發(fā)酵改性膳食纖維的生理功能及其在食品中的應(yīng)用

楊晨夕，張珮珮，徐 陽，潘思軼

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430070）

膳食纖維（Dietary fiber，DF）作為七大營(yíng)養(yǎng)素之一，是一類有利于人體健康的碳水化合物，存在于谷物、果蔬、豆類以及海藻等植物中[1]，它不能被人體胃腸道消化吸收，也不為人體供能，但可以在大腸中被發(fā)酵，促進(jìn)腸道功能[2]。膳食纖維根據(jù)溶解性可被分為可溶性膳食纖維（Soluble dietary fiber，SDF）與不溶性膳食纖維（Insoluble dietary fiber，IDF）。膳食纖維的生理活性與分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，與IDF 相比，SDF 擁有較為無序的結(jié)構(gòu)和大量親水基團(tuán)，擁有更優(yōu)良的理化特性與生理活性[3]，如水合性質(zhì)、吸附特性、抗氧化性與離子交換特性等，在保護(hù)人體健康方面有更顯著的效果。并且，將SDF 添加到食品中可以提升食物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值與感官品質(zhì)，還能有效降低癌癥、心血管疾病、腸道疾病以及肥胖癥的發(fā)病幾率[4]，滿足人們對(duì)健康食品的需求[5]。然而，天然膳食纖維中SDF 含量較少，直接添加到食品中可能使食物口感不佳，無法最大程度發(fā)揮膳食纖維的生理活性。研究表明，SDF 含量在10%上才能被稱為優(yōu)質(zhì)膳食纖維[6]。因此，增加天然膳食纖維中SDF 的含量，提高SDF 的生理活性，將其應(yīng)用于食品加工業(yè)變得尤為重要[7]。

物理法、化學(xué)法、酶法是較傳統(tǒng)的改性方法，物理改性存在安全隱患大、能耗高的缺點(diǎn)；化學(xué)改性過程中可能會(huì)發(fā)生較多副反應(yīng)，污染環(huán)境；酶法改性操作繁瑣，價(jià)格高昂。微生物發(fā)酵法作為膳食纖維改性的新型手段，具有成本低廉、安全環(huán)保、產(chǎn)物活性高等優(yōu)點(diǎn)[8]，微生物產(chǎn)生的酶作用于大分子，使其降解為小分子SDF，能有效提高膳食纖維中SDF 的比例，并改善膳食纖維的理化性質(zhì)與功能特性[9]。將發(fā)酵改性后的膳食纖維添加到乳制品、肉類、焙烤食品中，可以提高食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，改善食品的口感[10]。近年來，許多研究利用不同菌種如綠色木霉、黑曲霉、毛霉、混合菌種等對(duì)膳食纖維進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)微生物能夠改變膳食纖維的結(jié)構(gòu)、提高可溶性膳食纖維的含量、增強(qiáng)膳食纖維的生理活性。并且發(fā)酵后的膳食纖維可以添加到不同食品中制作功能性食品，提升食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值與口感。本文詳述了膳食纖維發(fā)酵改性的原理、發(fā)酵改性與其他改性法相比的優(yōu)勢(shì)、影響改性效果的各個(gè)因素、發(fā)酵后膳食纖維生理功能的變化、改性膳食纖維添加到食品中的作用，旨在提高膳食纖維的生物利用率并擴(kuò)大在其食品行業(yè)中的應(yīng)用，迎合當(dāng)今人們對(duì)綠色食品的需求。

1 膳食纖維的簡(jiǎn)介

1.1 膳食纖維的定義

膳食纖維的定義隨著人們的研究不斷更新完善，早在1953 年，膳食纖維這個(gè)術(shù)語就被Hipsley等[11]首次提出，他將植物細(xì)胞壁中不可消化的組分稱為膳食纖維，如木質(zhì)素、纖維素和半纖維素，它們不能被人體消化酶分解。隨后，在1972～1976 年間，Trowell 等[12]建立了“膳食纖維假說”，即膳食纖維與人體健康的關(guān)系，并把膳食纖維定義為不能被人體消化吸收的木質(zhì)素、非淀粉類多糖等物質(zhì)的總稱。為了將膳食纖維的定義統(tǒng)一，美國(guó)科學(xué)學(xué)會(huì)、美國(guó)谷物化學(xué)家協(xié)會(huì)、中國(guó)營(yíng)養(yǎng)學(xué)會(huì)等機(jī)構(gòu)開展了長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)的討論。2014 年，世界衛(wèi)生組織和糧農(nóng)組織將膳食纖維定義為含有10 個(gè)以上單體鏈節(jié)碳水化合物的聚合物，它們不被人體小腸中消化酶水解[13]。雖然現(xiàn)在各個(gè)組織定義膳食纖維的方法仍存在差異，但是膳食纖維的定義必須包括以下幾點(diǎn)[14]：a.來源是食物原料或其副產(chǎn)物，如柑橘、香菇、米糠、臍橙皮等[15]；b.不被人體消化酶所消化分解，不為人體提供能量[16]；c.單體數(shù)目大于等于3 的碳水化合物，對(duì)人體健康有益[17]。隨著現(xiàn)代科學(xué)與社會(huì)的發(fā)展，膳食纖維逐漸受到重視，人們發(fā)現(xiàn)膳食纖維是日常生活中不可或缺的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此膳食纖維也被稱作“第七營(yíng)養(yǎng)素”[18]。

1.2 膳食纖維的分類

膳食纖維可以根據(jù)其來源、理化性質(zhì)、水溶性以及可發(fā)酵性等方面進(jìn)行分類[19]（表1），根據(jù)溶解性，膳食纖維可被分為IDF 與SDF[20]，IDF 分子量較大，約為50～250 kDa，是由五碳糖或者六碳糖以β-1,4 糖苷鍵連接而成的天然高聚物，參與植物細(xì)胞壁的構(gòu)成，存在于谷類、薯類、堅(jiān)果、豆制品中，主要成分有纖維素（A）、半纖維素（B）、木質(zhì)素等（C）[21]（圖1）。它們的結(jié)構(gòu)有高度規(guī)整性，并且聚合度較高、分子取向性良好、化學(xué)穩(wěn)定性較強(qiáng)，不易溶于水和有機(jī)溶劑，可以預(yù)防便秘、肥胖等疾病[22]。SDF 分子量較小，約為20～400 kDa，廣泛存在于果蔬、食用菌中[23]，以果膠為例（D），它是以D-半乳糖醛酸由α-1,4-糖苷鍵連接組成的酸性雜多糖，結(jié)構(gòu)由直鏈多糖聚半乳糖醛酸區(qū)（Homogalacturonan region，HG區(qū)）、鼠李糖半乳糖醛酸Ⅰ區(qū)（RhamnogalacturonanⅠ region，RGI 區(qū)）與鼠李糖半乳糖醛酸Ⅱ區(qū)（Rhamnogalacturonan Ⅱ region，RGII 區(qū)）構(gòu)成[24]，分為“毛發(fā)區(qū)”和“光滑區(qū)”（E），較小的分子量和復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)良的理化特性與生理活性[25]，能夠影響人體代謝功能，如調(diào)節(jié)血糖血脂、保護(hù)腸道，對(duì)維持人體健康起到更大作用[26]。

圖1 纖維素（a）、半纖維素（b）、木質(zhì)素（c）、果膠（d）化學(xué)結(jié)構(gòu)和果膠分子結(jié)構(gòu)示意圖（e）Fig.1 Chemical structure of cellulose (a),hemicellulose (b),lignin (c),pectin (d)and schematic diagram of molecular structure of pectin (e)

表1 膳食纖維的分類（按溶解性）Table 1 Classification of dietary fiber by solubility (According to solubility)

2 發(fā)酵法改性膳食纖維

當(dāng)原料中SDF 與IDF 的比例在1～2.3 之間時(shí)，才能被稱為高品質(zhì)膳食纖維[27]，否則只能作為填充劑使用。然而，在天然植物細(xì)胞壁中，SDF 的含量遠(yuǎn)低于IDF，達(dá)不到人體平衡膳食的要求[28]。因此，要用簡(jiǎn)單高效的方法提高SDF 的比例[29]，使其得以充分開發(fā)利用，對(duì)人類健康具有重要價(jià)值。目前膳食纖維改性方法有物理法、化學(xué)法、酶法、微生物法等。

2.1 發(fā)酵改性的原理

微生物改性法利用菌株發(fā)酵過程中分泌的胞外水解酶提高原料中化合物產(chǎn)量以及生理活性[30]（圖2）。IDF 大分子中的纖維素、木質(zhì)素由大量葡萄糖通過β-1,4 糖苷鍵鏈接，產(chǎn)酶菌株接種后能將蛋白質(zhì)、淀粉作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并產(chǎn)生大量纖維素酶、半纖維素酶、木聚糖酶等[31]。纖維素酶是一種復(fù)合酶系，分為葡聚糖外切酶、葡聚糖內(nèi)切酶和β-葡萄糖苷酶，首先，葡聚糖外切酶破壞纖維素大分子的晶體結(jié)構(gòu)，暴露出大量化學(xué)鍵，隨后葡聚糖內(nèi)切酶作用于β-1,4-糖苷鍵，將其轉(zhuǎn)化為纖維二糖、纖維三糖等低聚糖，最后β-葡萄糖苷酶將低聚糖轉(zhuǎn)化為小分子葡萄糖[32]，提高可溶性糖類的含量，并且化學(xué)鍵的斷裂釋放出了更多活性物質(zhì)，達(dá)到改性的目的。蔡泓瑩等[33]用黑曲霉、米曲霉發(fā)酵半葉馬尾藻，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后的SDF 得率增加、結(jié)構(gòu)變得更松散、分子量更小且持水力、持油力、膽固醇吸附能力、膽酸鈉吸附能力等功能特性優(yōu)于未發(fā)酵SDF。由于發(fā)酵改性的后的膳食纖維能夠去除蛋白質(zhì)、淀粉等雜質(zhì)，提高產(chǎn)物純度，并且分子量減小，結(jié)構(gòu)呈碎片狀，暴露出更多活性基團(tuán)，使理化特性與生理活性有一定的提高，色澤、質(zhì)地、氣味和分散程度也比較完善，有望用于食品工業(yè)制作功能性食品。

圖2 微生物發(fā)酵改性原理Fig.2 Fermentation modification mechanism

2.2 發(fā)酵改性的優(yōu)勢(shì)

不同改性方法的比較如表2 所示，物理法利用儀器對(duì)膳食纖維進(jìn)行改性，如擠壓膨化、高壓處理等，工藝簡(jiǎn)便[34]，但設(shè)備運(yùn)行成本較貴，限制其工業(yè)化生產(chǎn)[35]。化學(xué)法主要使用酸、堿、過氧化氫等化學(xué)試劑處理膳食纖維[36]，與其他方法相比，能耗低且較高效[37]，但是化學(xué)反應(yīng)容易產(chǎn)生副產(chǎn)物，對(duì)環(huán)境造成污染[38]。用纖維素酶、半纖維素酶處理膳食纖維也可以達(dá)到改性的效果，條件溫和且專一性強(qiáng)[39]，但是酶制劑成本高，較難實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)[40]。與這幾種方法相比，微生物發(fā)酵能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)酶與酶解過程統(tǒng)一，利用微生物代謝產(chǎn)物將膳食纖維降解為小分子從而達(dá)到改性的目的，擁有安全高效、成本低、產(chǎn)物活性高的優(yōu)點(diǎn)[41]。Chang 等[42]比較了蒸汽爆破、米曲霉發(fā)酵改性膳食纖維的效果，與爆破組相比，發(fā)酵組的纖維素、半纖維素含量更低，為7.35%和38.59%，并且發(fā)酵組膳食纖維表面無木質(zhì)素沉積，表面顆粒更小且粗糙，微生物產(chǎn)生的酶能夠更好進(jìn)入大分子內(nèi)部，改性效果更加徹底。Ren等[43]用酶法、發(fā)酵法改性米糠膳食纖維，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過發(fā)酵的膳食纖維變成小碎片狀，中位粒徑減小到79.7 μm，比表面積增加到138.8 m2/kg，吸附葡萄糖能力提高到原來的57.2%。較大的比表面積能夠暴露出更多的酶結(jié)合位點(diǎn)與活性基團(tuán)，提高生理活性效果更加顯著。

表2 不同改性方法的比較Table 2 Methods commonly used in the modification of dietary fiber

并且，發(fā)酵法能與其他改性方法相結(jié)合，如與超高壓法、蒸汽爆破法、超聲法、酶法聯(lián)合處理，可以更好發(fā)揮各方法優(yōu)勢(shì)[44]。Li 等[45]用高凈水壓力法與發(fā)酵法聯(lián)合處理腌菜膳食纖維，膳食纖維先經(jīng)過高凈水壓力處理，底物體積減小，縮短了酶反應(yīng)時(shí)間并增強(qiáng)酶活性。改性后SDF 產(chǎn)量增加，吸附重金屬、膽酸鈉和抑制淀粉酶活性能力增強(qiáng)，提高了改性速率。Juodeikiene 等[46]用超聲波預(yù)處理大豆后用乳酸菌發(fā)酵，超聲波產(chǎn)生的空化氣泡崩塌后產(chǎn)生沖擊波與剪切力，破壞細(xì)胞壁，促進(jìn)SDF 的溶解，大豆中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)蛋白質(zhì)也大量釋放，為發(fā)酵提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。經(jīng)過預(yù)處理后，乳酸菌長(zhǎng)勢(shì)更好，使可溶性物質(zhì)的含量提升至2.963 g/g。Si 等[47]研究了發(fā)酵、發(fā)酵-酶結(jié)合改性海草膳食纖維的效果，研究發(fā)現(xiàn)聯(lián)合法處理顯著提高SDF 的得率，由3.9%增加到20.76%，且將持水力提高到8.73 g/g、吸附膽固醇特性提高到38.03 mg/g。這些研究表明，聯(lián)合改性法作為一種多方法集成的改性過程，能夠提高改性效率、使改性效果更加徹底、減少能量的消耗與資源的浪費(fèi)，比單一改性法更有優(yōu)勢(shì)，但操作比較復(fù)雜，優(yōu)化工藝有較大難度[48]。

2.3 發(fā)酵改性膳食纖維的影響因素

發(fā)酵改性法比傳統(tǒng)改性法有更大優(yōu)勢(shì)，但在發(fā)酵過程中，SDF 的活性與得率與發(fā)酵pH、溫度、接種量等因素有密切關(guān)系[49]，探究其最佳發(fā)酵條件，有利于改性的進(jìn)行。

2.3.1 菌種 菌種的選擇在改性中起到重要作用，不同菌株產(chǎn)生的酶系、酶活力不同，選用合適的菌種進(jìn)行發(fā)酵，不僅生產(chǎn)效率高，還能有效改善膳食纖維的理化特性，目前改性使用較多的是高產(chǎn)纖維素酶真菌與工業(yè)產(chǎn)酸菌[50]，表3 展示了利用菌種發(fā)酵后膳食纖維的變化。例如，木霉屬是較好的纖維素酶生產(chǎn)菌，曲霉屬、青霉屬和鐮刀菌屬的產(chǎn)酶能力也較強(qiáng)[51]。黑曲霉（Aspergillus niger）是曲霉屬中的常見菌種，能夠產(chǎn)生纖維素酶、淀粉酶、糖化酶和果膠酶等多種酶。黑曲霉具有培養(yǎng)條件簡(jiǎn)單、產(chǎn)酶速度快、酶系全面且安全等優(yōu)點(diǎn)，可用于食品發(fā)酵[52]。綠色木霉（Trichoderma viride）能夠分泌多種高活性的細(xì)胞壁水解酶，如纖維素酶、木聚糖酶等，可以有效降解纖維素、半纖維素大分子。并且綠色木霉生長(zhǎng)速度較快、產(chǎn)酶量多、生長(zhǎng)條件溫和易滿足，適合用于發(fā)酵工業(yè)[53]。因此，黑曲霉與綠色木霉這兩種菌種都適合用于膳食纖維改性。但單菌株發(fā)酵存在一些不足，例如木霉屬能夠分泌大量纖維素酶，其中β-葡萄糖苷酶活性較低，使發(fā)酵液中的纖維二糖、可溶性寡糖大量積累，抑制其他水解酶的催化活性，從而影響發(fā)酵效果[54]。Xue 等[55]用黑曲霉與里氏木霉混合發(fā)酵臍橙皮膳食纖維，黑曲霉是一種產(chǎn)高活性β-葡萄糖苷酶的菌種，能與里氏木霉互補(bǔ)形成多組分復(fù)雜纖維素酶體系，首先葡聚糖內(nèi)切酶、外切酶共同作用于纖維素，其次葡萄糖苷酶通過將過量單糖轉(zhuǎn)化為龍膽二糖、三糖從而解除單糖對(duì)其他酶的抑制，使木聚糖酶、半纖維素酶、纖維素酶的活力都有所提高。活性物質(zhì)與大分子通過醚鍵、酯鍵相結(jié)合，高活性的復(fù)合酶系更徹底的破壞了糖苷鍵，釋放出活性物質(zhì)，達(dá)到提高生理活性的目的。Si 等[56]從茶葉渣中篩選出兩株能夠高效降解纖維素的菌種草野旋腔菌與普氏曲霉，并用這兩種菌進(jìn)行混合發(fā)酵。實(shí)驗(yàn)表明，混菌發(fā)酵的羧甲基纖維素酶、濾紙酶、β-葡萄糖苷酶的活性均高于單菌發(fā)酵酶活性。與單菌發(fā)酵改性相比，混菌發(fā)酵改性茶渣膳食纖維的產(chǎn)率更高，由8.92%提高到26.47%。并且混菌發(fā)酵的膳食纖維擁有更高的持水力、持油力、亞硝酸鹽吸附特性提升至9.23 g/g、10.64 g/g、69.66 μg/g，克服了單菌發(fā)酵酶系單一、酶活性不穩(wěn)定的問題[57]。因此在改性前，要先篩選出高產(chǎn)纖維素酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等水解酶的菌株，它們可以在利用底物的同時(shí)產(chǎn)生大量活性物質(zhì)。隨后，探究多種混合菌株最佳產(chǎn)酶條件并用于膳食纖維改性，可以生產(chǎn)出純度高、產(chǎn)量更大、功能特性更優(yōu)良的膳食纖維。

表3 發(fā)酵后膳食纖維的變化Table 3 Changes in dietary fiber after fermentation

2.3.2 接種量 微生物數(shù)量對(duì)菌體生長(zhǎng)、產(chǎn)酶量均有影響，過高或過低的接種量都會(huì)抑制菌種生長(zhǎng)，導(dǎo)致改性效果不佳，若接種量過小，微生物數(shù)量少且存在較長(zhǎng)時(shí)間的適應(yīng)期，代謝時(shí)間變短，導(dǎo)致產(chǎn)酶量不足，進(jìn)而影響SDF 的得率。雖然高接種量可以使菌株繁殖較快，但是隨著接種量的增加，菌株競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)，生長(zhǎng)密度過高，導(dǎo)致氧氣與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)不足，并且發(fā)酵過程中微生物產(chǎn)生大量酸，影響發(fā)酵環(huán)境的pH 與酶活，導(dǎo)致產(chǎn)率下降[58]。Miao 等[59]采用發(fā)酵工藝對(duì)黑木耳多糖進(jìn)行改性，隨著綠色木霉接種量的增加，黑木耳多糖的含量先增大后減小，當(dāng)接種量為12.4%時(shí)，黑木耳多糖的產(chǎn)率最高，由5.2%提高到26.9%，此時(shí)多糖擁有較好的抗氧化活性、陽離子交換能力，提高產(chǎn)量的同時(shí)增強(qiáng)了生理活性，因此確定12.4%為綠色木霉的最佳接種量。Jia 等[60]通過響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)確定了綠色木霉發(fā)酵改性脫脂米糠的最佳接種量為10%，此時(shí)脫脂米糠中SDF 的產(chǎn)量由10.5%顯著提高到33.4%，改性米糠SDF 的溶解性、持水力、持油力由0.84 g/g、1.21 g/g、1.57 g/g 增加到0.94 g/g、6.01 g/g、2.36 g/g，有望添加到食物中制作功能性食品，適合高血脂人群食用。合適的接種量促菌體生長(zhǎng)并減少雜菌的污染，生成產(chǎn)物速率加快，能夠加快改性進(jìn)程。一般而言，酵母菌的種子液接種量約為5%～10%，細(xì)菌接種量約為1%～5%，霉菌接種量約為7%～15%。

2.3.3 pH pH 通過影響微生物細(xì)胞膜的生理功能、胞內(nèi)酶的活性、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的解離程度與利用率來調(diào)控微生物的生長(zhǎng)繁殖速率。不同微生物的適應(yīng)能力有差異，生長(zhǎng)pH 也不同[61]。Xie 等[62]確定了綠色木霉發(fā)酵改性脫脂米糠IDF 的條件，當(dāng)發(fā)酵初始pH為4 時(shí)，菌株產(chǎn)生的木聚糖酶、羧甲基纖維素酶、β-葡萄糖苷酶活性較高，能夠有效破壞IDF 大分子化學(xué)鍵并釋放出酚類物質(zhì)，釋放出的酚類物質(zhì)具有良好的α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶抑制活性。Chen 等[63]利用綠色木霉發(fā)酵茶渣，發(fā)現(xiàn)5.46 為綠色木霉的發(fā)酵的最佳pH，在最佳發(fā)酵條件下茶渣SDF 的產(chǎn)率由4.3%提高到31.56%，SDF 改性后有較好的重金屬結(jié)合能力，可以作為食品添加劑，防止人體受到食源性重金屬的危害。大多數(shù)發(fā)酵pH 都要控制在4.5～8 之間，通常情況下，細(xì)菌的最適生長(zhǎng)pH 為6.5～7.5，酵母菌、霉菌則適合于pH 為5～6 的酸性環(huán)境。在發(fā)酵前要調(diào)節(jié)培養(yǎng)基到合適pH，同時(shí)可以在培養(yǎng)基中加入緩沖物質(zhì)，以保證pH 在微生物生長(zhǎng)繁殖過程中的相對(duì)穩(wěn)定。

2.3.4 時(shí)間 接種初期，微生物生長(zhǎng)速度較慢，產(chǎn)率增加比較緩慢，隨著培養(yǎng)時(shí)間增加，微生物處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，繁殖速度加快，產(chǎn)生的酶系活性高，經(jīng)過一段時(shí)間的穩(wěn)定期后發(fā)酵產(chǎn)物大量積累，達(dá)到最大值。若發(fā)酵時(shí)間過長(zhǎng)，培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被耗盡，部分酶開始失活，導(dǎo)致SDF 產(chǎn)率變少[64]。Xu 等[65]發(fā)現(xiàn)，在發(fā)酵第九天時(shí)，樺褐孔菌菌絲生長(zhǎng)量到達(dá)峰值，此時(shí)菌株產(chǎn)酶量也較高，用于發(fā)酵麥秸，可以使纖維素、半纖維素和木質(zhì)素降解率分別達(dá)到46.1%、46.4%和44.1%，此時(shí)多糖產(chǎn)量提高142.9%。Chen 等[66]研究了紅曲霉發(fā)酵馬鈴薯膳食纖維的工藝，當(dāng)添加50 g/L馬鈴薯渣作為原料時(shí)，SDF 的產(chǎn)量在第6 d 由3.4 g/L增加到6.3 g/L，在第7 d 時(shí)，SDF 產(chǎn)量又下降到5.7 g/L，可能是由于隨著發(fā)酵時(shí)間增加，部分SDF 水解為更小分子的糖，導(dǎo)致產(chǎn)量減少。細(xì)菌如乳酸菌、嗜熱鏈球菌生長(zhǎng)繁殖速度較快，只需1～2 d 便可改性膳食纖維，酵母菌如釀酒酵母、解脂耶氏酵母改性時(shí)間約為4～5 d，霉菌如黑曲霉、綠色木霉、里氏木霉改性時(shí)間約為2～5 d。

2.3.5 溫度 溫度在發(fā)酵過程中也是十分重要的影響因素，它通過影響細(xì)胞內(nèi)生物大分子的活性影響微生物的生長(zhǎng)繁殖[67]。不同種類的微生物有相應(yīng)的最適生長(zhǎng)溫度，當(dāng)溫度遠(yuǎn)低于最適生長(zhǎng)溫度，微生物的生長(zhǎng)繁殖受到抑制，產(chǎn)酶速度較慢；而溫度過高時(shí)，培養(yǎng)基水分流失，導(dǎo)致部分微生物分生孢子提前形成，無法生成菌絲，且細(xì)胞內(nèi)的生物活性物質(zhì)發(fā)生變性[68]，不利于改性。Rodríguez 等[69]確定了酵母的最佳發(fā)酵溫度為29.5 ℃，在最佳溫度發(fā)酵蘋果渣，可以制備出高蛋白、高纖維、不含糖、有高抗氧化性的功能食品原料。此外，微生物的最適生長(zhǎng)溫度與最適發(fā)酵溫度不同，最佳發(fā)酵溫度是發(fā)酵速率最高或積累代謝產(chǎn)物量最高時(shí)的培養(yǎng)溫度，纖維素酶發(fā)揮最大活性的溫度為45～75 ℃，遠(yuǎn)高于微生物生長(zhǎng)溫度范圍，曹艷等[70]采用分段控溫手段，先用青霉菌最適生長(zhǎng)溫度28 ℃培養(yǎng)，待菌體大量生長(zhǎng)后調(diào)節(jié)溫度至45 ℃繼續(xù)培養(yǎng)，使纖維素酶展現(xiàn)出高活性，此時(shí)控溫發(fā)酵比固定溫度發(fā)酵手段的SDF 產(chǎn)率高3.7%。在發(fā)酵改性時(shí)，可將細(xì)菌工作溫度控制在20～45 ℃，酵母菌工作溫度控制在15～30 ℃，霉菌溫度控制在20～30 ℃，并且可根據(jù)發(fā)酵進(jìn)程調(diào)節(jié)溫度，使得率最大化。

3 發(fā)酵法改性膳食纖維的生理功能

膳食纖維的生理功能受到分子結(jié)構(gòu)、活性基團(tuán)羥基、氨基、羧基的影響，發(fā)酵改性后，膳食纖維的結(jié)構(gòu)、組成發(fā)生變化，暴露出更多活性基團(tuán)，提高膳食纖維的吸附力、持水力、持油力、離子交換特性等理化特性，從而賦予膳食纖維優(yōu)良的生理功能，比如有效預(yù)防糖尿病、心血管疾病、調(diào)節(jié)腸道穩(wěn)態(tài)等。

3.1 預(yù)防糖尿病

膳食纖維預(yù)防糖尿病的機(jī)制有以下幾點(diǎn)：a.增加分子間的相互作用并形成物理障礙，抑制葡萄糖在腸道中的擴(kuò)散[72]；親水基團(tuán)如羥基、羧基和氨基吸收大量水分，形成凝膠和三維網(wǎng)絡(luò)，增加食物的黏度，減緩了葡萄糖的擴(kuò)散與小腸上皮細(xì)胞吸收葡萄糖的速率[73]。b.膳食纖維的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以結(jié)合多種化合物及離子，阻礙人體腸道對(duì)它們的吸收利用[74]，降低腸內(nèi)葡萄糖濃度。c.膳食纖維有抑制α-葡萄糖苷酶與α-淀粉酶的活性的功效[75]，能有效控制小腸上皮細(xì)胞對(duì)葡萄糖的吸收。d.SDF 可以被大腸內(nèi)的菌群發(fā)酵，生成對(duì)人體健康有益的短鏈脂肪酸，如果膠能被微生物完全發(fā)酵生成乙酸、丙酸和丁酸，其中丙酸可以降低胰島素抵抗，促進(jìn)肝糖原的合成[76]。發(fā)酵后，膳食纖維的預(yù)防糖尿病能力顯著提升，由于大分子結(jié)構(gòu)被微生物所產(chǎn)的酶、酸破壞，比表面積增大、孔洞變多并形成更多SDF，暴露出更多氫鍵與偶極子，與水、葡萄糖等物質(zhì)的接觸面積變大，水合性質(zhì)、吸附特性提升。Chu 等[71]研究發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后的膳食纖維葡萄糖吸附能力高達(dá)3.38 mmol/g，是未發(fā)酵膳食纖維的1.39 倍，有效延緩了葡萄糖在胃腸道的消化吸收，對(duì)降低血糖起著重要作用。Cui 等[77]用發(fā)酵改性的杏漿SDF 給大鼠灌胃，灌胃28 d 后，大鼠血糖水平明顯低于空白對(duì)照組，改性后的SDF 的大量網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以將α-葡萄糖苷酶、α-淀粉酶包裹，抑制酶的活性，從而延緩葡萄糖的釋放，可以達(dá)到預(yù)防糖尿病的效果。

3.2 預(yù)防心血管疾病

人體內(nèi)膽固醇、甘油三酯含量過高常誘發(fā)心血管疾病[78]，膳食纖維經(jīng)發(fā)酵后有更優(yōu)良的吸附膽固醇、油脂、膽汁酸能力，能夠更加有效地預(yù)防心血管疾病[79]。Wang 等[80]以刺梨果渣為原料，利用納豆芽孢桿菌進(jìn)行發(fā)酵，在最佳發(fā)酵條件下，刺梨果渣中SDF 含量由7.68%提高到10.68%，膳食纖維的持油力由1.25 g/g 提升至1.40 g/g。因?yàn)镾DF 在腸道中形成黏度較高的凝膠和纖維膠束，這些復(fù)合物能夠在腸道中吸收大量膽固醇、膽汁酸，影響它們的乳化、擴(kuò)散過程[81]，膽固醇的分解產(chǎn)物為膽汁酸，膽汁酸依靠體內(nèi)的重吸收作用維持循環(huán)，若大量膽汁酸被吸附，無法返回肝臟，肝臟會(huì)大量降解膽固醇。隨后，血液中膽固醇進(jìn)入肝臟，降低血液膽固醇含量[82]。并且，SDF 有良好的發(fā)酵性，SDF 含量增多后，在體內(nèi)發(fā)酵產(chǎn)生更多短鏈脂肪酸，降低腸道內(nèi)pH，促進(jìn)肝臟內(nèi)的脂質(zhì)分解，下調(diào)人體對(duì)甘油三脂代謝產(chǎn)物和膽固醇的溶解性[83]。此外，經(jīng)過發(fā)酵的膳食纖維具有表面積較大的多孔結(jié)構(gòu)，Li 等[84]發(fā)現(xiàn)用乳酸菌發(fā)酵的小米膳食纖維結(jié)構(gòu)更加松散，能有效吸附油脂和胰脂肪酶[85]，并破壞胰脂肪酶的氫鍵，影響酶的二級(jí)結(jié)構(gòu)，抑制脂肪酶的活性[86]，防止油脂分解。在小腸和胃液環(huán)境中，改性膳食纖維對(duì)膽固醇的吸收能力分別提升至10.21 mg/g 和6.93 mg/g。經(jīng)過發(fā)酵后，膳食纖維能吸附更多油脂、膽固醇、膽汁酸，并抑制脂質(zhì)分解相關(guān)酶的活性，減少人體對(duì)油脂的吸收，起到預(yù)防心血管疾病的作用。

3.3 預(yù)防腸道疾病

在結(jié)腸內(nèi)，大多數(shù)SDF 能作為微生物的底物發(fā)酵，產(chǎn)生大量短鏈脂肪酸[87]，酸性條件促進(jìn)了與炎癥性腸病相關(guān)的酸化擬桿菌和腸桿菌的生長(zhǎng)[88]。微生物改性后，膳食纖維的發(fā)酵能力提高，大量SDF 被腸道菌群如雙歧桿菌發(fā)酵，生成乙酸、丁酸和丙酸，增加腸道豐度，改善腸道的屏障功能[89]，阻礙腸腔內(nèi)中內(nèi)毒素、病原菌等有害物質(zhì)進(jìn)入血液，抵抗結(jié)腸疾病；并且膳食纖維改性后持水性提高，能夠吸收大量水分，增加糞便的含水量與體積，潤(rùn)滑腸道并促進(jìn)排便[90]，加速腸道運(yùn)動(dòng)，利于有害物質(zhì)的排泄，保護(hù)了腸粘膜，起到預(yù)防便秘、結(jié)腸癌等疾病的作用[91]。Zhang 等[92]的研究表明，植物乳桿菌發(fā)酵改變了蘆筍多糖的單糖組成，并提高膳食纖維的免疫調(diào)節(jié)活性，減少結(jié)腸癌、胃癌的發(fā)病幾率。Sun 等[93]利用寡孢根霉發(fā)酵提取中藥“玉屏風(fēng)”多糖后加入獺兔飼料中，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵改性多糖可以提高獺兔血清IL-1、IL-2、IL-4 等濃度、抗炎因子IL-4 和IL-10 的mRNA 表達(dá)量，增強(qiáng)免疫功能并調(diào)節(jié)腸道能力。改性后的膳食纖維能夠潤(rùn)滑腸道，加速有害物質(zhì)的排出；并在腸道中更好發(fā)酵，產(chǎn)生大量短鏈脂肪酸且能夠提升有益菌如厚壁菌門、擬桿菌門等的豐度，改善人體屏障功能，增強(qiáng)免疫力，預(yù)防腸道疾病。

3.4 預(yù)防肥胖

膳食纖維產(chǎn)能較少，是一種低熱量的食物，它可以減少人體對(duì)油脂的吸收利用，并增加飽腹感從而達(dá)到減肥的目的[94]，首先，膳食纖維發(fā)酵改性后，產(chǎn)生大量多孔結(jié)構(gòu)和親水基團(tuán)，賦予了膳食纖維優(yōu)良的膨脹性與持水性，膳食纖維吸收水分后體積增大，形成凝膠，使食物在胃中的排空速度降低，使人產(chǎn)生飽腹感，減少食物攝入[95]；SDF 發(fā)酵后產(chǎn)生的短鏈脂肪酸可以參與腸道激素、多肽物質(zhì)分泌調(diào)節(jié)，對(duì)降低食欲、減少脂肪生成量有一定效果[96]，同時(shí)還能改善胰島素敏感性，通過抑制脂肪細(xì)胞胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，降低脂肪組織中脂肪的蓄積[97]，促進(jìn)全身脂質(zhì)代謝，減少小腸對(duì)脂肪的吸收率。Rodríguez 等[98]用蘋果酒酵母發(fā)酵蘋果渣，發(fā)酵增加了蘋果渣膳食纖維的含量，大分子細(xì)胞壁被破壞后，釋放出大量酚類物質(zhì)，可以作為原料生產(chǎn)針對(duì)糖尿病、肥胖患者的功能性食品。趙久毅等[99]用未處理、熱風(fēng)干燥處理、真空干燥處理、發(fā)酵處理的豆渣膳食纖維給小鼠灌胃，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后的IDF:SDF 變?yōu)?.5:1，并且膳食纖維的溶解性、膨脹力和持油力均顯著提高。與其他組相比，攝入發(fā)酵膳食纖維組的小鼠14 d 后體重最輕，并且體重增長(zhǎng)量最少。低熱量、飽腹感高的改性膳食纖維能夠降低食欲和降低胰島素敏感性，適合減肥人群食用。

4 發(fā)酵膳食纖維在食品中的應(yīng)用

改性膳食纖維有預(yù)防心血管疾病、腸道疾病、癌癥的功效，可以作為營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑或食品添加劑加入到面制品、肉制品、乳制品中[100]（表4）。食物的口感受到膳食纖維的持水力、持油力、溶解性等理化特性的影響，改性后的膳食纖維可均勻分布到食物中，賦予食品良好的感官特性、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，還能在食物中增加保健功能，改善人們飲食結(jié)構(gòu)，有利于人體健康。Sun等[101]以紅曲霉為發(fā)酵菌種處理豆渣膳食纖維，改性之后SDF 的含量由4.3%增加到7.7%，持水力、持油力、膨脹力分別由4.17 g/g、3.45 g/g、1.96 mL/g提高到4.35 g/g、3.54 g/g、2.71 mL/g，有效提高了豆渣膳食纖維的感官品質(zhì)與營(yíng)養(yǎng)特性，使膳食纖維更容易被人體吸收消化，并將紅曲霉發(fā)酵過程中產(chǎn)生的有益功能物質(zhì)色素保留下來，可以應(yīng)用于功能性食品的開發(fā)利用。

表4 發(fā)酵改性膳食纖維在食品中的應(yīng)用Table 4 Application of fermented dietary fiber in food

4.1 面制品

發(fā)酵改性膳食纖維添加到面制品如餅干、面包、饅頭中可以提升其感官品質(zhì)與加工特性。面制品口感變硬、難以消化的原因是由于淀粉老化。經(jīng)過發(fā)酵后，膳食纖維的水合性質(zhì)更良好，可以與淀粉分子競(jìng)爭(zhēng)水分，在淀粉分子之間形成黏性較大的水合層，阻礙直鏈淀粉的聚集；膳食纖維中的羥基、羧基能與直鏈淀粉結(jié)合，使水分更容易進(jìn)入淀粉分子內(nèi)部，淀粉吸水量增多，防止老化[102]。并且，SDF 可以通過非共價(jià)作用力形成類似面筋的三維凝膠網(wǎng)絡(luò)，提高面團(tuán)吸水性，改善面團(tuán)筋力，有助于提高面制品的彈性和柔軟度[103]，在儲(chǔ)藏過程中不易變干、變硬。此外，在面制品中添加發(fā)酵改性膳食纖維時(shí)，大量SDF 吸附淀粉顆粒，增加消化液的粘度，使淀粉降解酶的可及性受到限制，延遲淀粉的消化和食物中糖的釋放，防止消化過程中釋放過多葡萄糖導(dǎo)致的血糖升高[104]，還能刺激腸道蠕動(dòng)，達(dá)到排毒保健的效果。Coda等[105]用霍氏假絲酵母和短乳桿菌發(fā)酵麩皮，經(jīng)過改性后的麩皮有較多的可溶性阿拉伯木聚糖，加入面包中可增大面包體積，使面包柔軟度、穩(wěn)定性、口感良好，并且延長(zhǎng)面包的貨架期。孫聰聰[106]在麥麩中接種紅曲霉，發(fā)酵后麥麩中SDF 含量提高到原來的1.54 倍，口感也更良好。與未發(fā)酵的膳食纖維相比，發(fā)酵后膳食纖維的色澤更加明亮、有較好的風(fēng)味、制作的面制品外觀更加美觀，更受大眾的歡迎。

4.2 肉制品

肉類營(yíng)養(yǎng)豐富，但含有大量膽固醇，攝入過多可能會(huì)增加患結(jié)腸癌的風(fēng)險(xiǎn)[107]。具有高持水性、低熱量的改性膳食纖維可作為填充物和粘合劑加入肉制品中，用于改善肉制品的質(zhì)構(gòu)、流變特性[108]。改性膳食纖維中SDF 含量較高，溶于水后促進(jìn)親水基團(tuán)與水結(jié)合，形成凝膠，蛋白質(zhì)相互交聯(lián)形成較為穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)，使各組分緊密結(jié)合，并包含大量水分，顯著增加肉制品的流變特性和凝膠強(qiáng)度[109]，模擬肉中脂肪口感，使其嫩滑多汁。優(yōu)良的保油、保水能力也是提高肉質(zhì)品質(zhì)量至關(guān)重要的因素，它們賦予肉制品良好的蒸煮率、多汁性、乳化穩(wěn)定性和收縮性。張俊等[110]將發(fā)酵后的麩皮用大豆油進(jìn)行預(yù)乳化處理，再添加到火腿腸中，發(fā)現(xiàn)火腿腸的硬度和咀嚼性減小，對(duì)質(zhì)構(gòu)特性有一定改善。IDF 在肉制品中起到機(jī)械填充的作用，若含量過高會(huì)導(dǎo)致食物口感粗糙、硬度較大、難以咀嚼，發(fā)酵后可溶性單糖含量增加，SDF優(yōu)良的水溶性使其更好分布在網(wǎng)絡(luò)孔隙中，形成緊密穩(wěn)定的凝膠結(jié)構(gòu)，起到支撐體系和保持水分的作用，改善肉制品的口感和組織狀態(tài)。

4.3 乳制品

添加適量改性膳食纖維，賦予乳制品良好的口感與風(fēng)味，有一定的保健作用。在制作與貯藏過程中，酸奶乳清蛋白易在表面堆積，出現(xiàn)乳清分離和脫水的現(xiàn)象，影響酸奶的口感與外觀，若加入改性膳食纖維，酪蛋白膠束與SDF 能通過疏水相互作用、靜電相互作用結(jié)合，加速蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的形成，防止蛋白質(zhì)聚集，提高酸奶的凝膠強(qiáng)度[111]，凝膠捕獲大量游離脂肪酸，降低脂肪含量的同時(shí)穩(wěn)定乳液結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)了酸奶貨架期。此外，SDF 可作為酸奶發(fā)酵菌的良好碳源，賦予酸奶獨(dú)特的口感并促進(jìn)益生菌的生長(zhǎng)，提高酸奶的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，可擁有美容、保護(hù)腸胃以及預(yù)防便秘、提高免疫力等作用[112]。高天宇[113]用食用型真菌對(duì)大豆膳食纖維進(jìn)行改性，發(fā)酵后豆渣中IDF 含量減少，IDF 和SDF 比例更接近與均衡膳食纖維要求，豆渣的豆腥味減弱，加入到酸奶中使其口感細(xì)膩，有較高的感官接受度。Wu 等[114]在制作酸奶時(shí)，先添加米糠再添加乳酸菌，發(fā)酵改變了米糠膳食纖維的單糖組成，β-葡聚糖、果膠等SDF 含量增加，提高了酸奶的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。由于發(fā)酵后膳食纖維結(jié)構(gòu)改變，表面變得粗糙且多孔，較小的孔隙尺寸可以限制蛋白質(zhì)重新排列和游離水的移動(dòng)，使酸奶脫水率顯著降低。此外，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)多酚、有機(jī)酸等與大分子細(xì)胞壁通過酯鍵、醚鍵等連接，酶使這些化學(xué)鍵斷裂，細(xì)胞壁中的結(jié)合酚酸轉(zhuǎn)化為游離態(tài)酚酸，有更高的生物利用度，飲用后有預(yù)防癌癥、抗氧化的功效。

綜上所述，向各種食物中添加膳食纖維可以改善食物的不良風(fēng)味與口感，并且滿足人體每日所需。此外，添加了改性膳食纖維的食物營(yíng)養(yǎng)價(jià)值更高，有一定的保健功能，如美容、降血壓、提高免疫力、防止便秘等。

5 結(jié)論與展望

膳食纖維生理活性的優(yōu)劣與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，可溶性膳食纖維的結(jié)構(gòu)松散、較為無序，理化特性、生理活性優(yōu)于不可溶性膳食纖維。因此，可溶膳食纖維的含量越高，膳食纖維品質(zhì)越好。發(fā)酵改性法利用微生物產(chǎn)酶的原理來改變可溶性膳食纖維與不可溶性膳食纖維的比例，有效提高其理化特性與生理活性。與其他改性方法相比，發(fā)酵改性有綠色環(huán)保、安全的優(yōu)勢(shì)，并且發(fā)酵改性膳食纖維的理化性質(zhì)如持水性持油性、膨脹性、抗氧化性等特性更優(yōu)良，可作為膳食補(bǔ)充劑加入到各種食品中，使食品擁有較好的感官品質(zhì)與營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。然而，有關(guān)發(fā)酵改性的研究比較有限，大多數(shù)研究主要集中于發(fā)酵前后膳食纖維理化性質(zhì)的變化，對(duì)于改性膳食纖維與食物中營(yíng)養(yǎng)成分的相互作用、發(fā)酵前后膳食纖維生理活性變化的機(jī)理尚不明確，制約了發(fā)酵改性的工業(yè)化生產(chǎn)與應(yīng)用。并且發(fā)酵過程的工藝較繁瑣且易染雜菌，改性效果取決于發(fā)酵菌株與操作手段。因此要篩選高產(chǎn)纖維素酶菌株，開發(fā)出更先進(jìn)、簡(jiǎn)潔的發(fā)酵工藝，并更加深入研究發(fā)酵與其他方法進(jìn)行聯(lián)合改性，以期生產(chǎn)出更高活性的膳食纖維，應(yīng)用于食品行業(yè)，滿足人群對(duì)膳食纖維的需要，提升膳食纖維在食品工業(yè)中的應(yīng)用價(jià)值。