膳食纤维及其加工技术.doc

膳食纤维及其加工技术教学目标 掌握膳食纤维的概念和生理功能；了解目前国内外膳食纤维的种类、生理功能及其应用；了解此类功能食品工艺设计的步骤和过程；掌握一种膳食纤维制备的方法和技术要点。多糖是天然大分子物质，几乎存在于所有生物体中。它既是提供能量的主要物质（如淀粉、糖原等），又是生物的结构物质（如纤维素、半纤维素等）。近二十年来的研究表明，从一些生物体内提取的多糖物质具有增强免疫力、抗肿瘤、抗辐射、抗衰老、排除机体内毒物等生理功能，而且对正常细胞无毒副作用，具有显著的生物活性。这类具有某种特殊生物活性的多糖化合物统称为活性多糖。现在，关于活性多糖的结构、生理活性、分离纯化及应用的研究进展迅速，将分离的活性多糖制成各种药品或功能食品也正成为新药和功能食品行业新的发展领域之一。根据生物来源不同，活性多糖可分为植物类多糖、动物多糖和微生物多糖。植物活性多糖包括高等植物多糖和低等植物多糖。其中属于植物活性多糖的的膳食纤维，由于其功能、结构和制备工艺与其它植物活性多糖差异较大而单独进行阐述。近30年来，膳食纤维的研究一直是碳水化合物领域内的热门课题，随着现代“文明病”的出现以及对其功能的研究，使人们越来越认识到膳食纤维在营养保健上的重要性，对膳食纤维的研究开发也投入了极大的热情，欧、美、日等发达国家和地区已研制和生产出不少品种的膳食纤维和高膳食纤维食品，颇受消费者欢迎。近年来我国有关报道也不少，但大多数产品的开发还停留在实验室的研究，尚未形成批量生产能力；另一方面，对膳食纤维的认识，许多人还仅仅理解为粗纤维和纤维素。因此，开展对膳食纤维和膳食纤维功能食品的研发和生产，对促进人民身体健康，提高食品工业在国内国际市场上的竞争力有重要的现实意义。一、膳食纤维的基本特性和生理功能（一）膳食纤维的定义和组成膳食纤维最早是由Hipsley提出，到1972年Trowell等人在测定食品中各种营养成分时，将膳食纤维定义为“不被人体消化酶所消化的植物细胞残余”，1981年，在95届AOAC年会上，大多数专家认同这一概念，但是这一定义没有包括除植物以外的膳食纤维来源，因此，在1987年，Englyst等人提出用“非淀粉类多糖”代替“非消化性植物细胞残余”，即膳食纤维是不被人体消化酶所消化的非淀粉类多糖。膳食纤维种类很多，一般分为水不溶性膳食纤维和水溶性膳食纤维两大类：水不溶性膳食纤维是指不被人体消化酶所消化、且不溶于热水的膳食纤维，包括来源于植物的纤维素、半纤维素、木质素、原果胶；来源于动物的甲壳素、壳聚糖、胶原；来源于海藻的海藻酸钙以及人工合成的羧甲基纤维素等。水溶性膳食纤维是指不被人体消化酶所消化、但可溶于温水或热水的膳食纤维，包括来源于植物的果胶、魔芋甘露聚糖、种子胶、半乳甘露聚糖、愈疮胶、阿拉伯胶；来源于海藻的卡拉胶、琼脂、海藻酸钠；来源于微生物的黄原胶以及人工合成的羧甲基纤维素钠和葡聚糖类等。（二）膳食纤维的物化特性和生理功能 1吸水、膨胀特性与预防肠道疾病功能及减肥功能 膳食纤维具有很强的吸水性，水溶性膳食纤维比水不溶性膳食纤维的吸水能力更强。因此，膳食纤维进入消化道内，在胃中吸水膨胀，并形成高粘度的溶胶或凝胶，增加了食物的体积，从而刺激胃肠道的蠕动，增加排便速度和排便次数，降低了肠内压，产生通便作用。故膳食纤维可用于防治便秘、肠憇室症、横隔膜症及痔疮等肠道疾病。由于膳食纤维在胃肠道中吸水膨胀，产生饱腹感，可减少进食量，使总热能摄入量减少，同时，抑制营养物质在肠道的扩散速度，减少小肠对脂肪的吸收率，从而达到减肥作用。2吸附有机物特性与预防心脑血管疾病功能 膳食纤维具有吸附胆汁酸、胆固醇、变异原等有机分子的性质，进入肠道的膳食纤维螯合肠道中胆固醇，减少外源性胆固醇、胆汁酸和盐类的合成和吸收，同时限制胆酸的肠肝循环，阻碍内源性胆固醇、中性脂肪的重吸收；膳食纤维还促进胆固醇转化成胆酸和胆盐，加速胆盐和脂质类物质的排泄。所以，膳食纤维可用于预防胆石症、高脂血症、肥胖、动脉粥样硬化、冠心病等心脑血管疾病。3离子交换特性与解毒功能及降血压功能 膳食纤维分子中含有一些羧基和羟基类侧链基团，呈现出一个弱酸性离子交换树脂作用，在人体肠道内能吸附Ca2+、Zn2+、Cu2+、Fe3+、Fe2+、Mg2+、Pb2+、Hg2+、Cd2+等金属离子，而且在吸附时这些金属离子之间存在着竞争，有研究表明： Pb2+、Hg2+、Cd2+等重金属离子，在小肠pH值条件下具有强烈的竞争吸附能力，能将吸附在膳食纤维上的Zn2+全部置换下来，从而减少了有毒重金属离子的吸收，加快有毒离子的排泄，起到解毒作用。膳食纤维还能与胃肠道中的Na+进行交换，使Na+随粪便大量排出，血液中Na+/K+比变小，从而产生降血压作用。4调节糖代谢特性与降血糖功能 膳食纤维能增加肠液粘度，阻碍葡萄糖的吸收；束缚葡萄糖，降低肠道葡萄糖的有效浓度；影响-淀粉酶对淀粉的降解作用，延长酶解时间，降低肠液中葡萄糖的释放速度；同时改善外周组织对胰岛素的感受性，减低机体对胰岛素的要求，从而降低糖尿病人的血糖水平。5调节肠内菌群、清除自由基特性与抗癌功能 膳食纤维不能被人体消化酶消化分解，但当其进入大肠后能被肠道细菌选择性地分解，成为菌体生长、繁育和代谢的养料，因此改善肠道菌群的构成；膳食纤维抑制腐生菌的生长，促进益生菌的繁殖，这样，一方面降低腐生菌产生致癌物质，另一方面促进益生菌产生丁酸，丁酸能抑制肿瘤细胞的生长繁殖，促进肿瘤细胞的死亡，诱导转化细胞转变为正常细胞，并控制致癌基因的表达；同时益生菌发酵过程中，产生酪酸、丙酸等低级有机酸，降低肠道的pH值，更有利于肠道细菌的繁殖，而且还能刺激肠粘膜，使粪便保持一定的水分和体积，加速粪便的排泄，缩短了肠道内致突变物质、致癌物质与肠粘膜的接触时间，从而起到防癌作用；膳食纤维在胃pH条件下，对NO2-具有强烈的清除作用，从而阻碍NO2-与胺类形成亚硝胺类致癌物质；膳食纤维在结肠内被微生物利用，还能使结合在其中的阿魏酸释放出来，阿魏酸具有较强的抗氧化活性和清除羟自由基活性，这也是膳食纤维防治肠道肿瘤的重要原因之一；此外，膳食纤维能降低体内的雌激素水平，对预防乳腺癌起一定作用。二、膳食纤维的制备工艺膳食纤维的制备分为不溶性膳食纤维制备技术和可溶性膳食纤维制备技术，两者既有区别又有联系。不溶性膳食纤维制备方法大致可有五类，即粗分离法、化学法、酶法、发酵法和综合制备法。可溶性膳食纤维一般可在不溶性纤维制备基础上进一步加工而成，也有通过挤压法将不溶性纤维中一些成分改性为可溶膳食纤维而制成。还可利用淀粉水解来制备，即乙醇沉淀法、膜浓缩法、挤压法和淀粉转化法等。（一）制备膳食纤维的原料制备膳食纤维的原料很多，主要有以下几类：1粮谷类 麦麸、米糠、稻壳、玉米、玉米渣、燕麦麸等。2豆类 大豆、豆渣、红豆、红豆皮、豌豆壳等。3水果类 橘皮、椰子渣、苹果皮、苹果渣、梨子渣等。4蔬菜类 甜菜、山芋渣、马铃薯、藕渣、茭白壳、油菜、芹菜、苜宿叶、香菇柄、魔芋等。5其他 酒糟、竹子、海藻、虾壳、贝壳、酵母、淀粉等。在这些原料中，采用得最多的是各种农产品加工的废弃物，如麦麸、米糠、稻壳、玉米渣、豆渣、甘蔗渣等。一方面，这些原料纤维含量高，另一方面，也能提高农产品的综合利用变废为宝，满足可持续发展经济和环保的需要。 （二）粗分离法制备不溶性膳食纤维选择膳食纤维含量较高的原料，经过清洗，过40目筛，以除去泥沙和部分淀粉，再采用悬浮法和气流分级法，去除大部分淀粉而得以粗分离，然后，经过烘干、粉碎等工序，得到膳食纤维成品。这类方法所得的产品不纯净，但不需要复杂的处理手段，也能改变原料中各成分的相对含量，如减少植酸、淀粉含量，破坏酶活力，增加膳食纤维的含量等。本法适合于原料的预处理。（三）化学法制备不溶性膳食纤维1原理 原料经过碱处理，使其中可溶性蛋白质远离等电点而被除去，不溶性蛋白质降解为可溶性小分子肽和游离氨基酸；同时原料中的少量脂肪在碱性条件下，皂化水解，对脂肪含量高的原料，需用石油醚或丙酮脱脂处理；在原料中加入酸，水解其中的淀粉，然后漂洗至中性，最后，烘干、粉碎得到膳食纤维成品。2化学试剂 氢氧化钠或碳酸钙、盐酸或硫酸、过氧化氢、石油醚或丙酮等。3设备 搅拌锅、框蓝离心机、鼓风式干燥箱、超微粉碎机等。4基本工艺流程 原料清洗粗粉碎热水处理碱处理漂洗至中性酸处理漂洗至中性成品过筛粉碎干燥滤渣离心或过滤 5工艺说明（以麦麸纤维的制备工艺为例）（1）热水处理：原料与水按重量比1:10添加，于60加热60min，边加热边搅拌。（2）碱处理：往上述原料中加入2%氢氧化钠，pH 12，30条件下搅拌提取2h。（3）漂洗：用尼龙布过滤，用流动水漂洗至中性。（4）酸处理：加水于滤渣中，固 ：液比为1:10，用盐酸调pH 至2，30条件下处理2h。然后冷却至室温。（5）漂洗：用尼龙布过滤，用流动水漂洗至中性。（6）干燥：滤渣于70、0.067Mpa真空干燥。（7）粉碎和过筛：干燥后的纤维用粉碎机粉碎，过100目筛，即得浅黄色的膳食纤维。为了改善膳食纤维的感官性状，提高白度，对颜色较深的膳食纤维还需要进行脱色，可使用的脱色剂有H2O2，Cl2，漂白粉，活性炭等，采用最多的是H2O2氧化脱色法。玉米皮纤维的最佳脱色条件为H2O2用量5%，三聚磷酸钠/磷酸氢二钠等量混合液用量1.5%，pH 10， 55，2h；豆渣纤维的最佳脱色条件为H2O2用量5%，三聚磷酸钠/磷酸氢二钠等量混合液用量1.5%，pH 10， 55，4.5h；果蔬纤维的最佳脱色条件为H2O2用量6%，三聚磷酸钠/磷酸氢二钠等量混合液用量1.5%，pH 57， 30，10h等。（四）酶法制备不溶性膳食纤维1原理 在原料中分别加入淀粉酶和蛋白酶，酶解原料中的淀粉和蛋白质，然后加热灭酶，经烘干、粉碎得到膳食纤维成品。2酶 -淀粉酶（或-淀粉酶加糖化酶）、中性（或碱性）蛋白酶。3设备 生化反应罐、真空干燥箱、超微粉碎机等。4基本工艺流程原料清洗粗粉碎水处理除植酸分解蛋白质分解淀粉灭酶 漂洗成品过筛粉碎干燥滤渣离心或过滤5工艺说明（以麦麸纤维的制备工艺为例）（1）水处理：将55的热水和原料放入反应罐中，固 ：液比例1:7为宜，用H2SO4调节pH为5.0，混合液搅拌6h，植酸被存在于原料中植酸酶分解。（2）分解蛋白质：用NaOH将上述除去植酸混合液pH调节到6.0，加入中性（或碱性）蛋白酶，温度维持在60，2h。（3）分解淀粉：将反应液温度升高到70，加入-淀粉酶（或-淀粉酶加糖化酶），在pH 6.0的条件下反应1h。（4）灭酶：将温度升高到95100保持0.5h。（5）漂洗：用尼龙布过滤，用流动水漂洗。（6）干燥：滤渣于70、0.067Mpa真空干燥。（7）粉碎和过筛：干燥后的纤维用粉碎机粉碎，过100目筛，即得浅黄色的膳食纤维。（五）发酵法制备不溶性膳食纤维 1原理 利用微生物发酵，消耗原料中碳源、氮源，以消除原料中的植酸、减少蛋白质、淀粉等成分制备膳食纤维，从而改善膳食纤维的持水力等物化特性，达到提高膳食纤维生理功能的目的。 2辅料 脱脂奶粉、砂糖； 3菌种 保加利亚乳酸杆菌、嗜热链球菌； 4设备 磨浆机、高压灭菌锅、发酵罐、真空干燥箱、超微粉碎机等。 5基本工艺流程 制备生产发酵剂 原料选剔清洗磨浆调料装罐灭菌冷却接种培养脱水成品过筛粉碎干燥漂洗发酵渣 6工艺说明（1）磨浆：磨浆时，水与原料按重量比2 ：1添加，然后将渣、汁混合均匀。（2）调料：往原料浆中加入1%2%的脱脂奶粉和1%的砂糖，搅拌溶解。（3）灭菌：将混合的原料浆装入瓶中，用90的水浴加热15min，然后快速冷却至室温。（4）制备生产发酵剂：取合格的脱脂奶粉、砂糖和原料汁等调匀，分装于试管中，置于高压灭菌锅中120、15min灭菌。选择产酸适宜、风味良好的保加利亚乳酸杆菌和嗜热链球菌，分别接种于上述培养基中，经23次接代培养，然后扩大培养，制成生产发酵剂。（5）接种：按比例1：1加入已制备的保加利亚乳酸杆菌和嗜热链球菌的生产发酵剂，接种量为3%4%。（6）培养：在40的恒温培养箱中培养20h左右，当pH值为3.94.1时取出。（7）脱水和漂洗：将发酵好的原料浆脱水，发酵渣用流动水漂洗至中性。（8）干燥：发酵渣于70、0.067Mpa真空干燥。（9）粉碎和过筛：干燥后的纤维用粉碎机粉碎，过100目筛，即得浅黄色的膳食纤维。（六）乙醇沉淀法制备可溶性膳食纤维1原理 将不溶性纤维制备过程中产生的滤液或发酵液收集，加入乙醇使可溶性纤维沉淀，通过离心，弃去上清夜，即得到可溶性纤维。2试剂 三氯醋酸、乙醇等。3设备 储罐、离心机、喷雾干燥器等。4基本工艺流程滤液或发酵液调pH三氯醋酸处理渗析搅拌乙醇处理储存过夜成品干燥再溶于水沉淀物离心沉淀5工艺说明（1）调pH：用浓醋酸调pH为中性。（2）三氯醋酸处理：加入100%三氯醋酸100mg/L，搅拌。（3）乙醇处理：按1:4比例加无水乙醇，4条件下存放过夜。（4）离心沉淀：3000rpm离心10min，去上清液。（七）膜浓缩法制备可溶性膳食纤维1原理 将不溶性纤维制备过程中产生的滤液或发酵液收集，经超滤浓缩即得到可溶性纤维。2设备 离心机、超滤器、超滤膜等。3基本工艺流程滤液或发酵液调pH离心沉淀上清夜超滤成品 4工艺说明（1）调pH：用盐酸将pH调至4.5。（2）离心沉淀：4000rpm,离心20min，弃去沉渣蛋白。（3）超滤：取上清液进行超滤，采用聚砜酰胺膜为超滤膜，分子截流量10KD或更小，操作压力0.25MPa，操作温度5060。（八）挤压膨化法制备可溶性膳食纤维1原理 使原料在挤压膨化设备中受到高温、高压、高剪切作用，物料内部水分在很短的时间内迅速汽化，纤维物质分子间和分子内空间结构扩展变形，并在挤出膨化机出口的瞬间，由于突然失压造成物料质构的变化，形成疏松多孔的状态，再进行粉碎、溶解、浓缩等工序制得可溶性纤维。2设备 双螺杆挤压机、锤片粉碎机、离心机、冷冻干燥机、干燥箱等3基本工艺流程 沉淀物 原料粗粉碎挤压粉碎过筛水提取离心沉淀上清夜过滤 冷冻干燥成品干燥精制4工艺说明（1）粗粉碎：将原料粉碎至平均粒度为500m。（2）挤压：使用Clextral BC45型双螺杆挤压机进行挤压，螺杆转速200250rpm，物料水分16.8%，进料量20Kg/h,要求保持恒定不变。挤压温度150。（3）粉碎与过筛：采用锤片粉碎机进行粉碎，锤片线速率为100m/s，粉碎物过1mm筛孔的筛子。（4）水提取：在粉碎物中加水，使固 ：液比为1 ：3，搅拌30min。（5）离心沉淀：3000rpm，离心15min，取沉渣重复上述水提取3次，收集3次提取的上清夜合并。（6）过滤：提取液经G-40多孔玻璃器过滤浓缩。（7）冷冻干燥：-40条件下预冷2h，然后在-60冷冻干燥机中干燥24h，真空压力0.20Mpa。（8）精制：冻干物用乙醇和丙酮反复清洗。（9）干燥：40条件下干燥过夜。（十）淀粉转化法制备可溶性膳食纤维1原理 淀粉经水解反应变成较小分子的糊精，又通过葡萄糖基转移反应，使葡萄糖单位间-1.4键断裂，生成-1.6键的支链分子，不放出水分，然后加入淀粉酶使糊精进一步水解成-极限糊精，-极限糊精又通过复合反应聚合成低聚糖类成为可溶性膳食纤维。2原辅料 马铃薯淀粉、-淀粉酶、HCl、NaOH等。3设备 搅拌机、真空干燥箱等4基本工艺流程淀粉原料酸处理预干燥焙烤调乳酶解灭酶脱色过滤成品干燥浓缩离子交换滤液 5工艺说明（1）酸处理：将原料浸于0.1%HCl溶液中，使固 ：液比为1 ：2，搅拌30min。（2）预干燥：经120干燥12h，使酸化淀粉水分含量达到1%5%。（3）焙烤：于180条件下焙烤3h，促进葡萄糖基转移反应和聚合反应。（4）调乳：用NaOH调节pH值至6.36.5,干物质含量为30%40%。（5）酶解：加入-淀粉酶，酶与底物比1/50，在9095条件下反应1h。（6）灭酶：加温至120作用10min。(7) 脱色：加适量活性炭，在7080条件下反应30min，然后过滤。(8) 离子交换：滤液通过离子交换树脂，流量为3.754.30ml/ml树脂。(9) 干燥：7080真空干燥。三、膳食纤维在功能食品中的应用由于膳食纤维具有的独特生理功能以及在食品营养和临床医学上的重要作用，使得膳食纤维在食品工业中得到了广泛的应用。日本膳食纤维制品年销售额约100亿美元，欧美市场年销售额约200亿美元。我国膳食纤维的研究已较深入，高膳食纤维制品日益增多，而且还有逐年上升的趋势。（一）在焙烤食品中的应用膳食纤维在焙烤食品中的应用最为广泛。主要产品有高膳食纤维面包、蛋糕、饼干、桃酥、脆饼等。几乎所有种类的膳食纤维都可添加到焙烤食品中，添加了膳食纤维，能改变产品的质构，提高持水力，增加柔软性和疏松性，防止储存期变硬。一般膳食纤维的添加量为5%6%，不要超过10%，否则会引起面团流变学特性改变，如面团形成时间延长，面团醒发速度减慢，面团稳定性下降，产品质地口感恶化。为避免添加膳食纤维后，产品出现上述问题，可以适当使用些品质改良剂，如添加活性面筋粉、氧化