豆渣水溶性膳食纖維提取工藝的研究現狀與展望*

張 慧，肖志剛，王 東

（1.東北農業大學，哈爾濱 150030；2.黑龍江畜牧獸醫職業學院，黑龍江 雙城 150111）

膳食纖維（dietary fiber，簡稱DF）是指不易被人體消化吸收的，以多糖類為主的大分子物質的總稱，是由纖維素、果膠類物質、半纖維素和糖蛋白等物質組成的聚合體。隨著科學的進步，人們逐漸認識到，攝取食物過于精細會導致多種疾病的發生，而食用富含膳食纖維的食品則可大大降低發病率。因此，20世紀70年代開始，西方一些國家就已經重視對膳食纖維的研究，我國在進入90年代以來對膳食纖維的研究和開發工作也開始蓬勃發展起來。

膳食纖維的主要生理功能有整腸、通便、防治腸道疾病和便秘，還能夠調控血清膽固醇，降血壓，防治心血管疾病，降血糖，以及預防肥胖等。國內外近幾年關于豆渣水溶性膳食纖維的研究也在逐漸增多，主要研究物理法、化學法、生物技術法和多種方法的結合來提高豆渣中水溶性膳食纖維的含量，以及提取豆渣水溶性膳食纖維的工藝條件，從而制備出高活性、高含量的豆渣水溶性膳食纖維。通過對豆渣營養成分的測定發現，豆渣含有豐富的膳食纖維，約為60%[1]，合理開發利用這一資源生產豆渣水溶性膳食纖維，對提高大豆資源的利用率具有重要實際意義。

1 膳食纖維的分類

根據膳食纖維的溶解性可分成水溶性膳食纖維（SDF）和不溶性膳食纖維（IDF）。水溶性膳食纖維是指不能被人體消化道分泌的消化酶所消化，但可溶于溫水或熱水，且其水溶液又能被相當于四倍乙醇再沉淀的那部分膳食纖維[2]。水溶性膳食纖維主要有植物細胞內的儲存物質和分泌物，其組成主要有一些膠類物質，如：果膠、阿拉伯膠、交叉膠、瓜兒膠等，以及半乳甘露聚糖、葡聚糖等。水溶性膳食纖維具有很高的生理活性，具有不同的功能，例如可作為分散劑、乳化劑、穩定劑、黏附劑[3]。因此，它不僅可以作為纖維強化食物的膳食粗原料，也可以用作制藥以及工業上的添加劑。

2 膳食纖維的改性

膳食纖維有很好的生理作用，且其中很多重要的生理作用都與其SDF有很大的關系。許多天然存在的膳食纖維資源中水溶性膳食纖維所占比例很少，無法達到膳食平衡要求。近年來國際營養學家一直致力膳食纖維的改性研究。目的是使膳食纖維中的大分子組分的連接鍵斷裂，轉變成小分子成分；部分不溶性成分轉變成可溶性成分；使致密的空間網狀結構轉變為疏松的空間網狀結構。實驗證明經過改性的膳食纖維，其功能得到了強化，應用范圍得到了拓寬。目前，應用于提取豆渣水溶性膳食纖維的工藝主要有以下3種：物理法、化學法及生物技術法。

2.1 物理方法

在許多原料（特別是豆渣）中，總膳食纖維（TDF）含量很高，但水溶性膳食纖維含量比較低。通過擠壓膨化、超高壓均質、超聲等處理，可以提高水溶性膳食纖維的含量。其機理是：通過擠壓膨化、超高壓均質、超聲等過程中的高速撞擊、高速剪切、激波振蕩、空穴爆炸等作用，使較大分子量的不溶性膳食纖維，如：纖維素、半纖維素、木質素等大分子的糖苷鍵熔融或斷裂，轉化為水溶性聚合物，部分不溶性膳食纖維轉化為非消化性的水溶性膳食纖維[4]。

2.1.1 擠壓蒸煮法 擠壓蒸煮技術是使物料在擠壓膨化設備中受到高溫、高壓、高剪切作用，從而使物料內部的水分在短時間內迅速汽化，纖維物質分子間和分子內空間結構擴展變形，并在擠出膨化機出口的瞬間由于突然失壓造成物料結構發生變化，形成疏松多孔的狀態。將物料送入擠壓蒸煮機中，在高溫、高壓條件下進行擠壓、剪切等處理，不但改善了物料的色澤和風味，更重要的是由于高溫、高剪切力作用使得大分子量的不溶性纖維組分的部分連接鍵斷裂轉變成為較小分子量的水溶性膳食纖維。水溶性膳食纖維增加的量與半纖維素減少的量成正相關，原因是部分半纖維素（如阿拉伯木聚糖）及不溶性果膠類物質會發生熔斷現象或斷裂部分連接鍵，轉變成為水溶性聚合物，使SDF含量增加到10%～16%，但是擠壓過程基本上對豆渣纖維素的結晶性質沒有影響。

馬毓霞[5]等采用擠壓膨化方法對大豆膳食纖維進行了多功能活化，其可溶性纖維、持水力、膨脹力等均有不同程度的提高；特別是可溶性纖維（SDF）含量由對照的2.4%提高到14.26%以上。錢建亞等[6]使用BC21型雙螺桿擠壓機，在180℃、15%水分、螺桿轉速250r/min條件下，可使SDF含量達到10.03%。豆渣經上述擠壓條件處理，其可溶性膳食纖維含量得到顯著提高，物化特性得到明顯改善，生理功能特性得到增強。

2.1.2 瞬時高壓技術 瞬時高壓作用（IHP）可顯著提高可溶性膳食纖維的含量，其原理[7,8]是：在高壓均質處理的過程中，利用高速撞擊、高速剪切、激波振蕩、空穴爆炸、膨化等一系列作用，使較大分子量的不溶性膳食纖維如纖維素、半纖維素、木質素等大分子的糖苷鍵斷裂，部分不溶性膳食纖維轉化為非消化性的可溶性膳食纖維，即SDF/TDF值增大。

劉成梅等[9]采用以微射流均質機為物質基礎的瞬時高壓作用，對豆渣的膳食纖維進行物理機械處理，獲取了瞬時高壓作用處理前后膳食纖維可溶性受到的影響。物料經40MPa高壓均質處理和經100MPa和120MPa微射流均質處理后，其可溶性膳食纖維的含量分別為7.08%、17.51%、24.76%，總膳食纖維含量分別為63.87%、72.19%、69.78%，可溶解性膳食纖維（SDF）含量與總膳食纖維（TDF）含量比值分別為0.1109、0.2424、0.3548，由此可見，經瞬時高壓處理后，樣品膳食纖維總含量和可溶性膳食纖維的含量均有所增加。

2.1.3 超聲波 超聲波是一種在彈性介質中的機械振蕩，其頻率范圍為2×104～109Hz[10]。超聲波在物質介質中形成介質粒子的機械振動，可引起與媒質的相互作用，在液體內的作用主要來自超聲波的熱作用、機械作用和空化作用[11]。其熱作用可使介質吸收超聲波能量轉變成熱能，使自身溫度升高；其機械作用可使介質膨脹、壓縮，并具有速度和加速度；其空化作用可產生瞬時的高溫、高壓，且空化泡的塌陷產生強烈的機械作用，在液體中產生強大的沖擊波，在固體界面附近產生快速射流和聲沖擊。超聲波降解大分子物質主要機理是機械性斷鍵作用及自由基氧化還原反應。超聲波機械性斷鍵作用是由于物質的質點在超聲波中具有極高的運動加速度，產生激烈而快速變化的機械運動，分子在介質中隨著波動的高速振動及剪切力作用而降解。自由基和熱造成的機械剪切對分子量較低的大分子物質較有效，而機械效應對高分子物質效應更為顯著，且隨分子量增加而增加[12]。

2.2 化學方法

化學方法是采用酸、堿等化學試劑控制適當pH、溫度和反應時間使糖苷鍵斷裂，產生新的還原性末端，使纖維類大分子的聚合度下降轉化成非消化性的水溶性多糖。酸堿處理能使水溶性膳食纖維含量得以較大地提高，且成本較低，易于實現大型生產，但是需大量的水洗從而造成水溶性膳食纖維大量損失，酸堿處理還存在轉化率低、反應時間長、副反應較多、工藝過程復雜、溫度較高、對設備要求較高等不利因素[13-16]。

2.2.1 酸法 纖維中纖維素、半纖維素的糖苷鍵對酸的穩定性差，只要在適當的pH、溫度及時間下，它們就會發生水解，說明酸是一種催化劑，它可以降低糖苷鍵斷裂的活化能，加快其水解速度，產生新的還原性末端，使聚合度下降，使膳食纖維中IDF轉變為SDF。

Furuta等[17]在pH 2.0、100℃條件下，提取1.5h使豆渣中SDF的含量大幅提高。在pH 3.0條件下提取4.5h，SDF含量為8%左右[5]。孫保華[18]、陳正宏[19]等采用1mol/L的鹽酸調酸，使pH在3～5之間，80～100℃的熱水處理后，再用1mol/L的氫氧化鈉調pH至中性，烘干粉碎后得到色澤較白、無腥臭味的大豆膳食纖維產品。

2.2.2 堿法 堿性降解包括堿性水解反應和剝皮反應兩種類型，與上述酸性水解相同，堿性水解也需在適當pH、溫度和時間下糖苷鍵斷裂，聚合度下降。另外，在堿性溶液中，即使是在很溫和的條件下，纖維素和半纖維素都會發生剝皮反應，具有還原性末端的糖基逐個分解下來，直到產生末端基轉變為偏變糖酸基的穩定反應為止，分解下來的糖基在溶液中最后轉變為異變糖酸，并以其鈉鹽形式存在于溶液中。但是，盡管二者都使膳食纖維聚合度下降，但由于異變糖酸鈉鹽數量的提高制約了IDF向SDF的轉變，因此使得堿解SDF得率較酸解差些。

孫云霞[20]利用Na2CO3溶液提取大豆豆渣中的水溶性膳食纖維，經研究發現，將5g濕豆渣置于75mL、4%的Na2CO3溶液中，水浴加熱至90℃，浸提60min，可得到產率為41.86%的水溶性膳食纖維。華欲飛[21]等人報道了堿性過氧化氫能改變豆渣纖維的物理化學性質，色澤、持水性、溶脹性等指標顯著改善。可以得到膳食纖維含量達94%、色淺、無異味的功能性大豆纖維，其持水能力是本身重量的12倍，充分溶脹后體積增加24倍。錢建亞和丁宵霖[22]研究了酸堿作用對膳食纖維組成的影響，發現酸堿處理可以提高SDF的含量，酸堿強度和用量與半纖維素向水溶性纖維的轉化率成正相關。但酸堿對纖維素的作用受到限制。

2.3 生物技術法

2.3.1 酶法 采用化學方法制備的膳食纖維還含有少量的蛋白質和淀粉，要制備極純凈的膳食纖維必須結合酶處理。酶法主要是通過蛋白酶除去蛋白質，淀粉酶溶解淀粉，利用纖維素酶分解不溶性膳食纖維中的纖維素成分，生成小分子量的單糖或寡糖，從而可增加可溶性膳食纖維的產率[5，23-24]。

馬毓霞等人[5]報道采用纖維蛋白酶novo44055對豆渣進行功能活化，酶對糖苷鍵的催化作用較強，在溫和的條件下即發生明顯反應。經酶處理后，SDF的得率為10.8%，持水力為7.75%，膨脹力為4.22%。劉昊飛等人[25]將0.5%的Viscozyme L復合纖維素酶添加到豆渣中，調節反應溶液pH為5，于50℃下反應1.5h，豆渣SDF得率為10.45%。

2.3.2 發酵法 發酵法是利用微生物發酵，消耗原料中的碳源、氮源，以消除原料中的植酸，減少蛋白質、淀粉等成分[5]，通過產酸或酶類的作用，提高SDF的含量，但是過度的水解也可能對其功能性造成影響[26,27]。發酵法生產過程簡便，成本低廉，產品無異味易于實現工業化，制取的膳食纖維其蛋白質、粗纖維、乙醚提取物（主要為黃酮類化合物）的含量高且其持水力顯著高于化學法制取的膳食纖維的持水力。其中，利用乳酸菌發酵產酸制備豆渣SDF，是使豆渣處在酸性環境下，糖苷鍵發生斷裂，產生新的還原末端，使IDF轉化為SDF[28]。霉菌發酵豆渣是通過菌體分泌纖維素酶、半纖維素酶類等物質，使IDF的糖苷鍵斷裂，生成小分子多糖，轉化為SDF，從而改善膳食纖維的生理活性。

姜竹茂[29]等人將綠色木霉接種于豆渣后，因綠色木霉可以產生大量C1、CX、纖維素酶、淀粉酶等，將部分不溶性膳食纖維和淀粉迅速分解成單糖或寡糖及其他成分，所以，可溶性膳食纖維產率明顯上升，30℃搖床培養72h后，SDF產率為11.06%。

3 展望

隨著人們生活水平的不斷提高，飲食日趨精細，人們已逐漸認識到水溶性膳食纖維的生理功能，水溶性膳食纖維的提取工藝必然會成為功能性食品的研究熱點之一，研究的發展趨勢將主要是以下幾個方面：①膳食纖維分離制備方法的研究，由于不同的加工方法對膳食纖維產品的理化性質和生理功能有明顯影響，如反復用水浸泡沖洗和頻繁的熱處理會明顯減少膳食纖維終產品的持水力和膨脹力，這樣不僅會惡化其工藝特性，而且會影響其生理功能的發揮。因此，采用較為溫和的工藝方法和高新技術提取分離膳食纖維是今后膳食纖維的研究方向之一；②膳食纖維的工業化生產的研究，如何將膳食纖維這一長期被忽視的寶貴資源充分利用起來，不僅要求其應用范圍的拓寬，更要求將膳食纖維產品以工業化規模開發出來，使之有經濟上的可行性，提高膳食纖維開發利用的經濟價值，也是研究方向之一。

總之，隨著人們對水溶性膳食纖維營養價值認識的提高，以及國內外對水溶性膳食纖維的深入研究，豆渣水溶性膳食纖維的開發應用將具有重要的現實意義和廣闊的市場前景。

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