不同来源膳食纤维的结构和理化性质分析

栗俊广 姜 茜 望运滔 马旭阳 白艳红

(1. 郑州轻工业大学食品与生物工程学院，河南 郑州 450000；2. 河南省冷链食品质量安全控制重点实验室，河南 郑州 450000；3. 河南省食品生产与安全协同创新中心，河南 郑州 450000)

膳食纤维是指不能被人体消化酶消化的碳水化合物，也被称“第七营养素”。食用膳食纤维对人体健康有多种益处，例如控制餐后血糖反应、降低血脂和胆固醇、有助于肠道运输等[1-2]。膳食纤维分为可溶性膳食纤维(SDF)和不溶性膳食纤维(IDF)。SDF主要包含树胶、粘胶和果胶等，IDF主要包含纤维素、半纤维素和木质素等[3-4]。Galisteo等[5]报道了IDF具有较高的保水性和水胀能力，食用可提高饱腹感，增加粪便排泄量；SDF可以调节和改善肠道菌群，并防止糖尿病和其他心血管疾病。另外，在饮食中添加膳食纤维(DF)不仅可减少冠心病的得病几率，还能减轻长期大量饮酒对胰脏的伤害[6-8]。

适量摄入膳食纤维对人体健康有积极作用，这些积极作用主要与DF的理化性质密切相关[9-10]。DF的结构中含有较多的亲水性基团，如羟基等，因此具有较高的持水力和膨胀力[11]，被摄入人体后，可以加快排便速度，使体内毒物迅速排出体外。DF表面有疏水基团，结构为孔状结构，可以通过疏水作用和毛细吸附作用吸附油类、香气成分等有机物质，并赋予食品一定的香气和风味[12]。DF的溶解性、黏性对其生理功能有重要影响，可延缓和降低葡萄糖、胆汁酸和胆固醇等物质的吸收[13]。由于DF具有一定的持水性和持油性，可以作为食品功能性添加成分：例如，具有高持油性的DF可以稳定高脂肪食品和乳液；具有高持水性的膳食纤维可用作营养增强剂和天然添加剂，改变食品的风味与质构[14]。但是高膳食纤维类食品的开发和利用在中国仍然比较缺乏，在食品行业中有巨大的发展空间。

不同来源的膳食纤维，其理化特性、结构均有所差异，而农产品加工的各种废料废渣是膳食纤维的良好来源，如豆渣、米糠、麦麸及其他各种蔬菜果皮渣等。大豆和鹰嘴豆是世界上栽培面积较大的食用豆类作物，产量分别居于第一和第二。鹰嘴豆是一种高营养价值食用豆，能有效控制血糖、降低胆固醇等；每年大豆、麦麸产量丰富，合理加工利用，能提高其附加值；葡萄皮渣中富含膳食纤维，是一种优质的膳食纤维资源。研究拟选用鹰嘴豆DF、葡萄DF、大豆DF和麦麸DF为原料，从4种膳食纤维的理化特性和结构进行比较，为DF的开发及利用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

鹰嘴豆DF、葡萄DF、大豆DF和麦麸DF：西安优硕生物科技有限公司；

非转基因大豆油：郑州市丹尼斯超市；

溴化钾(KBr)：分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.1.2 主要仪器设备

分析天平：AB265-S型，梅特勒—托利多仪器(上海)有限公司；

高速冷冻离心机：Avanti J-26s XPI型，美国Beakman公司；

激光粒度仪：LS13320/ULM2型，美国贝克曼库尔特公司；

傅里叶变换红外光谱仪：Vertex70型，美国Bruker光学公司；

差示量热扫描仪：DSC Q20型，美国TA仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 持水力的测定 根据文献[15]修改如下：分别称取4种DF样品1.000 g，加入30 mL蒸馏水震荡均匀，在室温下放置18 h，4 000×g离心20 min，倒掉上清液，称样品重量(湿重)，在105 ℃下干燥2 h，记录样品干重。按式(1)计算持水力。

CWH=(m2-m1)/m1，

(1)

式中：

CWH——持水力，g/g；

m1——样品干重，g；

m2——样品湿重，g。

1.2.2 持油力的测定 根据文献[16]修改如下：分别称取4种DF样品1.000 g于干燥离心管中，加入20 mL植物油震荡均匀，在室温下静置18 h，4 000×g离心20 min，倒掉上清液至离心管内壁无油迹，称重。按式(2) 计算持水油力。

COH=(m2-m1)/m0，

(2)

式中：

COH——持油力，g/g；

m2——样品和离心管的重量，g；

m1——干燥离心管的重量，g；

m0——样品的重量，g。

1.2.3 膨胀力的测定 根据文献[15]的方法：分别称取4种 DF样品1.000 g于干燥的10 mL量筒中，记录此时刻度V0，加入8 mL蒸馏水，混合均匀后室温静置18 h，记录膨胀后的膳食纤维体积V1。按式(3)计算膨胀力。

CSW=(V1-V0)/m，

(3)

式中：

CSW——膨胀力，mL/g；

V1——膨胀后的膳食纤维体积，mL；

V0——膳食纤维初始体积，mL；

m——样品的重量，g。

1.2.4 溶解度的测定 根据文献[17]修改如下：分别称取4种DF样品200 mg于离心管中，加入5 mL纯水，在不同温度下(20，40，60，80，100 ℃)搅拌30 min，4 000×g离心20 min，将上清液倒入已知质量的离心管中，在105 ℃ 烘箱中干燥至恒重后称质量。溶解度以加入每毫升纯水搅拌后离心所得上清液中固形物的质量表示。以温度为横坐标，溶解度为纵坐标作图。按式(4)计算DF溶解度。

C=m/V，

(4)

式中：

C——溶解度，g/mL；

m——定量上清液干燥后的固形物含量，g；

V——所取水体积，mL。

1.2.5 粒径的测定 分别称取4种DF样品1.0 g，加入蒸馏水配置成一定浓度的溶液，采用LS13320/ULM2激光粒度仪分析DF的粒径，结果用中位径D50表示，每个样品重复3次。

1.2.6 傅里叶变换红外光谱分析 精确称取干燥的4种DF样品1.000 mg于玛瑙研钵中，加入100 mg干燥的KBr晶体，轻轻研磨混匀，用压片机压片，制成一定直径和厚度的透明片，用红外分光光度计于4 000～400 cm-1中红外区扫描，得到傅里叶变换红外光谱曲线。

1.2.7 扫描电子显微镜分析 样品干燥后过100目筛，将样品平铺在贴好导电胶的样品台上，用洗耳球吹去没有在导电胶固定的粉末，喷金处理120 s。置于JSM-6490LV型扫描电子显微镜下观察，加速电压20 kV，观察各样品颗粒的形貌。

1.2.8 热特性分析 根据文献[18]修改如下：采用Q20差示扫描量热仪(DSC)进行测定，精确称取4种DF样品5.000 mg，置于固体铝坩埚当中密封，空白固体坩埚作为参照。测试温度范围为25～360 ℃，升温速率为10 ℃/min，载气为氮气，流速为50 mL/min，观察样品和参比物之间的热流差随温度的变化。

1.3 数据统计分析

试验重复3次，结果表示为平均数±标准差。采用SPSS Statistics 19.0分析软件进行统计分析，使用单因素方差分析(ANOVA)，采用Duncan’s多重比较检验法进行显著性分析(P<0.05)；采用Origin 9.0进行数据绘图。

2 结果与分析

2.1 膳食纤维理化特性分析结果

对膳食纤维进行理化指标测定，结果显示不同来源的DF理化性质有显著差异，测定结果见表1。鹰嘴豆DF的持水力、持油力最高，分别为2.45，1.97 g/g。DF的高持水力可以加快排便速度，促进人体消化；而DF保留油脂的能力在食品应用中可能很重要，例如，在烹饪方面可以防止脂肪流失[19]；在营养方面，可以增强吸收或结合胆汁酸及其排泄的能力[20]。Akhtar等[21]研究了鹰嘴豆壳多糖的物理化学、功能、结构等性质，发现其持水力、持油力分别为(0.37±0.25)，(3.46±0.31) g/g。麦麸膳食纤维的膨胀力为(3.18±0.06) mL/g，显著高于葡萄DF和大豆DF，而鹰嘴豆膳食纤维溶解性较高，不具有膨胀性。王崇队等[22]研究了不同来源膳食纤维品质分析，发现麦麸膳食纤维膨胀力为2.0 mL/g左右。DF的持水力、持油力和膨胀力的差异可能与粒径、孔隙率、电荷密度、比表面积和空间结构有关[23]。

表1 不同来源膳食纤维的理化特性†Table 1 Physicochemical properties of different types of dietary fiber

2.2 溶解性分析结果

溶解性是评价膳食纤维的重要指标之一，其溶解性基本取决于样品的分子组成和结构[24]，不同来源的膳食纤维其溶解性有一定的差异。试验测定了在不同温度下的溶解度，结果如图1所示。由图1可知，不同来源的DF溶解度随温度的升高而增加。当温度为20 ℃时，鹰嘴豆DF、葡萄DF、麦麸DF和大豆DF的溶解度分别为0.032，0.028，0.028，0.011 g/mL。当温度为20～60 ℃时鹰嘴豆DF和大豆DF的溶解度升高趋势相对缓慢，在60～100 ℃ 范围内溶解度升高趋势相对增加；而葡萄DF、麦麸DF升高趋势与之相反。当温度为100 ℃时，鹰嘴豆DF、麦麸DF、葡萄DF和大豆DF的溶解度分别为0.054，0.037，0.036，0.023 g/mL。朱凤霞[25]通过测定米糠膳食纤维的理化性质，得到米糠DF在20，100 ℃的溶解度分别为0.014，0.026 g/mL，随着温度的升高，溶解度趋势与葡萄DF、麦麸DF相一致。溶解度随温度升高而增加的原因可能是热作用力破坏了纤维素多糖分子侧链间的氢键和离子键，造成部分分子链断裂，使分子质量降低，溶解度提高[26]。

图1 温度对不同来源膳食纤维溶解度的影响Figure 1 Effect of temperature on the solubility of dietary fiber from different sources

2.3 粒径分析结果

采用LS13320/ULM2激光粒度仪测定膳食纤维的粒径，以中位径D50为试验指标。由表2和图2可知，不同来源的DF粒径大小及分布有显著性差异，可能与物质本身和提取方法有关。鹰嘴豆DF的粒径为2.56 μm，显著低于其他3种DF，但粒径分布峰形较宽。麦麸DF与大豆DF的粒径分布情况基本一致。粒径的大小会影响DF的理化特性和功能特性，粒径减小，DF亲水基团暴露较多，比表面积增大，使持水力、膨胀力均表现出增加的趋势；但若粒径进一步减小，则DF孔洞坍塌，网状结构被破坏，导致DF的持水力、膨胀力降低[27]。

表2 不同来源膳食纤维粒径分布†Table 2 Particle size distributions of dietary fiber from different sources

图2 不同来源膳食纤维粒径分布情况Figure 2 Particle size distributions of dietary fiber from different sources

2.4 傅里叶变换红外光谱分析结果

图3 不同来源膳食纤维的红外光谱图Figure 3 Fourier transform infrared of dietary fiber from different sources

2.5 扫描电子显微镜分析结果

如图4所示，通过扫描电镜观察4种不同来源膳食纤维放大500倍的微观形貌图，发现不同来源的DF具有不同的形态结构。鹰嘴豆DF和葡萄DF多为形状不规则块状结构，颗粒不均一，且颗粒表面凹凸不平整，带有褶皱，褶皱是无规则的，鹰嘴豆DF颗粒表面凹凸程度比葡萄DF的大。大豆DF颗粒呈一定的片状、层状结构，颗粒表面的褶皱是无规则的，呈蜂窝状小孔，除纤维外还间杂少许颗粒物。麦麸DF颗粒聚集成一团，结构疏松，不规则形状。由于褶皱和蜂窝状小孔的存在使膳食纤维表面积更大，从而表现出更高的持水力和持油力。

图4 不同来源膳食纤维的扫描电镜Figure 4 SEM images of dietary fiber from different sources

2.6 热特性分析结果

差式扫描量热仪(DSC)根据物质热变性过程的温度和能量的变化来研究物质结构稳定性和构象的变化[30]。DSC常常用来测蛋白的变形、淀粉的糊化和老化等研究，主要是基于温度变化产生的热效应。主要研究物质在吸热或放热变化过程中温度和焓值(ΔH)等，其能够使聚合物质从有序的结晶或部分有序的半结晶状态转变为完全无序的无定形状态，克服分子间力需要吸收的能量或者破坏在交界区域氢键所需的能量[31]。

从图5可以看出，根据起始温度(T0)、最终温度(Tc)和峰值(Tp)判断这几种不同的膳食纤维具有不同的特征参数，通过峰面积的大小确定焓值(ΔH)，焓值越大，表示这种物质的热稳定性越好。A谱图显示的是鹰嘴豆DF的DSC曲线，只有一个吸收峰，峰值表示了变性温度，从谱图上得到鹰嘴豆DF的变性温度为207.64 ℃，焓值为42.63 J/g。麦麸DF、大豆DF、葡萄DF的变性温度分别为203.74，209.25，165.18 ℃；焓值分别为118.60，75.89，51.73 J/g。峰值的差异可能与DF的氢键数量与类型有关，峰值越高，说明DF内的氢键数量更多，需要更多的能量来破坏DF中的晶体结构。鹰嘴豆DF、麦麸DF和大豆DF的峰值差异并没有显著性差异，而C谱图上DSC的吸收峰峰形与其他DF峰形差异很大，可能是由葡萄DF的内部氢键数量较少和氢键种类的差异造成的。

图5 不同来源膳食纤维的差式扫描量热谱图Figure 5 The thermal characteristic analysis of dietary fiber from different sources

3 结论

不同来源的膳食纤维在性质上有显著差别。通过对4种膳食纤维理化性质进行比较，结果发现鹰嘴豆膳食纤维有较好的持水性、持油性、溶解度和粒径，这些良好的特性使鹰嘴豆膳食纤维可以添加到肉制品、烘焙食品和酸奶制品中等。添加到肉制品中以增加保水、提高持水能力；有较好的溶解度，可以添加到酸奶中改善产品风味和质地；粒径小，表面积增加，添加到面包中，通过羟基与水的作用提高面包吸水性，使之松软可口，不易干硬。通过扫描电镜观察发现不同来源的膳食纤维具有不同的形态结构，而微观结构密切影响其性质。若膳食纤维存在褶皱或蜂窝状小孔，这就使膳食纤维表面积增大，从而表现出更高的持水力和持油力。虽然膳食纤维的添加能更好地改善食品的风味、质地和营养价值，但其理化特性和功能特性对食品的质地和营养价值有何影响还有待进一步的研究。