水不溶性膳食纖維生理功能、制備工藝及應用研究進展

宋康，宋莎莎，弓志青，崔文甲，王文亮，李春香

山東省農業科學院農產品研究所/山東省農產品精深加工技術重點實驗室/農業農村部新食品資源加工重點實驗室（濟南 250100）

膳食纖維是指不能被人體消化吸收的木質素和多糖類碳水化合物，主要是基料、碳水化合物和填充類化合物三部分[1]。近年來隨著大家對其生理功能尤其是在促進腸胃蠕動、預防心腦血管疾病及肥胖方面日益重視，膳食纖維被列為七大營養素之一。根據膳食纖維在水中的溶解性可將其分為水溶性膳食纖維與水不溶性膳食纖維。其中水不溶性膳食纖維占天然纖維的2/3～3/4，是指不溶于水且不易被人體消化道酶消化的膳食纖維，主要成分包括纖維素、部分半纖維素及木質素等，是組成細胞壁的重要成分[2-4]，大部分來源于谷物食品以及果蔬類食品。主要介紹水不溶性膳食纖維的理化特性、保健功能、制備工藝及在農產品加工行業的應用進展，并對其進一步研究做了展望。

1 水不溶性膳食纖維的理化特性

1.1 持水力與膨脹力

果蔬、食用菌等日常食物中含有的膳食纖維具有一定吸水性和持水性。因為膳食纖維的化學結構有許多親水性基團，這些親水性基團使其能吸收1.5～25倍的水分，另外水不溶性膳食纖維的纖維素中存在毛細管結構，使其具有一定吸水性[5-6]。纖維素存在無定形區，無定形區存在一些空隙，使其有限溶脹，增大體積[6]。膳食纖維吸水后膨脹，在腸道中會使得糞便體積增大，有促進腸道蠕動的功效。

1.2 離子交換作用

在一些膳食纖維分子結構中，含有一些重要的側鏈基團，主要有羥基、羧基等。這些基團可與陽離子進行可逆性交換，扮演一個弱酸性陽離子交換樹脂的角色[7]。Chau等[8]測定3種豆類的水不溶性膳食纖維的陽離子交換能力，發現均具有較強的離子結合能力，且陽離子交換能力的強弱與膳食纖維結構中糖醛酸含量有關。

1.3 吸附作用

膳食纖維分子具有一定長度、強度與彈性，在機體的消化道中能夠形成具有一定強度和體積的網狀結構，其中網狀結構具有物理性吸附特性，能夠吸附某些物質[9]，如膽固醇、脂肪等。

2 水不溶性膳食纖維的保健功能

2.1 預防及減輕便秘

水不溶性膳食纖維因其在消化道中具有吸水性及膨脹性，對于促進腸胃蠕動和改善便秘具有一定作用。宋江良[10]研究不同目數的茶葉水不溶性膳食纖維對改善便秘的功能性，研究結果表明80目的水不溶性膳食纖維具有通便作用，但是對促進小腸蠕動功能不明顯，100，150和200目的膳食纖維具有明顯的通便與促進小腸蠕動作用。王娟等[11]通過動物試驗研究香蕉中水不可溶性膳食纖維的通便作用，研究表明小鼠在4 g/（kg BW·d）的飼喂計量下，具有促進便秘模型小鼠小腸蠕動作用，在1 g/（kg BW·d）劑量下，具有縮短縮便時間、加快排便速度的效果。

2.2 改善腸道菌群

近年來，大量研究結果認為可以將腸道菌群視為人體的一個器官，而且是重要器官。其重要性體現在腸道菌群不僅可以與機體進行物質與信息交換，影響機體的正常代謝與營養吸收，而且與腸道黏膜的免疫應答形成和維持也有著非常密切的關系，有最新研究揭示一種腸道微生物放大肺部炎癥反應的生物學機制[12-15]。大量學者通過研究證實膳食纖維具有調節腸道菌群的功效。吳占威等[16]從豆渣中提取膳食纖維，并灌胃小鼠研究對小鼠腸道菌群的影響，結果表明高劑量的水不溶性膳食纖維對小鼠腸道菌群調理作用明顯，可以增加乳酸桿菌與雙歧桿菌的數量，并在一定程度上抑制腸球菌與腸桿菌的增長。白冰瑤等[17]進行的試驗結果表明在小鼠攝入紅棗膳食纖維劑量達0.60 g/（kg·d）時，可以顯著降低其腸道內產氣莢膜梭菌、腸桿菌和腸球菌含量，同時能夠促進乳桿菌與雙歧桿菌增殖。劉昱迪等[18]從金針菇子實體中提取膳食纖維并研究其對4種腸道菌群體外生長的影響。研究發現水不可溶性膳食纖維能夠顯著促進保加利亞乳桿菌的生長并與添加量呈正相關，抑制大腸桿菌與白色假絲酵母生長的最佳添加量為2.4 g/mL。

2.3 吸附重金屬離子

膳食纖維分子中富含羥基、羧基和氨基等化學基團，并與腸胃內的鐵、鈣、銅、汞和鎘等二價金屬陽離子結合，進而表現出相應的陽離子離子交換能力，可部分消除體內的重金屬離子，有助于機體健康[19]。李浡等[20]通過研究發現葡萄皮渣中水不溶性膳食纖維可有效降低鉛中毒模型小鼠體內的鉛含量，具有一定排鉛作用。歐仕益等[21]建立體外模擬消化道模型，研究發現麥麩中水不溶性膳食纖維對汞、鉛、鎘3種重金屬離子具有顯著的吸附作用。

2.4 預防心腦血管疾病

膳食纖維可以減輕營養過剩對心腦血管系統造成的危害，在預防和改善冠狀動脈硬化造成的心臟病中扮演重要角色。主要是在脂肪代謝過程中能夠吸附脂肪酸，縮短脂肪通過腸道的時間[20]，龔衛華等[22]從麻竹筍筍殼中提取木質素，研究表明，木質素對膽酸鈉和牛磺膽酸鈉均有較高吸附率，同時對鵝脫氧膽酸鈉和脫氧膽酸鈉也表現出很強的吸附能力。Zhang等[23]通過利用雞蛋黃制備膽固醇膠束體外模擬胃腸環境，研究結果表明從大豆種子殼中所提取的水不溶性膳食纖維對于膽固醇膠束具有一定吸附能力。段振[24]通過研究發現石榴皮中水不溶性膳食纖維不僅能夠吸附油脂、膽固醇膠束及膽酸鹽，而且能抑制胰脂肪酶活性，達到降血脂效果。上述研究結果表明水不溶性膳食纖維能夠吸附脂肪酸膽固醇等不利于人體心腦血管健康的物質，從而達到預防心腦血管疾病效果。

3 水不溶性膳食纖維的制備工藝

國內外制備膳食纖維的主要方法有水提法、化學法、酶法、生物發酵法及其他方法等。由于熱水提取法提取率較低，一般不予采用。主要介紹化學法、酶法、生物發酵法及其他制備方法。

3.1 化學法

化學法提取是采用化學試劑來分離膳食纖維，主要有酸法、堿法和絮凝劑等，化學法提取膳食纖維的優勢是生產成本較低，但是制備出的膳食纖維產品色澤欠佳，工業化生產會產生較多污水，對環境不友好。

表1 化學法應用實例

3.2 酶法

酶法提取是利用各種酶，如蛋白酶、α-淀粉酶、糖化酶等降解原料中的非膳食纖維成分。酶法制備膳食纖維工藝簡單，膳食纖維得率高、純度好，是一種較為理想的工業化生產膳食纖維的方法。

表2 酶法應用實例

3.3 生物發酵法

生物發酵法是采用微生物發酵的原理，在特定環境條件下從發酵底物中提取膳食纖維的一種方法。生物發酵法成本較低，提取所得膳食纖維產品得率高，產品色澤質地良好，理化性質優良。但是因對環境因素要求較高，研究仍處于試驗階段，距離實現工廠化生產還有很長距離。

表3 生物發酵法應用實例

4 水不溶性膳食纖維的應用進展

隨著生活水平提高，飲食消費習慣有了很大改變，對飲食健康越來越重視。很多膳食纖維強化食品及膳食纖維功能食品應運而生。國內外文獻關于膳食纖維在食品中的應用主要體現在流體食品、面食制品及肉制品三方面。

4.1 膳食纖維在面制品中應用

膳食纖維加入面食產品中能夠提高其營養價值的同時改善面制品的質構品質。劉宇等[42]研究豆渣中不溶性膳食纖維對酥性餅干特性的影響，結果表明添加豆渣不溶性膳食纖維的餅干持水性與硬度均提高；李曼等[43]以高溫蒸煮改性蕨菜膳食纖維為原料制備酥性餅干，研究表明最適添加量9%，在此添加量下餅干具有適宜的硬度與酥脆性，感官品質最佳。陶春生等[44]研究擠壓改性麥麩膳食纖維對面條品質的影響，結果發現隨著膳食纖維添加量加大，面條的硬度、咀嚼性與膠黏性均增加，添加量6%時面條感官評價較對照面條總分提高，面條品質較好。張豐等[45]從香蕉皮中提取不溶性膳食纖維，并添加到面團里，制備出品質較好的面包。

4.2 膳食纖維在肉制品中的應用

膳食纖維因其具有較好的吸附脂肪的特性及良好的保水性，因此研究其在肉制品中的應用成為近年來國內外研究的熱點。劉英麗等[46]研究不同粒徑不同添加量的小麥麩膳食纖維對豬肌原纖維蛋白凝膠乳化特性的影響，發現粒徑越小越能提高其蛋白凝膠硬度與保水性，添加量1%時最佳。Zhuang等[47]在肉糜中添加甘蔗纖維協同乳化技術研究其對肉糜品質的影響，發現肉糜持水持油力及流變學特性均顯著提高，并且產品中膽固醇與脂肪含量減少。進一步研究[48]不溶性甘蔗纖維對肌原纖維蛋白凝膠特性的影響，并通過拉曼光譜揭示甘蔗水不溶性膳食纖維的添加對肉糜形成均勻致密的凝膠具有積極的影響。宋玉[49]通過高溫高壓蒸煮結合纖維素酶對竹筍膳食纖維進行改性，與一定比例的水和豬皮混合制備成脂肪替代物凝膠應用在中式香腸中，其比對照組香腸水分含量提高3.27%、脂肪含量降低9.26%、蒸煮損失率降低26.65%，改善質構性質的同時擁有優良口感。

4.3 膳食纖維在流體食品中的應用

膳食纖維具有良好的吸水性和保水性，有利于凝膠的形成和結構穩定并能夠減緩脫水收縮作用。因此許多學者研究膳食纖維與流體食品的復配。李西騰等[50]從榆黃蘑中提取膳食纖維加入酸奶中，研究最優制備工藝，制備得到香味濃郁、酸甜適中的膳食纖維酸奶產品。司俊玲等[51]在鮮奶中添加燕麥膳食纖維，采用混合發酵劑發酵制備凝固型酸奶，風味獨特，感官效果佳。代曜伊等[52]采用竹筍不溶性膳食纖維復配草莓果醬，研究流體體系性質，結果表明竹筍不溶性膳食纖維能夠提高體系穩定性，增加體系彈性與黏性，使體系內部凝膠性增強。

5 前景與展望

近10年，關于膳食纖維的研究大幅增長，但是多數研究集中在提取工藝及在食品中的應用上，在基礎研究方面研究不夠深入，對膳食纖維的性質探索方面，不同工藝對其物理化學性質的影響較多，宏觀性研究對小鼠腸道菌群的影響、研究對高脂、便秘模型小鼠的改善較多，但是對其分子結構及其構效關系研究層次不夠深。另外，水不溶性膳食纖維的應用有一定局限性，加強對水不溶性膳食纖維的改性研究將對提高膳食纖維在食品中的應用具有非常重要意義。

此外，中國作為一個農業大國，應充分利用國內巨大的膳食纖維資源，如食用菌副產物。若能將其中富含的膳食纖維進行合理開發，不僅使其變廢為寶，減少資源浪費和環境污染，而且具有重要的經濟和社會意義。