配制型膳食纤维素溶胶结构及传质特性的研究：
配制型膳食纤维素溶胶结构及传质特性的研究，本文针对现有膳食纤维素产品功能特性欠完备和改性工艺复杂的问题，选用在结构上具有互 补性的大豆不可溶性膳食纤维素、瓜尔豆胶‘、果胶进行复配，制备兼具SDF和IDF生理功能的 复合膳食纤维素。
研究中采用SEM对SIDF(90%)与瓜尔豆胶、果胶复合溶胶的立体结构进行了观察分析，并 在此基础上，参照膳食纤维素发挥生理功能的人体环境，模拟小肠内营养物质的消化、吸收过程， 进行了体外营养物质（葡萄糖、Vc、O的质传递实验，以考核复合膳食纤维素溶胶的传质特性 —和质传递规律。研究结果表明：
1.复合溶胶体系具有固、胶、液三相混和的三维网状结构，在表面张力、黏度等物性指标的改 善上具有明显的协同增效作用。其中，SIDF(90%)与瓜尔豆胶复合溶胶的黏度指标较3种单 —成分的算术和高出5. 8倍，SIDF(90%)与果胶复合溶胶的黏度指标较3种单一成分的算术 和高出2. 7倍。
2.在SIDF(90%)与瓜尔豆胶复合溶胶体系中葡萄糖的传递受到了有效抑制，进入稳定传质过程 后的12〇111111内，葡萄糖的透过平均速率仅为葡萄糖溶液的40%~50%，而\^、^的透过速 率基本不受影响。
3.复合溶胶体系黏度较高，对流、错位困难，质的扩散需要克服溶胶较髙的内摩擦阻力，使 质扩散速率下降；溶胶黏度和表面张力较大，能在介质表面形成液膜，增大了介质表面非搅 动层的厚度和浓差极化现象，使透过速率下降;SDF胶团的分枝结构对介质膜孔的堵塞和“污 染”，降低了介质的通透量；SDF、IDF胶团的吸附、包埋作用，束缚了质的运动；上述几种 形式协同作用，使葡萄糖扩散、透过速率显著降低。而对于小分子物质（如Vc、K*),由于 混合体系中液相的存在，透过速率基本不受影响•这一传质规律既可120 min内消减葡萄糖 透过峰值，同时又不影响维生素和矿物质等营养物质的吸收，在临床应用和保健食品开发中 具有重要价值。
第一章.绪论
1.1膳食纤维素概述
膳食纤维（Dietary Fiber DF)是不能被人类的胃肠道中消化酶所消化的，且不被人体吸收 利用的多糖。这类多糖主要来自植物细胞壁的复合碳水化合物，也可称之为非淀粉多糖，即非a- 葡聚糖的多糖。一些不可利用的低聚糖（抗性低聚糖)，也包括在膳食纤维的成份之中。膳食纤 维的主要成份，包括纤维素、半纤维素、果胶及亲水胶体物质如树胶及海藻多糖等组分，另外还 包括植物细胞壁中所含有的木质素。
对膳食纤维的研究开展较早，但先前的资料主要关注这种食物成份对其他营养素吸收的不利 影响以及粗纤维对消化系统的损伤。近年来有关膳食纤维的研究才转移到它有益于人体健康的保 健功能上，并不断对它的作用机理和用途进一步的探讨和研究。
1970年前营养学认为“粗纤维”是对人体不起营养作用的一种非营养成份，营养学家认为 粗纤维会影响人体对食物中营养素的吸收，尤其是对微量元素的吸收不利。然而通过近20多年 来的调査和研究，发现并认识到这种"非营养素"与人体健康密切相关，它在预防人体的某些疾病 方面起着重要的作用，同时也认识到这种“非营养素”的概念已不适用，改称为“膳食纤维”。
由于膳食纤维不是单一物质而是许多复杂有机物质的混合物，所以膳食纤维除包含不为人体 消化酶所消化的多糖外，近年来又将一些非细胞壁的化合物，如一些也不被人体消化酶所分解的 物质如抗性淀粉（resistant starch)及抗性低聚糖，美拉得反应（Millard reaction)的产物以及来 源于动物的不被消化酶所消化的物质如氨基多糖（也称甲壳素）等也列入到膳食纤维的组成成份 之中。这类物质在人类的膳食中含量虽少，但仍具有一定的生理活性。[1~<]
膳食纤维根据其组份的不同分可分为：
1.总膳食纤维（TDF):包括所有的组份在内如非淀粉多糖、木质素、抗性淀粉（包括回生淀 粉和改性淀粉）以及美拉德反应产物等。
2.可溶性膳食纤维（SDF):包括果胶等亲水胶体物质和部分半纤维素。
3.不可溶性膳食纤维（IDF):包括纤维素、木质素和部分半纤维素。
4.非淀粉多糖：食物样品中除去淀粉后，残澄用酸水解成中性糖，然后用气相色谱（GLC)或 高效液相色谱（HPLC)定量检测其总和，即为非淀粉多糖，或用酶解方法检测，包括纤维 素、半纤维素、果胶及可溶性非纤维素多糖。
1.2膳食纤维的物化特性：
+很高的持水力：膳食纤维化学结构中含有很多亲水基团，因此具有很强的持水性，变化范围 大致在自身重量的1. 5〜2. 5倍之间。
今对阳离子有结合和交换能力：膳食纤维化学结构中包含一些羧基和羟基类侧链基团，有类似 于弱酸性阳离子交换树脂的作用，可与阳离子，特别是有机阳离子进行可逆交换，它不是通 过单纯结合而减少机体对离子的吸收，而是改变离子的瞬间浓度，从而对消化道的pH值、
渗透区以及氧化还原电位产生影响，呈现出一种更缓冲的环境以利用消化吸收。
今对有机化合物的吸附螯合作用：睹食纤维表面带有很多活性基因，可以螯合吸附胆固醇和胆 汁酸之类有机分子，从而抑制人体对它们的吸收，这是膳食纤维能够影响体内胆固醇物质代 谢的重要原因。同时，膳食纤维还可以吸附肠道内的有毒物质、化学药品和有毒医药品等，
并促进它们排出体外。
々具有类似填充剂的容积作用：膳食纤维的体积较大，缚水之后的体积更大，对肠道产生容积 作用，易引起饱腹感。同时，由于膳食纤维的存在，影响了机体对食物其他成分的消化吸收， 人也不易产生饥饿感。
今可改变肠道系统中的微生物群系组成：肠系统中流动的肠液和寄生菌群对食物蠕动和消化有 重要的作用，肠道内膳食纤维含量多时会诱导出大量好气菌群来代替原来存在的厌气菌群， 这些好气菌很少产生致癌物，厌气菌能产生较多的致癌性毒物，这些毒物能快速地随膳食纤 维排出体外[“51。
1.3膳食纤维的生理功能：
1.预防心脑血管疾病的功效
肝脏中的胆固醇会转变成胆酸，到达小肠后能帮助消化脂肪，然后胆酸会回到肝脏再转变成 胆固醇。由于水溶性膳食纤维在小肠中能形成胶状物质将胆酸包围，胆酸便不能通过小肠肠壁被 吸收再回到肝脏，而是通过消化道被排出体外。于是，当肠内食物再进行消化需要胆酸时，肝脏 只能靠吸收血中的胆固醇来补充消耗的胆酸，从而降低了血中的胆固醇，令冠心病和中风的发病 率也随之降低。
2.预防糖尿病的功效m
水溶性膳食纤维能在胃肠中形成一种粘膜，阻隔了食物营养素与小肠壁的直接接触，使整个 消化道中消化吸收过程减慢，从而降低血糖水平•膳食纤维可降低胃排空速率，研究表明，减缓 胃排空速率，可减轻血糖生成反应和减缓营养素吸收的能力。有的报道还将降糖机理解释为增加 膳食纤维的含量，可以改善末梢组织对胰岛素的感应性，降低对胰岛素的要求，从而达到降血糖 的作用。
3.预防肠癌的功效
膳食纤维对防治癌症的作用主要表现在两个方面：
1)水不溶性纤维素吸水后稀释了大肠中致癌物质，并使肠道中的食物膨胀变软，促进肠道 蠕动和加速排便，减少了致癌物质在肠道内的停留时间，有效预防大肠癌。
2)肠中的胆酸可能致癌，但水溶性纤维可以令胆酸不被小肠肠壁吸收而通过消化道被排出 体外，因此膳食纤维可预防大肠癌的发病率。
4.防治便秘的功效
膳食纤维影响大肠功能的作用包括：缩短通过时间、增加粪便量及排便次数，稀释大肠内容 物以及为正常存在于大肠内的菌群提供可发酵的底物。
1)影响粪便排出量。一种原因是獎便排出量受膳食纤维酵解程度的影响较大，其机理可能 是膳食纤维的容水量，但也不尽然•另一重要因素是膳食纤维使细菌量以及细菌的含水量增加。
2)对结肠运动和转移时间的影响，由于膳食纤维有缓泻作用，起到了促进肠蠕动和减少了 肠内容物通过肠道的时间，因此可缩短排便间隔时间。
5.辅助减肥的功效
1)膳食纤维影响食物摄入量
①吃高纤维的食物要花较长的时间。
②纤维可减少食物能量密度。
③某些纤维如瓜尔豆胶和果胶可减慢胃排空时间。
④可能减少了食物的消化率。
⑤高纤维膳食的能量可能在粪便中损失的较多。
⑥纤维可能影响了胃肠中的某些激素，是激素的作用影响了食物的摄入量。
2)膳食纤维有控制体重的作用
大多数富含纤维的食物，如谷物、全麦面、豆类、水果和蔬菜中只含有少量的脂肪。在控制 能量摄入，摄食富含纤维的膳食会起到减肥的作用。
6.影响维生素和矿物质的吸收
纯的膳食纤维可能降低某些维生素和矿物质的吸收率。这是因为在小肠内纤维素将这些营养 素结合了。但是这种现象未发现在食用了富含膳食纤维食物的人群中，例如这些人食用了蔬菜， 未发生维生素或矿物元素缺乏的现象。用纯的膳食纤维研究钙的吸收表明，膳食纤维可以降低钙 的吸收率，但是当这些被膳食纤维结合的钙进入到结肠时，由于纤维被细菌酵解为短链脂肪酸， 此酵解产物又在结肠和回肠中促进了钙的吸收。
体外实验结果表明，各种膳食纤维均能抑制胰酶的活性，因而在一定程度上影响了碳水化合 物、蛋白质和脂肪的吸收，因其作用机理是影响了营养素的水解，因此推测膳食纤维的存在也会 降低维生素的吸收率，但总的看来膳食纤维对维生素的吸收影响很小。有些实验表明天然食物如 谷类、水果中的纤维有抑制钙、铁、锌和铜等元素的吸收，但这可能是食物中所含植酸干扰了吸 收作用，而纯的纤维素、果胶和树胶的实验结果表明不影响矿物质的吸收[1~3’8]。
1.4国内外研究现状
近20年来，膳食纤维的提取和利用研究达到了高潮，这主要归因于对膳食纤维生理活性和 功能特性的不断认识。膳食纤维的研究工作目前处于相当活跃的状态，是食品科学家研究的热点。
1.4.1国外对膳食纤维的研究现状
国外对于膳食纤维的研究主要集中在：
1)基础理论研究，如对定义的完善，分析方法的改进；
2)膳食纤维在临床治疗上的应用及每日膳食摄入量研究••
3)功能产品的开发；
1.4.1.1有关膳食纤维的基础理论研究
1972〜1976年间，Trowell等建立了大量膳食纤维与健康相关的假说，被称为“膳食纤维假 说”。瞎食纤维这一术语用来描述那些不能被人体内源消化酶作用的植物成分，包括纤维素、半 纤维素及木质素以及与之相关的少量组成成分如:蜡质、角质、软木脂，这些物质都是可食用的。
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其他具有纤维成分的食物还有芹菜及其他蔬菜、可食用的水果皮及谷物麸皮。
至1976年止，膳食纤维的定义已被拓宽到包括所有的不可消化的多糖(主要为植物性糖类)， 如胶质、改性纤维素、粘胶、寡糖以及果胶，这基本保留了生理学的定义，即基于其可食性及抗 消化性。
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1999年，学术界就膳食纤维定义的统一问题讨论异常活跃，并举行了一系列的会议及专题讨 论:1999年6月2〜3日AACC和国际生命科学会(ILSI)共同成立了关于膳食纤维定义的工作委 员会;1999年7月26日IFT(thelnstituteofFoodTechnologists)年会在芝加哥就膳食纤维的定义举 行了专门的论坛;1999年11月2日在84th AACC年会上举行专门会议对膳食纤维的定义进行了 讨论。
目前，膳食纤维被定义为“凡是不能被人体内源酶消化吸收的可食用植物细胞、多糖、木质 素以及相关物质的总和”。这一定义包括了食品中的大量组成成分如纤维素、半纤维素、木质素、 胶质、改性纤维素、粘质、寡糖、果胶以及少量组成成分如蜡质、角质、软木质。
70年代后期，Prosky幵始致力于在学术界将膳食纤维定义统一化的工作。同时为了营养改良 及食品标签来定量膳食纤维的目的，开始从事于符合膳食纤维定义的分析方法的统一工作，并听 取了世界范围内100多位科学家的意见。1981年在加拿大渥太华进行的美国职业分析化学家学会 (A0AC)春季工作会议上，按照Trowell等在1976年提出的定义，就膳食纤维的定量方法达成了 共识。其中Asp、Furda和Schweizer等提出的测定方法被认为是较好的研究方法，在Prosky的 倡导下，这些研究者(包括Devries和Harland)建立了一种.适合国际间合作研究的简单方法，约有 29个国家的43个实验室参与了这项研究。
目前膳食纤维的测定方法分为两大类，重量法和化学法。重量法较简单，是通过提取去除非 纤维成分，将纤维多糖用80%乙醇沉淀，残瘡称重即为总膳食纤维的含量。化学法是首先将样本 经酶法去除淀粉，多糖经80%乙醇沉淀后得到总的DF以供分析，它可以分可溶和不可溶两部分, 总DF或SDF和IDF经酸解后来分析其特定的纤维组分。酶-重量法于20世纪80年代在国外发 展起来，现已成为A0AC认可的分析方法，现已被美国、日本、瑞典及北欧许多国家广泛采用&
近年来，随着新的膳食纤维组成成分的不断提出，如菊粉(Imilin),低聚果糖(Oligofructose)， 抗性淀粉(RS),葡聚糖(Polydextrose)等，已不能用当前的方法测出，测定方法仍需改进。
可见，膳食纤维的组成复杂，目前尚缺乏公认的科学定义，食物中膳食纤维的定量方法难以 统一，致使膳食纤维的研究存在一定的标准化问题。
1.4.1.2膳食纤维生理功能的研究
国外对于膳食纤维生理功能的研究也较活跃[9]。
1986年Rimm等[1°]43757名美国成年男子进行膳食纤维摄入量与冠心病危险性关系的研究， 发现膳食纤维摄入量最高五分位人群(平均28.9 g/d)与最低四分位人群(平均12. 4 g/d)相比，心 肌梗死发病的危险性(RR)是〇. 59并且膳食纤维摄入量每增加10 g,对应的RR为〇• 81，表明膳 食纤维摄入量与心肌梗死发病之间存在反比关系，且表明膳食纤维是独立于脂肪摄入量之外的预 防冠心病的一个重要膳食成份。
Yves用含5%藻胶的饲料喂养大鼠3周，发现其空腹血脂虽无明显变化，但餐后的血甘油三 脂和胆固醇的增值减少["]。1985年Hardd等[12]以麦鉄膳食纤维治疗族岛素依赖型糖尿病患者观 察其作用，效果良好。1986年Anderon[13]发现膳食纤维可缩短膳食通过小肠的时间而减少葡萄糖 的吸收，并可减缓淀粉水解，对糖尿病有良好的预防作用。Ledere等认为膳食纤维可减缓胃排空 速率是使餐后血糖曲线变平的主要因素。M1997年Wolever等[15]研究了膳食纤维和蛋白质摄入量 与非胰岛素依赖型糖尿病(NIDDM)的关系，发现人均滕食纤维摄入量每日仅为1.2 g/MJ,若曰 膳食纤维摄入量每增加一个标准差(0. 72 g/MJ)则会减少39%的患NIDDM的危险性，还发现去除 膳食纤维的淀粉类食物将导致具有遗传易感性的人群发生糖尿病。
1987年Klurfeld1161肯定了麦鉄膳食纤维有减少结肠憩室病和胆结石形成的作用，同时对结肠 癌也有预防作用。Cummings的文献中评估了纤维摄入量与粪便量的关系，认为食用了含不可溶 纤维的食物使粪便重量增加量多。1997年Aldoori等[17]对4万余名美国成年男子进行了前瞻性研 究，探讨不同膳食纤维成分与结肠憩室病的关系，发现不溶性膳食纤维摄入量与肠憩室病危险性 成反比，RR=0. 63,纯纤维素最为明显RR=0. 52,表明摄入高膳食纤维可降低肠憩室病的危险性, 特别是不可溶性膳食纤维的含量髙。
1.4.1.3对膳食纤维摄入置的研究
对于膳食纤维摄入量，不同的国家作了大量的临床试验确定了各自推荐的摄入量，
当前有两种方法可用来评价膳食纤维的适宜摄入量。其一，根据不同慢性疾病危险人群的不 同膳食摄入量来确定其适宜摄入量：其二，采用一个生理指标来评定其适宜摄入量。英国国家顾 问委员会建议膳食纤维的摄入量为25-30 g/ d,美国FDA推荐的总膳食纤维的摄入量为每日20-35 g (成人）（Pilch SM等）Williams提出美国儿童的膳食纤维摄入量为是基于保持通便和有助于将 来预防某些慢性病而提出的，即5 g (2岁儿童)，8 g (3岁以上儿童)，25 -30 g (20岁以上成 年人)。澳大利亚人研究表明，每日平均摄入膳食纤维25 g,可明显地减少冠心病的发病率和死 亡率。加拿大的一份调査结果为每人日膳食纤维的摄入量为22-24 g/d。Jacob提出亚洲营养学者 的看法，认为膳食纤维摄入量以每日24 g为宜。
1.4.1.4膳食纤维产品的开发
西方发达国家早在20世纪70年代就着手对膳食纤维的研究与开发，美、英、德、法己形成 一定产业规模，并在食品市场占有一席之地。美国成立了膳食纤维协会，在年销售60亿美元方 便谷物食品中，约20%是富含膳食纤维的产品。欧美及日本盛行强化膳食纤维功能食品•日本20 世纪80年代后期利用可溶性膳食纤维制成的饮料包括碳酸饮料、乳酸饮料及果汁等，据对该国 34个生产膳食纤维厂家统计，开发利用的资源还有木桨、米糖、麦麸、甜菜渔、玉米、大豆、麻、 果皮、种子多糖、魔芋、甲壳素等十余种。膳食纤维疗病方法也在一些国家产生。
国外己研究开发的膳食纤维产品主要有五种[18'19]:
1、小麦鉄制品：小麦鉄含有丰富的纤维素、半纤维素和木质素，对预防便秘、大肠癌、糖 尿病及心血管系统疾病有显著效果。
2、甘薯纤维制品：甘薯采用酸发酵法分离出淀粉后，再用酶处理技术将甘薯渣变成微细甘 薯纤维，即为甘薯纤维制品。
3、甜菜纤维制品：甜菜制糖后剩下的渣，经过进一步分离即可提取甜菜纤维。甜菜纤维制 品是一种水溶性纤维和不可溶性纤维的复合型纤维制品。主要含有半纤维素、木质素和果胶，可 作为食品添加剂。
4、葫芦纤维制品：它以天然干瓢为原料，采用先进精细粉碎技术加工而成，具有良好的粘 稠感，口感较好。葫芦纤维能够促进肠胃内双歧杆菌的繁殖，有益于健康。
5、纯纤维制品：成分纤维素，以山毛榉、桑叶为原料加工而成，多用作改进食品的结合剂、 稳定剂和润滑剂。
1.4.2国内对膳食纤维的研究现状
我国对膳食纤维的提取技术研究、应用研究和生产尚处于起步阶段。大体可分为四个方面[2’
20]
1)膳食纤维对人体生理功能的研究，如防治冠心病、治疗肥胖症、预防髙血压、治疗糖尿病和 抗胃肠癌症、抗氧化、清除自由基等。
1993年吴杰等1211以5%魔芋精粉、果胶、褐藻胶或琼脂饲喂高脂型大鼠，发现四种膳食纤维 均能有效降低动物空腹血清中总胆固醇TC含量，降低肝脂水平，促进肠道胆汁酸的排泄。1996 年王常青等[22]报道，以含6%豆渣纤维或果胶饲料饲喂大鼠，可使动物血清TC和低密度脂蛋白胆 固醇(LDL-C)显著降低(P<0. 01),且血液黏度及血小板聚集率也降低(P<0.05),而6%纯纤维素 组大鼠未显示出以上作用。王亚伟[231等给45名糖尿病人分组食用添加膳食纤维和低聚糖的麻性 饼干，经过一个月的临床治疗发现，对糖尿病人的空腹血糖、餐后血糖和血胆固醇的降低有一定 的作用。
我国国家营养学会2000年提出：成年人膳食纤维适宜摄入量为30.2 g/d。
2)关于膳食纤维资源分布和农副产品综合利用研究[24]。
目前，我国较广泛的膳食纤维资源，主要集中于玉米鼓皮纤维、小麦鉄皮纤维、大豆纤维、 甜菜纤维和魔芋纤维等品种。
3)完善和提高膳食纤维工业提取方法研究，但对于膳食纤维改性研究较少。
目前的提取方法大多限于实验室中应用，而对于适于工业化生产的提取方法还需对提取工艺 进一步完善。
4)膳食纤维在食品加工中的应用研究。
产品的应用往往是通过从原料中提取膳食纤维后，一种作为营养强化剂添加在面包、面条等 主食中或者饼干、奶粉等产品中，另一种作为添加剂少量添加于饮料、冰淇淋等食品中。
1.5小结
从国内外的研究现状可以看出，尽管对于膳食纤维基础理论的研究较多如对膳食纤维定义和 物化特性的完善、膳食纤维分析方法的规范和改进，为膳食纤维的应用提供了坚实的理论基础， 同时从营养学和膳食平衡方面，人们也越来越重视对膳食纤维的摄入，开发了许多富含膳食纤维 的产品，但是功能性产品的功效还需进一步完善，目前在膳食纤维的应用研究中尚存在如下问题:
1.我国虽然有着丰富的膳食纤维资源，但是膳食纤维的提取技术大多只限于实验室阶段，很难 实现工业化生产，特别是从原料中分别精提可溶性和不可溶性膳食纤维的工艺还需进一步完
善，且提取的产量无法满足工业化生产的要求。
2.膳食纤维在临床上的应用，为研究膳食纤维的生理功能提供了很好的依据。而对于不同种类 的膳食纤维在湿状态下的空间结构，这种结构对其自身物化特性的影响，以及膳食纤维的物 化特性与生理功能之间的关系研究甚少。
3.在食品生产方面，用于营养强化剂的低端产品较多，而对于原料易得，价格便宜，加工方法 简便、科学，又能够不影响食品口感、外观，且易于被人体所利用的优质膳食纤维产品的研 究较少。
4.在保健品方面，目前的功能产品中往往只标明总膳食纤维的含量，而对其中的可溶性膳食纤 维和不可溶膳食纤维的含量和比例未作说明，这就很难判断出总膳食纤维中可溶性和不可溶 膳食纤维各自发挥作用的情况，对于产品更新换代和功能的完善不利。
5.膳食纤维的改性研究尚处于摸索阶段，改性手段和工艺条件的选择比较单一，改性后对于膳 食纤维物化特性的改善程度有限、稳定性不好。且目前的对于膳食纤维的改性工艺条件复杂, 影响因素较多。
第二章.研究方案确定
2.1研究目的
随着生活水平的提高，人们对髙热量、高蛋白和高脂肪食品和精细食品摄入量大大增加，而 膳食纤维的摄取量相对减少，从而忽略了膳食营养的平衡性。营养学家调查表明，由于人们摄取 膳食纤维的不足而引起的高血脂、肥胖症、胆结石、脂肪肝、糖尿病及肠癌等“文明病”在各地 时有发生。近年来，由于这类疾病在我国呈上升趋势，人们越来越注意饮食对自身健康的影响。
根据国内外的研究现状可以看出，膳食纤维已经被列为继传统的六大营养素，即蛋白质、脂 肪、水、矿物质、维生素、碳水化合物之后，能够平衡人体营养状况，调节机体功能的“第七类 营养素”。还有营养学家将其列为不能提供能量，也不能提供营养辅助作用，而可调节肠胃消化 功能的“第三类营养素'
我国有丰富的、可利用的膳食纤维资源，但是人们对于膳食纤维的摄入仅限于从水果、蔬菜、 谷物等天然食品中不自觉的摄取。通常谷物食品含膳食纤维较高，全麦面为6%、精面为2%,糙 米为1%、精米为0.5%,蔬菜、水果中膳食纤维含量分别为3%和2%。研究表明，天然食品中的 膳食纤维含量和性质，因品种、生长条件、成熟程度和其他因素等存在着明显差别，所以单靠人 们每日吃饭是无法计算膳食纤维摄入量的。而现有的膳食纤维食品都是经简单的提取后，强化到 馒头、面条、饼干、奶粉等产品中，或者作为添加剂少量添加于饮料、冰琪淋等食品中，但要受 生产工艺的严格限制，且对不同种类的膳食纤维的添加量要求不同，添加后的效果也不同15 24]。 通常可溶与不可溶膳食纤维的添加比例为：可溶性膳食纤维为0.3-0.5%,不可溶膳食纤维添加量 为2~5%。馒头中膳食纤维添加量一般为面粉的6% (葡甘聚糖含量较髙的为0.3--0.5%)，面条中 膳食纤维添加量一般为5% (葡甘聚糖含量较高的为0.3-0.5%)。
此外，目前在食品成份表中仅列有“总膳食纤维”的含量，其含量是用酸、碱液处理后产品 中所剩的纤维部分，测定结果远低于用酶法测定的膳食纤维含量，有的甚至仅为其含量的一半或 更低，所以单按食品成分表中标注的含量摄入也无法保证人体每日对膳食纤维的摄取量。而含量 达标的髙品质膳食纤维产品在市场上则相对缺乏。
随着经济的发展，人民生活水平逐渐提高，膳食中缺乏纤维素的情况也日趋严重，开发品质 优良的膳食纤维产品，对于改善目前的膳食状况起着重要的推动作用。由于膳食纤维中的可溶和 不可溶性成分的比例，对产品的物性有很大的影响，同时膳食纤维素的物化特性又影响膳食纤维 产品的生理功能，因此研究可溶性膳食纤维和不可溶性膳食纤维的物化特性，是开发高品质腊食 纤维产品的重要依据。
研究表明，膳食纤维产品中可溶性和不可溶性成分由于其分子结构和物化性质的不同，发挥 着不同的生理功能，其防病机理可以概括为B5~w]:
1.可溶性膳食纤维吸水后溶胀，形成蓬松的海棉状，增大了与消化物的接触面积；溶胀后的水 溶性膳食纤维溶胶，可在肠道内形成液膜，阻止消化物和肠壁接触；溶胶特有的网状结构增 强了对消化物的吸附能力，从而降低营养物质的吸收速率，平缓吸收髙峰，消减糖尿病人的 餐后血糖峰值；可溶性膳食纤维还可提高肠内物质的下行速度，提高粪便的含水率，加速排 便，预防便秘；另外，溶胶特有的网状结构可包围胆酸，阻止小肠对胆酸的吸收，降低了人
体中胆酸向胆固醇的转化量。
2.不溶性瞎食纤维可吸水溶胀，溶胀后体积膨胀较大，对肠道产生容积作用，易引起饱腹感。 同时，由于不可溶性纤维的存在，增大了与肠道的摩擦力，从而影响了机体对食物其他成分 的消化吸收，使人不易产生饥饿感。此外，不溶性膳食纤维的固态特性稀释了大肠中致癌物 浓度，使肠道得到清理，可缓解便秘及预防结肠癌。
可见，为了发挥膳食纤维的综合保健作用，一#希望膳食纤维产品同时具有可溶性和不可溶 性勝食纤维的双重特性。
基于膳食纤维对人体的重要作用和目前人们的健康状况，研究开发品质优良的膳食纤维产品 乃当务之急。由普通腊食纤维向髙品质膳食纤维转化涉及到膳食纤维的多功能转化问题，对于其 中可溶性及不可溶性膳食纤维的种类、分子结构和物化性质，及两者的比例、浓度都有较高的要 求。从食品角度来看，产品原料的物化特性，如黏度、持水率、膨胀率、持油力、色泽、粒度等 性质会影响产品的感观品质和生产工艺。从临床医学角度来看，膳食纤维的黏度、表面张力、持 水率会影响膳食纤维的吸附和填充作用等生理功能，从而影响人们餐后的质传递过程，对研究其 降糖、降胆固醇和预防心血管病等疾病的机理有着重要意义。
2.2膳食纤维改性的研究现状及局限性
基于我国现有天然膳食纤维原料在物性上的不足，采用尽可能简单科学的加工方法，获得口 感和外观优良、利用方便的高品质膳食纤维产品乃当务之急，改性是解决这一问题的一个技术成 熟有效的途径。
目前常用的改性方法有化学和物理改性两种。
2.2.1化学改性
化学改性一般有两种方法，一种是碱处理法，另一种是羧甲基化的改性方法。
2.2.1.1碱处理法
碱处理法是通过调节溶液的pH值和温度，用不同浓度的碱液在不同温度下处理膳食纤维原 料，使其糖苷键断裂产生新的还原性末端，并使膳食纤维大分子的聚合度下降，部分转化为非消 化性的多糖，来改变原料的功能特性•但是此法的改性条件不易选择，改性后的膳食纤维透明度 较差，黏度的稳定性不够理想。且这种方法对于不可溶性膳食纤维的改性仅限于纤维的糖苷键发 生了断裂，使分子中原有的长链大分子结构断裂成短链分子，更易于被肠道菌群所发酵，而并不 能使其转化为可溶性膳食纤维，賦予可溶性膳食纤维的物化性质，因此黏度、持水率的提高都很 有限。
2.2.1.2羧甲基化法
羧甲基化法是根据纤维素的分子结构中存在的少量游离羟基，用氣代烷酸或乙醛酸在氢氧化 钠的碱性环境中发生双分子亲和取代反应，形成醚键，而实现羧甲基化，来提髙其溶解性，持水 率等物化指标。其主要反应为：纤维素与盡氧化钠水溶液反应生产喊纤维素，碱纤维素与氣乙酸 (或氣乙酸钠)进行醚化反应生成CMC;化学反应式如下[301: [QHTOZ (OH) 3]n+nClCH2C00H+2nNa0H-^[C6H702 (OH) 20CH2C00Na]n+nNaCl+2nH20 研究表明，将麦草碱法制浆黑液中提取的变性半纤维素为原料，在80%乙醇介质中与一氣醋 酸、氧氧化铀进行羧甲基化反应，制得得羧甲基变性半纤维素产品，取代度高、特性稳定，经多 次药理实验证实，能显著提高机体的免疫功晞[31)。采用羧甲基化法将豆渣中提取的膳食纤维羧甲 基化，改性后的羧甲基膳食纤维随取代度的提高，水溶性显著提高，当取代度为0.9时水溶性可 达到最髙值。在物化特性上，羧甲基膳食纤维的持水率、结合水力和粘性有所增加，但膨胀率有 所下降，对结合油力、乳化活性、乳化稳定性无明显的影响，经动物实验发现羧甲基化后的豆渔 膳食纤维的降糖作用明显增强[32]。
但是羧甲基化法对实验条件要求高，反应步骤复杂。
首先，羧甲基的引入与氯化物和氢氧化钠用量密切相关，通常氯化物和氢氧化钠的用量越髙 越有利于增加取代度，但会提高实验成本。且游离氧氧化钠含量高，易有副反应发生，副反应程 度取决于碱纤维素组成中游离碱含量和水的比例——游离碱含量愈高，副反应愈多：含水比例愈 大，碱纤维素水解愈大。醚化过程中，双氧水的用量也要适中，用量太大会使纤维素过度降解[MW]。
其次，受反应条件的影响大。体系的含水量对取代度的影响较大。实验表明，水含量小于8% 或大于15%,取代度均明显下降。这是因为水是反应必要的介质，含水量太低，对纤维素膨胀及 氣氧化钠的扩散不利，从而影响产品了取代度；但水分过大一方面使盡氧化铀浓度过低，另一方 面导致生成的羧甲基纤维素会因溶胀形成凝胶包覆纤维素，都不利于反应的深入和取代度的提高
[35]
〇
再次，取代度和取代基分布的均一性对其性能和应用有很大的影响，例如会影响羧甲基化后 产物的溶解性、持水率、流变性和抗酶解性等[36]。
最后，原料本身的性质，如羧基的含量及分布、分子的分支结构等，对取代度的影响也较大。 中低取代度的产品，羧甲基化后的纤维素吸水速率较低，在水中分散缓慢，需不间断搅拌、浸泡。 且羧甲基纤维素通常要以钠盐的形式存在水溶性才会更好[37' w。
2.2.2物理改性
目前采用的物理改性方法通常采用机械降解处理法。一种方法是挤压蒸煮法，另一种方法是 微细化加工。
2.2.2.1挤压蒸煮法
挤压蒸煮法是在高温高湿条件下物料在挤压机筒内通过强烈剪切、高温蒸煮等作用，使纤维 大分子部分降解转化为非消化性的可溶性多糖的处理方法。
研究表明，挤压法可提髙豆渣膳食纤维中可溶性膳食纤维含量，通过测定挤压前后不可溶性 纤维素、半纤维素及可溶性膳食纤维的含量发现，挤压后可溶性膳食纤维的增加量和纤维素、半 纤维素的损失量几乎相等，证明了挤压后所增加的可溶性膳食纤维主要从纤维素和半纤维素的降 解而来tM];挤压法还可提高豆渣中不可溶性膳食纤维的膨胀力和可溶性膳食纤维的黏度[4〇]。挤压 改性对蔗渣膳食纤维组成、含量、物化性质有一定影响，经挤压蒸煮处理后的蔗渣膳食纤维内部 组成成分得以调整和重组，部分不溶性阿拉伯木聚糖会溶解或断裂某些连接键转变成可溶性阿拉 伯木聚糖，其物化性质也发生了不同程度的变化，但纤维的聚合结构并没有发生深度降解或破坏
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对挤压前后不溶性膳食纤维影响葡萄糖体外扩散情况的研究表明，挤压使不溶性膳食纤维 变得更粘稠，使挤出纤维包裹其他成分的能力增强，从多种原料中提取的不溶性膳食纤维在挤压 后均具有抑制葡萄糖扩散的能力[«]。
但挤压蒸煮这种物理降解的处理效果与选择的挤压机类型、处理条件有很大关系。中等强度 的挤压处理会提高膳食纤维的持水力和膨胀力，增强其生理活性的发挥。但是在髙强度条件下挤 压蒸煮，纤维物料的天然组织结构被较大程度的破坏，使持水力反而下降。而且不同种类的原料 经不同溶剂处理物性变化差异较大。上述的研究结果中均表明，挤压对纤维素的结晶结构没有明 显的破坏。
衮 2.2.2.2微细化加工
微细化加工是通过机械的研磨、剪切作用，使大分子发生分子内部的化学键断裂，降低了颗 粒的形状和粒度，增大了颗粒的比表面积。最好的微细化加工可破坏分子的结晶结构，使微粒的 晶体结构发生由晶体向非晶态的转化，达到改善原料物化特性的目的。目前采用的微细化方法通 常有三种，即磨介式粉碎、冲击式粉碎法、转辊式粉碎
’微细化加工目前在淀粉的深加工上取得较广泛的应用。配制型膳食纤维素溶胶结构及传质特性的研究，机械球磨粉碎是磨介式粉碎法的一 种，采用机械球磨对马铃薯淀粉颗粒进行微细化加工，并对微细化过程中马铃薯淀粉的结晶结构 的变化特征及规律进行了研究，结果表明，在所施加机械能的作用下，马铃薯淀粉的结晶结构经 历了从量变到质变的过程，即颗粒细化的同时结晶结构也受到破坏，先是结晶尺寸变小、结晶度 降低，而后产生晶格缺陷，最终由多晶态转变成非晶态，证明机械力化学效应对淀粉颗粒具有非 ^晶化作用。由此可见，淀粉在机械粉碎过程中，不仅颗粒粒度发生变化，而且结晶结构也发生显
著变化，且马铃薯淀粉的物化特性也发生了变化，如马铃薯淀粉的糊化温度随粉碎时间的延长而 降低，糊化相变吸热峰逐渐消失，水分相变吸热峰增强[<6]。
气流式超微粉碎技术是冲击式粉碎的一种，利用气流式超微粉碎技术将鲜骨多级粉碎加工成 超细骨粉，能保持95%以上的营养素，营养成分易被人体吸收。骨髄粉可以作为添加剂，制成髙 钙髙铁的骨粉系列食品，具有独到的营养保健功能[<<]。
上述的方法在干状态下进行微细化加工方面都取得了良好的效果。而对于纤维含量较高的产 品，特别是不可溶性膳食纤维含量高的产品，受纤维颗粒粒度、形状和表面状态及纤维分子排列 状态和结晶状态的影响，采用上述千式微细化粉碎的方法施加作用力困难，很难破坏物性坚、韧 的纤维结构，作用力仅仅能使纤维颗粒的大小、形状和表面状态发生改变，而且能耗大、温升高。 >*通常要采用湿法微细化加工的方法，才能满足对膳食纤维微细化的加工要求，而上述这三种方法
在湿法加工上均有一定的局限性，很难产生如此强大的剪切、摩擦和挤压力的破坏作用，对设备 的要求过髙。
2.3研究思路
从上面的分析可以看出，常规生产的膳食纤维产品，可溶性膳食纤维的含量较低，而现有对 不可溶性膳食纤维的改性方法往往差强人意，工艺条件复杂，成本较髙，影响改性的因素复杂， 改性效果不甚理想且加工代价偏高。
如果能够利用现有丰富的天然膳食纤维资源，通过简单的工艺来获得一种物化特性优良的膳
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食纤维素，让它同时具有可溶性和不可溶性膳食纤维的双重功效，在物化特性上又能达到1+1>2 的增效作用，将是一种简单实用、经济可行的思路。
复配改性是指根据单体的性质和功能，将两种或两种以上功能互补或有协同作用的单体按适 当的比例复合，从而制成一种能在某种产品宁独立地担当某一项功能的复合物，这种复合物与单 体相比具有十分显著的优点[47’<8]。
复配改性的优点有：
1.复配改性是一个物理过程，不需要添加任何试剂来辅助改性，在完全不破坏原有膳食纤维的 天然结构的前提下，让两种或多种在分子结构及物化特性上有互补性的物质在一定比例下复 配，从而取得比单品更优质的特性。
2.复配所需的中间产物均为己有产物，所以根据要求运用比较简单的方法，就可以生产出所需 产品，降低了生产成本。
3.复配后的复合物仍然按照原有的生产工艺和流程生产，提髙了生产效率，且生产的产品根据 复配比例的不同，品种繁多。
4.复配产品均具有协同或者叠加作用，可以提高产品的性能与品质，且安全性均有保证。.. 复配技术目前已经广泛应用于工业、建筑业和农业中。工业上，在塑料助剂的生产中采用复
配技术生产复合助燃剂和抗氧剂，取得了良好的效果。使用单一的阻燃剂往往需加入的量很大， 才能起到阻燃作用，而将两种或多种阻燃剂进行复配时，阻燃效果大大增强，且可以减少阻燃剂 的用量，如聚烯烃阻燃时，为达到同样的阻燃效果需添加5wt%的P或40 wt%的C1或20 wt%的 Br,而采用P、Br复合时，只需0.5wt%的P和0.7wt%的BrM。以复配技术制成的复合抗氧剂， 比单一抗氧剂的性能有了明显的提髙，它抗氧化活性髙，挥发性低，特别适用于高温加工，是优 良的塑料抗氧剂和水解稳定剂。在塑料中加入少量复合抗氧剂即能有效地制止塑料降解。在建 筑业中，复配技术己应用于混凝土耐久性的改善，混凝土的耐久性受混凝土水化热、抗水渗透性 能、抗氯离子渗透性能、抗碳化性能以及抗冻性能影响，研究表明:混凝土中掺加矿粉，可降低 浆体水化热，大幅提高混凝土的抗水渗透性能，显著提髙混凝土抗氣离子渗透性能，尤其是采用 矿粉和粉煤灰复配技术结合引气剂的使用效果更加[5"。在农业方面，农药复配技术己成为农药企 业开发农药新品种的重要途径，复配后的农药在害虫的杀灭和防治上均有增效作用[62]。
在食品方面，复配技术在乳化剂改性和多糖凝胶化方面的研究较多。凝胶化性质是多糖大分 子生物功能的重要方面，在多糖凝胶化的研究中，黄原胶和魔芋粉均为非凝胶多糖，但是它们在 一定条件下复配可以得到凝胶，并有1+1>2的增胶作用。通过FTIR分析复合体系的相容程度， 两种髙聚物复配后羟基伸缩振动峰增强并向低波数方向发生位移，那么分子间的氢键增强，即分 子间相互作用增大，表现为凝胶化能力提髙，凝胶强度明显增大，分析其机理可能是因为黄原胶 是具有羧基的一种阴离子多糖，具有类似纤维的骨架结构，分子中的糖醛酸键和COCT与魔芋葡 甘聚糖形成分子间氛键所致。在多糖凝胶的黏度和耐盐性的研究中，黄原胶与刺槐豆胶复配 生成的凝胶的黏度和耐盐性显著提髙，刺槐豆胶与黄原胶相互作用的机理与剌槐豆胶半乳甘露聚 糖的精细结构有关。1, 6连接的a-D-吡喃半乳糖群在1, 4连接的D-甘露糖主链上的分布称为 半乳甘露聚糖的精细结构。通过透射电镜对刺槐豆胶的观察，研究认为，刺槐豆胶的精细结构由 “毛发区”和“光滑区”交替组成，其中D-半乳糖分布密集的区域称为“毛发区”，连续的没有 被取代的D-甘露糖区域称为“光滑区”，黄原胶与刺槐豆胶的结合区位于半乳甘露聚糖的“光滑
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区”，二者结合形成三维的网状结构，水分子充满网眼内，‘‘毛发区”使结合的分子悬浮在水溶液 中而不发生沉淀现象，从而使复配胶的黏度大幅度提高[56]。
我国天然可溶性膳食纤维和不可溶性膳食纤维的原料来源丰富、安全、对人体无副作用，在 分子结构上有些可溶性膳食纤维与不可溶性膳食纤维具有天然的互补性。根据上面的研究，采用 复配改性来完善膳食纤维的功能就成了一种简单易行，科学有效的改性方法。
马正伟等做了复合膳食纤维对高脂血症大鼠肠道形态结构及功能的影响的研究，配制型膳食纤维素溶胶结构及传质特性的研究，结果表明， 由不同比例的可溶性纤维及不可溶性纤维构成的复合膳食纤维在降低高胆固醇血症大鼠血清中 TC、LDC-C、升高HDL-C的同时可使大鼠小肠壁重量增加，并且随可溶性和不可溶性膳食纤维 比值的增加，大鼠小肠壁重量呈增加的趋势[m。宋扬等在用纤维素、果胶、海藻酸钠三者两两复 气配后，和三种单一膳食纤维对高脂血症大鼠体内脂类含量影响实验中证实，各种膳食纤维均可不
同程度降低大鼠体内脂类含量，其中可溶性膳食纤维效果优于不可溶性膳食纤维，复合膳食纤维 的效果又优于单一的膳食纤维[58'591。
综上所述，本次研究中拟利用现有的天然可溶性膳食纤维与不可溶性纤维素进行复配，利用 可溶性膳食纤维在水中可缓慢溶胀、体积膨胀率高、形成的溶胶黏度髙、吸附和包埋能力强的特 性，弥补不溶性膳食纤维在物性上的不足，在不破坏原有纤维结构的同时，达到改善其物化特性 的目的。同时，可溶性膳食纤维溶胶特有的网状结构，能够使分散性很强的不可溶性纤维素嵌合 到网状可溶性膳食纤维的微孔中，形成一种固、胶、液混合的三维网状结构（如图2-1)，得到 同时具备可溶、不可溶性膳食纤维物性的配制型膳食纤维素，使其在物化性质上较单质原料有明 显改善。
图2-1配制型腊食纤维素结构构想图
Fig2-1 The structure of formulated dietary fiber
通过测定配制型膳食纤维素的黏度、表面张力、膨胀率和持水率的变化，验证通过复配可完 善纤维素物化特性的论断。采用扫描电镜观察复合溶胶的空间结构，验证可溶性膳食纤维与不可 溶纤维素在空间结构上的互补性是物化特性得到改善的直接原因。在复合溶胶结构和物化性质的 研究的基础上，推测营养物质在复合溶胶中的传递特性，并通过体外模拟质传递实验，验证这一 推断的合理性，并概括营养物质在复合溶胶中的传递规律。
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第三章.配制型膳食纤维素溶胶结构及物性 3.1天然膳食纤维主要产品
不可溶性膳食纤维（IDF)包括纤维素、木质素和部分半纤维素。多存在于谷物或豆类等植 物性原料中[1]。
纤维素是由P—吡喃葡萄糖基通过P (1-4)糖苷键结合的巨型分子长链，其聚合度大约是数 千，常称为“结晶型聚合物”（如图3-1)»它是细胞壁的主要构成物质。由于葡聚糖链内与链间 强烈的氢键作用力，纤维素分子在植物细胞壁中呈结晶状的微纤维束结构单元，相当牢固，只有 通过物理或化学的方式破坏分子间的作用力使其断裂，才能使纤维素的亲水性增加。但纤维结构 并不是连续的，不同结晶间微纤维排列的规律差形成非结晶结构，非结晶结构内的氢键结合力较 弱，易被溶剂破坏。纤维素的结晶区与非结晶区之间界限不明确，逐渐转变，结晶区的直径约50〜 100 A，长度在 800〜1200 A。
图3-1纤维素葡聚糖链的结构特征
Fig.3-1 the structural character of p—Dextran of cellulose
半纤维素是带有各种不均一分支的碳水化合物的聚合物。主链的原糖是5C糖和6C糖，在分 支上连有葡萄糖醛酸、麦芽糖、阿拉伯糖、木糖残基等。半纤维素的种类很多，有的可溶于水， 但绝大部分都不溶于水。组成谷物和豆类的膳食纤维中的半纤维素，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，一些水溶性胶也属于半纤维素。
木质素是由松柏醇、芥子醇和对羟基肉桂醇三种单体组成的大分子化合物。亲水性差，是植 物的结构整体物质，天然存在的木质素大多与碳水化合物紧密结合在一起，很难将之分开。木质 素是没有活性的膳食纤维。
天然可溶性膳食纤维(SDF)，包括果胶及亲水胶体物质如树胶及海藻多糖，部分半纤维素等
组分
果胶是以ct (1-4)糖苷键连接的聚半乳糖醛酸为骨架链的聚合物。主链中连有（1-2)鼠 李糖残基，侧链中的部分半乳糖醛酸残基经常被甲基酯化。果胶类物质主要包括阿拉伯聚糖、半 乳聚糖或阿拉伯半乳聚糖。果胶或果胶类物质均能溶于水，它们在谷物纤维中的含量少，但在豆 类和果蔬纤维中含量较髙。果胶能形成凝胶，对维持膳食纤维的结构有重要作用。谷物纤维中所
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含的果胶能与致癌物质结合，由肠内排出[6|'62]。
瓜尔豆胶的化学成分为半乳甘露聚糖，其结构是主链为（1—4)-B-D-甘露糖单位，侧链由单 个的a- D-半乳糖以（1—6)键与主链相连，每两个甘露糖单位中有一个半乳糖单位在C6位与之 相联。相对分子量为20〜30万.瓜尔豆胶辛水中可缓慢溶胀分散，溶胶黏度很高，能形成一定 强度的水溶性薄膜，可与其他食用胶复配使用[M^。
阿拉伯树胶：一种含有钙、镁、钾等多种阴离子的酸性大分子多糖，分子量50-100万，具 有以阿拉伯半乳聚糖为主的，多支链的复杂分子结构，在结构上还连有2%左右的蛋白质。阿拉 伯树胶可以分为3个基团，其一是与其功能相关的阿拉伯半乳聚糖蛋白，另外2个基团分别是阿 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与一个蛋白链相连。阿拉伯 半乳聚糖又是由阿拉伯糖和半乳糖这些支链结构组成的，支链的末端还连有鼠李糖和葡萄糖醛 酸，因而，每一个分子都如球状，而且非常紧密。阿拉伯胶的黏度较低，配置成50%的溶液仍有 流动性，它可以和大多数其他的水溶性胶和淀粉相配伍，也可以和生物碱相配伍混溶应用w'661。
海藻酸（Alginic acid)和海藻酸盐（Alginates)主要是从褐藻的昆部属Lamiaria hyperborean, Ldigitata、巨藻属的Macrocystis pyrifera及岩藻属的Fucus serratrs等品种海藻中提取。海藻酸的 基本结构不同比例的（1—4)键相连的B - D -甘露糖醛酸片段和a - L -古洛糖醛酸片段相互联 接成的线性大分子多糖，相对分子量为20万。天然海藻胶是海藻酸（钙、镁、钠、钾）盐的混 合物。在食品工业中海藻酸盐主要用作凝胶剂和增稠剂。海藻胶透明、坚初，具有较宽的结构范 围和较好的热稳定性，不易脱水收缩^-1。
可溶性和不可溶性膳食纤维的复配机理与它们的分子结构有着密切的关系。因此在品种繁多 的膳食纤维中，选择来源广，产量大，价格低，与不可溶性纤维素在结构上具有互补性，复配后 能够形成良好嵌合、稳定性强的原料作为基料进行复配改性，是保证复配产物品质的关键[89~71]。
大豆不可溶性纤维素(SIDF):由P -吡喃葡萄糖基通过P (1—4)糖苷键连接起来的聚合物， 其聚合度大约是数千，纤维素呈伸长的长链无分支结构。SIDF在水中难以溶解，只能溶胀。SIDF 的不溶性可以增大肠道内食糜的空间膨胀体积和与肠道接触面的摩擦力，因此具有填充、清理及 吸附功能，但单一的不可溶性膳食纤维，持水率有限，黏度较低，成膜性差[72~74]。
瓜尔豆胶：主链为（l—4)-B_ D-甘露糖单位，侧链由单个的a- D-半乳糖以(1—6)键与主链 相连,每两个甘露糖单位中有一个半乳糖单位在Ce位与之相联，甘露糖对半乳糖之比为1.8 : 1(约 为2:1)，侧链上半乳糖的分布是随意无规则的，其特征为主键的一些区域没有半乳糖，而另一 些区域则是高取代区，尤其在离子强度很低的情况下，均匀无半乳糖分支的区域能通过氢键与某 些线性多糖形成复合体，产生一定的协同增效作用。瓜尔豆胶吸水后可充分溶胀，均勻分散于水 相中，形成有一定粘性的溶胶体系，易形成液膜[™'7"。
果胶：由D-半乳糖醛酸残基经a (1—4)键相连接聚合而成的酸性大分子多糖并且半乳糖醛酸 Q上的羧基有许多是以甲酯化形式存在，未甲酯化的残留羧基则以游离酸形式与钾、钠、铵、钙 结合存在，在Cj或C3的羧基上常带有乙酰基和其他中性多糖支链，如L-鼠李糖、半乳糖、阿 拉伯糖、木糖等•果糖分子不是以直线存在，多呈折叠形式。果胶吸水后充分溶胀，均匀分散在 水中，且吸水速率高于瓜尔豆胶
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3.2实验原料的选择确定
从上面的分析可以看出，配制型膳食纤维素溶胶结构及传质特性的研究，为达到完善现有天然膳食纤维的物化性质、制成高品质的膳食纤维 的目的，实验中应采用原料来源广，性价比高，在分子结构上有一定互补性、黏度适中，复配后 能够达到协同增效作用，且复合物稳定性高的原料为实验基材。
果胶、瓜尔豆胶的分子结构都是多支链的大分子多糖，且侧链在主链上的分布形式不均匀， 侧链分布密集的区域称为毛发区，而没有侧链的区域称为光滑区，毛发区与光滑区相间存在。大 豆不可溶性纤维素分子是无支链的近于双螺旋的长链结构。
根据它们在分子结构上的互补性，可推断果胶、瓜尔豆胶与SIDF复配，果胶、瓜尔豆胶充 #分吸水溶胀形成一种类似蜂窝的网状结构，SIDF颗粒在水中充分伸展，镶嵌到果胶、瓜尔豆胶
溶胶的网状结构中使网络结构更加密实，SIDF的嵌入使原有的网络结构的体积进一步溶胀，增 大了其接触面积和空间膨胀体积，同时溶胶表面的SIDF分子还有可能与周围溶胶中的果胶、瓜 尔豆胶分子形成相互嵌合或相互缠绕的立体结构，而这种结构可进一步强化分子间的作用力，有 助于形成质地密实、稳定的固、胶、液混合体系。
在湿状态下其复配机理为，果胶、瓜尔豆胶分子在水中吸水溶胀，充分分散、伸展形成溶胶， SIDF颗粒分散、镶嵌到溶胶的网状结构中。溶胶表面的纤维素颗粒与果胶、瓜尔豆胶分子主链 上无半乳糖结构的‘‘光滑区”通过氢键彼此紧密结合，形成三维网状结构，纤维颗粒被牢牢吸附 在网状结构表面。这种结构使原来SIDF悬浮液体系中的水，被瓜尔豆胶和果胶形成的溶胶填充， 体系的黏度增加，摩擦力增大，对流减缓，质传递速率降低；同时原来在瓜尔豆胶和果胶溶胶网 ^状结构中的水，被纤维颗粒所取代，增加了溶胶体系的膨胀率和致密程度，瓜尔豆胶和果胶分子
结构中的“毛发区”虽不能结合SIDF分子，但“毛发区”在水溶液中充分伸展，形成一种支撑 结构，使网状结构结合的SIDF分子悬浮在溶液中而不发生沉淀现象，从而形成了一个稳定的固、 胶、液混合的三维溶胶体系。
综上所述，利用大豆不可溶性纤维素与果胶、瓜尔豆胶在结构上的互补性，在水中溶解、分 散特性，以及黏度、溶解性、膨胀率、持水率、表面张力等物性的不同，拟以大豆不可溶性纤维 素（不可溶性纤维素含量>90%)为基本材料，以黏度、表面张力高，成膜性好，较易溶解分散 的天然植物胶——瓜尔豆胶、果胶为辅助材料，在湿状态下进行复合，制备质地密实，黏度、表 面张力高，成膜性好，同时具有水溶性和不可溶性物性的配制型膳食纤维素。观察复合溶胶在 水中的分散性，形成的均匀体系在水中的稳定程度，测定复合物的黏度及表面张力。再通过扫描 wA电镜观察经真空冷冻干燥后的复合溶胶的分子结构，推测出在湿状态下，复合溶胶分子间的空间
嵌合结构及复配机理。
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3.3实验材料与方法
3.3.1实验材料
原料 *生产厂家
大豆膳食纤维素(非水溶性纤维素含量>90%)深远食品有限公司生产
瓜尔豆胶（食品级）印度产
果胶北京市化学试剂公司购买
.3.2主要仪器
主要仪器生产厂家
NDJ-79旋转黏度计上海昌吉地质仪器有限公司
JA1003N精密电子天平上海精密科学仪器有限公司
Jzhyl-180界面张力仪承德实验机有限责任公司
TDL-5-A离心机'上海安亭科学仪器有限公司
JB*3型定时恒温磁力搅拌器上海雷兹仪器厂新泾分厂
真空冷冻干燥机北京博医康技术公司
HITACHIS—570扫描电镜日本日立公司
3.3.3检测参数及方法
3.3.3.1黏度
采用NDJ-79旋转黏度计测定。温度26 1C ,单位Pa-s。
分别选用第II单元、第m单元，根据原料黏度的不同选择不同因子的转筒进行测定，转速为 750 r/min。最后的黏度值为所用转筒的因子乘以刻度读数。
3.3.3.2表面张力
采用Jzhyl-180界面张力仪测定，温度26 *C ,单位N/m。
室温下测定原料表面张力，分别测定三次，取三次平均值作为测量结果。
3.3.3.3膨胀率
膨胀率（SW) = {溶胀后体积（ml)-干品体积（ml)} /干品体积（ml)
测定步骤：取10 ml浓度为0.025 gtol的SIDF溶液（70%、90%)于25 ml量筒中，加水搅 拌并定溶到25 ml,静置4小时后读取分界面下样品的体积。
3.3.3.4持水率
持水率（WHC) = {样品湿重（g) —样品干重（g)} /#品干重（g)
测定步骤：取10ml浓度为0.025g/ml的SIDF溶液（70%、90%)于50ml离心管中。离心 20 min,分离因数2775.5,除去上清液后称量湿样品的质量。
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3.3.3.5显微结构
观察、了解配制型膳食纤维素溶胶体系中两种膳食纤维的结合状态。
将配制型膳食纤维素制成0.025 g/ml的溶胶并冷冻升华干燥成干品，采用HITACHIS—570 扫描电镜观察其空间结构。
3.4结果与分析
3.4.1单一原料的物性检测、分析 3.4.1/I S旧F(90%)的物性指标
表3-1 SIDF<909J〇的物性指标 Tab.3-1 The physical properties of SIDF(90%)
原料产品颜色持水率膨胀率黏度（MPa_s) 表面张力（mN/m)
S1DF(90%)白色粉末2. 784. 922.3 70.8
SIDF(90%)在水中不溶解分散，溶液中能够清晰看到明显的纤维颗粒漂浮，溶液表现为悬浊 液的一般特性，且纤维颗粒沉降速度较快，静置10分钟后即全部沉于水底。在试管中静置3小 时后，纤维颗粒少量吸水溶胀，但持水率不高，黏度变化不大。溶液的表面张力较髙，流动性强。
3.4.1.2果胶、瓜儿豆胶的物性指标
表3-2果胶、瓜儿豆胶的物性指标
0Tab.3-2 The physical properties of pectin and guar gum
原料产品颜色黏度（MPa.s)表面张力（mN / m)
瓜儿豆胶浅黄色粉末4.673.3
果胶深黄色针状粉末2.865.8
果胶、瓜)LS胶均能在水中全部分散，充分溶胀，形成均勻有粘性的溶胶•在试管中静置3 小时后，整个体系中能够看到鲜明的水相与溶胶体系的分界面，下层为充分溶胀的溶胶体系，上 层为游离液，且经过高速离心处理后，不会发生溶胶沉淀析出现象，体系稳定性较高•果胶与瓜 尔豆胶相比，吸水速率高于后者，形成的溶胶更均勻。瓜尔豆胶的黏度和膨胀率髙于果胶，浓度 为3%瓜尔豆胶呈凝胶状，基本丧失流动性。两种胶体的表面张力均较高，其中瓜儿豆胶稍高于 一果胶（如表3-2所示)。两种溶胶体系的黏度较高，流动速度缓慢，易形成液膜，有利于包埋和粘
合其他物质。
3.4.2原料的显微结构观察
用于扫描电镜观察的瓜尔豆胶、果胶溶胶及复合溶胶样品均为经真空冷冻干燥得到的干溶 胶。真空冷冻干燥技术是将湿物料冻结至冰点以下，然后在较高的真空环境下，将固态水直接转 化为蒸气的一种干燥方法。真空冷冻干燥制得的样品能保留原料原有的结构骨架和溶液间隙，故 能够间接推测出湿品溶胶的结构。
18
图3-2 SIDF(90%)的显微结构
Fig.3-2 The microstructure of SIDF(90%)
图3-2为SIDF(90%)颗粒的微观结构及颗粒表面状态。SIDF(90%)颗粒为棒状、条状及块状, 形状不规则，纤维素颗粒无分支结构，表面宏观上平滑，颗粒尺寸范围为在水中 呈无序的立体分散状态，除棒状颗粒表面粘带有细小的颗粒外，彼此间无明显粘结，体系呈现悬 浊液的一般特性。尽管体系的对流作用由于SIDF (90%)颗粒的存在而受阻，但因颗粒间有游离液 存在，质传递速率降低不明显，只具有填充、清理及吸附功能，膨胀率、持水率有限，黏度较低， 成膜性差。
围3-3瓜尔丑胶颗权的显微结构及胶状怂
Fig.3-3 The microstructure and sol station of guar gum
图3-3为瓜尔豆胶颗粒的显微结构（左图）及经冷冻干燥后溶胶的分散状态（右图）。瓜尔 一豆胶颗粒多为不规则的块状，组织结构密实，颗粒尺寸范围为10~102#nu通过分析瓜尔豆胶溶
胶升华干燥后的组织发现，溶胶经升华干燥后呈疏松海绵状，配制型膳食纤维素溶胶结构及传质特性的研究，网络结构较疏松，网眼较大。
19
图3-4果胶颗粒的显微结构及溶胶状态 Fig.3-4 The microstructure and sol station of pectin
图3-4为果胶颗粒显微结构（左图）及冷冻干燥后果胶的分散状态（右图）。果胶颗粒呈不 规则团粒状，颗粒尺寸范围为1~102/«11。通过分析果胶溶胶升华干燥后的组织发现，与瓜尔豆胶 类似，果胶溶胶经升华干燥后也呈蓬松的海绵状，形成的网膜厚度更均匀一致，孔隙率更高。
根据真空冷冻干燥后的样品不改变原料的原有结构和骨架，可推断，瓜尔豆胶和果胶颗粒在 水中吸水溶胀，充分膨胀，分子间彼此交联形成疏松的网状结构，最后均匀分散在水中，形成有 粘性的溶胶体系。从瓜尔豆胶和果胶溶胶的冻干样品分散状态的差异可推断，瓜尔豆胶分子的吸 水速率较慢，但单个分子的吸水能力强，膨胀率高，在水中可充分溶胀形成溶胶，不再有明显的 团粒结构，可均匀分散于水相体系中。而果胶颗粒在水中更易分散，吸水速率比瓜尔豆胶高，形 成的溶胶体系更均匀，但膨胀率低于瓜尔豆胶。
3.4.3配制型纤维素的物性检测、分析
3.4.3.1 SIDF(90%)与瓜尔豆胶复合溶胶的物性指标
表3-3 S1DF(90%)与瓜尔豆胶复合溶胶的物性指标
Tab.3-3 The physical properties of complex sol of SIDF(90%) and guar gum
序号SIDF(90%)与瓜尔豆胶复合比例黏度（MPa-s)表面张力（mN / m)
CKX4： 02.370.8
CK20： 44.673.3
13： 118. 168.37
23： 259. 171.9
37： 326.572.63
SIDF(90%)与瓜尔豆胶以三种不同配比复配均能形成黏度较高的溶胶。如表3-3所示，复合 溶胶较单一 SIDF(90%：)、瓜尔豆胶的黏度均明显提高。复合溶胶表面张力虽与两种单品的表面张 力差别不大，但极易形成稳定的薄膜。其中2的效果最好，两者能达到较好的镶嵌和包埋。静置 一段时间后的体系中纤维素颗粒和瓜尔豆胶溶胶无明显的分离现象，可形成稳定、均一的溶胶体
系。
20
3.4.3.2SIDF(90%)与果胶复合溶胶的物性指标
表34 S1DF(90%)与果胶复合溶胶的物性指标比较 Tab.3-4 The p hysical properties of complex sol of SIDF(90%) and pectin
序号SIDF(90%)与果胶复合比例黏度（MPa-s)表面张力（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%)与果胶按上述三种配比复配得到的产物在黏度上比单一成分都有
明显提高，其中2的效果最好。复合溶胶的表面张力变化不大。调和、放置一段时间后，溶胶体 系出现分层，上层为SIDF与果胶的复合层，下层为少量（€12%)的纤维素沉淀层，且果胶溶胶 中镶嵌的纤维素颗粒相对少。
其原因可推测为：首先，果胶溶胶对于SIDF(90%)的吸附作用相对较差；其次，果胶吸水速 率高且易分散，但单个分子的吸水能力较低，形成的溶胶体积膨胀率有限，所以溶胶内部只能嵌 合—些尺寸较小的纤维素颗粒；再次，果胶溶胶体系的黏度相对较低，纤维素与果胶颗粒彼此间 连接力不足以承托纤维素颗粒；另外，根据果胶分子的结构还可推测：果胶分子的分支结构部分 被酯化，SIDF(90%)分子与果胶网络形成氧键的能力减弱，形成的复合体系稳定性降低从而出现 沉淀。
^通过上面的数据分析，单一物料的黏度差异可以解释为：在SIDF(90%)的水相分散体系中，
水充斥于颗粒间，在实验浓度下，体系的层间滑移阻力主要体现为水的黏度，故黏度较低。同样 道理，瓜尔豆胶及果胶颗粒吸水溶胀、分散，形成的溶胶体系束缚了大部分的游离水，体系内部 的滑移阻力已表现为溶胶特性，尽管溶胀的颗粒间仍有水隔层，但以粒子彼此在空间的相互交叉 和粘合起主导作用，故黏度较高。
上述两种复合溶胶黏度大幅度增加可解释为：在复合溶胶体系中，果胶和瓜尔豆胶颗粒吸水 溶胀，体积迅速膨胀，连续搅拌过程，加速了 SIDF(90%)与果胶、瓜尔豆胶的融合。由于两种物 料间的吸附作用，SIDF(90%)颗粒间充满瓜尔豆胶及果胶溶胶，而溶胶体系中也会嵌入纤维颗粒, 体系就形成固、胶相互络合的空间网状结构。这样原来单一SIDF(90%)悬浊液中的水被果胶及瓜 尔豆胶溶胶所替代，而单一溶胶体系中颗粒间的水隔层也被纤维素颗粒所填充，由此产生的游离 _水会进一步使果胶和瓜尔豆胶吸水溶胀。这样物质在溶胶层间的流动和交叉，需要破坏这种连接
关系才能实现，而破坏这种连接所需的作用力远高于水隔层间的滑移阻力，因此，表现为复合溶 胶的黏度成倍增加。黏度的增加使复合物体系的层间摩擦力增大，对流作用减缓，成膜性改善， 有利于形成连续、稳定的阻隔层，减缓质传递速率，从而更有效地发挥纤维素的生理功效。
3.4.4配制型纤维素的显微观察 3.4A1 SIDF(90%)与瓜尔豆胶复合溶胶结构
000006 12K\
图3-5 SIDF(90%)与瓜尔豆胶复合干溶胶的显微结构 Fig.3-5 The microstructure of dry complex sol of SIDF(90%) and guar gum
图3-5 (左图）所示为，SIDF(90%)颗粒分散、镶嵌到瓜尔豆胶溶胶体系中。纤维素替代了 网络结构中的水填充到溶胶体系中，使网络进一步膨胀，形成的网络结构质地更加致密。图3-5(右 图)所示为，溶胶表面细小的纤维素颗粒与周围的瓜尔豆胶溶胶形成相互吸附或相互缠绕的立体结 构，使体系的稳定性进一步增强。
3.4A2 SIDF(90%)与果胶复合溶胶结构
图3-6 SIDF(90%)与果胶复合干溶胶的显微结构 Fig.3-6 The microstructure of dry complex sol of SIDF(90%) and pectin
图3-6(左图)所示为，SIDF(90%)颗粒分散、镶嵌到果胶溶胶中，使网络质地更加致密。从 图3-6(右图)可以看出在果胶网状结构的表面没有结合纤维素颗粒，不能形成相互缠绕的立体结
22
构。这可能是因为果胶颗粒吸水速率高，但单个分子的吸水速率有限，颗粒仍然保持了一定的胶 团状结构，使体系的黏度、膨胀率增加有限，对纤维颗粒的吸附和连接力相对较低。
根据真空冷冻干燥的特点，我们可以推测复合物在水中的复原状态为：
在SIDF(90%)与瓜尔豆胶复合溶胶体系中，瓜尔豆胶颗粒经搅拌，在水中缓慢吸水溶胀，彼 此交结形成网络结构（如图3-7A),随着搅拌时间和速度的增加，黏度较高的瓜尔豆胶粘结和包 裹SIDF(90%)颗粒，把部分纤维素颗粒牢牢包裹在瓜尔豆胶形成的网络结构中（如图3-7B),使 原有溶胶网眼中的水被纤维颗粒所替代而游离出来，游离水又继续使瓜尔豆胶颗粒吸水膨胀，黏 度进一步提高，纤维素颗粒继续进入网络结构中，镶嵌在瓜尔豆胶溶胶的网眼中。黏度的提高和 网络结构的交织存在，保证了镶嵌在溶胶网络结构中的纤维素颗粒不会因为搅拌等外力的作用而 再次析出，形成了稳定的固、胶、液混合的三维网状结构（如图3-7C)。搅拌停止后，静置一段 时间，瓜尔豆胶仍会继续吸水溶胀，溶胶表面的纤维素颗粒与瓜尔豆胶溶胶形成了相互缠绕和吸 附的立体架构。根据瓜尔豆胶分子的结构还可推测，这种吸附作用，是由于瓜尔豆胶分子中没有 侧链分布的光滑区可与纤维素分子通过氢键结合，而使纤维素分子被牢牢吸附在溶胶体系中，从 而使体系的稳定性进一步增强（如图3-7D)。同样瓜尔豆胶的加入，使原有SIDF悬浮液体系中 的水被溶胶所取代，体系的黏度明显增加，层间的滑移作用力由原来水的流动，转变为溶胶间的 相对作用，摩擦力增大，从而提高体系阻止质传递的能力。体系对流作用减缓，流动减慢，有利 于形成液膜，有利于包裹和携带毒素等有害物质。
ffl3-7 B
图 3-7 D
图3-7 SIDF(90%)与瓜尔豆胶复合溶胶体系结构 Fig.3-7 The structure of SIDF(90//〇) and guar gum complex system
23
SIDF(90%)与果胶复合溶胶体系中，果胶颗粒经搅拌，配制型膳食纤维素溶胶结构及传质特性的研究，充分吸水溶胀，果胶颗粒的吸水速率 较快，很快能够实现分子间的交结形成均匀的网状结构，纤维素颗粒取代果胶网络中的游离水， 镶嵌到果胶网络的网眼中，使体系进一步膨胀，网络结构更加致密，但由于果胶颗粒的膨胀率不 高，仍然保持了一定的团粒结构，因此溶胀没有瓜尔豆胶充分，形成的网络结构网眼不大，层间 的交织较少，使网络较薄（如图3-8A),纤维素颗粒进入果胶溶胶中的个数有限。搅拌停止后， 静置一段时间，会出现分层现象，上层为SIDF(90%)与果胶复合溶胶的复合层，下层为纤维素颗 粒沉淀层，这是由于果胶溶胶的黏度虽有增加，但不足以充分包埋和吸附纤维素颗粒，果胶溶胶 体系中仍能看到部分纤维素颗粒存在（如图3-8B)。从果胶的分子结构也可推断，果胶分子的分 支结构部分被酯化，SIDF分子与果胶网络形成氢键能力减弱，溶胶表面无法吸附SIDF(90%)颗 粒，形成的复合体系不稳定从而出现沉淀（如图3-8C)。复合溶胶体系中，溶胶体系中的水被纤 维颗粒所取代，纤维素悬浮液中的水被溶胶所取代，体系的黏度增大，流动性减弱，滑移阻力表 现为溶胶的性质，对流作用减缓，因此成膜性和阻止质传递的能力增强。同时虽然纤维颗粒镶嵌 到了果胶溶胶的网状结构中，但溶胶体系中仍然有游离水存在，使层间摩擦力减小，体系的稳定 性减弱，放置一段时间后会有沉淀出现。
图 3-8 A田 3-8 B图 3-8 C
图3_8 SIDF(90%)与果胶复合溶胶结构 Fig.3-8 The structure of SIDF(90%) and pectin complex system
3.4.4.3配制型纤维素与SIDF (70%)的物性比较
表3-5配制型纤维素与SIDF (70%)的物性比较
Tab.3-5 The comparison of physical properties formulated dietary fiber and SIDF(70%) on the physical properties
样 品颜色持水率膨胀率黏度（MPa-s)表面张力（raN / m)
SIDF(70%)白色粉末9. 5410.122.756.9
SIDF(90%)与果胶复合溶胶淡黄色-—27.667.2
S1DF(90%)与瓜尔豆胶复合溶胶乳白色—一59. 171.9
24
粘度（MPa
表面张力（mN/m)
□ 70%SIDF B配制90%SIDF与果胶溶胶口配制90%SIDF与瓜尔豆胶溶胶
图3-9 SIDF (70%)与两种复合溶胶的黏度及表面张力比较 Fig.3-9 The comparison of the viscosity and surface tension of SIDF(70%)and two dietary fiber complex sols
图3-10 SIDF (70%)的显微结构 Fig.3-2 The microstructure of SIDF(70%)
图3-10所示为，市售SIDF在湿状态下的显微结构。可以看出，其中的水溶与水不溶性成分 已经完全结合，形成了一种非常理想的稳定三维网络结构，而实验中的复合溶胶只是将SIDF镶 嵌到水溶性纤维的溶胶中，彼此仍有较明显的界限。尽管这类SIDF (70%)产品在结构上己经达 到了理想状态，形成了水溶性成分与水不溶性成分的良好复合，但该产品的物性不甚理想。这类 SIDF (70%)中所谓的水溶性成分可能只是黏附于水不溶性纤维素表面，其黏度、表面张力远不 能达到瓜尔豆胶及果胶的分散效果的物质。体系仍然表现为普通悬浊液的特性，稳定性差，成膜 性及阻隔质传递的能力远不及复合溶胶。
3.5小结
与单一的膳食纤维素原料相比，本次研究配制的复合膳食纤维素溶胶的黏度、表面张力等物 化指标得到了明显改善。通过对溶胶结构的观察，验证了两种纤维素的复配机理，制备出了兼有
25
SDF和IDF生理功能的配制型膳食纤维素。
1.SIDF(90%)与瓜尔豆胶复合溶胶、SIDF(90%)与果胶复合溶胶的黏度、表面张力均比单一原 料有显著提高。其中复合比例均为2: 3的瓜尔豆胶、果胶与SIDF(90%)复合溶胶的黏度提 高最显著，在固形物含量同为2*5%的三种物质中，310只90%)的黏度为2.3\«*!«!5,510巧90 ⑷与瓜尔豆胶复合溶胶的黏度可提髙至59.1 MPM, SIDF(90%)与果胶复合溶胶的黏度可提 高至27.6MP&S,分别比单一 SIDF(90%)提高了 25倍和12倍，较之单一瓜尔豆胶和果胶的 黏度也有了明显提髙，可见，复配后的配制型膳食纤维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%)与瓜尔豆胶（或果胶）配制的复合溶胶，可形成固、胶、液均匀混和的三 维网状结构。
3.SIDF (90%)与瓜尔豆胶复合溶胶的结构比较稳定，而SIDF(90%)与果胶复合溶胶的稳定性 较差。分析原因为：瓜尔豆胶能快速形成均勻溶胶体系，果胶有限时间内只能形成有胶团结 构的分散液：SIDF(90%)能均匀分散于瓜尔豆胶溶胶体系中，却只能夹杂于果胶分散液中的 胶团间；果胶与SIDF(90°/〇复合体系的团粒结构，对体系的黏度提高有限，果胶溶胶的黏 度不足以充分包埋和吸附纤维素颗粒，使部分纤维素颗粒沉淀：根据果胶的分子结构还可推 测，果胶分子的分支结构部分被醋化，SEDF(90%)分子与果胶网络形成氧键的能力减弱，也 使复合体系不稳定。
4.配制型膳食纤维素中的可溶性与不可溶性成分的结合状态不及市售大豆腊食纤维素（水不溶 性纤维素含量70%)紧密，但黏度、表面张力、成膜性等物性指标显著高于后者，故复配可 得到物性优于采用其他加工方法制备的纤维素产品。
26
第四章.膳食纤维素复合溶胶传质特性
4.1引言
糖、蛋白质和脂类是人类不可缺少的三大食物营养素，它们必须首先在肠道内经过消化酶的 水解，成为较简单的分子才能被人体所吸收利用。
人体对食物的消化和吸收是通过消化器官来完成的。食 物在口腔中被咀嚼磨碎后经食管进入胃，经胃液水解和胃运 动研磨变成糊状食糜，然后进入十二指肠。在口腔和十二指 肠的唾液淀粉酶和胰淀粉酶的作用下糖生成初级代谢产物 麦芽糖、麦芽丙糖和a-糊精，在小肠刷状缘的寡糖酶如淀粉 糖化酶，异麦芽糖酶、蔗糖酶和乳糖酶等作用下消化为单糖，
图4-1营养物质在小肠内的吸收
Fig.4-1 The part of ntriment absorpation in small intestine
最后单糖、双糖、甘油、脂肪酸、氨基酸和Na+、Fe3+等电 解质及胆盐、维生素B12等营养物质经小肠上皮细聰的主动 转运或继发性主动转运而被小肠吸收进入血液及淋巴系统。
可见，小肠是食物消化和吸收的主要器官。
_构
(与
小肠之所以具有很强的吸收营养物质的能力，与其 具有很大的吸收面积密切相关。小肠粘膜形成许多环形 皱裙(folds of Kerckring)，使其吸收表面积增加约3倍。
在环形皱褶上，又有固有层和粘膜上皮伸向肠腔而形成 的大量长0.5—1.5 mm的绒毛，使表面积又增大约10倍。
在显微镜下，可见到每一条绒毛的外面是一层柱状上皮 细胞，其顶端有明显的纵纹。在电子显微镜下进一步观 察看到，该纵纹就是柱状细胞顶端膜的突起，称为微绒 毛(microvilli)。每一柱状上皮细胞约有1700条微绒毛。
图4-2小肠绒毛结构 Fig.4-2 The structure of intestinal villus
它们又进一步使小肠的吸收面积增加至少20倍。通过以 上的3级放大，最终使小肠粘膜的表面积增加约600倍 或更多，达到约200—250 m2。
小肠绒毛内有毛细血管、毛细淋巴管、平滑肌纤维及神经纤维网等结构。在空腹时，绒毛不 活动，进食时则可引起绒毛产生节律性伸缩和摆动，能促进绒毛内血液和淋巴液的流动，有利于 吸收。另外，小肠线毛上皮细胞的顶端膜不仅可形成许多微线毛，增加了吸收面积，还具有许多 与吸收功能有关的转运蛋白质，这些蛋白质作为载体参与Na*、葡萄糖或费:基酸的转运•上皮细 胞内的许多细胞器也参与对被吸收物质的加工、亡存、代谢和转运。
小肠运动对食物的消化与吸收有重要作用，其主要功能是进一步研磨、搅拌及混合食糜，推 送食糜向大肠方向移动，促进食糜的消化和吸收•消化期小肠的运动形式有紧张性收缩、分节运 动和蠕动•分节运动为小肠运动方式中的主要形式，人十二指肠的分节运动频率约为11次/分钟
27
[78〜80]
〇
4.2实验方案
天然蛋白质、纤维素和明胶溶液等高聚物溶液，由于分子量大，分子链长，颗粒粒度大在溶 液中的分散特性不同于小分子溶胶，胶体化学上把它们称为高分子溶液。高分子溶液在溶剂中的 分散为为两个过程[81):
1.溶胀阶段
在溶剂中，由于髙聚物分子堆积较松散，且高分子链的长度远比溶剂分子大，故溶剂分子向 聚合物渗透快，而髙分子向溶剂扩散缓慢，因此溶剂分子首先较多地进入高聚物中，使髙聚物体 积胀大，即为高聚物的溶胀过程。
2.“溶解”阶段
溶胀后地髙分子链间作用力减弱，最终导致高分子均匀地分散在溶剂中而达到溶解。交联高 聚物由于交联点的束缚，可能只能溶胀而不能溶解，这种溶胀称为有限溶胀。
髙分子溶液的运动特征为：_、
髙聚物是以分子的形式均匀分散在溶剂中，由于高分子之间的相互交联作用，使高分子溶液 具有很高的黏度，使髙分子溶液在流动时滑动摩擦力增大，流动缓慢。又因为髙分子颗粒的无规 则团粒结构占有较大体积及溶剂化作用等原因，使高分子溶液在流动时受到较大的内摩擦力，使 层间的对流速度减缓，小分子在其中的扩散速度缓慢。
根据第三章对复合物的结构和物化特性的研究表明：瓜尔豆胶与IDF (90%)复合溶胶及果 胶与IDF (90%)的复合溶胶均为髙分子聚合物，其溶液是固、胶、液混合的三维分散体系，其 分散特性和运动特征表现为类似于高分子溶液的特性[82]。
通过对小肠壁及小肠绒毛结构分析可以看出，小肠上皮细胞对营养物质的吸收过程相当于一 个表面积很大的半透膜的质传递过程，小分子物质在小肠内通过自由扩散或主动转运的方式透过 这层半透膜进入血液。如果能够在餐后减缓小肠内葡萄糖的扩散速度和透过速率，即可实现消减 血糖峰值的目的。
结合高分子溶液的特性和小肠对营养物质的吸收机理，配制型膳食纤维素溶胶结构及传质特性的研究，膳食纤维在小肠正常消化和吸收过程 中减缓葡萄糖等小分子营养物质进入血液的机制可以概括为t83~87]:
1.IDF的加入增大了食糜的内摩擦阻力，降低了食糜在小肠中的对流运动，减缓了食糜与小肠 壁接触的机会。
2.SDF在小肠壁表面能形成一层液膜，增加了肠内非揽动层的厚度，另外随着时间的延长溶胶 在小肠壁表面产生了类似膜透过过程中的浓差极化现象，减缓了葡萄糖等物质向肠粘膜表面 的扩散速度。
3.SDF胶团的分枝结构对小肠壁膜孔的堵塞和“污染”，降低了小肠壁作为膜介质的通透量。
4.DF对葡萄糖的吸附作用，对葡萄糖进入血液起了一个缓冲的作用。
根据第三章得出的结论，在此选用复配增效效果好，且稳定性强的SIDF(90%)与瓜尔豆胶复 合溶胶(混合比例为2: 3),采用对食糜中小分子营养物质具有透过能力的透析袋（截留分子量 8000〜12000 D),模拟小肠内部环境（PH=7.4、渗透压为770kPa,相当于浓度为300mmol/l) 和蠕动规律（脉动速率0.16〜0.2 s—1),利用透析袋内外溶液的渗透压差，进行体外营养物质传
28
递模拟实验，通过实验比较在营养物质溶液中添加不同配比的DF对减缓葡萄糖、维生素和矿物 质透过速率的影响及质传递规律。
4.3实验材料与方法
I
4.3.1实验材料
试剂名称生产厂家级别
SIDF(90%)深远食品有限公司生产-
瓜儿豆胶印度产食品级
葡萄糖北京市化学试剂公司优级纯
维生素c北京市化学试剂公司优级纯
氯化钾北京市化学试剂公司优级纯
氣化钠北京市化学试剂公司分析纯
透析袋兰戈化学试剂公司截留分子量8000〜12000D
4.3.2主要仪器
主要仪器生产厂家
JA1003N精密电子天平上海精密科学仪器有限公司•
JB*3型定时恒温磁力搅拌器上海雷兹仪器厂新泾分厂
1012型电热鼓风恒温箱上海一恒科技有限公司
低速摇床常州国华电器有限公司
721分光光度计上海第三分析仪器厂
HP - GFH - 986原子吸收光谱分光光度计北京浦西通用有限责任公司
4.3.3检测参数及方法
4.3.3.1实验原料的制备
1.透析溶液的制备
a)透析袋内溶液：模拟小肠液环境，配制pH值为7.4、浓度为20 mmol/1的磷酸缓冲溶液。
b)透析袋外液（即透析水浴槽内溶液)：配制浓度为0.9%的生理盐水。
2.实验材料的配制
a)瓜尔豆胶与SIDF(90%)复合溶胶（1号液）的制备：
将瓜尔豆胶干粉和SIDF(90%)干粉以2: 3的比例混合，分别称取4g、6g、8g、10g的 氯化钠溶于200ml磷酸缓冲溶液中，再加入5 g、4g、2.5 g、1.5 g混合干粉，经磁力搅拌器 高速搅匀，制成不同的复合溶胶1号液（1)、1号液（2)、1号液（3)、1号液（4)。
b)瓜尔豆胶溶胶（2号液）的配制：
称取12 g氣化钠和lg瓜尔豆胶干粉，溶于200 ml磷酸缓冲溶液中，使2号液中瓜尔豆 胶的浓度等于1号液（1)中瓜尔豆胶的浓度，经磁力搅拌器髙速搅均，制成均匀溶胶。
29
c)SIDF (90%)悬液（3号液）的配制：
称取10 g氯化钠和1.5 g SIDF (90%)，溶于200 ml磷酸缓冲溶液中，使3号液中SIDF (90%)的含量等于1号液（1)中SIDF (90%)的浓度，经磁力搅拌器高速搅匀，制成均匀 悬液。
4.3.3.2模拟小肠中质传递的透析实验
利用截留分子量为8000〜12000 D的透析袋模拟体外营养物质传递实验，实验分为两组平行： 第一组为：在200 ml的1号液（1)、2号液、3号液和蒸馏水中各加入lg葡萄糖(或维生素 C、氯化钾)并混匀，并分别装入四个透析袋进行对比。
第二组为：将lg葡萄糖(或维生素C、氯化钾)分别溶于200 ml的1号液（2)、1号液（3)、 1号液（4)中并装入透析袋，与第一组中的1号液（1)的结果进行对比。
将透析袋放入2000 ml 0.9%的生理盐水中在37 •〇恒温箱中透析，摇床的振动频率为16次/ 分钟，小肠真实环境中葡萄糖是通过主动转运方式被小肠壁吸收进入血液的，且小肠的运动也有 多种形式和频率，而$验是利用透析袋内外溶液的渗透压差渗透透过膜，所以实验中采用略高于 小肠分节运动的振动频率，辅助葡萄糖扩散。透析开始后，分别于2 , 5, 10, 15 , 20, 25 , 30, 40, 50, 60, 90, 120, 150, 180, 210，240, 270, 300, 330, 360 min 取样，测定葡萄糖(或维 生素C、氯化钾)的透过量。
4.3.3.3葡萄糖透过置的测定w]
1.邻甲苯胺分光光度法原理
葡萄糖在酸性介质中加热发生脱水发应，生成5-羟甲基-2-呋喃甲醛（又称5-羟甲 基糖醛）分子中的醛基与邻甲苯胺缩合生成青色的雪夫式碱，在630 rnn可用比色法定量测 定。
2.邻甲苯胺试剂的配制：
称取1.5 g硫脲溶于920 ml冰醋酸中，加入80 ml邻甲苯胺，混匀，取960 ml加入40 ml 6%饱和硼酸溶液混匀，置棕色试剂瓶中，冰箱保存。
3.葡萄糖标准溶液：
将葡萄糖标准品(纯度大于99%)于80 °C干燥至恒量。精确称取0.5 g,用水溶解后移入 100 ml容量瓶中。葡萄糖浓度为0.5 mg/ml，临用前稀释为0.1 mg/ml。
4.葡萄糖标准曲线的绘制：
30
取11只10 ml的刻度试管，分别取0、0.02、0.04、0.06、0.08、0.1ml的葡萄糖标准液, 各加入邻甲苯胺溶液5 ml,混匀，于沸水中煮沸4 min取下，冷却，放置30 min,用lcm 比色杯，试剂空白为参比，在630 nm测定吸光度值，绘制标准曲线。
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
葡萄糖标准液体积(ml)
图4~3葡萄糖溶液吸光值标准曲线 Fig.4-3 The standard curve of glucose solution absorb
5.透析液中葡萄糖透出量的测定：
取20只试管，分别加入0.1 ml透出液，加蒸馏水至0.35 ml,在各加入邻甲举胺溶液5 ml, 测定步骤同标准曲线。
4.3.3.4 Vc透出置的测定
[89. 90]
1.
2.
3.
4.
5.
12 -淀粉吸光光度法原理
在酸性介质下，Vc可与12发生如下化学反应，OHsCVIfOHsO^ffl。将Vc与一定 量12反应，未反应的12与淀粉显色，在580 nm处测定吸光度值，间接测定Vc含量。
I2 - KI标准溶液:
准确称取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 浓度为4Xl〇_3mol/l,用时稀释为4X l〇_4mol/l。
1%淀粉溶液：
称取4g淀粉溶于20 ml水，慢慢将所得悬浮液加到200 ml沸水中混匀，再加入200 ml 甘油，微沸5 min，冷却。
醋酸溶液：0.1 mol/1。
Vc标准溶液：
准确称取2.228丫<:,溶解后移入25〇1111棕色容量瓶中。\^浓度为5父1〇-2111〇1/1,用时 稀释为 5Xl(T4mol/l。
Vc标准曲线的绘制：
取16只25 ml具塞试管，分别取0、0.4、0.8、1.2、1.6ml的Vc标准溶液，配制型膳食纤维素溶胶结构及传质特性的研究，各加入5 ml 醋酸溶液，2.5 ml I2 - KI标准溶液，放置10 min,再分别加入1%淀粉溶液4 ml,放置5 min, 加水稀释至25 ml,摇勻。以1 cm比色杯，以水为参比，在波长为580 nm分别测定含Vc 体系和空白体系的吸光度值A和A〇,计算AA=A〇-A,作AA随Vc浓度变化的工作曲线。
31
o’ o’°-0• o.
<1}埘絮多
y = 0. 3042x R2 = 0. 9827
Q_5 Vc标准溶@体积(ml)1,1
图4-4 Vc溶液吸光值标准曲线
Fig.4-4 The standard curve of Vc solution absorb
7.透析液中Vc透出量的测定：
分别取20只25 ml具塞试管，加入lml透析液，以试剂空白为参比，按上述测定标准 曲线的步骤测定其A A。从标准曲线上查得Vc浓度，计算其透出量。
4.3.3.5 k+透出量的测定[91]:
1.原子吸收光谱分光光度法的原理：
将钾离子的样品导入石墨炉，经原子化后，在狭缝为0.5 nm，波长为404.4 nm处有吸收 峰，其发射强度和钾离子含量成正比。
2.透析液中k+透出量的测定：
554535251 历 • 4 .3 • 2 L 1 K o
vs}«^髟
y = 0. 047x R2 = 0.99
468
钾离子溶液浓度（lig/ml)
分别取20支试管，加入0.5 ml透析液用去离子水定容至20 ml，导入原子吸收光谱分光 光度计在404.4 nm处，测定钾离子的含量
图4-5钾离子溶液吸光值标准曲线 Fig.4-5 The standard curve of K+ solution absorb
32
4.4结果与分析
4.4.1 DF对葡萄糖透过速率的影响
4.4.1.1不同DF对葡萄糖透过速率的影响
表4-1不同DF葡萄糖透过速率• min)
Tab.4-1 The glucose permeation rate of different dietary fibers (ug/m2 ■ min)
原料葡萄糖溶液3号液2号液i号液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
过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号液2号液1号液（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
时间(min)
图4-6不同DF对葡萄糖透过速率的影响 Fig.4-6 Effect of different dietary fibers on the glucose permeation rate
由表4-1和图4-6所示结果可以看出：
^号液、2号液、1号液(1)均能降低葡萄糖的透过量和透过速率，在360 min时葡萄糖透过 量分别为对照的93. 5%、87%、64.5%，其中1号液(1)效果最显著。
2号液、3号液的葡萄糖透过速率曲线的变化趋势与对照类似，但两者在前1个小时的透过 速率和透过量明显低于对照，且2号的透过速率和透过量低于3号液。
与2号液、3号液的葡萄糖透过速率的曲线相比，1号液(1)在整个透析过程中，葡萄糖的透 过速率变化平缓，波动较小，前一个小时的透过速率为0.51 #g/m2.h,后五个小时的平均透过 速率为0.43/<g/m2.h。特别是透析开始前50 min,透析袋内的葡萄糖浓度高的时候，葡萄糖的 透过量变化很缓慢，在15〜50 min葡萄糖的透过速率基本不变，对平缓餐后血糖峰值很有利； 随着时间的延长，透析袋内的葡萄糖含量逐渐减少，而葡萄糖的透过速率并没有明显降低，而是 与初始的渗透速率基本一致。而对照在初始葡萄糖含量髙的前2个小时葡萄糖的透过速率明显高 于后面4个小时。
1号液(1)特有的固、胶、液混合体系，形成了具有刚性筋络填充其间的三维网状溶胶结构, 使网络结构更密实、稳定。首先，体系对流、错位困难减少了葡萄糖分子接触膜介质的机会，加 剧了类似热传递过程的“边界层现象”：其次，在髙粘体系中葡萄糖分子的扩散需要克服溶胶较 髙的内摩擦阻力，传质速率下降：再者，SDF、IDF的胶团、颗粒对葡萄糖的吸附作用，增大了 葡萄糖的扩散阻力。因此，1号液(1)对葡萄糖的传递速率的减缓作用最显著。
在2号液中，瓜尔豆胶吸水溶胀并分散形成均匀的溶胶体系，黏度显著增大，在此种体系中 的葡萄糖扩散作用表现为高分子溶液（胶）的质传递特性。溶胶的网状结构，增大了体系对流阻 力：同时葡萄糖扩散也因溶胶内摩擦力的增加和胶团的吸附作用而受阻，但“边界层现象”较1 号液（1)轻，所以2号液对减缓葡萄糖传递速率的能力比1号液(1)差。
3号液减缓葡萄糖的传递速率较差，原因推测为IDF颗粒的存在，减缓了溶液中的对流作用,
34
IDF颗粒的摩擦阻力减缓了葡萄糖分子的扩散速度，但溶液仍表现为悬浮液的特性，质扩散可通 过颗粒间的介质(水)正常进行，所以对减缓葡萄糖传递速率的能力比2号液、1号液(1)差。
4.4.1.2SIDF(90%)与瓜尔豆胶复合溶胶对葡萄糖透过速率的影响
表鈐2 SIDF(90%)与瓜尔豆胶复合溶胶葡萄糖的透过速率〇«g/m2 . min)
Tab.4-2 The glucose permeation rate of SIDF(90%) and guar gum complex sol (//g/m2 • min)
原料1号液⑷i号液⑶1号液(2)i号液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
过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号液⑷——1号液(3) 1号液⑵1号液(1)
cTe .z s/3 n )»»a铂雔蜞解
020 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360
时间(min)
图4-7 SIDF(90%)与瓜尔豆复合胶溶胶对葡萄糖透过速率的彩响 Fig.4-7 Effect of SIDF(90%) and guar gum sol complex on the glucose permeation rate
如图4-7所示，四种溶胶均能降低葡萄糖的透过速率，配制型膳食纤维素溶胶结构及传质特性的研究，且溶胶固形物含量越高，效果越明显。 四种溶胶固形物含量上的差异，在物性上表现为它们之间的黏度差异。可见，黏度越大，溶胶对 于葡萄糖分子吸附能力越强、扩散过程中的内摩擦阻力越大。从表4-2可以看出，1号液(1)、1 *号液(2)、1号液(3)溶胶均有葡萄糖透过速率变化波动较大的阶段，此过程为葡萄糖克服溶胶阻
力的透出阶段，1号液(1)出现在5〜90 min, 1号液(2)出现在10〜60 min, 1号液(3)出现在10〜 50 min, 1号液(4)没有此过程。
4A1.3小结
对实验结果分析发现，葡萄糖在1号液(1)、2号液、3号液中的传递过程可以分为三个阶段:
1、0〜10 min为透析袋膜表面游离葡萄糖的透过过程。
2、10〜210 min为与DF结合的葡萄糖克服悬液或溶胶内部的层间滑移阻力和对流粘滞阻 力，向透析袋膜表面扩散，缓慢透过膜的过程。
3、 210〜360 min随着时间的延长，3号悬浮液中的纤维颗粒沉淀在透析袋表面，而1号液 K(1)、2号液溶胶则在透析袋表面形成的液膜，于是在膜表面产生了类似膜透过过程中的浓差极化
现象，从而减缓了葡萄糖等物质向肠粘膜表面的扩散速度。
由于结构和物化性质的不同，与2号液、3号液相比，1号液在减缓葡萄糖的透过速率和降 低葡萄糖的透过量方面有着更显著的作用，其机理为：
1、1号液特有的固、胶、液混合体系，形成了具有刚性筋络填充其间的三维网状溶胶结构, 使溶胶内部的对流、错位困难：复合溶胶体系的粘度较大，使葡萄糖分子的扩散要克服较强的内 摩擦阻力作用；复合溶胶粘度和表面张力较大，能在透析袋表面形成液膜，增大了透析袋表面非 搅动层的厚度和浓差极化现象；SDF胶团的分枝结构对介质膜孔的堵塞和“污染”，降低了介质 的通透量；SDF、IDF的胶团、颗粒对葡萄糖的吸附和包埋作用，增大了葡萄糖的扩散阻力。以
36
上五种影响形式具有协同增效作用，可进一步减缓葡萄糖向膜外的扩散速率。
2、通过对四种不同配比的1号液的葡萄糖透过速率的比较，可以看出，除了溶胶体系的摩 擦和对流阻力减缓了葡萄糖的透过速率，溶胶对葡萄糖分子还具有包埋和吸附作用。这种作用表 现为，尽管透析开始f透析袋内的葡萄糖浓度较高，但由于溶胶对葡萄糖分子的吸附作用，葡萄 糖的透过速率并不高！甚至在一定时间内葡萄糖的透过速率基本不变；透析至中期时，同样因为 溶胶对葡萄糖的吸附作用，葡萄糖分子的透过速率并没有因透析袋内葡萄糖浓度的降低而明显下 降。实验数据还表明，复合溶胶的粘度越高，对葡萄糖分子的包埋和吸附作用越强。
4.4.2DF对Vc透过速率的影响
4.4.2.1不同DF对Vc透过速率的影响
表4-3不同DF Vc的透过速率（^g/m2 • min)
Tab.4-3 The Vc permeation rate of different dietary fibers (wg/m2 . min)
原料Vc溶液3号液2号液i号液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
过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
时间(min)
图4-8不同DF对Vc透过速率的影响 Fig.4-8 Effect of different dietary Gbers on the Vc permeation rate
如表4-3所示，3号液、2号液、1号液(1)均能在不同程度上影响Vc的透过量，在360 min 时的透过量分别为对照的93. 6%、90.6%、85. 5%。如图4-8所示，对照在争个透析开始前30 min, 透析袋内Vc浓度高时透过速率髙，且波动较大，50 min后Vc浓度降低，透过速率波动减小， 始终平缓透出。3号液、2号液、1号液(1)三者的Vc透过速率曲线的变化趋势相似，都有一个 Vc的透过髙峰出现，髙峰前后时间段的透过速率变化缓慢。3号液的透过髙峰出现在60〜120 min, 2号液出现在60〜150 min, 1号液⑴出现在30〜90 min。表明Vc在3号液、2号液、1 号液(1)三者中的扩散过程，要克服一定悬液或溶胶的对流和摩擦阻力，所以在透析初始阶段， 虽然Vc的浓度高，但受溶（悬）液（胶）阻力的影响，透过速率波动较大。在克服了体系内部 阻力到达膜表面后，Vc的透过速率有一个明显的升高过程，之后由于透析袋内Vc浓度的降低， Vc透过速率再次减小。
总体来看，在不同溶（悬）液（胶）Vc的扩散和透过速率较葡萄糖差别较小，分析原因主 要是Vc分子量较小，虽然3号液中有IDF颗粒的摩擦阻力的影响，1号液(1)、2号液有溶胶内 摩擦力的影响，但是悬液和溶胶对Vc分子都没有明显的吸附作用，因此（悬）液（胶）对Vc 分子的束缚力相对较小，除克服摩擦和对流阻力外，Vc分子可较快的从（悬）液（胶）的间隙 透出。
38
4.4.2.2SIDF(90%)与瓜尔豆胶复合溶胶对Vc透过速率的影响
表4-4 SIDF(90%)与瓜尔豆胶复合溶胶的Vc透过速率（ug/m2 • min)
Tab.4-4 The Vc permeation rate of SIDF(90%) and guar gum complex sol Qig/nf • min)
原，料i号液⑷i号液⑶i号液⑵i号液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
过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号液⑷ ——1号液(3) 1号液⑵——1号液⑴
4 3 2
(UJ曰.z 曰/60!!)齋铟：R铂 〇A
020 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360
4间(min)
图4-9 SIDF(90X)与瓜尔豆胶复合溶胶对Vc透过速率的彩响
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号液（1)、1号液（2)、1号液（3)、1号液（4)对Vc透过量和透过速 率影响不大。如图4-9所示，四种复合溶胶的Vc透过量曲线的变化趋势基本相同，也均有一个 Vc透过高峰，1号液（4)的透过高峰出现在10〜50 min, 1号液（3)出现在15〜120 min, 1 号液（2)出现在10〜30min, 1号液（1)出现在10〜60min。可见，溶胶固形物含量的差异， 并没有影响Vc的透过速率，说明溶胶对于Vc分子吸附作用较小，Vc分子在溶胶中的扩散只受 溶胶体系的对流和摩擦阻力的影响。
4_4.2.3 小结
根据对实验数据的分析，Vc分子在溶胶中的传递过成可以分为四个阶段：
1. 0〜10 min为透析袋膜表面游离Vc的透过过程。
2. 10〜60 min为与SIDF (90%)与瓜尔豆胶复合溶胶结合的Vc克服溶胶内部的层间滑移阻力 和对流粘滞阻力，向透析袋膜表面以正常速度扩散，缓慢透过膜的过程。
3.60〜90 min或120 min为Vc克服阻力后向膜外的快速渗透过程。配制型膳食纤维素溶胶结构及传质特性的研究，另推测此阶段由于内外溶 液渗透压差的作用，有透析袋外液中NaCl溶液渗透进透析袋，使复合溶胶稀释，黏度降低， 从而导致透过速率增加的可能。
4. 120〜360 min为随着透析袋内Vc浓度的降低，Vc透过速率再次减小的过程。
以往的研究资料显示，纯DF会影响维生素的吸收。但从本次实验结果看，在以上复合溶胶 中Vc的透过速率与对照中Vc的透过规律相近，透过速率差别不大，说明在复合溶胶中葡萄糖透 过速率减缓同时，维生素的透过速率基本不受影响。
4.4.3 DF对K：透过速率的影响
4.4.3.1不同DF对K+透过速率的影响
如表4-5所示，3号液、2号液、1号液(1)对于K：的透过量基本没有影响，如图4-10所示, 3号液在透析中前期K+透过速率甚至高于对照，2号液、1号液(1)溶胶，由于溶胶黏度和层间摩 擦阻力的影响，在透析前期K+透过速率低于对照，60 min后透过速率明显升高。可见，DF对于 K：的透过速率没有影响，分析其原因为K*的分子量很小，在克服了开始阶段IDF颗粒和SDF溶 胶的对流阻力影响后，完全可以较快的从（悬）液（胶）的间隙透出。
40
表4-5不同DF的IC透过速率（ug/m2 • min)
Tab.4-5 The K+ permeation rate of different dietary fibers 〇ig/m2 ■ min)
原料K‘溶液3号液2号液i号液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
过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号液2号液-■-•■1号掖(1)
0908070605040302
0-0-0-0-0-0-0-0-
(UTI0 •目/3 n) * 铟：RSJfr锥眾
0.01
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360
时间(min〉
图4-10不同DF对过速率的影响
Fig.4-10 Effect of different dietary fibers on the K+ permeation rate
41
4.4.3.2SIDF(90%)与瓜尔豆胶复合溶胶对K+透过速率的影响
表4-6 SIDF(90%)与瓜尔豆胶复合溶胶的透过速率（/<g/m2.min)
%
1号液⑷——1号液⑶ 1号液⑵-•-•i号液⑴
0504030201
0-0-0-0-0-
(•snrz 日/603-)骄铟：R 衔逋敢
Tab.4-6 The K+permeation rate of SIDF(90%) and guar gum complex sol (/<g/m2 • min)
原料i号液⑷i号液⑶i号液⑵i号液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
过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
时间(min)
图4-11 S1DF(90W与瓜尔豆胶复合溶胶对1C透过速率的影响 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号液（1)、1号液（2)、1号液（3)、1号液（4) K+的透过速率的差异不 大。
如图4-11所示，1号液（1)、1号液（2)、1号液（3)、1号液（4) 1C透过速率曲线的变化 趋势基本相同，四种溶胶在黏度上的差异，是影响1C透过速率的直接原因，1号液（1)在透析 开始的前60 min, K+透过速率明显低于1号液（4)可以看出，黏度越高，K’的扩散受到的摩擦 和对流阻力越大，K+透过速率越缓慢，到210 min后，K+克服内部阻力扩散到达透析袋膜表面后， 四种溶胶的透过速率基本保持一致。
与对Vc透过速率的影响规律相似，在复合溶胶中葡萄糖透过速率减缓同时，K：的透过速率 基本不受影响。
4.5小结
通过试验发现，DF复合溶胶对葡萄糖、Vc、K"扩散和透过性的影响机理可解释为以下几点：
1、DF复合溶胶特有的固、胶、液混合体系，形成了具有刚性筋络填充其间的三维网状溶胶 结构，使网络结构更密实稳定，体系内部质对流、错位困难，减少了质接触膜介质的机会，加剧 了类似热传递过程的“边界层现象”；
2、溶胶黏度和表面张力较大，能在透析袋表面形成液膜，增大了透析袋表面非搅动层的厚 度和浓差极化现象；
3、SDF胶团的分枝结构对介质膜孔的堵塞和“污染”，降低了介质的通透量；
4、复合溶胶体系黏度较高，质的扩散需要克服较髙的内摩擦阻力，使传质速率下降：
5、SDF、IDF的胶团、颗粒对葡萄糖的吸附和包埋作用，增大了葡萄糖的扩散阻力；
6、以上五种影响形式具有协同增效作用，可进一步减缓质向膜外的扩散速率。
7、对于小分子物质（如Vc、K+)，由于混合体系中液相的存在，透过速率基本不受影响。
43
第五章.结论和建议
5.1结论
配制型膳食纤维素溶胶结构及传质特性的研究，主要针对现有膳食纤维素产品功能特性欠完 备的问题，利用现有天然纤维素资源，通过多种成分的配制、组合，制备兼有SDF和IDF所具有 的生理功能的高品质膳食纤维材料。
研究中筛选出了大豆不可溶性膳食纤维素（SIDF)、瓜尔豆胶、果胶作为试验材料配制复合 溶胶。比较了复合溶胶及单质SIDF (90%)颗粒、瓜尔豆胶、果胶溶胶表面张力、黏度等物化特 性的变化；采用SEM对SIDF (90%)颗粒、瓜尔豆胶、果胶溶胶及其复合溶胶的结构进行了观 察分析，配制型膳食纤维素溶胶结构及传质特性的研究，比较了它们在空间结构及溶胶体系稳定性上的差异，探讨了溶胶结构与其物化特性及生 理功能的关系：并在此基础上，模拟小肠内营养物质的吸收消化过程，进行了体外营养物质的质 传递试验，比较了三种不同溶胶（悬液）对葡萄糖、维生素、矿物质传递速率的影响总结了在质 溶胶（悬液）中的传递规律。通过对实验结果及现象的分析得到如下结论：
1、与SIDF (90%)、瓜尔豆胶、果胶单质配制的溶胶和悬液相比较，配制得到的复合溶胶的 物化性质发生了显著变化。在固形物含量同为2. 5%的几种溶胶（悬液）中，SIDF(90%丨与瓜尔 豆胶复合溶胶的黏度指标较3种单一成分的算术和高出5. 8倍，SIDF(90%)与果胶复合溶胶的黏 度指綠较3种单一成分的算术和髙出2. 7倍。可见，复配具有明显的协同增效作用。
2、利用SIDF (90%)与瓜尔豆胶（或果胶）配制的复合溶胶，可形成固、胶、液均匀混和 的三维网状结构，其中SIDF (90%>与瓜尔豆胶复合溶胶的结构更稳定。
3、 复合溶胶的黏度、表面张力远远超过成分构成（可溶与不可溶DF比例）与之相当的市售 SIDF (70%)的指标。SIDF (90%)与果胶复合溶胶黏度为SIDF (70%)的6倍，SIDF (90%) 与瓜尔豆胶复合溶胶为SIDF (70%)的10倍。
4、DF复合溶胶可大大减缓葡萄糖的扩散速度，与葡萄糖溶液相比，在透析开始的120 min 内平均透过速率降低了 40%〜50%。
5、 DF复合溶胶对分子量较小的维生素（Vc)和矿物质（IO的扩散和透过性的影响不明 显。
6、DF复合溶胶影响质传递速率主要是其特有的固、胶、液混合体系结构所致。对于大分 子物质，体系内部对流、错位困难，减少了质与膜介质接触的机会：相对致密的均匀体系中传质 摩擦力增加；复合溶胶的吸附和包埋作用束缚了质的运动；髙黏度和表面张力，能在介质表面形 成液膜加剧“浓差极化”现象：胶团的分枝结构对微孔的堵塞和“污染”，降低了介质的通透量, 从而导致大分子物质在体系中扩散和透过速度下降•而对于小分子物质（如Vc、1〇,由于混合 体系中液相的存在，透过速率基本不受影响。
7、实验研究发现，配制型DF的物性及功能较天然膳食纤维优异、完备，较其他改性方法制 备的DF产品工艺更简单、易控。
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5.2建议
分析本次研究后建议，今后在与之相关的研究中应开展以下几方面工作：
1、配制过程可采用均质等手段，进一步提高固、胶、液混合体系均匀化程度，强化IDF颗 粒与SDF溶胶的粘€效果。
2、小肠中的质传递过程多为主动转运而非简单的渗透透过，今后的研究中应进一步模拟动 态、有（静）压传质过程，考核复合溶胶的动态质传递效果。
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