汪 楠,黃 山,張 月,鄭 炯

(西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院,食品科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,重慶 400715)

竹筍是中國(guó)傳統(tǒng)佳肴,味香質(zhì)脆,食用和栽培歷史悠久,富含蛋白質(zhì)、膳食纖維、碳水化合物、氨基酸、礦物質(zhì)、無(wú)機(jī)鹽等多種營(yíng)養(yǎng)成分[1],是人們喜愛(ài)的一種綠色森林蔬菜。中國(guó)是目前世界上最主要的竹筍種植國(guó)家,其每年生產(chǎn)的竹筍約60%需進(jìn)行加工處理。竹筍加工過(guò)程中,竹筍殼、筍頭和筍腳等部分目前通常作為加工副產(chǎn)物被隨意丟棄,而這些竹筍加工副產(chǎn)物中含有豐富的膳食纖維(Dietary fiber,DF),是一種來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉和綠色天然的潛在DF資源。

DF具有控制體重、改善便秘、降低血糖以及促進(jìn)腸道健康等多種生理功能[2]。目前,隨著人們生活水平的提高及對(duì)健康更加重視,使得DF在國(guó)內(nèi)外均具有廣泛的市場(chǎng)。竹筍及其加工副產(chǎn)物作為DF的豐富來(lái)源,越來(lái)越受到研究者的關(guān)注。目前,已有研究將竹筍來(lái)源的DF應(yīng)用于肉制品、果醬、面團(tuán)和乳制品等食品中[3]。根據(jù)水溶性,DF被分為可溶性膳食纖維(Soluble dietary fiber,SDF)和不溶性膳食纖維(Insoluble dietary fiber,IDF),SDF和IDF的比例對(duì)DF的生理功能和加工特性有重要作用,30%～50% SDF和50%～70% IDF被認(rèn)為是一個(gè)平衡的比例[4]。然而,竹筍膳食纖維(Bamboo shoot dietary fiber,BSDF)大約由8%的SDF和92%的IDF組成[5]。因此,通過(guò)改性技術(shù)提高BSDF中SDF的含量對(duì)其品質(zhì)的提升有重要意義。

化學(xué)法、生物法和物理法是常用的改性DF的方法,其中化學(xué)法主要是通過(guò)酸或堿的作用來(lái)改性DF,生物法主要通過(guò)酶的降解和微生物發(fā)酵來(lái)改性DF,物理改性技術(shù)包括微波、超微粉碎、超聲波、擠壓、微流態(tài)化、高溫蒸煮等。近年來(lái),許多文獻(xiàn)報(bào)道了以上技術(shù)應(yīng)用于BSDF的改性研究中。因此,本文就這些改性技術(shù)的基本原理及其對(duì)BSDF理化性質(zhì)、生理功能和結(jié)構(gòu)的影響等方面進(jìn)行全面系統(tǒng)的論述,旨在為BSDF的開(kāi)發(fā)與利用提供參考。

1 BSDF的理化性質(zhì)

1.1 水合性質(zhì)

BSDF的水合性質(zhì)包括持水力、膨脹力和結(jié)合水力。良好的水溶性對(duì)DF的應(yīng)用有著重要影響,DF的水溶性與其親水基團(tuán)密切相關(guān)。持水力代表BSDF受到外力作用時(shí)保持水分的能力,有研究發(fā)現(xiàn)BSDF中SDF含量越高,持水力就越強(qiáng),顆粒尺寸、表面特性和加工技術(shù)等條件均可影響持水力。膨脹力是DF吸收水的體積和DF重量之間的比率,膨脹力與SDF含量有關(guān),可溶性成分增加,膨脹力增大[6]。DF的結(jié)合水力受DF顆粒大小、溫度以及DF分子的物化結(jié)構(gòu)、pH和周圍流體電解液濃度等的影響[7]。Luo等[8]研究發(fā)現(xiàn)竹筍中SDF的持水力最高為7.10 g/g,而IDF和總膳食纖維的持水力分別為2.83和5.90 g/g。

1.2 持油力

BSDF的持油力是指DF防止脂肪和油脂流失的能力,與DF顆粒的表面特性、疏水性和總電荷密度有關(guān)。通過(guò)外力的作用使DF緊密的結(jié)構(gòu)變得松散,孔隙增多,更多的親脂基團(tuán)暴露,使持油力得到改善。研究表明,BSDF具有良好的持油力,其可以在消化系統(tǒng)中結(jié)合脂肪從而降低血清膽固醇水平[9]。Ge等[10]認(rèn)為擠壓處理后BSDF持油力的降低是部分多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和表面親脂基團(tuán)被破壞所致。

1.3 陽(yáng)離子交換和吸附能力

陽(yáng)離子交換能力主要是DF中的羧基和羥基基團(tuán),產(chǎn)生與弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂類似的功能,并與陽(yáng)離子可逆地相互作用[11]。陽(yáng)離子交換能力的增加通過(guò)降低離子吸收容量和改變離子的濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。pH和滲透壓會(huì)影響B(tài)SDF的陽(yáng)離子交換能力。DF與腸道中的K+、Na+結(jié)合,可以降低由于Na+、K+攝入過(guò)量而導(dǎo)致的多種疾病[12]。對(duì)亞硝酸鹽、膽固醇、葡萄糖、金屬離子的吸附能力是DF的一個(gè)重要特性,對(duì)亞硝酸鹽的吸附有助于防止過(guò)量亞硝酸鹽對(duì)人體的毒害,結(jié)合小腸中的膽汁酸和膽固醇從而有較好的降血脂作用,對(duì)葡萄糖的吸附可以延緩或減少葡萄糖在胃腸道的消化吸收,對(duì)降血糖起著重要的作用[11]。Song等[13]發(fā)現(xiàn)改性后的BSDF葡萄糖吸附能力為158 mg/g,膽固醇吸附能力分別為9.8(pH=2)、11.4 mg/g(pH=7),亞硝酸鹽離子吸附量分別為29(pH=2)和21 μg/g(pH=7)。

1.4 粒徑和電位

粒徑在DF的功能特性中起著重要作用。粒徑大小與DF的表面特性和分散能力密切相關(guān)。隨著粒徑的減小,DF顆粒具有更大的比表面積,更多的功能基團(tuán)被暴露,水合性質(zhì)和吸附能力得到改善[14-15]。電位是測(cè)定水相與附著在浸沒(méi)粒子上的固定相界面處的電位,可用來(lái)預(yù)測(cè)膠體懸浮液的穩(wěn)定性[16],被廣泛用于指示相鄰及帶電膠體之間的靜電斥力程度。物質(zhì)表面電荷與聚電解質(zhì)之間的相互作用有關(guān),粒子表面負(fù)電荷的增加會(huì)加強(qiáng)粒子間的靜電斥力,破壞現(xiàn)有的膠體團(tuán)聚體,并阻止進(jìn)一步的聚集,負(fù)電荷越低,粒子解離程度越大[17-18]。DF粒徑大小和表面電位將影響顆粒間的空間排斥度和靜電力,從而對(duì)DF穩(wěn)定性及其在水懸浮液中的分散和流變行為產(chǎn)生影響[19]。李璐等[20]發(fā)現(xiàn)重壓研磨粉碎和氣流粉碎后,雷竹筍DF粒徑分別降低了84.82%、94.81%。

2 BSDF的改性技術(shù)

2.1 化學(xué)改性技術(shù)

化學(xué)方法是用酸和堿去除竹筍中的淀粉和蛋白質(zhì)等成分,使糖苷鍵斷裂產(chǎn)生新的還原性末端,纖維類大分子的聚合度下降轉(zhuǎn)化成非消化性的水溶性多糖,以此來(lái)提高SDF的含量,進(jìn)而改善DF的理化特性和生理功能[21]。王昕岑等[22]分別優(yōu)化了酸法和堿法提取馬蹄筍頭和筍殼DF的工藝條件?；瘜W(xué)法改性后DF色澤偏白,結(jié)構(gòu)疏松多孔,呈現(xiàn)不規(guī)則的形狀。在酸奶中添加化學(xué)法改性的BSDF,顯著提高了酸奶的粘性[23],DF的水合性質(zhì)、持油力、陽(yáng)離子交換能力、吸附能力均得到提高[24],如表1所示?；瘜W(xué)改性技術(shù)處理簡(jiǎn)單、成本較低,適宜工業(yè)化生產(chǎn),但該法轉(zhuǎn)化效率低,存在食品安全性和環(huán)境污染等問(wèn)題。

2.2 生物酶技術(shù)

生物酶技術(shù)主要是利用酶降解DF,使糖苷鍵斷裂,不溶性糖類水解為可溶性小分子物質(zhì)[25]。常用的生物酶有蛋白酶、淀粉酶、纖維素酶和木聚糖酶等。Wang等[6]用酶法改性的毛竹筍DF的膨脹力、持水力和持油力都有所提升(表1)。DF粒徑最小可達(dá)39.41 μm,表面呈蜂窩狀結(jié)構(gòu),有較多的孔洞和裂紋,與酶法改性馬蹄筍DF的理化性質(zhì)變化一致[26]。Zheng等[27]用酶法改性后的BSDF喂養(yǎng)小鼠,發(fā)現(xiàn)能降低小鼠餐后血糖值,與對(duì)照組相比,SDF、IDF組小鼠血糖水平分別降低30.1%、27.3%。同時(shí),酶解后的BSDF也被證明可以有效改善果醬和大豆蛋白的流變性能和質(zhì)構(gòu)特性[28-29],降低香腸脂肪能力吸收,改善營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和質(zhì)量特性[30]。生物酶技術(shù)反應(yīng)條件溫和、特異性強(qiáng),處理后DF的組成和結(jié)構(gòu)幾乎不受破壞,也不會(huì)造成化學(xué)污染,在食品工業(yè)中具有較高的應(yīng)用潛力[31],但存在改性DF的純化酶價(jià)格較高,以及酶與底物接觸和反應(yīng)不均勻的問(wèn)題。

2.3 發(fā)酵技術(shù)

2.4 擠壓技術(shù)

擠壓技術(shù)是指物料受到高溫、高壓和高剪切力,使得物料的內(nèi)部水分在擠出機(jī)的出口處快速蒸發(fā),在高溫和低水分環(huán)境中,DF中的共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵的斷裂,形成更小和更易溶解的分子片段[37]。Ge等[10]用雙螺旋擠壓技術(shù)對(duì)BSDF進(jìn)行改性,改性后DF的膨脹力和持水力提升,持油力下降,在pH7.0時(shí)擠壓改性DF的膽固醇吸附量高于pH2.0,可能是羥基和羧基等基團(tuán)化學(xué)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致酸性條件下膽固醇吸附能力降低。將擠壓技術(shù)與酶解結(jié)合改性毛竹筍DF,改性后DF的持水力、膨脹力、持油力以及對(duì)膽固醇吸附能力和NO2-吸附能力均高于單獨(dú)擠壓改性[12],而且改性后SDF含量可達(dá)22.17%,SDF被破碎成較小的碎片,具有不均勻、不規(guī)則、粗糙的表面?？梢?jiàn),酶解處理與擠壓改性可能存在協(xié)同作用,未來(lái)可以考慮將擠壓與其他技術(shù)聯(lián)合改性BSDF,可能會(huì)得到更高品質(zhì)的BSDF。擠壓技術(shù)通用性強(qiáng),生產(chǎn)率高,在對(duì)DF改性過(guò)程中,促進(jìn)了大分子和聚合物的降解,DF的消化率和水溶性都得到了充分的提高,具有廣闊的應(yīng)用前景[38]。

2.5 超微粉碎技術(shù)

2.6 超聲波技術(shù)

超聲波技術(shù)是利用超聲波探針的周期性機(jī)械運(yùn)動(dòng)將能量傳遞到流體介質(zhì)中,并產(chǎn)生高溫、壓力和剪切力,破壞DF主鏈中的糖苷鍵,導(dǎo)致DF的結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和功能性質(zhì)發(fā)生變化[41]。張艷等[42]用超聲波技術(shù)分別對(duì)新鮮、干制、冷凍的方竹筍DF進(jìn)行改性處理,結(jié)果表明,干制方竹筍 DF超聲波改性后的理化性能明顯優(yōu)于改性后的新鮮和冷凍方竹筍DF,干制方竹筍DF的持水力、膨脹力和持油力如表1所示。改性處理后的新鮮方竹筍DF呈現(xiàn)疏松多孔的類似蜂窩狀結(jié)構(gòu),干制方竹筍DF呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則凹凸?fàn)罱Y(jié)構(gòu),冷凍方竹筍DF呈現(xiàn)較緊實(shí)的無(wú)規(guī)則凹凸?fàn)罱Y(jié)構(gòu)。方竹筍DF的特征峰型、位置及峰的數(shù)量均未有顯著變化。劉玉凌[43]也用超聲波技術(shù)對(duì)新鮮、干制、冷凍的方竹筍DF改性,水合性質(zhì)和持油力結(jié)果與張艷等[42]研究結(jié)果相似。改性后DF的自由基清除率顯著增強(qiáng),冷凍方竹筍DF的持油力下降,可能是解凍時(shí)冰晶的消長(zhǎng)使細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,BSDF表面親油基團(tuán)的減少導(dǎo)致的。超聲波技術(shù)節(jié)能、省時(shí)、有機(jī)溶劑消耗少,是改性BSDF一種高效綠色的技術(shù)。

2.7 微波技術(shù)

微波技術(shù)是應(yīng)用電磁波使物料中的極性分子在微波電場(chǎng)中產(chǎn)生劇烈運(yùn)動(dòng),物料溫度快速升高,化學(xué)鍵斷裂,小分子物質(zhì)急劇揮發(fā),相互間擠壓,促使物料微孔隙的形成,比表面積增大,達(dá)到改善物料性能的作用[44]。任雨離等[39]用微波技術(shù)對(duì)方竹筍DF進(jìn)行改性,改性后方竹筍DF水合性質(zhì)得到提高(見(jiàn)表1)。DF孔狀結(jié)構(gòu)更加密集、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更為明顯,比表面積增大,更多的親水基團(tuán)暴露,持油力和超氧離子清除率下降。通過(guò)紅外光譜發(fā)現(xiàn),微波改性對(duì)方竹筍DF的主要官能團(tuán)影響較小,X-衍射顯示方竹筍DF的結(jié)晶區(qū)強(qiáng)度發(fā)生變化,但結(jié)晶結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化。目前,微波技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于許多食品加工中,如蒸煮、殺菌、解凍、干燥和脫水等,該技術(shù)條件溫和,操作簡(jiǎn)便,易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

2.8 其他技術(shù)

高速剪切結(jié)合纖維素酶處理竹筍膳食纖維,強(qiáng)烈的剪切力促進(jìn)了BSDF破碎和大孔隙的產(chǎn)生,改性后毛竹筍DF表面結(jié)構(gòu)不規(guī)則且粗糙,具有孔狀蜂窩結(jié)構(gòu),改性后SDF含量達(dá)到10.15%,粒徑從383.90 μm降低到30.65 μm,持水力和膨脹力增大,見(jiàn)表1[14]。紅外光譜分析表明,處理后的竹筍中含有羥基、糖、亞甲基和苯環(huán)等芳香族化合物。通過(guò)微膠囊技術(shù)將BSDF包裹成1～1000 μm的微小顆粒[45],可以改變毛竹筍DF的理化性質(zhì)(表1)和熱敏性,強(qiáng)化某些營(yíng)養(yǎng)成分,改性后SDF增加了10.24%,BSDF的口感更細(xì)膩,顏色更白[46]。

表1 不同改性技術(shù)對(duì)BSDF理化性質(zhì)的影響Table 1 Effects of different modification technologies on the physicochemical properties of BSDF

高溫蒸煮技術(shù)是在高溫高壓作用下,導(dǎo)致IDF分子鏈斷裂,轉(zhuǎn)變?yōu)镾DF[47]。高溫蒸煮處理破壞了DF分子間作用力和晶體結(jié)構(gòu),如表1所示,處理后DF的持水力、持油力、膨脹力均提高,改性后的BSDF顆粒變小,組織結(jié)構(gòu)更加疏松,空隙增多,BSDF的結(jié)構(gòu)被破壞[48]。動(dòng)態(tài)高壓微射流作為一種新興技術(shù),使物料在處理時(shí)受到剪切、碰撞、粉碎等機(jī)械力的作用[49],可以使BSDF的粒徑明顯減小,結(jié)晶度和熱穩(wěn)定性提高,表面可見(jiàn)蜂巢狀形貌和較大的空腔,BSDF的持水力、持油力和吸附能力顯著提高(見(jiàn)表1)[9]。

3 展望

近年來(lái),BSDF加工技術(shù)方面的研究取得了較大的進(jìn)展,這些研究成果為BSDF高附加值產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供了實(shí)驗(yàn)和理論支撐。但是,總的來(lái)說(shuō),有關(guān)BSDF加工技術(shù)的研究目前仍處于起步階段,還存在較多問(wèn)題亟待解決,例如:通過(guò)改性獲取的BSDF穩(wěn)定性較差,且工藝條件較復(fù)雜,成本較高,離工業(yè)化生產(chǎn)還有較大距離;利用現(xiàn)代食品加工技術(shù)來(lái)改善BSDF口感及其消化特性等方面的研究還較少;不同加工技術(shù)對(duì)BSDF結(jié)構(gòu)及構(gòu)效關(guān)系的作用機(jī)理還不明確。這些問(wèn)題都極大地制約著B(niǎo)SDF工業(yè)化生產(chǎn)及竹筍加工產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。因此,目前對(duì)BSDF改性技術(shù)的基礎(chǔ)研究及應(yīng)用基礎(chǔ)研究亟待加強(qiáng),對(duì)于這些改性技術(shù)仍需進(jìn)一步研究改性BSDF的機(jī)制。另外,研究不同改性技術(shù)聯(lián)合或協(xié)同使用對(duì)BSDF的影響也有待進(jìn)一步加強(qiáng)。利用現(xiàn)代食品加工技術(shù)和理論高效制備BSDF,實(shí)現(xiàn)高活性BSDF的工業(yè)化生產(chǎn)是今后要努力的方向。