APPS | 南昌大学谢明勇院士团队：膳食纤维在食品工业中的应用：提取、制备与成分相互作用

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Abstract

本综述从全新视角阐述了膳食纤维（DF）在食品工业中的应用，并构建了“来源-互作-应用”的系统性分析框架。首先，按来源类别综述了从谷物、果蔬、豆类及加工副产物中提取与制备膳食纤维的研究现状；其次，探讨了膳食纤维与蛋白质、脂质、水分、碳水化合物及其他生物活性物质等重要食品成分之间的相互作用机制；最后，分析了膳食纤维对烘焙食品、饮料、肉制品等不同类别产品品质的影响。然而，当前研究在膳食纤维提取工艺的经济性、作用机制的深度分析以及应用产品的多样性方面仍存在不足。本综述可为膳食纤维的制备、膳食纤维与食品成分的多尺度互作及其对产品品质的影响提供理论支撑与研究思路，从而为膳食纤维在食品工业中的应用奠定良好基础。

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Introduction

膳食纤维（DF）作为一类复杂碳水化合物，因其结构复杂性与功能多样性受到广泛研究关注。作为第七大营养素，膳食纤维具有降血糖、降血脂等多种健康功效。同时，凭借良好的持水性、持油性等功能特性，将其应用于食品加工中还能显著改善产品品质。目前已发表的膳食纤维相关综述，已对其构效关系、重金属离子吸附机制、在食品工业中作为乳化剂的应用、改性对其理化性质的影响及与肠道微生物的相互作用等内容进行了详细阐述，但这些综述多聚焦于特定功能或单一应用场景。为此，本综述从全新视角出发，构建了“来源-互作-应用”的系统性分析框架：首先，基于来源类别对膳食纤维的提取与制备方法进行分析总结，同时指出适用于不同原料的提取工艺；其次，进一步探讨膳食纤维与食品主要成分之间的相互作用，包括分子层面的互作机制；最后，结合典型食品类别，系统研究膳食纤维如何通过与食品成分的相互作用影响产品品质。本综述可为膳食纤维的制备、膳食纤维与食品成分的多尺度互作及其对产品的影响提供理论支撑与研究思路，从而为膳食纤维在食品工业中的应用奠定良好基础。

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膳食纤维的定义与分类

中国国家标准最新版本GB5009.88-2023将膳食纤维定义为聚合度≥3、不能被人体小肠消化吸收的碳水化合物聚合物。

最初，膳食纤维的主要成分分为可溶性膳食纤维（SDF）与不可溶性膳食纤维（IDF）两类；随着研究推进，依据化学结构的差异，膳食纤维可进一步分为纤维素、半纤维素、果胶等具体组分，不同化学结构的组分具有独特的功能特性，可应用于多个领域；按来源分类，膳食纤维可分为植物源、动物源、微生物源及其他类型纤维，其中植物源膳食纤维的研究与应用最为广泛；按链长与聚合度分类，膳食纤维可分为低分子量（MW）膳食纤维与高分子量膳食纤维，低分子量膳食纤维具有更好的水溶性，在肠道内的发酵效率更快且发酵程度更高。

依据膳食纤维的其他特性，还可对其进行更精细的分类。具体分类方式如下：按结晶度分类：可分为高结晶度膳食纤维与低结晶度膳食纤维。其中，高结晶度膳食纤维抗水解能力强、发酵速率慢；低结晶度膳食纤维孔隙率高，易被酶和微生物降解，且发酵速率快。按发酵速率分类：可分为快发酵型膳食纤维与慢发酵型膳食纤维。快发酵型膳食纤维能在短时间内生成大量短链脂肪酸，为肠道微生物供能并促进有益菌增殖；慢发酵型膳食纤维结构更紧密或更复杂，微生物难以快速分解利用，可为肠道微生物提供持续能量，有助于预防便秘。按持水性分类：可分为高持水性膳食纤维与低持水性膳食纤维。高持水性膳食纤维含有大量亲水基团，能与水分子形成氢键，其持水量最高可达自身重量的数十倍，可显著延长胃排空时间、增强饱腹感。按介观结构分类：可分为四类，分别是纤维状结构、网状结构、层状结构与聚集状结构。

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膳食纤维的提取与制备

发酵处理

在菌株生长过程中，会产生多种可作用于膳食纤维结构的酶。例如，纤维素酶可将长链纤维素分解为短链低聚糖。微生物在生长代谢过程中产生的有机酸、多糖及其他代谢产物，会与膳食纤维发生相互作用，进而改变膳食纤维原有的理化性质。

挤压处理

在挤压加工过程中，原料会受到高温、高压及剪切力的作用。这些加工条件可能导致膳食纤维的分子结构发生变化（分子链可能发生断裂或重组）。

超声辅助提取

超声技术通过机械效应与空化效应实现膳食纤维的提取。高频振动产生的剪切力可破坏细胞壁物质间的化学键，改变膳食纤维内部的相互作用力，从而导致膳食纤维的聚集状态发生改变。此外，空化效应产生的高温高压环境，可加速膳食纤维与溶剂间的相互作用，提高提取效率；同时，空化效应产生的冲击波与微射流具有较强的冲击力，能进一步破坏膳食纤维结构，使其更为松散。

微波辅助提取

微波能量可直接作用于样品，使样品分子间发生剧烈振动与摩擦，进而产生大量热量。这种加热方式能快速破坏样品的组织结构，使其更易被分解和提取。

化学提取法

化学法利用化学试剂对植物细胞壁的破坏作用，选择性分解非纤维成分，从而实现膳食纤维的分离。

超微粉碎处理

超微粉碎技术通过机械或流体动力方式，克服固体物料内部的内聚力以破碎物料，减小物料粒径并增大比表面积，进而使物料具备更优的溶解性与生物可及性。

脉冲电场处理

脉冲电场通过电穿孔效应破坏植物细胞壁结构。具体而言，瞬时高压脉冲作用于植物组织，会在细胞膜上形成微孔，从而促进细胞内组分的释放。

膳食纤维提取方法的选择需与原料的化学组成、结构特征及热敏感性密切相关，具体选择原则如下：对于疏松多孔的样品，宜采用温和的酶解法或低温水提法，避免因强物理化学作用破坏其胶体结构；对于质地致密坚韧的原料，需借助碱处理、高温辅助或高强度物理破碎技术，以破坏木质素-纤维复合体；对于淀粉/蛋白质含量较高的原料，可使用

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不同来源的膳食纤维

谷物来源的膳食纤维

谷物中的膳食纤维主要存在于麸皮和胚芽中，其含量与组成因谷物种类不同而存在差异。不同谷物的营养成分、结构及物理特性各异，因此适用的提取方法也有所不同。对于结构复杂、细胞壁坚硬的谷物，需选择能有效破坏细胞壁结构的方法，如发酵法或挤压法；对于部分易处理的谷物，采用超声波辅助提取法或化学提取法等较温和的方法即可满足需求。

果蔬来源的膳食纤维

果蔬膳食纤维的提取方法主要包括传统热水提取法，以及一些新兴的绿色提取技术，如超声辅助提取、微波辅助提取和脉冲电场辅助提取。由于独特的作用机制，不同的非热加工技术显著提高了植物源膳食纤维的提取效率和功能特性。

豆类来源的膳食纤维

从完整豆类中提取膳食纤维的提取方式可能面临成本较高、提取工艺相对复杂等问题，在一定程度上限制了其规模化应用。与之相比，豆类加工副产物来源广泛且价格低廉，同时经适当处理后，从中提取的膳食纤维还能展现出多种功能特性。因此，现阶段针对豆类加工副产物中膳食纤维的提取研究较为广泛。

食品加工副产物来源的膳食纤维

通过合理的提取与改性方法，可将食品加工副产物转化为高附加值的功能性食品成分。经绿色木霉发酵得到的米糠可溶性膳食纤维，具有表面结构疏松、对水分子吸附能力强等特点。茶渣经高温蒸煮或混合发酵处理后提取的可溶性膳食纤维，展现出优异的体外降血糖活性。葡萄柚皮经微波辅助提取或超微粉碎处理后得到的可溶性膳食纤维，具有更强的水合特性及体外有益活性。

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膳食纤维与食品成分的相互作用

图1展示了膳食纤维与食品成分的相互作用机制。膳食纤维的结构特性与其提取方法密切相关，而二者共同决定了膳食纤维在食品体系中与蛋白质、碳水化合物及其他成分的相互作用模式。例如，酶解法可选择性保留膳食纤维的活性基团，从而优化其与蛋白质的相互作用；化学法则可能通过引入带电基团，增强膳食纤维与金属离子或淀粉的结合能力；物理场辅助技术则能通过破坏膳食纤维的结晶区域，提升其持水性与溶解性。

图1 膳食纤维与食品成分的相互作用

蛋白质

在食品体系中，膳食纤维与蛋白质的相互作用会显著影响最终产品的理化性质，促进凝胶结构的形成与稳定，同时还会影响蛋白质的消化吸收。膳食纤维可通过物理包埋、机械剪切、竞争性吸水及空间位阻效应，影响蛋白质的三维网络结构。其含有的部分官能团（羟基、羧基）能与蛋白质中的氨基酸残基形成氢键，进而影响蛋白质的构象与聚集状态。同时，蛋白质的疏水区域会与膳食纤维的疏水部分发生相互作用，进一步稳定复合物的形成。膳食纤维在水溶液中通常带有电荷，可与蛋白质中已电离的氨基酸残基发生静电相互作用，改变蛋白质的电荷分布，从而影响其溶解性与稳定性。膳食纤维的物理结构（如粒径）也会对其与蛋白质的相互作用产生影响：粒径较大的膳食纤维可能会阻碍蛋白质分子间的相互作用，进而破坏蛋白质的网络结构。

此外，膳食纤维的支链结构可能会增大其与蛋白质的接触面积，进一步增强二者的相互作用。在热处理过程中，膳食纤维与蛋白质的相互作用可能导致蛋白质聚合行为发生改变，进而影响产品的稳定性与质构。

脂质

在食品体系中，膳食纤维与脂质的相互作用会显著影响产品的质构与保水性、乳状液稳定性及消化行为。膳食纤维中的羟基与羧基可通过氢键与脂质的极性基团结合，形成物理屏障阻碍脂肪酶进入油滴内部，从而减缓脂质的消化过程。膳食纤维的亲水部分与疏水部分会分别通过氢键和范德华力与脂质发生相互作用，增强乳状液的稳定性，进而防止油滴聚集与融合。对于部分肉制品而言，膳食纤维可通过与蛋白质或脂质的相互作用增强蛋白质网络的稳定性，这种增强作用能提升产品保水性、改变质构特性并降低脂肪含量。添加膳食纤维还能显著提高体系黏度，限制消化酶的扩散与移动，从而减缓脂质的消化速率与消化程度。

膳食纤维作为脂肪替代品，在降低产品脂肪含量的同时，还具有改善最终产品质构特性的潜力。

水分

膳食纤维与水分的相互作用主要表现为吸水、持水与释水，这是影响食品理化特性及生理功能的关键因素。不同类型的膳食纤维对水分存在状态的影响存在差异。

膳食纤维具有粗糙多孔的结构，且比表面积较大，可通过表面吸附与毛细管作用实现对水分子的物理结合；水分子还能与膳食纤维的极性基团形成氢键，进而产生化学结合。膳食纤维的网状结构可通过限制水分自由流动，改变食品的流变特性。

此外，在食品体系中添加膳食纤维，还会改变蛋白质或多糖的分子构象与网状结构，从而影响水分子的分布与行为。基于与水分子的相互作用，膳食纤维可影响食品的凝胶强度与保水性，同时还能提高面团稳定性并延缓淀粉老化。

碳水化合物

在食品加工过程中，膳食纤维与碳水化合物（其中以淀粉为主）之间存在多种相互作用，这些作用对食品的特性与品质具有重要影响。膳食纤维与淀粉的相互作用主要通过氢键和静电作用实现。膳食纤维的亲水基团可与淀粉形成氢键，同时该过程会干扰淀粉分子间的相互作用，进而抑制淀粉的结晶与老化。膳食纤维还能充当物理屏障，限制消化酶与淀粉颗粒的接触，延缓淀粉的糊化与消化进程。在淀粉糊化过程中，添加膳食纤维会改变体系内的水分分布，削弱淀粉颗粒的溶胀与破裂程度，从而进一步降低其糊化黏度。糊化过程中，膳食纤维可形成网状结构包裹淀粉颗粒，并限制淀粉分子的运动，进而影响凝胶的弹性与硬度。

此外，膳食纤维还能与消化酶结合，通过抑制酶活性来降低淀粉的消化速率。

其他生物活性物质

膳食纤维与多酚等小分子物质之间存在相互作用，二者可通过物理吸附和包埋形成稳定的复合物，进而改变自身的理化性质与功能特性。植物细胞壁中的多酚能通过非共价相互作用与膳食纤维结合，例如，苹果细胞壁物质与原花青素的结合能力会随没食子酰化程度的提高而增强；柑橘纤维的多孔结构则能有效吸附茶多酚并形成复合物，从而改变茶多酚的释放行为与热稳定性。

分子动力学模拟结果显示，纤维素/果胶与咖啡酸之间存在大量氢键，这些氢键会显著影响多酚的吸附与释放行为。在不同pH条件下，多酚与膳食纤维的电荷状态会发生改变，进而影响二者之间的结合强度。

在高温条件下，膳食纤维与茶多酚形成的复合物比单纯的茶多酚混合物具有更高的热稳定性，这表明膳食纤维能够保护茶多酚免受高温降解。

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膳食纤维在食品工业中的应用

烘焙食品领域

膳食纤维在烘焙食品中应用广泛，可通过多种作用机制改善产品品质，其作用主要体现在与水分、蛋白质及淀粉的相互作用上。膳食纤维的多羟基结构具有亲水性，能通过氢键与水分结合，降低体系中自由水含量，进而减少面团吸水量，影响面团的流变特性及面包的老化进程。用膳食纤维替代部分面粉，会有效稀释面筋蛋白浓度、削弱面筋网络强度，导致烘焙产品的体积减小。此外，膳食纤维还会与淀粉竞争吸水，抑制淀粉糊化，从而对面团的黏弹性及面包的质构产生影响。

膳食纤维能够吸水并持水，进而影响面团的水分含量与水合特性，而这些特性对最终产品的质构和风味至关重要。面团中蛋白质与膳食纤维的相互作用会增强面筋网络的形成与稳定性，使面包具备更优的持气性，从而改善面包的体积与质构。膳食纤维可影响淀粉的消化速率，进而降低烘焙食品的血糖生成指数（GI），实现葡萄糖的缓慢释放，减少血糖的剧烈波动。添加膳食纤维还能对烘焙食品的感官品质产生积极影响，从而提高消费者的接受度与满意度，进一步推动产品销售。

饮料类产品

总体而言，膳食纤维通过改善食品体系的物理稳定性、提升感官特性与营养功能性，对饮料产品的品质产生影响。

膳食纤维能通过与水分子形成分子间氢键，构建三维网状结构，增加体系黏度，延缓果肉或蛋白质颗粒的沉降，维持饮料的均一性。

膳食纤维可能与风味物质发生相互作用，影响风味物质的释放与感知，进而改变饮料的整体风味。在发酵型饮料中，膳食纤维会影响微生物的代谢过程，促使其产生不同的风味化合物。

此外，膳食纤维还能形成保护层，防止色素氧化降解；同时，它可作为糖替代品与脂肪替代品，降低饮料中的糖含量与脂肪含量，从而减少热量摄入。因此，选择合适类型的膳食纤维并采用匹配的加工工艺，可实现饮料产品稳定性、风味与营养功能的协同优化。

肉制品

目前，羧甲基纤维素、卡拉胶、菊粉等膳食纤维已成功应用于肉制品中，发挥增稠、稳定与乳化作用。膳食纤维对肉制品品质的改善，主要通过其与水分、脂质及蛋白质的相互作用实现，这一过程与膳食纤维的亲水/疏水特性、网络构建能力及与蛋白质的协同效应密切相关。膳食纤维可促进蛋白质聚集与交联，调节蛋白质二级结构，从而增强鱼糜制品的凝胶强度并稳定凝胶结构。

膳食纤维的物理填充作用及其与蛋白质的相互作用，能减少肉制品在加热过程中的水分与脂肪流失，进而提高其热加工稳定性。此外，膳食纤维因亲水性良好，易与亲水基团结合，这对肉制品的保水性有显著影响，可抑制其在储存与加工过程中的水分损失。

同时，膳食纤维可作为乳化剂稳定脂肪颗粒，提高肉制品的乳化稳定性，减少脂肪析出。部分膳食纤维含有酚类化合物等抗氧化成分，能提升肉制品的抗氧化能力，抑制脂质氧化，延长产品保质期。

此外，膳食纤维作为功能性成分，可提高肉制品的纤维含量，减少脂肪与钠的摄入，提升产品营养价值，满足消费者对健康食品的需求。

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Future Prospects

尽管膳食纤维的研究已取得一定进展，但仍存在若干局限性。目前，膳食纤维的高效提取仍需突破，尤其是从加工副产物（果渣、麸皮、果壳等）中分离膳食纤维的过程，不仅工艺复杂，且能耗较高。未来需进一步攻克提取成本、工艺、效率及规模化应用等方面的问题，充分挖掘加工副产物及新型食品原料中的膳食纤维资源。在膳食纤维与食品成分的相互作用研究方面，现有研究多聚焦于宏观现象的观察，而膳食纤维与食品成分相互作用的微观机制（分子间作用力、构象变化等）尚未完全阐明。在实际食品体系中，膳食纤维与水分、脂质、蛋白质的相互作用呈动态协同关系，但当前研究多关注单一成分的作用效果，缺乏对复杂基质中多组分相互作用机制的系统分析。应用层面，商业化膳食纤维仍以甲基纤维素、卡拉胶等传统水胶体为主。改性膳食纤维与新型膳食纤维虽在实验室中展现出优异性能，但受生产工艺稳定性及成本限制，尚未实现大规模商业化应用。未来，可通过低共熔溶剂、等离子体处理等技术开发绿色靶向提取工艺，实现高品质膳食纤维的高效、低成本制备；借助分子模拟（分子动力学）与表征技术（核磁共振、荧光光谱等），解析膳食纤维与食品成分间的微观相互作用机制（界面行为、多组分竞争效应等）；通过工艺优化与复配技术，解决膳食纤维功能性与食品适口性之间的矛盾。此外，利用机器学习预测膳食纤维在特定基质中的质构-结构调控规律也至关重要，可为精准配方设计提供理论依据。

膳食纤维研究的突破需要材料科学、食品工程与计算生物学的交叉融合。研究人员应立足可持续食品体系的战略高度，挖掘加工副产物的资源价值；通过分子机制解析推动功能性目标设计；借助智能算法加速产业转化。最终构建“营养-质构-可持续性”三位一体的食品创新体系。这一过程将为解决全球食物浪费、优化膳食结构、推动低碳生产提供关键科技支撑，助力实现全链条创新。

Dietary fiber in food industry: extraction, preparation and component interaction

Qiang Yu, Xiaoting Qin, Bing Zheng, Mingyong Xie*

State Key Laboratory of Food Science and Resources, China-Canada Joint Lab of Food Science and Technology (Nanchang), Nanchang University, Nanchang, 330047, China

*Corresponding author.

Abstract

This review provides the application of dietary fiber (DF) in food industry by a new perspective, a systematic analytical framework of source-interaction-application has been constructed. Firstly, the current status of DF extraction and preparation from cereal, fruit, vegetable, legume and processing by-products are reviewed according to source categories. Then the interaction mechanisms between DF and important food components such as protein, lipid, water, carbohydrate and other bioactive substances are discussed. Finally, the effects of DF on the quality of products of different types (such as bakery, beverage and meat products) are analyzed. However, there are still some limitations on the economics of DF extraction process, in-depth analysis of the mechanism of action, and diversity of applied products. This review can provide theoretical support and research ideas for DF preparation, multi-scale interactions between DF with food components and its effect on product quality, which can lay a good foundation for the application of DF in food industry.

Reference:

Yu, Q., Qin, X., Zheng, B. et al. Dietary fiber in food industry: extraction, preparation and component interaction. Agric. Prod. Process. Sto. 1, 25 (2025). https://doi.org/10.1007/s44462-025-00029-1

翻译：王立磊（实习）

编辑：梁安琪；责任编辑：孙勇

封面图片来源：摄图网

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