豆类作为常见的粮食作物之一,在我国有广阔的种植面积,种植种类也很丰富,包括大豆、鹰嘴豆、豌豆、黑豆等[1]。豆类中含有丰富的营养物质,如蛋白质、多糖、膳食纤维等[2]。膳食纤维(dietary fiber,DF)是一种重要的活性成分,大量研究表明膳食纤维具有降血糖、降血脂、抑制致病菌增生、改善肠道功能以及吸附人体内有毒成分等生理功能[3],对高血糖、高血脂、便秘、肠癌等疾病具有辅助治疗作用。不同膳食纤维根据其在水溶液中的溶解性,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)。豆类中不溶性膳食纤维的含量较高,其中,大豆中IDF 含量为24%、鹰嘴豆中IDF 含量为14%[4]、豌豆中IDF 含量为10%~15%[5]、黑豆中IDF 含量为10%左右[6]。不溶性膳食纤维主要存在于豆类加工过程中产生的豆渣及种皮中,有研究显示,不溶性膳食纤维在面粉制品、肉制品和乳制品等食品加工方面应用较多,但总体利用率不高。通过对豆类IDF 的提取方式及生物活性进行研究,可提高豆类IDF 的利用率。本文对豆类中IDF 的提取方法、理化性质、生物活性以及加工应用4 个方面进行综述,总结现有研究结果,以期为豆类不溶性膳食纤维产品的开发利用提供参考。
提取豆类中IDF 的主要方法包括化学法、发酵法、酶法以及多方法辅助提取法等,不同提取方法对IDF提取率、产品品质等的影响均不同。
化学法提取豆类中的IDF,是将豆类进行粉碎、脱脂后加入酸碱试剂进行处理,而后通过压滤、烘干、粉碎、过筛从而得到IDF。化学法一般包括酸法、碱法和酸碱共处理法等,常以盐酸及NaOH 溶液为酸碱试剂对原料进行处理。高粉云等[7]利用酸法提取白芸豆中不溶性膳食纤维,得率最高可达53.9%。陈革等[8]利用碱法提取的大豆IDF 的纯度和产率为71.84%和77.90%。尚永彪等[9]利用酸碱共处理法提取豆渣中不溶性膳食纤维,所得膳食纤维纯度为78.3%。对比3 种提取方法,酸法提取所得IDF 的产率和纯度较高,但产品色泽深、有异味、吸水溶胀性差;碱法所得产品质量较高,但制备时间较长、废料较多;酸碱共处理法可以改善酸法和碱法存在的问题,但影响因素较多,操作复杂,容易造成产品得率波动较大的问题[10]。研究结果表明,化学提取法虽具有操作简单、生产成本较低的优点,但存在提取过程中对产品品质的损害较大、不利于环境保护等问题,因此,化学法已不再是常用的IDF 提取方法。
发酵法是利用微生物发酵产生酸,并分泌产生酶,在酸性环境下分解原料中的蛋白质、脂肪、淀粉等杂质[11],以达到提取IDF 的目的。常用于发酵法的菌种有红曲霉、乳酸菌等微生物以及杏鲍菇、平菇等可食用菌类,利用发酵法提取豆类IDF,可在一定程度上提高其得率以及持水力、持油力、膨胀力等理化特性[12]。Sun 等[13]利用红曲霉发酵生产豆渣膳食纤维,结果表明红曲霉发酵所得的豆渣膳食纤维中,IDF 的含量虽略有下降,但是其持水力和膨胀率与未经发酵处理的豆渣膳食纤维相比均有所上升,这说明红曲霉发酵提取可以提高豆渣IDF 的功能特性。发酵法除用于IDF的提取外,还常用于IDF 的改性。Vong 等[14]利用解脂耶氏酵母对豆渣IDF 进行发酵改性,改性后IDF 的抗氧化活性有所提高。Bao 等[15]利用马克斯克鲁维酵母C21 对豆渣进行发酵改性,所得产品的结构特性和乳化特性均有所改善,可作为皮克林乳液的乳化剂。综上所述,利用发酵法提取豆类IDF 或用于IDF 的改性可提高IDF 的提取率及其功能特性,但对于提取率的提高效果不如其改善IDF 功能特性的效果好。因此,发酵法多用于IDF 的改性而非提取。发酵法对反应条件要求较高,在选择时需考虑成本因素。
酶法是利用不同的酶针对性地去除原料中的非膳食纤维成分,如蛋白质、脂肪、淀粉等,从而得到较高纯度的IDF,提取中常见的酶类有蛋白酶、脂肪酶、α-淀粉酶等。酶法提取豆类IDF 可以分为利用单一酶提取和利用复合酶提取两种。郎佳雪[16]利用碱性蛋白酶对大豆豆渣IDF 进行提取,得到的大豆IDF 纯度为93.35%。大多数利用酶法提取豆类IDF 的试验中均使用复合酶对原料中的多种成分进行处理。Zhang等[17]利用α-淀粉酶、淀粉糖苷酶、木瓜蛋白酶提取豌豆膳食纤维和绿豆膳食纤维,提取率分别为68.89%和74.02%。吴星会等[18]使用胰蛋白酶和糖化酶对大豆种皮IDF 进行提取,提取率为72.18%。Lyu 等[19]用耐热α-淀粉酶、中性蛋白酶以及淀粉糖苷酶对豆渣IDF 进行提纯,得到了纯度为91.25%的高纯度IDF。利用酶法提取IDF 的反应条件温和、产品活性高、对环境友好、提取率较高,成本虽相较于化学法较高,但仍成为现如今常见的提取方法。
多方法辅助提取法是将化学法、酶法、超声处理法等多种提取方法联合使用,以此来提高IDF 提取效率的方法,如将化学法与酶法进行结合、超声处理与化学法结合、超声处理与酶法结合等。传统单一的提取方法存在提取条件要求高、提取率低或产品品质较差等问题,而多种方法结合可以弥补单一方法所带来的局限性,但由于反应条件较为复杂、生产成本也相应更高。表1 列举了近几年常见的多方法辅助提取豆类中IDF 的方法,主要包括超声辅助酶提取法、超声辅助碱法、超声辅助酸法等。超声波具有空穴效应和机械效应,能够破碎原料的细胞壁,使有效成分更多地析出,从而提高提取率[20]。目前超声波普遍用于辅助其他提取方法,其中超声辅助化学法处理可以达到较高的提取率,同时能够显著缩短反应时间,提高产品的生产效率。
表1 多方法辅助提取法
Table 1 Multi-method assisted extraction method
制备方法超声辅助酶提取法超声辅助碱法超声辅助酸法原材料大豆豆渣豆渣豌豆豆渣最佳工艺条件木瓜蛋白酶用量0.3%、酶解温度50 ℃、酶解时间90 min、pH5.0氢氧化钠(0.05 mol/L);超声功率450 W碱液浓度1.2 mol/L;时间30 min;振幅30%液料比35∶1(mL/g),超声功率强度600 W/g,超声温度50 ℃,超声时间50 min提取率/%62.50 74.43 63.92 92.11参考文献[21][22][23][24]
豆类IDF 的化学结构主要由纤维素、半纤维素及木质素组成,在胃肠道中会部分水解,生成以半乳糖、阿拉伯糖、半乳糖醛酸和木糖为主的单糖成分,这些单糖对机体有益。不同豆类其单糖组成有所不同,大豆膳食纤维以半乳糖为主要单糖成分,还含有阿拉伯糖、葡萄糖等[25];黑豆种皮IDF 以甘露糖为主要成分,还含有半乳糖、阿拉伯糖等;黑豆子叶IDF 以甘露糖为主要成分,还含有半乳糖、阿拉伯糖等[26]。在物理结构层面,豆类IDF 的微观结构以表面光滑的多面立体形状为主,聚集度较低,纯度较低的豆类IDF 由于蛋白质、多糖等与膳食纤维结合,导致其粒径变大、聚集度升高、颗粒表面相对粗糙且有较多沟壑[22]。不同的机械处理方法对豆类IDF 的微观结构有显著影响,例如,通过振荡球磨处理的IDF 其颗粒呈现弥散状,平均粒径为28.06 μm,是未处理IDF 的22.83%;通过微射流均质技术处理的IDF 其颗粒呈现丝簇状,平均粒径为7.34 μm,是未处理IDF 的5.97%[27]。通过空化微射流技术对豆渣IDF 进行处理,使其粒径由2.11 μm 缩小至1.78 μm,比表面积由0.461 m2/kg 增加到0.808 m2/kg[28]。
持水力是指食品保水的能力,持油力是指食品吸附油脂的能力,膨胀力是指食品吸收液体后体积变化的能力。对豆类IDF 持水力、持油力和膨胀力的评价能够反映出豆类IDF 的物理化学特性。豆子的种类和IDF 机械处理方式均影响豆类IDF 的理化性质。在豆子种类方面,对比常见的大豆、小豆和绿豆的理化性质,结果发现,绿豆皮IDF 的持水力和膨胀力最高,分别为5.66 g/g 和5.20 mL/g;小豆种皮IDF 的持油力最高,为3.37 g/g;大豆豆渣IDF 与其他杂豆类IDF 相比,持水力、持油力较差,分别为1.63 g/g 和0.82 g/g,但膨胀力为4.00 mL/g,与绿豆皮IDF 的膨胀力相当[29-31]。不同机械处理方式均能增强豆类IDF 的持水力、持油力和膨胀力。Naumann 等[32]对羽扇豆IDF 进行挤压处理,结果发现通过挤压后豌豆IDF 持水力由(7.71±0.08)mL/g 提高至(15.04±0.43)mL/g。Yin 等[33]发现通过球磨和高压均质处理的大豆IDF 的持水力为18 g/g、膨胀力为72 mL/g,与未经处理的大豆IDF 相比均有所升高。Ullah 等[34]利用高能湿法研磨对豆渣IDF 进行处理,结果发现豆渣IDF 的膨胀力由6.2 g/g 增加到40.3 g/g,水溶指数由16.4 g/100 g 提高到33.1 g/100 g。
豆类IDF 具有抗氧化活性,对于延缓脂质的氧化、延长食品的保质期具有积极作用。Zheng 等[35]发现绿豆种皮膳食纤维中的结合多酚能够清除与1,1-二苯基-2-苦肼基(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl,DPPH)自由基、吸收氧自由基以及抑制2,2′-偶氮-酰胺丙烷(2,2'-azobis-amidinopropane,ABAP)活性,绿豆种皮膳食纤维与多酚类物质相结合,增强了其抗氧化能力。除此之外,膳食纤维还可以通过提高血清超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)和谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)等抗氧化酶活性来达到抗氧化的目的。另外,机体内许多氧化反应进程中都有过渡金属离子的参加,膳食纤维可以螯合金属离子,阻碍氧化反应进程,从而起到抗氧化作用,邵娟娟等[36]对豌豆种皮IDF 的抗氧化性质进行研究,结果表明豌豆种皮IDF 对铁离子具有螯合能力。铁离子作为过渡金属离子能够催化哈伯-韦斯反应,产生自由基,而豌豆种皮IDF 对铁离子的螯合能力可以阻止这一反应的发生,从而起到抗氧化的作用。IDF 的抗氧化性主要是由于其组成单糖残基上具有游离羧基、羟基和氨基等侧链基团[37],这些基团均能作为供氢体,与食品中的自由基反应形成相应的离子或分子,终止自由基的链式反应以达到抗氧化的作用。
由于工业发展导致的环境污染,使食品中存在镉、铅、铜等重金属元素残留,这些重金属元素随食物进入人体后会在人体中积累,对人体健康产生影响,严重的可能会危及生命。IDF 的主要成分为纤维素与半纤维素,其疏松多孔的结构对重金属有较强的吸附能力[38]。IDF 对重金属元素的吸附可分为物理吸附和化学吸附两种方式。其中,物理吸附主要受IDF 的比表面积、颗粒大小、空隙率等因素的影响[39],Lyu 等[40]对发酵前后高纯度豆渣IDF 的微观结构及重金属吸附能力进行对比研究,结果得出发酵后的豆渣IDF 与发酵前相比粒径减小、比表面积增大,其吸附能力也比发酵前有所增强,结果为Cd2+:1.82 μmol/g、Pb2+:1.91 μmol/g、Zn2+:1.30 μmol/g、Cu2+:0.68 μmol/g。而化学吸附则受其所处环境pH 值的影响,王欢等[41]对模拟肠道和胃环境中大豆膳食纤维对重金属离子的吸附能力进行检测,结果得出在小肠环境中,大豆膳食纤维对重金属离子的吸附力较强。周崇银等[42]研究发现,在模拟肠道环境中IDF 的重金属吸附能力比在模拟胃液环境中IDF的重金属吸附能力强,这可能是因为在酸性环境中,溶液中较多的氢离子会影响金属离子与活性基团之间的结合,而当所处环境的pH 值升高时,活性基团发生去质子化反应并带负电[43],更有利于与金属离子结合,从而达到较好的吸附效果。
3.3.1 降血脂活性
高血脂症是中老年人群中的常见疾病,但现在患者群体越来越趋于年轻化,人们对其重视程度也有所提高。高血脂症可直接引起动脉粥样硬化、冠心病等疾病,严重危害人体健康[44]。豆类IDF 所具有的降血脂活性,可以在一定程度上降低人体内血脂水平,保护人体健康,具体见图1。
图1 豆类IDF 降血脂机理
Fig.1 Mechanism of IDF from legumes in lowering blood lipids
如图1 所示,IDF 的降血脂活性实现的途径主要有以下3 种:一是通过降低胶束胆固醇的溶解度来减少胆固醇的吸收,二是抑制胆固醇的摄取来减少胆固醇的吸收[45],三是自身吸附和结合胆固醇。其中胆汁酸可以辅助膳食纤维吸收胆固醇,膳食纤维也可以与胆汁酸结合以防止胆固醇被消化吸收[46]。另外,大豆IDF 可以通过上调PPARα、CYP4a10 和CPT1a 基因水平来刺激脂肪分解,以改善肝脏脂肪变性[47]。Dai 等[48]用含有100 g/kg豆渣膳食纤维的食物喂养高脂肪饮食的小鼠,并对其生理指标、脂肪分布以及血清代谢情况进行检测,结果发现,膳食纤维喂养的小鼠与无膳食纤维喂养的小鼠相比,体质量降低,胆碱、磷脂酰胆碱、甘油磷脂酰胆碱、葡萄糖、赖氨酸、镰刀磷脂以及谷氨酸的水平升高,总胆固醇、总甘油三酯、ω-6 脂肪酸、丙氨酸、柠檬酸盐、肌酸盐或琥珀酸的含量均显著下降。另外,膳食纤维还可以提高激素敏感性脂肪酶的活性,使脂肪更快被分解。Wang 等[49]研究发现,补充大豆IDF 可以降低血清脂质的水平,从而抑制肝脏脂肪的积累。
3.3.2 降血糖活性
现代社会由于人们饮食结构的变化,高糖食品摄入量增加,糖尿病的患病人数也逐年增加,糖尿病作为一种常见的慢性疾病,对人体健康危害极大[50]。α-淀粉酶可将摄入的淀粉分解为可供人体吸收的葡萄糖,豆类IDF 可以抑制α-淀粉酶活性,减少淀粉的分解,从而起到降血糖的作用[34]。在人体内IDF 包裹住了淀粉和酶,使它们之间的接触减少[51],另外IDF 多孔的空间结构可以对酶进行有效吸附,从而降低酶活性,减少体内葡萄糖的产生以达到降血糖的作用。李菁等[52]对豆渣IDF 的降血糖活性进行研究,结果表明超微粉碎和胶体磨处理后的豆渣的葡萄糖吸附能力、α-淀粉酶抑制作用均显著提高。DF 进入动物体内后,吸水膨胀形成凝胶,增加肠道内容物的黏度[53],延长胃排空时间,缩短食物在肠道中停留的时间,从而抑制营养物质的吸收,使葡萄糖进入小肠上皮细胞的速度下降,延缓葡萄糖的吸收速度,从而降低空腹血糖水平。豆类DF 可以提高动物体内血清肝糖原质量浓度和胰岛素的含量,胰岛素可以抑制体内葡萄糖的产生、刺激动物体内组织摄取葡萄糖并提高肝糖原的合成能力,从而达到降血糖的效果,佐兆杭等[54]利用糖尿病大鼠模型灌胃的方法对杂豆DF(芸豆、黑豆、绿豆的质量比为1∶1∶1)的降血糖功效进行检测,结果得出,各灌胃组大鼠的空腹血糖值均有显著下降、体内肝糖原和胰岛素含量均上升、糖化血清蛋白含量下降。综上所述,豆类IDF 具有降血糖的作用。
膳食纤维是一种崭新的食品配料和活性成分。豆类IDF 可作为功能性食品添加剂,以达到改善食品的理化性质及增加食品营养功能的作用。
豆类IDF 可以改善烘焙制品的吸水性、柔软度、失重率等理化性质,延长其货架期,并且可以减少烘焙食品中油脂的用量,从而减少人们因食用烘焙食品而摄入的油脂,满足特殊人群对烘焙食品的需求。杨艺[55]利用添加有不同来源IDF 的面粉制作面包,并对面包的品质进行对比研究,结果发现豆类IDF 可以提高面团的吸水率、硬度及咀嚼性,这主要是由于豆类膳食纤维可以使面粉中的面筋蛋白持水率增高、二硫键含量降低,从而影响面团的流变性质。另外,豆类膳食纤维的添加还影响了面粉的糊化特性,使其黏度降低、热稳定性提高、老化程度降低。由此可见,豆类IDF 的添加可以延缓面包中水分减少的速度,延缓其老化,从而达到延长面包货架期的目的。Niño-Medina 等[56]将大豆膳食纤维和鹰嘴豆膳食纤维分别加入面包中,并以未加膳食纤维的面包为对照组,对不同组的面包进行成分和性质的检测,结果得出在面包中加入豆类膳食纤维可以降低面包的失重率和硬度,其总酚含量也远高于未添加膳食纤维的面包,同时增强了其抗氧化能力,延长其货架期。除了烘焙食品外,豆类IDF 也可添加到其他面粉制品中,以提高产品品质。马亚茹[57]将豌豆皮膳食纤维与小麦面粉混合制成面条,随着混合粉中豌豆皮膳食纤维含量的增加,面条的拉伸阻力、硬度、胶着性及咀嚼性不断增加,使不稳定的β-折叠和α-螺旋结构转化为较为稳定的β-转角结构,使面条更有韧性,口感更加筋道,解决了杂粮面条容易断、口感不好的问题。
豆类IDF 作为食品添加剂加入肉制品中不仅可以改善肉制品的理化性质,还可以吸附肉制品加工过程中产生的亚硝酸盐,使其不在体内产生致癌物质并弥补肉制品的某些营养功能的缺失。膳食纤维还可以作为黏合剂、乳化剂等食品添加剂加入到肉制品中,以改善肉制品的持水力、乳化稳定性、剪切力等[58],提高肉制品产量,从而提高经济效益。Kehlet 等[59]将豌豆膳食纤维添加到香肠和肉丸中,结果得出添加豌豆膳食纤维的香肠和肉丸其含水量、黏度、咀嚼时间等均有所改善。在香肠的加工过程中加入脂肪可以改善香肠风味、口感、提高其加工适性,但大量的脂肪摄入会损害人体健康,因此可选用脂肪替代品代替脂肪进行香肠的加工。
亚硝酸盐进入人体内与胃酸反应会产生具有致癌作用的N-亚硝基化合物,IDF 中的酚酸基团对亚硝基的吸附作用,可以阻止其与胃酸进行反应,从而减少致癌物质的产生。马嫄等[60]研究发现,由于豆类IDF 对食品中的有害物质具有吸附作用,因此将鹰嘴豆膳食纤维添加到午餐肉中,可以吸附午餐肉在制作过程中产生的亚硝酸盐,以降低午餐肉中的亚硝酸盐含量。Viuda-Martos 等[61]对柑橘膳食纤维减少肉制品中亚硝酸盐能力进行检测,结果发现,在柑橘膳食纤维添加量为2% 时,可以将肉制品中亚硝酸盐副产物残留量降低(61.14±2.33)%。豆类IDF 所具有的降血脂、吸附胆固醇等生物活性,可以弥补肉制品部分营养功能的缺失,将膳食纤维替代肉制品中部分成分加入肉制品中,既不会影响肉制品的感官性质,又可以增加肉制品的营养功能。
豆类膳食纤维在酸乳的加工过程中因其特殊的微观结构,使酸乳的持水力和稳定性提高、产品性质更加稳定、货架期延长。大豆膳食纤维能够加快牛奶的酸化进程,缩短酸乳的发酵时间。大豆膳食纤维的添加对酸乳的口感和风味影响较小,大豆膳食纤维所具有的膨胀力使其在酸乳加工过程中能够锁住更多的水分,提高酸乳的持水力[62]。刘萍[63]在酸乳发酵过程中加入大豆膳食纤维粉,并对大豆膳食纤维酸乳进行微观结构和风味的分析,发现添加大豆DF 的酸乳具有规则、紧密、均匀的网状结构,这种结构可以有效地保留水分,从而提高酸乳的持水性、稳定性,进而改善酸乳的品质。另外,添加大豆膳食纤维的酸乳较其他酸乳而言,其后酸化得到延缓,货架期延长。Tomic 等[64]对添加黑小麦IDF 的酸乳进行感官评价,结果表明,黑小麦IDF 的加入增加了酸乳的颗粒感,使酸乳的口感更加丰富,消费者对添加黑小麦IDF 的酸乳接受度较高。
豆类是常见的粮食作物,其丰富的营养及优良的功效受到越来越多人的关注,在人们日常饮食以及食品加工中应用甚广。但豆类加工利用过程中产生的豆渣、豆粕及种皮等副产品的利用率较低,利用酶法和多方法辅助提取法可从豆类生产副产品中提取出纯度较高的IDF,可用作食品添加剂以改善面粉制品的品质、提高肉制品的营养价值以及延长乳制品的货架期等。目前,对于IDF 的功能特性研究主要集中于降血糖、血脂活性以及重金属吸附能力等功能特性,对于其作用机制的研究并不深入。因此,进一步提高豆类IDF 的利用率,深入挖掘豆类IDF 的生物活性,并阐明其作用机制,从而促进豆类IDF 在食品、医药等方面的高值化开发是未来研究的主要方向。
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