主题:【资料】CNS_02.012_纤维素

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CNS_02.012_纤维素


摘要

    纤维素(cellulose)是由葡萄糖组成的大分子多糖。不溶于水及一般有机溶剂。是植物细胞壁的主要成分。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖,占植物界碳含量的50%以上纤维素是植物细胞壁的主要结构成分,通常与半纤维素、果胶和木质素结合在一起,其结合方式和程度对植物源食品的质地影响很大。而植物在成熟和后熟时质地的变化则由果胶物质发生变化引起的。人体消化道内不存在纤维素酶,纤维素是一种重要的膳食纤维。本文从纤维素的理化性质,生理功能,应用,检测方式,国家标准等对纤维素进行了多角度介绍。

关键词纤维素,理化性质,应用,生理功能,检测方式


1、 理化性质

纤维:人工合成或天然存在的细丝状物质。

植物纤维是植物细胞中一种两头尖、长比宽大几十倍的纺锤状永久厚壁细胞,已经死亡的植物细胞。

纤维基本形态:细长锐端永久细胞。

纤维素:常温下不溶于水、稀酸、稀碱的D-吡喃葡萄糖基以β-1,4苷键联接起来的链状高分子化合物

纤维素纤维:一般指纸浆纤维(不含或含少量木素)

膳食纤维可分为可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维。

可溶性膳食纤维是指可溶于热水或者温水并且,其水溶液在乙醇中能够析出的那部分纤维。主要包括微生物多糖、果胶、琼脂等。不溶性纤维是不能溶解在水中的那部分纤维。主要包括纤维素,木质素、抗性淀粉等。

1、 纤维素的多分散性

高分子化合中相对分子质量大小不等的现象称为高分子的多分散性(即不均一性)。纤维素是由很多长度不同的线形高分子所组成,即其相对分子质量是不均一或多分散的,这种性质称为多分散性或不均一性。常用凝胶色谱法测定纤维素的相对分子质量分布

2、 纤维素纤维的吸湿与解吸

纤维素的吸着即纤维素与蒸汽相互作用的过程。吸附即丝维素纤维自大气中吸取水或蒸汽,解吸即当大气中降低了蒸汽分压而自纤维素放出水或者蒸汽的过程。

吸附水的类型有两种,一为结合水,即化学吸附——进入纤维素无定形区与纤维素的羟基形成氢键而结合的水,称为结合水。此种水的吸着力强,有热量放出,纤维素发生润胀,对电解质溶解力下降,又称化学结合水。二为游离水,即物理吸附——纤维物料吸湿达到纤维饱和点以后,水分子继续进入纤维的细胞腔和各孔隙中,形成多层吸附水。称为游离水或毛细管水,与纤维素无化学键连接。吸附游离水无热效应及润胀。

3、 纤维素的润胀和溶解

润胀即纤维素物料吸收润胀剂后,其体积变大,子间内聚力减少,但不失其表观均匀性的现象。润胀分为三类,结晶区间润胀:润胀剂只到达无定形区和结晶区表面,结晶区未受影响, x射线图不发生变化。结晶区内润胀:润胀剂占领了整个无定型区和结晶区,形成新的润胀化合物,晶胞参数发生变化,形成新的结晶格子,出现新的X射线衍射图。无限润胀:润胀剂无限地进入到纤维素的结晶区和无定形区,纤维素的无限润胀就是溶解。常用的润胀剂有水、碱溶液、磷酸、甲醇、乙醇、苯胺、苯甲醛等极性溶液。纤维素的润胀剂一般都是极性的。且极性越大,润胀能力越大。润胀剂的种类、浓度、温度及纤维素的种类对润胀程度都有影响。

纤维素既不溶于水也不溶于普通溶剂。纤维素溶液是大分子分散的真溶液,而不是胶体溶液,纤维素在溶剂中的溶解并非真正的溶解,所得溶液不是真的纤維素溶液,而是由纤维素和存在于液体中的组份形成的一种新的加成产物

4、 纤维素的电化学性质

Stern扩散双电层模型由于纤维素表面上糖醛酸基及极性羟基的存在,使得纤维在水中其表面总带负电吸附层:纤维表面负电荷的厚度a以及外围吸附着的浓度较大的正电荷层厚度b合称为吸附层(atb) ,此层随纤维运动而运动扩散层:从吸附层外围至电荷浓度为零距离为d的一.不随纤维而运动。吸附层与扩散层组成扩双电层。

5、 纤维素的光、热、机械降解

热降解是指聚合物在单纯热的作用下发生的降解反应。纤维素受热过程中可能会发生的物理化学反应:游离水和结合水的去除、氢键受到破坏、葡萄糖单元羟基的氧化、葡萄糖单元间的连接可能发生断裂、释放出低分子化合物、碳化等。

纤维素热降解的过程分为四个阶段,低温条件下的热降解:附水。第一阶段:物理吸附水解吸(25-150℃)第二阶段:葡萄糖基的脱水(150-240℃)

低温下的热降解导致纤维强度的下降,会蒸发出H2O,CO,CO2;形成羧基和羧基,伴随有重量损失、水解作用、氧化作用。

高温条件下的热降解,第三阶段:糖武健的断裂(240-400 ℃)第四阶段:芳环化,形成石墨结构(400℃以上)分解出CH4,CO,CO2、焦油和大量挥发性产物。纤维物料重量损失大,结晶区受破坏,聚合度下降。

纤维素的光降解分为直接光降解和光敏降解。纤维素受光的辐射吸收光能后使化学键断裂称为直接光降解。氧气的存在加速光降解速度水蒸气能抑制纤维素的光降解。纤维素的光直接降解必须具备两个条件:纤维素受光辐射并吸收光能,所吸收光子的能量足以引起C-C键和C-0键的断裂。直接光降解使纤维素强度下降,溶解度和还原能力增加,聚合度下降并形成簇基。

当纤维素中存在某些染料或化合物时,能吸收近紫外或可见光,利用所吸收的能量引发纤素的降解称为光敏降解。

纤维素在受强烈机械作用时:大分子连接键断裂,结晶结构和大分子间氢键受破坏,称为纤维素的机械降解。由机械加工或机械球磨引起。发生机械降解后纤维素聚合度下降,造成纸浆强度下降,反应能力、溶解度提高,且同一聚合度下,受机械降解的纤维素比受氧化、水解、或热降解的纤维素具有更大的反应能力和较高的碱溶度。

2、 生理功能

纤维素属多糖,是植物细胞壁的主要组成成分,常同半纤维素等共生半纤维素也是多糖,也是植物细胞壁的主要成分之一,纤维素和半纤维素在人体内都不能被消化。[1]

谷糠、稻皮主要就是由纤维素组成。豆类、蔬菜和水果中纤维素含量一般也较丰富。上述食物提供的纤维素(以及半纤维素)对人体健康有很多重要的生理功能,概括起来有以下几个方面。[3]

1、 导泻通便防止肠癌

高纤维饮食在纤维素的作用下能使粪便软化促进肠蠕动,利于大便畅通。 而以高蛋白、高脂肪等精细食物为主,不吃或很少吃食物纤维素的人容易发生便秘,使粪便中有害物质在肠道停留时间较长,刺激肠壁或吸收入血液,对人体造成危害,很可能诱发肠癌。

若食用了含纤维素较多的食物,进入大肠内能被肠内细菌有选择地分解发酵,从而促进好氧菌的大量增殖,同时刺激肠道黏膜,加快粪便的排泄,使肠道功能正常化。

2、 防治糖尿病和控制肥胖

食物纤维素可以抑制肠道淀粉酶的活性,延缓糖类的吸收过程,影响餐后血糖的上升。虽然食物纤维素在体内不产生能量,没有营养作用,但它在肠道中可起充盈作用,使人有饱胀感,可以减少糖尿病患者对食物的摄

研究发现,纤维素摄入量高的素食者,在能量摄入相同的情况下,体重低于纤维素摄入量抵的素食者专家们认为这可能与高纤维素饮食减少了食物中能量的吸收。以及加速了体内多余营养物质的排泄有关。增加食物中纤维素的含量,可以改善末梢组织对胰岛素的感受性,从而达到调解糖尿病患者血糖水平的的。肥胖大都与从食物中摄入热量过高或体力劳动太少有关。提高膳食中的纤维素,可使摄入的热能减少,使食物在肠道内停留的时间缩短,使体内贮存的脂肪消耗而在一定程度上起减肥控制肥胖的作用。

3、 降压防治冠心病

膳食纤维素能够吸附离子,与肠道中的钠离子钾离子进行交换,降低血液中的钠钾比值,从而起到降压作用。食物纤维素对预防和改善冠状动脉硬化造成的心脏病有重要作用。在通常的膳食条件下,适当纤维素的摄入量,同时减少脂肪的摄入量,可减少机体对胆固醇的吸收量,胆固醇和胆酸的排出与膳食纤维素有着极密切的关系,膳食纤维素与胆酸结合,而使胆酸迅速排出体外,同时膳食纤维素与胆酸结合的结果,会促使胆固醇向胆酸转化,从而降低了胆固醇水平,达到防治动脉硬化与冠心病的目的。

4、 抗癌作用

结肠中一些腐生菌能产生致癌物质,而肠道中一些有益微生物能利用膳食纤维素产生短链脂肪酸,这类短链脂肪酸能抑制腐生菌的生长;胆汁中的胆酸和鹅胆酸可被细菌代谢为细胞的致癌剂和致突变剂,膳食纤维素能束缚胆酸等物质并将其排出体外,防止这些致癌物质的产生;膳食纤维素能促进肠道蠕 动,增加粪便体积,缩短排空时间,从而减少食物中致癌物与结肠接触的机会;肠道中的有益菌能够利用膳食纤维素产生丁酸,丁酸能抑制肿瘤细胞的生长增殖,诱导肿瘤细胞向正常细胞转化,并控制致癌基因的表达。

5、 防龋护齿保护口腔健康

当食物在口腔咀嚼,食物纤维素在与口腔中的牙齿和牙龈组织反复摩擦过程中,食物纤维素既能够帮助清除掉牙面粘积物,减少龋齿的发生,同时又能对牙龈组织进行按摩,增加牙龈组织血液循环量,还可以刺激唾液腺的分泌,有利于口腔的清洁。

6、 防治痔疮

痔疮的发生与大便秘结而使血液长期阻滞淤积有关。由于纤维素的通便作用,可降低肛门周围的压力,使血液通畅,从而起到防治痔疮的作用。为了保障身体健康,我们应经常吃些粗粮、蔬菜、水果、黑 木耳、海带和薯类等含纤维素多的食物。但注意的是,由于纤维素化学结构中有羟基和羧基等侧链基团,因此会与某些元素( 特别是钙、铁、锌、磷等)结合,影响人体肠道内有关物质的代谢平衡。为此,在增加对食物纤维素摄取量的同时,应增加对 钙、铁、锌、磷等元素的摄入量,以保证体内代谢的平衡。

3、 应用

1、羧甲基纤维素可作乳制品的稳定剂。如果把羧甲基纤维素加在果汁奶或乳汁饮料中,加入量为蛋白的10-20%就能保持均匀稳定,防止奶蛋白凝聚,不析出沉淀,从而可提高乳制饮料的质量,并使其长期稳定储存而不变质。

2、在冰制品的应用中,羧甲基纤维素在冰淇淋中比其他增稠剂具有更好的溶解性。并使奶蛋白完全稳定。由于羧甲基纤维素的保水性好,能够有效控制冰晶生长。

3、羧甲基纤维素可使果酱果冻果汁、调味剂、蛋黄酱及各类罐头具有适当的触变性,能增加他们的粘稠度。在肉类罐头中,加入羧甲基纤维素可防止有水的分层,起混浊剂的作用。用于啤酒中又是理想的泡沫稳定剂及澄清剂。加入量为0.5%左右。在糕点类食品中加入羧甲基纤维素可以防止搞点食品中油的渗出。从而使其长那股气储存而不发干,并且使糕点表面光滑,口味细腻

4、在粉状食物中的应用。当油脂、果汁、色素等需要做成粉状时,可将其与羧甲基纤维素混合,采用喷雾干燥或真空浓缩极易成粉,而那时又易溶于水。

5、在食品保鲜方面的应用。如肉类肉制品、水果蔬菜等,等羧甲基纤维素稀释溶液喷洒后,在食品表面可形成一种极薄的膜。故可长期储存食物,并使其保持鮮美的味道不变,而且食用时用水冲洗一下即可, 十分便利。

4、 检测

根据国标GB5009.88-2014《食品安全国家标准》测定食品奶粉、纤维食品、饮料等中的膳食纤维的含量,为膳食纤维的摄入提供理论基础[5]

1、实验

(1)试剂与仪器

95% 乙醇、丙酮、石油醚、氢氧化钠、重铬酸钾、三羟甲基氨基甲烷、2 -(N-吗啉代)乙烷磺酸、冰乙酸、盐酸、硫酸、α-淀粉酶、蛋白酶、淀粉葡萄糖苷酶、硅藻土、大豆纤维片、面包、 欧式裸麦火腿蛋三文治 (面包) ,纯麦面、粒粒面(黑米紫薯面) 、粒粒面(猪肝枸杞)、豆奶粉、燕麦片、奶粉、一般饮料。

烧杯、坩埚、真空抽滤装置、恒温震荡水浴箱、分析天平、马弗炉、烘箱、干燥器、pH计、真空干燥箱、筛子

(2)实验步骤

预处理: 根据样品的脂肪酸含量、水分的含量、糖的含量的不同进行干燥,研磨,粉碎,过筛。

酶处理: 首先称取一定量的待测样品加入烧杯中,加入一定量的 0.4mol/L 的三羟甲基氨基甲烷和 2-(N-吗啉代)乙烷磺酸的缓冲溶液。搅拌均匀。然后向试样中加入一定量的α-淀粉酶液。

将试样放置于恒温震荡水浴箱中,100℃震荡反应 35min,然后将烧杯取出冷却至 60℃。刮出附着在烧杯壁上的固体物质并用水冲洗。将试样放置于 60℃ 的水浴中,并加入一定量的蛋白酶,水解 30min。然后加入一定量的 3mol/L 乙酸溶液,保持 60℃ 不变,用盐酸和氢氧化钠溶液的pH至 4.5左右。然后向试样中加入一定量的淀粉葡萄糖苷酶 64℃,水解 30min。

总膳食纤维(TDF) 含量的测定: 像每份试样酶解液中按照乙醇与试样液体积比 4: 1 的比例加入预热到 60℃ 的 95% 乙醇,取出烧杯与室温下沉淀一小时,取以加入硅藻土并干燥称重的坩埚,加入乙醇润湿的硅藻土并铺展开,接上真空抽滤装置抽去乙醇使坩埚中硅藻土,平铺于滤板上。将适量乙醇沉淀液转移入坩埚中抽滤,然后分别用乙醇,丙酮,洗涤残渣,然后抽滤除去洗涤,残渣在 105℃的烘箱中烘干,称重记为mGR

不溶性膳食纤维(IDF)的测定: 将酶解后的试样转移到坩埚中过滤,并用热水洗涤,对滤饼进行洗涤干燥并记录残渣的重量。

可溶性膳食纤维(SDF)的测定: 收集不溶性膳食纤维抽滤产生的滤液,加入滤液体积四倍的 60℃ 的 95% 乙醇。室温下沉淀1h,过滤,洗涤、干燥、称重。

膳食纤维的总含量 = 膳食纤维的质量/试样的质量; 不溶性膳食纤维的含量 = 不溶性膳食纤维的质量/试样的质量; 可溶性膳食纤维的含量 = 可溶性膳食纤维的质量/试样的质量

2、检测结果

人们日常生活中摄取的膳食纤维素主要来源于主食。表1为不同种类的主食中膳食纤维的含量。从表1中可以看出,每 100g面包中膳食纤维的含量在 0.2g 至 2.6g之间; 每 100g面粉中膳食纤维的含量在1.5g 至 2.5g之间; 每100g黑米紫薯面中膳食纤维的含量在 2.7g左右; 每100 g米粉中膳食纤维的含量在 1g至2g之间; 每100g糯米糍中膳食纤维的含量在 0.3 g 至 0.8 g 之间。对比这五种主食中所含的膳食纤维的含量可知,黑米紫薯面所含的膳食纤维的含量较高,糯米糍中所含的膳食纤维含量较低。人们可以通过控制每天摄入的主食的种类来调节摄入的膳食纤维的含量。主食合理的搭配食用,能够保证人体摄入适量的膳食纤维,单一的主食搭配容易造成膳食纤维的摄入量过多或过少

图表 1

各种饮料中膳食纤维的含量相差很大,从表2中可以看出,每100大豆纤维片中膳食纤维的含量在 7g 到 9 g 之间; 每 100g燕麦片中膳食纤维的含量相差很大,在5g到15g之间; 每100g豆奶粉中膳食纤维的含量也相差较大,在5g到15g之间; 每100 g 奶粉中膳食纤维的含量在1g到3g之间; 每100 g 一般饮料中膳食纤维的含量很低,一般都在 0.5 g 以下甚至不含膳食纤维素。对比这七种常见的饮料可知,大豆纤维素片、燕麦片、豆奶粉是补充膳食纤维最好的饮品,并且燕麦片中可溶膳食纤维的含量很高。但是不同种类的这些饮品所含的膳食纤维的含量有很大差别。一般饮料中基本不含膳食纤维素不能作为补充饮品是纤维素的饮品。

图表 2

表3不同种类的果脯干中膳食纤维素的含量。从表3中可以看出,莓类果脯干中的膳食纤维的含量较高,每 100 g 莓类果脯干中膳食纤维的含量在 5g–8g之间。而非莓类的其他果脯干膳食纤维的含量较低,每100 g 非莓类其他果脯干中膳食纤维的含量在 2 g–4 g 之间。由此可见,在休闲类零食中莓类果脯干是补充膳食纤维的最佳的休闲食品

图表 3

5、 食品添加剂纤维素国家标准

本标准适用于以来源于纤维性植物的α-纤维素浆为原料,经纯化和机械粉碎后得到的食品添加剂纤维素

1、 感官要求

色泽白色状态粉状、颗粒状或片状。(取适量试样置于白瓷盘内,在自然光线下观察其色泽和状态

2、 理化指标

参考文献



1. 胡瑞兰.膳食纤维素的生理功能[J].农村科技,2000(02):16.

2. 买凯,王贵芳,买乐.功能性食品:膳食纤维素的一些研究进展[J].河南医学研究,2001(02):178-179.

3. 丁志民.膳食纤维素对人体健康的作用探讨[J].中国误诊学杂志,2009,9(05):1070.

4. 杨婧. 膳食纤维的改性及应用研究[D].南昌大学,2012.

5. 黄梅英,黄嘉瑜.食品中总膳食纤维的测定[J].西部皮革,2018,40(20):48-50.
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