不同来源膳食纤维的结构和理化性质分析

《不同来源膳食纤维的结构和理化性质分析》论文发表期刊：《食品与机械》；发表周期：2020年12期

《不同来源膳食纤维的结构和理化性质分析》论文作者信息：栗俊广，男，郑州轻工业大学副教授，博士。

　　摘要：以鹰嘴豆膳食纤維(detaryfber.DF)、葡萄DF、大豆DF和麦麸DF为试验原料，研究了4种不同来源DF的理化特性(持水力、持油力、膨胀力、粒径、溶解度、热特性)之间的差异，并用傅里叶变换红外光谱、扫描电镜表征其结构变化。结果表明：鹰嘴豆DF的持水力、持油力最高，分别为245，197g/g;麦麸DF的膨胀力最好，为

　　3.18mlL/g：4种膳食纤维的溶解度与温度呈正比，其中鹰嘴豆DF的溶解度最高;傅里叶变换红外光谱分析发现，4种DF的红外吸收光谱基本相同，均含有C-HO-H，C=0.c-0-C键;热特性分析结果表明丘类DF有更高的变性温度，而麦麸DF的热稳定性最好。扫描电镜结果显示鹰嘴豆DF额粒表面带有无规则褶皱，褶皱存在使DF表面积增大，从而表现出更高的持水力和持油力。综上，鹰嘴豆DF可以作为良好的保水保油剂，应用于肉制品、乳制品等食品加工，提升产品品质。

　　关键词：膳食纤维;理化特性;傅里叶变换红外光谱;热稳定性

　　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，还能减轻长期大量伏酒对胰脏的伤害G-句.

　　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0-w)，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[1]，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[)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[]，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"]，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

　　11材料与仪器

　　111材料与试剂

　　鹰嘴豆DF，葡萄DF、大豆DF和麦获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.

　　112主要仪器设备

　　分析天平：AB265-S型，梅特勒一托利多仪器(上海)有限公司;高速冷冻离心机：AvantiJ26sXPI型，美国Beknan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：DSCQ20型，美国TA仪器有限公司.

　　12试验方法

　　121持水力的测定根据文献[15]修改如下：分别称取4种DF样品1000g加入30mlL，蒸馏水震荡均匀，在室温下放置18h，4000xg离心20min，倒掉上清液，称样品重量(湿重)，在105℃下干燥2h.记录样品干重.

　　按式(1)计算持水力.

　　CwH=(m2-m)/m，

　　(1)式中：

　　CwH--持水力g/grm-样品干重gme--品湿重g

　　122持油力的测定根据文献[16]修改如下：分别称取4种DF样品1000g于干燥离心管中，加入20mlL植物油震荡均匀，在室温下静置18h.4000×g离心20min.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-m)/mo.

　　(2)式中：CoH-持油力，g/g：m2--样品和离心管的重量gm-干燥离心管的重量gm--品的重量g.

　　123膨胀力的测定根据文献[15]的方法：分别称取4种DF样品1000g于干燥的10mlL量简中，记录此时刻度Vo，加入8nL蒸馏水，混合均匀后室温静置18h.

　　记录膨胀后的膳食纤维体积vi，按式(3)计算膨胀力.

　　124溶解度的测定根据文献[17]修改如下：分别称取4种DF样品200mg于离心管中，加入5mL纯水，在不同温度下(20，40，60，80，100℃搅拌30min.4000xg离心20min.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

　　125粒径的测定分别称取4种DF样品10g.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Dw表示，每个样品重复3次.

　　125傅里叶变换红外光谱分析精确称取干燥的4种DF样品1000mg于玛瑙研钵中，加入100mg干燥的KBr品体，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4000-4000amt中红外区扫描，得到傅里叶变换红外光谱曲线.

　　127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120s，置于ISM

　　6490LV型扫描电子显微镜下观察，加速电压20kV，观察各样品颗粒的形貌。

　　128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5000mg，置于固体铝坩塌当中密封，空白固体，城作为参照，测试温度范围为25~360℃，升温速率为10℃/min.载气为氮气，流速为50nL/min，观察样品和参比物之间的热流差随温度的变化.

　　13数据统计分析

　　试验重复3次，结果表示为平均数士标准差，采用SPSSStaitics190分析软件进行统计分析，使用单因素方差分析(ANOVA)，采用Drran's多重比较检验法进行显著性分析(PCOD5);采用Orign90进行数据绘图。

　　2结果与分析

　　21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，魔嘴豆DF的持水力、持油力最高，分别为245，197g/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[3]，在营养方面，可以增强吸收或结合胆汁酸及其排泄的能力[01]，Aktar等[2])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(037±025)，(346±031)g/g，麦麸膳食纤维的膨胀力为(3.18±006)mL/g，显著高于葡萄DF和大豆DF，而魔嘴豆膳食纤维溶解性较高，不具有膨胀性。王崇队等[2]研究了不同来源膳食纤维品质分析，发现麦获膳食纤维膨胀力为20nL/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([2]

　　22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[21]，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0032，

　　0028.0028，0011g/ml，当温度为20-60℃时魔嘴豆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054.

　　0037，0036，0023g/mi.朱风霞]通过测定米糠膳食纤维的理化性质，得到米榛DF在20，100℃的溶解度分别为0014，0026g/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[25].

　　23.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。魔嘴豆DF的粒径为256，m.

　　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京水基团暴露较多，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[

　　24傅里叶变换红外光谱分析结果

　　红外光谱法是研究多糖类化合物结构的重要方法，利用红外光谱法能得到多糖类化合物分子的结构.由图3可以看出，不同来源样品几个主要的多糖特征吸收峰无明显变化，主要的几个多糖特征吸收蜂与张艳莉等[3]的研究结果相一致.3400cmi'附近的宽峰是由于分子间与分子内氢键的形成而引起0-H的伸缩振动.

　　鹰嘴豆DF在此处的吸收峰比其他几种更强，内部缔合状态的氢键更多;而大豆DF在此处的吸收峰较小，可能是因为提取方法导致纤维素分子之间的氢键断裂[a].

　　2930cm'附近的峰是多糖亚甲基的C-H伸缩振动的吸收峰.1630cm-附近的蜂是多糖分子中擬基的吸收峰，由C-0的伸缩振动产生的，说明样品中存在糖醛酸。1200~1420am-范围内的峰是多糖的特征吸收峰，是由C-H的变角振动产生的.在1154cmi'处的吸收蜂是醚键c-0-C的不对称伸缩振动引起的，在1030cmr1存在吸收峰，可能是由两种C-0伸缩振动引起的，分别为C-0-H和糖环C-0-C，或者由醇的c-0伸缩振动引起。900cmi'附近的吸收峰是吡喃糖C-H变角振动的特征吸收峰[2]

　　25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。魔嘴豆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，带有裙皱，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，麦裁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.

　　26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().

　　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始值(AH)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1]

　　从图5可以看出，根据起始温度(To)、最终温度(T，)和峰值(T，)判断这几种不同的膳食纤维具有不同的特征参数，通过蜂面积的大小确定焓值(AH)，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，从谱图上得到魔嘴豆DF的变性温度为20754℃，始值为4253J/g，麦获DF、大豆DF、葡萄DF的变性温度分别为20374，2092516518℃;t值分别为11850，7589，5173J/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的吸收蜂峰形与其他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.

　　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，结果发现魔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、烘培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，救径小，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。

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