食用菌酶解改性型膳食纖維對人體機能影響研究

楊品臣，趙明哲

(1.江蘇理工學院，江蘇 常州 213000；2.中北大學，太原 030051)

隨著人們生活品質的不斷提升，食用菌頻頻出現在人們的餐桌上，所謂的食用菌就是我們日常生活中食用的菌菇類食品。近年來，食用菌養殖規模不斷擴大，目前已知的食用菌就已經高達900余種，可進行人工培育養殖的有50種左右[1-2]。大多數的食用菌為擔子菌亞門，含有豐富的膳食纖維，根據以往的測定結果可知，在每種食用菌中的總膳食纖維含量均在30%以上。膳食纖維一詞最早在20世紀50年代被提出，最初的膳食纖維多指人體器官無法消化吸收的植物細胞壁成分。在20世紀70年代，又有專家學者對其提出了更為精準的定義，將多糖類碳水化合物增加到原有的膳食纖維定義中。隨著科技的不斷進步，人們對膳食纖維的認識逐漸加深。但直至1985年，聯合國糧農組織才將膳食纖維的定義總結為能夠通過世界公認的定量測量方法對其含量進行測定的，人體消化道中消化液無法完成水解的植物成分。將此定義與原有的定義聯結可將其理解為人體消化系統無法分解的木質素、多糖類以及碳水化合物[3-4]。目前，人們多將植物細胞、多糖以及碳水化合物中不能被人體吸收的部分定義為膳食纖維。

當前，膳食纖維被稱為“第七類營養素”[5]，在此次研究中，以食用菌酶解改性型膳食纖維作為研究對象，分析其對人體機能的影響效果，為其日后更深入的研究提供了理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料來源及制備

在此次研究中，涉及了大量的材料與試劑，見表1。

表1 材料及制劑Table 1 The materials and preparations

在此次制取過程中，需要使用多種設備完成制取過程，為保證制取樣本的精度，對此次研究中涉及的設備型號進行設定，具體內容見表2。

表2 試驗設備

使用上述預設的試驗設備、材料與試劑，完成食用菌酶解改性型膳食纖維的提取工作。制取過程分為12個環節，具體操作過程如下：首先，分別將預選的干燥原料清理干凈，去除其表面附著的雜質。將清理干凈的原料靜置于35 ℃條件下烘干到恒重，投入粉碎機中分解為多種粒度的粉末。由于此次研究中采用3種不同的食用菌作為原料，樣本制取粒度大小設定為不同的數值，提升樣本與試劑的結合面積[6]。粉碎后的原料粒度較小，為保證原料的整潔性，避免原料的浪費，將處理后的原料粉放置于干燥的培養皿中備用。設定料液比為1∶30(g/mL)，在酶解過程中纖維素酶的添加量設定為0.6%，在此環節的操作中將環境溫度設定為40 ℃，提取時間為2 h。在pH取值為5.0的條件下，使用鹽酸與氫氧化鈉對試驗溶液的pH值進行調節，等待材料液體酶解。將酶解后的試驗材料溶液放置于100 ℃的水浴鍋中加熱5 min，使纖維素酶失去活性。

在上述酶解后的樣品中注入試驗溶液并靜置，待其冷卻到室溫后，使用離心機對其進行離心處理，此時設定設備的轉速為3000 r/min，離心時間為10 min。在離心處理后的溶液中注入鹽酸與氫氧化鈉，調整液體pH值，確保溶液的最終pH值為中性。隨后，加入此溶液體積4倍的乙醇，在室溫下放置24 h。提取溶液中的沉淀物，使用鼓風干燥箱對其進行烘干處理，并將此設備溫度調節為35 ℃，獲取風干后的沉淀物，密封處理，備用。為保證樣本制取后得到的酶解改性型膳食纖維具有一定的研究價值，對其主要理化性質進行測定，在此部分測定過程將通過下述內容完成。

持水力[7]測定過程：選用50 mL燒杯作為反應器具，稱取酶解改性型膳食纖維0.50 g放入其中，隨后稱取5 mL蒸餾水注入燒杯中。將其與沉淀物充分混合，密封后在室溫下放置12 h，使用定量濾紙對0樣本進行烘干處理，并將樣本移動到表面皿中進行稱重，對樣本的持水力進行測定，公式如下：

(1)

式中：A表示持水力，a2表示處理稱重所得重量，a1表示預先稱取膳食纖維重量。通過此公式可得到相應膳食纖維的持水力數據。

結合水力[8]測定過程：選用培養皿作為此環節的反應器具， 稱取酶解改性型膳食纖維0.50 g放入其中，在培養皿中注入20 mL蒸餾水，使提取物質與蒸餾水混合均勻，在室溫下放置24 h，而后使用定量濾紙對其進行烘干處理，設定離心機速度為3000 r/min，離心處理時長為10 min，對培養皿中液體進行離心處理，獲取固態沉淀物，計算其重量，公式如下：

(2)

式中：B表示結合水力，b1表示稱取的膳食纖維樣品重量，b2表示離心處理后的濕樣重量。

膨脹率[9]測定過程：選用10 mL量筒作為反應器具，利用電子天平準確稱取0.5 g干燥樣本并將15 mL蒸餾水注入量筒中，將樣品與蒸餾水混合均勻，放置于室溫下等待處理，放置時長設定為5 h。隨后讀取量筒中物料體積，則測定過程可通過下式表示：

(3)

式中：C表示膨脹率測定結果，V0表示0.5 g干燥恒重樣品的體積，V1表示振蕩后量筒中物料體積，m表示樣本質量。使用上述測定公式對制取后的樣本進行測定，確保樣本的精度。

1.2 試驗方案設計

1.2.1 酶解改性型膳食纖維測定

首先對膳食纖維樣本改性后各因素的顯著性展開相應的研究，由此試驗因素大于4個，使用傳統的響應面法分析能力較差，因此，在此次研究中使用Plackett-Barman試驗方法[10-11]作為此測定方案藍本，以膳食纖維得率作為標準，計算各因素的顯著性，在此研究過程中設定的因素對照內容見表3。

表3 改性試驗因素對照表Table 3 The comparison table of modification test factors

以表3中因素對照表作為數據處理依據，以改性后的膳食纖維得率作為指標，設計食用菌酶解改性型膳食纖維性質測定方案。在此次處理過程中，將樣本的粒度范圍作為一對應概念，采用單一的數據表示。在此部分處理中涉及到大量的數據運算，因此使用Design-Expert V 8.0.6軟件[12-13]完成數據處理工作，為保證數據的精確性，對每組數據進行5次重復運算。在此次處理中涉及到的膳食纖維得率可通過下式獲取：

D(%)=d1/dall×100%。

(4)

式中：D表示酶解后得到的膳食纖維得率，d1表示干燥試樣總量，dall表示總樣本重量。

1.2.2 抗胃酸消化能力測定

在此次測試中使用的測定方法根據多種測定方法加以改進后得出，將樣本融入蒸餾水中，配制成1～5 mg/mL 5個濃度等級的溶液，并調制成不同的pH值濃度。取0.5 mL樣本溶液、2.5 mL 氫氧化鈉溶液在試管中充分混合，使用離心機對其進行離心處理，取出試管中上層清液2.5 mL，與2.5 mL去離子水以及乙酸乙酯進行混合，進行37 ℃的水浴，測定pH值、溶液中的還原糖與總糖含量，得到其溶解度，具體計算公式如下：

G(%)=g3/(g1-g2)×100%。

(5)

式中：G表示模擬胃酸試劑下膳食纖維的溶解度，g3表示溶解后的還原糖含量，g1表示溶解前的總糖含量，g2表示最初還原糖含量。

1.2.3 葡萄糖吸收能力測定

以膳食纖維胃酸抗消化能力測定方法作為依據，設計膳食纖維葡萄糖吸收能力測定方法。將150 mL 150 mmol/L的葡萄糖溶液作為測定試劑，并在其中加入1.00 mg的樣品，使兩者充分溶解。將其放置于室溫下，使用攪拌機攪拌5 h，隨后使用離心機對其進行離心處理，處理時長設定為20 min。對處理后的上層清液進行葡萄糖測定，在此環節中將降低處理難度，使用手持式折光儀[14-15]完成測定過程，并按照下式對膳食纖維葡萄糖吸收能力進行計算分析。

E(%)=[1-(e1-e2)/e3]×100。

(6)

式中：E表示膳食纖維對葡萄糖的吸收情況，e1表示預設的葡萄糖樣本重量，e2表示添加膳食纖維后的葡萄糖重量，e3表示測定反應過程中葡萄糖的對照量。

1.2.4 膽固醇吸收能力測定

使用蛋黃液作為對象，以此測定酶解后膳食纖維對膽固醇的吸收能力。將市售雞蛋作為樣本，分離蛋清與蛋黃，并將蛋黃中融入其體積9倍左右的蒸餾水，使用攪拌機將其混合為乳液狀。選用100 mL三角燒杯作為反應器具，加入20 g的蛋黃乳液于燒杯中，并在其中滴入1 mL試劑，將上述液體攪拌至完全融合。調整其pH值，使其與人體消化道環境接近，在37 ℃環境下水浴振蕩2 h，將離心機轉速設定為3000 r/min，離心時長設定為10 min，完成溶液的離心處理。收集離心管中的上清液，使用鄰苯二甲醛法對上清液進行測定，具體測定計算過程設定如下：

F(mg/g)=(f1-f2)/p。

(7)

式中：F表示膳食纖維對膽固醇的吸收能力，f1表示試劑中膽固醇在添加膳食纖維前的含量，f2表示試劑中膽固醇在添加膳食纖維后的含量，p表示膳食纖維樣本的質量。

2 結果與分析

2.1 膳食纖維性質測定結果分析

根據上述設定的測定方案，對食用菌的膳食纖維在改性處理后的狀態進行分析，此部分結果由電子顯微鏡獲取，具體圖像見圖1。

(a)膳食纖維表面結構

(b)膳食纖維內部結構

根據預定方案中的酶解改性型膳食纖維測定方案，得到上述顯微鏡圖像。使用電子高倍數顯微鏡可以發現，由于酶解處理，食用菌膳食纖維的表面結構發生了一定的變化。在酶解過程后，膳食纖維表面結構的層次感明顯增強，結構之間的空隙擴大，整體結構由密實走向稀疏。與酶解前圖像對比可以看出，酶解處理前樣本的膳食纖維結構較為平滑緊致，蜂窩狀結構較少。由此可知，酶解處理會對樣本的膳食纖維結構造成相應的變化。同時膳食纖維性能研究表明，在酶解改性處理后，樣本的內部性能特征均得到了一定的變化，具體變化見表4。

表4 樣本性質測定結果Table 4 The determination results of sample properties g/g

在酶解改性處理后，膳食纖維樣本的持水力、結合水力以及膨脹力等內部特性得到了顯著的提升，通過分析可知，此3種性能的提升與樣本結構的變化有關。當膳食纖維表面結構由緊密變得疏松，且生成多毛細孔結構后，膳食纖維的鎖水能力得到提升，使膳食纖維的相關性質都得到小幅度提升。

2.2 抗胃酸消化能力測定結果分析

圖2 膳食纖維在模擬胃液中的溶解度Fig.2 The solubility of dietary fiber in simulated gastric fluid

由于人體的胃液中多為酸性，人在進食后，食物可在胃部保存4～6 h，為此，在此測定過程中模擬了胃液環境，通過變換模擬液中pH值的濃度，對膳食纖維的消化情況加以分析。由圖2可知，在不同的胃液pH濃度下，延長反應時長，膳食纖維的消化走向基本一致，都是隨著試劑與樣本反應時間的增長，消化能力得到提升。當膳食纖維與模擬液的接觸時間為6 h時，膳食纖維的溶液速度下降。當膳食纖維與模擬液的接觸時間處于1～6 h之間時，膳食纖維的溶解程度與模擬液的pH值變化有關，兩者之間呈現出正比例函數關系。但不論模擬液的pH值如何變動，膳食纖維的溶解率均未超過4%。由此可見，酶解后的膳食纖維在胃液中具有較高的穩定性，能夠經過胃部的消化抵達腸道發揮應有的作用。

2.3 葡萄糖吸收能力測定結果分析

圖3 葡萄糖吸收能力測定結果Fig.3 The determination results of glucose absorption capacity

由圖3可知，酶解改性處理后膳食纖維的葡萄糖吸收力最強，其葡萄糖吸收量可達到190.50 mg/g。在進行酶解前，膳食纖維的葡萄糖吸收量為190.00 mg/g。在上述測定中對葡萄糖吸附能力最差的物質為其他植物的膳食纖維，其吸附量僅為105.50 mg/g。通過對上述數據進行分析可知，酶解改性處理可有效提升膳食纖維的葡萄糖吸收能力。對其進行系統研究表明，纖維素酶對膳食纖維細胞壁中的大分子結構具有一定的降解作用，使膳食纖維表面結構變得疏松，空隙結構增大。在小分子活動區域內，其更容易進入空隙之中。在酶解作用的影響下，膳食纖維表面結構松散，功能基團失去保護層，其與葡萄糖的結合面積不斷擴大，因而可以吸收到大量的葡萄糖。由于其他植物的膳食纖維表面結構較為緊密，大量的功能基團因包裹過密得不到釋放，因此不具備較高的葡萄糖吸收能力。

2.4 膽固醇吸收能力測定結果分析

圖4 膽固醇吸收能力測定結果Fig.4 The determination results of cholesterol absorption capacity

由圖4可知，酶解處理對膳食纖維吸收膽固醇的能力具有一定的影響，同時，膳食纖維所處的pH值環境也是重要的影響指標之一。當pH值濃度得到提升時，膽固醇被膳食纖維吸收量得到提升。在此次測定過程中，將pH值濃度設定為7.0與2.0兩部分，分別用于模擬腸道環境與胃部環境，通過對比可知，處于腸道環境中的膳食纖維相較于處于胃部環境的膳食纖維具有更高的膽固醇吸附力。且通過不同種類的膳食纖維對比表明，在兩種不同環境下，酶解改性后的膳食纖維對膽固醇的吸收能力維持在較高水平。對此結果加以分析可知，降解程度不僅是膳食纖維吸附膽固醇能力的主要影響因素，其表面結構與組成均會對其造成影響。

3 結論

在此次研究中，通過對食用菌膳食纖維進行酶解改性，利用多種試驗方式對酶解改性后的膳食纖維對人體機能的影響展開研究。通過綜合分析可知，酶解過程改變了膳食纖維的表面結構，且食用菌酶解改性型膳食纖維對于人體消化道的蠕動與效果具有一定的促進作用。在酶解過程中，膳食纖維抗消化性得到提升，其對葡萄糖、膽固醇的吸附能力得到提升，起到調節腸道菌群的作用。同時，攝入酶解改性型膳食纖維可間接調節人體腸道的乳酸含量，提高血清中的抗氧化酶活力，幫助腸道蠕動。在日后的研究中，需要對酶解改性型膳食纖維調節腸道有益菌群繁殖的途徑展開研究，為食用菌健康食品的開發提供更多的理論依據。