膳食纤维的生化特性与生理学功能分析 本文关键词：生理学，膳食，生化，纤维，特性
膳食纤维的生化特性与生理学功能分析 本文简介：摘要：膳食纤维具有多种生理功能,被认定为人类的第七大营养素,以小麦加工副产物麸皮为原料提取膳食纤维,不仅原料来源充足,供应稳定,而且制成的膳食纤维粉作为各类功能食品配料,不仅可以改善食品外形和口感而且赋予食品多种保健功能,发展前景广阔,市场潜力巨大,加快实现麦麸膳食纤维产业化,对于提高麦麸附加值、改
膳食纤维的生化特性与生理学功能分析 本文内容：
摘要：膳食纤维具有多种生理功能, 被认定为人类的第七大营养素, 以小麦加工副产物麸皮为原料提取膳食纤维, 不仅原料来源充足, 供应稳定, 而且制成的膳食纤维粉作为各类功能食品配料, 不仅可以改善食品外形和口感而且赋予食品多种保健功能, 发展前景广阔, 市场潜力巨大, 加快实现麦麸膳食纤维产业化, 对于提高麦麸附加值、改善我国居民膳食结构, 降低多种慢性病的发生率都具有重要意义。
关键词：膳食纤维; 食品补充剂; 不溶性纤维; 生产技术研究;
在食品中添加膳食纤维, 能提高身体素质, 提前预防各类慢性疾病, 如冠状动脉硬化等。各种实例证明, 由于膳食纤维摄入不足导致的营养不平衡, 已经从城市扩展到农村, 有向全国蔓延的趋势, 已经成为关乎全国人民整体素质与健康的重要问题。因此, 必须提高我国居民膳食纤维的日常摄取量, 改进和提高小麦膳食纤维的生产技术水平, 以麦麸为原料制造纤维纯度较高的纤维粉, 作为食品配料从而生产出纤维含量较高的各类食物, 解决我国居民纤维摄入不足的问题, 促进我国居民身体素质改进与提升。
1 膳食纤维的生化特性与生理功能
1.1 膳食纤维的生化特性
按照化学结构, 膳食纤维分为纤维素、半纤维素、木质素和果胶四大类, 它们不能被人体吸收却在体内发挥重要功能。根据膳食纤维在水中的溶解性可以分为可溶性纤维和不可溶性纤维两大类, 前者包括水果中的果胶, 海藻中的藻胶以及由魔芋中提取的葡甘聚糖等。不可溶性纤维包括纤维素、木质素、半纤维素等, 主要存在于谷物的表皮, 全谷类粮食如麦麸、麦片、全麦粉及糙米、燕麦、荞麦、莜麦、玉米面等, 以及水果的皮核、蔬菜的茎叶、豆类及豆制品中等。它们在人体内生理层面的化学与物理特性主要有以下几点。
(1) 发酵作用:发酵是多糖区别于其他物质的重要特征。膳食纤维虽然不可降解, 但是因为细菌的存在, 会进行不同程度地发酵。细菌可以将果胶、树胶和粘胶进行彻底地分解, 但是不能彻底地分解半纤维素与纤维素。膳食纤维因其结构不同, 发酵性能也各有特点, 研究证明, 小麦一类的纤维, 其发酵特性要弱于蔬菜水果。多糖的发酵特性对生理方面的影响, 主要表现在: (1) 生化反应产生的短链脂肪酸即时加入到降解过程; (2) pH值一旦变小, 会使得肠道菌群的平衡环境发生波动; (3) 大肠内细菌的增殖, 将导致粪便量增多, 增加排便量, 保持肠道畅通。
(2) 遇水扩张性与保水性:膳食纤维有很强的吸水性, 可以吸收高于自身质量好几倍的水分, 同时具有强大的遇水扩张性与保水性。其中含有的多糖, 例如果胶、树胶、或者半纤维素, 其保水性尤其强大, 遇水后迅速凝结, 增加粪便的粘稠度与空间尺寸, 加速排便。
(3) 有毒、有机物质的吸附性:膳食纤维在降低人体胆酸与胆固醇以及其他各类有毒、有机成分等方面发挥着重要的作用。其工作机理是通过吸附作用排毒, 使人体粪便中胆酸、胆固醇逐步排出, 抑制了体内胆固醇的含量。
(4) 金属离子置换性:小麦中的膳食纤维通过和Cu2+、Pb2+发生置换反应, 减轻重金属与人体内蛋白结合产生的中毒症状。除此之外, 还可以和K+、Na+产生置换反应, 加快人体排出K+和Na+速度, 降低人体的血压。
1.2 膳食纤维的生理功能
多项科学研究表明, 不少疾病的发生与缺少膳食纤维有关, 它们不能被人体吸收, 却在体内发挥重要功能, 担当了健康卫士的角色。膳食纤维是目前营养学界认定的第七类营养素, 其主要生理功能有:
(1) 加快肠胃自身运动, 驱除胃肠道杂物, 降低胃肠道疾病风险。
膳食纤维具有一种特性, 其在吸收到足够水分之后, 可以溶于水, 并迅速膨胀。该性能可以提升糜状食物混合物空间尺寸, 促进胃肠道自行运动, 预防便秘, 提高排便频率, 降低粪便在肠道中的停留时间, 进而减少了肠道有害物质的吸收, 使得肠道变得干净, 从而降低了患胃肠道疾病的风险[1]。
(2) 降低人体获取胆固醇的能力, 为预防三高和已患三高的人群提供健康指引。
因为纤维具备分层次结合紧密、物理空间分离以及虹吸作用, 所以膳食纤维对于降低胆固醇的作用比较明显。提高日常食物中膳食纤维的百分比, 能够减少血液中有害胆固醇的浓度, 降低三高 (高血压、高血糖、高血脂) 等疾病发生的可能性。
(3) 推迟和降低铅汞等有毒物质的吸收, 提前控制和降低该类物质的各种毒副作用对人体的伤害。
膳食纤维的空间结构, 能够降低和阻止人体吸收食物中的各类有毒有害重金属, 减少有毒有害化学品如农药等对胃肠道的破坏。膳食纤维在降低结肠癌和其他肠道类疾病的发病率方面, 有着重要作用。随着人们物质生活水平的不断提高, 结肠癌的发病率逐年增加, 实验表明, 对于高危人群, 经过改善膳食结构, 增加膳食纤维的摄入量, 结肠癌的发病率明显降低[2]。
(4) 调整胃肠道内菌群结构和保持菌群的动态平衡, 有益于生成各类有益物质。
膳食纤维不能被胃肠道消化吸收, 然而膳食纤维却可以作为菌群生长繁殖的原料, 依靠肠道内的微生物得到有效分解。膳食纤维可以促进肠道中的有益微生物的繁殖, 降低有害菌如厌氧菌的生长繁殖, 优化肠道菌群结构, 促进了胃肠中有益菌群的生长趋势, 抑制和降低有毒有害菌群的数量与毒性[3]。
(5) 在糖尿病的提前预防与患后的辅助控制上的意义。
可溶性膳食纤维在控制血糖方面功能显著, 尤其是在控制餐后血糖以及糖耐量方面, 有积极的辅助作用。其中可溶性膳食纤维作用最大, 其主要工作机理在于明显推迟了各类单糖与多糖的吸收, 提升了胰岛素的敏感性, 增强了胰岛素调节血糖的功能。
2 小麦膳食纤维多酶分步法生产工艺
膳食纤维主要是从麦麸中提取而来, 麦麸由于颗粒粗大, 进食时口感相对较差, 改进麦麸的主要手段是去除其中的非纤维成分, 从活性方面提高其机能, 浅化颜色, 降低粗糙度, 并且进行除味和除杂质的工作[4]。以上都是进行膳食纤维提取工作的关键技术。在实际生产中, 以碱处理使用最为广泛, 但由于其对膳食纤维破坏严重, 所以还有很大改进的空间;单一酶方法可以大幅度提升产出率, 然而纯度较低。多酶分步法使用的先进技术为“全过程生物酶发酵”, 解决了以上问题, 并且在纯度方面有很大改进, 提升了膳食纤维的质量。大量试验表明, 使用该方法提取小麦膳食纤维, 高效、纯度高、易操作、易于进行工业化推广。
2.1 多酶分步法工艺流程
麸皮原材料—→杂质去除—→洗涤—→多酶分步处理—→高温蒸煮除异味—→根据需要调质—→洗涤—→脱水处理—→干燥处理—→微粉碎加工—→分级处理—→微波处理—→最终膳食纤维粉
2.2 多酶分步法工艺要点
(1) 去除杂质并洗涤。使用专用筛网, 对原材料中的杂质、淀粉, 按粒径分级筛除, 用饮用水清洗麦麸皮。 (2) 进行多酶分步处理的工序, 使用生物酶进行处理, 利用酶将麸皮中的非纤维成分的物质进行去除, 提高纤维纯度, 为其未来的活性以及最终产品的纯度提供有力保障, 达到逐级反应的效果。 (3) 蒸煮。为了使成品能够进行长期稳定的保存, 通过蒸煮消灭能够产生异味的各种酶。 (4) 调质。依据用户需求, 进行产品脱色。 (5) 高温爆破。通过破坏纤维素微观结构, 提升纤维素物理与化学性能, 以利进一步利用。
3 膳食纤维的应用
随着人们生活水平的提高, 饮食越来越精细化, 动物性食品所占比例越来越高, 膳食纤维的摄入量越来越少。另一方面, 在膳食纤维的科研上, 我国相对落后。市场上的膳食纤维产品品种数量相对缺乏, 即使对于小麦这种普及度很高的生产原材料, 也仍然处于科研阶段, 仍未进行大规模量产膳食纤维。
膳食纤维作为新兴的营养素和添加剂, 具有高持水力、高膨胀力、高吸油力以及较好的抗氧化能力, 未来将在我国食品工业中的应用越来越广泛。膳食纤维的应用主要有以下几个方面。
(1) 应用于米面制品方面。膳食纤维可添加于馒头、面条、面包和蛋糕中。在制作馒头和面条中, 加入膳食纤维的量为6%, 可改善产品的色泽及味道。在焙烤食品中应用最为广泛, 常见的有全麦面包、饼干及桃酥等[5]。添加膳食纤维提高了原辅料的分散性和稳定性, 增加产品了的持水性, 更加疏松柔软, 改善了口感, 增加了产品的抗老化能力[6]。但是, TURBIN-ORGER A[7]等的研究发现, 膳食纤维具有高吸水性, 会和面粉中的面筋争夺水分, 导致面筋得不到足够的水分, 不能形成足够的气泡, 从而使面包或者馒头等产品发酵程度低, 体积小, 从余毅[8]的研究表明, 膳食纤维的最佳添加量是4%, 过多会导致面包芯的硬度增加, 弹性降低, 体积减小。陈凤莲[9]等对麦麸膳食纤维饼干的制作工艺进行了研究, 试验表明, 面粉中添加20%的小麦麸皮粉可以制得口味纯正、口感舒适的营养型饼干。膳食纤维也可添加在面条中, 制成营养挂面, 这样可以提升成品的颜色和口感, 在添加量为10%的时候, 面条的感官和构造等没有太大的变化, 但是抗氧化能力得到了一定的提升;添加量为15%时, 挂面的断条率有所提高, 同时口感略显粗糙[10]。因此, 可以在馒头、面包等产品中添加4%～6%的膳食纤维, 在面条中添加10%左右的膳食纤维, 饼干中可达到20%。
(2) 应用于肉制品方面。在肉制品中应用, 主要是应用在各种肉糜制品, 如火腿肠、午餐肉以及肉松等产品中, 作为替代脂肪的添加物, 从而降低脂肪和胆固醇的摄入[11]。同时能够使肉制品的持水性增加, 降低肉制品的热量, 提高产品的储藏期[12]。
张根生[13]和汪倩等[14]分别以马铃薯膳食纤维和燕麦麸糊作为脂肪替代物, 制备低脂肉丸, 并通过对肉丸的感官品质、色泽、质构、基本成分、风味物质及氧化程度的影响进行研究, 确定肉丸中膳食纤维的最佳添加量为3%～6%。
(3) 应用于饮料和乳品方面。膳食纤维类饮料是西方很流行的功能性饮料。其既能解渴、补充水分, 又可提供人体所需膳食纤维。这类产品, 尤其是水溶性膳食纤维在欧美和日本等发达国家比较流行。如可口可乐公司生产的含膳食纤维矿泉水;另外, 西欧国家和美国的高纤维橙汁、高纤维茶等也很普遍。在饮料中添加水溶性膳食纤维, 不仅使饮料具有保健功能, 还可以提高饮料的稳定性和分散性, 可使饮料中其它微粒均匀分布溶液中, 不易产生沉淀和分层现象。采用挤压法制备麦水溶性膳食纤维, 将制得的小麦水溶性膳食纤维以5%的比例与橙汁等调配, 可制成一种既营养又美味的饮料[15]。
膳食纤维应用于乳品方面, 主要是水溶性膳食纤维的应用。比如水溶性膳食纤维直接添加在婴幼儿和老人的配方奶粉中, 添加量为5%～10%, 在牛奶浓缩液均质之前加入就可以了;在酸奶、风味乳饮料以及乳酸菌饮料中添加, 添加量在6%～8%。Staffolo等将膳食纤维添加到酸奶酪中, 大大改变了酸奶酪的口感及流变特性[16]。郭健等以小麦麸皮为原料提取膳食纤维后与脱脂乳混合, 接入乳酸菌发酵, 经调配、均质等工艺过程, 制成一种新型的功能性乳酸发酵麦麸膳食纤维饮料, 膳食纤维的添加量为6%[17]。
(4) 应用于保健品方面。我国保健品市场规模很大, 其中以润肠通便、排毒养颜和减肥美容的保健品最为流行, 而膳食纤维就是其功效的秘密所在。对补钙和补血的保健品而言, 添加膳食纤维可促使肠道内产生乳酸, 而乳酸可以分离溶解钙、镁、铁等矿物质, 促进人体对矿物质元素的吸收。
膳食纤维未来的研发与应用的方向表现在以下几个方面: (1) 在原材料方面, 除了探索尚未开发的膳食纤维资源以外, 还要对已有资源进行深化开发; (2) 重点研发膳食纤维的量产技术, 以先进的分离技术和其他相关技术为基础, 提升相关技术; (3) 结合实验研究膳食纤维对于人体机能的促进作用。如膳食纤维对于人体的解毒性能, 膳食纤维的物理与化学作用对人体机能的相关影响等各方面, 还是有很大的开发空间; (4) 扩大膳食纤维的使用范围。膳食纤维以及特殊的物理化学性能, 对于人体的的积极作用, 以及环境友好等特点, 相信有更广阔的使用空间; (5) 加快膳食纤维的产业化进程。
4 结论
随着我国农业现代化进程的不断深入, 我国的小麦膳食纤维产业, 也迎来了前所未有的机遇期, 只有从观念上对小麦膳食纤维的生产重视起来, 并结合我国实际, 学习国际先进的小麦膳食纤维提纯技术, 才能在今后的发展中将其产业化, 为我国人民身体素质的提高贡献更多的力量。
参考文献
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[2]张洪微, 杨铭铎, 樊祥富, 等.3种改性方法对小麦麸皮膳食纤维结构与性质的影响[J].中国粮油学报, 2016, 31 (12) :12-17.
[3]董艳娇.膳食纤维及副产物的加工特性、功能特性及应用[J].白城师范学院学报, 2016, 30 (5) :11-16+22.
[4]吴文睿, 汤有宏, 李兰.小麦麸皮不溶性膳食纤维提取工艺研究[J].食品工业, 2016, 37 (7) :183-185.
[5]戚勃, 李来好.膳食纤维的功能特性及在食品工业中的应用现状[J].现代食品科技, 2006 (3) :272-274+279.
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