膳食纖維與水的相互作用與其組分和顆粒結構的相關性研究

陶建明 顏才植 趙國華，2

(1. 西南大學食品科學學院，重慶 400715；2. 重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶 400715)

膳食纖維是食品中存在的一類不可在小腸內消化吸收，但可在大腸內適度發酵而利用的以非消化性碳水化合物為主體的食物成分，廣泛存在于各類植物性食品中，具有預防結腸癌、控制血糖水平、降低心血管疾病發病率、預防和減輕肥胖等系列生理功能。自1953年Hipsley[1]提出膳食纖維的概念以來，膳食纖維對人體的不可或缺性被廣泛證實。尤其在食品加工越來越精細的大背景下，膳食纖維的缺乏已被認為是人類代謝性慢性疾病發病的主要誘因。綜合膳食纖維的功能發揮，其主要通過自身營養特性、物理作用、生物學3個機制實現。

與水的相互作用是膳食纖維通過物理吸附機制發揮其生物活性的主要基礎。從理論上講，膳食纖維與水相互作用的強弱是由其化學組分(總膳食纖維、水溶性膳食纖維與水不溶性膳食纖維)和物理結構所共同決定的[2-4]。化學組成決定了膳食纖維可結合水分基團的數量與種類，如羥基、羧基等；而膳食纖維顆粒的物理結構決定了上述基團的暴露程度以及利用微細空間對水分的毛細管持留作用[5-6]。就測定方法而言，膳食纖維與水的相互作用可分為水合性質(與過量水直接接觸)與吸濕性質(與有限的水蒸氣接觸)。水合性質一方面直接決定膳食纖維諸如防止便秘等功能[7]，另一方面還與膳食纖維的容積作用等功能性質密切相關，從而間接影響膳食纖維的其他生理功能[8]。而吸濕性質決定膳食纖維在特定環境下吸潮而結塊的特性[8-9]。但目前有關膳食纖維與水相互作用的強度與其組分和顆粒結構關系的研究甚少，缺乏系統性并且極少考慮膳食纖維種類對其功能性質的影響。試驗擬以3個類別(食用菌、糧谷、果蔬)下40種常見植物性食物來源的膳食纖維粉體為研究對象，探究膳食纖維粉體與水的相互作用與其組分和顆粒結構的關系，以期為開發特性功能的膳食纖維食品配料提供支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

香菇、大麥、燕麥、玉米、小麥、白蕓豆、胡蘿卜、芹菜、甘薯、蘆薈、海帶、大蒜、甘蔗、西瓜皮、車前子、蘋果皮、石榴皮和柑橘皮膳食纖維：陜西慈緣生物技術有限公司；

杏鮑菇、平菇、黑木耳、金針菇、蕎麥、糯玉米、綠豆、黑芝麻、紅豆、黑豆、荷葉、卷心菜、藕、生姜、四季豆、香芋、南瓜、蔥皮、山楂、竹筍和辣椒膳食纖維：參照文獻[9]制備。

1.2 試劑與儀器

α-淀粉酶(A3306)：酶活3×104U/mL，美國Sigma公司；

胰酶(P7545)：酶活8 U/mg，美國Sigma公司；

胃蛋白酶(P7000)：酶活>250 U/mg，美國Sigma公司；

其他試劑均為分析純；

低溫氮氣物理吸附儀：ASAP2020型，美國麥克儀器有限公司；

電子分析天平：BS223S型，德國賽多利斯集團。

1.3 方法

1.3.1 膳食纖維粉體結構表征 參考Foo等[10]的方法進行。

1.3.2 總膳食纖維(TDF)、水溶性膳食纖維(SDF)與水不溶性膳食纖維(IDF)的測定 采用酶—重量法測定樣品中的SDF和IDF[11]。樣品中的總膳食纖維(TDF)按照TDF=IDF+SDF計算獲得。

1.3.3 膳食纖維持水力的測定 參考Zhang等[12]的方法修改如下: 準確稱取10 g干燥后的膳食纖維粉末放入50 mL離心管中，再加入20 mL蒸餾水，振蕩均勻，在60 ℃下水浴保育30 min后，自然冷卻20 min，以4 000 r/min離心10 min，小心傾去上清液，計重管內沉淀量。按式(1)計算持水力。

(1)

式中：

WHC——持水力，g/g；

M1——吸水前粉末質量，g；

M2——吸水后粉末質量，g。

1.3.4 膳食纖維膨脹力的測定 根據文獻[12]。

1.3.5 膳食纖維粉吸濕性的測定 采用靜態稱量法[13]。將底部盛有NaCl過飽和溶液的玻璃干燥器放入恒溫培養箱中25 ℃恒溫24 h，此時干燥器內的相對濕度為75%。在已恒重的稱量瓶底部放入厚約3 mm已干燥恒重的膳食纖維粉體，準確稱重后置于放入有NaCl過飽和溶液的干燥器中(將稱量瓶蓋揭開)，于恒溫培養箱中25 ℃ 保存，每小時稱量一次，直至吸濕平衡為止。按式(2)計算吸濕率。

(2)

式中：

MA——吸濕率，%；

W1——吸濕前質量，g；

W2——吸濕后質量，g。

參考杜若飛等[14]與皮佳鑫等[15]的方法得到膳食纖維粉的吸濕方程。以時間為橫坐標，累積吸濕率為縱坐標，繪制吸濕性曲線。對各樣品的吸濕曲線的數據進行二項式回歸擬合，得到吸濕方程：

W=at2+bt+c，

(3)

式中：

W——吸濕率，%；

t——時間，h；

a、b、c——常數。

對吸濕方程進行一階求導得到吸濕速度方程：

r=dw/dt=2at+b，

(4)

式中：

r——t時刻的吸濕速度，g/h；

a、b——常數。

開始時刻t=0，此時對應為初始吸濕速度r(0)=b(g/h)；達到吸濕平衡時，吸濕速度為0，則達到吸濕平衡的時間為t′=-b/2a(h)，此時，樣品的最大平衡吸濕率(%)為w′=at′2+bt′+c。

1.3.6 數據分析 所有試驗重復測定3次。結果用(平均值±標準誤差)表示。相關性分析結果采用Pearson相關系數表示。Pearson相關系數介于1～-1，正值為正相關，負值為負相關，當為0時表示不相關。在進行相關性分析之前，所有數據采用z-score法進行標準化。即Z=(Xi-x)/S。其中Z為標準化后的變量值(標準分)，Xi為實際變量值，x為算數平均值，S為標準差。

2 結果與分析

2.1 膳食纖維粉的水合性質

表1給出了40種膳食纖維粉的持水力和膨脹力的測定結果。就持水力而言，不同膳食纖維粉之間差異較大，最高的為黃豆膳食纖維(11.78 g/g)，最低的為玉米膳食纖維(2.24 g/g)。從類別上來看，食用菌膳食纖維(5.17 g/g)和果蔬膳食纖維(5.10 g/g)具有較高的持水力，而糧谷類膳食纖維具有較低的持水力(4.28 g/g)。從同一類別中不同品種之間的相似度來看，來自不同食用菌的膳食纖維的持水力較為接近，其極差(2.32 g/g)僅為平均值0.45倍；其次是果蔬膳食纖維，其極差(6.19 g/g)為平均值的1.21倍；品種差異最大的為糧谷類，其極差(9.54 g/g)為平均值的2.23倍。

就膨脹力而言，不同膳食纖維粉之間差異也很大，最高的為海帶膳食纖維(9.23 mL/g)，最低的為黑芝麻膳食纖維(0.47 mL/g)。從類別上來看，食用菌膳食纖維(3.28 mL/g)和果蔬膳食纖維(3.26 mL/g)具有較高的膨脹力，而糧谷類膳食纖維具有較低的膨脹力(2.52 mL/g)。從同一類別不同品種之間的相似度來看，來自不同食用菌的膳食纖維的膨脹力較為接近，其極差(1.92 mL/g)僅為平均值0.59倍；其次是果蔬膳食纖維，其極差(8.04 mL/g)為平均值的2.47倍；品種差異最大的為糧谷類，其極差(7.42 mL/g)為平均值的2.94倍，與Tosh等[16]及Gómez-Ordóez等[17]的結果一致。

持水力和膨脹力分別反映膳食纖維粉與過量水分相互作用產物的質量與體積的變化情況，它們之間既有區別又有聯系。統計分析發現膳食纖維粉的持水力和膨脹力之間存在著良好的相關關系，達到了極顯著水平(r=0.705)(圖1)。圖1中，雖然所有膳食纖維的數據點都落在了99%置信度區間之內，但不同膳食纖維的相關程度各有差異。相比較之下，海帶膳食纖維、黑豆膳食纖維、蘆薈膳食纖維和燕麥膳食纖維處在置信度區間的邊緣區域。表明膳食纖維粉持水力和膨脹力的相關性水平無明顯的種類依賴性。而以前的報道[4]發現IDF/SDF的比例越高的膳食纖維在吸水時發生體積膨脹的程度越小。可能是水不溶性膳食纖維中聚合物分子之間的作用力很強，水分的進入并不能使這些作用力明顯弱化而使水不溶性膳食纖維顆粒的結構變得松散。當然，膳食纖維的制備方法[18]、水合性質測量方法[19]、原料來源屬性[20]等都會對其測定獲得的水合性質有影響。綜合本試驗結果和以前的報道，影響膳食纖維水合性質的因素主要包括：① 顆粒表面的水結合位點(親水基團的類型、數量、密度)分布情況[2]；② 顆粒的孔隙結構以及“蜂巢”結構對水分子的捕獲和束縛能力[21]；③ 顆粒中IDF與SDF的含量和比例不同以及它們在顆粒中的分布狀況[22]；④ 水合能力測定的試驗方法和條件[21,23]。

表1 40種膳食纖維粉的持水力和膨脹力?Table 1 Water holding capacity and water swelling capacity of forty dietary fiber powders

? 食用菌、糧谷及果蔬持水力的極差/平均值分別為2.32/5.17，9.54/4.28，6.19/5.10；膨脹力的極差/平均值分別為1.92/3.28，7.42/2.52，8.04/3.26。

圖1 40種膳食纖維粉持水力和膨脹力的相關性分析

Figure 1 Correlation analysis between the water holding capacity and water swelling capacity of forty dietary fiber powders

2.2 膳食纖維粉的吸濕性質

表2是在25 ℃、相對濕度為75%的封閉環境中，各類膳食纖維粉顆粒和水蒸氣相互作用，粉體逐漸吸收水分至飽和的情況。對比40個樣品的累積吸濕曲線圖，以香菇、小麥和生姜為例(圖2)，可以看出所有吸濕曲線具有一致的規律，即隨著時間的推移，累積吸濕率不斷增大，最后趨于穩定；吸濕速率由大變小，最后趨于零。在此過程中，膳食纖維粉被蒸汽所包圍，對水蒸氣的吸附和脫附過程同時進行。初始階段，粉體水分含量極低，對水蒸氣吸附速率遠大于脫附速率，粉體開始吸水增重；隨著粉體水分含量的逐漸增加，吸附速率逐漸變小，脫附速率逐漸變大，兩者間的速率差逐漸減小；最終，吸附速率與脫附速率相等，達到動態平衡，粉體水分含量不再增加，粉體處于近似恒重的狀態。就平均初始吸濕速率來看，食用菌膳食纖維最高(0.026 3 g/h)，而糧谷類(0.018 3 g/h)和果蔬類(0.018 4 g/h)膳食纖維相當；平均最大吸水率的大小順序是食用菌類(0.140 0 g/g)>果蔬類(0.111 4 g/g)>糧谷類(0.099 8 g/g)。相關分析發現，初始吸濕速率與平衡時間(r=-0.274)、初始吸濕速率與最大吸濕率(r=0.067)以及平衡時間與最大吸濕率(r=0.025)之間的相關都達不到顯著水平。但很顯然，膳食纖維的吸濕率比其持水力低很多，可能是膳食纖維的吸濕性主要依靠其能結合水的極性基團的數目，而持水力還與膳食纖維中的孔隙結構等密切相關。前者主要靠化學吸附，而后者還包括大量的物理吸附與持留[5]。相關分析發現，持水力與初始吸濕速率(r=-0.088)、平衡時間(r=-0.121)以及最大吸濕率(r=-0.243)之間的相關也不顯著；同樣膨脹力與初始吸濕速率(r=-0.183)、平衡時間(r=0.038)以及最大吸濕率(r=-0.167)之間的相關也不顯著。

圖2 部分膳食纖維粉的累積吸濕曲線

Figure 2 The cumulative hygroscopic curve of some dietary fiber powders

2.3 膳食纖維粉的組成

表3給出了40種膳食纖維粉IDF、SDF和TDF含量。就平均水平而言，糧谷類膳食纖維粉中TDF的含量最低(43.44 g/100 g)，果蔬類膳食纖維粉的TDF居中(63.48 g/100 g)，而食用菌類膳食纖維粉具有最高的TDF(81.30 g/100 g)。就膳食纖維的組成情況來看，按平均SDF占比的情況三類原料的排序是糧谷類膳食纖維粉(37.0 g/100 g)>果蔬類膳食纖維粉(29.2 g/100 g)>食用菌膳食纖維粉(18.2 g/100 g)。這與陳龍等[2]的報道一致，也就是食用菌膳食纖維中的SDF含量要遠小于IDF含量。β-葡聚糖是食用菌膳食纖維的主要成分[24]，但食用菌中的β-葡聚糖基本為水不溶性[25]。由表3可以看出，對絕大多數膳食纖維而言，其IDF的量遠高于SDF的量。雖然有報道[26]認為SDF比IDF水溶性更好，生物利用率更高，但也有人認為良好的膳食纖維應該是IDF和SDF的比例在一定范圍內，膳食纖維中SDF含量高于10%，并且IDF與SDF的比例在為3∶1的膳食纖維是高品質的膳食纖維，過高或過低的SDF占比對其功能發揮都不利。

表2 40種膳食纖維粉的吸濕特性?Table 2 Hygroscopic properties of forty dietary fiber powders

續表2

樣品來源擬合吸濕方程一階方程(吸濕速率方程)初始吸濕速率/(g·h-1)平衡時間/h最大吸濕率/%胡蘿卜y=-0.000 7x2+0.019 3x-0.007 5y=-0.001 4x+0.019 30.019 313.790.125 5甘薯y=-0.000 9x2+0.019 5x-0.001 2y=-0.001 8x+0.019 50.019 510.830.104 4生姜y=-0.001 7x2+0.031 3x+0.019 9y=-0.003 4x+0.031 30.031 39.210.164 0藕y=-0.000 6x2+0.016 9x-0.003 6y=-0.001 2x+0.016 90.016 914.080.115 4香芋y=-0.000 7x2+0.020 3x-0.003 5y=-0.001 4x+0.020 30.020 314.500.143 7蘆薈y=-0.000 5x2+0.011 0x+0.002 6y=-0.001 0x+0.011 00.011 011.000.063 1大蒜y=-0.000 6x2+0.016 1x-0.006 7y=-0.001 2x+0.016 10.016 113.420.101 3海帶y=-0.000 4x2+0.010 8x+0.000 3y=-0.000 8x+0.010 80.010 813.500.073 2甘蔗y=-0.000 7x2+0.018 6x-0.004 7y=-0.001 4x+0.018 60.018 613.290.118 9蔥皮y=-0.001 4x2+0.026 4x+0.013 6y=-0.002 8x+0.026 40.026 49.430.138 1竹筍y=-0.000 5x2+0.014 8x+0.000 4y=-0.001 0x+0.014 80.014 814.800.109 9四季豆y=-0.000 4x2+0.012 9x-0.000 3y=-0.000 8x+0.012 90.012 916.130.104 0車前子y=-0.000 6x2+0.012 3x+0.001 1y=-0.001 2x+0.012 30.012 310.250.064 1南瓜y=-0.000 7x2+0.022 3x-0.006 0y=-0.001 4x+0.022 30.022 315.930.171 6山楂y=-0.001 1x2+0.025 5x-0.003 6y=-0.002 2x+0.025 50.025 511.590.144 2辣椒y=-0.000 7x2+0.015 4x+0.006 0y=-0.001 4x+0.015 40.015411.000.090 7西瓜皮y=-0.000 7x2+0.013 3x+0.009 3y=-0.001 4x+0.013 30.013 39.500.072 5蘋果皮y=-0.000 7x2+0.014 5x-0.001 3y=-0.001 4x+0.014 50.014 510.360.073 8柑橘皮y=-0.000 8x2+0.023 8x-0.008 6y=-0.001 6x+0.023 80.023 814.880.168 4石榴皮y=-0.000 8x2+0.015 9x-0.000 4y=-0.001 6x+0.015 90.015 99.940.078 6

? 食用菌、糧谷及果蔬的初始吸濕速度分別為(0.026 3±0.007 8)a，(0.018 3±0.008 8)b，(0.018 4±0.005 8)bg/h；平衡時間分別為(10.78±0.61)a，(10.6±1.48)a，(12.21±2.27)ah；最大吸濕率分別為(0.140 0±0.041 6)%a，(0.099 8±0.044 4)%b，(0.111 4±0.033 9)%ab；同一指標上標字母不同表示具有顯著性差異(P<0.05)。

表3 40種膳食纖維粉的IDF、SDF和TDF含量?Table 3 IDF, SDF and TDF contents of forty dietary fiber powders g/100 g Dry Weight

? 食用菌、糧谷及果蔬IDF的極差/平均值分別為11.87/66.52，47.58/27.37，78.96/44.97；SDF的極差/平均值分別為22.78/14.78，28.74/16.07，43.09/18.51；TDF的極差/平均值分別為29.32/81.30，61.93/43.44，70.00/63.48。

2.4 膳食纖維顆粒的顆粒結構

粒度大小、比表面積、孔體積和孔徑是反映膳食纖維粉顆粒結構的幾個重要參數。40種膳食纖維粉的顆粒結構的具體參數見文獻[9]。從比表面積來看，不同來源的膳食纖維粉按類別分，呈現“果蔬類(平均值1.09 m2/g)>糧谷類(平均值0.84 m2/g)>食用菌類(平均值0.46 m2/g)”的規律，但膳食纖維粉的孔體積和平均孔徑與其種類來源無明顯的關系。研究[27-28]發現不同膳食纖維粉的平均粒徑大小是有差異的，可能與原料來源、生產方法、IDF/SDF比例、產品純度等一系列因素相關。除此之外，膳食纖維粉的表面不是平整的，存在著諸多的裂縫、凹槽或溝壑，且這些孔道的結構和大小是存在差異的。這些結構上的差異就導致不同膳食纖維粉具有不同的流動性。研究[9]發現粒徑與膳食纖維粉的休止角之間顯著負相關，而比較面積和孔體積與膳食纖維粉的休止角之間顯著正相關。

2.5 膳食纖維粉體與水分的相互作用與其組分和顆粒結構的相關關系

表4給出了膳食纖維粉與水分的相互作用與其組分(IDF、SDF、TDF)和顆粒結構(粒徑、徑距、比表面積、孔容、孔徑)之間的相關關系。

在水合性質(持水力、膨脹力)中，就粉體的組成而言，膳食纖維的持水力與其IDF(r=0.353)和SDF(r=0.300)的含量呈顯著正相關，與其TDF含量(r=0.458)呈極顯著正相關；膨脹力與IDF和SDF呈正相關，但相關不顯著，與TDF呈顯著正相關(r=0.324)。從相關系數的大小得出，IDF對膳食纖維持水力的影響大于SDF。這與前人[4]的報道結果一致。但Cadden等[20]的研究認為瓜兒果膠(主要為SDF)的水合性質優于小麥麩DF(主要為IDF)。結果顯示膨脹力與IDF和SDF呈正相關但不顯著，與TDF呈顯著正相關。這與López-Vargas等[23]的研究不一致，他們發現膳食纖維的膨脹力與TDF和SDF含量呈高度正相關。Navarro-González等[22]的研究也發現膨脹力與SDF密切相關，即SDF含量高，其膨脹力值越高，可能與提取膳食纖維粉體的工藝有關。就顆粒的結構而言，只有持水力與徑距呈顯著負相關(r=-0.315*)，與Ma等[29]的試驗結果一致，而持水力和膨脹力與其他結構參數之間的關系都不顯著。這可能是大小均一的膳食纖維顆粒可以形成較為連續一致的堆積結構，有利于水的持留。而大小不一的顆粒的堆積結構在外力作用下(如壓力、離心等)容易發生改變而會將持留在顆粒之間的水釋放出來，使持水力下降。易甜等[30]、郭增旺等[31]以及Lan等[5]的研究表明，低堆積密度、低粒徑尺寸、高比表面積對膳食纖維粉的膨脹力有利。而Ma等[29]、張麗媛等[32]和李璐等[33]的研究認為隨膳食纖維粉粒徑的逐漸減小，其膨脹力的變化趨勢是先升后降，可能是膳食纖維分子長鏈在降低粉粒時被剪切為短鏈結構的同時減小了膳食纖維對水分的束縛，從而引起膨脹力的降低。

表4 膳食纖維粉體與水分的相互作用與其組分和顆粒結構的相關性?Table 4 Correlations between hydration properties and components/structure of dietary fiber powders

? **表示在0.01水平(雙側)上顯著相關；*表示在0.05水平(雙側)上顯著相關。樣本數：40。

在吸濕特性中，膳食纖維的吸濕特性(初始吸濕速率、吸濕平衡時間、最大吸濕率)與其組成和顆粒結構參數之間的關系都不顯著。由圖2可見，吸濕速率在吸濕過程中不斷減小，初始吸濕速率即是吸濕過程中的速率最大值，且各樣品的最大吸濕率不同，利用皮爾遜相關系數分析出未呈現顯著性的關系。值得關注的是，SDF與最大吸濕率的皮爾遜相關系數為-0.274，雖然未能產生顯著性影響，但說明SDF可能會對粉體吸濕率造成負面影響，這是由于SDF的水可溶性和黏著性使得其與水蒸氣作用后在顆粒表面形成一層潮濕的包裹層，形成隔離效應，延緩后續水蒸氣的進入，與鄭慧萍等[34]的結論一致。吸濕性與粉體結構相關性不顯著，但國內外對此的研究報道較少，其作用機制還需進一步探索。

3 結論

不同來源的膳食纖維粉的持水力和膨脹力的差異很大，且無品種依賴性。但膳食纖維粉的持水力與膨脹力之間高度正相關。膳食纖維粉的吸濕能力明顯低于其水合能力，且不在同一數量級上。雖然都是反映膳食纖維與水分的相互作用，但膳食纖維的水合性質與其吸濕性質之間無相關性。大多數膳食纖維的IDF含量遠高于其SDF含量。相關分析發現膳食纖維粉的水合性質與其組成之間關系密切，尤其是持水力。至于顆粒結構的影響，只有徑距與膳食纖維的持水力呈負相關，其他結構參數與水合性質的關系都不顯著。膳食纖維的吸濕性反映膳食纖維從外界爭取水分的能力，但該能力與膳食纖維的組成與顆粒結構的關系都不顯著。由于試驗條件和時間有限，研究中還存在很多不完善之處，需要進一步改進，比如增加樣本容量，覆蓋的膳食纖維種類越多，使得分析結果更符合統計學一般性規律；其次，反映膳食纖維組分和顆粒結構的指標還可以深入和增加，采用更先進的分析手段，對膳食纖維粉的描述會更加具體、準確。