黃六容，陳 甜，趙勻淑，李 璇，陳文文

（江蘇大學食品與生物工程學院，鎮(zhèn)江 212013）

0 引 言

膳食纖維是當前國際公認的一種功能性食品基料，被稱之為除水、蛋白質、糖類、脂類、維生素、礦物質六大營養(yǎng)要素之外的第七營養(yǎng)素，它具有潤腸通便、調節(jié)血糖濃度、降血脂血壓等多種生理功能[1-5]。不同原料來源的膳食纖維，其生理功能的強弱程度是不一樣的[6-8]。因此，在開發(fā)膳食纖維時，應該選用那些本身生理功能比較好的膳食纖維原料，才能獲得具有良好口感和功能特性的新一代活性膳食纖維食品。

整株大蒜包括地下鱗莖和地上大蒜葉，大蒜鱗莖具有降低血脂、預防血栓、抑制癌細胞的生長、降低血糖等功效，大蒜秸稈即為地上大蒜葉部分，它具有與大蒜鱗莖相當?shù)墓π9-10]。大蒜秸稈主要由不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber，IDF)和可溶性膳食纖維(soluble dietary fiber，SDF)組成，其質量分數(shù)分別為72.20%和7.15%，相對于SDF，IDF的含量高得多，但是IDF的功能作用卻相對較弱[11]。因此，采用適當?shù)母男允侄螌枯^高的IDF進行改性處理，改變其組織結構，增強其功能特性，從而使不溶性膳食纖維發(fā)揮更大的功能作用，對于提高大蒜秸稈資源的綜合利用效率具有積極的意義。

生物法改性膳食纖維一般利用酶解和微生物發(fā)酵法，其成本比較高[12]；化學處理法往往需要大量的酸或堿進行處理，會帶來一定的環(huán)境污染[13]；一些物理處理法如高壓和高溫處理，操作安全性受到一定影響[14-15]。超聲技術是一種高效、環(huán)保、安全的加工技術，在改變食品的物理化學特性方面具有廣泛的應用，它能有效打破多糖的化學鍵，使組織疏松和表面疏水性改變，從而使活性成分容易釋放出來[16-18]。因此，本研究以提高不溶性膳食纖維的降糖能力為目標，對大蒜秸稈的IDF進行超聲波處理，確定超聲對其改性的最優(yōu)工藝條件，并對不溶性膳食纖維的理化特性和微觀結構變化進行分析，從而為膳食纖維的功能改性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大蒜秸稈由金鄉(xiāng)成功生物科技有限公司提供；鄰苯二甲醛，都萊生物科技有限公司；淀粉葡萄糖苷酶和木瓜蛋白酶，上海金穗生物科技有限公司；高溫α-淀粉酶，無錫雪梅酶制劑有限公司；其他為國藥集團化學試劑有限公司分析純試劑。

1.2 儀器與設備

Unic7200分光光度計，上海尤尼柯儀器有限公司；DL-5C離心機，上海安亭儀器廠；GA99-ⅡD超聲細胞破碎機，無錫上佳生物技術有限公司；S-4800電子顯微鏡，日本Hitachi公司；Nicolet 6700傅立葉紅外光譜儀，美國Nicolet儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原料的預處理

大蒜秸稈于大蒜鱗莖收割后采收，于陽光下曬干，剪為1～2 cm段后50℃烘干至恒定質量，粉碎后過60目篩。

1.3.2 不溶性膳食纖維（IDF）的制備

取30 g大蒜秸稈粉末，加蒸餾水900 mL，95℃預熱30 min，加入1.5 mL高溫α-淀粉酶，蓋上鋁箔紙，95℃反應時間35 min；反應后，冷卻至60℃，調節(jié)pH值至7.5，加入50 mg/mL的木瓜蛋白酶3 mL，60℃水浴30 min；然后加入3 mol/L的乙酸溶液，調節(jié)pH值到4.5，加入液體淀粉葡萄糖苷酶3 mL，60℃反應30 min，酶解液100℃滅酶15 min。反應液5 000 r/min離心15 min，離心所得沉淀依次用78%乙醇、95%乙醇洗滌，然后60℃烘干至21.5 g即得IDF。

1.3.3 超聲波處理單因素試驗

取不同質量（依據(jù)料液比）的IDF置于500 mL的燒杯中，加入300 mL蒸餾水，于25℃的恒溫水浴鍋中保溫10 min，然后在一定的超聲功率和時間下進行超聲處理，超聲探頭直徑為2 cm，工作2 s間歇2 s。分別以液料質量比（以下簡稱液料比，20:1、30:1、40:1、50:1、60:1）、超聲功率（250、400、550、700、850 W）和超聲時間（10、20、30、40、50 min）為影響因素，以葡萄糖吸附量為響應值，通過單因素試驗考察超聲對IDF改性效果的影響。超聲處理完成后，樣品于-20℃冷凍干燥得到粉末，留待下一步分析。同樣溶解和冷凍干燥但未進行超聲處理的樣品作為對照。

1.3.4 響應面試驗設計

在單因素試驗的基礎上，以葡萄糖吸附量為響應值（Y），對液料比（X1）、超聲功率（X2）和超聲時間（X3）用Design expert 8.06軟件的Box-Behnken法設計三因素三水平試驗，各試驗因素、水平見表1。

表1 試驗因素與水平表Table 1 Factors and levels code

1.3.5 葡萄糖吸附能力的測定（glucose adsorption capacity,GAC）[19]

稱取l.0 g的IDF于250 mL的錐形瓶中，加入100 mL濃度為100 mmol/L的葡萄糖溶液，混勻后在37℃下震蕩6 h，4 500 r/min轉速下離心20 min，吸取上清液，采用蒽酮法測定上清液中葡萄糖含量[20]。IDF對葡萄糖吸收能力按公式（1）計算。

其中，M為IDF質量，g，C0為吸附前葡萄糖濃度，mmol/L，C1為吸附后上清液中葡萄糖濃度，mmol/L，V為吸附液體積，L。

1.3.6 膽固醇結合能力的測定（cholesterol binding capacity,CBC）[21]

鮮雞蛋去蛋清留蛋黃，加入9倍質量的蒸餾水充分攪打成乳液。稱取l.0 g IDF于l00 mL的錐形瓶中，向每個錐形瓶中加入25 mL稀釋的蛋黃液并攪拌均勻，在37℃下振蕩2 h，4 500 r/min轉速下離心20 min，吸取上清液，采用鄰苯二甲醛法測定膽固醇含量[20]。IDF對膽固醇的吸附量按公式（2）計算。

式中，W為IDF質量，g，W2為吸附前蛋黃液中膽固醇含量，mg，W1為吸附后上清液中膽固醇含量，mg。

1.3.7吸水性、持油性、膨脹性測定

1）吸水性 (water retention capacity，WRC)[22]。稱取IDF 1.0 g于100 mL燒杯中，加入蒸餾水70 mL，磁力攪拌24 h，轉移至離心管中，在4 500 r/min的速度下離心10 min，完全除去上清液，稱質量。按公式（3）計算樣品的持水性。

式中M2為樣品吸水后的質量，g，M1為樣品干質量，g。

2）持油性 (oil holding capacity,OHC)[23]。稱取IDF 1.0 g于50 mL離心管中，加入大豆油30 mL，攪拌均勻后靜置16 h，4 500 r/min離心10 min，完全去掉上油層，稱質量。按公式（4）計算樣品的持油性。

式中M3為樣品吸油后的質量，g。

3）膨脹性 (water swelling capacity，WSC)[22]：稱取IDF 1.0 g于25 mL帶刻度試管中，加入蒸餾水至25 mL，混勻后于室溫下放置4 h，讀取物料的體積。膨脹性以每g樣品吸附水后的體積表示。

1.3.8 微觀形態(tài)觀察

IDF樣品表面噴金后，利用掃描電子顯微鏡觀察（scanning electron morphology,SEM）觀察膳食纖維的結構，加速電壓為5 kV。

1.3.9 紅外光譜分析

取IDF樣品與KBr（質量比1:250）混合均勻，然后取適量的粉末轉至壓膜器內(nèi)進行壓片，然后進行紅外光譜儀測試。參數(shù)設置：分辨率為2 cm-1，掃描次數(shù)32次，掃描范圍為400～4 000 cm?1。

1.3.10 數(shù)據(jù)處理方法

所有試驗進行3次重復測定，數(shù)據(jù)以平均值±標準偏差(±SD)的形式表示，采用 Excel 2010 統(tǒng)計分析，P<0.05為差異性顯著，OriginPro8.0作圖。

2 結果與分析

2.1 液料比對大蒜秸稈IDF葡萄糖吸附能力的影響

膳食纖維可吸附葡萄糖，阻礙葡萄糖的擴散以降低小腸內(nèi)葡萄糖的有效濃度，從而達到幫助降低餐后血糖水平的作用[24]。300 mL蒸餾水與一定量IDF分別按液料比20:1、30:1、40:1、50:1、60:1混合，在超聲功率500 W處理20 min后所得IDF對葡萄糖的吸附量如圖1所示?？梢?，當液料比從20:1變?yōu)?0:1時，所得IDF的葡萄糖吸附量明顯增大（P<0.05），可能是因為樣品濃度高時，其流動性差，不利于超聲的空化效應和機械作用的發(fā)揮。進一步增加液體量，當液料比為40:1、50:1和 60:1時，所得的葡萄糖吸附量與30:1相比沒有顯著性差異(P>0.05)。相同液體體積下，液料比30:1時所得的IDF產(chǎn)量明顯高于40:1、50:1和 60:1時，故后續(xù)試驗均選擇液料比30:1。

圖1 液料比對IDF葡萄糖吸附力的影響Fig.1 Effect of liquid sample ratio on glucose adsorption capacity of IDF

2.2 超聲功率對大蒜秸稈IDF的葡萄糖吸附能力的影響

10 g IDF與蒸餾水按液料比30:1混合，超聲處理20 min，不同超聲功率對IDF葡萄糖吸附力的影響結果如圖2所示。可見，超聲功率從250 W增加到700 W時，IDF對葡萄糖吸附量逐漸上升，700 W所得IDF的吸附力最大為4.45 mmol/g，進一步提高超聲功率，IDF的吸附力沒有繼續(xù)增加（P>0.05），說明700 W對IDF的葡萄糖吸附力的促進作用達到最大化。

圖2 超聲功率對IDF葡萄糖吸附力的影響Fig.2 Effect of ultrasonic power on glucose adsorption

2.3 超聲時間對大蒜秸稈IDF的葡萄糖吸附能力的影響

10 g大蒜秸稈IDF與300 mL蒸餾水混合，經(jīng)過超聲功率700 W處理不同時間后，其對IDF的葡萄糖吸附力影響結果如圖3所示。超聲時間超過20 min后，相對于處理10 min都有顯著性影響（P<0.05），但是20 min和30 min之間差異不顯著，而超聲處理時間為40 min時，所得IDF對葡萄糖的吸附力最大，其吸附力為4.72 mmol/g。根據(jù)以上試驗結果，對大蒜秸稈IDF的葡萄糖吸附能力提高最為明顯的處理條件為：液料比30:1、超聲功率700 W和超聲時間40 min。

圖3 超聲時間對IDF葡萄糖吸附力的影響Fig.3 Effect of ultrasonic time on glucose adsorption capacity of IDF

2.4 響應面優(yōu)化試驗結果分析

試驗因素組合條件及結果如表2所示。

表2 Box-Behnken設計和試驗結果表Table 2 Box-Behnken design and experimental results

對表2的試驗結果用Design-Expert 8.06統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析，通過建立響應面的回歸模型，進而尋求最優(yōu)響應值的因素水平，分析結果見表3?？梢娔Ｐ蚉值為0.001 1，高度顯著，決定系數(shù)R2＝0.979 6，說明回歸方程的擬合度越好。方差分析顯示X2、X3和X2X3對葡萄糖吸附量的影響不顯著，剔除不顯著項，響應面回歸模型方程可簡化為式（5）。

對該回歸模型進行分析，可得到最佳預處理條件為：液料比33:1，超聲功率707 W，超聲時間40.6 min。對上述最佳條件進行驗證試驗，為了操作方便，最佳處理條件修正為液料比30:1，超聲功率700 W，超聲時間40 min，結果得到葡萄糖吸附量為4.74 mmol/g，與理論值4.69 mmol/g無差異（P<0.05），說明采用響應面法優(yōu)化的提取條件具有實際應用價值。

表3 葡萄糖吸附量回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of glucose adsorption regression equation

2.5 超聲處理對IDF品質和功能的影響

色澤是食品的主要表觀特征之一，色澤的影響不僅僅是視覺上，而且賦予人們對食品品種、品質優(yōu)劣和新鮮與否的聯(lián)想。對照和最佳超聲條件處理所得IDF的顏色如圖4所示，對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過超聲改性后，所得IDF產(chǎn)品的顏色變淺，表觀更受人歡迎，可能因為超聲過程中的空化作用和熱作用導致膳食纖維中色素分子降解。

圖4 超聲處理和對照IDF的顏色Fig.4 Color of control and ultrasonic-treated IDF

攝入膳食纖維有助于減肥、降低血糖和血脂等，對人體健康有十分重要的意義[1-2]。大蒜秸稈IDF的降血糖和降血脂能力分別通過體外葡萄糖和膽固醇吸收力表征。經(jīng)過最佳處理后，所得IDF的相關功能和理化性質如表4所示。

表4 超聲改性IDF的功能和理化特性Table 4 Functional and physicochemical properties of modified garlic straw IDF by ultrasound

由表4可見，經(jīng)過超聲改性的不溶性膳食纖維的葡萄糖吸附力和膽固醇結合力分別為4.74 mmol/g和15.15 mg/g，與未處理的對照相比，分別提高了12.8% 和45.0%(P<0.05)，說明超聲作用對膽固醇的吸附力影響更大。改性后膳食纖維的膨脹力、吸水力和持油力分別為13.08 mL/g、9.66 g/g和9.28 g/g，均明顯高于對照組。研究結果表明，超聲改性后的不溶性膳食纖維具有更好的功能品質和理化特性。

2.6 不溶性膳食纖維微觀結構的觀察

利用電子掃描顯微鏡對在最優(yōu)條件液料比30:1、超聲功率700 W和時間40 min下超聲處理的不溶性膳食纖維進行微觀結構觀察，結果如圖5所示。可見，未經(jīng)改性處理的大蒜秸稈不溶性膳食纖維微觀表面粗糙，致密均勻，呈完整塊狀，而經(jīng)過超聲改性后，其微觀結構發(fā)生不同程度的疏松，出現(xiàn)了蜂巢形的多孔性特征，并有網(wǎng)狀結構出現(xiàn)，且有部分出現(xiàn)斷裂和破碎?？梢?，改性后的膳食纖維表面積更大，從而表現(xiàn)出更強的吸附力[25]。

圖5 大蒜秸稈不溶性膳食纖維的掃描電鏡圖Fig.5 Scanning electron microscopy of garlic straw IDF

2.7 膳食纖維紅外光譜測試

傅里葉紅外光譜是一種可以有效提供膳食纖維的化學組成、分子構象和氫鍵特性等信息的重要技術[26]。圖6為大蒜秸稈不溶性膳食纖維改性前后的紅外光譜（400～4000cm?1）。

圖6 超聲處理前后大蒜秸稈不溶性膳食纖維的紅外光譜圖Fig.6 Fourier transformed infrared spectra of garlic straw IDF before and after treatment of ultrasonic

所有樣品在3 400 cm?1出現(xiàn)纖維素和半纖維素的O-H 伸縮振動帶，898 cm?1處出現(xiàn)多糖的β-構型糖苷鍵的吸收峰，1 250和 1 030 cm?1處的峰為 C-O 的伸縮振動，1 620 cm?1為木質素的芳香烴的典型吸收峰，2 917和 2 852 cm?1為多糖的亞甲基伸縮峰[27-28]。對比二者的圖譜發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過超聲改性處理后，沒有明顯新的化學基團出現(xiàn)，不同的只是峰強度都明顯增加，說明超聲對IDF的改性作用主要是破壞纖維素和半纖維素的鏈間和鏈內(nèi)氫鍵，使膳食纖維的結構發(fā)生疏松，大分子降解為小的分子片斷，表面積增加，從而表現(xiàn)出更強的吸附力。

3 結論

1）通過單因素和響應面試驗優(yōu)化得到大蒜秸稈高降糖功能不溶性膳食纖維的超聲改性條件，得出超聲對不溶性膳食纖維的葡萄糖吸附功能改性條件為：液料比30:1，超聲功率700 W，超聲時間40 min。經(jīng)過該超聲工藝改性的不溶性膳食纖維的葡萄糖和膽固醇結合力分別為4.74 mmol/g和15.15 mg/g，與對照相比，分別提高了12.8% 和45.0% （P<0.05）。同時，不溶性膳食纖維經(jīng)過改性后，其膨脹力、持水力和吸油力分別為13.08 mL/g、9.66 g/g和9.28 g/g，均明顯高于對照組（P<0.05）。

2）本試驗優(yōu)化得到的最佳吸附葡萄糖的超聲處理工藝對不溶性纖維的化學基團沒有造成破壞，但是它使大蒜秸稈不溶性膳食纖維的微觀結構變?yōu)槭杷伞⒎涑残蔚亩嗫拙W(wǎng)狀結構，且部分斷裂破碎，這些改變使得膳食纖維具有更強的吸附力。

[1]Zhu F,Du B,Zheng L,et al.Advance on the bioactivity and potential applications of dietary fibre from grape pomace[J].Food Chemistry,2015,186:207－212.

[2]GunnessP,GidleyM J.Mechanismsunderlyingthe cholesterol-lowering propertiesofsoluble dietary fibre polysaccharides[J].Food&Function,2010,1(2):149－155.

[3]Castellanos-Jankiewicz A,Bosque-Plata L D,Tejero M E.Combined effect of plant sterols and dietary fiber for the treatment of hypercholesterolemia[J].Plant Foods for Human Nutrition,2014,69(2):93－100.

[4]Hanan M A,Ahmed A R.Utilization of watermelon rinds and sharlyn melon peels as a natural source of dietary fiber and antioxidants in cake[J].Annals of Agricultural Sciences,2013,58(1):83－95.

[5]Paturi G,Butts C A,Monro J A,et al.Effects of blackcurrant and dietary fibers on large intestinal health biomarkers in rats[J].Plant Foods for Human Nutrition,2018,73(1):1－7.

[6]Daou C,Zhang H.Functional and physiological properties of total,soluble,and insoluble dietary fibers derived from defatted rice bran [J].JournalofFood Science and Technology,2014,51(12):3878－3885.

[7]Wang L,Xu H,Yuan F,etal.Preparation and physicochemical properties of soluble dietary fiber from orange peel assisted by steam explosion and dilute acid soaking[J].Food Chemistry,2015,185:90－98.

[8]Lv J S,Liu X Y,Zhang X P,et al.Chemical composition and functionalcharacteristics of dietary fiber-rich powder obtained from core of maize straw[J].Food Chemistry,2017,227:383－389.

[9]閆淼淼，許真，徐蟬，等.大蒜功能成分研究進展[J].食品科學，2010，31(5)：312－318.Yan Miaomiao,Xu Zhen,Xu Chan,et al.Research progress of bioactive components in garlic[J].Food Science,2010,31(5):312－318.(in Chinese with English abstract)

[10]Kallel F,Bettaieb F,Khiari R,et al.Isolation and structural characterization of cellulose nanocrystals extracted from garlic straw residues[J].Industrial Crops&Products,2016,87:287－296.

[11]Ma M,Mu T.Modification of deoiled cumin dietary fiber with laccase and cellulaseunder high hydrostatic pressure[J].Carbohydrate Polymers,2016,136:87－94.

[12]Santala O,Kiran A,Sozer N,et al.Enzymatic modification and particle size reduction of wheat bran improves the mechanical properties and structure of bran-enriched expanded extrudates[J].Journal of Cereal Science,2014,60(2):448－456.

[13]Lan G S,Chen H X,Chen S H,et al.Chemical composition and physicochemicalproperties ofdietary fiberfrom Polygonatum odoratum as affected by different processing methods[J].Food Research International,2012,49(1):406－410.

[14]Pérez-López E,Mateos-Aparicio I,Rupérez P.Okara treated with high hydrostatic pressure assisted by Ultraflo?L:Effect on solubility of dietary fibre[J].Innovative Food Science and Emerging Technologies,2016,33:32－37.

[15]李雁，熊明洲，尹叢林，等.紅薯渣不溶性膳食纖維超高壓改性[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28(19)：270－278.Li Yan,Xiong Mingzhou,Yin Conglin,et al.Modification of insoluble dietary fiber from sweet potato residue with ultra high pressure processing technology[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2012,28(19):270－278.(in Chinese with English abstract)

[16]Yachmenev V,Condon B,Klasson T,et al.Acceleration of the enzymatic hydrolysis of corn stover and sugar cane bagasse celluloses by low intensity uniform ultrasound[J].Journal of Biobased Materials and Bioenergy,2009,3(7):25－31.

[17]Huang L,Ma H,Peng L,et al.Enzymolysis kinetics of garlic powder with single frequency countercurrent ultrasound pretreatment[J].Food Bioproducts Processing,2015,95:292－297.

[18]Ying Z,Han X,Li J.Ultrasound-assisted extraction of polysaccharides from mulberry leaves[J].Food Chemistry,2011,127(3):1273－1279.

[19]PeerajitP,Chiewchan N,Devahastin,S.Effectsof pretreatment methods on health-related functional properties of high dietary fiber powder from lime residues[J].Food Chemistry,2012,132(4):1891–1898.

[20]付嬈.纖維素酶法制備黑木耳殘渣中的膳食纖維及性質測定[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學，2014.Fu Rao.The Preparation and Properties of Dietary Fiber from Auricularia Auricular Residues with Cellulase[D].Harbin:Northeast Agricultural University,2014.(in Chinese with English abstract)1

[21]Zhang N,Huang C,Ou S.Invitrobinding capacities of three dietary fibers and their mixture for four toxic elements,cholesterol,and bile acid[J].Journal of Hazardous Materials,2011,186(1):236－239.

[22]Qi J,Li Y,MasambaK G,et al.The effect of chemical treatment on the in vitro hypoglycemic properties of rice bran insoluble dietary fiber[J].Food Hydrocolloid,2016,52:699－706.

[23]Yaich H,Garna H,Bchir B,et al.Chemical composition and functional properties of dietary fibre extracted by englyst and prosky methods from the algaUlva lactuca,collected in Tunisia[J].Algal Research,2015,9:65－73

[24]金暉，孟怡璠，陳萍，等.不同顆粒度南瓜不溶性膳食纖維的功能性質研究[J].中國食品學報，2013，13(9)：15－21.Jin Hui,Meng Yifan,Chen Ping,et al.Studies on functional properties of the dietary fiber prepared from pumpin with different granularity[J].Journal of Chinese Institute of Food Science and Technology,2013,13(9):15－21.(in Chinese with English abstract)

[25]Elleuch M,Bedigian D,Roiseux O,et al.Dietary fibre and fibre-rich by-products of food processing:Characterisation technological functionality and commercial applications:A review[J].Food Chemistry,2011,124(2):411－421.

[26]Saleh T A.Isotherm,kinetic,and thermodynamic studies on Hg(II)adsorption from aqueous solution by silica-multiwall carbon nanotubes[J].Environmental Science and Pollution Research,2015,22(21):16721－16731.

[27]Ma M,Mu T.Effects of extraction methods and particle size distribution on the structural,physicochemical,and functiona l properties of dietary fiber from deoiled cumin[J].Food Chemistry,2016,194:237－246.

[28]Gupta V K,Saleh T A,Pathania D,et al.A cellulose acetate based nanocomposite forphotocatalytic degradation of methylene blue dye under solar light[J].Ionics,2015,21(6):1787–1793.