综述：膳食纤维研究进展：分类、功能特性、相互作用及食品加工副产物中膳食纤维的增值利用

《Foods》：Advances in Dietary Fiber: Classification, Functional Properties, Interactions, and Valorization of Dietary Fiber from Food Processing By-Products

　　

在食品加工过程中，会产生大量副产物，包括种子、果皮、果渣、壳及其他植物源性残渣。这些副产物通常富含膳食纤维（DF），并具有显著的营养和功能应用潜力。膳食纤维在维持人体健康及降低心血管疾病、糖尿病等非传染性疾病风险方面发挥着重要作用。同时，将膳食纤维纳入食品体系可有效改善食品的理化特性并增强其功能特性。本文综述了源自食品加工副产物的膳食纤维的研究进展，重点关注膳食纤维与食品中其他功能成分的相互作用及其对人体健康的潜在影响。此外，本文总结并分析了当前食品加工副产物来源膳食纤维在传统食品加工、功能食品及其他新兴食品相关领域的应用现状，并探讨了其未来发展方向。本综述旨在为食品加工副产物来源膳食纤维的高值化利用提供理论参考。本综述强调，不同食品加工副产物来源的膳食纤维表现出多样化的组成特征和功能潜力，其功能特性与原料的原始来源和特性密切相关。合理利用食品加工副产物可为开发高值功能食品配料和可持续食品材料提供新途径。

1. 引言
全球食品加工行业在加工谷物、水果、蔬菜、豆类及其他植物性食品原料时产生大量副产物，如麸皮、果渣、菜叶和豆渣等。这些副产物通常富含膳食纤维（DF），是功能型膳食纤维的宝贵来源，在食品和健康相关产业中具有应用潜力。然而，大多数副产物被直接丢弃，缺乏合理利用，导致资源浪费和环境污染。膳食纤维具有调节肠道健康、改善代谢等多种生理功能，从废弃物中提取DF并添加至面包、饼干、酸奶饮料等食品中，既可优化食品加工性能并增强其健康益处，又能进一步实现废弃资源的高值化利用，从而实现从环境负担到营养增益的双重转变。因此，如何高效利用这些副产物成为食品行业可持续发展亟待解决的重要问题。

膳食纤维是一类不能被人体小肠水解或消化、但可在结肠中完全或部分发酵的不可消化碳水化合物。它可被定义为“植物中固有的、完整的不可消化碳水化合物和木质素”。世界卫生组织（WHO）和国际食品法典委员会将DF定义为“结构中具有10个或更多结构单元的分子”。国际碳水化合物质量联盟近期将DF称为“不可吸收的植物碳水化合物”。根据溶解性，DF可分为两类：可溶性膳食纤维（SDF），包括果胶、植物胶、β-葡聚糖、半乳甘露聚糖和果聚糖；以及不可溶性膳食纤维（IDF），包括半纤维素和纤维素，这些不能被消化吸收用于能量代谢。由于独特的理化性质，DF长期被视为非营养物质，但随着营养科学研究的不断进步，DF的重要作用已被肯定，并被誉为“第七大营养素”。

近年来，食品加工副产物的资源化利用日益受到重视，尤其是源自这些副产物的DF，因其资源再生性和功能优越性成为食品行业膳食补充剂的研究热点，展现出广泛的应用潜力。现有研究不仅关注此类纤维的功能特性探索，还积极探讨其在材料开发和健康食品中的应用潜能。Scarcella等人利用豆渣成功开发出具有良好机械性能的可生物降解SDF薄膜，该薄膜可在自然环境中快速降解，为替代传统塑料包装提供了环保新方案。Cao等人（2024）比较了海带副产物中SDF的理化和生物活性，发现SDF在持水性、膨胀性、离子交换和抗氧化性能方面表现更优，并显示出通过调节氧化应激和炎症反应缓解结肠炎的能力，为肠道疾病的功能性食品干预提供了新途径。Yu等人聚焦加工改性技术，发现经1% K₂CO₃结合热处理和水解改性处理的豆渣DF，其结构特征、理化性质和功能活性得到优化，为其在肠道健康食品中的精准应用提供了技术基础。甚至某些被丢弃的DF有时表现出比食品中DF更优异的特性，进一步凸显了将此类废弃物资源转化为高附加值产品的巨大潜力。

与从全植物性食品中提取膳食纤维相比，利用食品加工副产物作为DF来源具有显著且可扩展的优势。这些残渣在食品加工过程中连续大量产生，成本相对较低，且是膳食纤维的丰富来源，无需额外土地或农业投入。此外，其增值利用符合循环经济原则。尽管已有综述从不同角度总结了膳食纤维，但其重点主要局限于提取技术、理化性质、功能改性或传统植物源膳食纤维的健康促进作用。部分研究讨论了单一食品加工残渣中的膳食纤维，但关于废弃物来源膳食纤维作为可持续资源的全面概述仍然有限。与以往综述不同，本研究强调将食品加工副产物转化为高附加值膳食纤维，重点关注其结构-功能关系、健康效应和高值应用。同时，总结了废弃物来源DF在传统食品改良、功能食品开发及新型食品材料等前沿领域的应用现状，并探讨了其在食品工业中的未来发展方向和潜在路径。本研究旨在为废弃物来源DF的系统提取和高值化利用提供理论依据和技术参考，以推动食品工业向资源高效和环境友好的可持续模式转型。

2. 膳食纤维文献检索及废弃物膳食纤维研究热点
以“dietary fiber”为检索词，在ScienceDirect数据库中检索到2010至2026年间发表的190,322篇相关文献。由于2026年完整年度数据不可用，该年份数据未包含在图1a的可视化结果中。图1a显示，2010至2025年相关研究数量逐年增加，表明对DF的研究兴趣日益增长。用于检索废弃物来源膳食纤维的关键词由“Dietary Fiber”与各种来源术语（包括wastes、by-products、peels、kernels、rhizomes、dregs）组合而成。根据图1b的统计结果，废弃物膳食纤维的研究数量占所有DF相关研究的比例不足50%。总体而言，膳食纤维研究日益受到关注，而废弃物膳食纤维研究仍相对有限。因此，本综述系统总结了膳食纤维的最新进展，包括其分类、功能特性、加工策略、与其他组分的相互作用及应用，以及食品加工副产物中废弃物膳食纤维资源化利用的潜力。本综述讨论的文献基于其与膳食纤维分类、功能特性、加工策略、与其他组分相互作用及应用、废弃物膳食纤维利用的相关性进行筛选。与这些主题无关的研究未纳入综述。

通过Web of Science数据库，分别使用关键词“dietary fiber”与各种副产物（如“by products”、“wastes”、“peels”、“kernels”、“rhizome”、“dregs”）检索到3096、1802、1390、468、36和22篇文章。所有文章导入文献计量分析工具VOSviewer（1.6.21版）进行分析。将关键词最小出现频次设为40，在9302个相关关键词中，有48个达到该阈值。合并重复含义的关键词后，最终保留35个关键词用于后续图谱绘制。如图2a所示，获得四个聚类组，分别代表四个主要研究方向：原料的理化和功能特性（红色区域）、副产物的资源化利用（绿色区域）、消化与肠道营养（蓝色区域）、酚类化合物与抗氧化活性（黄色区域）。通过分析各聚类模块的详细分布，发现红色区域聚焦于膳食纤维副产物的原料，主要涉及分类（SDF/IDF）、化学组成、微观结构、粒径、理化性质、流变和质构特性以及感官评价。绿色区域集中于农业副产物，主要研究提取、生物活性化合物、植物化学物质、功能食品、健康益处，并涵盖食物废弃物利用、增值利用、可持续性和循环经济。蓝色区域以膳食纤维为研究对象，关注挤压、发酵加工技术，以及果胶、消化率、益生元效应、肠道微生物群和性能。黄色区域主要以苹果渣和葡萄渣等水果果渣为研究对象，探讨酚类化合物及其抗氧化活性。同时，以国家为分析单位，将国家所需最低文献数设为50，共有32个国家达到该阈值。如图2b所示，膳食纤维废弃物相关文献较多的前三个国家是中国、美国和西班牙。检索结果表明，中国、美国和西班牙在废弃物膳食纤维研究领域具有显著影响力和贡献，是该领域世界重要的研究力量。因此，基于文献计量分析揭示的热点结构内容，本综述总结了膳食纤维的分类、结构和性质；强调了其与益生元和酚类物质的交互应用；并重点分析了膳食纤维的健康益处。最后，从循环经济和资源化利用视角，总结分析了当前市场中废弃物DF在传统食品加工、健康食品及交叉功能食品领域的应用现状和问题，并为废弃物DF的进一步加工提供了思路。确定的关键词聚类反映了废弃物膳食纤维的主要研究方向，并与本综述讨论的主题一致。

3. 食品加工副产物作为膳食纤维来源
食品加工副产物含有丰富的膳食纤维（DF），其组成和功能特性因原料来源和加工方式的不同而差异显著。根据水溶性特征，DF通常分为可溶性膳食纤维（SDF）和不可溶性膳食纤维（IDF）。不同来源食品副产物中SDF和IDF的比例和组成各异，进而影响其理化性质、生理功能及在食品工业中的潜在应用。例如，果蔬加工副产物常富含果胶等SDF，而谷物麸皮和豆渣等植物残渣则含有较高比例的纤维素和半纤维素等IDF。因此，阐明不同副产物来源DF的组成特征和功能差异，是实现食品加工废弃物高值化利用的重要基础。尽管在其他领域也探索了膳食纤维衍生材料，但本节讨论的应用主要聚焦于食品相关用途，包括作为功能食品配料和食品包装材料。两者在结构、理化性质和生理功能上存在显著差异。SDF（如果胶和β-葡聚糖）因其良好的溶解性和发酵特性，在调节糖脂代谢和改善肠道微生物群方面具有突出效果。IDF主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，虽不被人体消化酶分解，但因其独特的物理结构和材料性质，正从传统肠道调节剂扩展为食品工业绿色转型中具有高潜力的功能生物基材料。对DF组分的深入研究不仅关系到其营养价值的探索，更是实现农业和食品加工副产物高值化利用及开发新型食品材料的关键。

3.1. 可溶性膳食纤维（SDF）
废弃物来源的DF涉及多种多糖，包括果胶、魔芋葡甘聚糖、菊粉及其他功能性多糖。果胶主要来源于柑橘皮和苹果渣等水果加工残渣，而魔芋葡甘聚糖和菊粉分别来源于魔芋块茎和富含菊粉的植物。甲壳素和壳聚糖是海洋来源的多糖，因其独特的理化性质常被作为功能组分研究。果胶是一种结构复杂的多糖大分子，广泛存在于陆地植物细胞壁中，是自然界中水溶性DF含量最高的物质。果胶因其药理和营养功效（如抗菌、解毒、抗癌、降脂和降胆固醇能力）在医学领域具有重要药用价值。研究发现果胶可通过肠道菌群介导宿主葡萄糖调节。从火龙果皮中提取的果胶可用于制备具有良好热稳定性和机械性能的可生物降解薄膜。从百香果皮中提取的果胶也有望用作增稠剂和胶凝剂。

β-葡聚糖作为一种DF，是由D-葡萄糖单体通过β-糖苷键连接而成的线性大分子多糖，广泛存在于植物和微生物中。大量研究证明β-葡聚糖具有多种生理功能，在食品和制药工业中具有良好的应用前景。作为一种新型功能食品，经常摄入β-葡聚糖可调节血糖、降低血脂和血浆胆固醇，从而缓解肥胖并改善糖尿病（DM）治疗的整体效果。β-葡聚糖还能改善机体的免疫反应，并具有一定的抗肿瘤活性。β-葡聚糖已被用作功能性食品添加剂，添加到牛奶、酸奶和面包中以减少能量摄入和降低胆固醇。

魔芋葡甘聚糖（KGM）是一种天然存在的SDF。研究发现，在电离辐射诱导造血和胃肠系统损伤的小鼠中使用KGM，可增强肠道微生物群丰度、益生菌数量和短链脂肪酸（SCFAs）的产生，维持肠道稳态，并显著抑制受辐射人肠上皮细胞的凋亡。功能性菊粉是另一种SDF，具有广泛的生物活性，包括免疫调节、抗氧化、抗肿瘤、保肝、降血糖和胃肠保护活性。菊粉型果聚糖（ITFs）是膳食益生元纤维，可通过改变肠道微生物群产生有益健康效应。同一食品中不同类别的SDF往往表现出不同的理化性质。因此，需要进一步探索、深化和加强食品中SDF的功能和理化性质研究。目前，SDF在食品中的应用更为广泛，例如作为调节肥胖的功能食品原料，以及具有抑菌保鲜作用的可食用膜等。

然而，由于食品中SDF含量通常远低于IDF，许多学者致力于探索DF的改性策略以获取更多SDF，但结果往往不够显著。受DF含量限制，以食品本身为原料提取SDF并应用于食品，存在提取率低和经济成本高的缺点。因此，开发和应用具有高DF含量的同源食品废弃物具有相当大的实用和经济价值。

3.2. 不可溶性膳食纤维（IDF）
IDF主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，是植物细胞壁的重要结构组分。纤维素是由β-D-吡喃葡萄糖结构单元通过β-1,4-糖苷键连接而成的线性聚合物IDF，在自然界中广泛分布，是自然界中最丰富的可再生多糖，可从多种植物中分离获得，是一种可再生、可生物降解的天然高分子。通过机械、化学或酶处理，纤维素可转化为具有纳米尺度且功能特性增强的纳米纤维素，为食品相关应用带来新机遇。纳米纤维素因其高比表面积、可持续性和环境友好性，已被研究用于食品包装到生物医学材料等多种应用。在食品领域，纳米纤维素凭借其优越的性能和特性，在食品添加剂、功能因子递送材料、食品涂料、食品包装等方面具有良好的应用前景。

从菠萝加工副产物菠萝皮渣中分离含木质素的纤维素纳米晶体（LCNCs），并通过氢键相互作用与单宁酸（TA）结合形成LCNCs-TA复合颗粒，可用于稳定皮克林乳液，这对木质纤维素农业废弃物的高值化利用具有重要意义。将荞麦麸皮制备的纤维素纳米晶体（CNCs）以酯基形式接枝姜黄素，可增强凝胶颗粒和纳米颗粒的抗氧化活性。同时，纳米晶凝胶颗粒和纳米颗粒可抑制脂肪水解和消化，从而减少机体对脂肪的吸收，显著降低升高的甘油三酯水平、体重和脂肪积累。半纤维素是初生壁和次生壁中仅次于纤维素的第二大碳水化合物组分。半纤维素广泛分布于木质纤维素材料中，包括谷物、水果、蔬菜、豆类及其他植物源性农业副产物，是主要的结构多糖之一，对膳食纤维贡献显著。膳食中常见的半纤维素主要类型包括木聚糖、半乳甘露聚糖、葡甘聚糖和木葡聚糖。与其他IDF相比，半纤维素的结构更为多样和复杂。半纤维素结构中含有大量羟基，可通过交联或化学改性制备具有不同功能性的材料，应用于药物递送、组织工程和废水处理等领域。半纤维素可制成多种水凝胶吸附剂，用于去除水溶液中的Cd（II）、Cu（II）和Pb（II）等金属离子污染物。木聚糖半纤维素可作为可再生材料用于食品包装应用。木聚糖涂层薄膜在水、空气和水蒸气渗透性、溶解度、机械强度以及针对病原菌的抗菌活性方面表现出良好性能。木质素不溶于水且不被人体消化，是IDF的组分，被认为是植物纤维素生物质的主要成分之一。木质素是植物次生细胞壁的组成部分，填充在纤维素之间的空隙中，赋予植物刚性结构。木质素的高碳含量和酚类结构使其具有耐水性、耐溶剂性、阻燃性、耐老化性、吸光性等特性，共同决定了木质素作为复合材料的优异性能。木质素具有良好的抗菌活性，木质素及木质素基薄膜的抗自由基和抗菌活性对于食品包装添加剂等应用至关重要。木质素-壳聚糖生物复合膜用于制备活性抗菌生物膜，可有效抑制特定病原菌和腐败微生物。IDF研究曾一度热度下降，但近年来随着学者对其研究的不断深入，对IDF功能的认识越来越全面。越来越多IDF的功效和重要性被发现和开发。某些食品中的IDF甚至比同种食品的SDF在降脂降糖方面更有效。IDF在食品加工中的扩展和应用曾因添加IDF会导致组织疏松、结构松散、口感粗糙等质量问题而受到限制。但随着人们对IDF添加到食品中的不断研究和优化，食品工业中的许多缺点已被克服，并展现出更好的研发前景。

综上所述，膳食纤维的功能价值因可溶性膳食纤维（SDF）和不可溶性膳食纤维（IDF）类型的不同而具有更大的差异化潜力。SDF因其优异的溶解性和发酵特性，在调节糖脂代谢、改善肠道微生物群和干预特定疾病方面表现出更优越的生理活性，是功能食品开发中值得关注的重要成分。IDF不仅具有传统的生理调节功能，而且因其结构稳定性和可修饰性，已成为开发新型生物基食品材料和促进高值资源化利用的潜在原料。从食品加工副产物中定向提取和利用SDF和IDF，不仅可以有效提升废弃资源的营养价值和材料潜力，还能为食品工业从功能配料到绿色包装材料提供多元化解决方案。未来研究需要进一步阐明不同来源膳食纤维具体结构与功能之间的构效关系，并着力开发绿色高效的提取和改性技术，以充分挖掘膳食纤维的应用潜力，促进其在提升人类健康和食品工业可持续发展方面的系统价值。

4. 膳食纤维的功能特性
DF的组成和结构对其理化和功能特性有显著影响。大量实验数据表明，DF的理化性质和生理功能与其持水力、持油力、葡萄糖吸附能力、胆固醇吸附能力以及其他有害物质的吸附能力密切相关。在食品研发（R&D）和工业生产、加工及改性中，采用不同方法改变DF结构以优化和改善其理化和功能特性。

目前，DF的改性方法众多，包括物理、化学和生物方法，以及两种或多种方法结合的复合改性方法。由于日常食品中SDF含量很低，可通过DF改性提高SDF含量并改善其理化性质，以实现DF的均衡组成并增强其对人体的生理效应。采用双螺杆挤压结合超声波处理和酶改性处理玉米麸皮DF，发现挤压-酶协同改性的SDF（EESDF）表现出较低的分子量、较高的提取率、持水力和亚硝酸根离子吸附能力，以及更高的抗氧化活性。通过双螺杆挤压蒸煮工艺改性的大蒜皮SDF也被证明对铅（Pb）结合有积极作用。然而，也有研究表明IDF同样具有多种生理功能。采用复合酶法从豆渣中获得的高纯度不可溶性膳食纤维（HPIDF）具有更好的理化性质和体外抗氧化活性，如更高的粘度、持油力、更好的阳离子交换能力和α-淀粉酶活性。由于HPIDF粒径小、比表面积大，其对重金属（Cd²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺）、葡萄糖、胆固醇和丙烯酰胺的吸附效果理想。来源于麒麟菜的不可溶性膳食纤维（EIDF）具有较强的羟基自由基清除能力，经几种超微粉碎获得的EIDF清除率均高于97%，并对黄曲霉毒素B1表现出较强的吸附性能。从刺果番荔枝和芒果中提取的IDF也显示出良好的抗氧化活性。

然而，DF的提取和应用仍面临诸多挑战，如提取效率低、质量差、稳定性差和工业化生产水平低。因此，DF（尤其是废弃物膳食纤维）的提取和优化对于进一步提升DF的开发价值及其在食品和制药工业中的应用尤为重要。

5. 膳食纤维与其他物质的相互作用
长期以来，膳食纤维（DF）的健康益处（如增加饱腹感、调节肠道蠕动、吸附胆汁酸）主要归因于其自身的物理化学性质。然而，现代营养学研究表明，DF在人体内并非孤立作用。作为全谷物、蔬菜、水果和豆制品等复杂食品的关键组分，DF与共存的多酚类化合物、蛋白质、益生菌及其他生物活性成分之间存在一定程度的互利效应。这些相互作用在食品消化过程中动态关联，共同构成健康调控网络。其相互协作的机制