蒸汽爆破對膳食纖維改性作用的研究進展

田 婧，聶 晶，王樹林，李春霖，邵圣枝，袁玉偉?

（1.青海大學 農牧學院，青海 西寧 810016；2.浙江省農業科學院 農產品質量安全與營養研究所，浙江 杭州 310021）

1 膳食纖維

膳食纖維（Dietary Fiber，DF）是指不能夠被人體消化道酶消化吸收的可食用植物細胞壁、多糖、木質素以及相關物質的總和[1]。膳食纖維可根據在熱水中的溶解性分為不溶性膳食纖維（Insoluble Dietary Fiber，IDF）和可溶性膳食纖維（Soluble Dietary Fiber，SDF），其中SDF具有較強的生理功能，SDF含量的多少是評價膳食纖維品質好壞的一個重要指標[2]。SDF的含量如果在10%以上，可以最大限度地發揮其良好的加工特性、生理活性和保健功能，許多食物中的膳食纖維總量很高，但其中的SDF含量僅占膳食纖維總量的3～4%左右[3]。通過對膳食纖維進行改性，可以有效地提高可溶性膳食纖維的含量，從而使膳食纖維的利用率達到最大。

2 蒸汽爆破技術

蒸汽爆破技術（簡稱汽爆技術），最早是由美國學者W.H.Mason提出來的，其原理是在原料中通入高溫、高壓的水蒸氣，用過熱蒸汽將原料加熱至180～235 ℃，使蒸汽充分滲透到原料的組織與細胞之間，并在毫秒間釋放出高壓，在這個過程中，原料中的水分會快速膨脹、外溢，形成強大的剪切力，從而破壞原料的組成，提高纖維的品質[4]。

蒸汽爆破是一種在木質纖維原料預處理中得到廣泛應用的技術，它在食品領域起步比較晚，但近年來發展迅速，被證明是一種有效提高食品加工品質和營養品質的物理方法。作為一種新型原料熱處理加工技術，它是一種綠色環保，能夠有效溶出食品營養成分和對食品中大分子物質改性的方法，在食品原料預處理方面有廣闊的應用前景。

3 蒸汽爆破對膳食纖維的改性作用

利用蒸汽爆破技術對膳食纖維進行改性，可以將部分 IDF轉變成 SDF，其原因可能是因為IDF是由纖維素、部分半纖維素和木質素組成，而SDF是由果膠、樹膠、低聚糖和部分半纖維素組成[5]，當高溫高壓水蒸氣在毫秒間迅速被釋放，使得IDF中大分子物質的糖苷鍵斷裂，形成了小分子的糖類[6]，從而提高了SDF的含量。且高溫能使微生物活性降低，可延長食品的保質期[7]。蒸汽爆破技術作為一種簡單高效的食品副產物新加工技術，具有很大的發展前景。

在蒸汽爆破后，膳食纖維會在酸水解和熱降解過程中溶解成小分子，強大的機械力會破壞纖維大分子的結構，氫鍵斷裂，分子鏈更容易重新排列[8]。蒸汽爆破技術在蔬菜、水果、糧谷類食品的膳食纖維改性中均有應用，且改性效果明顯。現階段，對于膳食纖維的改性作用主要集中在原料加工副產物中。Li等[9]研究發現適當的汽爆處理可顯著提高豆渣中的 SDF含量，張立娟等[10]采用蒸汽爆破技術對葡萄酒副產物進行改性，較未汽爆處理的SDF提取率提高了24.25%，Ma等[11]測定了蒸汽爆破處理后對麥麩中 SDF含量，SDF含量由 18.88%提高到 40.32%。由此可見，蒸汽爆破處理可以提高SDF的溶出率，增加食物副產物的附加值，且對于保護環境和資源的開發再利用有重要意義。本文對近年來蒸汽爆破技術在膳食纖維改性方面的研究進行綜述，闡述了改性后的膳食纖維品質的變化，以期為食物副產物的開發利用提供一定的參考。

3.1 對結構特性的影響

膳食纖維的結構會直接影響其理化和功能特性，結構特性主要體現在其表面的形態特征、膳食纖維的結晶狀態以及化學基團的組成等方面。通過掃描電子顯微鏡觀測、比表面積測定、X-射線衍射表征、傅里葉紅外光譜分析等多種方式對蒸汽爆破處理前后膳食纖維的結構進行對比，可以更直觀的看到汽爆處理對膳食纖維結構的影響，為研究其理化性質提供依據。

未經汽爆處理的膳食纖維表面平整，結構緊實，當在汽爆處理后，膳食纖維表面會出現大量空洞和孔隙，說明蒸汽爆破處理對原料的細胞壁進行了破壞，將原料內部的小分子物質溶出，纖維的聚合度變小。鄭佳欣[12]對改性前后的刺梨渣膳食纖維進行了結構分析，在電子顯微鏡下可以看出未經汽爆處理的刺梨渣膳食纖維表面光滑平整、結構致密，而汽爆處理后的其表面則是出現了大量褶皺、呈現蜂窩狀。姜永超等[13]對菠蘿皮渣膳食纖維的形貌結構進行了電鏡掃描，汽爆處理后，其表面出現了大量褶皺，具有很多空隙，增大了相對比表面積。蒸汽爆破處理破壞了膳食纖維原本的結構，使其表面積增大，出現很多的孔隙，有利于增強膳食纖維的吸附能力，提高持油力等。

對于膳食纖維的晶體結構，汽爆處理不會對其造成影響，王磊等[14]對改性后的麥麩進行了X-射線衍射表征，發現對DF的晶體結構基本不造成影響。

紅外光譜圖可根據吸收峰的峰形和峰面積等反映出膳食纖維官能團的位置有沒有發生變化，以及膳食纖維中多糖的變化情況，對于汽爆處理后的膳食纖維，一般情況下，處理前后的峰形大致相似，因為汽爆處理沒有改變膳食纖維原本的結構，只是將一些大分子的纖維素轉變成小分子的糖類，因此，紅外光譜圖上會出現吸收峰的紅移，說明一些纖維素、半纖維素發生了水解，并且出現了一些多糖的特征性吸收峰。Wang等[15]分析了蒸汽爆破前后甘薯渣膳食纖維的紅外光譜圖，發現處理前后的紅外光譜大致相似，經過汽爆處理對甘薯渣的膳食纖維結構未造成顯著改變，何曉琴等[16]對汽爆處理前后的苦蕎麩皮進行光譜分析發現，處理后SDF的吸收峰變窄，吸收強度提高，說明經過汽爆處理的苦蕎麩皮中纖維的氫鍵斷裂，導致更多的羥基暴露在外面，使得SDF的吸收強度提高，汽爆處理有利于改善纖維的品質。

汽爆處理后膳食纖維的表面出現褶皺和很多孔隙，比表面積增大，這些特征可以更直觀的反映出持水力、持油力、膨脹力等提高的原因。且汽爆處理沒有導致膳食纖維中出現新的官能團，說明該技術不會引入其他有害物質，影響膳食纖維的品質。

3.2 對理化性質的影響

理化性質可以從持水力、持油力、膨脹力等方面表現出來，它們會影響食品在加工過程中擠壓、攪拌、均質中膳食纖維與其他組分結合的能力，從而對食品的口感和品質發揮作用。白曉州等[17]對廢棄的沙棘果渣中可溶性膳食纖維進行了蒸汽爆破處理，沙棘果渣SDF其持水力、膨脹力和持油力比未經處理的提高了2.43、2.04、2.48倍。說明經過蒸汽爆破處理后，沙棘渣中SDF表面積增加，可以吸附更多的水分子和油分子，從而可以提高沙棘中SDF的持水力、膨脹力和持油力。崔瀟文等[18]以番茄皮渣為原料，蒸汽爆破處理后番茄皮渣膳食纖維持油力顯著提高。由于汽爆處理破壞了纖維結構，增大了比表面積，所以提高了對油的吸附能力。

持水力和膨脹力的提高，有助于膳食纖維與水分子的結合，使得膳食纖維可以吸收腸道內的水分，形成大體積的凝膠狀物質，可以促進腸道蠕動，起到通便的作用來預防便秘。持油力與膳食纖維的表面結構有著密切關系，經過蒸汽爆破處理后的膳食纖維因其表面積增大，可以使更多的油分子吸附在膳食纖維表面，若可以將它們添加在脂肪含量高的食品中，可以減少因食用脂肪含量高的食物而導致肥胖的幾率。

綜上，汽爆處理可以提高食物原料副產物的利用，為廢棄的食物皮渣等提供附加值，如果今后將改性后的膳食纖維添加在其他食品中，理化性質的提高對于研究功能性膳食纖維食品提供新的思路及方向。

3.3 對功能特性的影響

膳食纖維具有膽固醇吸收能力、降低血糖、維持膳后血糖水平和抗氧化等功能。膳食纖維中豐富的物質主要通過三個途徑來降低血糖：一是抑制α-淀粉酶的活性、二是通過增加體系粘度來阻斷葡萄糖的擴散、三是通過吸附游離葡萄糖降低消化道內可吸收的葡萄糖[19]。Liu等[20]發現蒸汽爆破后的菠蘿皮膳食纖維的抗氧化活性提高，張明等[21]測定了汽爆壓力對西蘭花老莖膳食纖維DPPH自由基清除率的值，與對照組比較提高約2倍，胡瑩瑩等[22]對汽爆后香蕉花SDF對清除DPPH自由基能力進行測定，發現汽爆后清除DPPH自由基能力顯著提高。汽爆處理對于膳食纖維的抗氧化能力有明顯的效果，多食用富含抗氧化的食物，對于抗疲勞、緩解壓力有很好的作用。汽爆處理后的SDF表現出良好的膽固醇結合能力[23]，膽固醇具有合成膽汁的作用，可以更好的幫助人體消化。膳食纖維中葡萄糖的吸附能力與膳食纖維的比表面積有關，比表面積增大，其表面基團的暴露增強了和葡萄糖的作用，汽爆處理可以顯著提高葡萄糖的吸附能力，從而降低人體的血糖濃度。汽爆處理后SDF對小鼠血糖水平有調節作用，可顯著降低小鼠的血糖[24]。

膳食纖維可以將血糖維持在正常的水平，降低血脂含量[25]，膽固醇的吸收被抑制[26]，還可以清除自由基提高抗氧化能力[27]，對于腸道益生菌的生長有促進作用，減少便秘[28]，控制體重，可以減少腸道癌等疾病的發病率。膳食纖維作為第七大營養素，其原本的營養價值就很高，汽爆處理后對于膳食纖維的功能特性有輔助效應，表現出較強的抗氧化能力、清除自由基能力，今后可以將改性后的膳食纖維添加在食品中，為食品提供更高的營養價值。

4 結論與展望

綜上所述，蒸汽爆破技術對于膳食纖維的改性作用效果明顯，可有效提高其SDF的溶出率，促進膳食纖維中 IDF向SDF的轉化，SDF含量的提高，可提升膳食纖維的品質。蒸汽爆破處理后改變了膳食纖維原有致密的結構，使其中的小分子多糖溶解出來，變成疏松多孔的結構，增大了表面積，有助于膳食纖維吸附更多的水油分子，結構特性的改變對于理化特性和功能特性的研究奠定了基礎。汽爆處理提高了膳食纖維的抗氧化和清除自由基能力以及降血糖等功能，改善了膳食纖維的功能特性，蒸汽爆破技術對于食物中膳食纖維的利用具有良好的發展前景，對于廢棄食品原料的開發提供了新的發展方向。

目前，蒸汽爆破技術在膳食纖維中的研究主要集中在優化工藝參數和理化結構特性的基礎研究。對于蒸汽爆破處理后膳食纖維具體成分的變化以及改性機制的研究還較缺乏；對于蒸汽爆破處理后膳食纖維功能性食品的開發力度還不夠，還處于研究汽爆技術對于食品原材料改性基本機理的階段。今后，還需再深入研究其對于人體健康的影響；對改性后的膳食纖維應用范圍可以擴大，不能僅僅作為功能性食品出現在市場上，還要以其他形式的食品出現，以供消費者更好的做出選擇，以期能將更高品質的膳食纖維的應用于實際生產中；對于蒸汽爆破的應用，不能局限在原料的加工上，還應根據蒸汽爆破技術的特點，找到其他適合開發的食物，以實現資源利用最大化。