導(dǎo)致其水化性能下降。姜翠翠等[24]研究得到用超聲波提取番石榴可溶性膳食纖維的最佳工藝參數(shù)是pH 2.94、提取時(shí)間40.36 min、提取溫度50.02℃、液料比值 14：1（mL/g）、超聲波功率 240 W，在此條件下可溶性膳食纖維實(shí)際提取得率為17.2%，所得的可溶性膳食纖維成品顏色微黃，持水性和吸水膨脹性較好。Yan Xiaoguang等[25]采用新型的擠壓膨化工藝，使麥麩可溶性膳食纖維（SDF）含量由（9.82±0.16）%顯著提高到（16.72±0.28）%，提高了麥麩SDF的保水性和膨脹性。

研究可見，物理法的優(yōu)點(diǎn)在于提取用時(shí)短，得到的SDF得率和純度均較高，缺點(diǎn)在于所采取的設(shè)備價(jià)格昂貴且維修費(fèi)用高，且采用新技術(shù)的具體工藝條件有待進(jìn)一步探索，過(guò)高或者過(guò)低的條件可能都會(huì)使SDF的得率降低、品質(zhì)下降。

1.3 酶解法

酶解法是通過(guò)使用多種酶去除原料中除膳食纖維以外的其他成分（主要是蛋白質(zhì)、脂肪、還原糖、淀粉等），從而使可溶性膳食纖維游離釋放，從而被提取出來(lái)，酶法中使用的酶主要包括α-淀粉酶、蛋白酶等[26]。一些活性成分也可以通過(guò)使用纖維素酶，半纖維素酶，果膠酶進(jìn)行制備獲得，纖維素酶可以分解水不溶性膳食纖維以產(chǎn)生小分子量的單糖或寡糖，從而提高水溶性膳食纖維的提取率[27]。操作過(guò)程中采用單一酶制劑或復(fù)合酶制劑進(jìn)行處理[28]。由于酶具有專一性，不同的天然原料的SDF提取需要不同的酶制劑[29]。劉美池等[30]采用雙酶法（耐高溫α-淀粉酶、木瓜蛋白酶）提取香蕉皮中可溶性膳食纖維，確定了最佳工藝條件為α-淀粉酶用量17.5 mg，木瓜蛋白酶用量12.5 mg，酶解時(shí)間60 min。在此條件下，可溶性膳食纖維提取率可達(dá)到6.33%。李梁等[31]通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化出了纖維素酶提取蘋果梨渣可溶性膳食纖維的最佳工藝參數(shù)：料液比1 ∶17（g/mL），酶添加量 60 U/g，酶解時(shí)間 7 h 和酶解溫度49℃，此時(shí)可溶性膳食纖維的得率高達(dá)15.31%。從目前的研究來(lái)看，幾乎所有的酶法提取SDF都需要較長(zhǎng)的時(shí)間。但有研究認(rèn)為，用最小的酶處理提取SDF，通過(guò)優(yōu)化工藝條件可以在短時(shí)間內(nèi)獲得大量的SDF[32]。

總體來(lái)講，由于酶的強(qiáng)特異性，酶法制備的膳食纖維具有較高的純度，這也是酶法提取膳食纖維的主要優(yōu)勢(shì)，此外與化學(xué)法相比，酶法提取條件溫和，不需要高溫高壓，能明顯降低對(duì)原料結(jié)構(gòu)的破壞[15]，且操作簡(jiǎn)便，既節(jié)省了能源，又節(jié)約了部分工藝和設(shè)備，有利于環(huán)境保護(hù)，特別適合于高淀粉和蛋白質(zhì)含量的原料中的SDF的提取。但由于酶制劑價(jià)格昂貴使得制備SDF費(fèi)用過(guò)高，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

1.4 發(fā)酵法

發(fā)酵法是一種新型的提取方法，利用微生物發(fā)酵消耗食品原料中的蛋白質(zhì)、淀粉等，分泌出的纖維素酶、半纖維素酶等破壞多糖之間的糖苷鍵使多糖由大分子變?yōu)樾》肿咏Y(jié)構(gòu)，從而制取水溶性膳食纖維[12]。研究主要采用真菌（如曲霉、鏈孢霉等）[33-34]、細(xì)菌（如乳酸菌）等微生物[35]。發(fā)酵底物多為含膳食纖維豐富的谷類，如麥麩、小米、豆渣等[36]。謝歡等[37]以SDF/DF為指標(biāo)，通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化黑曲霉發(fā)酵豆渣制備高SDF豆渣的工藝，結(jié)果顯示黑曲霉發(fā)酵豆渣DF的最優(yōu)條件為：發(fā)酵溫度30℃，接種量1.5%、料液比1∶3（體積比）、發(fā)酵初始pH值為自然pH值。在此條件下，發(fā)酵后的豆渣中SDF的含量占總膳食纖維（total dietary fiber，TDF）的37.84%，與未發(fā)酵豆渣相比提高了7.19倍，SDF的持水力增加了55.33%，膨脹力增加了60.67%，結(jié)合水力增加了21.74%，說(shuō)明了黑曲霉發(fā)酵可作為提高豆渣膳食纖維品質(zhì)的有效方法。據(jù)Jia Mengyun等[38]通過(guò)對(duì)綠色木霉發(fā)酵米糠得到的SDF的理化性質(zhì)和功能特性的研究，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后的米糠SDF的水合性有明顯提高。也有一些研究者選擇果膠含量高的水果皮、渣，蔬菜等作為發(fā)酵原料[39-40]。周笑犁等[41]以保加利亞乳酸桿菌與嗜熱鏈球菌1∶1混合菌種為發(fā)酵劑探究提取刺梨果渣可溶性膳食纖維的最佳工藝條件為：接種量12%、pH6.0、發(fā)酵時(shí)間48 h、料液比1∶25（g/mL）、發(fā)酵溫度40℃。在此條件下刺梨果渣SDF的比例明顯提高，其得率為16.81%，經(jīng)發(fā)酵法制備的刺梨果渣膳食纖維持水力和膨脹力也均高于刺梨果渣。

從大量的研究可以看出，發(fā)酵法提取SDF的得率、色澤、質(zhì)地都較好，提取得到的SDF的持水性、持油性等理化性質(zhì)也有顯著提高，且發(fā)酵原料多為食品加工的副產(chǎn)物，成本低廉。該方法的不足之處在于操作過(guò)程比較復(fù)雜，發(fā)酵需要一定的環(huán)境條件，工業(yè)化流程尚未完善。

1.5 聯(lián)合法

綜上所述，無(wú)論是化學(xué)法、物理法還是生物法，都各有其優(yōu)缺點(diǎn)，適用的食品加工范圍也不盡相同。將其中兩種或多種方法進(jìn)行結(jié)合，一方面可以避免單一方法的缺陷，另一方面可以使多種方法相互配合，更有效地提高SDF的得率和品質(zhì)；通常多種方法的組合要比單一方法的效果更好[42]。

目前常見的組合方法有化學(xué)法與酶法聯(lián)合、超聲波輔助法、機(jī)械預(yù)處理法等[43-46]。陶志杰等[47]建立以麥麩為試驗(yàn)材料，通過(guò)酶-化學(xué)法提取后，其最優(yōu)提取條件為堿用量12%，堿解時(shí)間45 min，酶用量0.2%，酶解時(shí)間4.5 h，可溶性膳食纖維提取率平均值為16.53%，該研究建立了麥麩可溶性膳食纖維的酶-化學(xué)法提取最佳工藝。劉靜等[48]以香椿老葉為試材，通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)確定了超聲波協(xié)同酶法提取香椿老葉可溶性膳食纖維的最佳提取工藝參數(shù)，結(jié)果表明最佳條件下可溶性膳食纖維的提取率可達(dá)7.11%，產(chǎn)品雜質(zhì)含量低，持水力和膨脹力分別為7.29 g/g和4.40 mL/g。He H[49]以花生殼為原料，經(jīng)擠壓預(yù)處理，化學(xué)（酸）洗，淀粉酶水解等制備膳食纖維，所得花生殼膳食纖維的SDF含量達(dá)到18.1%，大大提高了膳食纖維的利用率，經(jīng)進(jìn)一步進(jìn)行超高壓均質(zhì)處理后，SDF/DF比高達(dá)41.44%，是高壓均質(zhì)前的4.56倍。

研究可見，多法聯(lián)合提取SDF的得率更高，純度也更高，也可降低酶法、擠壓法等單一應(yīng)用時(shí)的昂貴成本，有較高的研究和利用價(jià)值。

2 SDF的功能特性

SDF結(jié)構(gòu)疏松，含有較多的親水性因子，因此具有優(yōu)良的溶解性、持油性和水合性等理化性質(zhì)，這些理化性質(zhì)使得它具有良好的吸附葡萄糖、膽固醇等的能力[50-51]，從而可以達(dá)到降低血糖、血脂的效果，預(yù)防糖尿病、動(dòng)脈硬化、高脂血癥等疾病[52-54]。同時(shí)也使SDF可以螯合一些化學(xué)成分，起到較強(qiáng)的清除自由基、清除有毒有害金屬離子的效果，可預(yù)防腫瘤、抗氧化[55-57]。最近的研究發(fā)現(xiàn)，不同來(lái)源的SDF的功能特性會(huì)有較大的不同，MirmiranParvin的研究表明，豆類、水果和蔬菜的膳食纖維與心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)呈負(fù)相關(guān)；然而，谷物和堅(jiān)果來(lái)源的膳食纖維與心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)無(wú)關(guān)[58]。這給SDF的功能特性的研究提供了新的方向和參考，在優(yōu)化各種提取工藝，采用多種改性方法提高SDF功能特性的同時(shí)，選擇合適的天然原料也同樣重要。

3 在食品中的應(yīng)用

早在1965年，膳食纖維已經(jīng)被應(yīng)用于食品中，經(jīng)過(guò)20年的發(fā)展后，才吸引了大量食品加工廠廠商的目光[9]。由于SDF具有上述功能特性，它的添加可以明顯改善食品的品質(zhì)，提高食品的加工工藝：1）改善食品的風(fēng)味質(zhì)構(gòu)，將其應(yīng)用到面包、餅干、面條、火腿腸、和糖果等食品中，有助于提高食品的凝膠性、抗粘連性和抗凝結(jié)性，增加食物的適口性[59]。2）改善食品的營(yíng)養(yǎng)成分，SDF可部分或全部地替代糖和脂肪成分加入到食品中，既降低食品能量，又提高營(yíng)養(yǎng)水平[60]。

3.1 在米面制品中的應(yīng)用

在米面制品中添加SDF能夠有效改善產(chǎn)品韌性和彈性，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，防止其儲(chǔ)存期變質(zhì)[59]。但也有研究表明，由于SDF具有高水合性，會(huì)搶奪水分，影響面筋的形成[61]。研究表明：隨著水溶性膳食纖維含量的增加，面包芯的硬度逐漸增加，當(dāng)添加4%的水溶性膳食纖維時(shí)，面包的各項(xiàng)感官評(píng)分最高，且最高添加量不宜超過(guò)6%[28]。而相比面包，餅干中則可以添加更多的SDF，MengyunJia等[62]研究發(fā)現(xiàn)，添加SDF可降低餅干的硬度和黏性，且添加6%的SDF的配方可獲得口感和可接受度最高的餅干。此外，添加了SDF的大米煮制的米飯也會(huì)具有蓬松清香的良好口感[63]。

3.2 在飲料乳品中的應(yīng)用

在飲料中添加SDF可使飲料中的顆粒分布均勻，使飲料持久不沉淀，不產(chǎn)生膠凝作用，增加產(chǎn)品的穩(wěn)定性。研究表明，SDF在果汁、果肉渾濁類飲品中使用量0.5%～1.5%為宜，在透明類飲品中添加0.3%～1.2%為宜[64]。而將膳食纖維應(yīng)用到以乳制品為主要原料的配方乳粉中，會(huì)對(duì)控制血糖、改善胰島素分泌起到很好的效果[65]，提高乳粉的營(yíng)養(yǎng)性。近幾年國(guó)內(nèi)部分飲料生產(chǎn)公司都有意推出高纖飲料，乳品企業(yè)已經(jīng)推出了高纖奶產(chǎn)品。

3.3 在肉制品中的應(yīng)用

在肉制品中添加SDF可提高脂肪持水性，達(dá)到增強(qiáng)口感，增加產(chǎn)量和降低成本的效果，并具有降脂作用，因此所生產(chǎn)的肉制品特別適合糖尿病患者[66]。李可等[67]通過(guò)提取豬肉鹽溶性蛋白，添加不同比例的竹筍SDF，應(yīng)用質(zhì)構(gòu)儀、流變儀等測(cè)定分析形成的凝膠體系的凝膠強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)竹筍SDF能夠明顯改善豬肉鹽溶性蛋白的凝膠功能特性，在肉制品加工中有廣闊的應(yīng)用前景。張根生等[68]以馬鈴薯SDF作為脂肪替代物制備肉丸，同時(shí)與普通肉丸的營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明前者的脂肪含量降低了39%，達(dá)到了低脂的目的。

3.4 在保健品中的應(yīng)用

SDF目前常被用作預(yù)防糖尿病的保健食品的添加劑，用來(lái)調(diào)整飲食結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)保健功能。專家認(rèn)為，膳食纖維食品將是21世紀(jì)主導(dǎo)食品之一[69]。而SDF可溶于水的特性又使其便于應(yīng)用在食品加工環(huán)節(jié)中，是一種理想的食品保健原料，若能充分開發(fā)利用生產(chǎn)出多類型SDF保健食品，將會(huì)使居民的膳食結(jié)構(gòu)得以更加均衡。

4 總結(jié)與建議

本文總結(jié)了不同的SDF提取方法的優(yōu)缺點(diǎn)，見表1。

我國(guó)擁有豐富的食品加工副產(chǎn)物資源，水溶性膳食纖維則廣泛存在于各種食品加工的副產(chǎn)物中，因其特殊的營(yíng)養(yǎng)功能特性受到了食品領(lǐng)域、生物領(lǐng)域以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛關(guān)注，現(xiàn)在也正應(yīng)用于多種食品的加工生產(chǎn)中。未來(lái)我們?nèi)孕枰獙?duì)SDF的提取工藝進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，尋求更加有利于規(guī)?；a(chǎn)且環(huán)境友好的方法，例如嘗試將微生物與酶結(jié)合提取SDF等；同時(shí)加深對(duì)SDF的功能特性的研究，闡明其在血液循環(huán)中的具體作用機(jī)理，與食品中其它組分的相互作用機(jī)制等；最后擴(kuò)大SDF的應(yīng)用范圍，例如將其用于食品包裝，減少白色污染等。

表1 不同的SDF提取方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of different SDF extraction methods