豌豆膳食纤维与菊粉化学组成及物化特性的比较

刘晓贺，马思雨，和贵文，韩明升，杨亚晋，郭爱伟*

西南林业大学生命科学学院（昆明 650224）

豌豆（Pisum satiumL.）属豆科植物，因其适应性很强，在全世界均有广泛的种植，2009年世界豌豆产量超过1 000万 t，主要生产国是加拿大、俄罗斯、中国、美国等，豌豆中含有21.2%~32.9%蛋白质、36.9%~49%淀粉、2.1%~6.35%抗性淀粉和1.2%~2.4%脂肪，还有丰富的矿物质元素（Fe 97 mg/kg，Se 42 mg/kg和 Zn 41 mg/kg）和维生素（叶酸101 mg/100 g）等[1-2]。除此之外，豌豆及其豆渣中还有丰富的膳食纤维，总膳食纤维含量为14%~26%，不溶性膳食纤维含量为10%~15%，可溶性膳食纤维含量为2%~9%[1]，是一种优质纤膳食纤维的食物来源。目前，研究表明豌豆纤维（pea fiber，PF）对人体和动物具有重要的生理功能，可通过调节脂质代谢、肠道健康、血糖控制和胰岛素抵抗来改善人体健康[3]。在健康的大鼠中，与鹰嘴豆和小扁豆等其他豆类相比，饲喂豌豆小鼠排泄物中双歧杆菌（Bifidobacterium）计数最高，表明豌豆纤维具有很强的双歧化特性（bifidogenic properties）[4]。此外有研究表明，豌豆膳食纤维可能是宿主肠道微生物可利用的碳水化合物（microbiotaaccessible carbohydrates，MACs），这归因于豌豆中可溶性膳食纤维含量，豌豆中的可溶性膳食纤维可被后肠微生物发酵产生短链脂肪酸（SCFAs），而SCFAs通过G蛋白偶联受体来参与机体和脂肪组织代谢的调节及降低肠道的炎症反应[5]。Patnode等[6]证实了这一假设，运用定量蛋白质组学、宏蛋白质组学等方法，对34种食品级膳食纤维进行了靶向筛选，结果表明喂食豌豆纤维可选择性地影响拟杆菌属（Bacteroides），导致小鼠体内多形拟杆菌（B.thetaiotaomicron）在小鼠体内的显著扩增，表明豌豆膳食纤维是肠道内多物种微生物的潜在营养源，为开发微生物定向食品（microbiota-directed foods，MDFs）和通过膳食干预调控机体肠道稳态提供了理论基础。

目前，对豌豆膳食纤维的组成、物化特性等方面的研究缺乏，为更好地利用和开发豌豆膳食纤维，将豌豆纤维应用到人类和动物食品工业中，试验以市售豌豆膳食纤维为研究对象，以商业上常用的菊粉为对照，比较分析豌豆纤维的组成、物化特性和扫描电镜结构。

1 材料与方法

1.1 纤维来源及制备

豌豆膳食纤维（pea fiber，PF）和菊粉（INU）购买自西安全奥生物科技有限公司，菊粉纯度为90%，豌豆膳食纤维纯度为98%，粒度为0.180 mm。

1.2 仪器与设备

Practum224-1CN电子天平（赛多利斯）；CS601高精度恒温水浴锅（上海博迅实业有限公司）；SU8100扫描电子显微镜（Hitachi）；DJ-10A粉碎机（上海隆拓仪器设备有限公司）；Smart-Q30纯水仪（上海和泰仪器有限公司）；101-1AB电热鼓风干燥箱（天津市泰斯特仪器有限公司）；CM-2300d色差计（Konica Minolta公司）；Kjeltec 8100凯氏定氮仪（丹麦福斯集团公司）。

1.3 指标测定

1.3.1 膳食纤维化学成分和类型的分析

膳食纤维中的干物质、灰分、钙、磷等的测定参考AOAC[7]推荐的方法；水溶性膳食纤维（SDF）、不溶性膳食纤维（IDF）及总膳食纤维（TDF）的测定参考GB/T 5009.88—2008《食品中膳食纤维的测定》[8]的方法进行。

1.3.2 膳食纤维色度测定

用色差计测定，色度值用L*、a*、b*表示。其中：L*表示亮度，a*表示红度，b*表示黄度。每个样品重复测定10次。

1.3.3 膳食纤维pH测定

膳食纤维pH根据AOAC[7]推荐的方法进行测定。在三角瓶中称10.0 g样品，在25 ℃下加100 mL煮沸过的水，摇动，直到颗粒均匀悬浮且混合物没有结块，消化30 min，经常摇动，再静置10 min，倾倒上清液至250 mL烧杯中，立即用酸度计测定pH。

1.3.4 膳食纤维持水力和水溶性指数的测定

水溶性指数（water solubility index，WSI）参考Anderson[9]的方法测定。持水力（water holding capacity，WHC）按高荫榆等[10]推荐的方法测定，称取1.0 g膳食纤维于50 mL烧杯中，加入40 mL蒸馏水，磁力搅拌2 h，在转速4 000 r/min下离心20 min，离心结束后将上清液倒出，用滤纸吸干残留水分后称其质量。持水力按式（1）计算。

1.3.5 膳食纤维对脂肪酸吸附作用的测定

对不饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸的吸附作用分别参照Sangnark等[11]和黄才欢等[12]的方法测定。膳食纤维的吸油量按式（2）计算。

1.3.6 膳食纤维对胆固醇吸附作用的测定

胆固醇吸附能力（cholesterol adsorption capacity，CAC）参照高荫榆等[10]的方法测定。将新鲜鸡蛋的蛋黄加入9倍质量的蒸馏水充分搅拌成乳液。分别取2.0 g膳食纤维于200 mL的三角瓶中，加入50 mL稀释好的蛋黄液，搅拌均匀后调节溶液pH到2.0和7.0，放置于37 ℃摇床中，振荡2 h，于4 000 r/min离心20 min，吸取上清液，采用邻苯二甲醛法在550 nm下比色测定胆固醇。按式（3）计算胆固醇吸附能力。

1.3.7 膳食纤维对葡萄糖吸附作用的测定

葡萄糖吸附能力（glucose adsorption capacity，GAC）的方法参照Peerajit等[13]的方法，稍作修改。称取1.0 g膳食纤维于50 mL烧杯中，与40 mL葡萄糖溶液（200 mmol/L）混合，并在37 ℃下放置6 h，于4 000 r/min离心20 min。然后使用分光光度计测定上清液中的葡萄糖。按式（4）计算葡萄糖吸附能力。

式中：Gi为原始溶液的葡萄糖浓度，mmol/L；Gs为吸附达到平衡时的葡萄糖浓度，mmol/L；M为纤维质量，g；Vi为葡萄糖溶液的体积，L。

1.3.8 膳食纤维葡萄糖延迟指数的测定

葡萄糖延迟指数（glucose retardation index，GRI）参照Chau等[14]的方法测定。将0.50 g膳食纤维与25 mL的葡萄糖溶液（50 mmol/L）混合，装入透析袋中，在37 ℃恒温箱摇床中以120 r/min用100 mL蒸馏水透析。在透析30，60和120 min后，收集从膳食纤维和对照样品中扩散出的1 mL的葡萄糖，用分光光度计测定样品中的葡萄糖，以无添加膳食纤维的对照样品，按式（5）计算葡萄糖延迟指数。

1.3.9 膳食纤维扫描电镜

取适量样品，干燥至恒重，将样本紧贴于导电碳膜双面胶上，放入离子溅射仪样品台上进行喷金30 s，置于扫描电镜下观察。

1.4 数据处理与统计

所有试验进行3次重复测定，数据进行t检验，结果以“平均数±标准差”表示，p＜0.05表示差异显著，p＜0.01表示差异极显著。

2 结果与讨论

2.1 膳食纤维组成

由表1可知，INU和PF干物质分别为95.44%和92.80%，2种膳食纤维中灰分、钙、磷等含量较低。从膳食纤维的组成类型来看，INU中主要是SDF 83.25%，IDF 2.18%，TDF 85.43%，IDF/SDF 38.19；PF中SDF和IDF分别为50.93%和45.14%，IDF/SDF 1.13。朱丹等[15]研究表明，膳食纤维中SDF是影响膳食纤维生理功能的重要因素，优质的膳食纤维组成要求SDF占总膳食纤维的10%以上。IDF具有很高的持水能力，具有调节人体和动物肠道正常的蠕动功能，具有预防肥胖、糖尿病、便秘等功效[16-17]，而SDF可以在后肠被微生物利用，产生短链脂肪酸，而短链脂肪酸具有降低肠道的炎症反应、增强肠道免疫和改善肠道微生物区系等功效[18]，因此许多研究表明优质的膳食纤维应该包括一定比例的IDF，还应该包括一定比例的SDF。研究表明，合理的膳食纤维组成为IDF/SDF在1.0~2.3[19]。此次研究的PF中IDF和SDF组成比例平衡，优于INU的膳食纤维组成，是一种具有开发前景的膳食纤维。

表1 膳食纤维组成

2.2 膳食纤维扫描电镜结构

膳食纤维的扫描电镜见图1。在放大500和2 500倍时，INU表面较光滑，结构紧密、完整，呈圆球颗粒状，颗粒形态各异、大小不一；PF表面粗糙，颗粒大小不一，疏松多孔，呈片层状结构，表面附有小颗粒。

图1 膳食纤维扫描电镜结构

2.3 膳食纤维的物化特性

2.3.1 膳食纤维的色泽

纤维的色泽是其主要表观特征之一，色泽的影响不仅仅是在视觉上，而且会影响食品品质和接受度[20]。INU的L∗、a∗和b∗分别为94.67，-0.24和8.28，PF的L∗、a∗和b∗分别为81.47，1.38和19.87。与INU相比，PF的L∗、a∗与INU接近，而PF的b∗要显著高INU。Felisberto等[21]研究发现竹竿膳食纤维的L∗为78.09~85.55，a∗为0.89~2.61，b∗为16.42~22.95，与此次试验接近。

表2 膳食纤维的色度值

2.3.2 膳食纤维的溶解性和持水力

从图2可以看出，膳食纤维溶解24 h后，PF中有部分纤维是溶于水的，而INU几乎全部溶水的，这与表1和表3中2种膳食纤维中可溶性纤维含量和水溶性指数相一致的。持水力（WHC）是膳食纤维非常重要的一个物理指标，对人体健康而言有着很重要的生理效应，INU、PF的持水力分别为0.04和1.38 g/g，持水力为PF＞INU，WHC高的膳食纤维，进食后排泄的粪便质量高，可预防便秘和结肠癌[10]。不同的膳食纤维WHC存在差异是由于其表面多孔性及密度不同所造成。研究表明，水溶性指数（WSI）是食品的重要的技术特征，低的WSI往往使食品具有鲜艳色泽和光泽，使用和开发潜力大[21]。Felisberto等[21]研究的竹竿纤维WSI在1.88%~9.47%，这与PF的WSI接近，PF的WHC明显高于INU，水溶性指数（WSI）最高为INU（97.58%），PF的WSI为10.80%。INU、PF的pH分别为6.0和6.7，呈现弱酸性，有研究表明弱酸性膳食纤维（pH＞4.5）用于多种发酵产品中，PF也具备优质膳食纤维的pH[21-23]。

图2 膳食纤维的溶解特性

表3 膳食纤维的物理特性

2.3.3 膳食纤维对葡萄糖、脂肪酸的吸附能力

由表4可知，膳食纤维对饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸、葡萄糖具有一定的吸附作用。INU、PF对饱和脂肪酸的吸附能力分别为0.77和1.02 g/g，对不饱和脂肪酸的吸附能力分别为0.61和0.80 g/g；膳食纤维吸油特性可有效改善食品的特性，赋予食品更好的感官，对饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸吸附能力PF优于INU，且2种纤维对饱和脂肪酸的吸附能力高于不饱和脂肪酸。有研究表明，优质的马铃薯膳食纤维对大豆油的吸附值为1.76 g/g[24]，而豌豆膳食纤维的吸油能力稍微低于马铃薯纤维，膳食纤维在消化道中与部分脂肪酸结合，使脂肪酸通过消化道时不能被吸收，在预防肥胖和控制体重方面具有很大的优势。膳食纤维在胃肠道转运过程中对葡萄糖具有吸附作用[13]，INU、PF对葡萄糖吸附值分别为3.57和3.56 mmol/g，2种膳食纤维间差异不显著。PF与柑橘皮膳食纤维的结果接近，其葡萄糖浓度在10~200 mmol/L，对葡萄糖吸附能力在3.68~23.3 mmol/g[25]。

表4 膳食纤维对葡萄糖和脂肪酸的吸附能力

2.3.4 膳食纤维对胆固醇的吸附能力

膳食纤维对胆固醇的吸附能力见图3。研究表明，膳食纤维在体内具有吸附胆固醇的能力，降低血浆胆固醇水平，减少机体对胆固醇的吸收[10]。在不同pH条件下其吸附能力存在差异：pH 2时，INU和PF对胆固醇的吸附量为2.24和3.06 mg/g，PF显著高于INU（p＜0.05）；pH 7时，INU、PF对胆固醇的吸附量为1.53和2.07 mg/g，PF也显著高于INU（p＜0.05），在中性条件下INU和PF对胆固醇的吸附能力变化不明显，可能与其膳食纤维的组成类型相关。有研究表明，在中性条件下黑小麦麸皮膳食纤维对胆固醇的吸附能力大于酸性条件下的吸附能力[26]。对胆固醇的吸附能力PF＞INU。

图3 膳食纤维对胆固醇的吸附能力

2.3.5 膳食纤维对葡萄糖的延迟指数的影响

膳食纤维对GRI影响见图4。PF最大GRI出现在透析30 min（27.61%），并且继续延长透析时间GRI会减小，这与王庆玲等[27]报道的番茄皮渣膳食纤维的结果相一致。而INU最大的GRI出现在透析后60 min（16.67%），透析120 min后2种膳食纤维均有下降的趋势，Chau等[14]研究发现随着透析时间的延长，纤维样品中GRI随着时间的增加而减小。研究表明，GRI是用来预测纤维在肠道中延迟吸收葡萄糖的效果，膳食纤维具有阻滞葡萄糖扩散的作用，测定GRI可预测膳食纤维在肠道中延迟吸收葡萄糖的效果。已经研究证明不溶性纤维可能具有比可溶性纤维更大的GRI，可能与其在消化道的黏度有关，此外葡萄糖扩散的延迟还可能归因于不溶性纤维颗粒对葡萄糖分子的物理阻碍以及葡萄糖在纤维形成的网络内的截留有关[28]。与已有的GRI对比分析研究表明，PF的GRI与已报道的酸橙渣膳食纤维（9.925%~24.71%）[13]和橙果肉膳食纤维（16.04%~25.92%）[29]接近。此次研究的2种膳食纤维中，PF效果优于INU，这可能与PF有较高的葡萄糖吸附量有关。

图4 膳食纤维对葡萄糖延迟指数（GRI）的影响

3 结论

PF中可溶性膳食纤维为50.93%，不溶性膳食纤维为45.14%，总膳食纤维为96.07%，IDF/SDF为1.13，PF的持水力为1.38 g/g，水溶性指数为10.80%，pH为6.70，葡萄糖延迟指数豌豆纤维＞菊粉。扫描电镜结果表明，PF呈无规则片状结构，表面粗糙，颗粒大小不一，表面附有小颗粒。综上，与菊粉相比，PF中可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维组成比例平衡，呈弱酸性且具有较高的持水率，对胆固醇和葡萄糖具有一定的吸附能力，是一种品质较优的膳食纤维。