膳食纖維的組成、改性及其功能特性研究

徐燕，譚熙蕾，周才瓊*

（1.西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715；2.食品科學(xué)與工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（西南大學(xué)），重慶 400715）

中國營養(yǎng)學(xué)會(huì)《營養(yǎng)術(shù)語》定義膳食纖維（dietary fiber，DF）為植物性食物中含有的不能被人體小腸消化吸收的，在大腸可全部或部分發(fā)酵的對(duì)人體有健康意義的碳水化合物[1]。膳食纖維包括纖維素、半纖維素、果膠和菊粉等[2]，近年將植物細(xì)胞壁的蠟、角質(zhì)和不被消化的細(xì)胞壁蛋白質(zhì)、抗性淀粉、美拉德反應(yīng)產(chǎn)物以及動(dòng)物來源的抗消化物質(zhì)（如氨基多糖）等也歸入膳食纖維[3]。膳食纖維對(duì)人體起著重要的生理功能，如減脂、調(diào)控糖代謝、調(diào)節(jié)腸道微生物和降低抑郁癥患病風(fēng)險(xiǎn)等[4-6]，被譽(yù)為第七大營養(yǎng)素。本文通過對(duì)現(xiàn)有的膳食纖維特性以及改性方法研究的系統(tǒng)總結(jié)，為后續(xù)膳食纖維進(jìn)一步改性方法的探索和功能性應(yīng)用提供指引。

1 膳食纖維構(gòu)成及化學(xué)特性

1.1 膳食纖維構(gòu)成及來源

膳食纖維種類較多，按化學(xué)結(jié)構(gòu)可將其分為纖維素、半纖維素、果膠、菊粉、抗性淀粉、不易消化的低聚糖類（如低聚果糖、低聚木糖）以及非糖類物質(zhì)（木質(zhì)素）[2]；根據(jù)來源可分為谷物類、豆類、果蔬及合成或轉(zhuǎn)化類[7]；依據(jù)溶解特性，把可在水中分散的纖維稱為可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF），以及在水中難于分散的纖維稱為不可溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）。SDF主要是植物細(xì)胞的貯存物和分泌物，還包括微生物多糖和合成多糖以及抗性淀粉等[8]。不溶性膳食纖維主要包括纖維素、木質(zhì)素和大部分半纖維素（含殼聚糖），主要來自植物細(xì)胞壁組成成分，禾谷類和豆類種子外表及植物的莖和葉[9]。膳食纖維構(gòu)成及來源見表 1[2，10-12]。

表1 膳食纖維來源及構(gòu)成Table 1 The source and composition of dietary fiber

1.2 膳食纖維的化學(xué)特性

膳食纖維含親水基團(tuán)，與水締合形成氫鍵，具有較強(qiáng)的持水性[3]；膳食纖維所含的表面活性基團(tuán)有吸附螯合作用，可吸附腸道內(nèi)有毒化學(xué)品以及螯合膽固醇和膽汁酸等[8，13]。膳食纖維含羧基、羥基和氨基等，可與陽離子可逆交換，在離子交換時(shí)改變陽離子瞬時(shí)濃度，起稀釋作用，故對(duì)消化道pH值、滲透壓及氧化電位產(chǎn)生影響，形成理想的緩沖環(huán)境[11]。膳食纖維的發(fā)酵特性可改變腸道系統(tǒng)中微生物群系組成，但有研究顯示分離的纖維較在食物基質(zhì)中的纖維易被酵解，同一來源顆粒度小易被酵解[5]。膳食纖維的這些特性使其具有調(diào)節(jié)胃腸功能、控制肥胖、預(yù)防心血管病、降血糖及預(yù)防糖尿病等功能作用[8]。但膳食纖維來源廣泛，組成復(fù)雜，不同種類的膳食纖維由于其組成和結(jié)構(gòu)不同，含IDF和SDF比例不同，其理化功能性質(zhì)也存在明顯差異。

1.2.1 不可溶性膳食纖維的功能特性

IDF具有一般膳食纖維的吸附、溶脹和水合等性質(zhì)，其主要作用體現(xiàn)在刺激腸道蠕動(dòng)、增加排便量、控制體重等方面。金針菇、胡蘿卜和燕麥等常見食物中IDF含量較為豐富，不同的食物因其IDF組成和結(jié)構(gòu)差異，在功能特性上也有差異[14]。IDF因其結(jié)構(gòu)排列較為有序使得它的溶解性較差、形成溶液黏度較低，對(duì)葡萄糖、有害離子及亞硝酸鹽等物質(zhì)的吸附能力較差，但其中黏性較低的纖維素和木質(zhì)素可以對(duì)一些大分子起機(jī)械隔離作用[15]。此外IDF在人體腸道內(nèi)幾乎不能被發(fā)酵，對(duì)調(diào)節(jié)腸道微生物的影響較小。也有研究表明在一定條件下IDF會(huì)影響脂溶性維生素如維生素A、維生素E和胡蘿卜素發(fā)揮作用，可能還會(huì)使便秘患者的臨床癥狀加重[16]。

1.2.2 可溶性膳食纖維功能特性

SDF因其分子中含有較多的活性因子以及疏松的結(jié)構(gòu)，比IDF具有更為優(yōu)良的水合性質(zhì)、吸附能力、離子交換能力以及抗氧化性。SDF更多的是發(fā)揮生理代謝功能，影響人體體內(nèi)的脂肪和糖類代謝，起到降血糖、預(yù)防心血管疾病和改善腸道環(huán)境等作用[8]，其良好的發(fā)酵特性在調(diào)節(jié)腸道方面起著更有效的作用[3]。膳食纖維的溶解性和黏性與其結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。相較于IDF有序的結(jié)構(gòu)，SDF不規(guī)則的主鏈和側(cè)鏈結(jié)構(gòu)[3]使得SDF溶解性更好，黏性和凝膠性更優(yōu)，具有更好的吸附特性，對(duì)發(fā)揮膳食纖維生理功能起著重要作用。

考慮SDF和IDF的功能特性的差異以及在食品中的應(yīng)用，SDF含量高的食品更受關(guān)注。有研究表明，食品中SDF的含量在總纖維含量的10%以上才可稱為高品質(zhì)膳食纖維[17]，但天然的膳食纖維中SDF的含量低，限制其生理活性并影響其在食品中的應(yīng)用，常見食品加工副產(chǎn)物膳食纖維含量及組成見表2，這些大宗食品加工副產(chǎn)物富含DF，均含較高的IDF，除甘薯渣略低，其它膳食纖維中IDF占比均在90%以上，使其應(yīng)用受限。因此，通過適當(dāng)改性處理，提升SDF占比和提高膳食纖維利用價(jià)值是近年的研究目標(biāo)。

表2 部分食品加工副產(chǎn)物膳食纖維含量及組成Table 2 Dietary fiber content and composition of some food processing by-products g/100 g干基

2 膳食纖維改性及其功能特性

常見大宗食品加工副產(chǎn)物均含較高的IDF，通過適當(dāng)?shù)奈锢怼⒒瘜W(xué)和生物的方式對(duì)其進(jìn)行改性，提升SDF占比以改進(jìn)膳食纖維的化學(xué)特性和功能作用，可以拓展其利用價(jià)值。目前，膳食纖維改性方法主要有物理法、化學(xué)法、生物法以及聯(lián)合改性法。

2.1 膳食纖維改性

2.1.1 物理改性法

2.1.1.1 超微粉碎技術(shù)

超微粉碎技術(shù)是通過外力將各種固體物質(zhì)細(xì)化成微米級(jí)甚至納米級(jí)微粉的技術(shù)。與傳統(tǒng)粉碎方法相比，超微粉碎后的微粒均勻細(xì)膩，可提高物料的吸附性、溶解度、水溶性和生物效應(yīng)等，避免物料污染，節(jié)約物料的同時(shí)可最大限度保持成分的完整性[23]。超微粉碎技術(shù)分干法粉碎和濕法粉碎兩種，干法粉碎有利于水分蒸發(fā)，濕法粉碎對(duì)改善膨脹力、持水力、結(jié)合水力影響更大[24]。高虹等[25]對(duì)香菇柄中的膳食纖維進(jìn)行超微粉碎改性后發(fā)現(xiàn)，較改性前，香菇柄總膳食纖維和SDF均有所提高，持水力、持油力和膨脹力分別提高了37%、46%和109%。施建斌等[26]將超微粉碎麥麩及麥麩膳食纖維水合能力以及吸附能力同普通粉碎麥麩進(jìn)行比較，結(jié)果表明超微粉碎后的麥麩膳食纖維持水性和持油性及吸附葡萄糖的能力得到提升，陽離子交換能力無明顯改變。

2.1.1.2 擠壓膨化技術(shù)

擠壓膨化是指可以實(shí)現(xiàn)一系列單元操作同時(shí)并連續(xù)操作的新型技術(shù)，集混合、攪拌、破碎、加熱、蒸煮、殺菌、膨化和成型為一體，可以改善物料的品質(zhì)特性[27]，現(xiàn)多用于麥麩膳食纖維改性。在高溫、高壓、高剪切力的作用下膳食纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，難溶膳食纖維部分化學(xué)鍵斷裂，從而增加SDF的含量提高膳食纖維的溶解性、持水性和膨脹性[9]。Yan等[28]使用新型的擠壓膨化技術(shù)改性麥麩后，可將SDF含量由（9.82±0.16）%提高到（16.72±0.28）%，并提高其膨脹性和保水性。Larrea等[29]發(fā)現(xiàn)采用單螺桿擠壓膨化處理橘皮渣可使其SDF含量提高80%。

2.1.1.3 冷凍粉碎技術(shù)

冷凍粉碎技術(shù)是將冷凍與粉碎兩種單元操作相結(jié)合，使物料在凍結(jié)狀態(tài)下，利用超低溫脆性實(shí)現(xiàn)粉碎，使物料顆粒流動(dòng)性更好、粒度分布更理想，以最大程度保存原有營養(yǎng)物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)、成分及活性。可避免因粉碎使物料發(fā)熱而出現(xiàn)的氧化、分解、變色等現(xiàn)象[30]。黃晟等[19]研究用超微粉碎和冷凍粉碎這兩種方法處理麥麩膳食纖維粒徑3 h后，粒徑相較于未粉碎的都明顯減小，分別為20.861 μm和13.382 μm。SDF含量、膨脹力、重金屬離子吸附能力增加，冷凍粉碎后的麥麩膳食纖維各功能性質(zhì)優(yōu)于超微粉碎。徐田輝等[31]對(duì)洋薊膳食纖維進(jìn)行低溫冷凍-超微粉碎處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)冷凍處理后洋薊膳食纖維更易被粉碎，粒徑更小、分布更均勻。SDF含量明顯增多，可能與改性過程中親水性基團(tuán)暴露有關(guān)。

2.1.1.4 蒸汽爆破技術(shù)

蒸汽爆破技術(shù)是一種環(huán)保且高效的新型改性技術(shù)，指在高溫高壓的環(huán)境下，將蒸汽滲入纖維組織，再瞬間解除高壓使組織間過熱蒸汽汽化，纖維因體積膨脹而發(fā)生爆破，發(fā)生一定程度的機(jī)械斷裂和結(jié)構(gòu)重排[32-33]。何曉琴等[33]對(duì)苦蕎麩皮膳食纖維進(jìn)行蒸汽爆破預(yù)處理，結(jié)果表明，苦蕎麩皮SDF的含量在最佳蒸汽爆破條件（1.2 MPa、90 s）下可以增加到 12.36 g/100 g，同時(shí)具有較好的持水力、持油力、膨脹力、α-淀粉酶活性抑制能力和葡萄糖吸收能力；CHEN等[34]對(duì)豆渣采用蒸汽爆破處理可將SDF含量提高27.5%，改性后SDF降膽固醇的能力得到提升。WANG等[35]采用蒸汽爆破與稀硫酸結(jié)合處理對(duì)桔皮進(jìn)行改性，SDF含量從8.04%上升到33.74%。王田林[21]利用蒸汽爆破對(duì)甘薯渣進(jìn)行改性，在最佳爆破條件下（蒸汽壓力0.51 MPa、維壓時(shí)間165 s、物料粒徑60目），可溶性膳食纖維的含量可達(dá)到22.75%，并且甘薯渣SDF的化學(xué)組成沒有發(fā)生明顯變化。

物理改性方法所用時(shí)間短，很大程度上能保持物料成分的完整性，對(duì)物料的化學(xué)組成影響較小。通過物理改性處理后，物料的SDF含量得到了不同程度提高，但該方法所用設(shè)備比較昂貴。

2.1.2 化學(xué)改性

化學(xué)改性是指在一定條件下，對(duì)膳食纖維進(jìn)行酸或堿等化學(xué)試劑處理，破壞其中的糖苷鍵，促使難溶性膳食纖維向SDF轉(zhuǎn)化從而提高SDF的含量，改善其理化性質(zhì)的方法。Cornfine等[36]對(duì)羽扇豆膳食纖維進(jìn)行酸堿處理發(fā)現(xiàn)，纖維表面的疏水性以及與膽汁酸的結(jié)合能力都得到了增強(qiáng)；Li等[37]通過對(duì)番茄皮進(jìn)行堿性過氧化氫處理，SDF的提取率由原來的7.9%提高到了27.5%；楊妍等[38]采用氫氧化鈉溶液（1.5%）處理石榴皮渣（籽）進(jìn)行改性，大大提升SDF的得率，在其最優(yōu)條件下SDF得率達(dá)到了73.58%。

化學(xué)改性可大大提升SDF的含量，但對(duì)SDF品質(zhì)影響較大，所得膳食纖維色澤較差，同時(shí)采用的化學(xué)試劑可能會(huì)造成環(huán)境污染。目前有研究使用過氧化氫對(duì)膳食纖維進(jìn)行改性，反應(yīng)后過氧化氫可完全除去，對(duì)環(huán)境污染較小。

2.1.3 生物改性

2.1.3.1 酶法

酶法是指通過酶解作用后，纖維大分子由于分子鏈斷裂被降解，從而使SDF含量增加。目前常用的酶主要有木聚糖酶、纖維素酶和木質(zhì)素氧化酶等[7，39]。張光等[39]采用纖維素酶與木聚糖酶對(duì)米糠膳食纖維進(jìn)行復(fù)合酶法改性，通過優(yōu)化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)酶解液pH 5.0下添加纖維素酶（70 U/g）和木聚糖酶（30 U/g）后在50℃酶解4 h，可使SDF含量達(dá)到9.23%；王佳等[40]研究單一酶（纖維素酶和木聚糖酶）和復(fù)合酶對(duì)竹筍膳食纖維的改性，發(fā)現(xiàn)改性后SDF含量均增加，理化性質(zhì)改善。在酶解液pH 5.0下同時(shí)添加纖維素酶（180 U/g DF）和木聚糖酶（90 U/g DF）后，50℃酶解 2 h，竹筍膳食纖維改性效果最佳。可溶性膳食纖維含量為12.1%。同時(shí)復(fù)合酶處理相較于單一酶處理的膳食纖維微觀結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢(shì)。

2.1.3.2 微生物發(fā)酵

發(fā)酵改性是指微生物通過發(fā)酵產(chǎn)酸以及微生物胞外纖維素酶、半纖維素酶等來破壞大分子間的糖苷鍵，從而提高SDF含量。

目前常用的微生物有霉菌（如綠色木霉）、乳酸菌、酵母菌等。李偉偉等[18]研究以真菌結(jié)合乳酸菌發(fā)酵改性豆渣膳食纖維可顯著降低IDF占比，使豆渣DF粒徑降低了近50%，改性后的膳食纖維吸附脂質(zhì)、膽固醇以及亞硝酸鹽的能力都得到了提升；朱妞[41]采用綠色木霉發(fā)酵改性蘋果渣膳食纖維可使SDF含量明顯增加，食品化學(xué)特性改善，膨脹力、持水力、結(jié)合水力、吸油力和陽離子交換能力有所改善，對(duì)NO2-有較好的吸附力。

生物改性相較于物理改性和化學(xué)改性比較溫和，改性后SDF的純度、得率以及顏色質(zhì)地等比較好，但由于操作比較復(fù)雜，難以工業(yè)化生產(chǎn)。

2.1.4 聯(lián)合改性

聯(lián)合改性是指將多種改性方法結(jié)合使用發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，改善單一方法的不足，提升膳食纖維改性效果。目前的研究多為生物改性與物理改性方法的聯(lián)合。Song等[42]采用擠壓與纖維素酶結(jié)合改性，使聯(lián)合處理后竹筍膳食纖維結(jié)構(gòu)改變，SDF含量提高，顯示出更高的持水性、持油性和溶脹性，陽離子交換能力和吸附特性也得到增強(qiáng)，且主要成分沒有被破壞；邢珂慧等[43]采用超微粉碎聯(lián)合纖維素酶改性紅棗果渣膳食纖維，發(fā)現(xiàn)當(dāng)超微粉碎10 s后添加纖維素酶（0.34%），在pH 4.86和 49℃下，酶解 1.43 h，SDF得率為（15.47±0.37）%，比單獨(dú)使用超微粉碎時(shí)SDF得率（8.53±0.15）%高。李偉偉等[18]研究采用多菌種聯(lián)合發(fā)酵比單一菌種效果更好，以黑曲霉結(jié)合乳酸菌效果最好，聯(lián)合改性后SDF含量、水合性質(zhì)等明顯提高，粒徑更小。

膳食纖維改性方法及作用特點(diǎn)見表3。

表3 膳食纖維改性方法及作用特點(diǎn)Table 3 Modification methods and function characteristics of dietary fiber

2.2 改性膳食纖維功能特性

2.2.1 水合性質(zhì)提高

膳食纖維的水合性質(zhì)主要指吸水性、持水性和膨脹力。大量研究表明，通過超微粉碎、高壓、酶等多種改性方法處理后，膳食纖維的水溶性、持水力和膨脹力可以得到明顯的提升[25，27，40]。膳食纖維的高持水力和膨脹力可增加糞便的體積和排便速度，減輕直腸內(nèi)和泌尿系統(tǒng)的壓力，有利于有害物質(zhì)排出，有效地預(yù)防結(jié)腸癌等胃腸道疾?。淮送?，膳食纖維良好的乳化性和懸浮性使其在腸胃中吸水膨脹形成高黏度的溶液，使人產(chǎn)生飽腹感抑制食欲從而起到減肥的功效[8]。

2.2.2 吸附特性提高

膳食纖維的吸附能力提高主要分為兩大原因，一是經(jīng)過改性后的膳食纖維粒的大分子結(jié)構(gòu)被破壞，表面積增大使大量活性基團(tuán)暴露，提高了結(jié)合吸附物質(zhì)的能力；二是改性后溶解性大大提高，黏性物質(zhì)增加，形成更多的凝膠來吸附物質(zhì)[8，13，44]。膳食纖維對(duì)亞硝酸鹽、膽固醇、血糖等的吸附是其吸附性能的重要體現(xiàn)。吸附亞硝酸鹽可緩解亞硝酸鹽引起的中毒[45]；吸附膽固醇可起到降脂作用，膳食纖維還可通過吸附膽酸促進(jìn)膽固醇消耗，從而起降血脂功效。改性后持油力的提高也有利于膳食纖維對(duì)脂肪的吸收。膳食纖維對(duì)葡萄糖的吸附可以起降血糖、輔助治療糖尿病的作用，尤其是對(duì)2型糖尿病有明顯作用[46]。

2.2.3 陽離子交換作用提高

膳食纖維結(jié)構(gòu)中包含了一些呈弱酸性的羧基和羥基類等活性基團(tuán)，具有較強(qiáng)的陽離子交換作用。改性后使更多的活性基團(tuán)暴露，使膳食纖維陽離子交換作用增強(qiáng)。膳食纖維的陽離子交換作用有解毒和降血壓的功效，如銅、鉛、鉑等重金屬陽離子可與DF的羧基和羥基側(cè)鏈進(jìn)行交換，對(duì)金屬中毒起一定的緩解作用，可作為重金屬解毒劑使用（如果膠）[8，46]；腸道中的鈉、鉀離子可通過交換作用從尿液和糞便中排出，從而降低血液中鈉鉀比，起到降血壓作用[25]。也有研究表明某些礦物質(zhì)元素和維生素的有效性會(huì)受到膳食纖維離子交換作用的抑制[8]。

2.2.4 抗氧化能力提高

膳食纖維抗氧化能力可通過DPPH自由基清除率、ABTS+自由基清除率以及鐵還原能力來衡量[20]，部分膳食纖維含具有抗氧化活性的多酚類物質(zhì)[8]。研究表明DF經(jīng)改性后抗氧化活性明顯提升與生物發(fā)酵改性中產(chǎn)生的一些酮類物質(zhì)，以及DF中蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)在酶和有機(jī)酸作用下分解產(chǎn)生的一些具有還原性的氨基酸如色氨酸、亮氨酸等有關(guān)[18]。

2.2.5 腸道調(diào)節(jié)能力提高

DF對(duì)腸道調(diào)節(jié)有重要意義。改性DF良好的水合性質(zhì)有利于增加排便量和排便速度；可促進(jìn)腸道有益微生物如擬桿菌門和厚壁菌門等生長繁殖，DF發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸可干預(yù)機(jī)體代謝從而降低膽固醇水平[47]，此時(shí)伴隨產(chǎn)生的氣體會(huì)增加腔內(nèi)壓力從而刺激參與胃腸分泌及腸蠕動(dòng)調(diào)控的神經(jīng)遞質(zhì)5-羥色胺的分泌，對(duì)維持腸道穩(wěn)態(tài)有重要作用[48]。而腸道菌群體系的優(yōu)化可預(yù)防肥胖[48-49]。也有研究認(rèn)為DF在腸道中的發(fā)酵作用并不都是有益的，低聚糖等部分短鏈的可高度發(fā)酵的DF因?yàn)榭焖佼a(chǎn)生氣體可能會(huì)導(dǎo)致腹脹腹痛[50]。

3 展望

我國作為谷物果蔬消費(fèi)大國，每年有許多富含膳食纖維的副產(chǎn)物未能得到有效利用，如何在已有的膳食纖維改性研究基礎(chǔ)上，通過新技術(shù)的應(yīng)用及對(duì)高效微生物發(fā)酵技術(shù)的研究，以大宗農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)物為目標(biāo)，探求更為綠色高效的改性方法，提高膳食纖維的利用率；而有關(guān)膳食纖維的功能特性在血液、腸道的應(yīng)用機(jī)理還沒有非常明確的解釋，仍是未來需要研究的方向。

膳食纖維可作為膳食補(bǔ)充劑來改善人群膳食結(jié)構(gòu)，起到控制體重、調(diào)節(jié)代謝和預(yù)防心血管疾病等作用，近年來含膳食纖維類食品開發(fā)迅速發(fā)展，包括面制品、乳制品以及肉制品等生產(chǎn)中的應(yīng)用，但我國人均膳食纖維攝入量遠(yuǎn)未達(dá)到中國營養(yǎng)學(xué)會(huì)推薦每天攝入25 g的要求。本文通過對(duì)膳食纖維功能特性以及對(duì)膳食纖維改性方法的綜述，為膳食纖維含量豐富的食品加工副產(chǎn)物的再利用提供支持，為膳食纖維改性及在食品中的應(yīng)用提供思路。期待通過合理改性及提升膳食纖維的感官品質(zhì)和功能品質(zhì)，從而提升其在食品產(chǎn)品中的應(yīng)用，從而提高膳食纖維食品的攝入，更好滿足人們對(duì)膳食纖維的需要。