酶法提取可溶性膳食纖維的研究進展

◎ 史志瑛

（陽高縣疾病預防控制中心，山西 陽高 038100）

蛋白質、碳水化合物、脂肪、維生素、礦物質和水是人們維持生命和健康所需的六大營養素。隨著人們生活水平的提高，動物性食物消費量增加，谷類、根莖類的消費量下降，同時食品加工精度不斷提高，導致人們所攝入的食物中，粗纖維的含量越來越少，現代“文明病”諸如心腦血管疾病、糖尿病、便秘和肥胖癥等，威脅著現代人的身體健康。

膳食纖維是一類特殊的碳水化合物，它雖然不能被人體消化道酶分解，但因為有著重要的生理功能，也成為人體不可缺少的物質，被稱為人類的“第七大營養素”。中國營養學會《營養術語》定義膳食纖維（Dietary Fiber，DF）為植物性食物中含有的不能被人體小腸消化吸收的，在大腸可全部或部分發酵的，對人體有健康意義的碳水化合物，包括多糖、低聚糖、木質素，或與之相締合的植物成分，具有促進健康的生理學特性[1]。研究表明膳食纖維具有降糖、降脂、降血液膽固醇、調節血壓、調節腸道菌群、減肥以及提高免疫力等生理功能[2]。

隨著學者對膳食纖維的不斷研究，發現與膳食纖維主要來自于植物的細胞壁，包含纖維素、半纖維素、樹膠、果膠及木質素等。其中木質素、纖維素和半纖維素為不溶性膳食纖維（Insoluble Dietary Fiber，IDF）組分，果膠和部分半纖維素屬于可溶性膳食纖維（Soluble Dietary Fiber，SDF）組分。據研究可知，不溶性膳食纖維吸收液體，在消化道膨脹，加快食物在消化道移動，但卻不參加人體的血液和體液循環，不能被大腸中微生物酵解，而可溶性膳食纖維溶于液體，參與循環，并能被酵解，在循環過程中吸附和凈化血液和身體各部分器官，是維持健康水平的有效工具，所以可溶性膳食纖維更加彌足珍貴[3]。

《中國居民膳食營養素參考攝入量》中推薦每天攝取膳食纖維25 ～35 g[4]，而通常天然纖維中可溶性膳食纖維的含量僅為3%～5%[5]。資源的浪費及膳食纖維攝入的需求，彰顯研究提取膳食纖維的必要。目前提取可溶性膳食纖維的常用方法主要有酶法、發酵法、物理法（如超聲波法、擠壓膨化法、高壓均質法）和化學法（如酸、堿處理）。其中，酶法具有反應條件溫和、綠色、環保、高效等優點，符合環境友好型社會的主題，所以成為提取可溶性膳食纖維研究的首選方向。

1 酶處理對膳食纖維結構的影響

膳食纖維的結構決定了溶解性的強弱。纖維素、木質素和半纖維素是不溶性膳食纖維的致密結構。其中，纖維素位于結構的內部，半纖維素貫穿在纖維素長鏈，木質素在纖維素與半纖維素外側，進一步促使不溶性膳食纖維結構緊密，抑制水分和其他酶滲入，最終呈現低溶解性。研究表明，酶處理能破壞不溶性膳食纖維的緊密結構和交聯結構，使其粒徑變小、質地松散，釋放內部可溶性小分子，還可以定向切割不溶性膳食纖維糖苷鍵瓦解致密結構，促使親水性官能團暴露，這些空間結構的改變易于與水分子形成氫鍵而高度可溶，實現不溶性膳食纖維向可溶性膳食纖維的結構轉變，提高其溶解性[6-7]。

2 酶處理對SDF 含量的影響

目前，相關研究中常見的可溶性膳食纖維的提取方法有酶法、復合酶法、高溫-復合酶法、酶-超聲聯合法和酶-化學法，詳見表1。

表1 可溶性膳食纖維的提取方法表

續表1

2.1 酶法

李蘊等[8]用纖維素酶提取黑豆中的可溶性膳食纖維，提取率在酶添加量為1.8%后，趨于穩定，在2.2%時達到最高，在最佳條件下的可溶性膳食纖維得率為38.40%。杭瑜瑜等[9]用酶法（纖維素酶）提取百香果皮中的可溶性膳食纖維的提取率為27.78%。當纖維素酶的添加量小于1.1%時，可溶性膳食纖維提取率上升較為迅速，當酶量大于1.1%時，可溶性膳食纖維的提取率增長緩慢。

2.2 復合酶法

為進一步提高提取率，劉雨萌等[10]研究用復合酶（纖維素∶半纖維素酶∶α-淀粉酶=20 ∶5 ∶1）提取褐藻中的可溶性膳食纖維，發現在酶添加量為0.5%～2.0%，提取率隨添加量的增加而上升，當酶添加量超過2.0%，提取率開始下降。在最佳條件下，褐藻可溶性膳食纖維提取率為38.15%。萬仁口等[11]利用α-淀粉酶、糖化酶和胰酶，在最佳條件下對竹筍可溶性膳食纖維的提取率由原料中的5.53%提升為10%。張云等[12]提取大蒜中的可溶性膳食纖維。結果發現在纖維素酶添加量為1.6%時，可溶性膳食纖維得率最多為29.5%；在木瓜蛋白酶添加量為2.2%時，得率最高，為28.8%；在最佳條件下，使用復合酶時，可溶性膳食纖維的提取率高達32.06%。在復合酶酶解過程中，膳食纖維分子內的氫鍵、次級鍵逐漸斷裂，斷裂后的氫鍵與次級鍵更容易與水分子結合，使得膳食纖維的水溶性增加，但隨著酶解時間的過度延長，部分可溶性膳食纖維聚合度降低，不能被無水乙醇沉淀，導致得率逐漸降低。

2.3 高溫-復合酶法

高溫高壓蒸煮具有使木質素熔化、半纖維和纖維素分子斷裂、降解的特性。為了縮短酶解時間，使產品可溶性膳食纖維提取率提升，丁彩云等[13]使用高溫復合酶法（木聚糖酶∶纖維素酶=2 ∶1）對小米糠的可溶性膳食纖維提取率最大達到17.27%，比只使用高溫方法提高了6.48%。張向輝等[14]用此法提取綠豆皮中的可溶性膳食纖維，在最佳的高溫蒸煮條件下，可溶性膳食纖維得率為10.29%，再加入復合酶（木聚糖酶0.75%、纖維素酶1.5%）后，得率提升至20.12%。孫靜等[15]在高溫蒸煮結合酶解法對棗渣進行提取，在最佳高溫蒸煮條件下的可溶性膳食纖維提取率為14.12%，再加入0.55%纖維素酶后，提取率提升到20%。不溶性膳食纖維處于高溫高壓環境下，只能使部分氫鍵斷裂，同時酶解可進一步減弱多糖鏈的分子內作用，使結構更松散，水分子更容易進入，并釋放部分可溶性成分，從而使可溶性膳食纖維溶出增多。但蒸煮時間過長會破壞結晶區中的氫鍵，可溶性膳食纖維結構破壞，醇沉時亦難以析出。

2.4 酶-超聲聯合法

為了避免高溫蒸煮容易破壞可溶性膳食纖維結構的弊端，近年有研究利用物理手段——超聲波破碎技術代替，超聲可以使IDF 中致密的結構變疏松，由不溶的大分子物質變成可溶的小分子物質，以提高可溶性膳食纖維提取率。國內關于超聲波的研究一直保持活躍，但與國際相比還存在很大差距[6]。

阮之陽等[16]對比了酶法、超聲法和酶-超聲聯合法提取劍麻渣、辣木莖中的可溶性膳食纖維，結果表明酶法中可溶性膳食纖維的提取率為12.9%，超聲法9.4%，酶-超聲聯合法為20.1%，遠高于單一的處理方法。朱廣成等[17]用超聲輔助酶法提取綠蘆筍中的可溶性膳食纖維，未加酶時可溶性膳食纖維得率為5%，加酶最高得率為7.135%，而超聲輔助酶法則為8.81%。

超聲波破碎技術是將電能轉換為聲能，這種能量通過液體介質而變成一個密集的小氣泡，這些小氣泡迅速炸裂，從而起到破碎細胞，提高可溶性膳食纖維得率，縮短提取時間，提高工作效率的目的。超聲時間過短或過長都會降低可溶性膳食纖維含量，這是因為時間過短超聲波產生的沖擊力并沒有破壞所有的細胞壁，可溶性膳食纖維未完全釋放出來，而超聲時間過長則會降解可溶性膳食纖維，綜合二者考慮，超聲輔助酶法是優于單一的酶處理法，并且無化學物質殘留[16]。

2.5 酶-化學法

化學法是利用強酸強堿使糖苷鍵斷裂產生新的還原性末端來降低IDF 的聚合度，酶-化學聯合法可以使膠聯結構進一步降解[16]。曹新志等[18]用酶堿法提取麩皮中的可溶性膳食纖維，結果表明，用酶法提取，可溶性膳食纖維得率為46%，酶-堿法則提高到72%。吳麗萍等[19]采用酶-堿結合法對春筍可溶性膳食纖維進行改性。結果顯示，用0.5%α-淀粉酶酶解時，可溶性膳食纖維提取率為5.8%，再經0.4%木聚糖酶酶解后，提取率為7.4%，再加0.06%的NaOH 溶液堿解后達12.70%。朱宣宣等[20]對麥麩用1.2%的 α-淀粉酶和0.12%的木瓜蛋白酶酶解，再用1 mol·L-1的HCl 酸解后，加1.5%的纖維素酶再次酶解，結果顯示原麥麩中可溶性膳食纖維約3.29%，經酶-化學法后提高至21.39%，顯著提高了麥麩中可溶性膳食纖維的含量。化學改性在一定程度上可以改善可溶性膳食纖維的結構，但是存在許多弊端。例如，產品色澤差不易漂白、對容器腐蝕嚴重、反應復雜、污染環境以及殘留可能給人體帶來安全隱患等。

3 結語與展望

酶處理膳食纖維是一種公認的高效、高利用率、便捷、綠色無污染的提取可溶性膳食纖維的方法。雖然單一酶法改性具有反應條件溫和、專一性強、對設備要求低且環保等優點，但依然存在反應時間長、生產效率較低等問題。為此研究者摸索復合酶法、高溫協助酶法、酶-化學法等改性方法，使DF 的緊密結構和膠聯結構朝預期轉變。目前研究主要集中于對不同底物來源的提取以及處理后對DF 的影響等，工藝還未形成標準，在食品與健康領域尚缺乏深入、系統研究。據文獻數量看國內對此研究活躍性減弱，而國外則有逐年重視的趨勢。

為改善膳食纖維理化性質，提高可溶性膳食纖維提取率，拓寬其應用領域，今后對酶及酶聯合法處理膳食纖維理化性質與結構影響的研究應重點關注以下3 個方面。①膳食纖維經酶處理后，其理化性質如吸附性、抗氧化性、離子交換能力等在不同酶添加量、pH、溫度等條件下的變化規律研究。②建立膳食纖維理化特性、結構與處理方法關系的數學模型，解析膳食纖維理化特性與構象間的關系。③加強膳食纖維在人與動物不同生長階段的應用研究，探索最適的添加水平和營養配方，明確膳食纖維的在體功能及其作用機制，以期將酶法改性實現工業化。