香蕉不溶性膳食纖維的理化特性與通便功能研究

王 娟,汪雨亭,楊公明

(1.華南理工大學食品科學與工程學院,廣東廣州 510641;2.華南農(nóng)業(yè)大學食品學院,廣東廣州 510642)

香蕉不溶性膳食纖維的理化特性與通便功能研究

王 娟1,2,汪雨亭1,楊公明2

(1.華南理工大學食品科學與工程學院,廣東廣州 510641;2.華南農(nóng)業(yè)大學食品學院,廣東廣州 510642)

研究香蕉不可溶膳食纖維(IDF)的理化性質(zhì),通過動物實驗評價其通便功能。結(jié)果表明,香蕉IDF的持水力、膨脹力和容積密度分別為11.91 g/g,9.66 mL/g和0.345 g/mL,電鏡觀察IDF為長條片狀纖維,結(jié)晶度為66.14%。香蕉IDF的單糖組分包括鼠李糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖和葡萄糖。小鼠通便實驗結(jié)果表明,香蕉IDF具有通便功能,在4 g/(kg·BW·d)的喂飼劑量下,具有促進便秘模型小鼠小腸蠕動的作用;在1 g/(kg·BW·d)的劑量下,顯示出縮短首便時間、加快排便速度的效果。香蕉IDF對小鼠糞便含水量有顯著影響,并且呈現(xiàn)量效關(guān)系。研究得出，香蕉不可溶性膳食纖維具有潤腸通便作用。

香蕉,不可溶膳食纖維,理化特性,通便功能

膳食纖維(Dietary fiber,DF)是指不能被人體消化的可食性碳水化合物及其類似物,這些物質(zhì)不能被小腸消化吸收,但在大腸中可全部或部分發(fā)酵,其成分包括多糖、低聚糖、木質(zhì)素或與之相締合的植物成分。膳食纖維包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、果膠、樹膠和抗性淀粉等[1]。研究表明,膳食纖維能夠平衡人體營養(yǎng)、調(diào)節(jié)機體機能,并對便秘、結(jié)腸癌、糖尿病、肥胖癥、冠狀動脈粥樣硬化等多種疾病具有明顯的預防和改善作用[2]。根據(jù)溶解性不同,膳食纖維可分為水溶性膳食纖維(SDF)和水不溶性膳食纖維(IDF),不溶性膳食纖維包括纖維素、木質(zhì)素和部分半纖維素,有助于胃腸蠕動,具有防治便秘的功能[3]。便秘是一種容易被忽視的疾病,但對身心健康的影響很大。隨著相關(guān)科學研究的深入發(fā)展,香蕉豐富的營養(yǎng)價值和良好的保健作用已越來越受到人們的重視。香蕉具有潤腸通便的功能,但生效物質(zhì)及作用機理尚未清晰。王娟等報道了香蕉低聚糖、抗性淀粉的潤腸通便功能[4-5],本文以香蕉不可溶膳食纖維為研究對象,通過動物實驗考察其通便功能。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

香蕉(Musa AAB group,Plantain Subgroup) 購于農(nóng)貿(mào)市場;單糖標準品 Sigma公司,色譜純;其他生物化學試劑 均為分析純;復方地芬諾酯 常州康普藥業(yè)有限公司;實驗動物 50只雄性SPF級昆明鼠,購于廣東省醫(yī)學實驗動物中心,動物許可證號SCXK 2003-0002,2007A006;淀粉酶(480 U/g)、糖化酶(300 U/mL)、蛋白酶(500 U/g) 諾維信公司。

P/ACETMMDQ毛細管電泳分析儀 美國貝克曼公司;Vector 33傅里葉變換紅外光譜儀 德國Bruker公司;D/max-IIIA全自動X射線衍射儀 日本理學公司;FEI-XL30環(huán)境掃描電子顯微鏡 飛利浦;打漿機 美的公司;熱風干燥機、真空冷凍干燥機 廣東省農(nóng)機所;離心機 上海安亭科學儀器廠。

1.2 香蕉粉的制備方法

香蕉→去皮→打漿→熱風干燥(100 ℃,8 h)→粉碎→過80目篩→香蕉粉

1.3 香蕉IDF的制備

香蕉→去皮→打漿→溫水洗滌(洗去糖分)→離心分離→棄上清液,取沉淀加入淀粉酶酶解(酶用量0.2%,50 ℃,pH=4,2 h)→高效糖化酶酶解(酶用量0.2%,50 ℃,pH=4,2 h)→冷卻→離心分離→棄上清液,沉淀加入1∶1的蒸餾水→加入蛋白酶酶解(酶用量0.2%,50 ℃,pH=7,2 h)→離心分離→沉淀→真空凍干→IDF

1.4 香蕉粉和香蕉膳食纖維理化特性研究

1.4.1 持水力的測定 稱取0.1 g試樣于燒杯中,加入過量的蒸餾水浸泡60 min,用濾紙瀝干多余水分,轉(zhuǎn)移到表面皿中稱量,計算持水力(WHC)[6]。

式中,m1-樣品濕重(g);m2-樣品干重(g)。

1.4.2 膨脹力的測定 稱取試樣0.1 g并置于10 mL量筒中,讀取試樣體積,準確加入5 mL蒸餾水,振蕩均勻后放置24 h,讀取試樣膨脹后的體積,計算膨脹力(WBC)[6]。

式中,V1-膨脹后試樣體積(mL);V-干品體積(mL);M-樣品干重(g)。

1.4.3 容積密度的測定 取一定量試樣放入量筒，讀出體積(mL)，稱重得到質(zhì)量(g),試樣質(zhì)量與體積的比值，即為容積密度(g/mL)。

1.4.4 形貌的觀察 將少量香蕉粉和IDF樣品懸液滴于載玻片上,蓋上蓋玻片,放入顯微鏡樣品臺,觀察和記錄香蕉粉和香蕉膳食纖維的形貌。

1.4.5 晶體X-射線衍射分析 采用X-射線衍射儀進行分析,檢測條件如下:掃描范圍為2θ=4～60 °,采用Cu 靶,石墨單色器、40 kV、20 mA,掃描速度為24 °/min。

1.4.6 紅外吸收光譜分析(FT-IR) 取少量香蕉不溶性膳食纖維,用KBr壓片,紅外吸收光譜掃描波數(shù)4000～400 cm-1。

1.4.7 香蕉不溶性膳食纖維的單糖組成分析 用三氟乙酸將IDF水解成單糖,利用毛細管電泳測定單糖的組分和相對含量[7],實驗條件如下:毛細管75 μm×55 cm,進樣時間0.5 Psi,5 s;檢測器UV 214 nm,分離電壓20 kV,分離溫度24 ℃,泳動液(運行緩沖液)為150 mmol/L硼酸-50 mmol/L磷酸鈉緩沖液(pH7.0)。

1.5 香蕉不可溶膳食纖維(IDF)通便功能動物實驗

參照《保健食品檢驗與評價技術(shù)規(guī)范實施手冊》(2003)中的“通便功能檢驗方法”。

設(shè)置高、中、低3個劑量IDF處理組,灌胃劑量分別為4、2和1 g/(kg·BW·d)。

1.5.1 小腸運動實驗 小鼠隨機分為空白組、模型組和高、中、低藥劑組,每組10只。經(jīng)口灌胃給予香蕉IDF,空白組和模型組灌胃蒸餾水,全部小鼠均以普通飼料喂飼。

1.5.1.1 小鼠體重和每日進食量的測定 每天于第一次灌胃前稱量小鼠體重(精確到0.1 g),據(jù)此計算每日灌胃量。

每天固定給每籠小鼠一定量的鼠糧(50.0 g),于次日同一時間稱量剩余鼠糧重量(精確到0.1 g),計算小鼠每日平均進食量。

1.5.1.2 小鼠便秘模型建立 給予受試樣品7 d后,各組小鼠禁食不禁水24 h。模型對照組和3個實驗組灌胃給予復方地芬諾酯(5 mg/kg·BW),空白對照組灌胃相同體積蒸餾水。

1.5.1.3 指標的測定 給予復方地芬諾酯0.5 h后,劑量組分別給予含相應受試樣品的墨汁(含5%的活性炭粉、10%阿拉伯樹膠),空白和模型對照給予墨汁灌胃。25 min后立即脫頸椎處死動物,取小腸,測量腸管長度為“小腸總長度”,自幽門至墨汁前沿為“墨汁推進長度”。按以下公式計算墨汁推進率:

1.5.2 排便時間、糞便粒數(shù)和糞便重量的測定 模型對照組和3個實驗組灌胃給予復方地芬諾酯(10 mg/kg·BW),空白對照組給予蒸餾水。給予復方地芬諾酯0.5 h后,香蕉IDF處理組分別給予含相應受試樣品的墨汁,空白和模型對照給予墨汁灌胃。從灌胃墨汁開始,記錄每只小鼠首粒排黑便時間,每3 h內(nèi)的排便粒數(shù)及重量,6 h內(nèi)的排便總粒數(shù)及重量,觀察記錄糞便性狀(大小、軟硬程度等)。每組各取3個樣品測定糞便含水量。

1.5.3 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果判定 進行方差齊性檢驗,計算F值,F值

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用SAS(Statistical Analysis System)v8.1軟件分析實驗數(shù)據(jù)

2 結(jié)果與分析

2.1 香蕉膳食纖維的理化特性

2.1.1 物性指標 由表1可知,香蕉IDF的持水力、膨脹力、容積密度分別為11.91 g/g,9.66 mL/g和0.345 g/mL。香蕉原粉、IDF都有較好的持水力和膨脹力。

表1 香蕉膳食纖維的物性指標Table 1 Physical characters of banana IDF

2.1.2.1 香蕉膳食纖維顆粒形貌的觀察 從圖1可知,香蕉粉呈團狀物,互相包裹(圖1A);IDF顯示為分散物,呈分散片狀(圖1B)。由圖1(C)和圖1(D)可知,香蕉粉中有包裹著的不規(guī)則的卵圓形淀粉顆粒,而IDF圖形則顯示出長條片狀纖維,且纖維片上均勻分布有孔洞,推測纖維素上的這些孔洞是其具有較好網(wǎng)孔吸附作用的原因,這可能是膳食纖維具有吸附膽固醇、重金屬及有毒物質(zhì)等生理功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

表2 小腸運動實驗中香蕉IDF對小鼠體重和進食量的影響Table 2 Effects of banana IDF on the body weights and food intake of mice during the small intestine movement experiment

圖1 香蕉粉與香蕉不可溶膳食纖維的顯微結(jié)構(gòu)Fig.1 Microscopic structure of banana powder and banana IDF

2.1.2.2 香蕉IDF結(jié)晶結(jié)構(gòu)分析 由圖2可知,香蕉IDF在掃描角度17.7°和21.1°處有強衍射峰,其結(jié)晶度為66.14%。

圖2 香蕉IDF的X-衍射圖Fig.2 X-diffraction diagram of banana IDF

2.1.2.3 香蕉IDF的紅外吸收性質(zhì) 結(jié)合Virkki、Proniewicz文獻[8-9]對不可溶膳食纖維的紅外光譜分析,香蕉IDF的紅外光譜(圖3)中,3448cm-1是羥基的特征吸收峰,2930cm-1和2960cm-1是CH2的吸收,1642cm-1是C=O的吸收峰,1104cm-1和1049cm-1是C-O的伸縮振動。根據(jù)KacUráková文獻[10]可知，1035cm-1為葡萄糖的特征吸收,895cm-1是β糖苷鍵的特征吸收,圖3中有1035cm-1及895cm-1的吸收峰,表明構(gòu)成香蕉IDF的單糖中有β型葡萄糖。

圖3 香蕉IDF的紅外光譜Fig.3 IR chart of Banana IDF

2.1.2.4 香蕉IDF的單糖組成分析 香蕉IDF的單糖組成中含量最高的是葡萄糖(81.4%),其次為鼠李糖(5.6%)、阿拉伯糖(5.2%)、半乳糖(5.2%)和木糖(5.2%)。

2.2 香蕉IDF通便功能研究

2.2.1 小腸運動實驗 經(jīng)口給予各組小鼠不同劑量的IDF 7 d,飼養(yǎng)期間空白組、模型對照組與各藥劑組小鼠的糞便均為橢圓形、粒狀便;各藥劑組動物均未出現(xiàn)腹瀉現(xiàn)象,糞便的形態(tài)均為黑褐色顆粒狀,肉眼可見藥劑組小鼠的糞便與對照組的相比稍軟、體積較大,糞便濕潤度較高,感官正常。實驗期間各組動物的飲食和活動正常,香蕉IDF處理組小鼠的精神狀態(tài)與健康狀況良好。

表3 香蕉IDF對小腸墨汁推進率的影響 Table 3 Effects of banana IDF on the activated carbon suspension solution advance ratio

表4 排便情況實驗中香蕉IDF對小鼠體重和進食量的影響Table 4 Effects of banana IDF on the body weight and food intake of mice in defecation experiment

表5 香蕉IDF對小鼠首便時間及糞便含水量的影響Table 5 Effects of banana IDF on the time of the first black dejecta and the dejecta moisture content

表6 香蕉IDF對小鼠糞便粒數(shù)及重量的影響Table 6 Effects of banana IDF on dejecta granules and their weight in mice

由表2可知,小腸運動實驗期間各組小鼠初始體重和最終體重均無顯著差異。說明在實驗期限內(nèi)IDF在控制體重增長、緩解肥胖癥方面的效果不明顯。實驗期間,各組小鼠每日進食量差異不顯著,表明IDF對小鼠食欲的影響不顯著。

由表3可知,與空白組相比,模型組的墨汁推進率顯著降低(p<0.05),表明復方地芬諾酯造便秘模型成功。與模型組相比,香蕉IDF高劑量組的墨汁推進率顯著增大(p<0.05),而中、低劑量組與模型組的差異不顯著,表明高濃度IDF具有促進便秘模型小鼠小腸蠕動的作用。

2.2.2 排便情況實驗 由表4可見,排便情況實驗的7 d周期內(nèi),5個組小鼠的初始體重無顯著差異;雖然中、高劑量組小鼠的最終體重低于空白組小鼠,但差異未達到顯著程度,說明IDF對控制體重增長有一定的作用,但較空白組的體重增長差異尚未顯著。后續(xù)需要繼續(xù)進行更長時間的香蕉IDF干預實驗,以判斷在其控制體重增長方面的效果。

由表5可知,與空白組相比,模型組小鼠首粒黑便排出時間顯著延長(p<0.05),表明造模成功;與模型組相比,三個香蕉IDF處理組首便時間均顯著縮短(p<0.05),表明香蕉IDF能夠改善復方地芬諾酯誘導的便秘模型小鼠的癥狀。與模型相比,中、高劑量組小鼠的糞便含水量差異顯著,小鼠糞便含水量分別比模型組高了25.7%和36.7%。可能是由于IDF吸水性強的物理性質(zhì),因此吸水增容可能是IDF通便的原因之一。

由表6可知,3、6 h的糞便粒數(shù)及重量在空白組、模型組、3個劑量組之間均無顯著差異,表明香蕉IDF對小鼠的排便粒數(shù)及糞便重量無顯著影響。

3 結(jié)論

香蕉不可溶性膳食纖維具有潤通通便效果,能夠加快腸道蠕動,縮短首便時間。同時,香蕉IDF在體內(nèi)顯示出良好的吸水效果,能夠增加小鼠糞便含水率。

課題組前期報道過關(guān)于香蕉低聚糖、抗性淀粉的通便功能[4-5],動物實驗顯示出香蕉的低聚糖、抗性淀粉與不可溶性膳食纖維均具有促進排便的功能,但是發(fā)揮作用的生效劑量不同。后續(xù)還將報道香蕉可溶性膳食纖維的通便實驗相關(guān)研究結(jié)果。這些研究是了解香蕉潤腸通便的物質(zhì)基礎(chǔ),為香蕉功能食品的開發(fā)利用奠定了基礎(chǔ)。后期還將繼續(xù)研究香蕉活性成分通便功能的作用機理。

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Research on the physicochemical characteristics and laxative effects of insoluble dietary fiber from bananas

WANG Juan1,2,WANG Yu-ting1,YANG Gong-ming2

(1.School of Food Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510641,China;2.College of Food Science,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)

The properties and laxative effects of banana insoluble dietary fiber(IDF)were investigated in this study. Results showed that the water holding capacity,swelling capacity,and volume density of IDF were 11.91 g/g,9.66 mL/g,and 0.345 g/mL respectively. The crystallinity of banana IDF was 66.14%. Banana IDF was bar fiber under scanning electron microscopy. IDF from bananas was constituted by rhamnose,galactose,xylose,arabinose,and glucose. It was discovered by animal experiments that banana IDF had laxative effects. Banana IDF at dose 4 g/(kg·BW·d)was able to accelerate the movement of the small intestine and was effective in shortening the time to the first black dejecta and quickening catharisis at the dose of 1 g/(kg·BW·d). Banana IDF significantly impacted the dejecta moisture content of mice,and the moisture content was positive correlated to IDF-dose. In conclusion,banana IDF had laxative effects.

banana;insoluble dietary fiber;physicochemical characteristics;laxative effect

2016-07-05

王娟(1981-)，女，博士，副研究員，研究方向：食品科學與工程，E-mail：wangjuan@scut.edu.cn。

國家自然科學基金項目(31301530)；中央高校基本科研業(yè)務費項目(2015ZZ122)。

TS255.1

A

1002-0306(2017)02-0337-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.02.057