汪 楠,黃 山,張 月,鄭 炯

(西南大學食品科學學院,食品科學與工程國家級實驗教學示范中心,重慶 400715)

竹筍是中國傳統(tǒng)佳肴,味香質(zhì)脆,食用和栽培歷史悠久,富含蛋白質(zhì)、膳食纖維、碳水化合物、氨基酸、礦物質(zhì)、無機鹽等多種營養(yǎng)成分[1],是人們喜愛的一種綠色森林蔬菜。中國是目前世界上最主要的竹筍種植國家,其每年生產(chǎn)的竹筍約60%需進行加工處理。竹筍加工過程中,竹筍殼、筍頭和筍腳等部分目前通常作為加工副產(chǎn)物被隨意丟棄,而這些竹筍加工副產(chǎn)物中含有豐富的膳食纖維(Dietary fiber,DF),是一種來源廣泛、價格低廉和綠色天然的潛在DF資源。

DF具有控制體重、改善便秘、降低血糖以及促進腸道健康等多種生理功能[2]。目前,隨著人們生活水平的提高及對健康更加重視,使得DF在國內(nèi)外均具有廣泛的市場。竹筍及其加工副產(chǎn)物作為DF的豐富來源,越來越受到研究者的關注。目前,已有研究將竹筍來源的DF應用于肉制品、果醬、面團和乳制品等食品中[3]。根據(jù)水溶性,DF被分為可溶性膳食纖維(Soluble dietary fiber,SDF)和不溶性膳食纖維(Insoluble dietary fiber,IDF),SDF和IDF的比例對DF的生理功能和加工特性有重要作用,30%～50% SDF和50%～70% IDF被認為是一個平衡的比例[4]。然而,竹筍膳食纖維(Bamboo shoot dietary fiber,BSDF)大約由8%的SDF和92%的IDF組成[5]。因此,通過改性技術提高BSDF中SDF的含量對其品質(zhì)的提升有重要意義。

化學法、生物法和物理法是常用的改性DF的方法,其中化學法主要是通過酸或堿的作用來改性DF,生物法主要通過酶的降解和微生物發(fā)酵來改性DF,物理改性技術包括微波、超微粉碎、超聲波、擠壓、微流態(tài)化、高溫蒸煮等。近年來,許多文獻報道了以上技術應用于BSDF的改性研究中。因此,本文就這些改性技術的基本原理及其對BSDF理化性質(zhì)、生理功能和結(jié)構的影響等方面進行全面系統(tǒng)的論述,旨在為BSDF的開發(fā)與利用提供參考。

1 BSDF的理化性質(zhì)

1.1 水合性質(zhì)

BSDF的水合性質(zhì)包括持水力、膨脹力和結(jié)合水力。良好的水溶性對DF的應用有著重要影響,DF的水溶性與其親水基團密切相關。持水力代表BSDF受到外力作用時保持水分的能力,有研究發(fā)現(xiàn)BSDF中SDF含量越高,持水力就越強,顆粒尺寸、表面特性和加工技術等條件均可影響持水力。膨脹力是DF吸收水的體積和DF重量之間的比率,膨脹力與SDF含量有關,可溶性成分增加,膨脹力增大[6]。DF的結(jié)合水力受DF顆粒大小、溫度以及DF分子的物化結(jié)構、pH和周圍流體電解液濃度等的影響[7]。Luo等[8]研究發(fā)現(xiàn)竹筍中SDF的持水力最高為7.10 g/g,而IDF和總膳食纖維的持水力分別為2.83和5.90 g/g。

1.2 持油力

BSDF的持油力是指DF防止脂肪和油脂流失的能力,與DF顆粒的表面特性、疏水性和總電荷密度有關。通過外力的作用使DF緊密的結(jié)構變得松散,孔隙增多,更多的親脂基團暴露,使持油力得到改善。研究表明,BSDF具有良好的持油力,其可以在消化系統(tǒng)中結(jié)合脂肪從而降低血清膽固醇水平[9]。Ge等[10]認為擠壓處理后BSDF持油力的降低是部分多孔網(wǎng)狀結(jié)構和表面親脂基團被破壞所致。

1.3 陽離子交換和吸附能力

陽離子交換能力主要是DF中的羧基和羥基基團,產(chǎn)生與弱酸性陽離子交換樹脂類似的功能,并與陽離子可逆地相互作用[11]。陽離子交換能力的增加通過降低離子吸收容量和改變離子的濃度來實現(xiàn)的。pH和滲透壓會影響B(tài)SDF的陽離子交換能力。DF與腸道中的K+、Na+結(jié)合,可以降低由于Na+、K+攝入過量而導致的多種疾病[12]。對亞硝酸鹽、膽固醇、葡萄糖、金屬離子的吸附能力是DF的一個重要特性,對亞硝酸鹽的吸附有助于防止過量亞硝酸鹽對人體的毒害,結(jié)合小腸中的膽汁酸和膽固醇從而有較好的降血脂作用,對葡萄糖的吸附可以延緩或減少葡萄糖在胃腸道的消化吸收,對降血糖起著重要的作用[11]。Song等[13]發(fā)現(xiàn)改性后的BSDF葡萄糖吸附能力為158 mg/g,膽固醇吸附能力分別為9.8(pH=2)、11.4 mg/g(pH=7),亞硝酸鹽離子吸附量分別為29(pH=2)和21 μg/g(pH=7)。

1.4 粒徑和電位

粒徑在DF的功能特性中起著重要作用。粒徑大小與DF的表面特性和分散能力密切相關。隨著粒徑的減小,DF顆粒具有更大的比表面積,更多的功能基團被暴露,水合性質(zhì)和吸附能力得到改善[14-15]。電位是測定水相與附著在浸沒粒子上的固定相界面處的電位,可用來預測膠體懸浮液的穩(wěn)定性[16],被廣泛用于指示相鄰及帶電膠體之間的靜電斥力程度。物質(zhì)表面電荷與聚電解質(zhì)之間的相互作用有關,粒子表面負電荷的增加會加強粒子間的靜電斥力,破壞現(xiàn)有的膠體團聚體,并阻止進一步的聚集,負電荷越低,粒子解離程度越大[17-18]。DF粒徑大小和表面電位將影響顆粒間的空間排斥度和靜電力,從而對DF穩(wěn)定性及其在水懸浮液中的分散和流變行為產(chǎn)生影響[19]。李璐等[20]發(fā)現(xiàn)重壓研磨粉碎和氣流粉碎后,雷竹筍DF粒徑分別降低了84.82%、94.81%。

2 BSDF的改性技術

2.1 化學改性技術

化學方法是用酸和堿去除竹筍中的淀粉和蛋白質(zhì)等成分,使糖苷鍵斷裂產(chǎn)生新的還原性末端,纖維類大分子的聚合度下降轉(zhuǎn)化成非消化性的水溶性多糖,以此來提高SDF的含量,進而改善DF的理化特性和生理功能[21]。王昕岑等[22]分別優(yōu)化了酸法和堿法提取馬蹄筍頭和筍殼DF的工藝條件?；瘜W法改性后DF色澤偏白,結(jié)構疏松多孔,呈現(xiàn)不規(guī)則的形狀。在酸奶中添加化學法改性的BSDF,顯著提高了酸奶的粘性[23],DF的水合性質(zhì)、持油力、陽離子交換能力、吸附能力均得到提高[24],如表1所示。化學改性技術處理簡單、成本較低,適宜工業(yè)化生產(chǎn),但該法轉(zhuǎn)化效率低,存在食品安全性和環(huán)境污染等問題。

2.2 生物酶技術

生物酶技術主要是利用酶降解DF,使糖苷鍵斷裂,不溶性糖類水解為可溶性小分子物質(zhì)[25]。常用的生物酶有蛋白酶、淀粉酶、纖維素酶和木聚糖酶等。Wang等[6]用酶法改性的毛竹筍DF的膨脹力、持水力和持油力都有所提升(表1)。DF粒徑最小可達39.41 μm,表面呈蜂窩狀結(jié)構,有較多的孔洞和裂紋,與酶法改性馬蹄筍DF的理化性質(zhì)變化一致[26]。Zheng等[27]用酶法改性后的BSDF喂養(yǎng)小鼠,發(fā)現(xiàn)能降低小鼠餐后血糖值,與對照組相比,SDF、IDF組小鼠血糖水平分別降低30.1%、27.3%。同時,酶解后的BSDF也被證明可以有效改善果醬和大豆蛋白的流變性能和質(zhì)構特性[28-29],降低香腸脂肪能力吸收,改善營養(yǎng)價值和質(zhì)量特性[30]。生物酶技術反應條件溫和、特異性強,處理后DF的組成和結(jié)構幾乎不受破壞,也不會造成化學污染,在食品工業(yè)中具有較高的應用潛力[31],但存在改性DF的純化酶價格較高,以及酶與底物接觸和反應不均勻的問題。

2.3 發(fā)酵技術

2.4 擠壓技術

擠壓技術是指物料受到高溫、高壓和高剪切力,使得物料的內(nèi)部水分在擠出機的出口處快速蒸發(fā),在高溫和低水分環(huán)境中,DF中的共價鍵和非共價鍵的斷裂,形成更小和更易溶解的分子片段[37]。Ge等[10]用雙螺旋擠壓技術對BSDF進行改性,改性后DF的膨脹力和持水力提升,持油力下降,在pH7.0時擠壓改性DF的膽固醇吸附量高于pH2.0,可能是羥基和羧基等基團化學結(jié)構導致酸性條件下膽固醇吸附能力降低。將擠壓技術與酶解結(jié)合改性毛竹筍DF,改性后DF的持水力、膨脹力、持油力以及對膽固醇吸附能力和NO2-吸附能力均高于單獨擠壓改性[12],而且改性后SDF含量可達22.17%,SDF被破碎成較小的碎片,具有不均勻、不規(guī)則、粗糙的表面?？梢?酶解處理與擠壓改性可能存在協(xié)同作用,未來可以考慮將擠壓與其他技術聯(lián)合改性BSDF,可能會得到更高品質(zhì)的BSDF。擠壓技術通用性強,生產(chǎn)率高,在對DF改性過程中,促進了大分子和聚合物的降解,DF的消化率和水溶性都得到了充分的提高,具有廣闊的應用前景[38]。

2.5 超微粉碎技術

2.6 超聲波技術

超聲波技術是利用超聲波探針的周期性機械運動將能量傳遞到流體介質(zhì)中,并產(chǎn)生高溫、壓力和剪切力,破壞DF主鏈中的糖苷鍵,導致DF的結(jié)構、理化性質(zhì)和功能性質(zhì)發(fā)生變化[41]。張艷等[42]用超聲波技術分別對新鮮、干制、冷凍的方竹筍DF進行改性處理,結(jié)果表明,干制方竹筍 DF超聲波改性后的理化性能明顯優(yōu)于改性后的新鮮和冷凍方竹筍DF,干制方竹筍DF的持水力、膨脹力和持油力如表1所示。改性處理后的新鮮方竹筍DF呈現(xiàn)疏松多孔的類似蜂窩狀結(jié)構,干制方竹筍DF呈現(xiàn)無規(guī)則凹凸狀結(jié)構,冷凍方竹筍DF呈現(xiàn)較緊實的無規(guī)則凹凸狀結(jié)構。方竹筍DF的特征峰型、位置及峰的數(shù)量均未有顯著變化。劉玉凌[43]也用超聲波技術對新鮮、干制、冷凍的方竹筍DF改性,水合性質(zhì)和持油力結(jié)果與張艷等[42]研究結(jié)果相似。改性后DF的自由基清除率顯著增強,冷凍方竹筍DF的持油力下降,可能是解凍時冰晶的消長使細胞組織結(jié)構發(fā)生改變,BSDF表面親油基團的減少導致的。超聲波技術節(jié)能、省時、有機溶劑消耗少,是改性BSDF一種高效綠色的技術。

2.7 微波技術

微波技術是應用電磁波使物料中的極性分子在微波電場中產(chǎn)生劇烈運動,物料溫度快速升高,化學鍵斷裂,小分子物質(zhì)急劇揮發(fā),相互間擠壓,促使物料微孔隙的形成,比表面積增大,達到改善物料性能的作用[44]。任雨離等[39]用微波技術對方竹筍DF進行改性,改性后方竹筍DF水合性質(zhì)得到提高(見表1)。DF孔狀結(jié)構更加密集、網(wǎng)狀結(jié)構更為明顯,比表面積增大,更多的親水基團暴露,持油力和超氧離子清除率下降。通過紅外光譜發(fā)現(xiàn),微波改性對方竹筍DF的主要官能團影響較小,X-衍射顯示方竹筍DF的結(jié)晶區(qū)強度發(fā)生變化,但結(jié)晶結(jié)構未發(fā)生變化。目前,微波技術已經(jīng)成功地應用于許多食品加工中,如蒸煮、殺菌、解凍、干燥和脫水等,該技術條件溫和,操作簡便,易實現(xiàn)工業(yè)化。

2.8 其他技術

高速剪切結(jié)合纖維素酶處理竹筍膳食纖維,強烈的剪切力促進了BSDF破碎和大孔隙的產(chǎn)生,改性后毛竹筍DF表面結(jié)構不規(guī)則且粗糙,具有孔狀蜂窩結(jié)構,改性后SDF含量達到10.15%,粒徑從383.90 μm降低到30.65 μm,持水力和膨脹力增大,見表1[14]。紅外光譜分析表明,處理后的竹筍中含有羥基、糖、亞甲基和苯環(huán)等芳香族化合物。通過微膠囊技術將BSDF包裹成1～1000 μm的微小顆粒[45],可以改變毛竹筍DF的理化性質(zhì)(表1)和熱敏性,強化某些營養(yǎng)成分,改性后SDF增加了10.24%,BSDF的口感更細膩,顏色更白[46]。

表1 不同改性技術對BSDF理化性質(zhì)的影響Table 1 Effects of different modification technologies on the physicochemical properties of BSDF

高溫蒸煮技術是在高溫高壓作用下,導致IDF分子鏈斷裂,轉(zhuǎn)變?yōu)镾DF[47]。高溫蒸煮處理破壞了DF分子間作用力和晶體結(jié)構,如表1所示,處理后DF的持水力、持油力、膨脹力均提高,改性后的BSDF顆粒變小,組織結(jié)構更加疏松,空隙增多,BSDF的結(jié)構被破壞[48]。動態(tài)高壓微射流作為一種新興技術,使物料在處理時受到剪切、碰撞、粉碎等機械力的作用[49],可以使BSDF的粒徑明顯減小,結(jié)晶度和熱穩(wěn)定性提高,表面可見蜂巢狀形貌和較大的空腔,BSDF的持水力、持油力和吸附能力顯著提高(見表1)[9]。

3 展望

近年來,BSDF加工技術方面的研究取得了較大的進展,這些研究成果為BSDF高附加值產(chǎn)品的開發(fā)提供了實驗和理論支撐。但是,總的來說,有關BSDF加工技術的研究目前仍處于起步階段,還存在較多問題亟待解決,例如:通過改性獲取的BSDF穩(wěn)定性較差,且工藝條件較復雜,成本較高,離工業(yè)化生產(chǎn)還有較大距離;利用現(xiàn)代食品加工技術來改善BSDF口感及其消化特性等方面的研究還較少;不同加工技術對BSDF結(jié)構及構效關系的作用機理還不明確。這些問題都極大地制約著BSDF工業(yè)化生產(chǎn)及竹筍加工產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。因此,目前對BSDF改性技術的基礎研究及應用基礎研究亟待加強,對于這些改性技術仍需進一步研究改性BSDF的機制。另外,研究不同改性技術聯(lián)合或協(xié)同使用對BSDF的影響也有待進一步加強。利用現(xiàn)代食品加工技術和理論高效制備BSDF,實現(xiàn)高活性BSDF的工業(yè)化生產(chǎn)是今后要努力的方向。