周玉恒，覃香香，胡存杰，蔡愛(ài)華，陳海珊**

(1.廣西壯族自治區(qū)中國(guó)科學(xué)院廣西植物研究所，廣西植物功能物質(zhì)研究與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西木質(zhì)纖維素生物煉制工程技術(shù)研究中心，廣西桂林 541006；2.桂林理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西桂林 541006)

0 引言

膳食纖維是一類人體無(wú)法消化，但能被共生在腸道中的微生物所分解的多聚糖。大量研究表明，膳食纖維與癌癥的死亡風(fēng)險(xiǎn)降低有關(guān)，還與心血管疾病、糖尿病等多種慢性疾病的風(fēng)險(xiǎn)降低、代謝指標(biāo)的改善密切相關(guān)[1-4]，被譽(yù)為人體必需的第七大營(yíng)養(yǎng)素。然而對(duì)膳食纖維與礦物元素代謝關(guān)系的研究卻呈現(xiàn)兩種相反的結(jié)果。部分研究認(rèn)為膳食纖維結(jié)構(gòu)中含有多種酸性基團(tuán)如糖醛酸等，會(huì)阻礙無(wú)機(jī)鹽的吸收，引起礦物元素平衡失調(diào)，導(dǎo)致鈣流失甚至引起骨量減少、骨質(zhì)疏松等[5，6]。另一些研究則認(rèn)為，膳食纖維發(fā)酵產(chǎn)物短鏈脂肪酸可以降低腸道pH值，因而可以促進(jìn)礦物元素的吸收，有利于礦質(zhì)代謝和骨質(zhì)代謝，從長(zhǎng)期看對(duì)礦物元素吸收平衡和代謝沒(méi)有負(fù)面影響[7，8]。上述研究結(jié)果差異的產(chǎn)生可能與未考慮評(píng)價(jià)對(duì)象攝入的膳食纖維種類有關(guān)。膳食纖維是一類結(jié)構(gòu)極具多樣性的多聚糖，根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同，天然膳食纖維可分為纖維素、半纖維素、果膠、果聚糖、葡甘露聚糖、木葡聚糖等。膳食纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理形式是決定其在腸道的發(fā)酵速率、對(duì)腸道環(huán)境的影響、代謝產(chǎn)物及其生理作用最主要的因素[9]，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的膳食纖維對(duì)礦物元素吸收以及代謝的影響進(jìn)行比較研究十分有必要。然而在過(guò)去的研究和人們的認(rèn)識(shí)中，更多強(qiáng)調(diào)的是膳食纖維的攝入量以及來(lái)源，對(duì)不同種類膳食纖維可能存在的作用差異缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。Weaver等[10]曾以纖維素作為對(duì)照比較了包括抗性淀粉、普魯蘭多糖、葡聚糖等在內(nèi)的多種商業(yè)膳食纖維對(duì)鈣吸收和骨代謝的影響。但從結(jié)構(gòu)的角度，對(duì)諸如木聚糖、果膠等人們關(guān)系最密切的膳食纖維與礦物元素的吸收關(guān)系的研究，目前尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究選取常規(guī)食物中含量最多的幾種天然膳食纖維提取物，通過(guò)與麥麩進(jìn)行比較研究，考察不同結(jié)構(gòu)膳食纖維對(duì)礦物元素吸收的影響，并比較不同的預(yù)處理方法對(duì)糞便中礦物元素的提取效果，為進(jìn)一步研究膳食纖維與礦物代謝之間的聯(lián)系提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 藥品與試劑

木聚糖用蔗渣自制，制備方法參考文獻(xiàn)[11]。纖維素自制，制備方法：提取上述木聚糖的蔗渣殘?jiān)?，依次?50 g/L NaOH溶液100℃蒸煮6 h，固體洗滌至中性，再20 g/L的H2SO4溶液121℃反應(yīng)30 min，固體再洗滌至中性，烘干粉碎，即得纖維素。菊粉購(gòu)自青海威德特種糖業(yè)有限公司；魔芋購(gòu)自河南正興食品添加劑有限公司；果膠購(gòu)自安德利果膠股份公司；麥麩為普通市售，采用淀粉酶除去淀粉，木聚糖含量60%；氯化鑭、氯化銫購(gòu)自天津市精細(xì)化工研究所；Ca、Mg、K、Na 單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液購(gòu)自國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心，濃度1 000 μg/mL；HNO3優(yōu)級(jí)純，購(gòu)自廣州化學(xué)試劑；HClO4優(yōu)級(jí)純，購(gòu)自天津政成化學(xué)制品有限公司；其余試劑均為分析純。

1.1.2 動(dòng)物糞樣

取自SPF級(jí)雄性大鼠(Rattusnorregicus,湖南，斯萊克景達(dá))，鼠齡2個(gè)月，體重約(200±20) g。大鼠飼養(yǎng)條件：溫度25℃，濕度40%—60%，自由攝食、飲水，光照周期12 h/12 h。將大鼠分為7組，每組10只，每組大鼠在基礎(chǔ)飼料上分別加入10%(W/W)的纖維素、木聚糖、果膠、菊粉(果聚糖)、魔芋(葡甘露聚糖)、混合膳食纖維(木聚糖、纖維素、果膠、菊粉、魔芋質(zhì)量比為6∶1∶1∶1∶1)和麥麩等膳食纖維，基礎(chǔ)飼料為美國(guó)營(yíng)養(yǎng)學(xué)會(huì)(American Institute of Nutrition，AIN)推出的適用于成年期嚙齒動(dòng)物的純成分飼料改良配方AIN-93M，每千克干飼料含鉀3.6 g、鈉1 g、鈣5 g、鎂0.5 g。用代謝籠收集48 h糞便，烘至恒重，碾碎混均勻，作為待測(cè)樣品備用。

1.1.3 儀器與設(shè)備

原子吸收分光光譜儀(NOVAA400P)購(gòu)自德國(guó)耶拿分析儀器股份有限公司；電子萬(wàn)用電爐購(gòu)自天津市泰斯特儀器有限公司；箱式電阻爐購(gòu)自上海索域試驗(yàn)設(shè)備有限公司；智能數(shù)顯不銹鋼電熱板購(gòu)自天津工興實(shí)驗(yàn)室儀器有限公司；瓷坩堝，容積40 mL。

1.2 方法

1.2.1 大鼠糞便酸法浸提預(yù)處理

稱取1 g待測(cè)樣品，加入0.5 mol/L HNO3100 mL，超聲浸提1 h，離心獲得澄清液，測(cè)定前用10 g/L的HNO3適當(dāng)稀釋，即為待測(cè)溶液。

1.2.2 大鼠糞便干法灰化-混酸消解預(yù)處理

稱取1g待測(cè)樣品，加入瓷坩堝，置于電爐上加熱碳化至無(wú)煙，放入箱式電阻爐進(jìn)行灰化?；一瘲l件為600℃持續(xù)2 h，升溫至700℃持續(xù)2 h，再升溫至800℃持續(xù)2 h。待電阻爐冷卻取出坩堝，往坩堝加入混酸(HNO3∶HClO4=9∶1) 15 mL，將坩堝置于電熱板上在150℃下繼續(xù)消解直至顆粒物完全消失，再繼續(xù)將殘余混酸蒸至少量液體，加入超純水2次，每次15 mL繼續(xù)加熱蒸干，最后加入10 g/L的HNO3溶液溶解并定容至100 mL，測(cè)定前用10 g/L HNO3適當(dāng)稀釋，得到待測(cè)溶液。

1.2.3 原子吸收光譜法檢測(cè)

鈣和鎂：取0.1 mL待測(cè)溶液，加入10 g/L氯化鑭2 mL，超純水7.9 mL，搖勻，原子吸收光譜儀進(jìn)樣檢測(cè)。鉀和鈉：取0.1 mL待測(cè)溶液，加入10 g/L氯化鑭2 mL，10 g/L氯化銫1 mL，超純水6.9 mL，搖勻。原子吸收光譜儀進(jìn)樣檢測(cè)，儀器工作條件見(jiàn)表1。

表1 原子吸收光譜儀工作條件Table 1 Working conditions of atomic absorption spectrometer

1.2.4 加標(biāo)回收試驗(yàn)

每組取兩份相同的樣品，其中一份加入定量的待測(cè)成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(加標(biāo))，另一份不做處理；兩份同時(shí)按相同的步驟分析，加標(biāo)的樣品所得的結(jié)果即為測(cè)定值，未加標(biāo)樣品所得的結(jié)果為本底值，樣品加入標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的理論值為加標(biāo)值，計(jì)算加標(biāo)回收率，公式如下：

1.3 數(shù)據(jù)處理

礦質(zhì)元素吸收率(%)=

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種預(yù)處理方法的提取效果

采用兩種最為常用的預(yù)處理方法對(duì)糞便樣品進(jìn)行礦物元素的提取。從表2可以看出，在所有膳食纖維組別里，二價(jià)元素鈣、鎂提取采用干法灰化-混酸消解比酸法浸提所得結(jié)果高，其中鈣元素差異具有顯著性(P<0.01)；一價(jià)元素鉀、鈉提取用酸法浸提預(yù)處理比干法灰化預(yù)處理所得結(jié)果高，其中鉀元素差異具有顯著性(P<0.01)。二價(jià)金屬離子用酸法浸提處理結(jié)果偏低是提取不完全所致，膳食纖維多糖具有大量陽(yáng)離子基團(tuán)，具有離子交換功能，糞便中未分解的膳食纖維對(duì)二價(jià)離子有很強(qiáng)的吸附作用，酸條件下不足以完全提??；而對(duì)于鉀和鈉等易溶性金屬離子采用干法灰化-混酸消解結(jié)果偏低的主要原因，可能是高溫預(yù)處理中熔點(diǎn)低金屬離子的蒸發(fā)損失。

表2 兩種預(yù)處理方法的提取結(jié)果Table 2 Extration results of two kinds of pretreatment methods

續(xù)表2Continued table 2

2.2 兩種預(yù)處理方法的加標(biāo)回收試驗(yàn)

為了確定兩種方法的適用性，分別對(duì)酸法浸提提取鉀元素、干法灰化-混酸消解提取鈣元素進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示：鈣的加標(biāo)回收率為92.78%—98.33%，鉀的加標(biāo)回收為92.58%—101.21%，說(shuō)明兩種方法分別提取二價(jià)離子鉀和一價(jià)離子鈣是可行的。用酸法浸提預(yù)處理所得結(jié)果進(jìn)行鉀、鈉離子的計(jì)算，用干法灰化-混酸消解預(yù)處理所得結(jié)果進(jìn)行鈣、鎂離子的計(jì)算。

表3 兩種預(yù)處理方法的加標(biāo)回收率Table 3 Recovery rate of standard addition of two pretreatment methods

2.3 不同膳食纖維對(duì)礦物元素吸收的影響

膳食纖維對(duì)礦物元素吸收的影響見(jiàn)表4、表5。從表4可以看出，在鉀的吸收率上，纖維素組和麥麩組最高，木聚糖組、果膠組、菊粉組和魔芋組低于麥麩組，差異具有顯著性；在鈉的吸收率上，纖維素組和果膠組顯著低于麥麩組和其他各組，其余各組與麥麩之間沒(méi)有統(tǒng)計(jì)差異?？偟膩?lái)說(shuō)鉀和鈉吸收率均大于94%，且遠(yuǎn)高于鈣和鎂吸收率，即絕大部分?jǐn)z入消化道的鉀和鈉被吸收進(jìn)入血液，說(shuō)明對(duì)于鉀、鈉離子，它們本身的易溶性比膳食纖維之間的結(jié)構(gòu)差異更能影響它們的吸收率。從表5可以看出，對(duì)于鈣元素，木聚糖組和魔芋組顯著降低鈣的吸收，而纖維素組和麥麩組鈣吸收值最高；對(duì)于鎂元素，果膠組和魔芋組最低，麥麩組最高，其中魔芋組與麥麩組之間差異具有顯著性?？傮w而言，鈣和鎂的吸收率遠(yuǎn)低于鉀和鈉元素。

表4 不同膳食纖維對(duì)鉀、鈉吸收的影響Table 4 Effect of various fibers on absorption of potassium and sodium

表5 不同膳食纖維對(duì)鈣、鎂吸收率的影響Table 5 Effect of various fibers on absorption of calcium and magnesium

3 討論

3.1 預(yù)處理方法對(duì)礦物元素提取的影響

預(yù)處理的目的是盡可能地去除有機(jī)物，以便于提取金屬離子，不同的樣品由于所含的有機(jī)物不同，采取的方法也相應(yīng)不同。酸法浸提具有操作簡(jiǎn)便、損失少等優(yōu)點(diǎn)，有研究采用酸法浸提提取糞便中的鈣元素[12]，以及其他天然植物材料中的金屬元素[13-15]。本文樣品為高纖維膳食下產(chǎn)生的糞便，這類樣品中通常含有許多未完全分解利用的膳食纖維[16]，這些膳食纖維殘余物表面含有大量的結(jié)合基團(tuán)，對(duì)于二價(jià)離子具有很強(qiáng)的螯合作用，影響目標(biāo)礦物元素的提取。采用酸法浸提對(duì)鈣元素進(jìn)行預(yù)處理，提取值僅為干法灰化-混酸消解所得值的45%—75%，說(shuō)明酸法浸提不足以讓鈣離子完全解離。本研究表明，對(duì)于高纖維膳食大鼠的糞便，酸法浸提適用于溶解性元素鉀、鈉的預(yù)處理，而鈣、鎂元素的預(yù)處理宜采用干法灰化-混酸消解。

3.2 不同膳食纖維對(duì)礦物元素吸收的影響

礦物元素的吸收主要發(fā)生在小腸上段，攝入的礦物元素經(jīng)過(guò)消化解離為游離離子后才能被人體吸收，另一個(gè)吸收部位是結(jié)腸。膳食纖維由于具有羥基、羧基、糖醛酸基等酸性基團(tuán)，可以吸附螯合金屬離子，使得部分金屬離子在小腸不被吸收；到達(dá)結(jié)腸后，膳食纖維被腸道微生物分解發(fā)酵，產(chǎn)生各種短鏈脂肪酸、乳酸，造成腸道pH值降低，反過(guò)來(lái)促進(jìn)金屬離子在結(jié)腸的解離和吸收[17]。因此膳食纖維對(duì)礦物元素吸收的影響是小腸和結(jié)腸雙重作用的結(jié)果，一方面通過(guò)吸附降低小腸處的吸收，另一方面通過(guò)酵解改變結(jié)腸環(huán)境，影響礦物元素在結(jié)腸的吸收。對(duì)于鉀、鈉等可溶性離子來(lái)說(shuō)，膳食纖維吸附力弱，小腸是它們吸收的主要場(chǎng)所，盡管有組間差異但并不影響所有組別絕大部分鉀、鈉元素被吸收。而對(duì)于鈣、鎂等二價(jià)元素，膳食纖維具有較強(qiáng)的螯合作用，使得鈣和鎂吸收率顯著小于鉀和鈉，例如鈣的吸收率為34.79%—70.79%，鎂的吸收率為59.44%—80.94%，而所有組別的鉀和鈉的吸收率均大于94%，顯然是不同元素與膳食纖維吸附作用差異的結(jié)果。

膳食纖維對(duì)礦物元素的吸附作用包括化學(xué)吸附和物理吸附，前者通過(guò)膳食纖維中的基團(tuán)絡(luò)合或離子交換作用達(dá)到結(jié)合的目的，后者通過(guò)膳食纖維物理性狀如粘度、溶脹體積、表面積等對(duì)礦物元素起攜帶作用[18]。因此，膳食纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)是影響礦物元素吸收的一個(gè)重要因素。在本試驗(yàn)中，木聚糖和魔芋對(duì)鈣、鎂的吸收顯著低于其他各組，主要的原因在于木聚糖可以顯著增加排便量從而促進(jìn)鈣的排出，而魔芋可以通過(guò)結(jié)合鈣、鎂而增加其排出率，導(dǎo)致鈣、鎂的吸收顯著降低。纖維素屬于高度不容的結(jié)晶體結(jié)構(gòu)，研究證明纖維素即使在反芻動(dòng)物中都很難被利用[19]，說(shuō)明即使經(jīng)過(guò)腸道消化過(guò)程纖維素本身依舊維持較高天然結(jié)構(gòu)和較少的暴露基團(tuán)，因此對(duì)礦物元素的作用力減少，4種礦物元素都維持在較高的吸收水平。菊粉是商業(yè)化應(yīng)用最為廣泛的一種膳食纖維，許多的研究都證明菊粉具有促進(jìn)礦物元素吸收的作用[20-22]，本研究證明菊粉組對(duì)于鈣的吸收僅高于木聚糖組和魔芋組，小于其他組；對(duì)鎂的吸收小于麥麩組，大于其他組。有研究證明菊粉糖鏈的長(zhǎng)度和分支程度關(guān)系到發(fā)酵程度[23]，由此也關(guān)系到礦物元素在腸道的吸收。總的來(lái)說(shuō)，腸道環(huán)境、膳食纖維的種類、金屬離子的種類和性質(zhì)都是決定礦物元素吸收的因素。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)研究表明，木聚糖組、果膠組、菊粉組、魔芋組在鉀吸收率上顯著低于纖維素組和麥麩組；纖維素組和果膠組在鈉的吸收率上顯著低于麥麩組和其余各組；木聚糖組和魔芋組在鈣的吸收率上顯著低于麥麩組和纖維素組；魔芋組在鎂的吸收上顯著低于麥麩組、纖維素組和菊粉組。膳食纖維結(jié)構(gòu)是影響礦物元素吸收的重要因素，不同的膳食纖維對(duì)不同的礦物元素有著不同的影響，尤其對(duì)于二價(jià)元素膳食纖維的影響顯著大于一價(jià)元素。因此飲食中應(yīng)充分考慮食物中所含膳食纖維種類對(duì)礦物元素吸收的綜合作用。而要全面評(píng)價(jià)不同膳食纖維對(duì)礦物元素代謝的作用，還應(yīng)進(jìn)行其體內(nèi)生理代謝影響的相關(guān)研究。