膳食纖維改性的生理功能

膳食纖維改性的生理功能

食物纖維（df）指能抵抗人體腸道的消化和吸收，并可在結腸部分或全部發(fā)酵的植物成分、碳氫化合物和類似物質的總稱。一般將膳食纖維分為水不溶性膳食纖維(InsolubleDietaryFiber,IDF)和水溶性膳食纖維(SolubleDietaryFiber,SDF)兩大類。IDF主要作用于腸道產生機械蠕動作用,而SDF則更多發(fā)揮代謝功能,如影響可利用碳水化合物和脂類代謝。因此,膳食纖維中SDF組成比例是影響膳食纖維生理功能一個重要因素。美國Leitz等學者建議,膳食纖維組成中SDF含量達到10%以上才是高品質膳食纖維,否則只能被稱作填充料型膳食纖維。然而許多天然存在膳食纖維資源中水溶性膳食纖維所占比例都很小,僅為3%～4%,遠低于高品質膳食纖維要求。為此,近年來很多學者一直致力于膳食纖維改性研究,目的是使膳食纖維中大分子組分連接鍵斷裂,轉變成小分子成分,使部分不溶性成分轉變成可溶性成分;使致密空間網狀結構轉變?yōu)槭杷删W狀空間結構,能更好發(fā)揮膳食纖維生理功能。膳食纖維改性處理方法主要有化學處理法、機械降解處理法和微生物發(fā)酵與酶法,或幾種方法相結合混合處理法。1堿處理對sdf和羧甲基化的影響化學處理法多為采用酸、堿等化學試劑對膳食纖維進行處理,控制適當pH值、溫度和反應時間,使糖苷鍵斷裂產生新的還原性末端,纖維類大分子聚合度下降,部分轉化為SDF而具有較優(yōu)良性質和較強生理功能。陳存社等研究發(fā)現(xiàn),酸和堿處理都能使蘋果膳食纖維SDF含量得以較大提高,其中堿處理效果更好些;SDF含量隨酸處理pH減小而增大,當pH達到2時,SDF含量可增加到11.4%;SDF含量隨堿處理pH增大而增大,當pH達到11時,SDF含量可以增加到16.1%。羧甲基化是經常使用一種化學改性方法。趙國華研究發(fā)現(xiàn),對豆渣膳食纖維進行羧甲基化改性處理后,產品水溶性膳食纖維含量可達25.03%,持水力、結合水力、粘度和陽離子交換能力都有顯著提高。龔冉以有機溶劑一乙醇為醚化介質,采用兩次添加堿液,對甜菜膳食纖維進行羧甲基化改性,發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)一次加堿、水為媒介水媒法,可得到高粘度、高得率羧甲基化改性產物?；瘜W處理雖可不同程度提高SDF含量,但轉化率低,反應時間長,對設備和溫度要求都很高,且大量引進陰陽離子也給下一步食品加工帶來不便,因此,在一定程度上限制該法使用。2膳食纖維改性的物理方法隨著現(xiàn)代高新食品工程技術和先進設備廣泛應用,使用各種物理方法對膳食纖維進行改性取得重大進展,其中擠壓蒸煮技術和超微粉碎技術發(fā)展尤為迅速。2.1擠壓改性對膳食纖維性能的影響擠壓蒸煮技術集輸送、混合、加熱和加壓等多種單元操作于一體,能在短時間內實現(xiàn)部分大分子聚合物直接或間接轉化為SDF。且高纖維物料經擠壓處理后,還可改良色澤與風味,鈍化部分能引起不良風味分解酶,使擠壓后產品穩(wěn)定性與風味得以明顯改善。故在工業(yè)化生產中,膳食纖維改性一般采用擠壓改性方法。國內外關于擠壓小麥麩皮、燕麥麩皮、玉米皮、甜菜皮、柑橘皮等高纖維物質都曾有過報道。陳存社等對蘋果膳食纖維進行擠壓改性后,產品SDF含量達22.6%,與化學方法相比,具有較高轉化率。擠壓改性后蘋果膳食纖維膨脹力、持水性有很大程度提高,且這種膨脹力和持水性穩(wěn)定性更好。影響擠壓效果主要因素有:pH值、螺桿轉速、進料水分、進料速度、擠壓溫度等。陳雪峰等研究發(fā)現(xiàn),酸性條件對蘋果渣膳食纖維擠壓改性幾乎無效果,而堿性條件則有促進作用,適宜堿液濃度為7.5%。這是因堿能降解糖苷鍵,借助于擠壓處理過程中高溫和剪切作用,堿性條件有助于纖維高聚物連接鍵斷裂,且隨堿液濃度增加,斷裂作用會加劇,SDF含量明顯提高;但同時也會對產品感官產生影響,由原來灰白色變成淺褐色,顏色加深。徐紅華等探討單螺桿擠壓機對稻麩改性工藝條件,結果顯示:擠壓溫度110℃、物料水分15%、螺桿轉速90r/min,SDF含量可提高7.67%,其中螺桿轉速是影響改性效果最關鍵因素。很多研究顯示,在擠壓機內各種強作用力下,部分不溶性阿拉伯木聚糖之類半纖維素及不溶性果膠類化合物會發(fā)生熔融現(xiàn)象,或部分連接鍵斷裂,轉變成水溶性聚合物成分。但擠壓處理并不會引起膳食纖維高聚物結構發(fā)生深度降解或破壞,對纖維素組分也不起作用。錢建亞等采用X-射線衍射分析顯示,擠壓處理后大豆纖維素結晶性質基本沒有改變,證實擠壓處理對豆渣纖維素可能沒有影響,水溶性組分增加部分是由半纖維素轉化而來。2.2微射流均質對膳食纖維性能的影響膳食纖維生理功能在很大程度上與其結構、顆粒度、比表面積、水化作用(如膨脹性、持水力)等性質相關。超微粉碎技術能將3mm以上物料顆粒粉碎至10～25μm以下,隨著顆粒向微細化發(fā)展,物料表面積和孔隙率大幅增加而使超微粉體具有獨特理化性質。作為一種現(xiàn)代食品工程高新技術,超微粉碎已運用于膳食纖維研究與開發(fā)中。美國利用超微粉碎技術,以全美最上乘棕金車前谷為原料,研制“金谷纖維王”風靡歐美等發(fā)達地區(qū)。對于膳食纖維微粒破碎,微射流均質機處理是目前可利用最好方式。它是一種液相法超微粉碎技術,其作用機制為液態(tài)膳食纖維物料在微射流均質機反應腔內經過流體高速撞擊、高剪切、空穴、渦旋等一系列綜合物理機械作用處理后,纖維類大分子糖苷鍵可能發(fā)生斷裂,部分轉化為可溶性膳食纖維,從而達到改性目的。劉成梅等研究發(fā)現(xiàn),豆渣膳食纖維經高壓均質處理(40MPa)和經微射流均質處理(100MPa和120MPa)后,總膳食纖維含量分別為63.87%、72.19%、69.78%,可溶性膳食纖維含量分別為7.08%、17.51%、24.76%,可溶性膳食纖維與總膳食纖維含量比值分別為0.1109、0.2424、0.3548。表明微射流均質處理能顯著增加總膳食纖維和可溶性膳食纖維含量。藍海軍等發(fā)現(xiàn),經微射流作用的濕法對大豆膳食纖維超微粉碎比經研磨式干法更加有助于膳食纖維膨脹力和持水力增大,比干法超微粉碎分別高26%和8%。膳食纖維粒度越小,則其比表面積越大,其持水力和膨脹性也相應增大,生理功能發(fā)揮也越顯著。劉成梅等采用Microfluidizer微射流均質機對膳食纖維進行超微化研究發(fā)現(xiàn),隨著處理壓力增高和處理次數(shù)增加,物料粒徑往往由大至小;當處理壓力在120～170MPa范圍內或處理次數(shù)繼續(xù)增加時,物料粒徑則由小變大而發(fā)生團聚現(xiàn)象。團聚發(fā)生原因可能是由于范德華力吸引或體系總表面極小化的驅動力而引起。涂宗財?shù)妊芯堪l(fā)現(xiàn),利用動態(tài)超高壓技術研制納米級膳食纖維比表面積達到1.8189m2/g,約為普通纖維2倍;其持水力和膨脹率分別達15.3265g/g和21.5017g/g,均約為普通纖維3倍;且產品混濁液變稠、粘度升高、口感變細膩、可溶性增加、離子交換能力大大提高、酶作用時間縮短數(shù)十倍。納米級豆渣膳食纖維生物活性也得到增強,如降低血脂水平、血清總膽固醇與低密度脂蛋白膽固醇水平等方面效果大大提高。瞬時高壓作用(InstantaneousHighPressure,IHP)系基于Microfluidizer作用機理概念。當物料在高壓作用下快速通過微射流均質機反應腔時承受高達300MPa壓力,由于物料快速通過該反應腔,高壓對物料作用時間非常短,壓力變化速率極大,物料通過處理腔時受到多種機械力作用而被超微粉碎,故將此過程稱為瞬時高壓作用。劉成梅等研究發(fā)現(xiàn),經IHP作用處理后,豆渣膳食纖維的膳食纖維總含量和SDF含量均有所增加,持水力、結合水力和膨脹性分別是豆渣原樣各項指標2.19倍、2.59倍、3.05倍,表明在相當程度上提高豆渣膳食纖維品質,驗證IHP作為膳食纖維改性手段可能性。熊慧薇研究發(fā)現(xiàn),IHP能大幅提高膳食纖維溶液粘度,且在純牛乳中按照一定比例加入經IHP處理后膳食纖維的懸浮液能改變乳品流變性質,可使其具有更高粘度。3微生物發(fā)酵與酶法3.1棗渣膳食纖維的表面形態(tài)酶法改性由于條件溫和、反應速度快、專一性強,產品色澤淺、易漂白、無異味、純度較高,被認為是一種較有潛力改性方法。目前應用于膳食纖維改性的酶主要有木聚糖酶、纖維素酶和木質素氧化酶等。姚文華等探討用纖維素酶制備棗渣膳食纖維工藝,結果顯示,纖維素酶添加量為0.7%、溫度35℃、水解時間120min,SDF含量可提高到28%,且持水性和溶脹性均較好。胡葉碧等發(fā)現(xiàn)單獨使用纖維素酶和木聚糖酶都能顯著提高玉米皮SDF含量,而先用40IU/g木聚糖酶處理4h,再用4IU/g纖維素酶處理2h能極大提高原料中SDF含量,分別比單一纖維素酶和木聚糖酶處理在同等酶用量和時間下增加38.8%和58.2%,且持水性和溶脹性等物化性質都有提高。3.2生理生化特性發(fā)酵法改性膳食纖維是利用微生物發(fā)酵將膳食纖維大分子組分分解成可溶小分子化合物,以提高制品水溶性膳食纖維含量,從而改善膳食纖維的物化性質。涂宗財?shù)炔捎米灾苹旌暇鷮Υ蠖估w維進行發(fā)酵處理后,膳食纖維總纖維含量升高,SDF占總纖維比例由原來4.23%升到13.13%,且具有特殊香味、無豆渣原有豆腥味和苦澀味、持水力高、吸水性強等特點。該作用機理可能是在較長發(fā)酵期間不斷產生代謝產物中含有大量有機酸,造成大豆纖維長時間處于酸性條件下。由于酸是質子良好供體,可使纖維素糖苷鍵斷裂,產生新的還原性末端,大豆纖維大分子聚合度不斷下降,部分轉化成非消化性可溶性多糖。很多學者利用微生物發(fā)酵產生酶以改性膳食纖維,取得很好效果。歐仕益等研究發(fā)現(xiàn),人體結腸微生物以麥麩SDF為基質時分泌胞外酶同樣可降解麥麩IDF,隨發(fā)酵時間延長,微生物分泌胞外酶增多,麥麩IDF降解率也顯著增加,表明采用結腸微生物產酶處理IDF能得到活性較高SDF。李鳳敏利用菌株An-76產生木聚糖酶和菌株Sd-96產生纖維素酶對玉米皮膳食纖維進行處理,結果得到可溶性半纖維素和纖維素多糖。Nakajima等從人糞便中獲到一株厭氧菌(Clostridiumbutyricumbeijerinckii),該菌分泌一種胞外降解酶,可降解膳食纖維生成低聚糖;并利用該性質結合固定化細胞技術研制連續(xù)反應裝置生產低聚糖,發(fā)現(xiàn)其具有反應條件易控制、可連續(xù)生產而無需添加酶、無副反應等優(yōu)點。4可溶性膳食纖維含量有學者將化學處理、機械處理、微生物發(fā)酵或酶法結合起來對膳食纖維進行混合處理,取得很好效果。涂宗財?shù)妊芯堪l(fā)現(xiàn),單純利用發(fā)酵法可提高可溶性膳食纖維含量達15%以上,動態(tài)超高壓均質處理法可提高可溶性膳食纖維含量達35%以上,而發(fā)酵處理后40MPa下均質處理即可生產出可溶性膳食纖維含量為30%高活性膳食纖維。雖隨著壓力升高,可溶性膳食纖維含量仍會增加;但增幅不大,最終可溶性膳食纖維含量最高可達37%以上,顯然發(fā)酵處理可節(jié)約均質處理能源,降低均質處理難度。徐廣超等采用機械處理一酶解混合處理法從豆渣中提取水溶性膳食纖維,SDF含量可由原來2.5%提高至22.8%,可溶性膳食纖維產率比單