《不同來源膳食纖維的結構和理化性質分析》論文發表期刊：《食品與機械》；發表周期：2020年12期

《不同來源膳食纖維的結構和理化性質分析》論文作者信息：栗俊廣，男，鄭州輕工業大學副教授，博士。

　　摘要：以鷹嘴豆膳食纖維(detaryfber.DF)、葡萄DF、大豆DF和麥麩DF為試驗原料，研究了4種不同來源DF的理化特性(持水力、持油力、膨脹力、粒徑、溶解度、熱特性)之間的差異，并用傅里葉變換紅外光譜、掃描電鏡表征其結構變化。結果表明：鷹嘴豆DF的持水力、持油力最高，分別為245，197g/g;麥麩DF的膨脹力最好，為

　　3.18mlL/g：4種膳食纖維的溶解度與溫度呈正比，其中鷹嘴豆DF的溶解度最高;傅里葉變換紅外光譜分析發現，4種DF的紅外吸收光譜基本相同，均含有C-HO-H，C=0.c-0-C鍵;熱特性分析結果表明丘類DF有更高的變性溫度，而麥麩DF的熱穩定性最好。掃描電鏡結果顯示鷹嘴豆DF額粒表面帶有無規則褶皺，褶皺存在使DF表面積增大，從而表現出更高的持水力和持油力。綜上，鷹嘴豆DF可以作為良好的保水保油劑，應用于肉制品、乳制品等食品加工，提升產品品質。

　　關鍵詞：膳食纖維;理化特性;傅里葉變換紅外光譜;熱穩定性

　　膳食纖維是指不能被人體消化酶消化的碳水化合物，也被稱“第七營養素”。食用膳食纖維對人體健康有多種益處，例如控制餐后血糖反應、降低血脂和膽固醇、有助于腸道運輸等[1-2]。膳食纖維分為可溶性膳食纖維(SDF)和不溶性膳食纖維(IDF)。SDF主要包含樹膠、粘膠和果膠等，IDF主要包含纖維素、半纖維素和木質素等[3-4]。Galisteo等[5]報道了IDF具有較高的保水性和水脹能力，食用可提高飽腹感，增加糞便排泄量;SDF可以調節和改善腸道菌群，并防止糖尿病和其他心血管疾病。另外，在飲食中添加膳食纖維(DF不僅可減少冠心病的得病幾率，還能減輕長期大量伏酒對胰臟的傷害G-句.

　　適量攝入膳食纖維對人體健康有積極作用，這些積極作用主要與DF的理化性質密切相關0-w)，DF的結構中含有較多的親水性基團，如羥基等，因此具有較高的持水力和膨脹力[1]，被攝入人體后，可以加快排便速度，使體內毒物迅速排出體外，DF表面有疏水基團，結構為孔狀結構，可以通過疏水作用和毛細吸附作用吸附油類香氣成分等有機物質，并賦予食品一定的香氣和風味[)DF的溶解性、黏性對其生理功能有重要影響，可延緩和降低葡萄糖、膽汁酸和膽固醇等物質的吸收[]，由于DF具有一定的持水性和持油性，可以作為食品功能性添加成分：例如，具有高持油性的DF可以穩定高脂肪食品和乳液，具有高持水性的膳食纖維可用作營養增強劑和天然添加劑，改變食品的風味與質構"]，但是高膳食纖維類食品的開發和利用在中國仍然比較缺乏，在食品行業中有巨大的發展空間.

　　不同來源的膳食纖維，其理化特性、結構均有所差異，而農產品加工的各種廢料廢渣是膳食纖維的良好來源，如豆渣、米糠、麥麩及其他各種蔬菜果皮渣等。大豆和鷹嘴豆是世界上栽培面積較大的食用豆類作物，產量分別居于第一和第二，鷹嘴豆是一種高營養價值食用豆，能有效控制血糖、降低膽固醇等;每年大豆、麥麩產量豐富，合理加工利用，能提高其附加值;葡萄皮渣中富含膳食纖維，是一種優質的膳食纖維資源，研究擬選用鷹嘴豆DF、葡萄DF、大豆DF和麥麩DF為原料，從4種膳食纖維的理化特性和結構進行比較，為DF的開發及利用提供參考依據.

　　1材料與方法

　　11材料與儀器

　　111材料與試劑

　　鷹嘴豆DF，葡萄DF、大豆DF和麥獲DF：西安優碩生物科技有限公司;非轉基因大豆油：鄭州市丹尼斯超市;溴化鉀(KBr)：分析純，國藥集團化學試劑有限公司.

　　112主要儀器設備

　　分析天平：AB265-S型，梅特勒一托利多儀器(上海)有限公司;高速冷凍離心機：AvantiJ26sXPI型，美國Beknan公司;激光粒度儀：LS13320/ULM2型，美國貝克曼庫爾特公司傅里葉變換紅外光譜儀：Vertex70型，美國Bruker光學公司;

　　差示量熱掃描儀：DSCQ20型，美國TA儀器有限公司.

　　12試驗方法

　　121持水力的測定根據文獻[15]修改如下：分別稱取4種DF樣品1000g加入30mlL，蒸餾水震蕩均勻，在室溫下放置18h，4000xg離心20min，倒掉上清液，稱樣品重量(濕重)，在105℃下干燥2h.記錄樣品干重.

　　按式(1)計算持水力.

　　CwH=(m2-m)/m，

　　(1)式中：

　　CwH--持水力g/grm-樣品干重gme--品濕重g

　　122持油力的測定根據文獻[16]修改如下：分別稱取4種DF樣品1000g于干燥離心管中，加入20mlL植物油震蕩均勻，在室溫下靜置18h.4000×g離心20min.倒掉上清液至離心管內壁無油跡，稱重，按式(2)計算持水油力.

　　CoH=(m2-m)/mo.

　　(2)式中：CoH-持油力，g/g：m2--樣品和離心管的重量gm-干燥離心管的重量gm--品的重量g.

　　123膨脹力的測定根據文獻[15]的方法：分別稱取4種DF樣品1000g于干燥的10mlL量簡中，記錄此時刻度Vo，加入8nL蒸餾水，混合均勻后室溫靜置18h.

　　記錄膨脹后的膳食纖維體積vi，按式(3)計算膨脹力.

　　124溶解度的測定根據文獻[17]修改如下：分別稱取4種DF樣品200mg于離心管中，加入5mL純水，在不同溫度下(20，40，60，80，100℃攪拌30min.4000xg離心20min.將上清液倒入已知質量的離心管中，在105℃烘箱中干燥至恒重后稱質量，溶解度以加入每毫升純水攪拌后離心所得上清液中固形物的質量表示，以溫度為橫坐標，溶解度為縱坐標作圖。按式(4)計算DF溶解度

　　125粒徑的測定分別稱取4種DF樣品10g.加入蒸餾水配置成一定濃度的溶液，采用LS13320/ULM2激光粒度儀分析DF的粒徑，結果用中位徑Dw表示，每個樣品重復3次.

　　125傅里葉變換紅外光譜分析精確稱取干燥的4種DF樣品1000mg于瑪瑙研缽中，加入100mg干燥的KBr品體，輕輕研磨混勻，用壓片機壓片，制成一定直徑和厚度的透明片，用紅外分光光度計于4000-4000amt中紅外區掃描，得到傅里葉變換紅外光譜曲線.

　　127掃描電子顯微鏡分析樣品干燥后過100目篩，將樣品平鋪在貼好導電膠的樣品臺上，用洗耳球吹去沒有在導電膠固定的粉末，噴金處理120s，置于ISM

　　6490LV型掃描電子顯微鏡下觀察，加速電壓20kV，觀察各樣品顆粒的形貌。

　　128熱特性分析根據文獻[18]修改如下：采用Q20差示掃描量熱儀(DSC)進行測定，精確稱取4種DF樣品5000mg，置于固體鋁坩塌當中密封，空白固體，城作為參照，測試溫度范圍為25~360℃，升溫速率為10℃/min.載氣為氮氣，流速為50nL/min，觀察樣品和參比物之間的熱流差隨溫度的變化.

　　13數據統計分析

　　試驗重復3次，結果表示為平均數士標準差，采用SPSSStaitics190分析軟件進行統計分析，使用單因素方差分析(ANOVA)，采用Drran's多重比較檢驗法進行顯著性分析(PCOD5);采用Orign90進行數據繪圖。

　　2結果與分析

　　21膳食纖維理化特性分析結果

　　對膳食纖維進行理化指標測定，結果顯示不同來源的DF理化性質有顯著差異，測定結果見表1，魔嘴豆DF的持水力、持油力最高，分別為245，197g/g.DF的高持水力可以加快排便速度，促進人體消化;而DF保留油脂的能力在食品應用中可能很重要，例如，在烹飪方面可以防止脂肪流失[3]，在營養方面，可以增強吸收或結合膽汁酸及其排泄的能力[01]，Aktar等[2])研究了鷹嘴豆殼多糖的物理化學、功能、結構等性質，發現其持水力、持油力分別為(037±025)，(346±031)g/g，麥麩膳食纖維的膨脹力為(3.18±006)mL/g，顯著高于葡萄DF和大豆DF，而魔嘴豆膳食纖維溶解性較高，不具有膨脹性。王崇隊等[2]研究了不同來源膳食纖維品質分析，發現麥獲膳食纖維膨脹力為20nL/g左右.DF的持水力、持油力和膨脹力的差異可能與粒徑、孔隙率、電荷密度、比表面積和空間結構有關([2]

　　22溶解性分析結果

　　溶解性是評價膳食纖維的重要指標之一，其溶解性基本取決于樣品的分子組成和結構[21]，不同來源的膳食纖維其溶解性有一定的差異，試驗測定了在不同溫度下的溶解度，結果如圖1所示，由圖1可知，不同來源的DF溶解度隨溫度的升高而增加。當溫度為20℃時，鷹嘴豆DF、葡萄DF、麥麩DF和大豆DF的溶解度分別為0032，

　　0028.0028，0011g/ml，當溫度為20-60℃時魔嘴豆DF和大豆DF的溶解度升高趨勢相對緩慢，在60~

　　100℃范圍內溶解度升高趨勢相對增加;而葡萄DF、麥麩DF升高趨勢與之相反，當溫度為100℃時，鷹嘴豆DF、麥麩DF，葡萄DF和大豆DF的溶解度分別為054.

　　0037，0036，0023g/mi.朱風霞]通過測定米糠膳食纖維的理化性質，得到米榛DF在20，100℃的溶解度分別為0014，0026g/mL.隨著溫度的升高，溶解度趨勢與葡萄DF、麥麩DF相一致，溶解度隨溫度升高而增加的原因可能是熱作用力破壞了纖維素多糖分子側鏈間的氫鍵和離子鍵，造成部分分子鏈斷裂，使分子質量降低，溶解度提高[25].

　　23.粒徑分析結果采用LS13320/ULM2激光粒度儀測定膳食纖維的粒徑，以中位徑D50為試驗指標。由表2和圖2可知，不同來源的DF粒徑大小及分布有顯著性差異，可能與物質本身和提取方法有關。魔嘴豆DF的粒徑為256，m.

　　顯著低于其他3種DF，但粒徑分布峰形較寬，麥麩DF與大豆DF的粒徑分布情況基本一致，粒徑的大小會影響DF的理化特性和功能特性，粒徑減小、DF京水基團暴露較多，比表面積增大，使持水力、膨脹力均表現出增加的趨勢，但若粒徑進一步減小，則DF孔洞坍塌，網狀結構被破壞，導致DF的持水力、膨脹力降低[

　　24傅里葉變換紅外光譜分析結果

　　紅外光譜法是研究多糖類化合物結構的重要方法，利用紅外光譜法能得到多糖類化合物分子的結構.由圖3可以看出，不同來源樣品幾個主要的多糖特征吸收峰無明顯變化，主要的幾個多糖特征吸收蜂與張艷莉等[3]的研究結果相一致.3400cmi'附近的寬峰是由于分子間與分子內氫鍵的形成而引起0-H的伸縮振動.

　　鷹嘴豆DF在此處的吸收峰比其他幾種更強，內部締合狀態的氫鍵更多;而大豆DF在此處的吸收峰較小，可能是因為提取方法導致纖維素分子之間的氫鍵斷裂[a].

　　2930cm'附近的峰是多糖亞甲基的C-H伸縮振動的吸收峰.1630cm-附近的蜂是多糖分子中擬基的吸收峰，由C-0的伸縮振動產生的，說明樣品中存在糖醛酸。1200~1420am-范圍內的峰是多糖的特征吸收峰，是由C-H的變角振動產生的.在1154cmi'處的吸收蜂是醚鍵c-0-C的不對稱伸縮振動引起的，在1030cmr1存在吸收峰，可能是由兩種C-0伸縮振動引起的，分別為C-0-H和糖環C-0-C，或者由醇的c-0伸縮振動引起。900cmi'附近的吸收峰是吡喃糖C-H變角振動的特征吸收峰[2]

　　25掃描電子顯微鏡分析結果

　　如圖4所示，通過掃描電鏡觀察4種不同來源膳食纖維放大500倍的微觀形貌圖，發現不同來源的DF具有不同的形態結構。魔嘴豆DF和葡萄DF多為形狀不規則塊狀結構，顆粒不均一，且顆粒表面凹凸不平整，帶有裙皺，褶皺是無規則的，鷹嘴豆DF顆粒表面凹凸程度比葡萄DF的大，大豆DF顆粒呈一定的片狀、層狀結構顆粒表面的褶皺是無規則的，呈蜂窩狀小孔，除纖維外還間雜少許顆粒物，麥裁DF顆粒聚集成一團，結構疏松不規則形狀，由于褶皺和蜂窩狀小孔的存在使膳食纖維表面積更大，從而表現出更高的持水力和持油力.

　　26熱特性分析結果

　　差式掃描量熱儀(DSC)根據物質熱變性過程的溫度和能量的變化來研究物質結構穩定性和構象的變化().

　　DSC常常用來測蛋白的變形、淀粉的糊化和老化等研究，主要是基于溫度變化產生的熱效應，主要研究物質在吸熱或放熱變化過程中溫度和始值(AH)等，其能夠使聚合物質從有序的結晶或部分有序的半結晶狀態轉變為完全無序的無定形狀態，克服分子間力需要吸收的能量或者破壞在交界區域氫鍵所需的能量1]

　　從圖5可以看出，根據起始溫度(To)、最終溫度(T，)和峰值(T，)判斷這幾種不同的膳食纖維具有不同的特征參數，通過蜂面積的大小確定焓值(AH)，焓值越大，表示這種物質的熱穩定性越好.A譜圖顯示的是鷹嘴豆DF的DSC曲線，只有一個吸收峰，峰值表示了變性溫度，從譜圖上得到魔嘴豆DF的變性溫度為20754℃，始值為4253J/g，麥獲DF、大豆DF、葡萄DF的變性溫度分別為20374，2092516518℃;t值分別為11850，7589，5173J/g峰值的差異可能與DF的氫鍵數量與類型有關，峰值越高，說明DF內的氫鍵數量更多，需要更多的能量來破壞DF中的晶體結構，鷹嘴豆DF、麥麩DF和大豆DF的峰值差異并沒有顯著性差異，而C譜圖上DSC的吸收蜂峰形與其他DF峰形差異很大，可能是由葡萄DF的內部氫鍵數量較少和氫鍵種類的差異造成的.

　　3結論

　　不同來源的膳食纖維在性質上有顯著差別.通過對4種膳食纖維理化性質進行比較，結果發現魔嘴豆膳食纖維有較好的持水性、持油性、溶解度和粒徑，這些良好的特性使鷹嘴豆膳食纖維可以添加到肉制品、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，有較好的溶解度，可以添加到酸奶中改善產品風味和質地，救徑小，表面積增加，添加到面包中，通過羥基與水的作用提高面包吸水性，使之松軟可口，不易干硬。通過掃描電鏡觀察發現不同來源的膳食纖維具有不同的形態結構，而微觀結構密切影響其性質，若膳食纖維存在褶皺或蜂窩狀小孔，這就使膳食纖維表面積增大，從而表現出更高的持水力和持油力。雖然膳食纖維的添加能更好地改善食品的風味、質地和營養價值，但其理化特性和功能特性對食品的質地和營養價值有何影響還有待進一步的研究。

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