膳食纤维的测定原理和方法

综述与专谂副舌膳食纤维的测定原理和方法康琪朱若华(首都师范大学化学系北京100037)摘要本文介绍膳食纤堆的定义、不同类型扣结构特点，综述有代表性的膳食纤维测定方法，并对这些测定方法的特点和适用范围作讨论。关键词膳食纤维测定方法可溶性膳食纤维不溶性膳食纤维膳食纤维(DF)作为第七大营养索具有突出的保健功能，有研究表明DF可以促进人体正常排泄‘¨；降低某些癌症‘21、心血剖3’和糖尿病‘4’发病率。许多常见病如动脉粥样硬化、高血压、冠心病、便秘、肥胖以及严重威胁人类生命的结肠癌等都与DF的摄人量不足有关。因而DF逐渐成为营养学家、流行病学家及食品科学家等关注的热点，有科学家将其称为人体“第七营养素”。国内陈燕卉瞪’归纳DF生理功能及其在食品中的开发与应用。另一方面，DF的过量摄取会对人体产生某些不利影响，例如：使热量摄取不足忙1；降低矿物质和痕量元素的生物利用率¨1。世界卫生组织建议总DF摄入量下限为每人每天27．09，上限为每人每天40．og。因此有必要建立统一的检测方法和。使食品标签上DF含量标示更准确。周建勇¨1于2001年对DF的测定方法及现状进行综述；魏红归’等在2004年综述DF的应用及检测方法；李英¨鲫等用正交实验的方法研究松花粉中水不溶性膳食纤维的测定条件。本文主要从DF分析方法沿革角度对DF的不同类型和结构以及不同的测定方法进行综述。1膳食纤维的定义及分类1．1膳食纤维的定义DF是一种复杂的混合物的总称，具有多种生理功能，主要以生理功能和分析方法为主来定义的。1972年，H．C．Trowell首次将“膳食纤维”定义为“食物中那些不被人体所消化吸收的植物成分”。在1976年又重新下定义，即“将那些不被人体消化吸收的多糖类碳水化台物与木质素统称为膳食纤维”‘】】J。近年来国外对DF进行广泛研究¨副，但目前国际上对DF还没有一个通用的定义，一般认为DF是指植物性食品中不能被人类胃肠道消化酶消化，但能被大肠内的某些微生物部分酵解和利用的非淀粉多糖类物质与木质素的合称。2001年¨副美国化学家协会对DF的最新定义为：DF是指能抗人体小肠消化吸收，而在人体大肠能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。DF具有缓泻，和(或)降低血胆固醇水平，和(或)降低血液中葡萄糖含量等生理功能。DF包括很多不被人体小肠消化的物质，如纤维素、半纤维素、树胶、p-葡聚糖、胶质、木质素、葡聚糖、果寡糖、抗性淀粉和糊精。1．2膳食纤维的分类DF按溶解性可分为可溶性膳食纤维(SDF)和不溶性膳食纤维(IDF)两大类。SDF指可溶于水，且其水溶液能被4倍95％乙醇再沉淀的那部分纤维，主要是细胞壁内的储存物质和分泌物，另外还包括微生物多糖和合成多糖。IDF是指不溶于水的那部分纤维，主要是细胞壁的组成部分，包括纤维素、半纤维素、木质素、壳聚糖等。功能性低聚糖¨43和抗性淀粉¨副(RS)也普遍认为属于DF。2膳食纤维的结构来源不同的DF其化学本质差异较大，但基本组成成分则较相似u61，相互间的主要区别表现在各组成成分的相对分子量、分子的糖苷键、聚合度以及支链结构方面的差异。2．1不溶性膳食纤维的结构和性质纤维素(Cellulose)IDF的基本结构是纤维素，纤维素是由p．葡萄糖通过口-(14)糖苷键相连而成的直链葡聚糖，分子量100万左右，由300—500个葡萄糖缩合而成，最多能达到10000个葡萄糖单体。纤维素不溶于冷水、热水、稀酸和热的稀碱溶液。人体内的淀粉酶只能水解q一(1_4)糖苷键，1万方数据现代仪器(WWW．moderninstrs．org．ca)不能水解B一(1_4)键，因此纤维素不能被人体胃肠道的酶所消化。纤维素的结构(见图1)。图1纤维素的结构(13-D1，4一糖苷键)抗性淀粉(Rs)Rs是指在健康者小肠中不能被吸收的淀粉及其降解产物，主要存在于整粒和回生的高淀粉类食物中，可被结肠菌群分解为乙酸、丙酸和丁酸等短链脂肪酸(SCFA)及其降解产物，对人体健康有益。Rs分子结构较小，长度为20～25个葡萄糖残基，是以氢键连接的多分散线性聚糖。RS之所以能抵抗酶的水解，是由于聚糖的葡萄糖残基链之间存在较强的氢键，该氢键在155～1600C时具有dOJ／g的焓；或是由于这种聚糖具有13型晶体结构¨71。甲壳质(Chitin)又叫甲壳素、壳多糖，化学名为(1，4)-2一乙酰氨基-2一脱氧一B．D．葡聚糖，是以p一1，4．糖苷键相连的线性生物高分子，分子量几十万至几百万，是自然界中唯一存在的碱性多糖。甲壳素存在于低等植物菌类、藻类的细胞，高等植物的细胞壁，以及节肢动物(虾、蟹)的甲壳，昆虫的外壳等。甲壳素与纤维素都是线形直链，但甲壳素C2上有一个乙酰胺基(CH，CONH一)。甲壳素脱去乙酰基便得到壳聚糖，三者结构比较(见图2)。图2纤维素、甲壳素和壳聚糖的结构X=OH为纤维素；x=CH3CONH为甲壳素；x=NH2为壳聚糖2．2可溶性膳食纤维的结构和性质果胶(pectin)许多蔬菜、水果含有果胶，其化学组成与半乳糖醛酸相似。果胶分子主链上的糖基是半乳醛酸，侧链上是半乳糖和阿拉伯糖。它可在热溶液中溶解，在酸性溶液中遇热形成胶态，并具有与离子结合的能力。p一葡聚糖(p—gluca．)p一葡聚糖以p—l，3一键结构为主体，且有一些B．1，6一键的侧枝，分子结构螺旋形(见图3)。，．垂每2图33-葡聚糖的结构聚葡萄糖(Polydextrose)聚葡萄糖是由葡萄糖和少量山梨醇、柠檬酸经高温熔融，随机缩聚而成的多糖，平均聚合度约为12，平均分子量为2000。聚葡萄糖含有的糖苷键种类多，以1，6一糖苷键为主，分子结构比较复杂(见图4)。图4聚葡萄糖的结构(R=氢／葡萄糖／山梨醇／柠檬酸)木质素(Lignin)木质素不是多糖物质，而是苯基类丙烷的聚合物，具有复杂的三维结构。由于木质素存在于细胞壁中难以与纤维素分离，所以在膳食纤维的组成分中包括木质素。木质素的三种结构单体(见图5)。OHoHOH松柏醇芥子醇对羟基肉桂醇图5木质素的三种结构单体角质(Cutin)细胞壁表面类似蜡的长链脂肪酸。3膳食纤维的测定方法及研究进展DF的不同测定方法因其测定原理不同结果差异较大。自20世纪60年代初以来，分析化学家们建立起大量的检测方法。具有代表性的几种方法为洗涤法、酶一重量法和酶．化学法。3。1洗涤法(非酶重量法)非酶重量法包括粗纤维(CF)法、酸性洗涤剂纤维(ADF)法和中性洗涤剂纤维(NDF)法。CF方法检测到木质素和纤维素；ADF法检测到木质素、纤维素和酸不溶性半纤维素；NDF方法检测到木质素、纤维素和中性洗涤剂不溶性半纤维素。万方数据综述与专诒粗纤维的测定目前仍在某些国家在动物饲料工现自动化，能处理大量样品，在很多国家作为膳食纤业中应用，但由于不能测定所有可溶性多糖以及某维的分析方法。些不溶性多糖和木质素，而使其应用受到限制。Lee陋3等提出用MES—TRIS代替最初的磷酸缓VanSoest¨副于1963年提出的ADF法用强酸水解除冲体系，成为AOAC991．43。由u和Cardozo四’于去纤维素和木质素以外的所有多糖，由于该法不包1994年提出的AOAC993．21是分析含有少量或不括其它细胞壁多糖，在人类营养学方面的应用受到含有淀粉的蔬菜和水果的简单方法。Mongeau和限制。VanSoest和Wine【l"于1967年提出NDFBra。ssardⅢ’采用修饰的NDF法测定IDF和新的方法，包括细胞壁的所有不溶物质，该法比CF法能更法分析SDF，成为AOAC992．16。好的表示动物饲料中DF的营养值。3．3酶一化学方法3．2酶一重量法酶一化学法首先对食物样品进行酶消解和分离，重量法较简单，主要测定TDF、SDF和IDF。分离出的DF用酸水解，使纤维分解为葡萄糖、糖醛Williams和OlmstedⅢ’于1935年采纳酶法测定不能酸等单糖，这些物质再用不同的化学方法检测。用消化的物质，使研究更接近人类的生理过程。GLC和HPLC只能检测出水解得到的糖类；糖醛酸Prosky【2”等人提出TDF的测定方法，并被美国分析用比色或脱羧的方法可以检测到；木质素用Klason化学家协会(AOAC)采纳作为官方分析方法AOAC术质素法检测到。化学法受仪器没备制约，分析成985．29(见表1)。这种方法相对简甲易行，已经实本比较高。表1测定膳食纤维的AOAC方法方法AOAe985．29AOA0991_42AOA(j991．43AOA(!)92．16AOA0992．28AOAC993．19AOAC993．21AOAC994．13AOAC995．16AOAC997．08AOA(j999．03AOAC2[)【)o，】lAOAC2t)【】l_02方法类型检测物质酶-重量法(磷酸缓冲体系)总膳食纤维酶一重量法不溶性膳食纤维醇重剁}(】l旺s。IRB缓冲体系)不落性、可溶性和总的膳食纤维酶一重量法不溶性、可溶性和总的膳食纤维酶法一分光光度法查豪营嚣嚣吼1。，1叫’酶一重量法可溶性膳食纤维无酶-重量法(淀粉含量≤2％)总膳食纤维酶一气相色谱一比色一重量法中性多聚糖、糖醛酸、Klason木质(Uppsala法)素作为总膳食纤维酶法大麦、燕麦中B—D一葡聚糖酶法一HPAEC果聚糖酶法一分光光度法果粢糖酶一HPAEC葡聚糖HPAEC—PAD反式低聚糖AOAG2001．03酶重量法，HPLC对总膳食纤维的检测直接测定TDF不适合用独立的方法检测；SDF、TDF之和SDF、TDF之和不适用不适用纤维残留量减去淀粉和蛋白质含量中性多聚糖残留物、糖醛酸残留物、Klason木质素之和不适用不适用不适用不适用不适用爨誓篓分子量抗性麦芽糖糊精IDF，高分子量和低分子量SDF25和TDF在内的⋯“1“。2”””“。2皇旦竖呈Q丝：堕壁迭．．量壁蕉塑塑塑蔓堑堡丕通旦一3，3．1酶一比色法McCanee和Lawrencel[驯最早于1929年建立“不可获得碳水化合物”的分析法，用强酸水解，然后用比色法测定降解糖和戊糖。SouthgateⅢ’于1969年对他们的方法进行改进，采用一系列的提取步骤，水解多糖并用比色法测定单糖成分。E．glyst和Hudson旧¨提出改进的比色法测定单糖成分。在未知糖类组成的DF时，酶一比色法是所有DF定量分析方法中最不准确的。但由于酶一比色法快速、简单和廉价，在分析已知糖类组成的DF方面还是很有用的。3．3．2酶一色谱法尽管酶一比色法提供有芰单糖(已糖、戊糖和糖醛酸)的大量信息，Southgate汹】认为比色法不能区分单独存在的单糖，建议使用GC和HPLC。Englyst[293等对Southgate的方法加以修饰，用GC法测定NSP。Englyst和CummingsⅢo用二甲基亚砜去除非淀粉糖类中的RS。Shinnick¨u等用HPLC测定来源于纤维的单糖．木质素用Klason木质素法测定；SDF部分通过分子截流量为12000—14000道尔顿的滤膜通过渗析得到的。Theml-der【32’等用80％的乙醇沉淀SDF成分，使过程简化。Englystm3等以及Qui91ey和Englyst嘲3使用Dionex公司的CarbopacPA一1和CarbopacPA一100建立检测中性糖和糖醛酸的HPLC的方法测定。3万方数据现代仪器(WWW．moderninstrs．org．ca)4膳食纤维的AOAC官方分析方法和其他分析方法很多分析方法最终被美国分析化学家协会认可，成为AOAC标准法。同时，各国研究人员不断研究，提出DF新的研究方法。4．1AOAC法AOAC985．29是最早的美国分析化学家协会的官方分析DF法，此后，随着研究的进展，AOAC采纳各国科学家的研究成果，针对TDF、IDF、SDF、RS、葡聚糖、果聚糖等建立官方分析方法(见表1)。4．2其他分析膳食纤维的方法近年来，随着DF研究发展，不断有新的方法运用到其研究中。其中近红外光谱技术(NIRS)由于其分析样品具有方便、快速、高效、准确、无污染、成本低、不破坏样品、不消耗化学试剂和一次可以测定多种成分等特点，在DF分析中得到应用。T．H．Blosser【3纠等6个工作组最早在1988年对94个草料样品的ADF进行分析；S．E．Kays(舭38·39’和wR．Windhamt柏3等运用NIRS在DF分析中做一系列工作。ArchibaldDD等H¨、FontR[421、BlakeneyAB[433和孔祥礼‘“3等分别建立样品中TDF、ADF、NSP和ADL含量的NIRS测定方法。5结语DF的AOAC分析方法包括酶一重量法、酶一分光光度法、酶一HPLC、酶一GC、酶一HPAEC等。可见，HPLC、GC、HPAEC和NIRS等现代仪器分析手段已经运用到膳食纤维的分析中。DF从提出至今，在定义和测定方法等各个方面已经取得很大的进展，这与科学家对其不断深入研究和现代分析仪器的迅速发展是密切相关的。随着人们对健康饮食的更加关注，DF将扮演越来越重要的角色，因而对DF含量的测定将仍是分析化学家需要解决的问题。在营养学家、疾病控制学家和化学家的不断努力下，随着现代仪器的进一步发展和应用范围的扩大，DF将出现更完善的测定方法，食品标签上的DF含量表示将更加准确。l24参考文献RomaE．AdamidisD，NikolaraR，ConstantopouhsA，MeasaritakisJ．Dietandchronicconstipationinchildren：theroleoffiber[J]．PediatrGastroenterolNutr，1999，28：169WilliamsCL，BollellaM，W)rIlderE．Anewrecommenda-tionfordietaryfiberinchildhood[J]．Pediatrics，1995，96：9853ApplebyPN，ThorogoodM，MannJI，KeyTJA．TheOxfordVegetarianstudy：alloverview[J]．AmJClinNutr，1999，70(suppl)：5254AndersonJW．Dietaryfiberanddiabetes：whatelsedoweneedtoknow[J]．DiahetResClinPratt，1992，17：715陈燕卉，陈敏，张绍英等．膳食纤维在食品加工中的应用与研究进展[J]，食品科学，2004，25：251—2556HamakerBR．RiveraK．MoralesE．GrahamGG．E仃ect0fdietaryfiberonfecalcompositioninpreschoolPeruvianehil．drenconsumingmaize，amaranth，orcassavafluids(J]．PediatrGastrocnterolNutr，1991，13：597BosscherD．VanCaillie．BertrandM，VanDyekK，eta1．Thickeninginfantformulawithdigestibleandindigestiblecarbohydrate：availabilityofcalcium，iron。andzincinvitro[J]．PediatrGas慨ntemlNutr，2000，30：3738周建勇．膳食纤维测定方法的历史及现状(1969-1999)[J]，中国粮油学报，2001，16(3)：10—149魏红，徐宏伟，钟红舰等．膳食纤维的应用及检测方法[J]，海峡预防医学杂志，2004，10(2)：25—2710李英，陈伟，衣秀娟．松花粉中水不溶性膳食纤维的测定条件研究[J]，食品科学，2004，25(11)：263—2641l郑建仙．功能性食品(第一卷)[M]，北京：中国轻工业出版社，199912PanelontheDefinitionofDietaryFiber．StandingCommit．teeontheScientificEvaluationofDietaryReferenceIn．takes．FoodandNutritionBoard．NationalAcademiesPress．200l13ReportoftheDietaryFiberDeftnitionCommitteetotheBoardofDirectorsoftheAmericanAssociationOfCerealChemists．SubmittedJanuary10，2001．Cerealfoodsworld．，2001，46(3)：11214郑建仙．功能性低聚糖析论[J)，食品与发酵工业，1997，23(1)：4216171822～EnglystHN．Classificationandmeasurementofnutritionallyimportantstarchfractions[J]．EurJclinNutr，1986，6：33～38郑建仙．功能性食品，北京：中国轻工业出版社，1995Shukla豫[J]．FoodTechnol，1995，40(11)：882VanSoestPJ。Useofdetergentsintheanalysisoffibrousfeeds．II．Arapidmethodfortlledeterminationoffibetandlignin(J]．JAssocOffA鲥cChem，1963，46：829—835VanSoestP．WineRH．Useofdetergentsintheanalysisoffibrousfeeds．Ⅳ．Determinationofplantcellwallconstitu-ents[J]．JAssocOffAgrieChem，1967，50：50～55WilliamsRD．OlmstedWH．Abiochemicalmethodforde-terminingindigestibleresidue(crudefiber)infeces：Lig-nin，cellulose，non-water-solublehemicelluloses[J]．JBielChem．1935．108：653～666ProskyL，AspN-G，FurdaI，DeVriesJW，SchweizerTF，HarlandBF．Determinationoftotaldietaryfiberinfoodsandfoodproducts：Collaborativestudy(J]．JAssocOffAnalChem。1985，68：677—679LeeSC，ProskyL，DeVriesJW．Determinationoftotal．万方数据综述与专谕soluble．andinsol曲ledleqaryfibetinfoods—Enymatic-gravlmetricmethod，MES-TR／SblL伍ertCollaborafivestudy[J]．JAOACIntl992，75：395—41623“BW．C皿rdogoMs．Determinationoftotaldietaryfiberinfoodsandproductswithlittleol-nostarch，nonertryrnatie—gravimetricmethod：Collaborativestudy(J】．JAOACInt，1994，77：687～68924MongeauR．BrassardREnzymatic—gravimetricdetermina-tioninfoods0fdietaryfibernssunlofinsolubleandsolublefiber慨。哪：Summary缸eollaberativestudy【J]．JAOACInt．1993．76：923—92525McCaneeRA，LawrenceRD．1heCarbohydrateContentofFoods．London：HMSO．192926SouthgateDA卫Determinationofcarbohydratesinfoods．ILUnavailablecarbohydrates[J]．JSOiFoodA鲥c，1969．20：331—33527EnglystHN．HudsonGJ．Colorimettie／lietlIodforroutinemeasurementofdietaryfiberagnon-starchpolysaccha-rides．Acomparisonwithgas-liquidchromatography【J]．FoodChem，1987，24：63～7628SouthsateDAtIn：JamesWPT，TheanderO，ed昱．UseoftheSouthgatemethodforunavailableearbobydratesinthe瑚嘲uH翔瑚tofdietaryf龇In：JamesWPT，Theander0．1kAnalyBjBofDietaryFiberinFood．NewYork：Mar-celDekker．198l：l—1929EnglystH，Wi画lagHS，CummingsJ}LDeterminationofthenon·-stttrchpoly＆aceharidesinplantfoodsbygas-liquidchromatographyofconstituentsugars曲alditolaectates(J】．Analyst．1982，107：307-31830EnglystHN．CummingsJ}LSimplifiedmethodforthemefl自uremenloftotalnon-starehpolysaccharidesbygas-liquidchromatographyofconstituentsugars船alditotace--rates[J]．Analyst，1984，109：937～94231SllinIlickFL，LongacreMJ，InkSL，MarlettJ丸Oatfiber：Compositionversljl8physiologicalfunctioninrats[J]．JNutr，1988，118：144—15132TheanderO．AI嘲P。WesterlundE，GrahamHEnzy．matie／ehemiealanalysisofdietaryfiber[J]．JAOACIntl994．77：703—70933EnglystHN，QuigleyME，HudsonGJ．Determinationofdiaarrfiberasnon-·starchpolysaccharideewithgas--liquidchromatographic，hi曲一performanceliquidchromatographicorspectrophotometricmeasurement0fconstituentsugars[J]．Analyst，1994，119(7)：1497～150934QuigleyME．EnglystHN．DeterminationoftheLllrOllicacidconstituentsofnoil-starchpolysaccharidesbyhigh—perform-舡,-'lCeliquidctu'omatographywithpulsedaraperometricde-tecfion[J]．Analyst，1994，119(7)：1511—151835T_HBlosser，D．HClark，S．W．Coleman，J．L[}Iadger$on．G．C．Marten，J．sShenk，M，O．Wested-a118[J)．JAssoeOffAnalChenl．．1988，71(6)：116236SondraEKays，William1LWindham．FranklinE．Bar-ton．ItPredictionofTotaIDietaryFiberinCerealProductsUsingNear-InfraredReflectanceSpectroscopy[J]．J|姆tic．FoodChem．．．1996．44(8)：2266—2”l37SandraEFLays，FranklinEBarton。II．WilliamILWindham．andDaridSHimmelsbach．PredictionofTotalDietaryFiberbyNear-IrffraredReflectanceSpectr糖coI翠inCerealProductsContainingHigllSugarandCrystallineSngar[J]．J．Agic．FoodChem．，1997，45(10)：3944—395138SandraE．Kays．WtRWindharn．andFranklinE．Bar-ton，Ⅱ．PredictionofTotalDietaryFibetWNear-InfraredReflectanceSpectroscopyinHi-Fat-andHigh—Sugar-ContainingCereal[J]．J．A鲥c．FoodChem．，1998，46(3)：854—86139SandraEKays．Barton．IrE，RNear-InfraredAnalysisofSolubleandhsolubleDietaryFiberFractionsofCerealFoodProducts[J]，JAgrieFoodChem，2002，50(10)：3024—302940WiUiamILWindham．SandraILKays．andFranklinE．Barton．II+EffectofCerealProdnctResidualMoistltlreCon-tentonTotalDietaryFiberDeterminedbyNear．InfraredReflectanceSpectrosce眄[J]．JtAgtic．FoodChem．，1997，45(1)：1加一1444-1ArchibaldDD．KaysSE，Determination0fTotalDietaryFi．betofIntactCerealFoodProduct5bvNear．InfraredRenec—t卸oe[J]．JA鲥cFoodChem，2000，48(10)：4477—448642FontR．delRioM，FernandezJM，deHaroA．Acidde-tergantfiberanalysisinoilseedBrassicashnear-infraredspectroscopy[J】．J删cFoodChem，2003，51(10)：2917～凹12243BlakeneyAB，FlinnPC．Determinationofnon·starchpoly-saeeharidesincerealgraimwithnear-infraredreflectancespectroscopy[J]．MolNutrFoodRes，2005。49(6)：546～55044KongXtXieJ，WuX，eta1．Rapidpredictionofacidde-tergentfiber，neutraldetergentfiber，andaciddetergentligninofricematexialsbynear-kffraredspectroscopy[J)．JAgricFoodChem，2005，53(8)：2843～2848ThemethodsandprinciplesofdietaryfiberanalysisKangQiZhuRuohua(DepartmentofChemistry，CapitalNormalUniversity，Beijing100037)AbstractThedefinition，type8andcharacteristicsofstructuresofdietaryfiberayeintroducedinthereview．Thedevelopmentandapplicationoftypicalanalyticalmethodsofdietaryfiberarealsodiscussed．KeywordsDietaryfiberAnalysismethodSolubledietaryfiberInsolubledietaryfiber5万方数据