周 新,唐世英,楊賀棋,董秀瑜,李欣蔚,張曦文,周 慧,汪秋寬,武 龍

(大連海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧大連 116023)

當(dāng)前,伴隨著精制食品與過量能量攝入的普遍化,亞健康態(tài)及現(xiàn)代文明病日趨高發(fā)。合理攝入膳食纖維已被公認(rèn)有助于改善消化道健康、降低血脂、調(diào)節(jié)血糖、控制體重等。世界衛(wèi)生組織建議成人每日至少攝入25 g膳食纖維[1]。近期調(diào)查指出,我國(guó)成年居民不溶性膳食纖維攝入量平均為12. 2 g/d,總膳食纖維攝入量平均為18.5 g/d(18～64歲,n=11960),公眾攝入膳食纖維不足問題形勢(shì)依然嚴(yán)峻[2]。

國(guó)際食品法典委員會(huì)(Codex Alimentarius Commission,CAC)將膳食纖維定義為具有超過10個(gè)單體單元的碳水化合物聚合物,且其不會(huì)被人類小腸中的消化酶水解[3]。根據(jù)膳食纖維在水中的溶解性,一般將其分為可溶性膳食纖維(soluble dietary fiber,SDF)及不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber,IDF)。前者常存在于植物細(xì)胞液和細(xì)胞間質(zhì)中,主要為多糖及聚糖醛酸類物質(zhì),如陸生及海洋植物膠。后者主要為植物細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)性組分,核心成分為纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等[4]。研究表明,膳食纖維的健康功效主要與水合、增稠、凝膠、吸附及可發(fā)酵性等性質(zhì)密切相關(guān)[5-6]。一般認(rèn)為IDF主要通過降低能量密度、促進(jìn)腸道蠕動(dòng)、改善排便等發(fā)揮作用,對(duì)其調(diào)節(jié)代謝相關(guān)能力尚存爭(zhēng)議[7-8]。另一方面,膳食纖維(特別是IDF)的添加可能對(duì)各類產(chǎn)品的加工特性、感官品質(zhì)、穩(wěn)定性等帶來顯著影響[9]。為了進(jìn)一步拓展優(yōu)質(zhì)膳食纖維補(bǔ)充渠道,更好地滿足大眾對(duì)健康食品的需求,通過各種手段對(duì)IDF的功能特性加以改善,已得到相關(guān)領(lǐng)域研究重點(diǎn)關(guān)注[10]。

近年來,從各種天然原料中分離提取膳食纖維,并通過物理、化學(xué)及生物處理對(duì)其組成與結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造得到較多報(bào)道。大量研究運(yùn)用物理作用力、化學(xué)反應(yīng)或酶解等手段,實(shí)現(xiàn)膳食纖維在食品加工與營(yíng)養(yǎng)健康方面功能特性的強(qiáng)化。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道的IDF提取、改性及應(yīng)用研究進(jìn)行梳理總結(jié),以期為優(yōu)質(zhì)膳食纖維資源的開發(fā)利用提供參考。

1 不溶性膳食纖維的提取與性質(zhì)表征

1.1 IDF的制備

在可持續(xù)發(fā)展背景下,為了提高生物資源的利用率與附加值、減輕環(huán)境壓力,以大宗農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)物為原料分離IDF得到相關(guān)研究的普遍關(guān)注,也是本文關(guān)注的重點(diǎn)。根據(jù)膳食纖維的定義,其制備的關(guān)鍵在于有效去除原料中的蛋白質(zhì)、脂肪和淀粉等可消化組分。表1列舉了近年來文獻(xiàn)報(bào)道的副產(chǎn)物IDF主要提取方法、提取原料、工藝條件以及產(chǎn)物得率。由表1可見,在提取方法方面,物理、化學(xué)、酶處理技術(shù)以及組合手段均得到應(yīng)用?；瘜W(xué)法提取IDF操作簡(jiǎn)單、成本較低,其中使用堿處理的化學(xué)法應(yīng)用較為普遍?；瘜W(xué)處理反應(yīng)較強(qiáng)烈,可破壞產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)(特別是功能性基團(tuán))并對(duì)其生物活性造成顯著影響[11]。酶水解法一般使用中性蛋白酶、高溫淀粉酶、糖化酶等水解除去非目標(biāo)物質(zhì),具有條件溫和易控制、提取率高、環(huán)境友好、產(chǎn)物活性高等優(yōu)點(diǎn),因此其應(yīng)用越來越廣泛[12]。此外,超聲波、微波等輔助提取技術(shù)可以進(jìn)一步提高提取效率,也得到越來越多的研究應(yīng)用。

表1 以農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)物為原料制備不溶性膳食纖維的方法、條件與得率比較Table 1 Comparison of methods,conditions and yields for preparing insoluble dietary fiber from by-products of agricultural product processing

1.2 IDF的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與功能表征

1.2.1 IDF的組成與結(jié)構(gòu) IDF主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)性成分組成,一般通過化學(xué)方法進(jìn)行組分分離進(jìn)而加以分析。文攀等[29]通過酶法提取的黃皮果皮IDF,并采用蒽酮比色法測(cè)定黃皮果皮IDF中纖維素含量為18.79%,通過DNS比色法測(cè)得半纖維素含量為11.33%,進(jìn)而以重量法測(cè)定木質(zhì)素含量為42.02%。姬玉梅[30]對(duì)以化學(xué)法、酸-酶法、復(fù)合酶法制備的小麥麩皮膳食纖維進(jìn)行了比較分析,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物的基本成分有明顯不同,復(fù)合酶法IDF的純度優(yōu)于酸-酶法及化學(xué)法,通過化學(xué)法測(cè)定其中纖維素含量為29.23%、半纖維素含量33.02%、木質(zhì)素含量為6.41%,且其結(jié)合水能力與抗氧化能力較強(qiáng)?？梢娫虾吞崛》椒Q定IDF的基本組成,進(jìn)而影響其性質(zhì)與性能。

IDF的化學(xué)結(jié)構(gòu)(如:分子量、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)結(jié)構(gòu)等)可以通過聚合度分析、X射線衍射分析(X-Ray Diffraction,XRD)和傅里葉變換紅外光譜分析(Fourier Transform infrared spectroscopy,FT-IR)等加以表征。魏春光[31]采用銅乙二胺粘度法測(cè)定經(jīng)過擠出處理的馬鈴薯IDF樣品的聚合度與相對(duì)分子質(zhì)量,研究發(fā)現(xiàn)處理后樣品的平均聚合度由1051降到273,分子量則由170333降到44226。IDF的核心成分纖維素具有結(jié)晶性結(jié)構(gòu),其結(jié)晶度直接影響親水、親油等物理化學(xué)性質(zhì)[32]。Hua等[27]對(duì)酶法提取的人參IDF進(jìn)行XRD分析,發(fā)現(xiàn)樣品在衍射角2θ為15.02和21.08 °處出現(xiàn)兩個(gè)明顯的衍射峰,為典型纖維素I型晶體結(jié)構(gòu),結(jié)晶度為34.24%。根據(jù)IDF樣品的FT-IR譜圖中特征峰出現(xiàn)的位置可以判斷其結(jié)構(gòu)特征。表2歸納了文獻(xiàn)報(bào)道中IDF的常見FT-IR特征峰與對(duì)應(yīng)的化學(xué)結(jié)構(gòu)信息?？梢?通過分析可以監(jiān)測(cè)樣品在提取及改性處理前后的結(jié)構(gòu)變化,特別是功能性基團(tuán)的變化情況,進(jìn)而為揭示其性質(zhì)變化提供依據(jù)。

表2 IDF的常見FT-IR特征峰與對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)信息Table 2 Common FT-IR characteristic peaks and assignment for IDF

IDF的微觀表面結(jié)構(gòu)、顆粒尺度、比表面積等對(duì)于其性質(zhì)影響深遠(yuǎn)。Meng等[38]通過復(fù)合酶法制備蕎麥秸稈IDF,運(yùn)用掃描電鏡(Scanning electron microscope,SEM)觀察到緊湊且完整的管狀形狀,應(yīng)為蕎麥秸稈的維管組織。Karaman等[39]對(duì)檸檬籽IDF、橙籽IDF、葡萄柚籽IDF進(jìn)行SEM分析,觀察到三種樣品都存在絲狀結(jié)構(gòu)。阮之陽[40]以劍麻渣和辣木莖為原料,通過酶-超聲聯(lián)合方法制備兩種IDF,粒度分析表明劍麻渣及其IDF的平均粒徑分別為313及234 μm;辣木莖及其IDF的平均粒徑分別為155及94 μm。滿永剛等[41]研究發(fā)現(xiàn)通過300 Hz氣流粉碎提取出的大豆皮IDF粒徑為19.24 μm,比表面積達(dá)152.95 m2/kg。IDF的表面形態(tài)以及粒徑、比表面積是改善IDF理化性質(zhì)、提升功能特性的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

1.2.2 IDF的理化性質(zhì)

1.2.2.1 親水性質(zhì) 膳食纖維的水合能力是其發(fā)揮功效的關(guān)鍵性質(zhì)。Kim等[42]測(cè)定了大豆皮IDF持水力為4.64 g/g、持油力為2.22 g/g和膨脹力為6.25 mL/g。Gómez-Ordóez等[43]發(fā)現(xiàn)海條藻(Himanthalia)IDF的持水能力達(dá)10.97 g/g。鐘雅云等[44]發(fā)現(xiàn)海帶IDF的持水力為11.82 g/g、持油力為10.05 g/g、膨脹力為5.99 mL/g。Chau[45]等測(cè)出胡蘿卜IDF持水力為12.5 g/g,而經(jīng)過高壓微粉化處理后其持水力達(dá)到42.5 g/g。可見不同來源的IDF性能差異顯著,而通過改變IDF的組成與結(jié)構(gòu),可以調(diào)控其親水/疏水性質(zhì),從而使其擁有更加優(yōu)異的性能。

1.2.3 IDF的功能特性

1.2.3.1 體外評(píng)價(jià) 段振[48]發(fā)現(xiàn)石榴皮IDF可以通過阻礙底物乳液與胰脂肪酶的相互作用而抑制脂肪酶活性,半抑制量(IC50)為275.42 mg。Yang等[51]研究發(fā)現(xiàn)日本葡萄果渣IDF對(duì)α-葡萄糖苷酶的半抑制濃度IC50為0.841 mg/mL,抑制率為62.23%。α-葡萄糖苷酶抑制劑可發(fā)揮調(diào)控餐后血糖水平的作用[52]。祁靜[53]發(fā)現(xiàn)酸法提取的米糠IDF對(duì)胰脂酶和淀粉酶的抑制能力分別達(dá)77.52%及40.48%。說明米糠IDF具有調(diào)控碳水化合物及脂肪代謝的潛力。可見IDF具有調(diào)節(jié)人體對(duì)淀粉、脂肪消化吸收的潛力,可望發(fā)揮調(diào)節(jié)代謝的功效。

1.2.3.2 體內(nèi)評(píng)價(jià) Li等[54]用酶法提取的大麥不溶性膳食纖維(BIF)喂養(yǎng)正常大鼠及2型糖尿病大鼠模型;研究發(fā)現(xiàn),對(duì)模型組飼喂BIF 4周后,大鼠空腹血糖濃度從24.33 mmol/L降低至21.88 mmol/L。孫海燕等[55]用豆渣IDF飼喂2型糖尿病大鼠并觀察其血糖變化情況,發(fā)現(xiàn)喂食含15%IDF的飼料4周后,大鼠空腹血糖濃度從14.60 mmol/L降低至6.09 mmol/L,表明高劑量豆渣IDF具有調(diào)控血糖的功效。研究指出IDF的攝入干擾了腸道內(nèi)消化酶與碳水化合物之間的反應(yīng),降低了碳水化合物的消化率,同時(shí)降低了葡萄糖由腸腔進(jìn)入腸上皮細(xì)胞吸收表面的速度,從而達(dá)到降低血糖的作用[56-57]。

高脂血癥是指脂肪代謝或運(yùn)轉(zhuǎn)異常使血液中血脂含量高于正常范圍的一種癥狀,伴隨血脂異常往往也會(huì)影響肝臟功能[58]。膳食干預(yù)療法被公認(rèn)為對(duì)防治高脂血癥至關(guān)重要[59]。付慧等[60]用添加不同水平(5%、10%、15%)多肋藻(Costariacostata)渣IDF的飼料飼喂高血脂模型小鼠,28 d后,15% IDF組小鼠血清中總膽固醇(Total cholesterol,TC)水平較模型組降低17.4%、甘油三酯(Triglyceride,TG)降低22.0%、高密度脂蛋白膽固醇(High density liptein cholesterol,HDL-C)值升高115.4%、低密度脂蛋白膽固醇(Low density lipoprotein cholesterol,LDL-C)值降低47.9%、動(dòng)脈粥樣硬化指數(shù)(Arteriosclerosis,AI)值降低了75.3%。Yang等[51]通過超聲輔助酶解法提取葡萄果渣IDF,并考察其對(duì)小鼠的降血脂作用,28 d后,對(duì)比高脂飲食組,添加IDF飲食組的TC、TG、LDL-C水平顯著降低,HDL-C值顯著升高,AI降低42.68%。

2 不溶性膳食纖維的改性方法

由前述可見,提取原料與方法決定了IDF的組成與結(jié)構(gòu),并對(duì)其理化性質(zhì)以及功能特性帶來顯著影響,也為其功能性改性提供了依據(jù)。相關(guān)研究運(yùn)用物理、化學(xué)及生化手段對(duì)IDF加以處理,通過調(diào)控其組成與結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)性能的提升。

2.1 物理改性

物理改性是目前報(bào)道較多的一類IDF改性方法。運(yùn)用超高壓、超微粉碎、高壓均質(zhì)等技術(shù)手段,改變樣品的組成、形態(tài)結(jié)構(gòu)及顆粒尺寸,進(jìn)而改變其理化性質(zhì)、增強(qiáng)功能特性。

2.1.1 超高壓技術(shù) 超高壓改性是將樣品置于液體介質(zhì)中,在100～1000 MPa的靜壓下進(jìn)行處理,當(dāng)超高壓技術(shù)的液體介質(zhì)為水時(shí),也稱為高靜水壓法。在極高的靜壓下,物料體積被壓縮,不僅影響細(xì)胞的形態(tài),還會(huì)使生物高分子立體結(jié)構(gòu)的非共價(jià)鍵發(fā)生變化,使大分子物質(zhì)改性或變性[61]。李雁等[62]對(duì)紅薯渣IDF進(jìn)行超高壓改性(60 ℃,600 MPa下處理15 min),SEM分析顯示改性后樣品表面出現(xiàn)疏松、蜂巢形的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),比表面積增大,結(jié)晶度減小;其抑制淀粉酶活性和吸附葡萄糖能力與對(duì)照組相比分別提高了1738.1%和20.4%;吸附膽固醇能力和持油力分別提高了141.8%和29.0%;改性產(chǎn)物調(diào)節(jié)血糖與血脂能力明顯增強(qiáng)。Fan等[63]以紫薯IDF為對(duì)象,采用高靜水壓法(25 ℃,200 MPa下處理30 min)進(jìn)行物理改性,研究發(fā)現(xiàn)改性IDF對(duì)α-葡萄糖苷酶抑制活性從95.5%提升至96.1%。

2.1.2 超微粉碎技術(shù) 超微粉碎技術(shù)利用機(jī)械或流體力學(xué)手段產(chǎn)生高強(qiáng)度剪切力,使糖苷鍵斷裂、比表面積增大、親水基團(tuán)暴露,從而改變IDF組成、結(jié)構(gòu)及物化特性[64]。王安建等[65]使用超微粉碎機(jī)對(duì)玉米皮IDF進(jìn)行改性,使其顆粒度達(dá)到160～200目,研究發(fā)現(xiàn)改性產(chǎn)物的持水力、膨脹力、陽離子交換能力、飽和及不飽和脂肪持油力分別提升了2.04%、14.12%、17.85%、15.24%及25.41%,并將變化歸因于超微粉碎減小了粒徑、增大了比表面積,提升了親水能力。同時(shí)發(fā)現(xiàn),粉碎目數(shù)超200目時(shí)持水力反而減小,可能是由于IDF的組織結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重,雖然接觸面積增大了,但顆粒個(gè)體結(jié)合水的能力減小,從而導(dǎo)致整體持水力降低。李倫等[66]使用超微粉碎機(jī)對(duì)米糠IDF進(jìn)行改性,隨著樣品粒徑不斷減小,其持水力、持油力、膨脹力均顯著提高,并發(fā)現(xiàn)改性后米糠IDF中半纖維素轉(zhuǎn)化成水溶物。

2.1.3 高壓均質(zhì)技術(shù) 高壓均質(zhì)技術(shù)利用高壓使料液高速通過均質(zhì)腔,物料在高速剪切、高頻震蕩、空穴現(xiàn)象和對(duì)流撞擊等機(jī)械力作用下粉碎細(xì)化,并可進(jìn)一步提高產(chǎn)物的均勻度和穩(wěn)定性[67]。丁莎莎等[68]利用高壓均質(zhì)對(duì)油橄欖果渣IDF進(jìn)行改性,改性產(chǎn)物持水力提高了31.7%、膨脹力提高了78%、持油力提高了38.92%,對(duì)重金屬Cd2+的吸附能力提高了7.53%。Fan等[63]發(fā)現(xiàn)高壓均質(zhì)改性紫薯IDF的乳化穩(wěn)定性、α-葡萄糖苷酶抑制活性、抗氧化活性及要明顯優(yōu)于高靜水壓改性產(chǎn)物,并認(rèn)為可溶性組分增加、顆粒度下降以及表面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化是其主要原因。

物理改性具有工藝簡(jiǎn)單、效果顯著、作用均勻等特點(diǎn),得到了研究的廣泛關(guān)注。然而相關(guān)設(shè)備及運(yùn)行成本較高,限制了其工業(yè)化應(yīng)用,因此開發(fā)具有經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性的技術(shù)手段應(yīng)得到更多研究關(guān)注。

2.2 化學(xué)改性

化學(xué)改性可分為兩大類,一類是通過酸、堿等試劑對(duì)IDF進(jìn)行處理從而改變其成分與結(jié)構(gòu);另一類則是通過醚化、酯化、接枝化等反應(yīng)對(duì)IDF進(jìn)行修飾,改性產(chǎn)物的性能由引入基團(tuán)、取代位置和取代程度等因素所決定。

2.2.2 醚化改性 醚化改性是通過控制反應(yīng)條件在IDF化學(xué)組分中不同程度地引入烷基、羥烷基、羧烷基等基團(tuán)。例如以親水基團(tuán)取代纖維素分子中的部分羥基,可以起到提高持水性、增強(qiáng)生理活性的作用。Abdel-Halim[73]等對(duì)甘蔗IDF羥乙基化改性開展研究,提出最優(yōu)工藝條件是使用20%氫氧化鈉溶液和200%環(huán)氧乙烷(基于甘蔗IDF的重量),在100 ℃下反應(yīng)60 min,摩爾取代度可達(dá)0.45以上。黃紀(jì)念等[74]以麥麩IDF為原料,對(duì)其進(jìn)行羧甲基化改性;研究發(fā)現(xiàn),在氫氧化鈉濃度3.38 mol/L、堿化溫度35 ℃、堿化時(shí)間56 min、乙醇體積分?jǐn)?shù)87%、醚化溫度53 ℃、醚化時(shí)間3.3 h條件下改性產(chǎn)物的得率為113.87%,取代度為0.2939;改性IDF的持水力提高了105.79%,達(dá)11.825 g/g。

化學(xué)改性可以有效提升IDF的水合、吸附、交換等能力,并可賦予其新的功能。但化學(xué)改性在應(yīng)用的過程中會(huì)產(chǎn)生化學(xué)廢棄物,造成環(huán)境壓力,也制約了其在食品領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用,開發(fā)安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性高的改性技術(shù)應(yīng)是未來研究關(guān)注的重點(diǎn)。

2.3 酶法改性

酶法改性是通過酶制劑使IDF中的大分子解聚,從而改變其成分與結(jié)構(gòu)[77]。針對(duì)IDF組成特點(diǎn),常用纖維素酶、半纖維素酶(木聚糖酶)以及木質(zhì)素降解酶(如:漆酶)等對(duì)其進(jìn)行處理。

Zhou等[78]采用纖維素酶對(duì)苦蕎麥麩膳食纖維進(jìn)行改性處理;發(fā)現(xiàn)改性后可溶性膳食纖維比例增加,且膳食纖維粒徑減小,表面積增大,產(chǎn)物持水力、膨脹力明顯提高。野大川[79]采用木聚糖酶改性IDF,發(fā)現(xiàn)改性產(chǎn)物的溶脹力為6.93 mL/g、持水力為6.53 g/g、持油力為3.23 g/g,與未改性IDF相比提升顯著。劉麗娜等[80]通過復(fù)合酶(纖維素酶和木聚糖酶)改性玉米芯IDF,復(fù)合酶處理使IDF 大分子的糖苷鍵斷裂,并使致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)疏松;改性后玉米芯IDF持水力增加了40.26%、膨脹力增加了48.67%、持油力增加了74.16%。趙梅[81]采用纖維素酶和木聚糖酶改性棗渣IDF;改性產(chǎn)物FT-IR譜圖中在波數(shù)750 cm-1附近的吸收峰消失,證實(shí)了組分的游離溶解;XRD分析顯示改性產(chǎn)物結(jié)晶區(qū)域受到破壞,促進(jìn)了束縛在纖維素網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的水溶性成分的釋出。Yu等[82]使用纖維素酶和木聚糖酶對(duì)胡蘿卜渣IDF進(jìn)行改性,研究發(fā)現(xiàn),改性后其持水力、膨脹力、持油力及陽離子交換力分別提高1.28倍、1.06倍、1.09倍和1.67倍。Luo等[83]采用纖維素酶和木聚糖酶對(duì)竹殼IDF進(jìn)行改性,結(jié)果表明,改性后竹殼IDF粒徑顯著減小,表面出現(xiàn)蜂窩狀結(jié)構(gòu);改性后具有更高的持水力、持油力、對(duì)亞硝酸根離子吸附力以及與葡萄糖和膽固醇的結(jié)合能力。

酶法改性可通過降解大分子、釋放小分子而提高膳食纖維溶解性[84-85],同時(shí)改性可使粒徑變小、表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,從而暴露更多的親水性基團(tuán),綜合促進(jìn)其性質(zhì)與性能的改善。復(fù)合酶改性比單一酶改性IDF的功能性質(zhì)提升更加明顯。酶法改性反應(yīng)條件溫和、專一性強(qiáng)、對(duì)設(shè)備要求低且環(huán)境友好,但存在反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、生產(chǎn)效率較低及生產(chǎn)成本高等問題,因此開發(fā)更為有效的酶制劑是改性技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用所面臨的核心課題之一。

2.4 聯(lián)合改性

采用多種方法聯(lián)合改性IDF,不僅可以避免單一方法的不足,而且可以通過相互協(xié)作,更加有效地提升IDF性能。鐘先鋒[86]采用超高壓聯(lián)合超聲波處理燕麥麩皮IDF,改性產(chǎn)物比表面積增加13.49倍,持油力、膨脹力、粘度值和陽離子交換能力均顯著提高。Ma等[87]通過高靜水壓(50 ℃,200 MPa下處理15 min)與復(fù)合酶(漆酶和纖維素酶)聯(lián)合處理孜然IDF,SEM分析揭示出更加松散和多孔的結(jié)構(gòu),改性產(chǎn)物表現(xiàn)出更高的持水力(10.02 g/g)、溶脹力(11.19 mL/g)、持油力(10.44 g/g)、葡萄糖吸附能力(63.54 mmol/g)、α-淀粉酶抑制活性(37.95%)和膽汁酸阻滯指數(shù)(52.58%),綜合性能提升顯著;通過破壞組分共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵,產(chǎn)生更小和更可溶的分子片段,總酚含量及抗氧化活性有所提高,此外還可通過改變工藝參數(shù)(壓力、加水量和溫度等),對(duì)其功能特性加以調(diào)控[88-90]。Ling等[91]采用高靜水壓(25 ℃,300 MPa下處理15 min)和超細(xì)粉碎的方法對(duì)梨渣膳食纖維進(jìn)行物理改性,研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過改性的總膳食纖維中IDF含量下降、SDF含量上升,有一部分IDF粒徑降到微米級(jí);改性產(chǎn)物持水力與持油力顯著上升;隨著超細(xì)粉碎時(shí)間的增加,IDF粒徑越小,其對(duì)膽固醇的吸附能力越高。

聯(lián)合改性可以綜合其他改性方法的優(yōu)缺點(diǎn),可根據(jù)原料特點(diǎn)對(duì)各種技術(shù)手段加以組合實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量改性膳食纖維的高效制備,具有高度的應(yīng)用前景。

3 改性不溶性膳食纖維的應(yīng)用研究

改性IDF具有更加優(yōu)異的功能特性。作為食品添加成分,其對(duì)食品工業(yè)的積極作用主要體現(xiàn)在兩方面,一是在食品加工中,可對(duì)加工過程、感官品質(zhì)與產(chǎn)品穩(wěn)定性等帶來積極的影響;另一方面是作為健康功能因子參與代謝調(diào)節(jié),更好地發(fā)揮健康功效。

3.1 食品加工方面

改性IDF的加入能有效改善面制品質(zhì)構(gòu),根據(jù)不同的產(chǎn)品需求來提高持水力、柔軟性和疏松性,在儲(chǔ)存期內(nèi)保持外觀和口感。孫杰等[92]將蓮蓬I(lǐng)DF和經(jīng)過高溫改性后的IDF分別加入掛面中,發(fā)現(xiàn)僅添加IDF會(huì)使掛面硬度增加,而在掛面中添加3%～5%的改性IDF,未顯著影響掛面的質(zhì)構(gòu)特征,產(chǎn)品口感良好。陶春生等[93]將擠壓改性的麥麩IDF與高筋面粉混合,制成面團(tuán),發(fā)現(xiàn)隨改性IDF添加量的增加,面團(tuán)的吸水率不斷增加,延伸性逐漸降低;指出適量添加改性IDF可提高面團(tuán)的形成時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間、面團(tuán)的拉伸阻力和拉伸比數(shù),降低面團(tuán)的弱化值;當(dāng)改性IDF添加量為6%時(shí),可改善面制品(饅頭、面包)的品質(zhì),增加產(chǎn)品的體積,提高含水量,改善質(zhì)地,并延長(zhǎng)面制品的貨架期。王彪[94]將通過酶解-超聲波聯(lián)合改性后青稞IDF與未改性青稞IDF分別添加到面團(tuán)中制作成面條,研究發(fā)現(xiàn),添加了聯(lián)合改性后青稞IDF面條吸水率提升36.2%,且使面條的硬度減小、回復(fù)性和粘結(jié)性增大,咀嚼性無明顯差異。呂遠(yuǎn)[95]在戚風(fēng)蛋糕中添加面粉重量10%的改性大豆IDF,在蛋糕制作當(dāng)中表現(xiàn)出良好的泡沫穩(wěn)定性和懸浮穩(wěn)定性;蛋糕保存第8 d時(shí),其水分仍保持在20%以上,并指出改性IDF的添加延長(zhǎng)了蛋糕的貨架期。

方東亞[96]將采用酶法改性后筍頭IDF添加到酸奶中,發(fā)現(xiàn)添加改性IDF的酸奶持水力顯著上升;改性IDF因其粒徑小,持水力、膨脹力、吸附性強(qiáng),添加至酸奶中分散性好,不易沉淀,產(chǎn)品穩(wěn)定好且口感細(xì)膩。宋玉[97]將高壓蒸煮結(jié)合纖維素酶改性后的竹筍IDF、豬皮和水以1∶2∶2的比例混合制備成脂肪替代物應(yīng)用在中式香腸中,發(fā)現(xiàn)含有40%脂肪替代物的產(chǎn)品水分含量增加了3.27%、蒸煮損失率降低了26.65%、出油率降低了0.21%、出水率降低了1.86%;指出改性IDF的水結(jié)合能力降低了香腸的蒸煮損失率,并提高了香腸的乳化穩(wěn)定性和質(zhì)構(gòu)特性。

3.2 功能性食品方面

馬夢(mèng)梅[90]研究了超高壓-酶法復(fù)合改性孜然IDF的降血糖活性;發(fā)現(xiàn)其對(duì)高糖高脂飲食和鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的 2 型糖尿病大鼠具有明顯地降血糖功效。令博[98]研究了超微粉碎改性葡萄皮渣IDF對(duì)STZ誘導(dǎo)的糖尿病大鼠血糖的影響,發(fā)現(xiàn)改性IDF對(duì)糖尿病大鼠體重下降均具有顯著的抑制作用,連續(xù)灌胃三周后大鼠糖原、血清胰島素、C-肽和糖化血清蛋白水平也可恢復(fù)正常。改性IDF的降血糖活性已得到眾多研究確認(rèn),可望用于開發(fā)輔助調(diào)節(jié)血糖的功能性食品。Dai等[99]通過纖維素酶水解對(duì)豆渣IDF進(jìn)行改性,并用改性產(chǎn)物(MDF)飼喂高脂飲食小鼠,探究其對(duì)體質(zhì)量、脂肪分布、血清代謝組學(xué)參數(shù)和脂肪酸譜的影響;結(jié)果表明MDF對(duì)高脂飲食組小鼠的體重增加具有顯著的抑制作用,并導(dǎo)致TG、TC、LDL-C和極低密度脂蛋白膽固醇(Very Low density lipoprotein cholesterol,VLDL-C)的水平顯著降低;對(duì)代謝物的進(jìn)一步分析表明,MDF組中的纈氨酸水平高于高脂飲食組,?；撬崴皆贛DF組中的增加表明攝入MDF后膽固醇的合成受到抑制。Wang等[100]用纖維素酶改性生姜渣IDF,發(fā)現(xiàn)改性產(chǎn)物(MIDF)的持水力、膨脹力、持油力、陽離子交換能力、吸附能力等均高于未改性樣品;用改性產(chǎn)物喂食高脂飲食小鼠32 d后,血清TG、TC和LDL-C水平顯著低于高脂飲食組,而HDL-C水平達(dá)到高脂飲食組的2.36倍;與MIDF組相比,IDF組降低動(dòng)脈粥樣硬化風(fēng)險(xiǎn)的能力較弱;并指出MIDF可作為功能性添加成分用于輔助減肥食品的開發(fā)。

4 結(jié)語

當(dāng)前,膳食纖維強(qiáng)化食品研發(fā)倍受產(chǎn)、學(xué)、研各方關(guān)注。為了拓展優(yōu)質(zhì)膳食纖維補(bǔ)充渠道,改善IDF的加工特性與健康功效已得到相關(guān)領(lǐng)域研究重點(diǎn)關(guān)注。IDF的組成與結(jié)構(gòu)決定其各方面性質(zhì)與性能。通過物理法、化學(xué)法、酶法等對(duì)IDF進(jìn)行改性,可使IDF的水合、吸附、離子交換等性質(zhì)明顯改善,并使其具有更強(qiáng)的抑制消化酶類活性能力,進(jìn)而提升其調(diào)節(jié)代謝能力,以及改善消化道健康功效。改性產(chǎn)物的功能特性使其在食品加工與功能性食品開發(fā)領(lǐng)域具有高度的應(yīng)用潛力。開發(fā)具有經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性的物理改性技術(shù)、探索安全、環(huán)保的化學(xué)改性手段、尋找更為有效的生物改性酶制劑等問題應(yīng)是相關(guān)研究的重點(diǎn)方向。此外,在改性膳食纖維的工業(yè)化應(yīng)用開發(fā)、產(chǎn)物功能特性調(diào)控及其體內(nèi)調(diào)節(jié)代謝機(jī)制的闡明等方面仍有大量科技問題亟待解決,應(yīng)得到未來研究的重點(diǎn)關(guān)注,以期更好地滿足大眾對(duì)健康功能食品的需求。