人类第七大营养素———膳食纤维康　琪　朱若华3(首都师范大学化学系　北京　100037)摘要　膳食纤维被称为人类第七大营养素,本文介绍了膳食纤维的有关化学问题,如其结构特点、理化性质、生理功能和检测方法,以及膳食纤维的应用与开发现状。

关键词　膳食纤维　聚葡萄糖　甲壳素　生理功能 膳食纤维具有突出的保健功能,有研究表明膳食纤维可以促进人体正常排泄;降低某些癌症、心血管和糖尿病的发病率[1～4]。

许多常见病如动脉粥样硬化、高血压、冠心病、便秘、肥胖以及严重威胁人类生命的结肠癌等都与膳食纤维的摄入量不足有关。

因而膳食纤维逐渐成为营养学家、流行病学家及食品科学家等关注的热点,有科学家将其称为人体“第七营养素”。

1　什么是膳食纤维1972年,Trowell H C首次将“膳食纤维”(Diet2 ary Fiber,DF)定义为“食物中那些不被人体所消化吸收的植物成分”。

随后,又“将那些不被人体消化吸收的多糖类碳水化合物与木质素统称为膳食纤维”。

近年来国外对膳食纤维进行了广泛研究,一般认为膳食纤维是指植物性食品中不能被人类胃肠道消化酶消化,但能被大肠内的某些微生物部分酵解和利用的非淀粉多糖类物质与木质素的合称。

2001年美国化学家协会对膳食纤维的最新定义为:膳食纤维是指能抗人体小肠消化吸收,而在人体大肠能部分或全部发酵的可食用的植物性成分、碳水化合物及其相类似物质的总和,包括多糖、寡糖、木质素以及相关的植物物质[5]。

因此,膳食纤维包括很多不被人体小肠消化的物质,如纤维素、半纤维素、树胶、β2葡聚糖、胶质、木质素、聚葡萄糖、果寡糖、抗性淀粉和糊精等。

膳食纤维按溶解性分为可溶性膳食纤维(SDF)和不溶性膳食纤维(I DF)两大类,而总膳食纤维(TDF)是指SDF和I DF之和。

可溶性膳食纤维指可溶于温水或热水,且其水溶液能被4倍95%的乙醇再沉淀的那部分纤维,主要是细胞壁内的储存物质和分泌物,以及微生物多糖和合成多糖,如果胶、β2葡聚糖等。

不溶性膳食纤维是指不溶于温水或热水的那部分纤维,主要是细胞壁的组成部分,包括纤维素、半纤维素、甲壳质等。

此外,功能性低聚糖和抗性淀粉(Resistant Starch,RS)也普遍认为属于膳食纤维。

膳食纤维主要来自谷类、薯类、豆类及水果蔬菜等植物性食品中,其含量与食物种类有关。

例如,蔬菜中的嫩茎和叶膳食纤维含量较高,而含淀粉较高的根茎类则较低;植物成熟度越高,膳食纤维含量也越高;谷类加工越精细则所含膳食纤维就越少。

此外,很多食品加工过程的下脚料中膳食纤维含量较高,如麦麸、米糠、豆腐渣、甘薯渣、荞麦皮、苹果渣、菠萝渣、柚子皮等。

表1总结了不同类食物中膳食纤维的含量。

表1　不同类食物中膳食纤维的含量(g/kg)[6](空白值为缺乏值)样品TDF SDF I DFSDF/I DF(SDF+I DF)×100/T DF 玉米(干)66.315.443.30.35688.5黑米188.021.2184.00.115109.1小米105.023.2128.20.181144.2荞麦230.7稻米12.9小麦粉58.1黑豆(干)456.0110.0324.00.3495.2黄豆(干)443.0103.0391.00.126111.5赤豆(干)283.093.3223.00.42111.8绿豆(干)301.099.8197.00.5198.6芸豆(干)326.081.0295.00.27115.3豌豆(鲜)139.0112.064.7 1.73127.1蚕豆(鲜)144.063.8121.00.53128.3青豆(鲜)149.057.387.60.6597.2红薯55.130.235.20.86118.7马铃薯37.0青椒57.628.336.20.78112.0苦瓜54.222.733.20.68103.1韭黄48.020.433.90.60113.1韭苔61.123.937.40.64100.33联系人,E2mail:zhurh@续表样品TDF SDFI DFSDF/I DF(SDF +I DF )×100/TDF洋葱45.0胡萝卜48.0莴笋(茎)9.3西蓝花63.834.8芹菜44.024.717.1 1.4495.0空心菜61.826.147.00.56118.3苋菜80.825.769.10.37117.3软浆叶53.628.129.00.97106.5甘蓝49.922.429.60.76104.2贡梨34.4苹果21.1桃子40.5香蕉47.913.739.50.35111.12　膳食纤维的结构来源不同的膳食纤维其化学本质差异较大,但基本组成成分则较相似,相互间的主要区别表现在各组成成分的相对分子质量、分子的糖苷键、聚合度以及支链结构方面的差异。

2.1　可溶性膳食纤维的结构果胶(Pectin ):许多蔬菜、水果含有果胶,果胶的化学组成与半乳糖醛酸相似。

其分子主链上的糖基是半乳醛酸,其侧链上是半乳糖和阿拉伯糖。

它是一种无定形的物质,存在于水果和蔬菜的软组织中,可在热水中溶解,在酸性溶液中遇热形成胶态;具有与离子结合的能力。

β2葡聚糖(β2glucan ):β2葡聚糖在结构上不同于一般多糖(如淀粉、糖原、糊精等),因为一般多糖是以β21,42糖苷键连结,而葡聚糖则是以β21,32键结构为主体,且有一些β21,62键的侧枝,不同于一般糖类的线型分子结构,而是形成螺旋型分子结构(如图1所示)。

图1　β2葡聚糖的结构聚葡萄糖(Polydextro se ):聚葡萄糖是由葡萄糖和少量山梨醇、柠檬酸经高温熔融,随机缩聚而成的多糖。

聚葡萄糖相对分子质量分布广(162～20000),约有90%的聚葡萄糖相对分子质量在504～5000之间,平均聚合度约为12,平均相对分子质量为2000。

聚葡萄糖含有的糖苷键种类多,以1,62糖苷键为主,分子结构比较复杂。

2.2　不溶性膳食纤维的结构纤维素(Cellulose ):不溶性膳食纤维的基本结构是纤维素,纤维素是由β2葡萄糖通过β21,42糖苷键相连而成的直链葡聚糖,由300～500个葡萄糖缩合而成,最多能达到10000个葡萄糖单体。

纤维素不溶于冷水、热水、稀酸和热的稀碱溶液。

人体内的淀粉酶只能水解α21,42糖苷键,而不能水解β21,42糖苷键,因此纤维素不能被人体胃肠道的酶消化。

半纤维素(Hemicellulo se ):半纤维素也不溶于冷水、热水和热的稀酸;半纤维素和纤维素的区别是它能溶于稀碱溶液。

半纤维由50～200个葡萄糖缩合而成,并带有支链。

存在于谷物中的阿(拉伯)糖基木聚糖是半纤维素的主要组成成分。

甲壳质(Chitin ):又叫甲壳素,化学名为(1,4)222乙酰氨基222脱氧2β2D 2葡聚糖,是以β21,42糖苷键相连的线型生物高分子,是自然界中惟一存在的碱性多糖。

甲壳素是地球上含量仅次于纤维素的天然高分子化合物,存在于低等植物菌类、藻类的细胞,高等植物的细胞壁,以及节肢动物(虾、蟹)的甲壳,乌贼的骨架,昆虫的外壳、内脏衬里、筋腱及翅上的覆盖物等。

甲壳素与纤维素的化学结构非常相似,分子链为线型直链;不同点在于甲壳素C2上有一个乙酰胺基(CH 3CONH -)。

甲壳素脱去乙酰基便得到壳聚糖,三者的结构比较,如图2所示:图2　纤维素、甲壳素和壳聚糖的结构抗性淀粉(Re sistant Starch ,RS ):是指在健康者小肠中不能被吸收的淀粉及其降解产物,主要存在于整粒和回生的高淀粉类食物中,可被结肠菌群分解为乙酸、丙酸和丁酸等短链脂肪酸(SCFA )及其降解产物,对人体健康有益。

RS 的分子结构较小,长度为20～25个葡萄糖残基,是以氢键连接的多分散线性聚糖。

RS 之所以能抵抗酶的水解,是由于聚糖的葡萄糖残基链之间存在较强的氢键,该氢键在155℃～160℃时具有40J /g 的焓;或是由于这种聚糖具有β型晶体结构。

2.3　非糖类结构木质素(Lignin ):不是多糖物质,而是苯基类丙烷的聚合物,具有复杂的三维结构。

因为木质素存在于细胞壁中很难与纤维素分离,所以在膳食纤维的组成成分中包括了木质素,人和动物都不能消化木质素。

木质素的3种结构单体如图3所示。

图3　木质素的3种结构单体角质(cutin ):是细胞壁表面的类似蜡的长链脂肪酸。

3　膳食纤维的生理功能膳食纤维的化学组成和结构决定其理化性质,虽然膳食纤维在人体内不能被消化吸收,但却具有重要的生理功能。

3.1　膳食纤维与减肥膳食纤维具有亲水性的极性基团,因而具有持水性和溶胀性,遇水后体积增大,对肠道产生容积作用,进食后充填胃腔,需要较长时间来消化,延长胃排空的时间,使人容易产生饱足感而减少热量的摄取;而且膳食纤维在肠内会吸引脂肪使其排出体外,有助于减少脂肪积聚,从而达到减肥的效果。

3.2　膳食纤维与控制血糖膳食纤维中的果胶可延长食物在肠内的停留时间,降低葡萄糖的吸收速度,使进餐后血糖不会急剧上升,维持餐后血糖的平衡和稳定,避免血糖水平的剧烈波动,因此食用膳食纤维能够有效预防糖尿病。

另外,食用富含膳食纤维的食品可降低糖尿病患者对胰岛素和一般口服降血糖药的需求量,对糖尿病有预防和治疗作用。

3.3　膳食纤维与降低血脂膳食纤维中的某些成分可与胆固醇和胆汁酸结合,使其直接从粪便中排出,从而消耗体内的胆固醇,降低血脂;同时,膳食纤维在肠道内吸水,对肠内容物起到稀释作用,降低了胆固醇和胆汁酸的浓度,有助于肠道内正常寄居细菌的生长繁殖,而这些正常细菌在繁殖过程中也能使胆固醇转化后经粪便排出,有助于减少冠心病的发生。

3.4　膳食纤维与吸收毒素膳食纤维在胃肠道中遇水形成致密的网络,能吸附有机物、无机物和水分,对维持胃肠道的正常菌群结构起着重要作用;同时,膳食纤维能吸附肠道中的毒素,从而使肠内容物与毒素的接触机会减少,进入血液的毒素量也减少。

3.5　膳食纤维与预防肠癌人的大肠中存在着大量的细菌,能产生多种毒物如胺、酚、氨等。

有些细菌可能有合成多环烃或将硝酸盐还原为亚硝酸盐的能力。

膳食纤维的化学结构中含有许多亲水基团,具有良好的持水性。

较高的持水性可增加人体排便的体积和速度,使含水量增多,减轻直肠内的压力和泌尿系统的压力,从而使毒素的浓度稀释并刺激肠蠕动,加快肠道内容物的排空速度,缩短食品中有毒物质在肠道内滞留时间,促使胆汁酸排泄,并使粪便保持酸性,对预防大肠癌有益。

膳食纤维在肠道中发酵产生丁酸等短链脂肪酸,促进细胞分化,可防止肠癌发生。

食用膳食纤维后会增加咀嚼次数,从而增加唾液分泌,而唾液是防癌抗癌的重要物质。

3.6　膳食纤维与降血压和矿物质的吸收膳食纤维结构中包含一些糖醛酸的羧基和羟基侧链基团,可与阳离子进行可逆交换,同时,还可以使膳食纤维在小肠内可能与某些维生素和矿物质如钙、铁和镁结合,这一方面可以影响电解质与宏量微量元素的吸收,另一方面也可缓解重金属如Cu 、Pb 的中毒。