膳食纖維是不能為人體消化酶所消化的高分子 糖類的總稱，包括水溶性和非水溶性膳食纖維兩種。 水溶性膳食纖維包括果膠、木聚糖、甘露糖等，非水 溶性膳食纖維包括纖維素、半纖維素、幾丁質(zhì)等 研究表明，水溶性和非水溶性膳食纖維的物性不同， 其保健作用也不同，防病機(jī)理分別為吸水分散后 的水溶性膳食纖維溶膠，可在腸道內(nèi)成膜，阻止消化 物和腸壁接觸，降低營養(yǎng)物質(zhì)的吸收速率，平緩吸收 高峰，消減糖尿病人的餐后血糖峰值；還可提高腸內(nèi) 物質(zhì)的下行速度，提高糞便的含水率，加速排便，預(yù) 防便秘；另外，溶膠特有的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可包圍膽酸，阻止小腸對膽酸的吸收，降低了人體中膽酸向膽固醇 的轉(zhuǎn)化量。非水溶性纖維可吸水溶脹，其固態(tài)特性稀 釋了大腸中致癌物濃度，使腸道得到清理，可緩解便 秘及預(yù)防結(jié)腸癌。

為了發(fā)揮膳食纖維的綜合保健作用，一般希望 其同時具有水溶性和非水溶性膳食纖維的雙重特 性。從一種天然產(chǎn)物中制備的膳食纖維往往僅具有 上述部分功能，通過改性工藝來取得性能完備的膳 食纖維產(chǎn)品十分必要。

1研究思路和方案

非水溶性纖維素的改性一般有化學(xué)（如羧甲基 化等）m和物理（擠壓蒸煮和微細(xì)化加工）f9、M兩種方 法。目前人工改性纖維素的性價比差強(qiáng)人意，如在大 豆纖維素中加人彼此完善的天然水溶性膳食纖維， 即通過復(fù)合來獲得一種功能完備的膳食纖維素^12]， 將是一種簡單實(shí)用、經(jīng)濟(jì)可行的思路。

1.1實(shí)驗(yàn)材料的物性分析

非水溶性大豆纖維素的主要成分包括纖維素、 半纖維素、幾丁質(zhì)等，其中約有70%的成分是由葡萄 糖單體縮聚而成的直鏈高分子，而且都是以P(l—4) 糖苷鍵連接起來的多糖類[15]。濃度為0.025g/mL的大 豆纖維素溶液的粘度為2.3MPa*s，表面張力為 70.8mN/m,持水率為2.78,膨脹率為4.92。

 

圖190%非水溶性大豆纖維素顯微結(jié)構(gòu)

圖1為90%非水溶性大豆纖維素顆粒的微觀結(jié) 構(gòu)及顆粒表面的狀態(tài)。大豆纖維素顆粒為棒狀、條狀 及塊狀，形狀不規(guī)則，纖維素顆粒無分支結(jié)構(gòu)，表面 宏觀上平滑，顆粒尺寸范圍為lO-^lO^m,在水中呈 無序狀立體分散狀態(tài)，除棒狀顆粒表面粘帶有細(xì)小 的顆粒外，彼此間無明顯粘結(jié)，體系呈現(xiàn)懸濁液的一

 

 

般特性。盡管體系的對流作用由于纖維素顆粒的存 在而受阻，但顆粒間因有游離液存在，質(zhì)傳遞速率降 低不明顯，因此只具有填充、清理及吸附功能，而膨 脹率、持水率有限，粘度較低，成膜性差。

 

圖2瓜爾豆膠顆粒的顯微結(jié).構(gòu)及在水中的分散狀態(tài) 瓜爾豆膠是主鏈為(1—4)-p-D-甘露糖單位，側(cè) 鏈由單個的ct-D-半乳糖以（1—6)糖苷鍵與主鏈相 連，且側(cè)鏈在主鏈上的分布分為沒有半乳糖的光滑 區(qū)和多半乳糖的高取代區(qū)，在離子強(qiáng)度很低的情況 下，無分支的光滑區(qū)能通過氫鍵與某些線性多糖形 成復(fù)合體[|5)。濃度為〇.〇25g/mL的瓜爾豆膠溶液的粘 度為460.3MPa.s,表面張力為73.3mN/m。

圖2為瓜爾豆膠顆粒的顯微結(jié)構(gòu)（左圖）及在水 中的分散狀態(tài)（右圖）。瓜爾豆膠顆粒多為不規(guī)則的 塊狀，組織結(jié)構(gòu)密實(shí)，顆粒尺寸范圍為l〇~l〇Vm。通 過分析瓜爾豆膠溶膠升華干燥后的組織發(fā)現(xiàn)，溶膠 經(jīng)升華干燥后呈疏松海綿狀，由此可推斷，瓜爾豆膠 可均勻分散于水相體系中，不再有明顯的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。

 

圖3果膠顆粒的顯微結(jié)構(gòu)及在水中的分散狀態(tài) 果膠是D-半乳糖醛酸殘基經(jīng)〇i(l—4)鍵相連接 聚合而成的酸性大分子多糖，半乳糖醛酸C6上的羧 基許多被甲酯化，且在（：2或C3的羧基位置上常帶有 支鏈，因此果膠分子不是以直線形式存在，而多呈折 疊狀t171。濃度為〇.〇25g/mL的果膠溶液的粘度為 279MPa_s,表面張力為65.8mN/m。圖3為果膠顆粒的 顯微結(jié)構(gòu)及在水中的分散狀態(tài)。果膠顆粒呈不規(guī)則團(tuán) 粒狀，顆粒尺寸范圍為l~l〇Vm。通過分析果膠溶膠 升華干燥后的組織發(fā)現(xiàn)，與瓜爾豆膠類似，果膠溶膠 經(jīng)升華干燥后也呈蓬松的海綿狀，且形成的網(wǎng)膜厚度 更均勻一致，孔隙率更高，同樣可推斷，果膠比瓜爾豆 膠更易在水中分散、溶膠體系更均勻，吸水速率更高。 1.2技術(shù)方案的分析確定

果膠、瓜爾豆膠的分子結(jié)構(gòu)都是多支鏈的大分

研究與探討捻為 >料斗咸

V〇1.26,N〇.7,2005

子多糖，且側(cè)鏈在主鏈上的分布形式不均勻，側(cè)鏈分 布密集的區(qū)域稱為毛發(fā)區(qū)，而沒有側(cè)鏈的區(qū)域稱為 光滑區(qū)，毛發(fā)區(qū)與光滑區(qū)相間存在[18^。而大豆纖維素 分子是無支鏈的近于雙螺旋的長鏈結(jié)構(gòu)。

根據(jù)它們在分子結(jié)構(gòu)上的互補(bǔ)性可推斷，在濕 狀態(tài)下其復(fù)合的機(jī)理為，果膠、瓜爾豆膠分子在水中 吸水溶脹，充分分散伸展形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，大豆纖維素 分子分散、鑲嵌到水溶性纖維溶膠中，溶膠表面與果 膠、瓜爾豆膠分子的光滑區(qū)通過氫鍵相互結(jié)合#191,纖 維顆粒被牢牢吸附在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)表面。這種結(jié)構(gòu)使原 來大豆纖維素懸浮液體系中的水被瓜爾豆膠和果膠 形成的溶膠填充，復(fù)合膳食纖維素的結(jié)構(gòu)及物性研究，體系的粘度增加，摩擦力增大，對 流減緩，降低了質(zhì)傳遞速率。同時原來存在于瓜爾豆 膠和果膠形成的溶膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的水被纖維顆粒所 取代，增加了溶膠體系的膨脹率和致密程度，從而形 成了固、膠、液混合的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

綜上所述，利用大豆纖維素和果膠、瓜爾豆膠在 結(jié)構(gòu)上的互補(bǔ)性，在水中溶解、分散特性，以及粘度、 溶解性、膨脹率、持水率、表面張力等物性的不同，本 實(shí)驗(yàn)擬以大豆纖維素（非水溶性纖維素含量>90%)為 基本材料IB，'以粘度、表面張力高，成膜性好，較易溶 解分散的天然植物膠——瓜爾豆膠、果膠為輔助材 料，在濕狀態(tài)下進(jìn)行復(fù)合配比，得到一種質(zhì)地密實(shí)，粘 度、表面張力高，成膜性好，同時具有水溶性和非水溶 性物性的復(fù)合產(chǎn)物。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步觀察復(fù)合產(chǎn) 物在水中的分散性，形成的均勻體系在水中的穩(wěn)定程 度，電鏡觀察復(fù)合產(chǎn)物分子間的空間嵌合結(jié)構(gòu)，測定 復(fù)合產(chǎn)物的物性參數(shù)粘度、表面張力的變化。

2材料與方法

2.1材料與設(shè)備

大豆纖維素（非水溶性纖維素含量>90%) 深遠(yuǎn) 食品有限公司生產(chǎn)；果膠北京市化學(xué)試劑公司購 買；瓜爾豆膠食品級，印度產(chǎn)。

NDJ-79旋轉(zhuǎn)粘度計，JA1003N精密電子天平， Jzhyl-180界面張力儀，TDL-5-A離心機(jī)，JB-3型定 時恒溫磁力攪拌器，HITACHIS-570掃描電鏡。

2.2檢測參數(shù)及方法

2.2.1粘度采用NDJ-79旋轉(zhuǎn)粘度計測定，溫度 26*^，單位 Pa-s。

2.2.2表面張力采用Jzhyl-180界面張力儀測定， 溫度26T；,單位N/m。

2.2.3膨脹率膨脹率（SW)=[溶脹后體積（mL)-干 品體積（mL)]/樣品干重（g)

測定步驟：取10mL濃度為0.025g/mL的溶液于 25mL量筒中，加水?dāng)嚢璨⒍ㄈ莸?5mL,靜置4h后 讀取分界面下溶膠的體積。

I 2005年第7期

 

2.2.4持水率持水率（WHC)=[樣品濕重（g)-樣品 干重（g)]/樣品干重（g) 

 

測定步驟：取10mL濃度為0.025g/mL的溶液于 50mL離心管中，離心20min，分離因數(shù)2775.5,稱量 除去上清液后的濕樣品質(zhì)量。

2.3顯微觀察方法

將復(fù)合纖維素配置成〇.〇25g/mL的溶膠并升華 干燥成干品，采用HITACHIS-570掃描電—觀察其 空間結(jié)構(gòu)。

3結(jié)果與分析

3.1不同配比復(fù)合物的物性指標(biāo)

表1大豆纖維素與瓜爾豆膠單品及復(fù)合物的物性指標(biāo)

序號比例

大豆纖維素瓜爾豆膠粘度 (MPa-s)表面張力 (mN/m)

GK,402.370.8

CK204460.373.3

131181068.37

232591071.9

37326507Z63

大豆纖維素與瓜爾豆膠以三種不同配比復(fù)合均 能形成粘度較高的溶膠。如表1所示，復(fù)合物比單品 的粘度均明顯提髙，其中2的效果最好。復(fù)合物表面 張力雖與兩種單品的表面張力差別不大，但極易形 成穩(wěn)定的薄膜。

表2大豆纖維素與果膠復(fù)合物及單品的物性指標(biāo)比較

序號比例

大豆纖維素果膠粘度 (MPa-s)表面張力 (mN/m)

CK!402.370.8

CK20427965.8

131101059.6

232276067.2

373159065.5

如表2所示，大豆纖維素與果膠按上述三種配比復(fù) 合得到的產(chǎn)物在粘度上比單一成分都有明顯提高，其中 2和3的效果更好些。復(fù)合產(chǎn)物的表面張力變化不大。復(fù)合膳食纖維素的結(jié)構(gòu)及物性研究， 調(diào)和、放置一段時間后，溶膠體系出現(xiàn)分層，上層為大豆 纖維素與果膠的復(fù)合層，下層為少量（在12%)的纖維素 沉淀層，且果膠溶膠中鑲嵌的纖維素顆粒相對少。

原因推測為：首先，果膠溶膠對于纖維素的吸附 作用相對較差；其次，果膠吸水速率髙且易分散，但 吸水能力有限，果膠溶膠體系粘度較低，纖維素與果 膠顆粒彼此間連接力不足以承托纖維素顆粒；另外， 根據(jù)果膠分子的結(jié)構(gòu)還可推測：果膠分子的分支結(jié) 構(gòu)部分被酯化，大豆非水溶性膳食纖維素分子與果 膠網(wǎng)絡(luò)形成氫鍵能力減弱，形成的復(fù)合體系不穩(wěn)定 從而出現(xiàn)沉淀。

上述兩種復(fù)合物粘度大幅度增加可解釋為，在 大豆纖維素的水相分散體系中，水充斥于顆粒間，在 實(shí)驗(yàn)濃度下，體系的層間滑移阻力主要體現(xiàn)為水的 粘度，故粘度較低。同樣道理，瓜爾豆膠及果膠顆粒

2005 年第 7 期〕

吸水溶脹、分散，盡管溶脹的顆粒間仍有水隔層，粒 子間已在空間互有交叉，故粘度較高。而在復(fù)合物體 系中，大豆纖維素顆粒間充滿瓜爾豆膠及果膠溶膠， 由于兩種物料間的吸附作用，體系已形成固、膠相互 絡(luò)合的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，層間滑移作用需破壞這種連 接關(guān)系，而破壞這種連接所需的力遠(yuǎn)髙于水層間滑 動的力，因此，表現(xiàn)為復(fù)合物的粘度成倍增加。粘度 的增加使復(fù)合物體系的層間摩擦力增大，對流作用 減緩，成膜性改善，有利于形成連續(xù)、穩(wěn)定的阻隔層， 減緩質(zhì)傳遞速率，從而更有效地發(fā)揮纖維素的生理 功效。

3.2復(fù)合物的顯微結(jié)構(gòu)

3.2.1大豆纖維素與瓜爾豆膠復(fù)合物的空間結(jié)構(gòu)見 圖4。

 

b

圖4大豆纖維素與瓜爾豆膠復(fù)合物的顯微結(jié)構(gòu) 圖4a所示為大豆纖維素顆粒分散、鑲嵌到瓜爾 豆膠溶膠體系中，纖維素替代水填充到溶膠體系中， 使這一網(wǎng)絡(luò)質(zhì)地更加致密。圖4b所示為溶膠表面的 纖維素顆粒與周圍的瓜爾豆膠溶膠形成相互吸附或 相互纏繞的立體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使體系的穩(wěn)定性增 強(qiáng)。大豆纖維素懸浮液體系中的水被溶膠所取代，體 系的粘度增加，對流作用減緩，有利于成膜，從而提 高了體系阻止質(zhì)傳遞的能力。根據(jù)瓜爾豆膠分子的 結(jié)構(gòu)還可推測，瓜爾豆膠分子中沒有側(cè)鏈分布的光 滑區(qū)與纖維素分子通過氫鍵結(jié)合，纖維素分子被牢 牢吸附在溶膠體系中，從而提高了體系的穩(wěn)定性。 3.2.2大豆纖維素與果膠復(fù)合物空間結(jié)構(gòu)見圖5。

 

圖5大豆纖維素與果膠復(fù)合產(chǎn)物的顯微結(jié)構(gòu)

圖5a所示為大豆纖維素分散、鑲嵌到果膠溶膠 中，使網(wǎng)絡(luò)質(zhì)地更加致密。從圖5b可以看出，在果膠 

研究與採討K&w斜欲

Vol.269No.7y2005

表3 70%大豆纖維素的物性指標(biāo)

顏色分散性持水率膨脹率粘度(MPa.s)表面張力（mN/m)

白色粉末不分散，部分溶脹9.5410.122.1756.9

 

 

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的表面沒有結(jié)合纖維素顆粒纏繞，復(fù)合膳食纖維素的結(jié)構(gòu)及物性研究，這可能是 因?yàn)楣z顆粒吸水后雖然也有分散，但是顆粒仍然保 持了一定的膠團(tuán)狀結(jié)構(gòu)，溶膠體系中仍然有游離水存 在。纖維顆粒雖然鑲嵌到了果膠溶膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中， 由于體系中游離水的存在，使層間摩擦力減小，體系 的穩(wěn)定性減弱，放置一段時間后會有沉淀出現(xiàn)。

3.3與70%大豆纖維素的物性比較

 

圖6 70%大豆纖維素的顯微結(jié)構(gòu) 圖6所示為，市售非水溶性纖維素含量為70% 的大豆纖維素在濕狀態(tài)下的顯微結(jié)構(gòu)?？梢钥闯?，其 中的水溶與非水溶性成分已經(jīng)完全結(jié)合，形成了一 種非常理想的穩(wěn)定三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而實(shí)驗(yàn)中復(fù)合物 只是將非水溶性纖維素鑲嵌到水溶性纖維的溶膠 中，彼此仍有較明顯的界限。盡管這類大豆纖維素顆 粒在結(jié)構(gòu)上已經(jīng)達(dá)到了理想狀態(tài)，形成了水溶性成 分與非水溶性成分的良好復(fù)合，但是由此構(gòu)成的體 系物性不甚理想。這類大豆纖維素中所謂的水溶性 成分可能只是一些黏附于非水溶性纖維素表面，其 粘度、表面張力遠(yuǎn)不能達(dá)到瓜爾豆膠及果膠的分散 效果的物質(zhì)。體系仍然表現(xiàn)為普通懸濁液的特性，穩(wěn) 定性差，成膜性及阻隔質(zhì)傳遞的能力遠(yuǎn)不及復(fù)合物。

4復(fù)合膳食纖維素的結(jié)構(gòu)及物性研究結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)利用天然水溶性膳食纖維瓜爾豆膠和果 膠與大豆纖維素復(fù)合來改善大豆纖維素物理性質(zhì)上 的缺陷，使復(fù)合后的大豆纖維素能更好的發(fā)揮其生 理功能。

4.1瓜爾豆膠、果膠與大豆纖維素復(fù)合，提髙了大豆 纖維素的粘度、表面張力等物性參數(shù)，其中復(fù)合比例 為2:3的瓜爾豆膠、果膠與大豆纖維素復(fù)合物粘度提 高最顯著，在固形物含量同為2.5%的纖維素溶膠中， 大豆纖維素的粘度為2.3MPa*s，瓜爾豆膠大豆纖維 素復(fù)合物的粘度提髙至5910MPa*s，果膠與大豆纖 維素復(fù)合物的粘度提高至2760MPa*sD

4.2大豆纖維素與瓜爾豆膠、果膠形成的復(fù)合體系 均勻，但后者的復(fù)合體系不穩(wěn)定。分析原因?yàn)椋汗z 雖然吸水速率髙，但吸水能力有限，形成的溶膠體系 粘度較低，纖維素與果膠顆粒彼此間的連接力不足 以承托纖維素顆粒，造成沉淀。根據(jù)果膠的分子結(jié)構(gòu) 還可推測為，果膠分子的分支結(jié)構(gòu)部分被酯化，大豆 纖維素分子與果膠網(wǎng)絡(luò)形成氫鍵能力減弱，形成的 復(fù)合體系不穩(wěn)定從而出現(xiàn)沉淀。

4.3復(fù)合物中的水溶性與非水溶性成分的結(jié)合狀態(tài) 不及市售大豆纖維素（非水溶性纖維素含量70%)緊 密，但粘度、表面張力、成膜性等物性指標(biāo)顯著高于 后者，故復(fù)合可得到物性優(yōu)于其他加工方法得到的 纖維素產(chǎn)品。

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