（食品科学专业论文）苹果膳食纤维的提取及硫酸酯化初步研究.pdf

s t u d i e so nt h ee x t r a c t i o no fd i e t a r y f i b e rf r o ma p p l ep o m a c ea n dt h e s u l i 嗡t i o no fa p p l ed i e t a r yf i b e r ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c e t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r c h e n x u e f e n g m a y , 2 0 1 0 苹果膳食纤维的提取及硫酸酯化初步研究 摘要 本课题以榨汁后的干燥苹果渣为原料，系统的研究了膳食纤维的制备工 艺。首先研究了浸提温度、p h 值、液料比和浸提时间对苹果渣水溶性膳食 纤维( s d f ) 得率的影响，同时对碱法去除苹果渣中蛋白质的工艺条件进行 了研究。利用逐级碱提法从苹果渣中分离出三种半纤维素原料，对其单糖组 分和官能团特征进行了分析，并利用硫酸酯化的方法对半纤维素a 进行化 学结构修饰的初步研究。 通过单因素试验研究了从苹果渣中提取s d f 的工艺条件，确定了p h 值、 浸提温度和浸提时间等因素对s d f 得率的影响。结果表明：在采用酸水解 法提取苹果s d f 时，p h 值选取在2 0 2 5 之问时，s d f 的提取效果较好； 酸水解的处理温度在8 0 。c 时，s d f 的得率较高；较高的液料比有利于提高 s d f 的得率，当液料比在2 5 ：1 3 0 ：1 时得率较高；酸水解的处理时间在6 0 - - , 9 0 m i n 时，s d f 的得率较理想。 通过单因素试验，研究了苹果渣去除蛋白质杂质的碱液浓度、温度、处 理时间等工艺条件，并通过正交试验和极差分析，确定了碱液去除蛋白质的 最佳工艺条件。结果表明：碱法除蛋白质的最佳工艺为：温度7 0 条件下， 碱液浓度为5 ，处理时间为1 2 0 m i n ，剩余蛋白质含量最小。 研究了h 2 0 2 氧化脱色过程中，p h 值、h 2 0 2 浓度以及处理时间三个因 素对白度的影响。结果表明：碱性条件有利于h 2 0 2 氧化脱色，在p h 值为9 1 2 脱色效果较好；白度随h 2 0 2 浓度的增大而提高，当h 2 0 2 浓度达到8 时 脱色较好，继续增大h 2 0 2 浓度时产品白度并无明显提高；氧化脱色的处理 时问选取在1 5 0 m i n - - 一1 8 0 m i n ，脱色效果较好。 采用逐级提高碱液浓度的方法从苹果渣中分离出三种半纤维素a 、b 和 c ，并采用高效液相色谱法分析了苹果半纤维素的单糖组成。h p l c 分析结 果表明：苹果半纤维素水解之后，其水解产物中存在木糖、阿拉伯糖、果糖 以及葡萄糖，各自组分的摩尔比为：木糖：阿拉伯糖：果糖：葡萄糖一2 0 9 ：o 5 9 ： o 8 8 ：1 。红外光谱分析表明，三种苹果半纤维素均具备多糖物质的特征，但 在其主链和支链结构上有所差别：苹果半纤维素a 含有半乳甘露聚糖和木 聚糖的混合结构，半乳甘露聚糖主链是p d 甘露聚糖并带有支链结构，分 支为a d 半乳吡喃糖或p d 阿拉伯吡喃糖和酰基团；木葡聚糖主链是p d 一 葡聚糖并带有支链结构，分支为0 【d 一木吡喃糖。苹果半纤维素b 的分子是 半乳甘露聚糖和木聚糖的混合结构，但不具备分支。苹果半纤维素c 有半乳甘露聚糖和木聚糖的混合结构，与半纤维素a 和b 不同的是， 维素c 的结构中可能同时存在0 【一型和p 型两种端基差向异构体，而半 素a 和b 中并未出现这种现象。 初步研究了苹果半纤维素硫酸酯化的过程，分别采用三氧化硫吡啶法 磺酸一吡啶法对半纤维素a 进行了硫酸酯化，对三氧化硫吡啶酯化剂同 维素用量的比例、氯磺酸一吡啶酯化剂中氯磺酸和吡啶的体积比例进行 究，并利用傅里叶红外光谱( f t 瓜) 、电镜扫描( s e m ) 等方法对酯化 半纤维素的化学结构进行了初步的鉴定。 红外图谱检测发现，三氧化硫一吡啶法和氯磺酸吡啶法酯化修饰均未改 纤维素的多糖特征，在1 2 4 0 c m l 和8 2 0 c m - 1 附近均出现明显的s = o 伸 动吸收峰和c o s 伸缩振动吸收峰，说明这两种方法进行酯化是成功 词：苹果渣，膳食纤维，水溶性膳食纤维，半纤维素，硫酸酯化 s t u d i e so nt h ee x t r a c t i o no fd i e t a r yf i b e r f r o ma p p l ep o m a c ea n dt h es u l i 哈t i o no f a p p l ed i e t aryf i b e r a b s t r a c t t h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r e ，p hv a l u e ，l i q u i dr a t i oa n dt h et i m eo fe x t r a c t i o n o nt h ey i e l do fs d f ( s o l u b l ed i e t a r yf i b e r ) i na p p l ep o m a c ew a ss t u d i e d a n d t h ec o n d i t i o no fr e m o v a lp r o t e i ni na p p l ep o m a c ew a si n v e s t i g a t e d t h r e ek i n d s o fh e m i c e l l u l o s ew a s s e p a r a t e du s i n gg r a d u a la l k a l i n ea n d t h e i rm o n o s a c c h a r i d e c o m p o n e n t sa n df u n c t i o n a lg r o u p sc h a r a c t e r i s t i c s w e r ea n a l y z e d c h e m i c a l s t r u c t u r eo fh e m i c e l l u l o s eaw a sm o d i f i e db ys u l f a t e dd e r i v a t i v e t h et e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n so fs d fe x t r a c t i o nw a ss t u d i e db yt h e s i n g l e f a c t o re x p e r i m e n t t h e nt h ee f f e c t so fp hv a l u e ，e x t r a c t i o nt e m p e r a t u r e a n dt i m eo ns d fy i e l dw e r ed e t e r m i n e d r e s u l t ss h o w e dt h a tp hv a l u ew a s s e l e c t e df r o m2 0t o2 5b ya c i dh y d r o l y s i s t h es d fy i e l dw a sh i g h e rw h e na c i d h y d r o l y s i st e m p e r a t u r ew a sa t8 0 t h eh i g h e rs d fy i e l dw a sh i g h e rw h e n l i q u i dr a t i oi n c r e a s e d w h e nl i q u i dr a t i ow a sb e t w e e n2 5 ：1a n d3 0 ：1 ，t h es d f y i e l dw a sm u c hh i g h e r t h es d fy i e l dw a sm u c hh i g h e rw h e nt h ep r o c e s s i n g t i m ew a s k e p tf r o m6 0m i n u t et o9 0m i n u t e t h ea l k a l il y ec o n c e n t r a t i o n ，p r o c e s st e m p e r a t u r ea n dt i m ew e r es t u d i e db y s i n g l e f a c t o re x p e r i m e n t t h eo p t i m u mc o n d i t i o n so fp r o t e i nr e m o v a lu s i n gl y e w e r ee s t a b l i s h e db yr a n g ea n a l y s i sa n do r t h o g o n a le x p e r i m e n t r e s u l t ss h o w e d t h a tt e m p e r a t u r ew a s7 0 c ，t h ec o n c e n t r a t i o no fl y ew a s5 ，a n dt h er e a c t i o n t i m ew a s12 0m i n u t e t h ee f f e c to fp hv a l u e ，h y d r o g e np e r o x i d ec o n c e n t r a t i o na n dt i m eo n r e m o v a lc o l o ri na p p l ed i e t a r yf i b e ru s i n gh y d r o g e np e r o x i d ew e r es t u d i e d r e s u l t ss h o w e dt h a ti tw a sb e t t e rf o rr e m o v a lc o l o ru n d e ra l k a l i n ec o n d i t i o n s u s i n gh y d r o g e np e r o x i d e t h ew i t e n e s sw a sm o r eh i g h e rw h e np h v a l u ew a s b e t w e e n9 ，、12 a n dt h ew i t e n e s si n c r e a s e dw h e nt h eh y d r o g e np e r o x i d e c o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e db e f o r e8 b u tt h ew i t e n e s sh a dn o ti n c r e a s e do b v i o u s l y w h e nt h eh y d r o g e np e r o x i d ec o n c e n t r a t i o nr e a c h e do v e r8 t h ee f f e c tw a s c o n s i d e r a b l yi d e a lw h e nt h ep r o c e s s i n gt i m eo fr e m o v a lc o l o ru s i n gh y d r o g e n p e r o x i d ew a s s e l e c t e db e t w e e n15 0 m i n u t ea n d18 0 m i n u t e 1 1 i t h r e ek i n d so fh e m i c e l l u l o s eh a db e e ns e p a r a t e df r o ma p p l ep o m a c e b yi n c r e a s i n gc o n c e n t r a t i o no fl y es t e pb ys t e p 砀ec o m p o s i t i o no fm o n o s a c c h a r i d ei na p p l eh e m i c e l l u l o s ew a sa n a l y z e db yh p l c ( h i g hp e r f o r m a n c e l i q u i dc h r o m a t o g r a p h y ) i th a db e e ns h o w ni nr e s u l t st h a tt h e r ew e r ex y 1 0 s e ，a r a b i n o s e ，f r u c t o s ea n dg l u c o s e t h em o l a rr a t i ow a sx y l o s e ：a r a b i n o s e ：f r u c t o s e ：g l u c o s e = 2 0 9 ：0 5 9 ：0 8 8 ：1 t h r e ek i n d so fh e m i c e l l u l o s ew h i c hh a ds o m ed i f f e r e n c ei nt h em a i nc h a i na n db r a n c h e d c h a i na l ls h o w e d t h ep o l y s a c c h a r i d ef e a t u r e si ni r ( i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ) c h a r t 1 1 1 es t r u c t u r eo fh e m i c e l l u l o s eah a db o t hg a l a c t o m a n n a na n dx y l a n t h em a i nc h a i no fg a l a c t o m a n n a nw a sb d m a n n o s ew i t hb r a n c h e d c h a i ns t r u c t u r ew h i c hw a st h e0 【一d g a l a c t o p y r a n o s y lo rp d a r a bp y r a n o s ea n da c y lg r o u p 1 1 1 e m a i nc h a i no fx y l a nw a sb d g l u c a nw i t hb r a n c h e d - c h a i ns t r u c t u r ew h i c h w a st h e 仅d x y l a np y r a n o s e t h es t r u c t u r eo fh e m i c e l l u l o s ebh a db o t hg a l a c t o m a n n a na n dx y l a nw i t h o u tb r a n c h e d c h a i n t h es t r u c t u r eo fh e m i c e l l u 1 0 s ech a da l s og a l a c t o m a n n a na n dx y l a n b u tt w ok i n d so fi s o m e r ( ，0 【 a n dp 一) w e r ei nm a i nc h a i no fh e m i c e l l u l o s ecb u tn o ti nh e m i c e l l u l o s e aa n dh e m i c e l l u l o s eb 砀es u l f a t i o no fh e m i c e l l u l o s ei na p p l ep o m a c ew a ss t u d i e dp r e l i m i n a r i l y t h eh e m i c e l l u l o s ew a ss u l f a t e db ys u l f u rt r i o x i d e p y r i d i n ea n dc h l o r o s u l f o n i c a c i d p y r i d i n er e s p e c t i v e l y t h em a s sr a t i oo fs u l f u rt r i o x i d ea n dp y r i d i n ea n dt h e v o l u m er a t i oo fc h l o r o s u l f o n i ca c i da n dp y r i d i n ew e r ei n v e s t i g a t e d t h ep r e a n d p o s tc h e m i c a ls t r u c t u r eo fh e m i c e l l u l o s ew a si d e n t i f i e du s i n gf t i ra n ds e m ( s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ) p o l y s a c c h a r i d ef e a t u r e so fh e m i c e l l u l o s ew e r en o ta k e r e da f t e r s u l f a t i o - nb ys u l f u rt r i o x i d e p y r i d i n ea n dc h l o r o s u l f o n i ca c i d p y r i d i n ef r o mi ri n f a r e ds p e c t r u mo fs u l f a t e dh e m i c e l l u l o s e t h es t r e t c h i n gv i b r a t i o na b s o r p t i o n p e a ko fs = o a t12 4 0 c m 。1a n dt h es t r e t c h i n gv i b r a t i o na b s o r p t i o np e a ko f c o sa t8 2 0 c m s h o w e dt h a tt h et w ok i n d so fs u l f a t i o nw e r ef e a s i b l e k e yw o r d s ：a p p l ep o m a c e ，d i e t a r yf i b e r , s o l u b l ed i e t a r yf i b e r , h e m i c e l l u l o s e ， s u l f a t i o n i v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 1 文献综述。1 1 1 苹果渣综合利用的意义l 1 2 膳食纤维的定义2 1 3 膳食纤维的生理特性6 1 3 1 降低血脂、预防心血管疾病6 1 3 2 预防便秘6 1 3 3 预防消化道癌症6 1 3 4 防治糖尿病6 1 3 5 预防肥胖6 1 3 6 吸收毒素7 1 3 7 预防龋齿7 1 4 膳食纤维的物化特性7 1 4 1 高持水性7 1 4 2 吸附螯合性能7 1 4 3 对阳离子的交换作用7 1 5 膳食纤维在食品工业的应用7 1 5 1 在焙烤产品中的应用7 1 5 2 在休闲食品中的应用8 1 5 3 在制糖业中的应用8 1 5 4 馅料、饮料和其他食品中的应用8 1 6 膳食纤维的制备方法8 1 6 1 化学试剂法8 1 6 2 膜分离法8 1 6 3 生物酶法。9 1 7 膳食纤维的分析方法9 1 7 1 洗涤纤维法9 1 7 2 酶重量法9 1 7 - 3 酶化学法l o 1 8 膳食纤维的研究现状及发展趋势1 0 1 8 1 国外研究情况。1 0 1 8 2 国内研究情况1o 1 8 3 研究趋势11 1 9 膳食纤维的改性1 1 1 9 1 物理改性1 1 1 9 2 化学改性1 2 1 1 0 课题目的及意义。1 4 2 实验材料与方法1 5 2 1 原材料与试剂1 5 2 2 主要仪器与设备1 5 2 3 实验内容与方法1 6 2 3 1 原料分析1 6 2 3 2 苹果渣中水溶性膳食纤维提取的研究1 8 2 3 3 苹果渣碱法除杂的研究1 9 2 3 4h 2 0 2 脱色的研究2 l 2 3 5 苹果半纤维素的分离制备2 3 2 3 6 苹果半纤维素的硫酸酯化研究2 5 2 3 7 苹果半纤维素硫酸酯的结构分析2 8 3 实验结果与分析2 9 3 1 成分分析一2 9 3 1 1 常规化学成分分析。2 9 3 1 2 苹果渣中膳食纤维含量检测2 9 3 2 苹果渣中s d f 提取3 0 3 2 1 浸提温度对s d f 得率的影响3 0 3 2 2p h 值对s d f 得率的影响一3 0 3 2 3 液料比对s d f 得率的影响3 1 3 2 4 提取时间对s d f 的影响3 1 3 3 碱法除去果渣中蛋白质3 2 3 3 1 碱液浓度对蛋白质去除效果的影响3 2 3 3 2 处理温度对蛋白质去除效果的影响3 3 3 3 3 处理时间对蛋白质去除效果的影响3 3 3 3 4 碱法去除蛋白质的最佳工艺3 4 3 4h 2 0 2 脱色的效果3 5 3 4 1p h 值的影响3 5 3 4 2h 2 0 2 浓度的影响3 5 3 4 3 处理时间的影响3 6 3 5 苹果半纤维素的结构分析3 6 3 5 1 高效液相色谱法检测半纤维素水解物中的单糖3 7 3 5 2 半纤维素水解液中木糖的高效液相分析3 8 3 5 3 苹果原料半纤维素红外图谱分析3 8 3 5 4 苹果原料半纤维素的电镜扫描照片4 2 3 6 半纤维素的硫酸酯化初步研究4 3 3 6 1 酯化取代度的测定4 3 3 6 2 三氧化硫一吡啶法酯化半纤维素初步研究4 4 3 6 3 氯磺酸一吡啶法酯化半纤维素初步研究4 5 3 6 4 酯化半纤维素a 的结构检测4 5 3 6 5 酯化半纤维素a 的电镜扫描4 9 4 结论51 参考文献5 3 致 射5 7 攻读学位期间发表的学术论文目录5 8 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明5 9 i i 苹果膳食纤维的提取及硫酸酯化初步研究 1 文献综述 1 1 苹果渣综合利用的意义 我国是世界苹果生产第一大国，种植规模和总产量约占世界苹果总生产水平的1 3 ， 2 0 0 9 我国苹果种植面积1 8 9 0 4 千公顷，产量约3 2 0 0 万吨，约占世界苹果总产量的4 0 ， 2 0 0 7 至2 0 0 8 榨季我国浓缩苹果汁产量1 2 1 3 万吨，占世界浓缩苹果汁产量的5 0 以上， 出口量占全球苹果浓缩汁贸易量的7 0 ，2 0 0 9 年由于全球金融危机的影响，我国外贸出 口交易量急剧萎缩，浓缩果汁的产量和出口量也不可避免的遭受严重影响，然而在此背 景下，我国浓缩果汁的出口量也达到了8 9 5 万吨，仍占世界浓缩果汁贸易量的一半以上。 苹果产业化的发展离不开加工业。目前苹果除鲜食外，绝大部分用于浓缩苹果汁的 加工，苹果脱水制品及其它产品只占很小一部分。加工产品单一成为制约国内苹果产业 发展的重要因素之一，也是引起浓缩苹果汁出口价格的低廉主要因素之一。同时对苹果 资源多样性的加工技术研究较少，加工中的废料也未能得到合理的综合利用和精深开发。 据统计，全国每年用于加工的苹果约占总产量的6 0 0 万吨，排泄果渣约2 0 0 万吨。苹果 渣资源的综合加工利用至今尚未引起足够重视，从而造成了资源的严重浪费。随着世界 力n - r _ 行业的发展，资源的枯竭已成为不争的事实，对食品加工资源的综合利用是目前国 际食品工业研究的一大课题。苹果资源的综合利用尤其是苹果果渣的精深加工技术将成 为我国食品工业研究的热点。 苹果经过榨汁后的果渣主要是果皮、果核和部分果肉残渣，其化学成分包括了可溶 性糖类物质、纤维素、半纤维素、木质素、果胶、淀粉、脂肪、蛋白质、灰分、矿物质 等【l 】，其中果胶、纤维素、半纤维素以及木质素都属于膳食纤维，并且这些组分在苹果 渣中的含量相当丰富，因此苹果渣是膳食纤维的良好来源。但是，由于膳食纤维的组成 和种类较为复杂，各种组分的物理化学性质差别比较明显，对膳食纤维的有效提取和分 离技术还不够完善，结构改性技术也较为单一，工业化规模生产效果还不理想，因此， 鉴于技术上的不完善，苹果榨汁后的下脚料目前主要用于开发饲料产品以及作为发酵基 质生产柠檬酸、酒精、培养食用菌等。但大多都面临附加值低、产品利润空间小、技术 含量差，产品质量不高等诸多缺陷。 伴随着国民经济的快速增长和整体生活水平的提高，人们的生活方式和饮食习惯也 发生了很大的改变，由于饮食结构中高热量、高糖、高脂的食物摄入比重逐渐增加而果 蔬类、粗纤维类食物摄取量减少，出现了越来越多的与此相关的过度肥胖、糖尿病、高 血脂、便秘等一系列的城市“富贵病”、“文明病”。国内外的大量研究表明膳食纤维有多 种生理功能，尤其是它可以调节血糖浓度、血脂和蛋白质水平，减少肥胖的发生、一定 程度上可减小癌症发生的几率等，因而被营养学列为“第七营养素”【2 】，作为一种功能 陕西科技人学硕_ l 学位论文 性食品，膳食纤维越来越受到广泛的关注。世界卫生组织( w h o ) 规定：人体摄入膳食 纤维的推荐量为1 6 2 4g 人日。但在世界很多国家和地区，人们对膳食纤维的摄取量 都未能达到这个标准。在上世纪八、九十年代，由于技术上的领先，国外率先开发出成 熟的膳食纤维产品聚葡萄糖( 水溶性膳食纤维) ，并风靡全球众多国家，美国食品 与药物监督管理局( f d a ) ，联合国粮食组织( f a o ) ，世界卫生组织( w h o ) 均批准聚 葡萄糖( 水溶性膳食纤维) 为安全的食品添加剂，日本厚生省甚至将其列为食品。在欧 美市场，膳食纤维制品的销售额现已超过3 0 0 亿美元，日本市场上膳食纤维制品的销售 额也达到1 0 0 亿美元，近年来随着生活水平的提高，国内市场对膳食纤维产品的需求量 猛增，但国内由于技术、工艺等方面的限制，膳食纤维产品的产能和产品质量仍显落后， 远远不能满足国内市场的需求。 苹果渣中含有1 4 2 4 的粗纤维，经过适当的技术处理，其中的水溶性膳食纤维 含量可以提高到1 6 以上。作为膳食纤维开发的原料，苹果加工下脚料有相当大的优势， 加工苹果膳食纤维产品也必将大有可为。 随着我国果树种植面积的不断增大，苹果浓缩果汁加工业也得到迅猛发展，苹果浓 缩汁企业每年所产生的大量果渣，为苹果渣资源综合开发利用提供了丰富的原料，尤其 是为苹果膳食纤维产品的技术研究和工业化生产提供了可靠的原料保障。 1 2 膳食纤维的定义 膳食纤维的定义是随时间和科学的发展在不断变化，经过人们很长时间的讨论。在 1 9 世纪初，文章和科技论文中首先出现的是粗纤维( c r u d ef i b e r ) 一词。由于人体消化 液中不存在能够消化纤维素的酶类，所以人们认为粗纤维是对人体不起营养作用的一种 非营养成分。上世纪的5 0 年代，国外学者h i p s l e y t 3 首先提出了膳食纤维( d i e t a r yf i b e r ， d f ) 这个概念，用其来代替植物细胞中那些人体不能消化、吸收和利用的组分。随后， t r o w e l l 等人在上世纪七十年代，测定食品所含有的营养成分时，将膳食纤维定义为：“不 能被人体消化酶所消化的植物成分”。根据t r o w e l l 的理解，作为植物细胞骨架物质的纤 维素，和作为纤维及微细纤维之间“黏合剂“填充剂”的半纤维素、木质素，以及细 胞内的多糖( 如树胶和胶浆) ，都可以划分到膳食纤维的范畴。虽然这样的定义已经使膳 食纤维的概念相比h i p s l e y 的提法有所进步，但是仍然不够清晰、准确，对膳食纤维具 体包含哪些成分并未作出明确的阐述。1 9 7 6 年，t r o w e l l 重新定义了膳食纤维的概念。 他把那些“不被人体消化吸收的多糖类碳水化合物和木质素”统称为膳食纤维1 4 l ，这样 的定义已经比较具体、明确的指出了膳食纤维包括了植物多糖和木质素。 1 9 7 9 年，第9 3 届美国职业分析化学家学会( a s s o c i a t i o no fo f f i c i a la n a l y t i c a l ，简称 a o a c ) 年会提出对膳食纤维进行标准化定义和分析。到1 9 9 9 年，在全球范围内展开了 2 苹果膳食纤维的提取及硫酸酯化初步研究 关于膳食纤维重新定义的广泛讨论，为此，多个国际组织专门召开了针对膳食纤维定义 和研究的会议和论坛，在8 4 届美国谷物化学家学会( a m e r i c a na s s o c i a t i o no fc e r e a l c h e m i s i t s ，简称a a c c ) 年会上给出的膳食纤维的最新定义例：凡是食物中那些不能被人 体内源性消化酶消化吸收的、而在人体大肠内能部分或全部发酵的可食用植物细胞物质、 多糖、木质素及其类似物质的总和。根据上述定义，膳食纤维的构成非常复杂，包括纤 维素、半纤维素、木质素、胶质，改性纤维素、粘质、寡糖、果胶以及少量组成成分如 蜡质、角质、软木质。 纤维素( c e l l u l o s e s ) 是植物细胞壁中存在的p 1 ，4 葡萄糖聚合物【6 】，如图l 一1 所示。 作为直链中性大分子，纤维素是不溶于水的。但是纤维素可以被化学修饰成可溶性物质 而作为添加剂加到食品中如羧甲基纤维素钠( c m c - n a ) 。纤维素被肠内细菌降解的程度 不同，但总的来说发酵性较差。苹果、豆类、麸皮、根菜和种子外皮的纤维素含量相对 较高。 p 一，o ，量 图1 - 1 纤维素d 一葡聚糖的结构特征 f i g 1 - 1t h es t r u c t u r ec h a r a c t e ro fc e l l u l o s e f l p o l y d e x t r o s e 纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种结构多糖，纤维素的生物学功能主要 有： 作为植物、动物或细菌细胞的外壁支撑和保护物质，使细胞保持足够的抗张、韧 性和刚性。 作为生物圈中维持自然界能量和营养物质稳恒的储存物质。如果自然界中纤维素 的含量不是如此巨大，纤维素的化学性质不是如此稳定，则地球大气中的二氧化碳含量 将骤增。 纤维素在工业领域也有非常广泛的应用。纤维素是布料、服装和纸张等工业产品的 原料。当今世界证处于能量危机的边缘，一些非纤维素沉积化石燃料终有耗尽之时，生 物合成的纤维素必将重新引起人们的重视。因此，纤维素化学和生物化学的研究工作是 陕两科技大学硕仁学位论文 极其重要的【刀。 半纤维素( h e m ic e l l u l o s e s ) 也存在于植物细胞壁中【6 司，是由各种五碳糖、六碳糖 及糖醛酸组成的带有分支的大分子聚合物，如图1 2 所示。结构上可分为仅含一种单糖 如木聚糖、半乳聚糖、甘露聚糖等的同聚糖和含有多种单糖或糖醛酸同时存在的异聚糖 两类。主链的糖是半纤维素分类的基础，包括木糖、甘露糖、半乳糖；侧链的糖包括阿 拉伯糖、半乳糖和葡萄糖醛酸。侧链取代基也有重要的性质，如侧链含有羧酸的半纤维 素带有少量电荷，易溶于水，同时半纤维素在肠道内的发酵能力也受到侧链取代基的种 类和位置的影响。半纤维素的结构疏松无定形，易于吸水润胀，易溶于稀碱液，其化学 性质也与纤维素相似，但较容易与其他化学试剂发生反应。 苹果膳食纤维的提取及硫酸酯化初步研究 木质素( l i g n i n s ) 是使细胞保持一定韧性的芳香族碳氢化合物，由松柏醇、芥子醇 和羟基肉桂醇三种单体组成，不属于多糖类，具有复杂的立体化学结构，主要是通过苯 丙烷基( c 3 6 ) 的结构单元，由醚键、c c 共价键等相连，但是其具体的结构组成由 于至今仍没有完全研究透彻而未有统一的结论。天然存在的木质素大多与植物细胞中的 碳水化合物( 主要是纤维素和半纤维素) 紧密结合在一起，形成木质素一碳水化合物的复 合体结构( l c c ) 而处于细胞壁中，因此将其与纤维素分离变得比较困难。木质素不溶 于水，在人体消化道内不能被消化酶分解吸收，因此被认为是不溶性膳食纤维的组成成 分。木质素在细胞壁中起“粘合剂、填充机”的作用，广泛存在于纤维和微细纤维之间。 木质素与纤维素和半纤维素的关系如图1 4 所示。 图l _ 4 木质素和半纤维素与纤维素的关系简图 f i g 1 - 4t h er a l a t i o n s h i po fh e m i c e l l u l o s e ，c e l l u s o s ea n dl i g t i n 植物胶( g u m s ) 是在植物受伤处由分泌细胞分泌，并能从植物中流出。它们的结构 依据植物来源的不同也多种多样。植物胶在大肠内可被肠内细菌发酵。 黏液( m u c i l a g e ) 和海藻多糖( a l g a lp o l y s a c c h a r i d e s ) 是水状胶质，与植物胶化学 结构相似，具有亲水性质。这些物质是优良的稳定剂。黏液由分泌细胞合成，用来保护 种子的胚乳。黏液和海藻多糖都可以被肠内细菌降解。 此外，膳食纤维还包括角质、软木质、蜡角质，这三者普遍存在于植物细胞壁外表 面。软木质紧贴细胞壁外表面，恰好在表皮下，由酚类物质、长链醇和酸组成。角质和 软木质是脂肪酸的聚合物。蜡质是复杂的疏水碳水化合物，存在于许多植物的外表皮。 根据在热水中的溶解性不同，膳食纤维可分为水不溶性膳食纤维( i n s o l u b l ed i e t a r y f i b e r , i d f ) 和水溶性膳食纤维( s o l u b l ed i e t a r yf i b e r , s d f ) 两大类。i d f 是指那些不被 人体消化酶所消化的、且不溶于热水的膳食纤维，s d f 是指不被人体消化酶消化，但可 溶于温水或热水，且在其水溶液中加入4 倍体积的乙醇后可以形成沉淀析出的那部分膳 食纤维。水溶性膳食纤维和水不溶性膳食纤维均具备多种对人体有益的生理功能，并且 水溶性膳食纤维的功能性评价更好，相关报道指出膳食纤维的品质高低和其中水溶性组 5 陕西科技大学硕：t 学位论文 分的含量高低密切相关，一般认为膳食纤维制品中水溶性组分的含量超过1 0 才符合高 品质膳食纤维的标准。不溶性膳食纤维是构成植物细胞壁的主要成份，其中包括了纤维 素、大部分半纤维素、木质素、原果胶、蜡质和动物性的甲壳素和壳聚糖。而绝大部分 果蔬中含有的果胶，植物类多糖胶，卡拉胶和海藻类多糖胶质，黄原胶等都属于可溶性 膳食纤维【5 ，6 1 。 1 3 膳食纤维的生理特性 现代医学研究发现，膳食纤维具有很强的医疗保健的作用，具体表现在以下方面： 1 3 1 降低血脂、预防心血管疾病 医学研究发现，膳食纤维在对抗心血管疾病方面有着特殊的功效【吼1 0 1 ，它能排除人体 内较多的胆汁酸，从而降低胆固醇与脂蛋白的结合，达到降低血脂、防治心脑血管疾病 的效果。另外膳食纤维中的低聚果糖是一种水溶性膳食纤维，通过低聚果糖在肠道内的 发酵产生丙酸，从而阻碍胆固醇合成，降低血清胆固醇和血脂。 1 3 2 预防便秘 膳食纤维在进入人体肠道后，能吸收大量水分，从而增加粪便的体积和湿润程度， 缩短胃肠道排空的时间，促进粪便排出体外。由于增加了粪便中的水分含量，大大减小 了与肠道的粘连程度，减小了排便困难。因此，增加摄入富含膳食纤维的食品，包括水 果、粗粮、绿色蔬菜等可很大程度上起到预防便秘的作用【l l 】。 1 3 3 预防消化道癌症 由于膳食纤维可以缩短肠道排空时间，减少了粪便在肠道内的停留，可以将肠道内 的致癌突变剂次生胆汁酸束缚并随粪便排出体外，有利于阻止和减小毒性物质和致 癌物与肠道上皮细胞的接触，在一定程度上降低消化道癌症的发病几率 1 2 a 3 。膳食纤维还 有助于肠道产生丁酸，抑制肿瘤细胞生长。 1 3 4 防治糖尿病 增加饮食中的膳食纤维含量，可减少餐后血糖浓度。高膳食纤维饮食不仅能改善耐 糖量、而且可使空腹时血液中胆固醇及