纤维素与半纤维素的作用和结构

1. 纤维素

纤维素是植物界中分布最广、含量最多的一种多糖，它是植物细胞壁的主要成分。它通常和各种半纤维素、木质素结合在一起，结合类型、结合程度在很大程度上影响着植物性食品特有的质地，它们还是膳食纤维的主要成分。含天然纤维素较多的分别是棉花、亚麻、木材等。棉花含纤维素的量可达到98%，亚麻约含70%，木材含40%～50%。

小资料

膳食纤维的功效

膳食纤维是指不能被人体消化道酶分解的多糖类及木质素，是非淀粉多糖的多种植物物质。主要来自动植物的细胞壁，包括纤维素、木质素、果胶、β-葡聚糖、菊糖和低聚糖等，通常分为非水溶性膳食纤维和水溶性膳食纤维两大类。膳食纤维是健康饮食不可缺少的物质，摄取足够的膳食纤维可以预防心血管疾病、癌症、糖尿病等疾病。膳食纤维还可以清洁消化壁和增强消化功能，同时也可稀释和加速食物中的致癌物质和有毒物质的移除，保护脆弱的消化道和预防结肠癌。另外膳食纤维还可减缓消化速度和最快速排泄胆固醇，可让血液中的血糖和胆固醇控制在最理想的水平。

（1）结构 纤维素分子是由1200～10000个β-葡萄糖分子以β-1，4糖苷键连接而成的长链没有分支的高分子化合物，分子内糖基之间还存在氢键。纤维素分子的结构如图5-12所示。

（2）性质和用途 纤维素是白色纤维状固体，不溶于水和有机溶剂，因此，在常温下，它是比较稳定的，这是因为纤维素分子之间存在氢键。

纤维素的化学性质稳定，在一般的条件下进行食品加工不会被破坏，但在高温、高压的稀硫酸溶液中和纤维素酶的作用下，纤维素可被水解为β-葡萄糖。它无还原性，也不容易被水解。纤维素不能被吸收，因为人和大多数哺乳动物体内缺乏能够使糖苷键断裂的酶，即纤维素在体内不会变成生命活动所需要的葡萄糖。但它是人类膳食中不可缺少的成分，虽然不能被消化吸收，但其有较重要的生理功能，如刺激促进肠道蠕动，促进排便，减少胆固醇的吸收和肠道疾病，保障人类健康，延长人类生命等。因此，人们称它为第七种营养素。

图5-12 纤维素的结构(www.xing528.com)

（3）改性纤维素 将天然纤维素经适当处理，改变其原有性质成为适应不同食品加工需要的纤维素，称为改性纤维素。主要品种有以下几类：

①羧甲基纤维素（CMC）：羧甲基纤维素被广泛用于食品工业中作增稠剂、胶凝剂、组织改良剂等。如在冰淇淋和其他冷冻甜食中，以阻止冰晶的生长，羧甲基纤维素可防止面包、蛋糕和其他焙烤食品的水分蒸发和老化，也能阻止糖果、糖衣和糖浆中糖结晶的生长。在低热量的碳酸饮料中，羧甲基纤维素有助于保持CO₂含量。在疗效食品中，羧甲基纤维素具有良好的质地和口感。

②甲基纤维素（MC）：甲基纤维素添加在焙烤食品中可增加焙烤食品的吸水力和持水力。添加在油炸食品中，可降低食品的吸油率。在一些疗效食品中，甲基纤维素用作低热量无营养填充剂。在无面筋的产品中，它提供了质构。当用于冷冻食品时，它能抑制脱水收缩。

③微晶纤维素（MCC）：可用做乳化剂、分散剂、组织改进剂、热稳定剂等。

2. 半纤维素

半纤维素是在植物细胞壁中与纤维素共生，可溶于碱溶液，遇酸后比纤维素易于水解的那部分植物多糖。广泛存在于植物中，针叶树含15%～20%，阔叶材和禾本科草类含15%～35%，但其分布因植物种属、成熟程度等因素不同而有很大差异。半纤维素的结构如图5-13所示。

图5-13 半纤维素的结构

半纤维素具有亲水性能，这将造成细胞壁的润胀，可赋予纤维弹性。它是由几种不同的单糖构成的异质多聚体，这些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿伯糖、甘露糖和半乳糖等。单糖聚合体间分别以共价键、氢键、醚键和酯键连接，它们与伸展蛋白、其他结构蛋白、壁酶、纤维素和果胶等构成具有一定硬度和弹性的细胞壁，因而呈现稳定的化学结构。半纤维素糖类可以利用生物技术来发酵酒精，以玉米棒芯为原料，经稀酸水解将半纤维转化为戊糖，进一步发酵为酒精。此技术的终试成功将对于解决人类面临的能源危机、粮食紧缺及环境污染等问题均具有重大的意义。