膳食纤维的生理功能与改性

膳食纤维的生理功能与改性 食品科技 FOODSClENCE&TECHNOLOGY 膳食纤维的生理功能与改性 谭惠子万婕2 (1南昌大学生命科学学院江西南昌330031 2南昌大学食品科学与技术国家重点实验室江西南昌330047) 摘要:作为”第七营养素”的膳食纤维,对维持人体健康起着至关重要 的作用.本文对膳食纤维的分类,物化性 质,生理功能以及其改性研究的现状等进行了综述. 关键词:膳食纤维;生理功能;改性. PhysiologicalFunctionandModificationofDietaryFiber TanHuiZiWanJie (1CollegeofLifeScience,NanchangUniversity,Nanchang330031 2Statekeylaboratoryoffoodscienceandtechnology,NanchangUniversity,Nanchang330047) Abstract:Dietaryfiber,astheSeventhNutrients,playsanimportantroleinkeepinghumanhealthy.Inthis article,theclassification,physicalandchemicalproperties,physiologicalfun ctionandmodificationofthedietary fiberaredescribed. Keywords:dietaryfiber;physiologicalfunction;modification. 1引言 近年来,随着生活水平的提高,人们饮食日趋精细, 营养过剩和营养失调造成的糖尿病,心血管疾病,肥胖 症,肠道癌,便秘等所谓的富贵病越来越普遍,严重威胁 人体健康.具有调节人体机能,防止疾病和促进健康的功 能性食品备受关注.根据2001年美国化学家协会的定 义,膳食纤维(dietaryfiber,DF)是指能抗人体小肠消化吸 收而能在大肠部分或全部发酵的可食用的植物性成分, 碳水化合物及其相类似物质的总和,包括多糖,寡糖,木 质素以及相关的植物物质.具有顺肠通便,调节控制血糖 浓度,降血脂等多种生理功能『l】.现代医学和营养学研究 表明,膳食纤维与其它六大营养素(即蛋白质,脂肪,水, 矿物质,维生素,碳水化合物)一样是人类饮食不可缺少 的营养成分之一,称为”第七大营养素”.膳食纤维食品将 是21世纪的主流食品之一. 2膳食纤维的分类 膳食纤维的分类多种多样按其来源,可分为谷物类 纤维,豆类纤维,水果纤维,蔬菜纤维,生化合成或转化类 纤维.其中谷物类纤维主要包括小麦纤维,燕麦纤维,玉 米纤维和米糠纤维等,能显着降低血液中胆固醇含量,从 而降低心脏病和中风的发病率;豆类纤维中常用的有大 豆纤维,豌豆纤维以及瓜儿豆胶和刺槐豆胶等;水果纤维 一 般都用于高纤维果汁,果冻以及其他果味饮料中,有果 渣纤维,果皮纤维,全果纤维和果胶等;蔬菜纤维中常用 的是甜菜纤维,胡萝卜纤维,竹笋纤维,茭白纤维以及各 种各样的蔬菜粉等;生化合成或转化类纤维是膳食纤维 产品中最受欢迎和应用最为广泛的品种之一,主要包括 改性纤维素,抗性糊精,水解瓜尔胶,微晶纤维素和聚葡 萄糖等;其他类纤维主要指真菌类纤维,海洋类纤维以及 一 些黏质和树胶等. 按其在水中的溶解性特性,又可分为水溶性膳食纤 维(solubledietaryfiber,SDF)和水不溶性膳食纤维(in. solubledietaryfiber,IDF)两大类:SDF是指不被人体消 化道酶消化,但可溶于温,热水且其水溶液又能被4倍体 积的乙醇再沉淀的那部分DF,包括果胶等亲水性物质和 部分半纤维素,其主要功能是减少血液中的胆固醇水平, 调节血糖水平,从而降低心脏病的危险,改善糖尿病;IDF 是指不被人体消化道酶消化且不溶于热水的那部分DF, 包括纤维素,木质素和部分半纤维素,其主要功能是膨 胀,可以调节肠的功能,防止便秘,保持大肠健康. 3膳食纤维的物化特性 3.1高持水力和膨胀力 膳食纤维具有很高的持水性和膨胀性,它可增加人 体的排便体积与速度.膳食纤维的持水力和膨胀力是衡 量其保健功能的一个重要指标.膳食纤维的持水力,和膨 胀力受其来源,提取工艺,颗粒破碎程度等因素的影响. 黄才欢等的研究表明,水果纤维在水中的溶胀能力好于 大豆纤维和小麦纤维,其持水力大小依次为水果纤维,大 食品科技 FOODSCiENCE&TECHNC)tOGY 豆纤维和小麦纤维.lg大豆纤维粉在20cc水中可自由 膨胀至7mL,而且这种膨胀能保持24h不变,而麸皮纤维 的膨胀力为4mL,即大豆纤维可结合700%的水,而麸皮 纤维能结合400%的水【3l.洪杰等在研究湿法超微粉碎对 大豆膳食纤维物性的影响过程中发现,大豆膳食纤维的 持水力和膨胀力随粒度减小呈先增大后减小的趋势变 化. 3.2对阳离子有结合和交换能力 膳食纤维化学结构中包含了一些羧基和羟基类侧链 基因,具有较强的离子交换能力,对各种矿物质元素和电 解质产生吸附作用,特别是对重金属元素有很强的吸附 力.膳食纤维可与铜,铅等重金属离子进行交换,缓解金 属中毒.所以,果胶,树胶等可作为重金属的解毒剂.膳食 纤维能与肠道中的K,Na进行交换,促使尿液和粪便中 大量排除钠,钾,从而降低血液中的K,Na,产生降压作 用.也有研究表明,膳食纤维的离子交换作用会降低某些 矿物质元素和维生素的有效性.例如果胶可能降低铁元 素的生物活性和维生素C在尿中的排泄量,但对钙,镁, 铜和维生素A的影响较小旧.膳食纤维不是单纯结合而减 少机体对离子的吸收,而是改变离子的瞬问浓度,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. 3_3对有机化合物有吸附螯合作用 膳食纤维表面带有很多活性基因,可以螯合吸附胆 固醇和胆酸钠之类有机分子,从而抑制人体对它们的吸 收,这是膳食纤维能够影响体内胆固醇物质代谢的重要 原因.研究表明,不同种类的膳食纤维对胆固醇的吸附能 力存在显着差异,其大小顺序是:水果纤维>复合膳食纤 维>大豆纤维>小麦纤维.体系的酸碱性对膳食纤维吸附 胆固醇的能力亦有较大影响,在中性条件下(模拟小肠的 pH环境)各种膳食纤维对胆固醇的吸附能力均高于酸性 条件下(模拟胃的酸性条件)的吸附能力[61.研究表明膳食 纤维对胆酸盐具有一定的吸附能力,胆酸盐的起始浓度 对膳食纤维的吸附作用有较大影响,高浓度下各种膳食 纤维对胆酸钠的吸附能力均高于低浓度下的吸附能力. 膳食纤维对胆酸盐的吸附可能存在一种动态平衡,当体 系的浓度很高时,其表现较高的吸附能力;而当体系的浓 度相对较低时,其吸附能力亦较低,从而维持食物中脂肪 的正常代谢,保证机体的正常生理活动. 3.4吸收NO2. 膳食纤维对NO一的吸附效果与pH值有关.它对 NO的吸附主要集中在胃部,酸性环境下吸附较好.膳食 纤维组成十分复杂,含有多种混合多糖,其中多糖可以与 危品工)品工哇奎 阿魏酸,香豆酸等酚酸通过酰化作用组成复合物.酚类物 质中的阿魏酸(占总酚含量75%,90%)是在酸性条件下 唯一能与NO反应的酚酸.酚酸在胃部酸性条件下,可与 NO一发生反应而阻断致癌物N一硝基化合物.但进入小肠 pH达中性后,由于升高pH后,含羧基化合物(糖醛酸,阿 魏酸等)上的羧基解离,增大了膳食纤维表面的负电荷密 度,从而排斥NO-f吏之释放出来而发生了解析. 潘英明同等的研究发现,花生麸水不溶性膳食纤维对 亚硝酸根离子有较强的吸附能力,其最大吸附浓度高达 31.21~mol/g.不同的膳食纤维其组成成分和分子结构有 所不同,尤其是水溶性与水不溶性膳食纤维的含量对吸 附影响较大.体外模拟实验表明,多数海藻膳食纤维的吸 附量(率)高于麦麸,这是因为海藻类膳食纤维的可溶性 膳食纤维含量较高,在溶液中呈胶溶状态,占有较大的比 表面积,因此具有较强的物理吸附优势.体内排除实验显 示,多数海藻膳食纤维对NO一清除效果都略低于麦麸纤 维,这是可能是因为NO随水溶性膳食纤维在大肠中分 解而释放造成的『8】. 3.5良好的乳化性,悬浮性和增稠性 普通胶体物质溶于水时,增稠是从表面湿润开始,因 此当大量胶体放入水中时,分散性不好,容易产生成团, 结块,并需要搅拌才能完全溶解.经过功能强化改性过的 纤维,由于具有较大的中空网状进入纤维内部,使纤维迅 速膨胀增稠而溶于水.不需要搅拌,易分散,不成团,稠而 不粘,是价廉物美的增稠保水剂,并且其粘度不受酸,碱, 盐的影响.由此,膳食纤维缚水之后的体积更大,对肠道 产生容积作用,易引起饱腹感.同时,由于膳食纤维的存 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,膳食纤维对预防肥胖症有益处. 4膳食纤维的生理功能 与某些分离的纤维组分有关的生理学反应包括改善 血糖生成反应,降低血脂及胆固醇水平,改善大肠功能及 降低营养素利用率和抗氧化作用[91等.膳食纤维在调节这 些生理学反应时,主要是通过其物理性状影响胃肠道功 能及影响营养素的吸收速率和吸收部位. 4.1膳食纤维可降低结肠癌的发病率 结肠癌可能是由于某种刺激物或毒物如亚硝胺及 酚,氨等作用而引起的.这些有毒物在结肠内停留过长, 就会对肠壁发生毒害作用.膳食纤维防治结肠癌机理一 般认为有以下几点:?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膳 食纤维产生短链脂肪酸,这类脂肪酸特别是醋酸能抑制 腐生菌的生长.?减少次生胆汁酸的产生,胆汁中的胆酸 食品科技 FOODSClENCE&TECHNOLOGY 和鹅胆酸可被细菌代谢为次生胆汁酸——石胆酸和脱氧 胆酸,这两者都是致癌剂和致突变剂.膳食纤维束缚胆酸 和次生胆汁酸,将其排出体外.因此可大大降低结肠中次 生胆汁酸的含量.?减少致癌物与结肠的接触机会.膳食 纤维能促进肠道蠕动,增加粪便体积,缩短排空时间.? 产生丁酸抑制肿瘤细胞的生长繁殖,诱导肿瘤细胞向正 常细胞转化,并控制致癌基因的表达.其中水溶性膳食纤 维在肠道内呈溶液状态,有较好的持水力,能促进肠道双 歧杆菌,乳酸杆菌等有益菌的产生,同时还会产生大量短 链脂肪酸,如乙酸,醋酸,叶酸和乳酸,改变肠道的pH值, 改善有益菌群的繁殖环境,促进胃肠蠕动.而水不溶性膳 食纤维具有较强的吸水力和溶胀性,且不易被消化道的 酶消化或肠道内微生物酵解,可以形成较多的固体食物残 渣,促进肠道蠕动,从而改善胃肠功能.KiyoshiEbiharat 等研究显示同时含有水溶性和水不溶性膳食纤维的复合 物较单一种类的膳食纤维或水溶性膳食纤维在改善肠道 功能方面更能体现其益处. 4.2膳食纤维具有降低血脂,胆固醇的作用 高脂肪和高胆固醇是引发心血管疾病的主要原因. 肝脏中的胆固醇经过代谢后变成胆酸,胆酸到达小肠以 消化脂肪,随后胆酸被小肠吸收回肝脏转变成胆固醇.实 验研究表明,膳食纤维降低血脂,胆固醇的机理可能为: ?可溶性膳食纤维在小肠形成粘性溶液或带有功能基团 的黏膜层,黏膜层的厚度与完整性是甘油三酯和胆固醇 在小肠吸收速度的一种限制性屏障;?另一方面膳食纤 维可通过形成凝胶吸附胆酸,造成胆酸减少,使机体利用 胆固醇合成胆酸,达到增加胆固醇的去路,降低血清胆固 醇的目的…]. 与其他膳食纤维相比,果胶对高血脂者降低血脂和 血胆固醇的作用最明显,果胶是水溶性,粘性和胶凝性都 很好的膳食纤维,它可增加小肠物的粘度,直接阻碍 膳食胆固醇想肠壁黏膜细胞的扩散,以及胆汁与胆固醇 的乳化作用,较大程度地干扰了膳食胆固醇的吸收,降低 了胆固醇的吸收率.同时,果胶也能有效地抑制胆汁酸在 肠道内重吸收,促进粪便胆汁酸的排泄,阻断胆固醇肠肝 循环,因而促使更多的肝脏胆固醇向胆汁酸转化,最终降 低了血胆固醇水平. 4-3膳食纤维的降血糖功能 糖尿病是一种由遗传因素决定的全身慢性代谢性疾 病,由于体内胰岛素相对或绝对不足引起碳水化合物,脂 肪和蛋白质代谢紊乱,其特点是高血糖及糖尿.1976年 Kiehm等首次报道膳食纤维对糖尿病病人糖代谢的作 用,他们发现病人使用高碳水化合物+高膳食纤维时,血 糖得到明显改善,一些病人的胰岛素使用剂量明显减少, 甚至完全不使用胰岛素.欧仕益口21等认为膳食纤维的降低 血糖机理可能是:?增加肠液黏度,阻碍葡萄糖的吸收; ?束缚葡萄糖,降低肠液葡萄糖的有效浓度;?影响n一淀 粉酶对淀粉的降解作用,延长酶解时间,降低肠液中葡萄 糖的释放速度;?改善末梢组织对胰岛素的感受性,降低 机体对胰岛素的要求,从而降低糖尿病人的血糖水平.研 究表明,其中SDF的作用较大,它可延缓胃排空,在胃肠 中形成一种黏膜使食物营养素的消化吸收过程减慢;IDF 能吸附葡萄糖从而减慢人体对葡萄糖的吸收速度,进餐 后人体血糖值不会急剧上升,并且降低了人体对胰岛素 的需求,有利于改善糖尿病病情. 因此经常食用含膳食纤维丰富的食物,其空腹血糖 水平和口吸取葡萄糖耐量曲线都低于少使用者.糖尿病 患者服用水溶性纤维,可以观察到患者餐后血糖上升幅 度有所降低.当采用杂粮,麦麸,豆类,蔬菜和水果等作为 膳食时,糖尿病患者的尿糖量和需要胰岛素的剂量均可 减少”31. 5膳食纤维的改性 膳食纤维具有降血糖,降血脂,减少体内胆固醇含 量,降低癌症发病率等生理功效.增加膳食中纤维类物质 的摄入可减少”富贵病”的发病率.不仅膳食中膳食纤维 的数量重要,膳食纤维的质量更为重要,具有显着生理活 性的高品质膳食纤维,才可有效保护人体免受上述疾病 的侵害.天然的膳食纤维中水溶性纤维比例低,口感较粗 燥,某些特性(如水化性,流变性)尚存在缺陷,质量不高, 同时也限制了其在食品,医药等领域的应用,不能满足现 代食品开发与加工的需要.对天然纤维进行改性是其研 究的热点.目前膳食纤维的改性方法主要有化学处理法, 物理机械降解法,生物改性等三类. 5.1物理改性 物理改性通常是采用挤压蒸煮,超微粉碎,高压膨化 等机械降解处理手段使纤维物理发生破碎,膨化从而达 到改变其理化性质的目的.M.Wennbergt等利用高压处 理对白卷心菜中提取的膳食纤维进行物理改性.S.N. Raghavendraf51等考察了碾磨处理对椰渣膳食纤维水化能 力的影响,发现碾磨后的膳食纤维较未经处理的膳食纤 维其亲水能力显着增加.陈存社【】61等对比了挤压蒸煮技 术,酸碱处理及蒸煮,焙烤等对苹果膳食纤维中可溶性纤 维含量的影响,发现挤压蒸煮处理较其它几种方法而言 可使原料中可溶性纤维的含量得到最大的提高. 5.2化学改性 化学改性法是使用酸碱等化学试剂处理,部分改变 食晶科技 FOODSClENCE&TECHN0L,0GY 膳食纤维的结构,使其具有较优良的性质和较强的功能. 如E.Margareta[等研究了在蒸煮过程中加入不同浓度的 NaCL和CaC1对膳食纤维性质的影响.化学处理法常存 在转化率低,反应时间长,反应条件苛刻及中和试剂过程 中引人大量离子造成残留,在食品中应用困难等不利因 素. 5.3生物改性方法 生物改性通常包括酶法改性和发酵改性.如李兆辉Il等 人采用3步酶解法,提高了膳食纤维的可溶性.涂宗财[191等 利用微生物发酵与动态超高压均质处理对大豆膳食纤维 经行改性,其研究表明发酵处理后使得后续的超高压处 理更容易,所得膳食纤维中可溶性成分从原料的15%提 高到37%.目前生物改性方法使用的酶制剂价格较贵,在 生产过程中对环境控制的要求较高,在一定程度上限制 了该技术的使用.但该方法生产过程便捷,反应条件温 和,产品活性高,质量好,具有很好的应用前景. 6结语 在食品生产中适量加入膳食纤维可以改善食品的风 味与质构,同时其独特的生理功能,使之成为功能性食品 中重要的功效成分,是维持人体健康必不可少的营养素. 膳食纤维摄人量的不足会导致多种疾病的发生,但也并 非多多益善,对正处在生长发育阶段的青少年,如过多摄 取膳食纤维,易把人体所必须的糖分,脂肪,微量元素(如 钙,磷,镁,锌,铁,铜等)等营养物质带出体外,而造成营 养不良,而且当水溶性膳食纤维摄人增加时,粪内脂肪与 氮排出增加,由于脂肪的排泄增多,从而引起脂溶性维生 素摄人不足,所以对膳食纤维应适量摄人.对总膳食纤维 的摄人量各国规定也有所不同,世界粮农组织建议正常 人群为27g/d. 总之,对膳食纤维进行各种改性处理,增强其生理功 能,开发出高品质的纤维产品.在促进经济发展的同时, 减少相关疾病的发生,保证人民身体健康具有良好的社 会效益和经济效益. 参考文献: f1]刘成梅,李资玲,梁瑞红等.膳食纤维的生理功能 与应用现状lJ】.食品研究与开发2006,(01):122—125. 【2】黄才欢,欧仕益,张宁等.膳食纤维吸附脂肪胆固 醇和胆酸盐的研究lJI.食品科技2006,(02):28—3J. 【3】张绪霞,陈卫梅,董海洲,许丽娜,侯汉学.大豆膳 食纤维的营养功能特性及开发前景lJ].中国食物与营养. 2007,(02):49-51. f4]洪杰,张绍英.湿法超微粉碎对大豆膳食纤维微粒结 构及物性的影响.中国农业大学2005,10(3):90—94 店品工盛,)品工业 【51刘静.膳食纤维的生理功能及其在食品工业中的 应用lJ].内蒙古科技与经济2007,(05):54—55. 【61陈亚非,赵谋明.水溶性与水不溶性膳食纤维对油 脂胆固醇和胆酸钠吸附作用研究fJ1.现代食品科技.2005, (03):58—60. 【71潘英明,李海云,王刚等.花生麸水不溶性膳食纤 维的提取及其吸附亚硝酸根离子的研究fJ1.化工技术与开 发2005,34(4):8-9 【8]李来好,杨贤庆,戚勃.4种海藻膳食纤维对NO一 吸附作用的研究lJ1.中国海洋药物杂志.2006,(01):28—31. 【9]ElenaLecumberrieta1.Dietaryfibercomposition, antioxidantcapacityandphysico-chemicalpropertiesof afiber—richproductfromcocoa(TheobromacacaoL.)fJ]. 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