發酵技術在膳食纖維改性中的應用

王 麗，康晶晶

（貴州醫科大學公共衛生學院，環境污染與疾病監控教育部重點實驗室，貴州貴陽 550025）

膳食纖維（Dietary Fiber，DF），又稱為人體第7營養素[1]，廣泛存在于植物（雜糧、豆制品、蔬果及菌藻類）的表皮中，對人體具有重要生物活性[2-3]，例如DF不僅能夠預防心血管疾病和腸道疾病的發生，還能減緩重金屬對人體的毒性，與人類的身體健康和生理功能密切相關[4]，因此，除英國與日本外，世界各國對DF推薦攝入量均有了明確的規定（25～35 g/d）[5-6]。然而，天然的DF中IDF含量過高，整體口感粗糙，人體幾乎無法吸收和消化，因此天然DF的生物活性發揮受限，多作為廢料被丟棄，造成了一定的環境壓力和DF資源浪費。為了改變人們日常飲食中DF攝入不足的現象，不少企業紛紛將谷豆類、果蔬類、海藻類和其他植物中的DF應用于各種食品中，DF市場日漸繁榮。為了更有效地綜合利用DF資源，有必要借助相關的改性方法來增加水溶性DF（Soluble Dietary Fiber, SDF）的比例。研究發現，當DF中SDF含量達到25%以上，才能夠發揮DF的最佳生理功能[7]。目前，通過物理、化學或生物等改性方法，提高DF中SDF含量，改善DF理化性質和生物活性，已成為了DF的研究熱點。改性后DF中SDF含量增加，其持水力、膨脹性、粘性和吸附作用均有所改善，展現出更好的加工特性和應用活性。

發酵技術是利用微生物的發酵作用，運用技術手段工業化生產某一特定發酵產物的技術；發酵技術改性DF就是運用技術手段促使微生物大量分泌纖維素水解酶，用于改變DF的結構和生物活性的過程[8]。研究發酵技術在DF改性中的應用，不僅增加了DF的品質和應用價值，還迎合了當下利用發酵技術加工保鮮食品的趨勢，利于研究食品發酵過程中DF與其它營養成分的相互作用，從分子水平揭秘DF的活性機理。本文分別從DF定義、DF理化性質和功能性質、微生物改性DF的優勢和微生物改性DF的應用等方面對發酵技術在膳食纖維改性中的應用進行了綜述，為未來發酵改性DF的研究提供理論參考。

1 膳食纖維的簡介

1.1 膳食纖維的定義

據表1可知，自 Hispley于 1953年首次提出DF概念以來，各界展開了長達半個世紀之久的DF定義探討，盡管說法各異，但總體上DF的定義基本滿足以下條件[9]：食物原料來源；單體數目≥3且不提供能量的糖類碳水化合物；人體消化道內不能消化吸收；有益于人體健康。根據以上要求，DF主要由纖維素、半纖維素、木質素、植物黏質、果膠、葡聚糖及部分低聚糖組成[10]。根據其水中溶解性差異，DF主要分為可溶性DF（Soluble Dietary Fiber, SDF）和不可溶性 DF（Insoluble Dietary Fiber，IDF）[11]，其中，SDF主要為植物細胞內存物、植物細胞分泌物和部分微生物多糖及部分合成多糖，而IDF主要為纖維素、木質素、植物蠟和部分半纖維素，多來自于細胞壁[12]。

表1 各界對膳食纖維的定義Table 1 Definition of dietary fiber from all walks of life

1.2 膳食纖維的理化性質與功能性質

DF是一類人體無法消化的多糖類碳水化合物，因DF種類不同，其化學結構、化學組成和物理特性均有所區別[19]，例如，IDF的主要功能是持水膨脹，在腸道內產生機械蠕動，防止便秘發生，在保持腸道健康方面發揮著積極作用[20]；SDF能調節膽固醇血脂含量，在預防糖尿病、心血管疾病和結腸癌方面具有較好的生物活性[21]。由圖1所示，DF化學結構中含有大量的氨基、羧基、羥基、醛基和酮基等活性基團，這些活性基團的存在賦予了DF較強的持水性、持油性、吸附作用和可逆交換[22-23]（如圖2）等功能活性；由于羥基、氨基和羧基等親水性基團的大量存在，DF具有較強的持水性，當DF吸收了大量的水后，體積就會發生膨脹，粘度增加，排空時間和胃消化吸收時間延長，促使人體產生較強的飽腹感，起到減餐作用，同時DF的疏松多孔結構增加了其吸附脂類、膽固醇和糖類的能力，阻礙了這些成分在人體中的吸收，進而預防高血脂、高膽固醇癥、膽結石和肥胖病的發生，促使DF發揮出降脂減肥的功效；另外，持水的SDF形成溶膠，能夠潤滑腸道，加快排便速度，防治腸道疾病的發生[24]。

圖1 膳食纖維素的分子結構[25-26]Fig.1 Fig.1 Molecular strctures of dietary fiber[25-26]

圖2 膳食纖維素理化性質與功能性質的關系Fig.2 Relationship between physical-chemical properties and functional properties of dietary fiber

1.3 改性在膳食纖維生產應用中的積極作用

天然植物的DF中SDF含量很低，不利于DF生物活性和保健功能的發揮，當其替代糖類或脂肪作為填充劑添加于食物中，DF無法被胃腸消化，故多被大量丟棄，增加了可食植物綜合利用的難度，造成了DF資源的極大浪費[7]。故可采用不同的改性方法對天然DF進行改性，增加DF中SDF比例。例如，朱妞[27]研究了蘋果渣經綠色木霉發酵改性后的理化特性發現，改性后蘋果渣DF的理化性質更佳，膨脹力、持水力、陽離子交換力、乳化性和乳化穩定性分別增加了117.77%、106.85%、53.46%、1.52%和15.24%，并對和膽酸鈉具有較強的吸附效果；張海芳等[28]研究發現馬鈴薯DF經復合酶改性后持水力、持油力、結合水力、溶解度和陽離子交換力分別提高了115.22%、16.73%、27.18%、45.27%和173.18%；因此對DF的改性，不僅從根本上減少了原料的浪費，利于DF資源的綜合利用，還改善了DF的品質，使其應用特性和生物活性最大化，在DF生產應用中發揮著重要的作用。

2 微生物發酵與膳食纖維改性

2.1 微生物發酵改性膳食纖維的作用機理

所選的微生物菌種利用原料中的碳水化合物、蛋白質和脂肪等成分，在合適的發酵條件（溫度、O2和pH）下進行生長繁殖，并向發酵環境中分泌出纖維水解酶、葡萄糖苷酶或木聚糖酶，這些酶進一步將原料環境中的大分子IDF（纖維素、半纖維素和木質素）水解為較小分子的SDF[29-30]；另外，由于發酵時間較長，培養環境中產生了大量的有機酸代謝產物， DF長時間處于酸性的條件下，糖苷鍵易斷裂，DF大分子聚合度下降，部分DF轉化成SDF，從而達到DF改性效果[8]；不僅如此，相關研究發現，酸性環境下改性的DF具有更好的生物活性[31]。目前，微生物發酵改性的DF原料主要為果蔬皮渣[32-33]、粱谷麩皮[34-37]及其它農副產品[38-41]，所涉及的微生物菌群主要包括有乳酸菌類[42]、霉菌[43-44]、酵母菌[45]和食用菌[46]等。例如，Li等[47]采用植物乳酸菌和乳酸鏈球菌混合菌種對四川腌菜中的DF進行改性發現，改性后DF的溶脹性、保水性、重金屬吸附力、膽酸鹽吸附力和α-淀粉酶抑制力均有所提高；Chen等[48]研究了綠色木霉發酵對茶渣SDF結構特征及體外結合能力的影響發現，發酵21 d后，茶渣SDF含量增加至31.56%，改性后的茶渣DF熱穩定、結晶度、結合重金屬能力均增加。

2.2 微生物發酵改性膳食纖維的優勢

如表2所示，除了微生物發酵改性外，DF的改性方法還主要包括物理改性、化學改性和酶改性等3種，其中，DF物理改性的能耗較大，一定程度上限制了改性DF的生產規模；化學改性過程中因使用了大量試劑，易造成環境污染，且DF產品存在一定的安全隱患；酶法改性對酶的特異性要求較高，酶制劑花銷成本較高，從而限制了DF原料的選擇；與酶法相比，微生物發酵法中DF改性酶種類更多，產出的SDF種類更豐富，并解決了酶解產物的分離問題，生產成本大大降低，更易于DF的工業化改性[49]。因此，微生物發酵改性法盡管耗時較長，但工藝簡單、成本低、且改性后DF產品的應用性能和生物活性較好。與其他3種改性方法相比，微生物發酵改性法優勢更明顯，例如，陶俊奎[50]比較了化學、酶法和發酵改性竹筍DF的感官品質、理化特性及微觀形態發現，發酵法DF的整體品質優于其它兩種；趙雪[51]研究發現發酵法改性的麥麩DF在腸道菌群調節方面效果優于酶改性和化學改性；李可[52]測定和比較了不同方法改性的亞麻籽粕DF的理化性質發現，乳酸菌發酵的亞麻籽粕DF品質最優；同樣，徐靈芝等[53]研究發現微生物發酵改性的雷竹筍渣DF在水合、陽離子交換、膽固醇吸附和吸附方面均優于化學改性DF。為了顯著改善改性DF的品質，不少學者將微生物發酵改性與其他改性方法聯合，如林德榮[54]將發酵后豆渣DF經過動態超高壓處理表觀粘度顯著增加，持水力和膨脹力提高。

表2 膳食纖維常用的改性方法Table 2 Methods commonly used in the modification of dietary fiber

2.3 微生物發酵改性膳食纖維的影響因素

微生物發酵過程中影響DF改性效果的因素主要有微生物菌群、菌種的接種量、發酵原料、發酵pH、發酵溫度和發酵時間等，其中，微生物菌群是DF改性成功與否的關鍵因素，而菌種接種量、DF原料、發酵pH和發酵時間以及發酵溫度等則嚴重地影響DF的轉化效率。

2.3.1 發酵菌種的選擇 菌種不同，其適宜的發酵環境不同，其生長繁殖過程中分泌的酶種類和含量也不同，這些環境和酶的差異一定程度上影響了DF的改性效果。例如，李艷芳等[65]比較了黑曲霉和米曲酶的改性效果，發現黑曲霉改性豆渣DF效果優于米曲霉；袁惠君等[66]研究發現米根霉2種方式（固體發酵和液體發酵）改性馬鈴薯渣效果均優于白地霉；趙泰霞等[67]更是采用復合菌群（保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌）進行豆渣改性，改性后的豆渣品質和風味均有所顯著的改善。因此，菌種的選擇對DF改性的整體效果具有重要的意義。

2.3.2 發酵菌種的接種量 適宜的接種量對微生物改性DF的效果影響較大，接種量過大或過小，均不利于SDF的生成。當接種量過少時，發酵環境達到DF改性條件所需的時間較長，一定時間內的DF改性效果不顯著；隨著菌種接種量的增加，菌種大量繁殖，纖維素酶的分泌量增加，SDF產率升高，DF改性效果改善；當菌種接種量過多時，菌種發酵前期生長過快，消耗了大量的氮素和可溶性糖類，并產酸過多，影響了菌種的代謝和纖維素酶分泌，導致DF改性動力不足，不利于SDF產率的提高，菌種生長繁殖過程中會消耗一定量的SDF，一定程度上影響了DF的改性效果。例如，李靜等[68]在用植物乳桿菌對香菇柄進行發酵時確定其最佳接種量為1.5%，但當接種量大于5%時，SDF的產率明顯下降；杜斌等[69]采用植物乳桿菌和嗜酸乳桿菌1:1混合菌種發酵藍莓，確定其最佳接種量為12%。

2.3.3 發酵原料 選擇的發酵原料不同，DF的改性效果有所差異，目前，發酵過程中的DF原料多來自于含有豐富DF的谷類（如麥麩、豆渣、小米等[70]）、果渣[34-37]或其它副產品。原料不同，其中所包含的營養成分不同，對微生物生長繁殖的影響也不同。例如，李靜[71]采用黑曲霉發酵改性香蕉皮DF后得到的SDF產率為12.83%，但當黑曲霉發酵改性豆渣DF時，SDF得率為 37.84%[72]；熊俐等[73]和朱妞[74]均采用綠色木霉發酵分別對黃豆渣DF和蘋果渣DF進行改性，得到SDF得率分別為12.03%和30.27%。

2.3.4 發酵pH 微生物菌群不同，其生長繁殖的最適pH范圍不同，例如，乳酸菌、酵母和霉菌生長的最適 pH 范圍分別為 5.5～6.0、5.0～6.0 和 6.0～7.0，發酵環境pH過高或過低，微生物菌群均不能很好地生長繁殖，只有營造一個合適的pH環境，菌種才能更好生長繁殖，所產生的酶才能更好地達到改性DF的效果，pH值越靠近菌種生長繁殖的適宜pH，SDF產率就越高。例如，杜斌等[69]確定了混合菌發酵改性藍莓果渣的最佳發酵pH為6.0；張雪梅等[75]利用綠色木霉發酵改性檸檬皮DF，確定出最佳的發酵pH為6.3。

2.3.5 發酵溫度 與發酵pH的作用效果相似，不同菌群的最適溫度也不同，根據最適生長溫度不同，微生物菌群可分為嗜熱菌、中溫菌和嗜冷菌三大類，當發酵溫度離最適溫度過遠，微生物菌群將處于休眠狀態，生長繁殖受到嚴重的限制；隨著發酵溫度上升，DF改性中的SDF轉化率提高，至最高值后下降；當發酵溫度過高時，過高的溫度可以致使菌種死亡和纖維素酶失活，不利于DF的微生物發酵改性，但過高的溫度可加快IDF化學鍵的斷裂，產生一定量的SDF。例如，熊俐等[73]確定了綠色木霉發酵改性桂圓殼的最適溫度為 50 ℃；Rodríguez 等[76]采用釀酒酵母固態發酵蘋果渣的最優溫度為29.5 ℃；牛廣財等[42]優化了乳酸菌發酵改性沙果渣的工藝，得出乳酸菌的最佳發酵溫度為40 ℃；而司方等[77]發現，發酵溫度超過綠色木霉的適宜生長繁殖溫度（50 ℃）后，SDF的產率依舊增加，闡釋了菌種的最適生長溫度并不一定是最優的改性溫度。

2.3.6 發酵時間 時間也是影響微生物發酵改性DF的因素之一。發酵過程中菌群種類的選擇不同，整個發酵過程所需要的時間也有所差異[78]。發酵初期，SDF轉化率極低，隨著發酵時間的延長，菌株大量繁殖，分泌出的纖維素酶量增加，加快了IDF向SDF的轉化，SDF轉化率增加至最大，隨著發酵時間的繼續延長，原料中的營養成分逐漸減少，次級代謝產物與有害物質逐漸增加，基質中代謝產物過多，菌株生長繁殖速度下降，產酶量下降，并消耗了一定含量的SDF，SDF轉化率整體下降。例如，王宏勛等[79]利用藥用真菌發酵葛根所需的最佳時間為30 h；綠色木霉發酵改性桂圓殼的的最佳時間為58 h[69]。

3 微生物發酵改性膳食纖維的應用

微生物發酵改性后的DF中SDF含量較高，這些高含量的SDF賦予了微生物發酵改性DF較高的應用價值，使其在食品、醫藥方面具有廣泛的應用，在包裝材料方面有很大的發展潛力。

3.1 食品方面的應用

由于SDF具有持水力強、粘性小和低pH下穩定[80-82]等特點，經過微生物發酵改性的DF會展現出SDF的特性，適量地添加發酵改性DF可賦予食品較好的感官和功能性質；微生物發酵改性后的DF安全性高，人體食用了富含DF的食物后，心血管疾病、各種癌癥和2型糖尿病的發病風險大大降低，故改性后DF在食品方面的應用很廣泛。當改性后DF應用于無脂及低脂的食品體系，能防止低脂食品脫水收縮，有利于產品口感和質地的改善[83]，在酸奶、牛奶、糖果、水果餡料和飲料等低脂及無脂產品中具有較大的應用潛力。當DF與益生菌混合培養后，不僅改性后DF的抗氧化性、酚類結合力有所增加，還提高了益生菌的熱穩定性和耐胃消化能力，可作為益生菌的良好載體，添加到各類發酵產品中[84]。例如Hashim等[85]在牛奶中添加3%大棗DF，經過乳酸菌發酵后，酸奶的質地和色澤增加，酸度降低；同樣，Jelena等[86]在牛奶中添加了1.5%的小黑麥IDF，經過乳酸菌發酵后，酸奶的脫水度、粘度、觸變性和屈服應力等得到了極大的改善。高脂高糖食品體系中，改性后DF可以作為食品乳化劑，增加水相和油相的有效混合，利于高脂高糖食品質地和口感的改善，同時，加熱過程可促使改性DF與脂肪酸發生美拉德反應，重新賦予產品獨特的風味和色澤，利于產品整體品質的提高[87]。例如，Somaie等[88]在塔夫頓面包中添加15%的酵母菌改性的麥麩DF，發現面包的貨架期延長，且滋味、風味和整體接受度均有所改善；Li等[89]研究發現添加了0.5%發酵麥麩DF的曲奇具有更酥脆的口感。改性后DF添加到液體飲料中，可作為食品乳化穩定劑和增稠劑，能提高飲料的穩定性、分散性，避免飲料分層現象出現[90]。

3.2 醫藥保健方面的應用

微生物發酵改性的DF生物活性較強，具有降固醇、緩解便秘、預防結腸癌和治療糖尿病等功效，在醫藥保健方面具有廣泛的應用。例如，Lin等[91]研究了黑曲霉和粗糙脈孢菌混合菌發酵改性豆腐渣DF的降血脂效果發現，改性后的DF能顯著降低小鼠血清總膽固醇、低密度脂蛋白膽固醇、甘油三酯和動脈粥樣硬化指數，對高膽固醇小鼠的高脂血癥具有重要的預防作用；司方[77]研究發現綠色木霉發酵改性的大豆渣DF不僅具有較高的持水性、溶脹性，更具有較好的益生元特性，能夠促使雙歧桿菌的大量增殖，在結腸癌和糖尿病預防方面具有較好的療效。目前，醫藥保健市場DF產品多以咀嚼片、泡騰片或沖劑的形式出現，主要涉及減肥和緩解便秘的功能應用[92]；其中，減肥方面，安利紐萊來的果蔬纖維素片是DF減肥產品市場推廣最為成功的案例之一，且市場上減肥代餐粉、減肥泡騰片等天然減肥產品的主要天然成分也為DF[93-95]；便秘的治療方面，不少公司和個人也開發出了能夠治療便秘的DF產品[96-97]。除此之外，憑借較強的化學結構穩定性和多酚結合能力，DF是結腸靶向多酚較好的輸送系統，由于微生物改性后DF的持水性增強，多酚-改性DF膠囊的生物吸收率增強，多酚增效[98]。

3.3 可生物降解包裝方面

由于DF安全性和穩定性好，適合與食品或藥品直接接觸，當DF與其它成膜成分如甘油、淀粉、糊精混合成膜后，生成的膜不僅阻水性能和柔韌性良好，且具有一定的抗紫外線性和生物降解性，能夠滿足可生物降解包裝的要求[99-101]，DF生物可降解包裝紙的研究已經成為了人們研究的熱點之一。但由于微生物發酵改性DF技術目前尚不成熟，因此在可生物降解包裝方面的應用尚未涉略，現下用于可食包裝方面的改性SDF多為化學改性或酶法改性，如Wang等[102]通過比較膠體磨、低壓均質和高壓均質等三種方法改性的金針菇IDF的成膜性質，發現高壓均質金針菇IDF的成模熱穩定性，顏色和透明度更好；Song等[103]采用堿法提取膳食纖維制備了一種食用水果蔬菜膳食纖維紙; Himanshu等[104]將稻殼和甘蔗渣羧甲基化后，制成一種可生物降解的薄膜，該薄膜就有較大的拉伸強度和伸長率，能用于食品可降解包裝；Zhao等[105]將堿改性的榴蓮皮DF置于氯化鋰/N，N二甲基乙酰胺中再生出DF膜，該膜不僅外觀良好、表面光滑、透明性好，還具有較高的硬度和拉伸強度，且4周內在土壤中100%降解。

4 展望

憑借綠色安全、低廉、有效的特點，新型發酵技術應用價值的探索越發得到了人們的青睞。隨著發酵技術在食品保鮮加工方面的應用，作為植源性食物重要組成的DF，發酵技術保鮮加工食品過程中DF性質的變化日益成為了研究的熱點之一，DF發酵改性及其應用研究也因此取得了較大的進展，但相對于其它DF的改性方法，仍處于起步階段，大量的問題有待解決，例如，發酵過程中DF與食物其他成分的結合狀態變化、DF與發酵菌群的相互關系、發酵改性前后DF應用性能的變化機理、DF發酵過程中的構效變化等均不明確，制約了發酵DF的工業化生產和應用。另外，利用納米技術和發酵技術聯合改性DF，實現其高活性的工業化生產，勢必是DF改性研究的重要方向。