高吸附性米糠纤维的制备及其吸附特性的研究

发布时间：2016-11-22 16:56

第一章 绪论

1.1 米糠资源及功能性质概述
因为米糠不仅来源丰富,而且营养全面，它集中了稻谷 64%的营养成分, 是生物活性物质的良好来源，如米糠含有的 γ-谷维素、生育酚、生育三烯酚等生物活性物质具有很好的抗氧化活性，在预防人体心脑血管疾病、增强机体免疫力、抗癌等方面具有显著的功能作用，受到世界各国的广泛重视[2, 3]。米糠富含高品质脂肪（13%-22%）、蛋白（12%-17%）及膳食纤维（23%-30%）[4]，其中膳食纤维可经适当处理，用作食品强化剂或食品体系的表面活性剂，以提高食品的保健功能及贮藏性。但是据有关报道，虽然我国米糠资源丰富，却常被用作动物饲料、肥料以及燃料或者被直接丢弃而造成资源上的浪费[5]。米糠具有独特的坚果香味和自然的甜味，除了含有丰富的多糖、膳食纤维、维生素和矿物质等成分外，还含有 22~24%的油脂，其主要由不饱和脂肪酸组成，很容易在自身含有的脂肪氧合酶的作用下腐败变质而产生不良气味，从而对环境造成严重污染。因此，有学者研究了从米糠中提取米糠油的方法，以高效提取米糠油，充分利用米糠资源，开发具有高附加值的米糠产品[6]。另有学者针对米糠油具有抗氧化和抗炎的作用，将米糠油制备成纳米胶囊以提高米糠油的稳定性，，从而提高米糠油的有效利用率[7]。此外，米糠脱除脂肪后，能够延长贮藏时间，并能使其中的膳食纤维较易被提取出来。

有关研究指出，米糠膳食纤维中 90%为不溶性纤维[8]，主要组分为纤维素、半纤维素和木质素，这些成分表面富含醇羟基、酚羟基、醛基、酮基和羧基，具有极强的亲水性、亲油性和金属离子吸附性[9, 10]，根据纤维的这些理化性质可以预测纤维被人摄入后对人体的生理作用及对人体健康的裨益[10]。自 19 世纪 70 年代中期以来，膳食纤维的功效随着科学研究的深入而逐渐被人们认识，并且已有相关报道指出摄入膳食纤维对人体健康有很大益处[11]。最新研究表明，增加饮食中膳食纤维的含量可以减少冠心病、肥胖症、高血压、糖尿病和一些癌症的发病率[12, 13]。例如燕麦麸、大麦麸和车前草等可溶性纤维通过吸附消化道内的胆固醇和脂肪酸，从而起到降低血脂的作用；小麦麸通过吸水膨胀增加粪便体积，加快排便速度，起到防治便秘的作用[14]。此外摄取适当比例的不溶性纤维和可溶性纤维，在帮助人体清除有害重金属离子方面也有着独特的功能和效果[9]。膳食纤维的理化性质以及相关的生理功能，都会受到加工方式的影响，例如超微粉碎会使米糠纤维的粒径显著降低，比表面积显著增大，在一定程度上会使纤维的持水力和膨胀力提高[15]；挤压处理会破坏纤维中的 1,4-糖苷键，使部分不溶性纤维转变为可溶性纤维，从而改善纤维的某些功能性质[16]。

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1.2 膳食纤维的分类
早在 19 世纪 20 年代 KelloggJ. H.就发现了摄入富含麦麸的食品，能够增加粪便体积，加快排便速度，起到预防便秘的作用，从此拉开了人们对膳食纤维研究的序幕[21]。目前西方发达国家对膳食纤维的研究和开发已具有一定的规模，所开发出的一系列膳食纤维产品在食品市场上已占有一席之地，例如富含膳食纤维的功能性食品的年销售额占据美国方便谷物食品年销售额的 20%左右[22]。我国对膳食纤维的研究与开发还处于初级阶段，与西方发达国家相比还有一定的差距[23]。经总结，目前关于膳食纤维的研究主要集中在对膳食纤维的提取、改性、生理功能及其在食品中的应用等方面。

近年来，国内外有越来越多的研究人员致力于回收提取谷物和果蔬副产物富含的膳食纤维，以期充分利用自然资源，减少对环境的污染。例如 Alemdar & Sain[24]采用化学-机械结合法提取麦秸和豆皮中的膳食纤维，并将其制成纳米级纤维，旨在扩大其在强化生物复合材料中的应用范围。由于众多学者一致认为 SDF 比 IDF 的持水性高，在预防心脑血管疾病、糖尿病等方面具有更好的生理功效，因此许多研究倾向于将膳食纤维改性，降低其中的 IDF 含量，增加 SDF 的含量，以提高整体膳食纤维的功能性质。由此，国内的周丽珍等人[25]分析比较了酶解法、高压蒸煮法和高压蒸煮-酶解结合法对豆渣纤维结构的影响，以期将豆渣纤维中的 IDF 部分转化为 SDF，提高豆渣膳食纤维的可溶性，进而提高其生理功能性质，但最终结果表明，仅通过高压蒸煮和酶解法，不能显著提高豆渣纤维中的含量。Nawirska A.[26]研究了苹果、梨和玫瑰果渣纤维中的各成分对 Pb2+, Cu2+, Cd2+和 Zn2+的吸附作用，最终发现几种果渣中的果胶成分对所测定的金属离子均具有最高的吸附能力，木质素基本表现出最弱的金属离子吸附能力，仅苹果渣和玫瑰果渣中的木质素表现出优于纤维素的 Cd2+结合力，因此 Nawirska A.[26]最后指出纤维的来源不同，其结合金属离子的能力迥然不同。正因为膳食纤维具有独特的理化性质及多种生理功能，因此其可以作为食品添加剂或营养强化剂应用于食品中，以改善食品的风味及营养保健功能。例如 HuangS. C.等人[27]考察了小麦纤维、燕麦纤维和菊粉对香肠感官品质和理化特性的影响，结果表明，纤维添加量为 3.5%时，对香肠的主要组分、颜色和菌落总数无显著影响，添加了小麦纤维和燕麦纤维的香肠，硬度显著增大，使香肠吃起来具有一定的嚼劲。另据报道，米糠纤维也具有显著提高香肠（大红肠）硬度的性质，并且能显著提高香肠灰分含量和水分含量，降低香肠的脂肪含量，从而使香肠的品质对人体健康更有益。尤其挤压处理的米糠纤维比未经处理的脱脂米糠纤维具有更高的持水力，所以添加了挤压处理的米糠纤维的大红肠水分含量更高[28]。此外，将酶法制备的米糠不溶性纤维与植物油混合代替部分肥猪肉来制备低脂肉糜，结果表明，米糠纤维良好的持水性和持油性使制得的肉糜具有更高的水分含量和凝聚力，使肉糜具有更好的咀嚼性和乳化稳定性，并能显著降低肉糜在蒸煮时的损失率[29]。

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第二章 化学处理条件对米糠不溶性纤维各成分含量、微观结构的改变及其理化性质的影响

2.1 前言

近年来，随着越来越多的富贵病，如肥胖症、糖尿病、心血管疾病等发病人数逐年增长，引起了人们对健康饮食结构的注意。有报道指出，膳食纤维中含有一些对人体有益的成分如维生素 E、γ-谷维素、不溶性纤维等，可以通过抗氧化作用和吸附作用等来帮助人们有效降低某些富贵病的发病率[86, 87]。在我们日常饮食中，果蔬和谷物是膳食纤维的良好来源，其中米糠是谷物不溶性纤维的主要来源之一，其不溶性纤维含量几乎占其总膳食纤维含量的 90%左右[8]。米糠不溶性纤维的主要成分包括纤维素、半纤维素和木质素等，并且这些成分含有一些功能基团如醇羟基、酚羟基、酮基、乙酰基和羧基等，这些功能基团具有很强的亲水性或者亲油性[9]，可以通过吸水溶胀作用，来增加人体肠道内容物的体积，增快排便速度，从而起到防止便秘的作用。此外，还可以通过与其他化合物进行酯化、醚化、磺化等反应来结合或吸附某些有害物质，以帮助人们清除体内的垃圾，从而起到防治某些疾病的作用。然而，若想使米糠不溶性纤维充分发挥其功能性质，需要对米糠进行适当的处理来增加米糠不溶性纤维的孔隙度，并使其表面某些被覆盖的功能基团暴露出来，进而提高米糠不溶性纤维的持水力、持油力等理化性质和生理功能性质。目前常用的改善不溶性纤维理化性质的预处理方法主要有物理法，如超微粉碎法[50]、挤压蒸煮法等[88]；化学法，如酸碱法[9]等和生物法，如酶法[38]等。经研究，酸碱法比其他方法能更有效地去除非纤维类杂质，提高不溶性纤维的纯度，使不溶性纤维表面被覆盖的功能基团裸露出来并能有效提高纤维的孔隙度。

因此本章采用成本低廉、简单易行的酸碱法提取米糠中的不溶性纤维，设置了不同浓度的酸处理条件，考察了不同浓度的硫酸结合特定浓度的碱处理引起的 RBIDF 的成分组成和微结构的变化，分析了成分和结构的变化对 RBIDF 理化性质如持水力、持油力和热稳定性的影响。旨在建立米糠不溶性纤维的成分组成、微结构与理化性质之间的关系，为扩大米糠不溶性纤维的应用范围提供理论依据。

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2.2 材料与设备
2.2.1 实验材料与试剂
新鲜米糠由江苏省大阳米业有限公司提供；正己烷，氢氧化钾，硫酸，氢氧化钠，氯化钠，乙酸铅，无水硫酸钠，硫酸铜，亚甲蓝，酒石酸钾钠，亚铁氰化钾，甲基红，葡萄糖，无水碳酸钠，无水乙醇，石油醚，均为分析纯，上海化学试剂公司。
2.2.2 实验仪器与设备
DHG-9140A 电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司； Quanta-200 扫描电子显微镜，荷兰 FEI 公司；XMTA马弗炉，上海实验仪器总厂；GN-10T 远红外加热炉，中山市金立人厨房电器有限公司；KDN-08C 数显温控消化炉，上海新嘉电子有限公司；KDN-103F 自动定氮仪，上海纤检仪器有限公司； 3H-2000PS1 全自动比表面积分析仪，贝士德仪器科技（北京）有限公司；D8 型 X 射线衍射仪，德国布鲁克 AXS 有限公司；HH-2 数显恒温水浴锅，江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司；摇摆式高速万能粉碎机，温岭市林大机械有限公司。
用 40 目的不锈钢筛将新鲜米糠进行筛分，收集筛上部分进行装袋密封保存。称取一定质量筛分过的新鲜米糠置于烧杯中，按 1：5 的料液比加入正己烷，室温下放于通风橱中密封浸泡 12 h进行浸提脱脂，并重复两次。将脱脂后的米糠置于通风橱中风干残余有机试剂，然后置于 60℃干燥箱中烘干备用。

称取 400 g干燥的脱脂米糠，按 1：10（w/v）的料液比加入煮沸的稀硫酸溶液（硫酸溶液的浓度分别设置为 0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%，1.25%，1.5%，2.0%，3.0%，4.0%和 5.0%，w/v），放置于加热炉上，在微沸状态下搅拌反应 30 min。160 目滤布过滤，取滤渣，用 80℃左右的自来水冲洗至中性，再用蒸馏水冲洗两遍。将所得滤渣置于 4000mL 煮沸的 1.25%氢氧化钾溶液中，继续在微沸状态下反应 30 min。过滤，用 80℃左右的热水洗涤至中性，然后分别用 500 mL 无水乙醇和石油醚各冲洗两遍，去除残余的可溶性多糖和油脂，即得米糠不溶性纤维（RBIDF）。将所得纤维置于通风橱中风干残余的有机试剂，然后放入 60℃干燥箱中烘干。采用高速粉碎机将制备的 RBIDF 打碎，过筛，收集粒径在 40 目~60 目范围的样品，保证获得的纤维样品粒径较均匀，结构较完整，最后装袋密封保存。

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第三章 RBIDF 对胰脂酶的吸附及活性抑制作用..........................25
3.1 前言............................................................... 25
3.2 材料与设备 ....................................................... 25
第四章 米糠不溶性纤维对葡萄糖和淀粉酶的吸附作用......................39
4.1 前言........................................................... 39
4.2 材料与设备 ....................................................... 39
第五章 在体外模拟胃肠液 pH 环境下 RBIDF 对铅离子的吸附作用............52
5.1 前言............................................................ 52

5.2 材料与设备 ....................................................... 52

第五章 在体外模拟胃肠液 pH环境下 RBIDF 对铅离子的吸附作用

5.1 前言

重金属污染问题现已成为威胁人类健康的一个重大环境污染问题，因为被有毒重金属污染的水源、土壤和大气，最终会被富集在水生生物和植物体内，然后进入食物链，影响人类的健康[163]。为了尽量降低人体肠道中有毒重金属离子的含量，越来越多的学者开始研究具有金属离子吸附能力的材料，以帮助清除人体中的有毒重金属，使人体保持健康的状态。目前许多研究证明了不溶性纤维中的纤维素、半纤维素和木质素表面富含羧基、羟基和氨基等功能基团，这些基团具有良好的阳离子交换能力，不溶性纤维能够通过阳离子交换能力很好地结合 Pb，Cd，Mn，Zn等有毒重金属离子，有效地降低这些有毒金属离子在人体中的残留量[92, 164-166]。因此，寻找资源丰富、成本低廉、制备工艺简单、吸附能力容易再生的不溶性纤维材料是解决重金属污染问题的重要途径。一般情况下，不同来源的纤维吸附金属离子的能力不同，如 Kuan 等人比较分析了玉米芯纤维和麦秸纤维对 Ca，Cu 和 Zn 的吸附能力，结果显示玉米芯对测定的所有金属离子的吸附能力均显著高于麦秸纤维。然而，不溶性纤维吸附金属离子的能力还受其他因素的影响，内在因素有纤维中的蛋白、植酸和酚酸的含量等[167, 168]，外在因素有胃肠道的 pH值、人体摄入食物中的蛋白含量及其他金属离子的含量等。OuS. Y.等人[169]在体外模拟胃肠液 pH 值的条件下，研究了麦麸不溶性纤维对 Hg，Cd 和 Pb 的吸附能力，结果表明在 pH=7.0 条件下，麦麸不溶性纤维吸附 Hg，Cd 和 Pb 的能力均高于其在 pH=2.0 条件下的吸附能力。主要原因在于麦麸不溶性纤维表面的羧基、羟基等基团在 pH=2.0 条件下被质子化，对 Hg2+, Cd2+和 Pb2+具有排斥作用，因此对这些重金属离子的吸附能力相对较低。有关报道指出，不溶性纤维降低重金属离子在人体中的生物利用率的途径主要有：通过表面的功能基团结合重金属离子；通过吸水溶胀能力稀释重金属离子在肠道中的浓度或缩短重金属离子通过肠道的时间；通过毛细吸附能力将重金属离子束缚在纤维孔状结构内[167]，随粪便一起排出体外。

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主要结论与展望

主要结论：
1. 通过采用不同浓度的硫酸结合一定浓度的碱处理，得到了一系列具有不同孔隙率和比表面积的米糠不溶性纤维。通过研究米糠不溶性纤维的成分含量、理化性质和结构，确定了米糠不溶性纤维提取过程主要是逐步去除淀粉和蛋白及部分可溶性半纤维素的过程，米糠不溶性纤维的孔隙度和比表面积均随着淀粉和蛋白的去除而增大。米糠不溶性纤维的持水力、膨胀力和阳离子交换能力均随着半纤维素含量的下降而下降，热稳定性随着纤维结晶度的增大而提高。
2. 利用米糠不溶性纤维较好的持油性质，研究了其对人体脂肪代谢中至关重要的胰脂酶的作用。通过比较不同时间和不同初始酶浓度下具有不同微结构和持油力的 RBIDF对胰脂酶的吸附能力以及酶活抑制能力，得出米糠不溶性纤维吸附胰脂酶的量随着时间的延长而逐渐增加并在 1h 后最终达到吸附平衡，具有最大孔隙率的 RBIDF-2.0 达到吸附平衡所需时间最短，约为 0.75 h。米糠不溶性纤维能显著抑制胰脂酶的活性，并随着纤维添加量的增加，其抑制能力逐渐增强。

3. 米糠不溶性纤维对胰脂酶的荧光猝灭作用结果显示米糠不溶性纤维对胰脂酶的荧光猝灭作用属于静态猝灭，RBIDF 与胰脂酶之间的作用力主要是静电相互作用和疏水相互作用，作用位点为 1 个，而且是自发进行的，反应属于放热反应。圆二色谱结果显示，胰脂酶与米糠不溶性纤维作用后，二级结构逐渐变得无序化，呈现展开的状态，这是酶活降低的主要原因。不同官能团对胰脂酶活性的抑制能力结果显示，纤维表面的羧基含量对胰脂酶的活性影响较大。

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参考文献（略）

本文编号：186185