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膳食纤维的基本知识

膳食纤维的基本知识

一.膳食纤维的基本知识

1.1膳食纤维的分类及相关概念

1.1.1 膳食纤维的概念

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(美国化学家协会),一般是指不易被消化酶消化的多糖类食物成分,聚合度≥3的碳水化合物和木质素,主要来自于植物的细胞壁(中国营养学会)。基于以上定义,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、β-葡聚糖、胶质、木质素、葡聚糖、果聚糖、抗性淀粉和糊精等。

1.1.2 膳食纤维的分类

1,根据膳食纤维在水中溶解性不同,将其分为2个基本类型,即:水溶性膳食纤维(SDF)与不溶性膳食纤维(NDF)。

水溶性膳食纤维(SDF)是可溶于温水或热水,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及分泌物,另外还包括微生物多糖和合成多糖,其组成主要是一些胶类物质,如果胶、树胶和粘液等,还有半乳甘露糖、葡聚糖、海藻酸钠、羧甲基纤维素和真菌多糖等,部分半纤维素。

不溶性膳食纤维(IDF)是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、部分半纤维素、木质素、原果胶、角质、壳聚糖、植物蜡和二氧化硅及不溶性灰分等。此外,功能性低聚糖和抗性淀粉也普遍认为属

于膳食纤维。此部分纤维在中性洗涤剂的消化作用下,样品中的糖、淀粉、蛋白质、果胶等物质被溶解除去后不能消化的残渣。

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虽然低聚果糖和其它类型的复杂碳水化合物传统意义上并不被认为是纤维,但它们确实符合必要的标准,现在被接受为一些膳食纤维的形式。

2,根据在大肠内的发酵程度不同,膳食纤维可分为部分发酵类纤维和完全发酵类纤维。

部分发酵类纤维包括:纤维素、半纤维素、木质素、植物蜡和角质等;完全发酵类纤维包括:β-葡聚糖、果胶、瓜尔豆胶、阿拉伯胶、海藻胶和菊粉等。

一般说来,完全发酵类纤维多属于可溶性纤维,而部分发酵类纤维多属于不溶性纤维,但也有些例外,例如羧甲基纤维(CMC)易溶于水,但几乎不被大肠内的菌群所发酵。

1.2 粗纤维

粗纤维是植物细胞壁的主要组成成分,包括纤维素、半纤维素、木质素及角

质等成分。通常蔬菜、水果、粮谷类所含的食物纤维都叫粗纤维(目前我们国家还没有粗纤维的定义,只是一个习惯称呼而已)。粗纤维是膳食纤维的一部分,在测定中,是植物组织用一定浓度的酸、碱、醇和醚等试剂,在一定温度下,经过一定时间的处理后所剩下的残留物,其主要成分是纤维素和木质素。

酸性洗涤纤维(ADF):用酸性洗涤剂去除饲料中的脂肪、淀粉、蛋白质和糖类等成分后,残留的不溶解物质的总和,包括纤维素、木质素及少量的硅酸盐等。

中性洗涤纤维(NDF):用中性洗涤剂去除饲料中的脂肪、淀粉、蛋白质和糖类等成分后,残留的不溶解物质的总和,包括构成细胞壁的半纤维素、纤维素、木质素及少量的硅酸盐等。

1.3 膳食纤维的主要成分

1.3.1 不溶性膳食纤维

纤维素(Cellulose),是不溶性膳食纤维的基本结构,一种由β葡萄糖分子以β-糖苷键连接起来的直链聚合物,由300-500个葡萄糖缩合而成,最多能达到1000个葡萄糖单体。自然界分布最广、含量最多的一种多糖,占自然界碳含量50%以上,一般木材中,纤维素占40-50%,还有10-30%的半纤维素和20-30%的木质素。不溶于冷水、热水、烯酸和稀碱溶液。人体内的淀粉酶只能水解α-1,4-糖苷键,而不能水解β-1,4-糖苷键,因此纤维素不能被人体胃肠道的酶消化;

半纤维素(Hemicellulose),是由一些单糖如阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖和木糖混合组成的一种聚合物,是一种具有支链的异质多糖,也不溶于冷水、热水和烯酸,但能溶于稀碱溶液(半纤维素中的某些成分是可溶的,在谷类中可溶

的半纤维素被称之为戊聚糖,它们可形成黏稠的水溶液并具有降低血清胆固醇的作用),与烯酸加热时比纤维素更易水解,具有亲水性。原来是从总纤维素中以17.5%NaOH至24%KOH提取出来的多糖成分的总称,而没有相应的特定的化学结构。半纤维木聚糖在木质组织中占总量的50%,它结合在纤维素微纤维的表面,并且相互连接,这些纤维构成了坚硬的细胞相互连接的网络。

1.3.2 可溶性膳食纤维

果胶(Pectin):可溶性膳食纤维的一种,许多蔬菜、水果含有果胶,其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。它是一种无定型的物质,存在于水果和蔬菜的软组织中,可在热溶液中溶解,在酸性溶液中遇热形成胶态,具有与离子结合的能力。

β-葡聚糖(β-glucan):可溶性膳食纤维的一种,β-葡聚糖在结构上是不同于一般多糖(如淀粉、糖原、糊精等)的,因为一般多糖是以β1,4-糖苷键联结,而葡聚糖则是以β-1,3糖苷键结构为主体,而又一些β-1,6键为侧枝,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。

聚葡萄糖(Polydextrose):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。聚葡萄糖分子量分布广(162-20000Da),约有90%的聚葡萄糖分子量在504-5000之间,平均聚合度约为12,平均分子量为2000.聚葡萄糖含有的糖苷键种类多,以1,6-糖苷键为主,分子结构比较复杂。

甲壳质(Chitin):又叫甲壳素,是以β-1,4-糖苷键相连的线型生物高分子,是自然界中唯一存在的碱性多糖。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上又一个乙酰氨基(CH3CONH-)。甲壳素脱去乙酰基便得到壳聚糖,三者的结构比较,如图所示:

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抗性淀粉(Resistant Starch,RS):抗性淀粉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,可能是由于这种聚糖具有β型晶体结构。

1.3.3 木质素

木质素(Lignin),并非多糖,而是以苯丙烷为单位的多聚物,具有复杂的三维结构,非缩合型结构主要有三种,即愈伤木基结构、紫丁香基结构和对羟苯基结构,主要存在于纤维素之间,植物的木质部含有大量木质素,起抗压作用,使木质部维持极高的硬度。在木本植物中的含量为25-30%,是自然界第二丰富的有机物;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。

1.4 膳食纤维的生理功能

膳食纤维的化学组成和结构决定了其理化性质,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。

1.4.1 促进胃肠蠕动,减少便秘

膳食纤维促进肠胃蠕动,缩短了食糜在肠道内停留时间,加速粪便排出。膳食纤维在肠腔中被细菌产生的酶所酵解,先分解成单糖而后又生成短链脂肪酸。短链脂肪酸被利用后在肠腔内产生CO2并使酸度增加、粪便量增加以及加速肠内容物在结肠内的转移而使粪便易于排出,从而达到预防便秘的作用。

1.4.2 清道夫作用

由于膳食纤维中含有果胶、树胶、海藻多糖等结构,能明显增加小肠内容物的黏度,膳食纤维含有大量的羟基、羧基等集团,可以有效地减少饮食中的汞、镉、铅等重金属以及亚硝胺、苯并芘等有毒物质在肠道内的吸收;在接近胃pH 的条件下,含水溶性纤维较多的水果纤维的吸附能力较强。此外,膳食纤维可抑制厌氧菌的生长和繁殖,有利于肠道有益菌合成供人体利用的维生素。另外,膳食纤维可减少病原菌从后肠向前肠转移,水不溶性膳食纤维对有害物质有较强的吸附毒素和病原菌的能力,还携带有其他生物活性物质,诸如植酸等,可抑制癌症的形成,减少结肠癌的发病率。

1.4.3稳定血糖浓度,降低血液胆固醇水平

膳食纤维所形成的粘液在胃中形成胶基层,降低胃的排空率。在肠内阻碍消化酶与实务的接触,减缓小肠收缩,影响葡萄糖的吸收,舒服葡萄糖,降低肠液

葡萄糖的有效浓度,影响α-淀粉酶对淀粉的降解作用,降低肠液中葡萄糖的释放速度,改善末梢组织对胰岛素的感受性,降低机体对胰岛素的作用,使葡萄糖的吸收率下降。

1.4.4 稳定肠道菌群平衡

1.4.5 发酵性能

厌氧菌与酵母可分解膳食纤维,其发酵情况与细菌可以接触底物的程度和多糖的个体化学结构有关,其中多糖分子中单糖和糖醛酸的种类、数量级成键方式等结构特性很大程度上决定该纤维在肠道内的发酵情况。同一来源的膳食纤维,颗粒小者较颗粒大者更易发酵,单独摄入的较包在基质中的更易酵解。

那些可溶的/易发酵的膳食纤维在结肠中被发酵,并为结肠中的微生物提供营养,纤维发酵产生的短链脂肪酸(乙酸、丙酸和丁酸),反过来抑制病原菌的生长,有利于稳定肠道菌群平衡。另外,丁酸可以为结肠黏膜细胞提供能量,促进上皮细胞的增殖,维持肠黏膜的完整性,从而有益于养分的吸收并预防腹泻。肠内的腐生菌易在高pH值环境中生长,结肠内的一些有益菌将膳食纤维降解产生短链脂肪酸,降低肠道内的pH值,从而抑制了腐生菌的生长。

1.4.6 膳食纤维具有持水膨胀的特性

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。膳食纤维比重小,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,减少动物饥饿引起的异常行为的发生。

表1.1 可溶性和不溶性膳食纤维在生理作用方面的差别

生理作用不溶性膳食纤维可溶性膳食纤维

咀嚼时间延长缩短

胃内滞留时间略有延长延长对肠内pH值的影响无降低

与胆汁酸的结合结合不结合可发酵性极弱较高

肠粘性物质偶有增加增加

大便量增加关系不大

对大肠癌有预防作用不明显1.5 可发酵膳食纤维的介绍(此部分资料未完善)

1.5.1 可发酵膳食纤维

膳食纤维的来源非常广泛,包括树(α-纤维素),植物提取物(阿拉伯树胶、低聚果糖),水果提取物(柑橘果胶),海藻(大型褐藻、角叉胶)、坚果的壳(花生壳)。从生物学的角度,膳食纤维通过能否被胃肠道细菌利用来分类。被细菌利用的形式被认为是可发酵的并且似乎与改善动物健康有很大关系。目前的证据显示可发酵纤维有益于更改肠道细菌数量,增强肠道免疫力,改善口服葡萄糖耐受性,再分配含氮废物排泄物,被公认为有益健康一个重要的角色。

膳食纤维,特别是可发酵品种,大部分贡献在于对胃肠道内细菌繁殖数量的变化。但纤维扮演提升肠道健康的角色是一个复杂的问题,将不是一项轻松的任务,包括细菌和一些变量之间的相互作用。

肠道内的一些细菌群体,被认为是有益的,包括双歧杆菌、乳酸杆菌以及一些真细菌类和其他菌群。这些菌群的典型特征是具发酵纤维的能力,被认为比致

病菌和腐败菌明显有效。这种能力使得发酵纤维的使用成为选择性促进有益菌而减少有害菌群比例的方法。高密度有益菌对于动物体有很多益处,包括降低癌症的风险,改善血清脂肪形态,增强免疫性作用,改善粪便特征和排便方式。此外,细菌发酵产生的短链脂肪酸被寄主迅速地吸收和利用。

1.5.2 胃肠道生态系统(GIT)

胃肠道生态系统是为生物的相互作用所建立的模型,可以被应用于更好地了解胃肠道和饮食中添加可发酵性纤维有益于健康的潜能。

GIT包括一些明显不同的部分,从胃开始,经小肠快速消化,在大肠长时间滞留。GIT的每一部分都有截然不同的非生物特征,包括与粘膜结构有关的物理特性,蠕动带动的消化流速率,化学特性如pH、电解液及营养物质浓度和消化液等。甚至一个区域内都有变量,比如,小肠的物理化学特性存在由近及远的梯度,消化流动的速率从近到远依次递减。根据小肠的长度,梯度导致了不同生境的存在。肠腔内容物和粘膜之间的细菌同样存在不同。GIT生态系统生境的连续性,使得很难去用排泄物样品来评估发生GIT不同区域的状况和过程。

1.5.3 胃肠道生态系统(GIT)内的细菌

成人的GIT生态系统包含已知400多种细菌,随着我们培养和鉴定细菌的能力提高,这个数据还会继续增长。以前主要关注于致病菌菌群,主要由于对其它细菌认识得相对较少,而不是因为它们不重要。除细菌以外,GIT的生物部分包括:酵母、真菌类、病毒、螺旋原虫、原生动物、其它各种单或多细胞生物,这种结构的贡献在于限制了细菌。

虽然存在于猪GIT中的细菌与人体内的细菌特征不同,但不同种类细菌在

数量上与人和其他哺乳动物相当。肠道内各种细菌的相对比例和密度,取决于诸如pH值、蠕动力、饮食中营养成分的浓度和形态、胰腺分泌物、胆囊分泌物、消化道(如胃和肠)分泌物、肠道免疫功能、多糖-蛋白质复合、GIT内里的细胞膜结合位点。因此,GIT的每一个区域和生境都有典型的细菌种类组装。

GIT的物理和化学特性发生轻微和不明显差异也能对细菌菌群产生深远影响。相对应地,生长中GIT特性的改变和个体之间的变量可以通过细菌的不同组合反映。

细菌的活动和相互作用是决定菌群特性的重要因素。例如,需氧菌和不严格的厌氧菌随着氧气消耗和代谢物产生,生态系统化学特性发生改变,允许专性厌氧菌增殖。这个过程,通过一批生物体改变环境,从而增强其他生物体的增殖,被认为是助长。营养物质的竞争和结合位点同样能影响哪种物种占优势。最近发现特定的GIT细菌产生代谢物和其它化学物质抑制其它物种的生长,这个过程称为抑制。例如乳酸菌(如双歧杆菌和乳酸杆菌)的增殖可以限制一些致病菌和腐败菌的生长。

细菌之间的相互作用似乎出生后特别重要,特别是增殖过程。第一个进入并拓殖GIT的细菌被认为改变了环境,允许其他菌群增殖。因而,GIT微生物群经历一系列连续的阶段最终达到成人微生物群。最终的组合反映现存的物理化学条件下组成的物种的耐受性,竞争的相互作用,抑制的影响。

1.5.4 可发酵纤维和GIT生态系统

成人的微生物群被认为是相对稳定的,然而有证据表明虽然细菌的整体密度保持不变,不同物种的相对比例能够并做出改变去适应内外因素的波动。除了影