改性玉米皮膳食纤维的酶法制备及其降血脂机理研究

论文摘要

玉米属禾本科禾亚科玉黍属植物。玉米皮由玉米种子胚乳的糊粉层、残留的胚乳厚壁组织、种皮和果皮构成。现代营养学研究证明玉米皮作为膳食纤维具有吸附诱变剂、降血脂、通便、提高免疫力等生理功能。本论文以玉米皮为原料,去除淀粉和蛋白质后制得粗玉米皮膳食纤维CDF,通过非淀粉多糖酶酶种的筛选和酶解条件的优化,对CDF进行改性,进一步提高了其降血脂活性并得到改性玉米皮膳食纤维XMF,对XMF的降血脂机理进行了深入的研究。原料玉米皮的化学组成为:TDF 65.38%、蛋白质10.32%、淀粉17.50%、脂肪2.65%以及灰份0.75%;其膳食纤维主要由纤维素14.18%、半纤维素48.31%和木质素5.28%组成;IDF占65.38%,SDF含量0.58%。CDF的主要组成是:TDF 82.76%、蛋白质5.55%、淀粉1.26%、脂肪2.04%、以及灰份2.12%;CDF膳食纤维主要由纤维素18.82%、半纤维素50.57%和木质素8.15%组成;IDF占82.90%,SDF含量0.62%。CDF的口感优于玉米皮。单因素实验发现纤维素酶不能提高CDF对胆酸盐的体外结合能力;木聚糖酶使CDF结合胆酸钠、鹅脱氧胆酸钠、脱氧胆酸钠和牛磺胆酸钠的能力均得到了提高;纤维素酶和木聚糖酶复合酶解也能提高CDF的BSCDC、BSDC和BSTC值,但效果不如木聚糖酶单独酶解好;玉米皮膳食纤维的胆酸盐吸附能力同持水和持油能力之间有一定关系。通过响应面分析,优化了木聚糖酶酶解提高其产物改性玉米皮膳食纤维XMF吸附胆酸盐能力的最佳条件,具体为pH 5.3、1.75 h和酶用量56 Iu/g CDF,相应的BSC、BSCDC、BSDC和BSTC值分别为64.60、48.34、75.79和60.68μmol/ g XMF,它们分别是CDF的1.88、2.34、1.67和2.08倍。XMF对胆酸钠、鹅脱氧胆酸钠、脱氧胆酸钠和牛磺胆酸钠的吸附不存在两两相关性,表明XMF对不同胆酸盐的吸附机制存在差异,不是以竟争性吸附为主。不能用XMF对某一种胆酸盐的吸附量来代表它对所有胆酸盐的吸附能力。XMF的SDF、IDF、TDF、纤维素及木质素含量得到了显著提高（p<0.05）。XMF中膳食纤维的主要组成是半纤维素,其次是纤维素,果胶含量低。高效凝胶色谱法测得,S-XMF相对分子质量在11,588左右的部分所占比例为S-CDF的1.64倍,且其相对分子质量在900以下的含量仅达到S-CDF的62.6%。气相色谱分析发现,XMF的主要单糖组成与CDF相同;I-XMF的鼠李糖含量降低到I-CDF的44%;S-XMF中聚阿拉伯糖木糖的摩尔含量提高了约10%。可溶性半纤维素和阿拉伯木聚糖的提高能改善XMF的降血脂效果。XMF的溶胀性、持水力和持油力也都得到了显著提高（p<0.05）。X-射线衍射和SEM观察到XMF的无定形区产生了一定程度的降解,在超微结构上表现得比CDF更无序、具有较多大的空腔和孔隙,这是为什么XMF能吸附更多的胆酸盐及油和水的结构解释。动物实验表明,CDF和XMF均对高脂膳食引起的TC、TG上升有明显的抑制作用,使LDL-C和AI显著下降（p<0.05）,XMF还能使HDL– C显著升高（p<0.05）,并有效地改善肝脏脂肪状况,减轻肝细胞的脂肪化变性。因此二种膳食纤维制品都有显著的降血脂作用,但XMF的效果更突出。XMF还表现出时间效应的特点,随着饲喂时间的延长,在有效降低TG增幅的同时更能有效控制TC和LDL-C水平,使之不再升高。RT-PCR及体内抗氧化研究发现,XMF通过有效地积极调节肝脏中与胆固醇分解代谢有关的CYP7A1和FXR,与脂肪分解代谢有关的PPARα、PPARγ、Lpl和Lpic的基因表达,并提高机体抗氧化能力,而实现对脂代谢的积极调控;但CDF只能对CYP7A1、PPARα和Lpl的基因表达起到一定的积极调节作用,其提高机体抗氧化能力的效果也不如XMF。而且XMF比CDF能更有效地调节小肠中I-BABP和FXR的基因表达,有效地减少胆汁酸的重吸收,促进肝脏中胆固醇的分解代谢。XMF在肠道中束缚鹅脱氧胆酸钠和脱氧胆酸钠的能力强于CDF。与CDF相比,XMF还能更显著地促进机体对脂肪、胆固醇和胆汁酸的排出（p<0.05）。HPLC测定结果表明,CDF和XMF吸附胆酸盐时都存在最大吸附量。CDF中的IDF和SDF对胆酸钠、鹅脱氧胆酸钠和脱氧胆酸钠的吸附不存在增强的协同作用,对牛磺胆酸钠的吸附表现轻微的增强协同作用。但XMF中的IDF和SDF在吸附胆酸钠、鹅脱氧胆酸钠、脱氧胆酸钠和牛磺胆酸钠时均表现出强烈的增强协同作用。CDF和XMF同胆酸盐间以疏水相互作用为主。CDF对胆酸钠和牛磺胆酸钠的吸附表现为完全竞争关系,牛磺胆酸钠的竞争力强于胆酸钠;对鹅脱氧胆酸钠和脱氧胆酸钠是部分竞争性吸附,鹅脱氧胆酸钠的竞争力强于脱氧胆酸钠。XMF对胆酸钠和牛磺胆酸钠的吸附是非竞争性的;对鹅脱氧胆酸钠和脱氧胆酸钠的吸附具有部分竞争特性,脱氧胆酸钠的竞争力大于鹅脱氧胆酸钠。胆酸钠、鹅脱氧胆酸钠、脱氧胆酸钠和牛磺胆酸钠的吸附动力学曲线表明,XMF具有更大的吸附量,更强的吸附能力。AFM力谱表明,XMF同脱氧胆酸钠和牛磺胆酸钠间的相互作用均强于CDF,进一步证明了XMF具有更强的吸附胆酸盐的能力,因而能更显著地促进机体对胆酸盐的排出,有效地起到预防和抑制高脂血症发生和发展的生物活性功能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 玉米和玉米皮
• 1.2 玉米皮的研究和开发现状
• 1.2.1 膳食纤维
• 1.2.2 生物能源
• 1.2.3 发酵法制备糖、醇、酶和有机酸
• 1.2.4 玉米纤维油及其它提取物
• 1.2.5 玉米皮纤维素衍生物
• 1.3 膳食纤维生理功能的研究进展
• 1.3.1 膳食纤维概况
• 1.3.2 膳食纤维生理功能研究进展
• 1.3.3 膳食纤维降血脂作用机理研究进展
• 1.3.4 膳食纤维的副作用
• 1.4 玉米皮膳食纤维加工工艺的研究进展
• 1.5 本论文的立题依据和意义
• 1.6 本论文的主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 酶法制备降血脂活性的改性玉米皮膳食纤维
• 2.1 前言
• 2.2 材料和仪器
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 实验仪器与设备
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 粗玉米皮膳食纤维制备的主要工艺流程
• 2.3.2 纤维素酶单一作用
• 2.3.3 木聚糖酶单一作用
• 2.3.4 纤维素酶和木聚糖酶复合作用
• 2.3.5 酶解工艺参数的优化
• 2.3.6 常规分析
• 2.3.7 膳食纤维组成的测定
• 2.3.8 持水力
• 2.3.9 持油力
• 2.3.10 胆酸盐体外吸附试验
• 2.3.11 pH 对木聚糖酶活性的影响
• 2.3.12 统计分析
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 淀粉测定方法的确定
• 2.4.2 玉米皮和CDF 的主要成分
• 2.4.3 玉米皮和CDF 的膳食纤维基本组成
• 2.4.4 玉米皮和CDF 的粒度分布及感官性状
• 2.4.5 纤维素酶对SDF 含量和理化性质的影响
• 2.4.6 木聚糖酶对SDF 含量和理化性质的影响
• 2.4.7 纤维素酶和木聚糖酶复合酶解对SDF 含量和理化性质的影响
• 2.4.8 经纤维素酶、木聚糖酶及两酶复合处理后CDF 体外吸附胆酸盐的能力
• 2.4.9 响应面优化木聚糖酶酶解工艺条件
• 2.4.10 XMF 对不同胆酸盐吸附的相关性
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 改性玉米皮膳食纤维的结构及理化性质
• 3.1 前言
• 3.2 材料和仪器
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 实验仪器与设备
• 3.3 实验方法
• 3.3.1 CDF 的制备
• 3.3.2 改性玉米皮膳食纤维的制备
• 3.3.3 SDF 和IDF 的制备
• 3.3.4 XMF 的理化性质
• 3.3.5 XMF 的膳食纤维组成
• 3.3.6 SDF 的相对分子质量分布
• 3.3.7 SDF 和IDF 中的中性单糖测定
• 3.3.8 SEM 观察XMF 的超微结构
• 3.3.9 结晶度分析
• 3.3.10 统计分析
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 XMF 的理化性质
• 3.4.2 XMF 的膳食纤维组成
• 3.4.3 XMF 中SDF 和IDF 的组成
• 3.4.4 XMF 的超微结构
• 3.4.5 XMF 的结晶度
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 改性玉米皮膳食纤维的体内降脂特性及其机理研究
• 4.1 前言
• 4.2 材料和仪器
• 4.2.1 实验材料和主要试剂
• 4.2.2 实验仪器与设备
• 4.3 实验方法
• 4.3.1 CDF 和XMF 的制备
• 4.3.2 动物实验
• 4.3.3 血脂测定
• 4.3.4 肝脂测定
• 4.3.5 肝脏组织结构观察
• 4.3.6 肝脏FXR、PPARα、PPARγ、Lipc、Lpl、CYP7A1，小肠FXR 和I-BABP 的m RNA 表达
• 4.3.7 抗氧化活性
• 4.3.8 粪便中脂质和胆汁酸排出量的测定
• 4.3.9 统计分析
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 对大鼠生长率及有关脂代谢的影响
• 4.4.2 XMF 调节脂代谢的机理
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 改性玉米皮膳食纤维吸附胆酸盐的动力学
• 5.1 前言
• 5.2 材料和仪器
• 5.2.1 实验材料和主要试剂
• 5.2.2 仪器设备
• 5.3 实验方法
• 5.3.1 CDF 和XMF 的制备
• 5.3.2 SDF 和 IDF 的制备
• 5.3.3 脱氧胆酸钠生理盐水溶液粘度的测定
• 5.3.4 XMF 及其SDF 和IDF 对不同胆酸盐的单独吸附
• 5.3.5 XMF 在混合胆酸盐的溶液中对各胆酸盐的吸附
• 5.3.6 XMF 对胆酸盐的吸附动力学
• 5.3.7 原子力显微镜测定XMF 同胆酸盐结合前后表面力学性质的变化
• 5.3.8 统计分析
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 XMF 及其IDF 和SDF 部分对不同胆酸盐的单独吸附
• 5.4.2 XMF 在混合胆酸盐的溶液中对各胆酸盐的吸附
• 5.4.3 XMF 对胆酸盐的吸附动力学
• 5.4.4 XMF 同胆酸盐结合前后表面力学性质的变化
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 主要结论
• 展望
• 论文创新点
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢