李伟伟,周才琼,2,*

(1.西南大学食品科学学院,重庆 400715; 2.食品科学与工程国家级实验教学示范中心(西南大学),重庆 400715)

膳食纤维具有调节胃肠道和预防慢性疾病等重要的生理功能,被誉为第七大营养素;但不同膳食纤维功能特性不同。其中可溶性膳食纤维(Soluble dietary fiber,SDF)比不溶性膳食纤维(Insoluble dietary fiber,IDF)具有更强的功能性[1-3]。IDF主要由木质素、纤维素和部分半纤维素组成,可加强肠道的蠕动,减少肠癌、便秘等疾病的发生;SDF由部分半纤维素和亲水性果胶等物质组成,可有效降低胆固醇,提高葡萄糖耐受力[4-5]。Richard等[6]认为人类的食物中的总膳食纤维中要含至少10%的可溶性膳食纤维才能算是平衡膳食。

豆渣(soybean residue)是中国传统豆类制品加工中的副产品,加工大豆过程中,湿豆渣产率120%[7]。豆渣富含膳食纤维和部分黄酮、钙、铁、磷和维生素[8],是一种低廉且营养价值高的膳食纤维来源。但由于主要为不溶性膳食纤维,口感较差而限制了其在食品加工中的应用。为此,采用不同的方法对豆渣膳食纤维进行改性是提升豆渣应用价值的重要手段。

目前报道的对豆渣膳食纤维进行改性的方法主要是高压、高温、发酵、酶解、均质、离子液体处理或者这几种方法联合处理等[4-5,9]。本文对各种改性方法的作用原理,对豆渣改性的结果及应用前景等进行了综述,为豆渣膳食纤维改性及应用于食品加工提供支持。

1 不同膳食纤维功能特性

膳食纤维分为可溶和不可溶两类,不可溶纤维在水中难于分散,其持水性、粘度、胆酸结合能力、阳离子交换能力和对发酵的敏感度等有差异。不同膳食纤维功能特性综述见表1。表明通过改性提高膳食纤维SDF含量,是提升膳食纤维品质及应用的重要途径。

表1 膳食纤维的不同性质与功能之间的关系Table 1 Relationship between different properties and functions of dietary fiber

2 改性对豆渣膳食纤维的影响

不同处理对豆渣膳食纤维的影响概括如表2。

表2 不同处理对豆渣膳食纤维的影响Table 2 Effects of different treatments on dietary fiber of soybean dregs

2.1 物理改性对豆渣膳食纤维的影响

常用物理处理方法有挤压、膨化、粉碎,主要原理是通过强烈的物理作用力(如剪切、挤压、破碎等)使大分子的不溶性纤维如纤维素或半纤维素的分子键断裂变成可溶性成分,基本不会改变总膳食纤维含量。不足之处是该处理方法缺乏针对性,对其他营养成分也产生一定影响,特别是处理过度会损失部分SDF。所以物理改性的条件控制十分重要,目前大多研究都集中在条件优化上。

2.1.1 瞬时高压及对豆渣膳食纤维的影响 瞬时高压作用(instantaneous high pressure,IHP)是一种以微射流均质机为基础的液相超微粉碎技术,涵盖了加压、膨化、升温、超微粉碎、输送、混合等多种技术,主要用来对液体混合物料等进行膨化、破碎、剪切和均质等。它属于一种机械降解处理,其工作原理主要是利用空穴作用、高剪切作用、流体高速撞击作用、涡旋作用等各种效应,使物料进行超微粉碎。刘成梅等[46]研究发现,豆渣中的可溶性膳食纤维含量在40 MPa压力下为7.08%,而在100、120 MPa的压力下分别为17.51%、24.76%,均远高于烘干处理的2.33%,而不溶性豆渣膳食纤维随压力的升高而降低,推测豆渣受到强烈的物理碰撞后,大分子物质如纤维素中的糖苷键发生断裂,不溶性成分转化为可溶性成分。熊雪薇等[47]用IHP处理豆渣膳食纤维后发现其颗粒分布更加均匀,溶液性质更加稳定,非牛顿流体性质更加明显;具有明显的触变性;黏度升高。黏稠性和假塑性较好的液体更适合人们的口感[48]。此外,刘成梅等[15]报道经过IHP处理过的豆渣的膳食纤维吸附能力明显升高,尤其是对Cu2+、Ca2+、Mg2+、Pb2+等重金属离子的能力增强。

2.1.2 超高压均质处理及对豆渣膳食纤维的影响 超高压均质(Ultra-High Pressure Homogenization,UHPH)是在均质处理(压力20～60 MPa)基础上将压力提升至60 MPa以上[29,49]。豆渣经UHPH处理受到高压、高剪切力和空穴效应等作用,压力在90～110 MPa时,SDF的含量随压力升高而增加。IDF分子在UHPH处理过程中由于糖苷键断裂转化成SDF。当压力较小时,主要是植物胶分子裂解,空穴膨化和高压剪切产生协同效应,共同作用使其裂解成SDF;压力接近110 MPa时,半纤维素和纤维素大分子的糖苷键开始断裂,SDF含量急剧增加。并发现继续提升压力会导致SDF下降。SDF的得率比普通均质处理有些许上升。处理后的SDF持油力、持水力、膨胀力明显提高[30]。

瞬时高压处理和超高压均质处理的区别:瞬时高压处理主要用于液体的处理,而且处理时间较短,对物质的品质影响较小;超高压处理着重在于压力的提高。两者都涉及到空穴作用和剪切作用,而且处理的时间都不能过长,都是相对较短的,但是瞬时高压处理还包含了流体高速撞击作用、涡旋作用。

2.1.3 挤压蒸煮及对豆渣膳食纤维的影响 挤压蒸煮是通过强烈的压力、摩擦力和剪切力,使纤维素大分子物料裂解,分子降解增多,暴露更多可溶性基团,提升可溶性膳食纤维含量。娄海伟等[31]使用单螺杆挤压机在160 ℃、水分含量为20%,转速175 r/min的条件下挤压豆渣,SDF含量占比总膳食纤维(Total dietary fiber,TDF)从4.43%提高到23.06%,TDF含量基本没变,IDF含量下降,与有关报道[32]SDF是由IDF转化而来相符。豆渣膳食纤维经挤压处理后持水性、膨胀性、持油性、乳化性都会上升[33],利于其在食品加工中的应用。

2.1.4 微波处理及对豆渣膳食纤维的影响 微波主要是通过高频率的电磁波传递能量,引起分子电磁振荡,加速分子运动实现加热作用。电磁波有极强的穿透能力,可穿透介质到达物料内部,将能量传给物料,细胞内部压力过大,细胞壁受力膨胀,导致细胞破裂,细胞中的可溶性成分流出,使SDF提取率升高[34]。王继楠等[35]报道微波在一定功率下处理豆渣,SDF提取量由原来的4.60%升到11.43%,并发现主要受微波处理时间和功率的影响。

2.1.5 膨化处理及对豆渣膳食纤维的影响 膨化处理有挤压和压差两种方式。挤压处理可使纤维素微粒化,分子极性发生改变,增加与水分子的亲和性,增大膳食纤维的水溶性并改善其口感。刘汉文等[36]报道用双螺旋挤压机处理豆渣,通过挤压膨化,大部分分子糖苷键如C-O键和C-C键断裂,SDF含量与对照相比增加了99.64%,主要增加的单糖组分是戊糖,己糖和糖醛酸也有所增加,得出半纤维素是SDF的主要来源,果胶和纤维素也会产生部分SDF。食品化学特性研究显示挤压膨化豆渣膳食纤维溶胀力和持水力分别提高了125%和94%,并发现SDF主要影响因素是处理温度和物料含水量。

压差式膨化处理又叫做爆炸膨化干燥(Explosion Puffing Drying),集结了真空冷冻干燥和热风干燥两种干燥方式的优势。该法采用“爆米花”原理,原料先加热同时高压(80～100 ℃、0.1～0.4 MPa),原料中的水分汽化散失,然后减压,压力骤减(-0.1 MPa)使物料内部的水分出现“闪蒸”而物料被高温干燥固化,内部组织膨胀,出现均匀蜂窝状,真空处理一段时间,水分持续蒸发,达到要求后,停止加热,冷却至室温即得到产品[37-38]。纪绪前等[39]采用此法处理豆渣的SDF含量上升,从对照的3.9%升高至18.2%,豆渣持水性、水溶性和膨胀性也分别提高了30.8%、43.5%和37.0%。推测水溶性上升可能是因为部分半纤维素、纤维素转化为SDF。通过瞬时压差和高温膨化处理使大分子裂解,豆渣结构疏松,豆渣颗粒孔径变大,膨胀性变大,提升其应用价值。

2.2 生物改性及对豆渣膳食纤维的影响

生物改性主要是采用酶解和发酵的方式。与物理改性和化学改性相比,生物改性条件温和无污染,可最大程度回收有效成分。酶解法处理快速有针对性,但该法需要的某些酶价格昂贵,需要严格控制酶最适条件。发酵法不仅可提高SDF含量,还可除去部分抗营养因子,产生一些对人体有益的小分子物质,且不需要高端设备,但发酵过程易出现一些不可控因素,且该方法一般所需时间比较长。

2.2.1 酶解处理及对豆渣膳食纤维的影响 酶处理可使纤维素、半纤维素分子分解成小分子糖或单糖。蒋竹茂等[40]报道酶解处理豆渣可使豆渣SDF含量从对照的11.34%提高到16.59%。景言等[41]报道用纤维素酶处理IDF残渣,可得到颗粒更小的SDF(得率7.64%),酶解作用破坏了糖苷键并将多糖链内链间的氢键水解,使分子碎片化,水溶性升高,得到高品质的SDF,适合工业推广。

2.2.2 发酵处理及对豆渣膳食纤维的影响 目前报道的发酵豆渣的微生物一般为霉菌(黑曲霉、米曲霉、根霉、毛霉、绿色木霉等)、粗壮脉纹孢菌、乳酸菌、酵母菌、枯草芽孢杆菌或由它们组成的复合体系。提高SDF的机理是菌种产生的纤维素酶、半纤维素酶使纤维素大分子中的糖苷键断裂,增强水溶性;加上发酵过程中大量有机酸代谢产物生成,纤维素分子在酸性条件下也会导致糖苷键断裂,分子聚合度降低[42]。谢欢等[43]报道黑曲霉发酵豆渣,半纤维素降解,SDF在TDF中占比达对照的8.19倍。后续食品化学特性研究显示其结合水力增加了21.74%,持水力为对照的155.33%,膨胀力也提高了60.67。

2.3 联合处理

为克服不同处理方法的缺点并提升处理效果,有采用联合处理的文献报道。目前报道的联合处理方法主要是生物处理结合物理处理。包括:

a、酶解和挤压结合[50],采用纤维素酶进一步对挤压处理后的塌陷和断裂结构进行酶解处理,与单独采用酶解法或挤压处理相比,两种方法结合处理后的豆渣膳食纤维粒度更小,黏度更低,抗氧化能力、吸附胆固醇和阳离子交换能力更高,且工艺简单,适合推广。

b、发酵和均质联合[51],在发酵基础上采用高压均质处理时,当压力处于40 MPa时,SDF含量达30%左右,降低了高压均质处理豆渣膳食纤维的难度,不仅可减弱膳食纤维对设备的破坏,还可节省资源。

c、高压、微波和酶解相结合[52],与单一处理相比,SDF得率进一步升高,最终SDF含量可提高到近40%。

d、高压蒸煮和酶解法联合处理,高温高压使豆渣膳食纤维分子变得疏松,有利于酶解进行,减少酶用量和酶解时间等。

虽然采用单独的物理、化学、生物等方法处理豆渣可达到使SDF含量上升的结果,但不同方法结合处理可大大提高处理的效率进而节省资源。

2.4 离子液体处理

自Swatloski等首次发现离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([BMIm]Cl)可很好地溶解纤维素后,用离子液体(Ionic Liquids,ILs)溶解纤维素的技术便迅速发展起来[53]。ILs是一种在室温或近室温条件下呈液态的由有机阳离子和阴离子(有机、无机)组成的盐,是一种透明、无特殊气味、毒性较小、可以流动、燃点较高的溶解性较好的绿色溶剂[53]。目前报道的ILs在食品中的应用主要为研究纤维素[53]、淀粉[54]、蛋白质[55]、生物柴油[56]等物质的溶解性和分离提取。离子液体中的阴、阳离子含不同的官能团如羟基等可形成氢键,破坏微晶纤维素结晶结构,增强纤维素的溶解性[57]。溶解的效果不仅与糖类分子的结构有关,还受到糖类分子与离子液体之间相互作用的影响[58]。离子液体能够破坏超分子结晶纤维素是由于纤维素分子中羟基中的H原子和O原子与离子液体中的阴、阳离子形成电子对,使纤维素分子中的氢键破坏而溶解[59-60]。

张引等[61]通过响应面优化法用ILs处理豆渣使其SDF含量由对照的6.0%提高到11.6%。并发现处理温低于100 ℃时,SDF随温度升高而增加,原因是分子移动能力增强,纤维素分子的氢键断裂更加容易,离子间的作用力在较高温度下会减弱,同时存在于离子和氢键之间的作用力增强[62]。Cheng等[63]发现纤维素的结晶构型经过离子液体处理后可能从原来的I型转化成为无定型或Ⅱ型。叶发银[64]将豆渣用离子液体处理发现IDF中的木糖和阿拉伯糖含量降低,SDF的葡萄糖、甘露糖升高,证明豆渣中的纤维素和半纤维素部分降解,且SDF中的半乳糖醛酸大幅度增加,说明果胶也发生了降解[65]。通过离子液体处理,膳食纤维单糖的组成发生改变,持水力升高了10%,持油力也增加了16%,豆渣的结晶结构被破坏,分子结构也发生了改变。

3 展望

综上,目前豆渣膳食纤维改性研究报道主要包括物理改性(如瞬时高压;超高压均质;微波处理;挤压蒸煮;压差式膨化处理及挤压式膨化处理等)、生物改性(如纤维素酶;真菌发酵处理等)、联合处理(酶解和挤压结合;发酵和均质联合;高压、微波和酶解相结合等)和新技术处理(ILs溶解纤维素技术)。豆渣膳食纤维改性研究的初衷是因为其营养价值高,价格低廉,但口感不佳。目前改性研究结果没有广泛应用,主要有这几个方面,物理方法主要通过剪切、挤压等方式,缺乏针对性,需要严格控制改性条件,设备价格高昂,很多工厂难以达到该生产条件;生物改性条件温和,但需要严控酶解条件或发酵条件,具有不稳定性且技术不太成熟,不利于大批生产;化学改性加入了太多附加物,有可能会影响产品的风味。这几种方法不是附加值太高,就是操作困难,无法推广应用。为此,目前人们更加关注联合处理,以提高处理的效率;而采用离子液体新技术处理溶解纤维素成为人们关注的方向。

未来豆渣改性技术处理可能集中在联合改性和新技术的应用,特别是联合生物改性以提升改性效果;或者以食品加工中特定需要来综合估计需要采用的合适的改性方法。新技术改性研究中应更加关注安全性。