竹笋作为禾本科竹亚科多年生常绿植物的嫩芽,是我国重要的食用资源。我国拥有全球最丰富的竹类种质资源,涵盖39属500余种,其中可食用竹笋品种达200余种[1]。竹笋膳食纤维(bamboo shoot dietary fiber,BSDF)作为竹笋的主要营养成分,主要由纤维素、木质素及不溶性半纤维素构成[2]。随着现代饮食结构变化和代谢综合征流行,世界卫生组织建议成人每日膳食纤维(dietary fiber,DF)摄入量为25～35 g,但实际摄入量普遍不足标准值的60%[3]。因此,BSDF作为优质DF来源具有广阔的应用前景。BSDF被证实具有多种生理功能近年来逐渐成为研究热点,同时BSDF的提取与改性技术能显著提升其应用价值也备受关注,已被应用于益生元来源,增强食品感官特性,制备低脂食品的原辅料等多个场景[4-6]。
目前,BSDF的研究主要聚焦于2个方面:a)提取和改性技术,从传统的单一改性发展为联合改性;b)生理活性研究,从基础理化性质拓展至构效关系研究。但目前关于竹笋膳食纤维提取、改性及构效关系的系统综述鲜见报道。因此,本文系统梳理了近年来关于BSDF的研究文献,分析了不同提取及改性技术对BSDF结构和功能特性的影响,比较了不同方法的优势与局限性;阐述了BSDF在降糖降脂、调节肠道等生物活性方面的作用,揭示了其影响健康的分子机制;探讨了BSDF的化学结构与功能活性之间的构效关系,明确了结构特征对功能活性的关键性作用,旨在为BSDF的进一步开发与应用提供参考。
1 基于CiteSpace的竹笋膳食纤维研究现状可视化分析
1.1 发文量分布情况
中文发文量分布情况:以CNKI数据库为检索来源,检索主题为“竹笋膳食纤维”,通过检索共获取170篇符合要求的中文文献,如图1所示。由图1可知,“竹笋膳食纤维”中文文献的年发文量在2017年显著增长,随后有所回落,2021年再次增长并达到峰值19篇,之后趋于平稳。这表明BSDF的研究已受到国内相关学者的广泛关注,近年来呈现出良好的发展态势。
图1 CNKI数据库中“竹笋膳食纤维”相关中文文献年发文量
Fig.1 Annual publication volume of Chinese literature related to bamboo shoots dietary fiber in the CNKI database
英文发文量分布情况:以WOS数据库为检索来源,检索主题为“bamboo shoots dietary fiber”,共检索到120篇符合要求的英文文献,如图2所示。与“bamboo shoots dietary fiber”相关的英文文献数量总体呈现逐步增长的趋势,2012年后发文量趋于平稳后又产生波动,2020年后发文量显著增长,并于2024年达到峰值18篇。这表明BSDF的研究在国际学术界日益受到重视,近年来参与该研究的国际学者数量显著增加。
图2 WOS数据库中“竹笋膳食纤维”相关英文文献年发文量
Fig.2 Annual publication volume of English literature related to bamboo shoots dietary fiber in the WOS database
1.2 发文机构分布情况
基于CiteSpace 6.2.R4软件构建的发文机构共现网络图谱见电子版增强出版附图1(https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.042882,附图2～附图4同)显示,CNKI数据库中发文机构合作图谱共有205个节点,154条连线,网络密度为0.007 4。经计量分析,西南大学食品科学学院以21篇的发文量位居首位,其研究主要聚焦于BSDF的结构解析与资源化利用方面。国家林业和草原局竹子研究开发中心以15篇发文量位列第二,体现了竹子专业科研机构在竹笋资源开发中的重要作用。中南林业科技大学(8篇)、福建农林大学(7篇)则形成了跨区域的协同创新网络。从研究机构的空间分布来看,它们呈现出明显的“核心-边缘”结构,主要集中在福建、浙江、重庆等竹资源较丰富的地区,并且在全国范围内逐渐扩散。这种分布既体现了区域特色产业对科研的推动作用,也反映出跨区域科研合作还有待加强。
基于WOS数据库构建的机构共现网络图谱(附图2)显示,WOS数据库中发文机构合作图谱共有118个节点,130条连线,网络密度为0.018 8。数据显示,国家林业和草原局竹子研究开发中心(China National Bamboo Research Center)、中国林业科学研究院(Chinese Academy of Forestry) 及西南大学(Southwest University)以各9篇的发文量并列首位,构成核心研究集群。福建省农业科学院(Fujian Academy of Agricultural Sciences)和福建农林大学(Fujian Agriculture &Forestry University)分别发表7篇,紧随其后,浙江省农业科学技术研究院(Zhejiang Academy of Agricultural Science and Technology)则以3篇发文量成为新兴研究力量。结果表明,发文机构多集中在中国,这与中国作为全球最大竹笋生产国与出口国的地位相符。欧美国家在竹笋及其制品开发和BSDF方面的研究相对较少。如何开拓欧美市场、推动全球竹笋行业的繁荣,成为该领域未来发展的重要方向。
1.3 竹笋膳食纤维研究领域的发展历程
基于CiteSpace对CNKI数据库219篇中文文献的关键词聚类时序变化如附图3所示。在共线网络模块化评估中,聚类模块值(Q 值)和聚类平均轮廓值(S 值)是关键指标。网络的Q 值和S 值越高,表明网络的聚类效果越好,Q 值大于0.3表示聚类结构显著,而S 值大于0.5表示聚类合理,超过0.7则表示聚类结果可信[7]。由附图3可知,中文聚类Q 值为0.619 4,S 值为0.722 5,表明关键词聚类分析结果可信。在219篇中文文献中,与“# 0竹笋”聚类关联的文献有70篇,研究内容主要有改性、结构、生理功能等。游玉明等[8]采用高压均质技术改性BSDF,使其持水力、持油力、膨胀力分别提高42.26%、53.30%、52.47%,葡萄糖及亚硝酸盐吸附能力也得到显著增强。与“# 1微观结构”相关联的聚类文献有14篇,涉及的研究内容有粒径、纤维、酶学性质等。“# 3营养成分”相关联的聚类文献有13篇,涉及多糖等研究内容。
图3 竹笋膳食纤维的多种生物活性
Fig.3 The various bioactivity of BSDF
A-BSDF在体内和体外研究中的降血糖作用;B-BSDF对高脂饮食诱导的高脂血症大鼠的延缓作用及其胆固醇结合能力;C-超声辅助高温蒸煮改性处理BSDF显著提升其抗氧化能力和热稳定性;D-BSDF干预对炎症小鼠肠道菌群的影响
基于CiteSpace对WOS数据库中99篇英文文献的关键词聚类时序变化如附图4所示。由附图4可知,英文聚类Q 值为0.819 6,S 值为0.879,表明关键词聚类的可信度较高。关键词圆圈越大代表出现的频率越高或文献越多,网络线粗细表示关键词圆圈间的强弱关系,越粗关联性越强[9]。另外,该领域研究具有明显的阶段性:2006年前为理论探索期,2010年后进入快速发展阶段,研究范围从基础组分分析扩展到功能食品开发。在99篇英文文献中,“# 0 dietary fiber”关键词聚类的演变过程最为丰富,对其他聚类的形成与发展具有重要影响。与“#1 bamboo shoots”聚类相关的19篇文献,主要研究竹笋壳、纤维素等。与“# 2 functional property”相关联的16篇文献,涉及抗氧化、消化特性等内容。GONG等[10]从竹笋中制备的乙酸木质素具有较强抗氧化活性。与“# 3 physicochemical property”相关联的14篇文献,研究内容包括流变性、稳定性、质构特性等。
图4 竹笋膳食纤维作用PPAR信号通路示意图
Fig.4 Schematic diagram of the PPAR signaling pathway mediated by BSDF
RXR(retinoid X receptor,维甲酸X受体);PPARβ/α/γ(PPAR亚型);LXRα(liver X receptor α,肝X受体α);Cpt1b(carnitine palmitoyltransferase 1b,肉碱棕榈酰转移酶1b基因);Cyp4a14、Cyp4a31、Cyp4a12b(细胞色素P450家族成员基因);Ehhadh(enoyl-CoA hydratase and 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase,烯酰辅酶A水合酶与3-羟酰辅酶A脱氢酶基因);Angptl4(angiopoietin-like 4,血管生成素样蛋白4基因)。
2 竹笋膳食纤维提取、纯化及改性研究
2.1 竹笋膳食纤维的提取及纯化
竹笋是优质的DF来源,所含的DF按干基计算可占碳水化合物总量的60%～90%[3]。在提取过程中,不同加工方法会影响BSDF的微观结构和化学组成,进一步影响功能性质,还有可能造成资源浪费和环境破坏。例如,物理法借助机械能破坏纤维结晶区,促进不溶性纤维转化,但存在能耗较高问题。化学法通过酸碱处理分离纤维,虽成本低廉但存在有害化学物质污染与环境破坏等风险,制约了工业化应用[11-13]。因此,由于环境友好性且反应条件温和等优点,生物法引起了研究人员的极大关注。例如,酶解法利用特异性酶制剂定向分解非纤维成分,在保留纤维结构的同时提升了可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber,SDF)含量[14],而发酵法则依赖特定菌株代谢消耗非纤维物质,其分泌的酶可降解纤维结构[15-16]。
TANG等[17]对比物理、化学和酶解法制备BSDF发现,酶解法制备的BSDF具有较大的比表面积和孔隙率,能有效结合酚类物质。通过对多种提取方法的比较研究发现,虽然化学法提取率较高,但工艺复杂和溶剂消耗量大制约了其工业化应用[18],而发酵法则在保持BSDF高纯度的同时,能有效提升其营养价值,展现出更好的应用前景[19]。此外,在BSDF提取过程中,不同竹笋品种对SDF和不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber,IDF)的提取率也有一定影响。对于勃氏甜龙竹笋,化学法和物理法提取的SDF含量均较低,但联合提取可显著提升SDF含量至18.053%。采用超微粉碎工艺提取的雷竹笋SDF含量最高,而通过发酵法能有效提升毛竹笋DF的提取量[3]。
BSDF的提取纯化工艺直接影响其分离效率与功能特性,关键在于高效去除蛋白质、脂肪等成分以提高纯度。现有SDF纯化技术包括溶剂萃取、膜分离及层析法等,但针对BSDF的定向纯化研究仍较匮乏。在植物源SDF纯化领域,研究发现通过红曲霉发酵结合离子交换/凝胶层析技术,可以实现梨渣等农副产物中SDF的高效提纯[20];通过聚砜膜超滤系统优化花生壳SDF纯化工艺,PS-30膜在0.08 MPa、30 ℃及1∶75料液比条件下分离效率最优[21]。还有研究表明[22],以麻竹笋为原料,通过酶解-脱色-乙醇纯化联用技术获得不溶性SDF,得率和纯度分别达85.3%和70.2%,该方法为BSDF纯化工艺提供了可行路径。
2.2 竹笋膳食纤维的改性
DF的溶解性能与功能特性密切相关,DF中SDF达到10%以上才可称为优质DF[23]。然而,大多数天然DF中的SDF含量很低。竹笋及其加工副产物虽富含天然DF,但普遍存在提取率低、持水力与溶解性不足、口感粗糙等问题。因此,需通过改性技术来提升BSDF的品质。
2.2.1 物理改性
目前,物理改性在BSDF改性方法中应用较多。高压均质(high-pressure homogenization,HPH)可以迅速减小BSDF的粒径,但会导致团聚。研究发现添加5 g/L蔗糖酯可使HPH处理后的BSDF粒径降至276.5 nm,通过增强ζ 电位及静电排斥机制,有效抑制团聚现象[24]。表1比较了不同物理改性方法在BSDF中的应用。由表1可知,物理改性显著提升了BSDF的多项性能,包括持水力、持油力、溶胀力以及对葡萄糖和胆固醇的吸附能力。
表1 物理改性在竹笋膳食纤维中的应用
Table 1 Application of physical modification in BSDF
2.2.2 生物改性
在生物改性方面,酶法改性展现出独特的优势。纤维素酶与木聚糖酶的协同作用可使DF的持水力、持油力较单一酶处理提升15%～20%,其中纤维素酶对纤维素的定向水解尤为关键[30]。此外,对于生产高品质的BSDF,微生物法相对安全、高效且成本较低。一方面,乳酸菌产生的β-葡萄糖苷酶可以分解纤维素中的β-1,4-糖苷键,形成更小的纤维二糖和葡萄糖分子,微生物可以将其用作碳源[31-32]。另一方面,乳酸菌能够以IDF为碳源产生各种有机酸,在酸性条件下可以提高纤维素酶活性,更好地促进IDF降解[33-34]。此外,有学者研究发现鼠李糖乳酪杆菌发酵能使BSDF分解为更小的颗粒,吸水膨胀和亚硝酸盐吸附能力得到显著提升。同时,发酵后的BSDF在生产短链脂肪酸方面效率更高,且抗消化能力也能得到显著提升[35]。
2.2.3 联合改性
近年来,联合改性技术在BSDF的改性研究中取得了较大进展。常见的联合改性法有生物法与物理法的结合,例如挤压-纤维素酶改性、高温高压-纤维素酶改性。
研究表明,超细研磨结合纤维素酶水解和羧甲基化使SDF产量提高了11倍[36]。表2列举了BSDF联合改性的一些方法。由表可知,联合改性可提高BSDF的膨胀力、持水力和持油力,表现出更好的理化性质和功能特性。
表2 联合改性在竹笋膳食纤维中的应用
Table 2 Application of combined modification in BSDF
综上,虽然BSDF改性技术研究在近年来取得了显著进步,但其在工业化应用方面仍面临诸多挑战。一方面,单一改性方法存在技术复杂、活性成分易损失、成本与效率难平衡、环境污染与安全风险等问题。例如,化学改性易破坏纤维天然结构,物理改性高能耗且受设备限制,生物改性虽温和但效率低,这些都难以满足大规模工业化生产需求。另一方面,联合改性技术虽然是未来发展方向,但仍然存在操作过程繁琐、不同改性方法之间相互作用复杂、连续化生产困难等问题,导致其工业化推广难度较大。针对这些挑战,需要优化单一改性技术,如化学改性研发绿色高效试剂,物理改性开发节能设备,生物改性筛选高效菌株和酶制剂;同时,进一步加强联合改性技术研究,探索不同改性技术的协同机制,并开发连续化生产工艺来提高生产效率和降低成本。
3 竹笋膳食纤维的生物活性研究
DF的生物活性主要体现在改善人类慢性代谢疾病方面[42]。大量研究证实,BSDF具有降血脂、降血糖、改善肠道菌群、抗氧化等多种生物活性(图3)[43-47]。
3.1 降脂活性
适量摄入DF可通过多重机制改善机体代谢功能,不仅能延缓葡萄糖吸收来调控血糖,还可通过抑制脂质吸收实现血脂调节。研究表明,竹笋中提取的SDF与IDF联合干预可显著降低大鼠体重、脂肪沉积量及血脂水平,同时改善血清相关指标水平,并显著抑制肝脏脂质合成基因的mRNA表达。值得注意的是,IDF单独作用时降脂效能优于SDF,但两者协同干预表现出更显著的降脂活性[46]。LUO等[48]证实,竹笋中总膳食纤维(total dietary fiber,TDF)可显著改善高脂血症小鼠的脂代谢紊乱,干预组小鼠体重增幅较正常组减少2.84%,同时总胆固醇、甘油三酯及低密度脂蛋白胆固醇分别降低31.53%、21.35% 和31.53%,而高密度脂蛋白胆固醇提升37.6%。另外,BSDF通过调控过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferators-activated receptors,PPAR)脂肪酸代谢途径,显著上调PPAR信号通路关键基因的表达来改善脂质代谢和肝损伤,最终减少肝脏和脂肪组织中的脂质积累(图4),缓解血脂异常和胰岛素抵抗,并且BSDF可以富集如双歧杆菌等有益菌,同时提升了生育酚酸、短链脂肪酸及胆汁酸的水平,从而改善脂质代谢[49]。这种作用机制与LI等[50]发现的肠道菌群调控路径相呼应——BSDF通过调节脂肪酸合成/氧化相关基因表达,改善宿主代谢并抑制体重增长,同时协同优化血糖与血脂水平。
3.2 调节血糖
DF不仅能够提高神经末梢对胰岛素的敏感性,抑制胰岛素产生,还可以通过减少能量摄入,平衡血糖,进而降低Ⅱ型糖尿病的风险[51]。研究显示,可溶性BSDF在葡萄糖吸附、α-淀粉酶抑制及胰岛素分泌促进方面优于不溶性BSDF。在糖尿病小鼠干预实验中,IDF与SDF联合干预展现出协同增效作用,其降血糖效能显著高于单一组分[44]。此外,YAO等[45]通过酶改性的BSDF治疗糖尿病小鼠,发现其显著改善小鼠糖耐量与胰岛素敏感性,高剂量组显著增加血浆胰高血糖素样肽-1、脂联素及白细胞介素-4,同时减少了促炎因子,并显著修复了肾脏与胰腺组织损伤。在此基础上,LI等[52]深入解析其分子机制,BSDF可通过增强胰岛素信号传导并激活过氧化物酶体增殖物激活受体-γ 共激活因子-1α,显著上调AMPK及p38的活性,从而改善高脂饮食诱导肥胖小鼠的胰岛素敏感性,最终发挥血糖调节作用。
3.3 抗氧化活性
BSDF的抗氧化活性与其结构特征密切相关,尤其是羟基、羧基、甲氧基等活性基团的含量及加工方式会直接影响其自由基清除能力[53]。研究表明,SDF通常展现出优良的抗氧化性能,例如,酶法提取的BSDF对DPPH自由基、羟自由基和ABTS阳离子自由基的清除率分别达到80.50%、83.39%和57.94%[54]。有研究进一步揭示了组分差异对活性的调控规律:TDF、SDF及SDF的抗氧化效能排序为SDF >TDF >IDF,且DPPH自由基清除率、ABTS阳离子自由基清除率以及铁还原能力与BSDF呈正相关[55]。值得注意的是,物理改性可显著提升BSDF的抗氧化活性。例如,超声波辅助高温蒸煮法处理后的SDF的DPPH自由基和羟自由基清除率分别比未处理组高8.91%和7.49%,同时还原能力增强,这与处理后形成的多孔结构和活性基团暴露直接相关[41]。此外,BSDF被γ 辐照后,其水合性质,亚硝酸盐、胆固醇和葡萄糖的吸附能力都有一定程度的改善,并且SDF比例增加,SDF的抗氧化能力在6 kGy时显著提高[29]。
3.4 调节肠道菌群
DF是肠道细菌的主要能量来源,能为结肠上皮细胞供能,调节肠道菌群结构和代谢,促进肠黏膜生成,刺激肠道蠕动,改善血糖和血脂反应,调节营养物质的消化和吸收[56]。BSDF通过调节肠道菌群,在改善宿主代谢方面展现出多重功效。研究显示,毛竹笋DF能显著提升肠道内有益菌的丰度,同时抑制病原菌生长,有助于维持肠道屏障功能[47]。DONG等[57]通过观察肝功能和肠道微生物的变化,发现勃氏甜龙竹笋中的SDF可以抑制肝脏炎症,改善肝损伤,调节肠道微生物多样性,增加有益菌和短链脂肪酸产生菌的丰度,并逆转因缺乏蛋氨酸和胆碱引起的小鼠肠道疾病。此外,麻竹笋壳中的IDF具有结构疏松,水合特性、持油能力较好,能有效改善肠道菌群种类和丰度[58]。研究发现,竹笋中SDF与IDF均能特异性促进乳酸菌和双歧杆菌的增殖,其中SDF对益生菌的增殖作用更为突出[5]。
3.5 其他活性
除此之外,表3还列举了BSDF的其他一系列生理活性,包括降低胆固醇、抗炎性、抗肥胖、提高免疫力、调节口腔健康等。
表3 竹笋膳食纤维的其他生理活性
Table 3 The other bioactivity of BSDF
4 竹笋膳食纤维的构效关系研究
DF的化学构成和结构特征因来源不同而存在显著差异,导致其理化性质和生理功能表现多样性。因此,从DF的结构特征与理化性质两方面展开研究,对于BSDF的开发利用具有重要意义。
不同处理方法对BSDF结构与性质的调控研究显示,DF的理化特性与单糖组成及微观结构密切相关。有研究表明,TDF中IDF占比超80%,其结构呈不规则片状且功能趋同[60];SDF粒径小、比表面积大,以阿拉伯糖(24.64%)和半乳糖(38.05%)为主,红外吸收峰尖锐,结晶度低、热稳定性差,但水合特性、阳离子交换及胆酸钠吸附性能优异。值得注意的是,发酵处理可通过改变单糖组成实现功能强化,如BSDF经发酵后不仅阿拉伯糖等7种单糖含量显著增加,且形成光滑波浪形表面结构,同时提升了持水力、膨胀力[61]。
物理改性对BSDF的增效作用主要体现在结构重塑方面:超微化处理通过减小BSDF粒径使内部亲水基团暴露,促进IDF向SDF转化,增强水合特性及胆固醇结合能力[62];动态高压微射流联合酶解使竹笋来源的IDF呈现蜂窝状多孔结构,持水力提升的同时,对亚硝酸盐和葡萄糖的吸附能力显著增强[26];而超声波辅助高温蒸煮处理通过形成疏松结构和高结晶度,使持油力与膨胀力能同步改善[41]。值得关注的是,发酵技术通过降低结晶度和构建多孔结构,将SDF产量提升39.2%,并提升了体外胆固醇吸附能力[63]。对比研究发现,微波和微粉碎虽未改变方竹笋DF的结晶结构,但通过增加比表面积使抗氧化活性提升[64]。
上述研究表明,通过调控粒径、比表面积、微观结构及单糖组成等结构参数,可定向优化DF的水合能力、持油力、吸附力及抗氧化活性(图5),为功能性DF的开发提供了理论依据。
图5 竹笋膳食纤维的构效关系图
Fig.5 The structure-activity relationship diagram of BSDF
5 小结与展望
BSDF作为人体所需的第七大营养素,对于促进肠道健康、预防便秘、控制体重、调节血糖水平以及降低心血管疾病风险等方面具有显著益处。展望未来,BSDF的研究与应用将朝着以下3个方向深入发展:a)提取与改性技术:当前研究开发了多种提取与改性技术,包括物理法、化学法、生物法及联合改性技术,显著提升了BSDF的理化性质和功能特性。然而,许多技术离工业化应用还有一段距离。未来需探索绿色、高效、节能和连续化生产的新技术,不断提高工业化应用潜力。b)生物活性验证与机制解析:研究证实BSDF具有降脂、降糖、抗氧化、调节肠道菌群等生理功能,其机制涉及调控基因表达和肠道菌群代谢。但仍需深入探究其体内生物利用度、活性成分稳态化及长期摄入安全性,并结合代谢组学与临床实验验证其功能普适性。c)构效关系与技术瓶颈突破:通过分析BSDF的微观结构,揭示其功能活性与结构的定量关系。组学技术为阐明分子机制提供了新工具,但现有研究在系统性建模和工业化精准调控方面仍显不足。未来需结合人工智能与高通量筛选技术,建立“结构-功能”预测模型,推动功能性DF的定向设计与应用。
综上所述,近年来BSDF的相关研究已取得显著进展,在提取与改性技术创新、生物活性验证及构效关系研究等方面成果丰硕。但是,目前仍面临许多技术瓶颈与应用局限。未来研究需聚焦绿色高效技术开发、深入机制探究与精准结构调控,推动BSDF在食品、医药等领域的广泛应用。
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