（农产品加工及贮藏工程专业论文）竹笋及笋渣膳食纤维的提取工艺及其理化特性研究.pdf

四川农业大学硕士学位论文 摘要 膳食纤维是一种包含纤维素、半纤维素、木质素、果胶及可溶性多糖等多种成分 的混合物，它作为一种极其重要的功能食品，引起了国内外营养学家的高度关注，在 功能性食品的开发中也越来越被重视。竹笋及笋渣含有丰富的膳食纤维成分，目前一 直未被很好的开发利用。本文以四川主产的麻竹笋及其笋渣为原料，通过发酵法和酶 法提取膳食纤维并研究其理化特性，为竹笋及笋渣的综合利用寻找一条新的途径，达 到增加竹笋产品的附加值，提高竹笋的经济效益，减小浪费和环境污染的目的。 试验采用四因素二次回归通用旋转组合设计，优化出膳食纤维的最佳提取条件， 结果如下： 发酵法提取竹笋膳食纤维的最佳工艺为：接种1 8 的绿色木霉发酵母液，调整 p h 到7 3 ，在3 6 。c 条件下发酵5 6 h ，产品的总膳食纤维( t d f ) 含量为6 8 5 2 ，不 溶性膳食纤维( i d f ) 为5 6 5 1 ，可溶性膳食纤维( s d f ) 为1 2 0 1 。 发酵法提取笋渣膳食纤维的最佳工艺为：接种1 0 的绿色木霉发酵母液，调整 p h 到6 8 ，在3 2 条件下发酵4 4 h ，产品的t d f 含量为6 1 0 2 ，i d f 为5 0 2 3 ，s d f 为1 0 7 9 。 混合酶法提取竹笋膳食纤维的最佳工艺为：用o 2 混合酶【淀粉酶( 常温) 加纤维 素酶l ：1 进行水解，条件是6 0 。c 、p h6 0 、l h 。再添加0 1 的中性蛋白酶，调整 p h 到7 5 ，在5 0 。c 条件下酶解2 5 h ，产品的t d f 含量为6 9 9 7 ，i d f 为5 7 1 8 ， s d f 为1 2 7 9 。 混合酶法提取笋渣膳食纤维的最佳工艺为：用o 2 混合酶【淀粉酶( 常温) 加纤维 素酶l ：1 进行水解，条件是6 0 * ( 2 、p h6 0 、l h 。再添加0 2 的中性蛋白酶，调整 p h 到6 o ，在4 0 。c 条件下酶解1 5 h ，产品的t d f 含量为7 0 2 2 ，i d f 为6 0 1 0 ， s d f 为1 0 1 3 。 最佳工艺条件下提取的膳食纤维产品的理化特性研究表明：发酵产品和酶法产品 的持水力和溶胀性都有很大提高，并且酶法产品高于发酵产品；对胆固醇的吸附能力 与环境p h 有关，p h 7 0 时大于p h 2 0 时的值，并且都远大于原料吸附力，酶法获得 的竹笋膳食纤维产品吸附力远大于相应发酵法产品，但两种笋渣膳食纤维产品间区别 不明显：四种膳食纤维在p h 2 0 时对n 0 2 一的吸附力大于p h 7 0 时的吸附能力，酶法 产品大于发酵产品，且都比原料有明显提高。四种膳食纤维对c u 2 + 、p b 2 + 、c d 2 + 的 四川农业大学硕士学位论文 束缚量较之原料有很大提高。竹笋的酶法产品对c u 2 + 的束缚量显著高于发酵产品；笋 渣的酶法产品对p b 2 + 的束缚量显著大于发酵产品；对c d 2 + 的束缚量测定结果表明酶法 产品与发酵产品间没有显著差异。酶法和发酵法提取的竹笋膳食纤维和笋渣膳食纤维 对大白鼠在蛋白质和脂肪的消化率方面有显著影响。四种膳食纤维在2 5 以上的剂 量能使脂肪的消化率显著降低；在5 剂量下蛋白质的消化率显著降低。 综合比较产品中t d f 含量、s d f 含量及其理化特性得出，混合酶法提取的竹笋 和笋渣膳食纤维纯度更高，品质也优于绿色木霉发酵法的产品，而且此法周期短，对 生产环境要求也没有发酵法高，操作简便，是一种较易用于实际生产的方法。 关键词：竹笋笋渣提取t d f 二次回归通用旋转组合设计 i i 四川农业大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i e t a r yf i b e ri sa1 1 1 i x l ：u r ei n c l u d i n gc e l l u l o s e ，h e m i c e l l u l o s ea n dl i g n i n ，p e c t i na n d s o l u b l ep o l y s a c c h a r i d e ，a n do t h e rc o m p o n e n t s a sa ne x t r e m e l yi m p o r t a n tf u n c t i o n a lf o o d ， d i e t a r yf i b eh a sg a i n e dt h ec o n c e r l lo ft h en u t r i t i o n i s ta th o m ea n da b r o a dv e r ym u c h i nt h e d e v e l o p m e n to ff u n c t i o n a lf o o d ，d i e t a r yf i b eh a sb e e np a y e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n b a m b o os h o o t sa n dt h e i rd r e g sa r er i c hi nd i e t a r yf i b e r ，w h i c hh a sn o tb e e nf u l l yu t i l i z e d i nt h i sp a p e r , b a m b o os h o o t sa n dt h e i rd r e g sm a i n l yp r o d u c t e di ns i c h u a nw e r eu s e da sr a w m a t e r i a l st oe x t r a c td i e t a r yf i b e rb yf e r m e n t a t i o na n de n z y m a t i cm e t h o d ，a n dt h ee x t r a c t e d d i e t a r yf i b e r sp h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c sw a ss t u d i e dt o o t h ea i mo ft h i ss t u d y w a st of i n dan e ww a yt oc o m p r e h e n s i v e l yu t i l i z eb a m b o os h o o t sa n dt h e i rd r e g sa n dt o i n c r e a s et h eb a m b o op r o d u c t s a d d i t i o n a lv a l u e ，t oi m p r o v et h ee c o n o m i cb e n e f i t so f b a m b o os h o o t s ，a n dt or e d u c ew a s t ea n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n f o ro p t i m i z i n gt h eb e s te x t r a c t i o nc o n d i t i o n so fd i e t a r yf i b e r , t h eq u c d r a t i cr o t a t i o n a l r e g r e s s i o nc o m b i n a t i o nd e s i g nw a su s e d a n dt h er e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： t h eb e s tf e r m e n t a t i o nc o n d i t i o n st oe x t r a c td i e t a r yf i b e rf r o mb a m b o os h o o t sw e r e t 1 1 a t 18 v o l u m eo ft h et r i c h o d e r m av i r i d ef e r m e n t e dl i q u o rw a si n o c u l a t e d a n d a c i d i t yw a sa d j u s t e dt op h7 3 ，a n df e r m e n t i o np e r i o dw a s5 6ha t3 6 n l e 田d fc o n t e n t o fp r o d u c t sw a s6 8 5 2 ，a n dt h ei d fc o n t e n tw a s5 6 51 ，a n dt h es d fc o n t e n tw a s 1 2 0 1 t h eb e s tf e r m e n t a t i o nc o n d i t i o n st oe x t r a c td i e t a r yf i b e rf r o mb a m b o os h o o t s d r e g s w e r et h a t10 v o l u m eo ft h et r i c h o d e r m av i r i d ef e r m e n t e dl i q u o rw a si n o c u l a t e d a n d a c i d i t yw a sa d j u s t e dt op h6 8 ，a n df e r m e n t i o np e r i o dw a s4 4h a t3 2 n l et d fc o n t e n t o fp r o d u c t sw a s6 1 0 2 ，a n dt h ei d fc o n t e n tw a s5 0 2 3 ，a n dt h es d fc o n t e n tw a s 1 0 7 9 t h eb e s tc o n d i t i o n st oe x t r a c td i e t a r yf i b e rb ym i x e de n z y m ef r o mb a m b o os h o o t s w e r et h a to 2 m i x e de n z y m e 【a m y l a s e ( r o o mt e m p e r a t u r e ) a n dc e l l u l o s e1 ：1 】w a sa d d e d ， a n de n z y m o l y s i sc o n d i t i o n sw e r e6 0 。c ，p h6 0 ，1h t h e n0 1 n e u t r a lp r o t e a s ew a sa d d e d a n da c i d i t yw a sa d j u s t e dt op h7 5 ，a n de n z y m o l y s i sp e r i o dw a s2 5ha t5 0 c n et d f c o n t e n to fp r o d u c t sw a s6 9 7 9 ，a n dt h ei d fc o n t e n tw a s5 7 18 ，a n dt h es d fc o n t e n t w a s1 2 7 9 n eb e s tc o n d i t i o n st oe x t r a c td i e t a r yf i b e rb ym i x e de n z y m ef r o mb a m b o os h o o t s d r e g sw e r et h a t0 2 m i x e de n z y m e 【a m y l a s e ( r o o mt e m p e r a t u r e ) a n dc e l l u l o s e1 ：1 】w a s a d d e d ，a n de n z y m o l y s i sc o n d i t i o n sw e r e6 0 p h6 0 ，1h t h e no 2 n e u t r a lp r o t e a s e w a sa d d e da n da c i d i t yw a sa d j u s t e dt op h6 0 ，a n de n z y m o l y s i sp e r i o dw a s1 5ha t4 0 t h et d fc o n t e n to fp r o d u c t sw a s7 0 2 2 ，a n dt h ei d fc o n t e n tw a s6 0 10 ，a n dt h es d f c o n t e n tw a s1 0 1 3 t h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c ss t u d yo fd i e t a r yf i b e re x t r a c t e du n d e r o p t i m a lc o n d i t i o n si n d e c a t e dt h a t ： i i i 四川农业大学硕士学位论文 t h ee x p a n s l o nc a p a c i t i e so fd i e t a r yf i b e re x t r a c t e df r o mb a m b o os h o o t sa n dt h e i r d r e g sb yf e r m e n t a t i o na n de n z y m o l y s i sw e r eb i g g e rt h a nt h a to ft h e i rm a t e r i a l ，a sw e l la s t h ew a t e rh o l d i n gc a p a c i t i e s a n de n z y m o l y s i sw a sb e t t e rt h a nf e r m e n t a t i o n d i e t a r yf i b e r sa d s o r p t i o nc a p a c i t yo nc h o l e s t e r o lw a sd e p e n d e do na c i d i t y a tp h7 ， t h ev a l u ew a sb i g g e rt h a nt h a ta tp h2 a n de n z y m o l y s i sh a dm o r ee f f e c t st h a n f e r m e n t a t i o no nb a m b o os h o o t s 1 1 1 ea d s o r p t i o nc a p a c i t yo nn 0 2 。w a ss t i l ld e p e n d e do na c i d i t y 1 1 1 ev a l u ea tp h 2 0 w a sb i g g e rt h a nt h ev a l u ea tp h 7 0 a n dt h ec a p a c i t yo fe n z y m o l y s i sp r o d u c t sw a s a b s o l u t e l yb i g g e rt h a nt h a to ff e r m e n t a t i o np r o d u c t s t h ea d s o r p t i o no i lc u 2 + c d 2 + a n dp b 2 + w a si m p r o v e db yf e r m e n t a t i o na n d e n z y m o l y s i s a n dt h ea d s o r p t i o nv a l u eo nc u 十o fe n z y m o l y s i sp r o d u c t sw a sb i g g e rt h a n t h ev a l u eo ff e r m e n t a t i o np r o d u c t s ，w h i c he x t r a c t e df r o mb a m b o os h o o t s ，n l ea d s o r p t i o n v a l u eo nc d + o f e n z y m o l y s i sp r o d u c t sw a sb i g g e rt h a nt h ev a l u eo ff e r m e n t a t i o np r o d u c t s ， w h i c he x t r a c t e df r o mb a m b o os h o o t sd r e g s b u tt h e r ew e r en od i f f e r e n c eb e t w e e n f e r m e n t a t i o np r o d u c t s a d s o r p t i o nc a p a c i t ya n de n z y m o l y s i sp r o d u c t sc a p a c i t yo np 旷 d i e t a r yf i b e re x t r a c t e df r o mb a m b o os h o o t sa n dt h e i rd r e g sb ye n z y m a t i ca n d f e r m e n t a t i o nm e t h o dh a ds i g n i f i c a n t l ye f f e c t e dt h ed i g e s t i v eo fp r o t e i na n df a ti nt h er a t s f o u rk i n d so fd i e t a r yf i b e rh a dm a d et h er a t s d i g e s t i b i l i t yo nf a tr e d u c es i g n i f i c a n t l yw h e n a b o v e2 5 d o s a g e w h e nt h ed o s a g ew a s5 i ta l s oh a dd e c r e a s e dt h ep r o t e i n d i g e s t i b i l i t ys i g n i f i c a n t l y t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no ft h et d fc o n t e n t ，s d fc o n t e n ta n di t sp h y s i c a la n d c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef o u rp r o d u c t s ，t h ep u r i t yo fd i e t a r yf i b ee x t r a c t e df r o m b a m b o os h o o t sa n dt h e i rd r e g sb ym i x e de n z y m a t i cm e t h o dw a sh i g h e rt h a nt h ep r o d u c t s e x t r a c t e db yt r i c h o d e r m av i r i d ef e r m e n t i o n ，a n dt h eq u a l i t yw a sb e t t e r , a n dt h ep r o c e s s p e r i o dw a ss h o r t e rt o o n l ee n v i r o n m e n t a lr e q u i r e m e n to ft h ep r o c e s sw a sl e s st h a n f e r m e n t a t i o n ，a n dt h eo p e r a t i o nw a sm o r es i m p l e a l lt h ea b o v eh a dm a d et h em i x e d e n z y m a t i cm e t h o de a s i e rf o rt l l ea c t u a lp r o d u c t i o n k e y - w o r d s ：b a m b o os h o o t s ；d r e g s ；e x t r a c t i o n ；t o t a ld i e t a r yf i b e r ；q u a d r a t i cg e n e r a l r o t a r yu n i t i z e dd e s i g n i v 论文独创性声明 本人郑重声明：所呈奄的学应论文是我个人在导师指导下进f 亍研究： f 乍j 行取得的成 果。尽我所知，除了文中特另, j d r l 以标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四j i j 农业大学或其它教育机构的学 位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 研究生虢鼠p 安彬 2 卯髫年多月“日 关于论文使用授权的声明 本人完全了解7 1 ；ij l l 农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意四川农业大学可以用不 同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 研究生魏邓毖彬 誓嚣霈孝 导师签名： 黝膨 础粤年6 月彩日 膨多年, 9 三6 日 四川农业大学硕士学位论文 1 文献综述 2 0 世纪末期人类社会经历了系列的变化，食品工业高度发展，人们膳食结构 也发生了重大调整。为满足人们的感官刺激和食用品质，食品越做越好吃，越做越精 细，但生活节奏的加快使人们忽略了合理的膳食结构，特别是在一些大中城市，居民 食品中膳食纤维含量越来越少，蔗糖和脂肪的使用量越来越多。现代流行病学研究资 料已经表明，正是这种不合理的膳食结构为肥胖症、糖尿病、高血压、高脂血症、冠 心病和恶性肿瘤等现代文明病的发生创造了条件，相反，高纤维的膳食才是更为健康 的生活方式。因此膳食纤维的研究与开发，受到了西方各主要国家的高度重视，医学 界、营养学界、食品工业界都对此作了大量的研究i l 】。而我国在这方面的研究起步较 晚，且多侧重于谷物类膳食纤维的研刭2 1 。 1 1 膳食纤维定义的变迁 人们对膳食纤维的认识经历了一个曲折的过程。在2 0 世纪7 0 年代以前，膳食纤 维被认为是一种“粗糙的成分”，没有任何营养价值，对维持人体健康也没有意义。人 们把膳食纤维简单地理解为粗纤维和纤维素。几十年的时间过去了，科学界抛开了对 膳食纤维的错误观念；承认了膳食纤维是一种对人类有积极作用的营养素，缺乏膳食 纤维的摄入会对人体的健康产生不良影响。这种对膳食纤维认识的转变是源于对国内 外营养流行病学的调查分析的结果。人们开始认识到，传统意义上的“粗纤维”不同于 膳食纤维，粗纤维是植物经特定浓度的酸、碱、醇和醚等溶剂作用后的剩余残渣，强 烈的溶剂处理导致了几乎1 0 0 的可溶性膳食纤维、5 0 6 0 的半纤维素和1 0 0 o , - 3 0 的纤维素被溶解损失掉，因此，“粗纤维”与“膳食纤维”这两个名词之间有着本质的区 别。而膳食纤维也不是纤维素，纤维素只是膳食纤维的一个组成成分，膳食纤维包括 纤维素，二者为大概念与小概念的关系。 1 9 5 3 年，h i s p s l e y 率先提出了“膳食纤维”( d i e t a r yf i b e r ，d f ) 的术语，他把构成植 物细胞壁的纤维素( c e l l u l o s e ，c e l ) 、半纤维素( h e m i c e l l u l s o e ，h c ) 及木质素( l i g n i n ) 等成分统称为膳食纤维，并提出膳食纤维能降低孕妇毒血症的假说【3 1 【4 】。该定义明显 区别于以往用粗纤维( c r u d ef i b e o 方法测定的食品中的纤维组成成分及其特性。 1 9 7 2 年h u g et r o w e l l 给膳食纤维定义为“不能被人体消化酶水解的植物细胞的框 架残留部分”。它存在片面性，1 9 7 4 年t r o w e l l 修正后的定义是“能抵抗人体消化酶水 解的植物组分”【5 1 。1 9 7 6 年又拓宽了膳食纤维的定义，认为“膳食纤维是不能被人体内 四川农业大学硕士学位论文 的消化酶水解的多糖和木质素”，即膳食纤维包括纤维素、半纤维素、木质素、树胶、 人造纤维素、海藻胶、寡糖、果胶、蜡质、角质和木栓质。t r o w e l l 建立了大量膳食 纤维与健康相关的假说，被称为“膳食纤维假说”。“膳食纤维假说”指出：膳食纤维的 摄入量与结肠癌及心脏病的发生率呈负相关，该假说的提出致使营养学、分析化学、 食品工程及其它领域开始对膳食纤维进行大量研究。 至1 9 7 6 年止，膳食纤维的定义已被拓宽到包括所有不可消化的多糖( 主要为植物 性糖类) ，如胶质、改性纤维素、粘胶、寡糖以及果胶，基本保留了生理学的定义， 即基于其可食性及抗消化性【6 】。 由于对膳食纤维有益作用认识的普及，大量研究者开始建立分析方法以定量提供 有生理功能的膳食纤维食品，其要点是采用酶作为工具，将食品中的可消化部分从不 可消化部分中分离开来，获得了一定的成功。 7 0 年代后期，p r o s k y 开始致力于在学术界将膳食纤维定义统一化工作。同时为 了营养改良及食品标签而定量膳食纤维的目的，他也着手从事于符合膳食纤维定义的 分析方法的统一工作，并听取了世界范围内1 0 0 多位科学家的意见。1 9 8 1 年在加拿 大渥太华进行的美国农业分析化学家学会( a o a c ) 春季工作会议上，按照t r o w e l l 等 在1 9 7 6 年提出的定义，就膳食纤维定量方法达成共识 7 1 。在p r o s k y 的倡导下，研究 者( 包括d e v r i e s 和h a r l a n d ) 建立了一种适合国际间合作研究的简单方法，约有2 9 个 国家的4 3 个实验室参与了这项研究。研究者对第一次国际间研究产生的酶一重量法 达成共识，此后经过小的改进，获得了一种较精确的分析方法，这种方法被a o a c 首次采纳作为测定总膳食纤维( t o t a ld i e t a r yf i b e r ，t d f ) 的方法( a o a c 9 8 5 2 9 食品中 t d f 的酶一重量法) 。同年美国谷物化学家学会( a a c c ) 也采纳了该方法作为 a a c c 3 2 - 0 5 。对a o a c 9 8 5 2 9 所用的溶剂进行适当改良，就可分别得到测定可溶性 膳食纤维( s o l u b l ed i e t a r yf i b e r ，s d f ) 的酶一重量法( 磷酸缓冲液) ( a o a c 9 9 3 1 6 ) 和测定 不溶性膳食纤维( i n s o l u b l ed i e t a r yf i b e r ，i d f ) 的酶一重量法( 磷酸缓冲 液) ( a o a c 9 9 1 4 2 ) 。从此，营养学家和分析化学家仍然在对试验方法不断的改进【8 】。 1 9 9 5 年f a o 和w h o 的营养法典委员会采纳的定义是“膳食纤维是可食用的、但 不能被人体消化道酶水解的植物或动物性食物，且可用a o a c 9 8 5 2 9 和a o a c 9 9 1 4 3 方法检测出。膳食纤维是否应包括动物性食物，这点直到2 0 0 0 年仍未得到所有的营 养法典委员会委员的致认可【9 】。 2 0 0 1 年3 月，美国谷物化学家协会( a a c c ) 对膳食纤维的定义是：膳食纤维是植 2 四川农业大学硕士学位论文 物的可食部分，或类似的碳水化合物，它们不能被人体的小肠分泌物所消化，但能被 大肠内菌群完全或部分发酵。膳食纤维包括多糖、低聚糖、木质素和相关的植物物质。 膳食纤维具有促进通便、及或降低血液中胆固醇含量、及或降低血糖含量的有益健 康的生理效果【刀。这就把膳食纤维的生理功能纳入了定义中，自此膳食纤维的定义工 作还未结束，随着研究的深入，膳食纤维的定义将进一步完善【8 , 1 0 。 1 2 膳食纤维的分类和主要组成成分 1 2 1 膳食纤维的分类 1 2 1 1 根据溶解性分类 膳食纤维按溶解特性不同分为i d f 和s d f 两大类。i d f 是指不被人体消化道酶消 化且不溶于热水的那部分膳食纤维。它主要是细胞壁的组成成分，包括纤维素、半纤 维素、木质素和植物蜡等。s d f 是指不被人体消化道酶消化，但可溶于温水或热水且 其水溶液又能被4 倍体积的乙醇再沉淀的那部分膳食纤维，它主要指植物细胞内的储 存物质和分泌物【l l 】，还包括部分微生物多糖和合成类多糖如果胶( p e c t i n ) 、瓜儿豆胶、 海藻酸盐、葡聚糖和真菌多剖1 2 1 。 1 2 1 2 根据在大肠内的发酵程度分类 膳食纤维可被人体大肠内的菌群所发酵，但不同的膳食纤维被发酵的程度不一 样，可分为部分发酵类纤维和完全发酵类纤维。部分发酵类纤维包括：纤维素、半纤 维素、木质素、植物蜡和角质等；完全发酵类纤维包括：b 葡聚糖、果胶、瓜尔豆胶、 阿拉伯胶、海藻胶和菊粉等。一般来说，完全发酵类纤维多属s d f ，而部分发酵类纤 维多属i d f 。但也有一些例外，如羧甲基纤维素( c a r b o x y m e t h y lc e l l u l o s e ，c m c ) ， 它虽然易溶于水，但几乎不被大肠内菌群所发酵【1 3 】。 1 2 1 3 根据在植物体内的不同功能分类 根据膳食纤维在植物体内的不同功能，又可将其分为：结构性多糖类，主要由细 胞壁的相关物质组成，包括纤维素多糖、半纤维素多糖及果胶多糖等；结构性非多糖 类，主要成分为木质素；非结构性多糖类，主要是细胞壁内的分泌物，如树胶、胶浆 及部分多糖类物质【1 1 。 1 2 1 4 根据定义分类 2 0 0 1 年1 月，膳食纤维定义委员会提交给a a c c 一份名为t h ed e f i n i t i o no f d i e t a r yf i b e r ) ) 的报告，报告中根据定义将膳食纤维分为：非淀粉多糖和抗消化的低聚 3 四川i 农业大学硕士学位论文 糖类，包括纤维素、半纤维素( 阿拉伯木聚糖、阿拉伯半乳聚糖) 、果聚糖( 菊粉、低聚 果糖) 、树胶、粘浆和果胶；相似的碳水化合物类，包括抗消化糊精( 抗消化的麦芽糊精 和马铃薯淀粉糊精) 、合成的碳水化合物类( 葡聚糖、甲基纤维素) 、木质素及相关植物 物质类，包括蜡质、肌醇六磷酸、角质、皂角昔、软木脂和单宁【1 4 1 。 1 2 2 膳食纤维的主要组成成分 1 2 2 1 纤维素( c e l l u l o s e ) 纤维素化学结构与直链淀粉相似，但它是以p 吡喃葡萄糖基通过p 1 ，4 糖苷键 联接的无支链葡萄糖多聚体。人体内的淀粉酶只能水解0 【1 ，4 糖苷键而不能水解p 1 ， 4 糖苷键。因此纤维素不能被人体胃、肠道内的酶所消化。纤维素具有亲水性，在消 化道内可以大量吸收水分，持水性好。 1 2 2 2 半纤维素( h e m i c e l l u l o s e ) 半纤维素是由多种糖基组成的一类多糖，其主链上由木聚糖、半乳聚糖或甘露糖 组成，在其支链上带有阿拉伯糖或半乳糖。在人的大肠内半纤维素比纤维素易于被细 菌分解。大部分半纤维素是不可溶性的，部分可溶，具有一定的生理作用。 1 2 2 3 果胶( p e c t i n ) 果胶是以q 1 ，4 糖苷键连接的聚半乳醛酸为骨架链，主链中有鼠李糖残基，部分 半乳糖醛酸残基经常被甲基酯化。该结构是通过鼠李糖基的c 4 位置携带取代基阿拉 伯低聚糖、半乳糖或者阿拉伯半乳低聚糖，则成为阿拉伯半乳聚糖。果胶是一种无定 形的物质，具有与离子结合的能力，可以在热溶液中溶解，在酸性溶液中形成胶态， 它对于维持膳食纤维的结构有重要的作用。 1 2 2 4 树胶( g h n ) 树胶的化学结构因来源不同而有差别。主要成份是葡萄糖醛酸、半乳酸、阿拉伯 糖及甘露糖等所组成的多糖。它可分散于水中，具有粘稠性，可起到增稠剂的作用。 1 2 2 5 木质素( l i g n i n ) 木质素不是多糖物质，而是苯基类丙烷的聚合物，具有复杂的三维结构，有关它 的具体的化学本质至今仍未完全弄清楚。天然存在的木质素大多与碳水化合物紧密结 合在一起，处于细胞壁中，因此很难与纤维素分离。所以，在膳食纤维的组成中包括 了木质素。人和动物均不能消化木质素。木质素作为一种抗氧化剂，具有与f e 、z n 结合的能力【15 1 。 4 四川农业大学硕士学位论文 1 3 膳食纤维物化性质 1 3 1 膳食纤维的水合作用 膳食纤维的水合作用表现在它的吸水膨胀能力( s w e l l i n gc a p a c i t y ，s w c ) ，溶解性， 持水力( w a t e rh o l d i n gc a p a c i t y ，w h c ) 和结合水力( w a t e rb i n d i n gc a p a e i t y ，w b c ) t 1 6 1 。 由于膳食纤维能吸收相当于自身重量数倍的水分，故它能表现出较高的s w c 、w h c 和w b c 。膳食纤维的持水能力视纤维的来源不同以及分析方法的不同而不同，变化 范围大致在自身重量的1 5 2 5 倍之间。果胶、粘质物和半纤维素具有很高的持水力。 此外，膳食纤维的s w c 、w h c 和w b c 也受膳食纤维颗粒大小和环境温度的影响【1 7 1 。 膳食纤维的w b c 的大小也取决于膳食纤维分子的物化结构、p h 值和周围流体电解 液的浓度。燕麦纤维的w b c 值比水果纤维的低，因为水果中含有丰富的水溶性果胶 ( w a t e rs o l u b l ep e c t i n ，w s p ) 【1 6 1 。 1 3 2 膳食纤维的吸附能力 膳食纤维能吸附油类、香气成份等有机物质，从而赋予食品应有的香气和风味。 同时，因为膳食纤维表面带有很多活性基团，可以螯合吸附胆固醇和胆汁酸之类有机 分子，从而抑制人体对它们的吸收。膳食纤维对胆汁酸的吸附能力大小与膳食纤维的 品种、p h 值及胆汁酸的性质有关。酸性条件下，膳食纤维对胆汁酸的结合最多，随 p h 的增高则结合力下降。体外试验表明，木质素吸附胆汁酸的能力很强，果胶对胆 汁酸的吸附能力也较好，而纤维素的吸附能力较小。膳食纤维还可以吸附肠道内的有 毒物质和致癌物质，促使它们排出体外。膳食纤维的这种吸附螯合的作用，与其生理 功能密切相关【1 1 。 1 3 3 膳食纤维的离子交换能力 膳食纤维化学结构中包含一些羧基和羟基类侧链基团，可产生类似弱酸性阳离子 交换树脂的作用，可与阳离子、尤其是有机阳离子进行可逆的交换。膳食纤维能与 c a 2 + 、z n 2 + 等阳离子结合，使n a + 与k + 交换，并吸附n a + ，使之随粪便排出体外，降 低因n a + 摄入过量而引起的许多疾病( 如心血管病等) 的发病率【1 8 】。当然，膳食纤维 的阳离子交换能力( c a t i o ne x c h a n g ec a p a c i t y ，c e c ) 也必然影响到机体对某些矿物质 元素( 如c a 、f e 、z n 等) 的吸收，这些影响作用并不都是积极的【1 9 1 。但也有一些研究 表明，膳食纤维( 如果胶和瓜儿豆胶等) 被完全发酵后生成的短链脂肪酸( s h o r tc h a i n 5 四川农业大学硕士学位论文 f a t t ya c i d ，s c f a ) ，可以增强人体对一些c a 、m g 和f e 等矿物质的吸收【2 0 1 。 1 3 4 膳食纤维的发酵作用 人体小肠内的分泌物不含分解膳食纤维的酶，因而膳食纤维不易被人体消化吸 收。但在大肠中，膳食纤维可被肠内的菌群发酵降解。不同的膳食纤维被发酵降解的 程度不同，如s d f ( 果胶等) 可被完全发酵降解，产生乙酸、丙酸和丁酸等短链脂肪酸， 而纤维素等i d f 不易为微生物所作用，几乎不能被发酵。不同的膳食纤维被发酵后的 终产物不同。如瓜儿豆胶最终形成丙酸富集的发酵产物，而阿拉伯胶最终形成乙酸和 丁酸富集的发酵产物【2 1 1 。不同膳食纤维被发酵降解的程度和发酵终产物的浓度( 如 s c f a ) 不同，是因为膳食纤维的化学结构和性质各不相同。如纤维素是由葡萄糖通过 b 1 ，4 糖苷键结合起来的，不易被微生物所利用。而淀粉是葡萄糖通过1 ，4 和咖1 ， 6 键连接的，这两个键则非常容易被微生物所降解【2 2 1 。膳食纤维被发酵降解的程度还 与其颗粒大小和摄入方式有关，颗粒小者较颗粒大者更易降解，单独摄入的较包含于 食物基质中的更易被降解【1 1 。膳食纤维发酵降解的终产物有气体( 甲烷、氢气和二氧化 碳) ，s c f a ( c 2 - 4 2 5 的有机酸) 和增殖的细菌团。大部分气体通过肺腔释放，一些氢气 和二氧化碳继续被微生物所代谢生成甲烷，这样可降低身体内部的压力田】。发酵所产 生的短链脂肪酸可被结肠细胞吸收利用为能量物质，所以膳食纤维的净能量并不等于 零。 肠道内短链脂肪酸浓度的增大可带来许多有利的生理作用。例如，短链脂肪酸 能分解肝脏内的毒素，降低血脂和血糖的浓度；降低血清胆固醇和甘油三酸酯水平； 降低肠道的p h 值，影响微生物酶的活力，促使有用菌的增殖；短链脂肪酸能作为免 疫调节剂，吸收前致癌物，促使免疫系统攻击肿瘤细刺1 8 】。 1 4 膳食纤维的生理功能 1 4 1 调节肠道菌群 肠道内微生物生态系统的平衡是肠胃健康的关键因素。若肠道微生态系统遭到破 坏，可导致肠道的屏障功能减弱，从而引起疾病。通过控制膳食结构来完全改变粪便 微生物的菌群是不大可能的，而改变膳食组成却可使现存的微生物菌群比例发生变 化。膳食纤维可被肠道细菌的酶发酵降解，产生短链脂肪酸，使结肠内p h 值下降， 促进肠道有益菌群生长和增殖，抑制有害腐败菌的生长并减少有毒发酵产物的形成 u 】。短链脂肪酸在维持肠道屏障功能和刺激结肠受损组织愈合方面也起着重要的作用 6 四川农业大学硕士学位论文 【2 4 1 。同时，膳食纤维具有高持水性，能在胃肠道中吸收大量的水分，使粪便体积增大， 导致结肠内径变大，而不易形成憩室。膳食纤维可增加粪便含水量，使其变得柔软而 更易被排泄出去，有利于肠内压的下降。若膳食纤维摄入量太少，则粪便干而硬，通 过结肠时给肠壁造成很大的压力，导致结肠环形肌肉乏力而容易产生肠憩室和便秘 【1 】 o 1 4 2 防治冠心病 大量的试验研究表明增加膳食纤维的摄入可明显降低心脏血管疾病尤其是冠心 病( c o r o n a r yh e a r td i s e a s e ，c h d ) 秘t 生, t 2 5 捌。膳食纤维可吸附胆汁酸使之随粪便排 出体外，为了补充被膳食纤维吸附而排出体外的那部分胆汁酸，就必须加强胆固醇的 代谢，将胆固醇分解为胆酸和胆汁酸【2 7 1 。试验证明，膳食纤维可降低血清中低密度脂 蛋白浓度，从而预防和治疗c h d 的发生。其中果胶、愈创胶、角豆胶卡拉胶等水溶 性膳食纤维，燕麦、荞麦和豆类等非水溶性膳食纤维对降低血清中l d l 和胆固醇有 较好的效果【2 8 1 。 1 4 3 降血压降血糖作用 膳食纤维对阳离子有较强的结合力，它能与肠道中的n 矿、k + 进行交换，促使尿 液和粪便中大量排出l ( + 、n a + ，从而降低n 埘比，起到降低血压的作用【2 9 1 。 膳食纤维的降糖机制比较复杂，目前还未完全清楚。一般认为，膳食纤维增加胃 内容物的黏度，降低胃排空速率，影响葡萄糖的吸收。胃排空速率的降低与餐后血糖 水平的降低显著相关。由于膳食纤维的持水性和膨胀性，在肠道内干扰了可利用碳水 化合物与消化酶之间的有效混合和作用，降低了可利用碳水化合物的消化率。并且， 膳食纤维促进肠道蠕动，使食物在肠道内的消化和吸收时间变短，也影响了小肠对葡 萄糖的吸收。 欧仕益等研究表明，膳食纤维通过影响q 淀粉酶对淀粉的降解作用，延长酶解时 间，降低肠液中葡萄糖释放速率的方式来减缓小肠对葡萄糖的吸收3 0 1 。膳食纤维延缓 和阻碍葡萄糖吸收的数种作用途径同时存在，长期摄入高膳食纤维膳食，有利于稳定 血糖，改善机体末梢组织对胰岛素的感受，降低糖尿病人对胰岛素的要求。对于糖尿 病人特别是i i 型( 非胰岛素依赖型) 糖尿病人来说，提高日常膳食纤维摄入量十分有必 要。 7 四川农业大学硕士学位论文 1 4 4 抗癌作用 食物经消化吸收后所剩残渣到达结肠后，在被微生物发酵过程中，可能产生许 多有毒的代谢产物，包括氨( 肝毒素) 、胺( 肝毒素) 、亚硝胺( 致癌物) 、苯酚和甲苯酚( 促 癌物) 等。膳食纤维对这些有毒发酵产物具有吸附鳌合作用，