（食品科学与工程专业论文）湿法超微粉碎对大豆膳食纤维素微粒结构及物性的影响.pdf

摘要 针对天然膳食纤维素( d f ) 产品物性及功能欠完备的问题，本文以大豆膳食纤维素为原料， 采用湿法超微粉碎对其进行了改性研究，力图通过改变其颗粒的粒度和聚合状态，使其在保持 原有填充、吸附等特性的基础上，强化其持水率、膨胀率和黏度等特性，获得功能完备的膳食 纤维素。 文中观察了原料及低温浸泡和碱热处理后超微粉碎得到的d f 微粒的显微状态，并对其结 晶状态进行了x 射线衍射检测，同时对上述处理后的d f 的持水率、膨胀率和黏度等物性进行 了比较和分析。结果表明：湿法超微粉碎可获得粒度在4 一加m 的d f 颗粒；低温浸泡后的大 豆d f 颗粒呈现硬脆性，破坏形式为刚性断裂；碱热处理后d f 颗粒由脆性转为韧性，磨碎时 易发生塑性变形，加剧了破碎难度；低温浸泡后超微粉碎不能破坏d f 的结晶结构，碱热处理 后超微粉碎d f 的聚合物结构发生了降解或破坏，但主要为化学作用所致；在所试验的条件中， 低温浸泡后超微粉碎可使i d f ( 7 0 ) 的持水率、膨胀率和黏度上升1 8 、5 4 和1 1 6 ；可使i d f ( 9 0 ) 的膨胀率和黏度上升9 4 肃14 1 ，但持水率下降1 6 。对d f 碱热处理后超微粉碎可使 持水率、膨胀率和黏度最高约增加2 0 、2 0 0 和8 0 0 。 关键诃：膳食纤维素，湿法超微粉碎，物性 a b s t r a c t m e d i f i c a t i o nw a st a k e no ns o y b e a nd i e t a r yf i b e rt h r o u g hu l t r a - f i n ep u l v e r i z a t i o ni nw e t p r o c e s s i n gt oa i mf o rt h ep r o b l e mt h a tt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e sa n df u n c t i o no fn a t u r ed i e t a r yf i b e ra r e u n d e rp e r f e c t w es t r i v e dt og e tp e r f e c td i e t a r yf i b e ri nf u n c t i o n ，a n di nt h es a m et i m ew ec o u l d s t r e n g t h e nr e t e n t i o nr a t ea n de x p a n s i o nr a t ea n dv i s c o s i t yo fd i e t a r yf i b e rb a s e do nm a i n t a i ni t s o r i g i n a lp r o p e a i e so fp a c k i n ga n da d s o r p t i o n t h em i c r o s t r u c t u r eo fr a ws t u f fa n dp a r t i c l e sw h i c hh a db e e ns o a k e di nw a t e ra n da l k a l i l i q u o ri n c o m b i n a t i o nw i t hh e a tt r e a t i n gb e f o r et h e yw e r eu l t r a f i n ep u l v e r i z e dw a sd e t e c t e da n do b s e r v e d ，a n d t h ec r y s t a l l i n es t a t ew a sd e t e c t e d t h r o u i g l lx - r a yd i f f r a c t i o n n ep h y s i c a lp m p e r t i e si n c l u d i n g r e t e n t i o nr a t ea n de x p a n s i o nr a t ea n dv i s c o s i t ya f t e rt r e a t m e n t sm e n t i o n e da b o v ew e r ec o m p a r e da n d a n a l y z e d 1 1 1 er e s u l t ss h o w e dt h a tw ec o u l dg e tm i n u t eg r a n u l e sw i t hp a r t i c l es i z er a n g ef r o m “mt o 2 0 “ma f t e ru l t r a f i n ep u l v e r i z a t i o nb yc o l l o i dm i l l t b er a ws t u f fa p p e a r e dh a r da n df r a g i l ei nw e t s t a t ea n dp r e s e n t e dr i g i db r e a kw h e nt h e yw e r eb r o k e n t h ep a r t i c l e sb e c a m ef l e x i b l ea n dt o u g ha n d r e a d yt oo c c u r r i n gp l a s t i cd e f o r m a t i o nw h a tm a d et h e me v e nh a r dt ob r e a ka f t e rd i e t a r yf i b e rh a db e e n s o a k e di na l k a l il i q u o ri nc o m b i n a t i o nw i t hh e a tt r e a t i n g t h ec r y s t a l l i n es t a t ec o u l dn o tb ed e s t r o y e d a f t e rd i e t a r yf i b e rh a db e e ns o a k e di nw a t e ra n dt h e nw a su l t r a - f i n ep u l v e r i z e d b u tt h ec r y s t a l l i n e s t a t ew a sc h a n g e dw i t hi n t e n s i v ed e g r a d a t i o no fp o l y m e r i cs t r u c t u r ed u et oc h e m i c a la c t i o na f t e r d i e t a r yf i b e rh a db e e ns o a k e di na l k a l il i q u o ri nc o m b i n a t i o nw i t hh e a tt r e a t i n g r e t e n t i o nr a t ea n d e x p a n s i o nr a t ea n dv i s c o s i t yo fi d f ( 7 0 ) w e r ei n c r e a s e dt o1 8 5 4 a n d1 1 6 r e s p e c t i v e l ya f t e r s o a k e di nw a t e r , a n de x p a n s i o nr a t ea n dv i s c o s i t yo fi d f ( 9 0 ) w e r ei n c r e a s e dt o9 4 4 1 b u t r e t e n t i o nr a t eo fi tw a sd e c r e a s e dt o1 6 a n da l k a l it r e a t i n gi nc o m b i n a t i o nw i t hh e a tt r e a t i n gc o u l d i n c r e a s er e t e n t i o nr a t eo fd i e t a r yf i b e rt o2 0 a n dc o u l di n c r e a s ee x p a n s i o nr a t ea n dv i s c o s i t yo f d i e t a r yf i b e rt o2 0 0 a n d8 5 0 a p p r o x i m a t e l y k e yw o r d s ：d i e t a r yf i b e r , u l t r a - f i n ep u l v e r i z a t i o ni nw e tp r o c e s s i n g ，p h y s i c a lp r o p e r t i e s d f ：膳食纤维素 i d f ：非水溶性膳食纤维素 s d f ：水溶性膳食纤维素 缩略词阅表 i d f ( 7 0 ) ：非水溶性成分质量分数为7 0 的膳食纤维素 i d f ( 9 0 ) ：非水溶性成分质量分数为9 0 的膳食纤维素 v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，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，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位 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已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： j ? 、毛 时间： 劲口f 年多月，予日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，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。同意中国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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：弘彭 导师签名： 时间：如p ，年f , 9 睁日 孑哆乡乏匆日搁：础年矿日 中国农业大学硕士学位论文第一章前言 1 1 研究意义 第一章前言 随着人们生活水平的提高，糖尿病、高血压等一些所谓文明病的发病率也随之提高，使得 相关的研究人员最终将目光投向人们的饮食结构上。自从b u r k i t t 和t r o w e l l 研究指出食物中膳 食纤维素的摄入量与许多文明病的发病率有密切关系后【1j 膳食纤维素作为第七营养素，被人 们日益重视起来。 世界卫生组织指出，每人每日膳食纤维素总摄入量最少应达到2 7 克，高限为4 0 克【2 1 0 据 我国膳食调查，我国每人每日平均摄入膳食纤维素总量己由过去2 6 克下降至1 7 克。膳食纤维 素摄入量比世界卫生组织指出的低限还低。因此，平衡人们的饮食结构，增加膳食纤维素的摄 入量势在必行。 但是有研究表明，单纯的添加膳食纤维素到食品中并不能保证食品就具有需要的膳食纤维 素的生理作用。如何最有效的发挥膳食纤维素的食物填充剂和生理活性物质的作用，并且考虑 膳食纤维素的口感和吸收问题，采用尽可能简单的手段，获得利用方便、品质优良的膳食纤维 素源，调整由于人们饮食结构不合理造成的营养失衡，对于提倡科学饮食，提高人们的健康水 平具有重要意义。 1 2 国内外膳食纤维素的研究现状及存在问题 对于腊食纤维素的研究，国外起步较早。美国的g r a h a m 早在1 8 3 9 年和英国的a l l i o n s o n 在1 8 8 9 年就已经提出膳食纤维素的生理功能。a l l i o n s o n 认为假如食物中完全不含有膳食纤维 素，不但易引起便秘，而且还会引发痔疮、静脉血管曲张和迷走神经痛等疾病。1 9 2 3 年，k e l l o g g 博士论述了小麦麸皮的医疗功能。可是，这些早期的研究当时均未得到人们的重视。直到2 0 世纪6 0 年代，美国学者b u r k i t t 和t r o w e l l 报道，非洲国家的人民由于经常食用高纤维食物，很 少发现欧美发达国家常见的“文明病”。t m w e l l 宣称“纤维素有利于防治某些疾病”后，在大 量的研究事实和流行病调查结果基础上，膳食纤维素的重要生理功能才为人们所了解并逐步得 到公认，并引起了食品界和医学界的广泛重视 1 】。法国的s c h w e i z e r 研究指出，膳食纤维素的细 菌分解产物短链脂肪酸，可能比膳食纤维素具有更重要的作用，它可以促进结肠上皮细胞的增 值，防止肠外营养和低渣肠内营券引起的肠内粘膜萎缩、支持肠粘膜屏障功能，防止肠道细菌 粘附、过度增值和易位造成的损害【3 】。g a l l a h e r 等研究指出食用瓜儿豆的人和动物可改善对血糖 的控制，补充各种纤维能使餐后血糖曲线变平1 4 】。 在膳食纤维素对其它营养素的影响方面，h a r m u t h - h o e n e 等人用【1 4 c 标记的蛋白质为示踪 物研究发现，添加5 的瓜几胶后，粪便中蛋白氮数量有所增加，尿中氨含量减少而全部氮持 留率保持不变。c u m m i n g s 和l o s o w s k y 综述了膳食纤维素对脂肪代谢的影响，认为纤维会改变 】 中国农业大学硕士学位论文 第一章前言 脂肪的吸收，但影响不是很火脂肪的吸收仍保持在9 5 以上【5 】。h u d s o n 等研究表明含麦麸或 纤维素的大鼠饮食不影响维生素b 。生物利用度【6 】。b e h a l l 等长期研究证实纤维素等膳食纤维对 人体钙吸收无影响v j 。 在膳食纤维素的测定方面，最早的粗纤维测定方法是由e i n h o f f 在1 8 0 6 年提出的，自此大 量的重照法、比色法、色谱法被建立起来。w e e n d 测纤维的方法1 8 8 7 年被a o a c 采纳。在1 9 6 3 1 9 8 1 年期间，酸性洗涤剂法和中性洗涤剂法测定纤维素、半纤维素和木质素被建立起来并加以 改进。1 9 6 9 年，s o u t h g a t e 介绍了一种测定可溶性纤维和不溶性纤维的酶分析法。1 9 7 5 年， h e l l e n d o o m 等报告了酶一重量法测不溶性纤维。化学测定方法也在发展，1 9 8 2 年e n 9 1 y s i 提出 采用g c 或比色法测总、不可溶和可溶性非淀粉性多糖( n s p ) 。1 9 8 3 年a s p e t a l 报告了重量法 测总、不可溶和可溶性的膳食纤维素，1 9 8 8 年p r o s k y e t a t 在a s p 的方法基础上提出酶一重量法 测食品中总、不可溶和可溶- 陛的膳食纤维素含量，这一方法后来被指定为a o a c 的测定方法】。 国内的研究主要集中在膳食纤维素的提取、生理功能及应用研究方面。在膳食纤维素的提 取研究方面，陈霞等通过试验确立制取豆渣膳食纤维素的工艺条件f 9 】。宋纪蓉等研究了苹果渣 膳食纤维素的制各工艺【”。吕金顺等研究了获得马铃薯渣制备膳食纤维素的最佳工艺条件f 1 ”。 在膳食纤维素的生理功能研究方面，郑建仙等对大豆膳食纤维素进行了一系列的化学与工 艺学的研究，包括纤维的分离与分级以及化学结构的鉴定，为膳食纤维素的应用提供了理论基 础【。他还研究了挤压改性对蔗渣膳食纤维素组成与含量和物化性质的影响，指出挤压蒸煮处 理后蔗渣膳食纤维素内部组成成分得以调接和重组，部分不溶性阿拉伯术聚糖会溶解或断裂某 些连接键转变成可溶性阿拉伯木聚糖，但纤维的聚合物结构并没有发生深度降解或破坏，其物 化性质发生了不同程度的变化f 1 3 i 。袁尔东、郑建仙通过连续四周给小鼠喂食添加不同品种膳食 纤维素的高脂饲料，发现水溶性膳食纤维素可显著降低胆固醇的吸收率和胆汁酸的重吸收率， 从而起到明显的降血脂效果，而水不溶性膳食纤维素这方面的作用并不明显口4 j 。王亚伟等将膳 食纤维索和低聚糖添加到酥性饼干中，通过对4 5 名糖尿病人分组进行一个月的临床营养疗效观 察，发现对糖尿病人的空腹血糖、餐后血糖和血胆固醇的降低有一定的作用，而且膳食纤维索 和低聚糖在降低糖屎病人空腹血糖、餐后血糖和胆固醇方面具有一定的协同作用1 1 “。田学森也 做过类似试验，并指出空腹血糖、餐后血糖于试验前后虽有下降趋势，但差异无显著性【。 在膳食纤维素的应用研究方面，张立钢等以蛋白糖、双歧糖代替蔗糖作为甜味剂，添加大 豆膳食纤维素生产无糖蛋糕，不仅有良好的口感，还具有一定的功能特性，适合糖尿病患者食 用。刘学文等以甘薯、麦麸和淀粉为原料，开发富含膳食纤维素的非油炸膨化甘薯脆片，产 品膨化度高，组织细腻，薯味浓郁f ”1 。任国谱等以可溶性膳食纤维素作为脂肪代用品，制作出 质构良好的低脂火腿【1 9 】。张艳荣等添加7 经过挤压处理的玉米膳食纤维素到面包中，面包口 感优良，抗老化性效果较好口0 1 。 发达国家已有开发研制膳食纤维素的专门机构，如美国的u s d a ( 膳食纾维素协会) 、美国 的a r c h e rd a n i e l sm i d l a n dc o 、m i l l e rb r e w i n gc o 等公司均在制造并销售各类膳食纤维素产品 【2 1 】。在美国6 0 亿美元的方便谷物食品中，2 0 的是高纤维产品【2 2 1 。日本自6 0 年代末至今，仅 就大豆膳食纤维素应用在食品上的专利已达8 0 余项。我国在膳食纤维素的开发应用方面起步较 慢，目前有为数不多的科研单1 1 ) = 在研究开发大豆膳食纤维素，尚属研究阶段，没有形成产品产 业化。 2 中国农业大学硕士学位论文第一章前言 综上所述，目前国内外对膳食纤维素的研究主要集中于提取工艺、对其他营养素的影响、 可溶性与不可溶性膳食纤维素的测定、功能特性及应用研究，对膳食纤维素的改性研究相对较 少，而且手段也比较单一。 1 3 膳食纤维素的结构 膳食纤维素( 简称d f ) 指不能被人体消化吸收的多糖类碳水化合物和木质素，它是一组 非均一的复杂的天然大分子物质，主要包括以下几种成分。 1 3 1 纤维素 纤维素是由d 一吡哺葡萄糖基通过p ( 1 4 ) 糖苷键结合的巨型分子长链，其聚合度大约是 数千，常称为“结晶型聚合物”( 如图1 - 1 ) 。它是细胞壁的主要构成物质。由于葡聚糖链内与 链间强烈的氢键作用力，纤维素分子在植物细胞壁中呈结晶状的微纤维束结构单元，相当牢固， 只有通过物理或化学的方式破坏分子间的作用力使其分裂，才能使纤维素的亲水性增加。但纤 维结构并不是连续的，不同结晶间微纤维排列的规律差形成非结晶结构，非结晶结构内的氢键 结合力较弱，易被溶剂破坏。纤维素的结晶区与非结晶区之间界限不明确，逐渐转变，结晶区 的直径约5 0 1 0 0a ，长度在8 0 0 1 2 0 0a 。 啦。畔二一妊 唯一 $ i 、要j 銎癌三二嚣：步一 程奄：一k ：蔫蕊爨器奄j 文袭扎， 图1 - 1 纤维素b 一葡聚糖链的结构特征 f i g 1 1 1 es t r i c l u r ec h a r a c t e r i s t i c so f c e l l u l o s e8 一g l u c o s a n sc h a i nl i n k 关于微纤维结晶区的结晶结构，人们曾用x 一射线衍射法做过细致的研究并提出了数个模 型。诸如m e y e r 和m i s c h 提出的晶胞结构是被普遍接受的一个。如图1 - 2 所示，它显示了纤维 素链间的紧密充填和强烈的氢键结合力。在该晶胞结构中有3 个长度不等的轴，b 轴与a 、c 轴 形成的平面垂直，a 、c 轴问的夹角为8 4 * 。晶胞内沿a 轴方向存在氢键作用力，沿b 轴方向分 子链由c 0 糖苷键连接，沿c 轴方向存在着范德华作用力。这三种不同的力使纤维分子链之间 结合成结晶状的结构。 3 中国农业大学硕士学位论文 第一章前言 1 3 2 半纤维素 图1 _ 2 纤维素结昌结构模型 f i g 1 2 t h es t r u c t u r em o d e lo f c e l l u l o s ec r y s t a l l i n e 半纤维素是带有各种不均一的分支碳水化合物的聚合物。主链的原糖是5 c 糖和6 c 糖，而 分支上有葡萄糖醛酸、麦芽糖、阿拉伯糖、木糖残基等。半纤维素的种类很多，有的可溶于水， 但绝大部分都不溶于水。组成谷物和豆类的膳食纤维素中的半纤维素，主要是阿拉伯木聚糖、 木糖葡聚糖、半乳糖甘露聚糖和b ( 1 3 ，1 4 ) 葡聚糖等。另外，一些水溶性胶也属于半纤 维素。 阿拉伯木聚糖在小麦和大豆纤维中含量较多。框架结构是b 一吡喃木聚糖通过b ( 1 4 ) 糖 苷键连接的线性主链木糖残基的q 和c 3 位置上取代基，其中最主要的是单一的a - 呋喃阿拉伯 糖，此外a 吡喃葡糖醛基及其4 o 酯也是常见的取代基，图1 - 3 所示为其结构特征。阿拉伯术 聚糖有水溶性和非水溶性两种，二者的区别存在于取代度不同。一般来说，主链上的取代基越 少，分子越呈线性结构，则水溶性越差。用酶法或化学方法将原先是水溶性分子的取代基去除 掉，则该分子就沉淀析出。 a ma l i l c - l e al ii 32 3 斗4 x y l ( i4 矗) x 蝴l4 4 轴 t l44 ) x 一1 - 1 渤 ( 1 斗再) x y i ( 1 斗1 ) x ，l l 讳o x i , i ( 1 斗 33 寺 ll a 撼g i c a 田卜3 阿拉伯木聚糖的结构特征 f i g 1 3t h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so f a r a b i a n x y l a n 4 中国农业大学硕士学位论文第一章前言 木聚葡聚糖是组成豆类膳食纤维素中最重要的一种非水溶性半纤维素，未发现其存在于小 麦或大麦纤维中。其主链结构是由b 一吡喃葡萄糖通过( 1 4 ) 糖苷键连接起来的，主链通过 c 6 分支点连有取代基吡喃术糖、木糖与阿拉伯糖或甘露糖组成的低聚糖链，结构模型如图1 - 4 。 4 ) g l o p ) ( 1 图卜4 木糖葡聚糖的化学结构 f i g l 一2 t h ec h e m i c a lc o n s t n z c t l o no f x y l o s c - g l u c o s a n s 半乳糖甘露聚糖是组成豆类膳食纤维素中最重要的一种水溶性半纤维素，也是瓜儿胶、大 豆皮和豆荚胶质的主要化学组成。其主链结构是由p 一吡喃甘露糖通过b ( 1 4 ) 糖苷键连接而 成，主链上的甘露糖残基通过c 6 位置与取代基吡喃半乳糖基相连接。 b ( 1 3 ，1 4 ) 葡聚糖是组成大麦和燕麦膳食纤维素的一种重要的半纤维素。其框架结 构是由p 一葡萄糖通过p ( 1 3 ) 或p ( 1 4 ) 糖苷键连接而成的线性结构。由于两种糖苷键的 相对含量不同，导致了其微结构的复杂性，因此有水溶性和非水溶性两种。 1 3 3 果胶 果胶是以a ( 1 4 ) 糖苷键连接的聚半乳糖醛酸为骨架链，主链中连有( 1 2 ) 鼠李糖残 基，部分半乳糖醛酸残基经常被甲基酯化。果胶类物质主要有阿拉伯聚糖、半乳聚糖或阿拉伯 半乳聚糖。果胶或果胶类物质均能溶于水，它们在谷物纤维中的含量少，但在豆类和果蔬纤维 中含量较高。果胶能形成凝胶，对维持膳食纤维素的结构有重要作用。谷物纤维中所含的果胶 能与致癌物质结合，由肠内排出。 1 3 4 木质素 木质素是由松柏醇、芥子醇和对羟基肉桂醇三种单体组成的大分子化合物。木质索亲水性 差是植物的结构按体物质，天然存在的木质素大多与碳水化合物紧密结合在一起，很难将之 分开。有研究指出木质素可使具有吞噬致病细菌和癌细胞的巨噬细胞活力提高2 3 倍，从而可 抑制癌症的发生和发展，有助于结肠和大肠癌及癌前病变的治疗和预防。 5 p p p 絮；：曲；制脚i晰：雠 g x 八 神 gl p pk；“ g x l 埠 p p p 桃糊。，； 争 # p 懦驯。：； # pk：计 蝣 x p #g l p p 巾嘲；蜥。；，枷 g p p f申：警：川 p 6 瘦呻 中国农业人学硕士学位论文 第一章前言 1 4 膳食纤维素的分类 2 3 1 1 4 1 根据溶解性分类 根据溶解特性的不同，可将d f 分为水溶性膳食纤维素( 简称s d f ) 和非水溶性膳食纤维 素( 简称i 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素， 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，其中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。s d f 是指不被 人体消化酶消化，但可溶于温水或热水且其水溶性又能被4 倍体积乙醇再沉淀的那部分膳食纤 维素。主要包括存在于苹果、桔类中的果胶，植物种子中的胶，海藻中的海藻酸、卡拉胶、琼 脂和微生物发酵产物黄原胶，以及人工合成的羧甲基纤维素钠盐等。 1 4 2 根据来源分类 按来源不同，可将d f 分为植物来源、动物来源、海藻多糖类、微生物多糖类和合成类。 植物来源的有：纤维素、半纤维素、木质素、果胶、阿拉伯胶、愈疮胶和半乳甘露聚糖等；动 物来源的有：甲壳素、壳聚糖和胶原等；海藻多糖类有：海藻酸盐、卡拉胶和琼脂等；微生物 多糖如黄原胶等；合成类的如羧甲基纤维素等。其中，植物体是d f 的主要来源，也是研究和 应用最多的一类。 1 5 膳食纤维素的物化性质 1 5 1 持水性 d f 化学结构中含有很多亲水基团，因此具有很强的持水性。d f 的持水性强弱以持水率衡 量，即单位质量纤维能够持留水的质量。很多研究表明，d f 的持水性可以增加人体排便的体 积与速度，减轻直肠内压力，预防便秘。同时也减轻了泌尿系统的压力，从而缓解了诸如膀胱 炎、膀胱结石和肾结石这类泌尿系统疾病的症状，并能使毒物迅速排出体外。 1 5 2 吸水膨胀性 d f 的体积较大。复水之后膨胀使得体积更大，对肠道产生容积作用，易引起饱腹感。膨 胀性的强弱以膨胀率衡量，即单位质量纤维吸水后体积的增加量。由于d f 的存在，影响了机 体对食物其他成分的消化吸收，人不易产生饥饿感，为此，d f 对预防肥胖症有益处。 1 5 3 对阳离子的结合和交换能力 d f 化学结构中包含一些羧基和羟基类侧链基团，呈现一个弱酸性阳离子交换树脂的作用 6 中国农业大学硕士学位论文 第一章前言 可与阳离子，特别是有机阳离子如c a “、z n “、c u “等进行可逆的交换，它不是单纯结合而减 少机体对离子的吸收，而是改变离子的瞬间浓度，从而对消化道的ph 值、渗透区以及氧化还 原电位产生影响，并出现一个更缓冲的环境以利用消化吸收。而且它能够与肠道中的n a + 、k + 等进行交换，从而降低血液中n a 机( + 的比值，直接产生降血压的作用。 1 5 4 黏性 由于d f 中有果胶、各种树胶、混和键的b 葡聚糖和海藻多糖，这些物质在体内能明显增 加小肠内容物的粘度，在小肠内形成网状结构，使得食物不能与消化液充分接触阻碍了葡萄 稽的扩散，使葡萄糖的吸收减慢而降低血糖含量，起到预防糖尿病的作用。 1 5 5 对有机化合物的吸附螯合作用 d f 表面带有很多活性基团，可以螯合吸附胆圈醇和胆汁酸之类有机分子，从而抑制人体 对它们的吸收，这是d f 能够影响体内胆固醇物质代谢的重要原因。同时，d f 还以吸附肠道内 的有毒物质、化学药品和有毒医药品等，并促进它们排出体外。 1 5 6 改变肠道系统微生物群系组成的作用 肠系统中流动的肠液和寄生菌群对食物蠕动和消化有重要的作用，肠道内d f 含量多时会 诱导出大量好气菌群来代替原来存在的厌气菌群，这些好气菌很少产生致癌物，而厌气菌能产 生较多的致癌性毒物，这些毒物能快速地随d f 排出体外。这是d f 能预防结肠癌的重要原因 之一。最新的研究资料表明，d f 的细菌分解产物短链脂肪酸可促进结肠上皮细胞的增值，防 止肠外营养和低渣肠内营养引起的肠道粘膜萎缩，支持肠粘膜屏障功能，防止肠道细菌粘附、 过度增值和易位造成的损害。 1 6 膳食纤维素的生理功能 d f 的物化性质，决定其具有重要的生理功能。现在它已被列入继蛋白质、碳水化合物、 脂肪、维生素、矿物元素和水之后的第七营养素，对人体的生理代谢起着重要的作用。 1 6 1 防治肠癌和便秘 对d f 在预防肠癌与便秘方面的作用已成定论，通过临床试验和调查研究，d f 防治肠癌机 理一般认为以下几点。1 ) 抑制腐生菌生长，结肠中一些腐生菌能产生致癌物质，而肠道中一些 有益微生物能利用d f 产生短链脂肪酸，这类脂肪酸，特别是醋酸能抑制腐生菌生长。2 ) 减少 致癌物与结肠的接触机会，d f 能吸收水分。稀释致癌物质的浓度，促进肠蠕动，从而减少致 癌物与结肠接触机会。3 ) 减少次生胆汁酸的产生，胆汁中的胆酸和鹅胆酸可被细菌代谢为次生 胆汁酸和脱氧胆酸这两者都是致癌剂和致突变剂。d f 束缚胆酸和次生胆汁酸，将其排出体 7 中国农业大学硕士学位论文第一章前言 外。4 ) 产生丁酸，可以调节细胞凋亡、影响原癌基因的表达，促进正常细胞增值、抑制肿瘤细 胞生长。 1 6 2 防治冠心病 d f 对预防和改善冠状动脉硬化造成的心脏病具有重要的作用。这种作用起因于d f 促进了 体内血脂和脂蛋白代谢的正常运行。许多研究业已证实，在脂肪代谢的过程中，d f 可通过某 种作用起到抑制或者延缓胆固醇与甘油三酯在淋巴中的吸收。 d f 能够阻止机体对脂肪的吸收，首先是因为它能够缩短脂肪通过肠道的时间，同时能吸 附胆汁酸并降低胆固醇和甘油三酯消化产物分子团的溶解性。具有黏性的d f 会阻1 1 分子团向 小肠吸收细胞表面转移，促使小肠细胞的生理功能和消化酶分泌机能发生变化。 胆固醇的代谢途径主要是通过粪便，而胆汁酸又是胆固醇的主要代谢产物，为了补充被纤 维吸附而排出体外的的那部分胆汁酸，就需要有更多的胆固醇进行代谢，体内胆固醇的含量因 此得以显著下降，从而实现防治动脉粥样硬化和冠心病的作用。 1 6 3 治疗糖尿病 许多研究表明，摄入s d f 可降低餐后的血糖生成和血胰岛素升高反应。这种现象发生于正 常受试者或糖尿病患者，在同时摄入纤维和葡萄糖负荷或将纤维作为膳食的一部分后，d f 对 胃排空率的影响与其在用葡萄糖负荷试验时减轻其血糖生成反应和减缓营养素吸收的能力有 关。我国贾建斌、王宣研究发现d f 可显著降低糖尿病患者餐后空腹血糖，食用瓜尔豆的人和 动物其血糖化血红蛋自证明可长期改善对血糖的控制，补充各种纤维能使餐后血糖曲线变平与 这些纤维的粘度高度相关。有的报道解释其机理为增加d f 的含量，可以改善末梢组织对胰岛 素的感受性降低对胰岛素的要求，从而达到降血糖的作用。l e c l e r e 等认为减缓胃排空速率的 证据是使餐后血糖曲线变平的主要因素。有报道指出，具有黏性的多糖可延缓胃的排空，丽i d f 则无此作用。t h o m a s 用逐步多元回归法对2 5 种天然食品进行分析，企图找出d f 种类和含量 与其血糖指数的关系，结果发现；s d f 含量与天然食品的血糖指数并无显著相关关系，而i d f 的某些成分却与血糖指数密切相关。 对d f 的降血糖机制，普遍认为与以下几个方面有关： ( 1 ) 某些种类的d f 可减缓胃排空速度，推迟食糜进入十二指肠的过程，从而延缓营养物 质的消化和吸收。在短期试验中，胃排空时间的延长与餐后血糖的降低高度相关。由于胃排空 在一定程度上受小肠活动的控制，因此这种变化的原因除d f 对胃功能的直接控制外。尚不能 排除d f 引起的小肠功能的改变对胃的间接影响。 ( 2 ) d f 的增加可使食糜形成大凝胶团而限制营养成分与消化酶的相互接触，并稀释消化 酶，使多种消化酶的表现活性降低，消化过程减慢。另外，食糜粘滞度和d f 的吸附作用又可 延缓营养物质向肠粘膜表面扩散，致使吸收速度减慢。 ( 3 ) 长期喂食高d f 食物可使试验动物胰腺增大、肠粘膜增厚、胰d 一淀粉酶和蛋白酶活 性升高、胆汁生成量和排出量增加。一般认为，这些变化是机体对消化酶活性需要量增加的代 8 中国农业大学硕士学位论文第一章前言 偿性反应，其与d f 改善糖耐量的关系尚不清楚。 ( 4 ) 高d f 饲料可使大鼠肝脏中与糖分解代谢有关的酶活性升高，肝细胞膜上胰岛素受体 数目增加，对胰岛素亲和力升高。i i 型糖尿病人经一段时间的高d f 饮食后，其脂肪细胞膜上 胰岛素的受体数目和对胰岛素的亲和力均增加，葡萄糖转运对胰岛素敏感性也增加：健康老人 和年轻人外周组织对胰岛素的敏感性亦可为高d f 高糖饮食所增高。长期试验中，除胰岛素水 平外，生跃抑素和胰高血糖素水平也发生明显变化，这些变化可能与糖耐量改善有密切关系【2 4 】。 1 6 4 排毒养颜、减肥瘦身作用 进入大肠内的纤维能被肠内细菌部分选择性地分解与发酵，从而改变肠内菌群的构成与代 射，诱导大量有益菌的繁殖，增强机体的免疫力而延缓衰老，且能有效吸附体内毒物迅速排出 体外，从而达到分解排毒养颜的功效。d f 还能增加胃部饱满感，减少食物摄入量，具有减肥 瘦身的功效j 。 1 7d f 的分离制备 1 7 1 粗分离法 粗分离法又叫悬浮法，这类方法所得的产品不纯净，但它可以改变原料中各成分的相对含 量，如可减少植酸、淀粉含量，增加d f 等含量，本方法适合于原料的预处理。 1 7 2 化学分离法 化学分离方法是指将粗产品或原料干燥、磨碎后，采用化学试剂提取而制备各种d f 的方 法有碱法、酸法、絮凝剂法等，其中以碱法较为普遍。工艺流程为：原料经过干燥、磨碎、过 筛处理后，按原料重量的5 5 ( w w ) 加入5 n a o h 溶液，加热、保温，随后过滤处理，过 滤所得残渣即为i d f ，将所得滤液p h 值调在4 0 4 5 后离心处理，其沉淀物为蛋白质，将所 得上清液的p h 值调至6 o 7 0 ，并用酒精沉淀，沉淀物即为s d f 。 1 7 3 化学处理和酶结合分离法 采用化学分离方法制备的d f 还含有少量的蛋白质和淀粉，要制各高纯净的d f ，必须结合 酶处理。其工艺流程为：原料干燥、磨碎、碱处理、酶解、保温、灭酶、离心、干燥，即得出纯 度较高的d f 。在酶处理时，所使用酶要求热稳定性好，活性强一般采用的是n 一淀粉酶、蛋 白酶、胰蛋白酶，其中以胰蛋白酶效果更好。 9 中国农业大学硕上学位论文第一章前言 1 7 4 膜分离法 膜分离法应用制各d f 的报道不多，由于此方法能通过改变膜的分子截留量制备不同分子 量的d f ，并能实现工业化生产，它将是分离s d f 最有前途的方法。 1 8 膳食纤维素在食品中的应用 1 8 1 在焙烤食品中的应用 i d f 在焙烤食品中的应用比较广泛。在面包中添加2 5 的i d f ，可明显改善面包蜂窝状 组织，增大其体积。同样，因为i d f 具有保湿性，能够通过防止水分散失来保持或者延长产品 的货架期。还可用于生产饼干、糕点等焙烤食品，能够减少糕点制作过程中面筋的形成。因饼 干和糕点对面筋质量要求很低，可相对较大比例添加i d f 。用量一般为面粉含量的5 l o ， 如其用量超过1 0 ，将使面团醒发速度减慢。因d f 吸水性特强，故配料时应适当增加水量。 1 ，8 ，2 在主食食品中的应用 d f 可用于制做馒头、面条等主食。馒头中加入面粉量6 的d f ，成品颜色及味道如同全麦 粉做成的馒头，并且有特殊香味，口感良好，无发干和粗糙之感。面条中加入5 的d f ，面条 煮熟后其强度反而增加，韧性良好，耐煮耐泡，比普通面条更为清爽，口味正常。 1 8 3 在制粉业中的应用 利用特殊加工工艺，含麸量达5 0 6 0 的麸质面粉。适1 3 性稍差于精白粉，但蛋白质含量、 热量优于精白粉，粗脂肪低于精白粉，面粉质地疏松，可消化的蛋白量优于精白粉。国内市场 仍处于开发和起步阶段。 1 8 4 在制糖业中的应用 s d f 的黏性很高，适于制造风味感佳的糖果。与其它原料混用还可以减少结晶、消除冷流 动性并提高糖果稳定性。加入口香糖中，s d f 吸收唾液膨胀而增加口香糖与牙齿的接触面，达 到洁齿的效果，同时在储存时还可防止糖果脱水收缩。用s d f 取代巧克力中的蔗糖，可与糖霜 结合，给巧克力基质提供温和、奶油质1 3 感，还可防止巧克力“起霜”。它在食品加工中还能产 生少量焦香物质，使巧克力风味更完美。 1 8 5 在馅料、汤料食品中的应用 为了改变d f 面食制品中外观质量，人们将d f 与焦糖色素、动植物油脂、山梨酸、水溶 1 0 中国农业大学硕士学位论文第一章前言 性维生素、微量元素等营养成分以及木糖醇、甜菊甙等甜昧剂混合后加热制成d f 馅料，可 用于牛肉馅饼、点心馅、汉堡包等面食制品，效果较好。此外，也可在普通汤料中加入1 的 d f 后一同食用，同样能达到补充d f 之目的。 1 8 6 在饮料制品中的应用 由于s d f 溶解度大，在低p h 下稳定，可随意充当d f 原用以增加饮料中的固形物含量。 如高纤维豆乳，富含纤维的酸奶饮料及果汁等的增稠。d f 饮料于1 0 年前就已盛行欧洲，并于 1 9 8 8 年风靡美国。日本养禾多、大冢制药和雪印等公司从1 9 8 6 年起先后推出了d f 饮料或酸 奶，每1 0 0g 饮料含25 38g d f ，其销量势头良好。台湾多家食品公司也陆续生产出d f 饮 料，并在台湾饮料市场上异军突起。此外，也可将d f 用乳酸杆菌发酵处理后制成乳清饮料。 1 8 7 在其他食品中的应用 除上述应用之外，d f 还可用于快餐、膨化食品、肉类、罐头食品及其他一些功能保健性 方便食品。 2 ，1 前言 第二章立题思路及研究内容 不同的d f 的生理功能是有差异的，不能认为所有的d f 都具有上述所有的功能。据了解， 有些人从一些罕见的资源中所提取的d f 其生理功能是很差的，尤其是在降血糖和血浆胆固醇 方面的作用。而大豆膳食纤维素( s o y b e a nd i e t a r yf i b e r ) 作为一种常见的d f 源，经过多年临床 研究表明，其降低血液中胆固醇含量、促进肠胃的正常蠕动而预防便秘和结肠癌、促进血糖和 胰岛素保持正常水平防治糖尿病等作用都很显著。所以。大豆d f 以其在食品营养和临床医学 上的重要作用，受到人们的普遍关注。 我国是世界上主要的大豆生产国和消费国，2 0 0 4 年我国产大豆1 8 0 0 多万吨，这些大豆多 用来制油、生产豆粉、豆奶等豆制品，豆渣的产量非常惊人。而豆渣作为大豆制品生产中的副 产物，艮朗以来作为饲料没有得到很好的利用，造成资源的极大浪费。随着食品科学的发展， 人仃 从营养学角度对其有了新的认识。豆渣( 干基) 含蛋白质2 0 、碳水化合物5 3 , 3 、腊肪 3 3 ，此外还含有c a 、p 、f e 等矿物质，用豆渣生产d f 是大豆综合利用的一条新途径口6 i ，不 仅可改善全民的营养健康水平，同时也为大豆加工企业的资源综合利用提供了一条新的有效途 径。 2 2 立题思路 2 2 1 关注i o f 及改性研究的理由 自然界存在的d f 有9 9 属于i d 产”。i d f 的黏性较差，其生理功能很大程度上与其持水 率和膨胀率有关。很高的持水率可以促进肠道代谢，较大的膨胀率可以产生容积作用。s d f 黏 度很高，其很好的成膜性和增稠性可有效降低质传递速率，消减吸收高峰。即i d f 主要发挥机 械蠕动作用。对防止便秘、结肠癌和肥胖症有效。而s d f 则更多发挥生理代谢功能，如影响可 利用碳水化合物和脂类的代谢，防止糖尿病、高血压和心脏病等。因此，d f 生理功能的显著 性与i d f 和s d f 的比例有很大关系，提高s d f 的含量可提高d f 的生理功能。美国有学者建 议：平衡d f 组成要求s d f 的比例占1 0 以上1 2 。但是许多d f 中s d f 所占比例很小。因此， 通过适当改性手段对d f 进行改性处理，增加其持水率、膨胀率和黏性等，使i d f 在某种程度 上能够发挥s d f 的作用，对有效利用天然资源，更好地发挥d f 的生理功能具有积极的意义。 2 2 2 对i d f 的改i 生方法及局限性 常见的改性处理方法有化学处理法和机械降解处理法鲫。化学处理法是通过调整p n 值、 温度等反应条件，使糖苷键断裂产生新的还原性末端，并使纤维大分子的聚合度下降，部分转 中国农业大学硕士学位论文第二章立题思路及研究内容 化为非消化性的多糖，米改变d p 产品的功能特性。物理降解处理法通常是通过对物料在挤压 机筒内施加强烈剪切、高温蒸煮等作用，使纤维大分子部分转化为非消化性的可溶性多糖。 常见的化学处理法是羧甲基化，这是一种提高d f 功能性作用的有效方法。动物试验也证 明，通过改良的增强水溶性的豆渣d f ，其降血糖作用明显加强，且羧甲基化对豆渣d f 的安全 性无明显的影响p 。但是其加工工艺过程复杂，需要确定很多的工艺参数。 目前，国内的d f 物理降解改性多采用挤压法。侯汉学等研究发现挤压改性可提高小麦麸 中可溶物含照p ”。钱建弧等研究挤乐改性对大豆d f 的影响，发现挤压可以使d f 中的一部分 i d f 向s d f 转化，转化的部分来自半纤维素，转化的程度随着挤压的剧烈程度而变化，纤维的 晶体结构不受挤压的影响【3 2 】。金茂国等研究挤压对豆渣d f 理化性质的影响发现挤压保持了原 豆渣的持水率。膨胀率和s d f 的黏度有所提高，对豆渣纤维素的结晶状态没有明显的影响p 3 1 。 研究发现，物理降解处理效果与选择的挤压机类型、处理条件有很大关系。中等强度的挤 压处理会提高d f 的持水率和膨胀率+ 增强其生理活性的