自从20世纪70年代的“膳食纤维假说”将膳食纤维(dietary fiber,DF)缺乏与西方人群的一些典型疾病联系起来之后[1],越来越多的研究表明,DF与降低心血管疾病[2]、高血压[3]、2型糖尿病[4]、某些癌症[5]及体重过度增加[6]的风险之间存在明显的关联。除了与健康相关的生理益处之外,DF作为食品配料还表现出很好的功能特性。DF的持水力(water holding capacity,WHC)、持油力(oil holding capacity,OHC)、膨胀力(swelling capacity,SC)和吸附能力等是其功能特性的物性基础,在改善食品口感、颜色、质地,甚至生物活性功能等方面都具有重要意义。上述DF的这些功能特性与其提取方法、加工方式以及其本身的物化性质密切相关。物理改性具有高效、简洁、绿色环保等特点,优于化学、微生物发酵、酶法改性3种方法。因此,物理改性在DF加工领域具有广阔的应用前景。DF在不同的物理加工技术(如挤压膨化、干燥、超微粉碎和高静水压等)处理过程中,通过改变其结构及物性,从而改善其功能特性。本文系统综述了物理加工技术对DF的物性、功能特性的影响,有望为基于物理方式的DF改性研究提供一定的理论参考,并在一定程度上为DF的物性营养学研究提供思路借鉴。
1 膳食纤维的结构与分类
DF已被确定为生物体内的第七种重要营养素,是指可食用的植物类物质或碳水化合物,在小肠中难以消化和吸收,但进入大肠后,可被微生物菌群部分或完全发酵。DF主要化学成分如表1所示,主要由纤维素、半纤维素、果胶、树胶和黏液、非多糖结构的木质素组成。DF的微观结构一般呈不规则的片状、颗粒状、蜂窝状,整体存在孔隙和褶皱。某些DF(如绿豆膳食纤维)经改性后,其表面会存在一些细小颗粒[11],这些微观结构特征赋予DF高度的WHC、OHC、SC及吸附能力(吸附亚硝酸盐、葡萄糖、胆酸钠和胆固醇)等物理特性。
表1 膳食纤维的主要化学成分
Table 1 Chemical composition of dietary fiber
化学成分结构特点食物来源参考文献纤维素由D-葡萄糖通过β-(1→4)糖苷键连接的直链多聚糖相邻的纤维素通过氢键形成稳定的纤维结构,吸水性强,不溶于水,可促进肠胃蠕动,增加粪便体积蔬菜、谷物、水果、坚果[7]半纤维素阿拉伯木聚糖、半乳聚糖、甘露糖、β-1,3或β-1,4葡聚糖多种糖基组成的一类杂多糖大部分不溶于水,在大肠内易被细菌消化分解,具有降低胆固醇的作用谷物[8]果胶线性同型半乳糖醛酸、鼠李糖半乳糖醛酸-I和鼠李糖半乳糖醛酸-Ⅱ组成可溶,黏度大,具有吸附葡萄糖、胆固醇和重金属的作用水果、蔬菜、豆类[9]树胶与粘液树胶一般由己糖和戊糖单体组成;黏液是由含有糖蛋白的植物合成的可溶于水,具有增稠、乳化、稳定特性豆科植物、海藻提取物、微生物胶[10]木质素芳香族醇的复合聚合物,包括对香豆醇、松柏醇和芥子醇亲水性较差,无生理活性,具有结合Fe、Zn的能力,并且可作为一种抗氧化剂木本植物、种子[7]
DF成分、结构较为复杂,所以可按不同的方式进行分类,如来源、溶解度、发酵程度、聚合物结构等。图1总结了有关DF的分类方式[12],以DF在特定pH值缓冲液或人类消化酶溶液中的发酵能力来区分不同类型的DF,是当前最被广泛接受的DF分类依据[13]。此外,对于DF的任何分类系统,因特定的DF往往可归属于多个类别,导致这些系统会存在交叉和重叠之处,同属于功能类别中某一特定类型的DF(如可溶性)可能不具有相同的健康益处[13]。因此,基于DF对人体健康的重要意义,有必要从多角度去审视DF的物化性质。
图1 膳食纤维的各种分类方式
Fig.1 Various classifying ways of dietary fiber
2 膳食纤维营养效应的物性基础
关于DF的促健康作用,最初的研究重点多集中于其剂量的营养效应。越来越多结合体外实验、动物实验和人群实验的综合性研究,从细胞水平到个体平探究了DF的急性作用和长期干预效果,使人们逐渐认识到,不同来源的DF因其不同的物化性质可能具有不同的代谢和生理效应[14]。摄入的DF在肠道运输和发酵时所展现出的物化性质被认为是影响其发挥营养效应或生理活性的决定性因素。DF与营养效应有关的物性主要包括DF的粒径、溶解性、水合特性、流变性质、界面特性和吸附性、离子交换能力。其中,DF水化后展现的黏度及其离子交换能力是DF发挥营养效应(主要是调节糖脂代谢)的关键贡献者,其决定了在胃肠道中的功能,包括营养素利用、肠道动力、粪便形成和微生物特异性的影响。而发酵性能、膨胀效应和颗粒大小则被认为对结肠功能有重要影响。
2.1 粒径
食物中植物性成分的细胞壁类型及生产过程中的加工程度决定了DF的粒径,而DF的粒径对于食糜在消化道内的转运时间、发酵特性、粪便排泄率及粪便排泄体积有着重要影响。HELLER等[15]的研究结果表明,粗麦麸比细麦麸有更高的持水能力,可增加粪便的排泄量,调节结肠中的收缩活动和水运动,缩短食糜在肠道中的通过时间。ROGEL等[16]的研究认为,粗颗粒相比于细颗粒能在胃内停留更长的时间,因此可能会改善胃肠道的运动性能,有利于食糜从十二指肠到肌胃底的回流,以此促进对营养物质进一步的消化和吸收。
不能忽略的是,口腔的咀嚼和胃部碾磨的剪切效应以及结肠微生物的发酵作用会导致DF粒径的改变,而赋予DF内聚力的某些成分可能会在消化过程中溶解,因此也会使得DF粒径减小,由此导致消化前的DF粒径可能难以用于准确评估其对肠道运输的影响。
2.2 溶解性
DF的溶解性是影响其营养效应的重要因素之一。根据DF在水中的溶解程度,总膳食纤维(total dietary fiber,TDF)可细分为不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber,IDF)和可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber,SDF)两类。IDF是细胞壁的组成成分,包括纤维素、半纤维素、木质素和壳聚糖[12]。IDF中的糖链通过紧密的氢键相互缔合,形成疏水的结晶结构,能够抵抗人体消化酶的消化,但能被人体肠道的微生物利用在人体中主要起促进肠道蠕动、增加粪便体积和减少肠道转运时间的作用。SDF主要指细胞壁中的贮存物质和分泌物,包括果胶、菊粉、低聚果糖、β-葡聚糖和其他类似化合物[12]。其结构通常表现出高度的支化,使其能够与人体肠道中的有害物质结合,并通过肠道微生物进行部分或全部发酵,在肠道中可被降解为对人体健康有积极意义的产物,如短链脂肪酸和乳酸。这些代谢产物可供有益微生物利用,进而可调节肠道菌群、预防肠道疾病[17]。同时,易于发酵的SDF可能会增加肠腔黏度以降低餐后血糖、降低胃排空率和延迟消化[18]。
此外,胃肠道内不同的pH值条件(如胃和结肠)以及个体间的差异也会影响体内的DF溶解度。因此,仅凭溶解度难以准确预测DF的功能特性。例如,有研究表明,洋车前子(SDF)和纤维素(IDF)都能改善血糖控制、运输时间和粪便排泄量,但两者作用机制不同。洋车前子通过增加肠道内容物黏度改善人体的血糖控制[19]。而纤维素则通过结合α-淀粉酶抑制淀粉消化并减少葡萄糖吸收,对大鼠的血糖产生一定的影响[20]。
2.3 水合特性
DF的水合特性是指其水结合后膨胀的特性,主要包含3方面内容:WHC、SC和吸水性,其中, WHC又称保水力或水结合能力,指的是单位质量纤维在特定条件下截留水的质量;SC指的是单位质量纤维在特定条件下占据的体积;吸水性则指的是一定条件下纤维吸水的速率。
已有众多的研究探讨了DF的水合特性所具有的生理效应,包括增强饱腹感、诱导发酵及促进排便等。TAN等[21]通过不同的DF调整了大鼠日粮的WHC和SC,其研究结果显示,具有高WHC和SC的DF可促进大鼠的饱感,从而减少其食物摄入量,同时改善了日粮的发酵特性,增加了盲肠内容物短链脂肪酸的含量。GUO等[22]的研究发现,含有碳酸钙的海藻酸钠体系可在胃内形成凝胶,从而显著(P<0.05)增加胃内食糜残留量,影响胃扩张并延长相应的胃排空时间,减少短期内的摄食量。CHAO等[23]的研究表明,富含WHC和吸水性的DF可促进肠道蠕动和增加粪便排泄量,进而缓解儿童的便秘症状。
2.4 持油力
DF不仅可与水结合,还具有一定的OHC。OHC指的是单位质量纤维在特定条件下对油/脂肪的结合能力。这一特性主要取决于总电荷密度、疏水性、加工条件以及其本身的表面性质。KONG等[24]的研究认为,蒸汽爆破辅助超微粉碎工艺能改变麦麸的空间结构,提高麦麸的多孔性和疏松性,使其能容纳更多的油脂分子。TANG等[25]研究并比较了高温蒸煮、高压均质、超声处理及其组合对竹笋SDF的OHC影响。结果显示,超声处理和高温蒸煮联合使用时,竹笋SDF表面孔隙率增加、结构更加松散,更有利于提高其OHC。
OHC是评估DF对亲脂组分吸收能力的重要参数之一,其对人体健康的维护和食品的应用具有重要意义。TIAN等[26]研究发现,灵芝、猴头菌、香菇、灰树花4种IDF都能在一定程度上吸附玉米油,从而有效地抑制油脂的分解,减少肠道对脂质的吸收,有助于体重控制。ZHAO等[27]采用了超微粉碎技术改善猕猴桃IDF的OHC,并将其添加到猪肉丸中,研究发现,猪肉丸中的脂肪和不饱和脂肪酸的含量明显降低,同时脂质氧化受到抑制,从而提高了高脂肪食品的稳定性,延长了猪肉丸的保质期。
2.5 流变性质
SDF的黏度是其流变性质的主要内容,也是其营养效应的重要贡献者。已有的急性研究早已明确了黏度对肠道营养物质运输和吸收的抑制作用。BLACKBURN等[28]研究了瓜尔胶对餐后高血糖症的改善作用,其结果证实,瓜尔胶能稳定受试者的餐后血糖波动,其中瓜尔胶发挥降糖效应的主要原因可能是其延长了胃排空和胃肠转运时间,而不是减少了营养物质与小肠的接触面积。此外,有学者认为,强化或延长口腔暴露(口腔与食物的接触)可增加机体的饱腹感并减少其能量摄入量[29],而黏度是影响口腔暴露的重要因素[30]。
此外,黏度对胃排空特性的影响也早已引起了众多学者的注意。BERGMANN等[31]将超声测量和视觉模拟评分表2种测量方法结合起来,探究了胃排空和食欲之间的相关性。结果表明,在进食3 h后,车前草水溶液开始显著减缓胃排空,在进食6 h后,其饱腹感增强,饥饿感降低。这是由于车前草增加了受试者中餐的黏度。SHANG等[32]通过制备不同黏度但相同浓度的魔芋葡甘聚糖饮料,研究了不同黏度的魔芋葡甘聚糖对受试者体外胃排空特性及其对食欲调节的影响。其结果显示,随着黏度的增加,受试者餐后的胃排空速率延迟,饱腹感相关的激素如胰高血糖素样肽-1、胰高血糖素样肽-3-36、CCK-8水平显著升高,且呈现一定的剂量依赖性。
表2 干燥过程对不同来源膳食纤维物性的影响
Table 2 Effect of drying process on physical properties of dietary fiber derived from different sources
DF来源干燥方式对DF性质的影响参考文献印度枣烘干、冷冻干燥冷冻干燥DF的WHC、SC和OHC较高[38]橙皮冷冻、真空、热风干燥冷冻干燥DF的黏度、WHC、SC、OHC及葡萄糖吸附能力较强[39]苹果渣不同温度的对流干燥DF的WHC、OHC随温度的升高而降低,SC随干燥温度的升高先增加后降低[40]桃不同温度的微波干燥DF的WHC、OHC随温度的降低而升高[41]西番莲果皮热风、微波、真空冷冻、喷雾、冷冻喷雾干燥真空冷冻干燥的WHC、SC、OHC较高,并对胆固醇吸附能力较强[42]板栗黄酒糟粉自然、烘箱、真空冷冻干燥自然干燥DF的WHC、SC较高;真空冷冻干燥DF的OHC较高[43]
2.6 界面特性和吸附性
DF的孔隙率和活性表面不仅与细胞壁大分子间的相互结合方式以及组织间的黏附性有关,也与食品的加工过程有关。纤维的孔隙率和活性表面制约着其与酶和微生物间的相互作用,因此决定了其自身的发酵特性。此外,有体外实验发现,一些DF可以增加粪便中胆汁酸和胆固醇的排泄,但尚未确定主导因素是黏度的增加还是DF的吸附截留作用[14]。时至今日,关于DF吸附胆汁酸的具体机制并不完全清楚,环境条件(pH、暴露时间)、DF和胆汁酸的物化性质被认为是影响DF吸附胆汁酸的主要因素。
2.7 离子交换能力
离子交换能力是DF的重要物性之一,此特性是指DF结构中含有大量活性基团(如—OH和—COOH等),这些基团在一定条件下能发生电离,产生类似于弱酸性阳离子交换树脂的能力。如图2所示,DF中的活性基团与Hg2+、Pb2+、Cd2+重金属离子结合,降低Hg2+、Pb2+、Cd2+在体内的累积,从而减少重金属离子对机体的毒害。此外,DF还能与胃肠道内的Na+、K+进行离子交换、结合,改变其瞬间浓度,影响消化道中的渗透压、氧化还原电位和pH值,促进Na+、K+的排泄,在预防和治疗高血压病方面具有一定的作用[33]。WEI等[34]的研究结果显示,超声处理过程中产生的剪切力等强力可破坏小麦麸皮DF的网状结构,导致小麦麸皮DF粒径减小,结构孔隙率和比表面积增大,同时增加了小麦麸皮SDF内的羟基和氢键,从而提高其阳离子交换能力。DF的离子交换能力具有随机性,可能会影响人体对维生素和矿物质的吸收。李来好等[35]的研究表明,麒麟菜DF在体外对Ca2+、Zn2+、Fe2+和Fe3+均有不同程度的吸附,但对动物体内中钙、锌、铁元素的水平未产生显著影响。
图2 膳食纤维离子交换作用示意图
Fig.2 Schematic diagram of the ion-exchanging effects of dietary fiber
3 膳食纤维的物理改性
与IDF相比,SDF在抗氧化活性、胶凝能力、可发酵性、黏度等方面表现出优越的生理和生物活性特性。同时IDF的口感粗糙、溶解性较差,添加到食品中可能会影响其色泽、质地、味道,难以被消费者所接受,限制其在食品加工中的广泛应用。为此,有必要通过各种加工技术促使物料中的IDF向SDF转化,从而改善其物化特性,强化其功能特性,拓宽其应用领域。物理加工技术如挤压膨化、干燥、蒸汽爆破技术、超微粉碎、高静水压、超声、动态高压微流化、空化微射流技术、辐照等,因其具有简便、高效、安全等优点被广泛应用于DF加工中。
3.1 挤压膨化
挤压膨化是一种基于高效快速混合、高剪切、高压、高温加热、膨化成型等方式于一体的食品加工技术。食品加工中,螺杆挤压机是常用的挤压膨化设备,其工作原理如图3所示。其产生的高剪切力和高温高压可断裂植物中高分子多糖(IDF)的糖苷键、氢键,将其转变为易消化的水溶性低分子质量多糖(SDF)。此外,挤压机的模口存在强大的压力差,由此导致物料出现膨化、失水、降温的现象,使分子间和分子内的空间结构发生变化,从而改变DF的功能特性。
图3 双螺杆挤压机原理示意图
Fig.3 Schematic diagram of twin-screw extruder principle
众多研究表明,通过调节温度、物料水分、螺杆转速、比机械能等工艺参数,物料可获得理想的物化和功能性质。QIAO等[36]的研究发现,在挤压温度100 ℃和120 ℃条件下,挤压米糠DF的WHC、OHC均显著高于未挤压米糠DF。CHEN等[37]的研究结果表明,在挤压温度为170 ℃、螺杆转速为150 r/min时,大豆渣SDF含量由(2.6±0.3)%提高到(30.1±0.6)%,同时其WHC、SC和吸水性均比对照组高。虽然挤压膨化加工技术高效且热敏性营养成分保留率高。但该加工技术仍存在一些问题,如物料DF质量受工艺参数影响较大、其对物料DF的作用机制不明确、设备成本高且使用过程中易损耗等。因此,未来的发展应着重改进挤压膨化技术,开发新型挤压膨化设备,或将挤压膨化技术和其他食品加工技术相结合以降低对原料特性的依赖性。同时,也需要根据不同来源的DF,摸索出最佳的生产条件。此外,随着生活水平的不断提高,消费者的需求日渐多样化。为了满足消费者对某一功能的需求,还可以利用挤压膨化技术生产DF含量高的面包、饼干等食品,供有特定需求的人群食用。
3.2 干燥
干燥是食品加工中常见的单元操作,即通过降低物料水分含量方式以达到延长保质期、减少物料包装尺寸及运输成本目的,从而拓展其在食品中的应用范围。干燥过程可能会改变DF原有的结构,导致DF的水合特性、吸附能力等物化特性产生差异,进而对其性质发生不可逆的改变。因此,干燥加工期间DF的结构和组分的变化将决定其最终品质。目前,DF干燥常见的方式有热风干燥、喷雾干燥、冷冻干燥、微波干燥、自然干燥等。干燥过程对不同来源DF物性的影响如表2所示。干燥技术以其高效、稳定性强、操作灵活等优点,尤其是对热敏性物质具有良好的效果,可以使DF既能克服不易贮藏的缺点,又能保留自身的活性。但干燥技术在实际应用中,仍有些工艺因素会对干燥产品品质产生影响。因此,在干燥产品时,要对干燥的温度、风量、时间等工艺因素进行综合考虑,并将其优化,以达到既高效又节能的目的,获得较佳的干燥产品。
3.3 蒸汽爆破技术
蒸汽爆破技术简称汽爆技术(steam explosion,SE)是一种新兴、高效、绿色的食品原料改性技术,最初用于木质纤维素原料的预处理。其主要原理如图4 所示,纤维物料在高温高压条件下通入水蒸气加热至180～235 ℃,使蒸汽充分渗透到原料的组织与细胞之间,并瞬时减压将热能转化为机械能。此时,物料空隙中的大部分蒸汽和热液态水体积急速膨胀,导致细胞“爆炸”,细胞壁被爆裂成多孔、低分子质量的物质,进而从细胞内释放出来,最终实现对物料结构的改变和部分组分的重新分布。在SE处理过程中,类酸性水解、热降解、机械断裂和氢键破坏等作用可破坏木质素-纤维素-半纤维素之间的化学键(糖苷键、氢键),从而增加SDF的含量[44]。ZHAI等[45]的研究认为,SE处理可提高刺梨果渣DF的WHC、SC和OHC。其主要原因是SE处理可增加DF比表面积、孔隙率,暴露出更多的水分子结合位点。但SE处理还会引起蛋白质解聚,导致WHC、SC、OHC下降。LI等[44]的研究也发现了相似的结论,即豆渣DF的WHC、SC、OHC均随SE强度的增加而降低。
图4 蒸汽爆破对膳食纤维结构变化及组分分离示意图[46]
Fig.4 Schematic diagram of the effects of steam explosion on dietary fiber′s structure and component separation[46]
SE处理具有短期高效、适用性强、安全环保、可产业化放大等优势,但也存在诸多不足,如SE处理过程中会发生复杂的物化变化,难以精确控制SE处理的强度,而且易引起其他有效成分的降解和美拉德反应的发生,使其处理不能连续进行。就此,应明确物料在SE处理过程中DF的变化过程和机制,探究SE处理对食品安全和营养价值的影响,阐明DF在SE处理过程中的物化变化及其功能活性之间的构效关系,以期为不同种类DF在SE处理过程中参数的选择提供理论依据。
3.4 超微粉碎
超微粉碎是一种新兴高效的超细粉体制备技术,其能赋予物料良好的表面效应、微尺寸效应、溶解性、流动性、吸附性等物化性能,因此在DF改性研究领域中得到广泛关注。超微粉碎主要通过空气分离、重压研磨、剪切等机械应力降低DF的粒径;同时,借助流体的冲击或动力作用,克服物料内部的结合力,进一步将DF颗粒细化,使其成为均匀的粉末。随着DF粒径的减小,其分子间的氢键、木质素与纤维素分子之间的化学作用会被破坏,导致DF的比表面积和孔隙率增加,这种变化将影响DF的物化和功能特性。
XIAO等[47]通过对柚子皮进行球磨处理,发现球磨处理可提高柚子皮IDF的WHC、SC和OHC;YAN等[48]研究发现,苹果渣经超微粉碎处理后,其WHC从7.50 g/g增加到8.13 g/g,OHC从2.07 g/g增加到3.81 g/g。然而,报道中也有一些与此相反的结论。超微粉碎还会降低某些食品的水化性能,如香菇[49]、柑橘皮[50]等。ZHAO等[51]的研究发现,普通山楂粉比超微粉碎的山楂粉具有更高的WHC和OHC。除了原料本身的特性外,加工条件和加工参数等因素也可能改变DF的结构,从而显著影响其水化性能。
相较于其他物理加工方法,超微粉碎处理不仅使DF颗粒变得更加细微均匀,而且保留了DF原有的营养成分,同时还避免了局部过热现象。这种独特的优势使其在食品加工领域发挥着重要的作用,吸引了众多研究者的关注。然而,国内的超微粉碎技术及其在食品加工中的应用仍处于初步阶段,且高昂的设备价格和加工成本限制其在食品领域中的广泛应用。为此,突破目前超微粉碎设备中所存在的问题,对推动超微粉碎技术的进一步发展具有重大意义,同时能为以后DF资源的综合开发和应用提供更加宽广的发展平台。
3.5 高静水压技术
高静水压技术(high hydrostatic pressure,HHP)又称超高压技术。其基本原理是将物料放入密闭的压力容器内,再将其浸入具有传递压力(100～1 000 MPa)的介质(水/油)中,并在常温或低温下对物料进行加压,使压力迅速、均匀地传递至整个物料中的分子,破坏DF中的非共价键(氢键、疏水相互作用、离子键),从而改变物料DF的物化和功能特性。
DE LA PE
A-ARMADAET等[52]研究发现,经HHP处理后,苹果副产品的WHC、OHC和SC分别比对照组提高了1.73、1.18和3.12倍。CHEN等[53]的研究结果表明,HHP处理可提高甘蓝粉的TDF含量,增强其对亚硝酸根离子的吸附能力。YU等[54]的研究认为,HHP处理可显著提高胡萝卜IDF的WHC、OHC、SC、阳离子交换能力以及葡萄糖吸附能力。HHP技术是一个纯物理过程,具有可重复性好、能耗低、瞬间压缩、作用均匀、不受物料成分、状态或大小差异的限制等诸多优点,因此,该技术被广泛应用于DF的改性。但HHP技术基本理论体系薄弱,相关标准规范尚未完善,且HHP处理后物料组分的变化及各组分相互作用的关系阐释不够清晰。为此,未来应不断发展与完善HPP技术理论,规范生产工艺标准,并对其相关基础研究工作进一步研究和摸索,同时优化HHP技术设备结构装置,提高生产效率,降低设备生产成本,不断挖掘HHP技术的各种优势,为DF的开发和利用找到新的途径和发展的空间,从而带来更大的经济利益和社会效益。
3.6 超声处理
超声处理是一种高效的处理技术,其主要原理如图5所示[55]:通过超声波探针的周期性机械振动,将声波传递至物料,引起声空化、热效应及机械剪切等物理效应。这些效应可改变物料表面的亲水性,从而影响其物化和功能特性。WEI等[34]的研究认为,超声处理可有效地改善小米麸皮DF的WHC、SC、OHC、脂肪结合能力以及阳离子交换能力。HASSAN等[56]采用超声处理对奇亚籽的IDF进行加工,发现其OHC、WHC和葡萄糖吸附能力均有所提高。
图5 超声波对多糖形态结构的影响示意图
Fig.5 Schematic diagram of the effect of ultrasound on the morphological structure of polysaccharides
与其他物理改性方式相比,超声处理只需将原料置于超声波发生器内即可。然而,现有的研究主要集中于超声处理对DF的辅助提取和改性上,对超声处理后的DF对人体健康的影响尚存在很多空白,需要进一步探索。当物料DF进行高功率超声波处理时,因温度的升高而产生热,可能会对其造成不利的物化影响。因此,为了更好地将超声处理技术推广到工业层面,需对其工艺参数进行优化,并开展相关的基础理论研究,以进一步分析超声处理技术对DF批量处理的影响。同时,必须考虑超声处理后DF可能会对人体健康产生不利影响的问题,并致力于研发更加环保、高效、安全的超声处理技术,以实现超声提取和改性DF的工业化、标准化、定制化生产,这对于高效开发和利用DF资源具有重要的现实意义。此外,超声处理技术与其他技术相结合,可有效地提高物料的综合质量,在未来的研究中应该更加关注这一领域的探索。
3.7 动态高压微流化
动态高压微流化(dynamic high-pressure microfluidization,DHPM)是一种新兴的均质化技术。其基本原理如图6所示:纤维物料进入均化阀后,会被强制地从阀门和阀座之间的微流通道通过,此时物料会受到高频振动、高速碰撞、超高压剪切、瞬时压降、空化和流体动力的合力,导致纤维素纤维束分散,更多的亲水性基团暴露,从而影响其物化和功能特性。
图6 高压微流化对纤维素纤维束的影响示意图[60]
Fig.6 Schematic diagram of the effect of high-pressure microfluidization on cellulose fiber bundles [60]
CHEN等[57]研究了微流化对桃和燕麦IDF的影响。研究结果表明,DHPM技术可有效地将IDF的粒径降至亚微米级,并重新分布纤维成分,促使IDF向SDF转化。这些变化在一定程度上改善了桃和燕麦IDF的物化性能(WHC、SC和OHC)。GENG等[58]采用DHPM技术处理鲜食玉米苞叶IDF,结果发现,在80～180 MPa压力范围内,DHPM技术可降低鲜食玉米苞叶DF的粒径,并增加其WHC、SC和OHC。WANG等[59]的研究表明,DHPM技术可增强米糠IDF对胆酸钠、胆固醇和Pb(Ⅱ)的吸附能力,并改善其WHC、OHC。尽管DHPM处理时间较短(<5 s)且可持续运行,但其在食品加工领域的实际应用远不如高压均质广泛。这是因为影响DHPM改性效果的因素较多,包括处理压力、处理时间、机械形式(即振荡反应室中微通道的尺寸和几何设计)、物料的性质(如黏度、分子大小和浓度)等。其中,DHPM技术的振荡反应室中微通道的尺寸相当小(约几十至几百微米),需要辅助粉碎设备(如均质器和胶体磨等)对DF前阶段进行处理,以避免堵塞微流化器气孔。此外,DHPM技术设备处理能力(约几升/分钟)有限,难以满足实际应用需求。因此,在未来的DHPM设备研发中,应充分考虑其在不同应用场景的需求,优化DHPM技术设备的功能,并深究DHPM技术对物料的作用机制,以推动DHPM技术逐步成熟,为DF的开发提供强有力的技术支撑。
3.8 空化微射流技术
空化微射流技术(cavitation jet,CJ)是一种快速、生态友好的高效破碎手段。其主要原理如图7所示,利用空化设备在水射流中诱发空泡,空泡接触到物料表面时会发生爆裂并产生局部的高温高压和强烈的冲击力(湍流、冲击波、微射流、高剪切力),进而增强射流的冲蚀效果[61]。此过程导致物料的结构发生改变,从而影响其物化和功能特性。CHAU等[62]研究认为,CJ技术能改善胡萝卜DF的WHC、OHC和SC,其主要是因为CJ技术可降低胡萝卜DF的粒径,增加其无定型结构和可溶性成分的比例。WU等[63]研究认为,利用CJ技术可改变豆渣DF分子间的氢键和晶体结构,从而改善其WHC、OHC和SC。
图7 空化微射流设备原理示意图
Fig.7 Schematic diagram of the principle of cavitation microjet equipment
CJ技术因其操作简单,无外源化学物质,营养成分损失小等优势被广泛应用于各个领域,但在食品加工中的相关研究还不多见。因此,有必要进一步探究空化射流中空泡产生、发展和爆裂的机理,深入研究影响空化效应的因素,以提高对CJ技术的认识,并通过优化CJ相关技术,从物料中提取出潜在的健康增益成分,拓展其在食品领域的应用。
3.9 辐照
辐照是一种非热加工技术。其基本原理为利用电子射线(主要包括X射线、γ射线、电子束)在高压电场中辐照物料,通过控制辐照条件来改变物料的化学键,使其结构发生不可逆改变,以实现物料的改性或降解。已有研究表明,高剂量的辐照能促进半纤维素、纤维素和木质素的解聚,进而增加水溶性多糖的含量。CHENG等[64]以豌豆为原料,探究了γ辐照剂量(0、0.5、1、2、3、5 kGy)对豌豆DF的结构和功能特性的影响。研究结果表明,适宜的辐照剂量(2 kGy)可提高豌豆DF的OHC、SC和WHC,同时改善其吸附硝酸钠、胆固醇、葡萄糖的能力。FENG等[65]研究发现,经6 kGy电子束辐照后,豆渣DF的WHC、SC和OHC分别提高了74.13%、84.76%和41.62%。此外,豆渣DF对于胆固醇、胆酸钠、葡萄糖和亚硝酸根离子的吸附性能也得到改善。LI等[66]研究了γ-辐照(3～6 kGy)处理对脐橙皮SDF的影响。研究结果表明,γ-射线可改变柑橘SDF的内部结构,导致更多的—OH和—COOH暴露在外面,从而提高了柑橘SDF的WHC、SC、OHC和阳离子交换能力,并增强了其对亚硝酸盐的吸附能力。
辐照加工技术具有多种优势,如无污染、易于控制、可连续操作、处理量大、并能够最大限度地保留食品原有的风味。然而,食品经辐照处理后,其维生素含量可能会减少甚至消除。为此,需要进一步完善辐照对物料的作用机理,深入研讨影响辐照效果的因素,并突显辐照技术的优势。同时,有关部门还应逐步建立健全统一的辐照食品质量评估标准,加强对辐照食品的宣传,提高消费者对辐照食品的接受度,以推动辐照食品产业的发展。
3.10 其他物理加工技术
除了上述的物理加工方式,还有一些非热加工技术,如脉冲电场技术、高压均质、等离子体技术等,也被应用于DF加工。例如,曾新安等[67]的研究认为,脉冲电场技术能够改变金桔中纤维素和半纤维素的空间结构,使纤维素的结构更加松散,半纤维素结构崩塌,进而增强其WHC、SC。ZHU等[68]研究发现,采用高压均质技术可将洋蓟DF中的IDF转化为SDF,改变其微观结构,提高其阳离子交换能力和OHC,同时降低其WHC。与以往的食品加工技术相比,非热加工技术具有安全、温和、操作简便和成本较低等优点。然而,目前关于这些非热加工技术在DF加工中的研究较少。今后应深入探究这些非热加工技术对DF改性的机理,并不断优化DF改性技术,以最大程度地保留物料DF原有的营养成分和口感。
此外,为实现大规模、连续、自动、精确控制的改性,还需考虑改性成本、生产可行性以及操作的便捷性。同时,相关部门需规范改性方法,并推荐适合特定物料的改性方法作为标准处理方法,以最大限度地提高物料DF的利用率,进而对DF产业化利用的发展提供直接的指导作用。
4 展望
简洁高效的物理加工技术用于DF的物性调整,在提高资源利用率的同时,不仅可创造更多的经济价值,同时也有助于开拓DF在功能性食品中的应用场景,满足消费者对功能性食品的多样化需求。因此,开展不同加工技术对DF的作用机制及其应用的研究是非常有必要的。但目前的研究多集中于探究单一物理加工技术对DF的影响,有关2种或多种加工技术在DF加工中联合应用的研究报道鲜少。此外,针对DF经过不同加工技术处理后其结构变化情况的研究非常有限,相关的机制研究也不够深入和全面,未来应加强多种技术联用在DF加工中的应用研究,分析不同加工条件对DF的影响,明确其构效关系,为今后更好地开发具有高营养品质的DF产品提供参考。
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