（农产品加工及贮藏工程专业论文）可溶性膳食纤维提取、理化性质及其生理功能的研究.pdf

摘要 摘要 豆渣在我国资源丰富，但豆渣中可溶性膳食纤维含量低，因此为了提高豆 渣中可溶性膳食纤维的含量。本文以豆渣为原料，我们分别用微生物发酵法和 高温蒸煮这两种方法来提高豆渣中可溶性膳食纤维的含量。结合动态超高压和 离心分离技术，使可溶性膳食纤维含量得到极大的提高。再以可溶性膳食纤维 为研究对象，系统研究了可溶性膳食纤维的提取工艺，并优化了工艺。对可溶 性膳食纤维理化性质以及降血脂、降血糖功能的动物实验进行了研究。本论文 的实验和研究结果如下： 1 微生物发酵工艺参数确定为发酵温度3 2 ，菌种配比1 ：l ，接种量4 ， 豆渣浓度2 0 ，在此条件下，s d f 的得率可达到2 7 5 6 研究结果表明微生物发 酵法生产可溶性纤维提取率高，产品品质好，色泽外观好。因此我们选用微生 物发酵法提取可溶性膳食纤维。 2 通过微生物发酵法研制高活性膳食纤维，我们采用高温蒸煮技术结合瞬时 高压作用和离心分离技术，选用离心分离技术对豆渣的提取液进行高速分离， 最终确定最佳的工艺参数为瞬时高压8 0 m p a ，高温蒸煮2 0m i n ，蒸煮温度为1 0 0 ，离心转速为4 8 0 0 r m i n 。经离心分离处理以后，s d f 的纯度达到了9 0 ，并 且大大节省了乙醇分析试剂 3 实验测定的单糖组分分析表明豆渣s d f 的单糖组分为半乳糖、葡萄糖、 阿拉伯糖和木糖。测定了在不同浓度、不同温度和不同条件下的流变曲线，得 出在一定浓度下的豆渣溶液具有假塑性流体的特性，并探讨了温度以及p h 的变 化对豆渣可溶性纤维溶解度的影响 4 本文对豆渣膳食纤维的生理功能性进行了研究，分别以可溶性膳食纤维、 不溶性纤维和总膳食纤维对昆明小鼠降血脂作用进行了研究和可溶性膳食纤维 降血糖作用进行了研究，结果表明：s d f 具有显著的降血脂、降血糖作用，但 是不溶性膳食纤维这方面的作用并不明显。 关键词： 豆渣可溶性膳食纤维理化性质降血脂降血糖 a b s t r a c t a bs t r a c t b e a nd r e g si sr i c hi nr e s o u r c e si no u rc o u n t r y , b u tt h ec o n t e n to fs o l u b l ed i e t a r y f i b e ri sv e r yl o w w i t hs o y b e a nd r e g sa sm a t e r i a l i no r d e rt oi m p r o v et h ec o n t e n to f s o l u b l ed i e t a r yf i b e r , w ew e r eu s i n gm i c r o b i a l f e r m e n t a t i o na n dh i g h - t e m p e r a t u r e c o o k i n gc o m b i n a t i o no fu l t r a - h i g hp r e s s u r e m i c r o f l u i d i z a t i o nt e c h n o l o g ya n d c e n t r i f u g et e c h n o l o g y , s ot h a tt h es o l u b l ed i e t a r y f i b e rc o n t e n th a sb e e ng r e a t l y i m p r o v e d t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ee x t r a c t i o np r o c e s so fs o l u b l ed i e t a r yf i b e r ( s d f ) ， p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e sa n di t se f f e c t so 1r e d u c i n gb l o o dl i p i da n d b l o o d s u g a ri nk u n m i n gm i c e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h i sp a p e ra r eh e r e b ys h o w e da s f o l l o w s ： 1 t h ee x t r a c t i o nt e c h n o l o g yw a sd e t e r m i n e da n do p t i m i z e db yt h es t u d y t h e m i c r o b ef e r m e n t a t i o np a r a m e t e r sw e r ef e r m e n t a t i o nt e m p e r a t u r e a t3 2 f u n g i r a t i o1 ：1 ，i n o c u l a t i o na m o u n t4 ，t h eb e a nd r e g sc o n c e n t r a t i o no f2 0 ，u n d e r s u c hc o n d i t i o n s ，t h ey i e l dr a t eo fs d fr e a c h e st o2 7 5 6 2 r e s e a r c hs h o wt h a tt h em i c r o b i a lf e r m e n t a t i o no fs o l u b l ef i b e rw a s h i g h - q u a l i t yp r o d u c t s t h r o u g ht h es t u d yo ft h es o y b e a nd r e g se x t r a c t i o n ，b a s e do nt h e c o m b i n a t i o no fh i g h - t e m p e r a t u r es t e a m i n g ，c e n t r i f u g a ls e p a r a t i o n 谢t hi n s t a n t a n e o u s l l i g hp r e s s u r em e c h a n i s m ，a n ds e p a r a t i n gt h es o y b e a nd r e g s e x t r a c tb yh i g hs p e e d c e n t r i f u g a t i o n ，t h eo p t i m a lt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s w e r ed e t e r m i n e da s ： i n s t a n t a n e o u sh i 。g hp r e s s u r e8 0 m p a ，h i g h t e m p e r a t u r es t e a m i n g2 0m i n ，t e m p e r a t u r e 10 0 ( 2 ，c e n t r i f u g a lr o t a t i o n a ls p e e d4 8 0 0 r m i n a f t e rc e n t r i f u g a ls e p a r a t i o n ，t h es d f p u r i t yw a su pt o9 0 t h i sm e t h o do b v i o u s l yr e d u c e d t h er e a g e n t 3 t h e a n a l y s i s o ft h em o n o s a c c h a r i d e c o m p o n e n t sb ye x p e r i m e n t a l m e a s u r e m e n t ss h o w e dt h a tt h em o n o s a c c h a r i d ec o m p o n e n t so fs o y b e a nd r e g sw e r e m o s t l yg a l a c t o s e ，g l u c o s e ，a r a b i - n o s e a n dx y l o s e t h er h e o l o g i c a lc u r v e sw e r e o b t a i n e dw i t hd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n , t e m p e r a t u r ea n dc o n d i t i o n s ，c o n c l u d i n gt h a ti n c e r t a i nc o n c e n t r a t i o n , t h es o y b e a nd r e g ss o l u t i o nh a dp s e u d o p l a s t i cf l u i d s c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dd i s c u s s i n gt h ei n f l u e n c e so ft e m p e r a t u r ea n dp ho ns o l u b i l i t yo f s o y b e a nd r e g ss o l u b l ef i b e r a b s t r a c t 4 t h i sp a p e rr e s e a r c h e do nt h ef u n c t i o no fs o y b e a r ld r e g sw i t hr e s p e c t i v es t u d i e s o fe f f e c to fs o l u b l ed i e t a r yf i b e ro nr e d u c i n gb l o o dl i p i da n db l o o ds u g a ri nm i c e t h e r e s u l ts h o w e dt h a ts d fh a do u t s t a n d i n gi m p a c to nr e d u c i n gb l o o dl i p i da n db l o o d s u g a rw h e r e a st h ei n s o l u b l ed i e t a r yf i b e rh a d l i t t l ei n f l u e n c e k e y w o r d s - s o y b e a nd r e g s ；s o l u b l e c h e m i c a lp r o p e r t i e s ；a n t i l i p e m i cf u n c t i o n ； i i i d i e t a r yf i b e r ( s d f ) ；t h ep h y s i c a la n d h y p o g l y c e m i ce f f e c t 本论文符号 醇 固醇 组 a i c p s d g c m s h d l c h l h s d f i d f l g i v l p l d l c l s d f m g m s d f n g n c p b s p c p t r f s c k mr a t s d f t d f t c t g t i c 本论文符号 a t h e r o g e n i ci n d e x 动脉硬化指数 c r u d ep o l y s a c c h a r i d ef o r ms o y b e a nd r e g s大豆粗多糖 g a sc h r o m a t o g r a p h y - m a s ss p e c t r u m气质联用 h i 曲d e n s i t yl i p o p r o t e i nc h o l e s t e r o l 血清高密度脂蛋白胆固 h i 曲l i p i d i eg r o u p h i g l l d o s es d f i n s o l u b l ed i e t a r yf i b e r i n t r a g a s t r i c i n t r a v e f l o u s i n t r p a e r i t o n e a l l o wd e s i t yl i p o p r o t e i nc h o l e s t e r o l l o wd o s es d f m o d e l g r o u p m i d d i ed o s es d f n o m r a l g r o u p n e u r o s p o r a c r a s s a p h o s p h a t e b u f f e r e ds a l i n e p o s “i v ec o n t r o lg r o u p p r o p y l t h i o u r a c i lt a b l e t s r a wf a t s u b c u t a n e o u s k u n m i n gr a t s o l u b l ed i e t a r yf i b e r t o t a l d i e t a r yf i b e r t o t a lc h o l e s t e r o l t r i g l y c e r i d e t o t a li o nc h r o m a t o g r a p h y i x 高脂对照组 高剂量多糖组 不可溶性膳食纤维 灌胃 静脉注射 腹腔注射 血清低密度脂蛋白胆 低剂量可溶性纤维组 模型组 中剂量可溶性纤维 正常对照组 粗壮脉纹孢菌 磷酸缓冲液 阳性对照组 丙基硫氧嘧啶 粗脂肪 皮下注射 昆明小鼠 可溶性膳食纤维 总膳食纤维 总胆固醇 甘油三酯 总离子流色谱图 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作c 徇：搠 字日期：1 j7 毒1 1 月铭日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 鲜 导师签名( 手写) ： 签字日期：可，p 笨tv 月哆日 v斤l kdll 才日 ： 彳 写 月 手 矿 名 每摊妊 者 旷 作 ： 文 期 论 日 位 字 学 签 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 中医认为大豆，性甘、平、无毒，归心、小肠经，有利水消肿、清热解毒、 滋养强壮的功效【l 】。大豆是一种重要的粮油兼用农产品，既能食用，又可用于榨 油。目前国内外使用豆腐制品的人口也是越来越多【2 】。近年来，大豆具有降低心 血管病发病率，降血压，降血脂，抗癌等功能得到越来越多的证实，全球范围 内带来了消费大豆的热潮。豆渣是大豆食品如豆腐和豆奶等在加工过程中去除 可溶性蛋白后的副产品。据不完全统计【3 】，陕西省全省目前注册的中、小型大豆 加工企业约为6 7 0 余家( 包括个体作坊) ，日加工豆腐、豆乳约5 6 0 t ，日出鲜豆腐 渣量约6 5 t ，年累计鲜豆腐渣出量约1 9 5 0 0 t 。若以陕西省的情况为平均值对全国 进行估算，则我国3 1 个省、市、自治区( 不包括我国台湾、香港、澳门地区) 日 供应豆腐、豆乳制品应不少于1 6 x1 0 4 t ，鲜豆腐渣日出量约为1 5 0 0 一1 6 0 0 t ，累 计年出渣量约为4 5 1 0 5 4 8x1 0 5 湿豆渣含水量约为8 5 t 4 1 ，那么每年约产生 干豆渣6 7 5x1 0 4 7 2x1 0 4 t ，产量非常之大，急需迫切解决其利用问题。 豆渣由于其所含热能低，且口感粗糙，过去一直没有引起人们的充分重视。 大都作为家畜的饲料，有的索性作为废弃垃圾，造成了资源浪费和大量的环境 污染。因此如何充分的利用产量日益增长的豆渣成为各国科研工作者关注问题 之一。田三德【5 】等认为解决这一问题与国家目前所倡导的菜篮子工程具有同等重 要的现实意义。 人类社会迎来了全新的发展时代。回想过去，人们经历着漫长的食不果腹 的凄惨岁月。仅仅到了2 0 世纪的最后几十年里，人类社会才发生了天翻覆地的 变化，现代社会物质文明的高度发达，既为人类的生存发展带来了很多新的机 遇与挑战，但同时也带来了诸多新的困惑与忧虑。肥胖症、高血脂、糖尿病、 冠心病、恶性肿瘤等所谓现代“文明病”的发病率居高不下，时刻威慑着世界 上每一个人的身体健康。 能够体现2 0 世纪末期人类社会重大变化的显著特征之一就是：食品工业的 高度发达和人们膳食结构的重大调整。摄取食品是一种享受，所谓美食家其意 义就在于此。食品首先要满足人们的感官刺激和食用品质，因此食品就越做越 第1 章绪论 好吃了，这自然而然就带来了食品工业的几个重大变化：( 1 ) 食品中的膳食纤维 含量越来越少；( 2 ) 蔗糖和脂肪的使用量越来越多。 也是在20 世纪末期，科学研究业已确认上述2 点变化趋势是导致现代“文 明病”的重要原因。2 0 世纪6 0 年代，t r o w e l 等人第一次列出所谓西方“文明病” 的特征，并论证了纤维的重要作用，引起了人们对膳食纤维生理功能的再认识。 膳食纤维的研究与开发，在2 0 世纪末期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。同样，高品质低( 无) 能 量的脂肪替代品和蔗糖替代品的开发，也是人类为提高自身健康而采取的重要 措施 强调膳食纤维的重要性，并不是让人们重新回到那些极少加工的粗制食品。 由于新闻媒体的误导，让人们自然而然地认为“富含膳食纤维就等于粗制”。现 代意义上的膳食纤维，已完全脱离了“粗”的形象。有关膳食纤维的研究开发， 成了2 0 世纪术期国际食品科学领域的热门课题。 我国对膳食纤维的研究，始于2 0 世纪8 0 年代末期，国家计划委员会八五 攻关项目正式立项，下达给无锡轻工业学院，开发适合中国国情的膳食纤维制 品。其中部分产品，已在浙江投入工业化生产。在这之后，广东省自然科学基 金委员会、广州市科学技术委员会都对膳食纤维给予立项资助。这些项目围绕 着膳食纤维的化学结构、物化性质、制备生产、多功能转化、功能活化等基础 与应用研究，己开展了大量的工作，并已全部结题。国家中小企业创新基金项 目：应用生物技术和动态超高压技术生产高活性膳食纤维( 0 6 c 2 6 2 1 3 6 0 1 3 4 6 ) 及其国家科技部农业成果转化基金项目：纳米级高活性膳食纤维及应用中试 ( 0 3 e f n 2 1 7 2 0 0 3 5 1 ) 。本论文是该两个项目的一个组成部分，重点研究不同品种 膳食纤维的生理功能。 1 2 膳食纤维的定义及分类 1 2 1 膳食纤维的定义 按1 9 9 9 年美国a a c c 年会对膳食纤维定义的讨论结果，膳食纤维的定义为 “凡是不能被人体内源酶消化吸收的可食用细胞、多糖、木质素、胶质、改性 纤维素、黏质、寡糖、果胶以及少量组成成分如腊质、角质、软木质 。膳食 纤维的概念不同于常用的粗纤维。传统意义上的粗纤维是指植物经特定浓度的 2 第1 章绪论 酸、碱、醇或醚等溶剂作用后的剩余残渣。强烈的溶剂处理导致几乎1 0 0 水溶 性纤维、5 0 - 6 0 半纤维素和1 0 - - 一3 0 纤维素被溶解损失掉。对于同一种产 品其粗纤维含量与总膳食纤维含量往往有很大差异，两者之间没有一定的换算 关系。虽然膳食纤维在人体口腔、胃、小肠内不被消化吸收，但人体大肠内的 某些微生物仍然能降解它的部分组成成分。从这个意义上说膳食纤维的净能量 并不严格等于零。而且，膳食纤维被大肠内微生物降解后的某些成分被认为是 其生理功能的一个起因。 膳食纤维( d i e t a r yf i b e r , 简称d f ) 是指不易被人体消化吸收的，以多糖类为主的 大分子物质的总称，是由纤维素、果胶类物质、半纤维素和糖蛋白等物质组成的 聚合体【6 j 。膳食纤维原定义是“不能被人体消化道酶所消化吸收的植物成分”， 这些成分常在食品加工过程中被去除。随着科学的进步，人们逐渐认识到，摄取食 物过于精细会导致多种疾病的发生，而食用富含膳食纤维的食品则可大大降低发 病率。因此，2 0 世纪7 0 年代开始，西方一些国家就已经重视对膳食纤维的研究，我 国在进入9 0 年代以来对膳食纤维的研究和开发工作也开始蓬勃发展起来r 。膳 食纤维是一种复杂的混合物，来源不同其组成也有很大的差异。 目前由于膳食纤维的定义尚存有争议，因此对膳食纤维的分类上也有不同看 法，一般来说，按溶解性分可分成水溶性膳食纤维( s d f ) 和水不溶性膳食纤维( i d f ) 两大类。不溶性膳食纤维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，是构成细胞壁的主要成分，包括纤维素、半纤维素、木质素、原果胶 和动物性的甲壳素和壳聚糖，其木质素不属于多糖类，是使细胞壁保持一定韧 性的芳香族碳氢化合物。水溶性膳食纤维是指不被人体消化酶消化，但溶于温 水或热水且其水溶性又被4 倍体积的乙醇再沉淀的那部分膳食纤维。主要包括 存在于苹果、橘类中的果胶，植物种子中的胶，海藻中的海藻胶、卡拉胶、琼 脂和微生物发酵产物黄原胶等。 按膳食纤维的来源分，可分成植物来源膳食纤维、动物性来源膳食纤维、海 藻多糖类膳食纤维、微生物多糖、合成半合成类膳食纤维等来源不同的膳食纤 维其化学本质差异很大，但基本组成成分则较相似，相互间的主要区别表现在各 组成成分的相对含量，分子的糖苷链、聚合度以及支链结构方面的差异【8 j 。 根据目前的分析方法测出的膳食纤维的组份大致分为以下几类：总膳食 纤维( t d f ) ：包括所有的组份在内如非淀粉多糖、木质素、抗性淀粉( 包括回 生淀粉和改性淀粉) 以及美拉德反应产物等。可溶性膳食纤维( s d f ) ：包括 3 第1 章绪论 果胶等亲水胶体物质和部分半纤维素。不可溶膳食纤维( i d f ) ：包括纤维素、 木质素和部分半纤维素。非淀粉多糖：食物样品中除去淀粉后，残渣用酸水 解成中性糖，然后用气相色谱( g c ) 或高效液相色谱( h p l c ) 定量检测其总和 【9 】，即为非淀粉多糖，或用酶解方法检测，包括纤维素、半纤维素、果胶及可溶 性非纤维素的多糖。 1 3 膳食纤维主要化学成分 1 3 1 纤维素 纤维素通常与木质素及其它非淀粉多糖共存形成混合物，一般为粗纤维。 它是g l c p ( 吡喃葡糖基) 经b 1 , 4 糖苷键连接而成的直链线性多糖，聚合度约 是数千，它是细胞壁的主要结构部分。如图所示，纤维素呈伸长的长链无分支 结构。由于其糖链内与链间存在强烈的氢键作用力，纤维素分子在植物细胞中 呈现结晶状的纤维束结构单元【1 0 1 。但结晶结构并不是连续的，非结晶结构内的 氢键结合力较弱，易被溶剂破坏。 g 。莲艇。pp 务广呓：。p 斜氓州 驰诩捌 卜一瞄 图1 1 纤维素1 3 葡聚糖的结构特征图1 2 纤维素结晶结构 1 3 2 半纤维素 种类很多，不同种类的半纤维素的水溶性也不同，有的可溶于水，但绝大 部分都不溶于水。谷物和豆类膳食纤维中的半纤维素有阿拉伯木聚糖、木糖葡 聚糖、半乳糖甘露聚糖和1 3 - ( 1 - 3 ，1 - 4 ) 葡聚糖等数种。 4 第1 章绪论 删1 t l - - - - - o o h 。 i 二i 硅l c m ! c 坷i l h c i i ，o h i d 一木糖d 一甘露糖d 半乳糖 图l半纤维素的主链的单糖组分化学结构 l 阿拉伯糖4 甲氧基d 葡萄糖醛酸l 半乳糖醛酸 图2半纤维素的侧链的单糖组分化学结构 1 3 3 果胶及果胶类物质 主链是经q 1 , 4 糖甘键连接而成的g a l a ( 半乳糖醛酸) 。果胶类物质主要 有阿拉伯聚糖、半乳聚糖和阿拉伯半乳聚糖等。 均匀区，单一半乳糖一砂、 南隅 j l6 0 镰 毛发区 暴发 图3 果胶的化学结构 1 3 4 木质素 木质素是由松柏醇、芥子醇和对羟基肉桂醇等3 种单体组成的大分子化合 物。天然存在的木质素大多与碳水化合物紧密结合在一起。木质素没有生理活 性。水溶性纤维主要有植物细胞内的储存物质和分泌物，另外还包括部分微生 物多糖和合成多糖，其组成主要有一些胶类物质，如果胶、阿拉伯胶、角叉胶、瓜 儿豆胶、卡拉胶、黄原胶、琼脂等以及半乳甘露聚糖、葡聚糖、海藻酸盐、c m c 和真菌多糖等：而水不溶性膳食纤维主要成分是纤维素、半纤维素、木质素、原 5 葛h固珂h国 堪。弘q 簸 “ 第1 章绪论 果胶、壳聚糖和植物蜡等。 1 4 膳食纤维物化特性 1 4 1 高持水力 膳食纤维的化学组成特性决定其理化性质，虽然膳食纤维在人体内不能被消 化吸收，但却具有多种特殊功能和生理作用【1 1 1 。膳食纤维的化学结构中含有许多 亲水基团，具有良好的持水性。较高的持水性可增加人体排便的体积和速度，减轻 直肠内的压力和泌尿系统的压力【l2 1 。 1 4 2 吸附作用 膳食纤维分子表面带有很多活性基团，可以吸附螯合胆固醇、胆汁酸以及 肠道内的有毒物质( 内源毒素) ，化学药品和有毒医药品( 外源性毒素) 等有机化合 物。膳食纤维的这种吸附螯合作用，与其生理功能密切相关。其中研究最多的 是膳食纤维与胆汁酸的吸附作用，它被认为是膳食纤维降血脂功能的机理之一。 肠腔内膳食纤维与胆汁酸的作用可能是静电力、氢键、或者疏水键间的相互作 用，其中氢键结合可能是主要的作用形式【1 3 1 。s a n g n a r k 1 4 1 测定了豆渣高活性膳 食纤维对脂肪的吸附作用。欧仕益【l5 】等采用邻苯二甲醛作显色测定豆渣高活性 膳食纤维对胆固醇吸附作用【l6 i 。将市售鲜鸡蛋的蛋黄分离，加入9 倍质量的蒸 馏水充分搅打成乳液。分别取2 0 9 豆渣膳食纤维于2 0 0 m l 的三角瓶中，加入5 0 9 稀释蛋黄液，分别将体系的p h 调节至2 0 和7 0 ，在3 7 下振荡2 h 。2 0 0 0 r m i n 下离心1 5 m i n ，吸取l m l 上清液，用9 0 的醋酸稀释5 倍，取0 1 m l ，采用邻 苯二甲醛作显色剂，在5 5 0 n m 下比色测定胆固醇含量【1 7 】。陈亚非等【1 8 】采用糠 醛比色法测定大豆高活性膳食纤维对胆酸钠的吸附作用。 1 4 3 阳离子交换和结合作用 膳食纤维结构中包含一些糖醛酸的羟基和羟基侧链基团，可与阳离子进行可 逆交换，一方面可能影响电解质与宏量微量元素的吸收，一方面也可降低重金属 的毒性【l 明；有关资料报道，膳食纤维尤其是酸性多糖类，具有较强的阳离子交换 功能。膳食纤维可与c a 、z n 、c u 、p b 等离子进行交换，在离子交换时改变了阳 离子瞬间浓度，起到稀释作用，故对消化道p h 值，渗透压及氧环境。更重要的 6 第1 章绪论 是它能与肠道中的n 矿，k + 进行交换，促使尿液和粪便中大量排出k ，n a ，从 而降低血液中的n a k 比，直接产生降低血压的作用。 1 4 4 无能量填充剂 膳食纤维体积较大，遇水膨胀后体积更大，易引起饱腹感。同时，由于膳 食纤维还会影响可利用碳水化合物等成分在体内的消化吸收，使人不易产生饥 饿感。膳食纤维对预防肥胖症十分有用利。 1 4 5 发酵作用 膳食纤维虽不能被人体消化道内的酶所降解，但却能被大肠内的微生物所 发酵降解，产生乙酸、丙酸和丁酸等短链脂肪酸，使大肠内p h 降低，从而影响 微生物菌群的生长和增殖，诱导产生大量的好气有益菌、抑制厌气腐败菌。不 同种类的膳食纤维的降解程度不同，果胶等水溶性纤维素几乎可被完全降解， 纤维素等水不溶性纤维则不易为微生物所作用。同一类源的膳食纤维，颗粒小 者较颗粒大者更易降解，而单独摄入的膳食纤维较包含于食物基质中的更易被 降解。膳食纤维的发酵作用由于好气菌群产生的致癌物质较厌气菌群少，即使 产生也能很快随膳食纤维排出体外，这是膳食纤维预防结肠癌的一个重要原因。 另外，由于菌落细胞是粪便的一个重要组成部分，因此膳食纤维的发酵作用也 会影响粪便的排泄量。 1 4 6 溶解性与黏性 膳食纤维的的溶解性、黏性对其生理功能有重要影响，水溶性纤维更易被 肠道内的细菌所发酵，黏性纤维有利于延缓和降低消化道中其它成分的消化吸 收。在胃肠道中，这些膳食纤维可使其中的内容物黏度增加，增加非搅动层厚 度，降低胃排空率，延缓和降低葡萄糖、胆汁酸和胆固醇等物质的吸收。 1 5 膳食纤维的生理功能 c h i f a ic h a u 等t 2 0 l 研究了三种不同的豆类的膳食纤维对欧洲大鼠胆固醇吸 收的影响，结果表明三类膳食纤维都具有不同程度的降低血液中胆固醇的功能； f a b r i z i oe s p o s i t o 等f 2 1 1 研究了麦麸膳食纤维的抗氧化活性，阐明了麦麸膳食纤维 具有抗氧化活性与纤维结合的苯酚类有关；r e d d y 等【2 2 1 采用a o m 诱导鼠致癌， 7 第1 章绪论 发现蔗果糖和菊粉低聚糖在癌肿的起始和促癌阶段都能抑制癌肿的形成，还能抑 制移植肿瘤的生长，减少遗传性癌肿的发生率，其机理被认为是低聚糖改变了结 肠微生物生态，调节了结肠细胞的抗癌免疫力。国内的学者也在膳食纤维的功能 作用和机理方面做了些研究，靳大勇等 2 3 2 4 1 研究了加用膳食纤维的肠内营养对 促进短肠大鼠结肠的代偿作用，结果表明膳食纤维尤其是可溶性膳食纤维对短 肠大鼠结肠有代偿作用；马正伟和张喜忠【2 5 】将燕麦麸、沙棘皮、瓜儿豆胶为主 要原料研制成的复合膳食纤维添加到基础饲料和高脂饲料中进行大鼠降胆固醇 试验，发现复合膳食纤维确能长期有效地降低经高脂饲料诱导形成高脂血症大 鼠血浆胆固醇水平，可用于动脉粥样硬化和冠心病的防治。 1 5 1 调整肠胃功能( 整肠作用) 膳食纤维能使食物在消化道内通过的时间缩短，一般在大肠内的滞留时间 约占总时间的9 7 ，食物纤维能使物料在大肠内的动速度缩短4 0 ，并使肠内 菌群发生变化，增加有益菌，减少有害菌，从而预防便秘，静脉瘤，痔疮和大 肠癌等，并预防其它合并症状。 1 5 1 1 防止便秘 膳食纤维使食物在肠内通过的时间缩短，大肠内容物( 粪便) 的量相对增加， 有助于大肠的蠕动，增加排便次数，此外膳食纤维在肠腔中被细菌产生的酶所 降解，先分解成单糖而后又生成短链脂肪酸，短链脂肪酸被当作能量利用后在 肠腔内产生二氧化碳并使酸度增加、粪便量增加以及加速肠内容物在结肠内的 转移而使粪便易于排出，从而达到预防便秘的作用。 1 5 1 2 改善肠内菌群和辅助抑制肿瘤的作用 膳食纤维能改善肠内群菌，使双歧杆菌等有益化，繁殖并因而产生有机酸， 使大肠内酸性化，从而抑制肠内有害菌的繁殖，并吸收了有害菌产生的二甲基 联氨等致癌物质。粪便中可能会有一种或多种致癌物质，由于膳食纤维能能促 使它们随粪便一起排出，缩短了粪便在肠道内停留的时间，减少了致癌物质与 肠壁的接触，并降低了致浓度。此外，膳食纤维尚能清除肠道内的胆汁酸，从 而减少癌变的危险性。已知膳食纤维能显著降低大肠癌、结肠癌、乳腺癌、胃 癌、食管癌等癌变的发生。 1 5 1 3 缓和由有害物所导致的中毒和腹泻 当肠内有毒菌和其产生的各种有毒物质时，小肠腔内的移动速度亢进，营 8 第1 章绪论 养成分的消化、吸收降低，并引起食物中毒性腹泻。而当有膳食纤维存在时可 缓和中毒程度，延缓在小肠内通过的时间，提高消化道酶的活性和对营养成分 正常的消化、吸收。 1 5 1 4 预防阑尾炎的发生 膳食纤维在消化道中可防止小的粪石形成，减少此类物质在阑尾内的蓄积， 从而减少细菌侵袭阑尾的机会，避免阑尾炎的发生。 1 5 2 抗氧化作用 豆渣中含有丰富的抗氧化物质，如黄酮、异黄酮、多肤、皂贰、绿原酸、 膳食纤维等。黄晓东等人【2 6 】从豆渣中提取了抗氧化成分，其抗氧化能力通过测 定色拉油的过氧化值来衡量，发现豆渣提取物的抗氧化效果与人工合成的t b h q 的抗氧化效果相当，证实了豆渣的抗氧化能力。豆渣不仅本身含有各种抗氧化 成分，经过微生物发酵后，往往会产生一些豆渣中本身没有的抗氧化成分，使 得发酵豆渣的抗氧化能力提高。y o k o y a m a 等【2 7 】从发酵豆渣中提取一种抗氧化物 质n t x ，体内外实验均证明n t x 具有明显的抗氧化功能，m a t u o 等【2 8 1 在米曲 霉发酵豆渣中分离得到y 和6 生育酚、异黄酮、黄豆苷、染料木黄酮、3 羟基 氨基苯甲酸抗氧化物质。当用这些物质对小鼠做体内实验时，发现这些物质能 抑制亚油酸氧化，吸收脂质过氧化物。 1 5 3 调节血糖值 膳食纤维中的可溶性纤维，能抑制餐后血糖值的上升，其原因是延缓和抑 制对糖类的消化吸收，并改善末梢组织对胰岛素的感受性，降低对胰岛素的要 求。水溶性膳食纤维随着凝胶的形成，阻止了糖类的扩散，推迟了在肠内的吸 收，因而抑制了糖类吸收后血糖的上升胰岛素升高的反应。此外膳食纤维能改 变消化道激素的分泌，如胰汁的分泌减少，从而抑制了糖类的消化吸收，并减 少小肠内糖类与肠壁的接触，从而延迟血糖值的上升。因此提高可溶性膳食纤 维的摄入量可以防止型糖尿病的发生，但对i 型糖尿病的控制作用很小。 1 5 4 调节血脂 可溶性膳食纤维可螯合胆固醇，从而抑制机体对胆固醇的吸收，并降低血 浆胆固醇5 - - - 1 0 ，且都是降低对人体健康不利的低密度脂蛋白胆固醇，而高 密度脂蛋白胆固醇不降或略有增加。相反，不溶性纤维很少能改变血浆胆固醇 9 第1 章绪论 水平。此外膳食纤维能结合胆固醇代谢产物胆酸，促使胆固醇向胆酸转化，进 一步降低血浆胆固醇水平。流行病学的调查表明，纤维摄入量高与冠心病死亡 的危险性大幅度降低有关。 1 5 5 调节血压 w a k i t a 等用沸水处理豆渣，增加了豆渣对血管紧张素转化酶( a c e ) 的抑制活 性。a c e 的主要功能是在血浆内皮细胞表面催化无活性的血管紧张转变为使血 管紧缩并刺激醛固酮分泌的血管紧张素i i ，血浆中高浓度a c e 可能导致血管壁 增殖和血管病变的产生，a c e 是高血压、脑出血等脑血管疾病的危险因素之一。 通过处理的豆渣具有抑制a c e 活性能力，有利于降低血压，减少脑血管疾病的 发生。吴建平等人【2 9 】研究了用特定的蛋白酶发酵豆粕，发现其对大豆蛋白可专 一地产生较强a c e 抑制活性肽类，即降压肽。 1 5 6 控制肥胖 大多数富含膳食纤维的食物，仅含少量的脂肪。因此在控制能量摄入的同 时，摄入富含膳食纤维的膳食会起到减肥作用，黏性纤维使碳水化合物的吸收 减慢，防止了餐后血糖的迅速上升并影响氨基酸代谢，对肥胖病人起到了减轻 体重的作用。膳食纤维能与部分脂肪酸结合，使脂肪酸通过消化道而不被吸收， 因此对控制肥胖症有一定的作用。 1 5 7 消除外源有害物质 膳食纤维对汞、砷、镉和高浓度的铜都具有清除能力，可使它们的浓度由 中毒水平降低至安全水平。 1 6 膳食纤维的制备和纯化 s a f f i a t us c l a y e ，a h m e di d o u r a i n e b 和c h a r l e sw w e b e r a 【3 0 】从麦麸、米糠、 燕麦纤维、马铃薯以及苹果中提取和纯化出不溶性膳食纤维，并对其中的可溶 性膳食纤维和总膳食纤维进行了检测，发现不同来源的膳食纤维各种成分不同， 同一种膳食纤维中同种成分( 可溶性膳食纤维、不可溶性膳食纤维和总膳食纤 维) 也有较大的变化。e a t o s i ，e r 6 ，h l u e r o 和r m a s c u a r l l i 3 l l 研究了将苋菜 粉碎将可得到不同颗粒大小的粉末，不同大小颗粒的膳食纤维的含量不同，以 1 0 第1 章绪论 此可分离得到较高膳食纤维的粉末，用气流式选粒机壳分离得到最高含6 3 9 不 溶性膳食纤维和6 8 6 可溶性膳食纤维的粉末。国内这方面的研究较多，邵晓芬、 王凤玲和邢坚强【3 2 】研究了从米糠和麦麸中提取制备膳食纤维；潘英明，梁英， 王恒山等1 3 3 】从罗汉果渣中提取水不溶性膳食纤维；冯翠萍、庞候英、常明昌等【3 4 1 用酶法提取芦笋皮中膳食纤维。还有很多研究从豆渣、苹果渣、竹笋、燕麦等 中提取了可溶或不可溶性的膳食纤维，这里就不一一列举。值得一提的是由于 可溶性膳食纤维的功能作用在多数情况下强于不可溶性膳食纤维，因此有研究 者专门以可溶性膳食纤维作为研究对象进行了提取，如谢涛和谢碧霞 3 5 1 从车前 草中提取出水溶性膳食纤维( s d f ) ；姜竹茂等【3 6 】从豆渣中提取出了可溶性膳食纤 维；葛春玉、潘英明、何大明等【3 7 】同用以罗汉果渣为研究对象从中提取出水溶 性膳食纤维，黄晓青等1 3 引，采用高温淀粉酶和纤维素酶对豆渣进行降解，酶解 在温度35 ，酶浓度0 7 ，时间6 h 的条件下，水溶性膳食纤维的水溶性糖为 7 6 4 、蛋白质为3 5 7 ，动物实验证明，所制得的纤维素具有一定的生理活性。 李凤【3 9 】利用蛋白酶、脂肪酶水解豆渣制备大豆膳食纤维，提取的膳食纤维的纯 度为7 2 2 3 、持水力5 2 3 9 g 、溶胀率6 3 4 m l g 。采用双酶法制备大豆膳食纤维生 产条件温和，不使用有毒副作用的有机溶剂，制得的成品纯度较高，性能优良。 郑建仙【4 0 】认为用酸碱法制取膳食纤维时，反复的水浸泡冲洗和频繁的热处理会 明显减少纤维终产品的持水力和膨胀性。涂宗财、李金林等利用自制混合乳酸 菌发酵制豆渣膳食纤维，在接种量4 5 、4 4 、恒温培养4 d 条件下，可溶性 膳食纤维含量提高到2 0 左右，为浅黄色的粉末产品。该产品具有特殊香味、 无豆渣原有的豆腥味和苦涩味、持水力高、吸水性强等特点，且加工过程中不 易失去水分，s d f 占d f 的比例高达1 3 1 3 ，生理活性明显增强，是一种优质 的膳食纤维。其生产过程简单，成本低廉，且易实现工业化生产，为生产高活 性膳食纤维寻找到了一条新途径。等等。 1 7 膳食纤维的改性 膳食纤维的功能性质与膳食纤维的持水力、膨胀度以及可溶性膳食纤维的 含量有很大的关系。制备膳食纤维一般的方法是用酸浸或是碱浸泡，然后用水 洗至中性，由于反复的水洗会降低膳食纤维的持水力和膨胀度，同时也会造成 可溶性膳食纤维的损失，这些加工不利于保持膳食纤维的功能性质，并且天然 第1 章绪论 的膳食纤维中可溶性膳食纤维的含量很低，因此如何减少水洗的步骤和提高膳 食纤维中水溶性膳食纤维的含量得到大家的关注。李安平、胡春水、谢碧霞等】 用乳酸菌发酵的方法提高竹笋膳食纤维的含量及其持水力和膨胀度，膳食纤维 的含量由原来的7 0 0 5 提高n 8 0 2 3 ，持水力有原来的6 9 0 5 提高n 8 4 2 1 ，这样 极大的提高了膳食纤维的活性；王遂，刘芳【4 2 】采用脂肪酶、淀粉酶和蛋白酶将 附着在纤维表面的脂肪、淀粉和蛋白质水解掉，使膳食纤维表面显示出多孔蜂 窝状结构，表面积增加，吸附能力增强，也增加了吸附胆汁酸、胆固醇以及有 毒有害物质的吸收作用而增加其功能作用；许晖【4 3 】进行了用高压挤压的方法来 提高米糠中可溶性膳食纤维含量的研究，并研究了新增加部分可溶性膳食纤维 的来源，结果是用挤压的方法能提高米糠中可溶性膳食纤维的含量，并且这部 分新增加的可溶性膳食纤维主要来自纤维素和半纤维素的降解。国外也进行了 类似的研究，如e m a r g a r e t ag l 等瞰 4 6 1 研究了用n a c l 和c a c l 2 盐来改变纤维的特 性从而改变纤维的功能价值；t h a v av a s a n t h a n 等【4 7 5 0 】用挤压蒸煮的方法来提高 可溶性膳食纤维的含量。 1 8 膳食纤维摄入量 1 8 1 推荐摄入量 膳食纤维的推荐摄入量f d a 推荐的成人总膳食纤维摄入量为2 0 3 5 9 d 美 国能量委员会推荐的总膳食纤维中，不溶性纤维占7 0 7 5 ，可溶性膳食纤维占 2 5 3 0 。我国适宜摄入量为2 5 9 d ，中等能量摄入的为3 0 9 d ，高能量摄入的为 3 5 9 d ，但对患病者说来剂量一般都加大。合理的可溶性膳食纤维和不溶性纤维 的比例大约是l ：3 。 1 8 2 摄入过多副作用 1 ) 束缚c a 2 + 和一些微量元素，许多膳食纤维对c a 、c u 、z n 、f e 、m n 等金 属离子都有不同程度的束缚作用。 2 ) 束缚人体对维生素的吸收和利用，研究表明果胶、树胶和大麦、小麦、 燕麦、羽扇豆等的膳食纤维对维生素a 、维生素e 和胡罗卜素都有不同程度的束 缚能力。由此说明膳食纤维对脂溶性维生素的有效性有一定影响。 3 ) 引起不良反应，过量摄入，尤其是摄入凝胶性强的膳食纤维，如瓜尔豆 1 2 第1 章绪论 胶等会有