膳食纖維改性的生理功能

膳食纖維改性的生理功能

食物纖維（df）指能抵抗人體腸道的消化和吸收，并可在結(jié)腸部分或全部發(fā)酵的植物成分、碳?xì)浠衔锖皖愃莆镔|(zhì)的總稱。一般將膳食纖維分為水不溶性膳食纖維(InsolubleDietaryFiber,IDF)和水溶性膳食纖維(SolubleDietaryFiber,SDF)兩大類。IDF主要作用于腸道產(chǎn)生機(jī)械蠕動(dòng)作用,而SDF則更多發(fā)揮代謝功能,如影響可利用碳水化合物和脂類代謝。因此,膳食纖維中SDF組成比例是影響膳食纖維生理功能一個(gè)重要因素。美國(guó)Leitz等學(xué)者建議,膳食纖維組成中SDF含量達(dá)到10%以上才是高品質(zhì)膳食纖維,否則只能被稱作填充料型膳食纖維。然而許多天然存在膳食纖維資源中水溶性膳食纖維所占比例都很小,僅為3%～4%,遠(yuǎn)低于高品質(zhì)膳食纖維要求。為此,近年來(lái)很多學(xué)者一直致力于膳食纖維改性研究,目的是使膳食纖維中大分子組分連接鍵斷裂,轉(zhuǎn)變成小分子成分,使部分不溶性成分轉(zhuǎn)變成可溶性成分;使致密空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷删W(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu),能更好發(fā)揮膳食纖維生理功能。膳食纖維改性處理方法主要有化學(xué)處理法、機(jī)械降解處理法和微生物發(fā)酵與酶法,或幾種方法相結(jié)合混合處理法。1堿處理對(duì)sdf和羧甲基化的影響化學(xué)處理法多為采用酸、堿等化學(xué)試劑對(duì)膳食纖維進(jìn)行處理,控制適當(dāng)pH值、溫度和反應(yīng)時(shí)間,使糖苷鍵斷裂產(chǎn)生新的還原性末端,纖維類大分子聚合度下降,部分轉(zhuǎn)化為SDF而具有較優(yōu)良性質(zhì)和較強(qiáng)生理功能。陳存社等研究發(fā)現(xiàn),酸和堿處理都能使蘋果膳食纖維SDF含量得以較大提高,其中堿處理效果更好些;SDF含量隨酸處理pH減小而增大,當(dāng)pH達(dá)到2時(shí),SDF含量可增加到11.4%;SDF含量隨堿處理pH增大而增大,當(dāng)pH達(dá)到11時(shí),SDF含量可以增加到16.1%。羧甲基化是經(jīng)常使用一種化學(xué)改性方法。趙國(guó)華研究發(fā)現(xiàn),對(duì)豆渣膳食纖維進(jìn)行羧甲基化改性處理后,產(chǎn)品水溶性膳食纖維含量可達(dá)25.03%,持水力、結(jié)合水力、粘度和陽(yáng)離子交換能力都有顯著提高。龔冉以有機(jī)溶劑一乙醇為醚化介質(zhì),采用兩次添加堿液,對(duì)甜菜膳食纖維進(jìn)行羧甲基化改性,發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)一次加堿、水為媒介水媒法,可得到高粘度、高得率羧甲基化改性產(chǎn)物?；瘜W(xué)處理雖可不同程度提高SDF含量,但轉(zhuǎn)化率低,反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng),對(duì)設(shè)備和溫度要求都很高,且大量引進(jìn)陰陽(yáng)離子也給下一步食品加工帶來(lái)不便,因此,在一定程度上限制該法使用。2膳食纖維改性的物理方法隨著現(xiàn)代高新食品工程技術(shù)和先進(jìn)設(shè)備廣泛應(yīng)用,使用各種物理方法對(duì)膳食纖維進(jìn)行改性取得重大進(jìn)展,其中擠壓蒸煮技術(shù)和超微粉碎技術(shù)發(fā)展尤為迅速。2.1擠壓改性對(duì)膳食纖維性能的影響擠壓蒸煮技術(shù)集輸送、混合、加熱和加壓等多種單元操作于一體,能在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)部分大分子聚合物直接或間接轉(zhuǎn)化為SDF。且高纖維物料經(jīng)擠壓處理后,還可改良色澤與風(fēng)味,鈍化部分能引起不良風(fēng)味分解酶,使擠壓后產(chǎn)品穩(wěn)定性與風(fēng)味得以明顯改善。故在工業(yè)化生產(chǎn)中,膳食纖維改性一般采用擠壓改性方法。國(guó)內(nèi)外關(guān)于擠壓小麥麩皮、燕麥麩皮、玉米皮、甜菜皮、柑橘皮等高纖維物質(zhì)都曾有過(guò)報(bào)道。陳存社等對(duì)蘋果膳食纖維進(jìn)行擠壓改性后,產(chǎn)品SDF含量達(dá)22.6%,與化學(xué)方法相比,具有較高轉(zhuǎn)化率。擠壓改性后蘋果膳食纖維膨脹力、持水性有很大程度提高,且這種膨脹力和持水性穩(wěn)定性更好。影響擠壓效果主要因素有:pH值、螺桿轉(zhuǎn)速、進(jìn)料水分、進(jìn)料速度、擠壓溫度等。陳雪峰等研究發(fā)現(xiàn),酸性條件對(duì)蘋果渣膳食纖維擠壓改性幾乎無(wú)效果,而堿性條件則有促進(jìn)作用,適宜堿液濃度為7.5%。這是因堿能降解糖苷鍵,借助于擠壓處理過(guò)程中高溫和剪切作用,堿性條件有助于纖維高聚物連接鍵斷裂,且隨堿液濃度增加,斷裂作用會(huì)加劇,SDF含量明顯提高;但同時(shí)也會(huì)對(duì)產(chǎn)品感官產(chǎn)生影響,由原來(lái)灰白色變成淺褐色,顏色加深。徐紅華等探討單螺桿擠壓機(jī)對(duì)稻麩改性工藝條件,結(jié)果顯示:擠壓溫度110℃、物料水分15%、螺桿轉(zhuǎn)速90r/min,SDF含量可提高7.67%,其中螺桿轉(zhuǎn)速是影響改性效果最關(guān)鍵因素。很多研究顯示,在擠壓機(jī)內(nèi)各種強(qiáng)作用力下,部分不溶性阿拉伯木聚糖之類半纖維素及不溶性果膠類化合物會(huì)發(fā)生熔融現(xiàn)象,或部分連接鍵斷裂,轉(zhuǎn)變成水溶性聚合物成分。但擠壓處理并不會(huì)引起膳食纖維高聚物結(jié)構(gòu)發(fā)生深度降解或破壞,對(duì)纖維素組分也不起作用。錢建亞等采用X-射線衍射分析顯示,擠壓處理后大豆纖維素結(jié)晶性質(zhì)基本沒(méi)有改變,證實(shí)擠壓處理對(duì)豆渣纖維素可能沒(méi)有影響,水溶性組分增加部分是由半纖維素轉(zhuǎn)化而來(lái)。2.2微射流均質(zhì)對(duì)膳食纖維性能的影響膳食纖維生理功能在很大程度上與其結(jié)構(gòu)、顆粒度、比表面積、水化作用(如膨脹性、持水力)等性質(zhì)相關(guān)。超微粉碎技術(shù)能將3mm以上物料顆粒粉碎至10～25μm以下,隨著顆粒向微細(xì)化發(fā)展,物料表面積和孔隙率大幅增加而使超微粉體具有獨(dú)特理化性質(zhì)。作為一種現(xiàn)代食品工程高新技術(shù),超微粉碎已運(yùn)用于膳食纖維研究與開發(fā)中。美國(guó)利用超微粉碎技術(shù),以全美最上乘棕金車前谷為原料,研制“金谷纖維王”風(fēng)靡歐美等發(fā)達(dá)地區(qū)。對(duì)于膳食纖維微粒破碎,微射流均質(zhì)機(jī)處理是目前可利用最好方式。它是一種液相法超微粉碎技術(shù),其作用機(jī)制為液態(tài)膳食纖維物料在微射流均質(zhì)機(jī)反應(yīng)腔內(nèi)經(jīng)過(guò)流體高速撞擊、高剪切、空穴、渦旋等一系列綜合物理機(jī)械作用處理后,纖維類大分子糖苷鍵可能發(fā)生斷裂,部分轉(zhuǎn)化為可溶性膳食纖維,從而達(dá)到改性目的。劉成梅等研究發(fā)現(xiàn),豆渣膳食纖維經(jīng)高壓均質(zhì)處理(40MPa)和經(jīng)微射流均質(zhì)處理(100MPa和120MPa)后,總膳食纖維含量分別為63.87%、72.19%、69.78%,可溶性膳食纖維含量分別為7.08%、17.51%、24.76%,可溶性膳食纖維與總膳食纖維含量比值分別為0.1109、0.2424、0.3548。表明微射流均質(zhì)處理能顯著增加總膳食纖維和可溶性膳食纖維含量。藍(lán)海軍等發(fā)現(xiàn),經(jīng)微射流作用的濕法對(duì)大豆膳食纖維超微粉碎比經(jīng)研磨式干法更加有助于膳食纖維膨脹力和持水力增大,比干法超微粉碎分別高26%和8%。膳食纖維粒度越小,則其比表面積越大,其持水力和膨脹性也相應(yīng)增大,生理功能發(fā)揮也越顯著。劉成梅等采用Microfluidizer微射流均質(zhì)機(jī)對(duì)膳食纖維進(jìn)行超微化研究發(fā)現(xiàn),隨著處理壓力增高和處理次數(shù)增加,物料粒徑往往由大至小;當(dāng)處理壓力在120～170MPa范圍內(nèi)或處理次數(shù)繼續(xù)增加時(shí),物料粒徑則由小變大而發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。團(tuán)聚發(fā)生原因可能是由于范德華力吸引或體系總表面極小化的驅(qū)動(dòng)力而引起。涂宗財(cái)?shù)妊芯堪l(fā)現(xiàn),利用動(dòng)態(tài)超高壓技術(shù)研制納米級(jí)膳食纖維比表面積達(dá)到1.8189m2/g,約為普通纖維2倍;其持水力和膨脹率分別達(dá)15.3265g/g和21.5017g/g,均約為普通纖維3倍;且產(chǎn)品混濁液變稠、粘度升高、口感變細(xì)膩、可溶性增加、離子交換能力大大提高、酶作用時(shí)間縮短數(shù)十倍。納米級(jí)豆渣膳食纖維生物活性也得到增強(qiáng),如降低血脂水平、血清總膽固醇與低密度脂蛋白膽固醇水平等方面效果大大提高。瞬時(shí)高壓作用(InstantaneousHighPressure,IHP)系基于Microfluidizer作用機(jī)理概念。當(dāng)物料在高壓作用下快速通過(guò)微射流均質(zhì)機(jī)反應(yīng)腔時(shí)承受高達(dá)300MPa壓力,由于物料快速通過(guò)該反應(yīng)腔,高壓對(duì)物料作用時(shí)間非常短,壓力變化速率極大,物料通過(guò)處理腔時(shí)受到多種機(jī)械力作用而被超微粉碎,故將此過(guò)程稱為瞬時(shí)高壓作用。劉成梅等研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)IHP作用處理后,豆渣膳食纖維的膳食纖維總含量和SDF含量均有所增加,持水力、結(jié)合水力和膨脹性分別是豆渣原樣各項(xiàng)指標(biāo)2.19倍、2.59倍、3.05倍,表明在相當(dāng)程度上提高豆渣膳食纖維品質(zhì),驗(yàn)證IHP作為膳食纖維改性手段可能性。熊慧薇研究發(fā)現(xiàn),IHP能大幅提高膳食纖維溶液粘度,且在純牛乳中按照一定比例加入經(jīng)IHP處理后膳食纖維的懸浮液能改變?nèi)槠妨髯冃再|(zhì),可使其具有更高粘度。3微生物發(fā)酵與酶法3.1棗渣膳食纖維的表面形態(tài)酶法改性由于條件溫和、反應(yīng)速度快、專一性強(qiáng),產(chǎn)品色澤淺、易漂白、無(wú)異味、純度較高,被認(rèn)為是一種較有潛力改性方法。目前應(yīng)用于膳食纖維改性的酶主要有木聚糖酶、纖維素酶和木質(zhì)素氧化酶等。姚文華等探討用纖維素酶制備棗渣膳食纖維工藝,結(jié)果顯示,纖維素酶添加量為0.7%、溫度35℃、水解時(shí)間120min,SDF含量可提高到28%,且持水性和溶脹性均較好。胡葉碧等發(fā)現(xiàn)單獨(dú)使用纖維素酶和木聚糖酶都能顯著提高玉米皮SDF含量,而先用40IU/g木聚糖酶處理4h,再用4IU/g纖維素酶處理2h能極大提高原料中SDF含量,分別比單一纖維素酶和木聚糖酶處理在同等酶用量和時(shí)間下增加38.8%和58.2%,且持水性和溶脹性等物化性質(zhì)都有提高。3.2生理生化特性發(fā)酵法改性膳食纖維是利用微生物發(fā)酵將膳食纖維大分子組分分解成可溶小分子化合物,以提高制品水溶性膳食纖維含量,從而改善膳食纖維的物化性質(zhì)。涂宗財(cái)?shù)炔捎米灾苹旌暇鷮?duì)大豆纖維進(jìn)行發(fā)酵處理后,膳食纖維總纖維含量升高,SDF占總纖維比例由原來(lái)4.23%升到13.13%,且具有特殊香味、無(wú)豆渣原有豆腥味和苦澀味、持水力高、吸水性強(qiáng)等特點(diǎn)。該作用機(jī)理可能是在較長(zhǎng)發(fā)酵期間不斷產(chǎn)生代謝產(chǎn)物中含有大量有機(jī)酸,造成大豆纖維長(zhǎng)時(shí)間處于酸性條件下。由于酸是質(zhì)子良好供體,可使纖維素糖苷鍵斷裂,產(chǎn)生新的還原性末端,大豆纖維大分子聚合度不斷下降,部分轉(zhuǎn)化成非消化性可溶性多糖。很多學(xué)者利用微生物發(fā)酵產(chǎn)生酶以改性膳食纖維,取得很好效果。歐仕益等研究發(fā)現(xiàn),人體結(jié)腸微生物以麥麩SDF為基質(zhì)時(shí)分泌胞外酶同樣可降解麥麩IDF,隨發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng),微生物分泌胞外酶增多,麥麩IDF降解率也顯著增加,表明采用結(jié)腸微生物產(chǎn)酶處理IDF能得到活性較高SDF。李鳳敏利用菌株An-76產(chǎn)生木聚糖酶和菌株Sd-96產(chǎn)生纖維素酶對(duì)玉米皮膳食纖維進(jìn)行處理,結(jié)果得到可溶性半纖維素和纖維素多糖。Nakajima等從人糞便中獲到一株厭氧菌(Clostridiumbutyricumbeijerinckii),該菌分泌一種胞外降解酶,可降解膳食纖維生成低聚糖;并利用該性質(zhì)結(jié)合固定化細(xì)胞技術(shù)研制連續(xù)反應(yīng)裝置生產(chǎn)低聚糖,發(fā)現(xiàn)其具有反應(yīng)條件易控制、可連續(xù)生產(chǎn)而無(wú)需添加酶、無(wú)副反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。4可溶性膳食纖維含量有學(xué)者將化學(xué)處理、機(jī)械處理、微生物發(fā)酵或酶法結(jié)合起來(lái)對(duì)膳食纖維進(jìn)行混合處理,取得很好效果。涂宗財(cái)?shù)妊芯堪l(fā)現(xiàn),單純利用發(fā)酵法可提高可溶性膳食纖維含量達(dá)15%以上,動(dòng)態(tài)超高壓均質(zhì)處理法可提高可溶性膳食纖維含量達(dá)35%以上,而發(fā)酵處理后40MPa下均質(zhì)處理即可生產(chǎn)出可溶性膳食纖維含量為30%高活性膳食纖維。雖隨著壓力升高,可溶性膳食纖維含量仍會(huì)增加;但增幅不大,最終可溶性膳食纖維含量最高可達(dá)37%以上,顯然發(fā)酵處理可節(jié)約均質(zhì)處理能源,降低均質(zhì)處理難度。徐廣超等采用機(jī)械處理一酶解混合處理法從豆渣中提取水溶性膳食纖維,SDF含量可由原來(lái)2.5%提高至22.8%,可溶性膳食纖維產(chǎn)率比單