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              瓜爾豆膠產品中心 / Product Center

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              配制型膳食纖維素溶膠結構及傳質特性的研究

              發布日期:2014-11-30 09:43:07
              配制型膳食纖維素溶膠結構及傳質特性的研究介紹
              配制型膳食纖維素溶膠結構及傳質特性的研究
              配制型膳食纖維素溶膠結構及傳質特性的研究,本文針對現有膳食纖維素產品功能特性欠完備和改性工藝復雜的問題,選用在結構上具有互 補性的大豆不可溶性膳食纖維素、瓜爾豆膠‘、果膠進行復配,制備兼具SDF和IDF生理功能的 復合膳食纖維素。
              研究中采用SEM對SIDF(90%)與瓜爾豆膠、果膠復合溶膠的立體結構進行了觀察分析,并 在此基礎上,參照膳食纖維素發揮生理功能的人體環境,模擬小腸內營養物質的消化、吸收過程, 進行了體外營養物質(葡萄糖、Vc、O的質傳遞實驗,以考核復合膳食纖維素溶膠的傳質特性 —和質傳遞規律。研究結果表明:
              1.復合溶膠體系具有固、膠、液三相混和的三維網狀結構,在表面張力、黏度等物性指標的改 善上具有明顯的協同增效作用。其中,SIDF(90%)與瓜爾豆膠復合溶膠的黏度指標較3種單 —成分的算術和高出5. 8倍,SIDF(90%)與果膠復合溶膠的黏度指標較3種單一成分的算術 和高出2. 7倍。
              2.在SIDF(90%)與瓜爾豆膠復合溶膠體系中葡萄糖的傳遞受到了有效抑制,進入穩定傳質過程 后的12〇111111內,葡萄糖的透過平均速率僅為葡萄糖溶液的40%~50%,而\^、^的透過速 率基本不受影響。
              3.復合溶膠體系黏度較高,對流、錯位困難,質的擴散需要克服溶膠較髙的內摩擦阻力,使 質擴散速率下降;溶膠黏度和表面張力較大,能在介質表面形成液膜,增大了介質表面非攪 動層的厚度和濃差極化現象,使透過速率下降;SDF膠團的分枝結構對介質膜孔的堵塞和“污 染”,降低了介質的通透量;SDF、IDF膠團的吸附、包埋作用,束縛了質的運動;上述幾種 形式協同作用,使葡萄糖擴散、透過速率顯著降低。而對于小分子物質(如Vc、K*),由于 混合體系中液相的存在,透過速率基本不受影響•這一傳質規律既可120 min內消減葡萄糖 透過峰值,同時又不影響維生素和礦物質等營養物質的吸收,在臨床應用和保健食品開發中 具有重要價值。
              第一章.緒論
              1.1膳食纖維素概述
              膳食纖維(Dietary Fiber DF)是不能被人類的胃腸道中消化酶所消化的,且不被人體吸收 利用的多糖。這類多糖主要來自植物細胞壁的復合碳水化合物,也可稱之為非淀粉多糖,即非a- 葡聚糖的多糖。一些不可利用的低聚糖(抗性低聚糖),也包括在膳食纖維的成份之中。膳食纖 維的主要成份,包括纖維素、半纖維素、果膠及親水膠體物質如樹膠及海藻多糖等組分,另外還 包括植物細胞壁中所含有的木質素。
              對膳食纖維的研究開展較早,但先前的資料主要關注這種食物成份對其他營養素吸收的不利 影響以及粗纖維對消化系統的損傷。近年來有關膳食纖維的研究才轉移到它有益于人體健康的保 健功能上,并不斷對它的作用機理和用途進一步的探討和研究。
              1970年前營養學認為“粗纖維”是對人體不起營養作用的一種非營養成份,營養學家認為 粗纖維會影響人體對食物中營養素的吸收,尤其是對微量元素的吸收不利。然而通過近20多年 來的調査和研究,發現并認識到這種"非營養素"與人體健康密切相關,它在預防人體的某些疾病 方面起著重要的作用,同時也認識到這種“非營養素”的概念已不適用,改稱為“膳食纖維”。
              由于膳食纖維不是單一物質而是許多復雜有機物質的混合物,所以膳食纖維除包含不為人體 消化酶所消化的多糖外,近年來又將一些非細胞壁的化合物,如一些也不被人體消化酶所分解的 物質如抗性淀粉(resistant starch)及抗性低聚糖,美拉得反應(Millard reaction)的產物以及來 源于動物的不被消化酶所消化的物質如氨基多糖(也稱甲殼素)等也列入到膳食纖維的組成成份 之中。這類物質在人類的膳食中含量雖少,但仍具有一定的生理活性。[1~<]
              膳食纖維根據其組份的不同分可分為:
              1.總膳食纖維(TDF):包括所有的組份在內如非淀粉多糖、木質素、抗性淀粉(包括回生淀 粉和改性淀粉)以及美拉德反應產物等。
              2.可溶性膳食纖維(SDF):包括果膠等親水膠體物質和部分半纖維素。
              3.不可溶性膳食纖維(IDF):包括纖維素、木質素和部分半纖維素。
              4.非淀粉多糖:食物樣品中除去淀粉后,殘澄用酸水解成中性糖,然后用氣相色譜(GLC)或 高效液相色譜(HPLC)定量檢測其總和,即為非淀粉多糖,或用酶解方法檢測,包括纖維 素、半纖維素、果膠及可溶性非纖維素多糖。
              1.2膳食纖維的物化特性:
              +很高的持水力:膳食纖維化學結構中含有很多親水基團,因此具有很強的持水性,變化范圍 大致在自身重量的1. 5?2. 5倍之間。
              今對陽離子有結合和交換能力:膳食纖維化學結構中包含一些羧基和羥基類側鏈基團,有類似 于弱酸性陽離子交換樹脂的作用,可與陽離子,特別是有機陽離子進行可逆交換,它不是通 過單純結合而減少機體對離子的吸收,而是改變離子的瞬間濃度,從而對消化道的pH值、
              滲透區以及氧化還原電位產生影響,呈現出一種更緩沖的環境以利用消化吸收。
              今對有機化合物的吸附螯合作用:睹食纖維表面帶有很多活性基因,可以螯合吸附膽固醇和膽 汁酸之類有機分子,從而抑制人體對它們的吸收,這是膳食纖維能夠影響體內膽固醇物質代 謝的重要原因。同時,膳食纖維還可以吸附腸道內的有毒物質、化學藥品和有毒醫藥品等,
              并促進它們排出體外。
              々具有類似填充劑的容積作用:膳食纖維的體積較大,縛水之后的體積更大,對腸道產生容積 作用,易引起飽腹感。同時,由于膳食纖維的存在,影響了機體對食物其他成分的消化吸收, 人也不易產生饑餓感。
              今可改變腸道系統中的微生物群系組成:腸系統中流動的腸液和寄生菌群對食物蠕動和消化有 重要的作用,腸道內膳食纖維含量多時會誘導出大量好氣菌群來代替原來存在的厭氣菌群, 這些好氣菌很少產生致癌物,厭氣菌能產生較多的致癌性毒物,這些毒物能快速地隨膳食纖 維排出體外[“51。
              1.3膳食纖維的生理功能:
              1.預防心腦血管疾病的功效
              肝臟中的膽固醇會轉變成膽酸,到達小腸后能幫助消化脂肪,然后膽酸會回到肝臟再轉變成 膽固醇。由于水溶性膳食纖維在小腸中能形成膠狀物質將膽酸包圍,膽酸便不能通過小腸腸壁被 吸收再回到肝臟,而是通過消化道被排出體外。于是,當腸內食物再進行消化需要膽酸時,肝臟 只能靠吸收血中的膽固醇來補充消耗的膽酸,從而降低了血中的膽固醇,令冠心病和中風的發病 率也隨之降低。
              2.預防糖尿病的功效m
              水溶性膳食纖維能在胃腸中形成一種粘膜,阻隔了食物營養素與小腸壁的直接接觸,使整個 消化道中消化吸收過程減慢,從而降低血糖水平•膳食纖維可降低胃排空速率,研究表明,減緩 胃排空速率,可減輕血糖生成反應和減緩營養素吸收的能力。有的報道還將降糖機理解釋為增加 膳食纖維的含量,可以改善末梢組織對胰島素的感應性,降低對胰島素的要求,從而達到降血糖 的作用。
              3.預防腸癌的功效
              膳食纖維對防治癌癥的作用主要表現在兩個方面:
              1)水不溶性纖維素吸水后稀釋了大腸中致癌物質,并使腸道中的食物膨脹變軟,促進腸道 蠕動和加速排便,減少了致癌物質在腸道內的停留時間,有效預防大腸癌。
              2)腸中的膽酸可能致癌,但水溶性纖維可以令膽酸不被小腸腸壁吸收而通過消化道被排出 體外,因此膳食纖維可預防大腸癌的發病率。
              4.防治便秘的功效
              膳食纖維影響大腸功能的作用包括:縮短通過時間、增加糞便量及排便次數,稀釋大腸內容 物以及為正常存在于大腸內的菌群提供可發酵的底物。
              1)影響糞便排出量。一種原因是獎便排出量受膳食纖維酵解程度的影響較大,其機理可能 是膳食纖維的容水量,但也不盡然•另一重要因素是膳食纖維使細菌量以及細菌的含水量增加。
              2)對結腸運動和轉移時間的影響,由于膳食纖維有緩瀉作用,起到了促進腸蠕動和減少了 腸內容物通過腸道的時間,因此可縮短排便間隔時間。
              5.輔助減肥的功效
              1)膳食纖維影響食物攝入量
              ①吃高纖維的食物要花較長的時間。
              ②纖維可減少食物能量密度。
              ③某些纖維如瓜爾豆膠和果膠可減慢胃排空時間。
              ④可能減少了食物的消化率。
              ⑤高纖維膳食的能量可能在糞便中損失的較多。
              ⑥纖維可能影響了胃腸中的某些激素,是激素的作用影響了食物的攝入量。
              2)膳食纖維有控制體重的作用
              大多數富含纖維的食物,如谷物、全麥面、豆類、水果和蔬菜中只含有少量的脂肪。在控制 能量攝入,攝食富含纖維的膳食會起到減肥的作用。
              6.影響維生素和礦物質的吸收
              純的膳食纖維可能降低某些維生素和礦物質的吸收率。這是因為在小腸內纖維素將這些營養 素結合了。但是這種現象未發現在食用了富含膳食纖維食物的人群中,例如這些人食用了蔬菜, 未發生維生素或礦物元素缺乏的現象。用純的膳食纖維研究鈣的吸收表明,膳食纖維可以降低鈣 的吸收率,但是當這些被膳食纖維結合的鈣進入到結腸時,由于纖維被細菌酵解為短鏈脂肪酸, 此酵解產物又在結腸和回腸中促進了鈣的吸收。
              體外實驗結果表明,各種膳食纖維均能抑制胰酶的活性,因而在一定程度上影響了碳水化合 物、蛋白質和脂肪的吸收,因其作用機理是影響了營養素的水解,因此推測膳食纖維的存在也會 降低維生素的吸收率,但總的看來膳食纖維對維生素的吸收影響很小。有些實驗表明天然食物如 谷類、水果中的纖維有抑制鈣、鐵、鋅和銅等元素的吸收,但這可能是食物中所含植酸干擾了吸 收作用,而純的纖維素、果膠和樹膠的實驗結果表明不影響礦物質的吸收[1~3’8]。
              1.4國內外研究現狀
              近20年來,膳食纖維的提取和利用研究達到了高潮,這主要歸因于對膳食纖維生理活性和 功能特性的不斷認識。膳食纖維的研究工作目前處于相當活躍的狀態,是食品科學家研究的熱點。
              1.4.1國外對膳食纖維的研究現狀
              國外對于膳食纖維的研究主要集中在:
              1)基礎理論研究,如對定義的完善,分析方法的改進;
              2)膳食纖維在臨床治療上的應用及每日膳食攝入量研究••
              3)功能產品的開發;
              1.4.1.1有關膳食纖維的基礎理論研究
              1972?1976年間,Trowell等建立了大量膳食纖維與健康相關的假說,被稱為“膳食纖維假 說”。瞎食纖維這一術語用來描述那些不能被人體內源消化酶作用的植物成分,包括纖維素、半 纖維素及木質素以及與之相關的少量組成成分如:蠟質、角質、軟木脂,這些物質都是可食用的。
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              其他具有纖維成分的食物還有芹菜及其他蔬菜、可食用的水果皮及谷物麩皮。
              至1976年止,膳食纖維的定義已被拓寬到包括所有的不可消化的多糖(主要為植物性糖類), 如膠質、改性纖維素、粘膠、寡糖以及果膠,這基本保留了生理學的定義,即基于其可食性及抗 消化性。
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              1999年,學術界就膳食纖維定義的統一問題討論異?;钴S,并舉行了一系列的會議及專題討 論:1999年6月2?3日AACC和國際生命科學會(ILSI)共同成立了關于膳食纖維定義的工作委 員會;1999年7月26日IFT(thelnstituteofFoodTechnologists)年會在芝加哥就膳食纖維的定義舉 行了專門的論壇;1999年11月2日在84th AACC年會上舉行專門會議對膳食纖維的定義進行了 討論。
              目前,膳食纖維被定義為“凡是不能被人體內源酶消化吸收的可食用植物細胞、多糖、木質 素以及相關物質的總和”。這一定義包括了食品中的大量組成成分如纖維素、半纖維素、木質素、 膠質、改性纖維素、粘質、寡糖、果膠以及少量組成成分如蠟質、角質、軟木質。
              70年代后期,Prosky幵始致力于在學術界將膳食纖維定義統一化的工作。同時為了營養改良 及食品標簽來定量膳食纖維的目的,開始從事于符合膳食纖維定義的分析方法的統一工作,并聽 取了世界范圍內100多位科學家的意見。1981年在加拿大渥太華進行的美國職業分析化學家學會 (A0AC)春季工作會議上,按照Trowell等在1976年提出的定義,就膳食纖維的定量方法達成了 共識。其中Asp、Furda和Schweizer等提出的測定方法被認為是較好的研究方法,在Prosky的 倡導下,這些研究者(包括Devries和Harland)建立了一種.適合國際間合作研究的簡單方法,約有 29個國家的43個實驗室參與了這項研究。
              目前膳食纖維的測定方法分為兩大類,重量法和化學法。重量法較簡單,是通過提取去除非 纖維成分,將纖維多糖用80%乙醇沉淀,殘瘡稱重即為總膳食纖維的含量?;瘜W法是首先將樣本 經酶法去除淀粉,多糖經80%乙醇沉淀后得到總的DF以供分析,它可以分可溶和不可溶兩部分, 總DF或SDF和IDF經酸解后來分析其特定的纖維組分。酶-重量法于20世紀80年代在國外發 展起來,現已成為A0AC認可的分析方法,現已被美國、日本、瑞典及北歐許多國家廣泛采用&
              近年來,隨著新的膳食纖維組成成分的不斷提出,如菊粉(Imilin),低聚果糖(Oligofructose), 抗性淀粉(RS),葡聚糖(Polydextrose)等,已不能用當前的方法測出,測定方法仍需改進。
              可見,膳食纖維的組成復雜,目前尚缺乏公認的科學定義,食物中膳食纖維的定量方法難以 統一,致使膳食纖維的研究存在一定的標準化問題。
              1.4.1.2膳食纖維生理功能的研究
              國外對于膳食纖維生理功能的研究也較活躍[9]。
              1986年Rimm等[1°]43757名美國成年男子進行膳食纖維攝入量與冠心病危險性關系的研究, 發現膳食纖維攝入量最高五分位人群(平均28.9 g/d)與最低四分位人群(平均12. 4 g/d)相比,心 肌梗死發病的危險性(RR)是〇. 59并且膳食纖維攝入量每增加10 g,對應的RR為〇• 81,表明膳 食纖維攝入量與心肌梗死發病之間存在反比關系,且表明膳食纖維是獨立于脂肪攝入量之外的預 防冠心病的一個重要膳食成份。
              Yves用含5%藻膠的飼料喂養大鼠3周,發現其空腹血脂雖無明顯變化,但餐后的血甘油三 脂和膽固醇的增值減少["]。1985年Hardd等[12]以麥鉄膳食纖維治療族島素依賴型糖尿病患者觀 察其作用,效果良好。1986年Anderon[13]發現膳食纖維可縮短膳食通過小腸的時間而減少葡萄糖 的吸收,并可減緩淀粉水解,對糖尿病有良好的預防作用。Ledere等認為膳食纖維可減緩胃排空 速率是使餐后血糖曲線變平的主要因素。M1997年Wolever等[15]研究了膳食纖維和蛋白質攝入量 與非胰島素依賴型糖尿病(NIDDM)的關系,發現人均滕食纖維攝入量每日僅為1.2 g/MJ,若曰 膳食纖維攝入量每增加一個標準差(0. 72 g/MJ)則會減少39%的患NIDDM的危險性,還發現去除 膳食纖維的淀粉類食物將導致具有遺傳易感性的人群發生糖尿病。
              1987年Klurfeld1161肯定了麥鉄膳食纖維有減少結腸憩室病和膽結石形成的作用,同時對結腸 癌也有預防作用。Cummings的文獻中評估了纖維攝入量與糞便量的關系,認為食用了含不可溶 纖維的食物使糞便重量增加量多。1997年Aldoori等[17]對4萬余名美國成年男子進行了前瞻性研 究,探討不同膳食纖維成分與結腸憩室病的關系,發現不溶性膳食纖維攝入量與腸憩室病危險性 成反比,RR=0. 63,純纖維素最為明顯RR=0. 52,表明攝入高膳食纖維可降低腸憩室病的危險性, 特別是不可溶性膳食纖維的含量髙。
              1.4.1.3對膳食纖維攝入置的研究
              對于膳食纖維攝入量,不同的國家作了大量的臨床試驗確定了各自推薦的攝入量,
              當前有兩種方法可用來評價膳食纖維的適宜攝入量。其一,根據不同慢性疾病危險人群的不 同膳食攝入量來確定其適宜攝入量:其二,采用一個生理指標來評定其適宜攝入量。英國國家顧 問委員會建議膳食纖維的攝入量為25-30 g/ d,美國FDA推薦的總膳食纖維的攝入量為每日20-35 g (成人)(Pilch SM等)Williams提出美國兒童的膳食纖維攝入量為是基于保持通便和有助于將 來預防某些慢性病而提出的,即5 g (2歲兒童),8 g (3歲以上兒童),25 -30 g (20歲以上成 年人)。澳大利亞人研究表明,每日平均攝入膳食纖維25 g,可明顯地減少冠心病的發病率和死 亡率。加拿大的一份調査結果為每人日膳食纖維的攝入量為22-24 g/d。Jacob提出亞洲營養學者 的看法,認為膳食纖維攝入量以每日24 g為宜。
              1.4.1.4膳食纖維產品的開發
              西方發達國家早在20世紀70年代就著手對膳食纖維的研究與開發,美、英、德、法己形成 一定產業規模,并在食品市場占有一席之地。美國成立了膳食纖維協會,在年銷售60億美元方 便谷物食品中,約20%是富含膳食纖維的產品。歐美及日本盛行強化膳食纖維功能食品•日本20 世紀80年代后期利用可溶性膳食纖維制成的飲料包括碳酸飲料、乳酸飲料及果汁等,據對該國 34個生產膳食纖維廠家統計,開發利用的資源還有木槳、米糖、麥麩、甜菜漁、玉米、大豆、麻、 果皮、種子多糖、魔芋、甲殼素等十余種。膳食纖維療病方法也在一些國家產生。
              國外己研究開發的膳食纖維產品主要有五種[18'19]:
              1、小麥鉄制品:小麥鉄含有豐富的纖維素、半纖維素和木質素,對預防便秘、大腸癌、糖 尿病及心血管系統疾病有顯著效果。
              2、甘薯纖維制品:甘薯采用酸發酵法分離出淀粉后,再用酶處理技術將甘薯渣變成微細甘 薯纖維,即為甘薯纖維制品。
              3、甜菜纖維制品:甜菜制糖后剩下的渣,經過進一步分離即可提取甜菜纖維。甜菜纖維制 品是一種水溶性纖維和不可溶性纖維的復合型纖維制品。主要含有半纖維素、木質素和果膠,可 作為食品添加劑。
              4、葫蘆纖維制品:它以天然干瓢為原料,采用先進精細粉碎技術加工而成,具有良好的粘 稠感,口感較好。葫蘆纖維能夠促進腸胃內雙歧桿菌的繁殖,有益于健康。
              5、純纖維制品:成分纖維素,以山毛櫸、桑葉為原料加工而成,多用作改進食品的結合劑、 穩定劑和潤滑劑。
              1.4.2國內對膳食纖維的研究現狀
              我國對膳食纖維的提取技術研究、應用研究和生產尚處于起步階段。大體可分為四個方面[2’
              20]
              1)膳食纖維對人體生理功能的研究,如防治冠心病、治療肥胖癥、預防髙血壓、治療糖尿病和 抗胃腸癌癥、抗氧化、清除自由基等。
              1993年吳杰等1211以5%魔芋精粉、果膠、褐藻膠或瓊脂飼喂高脂型大鼠,發現四種膳食纖維 均能有效降低動物空腹血清中總膽固醇TC含量,降低肝脂水平,促進腸道膽汁酸的排泄。1996 年王常青等[22]報道,以含6%豆渣纖維或果膠飼料飼喂大鼠,可使動物血清TC和低密度脂蛋白膽 固醇(LDL-C)顯著降低(P<0. 01),且血液黏度及血小板聚集率也降低(P<0.05),而6%純纖維素 組大鼠未顯示出以上作用。王亞偉[231等給45名糖尿病人分組食用添加膳食纖維和低聚糖的麻性 餅干,經過一個月的臨床治療發現,對糖尿病人的空腹血糖、餐后血糖和血膽固醇的降低有一定 的作用。
              我國國家營養學會2000年提出:成年人膳食纖維適宜攝入量為30.2 g/d。
              2)關于膳食纖維資源分布和農副產品綜合利用研究[24]。
              目前,我國較廣泛的膳食纖維資源,主要集中于玉米鼓皮纖維、小麥鉄皮纖維、大豆纖維、 甜菜纖維和魔芋纖維等品種。
              3)完善和提高膳食纖維工業提取方法研究,但對于膳食纖維改性研究較少。
              目前的提取方法大多限于實驗室中應用,而對于適于工業化生產的提取方法還需對提取工藝 進一步完善。
              4)膳食纖維在食品加工中的應用研究。
              產品的應用往往是通過從原料中提取膳食纖維后,一種作為營養強化劑添加在面包、面條等 主食中或者餅干、奶粉等產品中,另一種作為添加劑少量添加于飲料、冰淇淋等食品中。
              1.5小結
              從國內外的研究現狀可以看出,盡管對于膳食纖維基礎理論的研究較多如對膳食纖維定義和 物化特性的完善、膳食纖維分析方法的規范和改進,為膳食纖維的應用提供了堅實的理論基礎, 同時從營養學和膳食平衡方面,人們也越來越重視對膳食纖維的攝入,開發了許多富含膳食纖維 的產品,但是功能性產品的功效還需進一步完善,目前在膳食纖維的應用研究中尚存在如下問題:
              1.我國雖然有著豐富的膳食纖維資源,但是膳食纖維的提取技術大多只限于實驗室階段,很難 實現工業化生產,特別是從原料中分別精提可溶性和不可溶性膳食纖維的工藝還需進一步完 
              善,且提取的產量無法滿足工業化生產的要求。
              2.膳食纖維在臨床上的應用,為研究膳食纖維的生理功能提供了很好的依據。而對于不同種類 的膳食纖維在濕狀態下的空間結構,這種結構對其自身物化特性的影響,以及膳食纖維的物 化特性與生理功能之間的關系研究甚少。
              3.在食品生產方面,用于營養強化劑的低端產品較多,而對于原料易得,價格便宜,加工方法 簡便、科學,又能夠不影響食品口感、外觀,且易于被人體所利用的優質膳食纖維產品的研 究較少。
              4.在保健品方面,目前的功能產品中往往只標明總膳食纖維的含量,而對其中的可溶性膳食纖 維和不可溶膳食纖維的含量和比例未作說明,這就很難判斷出總膳食纖維中可溶性和不可溶 膳食纖維各自發揮作用的情況,對于產品更新換代和功能的完善不利。
              5.膳食纖維的改性研究尚處于摸索階段,改性手段和工藝條件的選擇比較單一,改性后對于膳 食纖維物化特性的改善程度有限、穩定性不好。且目前的對于膳食纖維的改性工藝條件復雜, 影響因素較多。 
              第二章.研究方案確定
              2.1研究目的
              隨著生活水平的提高,人們對髙熱量、高蛋白和高脂肪食品和精細食品攝入量大大增加,而 膳食纖維的攝取量相對減少,從而忽略了膳食營養的平衡性。營養學家調查表明,由于人們攝取 膳食纖維的不足而引起的高血脂、肥胖癥、膽結石、脂肪肝、糖尿病及腸癌等“文明病”在各地 時有發生。近年來,由于這類疾病在我國呈上升趨勢,人們越來越注意飲食對自身健康的影響。
              根據國內外的研究現狀可以看出,膳食纖維已經被列為繼傳統的六大營養素,即蛋白質、脂 肪、水、礦物質、維生素、碳水化合物之后,能夠平衡人體營養狀況,調節機體功能的“第七類 營養素”。還有營養學家將其列為不能提供能量,也不能提供營養輔助作用,而可調節腸胃消化 功能的“第三類營養素'
              我國有豐富的、可利用的膳食纖維資源,但是人們對于膳食纖維的攝入僅限于從水果、蔬菜、 谷物等天然食品中不自覺的攝取。通常谷物食品含膳食纖維較高,全麥面為6%、精面為2%,糙 米為1%、精米為0.5%,蔬菜、水果中膳食纖維含量分別為3%和2%。研究表明,天然食品中的 膳食纖維含量和性質,因品種、生長條件、成熟程度和其他因素等存在著明顯差別,所以單靠人 們每日吃飯是無法計算膳食纖維攝入量的。而現有的膳食纖維食品都是經簡單的提取后,強化到 饅頭、面條、餅干、奶粉等產品中,或者作為添加劑少量添加于飲料、冰琪淋等食品中,但要受 生產工藝的嚴格限制,且對不同種類的膳食纖維的添加量要求不同,添加后的效果也不同15 24]。 通??扇芘c不可溶膳食纖維的添加比例為:可溶性膳食纖維為0.3-0.5%,不可溶膳食纖維添加量 為2~5%。饅頭中膳食纖維添加量一般為面粉的6% (葡甘聚糖含量較髙的為0.3--0.5%),面條中 膳食纖維添加量一般為5% (葡甘聚糖含量較高的為0.3-0.5%)。
              此外,目前在食品成份表中僅列有“總膳食纖維”的含量,其含量是用酸、堿液處理后產品 中所剩的纖維部分,測定結果遠低于用酶法測定的膳食纖維含量,有的甚至僅為其含量的一半或 更低,所以單按食品成分表中標注的含量攝入也無法保證人體每日對膳食纖維的攝取量。而含量 達標的髙品質膳食纖維產品在市場上則相對缺乏。
              隨著經濟的發展,人民生活水平逐漸提高,膳食中缺乏纖維素的情況也日趨嚴重,開發品質 優良的膳食纖維產品,對于改善目前的膳食狀況起著重要的推動作用。由于膳食纖維中的可溶和 不可溶性成分的比例,對產品的物性有很大的影響,同時膳食纖維素的物化特性又影響膳食纖維 產品的生理功能,因此研究可溶性膳食纖維和不可溶性膳食纖維的物化特性,是開發高品質臘食 纖維產品的重要依據。
              研究表明,膳食纖維產品中可溶性和不可溶性成分由于其分子結構和物化性質的不同,發揮 著不同的生理功能,其防病機理可以概括為B5~w]:
              1.可溶性膳食纖維吸水后溶脹,形成蓬松的海棉狀,增大了與消化物的接觸面積;溶脹后的水 溶性膳食纖維溶膠,可在腸道內形成液膜,阻止消化物和腸壁接觸;溶膠特有的網狀結構增 強了對消化物的吸附能力,從而降低營養物質的吸收速率,平緩吸收髙峰,消減糖尿病人的 餐后血糖峰值;可溶性膳食纖維還可提高腸內物質的下行速度,提高糞便的含水率,加速排 便,預防便秘;另外,溶膠特有的網狀結構可包圍膽酸,阻止小腸對膽酸的吸收,降低了人
              體中膽酸向膽固醇的轉化量。
              2.不溶性瞎食纖維可吸水溶脹,溶脹后體積膨脹較大,對腸道產生容積作用,易引起飽腹感。 同時,由于不可溶性纖維的存在,增大了與腸道的摩擦力,從而影響了機體對食物其他成分 的消化吸收,使人不易產生饑餓感。此外,不溶性膳食纖維的固態特性稀釋了大腸中致癌物 濃度,使腸道得到清理,可緩解便秘及預防結腸癌。
              可見,為了發揮膳食纖維的綜合保健作用,一#希望膳食纖維產品同時具有可溶性和不可溶 性勝食纖維的雙重特性。
              基于膳食纖維對人體的重要作用和目前人們的健康狀況,研究開發品質優良的膳食纖維產品 乃當務之急。由普通臘食纖維向髙品質膳食纖維轉化涉及到膳食纖維的多功能轉化問題,對于其 中可溶性及不可溶性膳食纖維的種類、分子結構和物化性質,及兩者的比例、濃度都有較高的要 求。從食品角度來看,產品原料的物化特性,如黏度、持水率、膨脹率、持油力、色澤、粒度等 性質會影響產品的感觀品質和生產工藝。從臨床醫學角度來看,膳食纖維的黏度、表面張力、持 水率會影響膳食纖維的吸附和填充作用等生理功能,從而影響人們餐后的質傳遞過程,對研究其 降糖、降膽固醇和預防心血管病等疾病的機理有著重要意義。
              2.2膳食纖維改性的研究現狀及局限性
              基于我國現有天然膳食纖維原料在物性上的不足,采用盡可能簡單科學的加工方法,獲得口 感和外觀優良、利用方便的高品質膳食纖維產品乃當務之急,改性是解決這一問題的一個技術成 熟有效的途徑。
              目前常用的改性方法有化學和物理改性兩種。
              2.2.1化學改性
              化學改性一般有兩種方法,一種是堿處理法,另一種是羧甲基化的改性方法。
              2.2.1.1堿處理法
              堿處理法是通過調節溶液的pH值和溫度,用不同濃度的堿液在不同溫度下處理膳食纖維原 料,使其糖苷鍵斷裂產生新的還原性末端,并使膳食纖維大分子的聚合度下降,部分轉化為非消 化性的多糖,來改變原料的功能特性•但是此法的改性條件不易選擇,改性后的膳食纖維透明度 較差,黏度的穩定性不夠理想。且這種方法對于不可溶性膳食纖維的改性僅限于纖維的糖苷鍵發 生了斷裂,使分子中原有的長鏈大分子結構斷裂成短鏈分子,更易于被腸道菌群所發酵,而并不 能使其轉化為可溶性膳食纖維,賦予可溶性膳食纖維的物化性質,因此黏度、持水率的提高都很 有限。
              2.2.1.2羧甲基化法
              羧甲基化法是根據纖維素的分子結構中存在的少量游離羥基,用氣代烷酸或乙醛酸在氫氧化 鈉的堿性環境中發生雙分子親和取代反應,形成醚鍵,而實現羧甲基化,來提髙其溶解性,持水 率等物化指標。其主要反應為:纖維素與盡氧化鈉水溶液反應生產喊纖維素,堿纖維素與氣乙酸 (或氣乙酸鈉)進行醚化反應生成CMC;化學反應式如下[301: [QHTOZ (OH) 3]n+nClCH2C00H+2nNa0H-^[C6H702 (OH) 20CH2C00Na]n+nNaCl+2nH20 研究表明,將麥草堿法制漿黑液中提取的變性半纖維素為原料,在80%乙醇介質中與一氣醋 酸、氧氧化鈾進行羧甲基化反應,制得得羧甲基變性半纖維素產品,取代度高、特性穩定,經多 次藥理實驗證實,能顯著提高機體的免疫功晞[31)。采用羧甲基化法將豆渣中提取的膳食纖維羧甲 基化,改性后的羧甲基膳食纖維隨取代度的提高,水溶性顯著提高,當取代度為0.9時水溶性可 達到最髙值。在物化特性上,羧甲基膳食纖維的持水率、結合水力和粘性有所增加,但膨脹率有 所下降,對結合油力、乳化活性、乳化穩定性無明顯的影響,經動物實驗發現羧甲基化后的豆漁 膳食纖維的降糖作用明顯增強[32]。
              但是羧甲基化法對實驗條件要求高,反應步驟復雜。
              首先,羧甲基的引入與氯化物和氫氧化鈉用量密切相關,通常氯化物和氫氧化鈉的用量越髙 越有利于增加取代度,但會提高實驗成本。且游離氧氧化鈉含量高,易有副反應發生,副反應程 度取決于堿纖維素組成中游離堿含量和水的比例——游離堿含量愈高,副反應愈多:含水比例愈 大,堿纖維素水解愈大。醚化過程中,雙氧水的用量也要適中,用量太大會使纖維素過度降解[MW]。
              其次,受反應條件的影響大。體系的含水量對取代度的影響較大。實驗表明,水含量小于8% 或大于15%,取代度均明顯下降。這是因為水是反應必要的介質,含水量太低,對纖維素膨脹及 氣氧化鈉的擴散不利,從而影響產品了取代度;但水分過大一方面使盡氧化鈾濃度過低,另一方 面導致生成的羧甲基纖維素會因溶脹形成凝膠包覆纖維素,都不利于反應的深入和取代度的提高
              [35]
              再次,取代度和取代基分布的均一性對其性能和應用有很大的影響,例如會影響羧甲基化后 產物的溶解性、持水率、流變性和抗酶解性等[36]。
              最后,原料本身的性質,如羧基的含量及分布、分子的分支結構等,對取代度的影響也較大。 中低取代度的產品,羧甲基化后的纖維素吸水速率較低,在水中分散緩慢,需不間斷攪拌、浸泡。 且羧甲基纖維素通常要以鈉鹽的形式存在水溶性才會更好[37' w。
              2.2.2物理改性
              目前采用的物理改性方法通常采用機械降解處理法。一種方法是擠壓蒸煮法,另一種方法是 微細化加工。
              2.2.2.1擠壓蒸煮法
              擠壓蒸煮法是在高溫高濕條件下物料在擠壓機筒內通過強烈剪切、高溫蒸煮等作用,使纖維 大分子部分降解轉化為非消化性的可溶性多糖的處理方法。
              研究表明,擠壓法可提髙豆渣膳食纖維中可溶性膳食纖維含量,通過測定擠壓前后不可溶性 纖維素、半纖維素及可溶性膳食纖維的含量發現,擠壓后可溶性膳食纖維的增加量和纖維素、半 纖維素的損失量幾乎相等,證明了擠壓后所增加的可溶性膳食纖維主要從纖維素和半纖維素的降 解而來tM];擠壓法還可提高豆渣中不可溶性膳食纖維的膨脹力和可溶性膳食纖維的黏度[4〇]。擠壓 改性對蔗渣膳食纖維組成、含量、物化性質有一定影響,經擠壓蒸煮處理后的蔗渣膳食纖維內部 組成成分得以調整和重組,部分不溶性阿拉伯木聚糖會溶解或斷裂某些連接鍵轉變成可溶性阿拉 伯木聚糖,其物化性質也發生了不同程度的變化,但纖維的聚合結構并沒有發生深度降解或破壞
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              對擠壓前后不溶性膳食纖維影響葡萄糖體外擴散情況的研究表明,擠壓使不溶性膳食纖維 變得更粘稠,使擠出纖維包裹其他成分的能力增強,從多種原料中提取的不溶性膳食纖維在擠壓 后均具有抑制葡萄糖擴散的能力[«]。
              但擠壓蒸煮這種物理降解的處理效果與選擇的擠壓機類型、處理條件有很大關系。中等強度 的擠壓處理會提高膳食纖維的持水力和膨脹力,增強其生理活性的發揮。但是在髙強度條件下擠 壓蒸煮,纖維物料的天然組織結構被較大程度的破壞,使持水力反而下降。而且不同種類的原料 經不同溶劑處理物性變化差異較大。上述的研究結果中均表明,擠壓對纖維素的結晶結構沒有明 顯的破壞。
              袞 2.2.2.2微細化加工
              微細化加工是通過機械的研磨、剪切作用,使大分子發生分子內部的化學鍵斷裂,降低了顆 粒的形狀和粒度,增大了顆粒的比表面積。最好的微細化加工可破壞分子的結晶結構,使微粒的 晶體結構發生由晶體向非晶態的轉化,達到改善原料物化特性的目的。目前采用的微細化方法通 常有三種,即磨介式粉碎、沖擊式粉碎法、轉輥式粉碎
              ’微細化加工目前在淀粉的深加工上取得較廣泛的應用。配制型膳食纖維素溶膠結構及傳質特性的研究,機械球磨粉碎是磨介式粉碎法的一 種,采用機械球磨對馬鈴薯淀粉顆粒進行微細化加工,并對微細化過程中馬鈴薯淀粉的結晶結構 的變化特征及規律進行了研究,結果表明,在所施加機械能的作用下,馬鈴薯淀粉的結晶結構經 歷了從量變到質變的過程,即顆粒細化的同時結晶結構也受到破壞,先是結晶尺寸變小、結晶度 降低,而后產生晶格缺陷,最終由多晶態轉變成非晶態,證明機械力化學效應對淀粉顆粒具有非 ^晶化作用。由此可見,淀粉在機械粉碎過程中,不僅顆粒粒度發生變化,而且結晶結構也發生顯
              著變化,且馬鈴薯淀粉的物化特性也發生了變化,如馬鈴薯淀粉的糊化溫度隨粉碎時間的延長而 降低,糊化相變吸熱峰逐漸消失,水分相變吸熱峰增強[<6]。
              氣流式超微粉碎技術是沖擊式粉碎的一種,利用氣流式超微粉碎技術將鮮骨多級粉碎加工成 超細骨粉,能保持95%以上的營養素,營養成分易被人體吸收。骨髄粉可以作為添加劑,制成髙 鈣髙鐵的骨粉系列食品,具有獨到的營養保健功能[<<]。
              上述的方法在干狀態下進行微細化加工方面都取得了良好的效果。而對于纖維含量較高的產 品,特別是不可溶性膳食纖維含量高的產品,受纖維顆粒粒度、形狀和表面狀態及纖維分子排列 狀態和結晶狀態的影響,采用上述千式微細化粉碎的方法施加作用力困難,很難破壞物性堅、韌 的纖維結構,作用力僅僅能使纖維顆粒的大小、形狀和表面狀態發生改變,而且能耗大、溫升高。 >*通常要采用濕法微細化加工的方法,才能滿足對膳食纖維微細化的加工要求,而上述這三種方法
              在濕法加工上均有一定的局限性,很難產生如此強大的剪切、摩擦和擠壓力的破壞作用,對設備 的要求過髙。
              2.3研究思路
              從上面的分析可以看出,常規生產的膳食纖維產品,可溶性膳食纖維的含量較低,而現有對 不可溶性膳食纖維的改性方法往往差強人意,工藝條件復雜,成本較髙,影響改性的因素復雜, 改性效果不甚理想且加工代價偏高。
              如果能夠利用現有豐富的天然膳食纖維資源,通過簡單的工藝來獲得一種物化特性優良的膳
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              食纖維素,讓它同時具有可溶性和不可溶性膳食纖維的雙重功效,在物化特性上又能達到1+1>2 的增效作用,將是一種簡單實用、經濟可行的思路。
              復配改性是指根據單體的性質和功能,將兩種或兩種以上功能互補或有協同作用的單體按適 當的比例復合,從而制成一種能在某種產品寧獨立地擔當某一項功能的復合物,這種復合物與單 體相比具有十分顯著的優點[47’<8]。
              復配改性的優點有:
              1.復配改性是一個物理過程,不需要添加任何試劑來輔助改性,在完全不破壞原有膳食纖維的 天然結構的前提下,讓兩種或多種在分子結構及物化特性上有互補性的物質在一定比例下復 配,從而取得比單品更優質的特性。
              2.復配所需的中間產物均為己有產物,所以根據要求運用比較簡單的方法,就可以生產出所需 產品,降低了生產成本。
              3.復配后的復合物仍然按照原有的生產工藝和流程生產,提髙了生產效率,且生產的產品根據 復配比例的不同,品種繁多。
              4.復配產品均具有協同或者疊加作用,可以提高產品的性能與品質,且安全性均有保證。.. 復配技術目前已經廣泛應用于工業、建筑業和農業中。工業上,在塑料助劑的生產中采用復
              配技術生產復合助燃劑和抗氧劑,取得了良好的效果。使用單一的阻燃劑往往需加入的量很大, 才能起到阻燃作用,而將兩種或多種阻燃劑進行復配時,阻燃效果大大增強,且可以減少阻燃劑 的用量,如聚烯烴阻燃時,為達到同樣的阻燃效果需添加5wt%的P或40 wt%的C1或20 wt%的 Br,而采用P、Br復合時,只需0.5wt%的P和0.7wt%的BrM。以復配技術制成的復合抗氧劑, 比單一抗氧劑的性能有了明顯的提髙,它抗氧化活性髙,揮發性低,特別適用于高溫加工,是優 良的塑料抗氧劑和水解穩定劑。在塑料中加入少量復合抗氧劑即能有效地制止塑料降解。在建 筑業中,復配技術己應用于混凝土耐久性的改善,混凝土的耐久性受混凝土水化熱、抗水滲透性 能、抗氯離子滲透性能、抗碳化性能以及抗凍性能影響,研究表明:混凝土中摻加礦粉,可降低 漿體水化熱,大幅提高混凝土的抗水滲透性能,顯著提髙混凝土抗氣離子滲透性能,尤其是采用 礦粉和粉煤灰復配技術結合引氣劑的使用效果更加[5"。在農業方面,農藥復配技術己成為農藥企 業開發農藥新品種的重要途徑,復配后的農藥在害蟲的殺滅和防治上均有增效作用[62]。
              在食品方面,復配技術在乳化劑改性和多糖凝膠化方面的研究較多。凝膠化性質是多糖大分 子生物功能的重要方面,在多糖凝膠化的研究中,黃原膠和魔芋粉均為非凝膠多糖,但是它們在 一定條件下復配可以得到凝膠,并有1+1>2的增膠作用。通過FTIR分析復合體系的相容程度, 兩種髙聚物復配后羥基伸縮振動峰增強并向低波數方向發生位移,那么分子間的氫鍵增強,即分 子間相互作用增大,表現為凝膠化能力提髙,凝膠強度明顯增大,分析其機理可能是因為黃原膠 是具有羧基的一種陰離子多糖,具有類似纖維的骨架結構,分子中的糖醛酸鍵和COCT與魔芋葡 甘聚糖形成分子間氛鍵所致。在多糖凝膠的黏度和耐鹽性的研究中,黃原膠與刺槐豆膠復配 生成的凝膠的黏度和耐鹽性顯著提髙,刺槐豆膠與黃原膠相互作用的機理與剌槐豆膠半乳甘露聚 糖的精細結構有關。1, 6連接的a-D-吡喃半乳糖群在1, 4連接的D-甘露糖主鏈上的分布稱為 半乳甘露聚糖的精細結構。通過透射電鏡對刺槐豆膠的觀察,研究認為,刺槐豆膠的精細結構由 “毛發區”和“光滑區”交替組成,其中D-半乳糖分布密集的區域稱為“毛發區”,連續的沒有 被取代的D-甘露糖區域稱為“光滑區”,黃原膠與刺槐豆膠的結合區位于半乳甘露聚糖的“光滑
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              區”,二者結合形成三維的網狀結構,水分子充滿網眼內,‘‘毛發區”使結合的分子懸浮在水溶液 中而不發生沉淀現象,從而使復配膠的黏度大幅度提高[56]。
              我國天然可溶性膳食纖維和不可溶性膳食纖維的原料來源豐富、安全、對人體無副作用,在 分子結構上有些可溶性膳食纖維與不可溶性膳食纖維具有天然的互補性。根據上面的研究,采用 復配改性來完善膳食纖維的功能就成了一種簡單易行,科學有效的改性方法。
              馬正偉等做了復合膳食纖維對高脂血癥大鼠腸道形態結構及功能的影響的研究,配制型膳食纖維素溶膠結構及傳質特性的研究,結果表明, 由不同比例的可溶性纖維及不可溶性纖維構成的復合膳食纖維在降低高膽固醇血癥大鼠血清中 TC、LDC-C、升高HDL-C的同時可使大鼠小腸壁重量增加,并且隨可溶性和不可溶性膳食纖維 比值的增加,大鼠小腸壁重量呈增加的趨勢[m。宋揚等在用纖維素、果膠、海藻酸鈉三者兩兩復 氣配后,和三種單一膳食纖維對高脂血癥大鼠體內脂類含量影響實驗中證實,各種膳食纖維均可不
              同程度降低大鼠體內脂類含量,其中可溶性膳食纖維效果優于不可溶性膳食纖維,復合膳食纖維 的效果又優于單一的膳食纖維[58'591。
               
              綜上所述,本次研究中擬利用現有的天然可溶性膳食纖維與不可溶性纖維素進行復配,利用 可溶性膳食纖維在水中可緩慢溶脹、體積膨脹率高、形成的溶膠黏度髙、吸附和包埋能力強的特 性,彌補不溶性膳食纖維在物性上的不足,在不破壞原有纖維結構的同時,達到改善其物化特性 的目的。同時,可溶性膳食纖維溶膠特有的網狀結構,能夠使分散性很強的不可溶性纖維素嵌合 到網狀可溶性膳食纖維的微孔中,形成一種固、膠、液混合的三維網狀結構(如圖2-1),得到 同時具備可溶、不可溶性膳食纖維物性的配制型膳食纖維素,使其在物化性質上較單質原料有明 顯改善。
              圖2-1配制型臘食纖維素結構構想圖
              Fig2-1 The structure of formulated dietary fiber
              通過測定配制型膳食纖維素的黏度、表面張力、膨脹率和持水率的變化,驗證通過復配可完 善纖維素物化特性的論斷。采用掃描電鏡觀察復合溶膠的空間結構,驗證可溶性膳食纖維與不可 溶纖維素在空間結構上的互補性是物化特性得到改善的直接原因。在復合溶膠結構和物化性質的 研究的基礎上,推測營養物質在復合溶膠中的傳遞特性,并通過體外模擬質傳遞實驗,驗證這一 推斷的合理性,并概括營養物質在復合溶膠中的傳遞規律。
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              第三章.配制型膳食纖維素溶膠結構及物性 3.1天然膳食纖維主要產品
              不可溶性膳食纖維(IDF)包括纖維素、木質素和部分半纖維素。多存在于谷物或豆類等植 物性原料中[1]。
              纖維素是由P—吡喃葡萄糖基通過P (1-4)糖苷鍵結合的巨型分子長鏈,其聚合度大約是數 千,常稱為“結晶型聚合物”(如圖3-1)»它是細胞壁的主要構成物質。由于葡聚糖鏈內與鏈間 強烈的氫鍵作用力,纖維素分子在植物細胞壁中呈結晶狀的微纖維束結構單元,相當牢固,只有 通過物理或化學的方式破壞分子間的作用力使其斷裂,才能使纖維素的親水性增加。但纖維結構 并不是連續的,不同結晶間微纖維排列的規律差形成非結晶結構,非結晶結構內的氫鍵結合力較 弱,易被溶劑破壞。纖維素的結晶區與非結晶區之間界限不明確,逐漸轉變,結晶區的直徑約50? 100 A,長度在 800?1200 A。
               
              圖3-1纖維素葡聚糖鏈的結構特征
              Fig.3-1 the structural character of p—Dextran of cellulose
              半纖維素是帶有各種不均一分支的碳水化合物的聚合物。主鏈的原糖是5C糖和6C糖,在分 支上連有葡萄糖醛酸、麥芽糖、阿拉伯糖、木糖殘基等。半纖維素的種類很多,有的可溶于水, 但絕大部分都不溶于水。組成谷物和豆類的膳食纖維中的半纖維素,主要是阿拉伯木聚糖、木糖 葡聚糖、半乳糖甘露聚糖和P (1-3, 1—4)葡聚糖等。另外,一些水溶性膠也屬于半纖維素。
              木質素是由松柏醇、芥子醇和對羥基肉桂醇三種單體組成的大分子化合物。親水性差,是植 物的結構整體物質,天然存在的木質素大多與碳水化合物緊密結合在一起,很難將之分開。木質 素是沒有活性的膳食纖維。
              天然可溶性膳食纖維(SDF),包括果膠及親水膠體物質如樹膠及海藻多糖,部分半纖維素等
              組分
              果膠是以ct (1-4)糖苷鍵連接的聚半乳糖醛酸為骨架鏈的聚合物。主鏈中連有(1-2)鼠 李糖殘基,側鏈中的部分半乳糖醛酸殘基經常被甲基酯化。果膠類物質主要包括阿拉伯聚糖、半 乳聚糖或阿拉伯半乳聚糖。果膠或果膠類物質均能溶于水,它們在谷物纖維中的含量少,但在豆 類和果蔬纖維中含量較髙。果膠能形成凝膠,對維持膳食纖維的結構有重要作用。谷物纖維中所
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              含的果膠能與致癌物質結合,由腸內排出[6|'62]。
              瓜爾豆膠的化學成分為半乳甘露聚糖,其結構是主鏈為(1—4)-B-D-甘露糖單位,側鏈由單 個的a- D-半乳糖以(1—6)鍵與主鏈相連,每兩個甘露糖單位中有一個半乳糖單位在C6位與之 相聯。相對分子量為20?30萬.瓜爾豆膠辛水中可緩慢溶脹分散,溶膠黏度很高,能形成一定 強度的水溶性薄膜,可與其他食用膠復配使用[M^。
              阿拉伯樹膠:一種含有鈣、鎂、鉀等多種陰離子的酸性大分子多糖,分子量50-100萬,具 有以阿拉伯半乳聚糖為主的,多支鏈的復雜分子結構,在結構上還連有2%左右的蛋白質。阿拉 伯樹膠可以分為3個基團,其一是與其功能相關的阿拉伯半乳聚糖蛋白,另外2個基團分別是阿 拉伯半乳聚糖和糖蛋白。阿拉伯半乳聚糖蛋白是阿拉伯半乳聚糖成分與一個蛋白鏈相連。阿拉伯 半乳聚糖又是由阿拉伯糖和半乳糖這些支鏈結構組成的,支鏈的末端還連有鼠李糖和葡萄糖醛 酸,因而,每一個分子都如球狀,而且非常緊密。阿拉伯膠的黏度較低,配置成50%的溶液仍有 流動性,它可以和大多數其他的水溶性膠和淀粉相配伍,也可以和生物堿相配伍混溶應用w'661。
              海藻酸(Alginic acid)和海藻酸鹽(Alginates)主要是從褐藻的昆部屬Lamiaria hyperborean, Ldigitata、巨藻屬的Macrocystis pyrifera及巖藻屬的Fucus serratrs等品種海藻中提取。海藻酸的 基本結構不同比例的(1—4)鍵相連的B - D -甘露糖醛酸片段和a - L -古洛糖醛酸片段相互聯 接成的線性大分子多糖,相對分子量為20萬。天然海藻膠是海藻酸(鈣、鎂、鈉、鉀)鹽的混 合物。在食品工業中海藻酸鹽主要用作凝膠劑和增稠劑。海藻膠透明、堅初,具有較寬的結構范 圍和較好的熱穩定性,不易脫水收縮^-1。
              可溶性和不可溶性膳食纖維的復配機理與它們的分子結構有著密切的關系。因此在品種繁多 的膳食纖維中,選擇來源廣,產量大,價格低,與不可溶性纖維素在結構上具有互補性,復配后 能夠形成良好嵌合、穩定性強的原料作為基料進行復配改性,是保證復配產物品質的關鍵[89~71]。
              大豆不可溶性纖維素(SIDF):由P -吡喃葡萄糖基通過P (1—4)糖苷鍵連接起來的聚合物, 其聚合度大約是數千,纖維素呈伸長的長鏈無分支結構。SIDF在水中難以溶解,只能溶脹。SIDF 的不溶性可以增大腸道內食糜的空間膨脹體積和與腸道接觸面的摩擦力,因此具有填充、清理及 吸附功能,但單一的不可溶性膳食纖維,持水率有限,黏度較低,成膜性差[72~74]。
              瓜爾豆膠:主鏈為(l—4)-B_ D-甘露糖單位,側鏈由單個的a- D-半乳糖以(1—6)鍵與主鏈 相連,每兩個甘露糖單位中有一個半乳糖單位在Ce位與之相聯,甘露糖對半乳糖之比為1.8 : 1(約 為2:1),側鏈上半乳糖的分布是隨意無規則的,其特征為主鍵的一些區域沒有半乳糖,而另一 些區域則是高取代區,尤其在離子強度很低的情況下,均勻無半乳糖分支的區域能通過氫鍵與某 些線性多糖形成復合體,產生一定的協同增效作用。瓜爾豆膠吸水后可充分溶脹,均勻分散于水 相中,形成有一定粘性的溶膠體系,易形成液膜[™'7"。
              果膠:由D-半乳糖醛酸殘基經a (1—4)鍵相連接聚合而成的酸性大分子多糖并且半乳糖醛酸 Q上的羧基有許多是以甲酯化形式存在,未甲酯化的殘留羧基則以游離酸形式與鉀、鈉、銨、鈣 結合存在,在Cj或C3的羧基上常帶有乙?;推渌行远嗵侵ф?,如L-鼠李糖、半乳糖、阿 拉伯糖、木糖等•果糖分子不是以直線存在,多呈折疊形式。果膠吸水后充分溶脹,均勻分散在 水中,且吸水速率高于瓜爾豆膠
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              3.2實驗原料的選擇確定
              從上面的分析可以看出,配制型膳食纖維素溶膠結構及傳質特性的研究,為達到完善現有天然膳食纖維的物化性質、制成高品質的膳食纖維 的目的,實驗中應采用原料來源廣,性價比高,在分子結構上有一定互補性、黏度適中,復配后 能夠達到協同增效作用,且復合物穩定性高的原料為實驗基材。
              果膠、瓜爾豆膠的分子結構都是多支鏈的大分子多糖,且側鏈在主鏈上的分布形式不均勻, 側鏈分布密集的區域稱為毛發區,而沒有側鏈的區域稱為光滑區,毛發區與光滑區相間存在。大 豆不可溶性纖維素分子是無支鏈的近于雙螺旋的長鏈結構。
              根據它們在分子結構上的互補性,可推斷果膠、瓜爾豆膠與SIDF復配,果膠、瓜爾豆膠充 #分吸水溶脹形成一種類似蜂窩的網狀結構,SIDF顆粒在水中充分伸展,鑲嵌到果膠、瓜爾豆膠
              溶膠的網狀結構中使網絡結構更加密實,SIDF的嵌入使原有的網絡結構的體積進一步溶脹,增 大了其接觸面積和空間膨脹體積,同時溶膠表面的SIDF分子還有可能與周圍溶膠中的果膠、瓜 爾豆膠分子形成相互嵌合或相互纏繞的立體結構,而這種結構可進一步強化分子間的作用力,有 助于形成質地密實、穩定的固、膠、液混合體系。
              在濕狀態下其復配機理為,果膠、瓜爾豆膠分子在水中吸水溶脹,充分分散、伸展形成溶膠, SIDF顆粒分散、鑲嵌到溶膠的網狀結構中。溶膠表面的纖維素顆粒與果膠、瓜爾豆膠分子主鏈 上無半乳糖結構的‘‘光滑區”通過氫鍵彼此緊密結合,形成三維網狀結構,纖維顆粒被牢牢吸附 在網狀結構表面。這種結構使原來SIDF懸浮液體系中的水,被瓜爾豆膠和果膠形成的溶膠填充, 體系的黏度增加,摩擦力增大,對流減緩,質傳遞速率降低;同時原來在瓜爾豆膠和果膠溶膠網 ^狀結構中的水,被纖維顆粒所取代,增加了溶膠體系的膨脹率和致密程度,瓜爾豆膠和果膠分子
              結構中的“毛發區”雖不能結合SIDF分子,但“毛發區”在水溶液中充分伸展,形成一種支撐 結構,使網狀結構結合的SIDF分子懸浮在溶液中而不發生沉淀現象,從而形成了一個穩定的固、 膠、液混合的三維溶膠體系。
              綜上所述,利用大豆不可溶性纖維素與果膠、瓜爾豆膠在結構上的互補性,在水中溶解、分 散特性,以及黏度、溶解性、膨脹率、持水率、表面張力等物性的不同,擬以大豆不可溶性纖維 素(不可溶性纖維素含量>90%)為基本材料,以黏度、表面張力高,成膜性好,較易溶解分散 的天然植物膠——瓜爾豆膠、果膠為輔助材料,在濕狀態下進行復合,制備質地密實,黏度、表 面張力高,成膜性好,同時具有水溶性和不可溶性物性的配制型膳食纖維素。觀察復合溶膠在 水中的分散性,形成的均勻體系在水中的穩定程度,測定復合物的黏度及表面張力。再通過掃描 wA電鏡觀察經真空冷凍干燥后的復合溶膠的分子結構,推測出在濕狀態下,復合溶膠分子間的空間
              嵌合結構及復配機理。
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              3.3實驗材料與方法
              3.3.1實驗材料
              原料 *生產廠家
              大豆膳食纖維素(非水溶性纖維素含量>90%)深遠食品有限公司生產
              瓜爾豆膠(食品級)印度產
              果膠北京市化學試劑公司購買
              .3.2主要儀器
              主要儀器生產廠家
              NDJ-79旋轉黏度計上海昌吉地質儀器有限公司
              JA1003N精密電子天平上海精密科學儀器有限公司
              Jzhyl-180界面張力儀承德實驗機有限責任公司
              TDL-5-A離心機'上海安亭科學儀器有限公司
              JB*3型定時恒溫磁力攪拌器上海雷茲儀器廠新涇分廠
              真空冷凍干燥機北京博醫康技術公司
              HITACHIS—570掃描電鏡日本日立公司
              3.3.3檢測參數及方法
              3.3.3.1黏度
              采用NDJ-79旋轉黏度計測定。溫度26 1C ,單位Pa-s。
              分別選用第II單元、第m單元,根據原料黏度的不同選擇不同因子的轉筒進行測定,轉速為 750 r/min。最后的黏度值為所用轉筒的因子乘以刻度讀數。
              3.3.3.2表面張力
              采用Jzhyl-180界面張力儀測定,溫度26 *C ,單位N/m。
              室溫下測定原料表面張力,分別測定三次,取三次平均值作為測量結果。
              3.3.3.3膨脹率
              膨脹率(SW) = {溶脹后體積(ml)-干品體積(ml)} /干品體積(ml)
              測定步驟:取10 ml濃度為0.025 gtol的SIDF溶液(70%、90%)于25 ml量筒中,加水攪 拌并定溶到25 ml,靜置4小時后讀取分界面下樣品的體積。
              3.3.3.4持水率
              持水率(WHC) = {樣品濕重(g) —樣品干重(g)} /#品干重(g)
              測定步驟:取10ml濃度為0.025g/ml的SIDF溶液(70%、90%)于50ml離心管中。離心 20 min,分離因數2775.5,除去上清液后稱量濕樣品的質量。
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              3.3.3.5顯微結構
              觀察、了解配制型膳食纖維素溶膠體系中兩種膳食纖維的結合狀態。
              將配制型膳食纖維素制成0.025 g/ml的溶膠并冷凍升華干燥成干品,采用HITACHIS—570 掃描電鏡觀察其空間結構。
              3.4結果與分析
              3.4.1單一原料的物性檢測、分析 3.4.1/I S舊F(90%)的物性指標
              表3-1 SIDF<909J〇的物性指標 Tab.3-1 The physical properties of SIDF(90%)
              原料產品顏色持水率膨脹率黏度(MPa_s) 表面張力(mN/m)
              S1DF(90%)白色粉末2. 784. 922.3 70.8
              SIDF(90%)在水中不溶解分散,溶液中能夠清晰看到明顯的纖維顆粒漂浮,溶液表現為懸濁 液的一般特性,且纖維顆粒沉降速度較快,靜置10分鐘后即全部沉于水底。在試管中靜置3小 時后,纖維顆粒少量吸水溶脹,但持水率不高,黏度變化不大。溶液的表面張力較髙,流動性強。
              3.4.1.2果膠、瓜兒豆膠的物性指標
              表3-2果膠、瓜兒豆膠的物性指標
              0Tab.3-2 The physical properties of pectin and guar gum
              原料產品顏色黏度(MPa.s)表面張力(mN / m)
              瓜兒豆膠淺黃色粉末4.673.3
              果膠深黃色針狀粉末2.865.8
              果膠、瓜)LS膠均能在水中全部分散,充分溶脹,形成均勻有粘性的溶膠•在試管中靜置3 小時后,整個體系中能夠看到鮮明的水相與溶膠體系的分界面,下層為充分溶脹的溶膠體系,上 層為游離液,且經過高速離心處理后,不會發生溶膠沉淀析出現象,體系穩定性較高•果膠與瓜 爾豆膠相比,吸水速率高于后者,形成的溶膠更均勻。瓜爾豆膠的黏度和膨脹率髙于果膠,濃度 為3%瓜爾豆膠呈凝膠狀,基本喪失流動性。兩種膠體的表面張力均較高,其中瓜兒豆膠稍高于 一果膠(如表3-2所示)。兩種溶膠體系的黏度較高,流動速度緩慢,易形成液膜,有利于包埋和粘
              合其他物質。
              3.4.2原料的顯微結構觀察
              用于掃描電鏡觀察的瓜爾豆膠、果膠溶膠及復合溶膠樣品均為經真空冷凍干燥得到的干溶 膠。真空冷凍干燥技術是將濕物料凍結至冰點以下,然后在較高的真空環境下,將固態水直接轉 化為蒸氣的一種干燥方法。真空冷凍干燥制得的樣品能保留原料原有的結構骨架和溶液間隙,故 能夠間接推測出濕品溶膠的結構。
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              圖3-2 SIDF(90%)的顯微結構
              Fig.3-2 The microstructure of SIDF(90%)
              圖3-2為SIDF(90%)顆粒的微觀結構及顆粒表面狀態。SIDF(90%)顆粒為棒狀、條狀及塊狀, 形狀不規則,纖維素顆粒無分支結構,表面宏觀上平滑,顆粒尺寸范圍為在水中 呈無序的立體分散狀態,除棒狀顆粒表面粘帶有細小的顆粒外,彼此間無明顯粘結,體系呈現懸 濁液的一般特性。盡管體系的對流作用由于SIDF (90%)顆粒的存在而受阻,但因顆粒間有游離液 存在,質傳遞速率降低不明顯,只具有填充、清理及吸附功能,膨脹率、持水率有限,黏度較低, 成膜性差。
              圍3-3瓜爾丑膠顆權的顯微結構及膠狀慫
              Fig.3-3 The microstructure and sol station of guar gum
              圖3-3為瓜爾豆膠顆粒的顯微結構(左圖)及經冷凍干燥后溶膠的分散狀態(右圖)。瓜爾 一豆膠顆粒多為不規則的塊狀,組織結構密實,顆粒尺寸范圍為10~102#nu通過分析瓜爾豆膠溶
              膠升華干燥后的組織發現,溶膠經升華干燥后呈疏松海綿狀,配制型膳食纖維素溶膠結構及傳質特性的研究,網絡結構較疏松,網眼較大。
              19
               
              圖3-4果膠顆粒的顯微結構及溶膠狀態 Fig.3-4 The microstructure and sol station of pectin
              圖3-4為果膠顆粒顯微結構(左圖)及冷凍干燥后果膠的分散狀態(右圖)。果膠顆粒呈不 規則團粒狀,顆粒尺寸范圍為1~102/«11。通過分析果膠溶膠升華干燥后的組織發現,與瓜爾豆膠 類似,果膠溶膠經升華干燥后也呈蓬松的海綿狀,形成的網膜厚度更均勻一致,孔隙率更高。
              根據真空冷凍干燥后的樣品不改變原料的原有結構和骨架,可推斷,瓜爾豆膠和果膠顆粒在 水中吸水溶脹,充分膨脹,分子間彼此交聯形成疏松的網狀結構,最后均勻分散在水中,形成有 粘性的溶膠體系。從瓜爾豆膠和果膠溶膠的凍干樣品分散狀態的差異可推斷,瓜爾豆膠分子的吸 水速率較慢,但單個分子的吸水能力強,膨脹率高,在水中可充分溶脹形成溶膠,不再有明顯的 團粒結構,可均勻分散于水相體系中。而果膠顆粒在水中更易分散,吸水速率比瓜爾豆膠高,形 成的溶膠體系更均勻,但膨脹率低于瓜爾豆膠。
              3.4.3配制型纖維素的物性檢測、分析
              3.4.3.1 SIDF(90%)與瓜爾豆膠復合溶膠的物性指標
              表3-3 S1DF(90%)與瓜爾豆膠復合溶膠的物性指標
              Tab.3-3 The physical properties of complex sol of SIDF(90%) and guar gum
              序號SIDF(90%)與瓜爾豆膠復合比例黏度(MPa-s)表面張力(mN / m)
              CKX4: 02.370.8
              CK20: 44.673.3
              13: 118. 168.37
              23: 259. 171.9
              37: 326.572.63
              SIDF(90%)與瓜爾豆膠以三種不同配比復配均能形成黏度較高的溶膠。如表3-3所示,復合 溶膠較單一 SIDF(90%:)、瓜爾豆膠的黏度均明顯提高。復合溶膠表面張力雖與兩種單品的表面張 力差別不大,但極易形成穩定的薄膜。其中2的效果最好,兩者能達到較好的鑲嵌和包埋。靜置 一段時間后的體系中纖維素顆粒和瓜爾豆膠溶膠無明顯的分離現象,可形成穩定、均一的溶膠體
              系。
               
              20 
              3.4.3.2SIDF(90%)與果膠復合溶膠的物性指標
              表34 S1DF(90%)與果膠復合溶膠的物性指標比較 Tab.3-4 The p hysical properties of complex sol of SIDF(90%) and pectin
              序號SIDF(90%)與果膠復合比例黏度(MPa-s)表面張力(mN / m)
              CKi4: 02.370.8
              CK20: 42.865.8
              13: 110. 159.6
              23; 227.667.2
              37: 315.965. 5
              ^如表3-4所示,SIDF(90%)與果膠按上述三種配比復配得到的產物在黏度上比單一成分都有
              明顯提高,其中2的效果最好。復合溶膠的表面張力變化不大。調和、放置一段時間后,溶膠體 系出現分層,上層為SIDF與果膠的復合層,下層為少量(€12%)的纖維素沉淀層,且果膠溶膠 中鑲嵌的纖維素顆粒相對少。
              其原因可推測為:首先,果膠溶膠對于SIDF(90%)的吸附作用相對較差;其次,果膠吸水速 率高且易分散,但單個分子的吸水能力較低,形成的溶膠體積膨脹率有限,所以溶膠內部只能嵌 合—些尺寸較小的纖維素顆粒;再次,果膠溶膠體系的黏度相對較低,纖維素與果膠顆粒彼此間 連接力不足以承托纖維素顆粒;另外,根據果膠分子的結構還可推測:果膠分子的分支結構部分 被酯化,SIDF(90%)分子與果膠網絡形成氧鍵的能力減弱,形成的復合體系穩定性降低從而出現 沉淀。
              ^通過上面的數據分析,單一物料的黏度差異可以解釋為:在SIDF(90%)的水相分散體系中,
              水充斥于顆粒間,在實驗濃度下,體系的層間滑移阻力主要體現為水的黏度,故黏度較低。同樣 道理,瓜爾豆膠及果膠顆粒吸水溶脹、分散,形成的溶膠體系束縛了大部分的游離水,體系內部 的滑移阻力已表現為溶膠特性,盡管溶脹的顆粒間仍有水隔層,但以粒子彼此在空間的相互交叉 和粘合起主導作用,故黏度較高。
              上述兩種復合溶膠黏度大幅度增加可解釋為:在復合溶膠體系中,果膠和瓜爾豆膠顆粒吸水 溶脹,體積迅速膨脹,連續攪拌過程,加速了 SIDF(90%)與果膠、瓜爾豆膠的融合。由于兩種物 料間的吸附作用,SIDF(90%)顆粒間充滿瓜爾豆膠及果膠溶膠,而溶膠體系中也會嵌入纖維顆粒, 體系就形成固、膠相互絡合的空間網狀結構。這樣原來單一SIDF(90%)懸濁液中的水被果膠及瓜 爾豆膠溶膠所替代,而單一溶膠體系中顆粒間的水隔層也被纖維素顆粒所填充,由此產生的游離 _水會進一步使果膠和瓜爾豆膠吸水溶脹。這樣物質在溶膠層間的流動和交叉,需要破壞這種連接
              關系才能實現,而破壞這種連接所需的作用力遠高于水隔層間的滑移阻力,因此,表現為復合溶 膠的黏度成倍增加。黏度的增加使復合物體系的層間摩擦力增大,對流作用減緩,成膜性改善, 有利于形成連續、穩定的阻隔層,減緩質傳遞速率,從而更有效地發揮纖維素的生理功效。
              3.4.4配制型纖維素的顯微觀察 3.4A1 SIDF(90%)與瓜爾豆膠復合溶膠結構
              000006 12K\
              圖3-5 SIDF(90%)與瓜爾豆膠復合干溶膠的顯微結構 Fig.3-5 The microstructure of dry complex sol of SIDF(90%) and guar gum
              圖3-5 (左圖)所示為,SIDF(90%)顆粒分散、鑲嵌到瓜爾豆膠溶膠體系中。纖維素替代了 網絡結構中的水填充到溶膠體系中,使網絡進一步膨脹,形成的網絡結構質地更加致密。圖3-5(右 圖)所示為,溶膠表面細小的纖維素顆粒與周圍的瓜爾豆膠溶膠形成相互吸附或相互纏繞的立體結 構,使體系的穩定性進一步增強。 
               
              3.4A2 SIDF(90%)與果膠復合溶膠結構
               
              圖3-6 SIDF(90%)與果膠復合干溶膠的顯微結構 Fig.3-6 The microstructure of dry complex sol of SIDF(90%) and pectin
               
              圖3-6(左圖)所示為,SIDF(90%)顆粒分散、鑲嵌到果膠溶膠中,使網絡質地更加致密。從 圖3-6(右圖)可以看出在果膠網狀結構的表面沒有結合纖維素顆粒,不能形成相互纏繞的立體結
              22
              構。這可能是因為果膠顆粒吸水速率高,但單個分子的吸水速率有限,顆粒仍然保持了一定的膠 團狀結構,使體系的黏度、膨脹率增加有限,對纖維顆粒的吸附和連接力相對較低。
              根據真空冷凍干燥的特點,我們可以推測復合物在水中的復原狀態為:
              在SIDF(90%)與瓜爾豆膠復合溶膠體系中,瓜爾豆膠顆粒經攪拌,在水中緩慢吸水溶脹,彼 此交結形成網絡結構(如圖3-7A),隨著攪拌時間和速度的增加,黏度較高的瓜爾豆膠粘結和包 裹SIDF(90%)顆粒,把部分纖維素顆粒牢牢包裹在瓜爾豆膠形成的網絡結構中(如圖3-7B),使 原有溶膠網眼中的水被纖維顆粒所替代而游離出來,游離水又繼續使瓜爾豆膠顆粒吸水膨脹,黏 度進一步提高,纖維素顆粒繼續進入網絡結構中,鑲嵌在瓜爾豆膠溶膠的網眼中。黏度的提高和 網絡結構的交織存在,保證了鑲嵌在溶膠網絡結構中的纖維素顆粒不會因為攪拌等外力的作用而 再次析出,形成了穩定的固、膠、液混合的三維網狀結構(如圖3-7C)。攪拌停止后,靜置一段 時間,瓜爾豆膠仍會繼續吸水溶脹,溶膠表面的纖維素顆粒與瓜爾豆膠溶膠形成了相互纏繞和吸 附的立體架構。根據瓜爾豆膠分子的結構還可推測,這種吸附作用,是由于瓜爾豆膠分子中沒有 側鏈分布的光滑區可與纖維素分子通過氫鍵結合,而使纖維素分子被牢牢吸附在溶膠體系中,從 而使體系的穩定性進一步增強(如圖3-7D)。同樣瓜爾豆膠的加入,使原有SIDF懸浮液體系中 的水被溶膠所取代,體系的黏度明顯增加,層間的滑移作用力由原來水的流動,轉變為溶膠間的 相對作用,摩擦力增大,從而提高體系阻止質傳遞的能力。體系對流作用減緩,流動減慢,有利 于形成液膜,有利于包裹和攜帶毒素等有害物質。
               
              ffl3-7 B
               
              圖 3-7 D
               
              圖3-7 SIDF(90%)與瓜爾豆膠復合溶膠體系結構 Fig.3-7 The structure of SIDF(90//〇) and guar gum complex system
              23
              SIDF(90%)與果膠復合溶膠體系中,果膠顆粒經攪拌,配制型膳食纖維素溶膠結構及傳質特性的研究,充分吸水溶脹,果膠顆粒的吸水速率 較快,很快能夠實現分子間的交結形成均勻的網狀結構,纖維素顆粒取代果膠網絡中的游離水, 鑲嵌到果膠網絡的網眼中,使體系進一步膨脹,網絡結構更加致密,但由于果膠顆粒的膨脹率不 高,仍然保持了一定的團粒結構,因此溶脹沒有瓜爾豆膠充分,形成的網絡結構網眼不大,層間 的交織較少,使網絡較?。ㄈ鐖D3-8A),纖維素顆粒進入果膠溶膠中的個數有限。攪拌停止后, 靜置一段時間,會出現分層現象,上層為SIDF(90%)與果膠復合溶膠的復合層,下層為纖維素顆 粒沉淀層,這是由于果膠溶膠的黏度雖有增加,但不足以充分包埋和吸附纖維素顆粒,果膠溶膠 體系中仍能看到部分纖維素顆粒存在(如圖3-8B)。從果膠的分子結構也可推斷,果膠分子的分 支結構部分被酯化,SIDF分子與果膠網絡形成氫鍵能力減弱,溶膠表面無法吸附SIDF(90%)顆 粒,形成的復合體系不穩定從而出現沉淀(如圖3-8C)。復合溶膠體系中,溶膠體系中的水被纖 維顆粒所取代,纖維素懸浮液中的水被溶膠所取代,體系的黏度增大,流動性減弱,滑移阻力表 現為溶膠的性質,對流作用減緩,因此成膜性和阻止質傳遞的能力增強。同時雖然纖維顆粒鑲嵌 到了果膠溶膠的網狀結構中,但溶膠體系中仍然有游離水存在,使層間摩擦力減小,體系的穩定 性減弱,放置一段時間后會有沉淀出現。
               
              圖 3-8 A田 3-8 B圖 3-8 C
              圖3_8 SIDF(90%)與果膠復合溶膠結構 Fig.3-8 The structure of SIDF(90%) and pectin complex system
              3.4.4.3配制型纖維素與SIDF (70%)的物性比較
              表3-5配制型纖維素與SIDF (70%)的物性比較
              Tab.3-5 The comparison of physical properties formulated dietary fiber and SIDF(70%) on the physical properties
              樣 品顏色持水率膨脹率黏度(MPa-s)表面張力(raN / m)
              SIDF(70%)白色粉末9. 5410.122.756.9
              SIDF(90%)與果膠復合溶膠淡黃色-—27.667.2
              S1DF(90%)與瓜爾豆膠復合溶膠乳白色—一59. 171.9
              24
               
              粘度(MPa
              表面張力(mN/m)
              □ 70%SIDF B配制90%SIDF與果膠溶膠口配制90%SIDF與瓜爾豆膠溶膠
               
               
              圖3-9 SIDF (70%)與兩種復合溶膠的黏度及表面張力比較 Fig.3-9 The comparison of the viscosity and surface tension of SIDF(70%)and two dietary fiber complex sols
              圖3-10 SIDF (70%)的顯微結構 Fig.3-2 The microstructure of SIDF(70%)
              圖3-10所示為,市售SIDF在濕狀態下的顯微結構??梢钥闯?,其中的水溶與水不溶性成分 已經完全結合,形成了一種非常理想的穩定三維網絡結構,而實驗中的復合溶膠只是將SIDF鑲 嵌到水溶性纖維的溶膠中,彼此仍有較明顯的界限。盡管這類SIDF (70%)產品在結構上己經達 到了理想狀態,形成了水溶性成分與水不溶性成分的良好復合,但該產品的物性不甚理想。這類 SIDF (70%)中所謂的水溶性成分可能只是黏附于水不溶性纖維素表面,其黏度、表面張力遠不 能達到瓜爾豆膠及果膠的分散效果的物質。體系仍然表現為普通懸濁液的特性,穩定性差,成膜 性及阻隔質傳遞的能力遠不及復合溶膠。
              3.5小結
              與單一的膳食纖維素原料相比,本次研究配制的復合膳食纖維素溶膠的黏度、表面張力等物 化指標得到了明顯改善。通過對溶膠結構的觀察,驗證了兩種纖維素的復配機理,制備出了兼有
              25
              SDF和IDF生理功能的配制型膳食纖維素。
              1.SIDF(90%)與瓜爾豆膠復合溶膠、SIDF(90%)與果膠復合溶膠的黏度、表面張力均比單一原 料有顯著提高。其中復合比例均為2: 3的瓜爾豆膠、果膠與SIDF(90%)復合溶膠的黏度提 高最顯著,在固形物含量同為2*5%的三種物質中,310只90%)的黏度為2.3\«*!«!5,510巧90 ⑷與瓜爾豆膠復合溶膠的黏度可提髙至59.1 MPM, SIDF(90%)與果膠復合溶膠的黏度可提 高至27.6MP&S,分別比單一 SIDF(90%)提高了 25倍和12倍,較之單一瓜爾豆膠和果膠的 黏度也有了明顯提髙,可見,復配后的配制型膳食纖維素在原料物性的改善方面取得了 1+1 >2的增效作用。
              2.利用SIDF (90%)與瓜爾豆膠(或果膠)配制的復合溶膠,可形成固、膠、液均勻混和的三 維網狀結構。
              3.SIDF (90%)與瓜爾豆膠復合溶膠的結構比較穩定,而SIDF(90%)與果膠復合溶膠的穩定性 較差。分析原因為:瓜爾豆膠能快速形成均勻溶膠體系,果膠有限時間內只能形成有膠團結 構的分散液:SIDF(90%)能均勻分散于瓜爾豆膠溶膠體系中,卻只能夾雜于果膠分散液中的 膠團間;果膠與SIDF(90°/〇復合體系的團粒結構,對體系的黏度提高有限,果膠溶膠的黏 度不足以充分包埋和吸附纖維素顆粒,使部分纖維素顆粒沉淀:根據果膠的分子結構還可推 測,果膠分子的分支結構部分被醋化,SEDF(90%)分子與果膠網絡形成氧鍵的能力減弱,也 使復合體系不穩定。
              4.配制型膳食纖維素中的可溶性與不可溶性成分的結合狀態不及市售大豆臘食纖維素(水不溶 性纖維素含量70%)緊密,但黏度、表面張力、成膜性等物性指標顯著高于后者,故復配可 得到物性優于采用其他加工方法制備的纖維素產品。
              26 
              第四章.膳食纖維素復合溶膠傳質特性
              4.1引言
              糖、蛋白質和脂類是人類不可缺少的三大食物營養素,它們必須首先在腸道內經過消化酶的 水解,成為較簡單的分子才能被人體所吸收利用。
              人體對食物的消化和吸收是通過消化器官來完成的。食 物在口腔中被咀嚼磨碎后經食管進入胃,經胃液水解和胃運 動研磨變成糊狀食糜,然后進入十二指腸。在口腔和十二指 腸的唾液淀粉酶和胰淀粉酶的作用下糖生成初級代謝產物 麥芽糖、麥芽丙糖和a-糊精,在小腸刷狀緣的寡糖酶如淀粉 糖化酶,異麥芽糖酶、蔗糖酶和乳糖酶等作用下消化為單糖,
               
              圖4-1營養物質在小腸內的吸收
              Fig.4-1 The part of ntriment absorpation in small intestine
              最后單糖、雙糖、甘油、脂肪酸、氨基酸和Na+、Fe3+等電 解質及膽鹽、維生素B12等營養物質經小腸上皮細聰的主動 轉運或繼發性主動轉運而被小腸吸收進入血液及淋巴系統。
              可見,小腸是食物消化和吸收的主要器官。
              _構
              (與
               
              小腸之所以具有很強的吸收營養物質的能力,與其 具有很大的吸收面積密切相關。小腸粘膜形成許多環形 皺裙(folds of Kerckring),使其吸收表面積增加約3倍。
              在環形皺褶上,又有固有層和粘膜上皮伸向腸腔而形成 的大量長0.5—1.5 mm的絨毛,使表面積又增大約10倍。
              在顯微鏡下,可見到每一條絨毛的外面是一層柱狀上皮 細胞,其頂端有明顯的縱紋。在電子顯微鏡下進一步觀 察看到,該縱紋就是柱狀細胞頂端膜的突起,稱為微絨 毛(microvilli)。每一柱狀上皮細胞約有1700條微絨毛。
              圖4-2小腸絨毛結構 Fig.4-2 The structure of intestinal villus
              它們又進一步使小腸的吸收面積增加至少20倍。通過以 上的3級放大,最終使小腸粘膜的表面積增加約600倍 或更多,達到約200—250 m2。
              小腸絨毛內有毛細血管、毛細淋巴管、平滑肌纖維及神經纖維網等結構。在空腹時,絨毛不 活動,進食時則可引起絨毛產生節律性伸縮和擺動,能促進絨毛內血液和淋巴液的流動,有利于 吸收。另外,小腸線毛上皮細胞的頂端膜不僅可形成許多微線毛,增加了吸收面積,還具有許多 與吸收功能有關的轉運蛋白質,這些蛋白質作為載體參與Na*、葡萄糖或費:基酸的轉運•上皮細 胞內的許多細胞器也參與對被吸收物質的加工、亡存、代謝和轉運。
              小腸運動對食物的消化與吸收有重要作用,其主要功能是進一步研磨、攪拌及混合食糜,推 送食糜向大腸方向移動,促進食糜的消化和吸收•消化期小腸的運動形式有緊張性收縮、分節運 動和蠕動•分節運動為小腸運動方式中的主要形式,人十二指腸的分節運動頻率約為11次/分鐘
              27
              [78?80]
              4.2實驗方案
              天然蛋白質、纖維素和明膠溶液等高聚物溶液,由于分子量大,分子鏈長,顆粒粒度大在溶 液中的分散特性不同于小分子溶膠,膠體化學上把它們稱為高分子溶液。高分子溶液在溶劑中的 分散為為兩個過程[81):
              1.溶脹階段
              在溶劑中,由于髙聚物分子堆積較松散,且高分子鏈的長度遠比溶劑分子大,故溶劑分子向 聚合物滲透快,而髙分子向溶劑擴散緩慢,因此溶劑分子首先較多地進入高聚物中,使髙聚物體 積脹大,即為高聚物的溶脹過程。
              2.“溶解”階段
              溶脹后地髙分子鏈間作用力減弱,最終導致高分子均勻地分散在溶劑中而達到溶解。交聯高 聚物由于交聯點的束縛,可能只能溶脹而不能溶解,這種溶脹稱為有限溶脹。
              髙分子溶液的運動特征為:_、
              髙聚物是以分子的形式均勻分散在溶劑中,由于高分子之間的相互交聯作用,使高分子溶液 具有很高的黏度,使髙分子溶液在流動時滑動摩擦力增大,流動緩慢。又因為髙分子顆粒的無規 則團粒結構占有較大體積及溶劑化作用等原因,使高分子溶液在流動時受到較大的內摩擦力,使 層間的對流速度減緩,小分子在其中的擴散速度緩慢。
              根據第三章對復合物的結構和物化特性的研究表明:瓜爾豆膠與IDF (90%)復合溶膠及果 膠與IDF (90%)的復合溶膠均為髙分子聚合物,其溶液是固、膠、液混合的三維分散體系,其 分散特性和運動特征表現為類似于高分子溶液的特性[82]。
              通過對小腸壁及小腸絨毛結構分析可以看出,小腸上皮細胞對營養物質的吸收過程相當于一 個表面積很大的半透膜的質傳遞過程,小分子物質在小腸內通過自由擴散或主動轉運的方式透過 這層半透膜進入血液。如果能夠在餐后減緩小腸內葡萄糖的擴散速度和透過速率,即可實現消減 血糖峰值的目的。
              結合高分子溶液的特性和小腸對營養物質的吸收機理,配制型膳食纖維素溶膠結構及傳質特性的研究,膳食纖維在小腸正常消化和吸收過程 中減緩葡萄糖等小分子營養物質進入血液的機制可以概括為t83~87]:
              1.IDF的加入增大了食糜的內摩擦阻力,降低了食糜在小腸中的對流運動,減緩了食糜與小腸 壁接觸的機會。
              2.SDF在小腸壁表面能形成一層液膜,增加了腸內非攬動層的厚度,另外隨著時間的延長溶膠 在小腸壁表面產生了類似膜透過過程中的濃差極化現象,減緩了葡萄糖等物質向腸粘膜表面 的擴散速度。
              3.SDF膠團的分枝結構對小腸壁膜孔的堵塞和“污染”,降低了小腸壁作為膜介質的通透量。
              4.DF對葡萄糖的吸附作用,對葡萄糖進入血液起了一個緩沖的作用。
              根據第三章得出的結論,在此選用復配增效效果好,且穩定性強的SIDF(90%)與瓜爾豆膠復 合溶膠(混合比例為2: 3),采用對食糜中小分子營養物質具有透過能力的透析袋(截留分子量 8000?12000 D),模擬小腸內部環境(PH=7.4、滲透壓為770kPa,相當于濃度為300mmol/l) 和蠕動規律(脈動速率0.16?0.2 s—1),利用透析袋內外溶液的滲透壓差,進行體外營養物質傳
              28 
              遞模擬實驗,通過實驗比較在營養物質溶液中添加不同配比的DF對減緩葡萄糖、維生素和礦物 質透過速率的影響及質傳遞規律。
              4.3實驗材料與方法
              I
              4.3.1實驗材料
              試劑名稱生產廠家級別
              SIDF(90%)深遠食品有限公司生產-
              瓜兒豆膠印度產食品級
              葡萄糖北京市化學試劑公司優級純
              維生素c北京市化學試劑公司優級純
              氯化鉀北京市化學試劑公司優級純
              氣化鈉北京市化學試劑公司分析純
              透析袋蘭戈化學試劑公司截留分子量8000?12000D
              4.3.2主要儀器
              主要儀器生產廠家
              JA1003N精密電子天平上海精密科學儀器有限公司•
              JB*3型定時恒溫磁力攪拌器上海雷茲儀器廠新涇分廠
              1012型電熱鼓風恒溫箱上海一恒科技有限公司
              低速搖床常州國華電器有限公司
              721分光光度計上海第三分析儀器廠
              HP - GFH - 986原子吸收光譜分光光度計北京浦西通用有限責任公司
              4.3.3檢測參數及方法
              4.3.3.1實驗原料的制備
              1.透析溶液的制備
              a)透析袋內溶液:模擬小腸液環境,配制pH值為7.4、濃度為20 mmol/1的磷酸緩沖溶液。
              b)透析袋外液(即透析水浴槽內溶液):配制濃度為0.9%的生理鹽水。
              2.實驗材料的配制
              a)瓜爾豆膠與SIDF(90%)復合溶膠(1號液)的制備:
              將瓜爾豆膠干粉和SIDF(90%)干粉以2: 3的比例混合,分別稱取4g、6g、8g、10g的 氯化鈉溶于200ml磷酸緩沖溶液中,再加入5 g、4g、2.5 g、1.5 g混合干粉,經磁力攪拌器 高速攪勻,制成不同的復合溶膠1號液(1)、1號液(2)、1號液(3)、1號液(4)。
              b)瓜爾豆膠溶膠(2號液)的配制:
              稱取12 g氣化鈉和lg瓜爾豆膠干粉,溶于200 ml磷酸緩沖溶液中,使2號液中瓜爾豆 膠的濃度等于1號液(1)中瓜爾豆膠的濃度,經磁力攪拌器髙速攪均,制成均勻溶膠。
              29
              c)SIDF (90%)懸液(3號液)的配制:
              稱取10 g氯化鈉和1.5 g SIDF (90%),溶于200 ml磷酸緩沖溶液中,使3號液中SIDF (90%)的含量等于1號液(1)中SIDF (90%)的濃度,經磁力攪拌器高速攪勻,制成均勻 懸液。
              4.3.3.2模擬小腸中質傳遞的透析實驗
              利用截留分子量為8000?12000 D的透析袋模擬體外營養物質傳遞實驗,實驗分為兩組平行: 第一組為:在200 ml的1號液(1)、2號液、3號液和蒸餾水中各加入lg葡萄糖(或維生素 C、氯化鉀)并混勻,并分別裝入四個透析袋進行對比。
              第二組為:將lg葡萄糖(或維生素C、氯化鉀)分別溶于200 ml的1號液(2)、1號液(3)、 1號液(4)中并裝入透析袋,與第一組中的1號液(1)的結果進行對比。
              將透析袋放入2000 ml 0.9%的生理鹽水中在37 •〇恒溫箱中透析,搖床的振動頻率為16次/ 分鐘,小腸真實環境中葡萄糖是通過主動轉運方式被小腸壁吸收進入血液的,且小腸的運動也有 多種形式和頻率,而$驗是利用透析袋內外溶液的滲透壓差滲透透過膜,所以實驗中采用略高于 小腸分節運動的振動頻率,輔助葡萄糖擴散。透析開始后,分別于2 , 5, 10, 15 , 20, 25 , 30, 40, 50, 60, 90, 120, 150, 180, 210,240, 270, 300, 330, 360 min 取樣,測定葡萄糖(或維 生素C、氯化鉀)的透過量。
              4.3.3.3葡萄糖透過置的測定w]
              1.鄰甲苯胺分光光度法原理
              葡萄糖在酸性介質中加熱發生脫水發應,生成5-羥甲基-2-呋喃甲醛(又稱5-羥甲 基糖醛)分子中的醛基與鄰甲苯胺縮合生成青色的雪夫式堿,在630 rnn可用比色法定量測 定。
              2.鄰甲苯胺試劑的配制:
              稱取1.5 g硫脲溶于920 ml冰醋酸中,加入80 ml鄰甲苯胺,混勻,取960 ml加入40 ml 6%飽和硼酸溶液混勻,置棕色試劑瓶中,冰箱保存。
              3.葡萄糖標準溶液:
              將葡萄糖標準品(純度大于99%)于80 °C干燥至恒量。精確稱取0.5 g,用水溶解后移入 100 ml容量瓶中。葡萄糖濃度為0.5 mg/ml,臨用前稀釋為0.1 mg/ml。
              4.葡萄糖標準曲線的繪制:
              30
              取11只10 ml的刻度試管,分別取0、0.02、0.04、0.06、0.08、0.1ml的葡萄糖標準液, 各加入鄰甲苯胺溶液5 ml,混勻,于沸水中煮沸4 min取下,冷卻,放置30 min,用lcm 比色杯,試劑空白為參比,在630 nm測定吸光度值,繪制標準曲線。 
              0. 3755x ♦
              0.03 0. 025 0.02 0.015
              0.01
              0.005
              0.045 0.04 0. 035
               
              00.020.040.060.080.10.12
              葡萄糖標準液體積(ml)
              圖4~3葡萄糖溶液吸光值標準曲線 Fig.4-3 The standard curve of glucose solution absorb
              5.透析液中葡萄糖透出量的測定:
              取20只試管,分別加入0.1 ml透出液,加蒸餾水至0.35 ml,在各加入鄰甲舉胺溶液5 ml, 測定步驟同標準曲線。
              4.3.3.4 Vc透出置的測定
              [89. 90]
              1.
              2.
              3.
              4.
              5.
              12 -淀粉吸光光度法原理
              在酸性介質下,Vc可與12發生如下化學反應,OHsCVIfOHsO^ffl。將Vc與一定 量12反應,未反應的12與淀粉顯色,在580 nm處測定吸光度值,間接測定Vc含量。
              I2 - KI標準溶液:
              準確稱取0. 508 g 12和3. 32 g KI混合,用水溶解后移入500 ml掠色容量瓶中。其中12 濃度為4Xl〇_3mol/l,用時稀釋為4X l〇_4mol/l。
              1%淀粉溶液:
              稱取4g淀粉溶于20 ml水,慢慢將所得懸浮液加到200 ml沸水中混勻,再加入200 ml 甘油,微沸5 min,冷卻。
              醋酸溶液:0.1 mol/1。
              Vc標準溶液:
              準確稱取2.228丫<:,溶解后移入25〇1111棕色容量瓶中。\^濃度為5父1〇-2111〇1/1,用時 稀釋為 5Xl(T4mol/l。
              Vc標準曲線的繪制:
              取16只25 ml具塞試管,分別取0、0.4、0.8、1.2、1.6ml的Vc標準溶液,配制型膳食纖維素溶膠結構及傳質特性的研究,各加入5 ml 醋酸溶液,2.5 ml I2 - KI標準溶液,放置10 min,再分別加入1%淀粉溶液4 ml,放置5 min, 加水稀釋至25 ml,搖勻。以1 cm比色杯,以水為參比,在波長為580 nm分別測定含Vc 體系和空白體系的吸光度值A和A〇,計算AA=A〇-A,作AA隨Vc濃度變化的工作曲線。
              31
               
              o’ o’°-0• o.
              <1}塒絮多
               
              y = 0. 3042x R2 = 0. 9827
               
              Q_5 Vc標準溶@體積(ml)1,1
               
              圖4-4 Vc溶液吸光值標準曲線
              Fig.4-4 The standard curve of Vc solution absorb
              7.透析液中Vc透出量的測定:
              分別取20只25 ml具塞試管,加入lml透析液,以試劑空白為參比,按上述測定標準 曲線的步驟測定其A A。從標準曲線上查得Vc濃度,計算其透出量。
              4.3.3.5 k+透出量的測定[91]:
              1.原子吸收光譜分光光度法的原理:
              將鉀離子的樣品導入石墨爐,經原子化后,在狹縫為0.5 nm,波長為404.4 nm處有吸收 峰,其發射強度和鉀離子含量成正比。
              2.透析液中k+透出量的測定:
              554535251 歷 • 4 .3 • 2 L 1 K o
              vs}«^髟
               
              y = 0. 047x R2 = 0.99
               
              468
              鉀離子溶液濃度(lig/ml)
              分別取20支試管,加入0.5 ml透析液用去離子水定容至20 ml,導入原子吸收光譜分光 光度計在404.4 nm處,測定鉀離子的含量
              圖4-5鉀離子溶液吸光值標準曲線 Fig.4-5 The standard curve of K+ solution absorb
              32 
              4.4結果與分析
              4.4.1 DF對葡萄糖透過速率的影響
              4.4.1.1不同DF對葡萄糖透過速率的影響
              表4-1不同DF葡萄糖透過速率• min)
              Tab.4-1 The glucose permeation rate of different dietary fibers (ug/m2 ■ min)
              原料葡萄糖溶液3號液2號液i號液a)
              2min6. 505.054. 350. 00
              5rain4.330.972. 872.90
              lOmin7.802. 020. 581.14
              15min4.600.860.300. 00
              20min0. 881.741.420.00
              透25rain2. 020.862.620.00
              30min1.445.060. 560.88
              40m in0.860.070.720. 43
              過50min1.300. 581.310.00
              60min0.290.862.010.72
              90min1.250.720.530.67
              速120min0.340.380.530. 24
              150min0.241.440. 140.43
              率180min0.290.821. 110.34
              210min0. 340. 090.770.39
              240min0. 240. 140.190.62
              270min0. 190.100.190.37
              300min0. 140. 390. 190.26
              330min0. 140. 580. 290.19
              360min0. 480. 240.290.72
               
              33
               
              葡萄糖溶液一一 -3號液2號液1號液(1)
              6 5 4 3 2 (.S曰.20/boH)齋««粕雔擗_
               
               
              020 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360
              時間(min)
              圖4-6不同DF對葡萄糖透過速率的影響 Fig.4-6 Effect of different dietary fibers on the glucose permeation rate
              由表4-1和圖4-6所示結果可以看出:
              ^號液、2號液、1號液(1)均能降低葡萄糖的透過量和透過速率,在360 min時葡萄糖透過 量分別為對照的93. 5%、87%、64.5%,其中1號液(1)效果最顯著。
              2號液、3號液的葡萄糖透過速率曲線的變化趨勢與對照類似,但兩者在前1個小時的透過 速率和透過量明顯低于對照,且2號的透過速率和透過量低于3號液。
              與2號液、3號液的葡萄糖透過速率的曲線相比,1號液(1)在整個透析過程中,葡萄糖的透 過速率變化平緩,波動較小,前一個小時的透過速率為0.51 #g/m2.h,后五個小時的平均透過 速率為0.43/<g/m2.h。特別是透析開始前50 min,透析袋內的葡萄糖濃度高的時候,葡萄糖的 透過量變化很緩慢,在15?50 min葡萄糖的透過速率基本不變,對平緩餐后血糖峰值很有利; 隨著時間的延長,透析袋內的葡萄糖含量逐漸減少,而葡萄糖的透過速率并沒有明顯降低,而是 與初始的滲透速率基本一致。而對照在初始葡萄糖含量髙的前2個小時葡萄糖的透過速率明顯高 于后面4個小時。
              1號液(1)特有的固、膠、液混合體系,形成了具有剛性筋絡填充其間的三維網狀溶膠結構, 使網絡結構更密實、穩定。首先,體系對流、錯位困難減少了葡萄糖分子接觸膜介質的機會,加 劇了類似熱傳遞過程的“邊界層現象”:其次,在髙粘體系中葡萄糖分子的擴散需要克服溶膠較 髙的內摩擦阻力,傳質速率下降:再者,SDF、IDF的膠團、顆粒對葡萄糖的吸附作用,增大了 葡萄糖的擴散阻力。因此,1號液(1)對葡萄糖的傳遞速率的減緩作用最顯著。
              在2號液中,瓜爾豆膠吸水溶脹并分散形成均勻的溶膠體系,黏度顯著增大,在此種體系中 的葡萄糖擴散作用表現為高分子溶液(膠)的質傳遞特性。溶膠的網狀結構,增大了體系對流阻 力:同時葡萄糖擴散也因溶膠內摩擦力的增加和膠團的吸附作用而受阻,但“邊界層現象”較1 號液(1)輕,所以2號液對減緩葡萄糖傳遞速率的能力比1號液(1)差。
              3號液減緩葡萄糖的傳遞速率較差,原因推測為IDF顆粒的存在,減緩了溶液中的對流作用,
              34 
              IDF顆粒的摩擦阻力減緩了葡萄糖分子的擴散速度,但溶液仍表現為懸浮液的特性,質擴散可通 過顆粒間的介質(水)正常進行,所以對減緩葡萄糖傳遞速率的能力比2號液、1號液(1)差。
              4.4.1.2SIDF(90%)與瓜爾豆膠復合溶膠對葡萄糖透過速率的影響
              表鈐2 SIDF(90%)與瓜爾豆膠復合溶膠葡萄糖的透過速率〇«g/m2 . min)
              Tab.4-2 The glucose permeation rate of SIDF(90%) and guar gum complex sol (//g/m2 • min)
              原料1號液⑷i號液⑶1號液(2)i號液a)
              2min7. 956. 505. 750. 00
              5rain1.931.930. 502. 90
              lOmin0. 860. 002. 001.14
              15min1. 164. 040. 020. 00
              20min2.300. 002. 000. 00
              透25min1.440. 580. 320. 00
              30min1. 440.000. 980.88
              40min2. 172. 591. 380. 43
              過50min0. 860. 430. 280. 00
              60m in0. 440.870.000. 72
              90min0. 380. 340. 100. 67
              速120min0. 580. 530. 720. 24
              150min0. 431.150.530. 43
              率180min0. 100. 340. 580. 34
              210min0. 960. 390. 390. 39
              240min0.190.190. 240. 62
              270min0. 340.190. 340.37
              300min0.720. 240. 240. 26
              330min0. 100. 190. 100.19
              360min0. 090. 290. 530. 72
               
              35 
              2*5「——1號液⑷——1號液(3)  1號液⑵1號液(1)
              cTe .z s/3 n )»»a鉑雔蜞解
               
              020 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360
              時間(min)
               
              圖4-7 SIDF(90%)與瓜爾豆復合膠溶膠對葡萄糖透過速率的彩響 Fig.4-7 Effect of SIDF(90%) and guar gum sol complex on the glucose permeation rate
              如圖4-7所示,四種溶膠均能降低葡萄糖的透過速率,配制型膳食纖維素溶膠結構及傳質特性的研究,且溶膠固形物含量越高,效果越明顯。 四種溶膠固形物含量上的差異,在物性上表現為它們之間的黏度差異??梢?,黏度越大,溶膠對 于葡萄糖分子吸附能力越強、擴散過程中的內摩擦阻力越大。從表4-2可以看出,1號液(1)、1 *號液(2)、1號液(3)溶膠均有葡萄糖透過速率變化波動較大的階段,此過程為葡萄糖克服溶膠阻
              力的透出階段,1號液(1)出現在5?90 min, 1號液(2)出現在10?60 min, 1號液(3)出現在10? 50 min, 1號液(4)沒有此過程。
              4A1.3小結
              對實驗結果分析發現,葡萄糖在1號液(1)、2號液、3號液中的傳遞過程可以分為三個階段:
              1、0?10 min為透析袋膜表面游離葡萄糖的透過過程。
              2、10?210 min為與DF結合的葡萄糖克服懸液或溶膠內部的層間滑移阻力和對流粘滯阻 力,向透析袋膜表面擴散,緩慢透過膜的過程。
              3、 210?360 min隨著時間的延長,3號懸浮液中的纖維顆粒沉淀在透析袋表面,而1號液 K(1)、2號液溶膠則在透析袋表面形成的液膜,于是在膜表面產生了類似膜透過過程中的濃差極化
              現象,從而減緩了葡萄糖等物質向腸粘膜表面的擴散速度。
              由于結構和物化性質的不同,與2號液、3號液相比,1號液在減緩葡萄糖的透過速率和降 低葡萄糖的透過量方面有著更顯著的作用,其機理為:
              1、1號液特有的固、膠、液混合體系,形成了具有剛性筋絡填充其間的三維網狀溶膠結構, 使溶膠內部的對流、錯位困難:復合溶膠體系的粘度較大,使葡萄糖分子的擴散要克服較強的內 摩擦阻力作用;復合溶膠粘度和表面張力較大,能在透析袋表面形成液膜,增大了透析袋表面非 攪動層的厚度和濃差極化現象;SDF膠團的分枝結構對介質膜孔的堵塞和“污染”,降低了介質 的通透量;SDF、IDF的膠團、顆粒對葡萄糖的吸附和包埋作用,增大了葡萄糖的擴散阻力。以
              36
              上五種影響形式具有協同增效作用,可進一步減緩葡萄糖向膜外的擴散速率。
              2、通過對四種不同配比的1號液的葡萄糖透過速率的比較,可以看出,除了溶膠體系的摩 擦和對流阻力減緩了葡萄糖的透過速率,溶膠對葡萄糖分子還具有包埋和吸附作用。這種作用表 現為,盡管透析開始f透析袋內的葡萄糖濃度較高,但由于溶膠對葡萄糖分子的吸附作用,葡萄 糖的透過速率并不高!甚至在一定時間內葡萄糖的透過速率基本不變;透析至中期時,同樣因為 溶膠對葡萄糖的吸附作用,葡萄糖分子的透過速率并沒有因透析袋內葡萄糖濃度的降低而明顯下 降。實驗數據還表明,復合溶膠的粘度越高,對葡萄糖分子的包埋和吸附作用越強。
              4.4.2DF對Vc透過速率的影響
              4.4.2.1不同DF對Vc透過速率的影響
              表4-3不同DF Vc的透過速率(^g/m2 • min)
              Tab.4-3 The Vc permeation rate of different dietary fibers (wg/m2 . min)
              原料Vc溶液3號液2號液i號液a)
              2min7. 2512. 507. 2513.80
              5min8. 771.307.873. 50
              lOmin3. 702. 120.802. 64
              15min0. 520. 604. 000. 26
              20min5. 260. 980. 480. 26
              透25min1. 801.300. 522.64
              30min4. 242. 640. 541.58
              40min1.770. 791.441.32
              過50min0. 781.580.660. 26
              60min2. 261.293. 305.00
              90m in1. 102.850.960. 74
              速120min0.881.592. 550.66
              150min1.430. 540.351. 28
              率180min0. 780.160. 220. 96
              210min1.810. 880.220. 77
              240min0. 131.051. 480. 83
              270min1. 040. 700. 200. 58
              300min0. 450. 580. 631.34
              330min0. 140. 580. 290. 19
              360min0.480. 240. 290. 72
               
              37 
               
              時間(min)
              圖4-8不同DF對Vc透過速率的影響 Fig.4-8 Effect of different dietary Gbers on the Vc permeation rate
               
              如表4-3所示,3號液、2號液、1號液(1)均能在不同程度上影響Vc的透過量,在360 min 時的透過量分別為對照的93. 6%、90.6%、85. 5%。如圖4-8所示,對照在爭個透析開始前30 min, 透析袋內Vc濃度高時透過速率髙,且波動較大,50 min后Vc濃度降低,透過速率波動減小, 始終平緩透出。3號液、2號液、1號液(1)三者的Vc透過速率曲線的變化趨勢相似,都有一個 Vc的透過髙峰出現,髙峰前后時間段的透過速率變化緩慢。3號液的透過髙峰出現在60?120 min, 2號液出現在60?150 min, 1號液⑴出現在30?90 min。表明Vc在3號液、2號液、1 號液(1)三者中的擴散過程,要克服一定懸液或溶膠的對流和摩擦阻力,所以在透析初始階段, 雖然Vc的濃度高,但受溶(懸)液(膠)阻力的影響,透過速率波動較大。在克服了體系內部 阻力到達膜表面后,Vc的透過速率有一個明顯的升高過程,之后由于透析袋內Vc濃度的降低, Vc透過速率再次減小。
               
              總體來看,在不同溶(懸)液(膠)Vc的擴散和透過速率較葡萄糖差別較小,分析原因主 要是Vc分子量較小,雖然3號液中有IDF顆粒的摩擦阻力的影響,1號液(1)、2號液有溶膠內 摩擦力的影響,但是懸液和溶膠對Vc分子都沒有明顯的吸附作用,因此(懸)液(膠)對Vc 分子的束縛力相對較小,除克服摩擦和對流阻力外,Vc分子可較快的從(懸)液(膠)的間隙 透出。
              38
               
              4.4.2.2SIDF(90%)與瓜爾豆膠復合溶膠對Vc透過速率的影響
              表4-4 SIDF(90%)與瓜爾豆膠復合溶膠的Vc透過速率(ug/m2 • min)
              Tab.4-4 The Vc permeation rate of SIDF(90%) and guar gum complex sol Qig/nf • min)
              原,料i號液⑷i號液⑶i號液⑵i號液⑴
              2rain10.807.905.7513.80
              5min5.436.135.633. 50
              10min2.380. 542. 902. 64
              15rain2. 883. 401.320. 26
              20min0. 720. 544. 320. 26
              透25min4. 280. 802. 862. 64
              30min2.661. 303.221.58
              40min1.992.370.911.32
              過50min3. 891.211.720. 26
              60min0. 070. 630. 145. 00
              90min1.581.271.920. 74
              速120min1.062.020.160. 66
              150min0.550. 690. 801.28
              率180min0.540. 891.250. 96
              210min1.070. 620. 760.77
              240min0. 850. 630. 540. 83
              270min0.050.180.610. 58
              300min0. 130. 880. 521. 34
              330min0. 331.370.310. 07
              360min0. 740.301.010. 23
              5「——1號液⑷ ——1號液(3) 1號液⑵——1號液⑴
              4 3 2
              (UJ曰.z 曰/60!!)齋銦:R鉑 〇A
               
              020 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360
              4間(min)
              圖4-9 SIDF(90X)與瓜爾豆膠復合溶膠對Vc透過速率的彩響
              Fig.4-9 Effect of SIDF(90%) and guar gum complex sol on the Vc permeation rate
              39
              如表4-4所示,1號液(1)、1號液(2)、1號液(3)、1號液(4)對Vc透過量和透過速 率影響不大。如圖4-9所示,四種復合溶膠的Vc透過量曲線的變化趨勢基本相同,也均有一個 Vc透過高峰,1號液(4)的透過高峰出現在10?50 min, 1號液(3)出現在15?120 min, 1 號液(2)出現在10?30min, 1號液(1)出現在10?60min??梢?,溶膠固形物含量的差異, 并沒有影響Vc的透過速率,說明溶膠對于Vc分子吸附作用較小,Vc分子在溶膠中的擴散只受 溶膠體系的對流和摩擦阻力的影響。
              4_4.2.3 小結
              根據對實驗數據的分析,Vc分子在溶膠中的傳遞過成可以分為四個階段:
              1. 0?10 min為透析袋膜表面游離Vc的透過過程。
              2. 10?60 min為與SIDF (90%)與瓜爾豆膠復合溶膠結合的Vc克服溶膠內部的層間滑移阻力 和對流粘滯阻力,向透析袋膜表面以正常速度擴散,緩慢透過膜的過程。
              3.60?90 min或120 min為Vc克服阻力后向膜外的快速滲透過程。配制型膳食纖維素溶膠結構及傳質特性的研究,另推測此階段由于內外溶 液滲透壓差的作用,有透析袋外液中NaCl溶液滲透進透析袋,使復合溶膠稀釋,黏度降低, 從而導致透過速率增加的可能。
              4. 120?360 min為隨著透析袋內Vc濃度的降低,Vc透過速率再次減小的過程。
              以往的研究資料顯示,純DF會影響維生素的吸收。但從本次實驗結果看,在以上復合溶膠 中Vc的透過速率與對照中Vc的透過規律相近,透過速率差別不大,說明在復合溶膠中葡萄糖透 過速率減緩同時,維生素的透過速率基本不受影響。
              4.4.3 DF對K:透過速率的影響
              4.4.3.1不同DF對K+透過速率的影響
              如表4-5所示,3號液、2號液、1號液(1)對于K:的透過量基本沒有影響,如圖4-10所示, 3號液在透析中前期K+透過速率甚至高于對照,2號液、1號液(1)溶膠,由于溶膠黏度和層間摩 擦阻力的影響,在透析前期K+透過速率低于對照,60 min后透過速率明顯升高??梢?,DF對于 K:的透過速率沒有影響,分析其原因為K*的分子量很小,在克服了開始階段IDF顆粒和SDF溶 膠的對流阻力影響后,完全可以較快的從(懸)液(膠)的間隙透出。
              40
              表4-5不同DF的IC透過速率(ug/m2 • min)
              Tab.4-5 The K+ permeation rate of different dietary fibers 〇ig/m2 ■ min)
              原料K‘溶液3號液2號液i號液⑴
              2min0. 3550.4230.3250.268
              5rain0.1330. 0850.0530.018
              lOmin0. 0390. 0490.0710.017
              15min0. 0330.0610. 0340.009
              20min0.0200. 0880.0190. 007
              透25rain0. 0420.0010.0100. 004
              30min0.0070. 0050.0190.016
              40min0. 0220. 0200.0080. 007
              過50min0.0120.0080. 0080.011
              60min0.0130. 0080.0430.046
              90min0. 0080.0030.0030. 008
              速120min0. 0040.0030. 0050. 009
              150min0. 0040. 0040. 0060. 008
              率180min0.0020.0010. 0010.011
              210min0. 0050. 0040.0010. 005
              240min0. 0020. 0050.0010.001
              270min0.0030.0010. 0090.003
              300min0. 0040. 0010. 0010.004
              330min0.0030.0040. 0090. 006
              360min0.0030. 0060.0050.002
              K+箝液3號液2號液-■-•■1號掖(1)
               
              0908070605040302
              0-0-0-0-0-0-0-0-
              (UTI0 •目/3 n) * 銦:RSJfr錐眾
               
              0.01
              0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360
              時間(min〉
              圖4-10不同DF對過速率的影響
              Fig.4-10 Effect of different dietary fibers on the K+ permeation rate
              41 
              4.4.3.2SIDF(90%)與瓜爾豆膠復合溶膠對K+透過速率的影響
              表4-6 SIDF(90%)與瓜爾豆膠復合溶膠的透過速率(/<g/m2.min)
               
              %
              1號液⑷——1號液⑶ 1號液⑵-•-•i號液⑴
              0504030201
              0-0-0-0-0-
              (•snrz 日/603-)驕銦:R 銜逋敢
               
              Tab.4-6 The K+permeation rate of SIDF(90%) and guar gum complex sol (/<g/m2 • min)
              原料i號液⑷i號液⑶i號液⑵i號液⑴
              2min0.3300.2180. 1850.268
              5min0.0780.0380.0920.018
              lOmin0. 0020.0820.0120.017
              15min0.0690. 0090. 0250,009
              20min0.0190.0190.0160. 007
              透25min0.0070. 0210.0180. 004
              30min0.0160.0030.0110.016
              40min0.0130.0380.0260.007
              過50min0.0200.0120.0020.011
              60min0.0160. 0380.0450.046
              90min0.0140. 0050. 0040.008
              速120min0. 0040. 0050. 0080.009
              150min0.0030.0060.0040.008
              率180min0. 0030. 0030.0110.011
              210min0.0070. 0060. 0050.005
              240min0. 0020.0060. 0050. 001
              270rain0. 0020. 0010.0020.003
              300min0.0020.0000. 0030. 004
              330min0. 0040. 0030. 0040. 006
              360min0. 0060. 0060. 0050.002
              020 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360
              時間(min)
              圖4-11 S1DF(90W與瓜爾豆膠復合溶膠對1C透過速率的影響 Fig.4-11 Effect of SIDF(90%) and guar gum complex sol on the K+ permeation rate
              42
              如表4-6所示,1號液(1)、1號液(2)、1號液(3)、1號液(4) K+的透過速率的差異不 大。
              如圖4-11所示,1號液(1)、1號液(2)、1號液(3)、1號液(4) 1C透過速率曲線的變化 趨勢基本相同,四種溶膠在黏度上的差異,是影響1C透過速率的直接原因,1號液(1)在透析 開始的前60 min, K+透過速率明顯低于1號液(4)可以看出,黏度越高,K’的擴散受到的摩擦 和對流阻力越大,K+透過速率越緩慢,到210 min后,K+克服內部阻力擴散到達透析袋膜表面后, 四種溶膠的透過速率基本保持一致。
              與對Vc透過速率的影響規律相似,在復合溶膠中葡萄糖透過速率減緩同時,K:的透過速率 基本不受影響。
              4.5小結
              通過試驗發現,DF復合溶膠對葡萄糖、Vc、K"擴散和透過性的影響機理可解釋為以下幾點:
              1、DF復合溶膠特有的固、膠、液混合體系,形成了具有剛性筋絡填充其間的三維網狀溶膠 結構,使網絡結構更密實穩定,體系內部質對流、錯位困難,減少了質接觸膜介質的機會,加劇 了類似熱傳遞過程的“邊界層現象”;
              2、溶膠黏度和表面張力較大,能在透析袋表面形成液膜,增大了透析袋表面非攪動層的厚 度和濃差極化現象;
              3、SDF膠團的分枝結構對介質膜孔的堵塞和“污染”,降低了介質的通透量;
              4、復合溶膠體系黏度較高,質的擴散需要克服較髙的內摩擦阻力,使傳質速率下降:
              5、SDF、IDF的膠團、顆粒對葡萄糖的吸附和包埋作用,增大了葡萄糖的擴散阻力;
              6、以上五種影響形式具有協同增效作用,可進一步減緩質向膜外的擴散速率。
              7、對于小分子物質(如Vc、K+),由于混合體系中液相的存在,透過速率基本不受影響。
              43
              第五章.結論和建議
              5.1結論
              配制型膳食纖維素溶膠結構及傳質特性的研究,主要針對現有膳食纖維素產品功能特性欠完 備的問題,利用現有天然纖維素資源,通過多種成分的配制、組合,制備兼有SDF和IDF所具有 的生理功能的高品質膳食纖維材料。
              研究中篩選出了大豆不可溶性膳食纖維素(SIDF)、瓜爾豆膠、果膠作為試驗材料配制復合 溶膠。比較了復合溶膠及單質SIDF (90%)顆粒、瓜爾豆膠、果膠溶膠表面張力、黏度等物化特 性的變化;采用SEM對SIDF (90%)顆粒、瓜爾豆膠、果膠溶膠及其復合溶膠的結構進行了觀 察分析,配制型膳食纖維素溶膠結構及傳質特性的研究,比較了它們在空間結構及溶膠體系穩定性上的差異,探討了溶膠結構與其物化特性及生 理功能的關系:并在此基礎上,模擬小腸內營養物質的吸收消化過程,進行了體外營養物質的質 傳遞試驗,比較了三種不同溶膠(懸液)對葡萄糖、維生素、礦物質傳遞速率的影響總結了在質 溶膠(懸液)中的傳遞規律。通過對實驗結果及現象的分析得到如下結論:
              1、與SIDF (90%)、瓜爾豆膠、果膠單質配制的溶膠和懸液相比較,配制得到的復合溶膠的 物化性質發生了顯著變化。在固形物含量同為2. 5%的幾種溶膠(懸液)中,SIDF(90%丨與瓜爾 豆膠復合溶膠的黏度指標較3種單一成分的算術和高出5. 8倍,SIDF(90%)與果膠復合溶膠的黏 度指綠較3種單一成分的算術和髙出2. 7倍??梢?,復配具有明顯的協同增效作用。
              2、利用SIDF (90%)與瓜爾豆膠(或果膠)配制的復合溶膠,可形成固、膠、液均勻混和 的三維網狀結構,其中SIDF (90%>與瓜爾豆膠復合溶膠的結構更穩定。
              3、 復合溶膠的黏度、表面張力遠遠超過成分構成(可溶與不可溶DF比例)與之相當的市售 SIDF (70%)的指標。SIDF (90%)與果膠復合溶膠黏度為SIDF (70%)的6倍,SIDF (90%) 與瓜爾豆膠復合溶膠為SIDF (70%)的10倍。
              4、DF復合溶膠可大大減緩葡萄糖的擴散速度,與葡萄糖溶液相比,在透析開始的120 min 內平均透過速率降低了 40%?50%。
              5、 DF復合溶膠對分子量較小的維生素(Vc)和礦物質(IO的擴散和透過性的影響不明 顯。
              6、DF復合溶膠影響質傳遞速率主要是其特有的固、膠、液混合體系結構所致。對于大分 子物質,體系內部對流、錯位困難,減少了質與膜介質接觸的機會:相對致密的均勻體系中傳質 摩擦力增加;復合溶膠的吸附和包埋作用束縛了質的運動;髙黏度和表面張力,能在介質表面形 成液膜加劇“濃差極化”現象:膠團的分枝結構對微孔的堵塞和“污染”,降低了介質的通透量, 從而導致大分子物質在體系中擴散和透過速度下降•而對于小分子物質(如Vc、1〇,由于混合 體系中液相的存在,透過速率基本不受影響。
              7、實驗研究發現,配制型DF的物性及功能較天然膳食纖維優異、完備,較其他改性方法制 備的DF產品工藝更簡單、易控。
              44 
              5.2建議
              分析本次研究后建議,今后在與之相關的研究中應開展以下幾方面工作:
              1、配制過程可采用均質等手段,進一步提高固、膠、液混合體系均勻化程度,強化IDF顆 粒與SDF溶膠的粘€效果。
              2、小腸中的質傳遞過程多為主動轉運而非簡單的滲透透過,今后的研究中應進一步模擬動 態、有(靜)壓傳質過程,考核復合溶膠的動態質傳遞效果。
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