海藻复合膳食纤维的制备及生物活性研究（可编辑）

海藻复合膳食纤维的制备及生物活性研究（可编辑） 海藻复合膳食纤维的制备及生物活性研究 中国海洋大学 硕士学位论文 海藻复合膳食纤维的制备及其生物活性研究 姓名:吕钟钟 申请学位级别:硕士 专业:药物化学 指导教师:管华诗 20090601 海藻复合膳食纤维的制备及其生物活性研究 捅 晏 海带被誉为天然的保健食品，在我国有悠久的食用历史。海带中富含多 种生 物活性物质，不仅是人们喜爱的一种蔬菜，更是一种重要的工业原料。目前我国 已经形成了以褐藻胶、甘露醇、碘为主要产品的褐藻工业产品体系。但是海带的 0,，还有约2,3的海带成分尚未得到利用，不仅浪费了工业利用率仅为3 大量的 自然资源，还带来一系列环境污染问题。如何提高海带利用率、变废为宝，这一 问题引起越来越多的关注。在海带诸成分中，除了已经利用的组分之外，主要是 粗蛋白、粗纤维和灰分，其中含量最多的就是膳食纤维。而另一方面，膳食纤维 “文明病”已经成为危害我国人民健康的主要疾病，在这种背景不足引起的 下对海 带残渣中的膳食纤维进行研究和开发成为一个十分重要的研究课题。 本论文就是基于这些思考，从海带原料出发，寻找新的海带利用的工业化路 线，(海带经水浸、酶解水提工艺，提取富含碘和多糖的滤液，用于功能性饮料的 制作，海带残渣则分析制备海带膳食纤维，并对其制备的膳食纤维改善胃肠道的 活性进行了检验。在此基础上添加低聚木糖，制备出生物活性更好的海藻复合膳 食纤维。 海带经水浸、酶解水提工艺，可使碘含量高达93(5p,g,10(0ml，总糖提取率高 达15(27,，海带利用率37(8,，明显的高于其它几种提取，能够有效地提取 出海带中部分功能性物质。而且提取液的颜色相对较浅，易于脱色处理。因此选 定这种方法作为海带综合利用的提取方法，提取后的溶液中富含碘，多糖类成分， 不添加酸碱类化学成分，颜色较浅，能够直接用于富碘功能饮料，海鲜调味添加 剂的加工制造。 对海带残渣进行了营养成分分析:膳食纤维含量51(13,，蛋白质含量 16(14,，并进行了氨基酸分析，确定海带残渣是一种非常好的蛋白质营养源，由 此确定膳食纤维和蛋白质为海带残渣的两大利用方向。 以海带渣为原料，进行海带膳食纤维的制备，在制备过程中我们考察了木瓜 蛋白酶的用量和酶解时间对膳食纤维去除蛋白质的影响，发现加酶量在O(5,， 酶解时间2小时能很好的去除海带渣中的蛋白质。考察了温度、H202的浓度、脱 色时间、料液比对海带膳食纤维脱色的影响确定本试验条件下海带渣膳食纤维脱 品的脱色效果最佳，海带渣膳食纤维微黄色。 对制备好的海带膳食纤维进行了营养成分的分析，结果显示海带膳食纤维中 膳食纤维含量高达74(76,，蛋白质为1(56,，灰分为21(18,。对海带膳食纤维 进行功能活化后，我们测定了其部分理化性质:溶胀性及持水力、对重金属最大 束缚量、N02"吸附作用。结果分别为:海带膳食纤维粉的持水力达到了859,， 溶胀性为12(3ml,g;对Cd2+、Cu寸，pb2+三中重金属离子的最大束缚量分别为 37(279mol,g，29(6I(tmol,g，3 用分别为1(42mg,g和1(04mg,g，理化性质要优于海带和海带渣，表现出很好的 膳食纤维品质。 (对海带膳食纤维促进便秘模型小鼠通便功能进行了研究，在每日给予小鼠灌 胃“海带膳食纤维”悬浮液14天，造模成功的前体下，与模型组比较低、中、高剂 量组的“海带膳食纤维”均可增加便秘小鼠小肠墨汁推进率 p O(01 ，缩短实验小 鼠的首粒黑便时间 p 0(05 ;增加实验小鼠的5小时排黑便数和黑便总重 。 Q 0、01 依据《保健食品检验与评价技术规范》 2003版 动能判定方法可知，海带膳食 纤维具有促进便秘模型小鼠通便的功能。 由于单用海藻膳食纤维不能很好的调节胃肠道菌群，我们将海带膳食纤维与 低聚木糖复合，配制成海藻复合膳食纤维，在海藻复合膳食纤维改善胃肠道功能 的研究中，我们得出海藻复合膳食纤维不仅具有海带膳食纤维单独作用时的促进 通便的功能，还具有改善胃肠道菌群的作用，由此依据《保健食品检验与评 价技 术规范》 2003版 功能判定方法可知，海藻复合膳食纤维产品具有调节小 鼠肠 道菌群和促进通便的功能。 ? Studiesthe on and Functionsof preparation Seaweedfiber dietary complex Abtract isanatural andhas food a of in Kelp healthy longhistoryconsumption China(Kelp isdchina of active substances(Itisnot a varietybiologically only vegetable， but alsoisall rawmaterials(At industrial hasbeenformedthe important present，China to areabout2, 3ofthe industryproductalginate，mannltol，iodine(However,there seaweedhasnotbeenused(Theseaweed is not industry30,utilization,It only only a of lotnatural also a of resoulces，but seriesenvironmental wasting brought problems ( Howto theutilizationof havemoreand seaweed，we moreconcernabout improve this Canbe main of issue(Analysisshown,the is remainingcomponents Kelpdietary theother fiber(On of fiberhadinduced hand，lack diseases(under dietary manymajor this and the fiberfromtheresidueof has context，studying developingdietary Kelp becomean research importanttopic( thesetwo inthis fromtheseaweedraw Consideringpoints paper,，We starting find anewindustrializationtouse materials，and beenflooded way Kelp，Kelpfirstly it weextractthe bywater,secondlyhydrolysisferment，then by polysaccharides andiodinefor functional making theresidueand beveragesproduction(Weanalysis weuse fiber,thenthe fiberto the ofthe preparedietary dietary improveactivity tract(Onthis add initto a gastrointestinal basis，we Xylo-oligosaccharideprepare better fiber activitydietarycomposite Wecallmake theextractionofiodineas as 00mlfrom 93(5I-tg,1 high Kelpthough water and extraction flooding solutioncontenttotal hydrolysisprocess(The as as1 5(27 utilizationrateof polysaccharideshigh is37(8,(This percent，the Kelp methodCan extracted of functional effectively parts material(Thismethodis Kelp thanthatofseveralother extractionmethods(Thecoloris obviouslyhigher relatively Sothismethod shallowand todecolorization( isselectedastheextractionof easy seaweedutilization solutionafterextraction methods，the isrichin iodine， more notaddtheacid―basechemical carbohydrateingredients，do TIT iodinecanbe usedforfeature―rich andotherfunctional color，So directly beverages foods( Wehavemadeanutrient oftheresidueof fibercontent: analysis kelp，dietary acid thattheresidueof 51(1 content"16(14,(Amino showed analysis kelp 3,，protein isa sourceof wedeterminedthe fiberand as verygood dietary protein protein(So thetwodirectionsof the residue(We the of using kelp investigatedimpact timeonthe fibercolor(The concentration,decolorization temperature，H202 dietary best is concentrationis timeis 90?，H202 12,，decolorization120mi 玛 Temperature ratioisl:1 made of fiber(whichisthemost 5，these liquid yellowishkelpdietary shallowcolorundertheseconditions( that fiberin fiber Nutrient showed seaweed dietary dietary compositionanalysis contentas 1(18,ash(mwater hi曲as74(76,，1(56percentprotein,2 holding of fiber hasreached reached 859,，the capacity dietary powder swelling kelp boundvolumeof 12(3ml,g;thegreatest Cd2+、Cu2+， pb2+reached37(27I_tmol,g， and were 29(61xmol,g，31(579mol,g;inpH2(0 pH7(0，theN02-adsorption1(42mg ,g had and andchemical thatthe fiber dietary 1(04rag,g，physical propertiesshowing very goodquality( to“Technicalstandardsfor healthfood of According testing&assessment functionsof Fiberof on functionin 2003 ”，theregulative Dietary kelp defecating micewerestudied(ItCandecreasethe ofClostridium in reproduction perfringens mice(111e couldincreasethe of insmallintestineof product percentagepropellant timeof of feceswere modelmice defecationfirstblack constipated distinctly,the thenumberand offeceswithin5hwere significantshorten，and weight significant withthecontrol theresultsshowedthatthe increased,comparedgroup(All dietary fiber hasfunctionof functioninmice( complex defecating Wemixed and fiberof wetest dietary Xylo―oligosaccharides kelptogether,then the the Fiber to“Technicalstandardsfor actiV时ofDietary Complex(According ofhealth functionsof Fiber testing&assessmentfood 2003 ”，theregulative Dietary onGastrointestinalFunctioninmicewerestudied(nleresultsshowedthat Complex this could theintestinalfloraand the of product regulate improvereproduction ‘ ? the of alsocoulddecrease bifidobactacteriaand lactobacillus，It reproduction increasethe of inmice(The could Clostridium percentage product perfiSngens timeof in of modelmice smallintestine distinctly,the constipated propellant of thenumberand first feceswere weight defecationof black shorten,and significant the withthecontrol were feceswithin5h group(All significantincreased，compared hasfunctionof thatthe fiber improving resultsshowed dietary complex Functioninmice( Gastrointestinal V 明 独创声 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，(除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 也不包含未获得 他人已经发表或撰写过的研究成果， ?洼;翅遗直墓他盖蔓挂别岜明的:奎拦互窒?或其他教育机构的学位或证书使 用过的。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 ( 学位论文作者签名:。甚钟钟签字日期:加7 年铂可日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名: 导师签字(、，’屠孝?孝 导师签字:、，G彦移’矿 诌钟钟 签字日期:2彳年。月。7日 签字日期:勿刁年衫月叫日 海藻复合膳食纤维的制各及其生物活性的研究 (_lL??-JL-- 月IJ 吾 海藻 Seaweeds 是生长于海洋中的低等植物，是海洋中有机物的生产者和 无机物的富集者，被称为海洋森林，是海洋生物的重要组成之一，与人类生活及 经济发展有着密切的关系。根据《中国海藻图谱》记载我们可以看出，我国的经 济海藻有510多种，其中蓝藻66种，红藻226种，褐藻115种，绿藻103种。在四大 类海藻中，褐藻和红藻种类多，产量高，因其含有用途广泛的褐藻胶、琼胶、卡 早己引起人们的关注和重视，如海带、紫菜等已经被大规模的人工拉胶等， 养殖 和工业利用。海藻除了作为海藻酸钠、琼胶和卡拉胶三大胶的生产原料以外，还 可利用海藻力n-r-成食品、保健品和海洋药物，这一产业在我国正在兴起。研究表 明，海藻不仅含有丰富的蛋白质、维生素、(矿物质等营养成分，还含有丰富的膳 食纤维。但长期以来，除了一小部分海藻被直接食用以外，大部分红藻和褐藻被 用于工业化原料，用于提胶，如褐藻胶、卡拉胶、琼脂，一部分用于提取碘、甘 露醇、海洋药物及作为饲料【1??21。 以海带为例，海带是我国海藻养殖的主要品种，是褐藻工业的主要原料之一。 目前，我国海带的养殖获得巨大成功，其产量位于世界第一，高达40万吨 干品， 约占世界总产量的50,。我国目前已经形成了生产褐藻胶、甘露醇、碘为主要产 品的褐藻工业产品体系。但是按干重计算，海带的工业利用率仅为30,，还有约 2,3的海带成分尚未得到利用，这些成分的丢弃，不仅浪费了大量的自然资源， 还带来一系列环境污染问题。这类生产企业大多分布于沿海地区，大量富含有机 质和营养盐的废弃物已成为水体富营养化和赤潮诱发的潜在化学因素。给海洋渔 业经济和生态带来破坏和影响【31。 为进一步综合利用我国海带资源，提高海带利用率，特别是深入开发它的药 用价值和残渣利用，已经成为当前的研究重点，这些问题已经引起越来越多的关 注。分析可以得出，在海带诸成分中，除了已经利用的组分之外，主要是粗蛋白、 粗纤维和灰分。以干重计算，其中分别含粗蛋白约20,，粗纤维约50,【41。可见 其中含量最多的就是膳食纤维，近年来，膳食纤维在预防肥胖症和肠道疾病，调 节和稳定血糖水平，预防心血管疾病，清除氧自由基以及提高身体免疫力，改变 肠道系统中微生物群落组成等诸方面的生理功能，愈来愈受到人们的重视。利用 海藻复合膳食纤维的制备及其生物活性的研究 海带的纤维开发膳食纤维功能产品已成为海带综合利用的研究方向。 尽管2000多年以前，人们就意识到纤维类食物对人体的重要性，但膳食纤维 却一直被认为是没有营养价值的粗纤维，被人们所丢弃。直到上世纪七十年代 Trowell等提出膳食纤维概念以及它与现代“文明病”的密切关系以来，全世界范围 掀起了研究膳食纤维的热潮，膳食纤维就像维生素一样成为人们谈论的重要话题 【5-7】。现代医学和营养学更是将膳食纤维与传统的六大营养素并列，成为“第七营 养素”。但是不同的膳食纤维，其生物活性不同，要使其在人体内更有效地发挥 作用，膳食纤维的原料的选择和提取方法是关键问题之一。膳食纤维广泛存在于 谷类、豆类、水果、蔬菜和海洋藻类中，充分利用海藻资源，从海藻工业残 渣中 提取利用膳食纤维的前景十分广阔。 O(1海带的工业化利用 O(1(1海带概述 海带，为一种大型的食用褐藻类，大叶藻科植物大叶藻的全草 Laminaria japonica 有四种:海带 Laminariajaponica 海带 L(angusmtnkjellm 和长海带 L(10ngissima Mijabe 。我国目前自然生长 aresch is】。 和人工养殖的是海带 Laminariajaponica 海带被誉为天然的保健食品，在我国有悠久的种植和食用历史。其藻 体为 长条扁平叶状体，褐绿色，一般长1(5,3m，宽15,25cm，最长者可达6m，宽可 达50em。海带自然分布在俄罗斯太平洋沿海，日本，朝鲜半岛海岸和我国北部 我国辽宁、山东、江苏、浙江、福建及广东省北部沿海均有养殖，沿海一线， 野 生海带在低潮线下2(3米深度岩石上均有分布。由于从北到南光照、温差等诸因 素差异的影响，使海带的生长成熟期有早有晚，所以，其收获期也有所不同，从 5月中旬一直延续到7月上旬【9】。 海带含有丰富的营养成分。据分析可以测定，每lOOg海带约含蛋白质8(29， 脂肪O(19，碳水化合物56(29 主要为海藻胶、褐藻淀粉、甘露醇、纤维素等多糖 ， 生素C等多种维生素，还含有锌、锰、硒、钴、锶等矿质元素【10，111。 2 海藻复合膳食纤维的制备及其生物活性的研究 海带含有丰富的营养成分，同时也具有较高的医疗价值。早在1500年前，我 国就有食用海带并利用其预防和治疗甲状腺肿大的记载。《医林纂要》指出它能 “补心行水，消滞，消瘿瘤结核，功寒瘕疝，治脚气水肿”。《本草纲目》记载"治 水病，瘿瘤，功用海藻”。自古以来，海带就被誉为延年益寿的补品。常吃海带 能补血润脾，医治或防止甲状腺肿大，降低血液中的胆固醇，防止血管硬化、癞 皮病及肝脏疾病。海带还具有化痰、利水泄热的功效【121。海带是一种含碘量很 高的海藻。碘是人体必须的元素之一，缺碘会患甲状腺肿大，多食海带能防 治此 病，还能预防动脉硬化，降低胆固醇与脂的积聚。海带中还含有大量的多糖类成 分，这些多糖类成分具有显著的生物学活性，褐藻胶有预防白血病和骨痛病的作 脉出血亦有止血作用，口服还可以可减少放射性元素锶(90在肠用，对动 道内的 吸收。褐藻酸钠具有降压作用。海带淀粉具有降低血脂的作用。海带甘露醇对治 疗脑水肿、急性肾功能衰退、乙性脑炎、急性青光眼都有效。海带中提取的有效 成分海带岩藻聚糖硫酸酯具有降血糖，降血脂，抗肿瘤，抗HTV和增强免疫等功 所以，海带有“长寿菜”、“健康食品”、 “海上之蔬”、“含碘冠军”之能。 称。海 带是大自然馈赠给人类的理想健康食品。 0(1(2海带生物活性物质的提取及研究【13】 海带含有多种生物活性物质，其主要生物活性成分为多糖类成分。海带多糖 是天然生物大分子物质，‘存在于海带的细胞间和细胞内。海带中的海带氨酸、褐 甘露醇和多糖等，既能维持和促进人体健康，又可改善无机物的平衡藻酸、 关系。 它还能增强由无机物、氨基酸和糖类 甘露糖等 形成的协同风味，保持食品的 天然风味。因此，近年国内外都很重视对海带保健功能的研究。现在主要研究的 是多糖物质、碘和膳食纤维。 0(1(2(1多糖 目前从海带中已发现了3种主要的多糖:褐藻胶、褐藻糖胶、褐藻淀粉【14】。 褐藻胶一般指褐藻酸盐类，在海带中含量丰富，约为19(7,，是由古罗糖 醛酸和 甘露糖醛酸为单体相互嵌段形成的共聚物，不含蛋白质。红外光谱分析表明，其 中含有羧基、羟基、吡喃糖环骨架吸收峰。褐藻糖胶在海带中的含量约2(46,， 主要成分为岩藻多糖。红外光谱分析证明，褐藻糖胶中含有蛋白质、硫酸基，是 一种优质的膳食纤维。褐藻淀粉 又名昆布多糖 ，在海带中约占l,，一般有 海藻复合膳食纤维的制各及其生物活性的研究 水溶性和不溶性2种，主要由8n吡喃葡萄糖的多聚物组成【15】。目前，对海带多 糖的研究主要有: 1 海带多糖的提取方法:目前海带多糖使用的提取方法很 多，包括水提法、酸提法、碱提法、酶提法、超声波提取法等。但这些方法往往 只适合于提取出一种多糖或混合多糖，同时对3种多糖都能较好提取的方法少有 报道; 2 海带多糖的生物活性研究:目前海带多糖对各种生理功能方面的研 究较多，如降血脂、抗病毒、抗癌等等，但是各种药物的开发还有待于更深层的 研究; (3 海带制品此方面的研究多停留在将海带加入食品中，对海带多糖等 活性物质作为功能食品应用，以及加入其它食品中的研究尚少。 0(1(2(2碘 碘对人体具有重要的生理功能，碘在成人体内含量约25 mg，在人体中广泛 存在，其中主要存在于甲状腺中，其他分布于皮肤、肌肉、骨骼、以及内分泌腺 和中枢神经系统。干品海带含碘高达240"--720 mg,kg，且有80,以上是可被人体 直接吸收利用的有机活性碘【161。迟玉森等【18】发现，海带有机态碘主要是3，5(二 碘酪氨酸，并证明机体对有机态碘的吸收和利用较无机态碘快而有效。据铃木等 【171对海带的测定，海带中大部分碘为有机态碘，少部分以无机态碘存在。 海带的含碘量虽较其它物质的高，但是其绝对含量较低，因此要尽量提高其 收率，避免碘资源的流失。我国对海带中碘的提取方法已经相当成熟，目前常见 高温处理法。周令芬等[19】用亚硝酸钠作氧化剂，再用提取法提的方法为 取，有 反应快，‘原料中碘的损失小，短，收率高等优点，值得推广。 人体对碘的补充主要来自于碘盐和海产品，中国预防医学科学院进行的一项 调查表明，海带中的碘在烹调过程中的存留率达90,以上。高于其余几种补充 物质，因此海带是开发安全高效补碘剂的首选原料。目前，由海带开发的补碘食 品己引起世界各国的重视。我国补碘系列海带饮料起步较晚，只有少数几种海带 制品、碘口服液投放市场，但是深受消费者的欢迎。我国碘产量低，不能满足人 们的消费需求，碘的进口量超过了国内生产总量，占总消费量的60,以上。因此， 开展科研攻关，开发出一批安全、高效的补碘食品和加碘保健品，为消除碘缺乏 的危害开辟了新途径已经成为亟需解决的问题。 0(1(2(3海带膳食纤维【20】 我国海带工业目前已形成了以褐藻胶、甘露醇、碘为主要产品的褐藻工业产 4 海藻复合膳食纤维的制各及其生物活性的研究 品体系。海带工业中提供的碘是航天等工业必需的重要战略物资，海带制碘业耗 约占海带总产量的70,。正是由于这些原因，我国海带工业一直用的海带 停滞不 前，一直是碘、胶、醇“老三样”。总体上处于低技术含量、低竞争优势、低产品 附加值、低效益，受国际市场影响较大，现在大部分制碘企业已经出现创收减少， 经营困难等问题，减弱了海带工业的带动力，就减弱了对海带养殖业的推动力。 同时，由于陈旧的海带加工工艺存在耗能大、耗水大、污染严重等问题，致使三 大产品生产成本居高不下，导致许多海带加工企业处于微利或亏损的边缘。按干 重计算，海带的工业利用率仅达30,，还有约50,以上的海带成分作为废弃物丢 弃了，这样不但浪费了大量的自然资源，而且还带来一系列环境污染问题。因此 开发新的海带综合利用路线具有重要的意义。近年来，膳食纤维在预防肥胖 症和肠道疾病，调节和稳定血糖水平，预防心血管疾病，清除氧自由基以及提高 身体免疫力，改变肠道系统中微生物群落组成等诸方面的生理功能，愈来愈受到 人们的重视。利用海带的粗纤维开发膳食纤维产品增加海带工业的产品附加值， 对海带综合利用路线的设计具有重要的借鉴价值。 0(1-3综合利用 O(1(3(1海藻酸钠、碘和甘露醇联产的生产工艺【20】 海带中含有较多的褐藻胶、甘露醇、碘等成分。我国白1958年以来解决了 海带全人工养殖后，黄、渤海沿岸大规模地推广了养殖技术。在此基础上，我国 ‘1958年纪明侯等研究了从海带中褐藻胶、甘露醇、海带综合利用得以实现。 氯 化钾、海带淀粉+褐藻糖胶、碘等产品的分离条件，取得了良好的成果。海藻酸 钠、碘和甘露醇联产的生产工艺流程如下: 1 褐藻胶:鲜海带―稀酸处理―水洗一甲醛处理 固定色素 一加碱 Na2C03 液加热提取 60"C ―稀释一打泡漂浮一过滤―褐藻酸钠溶液一加 胶一压榨脱水一中和 力INa2C03 、造粒―烘干一磨粉―褐藻酸钠粉末。晒干 海带一水浸泡A Pl以生产甘露醇和碘 一甲醛处理―褐藻胶。 2 碘:水浸泡A液一酸化一氧化一强碱性阴离子交换树脂吸收碘 流 出 液B 生产甘露醇 一还原洗脱一氧化―精制―碘。 3 甘露醇:流出液B―碱化 去褐藻糖胶等杂质 一蒸发一离心一离心 海藻复合膳食纤维的制各及其生物活性的研究 液经离子交换树脂精制一蒸发一甘露醇。 0(1(3(2褐藻糖胶、甘露醇、膳食纤维和海藻酸钠的工艺 海带中生物活性物质很多，武文洁等【211研究开发了从海带中联产褐 藻糖胶、 甘露醇、膳食纤维和海藻酸钠的工艺，大大提高了海带的附加值。见图0(1 海带 上耪殍 1【茏水乙酵链瑗 厂――――――] 滤液 滤渣 上丙酮处灌 脱脂海带渣 滤液 纲收乙酵 沉淀 滤 液 予燥 膳食纤维残龆 卜冻干燥 辍褐藻耪胶 图1(1海带综合利用路线图 0(2膳食纤维综述 随着社会的发展和人民生活水平的提高，人们的饮食结构发生了很大的变 化，人们开始追求高热量、高蛋白、高脂肪和精细食品，而与之伴随的肥胖症、 高血压、高血脂、脂肪肝、糖尿病等现代“文明病”越来越普遍。膳食纤维能够平 衡人体营养， 调节机体功能， 被列为继糖、蛋白质、脂肪、水、矿物质和维生 素传统的六大营养素之后的“第七大营养素”。 0(2(1膳食纤维的定义 6 海藻复合膳食纤维的制各及其生物活性的研究 fiber 膳食纤维 Dietary Trowell等人在测定食品中各种营养成分时，将其定义为:“那些不被人体所消化 吸收的多糖碳水化合物和木质素”[22,23,24]，这种定义，膳食纤维包括非淀粉多糖 。1999年膳食纤维被定义为“凡是不能被人体内源酶消化吸收的和木质素 可食用 植物细胞、多糖、木质素以及相关物质的总和[251。这一定义拓宽了膳食纤维的 组成，包括了可食性物品中的大量组成成分:纤维素、半纤维、木质素、低聚糖、 脂质类质素、胶质、改性纤维素、粘质、寡糖。在有些定义中【261，那些不被人 体消化吸收的、在植物体内含量较少的成分，如角质、蜡、糖蛋白和多酚脂等成 分，也包括在膳食纤维的范围内。2001年美国化学家协会给膳食纤维定义为:膳 食纤维是具有抗消化特性且在小肠中不能消化的碳水化合物或其类似物:膳食纤 维包括不能消化的多糖、低聚糖、以及其他植物聚合物等成分。膳食纤维在生物 活性方面对人有轻泻、降低血中的胆固醇和葡萄糖等健康作用【27】。膳食纤维的 食品法典委员会一致同意在定义在第26届CCNFDU会议中得到进一步完善， 化学 定义的基础上阐述生理特性能够更好的阐述膳食纤维，即;膳食纤维指小肠内不 能消化吸收， 聚合度不小于3 或10 的碳水化合物聚合物。( O(2(2膳食纤维的组成 从膳食纤维的定义我们得知，膳食纤维主要由一些复杂的的天然大分子物质 所组成，主要包括:?纤维素:纤维状碳水化合物，是由葡萄糖基以D1-4糖苷键 结合的巨型分子长链，呈线型排列，几条靠得很近的线性链依赖于氢键的作用结 合成柬，呈现纤维状的外观及特性。?半纤维素:基料碳水化合物，是各种分子 量不同的分支碳水化合物相聚合而成。主链的原糖为5C糖和6C糖，而分支上有 葡萄糖醛酸、麦芽糖、阿拉伯糖、木糖残基等。?果胶:基料碳水化合物，是一 组聚半乳糖醛酸。它具有水溶性，工业上即可分离，其分子量约5万一30万。在 适宜条件下其溶液能形成凝胶和部分发生甲氧基化 甲酯化，也就是形成甲醇酯 ( 其主要成分是部分甲酷化的仅 1，4 一D一聚半乳糖醛酸。残留的羧基单元以游离酸 的形式存在或形成按、钾钠和钙等盐。?木质素:填充类化合物，由苯丙 烷单体 聚合，并且有横链相连，亲水性差，是植物的结构整体物质，木质素与另 一种腊 质纤维几乎不能受生物化学分解[28】。 O(2(3膳食纤维的分类 7 海藻复合膳食纤维的制备及其生物活性的研究 膳食纤维的来源不同，其化学性质差异很大，但基本组成成分较相似， 相互 间的区别主要是相对分子量、分子糖苷链、聚合度、支链结构方面。 ’ 膳食纤维的分类方法有很多种，最常用的有以下2种: O(2(3(1根据在水中的溶解性不同 可分为水溶性膳食纤维 SDF 和水不溶性膳食纤维 DF 。水溶性膳食纤 维是指那些不被人体消化道酶所消化，但可溶于热水，和水结合会形成凝胶 状物 质，且其水溶液又能被其四倍体积的乙醇再沉淀的那部分膳食纤维，主要是植物 细胞壁内的贮存物质和分泌物，另外还包括部分微生物多糖和合成多糖，如果胶、 角叉胶、瓜尔豆胶、愈疮胶、琼脂，以及半乳糖、甘露糖、葡聚阿拉伯胶、 糖、 海藻酸钠、微生物发酵产生的胶 如黄原胶 和人工合成半合成纤维素 如羧甲 基纤维素 ，另外还有真菌多糖，海藻多糖等。 IDF是指不被人体消化道酶消化且不溶于热水的那部分膳食纤维，主要是植 物细胞壁的组成成分，包括纤维素、半纤维素、木质素、原果胶、植物腊和动物 性的甲壳质及壳聚糖等。【281SDF和DF二者在人体内所具有的生理功能和保健作 用是不同的，IDF成分主要作用在于使肠道产生机械蠕动效果，而SDF成分则更 多地发挥代谢功能。IDF能够引起胃内pH变化，而SDF贝U不引起胃内pH值变化。 已经确认，IDF可增加粪便量、防止肥胖症、便秘、肠癌等有效，而SDF可以排 除有害金属离子，防止胆结石和预防糖尿病，降低血清及肝脏胆固醇和抑制餐后 血糖上升，防止高血压及心脏病等。因此，DF的生理功能的显著性与SDF和IDF 的比例有很大关系。【29。31】 0(2(3(2根据膳食纤维的来源不同 1 谷物类纤维:主要包括小麦纤维、玉米纤维、燕麦纤维、米糠纤维和 能显 大麦纤维等， 其中燕麦膳食纤维是被公认 包括FDA 的优质膳食纤维， 著降低血液中胆固醇含量， 从而降低心脏病和中风的发病率。 2 豆类纤维: 比较常用的有大豆纤维、豌豆纤维以及瓜儿豆胶和刺槐豆胶等。大豆纤维是一种 很适合用来生产低能量食优质纤维具有较明显的降血脂和稳定血糖的作用， 品。 3 果蔬纤维:主要应用果蔬的下脚料加工制作而成，一般用于高纤维果汁、 果冻以及其他果味饮料中，有果渣纤维、果皮纤维、果胶、甜菜纤维、胡萝卜纤 维、竹笋纤维、茭白纤维以及各种各样的蔬菜粉等。 4 动物类膳食纤维:主 8 海藻复合膳食纤维的制各及其生物活性的研究 要是甲壳质类和壳聚糖等【321。 5 海藻膳食纤维:主要有细胞壁的结构成分， 它由纤维素、半纤维素等构成，此外，藻类植物细胞间质多糖，如琼胶、卡拉胶、 褐藻胶、马尾藻聚糖、岩藻聚糖、硫酸多糖等都属于海藻膳食纤维的成分。 6 其它纤维:包括改性纤维素、微晶纤维素、聚葡萄糖、抗性糊精等。 O(2(4膳食纤维的测定方法 膳食纤维的测定方法与其定义一直是相互关联的。由于各种膳食纤维的测定 方法依据的测定原理不同，因而结果差异较大。具有代表性的几种方法为洗涤法、 酶(重量法、酶(化学法。 0(2(4(1洗涤法【33】 包括粗纤维 CF 法、酸性洗涤剂纤维 ADF 法和中性洗涤剂纤维 NDF 法。 其原理为选择合适的洗涤剂去除淀粉、蛋白质和半纤维素，残留纤维素和木 质素。 此方法只适用于不溶性膳食纤维的测定。目前仍在某些国家在动物饲料工业中应 用，但由于不能测定所有可溶性多糖以及某些不溶性多糖和木质素，而使其应用 受到限制。 0(2(4(2酶一重量法【34,35】 者继续完善，是目前公认的测定总膳食纤维、不可溶膳食纤维以及可溶性膳食纤 维含量的方法，1986年AOAC确认了酶(重量法为DF测定方法。酶一重量法是根据 膳食纤维定义模仿食物在消化道的消化原理提出的，先用热稳定的a-淀粉酶胶凝 化，再用蛋白酶和淀粉葡萄糖营酶进行酶法消化，去除淀粉和蛋白质，而未被消 化的残渣即被认为是膳食纤维。通过测定沉淀物的蛋白质、灰分含量校正膳 食纤 维的量。此方法精度高，重现性好，但步骤繁琐，费时。 酶(重量法的研究进展主要围绕AOAC法进行不断地改进。尽可能准确地模 拟人体消化系统的条件，寻找尽可能完全除去蛋白质、脂肪、淀粉等物质的试剂、 酶和方法，同时以提高其准确性和精度。主要改进手段有:针对不同组成， 采用 不同的酶体系;改变缓冲液的浓度及组成，发挥酶的最大作用;改进分离手段， 如采用透析、超声波、高速离心分离。 O(2(4(3酶(化学法【36,37] 其Englyst法和Uppsala法最令人注目，二者主要是从化学分析入手，通 9 海藻复合膳食纤维的制各及其生物活性的研究 过测定其组成得其总量。首先对食物样品进行酶消解和分离，分离出的DF用酸水 解，使纤维分解为葡萄糖、糖醛酸等单糖，这些物质再用不同的化学方法检测。用 GLC和HPLC只能检测出水解得到的糖类;糖醛酸用比色或脱羧的方法可以检测 到;木质素用Klason木质素法检测到。可提供更多的膳食纤维的信息，不但能测 出膳食纤维含量，更适合作为一种研究手段，进行组成与结构的相关研究，但是 化学法受仪器设备制约，分析成本比较高。 0(2(5膳食纤维的理化特性 膳食纤维具有一些独特物化性质，概括地说，其物化特性主要包括以下5个 方面: O(2(5(1高持水性 膳食纤维的化学结构中含有许多亲水基团，具有良强的持水性【26,38]。能吸收 相当于自身重量数倍的水分，表现出较高的吸水膨胀率和持水力。这一物化特性， 使其具有吸水功能与预防肠道疾病作用，而且水溶性膳食纤维持水性高于非水溶 性。当富含膳食纤维的食物进入消化道内，在胃中吸水膨胀，并形成高粘度的溶 胶或凝胶，这样将产生饱腹感，减少了进食量和热量的吸收。不仅对肥胖病人是 很好的食品，而且增加了胃肠道的蠕动，增加人体排便的体积和速度，减轻直肠 内压力，同时也减轻了泌尿系统的压力，从而缓解了诸如膀胱炎、膀胱结石和肾 结石这类泌尿系统疾病的症状，并能使毒物迅速排出体外。 0(2(5(2对有机化合物的鳌合作用 这一物化特性，使其具有吸附有机物功能与预防心血管疾病作用。大量研究 表明，膳食纤维对降低人体和动物血浆和肝脏组织胆固醇水平有着显著作用。这 是因为膳食纤维表面有很多活性基团可以螯合胆汁酸、胆固醇、变异原等有机分 子。从而抑制了人体对它们的吸收，也限制了胆酸的肝肠循环，进而加速了脂质 物质的排泄(可直接扼制和预防胆石症、高血脂、肥胖症、冠状动脉硬化等心血 管系统的疾病。【39】 O(2(5(3对阳离子有结合和交换的能力 膳食纤维化学结构中包含一些羧基和羟基类侧链集团，呈现一个弱酸性阳离 子交换树脂的作用，这一物化特性，使其具有离子交换功能和降血压作用【14】。 大量实验证实:膳食纤维可与Ca，Zn，Cu，Pb等阳离子进行交换。但此类交换 10 海藻复合膳食纤维的制备及其生物活性的研究 为可逆性的，并优先交换pb等有害离子，所以吸附在膳食纤维上的有害离子可随 粪便排出，从而产生解毒作用。此外膳食纤维还能使Na+与K+交换，并吸附Nr， 使之随粪便排出体外，降低其摄入过多引起的许多疾病，故可对消化道pn值、 渗透压以及氧化还原电位产生影响，营造了一个理想的缓冲环境四。 O(2(5(4可改变肠道系统中微生物群系组成的特性 膳食纤维虽然不能被人体消化吸收，但却能为肠道菌群提供发酵底物，被正 常存在于人体肠道中的微生物所分解。在人体大肠内繁殖有100(200种总量约为 100x106个细菌。其中相当,部分是益生菌，在提高机体免疫力和抗病变方面有 着显著的功效，一方面，可增加肠道中有益菌群如双歧杆菌等的优势，减少有害 产生的有毒物质;另一方面，有利于肠道有益菌合成VB3，VB6。菌活动所 VK、生 物素?B7 等维生素以供人体利用140]。另外，那些不能让菌群发酵的膳食纤维也 会在这时候吸水、膨胀、增重后，随同可发酵纤维的剩余物以粪便的形式排出体 外，使粪便湿润、松软、量多、表面光滑在大肠内停留时间缩短。 。 O(2(6膳食纤维的功能作用 随着人类生活水平的提高和社会的发展，恶性肿瘤、心脑血管疾病、糖 尿病、肠癌等疾病的发病率逐年上升。这些疾病的发生与饮食结构的不合理，脂 肪摄入量过多， 蔬菜摄入量少，膳食纤维摄入的不足与这些疾病的发生有着直 接关系。膳食纤维虽然不能被人体消化吸收，但膳食纤维在体内具有重要的生理 作用，膳食纤维对上述疾病有一定治疗和预防作用j 0(2(6(1防治结肠癌 膳食纤维降低结肠癌发生的风险性这一结论已被世界卫生组织、世界粮农组 织等国际专业机构认可【41删。通过调查研究和临床实验发现，膳食纤维防治肠癌 机理可能为【45】: 1 不溶性膳食纤维本身携带有其他生物活性物质，如 植酸、 阿魏酸等，它们对癌症的形成有抑制作用。 2 抑制腐生菌生长，膳食纤维能 够被肠道中一些有益微生物利用产生短链脂肪酸，这类脂肪酸，特别是丁酸能够 3 抑制结肠中一些腐生菌的生长，从而减少这些腐生菌所产生的致癌物质。 减少致癌物质与结肠接触的机会，膳食纤维能促进肠蠕动，增加粪便体积，从而 减少致癌物与结肠接触机会。 4 减少次生胆汁酸的产生，胆汁中的胆酸和鹅 胆酸可被细菌代谢为次生胆汁酸和脱氧胆酸， 这两者都是致癌剂和致突变剂。 海藻复合膳食纤维的制备及其生物活性的研究 5 产生丁 而膳食纤维能够吸附和螯合胆酸和次生胆汁酸，并将其排出体外。 酸，通过抑制肿瘤细胞分化并诱导其凋亡、抑制癌变结肠黏膜细胞增殖、诱导谷 胱甘肽转化酶合成、抑制诱变物 如亚硝胺等 潜在毒性，而发挥抗癌作用m】。 O(2(6(2防治冠心病 膳食纤维对预防和改善冠动脉硬化造成的心脏病具有重要的作用，这种作用 起因于膳食纤维促进了体内血脂和脂蛋白代谢的正常进行。长期的实验研究和临 床资料证明【471，在脂肪代谢过程中，膳食纤维可通过某种作用起到抑制或延缓 胆固醇与甘油三酯在淋巴中的吸收:膳食纤维能够阻止机体对脂肪的吸收，这首 先是它能缩短脂肪通过肠道的时间，同时它能吸附胆汁酸并降低胆固醇和甘油三 酯消化产物分子团的溶解性;具有粘性的膳食纤维会阻止分子向小肠吸收细胞表 面转移，促使小肠细胞的生理功能和消化酶分泌机能发生变化。在通常的膳食纤 维条件下，适当增加些膳食纤维的摄入量同时减少对脂肪的摄入，就可以减少机 体对胆固醇的吸收量，降低体内胆固醇水平，达到预防和治疗动脉粥样硬化和冠 心病。 0(2(6(3治疗糖尿病 西方人糖尿病发病率高，膳食纤维的摄入量太少是一个重要原因。增加膳食 中膳食纤维的含量，可以改善末梢组织对胰岛素的耐受性，降低对胰岛素的需求， 从而达到调节糖尿病患者血糖水平。 现在，大多数研究者认为， 可溶性膳食纤维在降低葡萄糖耐受试验期 间和 就餐后的血糖水平是有效的，但对不溶性膳食纤维在降低血糖水平方面的研究结 果不甚一致。高膳食纤维食品对防治胰岛素依赖性 II型 是有效的，降糖作用 【48。50】: 1 在胃肠内的机械效应，膳食纤维可以增加食物容机理可能为 积，增 加饱腹感，使胃肠的排空时间延迟，从而减少糖的摄入。 2 可溶性膳食纤维 能够在小肠黏膜表面形成一层“隔离层”，使靠近小肠黏膜的未搅动层增加，从而 影响葡萄糖向小肠刷状缘弥散。 3 影响小肠吸收，减缓肠中酶与食物接触得 浓度，从而降低食物消化的速率。 4 影响0【(淀粉酶对淀粉的降解作用，延长 酶解时间，降低肠液中葡萄糖的释放速度。 0(2(6(4防治便秘 便秘是一种常见病、多发病。据文献报道，我国成人慢性便秘的发生率为 12 海藻复合膳食纤维的制各及其生物活性的研究 3(7,，其中女性便秘者明显高过男性，老年便秘者明显高于中青年[51-52】。引起 便秘的原因很多，现在，对膳食纤维在防治便秘方面的作用已成定论【53‘54】。膳 食纤维改善便秘的作用机理因其的溶解性质不同可以分为2种: 1 不溶性膳食纤维通便作用机理: 不溶性膳食纤维具有较强的持水力和溶胀性，在肠胃道中不易被酶消化和微 因此可以形成较多的固体食物残渣，增加粪便的质量和体积，粪生物酵解， 便质 量和体积的增大能机械性地刺激肠壁引起便意，使粪便柔软，易于排出。使肠道 蠕动加快，从而缩短食物残渣在肠内的通过时间， 防止便秘的发生【55】。 2 水溶性膳食纤维通便作用机理: 水溶性膳食纤维在肠道内呈溶液状态，有较好的持水力，且可作为大肠细菌 在结肠内SDF被细菌酵解后可产生乙酸、丙酸、丁酸等短链脂的发酵底物， 肪酸 SCFA ，而降低肠道内环境的pH值，刺激肠黏膜;在结肠内水溶性膳食纤维 被细菌酵解后可产生乙酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸 SCFA ，而降低肠道内环 境的pH值，刺激肠黏膜这些因素共同作用可增加粪便量及粪便含水量，减少粪 便推进的阻力，增加排便次数。 0(2(6(5膳食纤维与肥胖的关系 虽然膳食纤维在人体的口腔、胃和小肠内不能被细化吸收，但会被结肠内的 细菌发酵所利用，产生短链脂肪酸。因此膳食纤维的净能量并不为0，但基本为0。 另一方面膳食纤维的高持水性及缚水后体积的膨胀性，对胃肠道产生容积作用， 并且引起胃排空的减慢，更快产生饱腹感且不易感到饥饿，因此，膳食纤 维具有 限制能量摄入的重要平衡作用【561。 0(2(6(6膳食纤维与重金属解毒 膳食纤维能够吸附金属离子，如铜、铅、汞、镉等具有很强的束缚能力，膳 食纤维中存在较多的羧基和羟基等基团，这些基团依靠化学吸附重金属离子，如 糖醛酸于结合在膳食纤维上的氨基酸能够与金属离子形成复合物，而起到解毒的 作用。 O(2(6(7其它作用 膳食纤维还具有很多其它的生物学活性，如清除自由基、抗氧化性、防治胆 结石、提高人体免疫以及改善和增进口腔和牙齿的功能，此外膳食纤维缺 乏还与 海藻复合膳食纤维的制各及其生物活性的研究 人体常见的一些疾病相关，如肾结石和膀胧结石、阑尾炎、十二指肠溃疡和溃疡 性结肠炎、间歇性病等疾病的发病率与发病程度有很大的关系【571。因此膳食纤 ’ 维的全面生物学活性研究任重而道远。 0(2(7膳食纤维的提取方法 膳食纤维的提取方法很多，根据原料及产品特征要求的不同，其提取方法有 很大的不同，但其包括的几个步骤是一致的，如粉碎、浸泡、脱色、干燥、粉碎、 过筛、包装等。 目前，常用的膳食纤维的制备可分为五类【58石o】: 1 粗分离法，这方法适 合于原料的预处理，主要是利用气流分级法和液体悬浮法，减少如植酸、淀粉等 的含量，将原料中各成分的相对含量改变，从而提高膳食纤维的含量; 2 化学 分离方法是指将原料干燥、+磨碎后采用化学试剂提取而制备各种膳食纤维的方 法，主要有直接水提法、酸法、碱法和絮凝剂法等。碱法应用较普遍，其方法: 提取过程中改变碱液浓度，并辅以其他化学试剂，滤液用酸调pH、漂白，并经 过离心处理，并用酒精沉淀，所得沉淀物即为水溶性膳食纤维，滤渣为水不溶性 膳食纤维; 3 发酵法，利用微生物发酵或分泌的酶或提供的酸性环境，改变细 胞壁结构，释放出蛋白质、脂肪、淀粉等杂质即可得到较纯膳食纤维产品。如用 然后水洗至中性，干燥即可保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌对原料进行发酵， 得到 膳食纤维，目前该法在果皮原料制取膳食纤维时使用。 4 化学试剂和酶结合提 取法，同时使用化学试剂的洗脱作用和各种酶如a(淀粉酶、蛋白酶、糖化酶和纤 维素酶等的降解作用去除膳食纤维中的杂质，用清水漂洗过滤、甩干后便获得纯 度较高的膳食纤维; 5 膜分离法，是将分子量不同的膳食纤维分离的方法。选 用不同孔径的滤膜能得到不同分子量的膳食纤维，此法避免了化学分离法的有机 残留可得到较纯的在一定分子量范围内的膳食纤维。 不同的原料采用不同的提取方法，从陆生植物中提取膳食纤维时，我们主要 化学试剂与酶试剂结合法这两种方法。化学法采用酸碱处采用化学分离法、 理， 会造成大量的水溶性膳食纤维流失，产品的持水力和膨胀力也较差，但是其成本 较低，而采用化学试剂与酶试剂相结合的方法则成本较高，但是产品的持水力和 膨胀力高，得率也高。 0(2(8膳食纤维在食品中的应用【61，62] 14 海藻复合膳食纤维的制各及其生物活性的研究 膳食纤维食品在上世纪70年代已在西方国家风行，我国膳食纤维产品起步较 晚， 90年代末才有少量膳食纤维食品问世。食品中加入膳食纤维可以影响产品 颜色、风味、保油性和保水性，因此深受消费者欢迎。 0(2(8(1主食食品中的应用 膳食纤维用于制