豌豆膳食纖維與菊粉化學組成及物化特性的比較

劉曉賀，馬思雨，和貴文，韓明升，楊亞晉，郭愛偉*

西南林業(yè)大學生命科學學院（昆明 650224）

豌豆（Pisum satiumL.）屬豆科植物，因其適應性很強，在全世界均有廣泛的種植，2009年世界豌豆產(chǎn)量超過1 000萬 t，主要生產(chǎn)國是加拿大、俄羅斯、中國、美國等，豌豆中含有21.2%~32.9%蛋白質(zhì)、36.9%~49%淀粉、2.1%~6.35%抗性淀粉和1.2%~2.4%脂肪，還有豐富的礦物質(zhì)元素（Fe 97 mg/kg，Se 42 mg/kg和 Zn 41 mg/kg）和維生素（葉酸101 mg/100 g）等[1-2]。除此之外，豌豆及其豆渣中還有豐富的膳食纖維，總膳食纖維含量為14%~26%，不溶性膳食纖維含量為10%~15%，可溶性膳食纖維含量為2%~9%[1]，是一種優(yōu)質(zhì)纖膳食纖維的食物來源。目前，研究表明豌豆纖維（pea fiber，PF）對人體和動物具有重要的生理功能，可通過調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、腸道健康、血糖控制和胰島素抵抗來改善人體健康[3]。在健康的大鼠中，與鷹嘴豆和小扁豆等其他豆類相比，飼喂豌豆小鼠排泄物中雙歧桿菌（Bifidobacterium）計數(shù)最高，表明豌豆纖維具有很強的雙歧化特性（bifidogenic properties）[4]。此外有研究表明，豌豆膳食纖維可能是宿主腸道微生物可利用的碳水化合物（microbiotaaccessible carbohydrates，MACs），這歸因于豌豆中可溶性膳食纖維含量，豌豆中的可溶性膳食纖維可被后腸微生物發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸（SCFAs），而SCFAs通過G蛋白偶聯(lián)受體來參與機體和脂肪組織代謝的調(diào)節(jié)及降低腸道的炎癥反應[5]。Patnode等[6]證實了這一假設，運用定量蛋白質(zhì)組學、宏蛋白質(zhì)組學等方法，對34種食品級膳食纖維進行了靶向篩選，結(jié)果表明喂食豌豆纖維可選擇性地影響擬桿菌屬（Bacteroides），導致小鼠體內(nèi)多形擬桿菌（B.thetaiotaomicron）在小鼠體內(nèi)的顯著擴增，表明豌豆膳食纖維是腸道內(nèi)多物種微生物的潛在營養(yǎng)源，為開發(fā)微生物定向食品（microbiota-directed foods，MDFs）和通過膳食干預調(diào)控機體腸道穩(wěn)態(tài)提供了理論基礎。

目前，對豌豆膳食纖維的組成、物化特性等方面的研究缺乏，為更好地利用和開發(fā)豌豆膳食纖維，將豌豆纖維應用到人類和動物食品工業(yè)中，試驗以市售豌豆膳食纖維為研究對象，以商業(yè)上常用的菊粉為對照，比較分析豌豆纖維的組成、物化特性和掃描電鏡結(jié)構(gòu)。

1 材料與方法

1.1 纖維來源及制備

豌豆膳食纖維（pea fiber，PF）和菊粉（INU）購買自西安全奧生物科技有限公司，菊粉純度為90%，豌豆膳食纖維純度為98%，粒度為0.180 mm。

1.2 儀器與設備

Practum224-1CN電子天平（賽多利斯）；CS601高精度恒溫水浴鍋（上海博迅實業(yè)有限公司）；SU8100掃描電子顯微鏡（Hitachi）；DJ-10A粉碎機（上海隆拓儀器設備有限公司）；Smart-Q30純水儀（上海和泰儀器有限公司）；101-1AB電熱鼓風干燥箱（天津市泰斯特儀器有限公司）；CM-2300d色差計（Konica Minolta公司）；Kjeltec 8100凱氏定氮儀（丹麥福斯集團公司）。

1.3 指標測定

1.3.1 膳食纖維化學成分和類型的分析

膳食纖維中的干物質(zhì)、灰分、鈣、磷等的測定參考AOAC[7]推薦的方法；水溶性膳食纖維（SDF）、不溶性膳食纖維（IDF）及總膳食纖維（TDF）的測定參考GB/T 5009.88—2008《食品中膳食纖維的測定》[8]的方法進行。

1.3.2 膳食纖維色度測定

用色差計測定，色度值用L*、a*、b*表示。其中：L*表示亮度，a*表示紅度，b*表示黃度。每個樣品重復測定10次。

1.3.3 膳食纖維pH測定

膳食纖維pH根據(jù)AOAC[7]推薦的方法進行測定。在三角瓶中稱10.0 g樣品，在25 ℃下加100 mL煮沸過的水，搖動，直到顆粒均勻懸浮且混合物沒有結(jié)塊，消化30 min，經(jīng)常搖動，再靜置10 min，傾倒上清液至250 mL燒杯中，立即用酸度計測定pH。

1.3.4 膳食纖維持水力和水溶性指數(shù)的測定

水溶性指數(shù)（water solubility index，WSI）參考Anderson[9]的方法測定。持水力（water holding capacity，WHC）按高蔭榆等[10]推薦的方法測定，稱取1.0 g膳食纖維于50 mL燒杯中，加入40 mL蒸餾水，磁力攪拌2 h，在轉(zhuǎn)速4 000 r/min下離心20 min，離心結(jié)束后將上清液倒出，用濾紙吸干殘留水分后稱其質(zhì)量。持水力按式（1）計算。

1.3.5 膳食纖維對脂肪酸吸附作用的測定

對不飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸的吸附作用分別參照Sangnark等[11]和黃才歡等[12]的方法測定。膳食纖維的吸油量按式（2）計算。

1.3.6 膳食纖維對膽固醇吸附作用的測定

膽固醇吸附能力（cholesterol adsorption capacity，CAC）參照高蔭榆等[10]的方法測定。將新鮮雞蛋的蛋黃加入9倍質(zhì)量的蒸餾水充分攪拌成乳液。分別取2.0 g膳食纖維于200 mL的三角瓶中，加入50 mL稀釋好的蛋黃液，攪拌均勻后調(diào)節(jié)溶液pH到2.0和7.0，放置于37 ℃搖床中，振蕩2 h，于4 000 r/min離心20 min，吸取上清液，采用鄰苯二甲醛法在550 nm下比色測定膽固醇。按式（3）計算膽固醇吸附能力。

1.3.7 膳食纖維對葡萄糖吸附作用的測定

葡萄糖吸附能力（glucose adsorption capacity，GAC）的方法參照Peerajit等[13]的方法，稍作修改。稱取1.0 g膳食纖維于50 mL燒杯中，與40 mL葡萄糖溶液（200 mmol/L）混合，并在37 ℃下放置6 h，于4 000 r/min離心20 min。然后使用分光光度計測定上清液中的葡萄糖。按式（4）計算葡萄糖吸附能力。

式中：Gi為原始溶液的葡萄糖濃度，mmol/L；Gs為吸附達到平衡時的葡萄糖濃度，mmol/L；M為纖維質(zhì)量，g；Vi為葡萄糖溶液的體積，L。

1.3.8 膳食纖維葡萄糖延遲指數(shù)的測定

葡萄糖延遲指數(shù)（glucose retardation index，GRI）參照Chau等[14]的方法測定。將0.50 g膳食纖維與25 mL的葡萄糖溶液（50 mmol/L）混合，裝入透析袋中，在37 ℃恒溫箱搖床中以120 r/min用100 mL蒸餾水透析。在透析30，60和120 min后，收集從膳食纖維和對照樣品中擴散出的1 mL的葡萄糖，用分光光度計測定樣品中的葡萄糖，以無添加膳食纖維的對照樣品，按式（5）計算葡萄糖延遲指數(shù)。

1.3.9 膳食纖維掃描電鏡

取適量樣品，干燥至恒重，將樣本緊貼于導電碳膜雙面膠上，放入離子濺射儀樣品臺上進行噴金30 s，置于掃描電鏡下觀察。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計

所有試驗進行3次重復測定，數(shù)據(jù)進行t檢驗，結(jié)果以“平均數(shù)±標準差”表示，p＜0.05表示差異顯著，p＜0.01表示差異極顯著。

2 結(jié)果與討論

2.1 膳食纖維組成

由表1可知，INU和PF干物質(zhì)分別為95.44%和92.80%，2種膳食纖維中灰分、鈣、磷等含量較低。從膳食纖維的組成類型來看，INU中主要是SDF 83.25%，IDF 2.18%，TDF 85.43%，IDF/SDF 38.19；PF中SDF和IDF分別為50.93%和45.14%，IDF/SDF 1.13。朱丹等[15]研究表明，膳食纖維中SDF是影響膳食纖維生理功能的重要因素，優(yōu)質(zhì)的膳食纖維組成要求SDF占總膳食纖維的10%以上。IDF具有很高的持水能力，具有調(diào)節(jié)人體和動物腸道正常的蠕動功能，具有預防肥胖、糖尿病、便秘等功效[16-17]，而SDF可以在后腸被微生物利用，產(chǎn)生短鏈脂肪酸，而短鏈脂肪酸具有降低腸道的炎癥反應、增強腸道免疫和改善腸道微生物區(qū)系等功效[18]，因此許多研究表明優(yōu)質(zhì)的膳食纖維應該包括一定比例的IDF，還應該包括一定比例的SDF。研究表明，合理的膳食纖維組成為IDF/SDF在1.0~2.3[19]。此次研究的PF中IDF和SDF組成比例平衡，優(yōu)于INU的膳食纖維組成，是一種具有開發(fā)前景的膳食纖維。

表1 膳食纖維組成

2.2 膳食纖維掃描電鏡結(jié)構(gòu)

膳食纖維的掃描電鏡見圖1。在放大500和2 500倍時，INU表面較光滑，結(jié)構(gòu)緊密、完整，呈圓球顆粒狀，顆粒形態(tài)各異、大小不一；PF表面粗糙，顆粒大小不一，疏松多孔，呈片層狀結(jié)構(gòu)，表面附有小顆粒。

圖1 膳食纖維掃描電鏡結(jié)構(gòu)

2.3 膳食纖維的物化特性

2.3.1 膳食纖維的色澤

纖維的色澤是其主要表觀特征之一，色澤的影響不僅僅是在視覺上，而且會影響食品品質(zhì)和接受度[20]。INU的L?、a?和b?分別為94.67，-0.24和8.28，PF的L?、a?和b?分別為81.47，1.38和19.87。與INU相比，PF的L?、a?與INU接近，而PF的b?要顯著高INU。Felisberto等[21]研究發(fā)現(xiàn)竹竿膳食纖維的L?為78.09~85.55，a?為0.89~2.61，b?為16.42~22.95，與此次試驗接近。

表2 膳食纖維的色度值

2.3.2 膳食纖維的溶解性和持水力

從圖2可以看出，膳食纖維溶解24 h后，PF中有部分纖維是溶于水的，而INU幾乎全部溶水的，這與表1和表3中2種膳食纖維中可溶性纖維含量和水溶性指數(shù)相一致的。持水力（WHC）是膳食纖維非常重要的一個物理指標，對人體健康而言有著很重要的生理效應，INU、PF的持水力分別為0.04和1.38 g/g，持水力為PF＞INU，WHC高的膳食纖維，進食后排泄的糞便質(zhì)量高，可預防便秘和結(jié)腸癌[10]。不同的膳食纖維WHC存在差異是由于其表面多孔性及密度不同所造成。研究表明，水溶性指數(shù)（WSI）是食品的重要的技術(shù)特征，低的WSI往往使食品具有鮮艷色澤和光澤，使用和開發(fā)潛力大[21]。Felisberto等[21]研究的竹竿纖維WSI在1.88%~9.47%，這與PF的WSI接近，PF的WHC明顯高于INU，水溶性指數(shù)（WSI）最高為INU（97.58%），PF的WSI為10.80%。INU、PF的pH分別為6.0和6.7，呈現(xiàn)弱酸性，有研究表明弱酸性膳食纖維（pH＞4.5）用于多種發(fā)酵產(chǎn)品中，PF也具備優(yōu)質(zhì)膳食纖維的pH[21-23]。

圖2 膳食纖維的溶解特性

表3 膳食纖維的物理特性

2.3.3 膳食纖維對葡萄糖、脂肪酸的吸附能力

由表4可知，膳食纖維對飽和脂肪酸、不飽和脂肪酸、葡萄糖具有一定的吸附作用。INU、PF對飽和脂肪酸的吸附能力分別為0.77和1.02 g/g，對不飽和脂肪酸的吸附能力分別為0.61和0.80 g/g；膳食纖維吸油特性可有效改善食品的特性，賦予食品更好的感官，對飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸吸附能力PF優(yōu)于INU，且2種纖維對飽和脂肪酸的吸附能力高于不飽和脂肪酸。有研究表明，優(yōu)質(zhì)的馬鈴薯膳食纖維對大豆油的吸附值為1.76 g/g[24]，而豌豆膳食纖維的吸油能力稍微低于馬鈴薯纖維，膳食纖維在消化道中與部分脂肪酸結(jié)合，使脂肪酸通過消化道時不能被吸收，在預防肥胖和控制體重方面具有很大的優(yōu)勢。膳食纖維在胃腸道轉(zhuǎn)運過程中對葡萄糖具有吸附作用[13]，INU、PF對葡萄糖吸附值分別為3.57和3.56 mmol/g，2種膳食纖維間差異不顯著。PF與柑橘皮膳食纖維的結(jié)果接近，其葡萄糖濃度在10~200 mmol/L，對葡萄糖吸附能力在3.68~23.3 mmol/g[25]。

表4 膳食纖維對葡萄糖和脂肪酸的吸附能力

2.3.4 膳食纖維對膽固醇的吸附能力

膳食纖維對膽固醇的吸附能力見圖3。研究表明，膳食纖維在體內(nèi)具有吸附膽固醇的能力，降低血漿膽固醇水平，減少機體對膽固醇的吸收[10]。在不同pH條件下其吸附能力存在差異：pH 2時，INU和PF對膽固醇的吸附量為2.24和3.06 mg/g，PF顯著高于INU（p＜0.05）；pH 7時，INU、PF對膽固醇的吸附量為1.53和2.07 mg/g，PF也顯著高于INU（p＜0.05），在中性條件下INU和PF對膽固醇的吸附能力變化不明顯，可能與其膳食纖維的組成類型相關。有研究表明，在中性條件下黑小麥麩皮膳食纖維對膽固醇的吸附能力大于酸性條件下的吸附能力[26]。對膽固醇的吸附能力PF＞INU。

圖3 膳食纖維對膽固醇的吸附能力

2.3.5 膳食纖維對葡萄糖的延遲指數(shù)的影響

膳食纖維對GRI影響見圖4。PF最大GRI出現(xiàn)在透析30 min（27.61%），并且繼續(xù)延長透析時間GRI會減小，這與王慶玲等[27]報道的番茄皮渣膳食纖維的結(jié)果相一致。而INU最大的GRI出現(xiàn)在透析后60 min（16.67%），透析120 min后2種膳食纖維均有下降的趨勢，Chau等[14]研究發(fā)現(xiàn)隨著透析時間的延長，纖維樣品中GRI隨著時間的增加而減小。研究表明，GRI是用來預測纖維在腸道中延遲吸收葡萄糖的效果，膳食纖維具有阻滯葡萄糖擴散的作用，測定GRI可預測膳食纖維在腸道中延遲吸收葡萄糖的效果。已經(jīng)研究證明不溶性纖維可能具有比可溶性纖維更大的GRI，可能與其在消化道的黏度有關，此外葡萄糖擴散的延遲還可能歸因于不溶性纖維顆粒對葡萄糖分子的物理阻礙以及葡萄糖在纖維形成的網(wǎng)絡內(nèi)的截留有關[28]。與已有的GRI對比分析研究表明，PF的GRI與已報道的酸橙渣膳食纖維（9.925%~24.71%）[13]和橙果肉膳食纖維（16.04%~25.92%）[29]接近。此次研究的2種膳食纖維中，PF效果優(yōu)于INU，這可能與PF有較高的葡萄糖吸附量有關。

圖4 膳食纖維對葡萄糖延遲指數(shù)（GRI）的影響

3 結(jié)論

PF中可溶性膳食纖維為50.93%，不溶性膳食纖維為45.14%，總膳食纖維為96.07%，IDF/SDF為1.13，PF的持水力為1.38 g/g，水溶性指數(shù)為10.80%，pH為6.70，葡萄糖延遲指數(shù)豌豆纖維＞菊粉。掃描電鏡結(jié)果表明，PF呈無規(guī)則片狀結(jié)構(gòu)，表面粗糙，顆粒大小不一，表面附有小顆粒。綜上，與菊粉相比，PF中可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維組成比例平衡，呈弱酸性且具有較高的持水率，對膽固醇和葡萄糖具有一定的吸附能力，是一種品質(zhì)較優(yōu)的膳食纖維。