膳食纤维的特性及在食品行业中的应用进展.pdf

饮 料 工 业2023，Vol.26，No.4综述收稿日期：2022-08-04作者简介：王凤婷（1993），女，工程师，硕士，研究方向为食品安全与检测。E-mail：通讯作者：王金玲（1980），女，本科，研究方向为食品安全及食品检测。E-mail：摘要：随着对膳食纤维的深入研究，人们不再局限于将其作为食品增稠剂使用，膳食纤维辅助降血糖、降血脂、促进肠道蠕动等作用的研究越来越多。近年来，对食品的需求不再局限于美味、安全，营养健康成为更重要的考量点。本文论述了膳食纤维对人体健康的作用、常用的提取方法以及在食品中的应用，以期为膳食纤维在食品生产过程中的有效添加提供参考。关键词：膳食纤维；功能特性；食品生产Research on the Characteristics of Dietary Fiber and Its Application in Food IndustryWANG Feng-ting1，XIE Rui-long1，WANG Jin-ling1，LI Yong-sheng1，ZHANG Kun2（1 Inner Mongolia Yili Industrial Group Co.Ltd.，Hohhot 010000，China；2 Shandong Animal Products Quality And Safety Center，Jinan 250100，China）Abstract:With the in-depth research on dietary fiber，people are no longer limited to its application as a thickeningagent in food，and gradually understand the role of dietary fiber in hypoglycemic effect，anti-hyperlipidemia，andpromoting intestinal peristalsis.In recent years，the demand for food is no longer limited to taste and safety，andnutrition and health have become more important considerations.This paper discusses the function of dietary fiber onhuman health，the common extraction methods and the application in food，in order to provide a reference for theeffective addition of dietary fiber in food production.Key words:fietary fiber；functional properties；food production中图分类号：TS252.7文献标志码：A文章编号：1007-7871（2023）04-0062-05膳食纤维被列入人体健康所必需的第七大营养素1。膳食纤维不可被人体小肠消化和吸收，大量摄入膳食纤维可以辅助降低罹患冠心病、中风、高血压、糖尿病、肥胖和某些胃肠道疾病的风险2。日常对于膳食纤维的摄入主要通过水果、蔬菜3，大多数人每日摄入的膳食纤维均不能达到中国居民膳食指南的要求，大部分美国人每天摄入的膳食纤维不到推荐水平的一半2。在我国经济飞速发展的上世纪 90 年代后期，饮食结构发生改变，精细化饮食导致谷物中膳食纤维的摄入减少4，每日膳食纤维的摄入只能达到膳食指南建议摄入量的 1/31/23。为了满足人体的营养需求，在食品加工过程中添加提取的果蔬中的膳食纤维5，可以有效调节营养素摄入量不足的问题6，从而维持身体健康。1 1膳食纤维的定义与分类膳食纤维的定义与分类膳食纤维的定义多年来引发了许多讨论，1953 年Hipsley 在科学文献中首次使用了膳食纤维这个术语来指代纤维素、半纤维素和木质素7；1976 年拓宽了膳食纤维的定义，基于其生理特征进行定义，包括所有不可消化的多糖，如树胶、改性纤维素、植物黏液、低聚糖和果胶8；2001 年美国谷物化学家协会（American Association of Cere-膳食纤维的特性及在食品行业中的应用进展王凤婷1，谢瑞龙1，王金玲1*，李永胜1，张坤2（1 内蒙古伊利实业集团股份有限公司，内蒙古呼和浩特010000；2 山东省畜产品质量安全中心，山东济南250100）622023，Vol.26，No.4饮 料 工 业综述al Chemists，AACC）定义膳食纤维是包括一部分不能消化的多糖、低聚糖、以及其他植物缔合物，具有抗消化特性的碳水化合物9；2004 年国际食品法典委员会（Codex Ali-mentarius Commission，CAC）宣布膳食纤维是指不能在小肠内消化吸收且聚合度不小于 3 的碳水化合物聚合物10；2009 年特殊膳食食品与营养委员会（Codex Committee onNutrition and Foods for Special Dietary Uses，CCNFSDU）通过了膳食纤维的定义，范围扩展了具有十个或十以上单体单位不被人体小肠内源酶水解的碳水化合物聚合物11，我国结合国内外有关膳食纤维的研究，将其定义为植物中天然存在的、从植物中提取或直接合成的聚合度不小于 3、可食用、不能被人体小肠消化吸收的并且对人体有健康意义的碳水化合物的聚合物12。膳食纤维可根据其溶解性分为水溶性膳食纤维（solu-ble dietary fiber，SDF）和水不溶性膳食纤维（insoluble di-etary fiber，IDF）1。SDF 是由天然形成凝胶或黏性的纤维组成存在于植物细胞液和细胞间质中13，可溶解于水又可吸水膨胀，且能被大肠中微生物发酵分解的一类纤维14，包括抗性糊精15、果胶、瓜尔胶13、羧甲基纤维素等常见增稠剂。SDF 因其健康益处引起了广泛关注，在辅助预防心血管疾病、2 型糖尿病和某些癌症等方面发挥着重要作用。SDF 在肠道内可被微生物高效发酵，产生大量短链脂肪酸。短链脂肪酸具有促进上皮细胞分化和增殖的功能，对维持肠黏膜屏障具有重要作用，还能促进双歧杆菌、乳酸菌等有益菌的生长，抑制大肠杆菌、志贺氏菌等条件致病菌的生长，保护肠道功能16。与 SDF 相对应，IDF 不可溶于水且不能被大肠中微生物发酵分解，存在于植物的根、茎、叶等部位，主要包括纤维素、半纤维素、木质素等15。IDF 具有亲水性和吸附性17与离子交换的能力18，IDF 在肠道中由于吸水性可使粪便体积增大，从而促进肠道蠕动，并且能够吸附胆固醇、脂肪等，预防心脑血管疾病。2 2膳食纤维的来源膳食纤维的来源中国营养学会 2021 年开展的新型碳水化合物的聚合物的科学论证研究，通过对数据库、标准的检索、整合，宣布膳食纤维的来源为 3 类：天然存在于植物中；通过物理的、化学的、酶的方法从植物中提取获得；通过合成获得12。天然的膳食纤维来源，如水果、蔬菜、谷物等，其中蕴含的天然纤维，如芹菜纤维19、柑橘纤维20、香菇纤维21、麦麸12等，是优质的膳食纤维来源，可以通过日常常规食物摄入。我国传统的饮食结构以植物性食物为主，主食为谷物，摄入天然的菌类、水果、动物性食物为副食22，由于稻米、小麦的精加工以及杂粮消费量的下降，导致我国近年来居民膳食纤维摄入的不足23。中国营养学会建议的提取和合成类膳食纤维有 10 类，为低聚半乳糖、低聚果糖、菊粉、聚葡萄糖、-葡萄糖、纤维素、抗性糊精、海藻酸盐、瓜尔胶、果胶12。常见的如果胶，是一类结构复杂的天然多糖，是植物细胞壁的重要组成成分，因其可作为增稠剂、乳化剂、稳定剂而作为食品添加剂广泛应用于食品生产行业24。可以在柑橘果皮、苹果渣、甘薯、甜菜、西瓜24等果蔬中通过有机酸提取、离子交换、微波辅助等方法进行果胶的提取25。聚葡萄糖即为一种合成得到的膳食纤维，通过葡萄糖、山梨醇、柠檬酸以特定比例混合，经高温真空聚缩形成26，27，可以满足高纤维、低热量等需求，作为新型膳食纤维广泛应用于改善营养的产品中28，在保证产品口味与质构与传统食品相似的基础上更为健康。因日常饮食中直接从食物中获取的膳食纤维不能达到中国居民膳食指南推荐摄入量，因此对于膳食纤维的提取、合成的研究愈加深入，通过在食品加工过程中添加膳食纤维达到改善产品口味、外观的需求，同时也能够增加饮食中对于膳食纤维的摄取29。3 3膳食纤维的理化特性和功能膳食纤维的理化特性和功能膳食纤维因其结构上存在着的包括羟基在内的多种活泼官能团，使其具有水合性、吸附性、离子交换能力等理化性质，同时可以进行多种衍生反应30，从而使膳食纤维在维持人体健康中发挥着重要作用。3.1理化特性3.1.1水合性膳食纤维作为一类多糖，化学结构中有羟基、羧基等亲水基团31，又因其颗粒的物理结构32，所以具有较强的水合性质。饮食中摄入的膳食纤维的水合能力有助于改变粪便体积，增加的粪便重量可缩短肠道运输耗时，减少肠道暴露于次级胆汁酸和其他毒素中的时间33。3.1.2吸附性膳食纤维分子结构中的活性基团34以及其空间网状结构31，可以通过对胆固醇、胆酸钠、一些有毒有害物质的吸附，抑制机体的吸收。天然膳食纤维对脂肪具有很强的吸附能力，当经过处理后吸附能力提升，例如对大豆皮水不溶性膳食纤维进行超微化处理后，对实验中使用的饱和脂肪和不饱和脂肪的吸附能力分别达到 6.53g/g 和 3.16g/g35。3.1.3离子交换性膳食纤维分子中含有包含羟基、羧基的侧链基团，能够与体内的阳离子交换，改变机体内离子的浓度，减少对离子的吸收，使体内的营养物质能够更好地消化吸收31。可与有毒阳离子，如 Cd2+和 Pb2+进行交换，增加离子的体内排泄率36。3.1.4黏度膳食纤维的分子质量、化学结构、含水量、pH 等因素均会对其测量黏度产生影响20，利用膳食纤维的黏度特性63饮 料 工 业2023，Vol.26，No.4综述不仅可以作为增稠剂运用于食品加工中，其中的黏性多糖对降血糖、降血脂、改善肠道内酶的活性等方面都有着积极作用37。3.2生理功能3.2.1辅助预防心血管病膳食纤维摄入有利于降低血清胆固醇和血压，因此人们认为膳食纤维的缺乏可能是导致心血管疾病流行的原因。研究表明最高膳食纤维摄入量的个体其心血管疾病的发病率和死亡率显著降低，从机制上讲，这些有益的作用可能是由于膳食纤维可以将血清总浓度和低密度脂蛋白胆固醇（low-density lipoprotein cholesterol，LDL）浓度降低而产生的38。国外学者组织实验人群摄入谷物中常见的阿拉伯木聚糖，分析实验人员的血清细胞因子并对其进行代谢组学、基因组学的研究，结果表明膳食纤维摄入后 LDL 显著下降，有助于降低胆固醇的胆汁酸值明显上升39。3.2.2辅助防治 2 型糖尿病2 型糖尿病是一种常见的代谢性疾病，患病后的主要症状为高血糖、胰岛素抵抗以及胰岛素缺乏，并且可引发多种并发症。膳食纤维可通过增加肝脏、骨骼肌、脂肪组织对于葡萄糖的利用，降低胰岛素抵抗，调节胆固醇水平，改善脂代谢紊乱40，调控抗氧化酶活性，减少氧化应激和炎症反应41以及抑制肠道葡萄糖吸收、抑制碳水化合物水解酶活性，降低血糖，从而达到减缓 2 型糖尿病症状的作用42。研究表明，膳食纤维的摄入可降低 2 型糖尿病的患病几率43，也可有效改善患病后的症状。3.2.3改善肠道健康膳食纤维对从口腔到肛门的整个胃肠道消化过程均会产生影响，高纤维食物通常能量密度较低，进食时间较长。可溶性纤维可形成不被胃酸影响物理结构的凝胶，增加饱腹感，延缓胃排空44，减缓食物通过小肠的转运。在小肠中，膳食纤维可以引起多种胃肠道激素的反应，这些激素充当肠促素，刺激胰岛素释放，影响食欲2。在结肠中，一些可发酵的纤维作为益生元促进有益菌的生长45，如乳酸杆菌和双歧杆菌。不溶性纤维可增加粪便量并促进规律性排便。4 4膳食纤维的提取膳食纤维的提取4.1化学法常用的化学提取膳食纤维的方法为酸提取法和碱提取法，单一使用任意一种方法需要溶液浓度高、时间较长，且提取得到的膳食纤维纯度和色泽均较差46。因此，研究人员通过正交试验确定待提取物水解方法的最优提取条件，提高产物得率。在对葡萄皮渣中可溶性膳食纤维进行酸法提取时，经过四因素三水平实验测试，按其最优提取工艺参数膳食纤维得率为 47.56mg/g47。4.2物理法物理提取方法主要包括微波法、超声法、挤压蒸煮法、超微粉碎法35、亚临界水萃取法48等。因微波法不适用于工厂大规模生产，超声法破坏待提取植物的细胞壁后使溶剂更易于进入，两种方法更适合作为辅助方法。挤压蒸煮法不仅用作膳食纤维的提取，在高剪切、高压的作用下也会使膳食纤维发生改性。米糠在挤压蒸煮后，可溶性膳食纤维增加 10%左右，不溶性膳食纤维微观结构被破坏，整体持水力、膨胀性增加，持油力下降49。4.3生物法生物法是近年来研究相对较多的提取膳食纤维的方法，主要有酶解法和生物发酵法。酶解法的工作原理为采用蛋白酶、淀粉酶等去除原料中的淀粉、蛋白质后富集得到膳食纤维50，虽然使用此种方法产品得率高、质量好，但提取过程中花费的费用高51。生物发酵法是利用微生物在特定环境下发酵后，再从其发酵物中获得膳食纤维的一种方法，相较于其他方法成本较低，获得的目标物得率高、感官质量以及功能品质都比较高，但提取过程环境复杂，难于控制。4.4联合方法为了弥补单一提取方法存在的缺点，通常将多种提取方法联合使用，如物理-生物法联合，化学-生物法联合。通过超声波辅助酶法提取得到的西番莲膳食纤维得率为14.82%，并且提取的膳食纤维较西番莲果皮粉持水性、膨胀性、对饱和脂肪和不饱和脂肪的结合力以及对胆固醇的吸附性均有提升52。5 5应用应用5.1烘焙食品日常生活中每天消耗大量的焙烤食品，因其富含谷物，成为了一种向消费者提供膳食纤维和其他营养化合物的重要媒介。到目前为止，烘焙食品中最常见的膳食纤维来源是各种谷物的麸皮，在烘焙产品中添加纤维的主要挑战是可能造成终产品感官品质下降，例如富含纤维的烘培产品会产生面包体积变小、面包屑变硬、味道较苦、颜色较深等53问题。研究这些影响、如何减少这些影响以及探索潜在的健康益处，仍然是流行的研究主题。在使用细菌纤维素和竹子不溶性膳食纤维替代脂肪制作耐嚼性饼干时发现，在低脂面团中，膳食纤维通过改变面筋网络结构，形成不连续、不规则的基质，从而增加了面团的粘弹性。当脂肪替代率为 35%时，饼干的整体外观和质地较好。添加膳食纤维量增加到 1.05mg/g，降低脂肪能量 12.5kJ/g54。膳食纤维来源丰富，在焙烤食品中加入不仅可以改善面团的品质、延长其货架期，同时还可以起到预防疾病、减轻心脑血管疾病、糖尿病等慢性病症状的作用55。642023，Vol.26，No.4饮 料 工 业综述5.2乳制品乳制品因其全面、丰富的营养成为膳食指南推荐摄入食物，在安全、美味、健康的基础上，乳制品的研发逐渐向功能性发展。在酸奶中添加膳食纤维可以集乳制品、膳食纤维、益生菌的营养物质于一身，在发酵乳中添加谷物类膳食纤维，如改性麦麸可溶性膳食纤维后，对发酵乳中乳酸菌活菌数量、质构特性均有显著提升，缩短凝乳时间，对 DPPH（1，1-二苯基-2-三硝基苯肼）自由基、羟自由基等清除率提升，使发酵乳的抗氧化能力显著提高56。添加果蔬类膳食纤维，如竹笋膳食纤维汁及筛选合适的益生菌后，根据小鼠实验结果发现，有助于增加排便量、缩短排便时间57。膳食纤维也可用于针对特定人群研发的食品，在乳清蛋白为基础原料的配方乳粉中提供给糖尿病患者，在保证蛋白质、脂肪、碳水化合物的补充基础上，同时有助于降低血糖58。5.3肉制品肉类和肉制品通常被认为是具有高生物价值的蛋白质、脂溶性维生素、矿物质、微量元素和生物活性化合物的良好来源。近年来，社会经济因素的变化增加了消费者对包含肉制品在内的即食食品的偏好。肉类和肉制品大多富含脂肪和添加盐，缺乏膳食纤维等复杂碳水化合物，对健康构成危害，研究表明这些因素易于引起心血管疾病、结肠癌、肥胖、糖尿病等慢性疾病的发生59。因此，在肉制品中加入不同来源的膳食纤维将有助于改善以上问题，在肉类中添加膳食纤维可提升产品的营养价值，也可以减少蒸煮损失，改变 pH 值，增加乳化剂的稳定性，并且膳食纤维来源一般是农业副产品，相对便宜，加入肉制品中可以降低其整体成本。在猪肉中添加甘薯膳食纤维后改变了肌原纤维蛋白水分布，对持水能力和凝胶性能均有正向影响60。5.4饮料在不同的食品中，由于膳食纤维在摄入前会发挥水合作用，因此饮料是适合添加膳食纤维的食品61，膳食纤维可以提升人体对营养吸收的能力，并且因其水合作用不易发生分层和沉淀，在保证了饮料的稳定性的同时也可以降低饮料的热量。在凉茶中添加菊粉，保证了产品的功能特性，不会对凉茶的组织状态造成不利影响且补充了天然益生元类膳食纤维62。李华丽63等人研究在乳饮料中添加玉米皮可溶性膳食纤维，添加膳食纤维为 8%时保证饮品的稳定性，且能达到调节血糖、血脂，降低胆固醇的作用，为中老年人、肥胖人群、糖尿病患者提供了一种营养健康的饮品。6 6总结总结研究不同类型的膳食纤维对健康的影响是一个越来越令人感兴趣的领域。合成膳食纤维的生理作用和对人体健康的有益影响是一个日益增长的研究领域。通过对膳食纤维结构以及功能特性的深入，有助于其在食品加工生产中发挥更大的作用。参考文献：1吴澎，王明林.浅谈发展膳食纤维食品的重要性J.食品研究与开发，2003（5）：61-62.2JAMES，W，ANDERSON，et al.Health benefits of dietary fiberJ.Nutrition Reviews，2009，67（4）：188-205.3靳福娅，李雄亮，马梦垚.浅谈膳食纤维的生理功能及其在食品中的应用J.广东化工，2021，48（24）：50-51.4王邵顺子，张兵，王志宏，等.19892015年中国15个省（自治区、直辖市）1835岁成年人食物摄入变化趋势J.卫生研究，2021，50（3）：442-447.5刘锦琳，赵倩，张咪，等.果蔬膳食纤维的应用J.现代食品，2020（7）：29-31.6曾舟.食品加工中膳食纤维的运用实践探究J.现代食品，2020（9）：82-83.7FULLER S，BECK E，SALMAN H，et al.New horizons for thestudy of dietary fiber and health：a reviewJ.Plant Foods for Hu-man Nutrition，2016，71（1）：1-12.8DEVRIES J W.Dietary fiber：the influence of definition on analy-sis and regulationJ.Journal of AOAC International，2004，87（3）：682-706.9AACC.The definition of dietary fiberJ.Cereal Foods World，2001，46：112-126.10李梓铭，李红爱.膳食纤维研究现状的问题分析及发展方向的预测J.现代食品，2018（10）：10-14，18.11CUMMINGS J H，MANN J I，NISHIDA C，et al.Dietary fibre：an agreed definitionJ.Dietary fibre：an Agreed Definition 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