物理改性對膳食纖維結(jié)構(gòu)及功能特性的影響

周璇，謝衛(wèi)紅，孫哲浩*，李巧玲

1.河北科技大學食品與生物學院（石家莊 050018）；2.石家莊市君樂寶樂時乳業(yè)有限公司（石家莊 050299）

植物纖維素是世界上貯藏最為豐富的碳水化合物，其中來自于水果、蔬菜及大田作物中的一些纖維被人們作為膳食纖維。膳食纖維的定義最早由Hipsley給出，后來被各個地區(qū)發(fā)展成不同定義，但其基本含義還是指食品中不能被人類消化的多糖類物質(zhì)及木質(zhì)素的總稱[1]。膳食纖維分為不溶性膳食纖維和可溶性膳食纖維，不溶性膳食纖維是細胞壁的組成成分，而可溶性膳食纖維多來自半纖維素及胞內(nèi)、胞間成分，如果膠及一些黏性可溶性多糖。可溶性膳食纖維被人類利用已久，在食品工業(yè)中常作為增稠穩(wěn)定劑使用，而不溶性膳食纖維由于其結(jié)構(gòu)特性導致的食品加工功能特性不明顯，應用受到限制[2-4]。近些年來，食品研究人員通過嘗試各種改性方法來改變不溶性纖維的溶解度及功能特性，主要有化學改性、生物技術（發(fā)酵及酶技術）改性、物理改性等，其中物理改性由于綠色、環(huán)保的特性，受到許多研究者的關注。基于此，對物理改性的方法、物理改性對膳食纖維結(jié)構(gòu)及功能特性的影響進行綜述，以期為膳食纖維改性技術路線、加工功能特性改善提供參考。

1 膳食纖維的物理改性技術

物理改性技術是指采用熱、力、光、電等手段來改變生物質(zhì)原有的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)。膳食纖維的物理改性的目的是改變纖維素的天然構(gòu)象，增加功能纖維在植物中總纖維的占比，一般以可溶性纖維與不溶性纖維的比例表示，并最終尋求較合理的比例[5]。膳食纖維的一些典型的物理改性技術如圖1所示，改性后的膳食纖維不僅加工功能特性會提升，同時生理功能也得到改善[6-9]。

圖1 應用到膳食纖維改性的典型物理改性技術

2 物理改性對膳食纖維結(jié)構(gòu)和功能特性的影響

2.1 微觀結(jié)構(gòu)

植物細胞壁中的纖維素由直徑5～10 nm的微纖維平行排列，密排成扁平的螺旋狀，而微纖維由直徑1～4 nm的原初纖維組成，原初纖維是纖維中最小的形態(tài)單位，是由葡萄糖通過β-1, 4-糖苷鍵連接形成的聚葡萄糖。植物纖維素是半結(jié)晶結(jié)構(gòu)，自然狀態(tài)下，其結(jié)晶的結(jié)構(gòu)占約40%～75%，非結(jié)晶結(jié)構(gòu)占10%～15%，依不同來源的植物纖維素而不同。由于結(jié)晶結(jié)構(gòu)的存在，能夠抵抗熱、力學、酶及化學作用，但同時也限制其在食品工業(yè)中的應用。超微粉碎技術是通過外力將各種固體物質(zhì)細化成微米級甚至納米級微粉的技術[10]。物料經(jīng)超微粉碎后，微粒變得更均勻細膩，且可提高其吸附性、水溶性、溶解度和生物效應等，可最大限度保持成分的完整性[11]。超微粉碎技術主要分為干法粉碎和濕法粉碎2種，與濕法粉碎相比，干法粉碎更有利于水分蒸發(fā)，但濕法粉碎對改善膨脹力、結(jié)合水力、持水力影響更大。

Hua等[12]研究高速均質(zhì)及高壓均質(zhì)處理番茄渣纖維的微觀結(jié)構(gòu)變化，掃描電鏡研究發(fā)現(xiàn)原始的番茄渣纖維是由六角形細胞壁組成的層狀結(jié)構(gòu)，被研磨成20～200 μm的顆粒時，呈現(xiàn)表面光滑、邊緣不規(guī)則的形態(tài)。，經(jīng)過高速均質(zhì)后，纖維出現(xiàn)銳利和扭曲的邊緣。而當高壓均質(zhì)后，纖維顆粒結(jié)構(gòu)被破壞，進行重塑，產(chǎn)生許多微纖維，并形成新的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。透射電鏡研究也發(fā)現(xiàn)經(jīng)高壓均質(zhì)處理后，產(chǎn)生許多的微纖維絲，說明高壓剪切破壞原初纖維的結(jié)構(gòu)。X射線衍射研究發(fā)現(xiàn)纖維的結(jié)晶度由原始的65%減少5～10個百分點，但高速或高壓均質(zhì)并不能夠破壞納米級的微纖絲結(jié)構(gòu)，許多的研究也有類似的發(fā)現(xiàn)[13]。

2.2 水合特性

水合特性是食品原料能否在食品加工中廣泛使用的一個重要特性，包括溶解度、持水性、膨脹能力以及凝膠性。天然的不溶膳食纖維在水合特性上表現(xiàn)一般，因此研究者們幾乎應用所有的物理改性手段去研究物理作用對于膳食纖維的影響，一個最主要目的是改變其水合性質(zhì)。

許多研究者將不溶的膳食纖維進行微粉化處理，主要利用球磨及氣流粉碎機，微粉化后的難溶膳食纖維水合性質(zhì)有所改善，這可能與增加纖維表面面積有關，同時機械力的作用也可使纖維的部分結(jié)構(gòu)斷裂[14]。擠壓膨化是又一物理手段，擠壓膨化技術利用高溫、高壓及高剪切力的作用，導致材料中水分的迅速氣化，拉伸并改變材料的分子內(nèi)及分子間的空間結(jié)構(gòu)。擠壓過程中，材料的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成多孔的結(jié)構(gòu)。Huang等[15]研究擠出與未擠出的橘皮纖維，擠壓處理后的纖維持水性由5.8 g/g升至6.73 g/g，可溶性纖維由17.3%升至33.57%，同樣的效果在大豆纖維中也得到證實。其原因在于擠壓過程造成纖維素分子內(nèi)共價鍵及非共價鍵的斷裂，導致形成小的片段和可溶性纖維。爆破擠壓技術也應用到改性中，Chen[16]爆破擠壓處理豆渣，在170 ℃溫度下，擠出螺旋速度150 r/min，可溶性纖維的含量增加27%。

通過對膳食纖維施加壓力來進行改性的例子也有許多，Xie等[17]對比研究超高壓處理和高壓均質(zhì)處理對于馬鈴薯纖維的特性的影響，高壓均質(zhì)更能夠改變纖維的物理化學特性。Liu等[18]研究微射流作用于豆渣，明顯增加可溶性纖維的含量。蒸汽爆破預處理是近年來發(fā)展起來的一種的物理改性方法。原料用蒸汽加熱至180～235 ℃，維壓一定時間，在突然減壓噴放時，產(chǎn)生二次蒸汽，體積猛增，受機械力的作用，其固體物料結(jié)構(gòu)被破壞。Liang等[19]研究在蒸汽壓力0.51 MPa、維壓時間168 s的處理條件下，蒸汽爆破處理的蘋果渣，可溶性纖維由原始的6.27%增至29.85%，增加4.76倍；Wang等[20]利用汽爆處理橙皮渣中可溶性纖維含量從8.04%增加到33.74%，同時水溶性、保水性、持油性、溶脹性都得到提升。

超聲波技術是利用超聲波探針的周期性機械運動將能量傳遞到流體介質(zhì)中，并產(chǎn)生高溫、壓力和剪切力，破壞膳食纖維主鏈中的糖苷鍵，導致膳食纖維的結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和功能性質(zhì)發(fā)生變化。此外，由于在氣泡碰撞過程中的空穴效應導致水分子的解離，能夠產(chǎn)生—OH及—H游離基團，這些化學基團會增加膳食纖維的提取率，在可溶性多糖的提取中，超聲提取同時產(chǎn)生了小直徑顆粒的多糖，也影響著可溶性多糖的功能特性。Huang等[21]研究超聲波100 W、20 min處理蒜苗中可溶性膳食纖維，其持水性、持油性、膨脹能力都有所提升，紅外測試發(fā)現(xiàn)此強度處理下，蒜苗中可溶性纖維的主體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生改變，推斷只是打開部分糖苷鍵，導致其水合性質(zhì)增強，但流變測試發(fā)現(xiàn)黏度在降低。研究也發(fā)現(xiàn)，超聲處理的卡拉膠能夠形成更好的凝膠狀態(tài)。因此，一般認為超聲處理并不能影響纖維素的主體結(jié)構(gòu)，而是對其結(jié)晶度產(chǎn)生影響，主鏈和側(cè)鏈的糖苷鍵被破壞，因而產(chǎn)生鏈的斷裂，帶來水合特性的變化。

微波技術是應用電磁波使物料中的極性分子在微波電場中產(chǎn)生劇烈運動，物料溫度快速升高，化學鍵斷裂，小分子物質(zhì)急劇揮發(fā)，相互間擠壓，促使物料微孔隙的形成，比表面積增大，達到改善物料性能的作用。任雨離等[22]用微波技術對竹筍膳食纖維進行改性，改性后的竹筍膳食纖維水合性質(zhì)得到提高，這與纖維的孔狀結(jié)構(gòu)更加密集、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更為明顯、比表面積增大、更多的親水基團暴露有關。通過紅外光譜發(fā)現(xiàn)，微波改性對竹筍膳食纖維的主要官能團影響較小，X衍射研究顯示竹筍膳食纖維的結(jié)晶區(qū)強度發(fā)生變化，但結(jié)晶結(jié)構(gòu)未發(fā)生根本變化。

2.3 乳化特性

許多食品以乳狀液的形式存在，如蛋黃醬、冰淇淋、植脂奶油、牛奶等。食品乳狀液有水包油型（O/W）及油包水型（W/O），以及最近發(fā)展的多層乳狀液結(jié)構(gòu)及微乳、納乳、Pickering乳狀液等。乳狀液在熱力學上是不穩(wěn)定體系，需要利用一定的乳化技術及乳化劑制備，其中來自植物高分子乳化劑的研究是目前的熱點之一[23]。膳食纖維具有一定的持油性，這也是在香腸等含油量高的食品中具有良好應用的原因。由于具有一定的持油性，也就具有乳化能力的基礎，通過物理改性，解聚其結(jié)構(gòu)，暴露出更多的基團，增強其乳化能力。一些膳食纖維經(jīng)過超微處理后，也是制造Pickering乳液顆粒穩(wěn)定劑的良好材料。動態(tài)超高壓微射流技術（dynamic high pressure microfluidization，DHPM），是一種先進的高壓加工技術，它以超高壓理論、流體力學理論、撞擊流理論為基礎，集輸送、混合、超微粉碎、加壓、膨化等多種單元操作于一體，能對流體混合物料進行強烈剪切、高速撞擊、壓力瞬時釋放、高頻振蕩、膨爆和氣穴等一系列的綜合作用，從而起到很好的超微化、微乳化和均一化效果。動態(tài)超高壓技術代表著一種重要的創(chuàng)新，因為它能被用于改變?nèi)闋钜夯蛏锔呔畚?，并且能應用在工業(yè)生產(chǎn)上。Onur等[24]研究動態(tài)超高壓微射流對于橘皮纖維及玉米纖維乳化性質(zhì)的影響，研究發(fā)現(xiàn)，高壓微射流處理的纖維懸浮在連續(xù)相中幾乎沒有沉淀，增加了乳狀液連續(xù)相的黏度。高壓微射流處理的纖維其尺寸顯著的減小，具有較大的表面積，能夠準確定位于油滴的表面，阻止油滴的聚集，增強了乳化穩(wěn)定能力。此外，通過物理改性的膳食纖維也是油脂替代物的良好選擇[25]。

2.4 流變特性

黏度是膳食纖維尤其是可溶的膳食纖維的一個重要的物理化學性質(zhì)，具有一定黏度的膳食纖維在人體代謝過程中發(fā)揮重要作用。物理改性后的膳食纖維因為可溶性多糖的增加，黏度在增加，最終影響人體腸道的黏度，抑制營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，對于生理功能，如血糖反應、血脂衰減、腸道酶活性、消化率和排泄等都有改善[26]。

3 物理改性后膳食纖維的生理功能

一般認為膳食纖維中的可溶性纖維與葡萄糖吸收、膽固醇吸收、離子吸附、延遲胃的排空、在小腸中的轉(zhuǎn)運時間等有關，而不溶性纖維則與糞便的體積增加有關。Li等[27]研究γ-射線處理的臍橙可溶性纖維，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其生理功能有明顯的增強。由于γ-射線的照射，纖維的部分結(jié)構(gòu)斷裂，暴露出更多游離的羥基及羧基，增強離子交換能力，在胃中可增強對硝酸鹽的吸附，在腸道中可以更多吸附人體攝入的K+、Na+及重金屬，如Pb、Hg及Cd等，減少人體對于K+、Na+及一些重金屬帶來的毒害；同時也發(fā)現(xiàn)由于持油性增加而帶來的膽固醇吸附能力的增強，可能的原因是由于持水性的增強，水分子被固定在膳食纖維的顆粒表面，能夠黏結(jié)更多的葡萄糖，減少人體對葡萄糖的吸收，減低由此帶來的血糖反應。此外，改性后的膳食纖維在自由基清除、抗氧化能力方面也有提升[28-31]。

4 結(jié)語與展望

物理改性是通過綠色環(huán)保的手段改變膳食纖維的微觀結(jié)構(gòu)及加工功能特性，有研究結(jié)果證實其在一定程度上發(fā)揮重要作用，這也為膳食纖維的綜合利用帶來有益方法，使這些農(nóng)產(chǎn)品加工的副產(chǎn)品產(chǎn)生增值的效果，同時對于環(huán)保也有積極意義。盡管物理改性的方法簡單有效，但單純的物理改性效果有時并不明顯，還需與化學和生物技術相結(jié)合，如物理法與化學法相結(jié)合或者酶法與物理法相結(jié)合等，需要進行更深入的實驗探索，發(fā)現(xiàn)更加完善的膳食纖維改性方法，獲得更多優(yōu)良的功能特性，服務食品行業(yè)發(fā)展。