膳食纤维的黏度特性及其生理功能研究进展

奥鹏网院作业

膳食纤维的黏度特性及其生理功能研究进展
蔡松铃1,2，刘 琳1，战 倩1，张 宇1，温雅迪1，刘 逸1，许泽坤1，隋中泉1,*
（1.上海交通大学农业与生物学院，上海 200240；2.上海杉达学院管理学院，上海 201209）
摘 要：膳食纤维被称为第七大营养素，是一种重要的功能性食品成分，具有广泛的理化性质及生理功能。其中，黏性多糖可使膳食纤维在液体中产生黏性。本文主要通过阐述膳食纤维黏度的研究现状，包括其基本概念、测量仪器和方法、影响其黏度的因素等方面，总结了膳食纤维中的黏性多糖在调节血糖反应、降血脂、影响肠道酶活性和消化率、润肠通便等方面的生理功能，为今后深入研究膳食纤维黏度特性、生理活性及其在食品领域中的应用提供一定的科学依据和理论参考。
关键词：膳食纤维；黏度特性；黏度测定；黏性多糖；生理功能
自20世纪70年代以来，关于膳食纤维的定义一直是人们争论的焦点，主要是因为其复杂的分子结构、化学性质、物理特性及其生理效应[1]。Trowell等[2]认为膳食纤维由可食用的植物细胞多糖类、木质素和抵抗人类消化道酶水解消化的相关物质组成。随着对膳食纤维的不断深入研究，目前许多国家将膳食纤维定义为一种聚合度大于10、不能被小肠消化吸收的碳水化合物[3]。根据膳食纤维来源的溶解性不同，一般分为可溶性膳食纤维（例如果胶、瓜尔豆胶、葡聚糖等）和不溶性膳食纤维（例如麦麸、大豆壳等纤维素、木质素和半纤维素等）。
膳食纤维的化学分子结构决定了其特殊的理化性质，包括持水性、膨胀性、黏性、离子交换特性和吸附作用等。有人指出其中的黏度特性与膳食纤维的生理功能密切相关，能对人体产生有益生理作用[4]。黏性纤维的黏度与血糖和胆固醇浓度、胃排空时间有关，其具有的黏性能够缩短胃中的食物转送至小肠的时间[5]。膳食纤维的黏度特性是指当纤维与液体混合时，在一种流体或溶液中其多糖与多糖成分之间的物理缠结所产生的增稠或形成凝胶的能力[6-7]。膳食纤维中能形成黏性溶液的多糖称为黏性多糖，如树胶和果胶，还有集中在大麦、小麦等饲料原料的糊粉层和胚乳中的阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖等，都可根据其独特的化学成分形成增稠的溶液[8]。黏性多糖在低浓度时与水分子直接作用而增加溶液的黏度；在高浓度时，多糖分子之间相互作用缠绕成网状结构，从而形成凝胶，使黏度大大增加[9]。可溶性膳食纤维可在水中稳定分散，在肠道内与葡萄糖缠结形成具有一定黏度的胶体，可结合水分子、吸收矿物质阳离子，也可作为肠内微生物发酵的基质[10]。同时，有研究表明可溶性膳食纤维的黏度大于不溶性膳食纤维[11]。可溶性膳食纤维的含量与黏度呈正相关，例如，在一些豆科植物种子胚乳中的半乳甘露聚糖和燕麦中的β-葡聚糖等，这些多糖的含量越高，溶液的黏度就越大[12]。
1 膳食纤维黏度的研究现状
黏度是影响膳食纤维生理功能的重要理化性质。黏度测量是食品流变学研究中的一项重要任务，膳食纤维中含有瓜尔豆胶、车前子胶、藻酸盐、葡甘聚糖等物质，这些物质使得膳食纤维具有凝胶特性，因而受到国内外学者的大量关注和研究，并将其广泛应用到食品工业中。然而，研究者们运用不同的实验方法测得的黏度存在较大的差异。所以，在研究黏度在膳食纤维领域中的具体应用前，应明确黏度的概念、相关流体行为以及测量方法和仪器的使用。
1.1 黏度的概念
英国科学家牛顿是最早研究和定义流体黏度的科学家之一。牛顿把黏度定义为流体的流动与流体所受的力之间的比例关系，也可被认为是液体的内部摩擦，或它的抗流倾向。计算黏度的一般方式是用剪切应力除以剪切速率，可用η表示，其中剪切速率是指在某一特定流体中由于外加剪切应力而建立的速度梯度。剪切速率用倒数秒（s-1）单位表示。剪切应力是切向流体平面上施加的力。在物理上，剪切应力是一个力矢量，因此它不仅具有力的大小，而且具有作用力的方向。剪切应力在（国际）公制单位中以帕斯卡（Pa）或牛顿每平方米（N/m2）计[13]。由于黏度的表达形式有时是不一致的，所以必须先了解黏度的各个单位。黏度的典型表达是以毫帕斯卡每秒（mPags）或厘泊（cP）为单位，两种表达是一样的，因为1 cP＝1 mPags。其他各单位之间的转换也比较简单，比如：1 000 mPags＝1 Pags，100 cP＝1 P，最后都能统一转换成mPags或cP[13]。
如今存在许多用于描述黏度的术语，常用的3 种黏度表示方法为：动力黏度、运动黏度和相对黏度（又称条件黏度，常用的条件黏度有恩氏黏度、赛氏黏度和雷氏黏度）[14]。动力黏度也叫绝对黏度，它是液体以1 cm/s的流速流动时，在每平方厘米液面上所需切向力的大小，单位为Pags。另外两个术语有时是相对于溶液黏度被表达的。运动黏度定义为绝对黏度除以所测流体的密度，并以平方米每秒（m2/s）为单位表示。运动黏度受所测流体密度范围的限制，因为与绝对黏度相比，较大的密度范围将把运动黏度压缩至较小的测量范围。由于食品工业中所用成分的密度范围很广，所以与营养价值有关的运动黏度几乎没有意义[13]。相对黏度也被称为黏度比，指流体的黏度和纯溶剂黏度的比率，是很多文献中引用出现偏差的一个术语，因为纯溶剂的概念只存在于理想条件下[13,15]，因此该术语在实际情况中并没有适用性。
除上述术语外，在与膳食纤维相关的学术文献中表观黏度是最常见的。它是指在一定速度梯度下，相应的剪切应力除以剪切速率所得的商。它被定义为非牛顿流体的黏度，表达方式与牛顿流体相同。表观黏度是以实际观察的流动曲线为依据，从实验数据中计算得出的一个系数。测量表观黏度值，可以在一个剪切速率下进行单一黏度读数[16]。
用这些术语来解释黏度相关的数据时，就会出现一定程度的混淆。因为研究人员有时会在没有准确地理解黏度是如何被测定的情况下就报告“黏度”的值，或者把这些与黏度相关的术语进行不正确的相互替换[13]。因此，在开展与膳食纤维相关黏度的研究工作之前，必须先理解并明确黏度的相关概念及使用条件。
1.2 黏性流体行为
黏性流体一般可分为牛顿流体、非牛顿流体、塑性流体、触变性流体和流凝性流体。牛顿流体是指黏度与剪切速率无关的流体[17]。最典型的牛顿流体是水，食品中可归属于牛顿流体的有：糖水溶液、低浓度牛乳、油等[13]。由于牛顿流体的剪切速率与其作用的剪切应力成正比，所以单点测量就可以确定黏度的准确表达式。通过测量标准剪切应力下的剪切速率来得出结果，或者在剪切速率不变的情况下来测量对应的剪切应力。牛顿流体的黏度点反映在剪切应力与剪切速率的线性图上时，结果就是一条过原点的直线。描绘牛顿流体的黏度与剪切速率的关系时，两者产生简单的直线关系；因此，在所有剪切速率下，液体的黏度都是一样的[13,15]，牛顿流体的黏度只与温度有关，随着温度升高而降低。
然而，由于许多黏性液体食品以及营养学中使用的生物流体具有非常复杂的组成和形态，与牛顿流体的行为有很大的偏差，因此基本都属于非牛顿流体。非牛顿流体的黏度除了与温度有关外，还与剪切速率、剪切时间有关。特别是黏度与剪切速率间具有相互依存关系，其黏度是随剪切速率的变化而变化的。根据流动特性的不同，非牛顿流体行为可描述为假塑性流动或胀塑性流动。假塑性流动也称为剪切变稀流动，是一个广义的描述性术语。有此流动行为的流体其剪切速率随着剪切应力的增加而增加，或者当剪切速率增加时就会导致表观黏度降低[13,15]。常见的假塑性流体食品包括苹果酱、香蕉泥和橙汁浓缩液[15]。胀塑流体的特征是剪切应力的等量增加小于剪切速率的等量增长。由于黏度随剪切速率的增加而增大，因此也被称为剪切增稠行为。生淀粉悬浮液、某些类型的蜂蜜和一些巧克力溶液都表现出这种流动行为[13,15]。
塑性流体属于假塑性黏度范畴，是根据宾汉理论来定义的：当作用在物质上的剪切应力大于屈服应力时，物质开始流动，否则，物质就保持即时形状并停止流动。屈服应力是流动发生时必须超过的最小剪切应力。当绘制黏度与剪切速率的关系图时，黏度随剪切速率的增加而减小。其中，根据流动特性是否符合牛顿流动规律又可将塑性流体分为宾汉流体和非宾汉流体。许多生物液体和液体食品都表现出这种流动行为，包括搅打蛋白和纤维素纤维凝胶等[18]。触变性流体是随剪切应力的增加，黏性逐渐减小，当作用力停止时流体又变得不易流动，其黏度不仅与剪切速率有关，还与剪切时间有关。食品中常见的触变性流体有番茄酱、蛋黄酱和炼乳等。触变性食品的口感比较柔和爽口。与触变性流体相反的是流凝性流体，具有流凝性的食品具有更黏稠的口感，主要是由于其黏度随剪切速率的增加和剪切时间的延长而逐渐增大。典型的流凝性流体为糖浆。
1.3 测量黏度的方法和仪器
非牛顿流体的黏度单点测量会导致黏度的错误测定，其结果也不能反映该流体黏度的全部范围。黏度数据的测量结果受黏度测量方法和仪器的影响。
测量液体黏度的方法有很多，传统的测量方法有毛细管法、旋转法、振动法等。进行黏度测量时要根据液体黏度、流速、透明程度等选取恰当的测量方法，否则会因为液体黏度的不同而得不到最佳的测量效果[19]，导致数据间的差异性。同时GB/T 22235ü2008《液体黏度的测定》规定了不同流体黏度的测定方法，供实验者参照选取合适的测定方法。此外，仪器设备的固有构造差异和使用不当也会造成测定结果的差异性。许多专门为测量牛顿流体黏度而设计的黏度仪器如果应用于测量非牛顿流体的黏度特性，则会导致数据的差异[13]。流变仪用来测量食品科学中流体食物和溶液的黏度、变形和黏弹性等流变特性。流变仪可以测量多种流体特性，而黏度计只用于测量黏度[15]。流变仪和黏度计可分为两大类：旋转型和管式。旋转型流变仪由几种不同几何构造的装置组成，包括平行板、同心圆柱、锥板和混合器。管式流变仪的一般组成包括玻璃毛细管、高压毛细管和管道装置[13,15]，但是玻璃毛细管易被样品中的颗粒物堵塞，所以管式流变仪对样品的纯度有较高要求[19]。旋转黏度计与管式黏度计相比有优势，目前应用广泛，它适用于所有的流体，即牛顿型流体和非牛顿型流体；使用简单，测量快速方便，数据准确可靠；便于连续测量，通过调节转速可以测量不同剪切速率下的流体黏度[20]。但旋转式黏度计也有一些缺点，如所需的硬件设备较多，结构复杂，价格昂贵，对流体及测量周围的环境要求较高等。此外，近年来，由于光电技术、超声波技术、计算机技术等的迅速发展，液体黏度的测量技术和仪器也在不断的发展和完善中，以求获得高精度、易操作、低成本的测量结果[19]。
2 影响膳食纤维溶液黏度的因素
已有研究表明，溶液中膳食纤维黏度的测量结果受多种因素影响，例如分子质量、化学成分和结构、含水量、粒径、剪切速率、溶液浓度、温度、时间、加工条件和酸碱条件。
2.1 膳食纤维的分子质量
高分子聚合物的水溶液具有一定的黏度，所以高分子质量膳食纤维溶液的黏度比低分子质量膳食纤维溶液的黏度高，高分子溶液即使在低浓度下也具有一定的黏度。王日思等[21]考察了不同分子质量大豆可溶性膳食纤维对大米淀粉流变性质的影响，将大米淀粉与大豆可溶性膳食纤维按质量比95∶5进行混合，实验结果显示原淀粉溶液的峰值黏度为2 724 cP，添加了小分子质量大豆可溶性膳食纤维溶液的峰值黏度为2 756 cP，两者值相差不大，而添加了大分子质量大豆可溶性膳食纤维溶液的峰值黏度从2 724 cP上升至3 789 cP，静态流变学实验表明添加大分子质量大豆可溶性膳食纤维可使大米淀粉的稠度系数K值升高。
饮食中膳食纤维分子质量的差异对人体生理反应的影响结果也不呈完全的规律性。Ellis等[22]在面包的制作过程中用不同分子质量的瓜尔豆胶替代部分小麦面粉，按每千克小麦粉中加入100 g瓜尔豆胶的比例混合。选取青少年受试者，禁食一夜后让其分别食用4 种面包，一种是全小麦粉面包（对照），另外3 种是混入了低、中、高不同分子质量瓜尔豆胶的小麦粉面包，然后分别在餐后30、60、90、120 min采血，测定其血糖和胰岛素浓度增量，结果见表1。结果发现各组受试群餐后血糖浓度增量之间没有明显差异。然而，所有类型的瓜尔豆胶小麦面包都导致食用者餐后血浆胰岛素浓度增量随着餐后时间的延长而呈下降趋势。
表 1 受试青少年不同餐后时间的血糖浓度增量与胰岛素浓度增量对比
Table 1 Comparison of blood glucose increment and insulin increment at different postprandial times in adolescents

2.2 化学成分和结构
膳食纤维黏度有时会受到摄入食物的化学成分和结构的影响，因为高膳食纤维类食物进入人体后，其所含的多糖类物质会直接影响肠道内容物的消化吸收。因此，与食用玉米片类普通谷物相比，食用燕麦类食物后，人体肠道内容物溶液黏度的测量值会有所变化。Gallaher等[23]探究了大鼠食用含β-葡聚糖的燕麦类食物对其肠内容物溶液黏度的影响，选取几种不同的食物分别投喂给大鼠，大鼠进食2～3 h后，测定其小肠内容物上清液的黏度。结果显示，食用AIN-76纤维饲料和玉米片谷物的大鼠小肠内容物上清液黏度几乎为零，食用添加了2%瓜尔豆胶的AIN-76纤维饲料后大鼠小肠内容物上清液黏度较高，约为400 cP；而食用脆谷乐、熟燕麦、未煮过的燕麦片和煮熟的燕麦麸皮4 种谷物后的大鼠小肠内容物上清液黏度之间无显著差异。Gallaher等[23]的另一项研究是用全燕麦粉或即食燕麦片（桂格燕麦）制作成两种松饼投喂大鼠，结果显示，食用全燕麦粉松饼的大鼠肠内容物上清液黏度（约225 cP）明显高于食用即食麦片松饼的大鼠肠内容物上清液黏度（约110 cP）。产生上述实验结果是因为燕麦β-葡聚糖的结构中含有很多亲水性基团，因而具有极高的亲水性，使得肠道黏膜表层的水膜厚度增大，增加了肠液黏度，降低了食糜通过肠道的速率，致使动物对饲料的吸收有所减少，从而提高了肠内容物上清液的黏度。
2.3 含水量和粒径
许多研究者在实验中证实了溶液中膳食纤维粒径的大小与其黏度的变化关系，郭增旺等[24]研究得到了超微型大豆皮水不溶性膳食纤维黏度曲线，其表明溶液中纤维粒径越小，比表面积越大，暴露出来的基团越多，导致分子间的作用力越大，结构也越紧密，从而引起黏度增大。Lukhmana等[25]对樱桃酱的颗粒形态与流变学关系进行表征，结果表明，在粒径100～800 μm范围内，随着粒径减小，表观黏度显著降低。
Lam等[26]提出的数学黏度模型中，考虑了含水量和粒径等因素对溶液黏度的影响。模型中的结果表明，随着粒径减小，表观黏度降低；含水量增加会导致黏度降低，因为剪切应力会随水分含量的增加而降低；此外，在相同温度条件下，水分含量较低、粒径较大的纤维物质黏度较大。
2.4 剪切速率和溶液浓度
由于非牛顿流体的生理复杂性，黏度并不是通过静态运动所呈现的一种特殊性质，而是受到某种剪切力的作用产生的。郭杰等[27]以复合体系的流体表观黏度与剪切速率（0.01～100 s-1）两因素绘图，并利用Cross模型和Carreau模型对刺槐豆胶/瓜尔豆胶复合体系的流动行为进行分析，结果显示实验中所有的复合体系均属于非牛顿流体，其表观黏度随剪切速率的增大而降低，表现出剪切稀化的非牛顿流体特征；而在同一剪切速率下，复合体系的表观黏度随着刺槐豆胶所占比例的增加而降低，但降低速率逐渐减小，表明剪切稀化现象越来越不明显。多糖的浓度或剂量通常对恒温溶液的黏度有直接、非线性的影响[13]。高愿军等[28]对秋葵多糖的黏度特性进行了研究，发现秋葵多糖溶液黏度随其浓度的增加而逐步增大，这是由于随着多糖浓度的增加，多糖分子之间的相互作用力也在增大，增加了物质之间的交联、聚合度。Ellis等[29]给受试猪喂食含不同量（0（对照）、20、40 g/kg）瓜尔豆胶的半纯化饲料，实验结果表明空肠食糜黏度随瓜尔豆胶含量的增加而增大；受试动物摄入上述饲料后在肠道中进行消化的食糜可视为假塑型流体；含有高分子质量的胶体粒子黏度较大，与对照组相比，食用40 g/kg瓜尔豆胶饲料的猪在餐后0、30、60 min和180 min时食糜黏度分别提高了7、45、93 倍和17 倍，而食用20 g/kg瓜尔豆胶饲料的受试猪食糜黏度分别提高了6、31、28 倍和4.3 倍。
2.5 加热温度和加热时间
刘晓霞[30]研究了温度对黄秋葵花果胶溶液流变性的影响，结果显示，在相同剪切速率（0～1 000 s-1）下，随着处理温度的升高，果胶溶液的黏度逐渐减小，一方面可能是温度的升高导致分子热运动加快，分子间距离扩大，从而使分子间的黏滞阻力降低；另一方面由于果胶分子链间的氢键被破坏，交联作用随着分子间的斥力增强和分子电离度减小而逐渐减小，导致果胶溶液表观黏度逐渐降低。在相同温度条件下，随着加热时间的延长，在初始的热力作用下，果胶交联结构受到破坏，黏度逐渐降低，而后阶段热力作用对果胶链自身的结构影响不是很大，因而黏度下降趋于缓慢。陈洁等[31]得到的热处理温度和热处理时间对秋葵多糖黏度的影响结果与上述结果一致，秋葵多糖黏度随温度升高快速减小，随加热时间延长而快速下降，当秋葵多糖水溶液的温度从20 ℃上升至90 ℃过程中，其黏度直接从230.14 cP降至121.33 cP；当加热时间延长至60 min时，其黏度直接从初始的115.08 cP降至105.72 cP。
2.6 加工条件
食物的加工条件也会影响其所含膳食纤维的黏度。Müalkki等[32]采用4 种不同工艺条件从燕麦麸皮中提取β-葡聚糖，条件分别为：1）在中性冷水中进行湿磨提取；2）在中性冷水中进行湿磨提取，但是用盐酸进行中和以降低分子质量后，在pH 5.0下保持30 min；3）热乙醇湿磨提取；4）冷乙醇湿磨提取。结果发现提取加工条件会影响β-葡聚糖提取液的流变性能，包括黏度。在低剪切速率下，冷乙醇湿磨的β-葡聚糖提取液黏度最高，为220 cP，其次是未经加工直接提取的麸皮粉提取液黏度，为141 cP，热乙醇湿磨的提取液黏度为80 cP，用盐酸中和冷水研磨的提取液黏度为9 cP，而单用中性冷水湿磨的提取液黏度为5 cP。以提取出的β-葡聚糖浓度作为分析指标，在大鼠的日饲料中添加3.3% β-葡聚糖，建立动物饮食模型，测定饮食模型中底物基质所处的加工条件对其流变性能和黏度的影响，以未经加工提取的燕麦麸皮浓缩液作为饲料对照。与对照组比较，食用两种乙醇湿磨处理后的β-葡聚糖提取浓缩液2、3、4 周后，大鼠的血清胆固醇浓度显著降低，降低17%～33%不等。未经加工处理直接提取的燕麦麸皮浓缩液对大鼠血清胆固醇浓度无明显影响，食用中性冷水湿磨得到的β-葡聚糖提取浓缩液4 周时，大鼠血清胆固醇水平降低9.9%，食用盐酸中和水解湿磨处理的β-葡聚糖提取浓缩液2 周时，大鼠血清胆固醇水平降低13.6%。
2.7 pH值
由于摄入的膳食纤维经过胃肠道时会使胃肠道的pH值发生显著变化，使其在营养吸收方面受到影响。研究表明，较低的pH值会导致表观黏度降低。Bobboi等[33]的研究结果显示，葡萄糖瓜尔豆胶溶液经Krebs-Ringer缓冲液酸化至pH 2、7.2时，其黏度为1 234、1 354 cP，未加缓冲液的葡萄糖瓜尔豆胶溶液黏度为1 546 cP。这些数据表明，因摄入纤维类食物所引起的胃肠道内pH值降低，可能也会导致含瓜尔豆胶的葡萄糖溶液在胃肠道内的黏度相应降低。George等[34]研究了盐酸浓度对小麦膳食纤维研磨液黏度的影响，随着盐酸浓度在0.1～0.3 mol/L范围内增加，两种分别来自洛杉矶里亚托和伦敦卡克斯顿的小麦膳食纤维研磨液黏度分别提高了6.6 倍和6.2 倍。上述研究表明酸性处理对膳食纤维黏度的影响并不一致。产生这种矛盾的原因可能是加入酸性溶液后会对待测水溶液有稀释作用，所以pH值的降低反而会使溶液黏度略有下降[33]。另外，含有非淀粉多糖的膳食纤维可能在酸化时产生分解。鉴于膳食纤维的不同化学成分，可能存在一个最佳的pH值使得膳食纤维分解产生非淀粉多糖，此时溶液黏度就会增加；超过这个pH值，溶液黏度就会因为非淀粉多糖的分解而逐渐降低[34]。相关研究显示，果胶溶液的黏度随着pH值（1.00～6.56）的增大呈现先增大后减小的变化，当pH值为5.0时黏度达到最大值，当pH值小于5.0时，果胶溶液的黏度随着pH值的增大而逐渐升高，当pH值大于5.0并偏碱性时，黏度呈快速下降趋势[30]。
3 黏性膳食纤维的生理功能
3.1 调节血糖反应
近年来城市化和老龄化进程加快，同时伴随着人们生活方式的改变，肥胖和超重人口数量增加，我国糖尿病的发病率也有逐年增高的趋势。糖尿病是一种以高血糖为特征的代谢紊乱性疾病。而高血糖是由胰岛素分泌缺陷和其生物作用受损所引起。现已有研究表明摄入黏性多糖能有效降低餐后血糖水平，而且中低剂量的黏性多糖与高剂量的黏性多糖饮食在降低餐后血浆葡萄糖浓度方面具有相同的效果[29,35]。
Wood等[35]进行的一项研究中，9 名受试者分别食用添加了不同质量燕麦胶的50 g葡萄糖液体实验餐，对照组实验餐未添加燕麦胶，1.8、3.6、7.2 g燕麦胶添加量的实验餐黏度大小依次为9.4、521、1 548 cP，并于餐后15～180 min抽取血液样本，与空白对照组相比，食用含7.2 g燕麦胶液体实验餐的受试者餐后平均血糖浓度峰值从3 mmol/L降至1.8 mmol/L，葡萄糖曲线下面积从144 mmol/（mingL）降低到102 mmol/（mingL）。Ellis等[29]分别给4 头生长肥育期的受试猪饲喂含0、20、40 g/kg高相对分子质量的瓜尔豆胶饲料，餐后10～240 min后，发现瓜尔豆胶的摄入会抑制猪体内大部分葡萄糖吸收和胰岛素分泌的时间点，而食用不同剂量瓜尔豆胶饲料后所引起的猪体内血糖反应结果无显著差异。食用黏性膳食纤维来源的食物所引起的血浆葡萄糖浓度下降可能是由几个方面造成的。首先，黏性膳食纤维的持水能力可使其通过形成凝胶基质来减缓胃排空和小肠转运时间[36]，当这些水化纤维进入小肠时，凝胶基质会使小肠内容物变厚，从而通过减少营养吸收扩散和食物与消化酶间接触来调节消化过程。此外，黏性膳食纤维会改变消化物对胃肠道内收缩运动的阻力，从而减少葡萄糖往胃肠吸收表面的运输，在胃肠道吸收表面，摄入黏性膳食纤维会使不流动水层变厚，从而导致葡萄糖和胆固醇缓慢扩散[37]。
3.2 降血脂作用
血脂浓度的长期升高会导致动脉粥样硬化和冠心病等一系列疾病，因此通过合理膳食来改善高血脂症越来越受到大家的重视，相关文献表明，膳食纤维中的黏性多糖降低血脂浓度的机制主要包括：1）降低扩散速率，导致胆固醇吸收减少；2）影响机体中胆固醇的代谢、促进胆固醇转化为胆汁酸；3）抑制肝脏胆固醇的合成；4）促进胆固醇的排泄；5）促进血浆胆固醇的清除[38]。
从印度豆类植物瓜尔豆中提取得到的瓜尔豆胶因其黏度特性受到国内外学者的关注研究，对于其降血脂作用的机理也已十分明了，主要是其因凝胶作用和黏度特性，可在肠道内分隔并阻留胆固醇，抑制肠道内胆固醇的吸收，降低脂质代谢物的吸收率，阻碍胆汁酸重吸收进入肝肠循环，导致胆汁酸和固醇排出，间接导致肝脏胆固醇合成减少而实现降血脂的作用[39]。有研究显示，在高胆固醇膳食中分别添加12.5%、25%干燥瓜尔豆喂食小鼠后，与未食用瓜尔豆膳食的空白组相比，这两个实验组小鼠血浆高密度脂蛋白胆固醇水平从21.6 mg/dL分别增加至28.8、31.5 mg/dL，总胆固醇、低密度脂蛋白胆固醇与极低密度脂蛋白胆固醇水平有明显的下降，其中喂食12.5%瓜尔豆膳食的小鼠血浆总胆固醇水平下降13.5%，低密度脂蛋白和极低密度脂蛋白胆固醇水平降低18%[40]。郑刚等[41]则是给大鼠饲喂高脂饲料，同时灌胃可溶性的番茄膳食纤维（tomato soluble dietary fiber，TS）、可溶性的葡萄膳食纤维（grape soluble dietary fiber，GS）和燕麦β-葡聚糖，观察这3 种可溶性膳食纤维对大鼠血脂水平的影响。结果发现，燕麦β-葡聚糖、TS和GS均能显著抑制大鼠血清中总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇浓度上升（P＜0.05），与高脂模型对照组比较，总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇平均水平分别下降了30.2% 和34.7%，而燕麦β-葡聚糖是三者中抑制高密度脂蛋白胆固醇浓度降低效果最好的。
3.3 影响肠道酶活性和消化率
黏性纤维能够降低肠道消化酶活性，促使食糜形成大凝胶团，从而直接影响肠道中的食物营养成分及消化酶类物质，肠道内容物与消化酶之间出现相互抵触现象，从而减慢消化过程，同时会减少消化酶的量，导致多种消化酶活性相对降低[42]。β-甘露聚糖是半纤维素的组成部分，不能被单胃动物自身分泌的消化酶分解，具有很强的亲水性，遇水溶胀形成凝胶，可增加消化道食糜黏度，阻碍已消化养分向肠黏膜的移动，降低营养物质的消化吸收率；同时β-甘露聚糖可与肠道内的蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等消化酶结合，阻碍这些酶与底物发生反应，降低肠道消化酶活性[43]。
相关研究表明黏性纤维的损耗可能会降低动物每日所需粮食中氮和氨基酸的表观消化率[44-45]。乔燕娟[44]利用体外模型模拟胃肠消化，研究不同剂量的燕麦β-葡聚糖对蛋白质消化过程的影响，结果显示，燕麦β-葡聚糖的添加量从0%增至4%时，蛋白质总消化率显著下降，胃、肠消化液中多肽含量、总游离氨基酸含量均显著降低。黄庆华等[45]选取6 头公猪为研究对象，分别饲喂玉米豆粕饲粮（对照）以及5%菊粉或5%羧甲基纤维素钠替代部分玉米豆粕实验饲粮，结果显示，羧甲基纤维素饲粮组总碳水化合物的表观消化率低于对照饲粮组。
3.4 润肠通便
食用膳食纤维对肠道功能具有调节作用。水溶性膳食纤维在肠道内呈溶液状态，有较好的持水力，且易被肠道细菌酵解，产生丁酸、丙酸、乙酸等短链脂肪酸，这些短链脂肪酸能降低肠道内环境pH值，同时可使肠道粪便含水量高且呈软化状态，增加人体排便次数，防止便秘，甚至起到导泻作用，维持肠道清洁，预防并减少胃肠道疾病的发生[46]。
车前子种皮中所含的黏性多糖具有通便、阻止有害物扩散、延长食物在胃内滞留时间等功能。殷军艺[47]研究了大粒车前子多糖对便秘模型小鼠的治疗效果，发现其可使燥结型和实热型便秘模型小鼠首次排泄时间提前，增加排便粒数和排便质量。McRorie等[48]连续3 d给受试猪喂食含车前子的饲料，并控制不同的添加量，分别为10、20、30 g/d和40 g/d，以无车前子添加的饲料作为空白对照，动物安乐死后测量盲肠和直肠的食糜黏稠度。结果发现，仅食用空白对照饲料后，受试猪盲肠和直肠的内容物黏度在10.1～5 533 cP范围内，而饲喂10、20、30 g/d和40 g/d车前子添加量的受试猪盲肠和直肠内容物黏度范围依次为14.6～2 662.7、23.2～2 995.0、100.0～2 225.6、59.0～1 823.6 cP，可见食用车前子饲料的动物直肠内容物黏度明显比空白对照组低。此研究结果表明，摄入黏性纤维后，大肠中仍有较多的水分，导致大肠内容物的黏度降低，大便变软。
4 结 语
膳食纤维作为现代食品新资源，受到了国内外的高度关注和开发。膳食纤维具有特殊的理化性质和生理功能，已被广泛应用于食品加工领域[49]。黏度是膳食纤维的物理特性之一，现有研究表明食用黏性纤维能对人体产生有益的生理功效，可以改变胃肠道的消化黏度，从而抑制营养物质尤其是葡萄糖和胆固醇的吸收。但是，目前可用的液体黏度测量技术和仪器设备存在多样性，对黏度概念的模糊认识以及受到测量对象的化学成分和结构等因素影响，研究者们进行黏度测量的结果存在一定差异，可由监管人员、科学研究人员和工业专家们共同参与研发和制定更适当的黏度测量指南，以此来减少黏度测量间的差异性。因此，探索更为简便、统一的黏度测量方法对黏度特性的研究具有重要意义。
研究者们对啮齿类动物、狗和雏鸡等进行的大量研究证实[50-51]，食用黏性纤维后，在葡萄糖、血脂衰减、胆固醇代谢和调节肠道功能方面都具有积极作用。大量人体、动物和动物替代体外模型实验表明食用黏性纤维后所引起的胃肠道黏度变化可产生多种有益的生理功能，这对今后人们研究黏度在膳食纤维中的应用以及功能开发提供了一定的参考[52-53]，也对进一步深入研究膳食纤维在食品中的应用具有重要意义。
参考文献：
[1] ROBERFROID M. Dietary fiber, inulin, and oligofructose:a review comparing their physiological effects[J]. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 1993, 33(2): 103-148.DOI:10.1080/10408399309527616.
[2] TROWELL H, SOUTHGATE D A, WOLEVER T M S, et al. Dietary fiber redefined[J]. The Lancet, 1976, 7966: 967. DOI:10.1016/S0140-6736(76)92750-1.
[3] DAI F J, CHAU C F. Classification and regulatory perspectives of dietary fiber[J]. Journal of Food and Drug Analysis, 2017, 25(1): 37-42.DOI:10.1016/j.jfda.2016.09.006.
[4] Institute of Medicine. Dietary reference intakes: proposed definitions of dietary fiber[M]. Washington: National Academy Press, 2001: 5-6.DOI:10.17226/10161.
[5] MÄLKKI Y. Physical properties of dietary fiber as keys to physiological functions[J]. Cereal Foods World, 2001, 46(5): 196-199.
[6] GUILLON F, CHAMP M. Structural and physical properties of dietary fibres, and consequences of processing on human physiology[J]. Food Research International, 2000, 33(3): 233-245. DOI:10.1016/S0963-9969(00)00038-7.
[7] MORRIS E R, CUTLER A N, ROSS-MURPHY S B, et al.Concentration and shear rate dependence of viscosity in random coil polysaccharide solutions[J]. Carbohydrate Polymers, 1981, 1: 5-21.DOI:10.1016/0144-8617(81)90011-4.
[8] SCHNEEMAN B O. Dietary fiber and gastrointestinal function[J].Nutrition Reviews, 1987, 45(7): 129-132. DOI:10.1111/j.1753-4887.1987.tb06343.x.
[9] 钱利纯. 黏性多糖及多糖酶的研究[J]. 中国畜牧兽医报, 2009, 10:1-3. DOI:10.3969/j.issn.1001-991X.2003.06.009.
[10] 吕远. 大豆膳食纤维的改性及其在烘焙食品中的应用[D]. 上海: 华东师范大学, 2013: 1-4.
[11] BROCKMAN D A. The effect of viscous and fermentable dietary fiber consumption on adiposity, insulin resistance and fuel utilization in rats[D]. Minnesota: University of Minnesota, 2013: 42-50.
[12] ROBINSON G, ROSS-MURPHY S B, MORRIS E R. Viscositymolecular weight relationships, intrinsic chain flexibility and dynamic solution properties of guar galactomannan[J]. Carbohydrate Research,1982, 107(1): 17-32. DOI:10.1016/s0008-6215(00)80772-7.
[13] MICHELL J. Food texture and viscosity: concept and measurement[M]//BOURNE M C. Sensory methods of texture and visocity measurement. California: Academic Press, 2002, 2: 63-66.DOI:10.1016/b978-012119062-0/50007-3.
[14] 马力. 基于旋转法黏度测量的研究[D]. 大连: 大连海事大学, 2016:1-2.
[15] STEFFE J F. Rheological methods in food process engineering[M].Boston: Freeman Press, 1992: 1-91. DOI:10.1111/j.1745-4530.1992.tb00152.x.
[16] MCDONALD D E, PETHICK D W, MULLAN B P, et al. Increasing viscosity of the intestinal contents alters small intestinal structure and intestinal growth, and stimulates proliferation of enterotoxigenic Escherichia coli in newly-weaned pigs[J]. British Journal of Nutrition,2001, 86: 487-498. DOI:10.1079/bjn2001416.
[17] 陈惠钊. 黏度测量[M]. 北京: 中国计量出版社, 2002: 40-90.
[18] CARRIERE C J, INGLETT G E. Constitutive analysis of the nonlinear viscoelastic properties of cellulosic fiber gels produced from corn or oat hulls[J]. Food Hydrocolloids, 2003, 17(5): 605-614. DOI:10.1016/s0268-005x(02)00120-0.
[19] 黄漫国, 刘德峰, 李欣, 等. 液体黏度测量技术的发展现状与展望[J].测控技术, 2015, 34(4): 1-3. DOI:10.3969/j.issn.1000-8829.2015.04.001.
[20] 童刚, 陈丽君, 冷健. 旋转式粘度计综述[J]. 自动化博览, 2007,24(1): 68. DOI:10.3969/j.issn.1003-0492.2007.01.021.
[21] 王日思, 万婕, 刘成梅, 等. 不同分子量大豆可溶性膳食纤维对大米淀粉糊化及流变性质的影响[J]. 食品工业科技, 2016, 37(6): 124-127; 132. DOI:10.13386/j.issn1002-0306.2016.06.016.
[22] ELLIS P R, DAWOUD F M, MORRIS E R. Blood glucose, plasma insulin and sensory responses to guar-containing wheat breads: effects of molecular weight and particle size of guar gum[J]. British Journal of Nutrition, 1991, 66(3): 363-379. DOI:10.1079/bjn19910041.
[23] GALLAHER D D, WOOD K J, GALLAHER C M, et al. Intestinal contents supernatant viscosity of rats fed oat-based muffins and cereal products[J]. Cereal Chemistry, 1999, 76(1): 21-24. DOI:10.1094/cchem.1999.76.1.21.
[24] 郭增旺, 马萍, 刁静静, 等. 超微型大豆皮水不溶性膳食纤维理化及吸附特性[J]. 食品科学, 2018, 39(5): 106-112. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201805017.
[25] LUKHMANA N, KONG F, KERR W L, et al. Rheological and structural properties of tart cherry puree as affected by particle size reduction[J]. LWT-Food Science and Technology, 2018, 90: 650-657.DOI:10.1016/j.lwt.2017.11.032.
[26] LAM C D, FLORES R A. Effect of particle size and moisture content on viscosity of fish feed[J]. Cereal Chemistry, 2003, 80(1): 20-24.DOI:10.1094/cchem.2003.80.1.20.
[27] 郭杰, 郭肖, 张朝阳, 等. 刺槐豆胶/瓜尔豆胶复合体系的流变学性质研究[J]. 食品工业科技, 2017, 38(14): 40-45. DOI:10.13386/j.issn1002-0306.2017.14.009.
[28] 高愿军, 幸美佳, 周婧琦, 等. 秋葵多糖黏度特性的研究[J]. 食品工业科技, 2013, 34(22): 116-118.
[29] ELLIS P R, ROBERTS F G, LOW A G, et al. The effect of highmolecular weight guar gum on net apparent glucose absorption and net apparent insulin and gastric inhibitory polypeptide production in the growing pig: relationship to rheological changes in jejunal digesta[J].British Journal of Nutrition, 1995, 74(4): 539-556. DOI:10.1079/bjn19950157.
[30] 刘晓霞. 黄秋葵花果胶类多糖的提取工艺及其性质的研究[D].杭州: 浙江大学, 2014: 36.
[31] 陈洁, 李露芳, 段飞霞, 等. 秋葵多糖流变特性及其对冷冻面团质构的影响[J]. 食品科技, 2018, 43(2): 265-271.
[32] MÜALKKI Y, AUTIO K, HANNINEN O, et al. Oat bran concentrates:physical properties of β-glucan and hypercholestero-lemic effects in rats[J]. Cereal Chemistry, 1992, 69: 647-653. DOI:10.1111/j.1750-3841.2007.00326.x.
[33] BOBBOI A, STEPHENS A G. The effects of electrolyte and hydrogen ion concentrations on guar gum and glucose tolerance following intraduodenal administration[J]. Nutrition Research, 1996, 16(8):1403-1409. DOI:10.1016/0271-5317(96)00147-9.
[34] GEORGE J, MCCRACKEN K J. Effects of acid and alkali concentration on in vitro measurement of wheat viscosity[J].Animal Feed Science and Technology, 2002, 98(3): 237-244.DOI:10.1016/s0377-8401(02)00020-2.
[35] WOOD P J, BRAATEN J T, SCOTT F W, et al. Effect of dose and modification of viscous properties of oat gum on plasma glucose and insulin following an oral glucose load[J]. British Journal of Nutrition,1994, 72(5): 731-743. DOI:10.1079/bjn19940075.
[36] SCHNEEMAN B O. Physical and chemical properties, methods of analysis, and physiological effects[J]. Food Technology, 1986, 40:104-110. DOI:10.1007/BF01088766.
[37] BEHAL K. Dietary fiber: nutritional lessons for macronutrient substitutes[J]. Annals of the New York Academy of Sciences, 1997,819: 142-154. DOI:10.1111/j.1749-6632.1997.tb51805.x.
[38] 麦紫欣, 关东华, 林敏霞, 等. 膳食纤维降血脂作用及其机制的研究进展[J]. 广东微量元素科学, 2011, 18(1): 11-16. DOI:10.3969/j.issn.1006-446X.2011.01.002.
[39] 梁菡峪, 王健, 丁晓雯, 等. 瓜尔豆胶降血脂作用研究进展[J]. 食品工业科技, 2013, 34(11): 388-391; 395.
[40] PANDE S, PLATEL K, SRINIVASAN K. Antihypercholesterolaemic influence of dietary tender cluster beans (Cyamopsis tetragonoloba) in cholesterol fed rats[J]. Indian Journal of Medical Research, 2012, 135:401-406. DOI:10.1200/JOP.2012.000527.
[41] 郑刚, 胡娟, 吴洪斌, 等. 3 种可溶性膳食纤维对大鼠血脂的影响[J].食品科学, 2011, 32(3): 233-237.
[42] 袁蒲, 付鹏钰, 周昇昇, 等. 膳食纤维食品在糖尿病患者中的研究应用[J]. 糖尿病新世界, 2017, 20(15): 197-198. DOI:10.16658/j.cnki.1672-4062.2017.15.197.
[43] 闰祥洲, 高研, 吴勃, 等. β-甘露聚糖酶在动物饲料中的应用[J]. 中国饲料添加剂, 2016(8): 5-7.
[44] 乔燕娟. 燕麦β-葡聚糖对蛋白质体外消化的影响[D]. 杭州: 浙江工商大学, 2017: 28-51. DOI:10.3969/j.issn.0512-7955.2016.06.012.
[45] 黄庆华, 陈亮, 高理想, 等. 饲粮纤维类型对育肥猪碳水化合物多糖组分消化率的影响[C]//第七届中饲料营养学术研讨会论文集. 北京: 中国农业大学出版社, 2014: 374.
[46] 朱静, 蒋金鑫. 膳食纤维生理功能的研究进展[J]. 现代食品, 2016,18(2): 4-6. DOI:10.16736/j.cnki.cn41-1434/ts.2016.18.002.
[47] 殷军艺. 大粒车前子多糖生物活性、结构和构象特征研究及多糖分离纯化新方法初探[D]. 南昌: 南昌大学, 2012: 35-41.
[48] MCRORIE J, PEPPLE S, RUDOLPH C. Effects of fiber laxatives and calcium docusate on regional water content and viscosity of digesta in the large intestine of the pig[J]. Digestive Diseases and Sciences, 1998,43(4): 738-745. DOI:10.1023/A:1018805812321.
[49] 刘楠, 孙永, 李月欣, 等. 膳食纤维的理化性质、生理功能及其应用[J].食品安全质量检测学报, 2015, 6(10): 3959-3963.
[50] 胡娟. 番茄皮膳食纤维对高脂膳食大鼠血脂的影响[D]. 重庆: 西南大学, 2011: 23-38.
[51] 姚剑军, 陆娅, 陈慧. 谷物膳食纤维对糖尿病人生理功能[J]. 粮食与油脂, 2014, 27(5): 17-20. DOI:10.3969/j.issn.1008-9578.2014.05.005.
[52] 曾琳娜, 刘博, 林亲录, 等. 可溶性膳食纤维抗高脂血症研究进展[J]. 粮食与油脂, 2014, 27(1): 1-4. DOI:10.3969/j.issn.1008-9578.2014.01.001.
[53] 章瑜. 膳食纤维对Ⅱ型糖尿病大鼠的血糖影响及机理研究[D].南昌: 南昌大学, 2011: 18-22. DOI:10.7666/d.y1942385.
Viscosity Characteristics and Physiological Functions of Dietary Fiber: A Review
CAI Songling1,2, LIU Lin1, ZHAN Qian1, ZHANG Yu1, WEN Yadi1, LIU Yi1, XU Zekun1, SUI Zhongquan1,*
(1. School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. College of Management, Shanghai Sanda University, Shanghai 201209, China)
Abstract: Dietary fiber, known as the seventh nutrient, is an important raw material of function foods with a wide range of physical and chemical properties and physiological functions. Mucopolysaccharides are a kind of dietary fiber which is viscous in liquids. This article mainly reviews recent studies on dietary fiber viscosity, including the basic concepts, the measurement instruments and methods, and the influencing factors, and it summarizes the physiological functions of dietary fiber (mainly mucopolysaccharides), such as regulating blood glucose response, lowering blood lipids, affecting intestinal enzyme activities and digestibility and laxative effects. These advances can provide a scientific basis and rationale for future in-depth studies on the viscosity characteristics and physiological activity of dietary fiber and for its application in the food industry.
Keywords: dietary fiber; viscosity; determination of viscosity; mucopolysaccharide; physiological function
引文格式：2018-12-02
基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（31671893）；上海市科委国际合作项目（18490741300）；
上海交通大学现代农业学科交叉基金项目（AgriX2016008）
第一作者简介：
蔡松铃（1991—）（ORCID: 0000-0002-0772-6416），女，硕士研究生，研究方向为食品加工与安全、多糖。
E-mail: caisongling598@126.com
*通信作者简介：隋中泉（1981—）（ORCID: 0000-0002-5316-117X），女，教授，博士，研究方向为功能性食品、碳水化合物。E-mail: springsui@gmail.com
DOI:10.7506/spkx1002-6630-20181202-020
中图分类号：TS201.7
文献标志码：A
文章编号：1002-6630（2020）03-0224-08
引文格式：蔡松铃, 刘琳, 战倩, 等. 膳食纤维的黏度特性及其生理功能研究进展[J]. 食品科学, 2020, 41(3): 224-231. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20181202-020. http://www.spkx.net.cn
CAI Songling, LIU Lin, ZHAN Qian, et al. Viscosity characteristics and physiological functions of dietary fiber: a review[J].Food Science, 2020, 41(3): 224-231. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20181202-020.http://www.spkx.net.cn