膳食纖維物理改性及其營養效應的研究進展

肖園園,徐晨鳳,王露露, 張馳, 鄧伶俐, 商龍臣,2*

1(湖北民族大學 生物與食品工程學院,湖北 恩施,445000) 2(恩施土家族苗族自治州農業科學院,湖北 恩施,445000)

自從20世紀70年代的“膳食纖維假說”將膳食纖維(dietary fiber,DF)缺乏與西方人群的一些典型疾病聯系起來之后[1],越來越多的研究表明,DF與降低心血管疾病[2]、高血壓[3]、2型糖尿病[4]、某些癌癥[5]及體重過度增加[6]的風險之間存在明顯的關聯。除了與健康相關的生理益處之外,DF作為食品配料還表現出很好的功能特性。DF的持水力(water holding capacity,WHC)、持油力(oil holding capacity,OHC)、膨脹力(swelling capacity,SC)和吸附能力等是其功能特性的物性基礎,在改善食品口感、顏色、質地,甚至生物活性功能等方面都具有重要意義。上述DF的這些功能特性與其提取方法、加工方式以及其本身的物化性質密切相關。物理改性具有高效、簡潔、綠色環保等特點,優于化學、微生物發酵、酶法改性3種方法。因此,物理改性在DF加工領域具有廣闊的應用前景。DF在不同的物理加工技術(如擠壓膨化、干燥、超微粉碎和高靜水壓等)處理過程中,通過改變其結構及物性,從而改善其功能特性。本文系統綜述了物理加工技術對DF的物性、功能特性的影響,有望為基于物理方式的DF改性研究提供一定的理論參考,并在一定程度上為DF的物性營養學研究提供思路借鑒。

1 膳食纖維的結構與分類

DF已被確定為生物體內的第七種重要營養素,是指可食用的植物類物質或碳水化合物,在小腸中難以消化和吸收,但進入大腸后,可被微生物菌群部分或完全發酵。DF主要化學成分如表1所示,主要由纖維素、半纖維素、果膠、樹膠和黏液、非多糖結構的木質素組成。DF的微觀結構一般呈不規則的片狀、顆粒狀、蜂窩狀,整體存在孔隙和褶皺。某些DF(如綠豆膳食纖維)經改性后,其表面會存在一些細小顆粒[11],這些微觀結構特征賦予DF高度的WHC、OHC、SC及吸附能力(吸附亞硝酸鹽、葡萄糖、膽酸鈉和膽固醇)等物理特性。

DF成分、結構較為復雜,所以可按不同的方式進行分類,如來源、溶解度、發酵程度、聚合物結構等。圖1總結了有關DF的分類方式[12],以DF在特定pH值緩沖液或人類消化酶溶液中的發酵能力來區分不同類型的DF,是當前最被廣泛接受的DF分類依據[13]。此外,對于DF的任何分類系統,因特定的DF往往可歸屬于多個類別,導致這些系統會存在交叉和重疊之處,同屬于功能類別中某一特定類型的DF(如可溶性)可能不具有相同的健康益處[13]。因此,基于DF對人體健康的重要意義,有必要從多角度去審視DF的物化性質。

圖1 膳食纖維的各種分類方式Fig.1 Various classifying ways of dietary fiber

2 膳食纖維營養效應的物性基礎

關于DF的促健康作用,最初的研究重點多集中于其劑量的營養效應。越來越多結合體外實驗、動物實驗和人群實驗的綜合性研究,從細胞水平到個體平探究了DF的急性作用和長期干預效果,使人們逐漸認識到,不同來源的DF因其不同的物化性質可能具有不同的代謝和生理效應[14]。攝入的DF在腸道運輸和發酵時所展現出的物化性質被認為是影響其發揮營養效應或生理活性的決定性因素。DF與營養效應有關的物性主要包括DF的粒徑、溶解性、水合特性、流變性質、界面特性和吸附性、離子交換能力。其中,DF水化后展現的黏度及其離子交換能力是DF發揮營養效應(主要是調節糖脂代謝)的關鍵貢獻者,其決定了在胃腸道中的功能,包括營養素利用、腸道動力、糞便形成和微生物特異性的影響。而發酵性能、膨脹效應和顆粒大小則被認為對結腸功能有重要影響。

2.1 粒徑

食物中植物性成分的細胞壁類型及生產過程中的加工程度決定了DF的粒徑,而DF的粒徑對于食糜在消化道內的轉運時間、發酵特性、糞便排泄率及糞便排泄體積有著重要影響。HELLER等[15]的研究結果表明,粗麥麩比細麥麩有更高的持水能力,可增加糞便的排泄量,調節結腸中的收縮活動和水運動,縮短食糜在腸道中的通過時間。ROGEL等[16]的研究認為,粗顆粒相比于細顆粒能在胃內停留更長的時間,因此可能會改善胃腸道的運動性能,有利于食糜從十二指腸到肌胃底的回流,以此促進對營養物質進一步的消化和吸收。

不能忽略的是,口腔的咀嚼和胃部碾磨的剪切效應以及結腸微生物的發酵作用會導致DF粒徑的改變,而賦予DF內聚力的某些成分可能會在消化過程中溶解,因此也會使得DF粒徑減小,由此導致消化前的DF粒徑可能難以用于準確評估其對腸道運輸的影響。

2.2 溶解性

DF的溶解性是影響其營養效應的重要因素之一。根據DF在水中的溶解程度,總膳食纖維(total dietary fiber,TDF)可細分為不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber,IDF)和可溶性膳食纖維(soluble dietary fiber,SDF)兩類。IDF是細胞壁的組成成分,包括纖維素、半纖維素、木質素和殼聚糖[12]。IDF中的糖鏈通過緊密的氫鍵相互締合,形成疏水的結晶結構,能夠抵抗人體消化酶的消化,但能被人體腸道的微生物利用在人體中主要起促進腸道蠕動、增加糞便體積和減少腸道轉運時間的作用。SDF主要指細胞壁中的貯存物質和分泌物,包括果膠、菊粉、低聚果糖、β-葡聚糖和其他類似化合物[12]。其結構通常表現出高度的支化,使其能夠與人體腸道中的有害物質結合,并通過腸道微生物進行部分或全部發酵,在腸道中可被降解為對人體健康有積極意義的產物,如短鏈脂肪酸和乳酸。這些代謝產物可供有益微生物利用,進而可調節腸道菌群、預防腸道疾病[17]。同時,易于發酵的SDF可能會增加腸腔黏度以降低餐后血糖、降低胃排空率和延遲消化[18]。

此外,胃腸道內不同的pH值條件(如胃和結腸)以及個體間的差異也會影響體內的DF溶解度。因此,僅憑溶解度難以準確預測DF的功能特性。例如,有研究表明,洋車前子(SDF)和纖維素(IDF)都能改善血糖控制、運輸時間和糞便排泄量,但兩者作用機制不同。洋車前子通過增加腸道內容物黏度改善人體的血糖控制[19]。而纖維素則通過結合α-淀粉酶抑制淀粉消化并減少葡萄糖吸收,對大鼠的血糖產生一定的影響[20]。

2.3 水合特性

DF的水合特性是指其水結合后膨脹的特性,主要包含3方面內容:WHC、SC和吸水性,其中, WHC又稱保水力或水結合能力,指的是單位質量纖維在特定條件下截留水的質量;SC指的是單位質量纖維在特定條件下占據的體積;吸水性則指的是一定條件下纖維吸水的速率。

已有眾多的研究探討了DF的水合特性所具有的生理效應,包括增強飽腹感、誘導發酵及促進排便等。TAN等[21]通過不同的DF調整了大鼠日糧的WHC和SC,其研究結果顯示,具有高WHC和SC的DF可促進大鼠的飽感,從而減少其食物攝入量,同時改善了日糧的發酵特性,增加了盲腸內容物短鏈脂肪酸的含量。GUO等[22]的研究發現,含有碳酸鈣的海藻酸鈉體系可在胃內形成凝膠,從而顯著(P<0.05)增加胃內食糜殘留量,影響胃擴張并延長相應的胃排空時間,減少短期內的攝食量。CHAO等[23]的研究表明,富含WHC和吸水性的DF可促進腸道蠕動和增加糞便排泄量,進而緩解兒童的便秘癥狀。

2.4 持油力

DF不僅可與水結合,還具有一定的OHC。OHC指的是單位質量纖維在特定條件下對油/脂肪的結合能力。這一特性主要取決于總電荷密度、疏水性、加工條件以及其本身的表面性質。KONG等[24]的研究認為,蒸汽爆破輔助超微粉碎工藝能改變麥麩的空間結構,提高麥麩的多孔性和疏松性,使其能容納更多的油脂分子。TANG等[25]研究并比較了高溫蒸煮、高壓均質、超聲處理及其組合對竹筍SDF的OHC影響。結果顯示,超聲處理和高溫蒸煮聯合使用時,竹筍SDF表面孔隙率增加、結構更加松散,更有利于提高其OHC。

OHC是評估DF對親脂組分吸收能力的重要參數之一,其對人體健康的維護和食品的應用具有重要意義。TIAN等[26]研究發現,靈芝、猴頭菌、香菇、灰樹花4種IDF都能在一定程度上吸附玉米油,從而有效地抑制油脂的分解,減少腸道對脂質的吸收,有助于體重控制。ZHAO等[27]采用了超微粉碎技術改善獼猴桃IDF的OHC,并將其添加到豬肉丸中,研究發現,豬肉丸中的脂肪和不飽和脂肪酸的含量明顯降低,同時脂質氧化受到抑制,從而提高了高脂肪食品的穩定性,延長了豬肉丸的保質期。

2.5 流變性質

SDF的黏度是其流變性質的主要內容,也是其營養效應的重要貢獻者。已有的急性研究早已明確了黏度對腸道營養物質運輸和吸收的抑制作用。BLACKBURN等[28]研究了瓜爾膠對餐后高血糖癥的改善作用,其結果證實,瓜爾膠能穩定受試者的餐后血糖波動,其中瓜爾膠發揮降糖效應的主要原因可能是其延長了胃排空和胃腸轉運時間,而不是減少了營養物質與小腸的接觸面積。此外,有學者認為,強化或延長口腔暴露(口腔與食物的接觸)可增加機體的飽腹感并減少其能量攝入量[29],而黏度是影響口腔暴露的重要因素[30]。

此外,黏度對胃排空特性的影響也早已引起了眾多學者的注意。BERGMANN等[31]將超聲測量和視覺模擬評分表2種測量方法結合起來,探究了胃排空和食欲之間的相關性。結果表明,在進食3 h后,車前草水溶液開始顯著減緩胃排空,在進食6 h后,其飽腹感增強,饑餓感降低。這是由于車前草增加了受試者中餐的黏度。SHANG等[32]通過制備不同黏度但相同濃度的魔芋葡甘聚糖飲料,研究了不同黏度的魔芋葡甘聚糖對受試者體外胃排空特性及其對食欲調節的影響。其結果顯示,隨著黏度的增加,受試者餐后的胃排空速率延遲,飽腹感相關的激素如胰高血糖素樣肽-1、胰高血糖素樣肽-3-36、CCK-8水平顯著升高,且呈現一定的劑量依賴性。

表2 干燥過程對不同來源膳食纖維物性的影響Table 2 Effect of drying process on physical properties of dietary fiber derived from different sources

2.6 界面特性和吸附性

DF的孔隙率和活性表面不僅與細胞壁大分子間的相互結合方式以及組織間的黏附性有關,也與食品的加工過程有關。纖維的孔隙率和活性表面制約著其與酶和微生物間的相互作用,因此決定了其自身的發酵特性。此外,有體外實驗發現,一些DF可以增加糞便中膽汁酸和膽固醇的排泄,但尚未確定主導因素是黏度的增加還是DF的吸附截留作用[14]。時至今日,關于DF吸附膽汁酸的具體機制并不完全清楚,環境條件(pH、暴露時間)、DF和膽汁酸的物化性質被認為是影響DF吸附膽汁酸的主要因素。

2.7 離子交換能力

離子交換能力是DF的重要物性之一,此特性是指DF結構中含有大量活性基團(如—OH和—COOH等),這些基團在一定條件下能發生電離,產生類似于弱酸性陽離子交換樹脂的能力。如圖2所示,DF中的活性基團與Hg2+、Pb2+、Cd2+重金屬離子結合,降低Hg2+、Pb2+、Cd2+在體內的累積,從而減少重金屬離子對機體的毒害。此外,DF還能與胃腸道內的Na+、K+進行離子交換、結合,改變其瞬間濃度,影響消化道中的滲透壓、氧化還原電位和pH值,促進Na+、K+的排泄,在預防和治療高血壓病方面具有一定的作用[33]。WEI等[34]的研究結果顯示,超聲處理過程中產生的剪切力等強力可破壞小麥麩皮DF的網狀結構,導致小麥麩皮DF粒徑減小,結構孔隙率和比表面積增大,同時增加了小麥麩皮SDF內的羥基和氫鍵,從而提高其陽離子交換能力。DF的離子交換能力具有隨機性,可能會影響人體對維生素和礦物質的吸收。李來好等[35]的研究表明,麒麟菜DF在體外對Ca2+、Zn2+、Fe2+和Fe3+均有不同程度的吸附,但對動物體內中鈣、鋅、鐵元素的水平未產生顯著影響。

圖2 膳食纖維離子交換作用示意圖Fig.2 Schematic diagram of the ion-exchanging effects of dietary fiber

3 膳食纖維的物理改性

與IDF相比,SDF在抗氧化活性、膠凝能力、可發酵性、黏度等方面表現出優越的生理和生物活性特性。同時IDF的口感粗糙、溶解性較差,添加到食品中可能會影響其色澤、質地、味道,難以被消費者所接受,限制其在食品加工中的廣泛應用。為此,有必要通過各種加工技術促使物料中的IDF向SDF轉化,從而改善其物化特性,強化其功能特性,拓寬其應用領域。物理加工技術如擠壓膨化、干燥、蒸汽爆破技術、超微粉碎、高靜水壓、超聲、動態高壓微流化、空化微射流技術、輻照等,因其具有簡便、高效、安全等優點被廣泛應用于DF加工中。

3.1 擠壓膨化

擠壓膨化是一種基于高效快速混合、高剪切、高壓、高溫加熱、膨化成型等方式于一體的食品加工技術。食品加工中,螺桿擠壓機是常用的擠壓膨化設備,其工作原理如圖3所示。其產生的高剪切力和高溫高壓可斷裂植物中高分子多糖(IDF)的糖苷鍵、氫鍵,將其轉變為易消化的水溶性低分子質量多糖(SDF)。此外,擠壓機的?？诖嬖趶姶蟮膲毫Σ?由此導致物料出現膨化、失水、降溫的現象,使分子間和分子內的空間結構發生變化,從而改變DF的功能特性。

圖3 雙螺桿擠壓機原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of twin-screw extruder principle

眾多研究表明,通過調節溫度、物料水分、螺桿轉速、比機械能等工藝參數,物料可獲得理想的物化和功能性質。QIAO等[36]的研究發現,在擠壓溫度100 ℃和120 ℃條件下,擠壓米糠DF的WHC、OHC均顯著高于未擠壓米糠DF。CHEN等[37]的研究結果表明,在擠壓溫度為170 ℃、螺桿轉速為150 r/min時,大豆渣SDF含量由(2.6±0.3)%提高到(30.1±0.6)%,同時其WHC、SC和吸水性均比對照組高。雖然擠壓膨化加工技術高效且熱敏性營養成分保留率高。但該加工技術仍存在一些問題,如物料DF質量受工藝參數影響較大、其對物料DF的作用機制不明確、設備成本高且使用過程中易損耗等。因此,未來的發展應著重改進擠壓膨化技術,開發新型擠壓膨化設備,或將擠壓膨化技術和其他食品加工技術相結合以降低對原料特性的依賴性。同時,也需要根據不同來源的DF,摸索出最佳的生產條件。此外,隨著生活水平的不斷提高,消費者的需求日漸多樣化。為了滿足消費者對某一功能的需求,還可以利用擠壓膨化技術生產DF含量高的面包、餅干等食品,供有特定需求的人群食用。

3.2 干燥

干燥是食品加工中常見的單元操作,即通過降低物料水分含量方式以達到延長保質期、減少物料包裝尺寸及運輸成本目的,從而拓展其在食品中的應用范圍。干燥過程可能會改變DF原有的結構,導致DF的水合特性、吸附能力等物化特性產生差異,進而對其性質發生不可逆的改變。因此,干燥加工期間DF的結構和組分的變化將決定其最終品質。目前,DF干燥常見的方式有熱風干燥、噴霧干燥、冷凍干燥、微波干燥、自然干燥等。干燥過程對不同來源DF物性的影響如表2所示。干燥技術以其高效、穩定性強、操作靈活等優點,尤其是對熱敏性物質具有良好的效果,可以使DF既能克服不易貯藏的缺點,又能保留自身的活性。但干燥技術在實際應用中,仍有些工藝因素會對干燥產品品質產生影響。因此,在干燥產品時,要對干燥的溫度、風量、時間等工藝因素進行綜合考慮,并將其優化,以達到既高效又節能的目的,獲得較佳的干燥產品。

3.3 蒸汽爆破技術

蒸汽爆破技術簡稱汽爆技術(steam explosion,SE)是一種新興、高效、綠色的食品原料改性技術,最初用于木質纖維素原料的預處理。其主要原理如圖4 所示,纖維物料在高溫高壓條件下通入水蒸氣加熱至180～235 ℃,使蒸汽充分滲透到原料的組織與細胞之間,并瞬時減壓將熱能轉化為機械能。此時,物料空隙中的大部分蒸汽和熱液態水體積急速膨脹,導致細胞“爆炸”,細胞壁被爆裂成多孔、低分子質量的物質,進而從細胞內釋放出來,最終實現對物料結構的改變和部分組分的重新分布。在SE處理過程中,類酸性水解、熱降解、機械斷裂和氫鍵破壞等作用可破壞木質素-纖維素-半纖維素之間的化學鍵(糖苷鍵、氫鍵),從而增加SDF的含量[44]。ZHAI等[45]的研究認為,SE處理可提高刺梨果渣DF的WHC、SC和OHC。其主要原因是SE處理可增加DF比表面積、孔隙率,暴露出更多的水分子結合位點。但SE處理還會引起蛋白質解聚,導致WHC、SC、OHC下降。LI等[44]的研究也發現了相似的結論,即豆渣DF的WHC、SC、OHC均隨SE強度的增加而降低。

圖4 蒸汽爆破對膳食纖維結構變化及組分分離示意圖[46]Fig.4 Schematic diagram of the effects of steam explosion on dietary fiber′s structure and component separation[46]

SE處理具有短期高效、適用性強、安全環保、可產業化放大等優勢,但也存在諸多不足,如SE處理過程中會發生復雜的物化變化,難以精確控制SE處理的強度,而且易引起其他有效成分的降解和美拉德反應的發生,使其處理不能連續進行。就此,應明確物料在SE處理過程中DF的變化過程和機制,探究SE處理對食品安全和營養價值的影響,闡明DF在SE處理過程中的物化變化及其功能活性之間的構效關系,以期為不同種類DF在SE處理過程中參數的選擇提供理論依據。

3.4 超微粉碎

超微粉碎是一種新興高效的超細粉體制備技術,其能賦予物料良好的表面效應、微尺寸效應、溶解性、流動性、吸附性等物化性能,因此在DF改性研究領域中得到廣泛關注。超微粉碎主要通過空氣分離、重壓研磨、剪切等機械應力降低DF的粒徑;同時,借助流體的沖擊或動力作用,克服物料內部的結合力,進一步將DF顆粒細化,使其成為均勻的粉末。隨著DF粒徑的減小,其分子間的氫鍵、木質素與纖維素分子之間的化學作用會被破壞,導致DF的比表面積和孔隙率增加,這種變化將影響DF的物化和功能特性。

XIAO等[47]通過對柚子皮進行球磨處理,發現球磨處理可提高柚子皮IDF的WHC、SC和OHC;YAN等[48]研究發現,蘋果渣經超微粉碎處理后,其WHC從7.50 g/g增加到8.13 g/g,OHC從2.07 g/g增加到3.81 g/g。然而,報道中也有一些與此相反的結論。超微粉碎還會降低某些食品的水化性能,如香菇[49]、柑橘皮[50]等。ZHAO等[51]的研究發現,普通山楂粉比超微粉碎的山楂粉具有更高的WHC和OHC。除了原料本身的特性外,加工條件和加工參數等因素也可能改變DF的結構,從而顯著影響其水化性能。

相較于其他物理加工方法,超微粉碎處理不僅使DF顆粒變得更加細微均勻,而且保留了DF原有的營養成分,同時還避免了局部過熱現象。這種獨特的優勢使其在食品加工領域發揮著重要的作用,吸引了眾多研究者的關注。然而,國內的超微粉碎技術及其在食品加工中的應用仍處于初步階段,且高昂的設備價格和加工成本限制其在食品領域中的廣泛應用。為此,突破目前超微粉碎設備中所存在的問題,對推動超微粉碎技術的進一步發展具有重大意義,同時能為以后DF資源的綜合開發和應用提供更加寬廣的發展平臺。

3.5 高靜水壓技術

高靜水壓技術(high hydrostatic pressure,HHP)又稱超高壓技術。其基本原理是將物料放入密閉的壓力容器內,再將其浸入具有傳遞壓力(100～1 000 MPa)的介質(水/油)中,并在常溫或低溫下對物料進行加壓,使壓力迅速、均勻地傳遞至整個物料中的分子,破壞DF中的非共價鍵(氫鍵、疏水相互作用、離子鍵),從而改變物料DF的物化和功能特性。

3.6 超聲處理

超聲處理是一種高效的處理技術,其主要原理如圖5所示[55]:通過超聲波探針的周期性機械振動,將聲波傳遞至物料,引起聲空化、熱效應及機械剪切等物理效應。這些效應可改變物料表面的親水性,從而影響其物化和功能特性。WEI等[34]的研究認為,超聲處理可有效地改善小米麩皮DF的WHC、SC、OHC、脂肪結合能力以及陽離子交換能力。HASSAN等[56]采用超聲處理對奇亞籽的IDF進行加工,發現其OHC、WHC和葡萄糖吸附能力均有所提高。

圖5 超聲波對多糖形態結構的影響示意圖Fig.5 Schematic diagram of the effect of ultrasound on the morphological structure of polysaccharides

與其他物理改性方式相比,超聲處理只需將原料置于超聲波發生器內即可。然而,現有的研究主要集中于超聲處理對DF的輔助提取和改性上,對超聲處理后的DF對人體健康的影響尚存在很多空白,需要進一步探索。當物料DF進行高功率超聲波處理時,因溫度的升高而產生熱,可能會對其造成不利的物化影響。因此,為了更好地將超聲處理技術推廣到工業層面,需對其工藝參數進行優化,并開展相關的基礎理論研究,以進一步分析超聲處理技術對DF批量處理的影響。同時,必須考慮超聲處理后DF可能會對人體健康產生不利影響的問題,并致力于研發更加環保、高效、安全的超聲處理技術,以實現超聲提取和改性DF的工業化、標準化、定制化生產,這對于高效開發和利用DF資源具有重要的現實意義。此外,超聲處理技術與其他技術相結合,可有效地提高物料的綜合質量,在未來的研究中應該更加關注這一領域的探索。

3.7 動態高壓微流化

動態高壓微流化(dynamic high-pressure microfluidization,DHPM)是一種新興的均質化技術。其基本原理如圖6所示:纖維物料進入均化閥后,會被強制地從閥門和閥座之間的微流通道通過,此時物料會受到高頻振動、高速碰撞、超高壓剪切、瞬時壓降、空化和流體動力的合力,導致纖維素纖維束分散,更多的親水性基團暴露,從而影響其物化和功能特性。

圖6 高壓微流化對纖維素纖維束的影響示意圖[60]Fig.6 Schematic diagram of the effect of high-pressure microfluidization on cellulose fiber bundles [60]

CHEN等[57]研究了微流化對桃和燕麥IDF的影響。研究結果表明,DHPM技術可有效地將IDF的粒徑降至亞微米級,并重新分布纖維成分,促使IDF向SDF轉化。這些變化在一定程度上改善了桃和燕麥IDF的物化性能(WHC、SC和OHC)。GENG等[58]采用DHPM技術處理鮮食玉米苞葉IDF,結果發現,在80～180 MPa壓力范圍內,DHPM技術可降低鮮食玉米苞葉DF的粒徑,并增加其WHC、SC和OHC。WANG等[59]的研究表明,DHPM技術可增強米糠IDF對膽酸鈉、膽固醇和Pb(Ⅱ)的吸附能力,并改善其WHC、OHC。盡管DHPM處理時間較短(<5 s)且可持續運行,但其在食品加工領域的實際應用遠不如高壓均質廣泛。這是因為影響DHPM改性效果的因素較多,包括處理壓力、處理時間、機械形式(即振蕩反應室中微通道的尺寸和幾何設計)、物料的性質(如黏度、分子大小和濃度)等。其中,DHPM技術的振蕩反應室中微通道的尺寸相當小(約幾十至幾百微米),需要輔助粉碎設備(如均質器和膠體磨等)對DF前階段進行處理,以避免堵塞微流化器氣孔。此外,DHPM技術設備處理能力(約幾升/分鐘)有限,難以滿足實際應用需求。因此,在未來的DHPM設備研發中,應充分考慮其在不同應用場景的需求,優化DHPM技術設備的功能,并深究DHPM技術對物料的作用機制,以推動DHPM技術逐步成熟,為DF的開發提供強有力的技術支撐。

3.8 空化微射流技術

空化微射流技術(cavitation jet,CJ)是一種快速、生態友好的高效破碎手段。其主要原理如圖7所示,利用空化設備在水射流中誘發空泡,空泡接觸到物料表面時會發生爆裂并產生局部的高溫高壓和強烈的沖擊力(湍流、沖擊波、微射流、高剪切力),進而增強射流的沖蝕效果[61]。此過程導致物料的結構發生改變,從而影響其物化和功能特性。CHAU等[62]研究認為,CJ技術能改善胡蘿卜DF的WHC、OHC和SC,其主要是因為CJ技術可降低胡蘿卜DF的粒徑,增加其無定型結構和可溶性成分的比例。WU等[63]研究認為,利用CJ技術可改變豆渣DF分子間的氫鍵和晶體結構,從而改善其WHC、OHC和SC。

圖7 空化微射流設備原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of the principle of cavitation microjet equipment

CJ技術因其操作簡單,無外源化學物質,營養成分損失小等優勢被廣泛應用于各個領域,但在食品加工中的相關研究還不多見。因此,有必要進一步探究空化射流中空泡產生、發展和爆裂的機理,深入研究影響空化效應的因素,以提高對CJ技術的認識,并通過優化CJ相關技術,從物料中提取出潛在的健康增益成分,拓展其在食品領域的應用。

3.9 輻照

輻照是一種非熱加工技術。其基本原理為利用電子射線(主要包括X射線、γ射線、電子束)在高壓電場中輻照物料,通過控制輻照條件來改變物料的化學鍵,使其結構發生不可逆改變,以實現物料的改性或降解。已有研究表明,高劑量的輻照能促進半纖維素、纖維素和木質素的解聚,進而增加水溶性多糖的含量。CHENG等[64]以豌豆為原料,探究了γ輻照劑量(0、0.5、1、2、3、5 kGy)對豌豆DF的結構和功能特性的影響。研究結果表明,適宜的輻照劑量(2 kGy)可提高豌豆DF的OHC、SC和WHC,同時改善其吸附硝酸鈉、膽固醇、葡萄糖的能力。FENG等[65]研究發現,經6 kGy電子束輻照后,豆渣DF的WHC、SC和OHC分別提高了74.13%、84.76%和41.62%。此外,豆渣DF對于膽固醇、膽酸鈉、葡萄糖和亞硝酸根離子的吸附性能也得到改善。LI等[66]研究了γ-輻照(3～6 kGy)處理對臍橙皮SDF的影響。研究結果表明,γ-射線可改變柑橘SDF的內部結構,導致更多的—OH和—COOH暴露在外面,從而提高了柑橘SDF的WHC、SC、OHC和陽離子交換能力,并增強了其對亞硝酸鹽的吸附能力。

輻照加工技術具有多種優勢,如無污染、易于控制、可連續操作、處理量大、并能夠最大限度地保留食品原有的風味。然而,食品經輻照處理后,其維生素含量可能會減少甚至消除。為此,需要進一步完善輻照對物料的作用機理,深入研討影響輻照效果的因素,并突顯輻照技術的優勢。同時,有關部門還應逐步建立健全統一的輻照食品質量評估標準,加強對輻照食品的宣傳,提高消費者對輻照食品的接受度,以推動輻照食品產業的發展。

3.10 其他物理加工技術

除了上述的物理加工方式,還有一些非熱加工技術,如脈沖電場技術、高壓均質、等離子體技術等,也被應用于DF加工。例如,曾新安等[67]的研究認為,脈沖電場技術能夠改變金桔中纖維素和半纖維素的空間結構,使纖維素的結構更加松散,半纖維素結構崩塌,進而增強其WHC、SC。ZHU等[68]研究發現,采用高壓均質技術可將洋薊DF中的IDF轉化為SDF,改變其微觀結構,提高其陽離子交換能力和OHC,同時降低其WHC。與以往的食品加工技術相比,非熱加工技術具有安全、溫和、操作簡便和成本較低等優點。然而,目前關于這些非熱加工技術在DF加工中的研究較少。今后應深入探究這些非熱加工技術對DF改性的機理,并不斷優化DF改性技術,以最大程度地保留物料DF原有的營養成分和口感。

此外,為實現大規模、連續、自動、精確控制的改性,還需考慮改性成本、生產可行性以及操作的便捷性。同時,相關部門需規范改性方法,并推薦適合特定物料的改性方法作為標準處理方法,以最大限度地提高物料DF的利用率,進而對DF產業化利用的發展提供直接的指導作用。

4 展望

簡潔高效的物理加工技術用于DF的物性調整,在提高資源利用率的同時,不僅可創造更多的經濟價值,同時也有助于開拓DF在功能性食品中的應用場景,滿足消費者對功能性食品的多樣化需求。因此,開展不同加工技術對DF的作用機制及其應用的研究是非常有必要的。但目前的研究多集中于探究單一物理加工技術對DF的影響,有關2種或多種加工技術在DF加工中聯合應用的研究報道鮮少。此外,針對DF經過不同加工技術處理后其結構變化情況的研究非常有限,相關的機制研究也不夠深入和全面,未來應加強多種技術聯用在DF加工中的應用研究,分析不同加工條件對DF的影響,明確其構效關系,為今后更好地開發具有高營養品質的DF產品提供參考。