膳食纖維的制備技術及理化性能的研究進展

葉秋萍，曾新萍，鄭曉倩

（福建省亞熱帶植物研究所廈門市農林新優種苗繁育工程技術研究中心，福建廈門361006）

膳食纖維（dietary fiber，DF）被稱為人類的第七大營養素，享有“腸道清潔夫”和“生命綠洲”的美稱，對預防齲齒、降血脂、促進腸道消化吸收、防止便秘、減肥、降低血糖、降低血壓等都有一定的作用[1-3]。除此之外，膳食纖維還對降低與荷爾蒙相關的癌癥（如乳腺癌等）有一定的功效。我國具有豐富的膳食纖維原材料如谷物、蔬菜、水果、茶葉等，加工過程產生的下腳料和廢棄物如麥麩、米糠、山藥皮、火龍果皮、臍橙皮、茶梗等，有一部分被開發成飼料或者肥料，仍有很大部分被當成廢棄物丟棄，因此其附加值較低。本文擬通過對膳食纖維的各種制備方法的分析比較，對其理化特性、生理功能及在食品方面的應用等研究概況進行全面闡述，以期為膳食纖維的深入研究提供思路，對充分挖掘廢棄資源的再利用、提升附加值具有重要的理論意義和生產實踐意義。

1 膳食纖維的定義

膳食纖維最早由Hipsley提出，是一類不能被人體消化酶消化、也不能被小腸吸收的以多糖為主的高分子物質的總稱，主要成分包括纖維素、半纖維素、木質素及樹膠、果膠、黏質等[4]。Trowell根據膳食纖維的可食用性和抗消化性將其定義為“不被人體所消化吸收的多糖碳水化合物和木質素”[5]。美國谷物化學協會將膳食纖維定義為“凡是不能被人體內源酶消化吸收的可食用植物細胞、木質素、多糖以及相關物質的總稱”[6]。Mudgil等[7-8]認為膳食纖維主要是指來源于植物的內源性抗消化的木質素以及碳水化合物。國際食品法典委員會則認為[9]：膳食纖維是指在人體內不能被小腸消化吸收，且聚合度大于3或者10以上的碳水化合物的聚合物[10]。目前，被大家普遍認可的定義是：膳食纖維是指不能被人體小腸消化吸收，而能被人體大腸全部或部分發酵的可食用性植物、木質素、多糖以及其他相關的物質總稱。膳食纖維根據溶解性不同，可分為水不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）和水溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）。其中IDF包括纖維素、部分半纖維素和木質素，SDF包括果膠、樹膠、低聚糖等親水膠體物質和部分半纖維素[11]。

2 膳食纖維的制備方法

2.1 化學法

化學法是指將原材料清洗干燥、并粉碎過篩目之后，加入酸堿試劑進行浸提處理，制備膳食纖維的方法[12]。化學法一般包括直接水提法、酸法、堿法等。采用直接水提法和酸法具有工藝流程簡單、成本低、無污染的優點，但是制備SDF的得率較低[13]。堿法使用最為普遍，其方法是：在提取過程中加入堿試劑從而改變浸提液的酸堿度，并加入其他化學試劑，將IDF和SDF進一步分離[14]。采用堿法提取茶末水溶性膳食纖維發現提取SDF的適宜工藝為：NaOH的質量分數為8%，提取溫度為90℃，提取時間為75 min。在pH值7.0時，SDF對膽固醇的吸附量高于pH值2.0下的，而對NO2-的吸附則相反。采用酸堿法制備茶渣水不溶性膳食纖維，結果表明pH值為13.5、溫度為90℃、時間為3 h條件下，制得的水不溶性膳食纖維含量為91.32%，得率為20.11%[15]。又有采用堿法提取石阡苔茶茶渣水不溶性膳食纖維的，結果表明：浸提溫度為32.6℃、堿濃度 0.2 mol/L、浸提時間 50 min、料液比 1∶13.5（g/mL），提取率最高為78.66%，持水力為183.92%，溶脹度為2.83 mL/g[16]。李鳳霞等采用堿法提取薇菜中不溶性膳食纖維，提取率達41.81%[17]。綜上，化學法制備的膳食纖維得率較高，操作便捷，是較為常用的提取方法，但是該法易產生大量污水，造成環境污染，而且由于制備過程采用過多的酸或堿的浸泡導致膳食纖維的生物活性降低。

2.2 酶法

酶法是采用多種酶將膳食纖維以外的其它組分（蛋白質、脂肪、淀粉等物質）分解去除，從而獲得膳食纖維的方法[18]。此法使用的酶制劑成本高，但是酶解工藝溫度較低、操作方便，更可以省去部分工藝和設備，環境污染較少，對于淀粉和蛋白質含量高的原料制備膳食纖維尤為適合[19]。采用酶法制備茶下腳料中膳食纖維，獲得最佳提取工藝為：0.5%α-淀粉酶、60℃下處理90 min，洗滌過濾，再以0.5%的NaOH于70℃下處理25 min，漂洗至中性再進行烘干[20]。采用a-淀粉酶提取棗渣中的不溶性膳食纖維，提取率是化學法的1.5倍[21]。酶法應用過程中，酶制劑的種類較多，需先進行選擇，且要求控制酶反應的溫度和pH值，反應時間較長，但其提取條件較為溫和、污染少，產品無溶劑殘留，因此目前應用較多。

2.3 發酵法

發酵法是利用微生物發酵提供的酸性環境，產生的酶類使原料中的成分如蛋白質、脂肪、淀粉等發生反應分解，獲得膳食纖維的方法。目前主要選用綠色木霉、保加利亞乳酸桿菌和嗜熱鏈球菌混合菌、枯草芽孢桿菌、白腐菌等作為發酵菌種。與化學法相比，此法生產的膳食纖維具有較好的色澤、氣味、質地及分散程度，膨脹率和持水率也較佳[22]。采用保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌（1∶1，體積比）混合菌發酵制備茶渣可溶性膳食纖維，品質較佳。采用枯草芽孢桿菌提取米糠柏中可溶性膳食纖維，研究發現發酵時間22.4 h、溫度35℃、接種量6.6%，SDF的得率達到12.88%[23]。發酵法能有效促進IDF向SDF轉化，提取的膳食纖維實用性和生物活性較高，但是由于發酵時間較長，需選擇合適的菌種。

2.4 膜分離法

膜分離法是對不同分子量的膳食纖維，以改變膜的分子截留量的方式進行分離提取[19]。目前此法適用于可溶性膳食纖維的分離制備，但還需進一步研究不溶性膳食纖維的分離。由于該法對設備和技術水平要求較高，目前還難以實現大生產[18]。

2.5 多方法輔助提取法

酶-化學法是指同時使用化學試劑和各種酶分解、去除膳食纖維以外的其他成分，獲得純度較高的膳食纖維。此法可結合化學法和酶法的優點，一般選用α-淀粉酶、纖維素酶、蛋白酶等酶類，獲得的膳食纖維具有較高的持水力、膨脹力和得率，但此法的成本較高[13]。

超聲波提取法是根據超聲波的特殊物理屬性，通過壓電換能器產生的快速機械振動波，使目標萃取物與樣品基體之間的作用力減小，達到固、液分離萃取。該法具有提取溫度低、時間短、得率高等優點，已被應用于中藥材和各種有效成分的提取，是環保節能型的現代高新技術提取手段[24]。

目前也有采用微波提取可溶性膳食纖維，具有設備簡單、時間短、污染小、得率高等優點。

3 膳食纖維的理化特性

3.1 水合作用

由于膳食纖維具有多孔狀結構，且含有很多親水性基團，故其具有很強的水合作用[25]。膳食纖維的水合能力一般以持水力和膨脹率等指標來衡量。膳食纖維的持水力因原料、制備方法、顆粒大小及分析方法的不同而不同，一般為自身重量的1.5倍～25倍，其中果膠含量高的吸水性較強[13]。提高膳食纖維的持水力有利于排便，可以減輕直腸內的壓力，起到預防結腸癌、預防便秘、痔瘡等腸道疾病的作用[26]。膳食纖維由于吸水膨脹后體積變大，易產生飽腹感，影響人體對其他成分的吸收，有益于肥胖癥患者[27-28]。目前，已有學者對茶渣和茶梗的膳食纖維的持水力和膨脹力開展了研究，證明其具有較好的水合作用[16，20，27]。

3.2 吸附能力

膳食纖維分子表面含有很多活性基團，可以吸附其他的分子。不僅可以吸附油類、香氣等物質，賦予食品各種香氣和風味。同時還可螯合膽固醇、膽汁酸以及腸道內源毒素，化學藥品和外源性毒素等有機化合物[29]。膳食纖維還可以吸附礦質離子、重金屬和鹽類物質[13，30]。膳食纖維可形成具有一定厚度的網狀物，可吸附腸道中的某些物質如脂肪顆粒等[31-33]，起到降血脂的作用。

3.3 離子交換能力

膳食纖維化學結構中含有羧基和羥基類等活性基團，屬于弱酸性陽離子，可與有機陽離子進行可逆的交換[34]。還可與Ca、Zn、Pb等陽離子交換，并且能優先交換Pb等有害離子，使有害離子隨糞便排出。同時還能改變陽離子的瞬間濃度、消化道的pH值、滲透壓及氧化電位，還能與腸道中的鈉離子和鉀離子交換，從而降低血液中鈉離子和鉀離子的比值，起到降血壓的作用[35]。此外，膳食纖維完全發酵后產生短鏈脂肪酸，可以促進人體對鈣、鎂、鐵等礦物質的吸收[36]。

3.4 菌群調節作用

膳食纖維可被大腸內微生物發酵降解，產生乙酸、丙酸等短鏈脂肪酸，使pH值降低，既抑制厭氧菌的產生，又可誘導產生大量的好氧有益菌[37]，從而改善了腸道菌群。膳食纖維的降解程度受到種類、顆粒大小和攝入方式等的影響。水溶性纖維素如果膠幾乎可被完全降解，水不溶性纖維如纖維素等幾乎不能被發酵；顆粒小比顆粒大的更容易降解；單獨攝入的較易被降解[34]。

3.5 具有類似填充劑的作用

膳食纖維吸水膨脹后體積變大，易引起飽腹感。人體食用膳食纖維后還會減緩其他物質的消化吸收，故不易產生饑餓感。因此，膳食纖維能夠預防肥胖癥的發生。

3.6 溶解性和黏性

膳食纖維的溶解性主要是由其有序和無序結構的穩定性所決定的。結構越不規則，溶解性越好[38]。如瓜兒膠具有不規則的主鏈和側鏈結構使其具有較好的溶解性；纖維素具有線性有序結構，溶解性差[25]。

膳食纖維的黏性主要是由物質化學結構、溫度、溶劑和濃度所決定的。如瓊脂、果膠、瓜兒膠等都具有良好的黏性和膠凝性，可形成高黏度的溶液。在胃腸道中，它們可增加內容物黏度，形成膠基層，降低胃排空率，延緩和減少對膽固醇、膽汁酸、葡萄糖等物質的吸收[39]。

4 膳食纖維的生理功能

4.1 預防肥胖癥

膳食纖維具有吸水膨脹性，在胃中體積變大形成高黏度的溶膠或凝膠，易產生飽腹感而影響對其他食物的攝入[40]。膳食纖維不僅能通過影響蛋白質、脂肪等消化酶的活性，減少人體對這些物質的吸收[41-42]；還可吸附脂肪排出體外，減少人體對脂肪的吸收[43]。

4.2 緩解便秘

水溶性膳食纖維具有較強的持水性，可使排泄物濕潤、松軟；不溶性膳食纖維通過刺激腸道蠕動，加速有害物質的排出[44-45]。此外，膳食纖維易被大腸內的細菌發酵降解，產生氣體和大量短鏈脂肪酸，這些酸類物質會使酸度和糞便量增加，加速腸糞便排出，起到預防便秘的作用[29，46-47]。

4.3 改善腸道菌群

膳食纖維可被腸道微生物降解，產生短鏈脂肪酸，增加腸內酸度，促進腸道有益菌的生長繁殖，同時抑制有害腐敗菌的生長，對增強人體免疫力、保護肝臟起到積極的作用[34]；部分未被發酵的膳食纖維還可刺激腸道蠕動，加快有害物質的排泄速度，避免相關疾病的發生[48]。

4.4 降血壓降血糖

膳食纖維中的酸性多糖，具有較強的陽離子交換能力，對消化道的氧化還原電位、滲透壓以及pH值均產生影響，形成緩沖環境；再者膳食纖維還可與腸道中的鈉離子和鉀離子交換，降低二者在血液中的比值，起到降血壓作用[34]。

可溶性膳食纖維吸水后增加腸道黏度，降低胃排空速度，從而阻礙葡萄糖分子進入腸道黏膜細胞，而不可溶膳食纖維則吸附葡萄糖，減少人體對葡萄糖的吸收，降低對胰島素的需求，對于改善糖尿病具有積極的作用[33]。因此，增加膳食纖維的攝入量，可有效降低膽固醇和低密度脂蛋白量，提高胰島素降血糖作用，有利于糖尿病患者[49]。

4.5 降低膽固醇

膳食纖維可加快脂肪通過腸道的速度，延緩或抑制膽固醇和甘油三酯在淋巴中的吸收；同時膳食纖維還能吸附膽固醇代謝產物膽汁酸，降低膽固醇和甘油三酯消化產物分子團的溶解，更多的膽固醇需要被消耗以補充被排出的膽汁酸，從而降低了膽固醇含量[50-51]。華聘聘等研究表明動物食用可溶性大豆膳食纖維能降低膽固醇、甘油三酯[52]。Satija等研究發現經常攝入谷物膳食纖維能改善心血管機能，減少心血管疾病的發生[53]。

4.6 提高人體免疫力

膳食纖通過刺激腸道黏膜細胞生長，抑制腸道細菌的滋生，為腸道菌群生長提供所需的代謝底物和良好的生存環境，從而增強人體免疫力。從食用菌中提取可溶性膳食纖維，其中的多糖組分可通過巨噬細胞并產生抗體，從而提高人體免疫力[54]。從百香果、芒果、菠蘿和番石榴等水果中提取的膳食纖維具有良好的抗氧化性[55-56]。

4.7 其他生理功能

膳食纖維能吸附體內的游離型雌激素，起到預防乳腺癌的作用[57]；吸附毒素和水分，幫助人體正常代謝雜質，使腸胃保持順暢，可改善上火、口臭等問題[17]；清除汞、砷、鎘和銅，將濃度降低至安全水平。此外，膳食纖維的缺乏還與膽結石、闌尾炎、間歇性疝、腎結石、十二指腸潰瘍和潰瘍性結腸炎等疾病有很大的關系[58-60]。

5 膳食纖維的應用

5.1 在面制品中的應用

谷物制品中添加膳食纖維，不僅可以增加營養、預防疾病，還可以改善產品的黏性、質地、感官特性以及貨架期[61-65]。侯漢學等[66]在面包中添加4%的膳食纖維，發現可以提高面包品質。王伊沂[67]將可溶性膳食纖維添加到面條、饅頭、米飯中，發現口感較沒有添加的好。Gómez等[68]將2%豌豆皮膳食纖維添加到面包中，可明顯降低面包表皮硬度。Piteira等[69]將豌豆皮和其他纖維添加曲奇餅干中，可提高面團的機械性。

5.2 在飲料中的應用

在飲料中加入膳食纖維，飲料的沖調性、穩定性及分散性可以明顯的提高，并且具有保健性。在酸奶中加入膳食纖維，制成谷物膳食纖維發酵乳和果蔬膳食纖維發酵乳，可以加強胃腸蠕動，有利于促進毒素排除、消化，防治便秘[70-74]。在乳飲料中加入膳食纖維，既可改善其穩定性，又能增加營養價值[75-76]。

5.3 在肉制品中的應用

肉制品中添加膳食纖維，可保持水分，增加黏性和凝膠能力，能夠很好的支撐組織結構[77]，保證了出品率，改善口感[65，78]，還可以抑制微生物的生長[66]。余歡歡等[78]研究表明：添加10%的燕麥膳食纖維到牛肉中，可降低其硬度，顯著改善嚼勁，顯著提高出品率和感官品質。Cardoso等[79]將豌豆纖維添加到鱈魚中，可改善魚肉的組織結構，延長保質期。

5.4 在餡料、湯料食品中的應用

在包子和點心餡等面食制品中加入膳食纖維，效果良好。此外，在普通湯料中加入1%的膳食纖維，可以起到補充營養的作用[80]。

5.5 在果醬、調味品等食品中的應用

在果醬、果凍食品中添加可溶性膳食纖維，可增強黏度，防止脫水。劉晶晶等[81]將大豆膳食纖維添加到冰淇淋中，色澤自然，風味獨特，具有保健作用。沈群[82]在調味品（如醬油）中添加膳食纖維，可以提高黏稠度，防止組分分離，調整風味。此外，膳食纖維還可用于西餐色拉的調制等。

5.6 在其他食品中的應用

膳食纖維除了用于上述食品的研制外，還可應用于糖果、罐頭、嬰幼兒食品、香腸、擠壓膨化或油炸食品和保健食品的制作[83-85]。

6 展望

膳食纖維具有預防肥胖癥、緩解便秘、改善腸道菌群等生理功能，其在食品領域的應用日愈廣泛，充分利用谷物、果蔬等食品的皮、渣制備膳食纖維，對提高農副產品的附加值具有重要的意義。因此，如何采用綠色安全的提取技術制備高提取率和高品質的膳食纖維，已成為科技工作者研究的重要任務。為提高農副產品的下腳料和廢棄物的的經濟價值，應加強以下幾個方面的研究：1）挖掘含有豐富纖維素的食品副產物如食用菌下腳料、茶梗等，節約資源、保護環境，提升附加值，促進產業升級轉型。2）膳食纖維分為SDF和IDF，SDF相對IDF具有更重要的生理功能，采用高效、綠色制備技術，使IDF向SDF轉化，提高SDF的含量，以提高膳食纖維的功能品質。如將超聲波提取法與酶法相結合，充分利用超聲波提取法既能解決酶法反應時間長、成本高的問題，又可獲得較高提取率、高膨脹率和高持水率的高品質膳食纖維；或者選用乳酸菌或綠色木霉作為發酵菌種，發酵法可獲得高提取率和較高生物活性的膳食纖維。3）加強產品的性能研究，目前關于膳食纖維的性能研究很多僅限于持水力和膨脹力等水合性能研究，還應增加膳食纖維的膽固醇、脂肪、葡萄糖等吸附性能和清除DPPH自由基、還原能力等抗氧化性能研究，以期探明膳食纖維的理化特性，為其今后在食品方面的應用提供理論依據。