魔芋膳食纖維對油脂體外消化特性的影響

徐秀麗，顧教元，文冶，姜萱，晁仲昊，鄒孝強*

1(國家功能食品工程技術研究中心，糧食發酵工藝與技術國家工程實驗室，食品科學與技術國家重點實驗室， 江南大學，食品學院，江蘇 無錫，214122)2(成都派特生物科技有限公司，四川 成都，611138) 3(成都天一美膳營養食品有限公司，四川 成都，610095)

魔芋是天南星科魔芋屬的總稱，主要分布在亞熱帶地區[1]，我國魔芋種植歷史悠久，資源豐富。中國和日本是世界上主要的魔芋生產和消費國[2]，魔芋產品被世界衛生組織評為“十大健康產品”之一[3]。葡甘露聚糖是魔芋中主要的膳食纖維，是由β-1,4糖苷鍵連接甘露糖和葡萄糖組成的一種水溶性多糖，精制魔芋粉中其含量高達50～70 g/100 g[4]。魔芋葡甘露聚糖具有良好的吸水性、黏性、成膜性和增稠性，其應用廣泛，可用于食品添加劑、健康食品和生物醫學領域，可降低血清膽固醇濃度[5]、降低血糖[6]、減少便秘、促進人體腸道活動和免疫功能[3]，此外還可以用于果蔬的成膜保鮮[7]，控制親脂性生物活性物質如姜黃素[8]、β-胡蘿卜素[9]的釋放速率等。

肥胖是當今社會普遍關注的問題，而膳食纖維本身的低能量與高飽腹感使其成為預防肥胖的潛在方法。大量研究表明膳食纖維影響小腸對葡萄糖和膽汁酸的吸收，從而降低餐后血糖、血清總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇濃度[10-11]。通過小鼠試驗，發現膳食纖維可以減少小鼠食物攝入量和腹部脂肪含量[12]，降低血液中胰高血糖素和甘油三酯(triacylglycerol，TAG)水平[13]，并且膳食纖維對年老大鼠肝臟和脂肪組織質量的影響比年輕大鼠更強烈[14]，同時有研究表明膳食纖維可以顯著降低女性體重和脂肪增加的風險[15]。因此，在日常飲食中增加膳食纖維的攝入可以有效減少脂肪積累。

乳液消化模型包括體內模型(動物實驗、人體實驗)和體外消化模型，但體內模型成本較高，而體外消化實驗成本低、重復性高且過程可視化，實驗結果通常與體內實驗結果相符[16]，因此本研究采用體外消化實驗進行基礎研究。目前已有很多成人的體外消化模型，多數為靜態模型，如利用pH-stat法實現胃腸系統pH恒定，該模型簡單方便，消化結果具有可比性[17]。魔芋作為一種多功能植物資源，其減肥效果也受到了普遍關注[18]。本文以魔芋膳食纖維為原料，通過構建體外胃腸道消化系統，利用pH-stat法模擬并記錄脂肪乳液體外消化過程，考察不同魔芋膳食纖維含量對脂肪乳液消化的影響，推測其可能的作用機制，以期為魔芋膳食纖維在食品方面的開發利用提供新思路，并為膳食纖維用于肥胖預防提供可靠的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

顆粒魔芋膳食纖維，成都派特生物科技有限公司；金龍魚玉米油，市售；黑曲霉脂肪酶A，阿拉丁試劑有限公司；胃蛋白酶，上海麥克林生化科技有限公司；豬胰脂肪酶，美國Sigma公司；NaCl、HCl、CaCl2·2H2O、NaOH、甲酸、無水乙醇(均為分析純)、豬膽鹽、吐溫-20，國藥集團化學試劑有限公司；異丙醇、正己烷(均為HPLC級)，百靈威科技有限公司；尼羅紅，北京伊諾凱科技有限公司。

1.2 儀器與設備

IKA T18 digital ULTRA-TURRAX分散機，上海凌儀生物科技有限公司；ZNCL-G智能恒溫磁力攪拌儀，愛博特科技發展有限公司；STARTER 3100型 pH計，美國OHAUS公司；Zetasizer nano ZS納米粒度及Zeta電位儀，英國馬爾文公司；S3500激光粒度分析儀，美國Microtrac公司；RE-52AA旋轉蒸發儀，上海亞榮生化儀器廠；SHZ-D循環水式多用真空泵，上海力辰邦西儀器科技有限公司；示差折光高效液相色譜儀，美國Waters公司；AB 104-N分析天平，梅特勒-托利多國際貿易有限公司；Axio Vert A1倒置熒光顯微鏡，德國蔡司公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 脂肪乳液的制備

參照文獻[8,19]的方法制備并做相應修改。將0.5% (質量分數)的吐溫-20溶解于去離子水中，攪拌30 min，提前1 d配制并置于4 ℃下過夜。在乳化劑溶液中加入質量分數分別為0%、0.1%、0.3%、0.5%的魔芋膳食纖維，攪拌4 h使纖維充分溶解，獲得脂肪乳液的水相。使用高速剪切分散機[19]，在9 000 r/min的條件下將5% (質量分數)的玉米油和95% (質量分數)的水相混合3 min，即獲得最終的脂肪乳液，所有樣品現配現用。

1.3.2 體外消化

基于前人對脂肪體外消化的研究[20-22]，本實驗對體外消化參數略作改動：

(1)消化儲備液的配制：

胃部儲備液：2 g/L NaCl和1.75 mL 1 mol/L HCl，去離子水定容至250 mL，調節pH值為3。

小腸儲備液：6.574 g/L NaCl和1.457 g/L CaCl2·2H2O，去離子水定容至250 mL，調節pH值為6.8。

(2)胃消化液：向20 mL胃部儲備液中加入一定量黑曲霉脂肪酶A(最終120 U/mL)和胃蛋白酶(最終2 000 U/mL)，用1 mol/L HCl溶液調pH為3，恒溫37 ℃下以10 r/min磁力攪拌20 min。

(3)腸消化液：向30 mL小腸儲備液中加入膽鹽(10 mmol/L)和胰酶(最終64～256 U/mL)，用1 mol/L HCl溶液調pH為6.8，37 ℃，10 r/min磁力攪拌10 min，使溶液混勻。

(4)消化過程：

胃階段：取40 mL脂肪乳液，調pH至3，與20 mL已預熱的胃消化液混合，調整混合體系pH至3，然后將混合液放置于37 ℃水浴中攪拌1 h，模擬胃消化階段，消化完成后取樣以備后期分析。

腸階段：取30 mL胃消化產物，調pH至6.8，加入30 mL已預熱的腸消化液，37 ℃下反應2 h，不斷滴加0.1 mol/L NaOH溶液，使體系恒定pH 6.8，記錄NaOH溶液體積，消化完成后取樣以備后期分析。

1.3.3 脂肪酸消化率的計算

根據消化過程中NaOH溶液消耗量來測定樣品脂肪酸釋放率，按公式(1)計算：

(1)

式中：c, NaOH溶液濃度，0.1 mol/L；V,滴定所消耗的NaOH溶液體積，mL；M,油脂的摩爾質量，g/mol；m,乳液中油脂的質量，g。

1.3.4 脂解產物分析

提脂：乳液消化后脂肪的提取根據B&D法并略作修改[23]。取15 mL腸消化后樣品與10 mL氯仿和5 mL甲醇混合，充分振蕩10 min，靜置30 min分層，收集下層有機相，用旋轉蒸發儀去除有機相，所得脂肪儲存于-20 ℃下以進行后續操作。

脂類組成分析：取稱量過后的脂質，加入流動相，稀釋為20 mg/mL，過濾膜后進行分析。利用配備示差檢測器的高效液相色譜儀進行脂類組成分析，色譜條件為：色譜柱Sepax HP-Silica硅膠柱(4.6 mm×250 mm×5 μm)，流動相V(正己烷)∶V(異丙醇)∶V(甲酸)= 15∶1∶0.003，流速1 mL/min，柱溫35 ℃，進樣量20 μL。依據樣品濃度與峰面積呈線性關系，用面積歸一法計算各脂質組分相對組成。

1.3.5 粒度測定

用激光粒度分析儀測定各消化階段乳液的粒徑，設置樣品為球形，根據軟件界面將樣品稀釋到合適的遮光度范圍，測得的平均粒徑采用體積平均粒徑d43表示，按公式(2)計算：

(2)

式中：ni，粒徑為di的顆粒個數。

1.3.6 Zeta-電位測定

乳液表面電位通過納米粒度及Zeta電位儀測定，測量前使用同pH的蒸餾水將乳液稀釋100倍。

1.3.7 微觀結構觀察

取200 μL樣品用20 μL尼羅紅染液(0.1 mg/mL，溶解于無水乙醇)染色，混合均勻后取20 μL于載玻片上，蓋上蓋玻片后利用倒置熒光顯微鏡觀察乳液樣品微觀結構。

1.3.8 數據處理

所有實驗均同時進行3個平行，實驗數據以平均值±標準差表示，數據差異的顯著性使用統計分析軟件SPSS分析得到，P<0.05表示差異性具有統計學意義，實驗結果圖使用Origin 9.1繪制。

2 結果與分析

2.1 魔芋膳食纖維對脂肪消化的影響

人體胃消化階段可以水解10%～30%的脂肪[24]，但胃消化過程中，胃酸的分泌降低了體系pH值，脂肪酶活性較低，產生的脂肪酸對乳液pH影響較小[25]，采用pH-stat法無法表征胃消化階段脂肪酸釋放率，故僅考察腸消化過程脂肪酸釋放情況，如圖1所示，未添加魔芋膳食纖維的脂肪乳液經消化后，脂肪酸釋放率達到(16.72±0.68)%，當纖維添加量為0.5%時，乳液中脂肪酸的釋放率僅為(14.84±0.5)%，釋放率減少了11.1%，添加魔芋膳食纖維后釋放率顯著降低(P<0.05)。

圖1 魔芋膳食纖維對脂肪消化過程中脂肪 酸釋放率的影響Fig.1 Impact of konjac dietary fiber on fatty acids release rate in lipid digestion

另一方面，在消化前20 min內，脂肪酸釋放速率快速增加，添加魔芋膳食纖維后初期釋放速率減小，但纖維的添加量對其影響不明顯。HE等[8]研究發現，是否添加魔芋葡甘露聚糖對姜黃素乳液中游離脂肪酸釋放情況無顯著影響(P>0.05)，這是因為該研究中魔芋葡甘露聚糖添加量僅為0.3%，作用效果不明顯。腸道作為脂肪吸收的主要場所，加入纖維增加乳液體系黏度，降低分子擴散速率，從而降低腸消化階段脂質水解速率和程度；也可能會促進脂滴絮凝，降低脂酶與脂滴表面相互作用[26]。研究發現果蔬纖維可以有效減少脂肪的消化吸收，產生這種現象的機制可能與胃排空延遲、阻斷部分脂肪消化吸收以及增加腸道運轉速度有關[27]。

對體外胃腸道消化產物進行分析，甘油酯組成包括TAG、甘二酯(diacylglycerol，DAG)和單甘酯(monoacylglycerol, MAG)。

如圖2所示，脂解產生少量MAG，脂消化產物以DAG為主。未添加魔芋膳食纖維的脂肪乳液消化后TAG、DAG和MAG相對含量分別為59.08%、39.43%和1.49%，添加0.5%魔芋纖維的乳液消化產物比例分別是66.72%、31.43%和1.85%，隨著纖維添加量增加，TAG水解程度減少12.93%，DAG生產量減少8%，MAG變化不大。魔芋膳食纖維的高黏度和凝膠特性使其具有穩定乳狀液的能力，在脂滴表面形成網狀結構的保護層，阻礙胰脂肪酶與脂滴接觸，導致乳液脂解程度減少[8]。

圖2 魔芋膳食纖維對脂肪消化過程中甘油酯 生產量的影響Fig.2 Impact of konjac dietary fiber on production volume of glycerides in lipid digestion

2.2 魔芋膳食纖維對脂肪乳液消化前后粒徑的影響

如圖3所示，經過體外消化，乳液平均粒徑變化趨勢相似，總體來說消化后的粒徑均顯著增加(P<0.05)。對于消化前的乳液樣品，未添加膳食纖維的乳液粒徑為(2.12±0.83) μm，當膳食纖維添加量為0.5%時，乳液有效粒徑達到(28.22±2.74) μm。乳液體系中高分子聚合物會產生排空效應，高聚物膳食纖維濃度越大，產生空位的相對體積越大，相應的滲透壓隨之增大，乳液液滴更易發生聚集和絮凝[26]。初始乳液靜置一段時間，乳液中脂滴上升到頂層形成不透明奶油層并在表層發生聚集[28]。腸消化后乳液粒徑分別為(18.79±3.46)、(98.3±3.58)、(135±2.56)、(158.6±4.12) μm，所有含纖維樣品均有較大的平均粒徑，這是由于消化過程中機械攪拌加劇乳液脂滴聚集，同時腸液中陽離子會促進聚合物形成凝膠體系[29]。

圖3 魔芋膳食纖維對脂肪乳液消化前后粒徑的影響Fig.3 Impact of konjac dietary fiber on particle size of lipid emulsion before and after digestion注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)(下同)

2.3 魔芋膳食纖維對脂肪乳液消化前后粒徑分布的影響

由于是模擬人體攝入及消化食物的過程，因此僅對樣品做高速剪切處理而未進行均質。如圖4所示，與消化后的乳液相比，初始乳液粒徑分布較為集中。纖維含量為0%的初始乳液粒徑主要分布于0.01～10 μm，加入魔芋纖維后初始乳液粒徑普遍增大，主要在1～100 μm之間，且隨著纖維含量增加，粒徑也有所增大。經過胃和腸消化后乳液穩定性變差，顆粒粒徑分布變廣，存在許多較大的顆粒，且魔芋纖維含量越高，大顆粒占比越高。脂質消化可能導致體系中存在許多不同種類的膠體顆粒，包括未消化脂滴、脂解產物和膽汁鹽組成的混合膠束，以及生成的不溶性鈣皂等[30]，各種因素綜合作用使消化后脂滴的尺寸增加。

a-0%；b-0.1%；c-0.3%；d-0.5%圖4 魔芋膳食纖維對脂肪乳液消化前后粒徑分布的影響Fig.4 Impact of konjac dietary fiber on particle size distribution of lipid emulsion before and after digestion

2.4 魔芋膳食纖維對脂肪乳液消化前后Zeta電位的影響

Zeta電位指剪切面的電位，是表征膠體分散系統穩定性的重要指標。由圖5可知，未添加纖維的初始乳液表面帶有較高正電荷(19.30±0.52) mV，可能是由于體系pH值過低，小于乳液等電點，一些正電荷如H+吸附在脂滴表面；添加魔芋膳食纖維的初始乳液表面電位有所下降，但仍帶正電荷，說明魔芋膳食纖維表面帶負電荷，可吸附到帶正電荷的脂滴表面，降低脂滴表面電位[31]。

圖5 魔芋膳食纖維對脂肪乳液消化前后Zeta電位的影響Fig.5 Impact of konjac dietary fiber on Zeta potential of lipid emulsion before and after digestion

小腸是脂質消化的主要場所，經小腸消化后，乳液樣品Zeta電位絕對值明顯增大(P<0.05)，分別為(-43.3±0.42)、(-43.83±0.58)、(-42.53±0.56)、(-44±0.57) mV，且均為負值，表明腸消化過程對乳液界面造成很大影響[32]。Zeta電位絕對值小于30 mV時，粒子容易發生聚集，所以腸消化后的乳液體系朝不穩定狀態發展。但隨著纖維含量增加，Zeta電位絕對值變化不顯著，可解釋為纖維含量對脂滴表面電位的作用達到飽和[29]。

2.5 魔芋膳食纖維對脂肪乳液消化前后微觀結構的影響

如圖6所示，脂肪乳液微觀結構與激光粒度分析儀所測得的粒徑變化趨勢一致，整體來說乳液中較大顆粒尺寸隨著纖維添加量增加相對變大。對于初始乳液，由于加入的膳食纖維具有一定黏性，脂滴相互粘連在一起，且纖維含量越高，粘連現象越明顯。胃腸消化后脂滴發生聚集，相較于初始乳液其粒徑明顯增大。SRIKAEO等[4]研究發現，相比于抗性淀粉，魔芋葡甘露聚糖的存在會使植脂未乳液表現出更明顯的液滴絮凝及合并現象，與本研究結果一致。

圖6 魔芋膳食纖維對脂肪乳液消化前后微觀結構的影響Fig.6 Impact of konjac dietary fiber on microstructure of fat emulsion before and after digestion

3 結論與討論

通過對消化過程監控，發現脂肪酸釋放率與魔芋膳食纖維添加量呈負相關關系，纖維添加量越高消化后TAG相對含量越高，與脂肪酸釋放率變化趨勢相對應；魔芋膳食纖維對各消化階段乳液粒徑產生顯著影響，隨質量分數增大而升高，但對腸消化后乳液Zeta電位影響不顯著。添加魔芋膳食纖維會減少油脂在體外的消化率，產生這種結果的機制可能是纖維促進脂滴絮凝，降低脂酶與脂滴作用面積；增加了乳液體系黏度，降低分子擴散速率；作為抑制劑抑制胰脂肪酶活性；在脂滴表面形成網狀結構的保護層，阻礙胰脂肪酶與脂滴接觸。