果蔬副產品膳食纖維提取工藝及在食品工業應用研究進展

涂凌云，莫文鳳，劉濤，鄒雪蓮，范毅烽，鄧永飛，陸登俊

(廣西大學 輕工與食品工程學院，南寧 530004)

膳食纖維(dietary fiber,DF)包括纖維素、木質素、果膠、半纖維素、樹膠等非淀粉多糖類物質，最早是由Eban Hispley[1]提出，他認為DF是無營養物質。但在后人研究中，DF顯示出多種功能特性，在食品、藥品及化妝品方面都有廣泛應用。DF中的纖維素、半纖維素、木質素等粗纖維物質能夠加速人體腸道的蠕動，增大排便量，對人體腸道功能有增益作用[2]；果膠、樹膠具有良好的凝膠作用，在增強食品凝膠特性的同時還能豐富口感[3]；DF還具有抗氧化性，能力大小取決于還原糖和糖醛酸的含量，制成的包裝材料能夠延長食品貨架期[4]。DF是多種物理及化學性質不同的化合物的組合，在食品工業中具有強大的研究潛力。

果蔬(特別是果皮、果殼)中含有豐富的DF，世界衛生組織建議每人每天所攝入的果蔬量應達到400 g，能夠有效預防腸道方面的疾病。我國作為世界上第二大人口國家，現有人口14億，2010年水果產量為27400.84萬噸，人均果蔬消費價格指數近兩年最低上漲3.9%，人均果蔬消費價格指數近兩年最低上漲3.9%，鮮果瓜類消費價格指數最高上漲12.3%(與上一年對比)[5]。但在果蔬加工業中，大約1/3的水果和蔬菜以皮、核、殼、渣的形式在準備和加工階段就會被丟棄[6]，這不僅是一種資源上的浪費，還有可能會污染生態環境。合理利用果蔬副產品，不僅能獲得經濟效益，還能夠推動食品工業的資源循環發展。

本文主要綜述了果蔬副產品中DF的提取方法以及在食品工業中利用的研究進展，為進一步開發果蔬副產品的高價值利用提供了科學參考。

1 膳食纖維定義及分類

2015年食品法典委員會[7]將DF定義為具有10個或10個以上單體單位的碳水化合物聚合物，不被人類小腸內的內源性酶水解。膳食纖維根據其來源分為谷類膳食纖維、藻類膳食纖維、水果類膳食纖維等；根據可溶性可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是指能夠溶于水且能夠被人體腸道內微生物酵解的非淀粉多糖類物質，存在于植物細胞液和細胞間質中，大部分來源于谷物食品和果蔬類食品中，主要包括果膠、樹膠等。SDF的主要組成成分是6種單糖，分別為鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、甘露糖和木糖，根據來源的不同，比例有所不同。SDF具有良好的溶解性，易形成凝膠[8]，從而可以作為工業增稠劑、乳化劑[9]等運用于食品中，在紅棗飲料[10]中添加SDF既可以作為營養加強添加劑，也可以豐富飲料的口感。

IDF是指不能夠溶于水也不能夠被人體微生物酵解的非淀粉多糖類物質，在天然纖維中占比為2/3～3/4，常存在于植物的根、莖、干、葉、皮、果中，主要包括纖維素、半纖維素和木質素。IDF具有良好的持水性、吸脹性，可以改善肉制品凝膠體系的微觀結構，使其更加均勻致密，在兔肉丸中添加IDF賦予肉丸更好的回彈性和咀嚼性。IDF在人體消化道中主要起調節菌群[11]、吸附有害物質[12]等作用。

2 膳食纖維的提取方法

在植物細胞壁中，DF通常與淀粉、蛋白質、脂肪類物質構成緊密結構，可以通過物理、化學、生物法破壞該結構，將果蔬副產品中的DF提取出來。化學法主要包括酸法和堿法；物理法有微波法、超聲波法、超微粉碎法、擠壓蒸煮法、高壓均質法；生物法有酶法和發酵法。已有研究表明，不同的提取方法可能會改變DF的成分與結構，從而影響它的理化性質與功能。

2.1 化學法

2.1.1 酸法

早在1976年酸法技術就已經發展得較為成熟，目前研究中主要用酸試劑為檸檬酸與鹽酸。羅忠圣等[13]利用鹽酸提取豆渣中的DF，實驗考察了pH、溫度、料液比、時間對DF提取率的影響，隨著這些因素的增加，都呈現先增加后減小的趨勢，影響強弱為料液比>時間>溫度>pH。實驗結果表明在pH為4.6、料液比為1∶25 (g/mL)、溫度為87 ℃、時間為2.8 h的條件下，得到平均DF提取率為59.1%，比對照組豆渣DF提取率增加14.4%。

酸法制備DF成本低、操作簡單，但是反應溫度高、作用時間長，提取得到的DF色澤較差且純度低。

2.1.2 堿法

目前研究中主要用堿試劑為氫氧化鈉和碳酸鈉，提取時加入過氧化氫[14-15]，更易打開DF與非DF結合的緊密結構，暴露內部的羥基，從而增加DF持水能力。楊妍等[16]對蘋果渣中DF進行研究，得到DF提取率為76%，SDF含量為30.20%，利用堿性過氧化氫提取的蘋果渣DF持水力和膨脹力增長，持油力下降。D-I-Llanes Gil-López等[17]利用微波輔助堿法處理甘蔗渣，結果表明堿處理有助于木質素的分解，實驗中大約90%以上的木質素被破壞。

堿法提取得到的DF具有較高的持水性，且更適用于SDF的提取，高濃度的堿能夠提高DF提取率，但是排出的廢氣、廢水會污染環境，過高的pH值會破壞提取到的DF孔結構，導致持水性、膨脹性下降。

2.2 物理法

2.2.1 微波法

微波法是利用果蔬副產品中各個成分吸收微波效率不同，某些成分能被選擇性加熱，從而與基質有效地分離。沈蒙等[18]采用微波輔助超聲波法提取黑豆皮中SDF，在微波功率450 W、時間30 min、溫度45 ℃條件下，黑豆皮SDF得率為15.72%。巫永華等[19]在沈蒙的研究基礎上加入纖維素酶，在微波功率400 W、溫度60 ℃、時間23 min條件下，黑豆皮SDF得率為19.12%±0.23%。同時對提取得到的黑豆皮SDF進行了理化特性分析，其膨脹力、持水力、持油力分別為585.71%、11.89 g/g、10.52 g/g。

目前現有文獻研究中，微波法一般作為輔助方法。微波法提取時間短，產品質量、純度更高，且能夠改變DF的微觀結構，增加其吸附力，但是不適用工廠大規模生產。

2.2.2 超聲波法

超聲波會破壞植物材料的細胞壁，溶劑更容易進入細胞內提取目標分析物。鄭藝梅等[20]利用超聲波輔助堿法提取琯溪蜜柚囊衣中的IDF，在超聲功率400 W、10 min條件下，IDF提取率為50.9%，比傳統提取法提高了19.9%。Gan Jiapan等[21]利用微波輔助超聲波法提取柚皮中的DF，在超聲波功率為200 W條件下，IDF的提取率為55.02%，SDF的提取率為8.35%，該SDF具有更好的持水、持油能力以及吸附力。

超聲波法能夠大大減少有機溶劑的用量，并且簡化了工藝流程，縮短了提取時間，但是超聲波功率過大會降低DF提取率，DF的微觀結構會遭到破壞，吸附力大大降低。

2.2.3 超微粉碎法

常規研磨機研磨的粉末粒徑一般為0.14～0.42 mm，超微法是通過增加剪切力或者加大材料與其他物質中的碰撞能量將粉末粉碎成亞微米級(10～66 μm)的微粒[22]。超微粉碎法一般有兩種：一種是干法超微法，另一種是濕法超微法。Chen等[23]使用攜帶直徑5 mm氧化鋯陶瓷研磨球的球磨機，以750 r/min的旋轉速度研磨豆渣6 h后，DF平均粒徑從161 μm顯著降低至15 μm，提取得到的SDF含量由3.9 g/100 g干重增長至34.86 g/100 g干重，研磨使DF的無定形區域暴露，導致43%的IDF轉變為SDF。

超微粉碎法對設備要求不高，操作流程簡單，DF的粒徑的減小會增加其在食品中的適口性，同時增大DF比表面積和孔隙率，從而提高其吸附性、分散性，但是不能大幅度提高DF的提取率。

2.2.4 擠壓蒸煮法

擠壓蒸煮法是一個高剪切、高溫和高壓相結合的連續過程。對比單螺桿擠壓，雙螺桿擠壓提取得到的SDF顯示出更大的膨脹特性[24]。Zhong Liezhou等[25]利用擠壓蒸煮法提取澳大利亞甜羽扇豆種皮中的SDF，結果表明擠壓蒸煮能顯著增加種皮中SDF含量，從29.03 g/kg干重增加到90.28 g/kg干重，水溶性增強，但水結合減弱。次年，Zhong Liezhou等[26]利用雙螺桿擠壓蒸煮法處理澳大利亞甜羽扇豆種皮，其SDF含量從44.17 g/kg干重增加到113.69 g/kg干重。

擠壓蒸煮法適用于堅韌但是不堅硬的材料，如硬質的果皮、谷物，能夠一次性處理大量材料，大幅度提高SDF提取率，但是提取全過程消耗的能量大。

2.2.5 高壓均質法

高壓均質法是通過對材料施予高強壓力，使各個組分分離，主要技術為高靜水壓力、動態高壓微射流[27]、蒸汽爆破和高剪切乳化。康芳芳[28]利用蒸汽爆破法提取豆渣中DF，結果表明，當汽爆強度為1.5 MPa、30 s時，SDF含量提高至36.28%，較對照樣品增加了26倍。Pérez-López E 等利用水解酶輔助高靜水壓力法提取豆渣中DF，在600 MPa壓力下經過30 min的處理，豆渣中SDF含量增加了74%，溶解度增大。

高壓均質法對實驗設備要求高，操作危險性大，壓力過強，會導致DF提取率下降，但是處理時間短，DF水溶性顯著提高，適用于SDF的提取。

2.3 生物法

2.3.1 酶法

酶法是指利用各種酶，如α-淀粉酶、蛋白酶、纖維素酶、木聚糖酶等將果蔬副產品中的非DF成分降解成小分子，破壞DF與非DF形成的緊密結構，釋放DF。酶具有專一性與特異性，通常使用復合酶會比單酶的DF提取率高。根據Feng Ziqian等[29]的研究，黑豆皮中SDF含量僅為6.9%。沈蒙等利用復合酶法(纖維素酶∶半纖維素酶為1∶2)提取黑豆皮中SDF，在酶添加量為5%、時間為3 h條件下，SDF的提取率提高至14.90%。

酶法工藝簡單快速，DF的提取率高，由于酶的專一性與高效性，得到的DF純度高。但是酶價格較為昂貴，且種類不同的酶作用條件不同，處理過程復雜，處理時間長。

2.3.2 發酵法

發酵法是利用微生物產出的蛋白酶和淀粉酶，降解材料中的非DF成分，從而可以提取得到DF。目前常用的發酵微生物包括黑曲霉[30-31]、乳酸菌[32]、保加利亞乳桿菌、綠色木霉、嗜熱鏈球菌等。Lin Derong等[33]利用乳酸菌和神經孢霉混合發酵法提取豆渣中DF，在最優條件下SDF提取率為7.09%，IDF提取率為40.07%。趙泰霞等[34]利用保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌(1∶1)作為發酵劑，在41 ℃發酵30 h后，從豆渣中提取的DF得率為75.6%，其中SDF提取率為17.2%。

發酵法是一種綠色環保的方法，DF提取率較高，但是發酵法中微生物在生產酶的同時也會生產廢液，純度會降低，且接種前需對材料進行高溫殺菌，防止雜菌生長，在高溫處理中可能會對DF提取產生不良影響。

3 膳食纖維在食品工業中的應用

市場上超過50%的功能食品都含有膳食纖維作為活性成分[35]。DF的還原糖含量、官能團、整體結構的不同會產生不同的理化特性，主要理化性質包括持水/油性、吸收膨脹性、抗氧化性、吸附性與黏性。在食品工業中，利用其理化性質對食品進行加工改造能夠得到口感更好、營養價值更高的產品。

3.1 在烘焙食品中的應用

在烘焙食品中添加DF不僅能夠穩定面糊，還能夠減少面團中面筋結構的形成，保持食品擁有更久的新鮮口感。在DF添加量不影響烘焙食品口感下，既能夠降低其脂肪含量，又可以增加烘焙食品的營養價值。

3.2 在飲料中的應用

émilie Paquet等[39]在蘋果汁中添加SDF(大麥葡聚糖、魔芋甘露聚糖、瓜爾膠)，由于SDF具有黏性與吸附性，在飲料中可以充當穩定劑，降低飲料的絮凝度。李晶[40]以玉米皮作為SDF來源，當果汁中SDF添加量為1%～8%時，體系穩定性好，粘度低，果汁貯藏后期的穩定性提高。Piyali Chakraborty等[41]進一步研究了DF的添加對燕麥糠纖維飲料口感的影響，結果表明當飲料中IDF的濃度超過2%(W/W)時，在口腔中會產生顆粒感、糊狀感，這種感覺會持續較長時間；而在飲料中添加可溶性β-葡聚糖，在口腔中會產生粘滑感和光滑感。

飲料中一般采用SDF作為穩定劑，在降低絮凝度的同時能賦予飲料清爽的口感和透明度，但是過量IDF的加入會導致飲料易分層且口感惡化。目前高DF飲料的大眾接受度還較低，主要原因包括口感較差和價格過高。

3.3 在肉制品中的應用

DF常用于肉腸[42]、肉松、肉餅等肉制品中，在雞肉香腸中添加蘋果渣DF[43]，大大降低了香腸中脂肪的含量，提高了降脂雞肉乳糜香腸的乳糜穩定性，同時也提高了肉制品的硬度、黏性和咀嚼性。Lin Yanan等[44]從綠豆的副產品中提取DF，將其加入魚松，利用快速蒸發電離質譜(REIMS)結合體外消化試驗研究DF對魚松多級消化的影響，實驗結果表明DF的添加有效減緩了磷脂的消化速率，由于DF還具有抗氧化性，能夠緩解脂肪的消化腐敗，從而延緩魚松的貨架期。除了直接添加，DF還可作保鮮膜中的抗氧化成分，同樣能夠延長肉制品的保鮮期。

DF是一種良好的乳化劑，能夠有效穩定肉糜產品，與水結合后形成凝膠將脂肪牢牢吸附，降低卡路里的同時還能夠帶走部分脂肪。目前市場上并沒有大規模將DF應用于肉制品，但是果蔬副產品DF的開發利用為“健康吃肉”這一目標提供了可能性。

3.4 在乳制品中的應用

在牛奶發酵過程中，酸釋放導致pH值下降，酪蛋白與變性乳清蛋白通過二硫鍵聚集在一起形成了酸奶。DF的添加有利于縮短酸化時間，降低生產成本，酸奶的硬度和貯藏模量在冷藏過程中顯著提高。除了上述優點，由于DF具有乳化性，Wang Xinya等[45]制作的含有蘋果渣DF的酸奶具有更加穩定的結構，不容易乳清分離。在冷藏過程中，DF能夠有效抑制pH的降低，pH在14 d內保持穩定(對照組為7 d)。Christos Soukoulis等[46]對添加不同含量DF的冰激凌的研究表明IDF顯著增加了冰淇淋的粘度，而SDF的添加能限制冰點的降低，具有潛在的低溫保護作用。

對于冷凍乳制品而言，DF具有控制結晶和再結晶現象的潛在能力，能夠增加冷凍乳制品的抗熔性。對于非冷凍乳制品，DF能夠增加其穩定性，乳清分離現象減少，使食品的外觀得到改善。

3.5 在其他食品中的應用

果凍[47-48]中添加的DF充當了凝膠基質中的增強劑，提高了果凍的粘彈性和機械性能，蘋果和亞麻籽中DF的添加(樣品A和P)使果凍脫水收縮降低了50%和100%。

于桐[49]將刺葡萄皮渣與馬鈴薯全粉、大米粉混合，通過雙螺桿擠壓膨化技術制作一種新型擠壓膨化食品，由于DF的抗氧化性，能夠抑制天冬酰胺與還原糖反應過程中產生的中間產物向丙烯酰胺的轉化，減少丙烯酰胺的產生。當刺葡萄皮渣添加量為5%時，產品中葡萄香味明顯且口感酸甜酥脆，感官評價得分高。

除此之外，DF在面制品、果醬等食品都有應用，利用其自身的物理特性(吸水性、膨脹性、抗氧化性)為這些食品提供高價值營養的同時，還能夠有效提高食品的一定特性，如面制品的易消化性和果醬制品的黏性。

4 結論與展望

水果蔬菜在我們生活中必不可少，隨著果蔬種植面積的增大和果蔬干制品、果蔬腌制品、果汁、果酒等產業規模的擴大和發展，越來越多的果蔬副產品被直接遺棄或者做成飼料，這些果蔬副產品中含有的DF沒有得到充分利用。選取合適的方法提取果蔬副產品中的DF，既能夠推動DF產業的良好發展，同時能夠實現果蔬副產品的高值化利用，減少資源浪費。目前研究中更側重于找到一種綠色無污染且純度高的DF提取手段。酶解法是其中高效且綠色無污染的方法，但其作用周期長這一問題還有待解決。DF中含有多種成分，如何將其中各組分完全分離也是目前的一大難題。

DF在食品保健方面越發凸顯其價值，得到社會各界人士的關注，對于充分開發果蔬副產品中DF的營養價值、綜合利用、提高其附加值具有重要意義。