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挤压提高膳食纤维水溶性的研究进展

时间:2013-12-01 21:50来源:未知 作者:admin 点击: 次
挤压提高膳食纤维水溶性的研究进展
龙道崎1，邹妍1，赵国华1,2
  1. 西南大学食品科学学院，重庆400715；2.重庆市农产品加工技术重点实验室，重庆400715）
膳食纤维是指能抗人体小肠消化吸收而能在大肠部分或全部发酵的可食用植物性成分、碳水化合物及其相似类化合物的总称。膳食纤维可以分为水不溶性膳食纤维（纤维素、木质素和一部分半纤维素）和水不溶性膳食纤维（戊聚糖、果胶、树胶、粘液）［1］。水溶性膳食纤维（Soluble dietary fiber,SDF）与水不溶性膳食纤维（Insoluble dietary fiber,IDF）具有不同的生理功能。IDF的主要作用在于肠道产生机械蠕动效果，SDF则更多地发挥代谢功能，影响碳水化合物和脂类的代谢，控制血糖指数，减少血浆胆固醇，降低患心血管疾病的风险等［2］。SDF含量是影响膳食纤维生理功能的重要因素。功能型膳食纤维要求其中SDF占到总膳食纤维10%以上，否则只能为填充型膳食纤维［3］。农产品加工后的残渣（豆渣、果皮渣、薯渣，甜菜渣等）是良好的膳食纤维材料，但其缺点是SDF含量很低、口感粗糙。为提高这类资源的功能及口感，常用不同的方法对其进行改性。目前，膳食纤维改性主要有4种方法：物理方法（微细化处理、挤压蒸煮、高压处理等）、化学方法（酸水解法、碱水解法等）、生物方法（酶法、发酵法等）联合方法［4］。大量研究发现挤压蒸煮能够大幅度提高可溶性膳食纤维的含量，同时具有高效率、成本低、产品质量好等优点［5］。近年来，国内外学者在挤压蒸煮的工艺和技术上创新颇多。本文主要总结挤压提高膳食纤维水溶性的影响因素及其工艺优化，并论述其相关机理，为这一技术和产品在食品工业中应用提供参考。
  1.   联合挤压蒸煮改性膳食纤维的工艺创新
近年来，挤压蒸煮改性膳食纤维的工艺创新颇多，物料前处理、挤压方法不断得到改进，见表1。张艳荣等［6］对玉米皮挤压改性时，采用超临界CO2流体技术原料预处理后，再经挤出得到的高品质膳食纤维中SDF含量比未经处理的玉米原料中SDF含量增加了12.1g/100g。周令国［7］采用湿法超粉碎联合挤压制备大豆膳食纤维粉，研究发现经过超微粉碎-挤压-喷雾干燥工艺制备的大豆膳食纤维粉的SDF含量明显高于对照组，同时膳食纤维的功能性质也得到改善。黄茂坤等［8］发现挤压-纤维素酶联合改性香菇柄膳食纤维能明显增加SDF的溶出量，且该方法可以更好地改善香菇柄纤维的理化品质。李向阳等［9］研究了麦麸加碱挤压的最佳工艺条件为物料粒度60目、物料含水量32.5%、碱液浓度4.5%、膨化温度115oC、转速250r/min,此条件下SDF含量与未加碱挤压相比提高了19.94g/100g。王兆升［10］等研究了加酸挤压的最佳工艺条件为物料粒度50目、水添加量27.5%、盐酸浓度0.035mol/L、膨化温度115oC,转速225r/min,此条件下SDF含量与未加酸挤压相比提高了16.48g/100g。刘洵妤等［11］利用CO2爆破挤压法对番茄皮渣膳食纤维进行改性，结果表明挤压爆破法改性番茄皮渣能明显提高SDF含量，与原料相比提高了8.73g/100g。
 
表1 挤压改性工艺创新
Table 1 Process innovations of extrusion
原料 方法 工艺 未处理SDF(g/100g) 处理后SDF(g/100g) SDF增量SDF(g/100g) 文献
玉米皮 超临界CO2流体技术预处理后挤压 萃取压力为30MPa、温度35OC、时间100min、 CO2流量23L/h；挤出温度为145、物料含水量为60%、进料速度20kg/h、螺杆转速220r/min 2.7 14.8 12.1 [6]
大豆 挤压联合超粉碎 湿法超微粉碎-挤压-喷雾干燥 4.32 9.02 4.7 [7]
香菇柄 挤压联合纤维素酶 螺杆转速230r/min,机筒温度130，水解温度55OC、水解时间2.0h、PH6.0、加酶量0.6%、液固比4:1 2.92 29.87 26.95 [8]
麦麸 加碱挤压 物料粒度60目、物料含水量32.5%、碱浓度4.5%、膨化温度115OC、转速250r/min 1.83 21.77 19.94 [9]
麦麸 加酸挤压 物料粒度50目、水添加量27.5%、盐酸浓度0.035mol/L、膨化温度115OC、转速225r/min 1.83 18.31 16.48 [10]
番茄皮渣 爆破挤压 柠檬酸48g/300g、NaHCO3粉末60g、物料粒度100目、物料水分60%、挤压温度变化40 OC-80 OC-140 OC-180 OC 3.4 12.13 8.73 [11]
 
  1.  挤压提高水溶性膳食纤维含量的影响因素
挤压提高膳食纤维水溶性的影响因素有挤压温度、螺杆转速、物料含水量、物料粒度、进料速度、物料酸碱性、挤压机类型、原料种类等。表2总结了不同原料的最佳挤压工艺参数和产物SDF增加的情况。
 
原料 最佳工艺 SDF增量(g/100g) 挤压方式 文献
米糠 物料水分15%、挤压温度150 OC、螺杆转速90r/min
物料水分17.5%、挤压温度150 OC、螺杆转速150r/min		 8.74
12.78		 单螺旋
双螺旋		 [17]
 
麦麸 挤压机筒温度140 OC，水分含量10%、螺杆转速150r/min 5.3 双螺旋  [19]
豆渣 物料水分18%、挤压温度150 OC、螺杆转速90r/min
物料水分16.8%、挤压温度150 OC、螺杆转速150r/min		 12.4
26		 单螺旋
双螺旋		 [18]
豆渣 挤压温度180 OC、螺杆转数175r/min、物料水分25% 12.51 单螺旋 [20]
豆渣 物料粒度65目、物料含水量40%、膨化温度120 OC、螺杆转速150r/min 23.42 双螺旋 [15]
豆渣 挤压温度160 OC、螺杆转数175r/min、物料水分20% 11.74 单螺旋 [21]
大麦粉 挤压温度140 OC、水分含量50%、螺杆转速50r/min 1.61 双螺旋 [22]
大麦粉 挤压温度90 OC、水分含量50%、螺杆转速50r/min 1.45  
苹果渣 螺杆转速750r/min、挤压温度160 OC、碱液量20%（碱液浓度7.5%） >10 单螺旋 [16]
苹果渣 螺杆转速750r/min、挤压温度160 OC、加水量20% 5.8  
橘渣 挤压温度150 OC、水分含量35%螺杆转速140r/min 17.82 单螺旋 [14]
柠檬残渣 挤压温度100 OC、水分含量40%螺杆转速10r/min 11.4 单螺旋 [23]
 
要保证挤出过程的稳定性及顺利进行，纤维加水量、螺杆转速、挤出温度等各个因素之间要协调。在大多数情况下，较高的挤压温度有利于SDF的提高。但挤压温度过高会造成物料焦糊、色泽变化和营养损失；一般来说，为了保持养分，应该避免高挤压温度（≥200 oC）和过低水分含量（≤15%）［12］。一般来说，当其他条件不变时，螺杆转速越高，机筒内的压力越大，物料受到的摩擦力和剪切力越大，纤维物料分子裂解程度增大，SDF增量越大，而转速过高会导致物料在机筒内滞留时间过短，不利于SDF的提高；物料含水量越高，挤出时温降程度越大，不溶性纤维断裂，增溶效果越差，SDF含量就低，但水分含量太低会引起机筒堵塞和焦糊现象的发生；物料决定物料的比表面积，纤维高聚物发生断裂的作用力主要来自挤腔内的挤压力和剪切力，在一定膨化温度、螺杆转速等条件下，适宜的物料粒度所受挤压力和剪切力最大，纤维高聚物易生断裂，SDF增量就高；增加挤出次数一方面可使未降解功能化的部分不溶性纤维有机会发生改性作用，另一方面可能会导致已降解功能化的膳食纤维劣变，失去原有功能，挤出次数的确定应视挤压参数的剧烈程度而定；挤压改性设备分为单螺旋挤压机和双螺旋杆挤压机，双螺旋挤压机对时间和混合过程的控制更为精准，具有优越的传热和传质能力［13］。Larrea等［14］研究对橘渣膳食纤维的改性作用，发现较高的温度（大于140oC）和较低的螺杆转速（小于140r/min）有利于SDF含量的提高；挤压温度是影响SDF含量最重要的变量，其次是挤压温度和螺杆转速的相互作用。董海洲等［15］发现豆渣挤压的最佳物料粒度为65目。陈雪峰等［15］研究发现物料碱化对苹果渣挤压改性有促进作用，而物料酸化则效果不明显。许晖［17］、金茂国等［14］对比了双螺杆挤压和单螺杆挤压作用，表明影响单螺杆挤压的主要因素为挤压温度，而影响双螺杆挤压的主要因素则为螺杆转速，且双螺杆的挤压效果（SDF增量）优于单螺杆。
除了表2中所列挤压条件外，原料的种类也影响可溶性膳食纤维含量的增加程度。在原料中加入一些富含膳食纤维的物质进行混合挤压能够显著改变挤压物的可溶性膳食纤维含量。Rzedzicki等［24］将豌豆壳20%-80%的添加量，挤压后混合物中SDF增量为3.02%~5.92%。Gajula［25］将小麦粉和麦麸混合挤压，原料中麦麸0~30%的添加量，挤压后混合物中SDF的增量为22%~73%。
大多数报道物料挤压后SDF变化明显，但少数研究（Esposito等［1］、Robin等［26］）表明挤压对SDF含量影响较小，主要是有挤压条件造成的，在轻度或者中度的挤压条件下，挤压蒸煮没有显著改变膳食纤维含量，在更加剧烈的挤压条件下，水溶性膳食纤维含量趋于增加。但当条件太剧烈时，易造成SDF结构的破坏（Gualberto等［27］），不利于SDF含量的提高。
3     挤压提高水溶性膳食纤维含量的机理
3.1水不溶性膳食纤维向水溶性膳食纤维的转化
挤压过程中使可溶性膳食纤维含量增加，主要是由于受到剪应力和高温作用，不溶性膳食纤维发生热力分解，导致化学键（糖苷键等）的断裂，形成可溶性微粒，实现IDF（纤维素、半纤维素、木质素、不溶性果胶等）向SDF的转变。高机械应力在挤压过程中可能会造成多糖糖苷破裂释放低聚糖，最终增加可溶性膳食纤维含量。Redgewell等［28］研究柑橘的挤压改性，发现挤压后可溶性柑橘纤维单糖成分中糖醛酸（果胶指示物）含量的增高，表明挤压过程果胶物质的增溶，而甘露糖和葡萄糖的增加表明了细胞壁中半纤维素聚合物结构的降解。并且对挤压后的SDF进行化学分馏后，发现挤压条件剧烈的情况下可能引起半纤维素的增溶，而条件剧烈的情况下可能引起纤维素的降解。并且对挤压后的SDF进行化学分馏后，发现挤压条件相对温和的情况下能引起半纤维素的增溶，而条件剧烈的情况下可能引起纤维素的降解。Onyango［29］报道，挤压过程SDF的增加是IDF片段增溶的结果，细胞壁中木质纤维素链的断裂，导致低分子可溶性片段的形成。Zarzyck等［30］报道这种方式形成的可溶性膳食纤维保持有不溶性片段的化学结构，挤压形成的可溶性片段并不完全具有本来可溶性片段的性质。
3.2转糖苷作用形成新的SDF
挤压增加SDF含量有可能是由于挤压形成的中间产物（如1，6-脱水-D-葡萄糖单位）与淀粉发生反应，由于转糖苷作用形成的抗消化葡聚糖。Vasanthan等［30］报道淀粉和小麦粉混合挤压过程中产生的一些脱水化合物（1，6-脱水-D-葡萄糖单位），能与淀粉反应，通过转糖苷作用形成新的不能被淀粉酶水解的葡聚糖，从而使挤压后SDF含量增加。
3.3增加SDF的溶出
物料被送入挤压膨化机中，在螺杆的推动作用下，由于螺杆与物料、物料与机筒以及物料内部的机械摩擦作用，物料被强烈地挤压、搅拌、剪切，是物料细化、均化、质地疏松，从而使其在测定过程中水溶性成分更易溶出。
4     展望
挤压蒸煮是大众化的食品加工技术，应用挤压蒸煮技术加工膳食纤维能提高膳食纤维的水溶性，在膳食纤维的开发利用方面具有广阔前景。国内外关于挤压改性膳食纤维的研究已较大进步，但仍然存在以下两方面问题：挤压提高水溶性膳食纤维含量的机理有待深入，目前挤压相关机理主要是单糖变化推测水溶性膳食纤维增加来源，缺乏挤压前后膳食纤维的结构表征，深入分析水溶性膳食纤维挤压前后的组成和结构变化以及其与蛋白质、淀粉等营养成分间的相互作用是今后研究的重点；挤压改性膳食纤维缺乏过程模拟，将挤压技术进行过程模拟将有助于其应用和工业化推广。
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