酶法提取可溶性膳食纖維的研究進(jìn)展

◎ 史志瑛

（陽(yáng)高縣疾病預(yù)防控制中心，山西 陽(yáng)高 038100）

蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪、維生素、礦物質(zhì)和水是人們維持生命和健康所需的六大營(yíng)養(yǎng)素。隨著人們生活水平的提高，動(dòng)物性食物消費(fèi)量增加，谷類、根莖類的消費(fèi)量下降，同時(shí)食品加工精度不斷提高，導(dǎo)致人們所攝入的食物中，粗纖維的含量越來(lái)越少，現(xiàn)代“文明病”諸如心腦血管疾病、糖尿病、便秘和肥胖癥等，威脅著現(xiàn)代人的身體健康。

膳食纖維是一類特殊的碳水化合物，它雖然不能被人體消化道酶分解，但因?yàn)橛兄匾纳砉δ?，也成為人體不可缺少的物質(zhì)，被稱為人類的“第七大營(yíng)養(yǎng)素”。中國(guó)營(yíng)養(yǎng)學(xué)會(huì)《營(yíng)養(yǎng)術(shù)語(yǔ)》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，包括多糖、低聚糖、木質(zhì)素，或與之相締合的植物成分，具有促進(jìn)健康的生理學(xué)特性[1]。研究表明膳食纖維具有降糖、降脂、降血液膽固醇、調(diào)節(jié)血壓、調(diào)節(jié)腸道菌群、減肥以及提高免疫力等生理功能[2]。

隨著學(xué)者對(duì)膳食纖維的不斷研究，發(fā)現(xiàn)與膳食纖維主要來(lái)自于植物的細(xì)胞壁，包含纖維素、半纖維素、樹膠、果膠及木質(zhì)素等。其中木質(zhì)素、纖維素和半纖維素為不溶性膳食纖維（Insoluble Dietary Fiber，IDF）組分，果膠和部分半纖維素屬于可溶性膳食纖維（Soluble Dietary Fiber，SDF）組分。據(jù)研究可知，不溶性膳食纖維吸收液體，在消化道膨脹，加快食物在消化道移動(dòng)，但卻不參加人體的血液和體液循環(huán)，不能被大腸中微生物酵解，而可溶性膳食纖維溶于液體，參與循環(huán)，并能被酵解，在循環(huán)過(guò)程中吸附和凈化血液和身體各部分器官，是維持健康水平的有效工具，所以可溶性膳食纖維更加彌足珍貴[3]。

《中國(guó)居民膳食營(yíng)養(yǎng)素參考攝入量》中推薦每天攝取膳食纖維25 ～35 g[4]，而通常天然纖維中可溶性膳食纖維的含量?jī)H為3%～5%[5]。資源的浪費(fèi)及膳食纖維攝入的需求，彰顯研究提取膳食纖維的必要。目前提取可溶性膳食纖維的常用方法主要有酶法、發(fā)酵法、物理法（如超聲波法、擠壓膨化法、高壓均質(zhì)法）和化學(xué)法（如酸、堿處理）。其中，酶法具有反應(yīng)條件溫和、綠色、環(huán)保、高效等優(yōu)點(diǎn)，符合環(huán)境友好型社會(huì)的主題，所以成為提取可溶性膳食纖維研究的首選方向。

1 酶處理對(duì)膳食纖維結(jié)構(gòu)的影響

膳食纖維的結(jié)構(gòu)決定了溶解性的強(qiáng)弱。纖維素、木質(zhì)素和半纖維素是不溶性膳食纖維的致密結(jié)構(gòu)。其中，纖維素位于結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，半纖維素貫穿在纖維素長(zhǎng)鏈，木質(zhì)素在纖維素與半纖維素外側(cè)，進(jìn)一步促使不溶性膳食纖維結(jié)構(gòu)緊密，抑制水分和其他酶滲入，最終呈現(xiàn)低溶解性。研究表明，酶處理能破壞不溶性膳食纖維的緊密結(jié)構(gòu)和交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使其粒徑變小、質(zhì)地松散，釋放內(nèi)部可溶性小分子，還可以定向切割不溶性膳食纖維糖苷鍵瓦解致密結(jié)構(gòu)，促使親水性官能團(tuán)暴露，這些空間結(jié)構(gòu)的改變易于與水分子形成氫鍵而高度可溶，實(shí)現(xiàn)不溶性膳食纖維向可溶性膳食纖維的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，提高其溶解性[6-7]。

2 酶處理對(duì)SDF 含量的影響

目前，相關(guān)研究中常見的可溶性膳食纖維的提取方法有酶法、復(fù)合酶法、高溫-復(fù)合酶法、酶-超聲聯(lián)合法和酶-化學(xué)法，詳見表1。

表1 可溶性膳食纖維的提取方法表

續(xù)表1

2.1 酶法

李蘊(yùn)等[8]用纖維素酶提取黑豆中的可溶性膳食纖維，提取率在酶添加量為1.8%后，趨于穩(wěn)定，在2.2%時(shí)達(dá)到最高，在最佳條件下的可溶性膳食纖維得率為38.40%。杭瑜瑜等[9]用酶法（纖維素酶）提取百香果皮中的可溶性膳食纖維的提取率為27.78%。當(dāng)纖維素酶的添加量小于1.1%時(shí)，可溶性膳食纖維提取率上升較為迅速，當(dāng)酶量大于1.1%時(shí)，可溶性膳食纖維的提取率增長(zhǎng)緩慢。

2.2 復(fù)合酶法

為進(jìn)一步提高提取率，劉雨萌等[10]研究用復(fù)合酶（纖維素∶半纖維素酶∶α-淀粉酶=20 ∶5 ∶1）提取褐藻中的可溶性膳食纖維，發(fā)現(xiàn)在酶添加量為0.5%～2.0%，提取率隨添加量的增加而上升，當(dāng)酶添加量超過(guò)2.0%，提取率開始下降。在最佳條件下，褐藻可溶性膳食纖維提取率為38.15%。萬(wàn)仁口等[11]利用α-淀粉酶、糖化酶和胰酶，在最佳條件下對(duì)竹筍可溶性膳食纖維的提取率由原料中的5.53%提升為10%。張?jiān)频萚12]提取大蒜中的可溶性膳食纖維。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在纖維素酶添加量為1.6%時(shí)，可溶性膳食纖維得率最多為29.5%；在木瓜蛋白酶添加量為2.2%時(shí)，得率最高，為28.8%；在最佳條件下，使用復(fù)合酶時(shí)，可溶性膳食纖維的提取率高達(dá)32.06%。在復(fù)合酶酶解過(guò)程中，膳食纖維分子內(nèi)的氫鍵、次級(jí)鍵逐漸斷裂，斷裂后的氫鍵與次級(jí)鍵更容易與水分子結(jié)合，使得膳食纖維的水溶性增加，但隨著酶解時(shí)間的過(guò)度延長(zhǎng)，部分可溶性膳食纖維聚合度降低，不能被無(wú)水乙醇沉淀，導(dǎo)致得率逐漸降低。

2.3 高溫-復(fù)合酶法

高溫高壓蒸煮具有使木質(zhì)素熔化、半纖維和纖維素分子斷裂、降解的特性。為了縮短酶解時(shí)間，使產(chǎn)品可溶性膳食纖維提取率提升，丁彩云等[13]使用高溫復(fù)合酶法（木聚糖酶∶纖維素酶=2 ∶1）對(duì)小米糠的可溶性膳食纖維提取率最大達(dá)到17.27%，比只使用高溫方法提高了6.48%。張向輝等[14]用此法提取綠豆皮中的可溶性膳食纖維，在最佳的高溫蒸煮條件下，可溶性膳食纖維得率為10.29%，再加入復(fù)合酶（木聚糖酶0.75%、纖維素酶1.5%）后，得率提升至20.12%。孫靜等[15]在高溫蒸煮結(jié)合酶解法對(duì)棗渣進(jìn)行提取，在最佳高溫蒸煮條件下的可溶性膳食纖維提取率為14.12%，再加入0.55%纖維素酶后，提取率提升到20%。不溶性膳食纖維處于高溫高壓環(huán)境下，只能使部分氫鍵斷裂，同時(shí)酶解可進(jìn)一步減弱多糖鏈的分子內(nèi)作用，使結(jié)構(gòu)更松散，水分子更容易進(jìn)入，并釋放部分可溶性成分，從而使可溶性膳食纖維溶出增多。但蒸煮時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)破壞結(jié)晶區(qū)中的氫鍵，可溶性膳食纖維結(jié)構(gòu)破壞，醇沉?xí)r亦難以析出。

2.4 酶-超聲聯(lián)合法

為了避免高溫蒸煮容易破壞可溶性膳食纖維結(jié)構(gòu)的弊端，近年有研究利用物理手段——超聲波破碎技術(shù)代替，超聲可以使IDF 中致密的結(jié)構(gòu)變疏松，由不溶的大分子物質(zhì)變成可溶的小分子物質(zhì)，以提高可溶性膳食纖維提取率。國(guó)內(nèi)關(guān)于超聲波的研究一直保持活躍，但與國(guó)際相比還存在很大差距[6]。

阮之陽(yáng)等[16]對(duì)比了酶法、超聲法和酶-超聲聯(lián)合法提取劍麻渣、辣木莖中的可溶性膳食纖維，結(jié)果表明酶法中可溶性膳食纖維的提取率為12.9%，超聲法9.4%，酶-超聲聯(lián)合法為20.1%，遠(yuǎn)高于單一的處理方法。朱廣成等[17]用超聲輔助酶法提取綠蘆筍中的可溶性膳食纖維，未加酶時(shí)可溶性膳食纖維得率為5%，加酶最高得率為7.135%，而超聲輔助酶法則為8.81%。

超聲波破碎技術(shù)是將電能轉(zhuǎn)換為聲能，這種能量通過(guò)液體介質(zhì)而變成一個(gè)密集的小氣泡，這些小氣泡迅速炸裂，從而起到破碎細(xì)胞，提高可溶性膳食纖維得率，縮短提取時(shí)間，提高工作效率的目的。超聲時(shí)間過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)都會(huì)降低可溶性膳食纖維含量，這是因?yàn)闀r(shí)間過(guò)短超聲波產(chǎn)生的沖擊力并沒有破壞所有的細(xì)胞壁，可溶性膳食纖維未完全釋放出來(lái)，而超聲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則會(huì)降解可溶性膳食纖維，綜合二者考慮，超聲輔助酶法是優(yōu)于單一的酶處理法，并且無(wú)化學(xué)物質(zhì)殘留[16]。

2.5 酶-化學(xué)法

化學(xué)法是利用強(qiáng)酸強(qiáng)堿使糖苷鍵斷裂產(chǎn)生新的還原性末端來(lái)降低IDF 的聚合度，酶-化學(xué)聯(lián)合法可以使膠聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降解[16]。曹新志等[18]用酶堿法提取麩皮中的可溶性膳食纖維，結(jié)果表明，用酶法提取，可溶性膳食纖維得率為46%，酶-堿法則提高到72%。吳麗萍等[19]采用酶-堿結(jié)合法對(duì)春筍可溶性膳食纖維進(jìn)行改性。結(jié)果顯示，用0.5%α-淀粉酶酶解時(shí)，可溶性膳食纖維提取率為5.8%，再經(jīng)0.4%木聚糖酶酶解后，提取率為7.4%，再加0.06%的NaOH 溶液堿解后達(dá)12.70%。朱宣宣等[20]對(duì)麥麩用1.2%的 α-淀粉酶和0.12%的木瓜蛋白酶酶解，再用1 mol·L-1的HCl 酸解后，加1.5%的纖維素酶再次酶解，結(jié)果顯示原麥麩中可溶性膳食纖維約3.29%，經(jīng)酶-化學(xué)法后提高至21.39%，顯著提高了麥麩中可溶性膳食纖維的含量?；瘜W(xué)改性在一定程度上可以改善可溶性膳食纖維的結(jié)構(gòu)，但是存在許多弊端。例如，產(chǎn)品色澤差不易漂白、對(duì)容器腐蝕嚴(yán)重、反應(yīng)復(fù)雜、污染環(huán)境以及殘留可能給人體帶來(lái)安全隱患等。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

酶處理膳食纖維是一種公認(rèn)的高效、高利用率、便捷、綠色無(wú)污染的提取可溶性膳食纖維的方法。雖然單一酶法改性具有反應(yīng)條件溫和、專一性強(qiáng)、對(duì)設(shè)備要求低且環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但依然存在反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、生產(chǎn)效率較低等問題。為此研究者摸索復(fù)合酶法、高溫協(xié)助酶法、酶-化學(xué)法等改性方法，使DF 的緊密結(jié)構(gòu)和膠聯(lián)結(jié)構(gòu)朝預(yù)期轉(zhuǎn)變。目前研究主要集中于對(duì)不同底物來(lái)源的提取以及處理后對(duì)DF 的影響等，工藝還未形成標(biāo)準(zhǔn)，在食品與健康領(lǐng)域尚缺乏深入、系統(tǒng)研究。據(jù)文獻(xiàn)數(shù)量看國(guó)內(nèi)對(duì)此研究活躍性減弱，而國(guó)外則有逐年重視的趨勢(shì)。

為改善膳食纖維理化性質(zhì)，提高可溶性膳食纖維提取率，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，今后對(duì)酶及酶聯(lián)合法處理膳食纖維理化性質(zhì)與結(jié)構(gòu)影響的研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下3 個(gè)方面。①膳食纖維經(jīng)酶處理后，其理化性質(zhì)如吸附性、抗氧化性、離子交換能力等在不同酶添加量、pH、溫度等條件下的變化規(guī)律研究。②建立膳食纖維理化特性、結(jié)構(gòu)與處理方法關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，解析膳食纖維理化特性與構(gòu)象間的關(guān)系。③加強(qiáng)膳食纖維在人與動(dòng)物不同生長(zhǎng)階段的應(yīng)用研究，探索最適的添加水平和營(yíng)養(yǎng)配方，明確膳食纖維的在體功能及其作用機(jī)制，以期將酶法改性實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。