膳食纤维是一类重要的植物成分,广泛存在于各种植物性食物中,主要由不可被人体消化酶分解的碳水化合物组成。膳食纤维根据其水溶性可分为可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber,SDF)和不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber,IDF)。SDF(如菊粉、果胶和β-葡聚糖)具有较高的水溶性,能够抗氧化[1-2]、抗炎[2]、降低血糖[3-4]和胆固醇水平[5-6];而IDF(如纤维素、半纤维素和木质素)由于其致密的结构,难以被酶或化学试剂降解,使得粪便体积增加[7],促进肠道蠕动,有助于肠道健康[8-10]。近年来,随着人们对健康饮食的重视,膳食纤维在功能性食品和营养补充剂中的应用越来越广泛。膳食纤维主要来源是天然存在于植物中的基本成分,常见于蔬菜、水果、全谷物、坚果等各类植物源性、动物源性以及微生物源性。然而,天然膳食纤维的功能特性往往受到其结构和理化性质的限制,难以满足现代食品加工和营养需求。例如,谷物纤维口感粗糙,加工耐受性差,生物利用率低;豆类纤维中的胀气因子需酶解去除;果蔬纤维热稳定性差;虾蟹壳、昆虫外骨骼唯一动物源性纤维,但溶解性差;微生物源膳食纤维生产成本高等。部分天然膳食纤维可能由于表面粗糙或含有杂质而存在安全性和生物相容性的潜在风险。因此,膳食纤维的改性技术应运而生。通过物理、化学、生物或联合改性方法,可以显著改善膳食纤维的结构和功能特性,从而拓展其在食品、医药和保健品等领域的应用潜力。当前研究表明,改性后的膳食纤维能够更好地溶解于水,可广泛应用于饮料[11]、酸奶[12-14]等液体食品中;增强持水、持油能力,使其在烘焙食品[15-16]、肉制品[17]中发挥更好的作用,提升产品品质和口感。同时,改性还能进一步强化膳食纤维的营养功能,如提高其抗氧化性、降血糖活性等,满足消费者对健康食品的更高要求。尽管目前对膳食纤维改性技术的研究已取得一定的成果,但仍存在一些不足。一方面,不同原料对改性方法的适配性差异较大,缺乏系统的研究来确定最佳的原料改性方法,导致改性效果不稳定,影响规模化生产;另一方面,现有的改性技术在成本控制和安全评估方面存在欠缺,高昂的生产成本限制了改性膳食纤维的广泛应用,而对改性产物安全性的深入研究还不够全面,给其在食品、医药等领域的大规模应用带来了一定的风险。本文旨在系统综述膳食纤维的改性方法,分析不同改性方法的作用机制、优缺点及对膳食纤维结构和功能特性的影响,探讨其改性机理、功能活性变化,并指出当前研究中存在的问题,同时展望未来膳食纤维改性技术的发展趋势,为膳食纤维改性技术的进一步研究和应用提供理论依据和实践指导。
1 膳食纤维的改性方法
1.1 膳食纤维的物理改性方法
膳食纤维的物理改性方法是指通过物理手段(如高温、高压、高剪切力等)改变膳食纤维的结构和功能特性,从而提高其溶解性、水合能力、持油力等功能特性。魏春红等[18]对小米SDF分别进行高温高压、蒸煮、超声3种物理改性,结果显示,3种改性后SDF结构变得疏松多孔,热稳定性和水合能力均有所提高,其中超声处理后SDF的改善效果最为明显。凭借着操作简易、成本可控以及化学残留量低等显著优势,物理改性方法在食品工业中得以大规模推广应用。根据处理方式的不同,物理改性方法可以分为热处理和非热处理两大类。表1展示了物理方法改性对膳食纤维结构及功能特性的影响。
表1 物理改性对膳食纤维结构及功能特性的影响
Table 1 The effects of physical modification on the structure and functional properties of dietary fiber
改性方法原料改性条件分子结构变化理化性质变化功能特性变化蒸汽爆破苦荞麸皮[19]0.9 MPa、60 s;1.2 MPa、90 s(最优);1.5 MPa、120 sSDF含量↑、单糖组成变化、羟基暴露↑、表面孔隙↑热稳定性↑、持水力↑、持油力↑、膨胀力↑α-淀粉酶活性抑制能力↑、降血糖活性↑干椰子[20]1.2 MPa、120 sSDF含量↑、糖苷键被中断并降解、比表面积↑、粒径↓、表面结构更蓬松、热稳定性↑持水力↑、持油力↑葡萄糖吸附能力↑、α-淀粉酶活性抑制能力↑、胆固醇吸附能力↑、pH 7.0,亚硝酸盐吸附↓,pH 2.0,亚硝酸盐吸附↑超高压柚子[21]400 MPa300～400 MPa,SDF↑、IDF↓、半乳糖醛酸含量↑、结构更加松散、粒径↓、热稳定性↑、晶体构象不变200～500 MPa下,持水力↑、持油力↑;压力过高,持水力↓、持油力↓胆盐结合能力↑、胰脂肪酶抑制能力↑柑橘[22]100、200、300、400、500、600 MPa100、200 MPa处理,纤维粒径↓、组成结构不变、Zeta电位均为-10～0 mV、粒径随压力增大而增大界面张力随着压力的增加而降低、连续相中的界面吸附和网络形成↑,Pickering乳液的乳化性能↑、稳定性↑—超声波处理燕麦[23]温度50 ℃,超声功率240、300、360 W的条件下处理30 min相对结晶度↑、热焓值↑、粒径↓、表面结构疏松、晶体结构未发生明显变化360 W时,持水力、膨胀力、持油力达到最大—咖啡果皮[24]100、200、300、400、500 W处理30 min300 W下,颗粒尺寸最小,尺寸分布均匀。200～300 W提高热稳定性,400～500 W破坏了结晶区域,降低了结晶度和热稳定性持水力↑、膨胀力↑α-淀粉酶抑制能力↓、随功率增加,葡萄糖吸附能力先上升后下降、亚硝酸盐吸附能力↑、ABTS阳离子自由基清除能力↑微波处理黑豆渣[25]500 W和80 ℃处理40 min结构松散多孔、粒径↓、热稳定性↑、黏度内有显著变化持水力↑、持油力↑、膨胀力↑阳离子交换能力↑,ABTS阳离子自由基、DPPH自由基、超氧阴离子自由基清除能力↑,葡萄糖吸附能力↑,胆固醇吸附能力↑,胆酸钠吸附能力↑等离子体处理糙米[26]1 kHz等离子体频率、70%的占空比和28 kV的电压,处理5、10、15、20 min表面结构逐渐被蚀刻破坏、纤维断裂、直径↓、溶解度↑、晶体结构未发生明显变化、聚合度↓——
注:↑:结构或功能特性提升;↓:结构或功能特性降低;—:原文中未进行详细说明(下同)。
1.1.1 热处理
热处理是通过高温或高压破坏膳食纤维的化学结构,尤其是IDF中的氢键,从而增加SDF的含量。常见的热处理方法包括挤压蒸煮和蒸汽爆破。
1.1.1.1 挤压蒸煮
挤压蒸煮是将材料放在密封桶中,在高温高压下短时间进行机械剪切,碳水化合物中部分共价键和非共价键破坏,产生更小、更易溶解的片段,并导致多种化学反应、流变性质变化和SDF含量显著增加[27]。王红等[28]运用单螺杆挤压改性技术对金针菇膳食纤维进行制备,实验数据表明,经该工艺处理后SDF质量分数由(5.366±0.10)%增加到(10.210±0.130)%;处理前后膳食纤维的结构特性随着粒度的增加呈现先升后降的趋势,胆固醇吸附能力也呈现出相同的趋势。改性前后主要官能团结构没有明显的变化。吴娜娜等[29]采用挤压蒸煮技术对脱脂米糠进行处理,并深入探究该方法对米糠膳食纤维的影响。研究结果表明,经过改性处理后,SDF含量增加了近10%,且米糠膳食纤维的结构特性也发生了显著的变化。
1.1.1.2 蒸汽爆破(steam explosion,SE)
SE也称为自水解,是利用高温高压蒸汽使得材料在SE装置中充分湿润地膨胀,然后瞬间释放压力使其细胞破裂,大分子发生机械断裂和重排,导致其性质发生变化[20]。何晓琴等[19]对苦荞麸皮进行蒸汽爆破处理,结果表明,在1.2 MPa压力下、90 s处理时长的爆破条件下,苦荞麸皮SDF含量由8.02 g/100 g增加到12.36 g/100 g,提高了54.11%,此外,蒸汽爆破处理显著优化了膳食纤维的理化特性,与未处理膳食纤维相比其持水力提高了74.34%、持油力提高了36.98%、膨胀力提高了36.23%、α-淀粉酶活性抑制能力提高了29.52%;同时葡萄糖吸附能力、热稳定性等有一定程度的提升。YAN等[20]通过蒸汽爆破和挤压处理方式对干椰子膳食纤维进行改性处理,与未改性干椰子膳食纤维相比SDF含量分别提高了115%和229%,且改性后膳食纤维的热稳定性得到增强,持水力、溶胀能力和持油能力也有所提高;葡萄糖吸附能力、α-淀粉酶抑制力、胆固醇吸附能力、亚硝酸盐离子吸附能力和阳离子交换能力也显著增强。
1.1.2 非热处理
非热处理是通过机械力或其他物理手段改变膳食纤维的结构,常见的非热处理方法包括超高压(ultra-high pressure,UHP)、高压均质(high-pressure homogenization,HPH)、超细粉碎(ultrafine comminution,UC)、超声波处理、微波处理和等离子体处理。
1.1.2.1 UHP
UHP处理是一种正常的非热加工技术,可以修饰膳食纤维的结构并改善其功能。OUYANG等[21]利用UHP处理柚子膳食纤维,结果显示,UHP处理后柚子膳食纤维中SDF和总膳食纤维(total dietary fiber,TDF)含量显著增加,分别比对照组高约9.43%和3.17%,IDF的含量降低。同时UHP处理改变了柚子皮膳食纤维中单糖组成,增加了半乳糖醛酸和葡萄糖含量。在400 MPa UHP处理时,与对照组相比持油力提高了约60%,对羟基胆酸盐钠和牛磺胆酸钠的结合分别提高了9.39%和5.90%。YANG等[22]通过超高压改性不溶性柑橘膳食纤维,显著改善其乳化性能。通过施加100～600 MPa的不同压力处理,发现100 MPa和200 MPa的处理条件能适度降低纤维的粒径并提高其Zeta电位绝对值,从而增强颗粒间的静电斥力,减少聚集,优化乳化效果。
1.1.2.2 HPH
HPH也称为动态高压微射流,材料进入均质阀会受到强大的力,目前使用HPH来控制聚合物的分子质量。HPH处理可以实现颗粒的均匀分布,减小颗粒尺寸,增加颗粒表面积,也可能导致大分子的共价键断裂[30]。HUANG等[31]通过HPH处理红海藻中的SDF,结果显示,改性后SDF的含量从22.67%增加到42.56%,粒径减小,持水力、膨胀力和阳离子交换能力等功能特性也有显著改善,其中与未处理膳食纤维相比,改性后膳食纤维持水力增加了27.71%。此外,还显著增强了膳食纤维的体外抗糖化活性。
1.1.2.3 UC
UC通过机械和流体动力来克服固体内部的内聚力,从而将超过3 mm的材料粉碎到10～25 μm。LI等[32]采用UC处理豌豆不溶性膳食纤维(pea insoluble dietary fiber,PIDF),结果显示超细研磨显著提高了PIDF的比表面积、体积,降低了纤维素结晶度,从而显著提高了PIDF的葡萄糖吸附能力。BENDER等[33]研究了葡萄渣 (grape pomace,GP)和GP纤维浓缩物微粉化(fiber concentrate from grape pomace,FC-GP)对膳食纤维组分、理化性质、酚类化合物和抗氧化能力的影响。结果显示微粉化后,GP和FC-GP的平均粒径分别减小为9.06、11.01 μm,属于超微米尺度。此外,微粉化后,GP和FC-GP均表现为较高的总酚含量,使得GP和FC-GP的ABTS阳离子自由基清除活性提高,进而提高GP和FC-GP的抗氧化能力。
1.1.2.4 超声波处理
超声波通过空化效应破坏纤维的结晶结构,破裂和液泡会影响碳水化合物聚合物的形貌和结构,使组织松散并改变表面亲水性,从而导致其生物活性成分更好地溶解。牛希等[23]对燕麦膳食纤维进行超声处理,结果显示,在240 W和360 W的超声功率下,膳食纤维的持水力分别提高8.0%、20.16%;膨胀力分别提高了52.58%、155.57%;持油力分别提高了6.8%、21.96%。同时,X射线衍射分析结果显示超声改性处理后其晶体结构并未发生显著变化,而随着超声功率的增强,其相对结晶度提高。YU等[24]利用超声波处理显著影响了咖啡果皮可溶性膳食纤维(coffee peel soluble dietary fiber,CSDF)的多种特性。超声处理使得CSDF的粒径从(131.49±7.67) μm降低到(75.84±1.20) μm,超声波处理并未改变CSDF的单糖种类,但显著影响了某些单糖的含量,如鼠李糖含量从8.25%降至7.61%,处理后的CSDF呈片状结构,表面疏松多孔,且随着超声波功率的增加,样品结构逐渐变小且分布趋于均匀。CSDF对α-淀粉酶的抑制活性在300 W时最低、葡萄糖吸附容量在200 W时达到最高值[(44.90±1.98) mg/g],超声功率为300 W时,ABTS阳离子自由基清除能力最高[(0.63±0.01) μmol Trolox/mL]。
1.1.2.5 微波处理
微波能够促使溶剂中的分子形成偶极子,并通过高速旋转产生热能,进而显著提升化合物的溶解度。此外,微波具有独特的穿透特性,其能量可直接渗透至样品内部,实现由内而外的快速、均匀加热。这种加热方式不仅大幅缩短处理时间,还能有效降低能耗,展现出良好的节能优势。LEI等[25]通过微波处理显著改变了黑豆渣IDF的微观结构,微波处理通过局部结构重组显著改善了黑豆渣IDF的持水能力、溶胀能力和总抗氧化活性,但其在持油能力和特定抗氧化指标的提升上有限。
1.1.2.6 等离子体处理(plasma treatment,PT)
PT是一种非热处理技术,是一种利用等离子体(物质的第四态)对材料表面进行改性的技术。YANG等[26]利用等离子体技术对糙米进行处理,结果显示,与未处理的纤维素相比,随着等离子体处理时间的延长,处理后纤维素表面结构逐渐被蚀刻破坏,纤维断裂,直径显著减小。傅立叶变换红外光谱和X射线衍射结果显示等离子体处理并没有导致纤维素表面的官能团类型和晶体结构发生变化。然而随着处理时间的延长,纤维素的溶解度不断提高,20 min处理后纤维素的溶解度较未处理的提高了约50%。
1.2 膳食纤维的化学改性方法
膳食纤维的化学改性方法是通过化学反应改变膳食纤维的结构和功能特性,从而提高其溶解性、水合能力、持油力等功能特性。化学改性方法能够在较短时间内完成改性,且改性效果显著,因此在食品工业中得到了广泛应用。根据反应类型的不同,化学改性方法主要包括醚化改性(羧甲基化改性、羟丙基化改性)、乙酰化处理、酸处理、碱处理和交联处理等。表2展示了化学方法改性对膳食纤维结构及功能特性的影响。
表2 化学改性对膳食纤维结构及功能特性的影响
Table 2 The effects of chemical modification on the structure and functional properties of dietary fiber
改性方法原料改性条件分子结构变化理化性质变化功能特性变化羧甲基化高粱[34]2-丙醇和氯乙酸制备羧甲基化高粱膳食纤维SDF含量↑、粒径↑、游离羟基暴露、羧基官能团↑、结构松散、结晶度↑持水力↑、溶胀力↑、持油力↑—大豆[35]水、75%(体积分数)乙醇、75%(体积分数)异丙醇、75%(体积分数)甲醇作为反应介质,碱性环境加入NaOH和氯乙酸,室温反应30 min后50 ℃醚化反应2.0 h—在最优工艺条件下,纤维的持水力↑、膨胀力↑、持油力↑阳离子交换能力↑羟丙基化高粱[34]pH=11条件下加环氧丙烷,40 ℃反应24 h堆积密度↑、粒径↑、羟丙基官能团↑、结构松散裂纹多、晶体结构没有变化、热稳定性↑持水力↑、膨胀力↑—乙酰化小米糠[36]在二甲基亚砜介质中70 ℃反应3 h,随后加Na2CO3和乙酸异丙烯酯40 ℃反应72 h后过滤乙酰基官能团↑、SDF含量↑、结构多孔、游离羟基被取代、持水力↑、溶胀性↑、持油力↑胆固醇吸附能力↑、胆盐结合能力↑、亚硝酸盐吸附能力↑、铜离子结合容量↑、葡萄糖结合能力↑、抑制葡萄糖扩散能力↑酸处理椰子渣[37]NaOH环境中60 ℃反应2 h,残留物在HCl溶液中60 ℃反应30 min后进行中和纤维颜色↑,SDF含量、粒径↓,比表面积↑,结构呈蜂窝状,结晶度↑持水力↓、膨胀力↑、持油力↑葡萄糖透析延迟指数↓、α-淀粉酶抑制能力↑、阳离子交换容量↑大豆[38]三步酶解后与HCl溶液以1∶50固液比(g∶mL)混合,59 ℃振荡1 h化学组分和结构发生变化,蜂窝状结构、粒径↓,比表面积↑持水力↑、持油力↑、溶胀力↑NO-2去除率↑和吸附能力↑、全血高铁血红蛋白含量↓、肝脏损伤程度↓、肾损伤程度↓山药皮[39]样品处于pH=11.5,1%(体积分数)的过氧化氢溶液中,40 ℃加热2 h,HCl溶液中和后醇沉SDF含量↑、结晶度↓、粒径↓、呈蜂窝状结构,表面光滑、寡糖/小分子糖含量↑、表观黏度↑持水力↑、持油力↑、溶胀力↑亚硝酸盐吸附能力↑交联处理高粱[34]三偏磷酸钠/三聚偏磷酸钠(99∶1%)为交联剂磷酸基含量↑、颜色发生变化、粒径↑、表面扭曲,不规则、晶体结构没有发生变化、结晶度↑持水力↑、持油力↑—
1.2.1 醚化改性
醚化改性是通过在膳食纤维分子中引入醚键,改变其亲水性和溶解性。常见的醚化改性方法包括羧甲基化(carboxymethylation,CM)和羟丙基化(hydroxy-propylation,HP)。
1.2.1.1 CM
羧甲基化通过在纤维分子中引入羧甲基(—CH2COOH),来改善DF的某些特性或赋予膳食纤维某些特性。KANWAR等[34]利用羧甲基化处理高粱膳食纤维(sorghum dietary fiber,SODF)。研究结果表明,羧甲基化处理后的SDF含量达到了10.85%,相比于未改性样品(0.53%)增加了约5倍。此外,持水力从3.91 g/g提高到5.88 g/g。王伊沂等[35]对大豆IDF实施羧甲基改性处理,实验结果表明,在最优改性条件下,相较于未改性的IDF,改性后的IDF在多项性能指标上均有显著提升:持水力增长101.71%,持油力提高14.61%,膨胀力增幅达147.00%,阳离子交换容量亦提升19.35%。ZHANG等[40]羧甲基化处理枸杞渣膳食纤维,研究结果显示,经过羧甲基化处理的低、中、高取代度不溶性膳食纤维(L-IDF、M-IDF和H-IDF)持水力分别为2.84、2.79、3.92 g/g,明显高于未改性样品的2.0 g/g。此外,L-IDF、M-IDF和H-IDF的葡萄糖吸附能力分别为162.10、168.25、189.93 mg/g,而未改性样品的葡萄糖吸附能力为150.20 mg/g。
1.2.1.2 HP
羟丙基化通过在纤维分子中引入羟丙基(—CH2CHOHCH3),纤维的游离羟基可以被更亲水性的羟丙基取代。KANWAR等[34]羟丙基化处理SODF,结果显示,羟丙基化处理后持水力从3.91 g/g提高到5.32 g/g,膨胀力从3.59 mL/g提高到4.12 mL/g。ZHENG等[41]通过羟丙基改性后的椰子膳食纤维的SDF含量达到18.00～21.67 g/100 g,持水力增加47.35%、膨胀力增加57.75%、持油力增加43.33%、α-淀粉酶活性抑制力增加10.47%、葡萄糖透析延迟指数增加80.3%和乳化稳定性指数增加19.82%。
1.2.2 乙酰化处理
乙酰化过程中插入的乙酰基可以改变多糖分子的方向和多糖链的构象,使多糖的更多极性基团暴露出来,从而提高多糖的水溶性。ZHENG等[36]通过乙酰化处理显著提升了小米麸皮膳食纤维(millet bran dietary fibre,MBDF)的吸附能力和降血糖特性。具体而言,乙酰化后的MBDF对胆汁酸的吸附能力达到77.31 mg/g,对胆固醇的吸附能力达到13.97 mg/g。此外,乙酰化处理还提高了MBDF的葡萄糖结合能力和葡萄糖扩散阻滞指数。YANG等[42]通过乙酰化处理显著提升了柚子皮不溶性膳食纤维(pomelo peel insoluble dietary fiber,PIDF)的乳化特性。经过乙酰化处理的PIDF(PIDF-A)在12 g/L的颗粒浓度下,能够稳定乳液30 d而不发生分层,表现出优异的乳液稳定性。此外,PIDF-A展现出最高的持水力(21.84 g/g)、膨胀力(15.40 mL/g)、持油力(4.67 g/g)和绝对ζ电位值(29.0 mV),这些特性使其在乳液体系中具有更好的稳定性和应用潜力。
1.2.3 酸处理
酸处理是通过酸性条件降解膳食纤维,影响膳食纤维的结构及功能特性。ZHENG等[37]通过酸处理对椰子饼膳食纤维(defatted coconut cake dietary fiber,DCCDF),酸处理后的DCCDF可溶性膳食纤维含量显著降低至(2.16±0.51) g/100 g,表明酸处理导致SDF含量减少。此外,酸处理后DCCDF的持水力和膨胀力均低于未处理膳食纤维,但其表现出较高持油力[(11.81±0.37)g/g]。酸处理还改善了DCCDF的颜色和阳离子交换容量[(1.46±0.31) mmol/g]。ZHANG等[38]通过盐酸改性大豆膳食纤维,实验结果显示,盐酸改性后的大豆膳食纤维(hydrochloric acid-modified high-purity soybean insoluble dietary fiber,HCl-HPSIDF)的持水力从6.84 g/g增加到9.24 g/g,持油力从4.23 g/g提高到5.59 g/g,膨胀力从10.27 g/g提升到12.57 g/g。此外,HCl-HPSIDF的平均粒径减少了32.64%,比表面积增加了41.23%。这些结构和物理化学性质的改善使得HCl-HPSIDF的亚硝酸盐吸附能力显著增强,其吸附容量比未改性的膳食纤维提高了42.5%。
1.2.4 碱处理
碱处理通过碱性条件降解纤维的大分子结构。WANG等[39]通过碱性过氧化氢处理山药皮膳食纤维可以降低纤维素,从而改变膳食纤维的组成。改性后SDF得率从8.20%提高到11.24%,膳食纤维的分子质量显著减小,且结构改变后膳食纤维获得了较好的持水力、持油力、溶胀力和吸附力。其中改性后SDF的持水力从1.89 g/g增加到7.00 g/g;持油力达到最大值(7.99 g/g)。此外,改性后SDF的亚硝酸盐清除能力提高4.56%。
1.2.5 交联(cross-linking,CL)处理
CL处理通过交联剂在纤维分子之间形成化学键,增强其机械性能和热稳定性。KANWAR等[34]通过CL处理SODF。结果显示,CL处理后的SODF持水力从3.91 g/g提高到4.64 g/g,持油力从3.22 g/g提高到3.89 g/g,结晶度从14.47%提高到17.5%,表明CL处理增强了膳食纤维的水分和油脂保留能力,从而提升了其在食品加工中的应用潜力。
1.3 膳食纤维的生物改性方法
膳食纤维的生物改性方法是利用特定酶或微生物对膳食纤维进行酶解或发酵,从而改变其结构和功能特性。生物改性方法具有高效、高特异性和条件温和等优点,且对膳食纤维的功能特性影响较小,因此在食品工业中得到了广泛应用。根据改性方式的不同,生物改性方法主要分为酶法改性和微生物发酵改性两大类。表3展示了生物方法改性对膳食纤维结构及功能特性的影响。
表3 生物改性对膳食纤维结构及功能特性的影响
Table 3 The effects of biological modification on the structure and functional properties of dietary fiber
改性方法原料改性条件分子结构变化理化性质变化功能特性变化酶法 马铃薯[43]1.8 g/L纤维素酶/木聚糖酶溶液[纤维素酶(U)∶木聚糖酶 (U)= 1∶1,质量比],51 ℃水解2 hSDF含量↑、结构粗糙,裂纹增多,疏松多孔、晶体结构发生变化、热稳定性↑持水性↑、溶胀力↑、持油力↑葡萄糖吸附能力↑、亚硝酸盐吸附能力↑、体外胆固醇吸附能力↑榅桲[44]热稳定α-淀粉酶,95 ℃反应30 min;调节pH=7,加热蛋白酶,60 ℃反应30 min;随后调节pH=4.5,介入淀粉糖苷酶,60 ℃反应30 minSDF含量↑、热稳定性↑、酚类物质含量↑持水力↑、持油力↑亚硝酸盐吸附能力↑、葡萄糖吸附能力↑、SDF的α-淀粉酶抑制能力↑、胆固醇吸附能力↑、胰脂肪酶抑制能力↑微生物发酵 抹茶[45]绿色木霉发酵,接种量10%,28 ℃发酵36 hSDF含量↑、结构松散,粗糙,呈蜂窝状、结晶度↑持水力↑、乳化性↑、溶胀力↑亚硝酸盐吸附能力↑、阳离子交换能力↑、α-抑制能力↑、亚铁离子清除能力↑、DPPH自由基和ABST阳离子自由基清除能力↑、IC50超氧阴离子值↓竹笋渣[46]白腐菌Inonotus obliquus,26 ℃发酵9 d纤维素和木质素的降解↑、结构多孔、结晶度↓、持水力↑、持油力↑体外胆固醇吸附↑、胆酸钠吸附↑、亚硝酸盐吸附性能力↑豆渣[47]真菌(黑曲霉、米曲霉和毛霉)及乳酸菌联合SDF含量↑、粒径↓、比表面积↑、表面结构呈蜂窝状,且有部分较小碎片膨胀力↑、持水力↑、水溶性↑脂质吸附能力↑、胆固醇吸附能力↑、亚硝酸盐吸附能力↑、总还原力↑
1.3.1 酶法改性
酶法改性是通过特定的酶(如纤维素酶、木聚糖酶等)水解膳食纤维中的糖苷键,从而改变其结构和功能特性。MA等[43]通过纤维素酶和木聚糖酶对马铃薯残渣膳食纤维进行改性处理,研究发现,经此处理后,SDF含量从17.45%显著提升至26.82%。且改性后膳食纤维表现出更高的可溶性单糖含量、热稳定性明显增强,结构更为多孔,这些改变不仅提升了膳食纤维的品质。此外,改性后膳食纤维的葡萄糖吸附能力为137.2 mg/g,比未改性膳食纤维高1.39 mg/g;亚硝酸盐离子吸收能力从49.34 μg/g增加到62.22 μg/g(pH=2),从29.30 μg/g增加到35.96 μg/g(pH=7);pH 7.0时,胆固醇吸附能力是未改性膳食纤维的1.48倍,在pH 2.0时,胆固醇吸附能力为9.64 mg/g,是未改性膳食纤维的1.9倍。可见改性增强了马铃薯残渣膳食纤维的功能特性,提高了马铃薯残渣的价值。BERKTAS等[44]通过酶法对榅桲膳食纤维进行改性。改性后可溶性膳食纤维(enzymatic extraction soluble dietary fiber,EESDF)和不可溶性膳食纤维(enzymatic extraction insoluble dietary fiber,EEIDF)在提取率和纯度方面表现出色。酶法提取的膳食纤维在持水力和持油力方面表现良好,其中EEIDF的持水力为11.93 g/g,持油力为0.67 g/g。在抗氧化活性方面,酶法提取所得的膳食纤维表现出较高的总酚与总黄酮含量。其中,EEIDF的总酚含量达13.78 mg GAE/g,总黄酮含量为8.97 mg CE/g,充分证明其具备较强的抗氧化能力。
1.3.2 微生物发酵
微生物发酵改性是通过微生物(如真菌、细菌等)以膳食纤维为发酵底物,产生多种酶(如纤维素水解酶、葡萄糖苷酶等),将大分子的膳食纤维分解为小分子,增加SDF含量,从而改变其结构和功能特性,并产生有益的代谢产物。HUANG等[45]利用绿色木霉发酵抹茶膳食纤维。结果显示,可溶性膳食纤维含量由6.74%提高到15.24%,与此同时,发酵显著增强了膳食纤维的阳离子交换能力与抗氧化性能。在结构层面,发酵过程打破了不溶性膳食纤维的致密结构,使其转变为蜂窝状构造,结晶度提升22.75%;在功能特性上,阳离子交换能力从1.69 mmol/g跃升至4.22 mmol/g,α-淀粉酶的抑制作用从47.38%提高到 72.04%,亚铁离子清除能力提高了2.13倍,IC50超氧阴离子值分别从7.00 mg/mL降低到1.54 mg/mL。XIA等[48]利用菌株Lactobacillus plantarum对茶渣进行发酵,探究发酵对茶渣膳食纤维结构、理化性质以及体外消化性能的变化,研究显示,发酵后SDF从2.54%增加到15.65%,有更小的粒径、更低的结晶度和更高的热稳定性,持水力、持油力和溶胀力均显著提高,会产生更多的短链脂肪酸,且结构比未发酵的茶渣膳食纤维更松散,更容易被肠道菌群利用。FANG等[46]利用白腐菌Inonotus obliquus发酵竹笋渣,发酵后膳食纤维的结构多孔,结晶度降低,SDF含量由5.1 g/100 g提高到7.1 g/100 g,并且提高了膳食纤维的水合性质,以及体外胆固醇、胆酸钠和亚硝酸盐的吸附能力。李伟伟等[47]利用真菌及乳酸菌联合对豆渣膳食纤维进行发酵,结果显示,真菌发酵后SDF含量为未发酵SDF含量的3.17～3.35倍;真菌+乳酸菌发酵后SDF含量为未发酵SDF的4.28～4.61倍;其中含有黑曲霉发酵的SDF含量为较高。发酵降低了膳食纤维粒径,改进豆渣膳食纤维的水合性质,真菌发酵后膳食纤维的膨胀力以及持水力分别为未发酵膳食纤维的1.54～1.95倍和1.40～1.82倍;真菌联合乳酸菌发酵后的效果更佳。此外,发酵还提高了膳食纤维的脂质及胆固醇吸附能力、亚硝酸盐吸附能力以及抗氧化性。
1.4 膳食纤维的联合改性方法
膳食纤维的联合改性方法是指将2种或多种改性方法(如物理、化学、生物改性)结合起来,充分发挥各自的优势,以提高膳食纤维的功能特性。联合改性方法能够克服单一改性方法的局限性,显著提升膳食纤维的溶解性、水合能力、持油力等功能特性。LI等[49]采用超声酶法对荔枝渣IDF进行改性处理,结果表明,超声酶改性后荔枝渣SDF含量提高了(6.32±0.14)%,SDF表现出优异的自由基清除能力,且显著刺激益生菌的生长。刘鸿铖等[50]运用挤出-酶解复合改性技术对绿豆皮膳食纤维进行处理。结果显示,相较于未改性膳食纤维,经复合改性后的膳食纤维在多项性能指标上实现显著提升:持水力、持油力、膨胀力、阳离子交换能力和吸附葡萄糖能力分别达到未改性膳食纤维的1.46、1.15、1.87、6.98、1.66倍。此外,复合改性处理使膳食纤维的相对结晶度降至最低,同时促使部分IDF转化为SDF。YU等[51]通过酶解-高静水压联合处理来对泡菜IDF进行改性,结果显示,改性处理过程中静水压力的增加助于促进IDF中某些纤维链结构的变化,导致SDF的增加,仅为改变其功能特性。改性导致IDF的孔隙率增加,使得其铅离子的吸附能力增加。
1.5 膳食纤维改性方法比较分析
物理改性具有操作简单、环境友好等优势,然而,与化学和生物改性方法相比,物理改性通过机械力过能量输入破坏膳食纤维的结晶结构,虽然提高SDF的含量,但过度处理会导致纤维分子链断裂,形成小分子碎片,降低其水合能力。其次,物理改性对功能活性的提升效果有限,难以定性修饰官能团导致活性成分释放不足。此外,不同来源膳食纤维的物理改性效果差异显著,增加加工工艺优化的复杂性。未来需通过多技术协同改性及开发环境友好型技术突破现有瓶颈,以实现物理改性在功能食品和生物医药领域的高效应用。
近年来研究表明,与物理和生物改性相比,尽管化学改性能够有效调控膳食纤维的官能团组成及溶解性等,但其仍存在局限性。化学改性剧烈的反应条件容易导致不可逆的结构破坏;同时化学残留可能会引发食品安全隐患,需要额外的纯化步骤且生产成本增加;其次,修饰点位的随机性可能导致功能活性波动,且环境负荷较高。
生物改性虽具有绿色环保、改性条件温和、特异性催化等优势,但在膳食纤维改性中,由于酶解过程对底物结构敏感性强,导致改性效率受限于纤维来源差异性,且酶制剂成本高昂,工业上需精准控制反应条件,同时易受原料中抑制剂的干扰,导致产物得率和纯度波动;此外,微生物发酵周期长,菌种筛选和培养条件苛刻,产物组成不均一,且可能引入代谢副产物影响产物稳定性。综合来看,生物改性方法的技术复杂性、成本控制及产物一致性等问题,仍是制约其大规模工业化应用的关键瓶颈。
联合改性在膳食纤维功能优化方面展现出显著优势,可以满足多样的改性需求,并抵消了部分单一改性能方法的不足,但其改性的工艺复杂。但是,不同改性方法的相互干扰可能削弱改性效果。应衡量改性效果与成本、安全的关系,结合需求选择最适的改性方法。未来研究需开发新的改性系统方法以降低复杂度,并探索绿色溶液与可再生酶制剂的应用,推动联合改性的发展。
2 改性对膳食纤维功能活性的影响
膳食纤维的改性可以显著提升其功能活性。改性后的膳食纤维在降血糖、降血脂、抗氧化、调节肠道菌群等方面表现出更强的生物活性。
2.1 降血糖活性
膳食纤维的降血糖活性主要通过抑制消化酶的活性和延缓葡萄糖的吸收来实现。改性后的膳食纤维通常具有更强的降血糖效果。XIAO等[52]采用超声结合酶法从沙棘渣中提取SDF和IDF。结果表明,SDF的降糖活性显著优于IDF,SDF的葡萄糖吸附能力是IDF的1.08～1.12倍。SDF对 α-淀粉酶和 α-葡萄糖苷酶的抑制作用分别是IDF的1.7、4.71倍。张向辉等[53]通过高温蒸煮-复合酶法制备绿豆皮SDF,结果显示,在最优的改性处理条件下,葡萄糖扩散抑制能力提升了68.92%,葡萄糖吸附力提升了112.68%,α-淀粉酶最大抑制率提升了54.41%。
2.2 降血脂活性
膳食纤维的降血脂活性主要通过吸附胆汁酸和胆固醇,促进其排出体外来实现。改性后的膳食纤维通常具有更强的降血脂效果。LIN等[54]通过发酵与动态高压微流化相结合,从豆渣中提取膳食纤维,并针对喂食高胆固醇饮食的小鼠开展抗高脂血症能力研究。实验结果表明,摄入该膳食纤维的小鼠,其血清总胆固醇、低密度脂蛋白胆固醇、甘油三酯水平及动脉粥样硬化指数均出现显著下降,而高密度脂蛋白胆固醇水平未受明显影响。ZHANG等[55]利用多种酶法提取银耳膳食纤维,研究表明,SDF组小鼠的总胆固醇、甘油三酯和低密度脂蛋白胆固醇分别下降了28.33%、18.65%和48.97%,而高密度脂蛋白胆固醇则增加了43.80%。这些数据表明,SDF通过增强胆固醇和胆盐的结合能力,促进其排出,从而有效降低血脂水平,改善脂质代谢紊乱的状况。
2.3 降低胆固醇水平
改性后的膳食纤维能够通过增加孔隙率和暴露更多的疏水基团,增强对胆固醇的吸附能力。BADER等[56]对大麦膳食纤维进行热改性处理,结果表明,与未处理的膳食纤维相比,经过热处理的大麦膳食纤维可以有效降低Sprague-Dawley大鼠的脂质水平。GUAN等[57]的研究发现通过发酵黑米膳食纤维,显著提高了其SDF含量从(17.27±0.12)%提高到(29.69±0.26)%,并改善了其吸附胆固醇、胆酸和葡萄糖的能力。动物实验表明,发酵黑米膳食纤维能显著降低高胆固醇饮食小鼠的体重、血清总胆固醇水平,并提高高密度脂蛋白胆固醇含量。此外,发酵黑米膳食纤维还通过调节胆固醇代谢相关蛋白和改善肠道菌群结构来发挥降胆固醇作用。表明发酵黑米膳食纤维通过吸附胆固醇、调节代谢和改善肠道菌群等多重机制,展现出显著的降胆固醇潜力。
2.4 抗氧化活性
膳食纤维的抗氧化活性主要通过清除自由基和抑制氧化反应来实现。改性后的膳食纤维通常具有更强的抗氧化效果。周龙珠等[58]利用纤维素酶对油莎豆粕中的SDF进行改性处理,酶解改性后SDF的结构发生较大变化,且SDF的结晶度发生变化由6.79%下降为4.61%,其持水力、持油力、膨胀力分别提高了1.61、1.15、1.01 g/g。抗氧化能力分析结果表明,当SDF质量浓度提升至5 mg/mL时,其自由基清除及还原性能显著增强。具体而言,DPPH自由基清除率从28.45%跃升至42.87%,ABTS阳离子自由基清除率由42.38%提高44.05%,羟自由基清除率更是从21.28%大幅提升至41.46%;与此同时,对铁氰化钾的还原能力亦呈现增强趋势。
2.5 调节肠道菌群
膳食纤维的调节肠道菌群活性主要通过促进有益菌的生长和产生短链脂肪酸来实现。改性后的膳食纤维能够通过增加SDF含量和暴露更多的可发酵底物,促进有益菌(如双歧杆菌、乳酸菌等)的生长。MA等[59]通过纤维素酶和木聚糖酶对马铃薯残渣膳食纤维进行酶改性处理后SDF含量显著提高,促进了乙酸、正丁酸、异丁酸、戊酸和异戊酸的产生,同时抑制了丙酸含量,改善了小鼠肠道菌群的丰富度和多样性。CAO等[60]采用热水、微波、超声和亚临界水法提取 4 种不同的甘薯皮膳食纤维,研究不同方法提取的膳食纤维对肠道健康的影响,结果表明,通过4种不同提取方法获得的膳食纤维可通过增加有益菌的丰度、减少有害菌的丰度,提高产生短链脂肪酸的细菌的相对丰度,促进短链脂肪酸的产生,从而改善人体健康,将肠道pH值从6.89降低到4.63。
2.6 其他功能活性
2.6.1 预防肥胖
徐田辉等[61]采用低温冷冻结合超微粉碎技术对洋蓟膳食纤维进行改性处理,并探究其对肥胖小鼠各项生理指标的影响。研究结果显示,与空白对照组相比,饲喂复合改性洋蓟膳食纤维的小鼠体重显著下降15%。此外,该膳食纤维还能有效改善肥胖小鼠血脂异常、腹腔脂肪细胞肿胀、脂肪细胞膜结构破坏、肝脏病变以及炎性细胞增多等问题。GENG等[62]研究动态高压微流化改性鲜玉米苞片不溶性膳食纤维对高脂饮食 C57BL/6小鼠肥胖病理特征、肠道菌群分布和短链脂肪酸产生的影响。结果表明,改性膳食纤维显著降低了高脂饮食引起的体重增加、胰岛素抵抗和氧化损伤,并促进了短链脂肪酸的产生。这些改性膳食纤维还改变了小鼠肠道菌群中不同类型细菌的比例,降低了厚壁菌门和拟杆菌门的比例,促进了双歧杆菌的增殖。ZHANG等[63]研究超微粉碎柚子皮膳食纤维对高脂饮食诱导的小鼠肥胖的抑制作用,结果表明,柚子皮膳食纤维可有效降低高脂饮食导致的小鼠肝脏和附睾组织中的脂肪积累,并降低血清甘油三酯、低密度脂蛋白、胆固醇和总胆固醇水平。此外,柚子皮膳食纤维还可以通过改善肠道菌群来有效抑制肥胖。
2.6.2 抗肿瘤活性
ZITVOGEL等[64]研究膳食纤维和非处方益生菌对癌症免疫治疗的调节,发现黑色素瘤患者中,膳食纤维的摄入每增加5 g,其疾病进展或死亡的风险降低30%。在接受免疫检查点抑制剂(immune checkpoint blockade,ICB)治疗的患者中,足够的纤维摄入(≥20 g/d)与更高的客观反应率(68%对比59%)和更长的无进展生存期(progression-free survival,PFS,23个月对比17个月)相关。这些数据表明,增加膳食纤维的摄入不仅有助于改善患者的免疫反应,还有助于提高癌症治疗的临床效果。JI等[65]研究龙须菜SDF的的制备及其体内抗肿瘤活性,研究结果表明,龙须菜SDF的溶胀力、持水力和阳离子交换量分别为13.10 mL/g、5.97 g/g和0.23 mmol/g;体内抗肿瘤试验显示,SDF可有效抑制移植的昆明小鼠S180肿瘤的生长,且口服SDF可显著提高携带S180小鼠的脾/胸腺指数、脾淋巴细胞增殖和NK细胞活性,以及血清IL-2、IFN-γ和TNF-α水平,进而表明其具有预防和治愈癌症的潜力。GOGGIN 等[66]研究膳食纤维对感染肠毒性脆弱拟杆菌的APSmin/+小鼠的抗肿瘤免疫力和肠道微生物的影响,结果显示,与高纤维抑制肿瘤的研究进展观点相反,高纤维组抑制肿瘤效果不明显,而低纤维饮食可以明显减轻肿瘤负担,提高生存率。从研究机理看,由于高纤维增加促炎细胞因子和 CD4+Foxp3+RORγt+IL-17A+ 调节性T细胞,而低纤维则增强抗炎细胞因子和细胞毒性T细胞。研究结果表明,膳食纤维对结肠癌的影响取决于微生物感染和免疫状态。
2.7 改性膳食纤维的安全性评价
尽管改性后的膳食纤维在降血糖、降血脂、抗氧化、调节肠道菌群等方面表现出更强的功能活性。但是在关注改性膳食纤维优势的同时,其安全性也不容忽视,改性过程中可能引入有害物质或改变膳食纤维的生物活性,进而影响其安全性。因此,对改性后膳食纤维的安全性进行全面评估至关重要。部分物理改性方法,如高温挤压过程中若温度过高、时间过长,膳食纤维中的碳水化合物可能会发生焦糖化反应,产生丙烯酰胺等有害物质,可能增加人体患癌风险[67]。此外,物理改性过程中若设备材质不符合食品级标准,可能导致重金属(如铅、镉)迁移至膳食纤维中,增加食品安全风险[68-69]。在化学改性中,常使用酸、碱、氧化剂等试剂。例如,羧甲基化改性时使用氯乙酸等试剂,若反应不完全或后续分离纯化不彻底,可能导致这些化学试剂残留于改性膳食纤维产品中,长期摄入可能对人体肝脏、肾脏等器官造成损害[70]。生物改性借助微生物发酵或酶解来改变膳食纤维的特性。在微生物发酵过程中,如果微生物菌株选择不当或发酵条件控制不佳,可能导致杂菌污染[71],产生毒素,严重危害人体健康。此外,生物改性过程中产生的代谢产物若浓度过高,也可能对人体产生不良影响。在改性后膳食纤维的生产过程中,应严格控制化学试剂的使用量,并采用高效检测方法对残留有害物质进行定量分析,确保其含量在安全范围内,可通过动物实验和临床试验,评估改性后膳食纤维在长期摄入情况下的生理功能和潜在毒性。
3 结论
本综述着重介绍了膳食纤维改性方法,以及不同改性方法对膳食纤维的结构及功能方面的影响,拓展了膳食纤维在食品、医药和保健品等领域的应用潜力。然而,目前的研究仍存在一些问题。如不同原料的适配性影响改性效果,改性技术的规模化生产成本较高,限制了其广泛应用;改性产物的安全性也是需要关注的重点。未来膳食纤维改性技术的研究应围绕高效化、绿色化、功能化三大核心方向展开。通过多学科交叉融合推进技术创新与产业应用:在改性技术层面,聚焦纳米精准修饰、绿色溶剂与生物工程的协同应用,突破单一方法瓶颈;机制研究方面,借助核磁共振、代谢组学等技术解析结构-功能关联及肠道菌群调控机制,结合原位监测与分子模拟实现改性过程的动态解析;工艺优化依赖机器学习与人工智能驱动,结合连续流微反应器、废热回收等技术提升效率并降低能耗;应用领域向生物医药(靶向载药、精准营养)、环保材料(可降解包装、土壤修复)等新兴场景拓展,开发具有高吸附性、生物相容性的功能化产品;安全性评估构建全生命周期风险管控体系,整合体外模型、体内毒理试验与人群暴露模拟,制定个性化安全阈值;政策层面推动国际标准对接与产学研用协同,建立 “结构-功能-安全” 数据库,最终实现膳食纤维资源的高值化利用与可持续发展,为食品、医药、环保等领域提供创新解决方案。膳食纤维改性技术通过结构精准设计,不仅能够突破天然膳食纤维的功能局限,更可针对慢性疾病的发病机制实现精准干预,膳食纤维改性技术将天然产物转化为功能制剂,为膳食纤维在功能性食品、精准医疗等领域的深度应用奠定了科学基础。
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