二、纤维素和半纤维素的结构与性质
（一）纤维素的结构及其在烹饪中的变化
纤维素是自然界最大量存在的多糖。它是植物细胞壁的构成物质，常与半纤维素、木质素和果胶质结合在一起。人体没有分解纤维素的消化酶，所以无法利用。纤维素与直链淀粉一样，是D-葡萄糖通过β-1，4糖苷键结合，呈直链状连接，见图3-36。
图3-36 纤维素的结构
纤维素不溶于水，对稀酸和稀碱特别稳定，几乎不还原费林试剂。只有用高浓度的酸（60%～70%硫酸或41%盐酸）或稀酸在高温处理下才能分解，分解的最后产物是葡萄糖。纤维素的聚合度取决于植物的来源和种类，聚合度为1000～14000（相当于相对分子质量162000～2268000）。纤维素由于分子质量大且具有结晶结构，所以不溶于水，而且溶胀性和吸水性都小。
纤维素应用于造纸、纺织品、化学合成物、胶卷、炸药、医药和食品包装、发酵（酒精）、饲料生产（酵母蛋白和脂肪）、吸附剂和澄清剂等。它的长链中常有许多游离的醇羟基，具有羟基的各种特性反应，如成酯和成醚反应等。
纤维素不溶于水，对稀酸、碱稳定，聚合度大，化学性质稳定，可通过控制反应条件，生产出许多不同的纤维素衍生物。商品化的纤维素主要有羧甲基纤维素（CMC）、甲基纤维素（MC）、乙基纤维素（EC）、甲乙基纤维素（MEC）、羟乙基纤维素（HEC）、羟丙基纤维素（HPC）、羟乙基甲基纤维素（HEMC）、羟乙基乙基纤维素（HEEC）、羟丙基甲基纤维素（HPMC）、微晶纤维素（MCC）等。纤维素和改性纤维素均为膳食纤维。它们不能被人体消化，也不能提供营养和热量，但具有重要的功能作用。纯化的纤维素常作为配料添加到面包等食品中，增加食品的持水力，延长货架期，可生产低热量食品。
1.羧甲基纤维素（carboxyl methyl cellulose，简称CMC）
用氢氧化钠、氯乙酸处理纤维素，就可得到CMC（图3-37）。经过改性，分子上带有了负电荷的羧甲基，性质变得像亲水性多糖胶。一般产品的取代度为0.3～0.9，聚合度500～2000。
图3-37 羧甲基纤维素
CMC是白色或微黄色粉末，无味，易溶于水成高黏度的溶液，不溶于乙醇等多种溶剂。CMC是食品界最广泛使用的改性纤维素，取代度为0.7～1.0时易溶于水，形成无色无味的黏液溶液为非牛顿流体，黏度随温度升高而降低。溶液在pH5～10时稳定，在pH7～9时有最高的稳定性。当有二价金属离子存在的情况下，溶解度降低，形成不透明的液体分散系，三价阳离子存在下能形成凝胶沉淀。CMC-Na水溶液的黏度也受pH值的影响。当pH值为7时，黏度最大，通常pH值为4～11较合适，而pH值在3以下，则易生成游离酸沉淀，其耐盐性较差。但本品因与某些蛋白质发生胶溶作用，生成稳定的复合物，从而扩展蛋白质溶液的pH值范围。此外，现已有耐酸耐盐的产品。
CMC在食品工业中应用广泛，我国规定本品可用于速煮面和罐头中，最大用量为5.0g/kg；用于果汁牛乳，最大用量为1.2g/kg；用于冰棍、雪糕、冰激凌、糕点、饼干、果冻、膨化食品，可按正常生产需要使用。在果酱、番茄酱或乳酪中添加CMC，不仅增加黏度，而且可增加固形物的含量，还可使其组织柔软细腻。在面包和糕点中添加CMC，可增加其保水作用，防止老化。在方便面中加入CMC，较易控制水分，且可减少面条的吸油量，并且还可增加面条的光泽，一般用量为0.36%。在酱油中添加CMC，以调节酱油的黏度，使酱油具有滑润口感。CMC对于冰激凌的作用类似于海藻酸钠，但CMC的价格低廉，溶解性好，保水作用也较强，所以CMC常与其他乳化剂并用，以降低成本，而且CMC与海藻酸钠并用有相乘作用，通常CMC与海藻酸钠混用时的用量为0.3%～0.5%，单独使用时用量为0.5%～1.0%。
2.甲基纤维素（methyl cellulose，简称MC）
使用氢氧化钠和一氯甲烷处理处理纤维素，就可得到MC，这种改性属于醚化（图3-38）。食用MC的取代度约为1.5左右，取代度为1.69～1.92的MC在水中有最高的溶解度，而黏度主要取决于分子的链长。
图3-38 甲基纤维素的制备反应
甲基纤维素除有一般亲水性多糖胶的性质外，比较突出和特异之处有三点：①它的溶液在被加热时起初黏度下降与一般多糖胶相同，然后黏度很快上升并形成凝胶，凝胶冷却时又转变为溶液。这个现象是由于加热破坏了个别分子外面的水层而造成聚合物间疏水键增加的缘故。②MC本身是一种优良的乳化剂，而大多数多糖胶仅仅是乳化助剂或稳定剂。③MC在一般的食用多糖中有最优良的成膜性。
3.微晶纤维素
用稀酸处理纤维素，可以得到极细的纤维素粉末，称为微晶纤维素。在疗效食品中作为无热量填充剂、吸附剂。
4.羟乙基纤维素（简称HEC）
HEC是一种水溶性纤维素醚，是用相当数量的羟乙基醚支链代替原来纤维素分子中羟基生成的产品。HEC是白色粉末状固体。不同级别的HEC产品分子量不同，黏度各异，可按纯度或摩尔取代度（MS）分为若干等级。所有出售的不同级别的HEC产品均溶于热水或冷水以形成完全溶解的透明、无色溶液。这种溶液可以冷冻而后融化，或加热至沸腾后冷却，均不发生胶凝作用或沉淀现象。HEC溶于少数有机溶剂，具有成膜性。HEC水溶液可以与阿拉伯胶、瓜尔胶、黄原胶、甲基纤维素、海藻酸钠等合用。HEC常用作改性剂和添加剂。HEC在产品的整个配方中一般占很小的比例，但却可以对产品性质产生明显的影响。HEC在低浓度时有增稠作用，对分散体系有稳定作用，有良好的抗油脂性和优良的胶黏性、可渗透性，有良好的水分保持能力。HEC广泛应用于各种型号的乳胶漆中。
（二）半纤维素的结构及在烹饪中的变化
半纤维素存在于所有陆地植物中，而且经常在植物木质化部分，是构成植物细胞壁的材料。构成半纤维素的单体有木糖、果糖、葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、甘露糖及糖醛酸等，木聚糖是半纤维素物质中最丰富的一种。
粗制的半纤维素可分为一个中性组分（半纤维素A）和一个酸性组分（半纤维素B），半纤维素B在硬质木材中特别多。两种纤维素都有由β-D-（1→4）糖苷键结合成的木聚糖链。在半纤维素A中，主链上有许多由阿拉伯糖组成的短支链，还存在D-葡萄糖、D-半乳糖和D-甘露糖。从小麦、大麦和燕麦粉得到的阿拉伯木聚糖是这类糖的典型例子。半纤维素B不含阿拉伯糖，它主要含有4-甲氧基-D-葡萄糖醛酸，因此它具有酸性。水溶性小麦面粉戊聚糖结构见图3-39。
图3-39 水溶性小麦面粉戊聚糖结构
半纤维素在焙烤食品中的作用很大，它能提高面粉结合水的能力。在面包面团中，改进混合物的质量，降低混合物能量，有助于蛋白质的进入和增加面包的体积，并能延缓面包的老化。
半纤维素是膳食纤维的一个重要来源，对肠蠕动、粪便量和粪便通过时间产生有益生理效应，对促使胆汁酸的消除和降低血液中的胆固醇方面也会产生有益的影响。事实表明它可以减轻心血管疾病、结肠紊乱，特别是防止结肠癌。食用高纤维膳食的糖尿病人可以减少对胰岛素的需求量，但是，多糖胶和纤维素在小肠内会减少某些维生素和必需微量元素的吸收。