楊開(kāi)，楊振寰,，吳偉杰，陳劍兵，夏其樂(lè)*

1(浙江工業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程系，浙江 杭州，310014) 2(浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院食品科學(xué)研究所，中國(guó)輕工業(yè)果蔬保鮮與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江省果蔬保鮮與加工技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州，310021)

雷竹(Phyllostachyspraecoxf. Prevernalis)是一種優(yōu)質(zhì)的食用筍竹種，其幼嫩莖為雷筍，又名早竹筍，含有粗蛋白、脂肪、纖維素等成分，營(yíng)養(yǎng)豐富，有著產(chǎn)量高、出筍早的特點(diǎn)，作為竹筍的一種，雷筍也富含膳食纖維[1]。膳食纖維(dietary fiber,DF)被認(rèn)為是人類的第七營(yíng)養(yǎng)素，近幾年的醫(yī)學(xué)研究又證實(shí)了DF可以降低糖尿病，心血管疾病，結(jié)腸癌等的發(fā)病率[2]，這與DF良好的持水、持油、膨脹和吸附能力等有關(guān)[3]。研究發(fā)現(xiàn)，可溶性膳食纖維(SDF)相比不可溶膳食纖維(IDF)對(duì)膽固醇和血糖控制等功能具有更顯著的效果[4]。

我國(guó)每年都有大量新鮮雷筍產(chǎn)出，除鮮食外，普遍以常規(guī)的罐頭加工食品為主，缺乏精深加工，而且因?yàn)檩^低的原始SDF含量使得其功能價(jià)值尚未完全開(kāi)發(fā)。為了提高SDF的比率，常使用化學(xué)、生物和物理方法對(duì)DF進(jìn)行改性處理[5]?；瘜W(xué)方法會(huì)帶來(lái)潛在的食品安全問(wèn)題；而物理方法(螺桿擠壓、高壓均質(zhì)、高靜水壓等)則對(duì)設(shè)備和操作要求較高；生物法(酶解法和發(fā)酵法)因其操作簡(jiǎn)便快捷的特點(diǎn)，是該領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展方向[6]。因此，本文旨在通過(guò)纖維素酶和木聚糖酶聯(lián)合處理改善雷筍DF的理化性質(zhì)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析比較，為獲得高SDF含量的雷筍膳食纖維和提高雷筍附加值提供有效途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮雷筍購(gòu)自杭州市果蔬批發(fā)市場(chǎng)，經(jīng)浙江省農(nóng)科院食品科學(xué)研究所陸勝民研究員品種鑒定。耐熱α-淀粉酶、蛋白酶、淀粉葡萄糖苷酶和α-葡萄糖苷酶均購(gòu)自Sigma公司；纖維素酶(酶活力30 000 U/g)、木聚糖酶(酶活力30 000 U/g)，寧夏和氏璧生物技術(shù)有限公司；其他化學(xué)試劑屬于分析級(jí)。

1.2 儀器與設(shè)備

FW200粉碎機(jī)，江蘇省金壇市友聯(lián)儀器研究所；CR10色差儀，日本柯尼卡美能達(dá)公司；SW23水浴搖床，德國(guó)優(yōu)萊博公司；LXJ-IIB離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠；UV-1800紫外分光光度計(jì)，日本島津公司；TM3000臺(tái)式顯微鏡，日本日立公司；Nicolet iS5傅里葉紅外光譜儀，美國(guó)賽默飛世爾公司；UItima IV型X射線衍射儀，日本理學(xué)公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 粗膳食纖維制備[7]

挑選無(wú)機(jī)械損傷，筍齡和外觀一致的新鮮雷筍50 kg。去殼處理后，將其在60 ℃下干燥48 h并用研磨機(jī)粉碎，并過(guò)80目篩獲得雷筍粉末。雷筍DF根據(jù)AOAC方法991.43制備，最后獲得1.5 kg未處理的雷筍膳食纖維粉末。

1.3.2 改性膳食纖維制備

根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使用纖維素酶和木聚糖酶分步酶解對(duì)雷筍膳食纖維進(jìn)行改性。取10 g雷筍膳食纖維粉末，加入50 mL 0.05 mol/L pH 6.8的PBS緩沖液，按添加量0.15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))加入纖維素酶，混勻，置于50 ℃振蕩水浴2 h，將pH調(diào)至4.8后加入0.15%的木聚糖酶，混勻，置于50 ℃振蕩水浴3 h。酶解結(jié)束后沸水浴10 min滅活，加入4倍體積的95%乙醇，靜置過(guò)夜，抽濾，并烘干粉碎，得到酶改性后雷筍膳食纖維。

1.3.3 色澤測(cè)定

使用色差儀測(cè)量樣品的色澤。顏色值表示為亮度/暗度(L*)，紅色/綠色(a*)和黃色/藍(lán)色(b*)。未處理雷筍膳食纖維用作計(jì)算總色差的參考。根據(jù)KIM等[8]的方法使用式(1)計(jì)算總色差：

ΔE=(ΔL2+Δa2+Δb2)1/2

(1)

1.3.4 持水力、持油力和膨脹力測(cè)定

根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]的方法測(cè)定持水力(g/g DF)，持油力(g/g DF)和膨脹力(mL/g DF)。

1.3.5 吸附能力測(cè)定

1.3.5.1 亞硝酸吸附能力

采用鐘希瓊等[11]的方法測(cè)定亞硝酸吸附能力(NIAC)，稍有改動(dòng)。將1 g DF樣品與25 mL NaNO2溶液(0.1 mol/L)混合，并將溶液的pH調(diào)節(jié)至2.0(模擬胃的pH環(huán)境)和7.0(模擬小腸的pH環(huán)境)。將混合物在水浴搖床中于37 ℃以120 r/min搖動(dòng)30 min，然后用離心機(jī)以4 000 r/min離心20 min以沉淀DF，收集上清液用于以下分析。亞硝酸鹽含量通過(guò)ZHU等[12]的方法測(cè)定。

1.3.5.2 膽固醇吸附能力

采用朱玉等[13]的方法對(duì)膽固醇吸附能力(CBC)進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了一些修改。取新鮮的蛋黃，并用9倍體積的蒸餾水充分?jǐn)嚧虺扇橐?。? g DF樣品與25 g蛋黃乳液混合，并將體系的pH分別調(diào)節(jié)至2.0和7.0。將混合物在37 ℃振蕩浴中以120 r/min搖動(dòng)2 h，并以4 000 r/min離心20 min以沉淀DF，然

后收集上清液。使用蛋黃乳液作為空白對(duì)照，在550 nm的波長(zhǎng)下測(cè)量吸光度。

1.3.6 掃描電鏡(SEM)分析

通過(guò)SEM在15 kV下觀察DF的表面和微結(jié)構(gòu)。將DF樣品用雙面導(dǎo)電膠帶裝載在樣品架上，并涂覆金層，然后進(jìn)行電子顯微鏡觀察和樣品拍照。

1.3.7 傅里葉紅外光譜(FT-IR)分析

用FT-IR光譜儀測(cè)量DF分子結(jié)構(gòu)的變化。取干燥的樣品(2mg)用KBr(100 mg，光譜級(jí))研磨，壓片制成透明薄片，并用空白KBr作為背景。掃描次數(shù)：20次，分辨率，4 cm-1，掃描范圍：500～4 000 cm-1。

1.3.8 X-射線衍射(XRD)分析

利用步進(jìn)掃描法。測(cè)定參數(shù)為：靶：Cu-Kα；步寬：0.02°；掃描速率：2°/min；掃描范圍：2°～40°。結(jié)晶度[14]使用式(2)從曲線下的峰面積計(jì)算：

(2)

式中:Dc為結(jié)晶度;Ac為結(jié)晶區(qū)域;Aa為非晶區(qū)域。

1.3.9 數(shù)據(jù)處理

每組數(shù)據(jù)平行測(cè)定3次并表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。使用SPSS 19.0進(jìn)行方差和顯著性分析，利用Origin 2017軟件繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 酶改性對(duì)膳食纖維組成的影響

表1顯示了酶改性前后DF的組成。與對(duì)照組的SDF含量(1.02±0.04)%相比，酶改性后顯著提高了SDF含量，達(dá)到了對(duì)照組的6.67倍。TDF含量沒(méi)有顯著變化(P>0.05)，但是IDF含量與對(duì)照組相比顯著降低，這是因?yàn)槔w維素酶水解的纖維素和木聚糖酶水解的半纖維素都是IDF的重要組成部分，水解產(chǎn)生的寡糖和小分子糖則提高了SDF含量。WEN等[15]也有類似的結(jié)論：纖維素酶和木聚糖酶處理米糠膳食纖維后可增加SDF含量。此外，酶改性后水分含量增加但是灰分含量降低。

表1 酶改性膳食纖維的組成成分 單位：%Table 1 The composition of dietary fiber with enzyme modification treatments

注：同列不同字母表示差異顯著(P< 0.05)，相同字母則表示差異不顯著(P> 0.05)。下同。

2.2 酶改性DF的色度

由表2可知，與未處理DF相比，酶改性處理后L*值，a*值和b*值均顯著降低(P<0.05)，這可能是由于小分子糖促進(jìn)干燥過(guò)程中的褐變反應(yīng)導(dǎo)致的[16]。L*值降低，表示亮度降低，b*值為正且相對(duì)較高，說(shuō)明在黃綠之間更傾向于黃色。在食品加工中，可根據(jù)所生產(chǎn)食品的色澤要求添加不同類型的DF產(chǎn)品，NAEEM等[17]在餅干中添加竹筍膳食纖維時(shí)，觀察到了良好的感官接受度。

表2 酶改性膳食纖維的顏色和總色差Table 2 Color parameters and total color differences of dietary fiber with enzyme modification treatments

2.3 酶改性DF的持水性、持油性和膨脹力

DF的持水量(WHC)，持油量(OHC)和膨脹能力(SC)的差異可能與粒徑，孔隙率，電荷密度，比表面積和空間結(jié)構(gòu)有關(guān)[18]。表3顯示了酶處理后DF的WHC、OHC和SC均顯著增加(P<0.05)。

表3 酶改性膳食纖維的理化性質(zhì)Table 3 physicochemical properties of dietary fiber with enzyme modification treatments

據(jù)推測(cè)，酶改性后DF的比表面積增加，DF的松散結(jié)構(gòu)暴露出更多的極性和非極性基團(tuán)，從而增強(qiáng)了WHC和OHC，YU等[19]在用酶改性胡蘿卜果渣的不可溶性膳食纖維后得到了類似的結(jié)果。纖維素酶和木聚糖酶降解了一些IDF，使整個(gè)結(jié)構(gòu)變得龐大并增加了SC，并且有研究表明SC與SDF的含量呈正相關(guān)[20]，因此SC增加也可能與SDF含量增加有關(guān)。

2.4 酶改性DF的吸附亞硝酸鹽和膽固醇能力

一些流行病學(xué)研究表明，過(guò)量攝入亞硝酸鹽被認(rèn)為對(duì)人體健康有害，并可能增加患癌癥的風(fēng)險(xiǎn)[21]。表4顯示了酶改性前后DF的亞硝酸根離子吸收能力(NIAC)，酶改性后NIAC在模擬小腸和胃的pH下均顯著增加(P< 0.05)。結(jié)果表明，酶改性后有助于防止過(guò)量亞硝酸鹽引起的人體中毒。此外，發(fā)現(xiàn)NIAC在pH 2.0的條件下有更高的吸收能力，說(shuō)明DF在胃中比在腸中能吸收更多的亞硝酸根離子。不同pH下NIAC之間的差異可能是由DF中的阿魏酸引起的[21]，酚酸基團(tuán)對(duì)亞硝基有較強(qiáng)的吸附作用，但在小腸環(huán)境中，由于pH值的升高使得阿魏酸上的羧基發(fā)生解離，從而排斥NO2-，影響了吸附效果。

表4還顯示了酶改性前后DF的膽固醇吸附容量(CAC)。酶改性后顯著提高了雷筍DF的CAC(P< 0.05)，CAC分別提高了2.16倍(pH 7.0)和1.41倍(pH 2.0)。DF對(duì)膽固醇的吸附通常是化學(xué)和物理吸附的作用。最近的研究報(bào)道，SDF的CAC比IDF更高[22-23]，因此酶改性后CAC的增加可能與其SDF含量增加有關(guān)。此外，pH值是CAC的一個(gè)重要影響因素。在pH 7.0條件下，CAC的數(shù)值明顯比pH 2.0下的更高，這可能是由于SDF中部分側(cè)鏈基團(tuán)在較高pH下發(fā)生了解離。

表4 酶處理膳食纖維亞硝酸根和膽固醇的體外吸收能力Table 4 In vitro binding capacities to sodium nitrite and cholesterol of dietary fiber with enzyme modification treatments

2.5 掃描電鏡分析

在圖1中，顯示了酶改性前后的膳食纖維的微觀結(jié)構(gòu)。觀察到未處理膳食纖維的表面較為光滑，組織較致密，孔隙較少，呈束狀結(jié)構(gòu)。酶改性后，膳食纖維的表面更為疏松，形成了較多孔隙，呈現(xiàn)了更復(fù)雜的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這和王佳等[24]的研究一致，其使用纖維素酶和木聚糖酶的酶處理導(dǎo)致竹筍膳食纖維的表面變得蓬松且?guī)в锌紫?。膳食纖維的比表面積增大，會(huì)暴露出更多的親水親油基團(tuán)，這導(dǎo)致了持水性、持油性和吸附能力的顯著增加。

圖1 雷筍DF未處理和酶改性的掃描電鏡圖Fig.1 Scanning electronic micrographs(SEM) of DF treated by enzyme

2.6 紅外光譜分析

酶解后DF顯示出與未處理樣品相似的光譜分布，但在相應(yīng)波長(zhǎng)下吸收強(qiáng)度略有變化。如圖2所示，3 400 cm-1處的寬吸收峰是纖維素和半纖維素的O-H伸縮振動(dòng)帶。酶改性后3 400cm-1處呈現(xiàn)較弱的峰，可能是因?yàn)楦男蕴幚韺?dǎo)致纖維素分子之間的氫鍵斷裂[15]。2 925cm-1處的吸收峰是多糖亞甲基的C-H振動(dòng)。在1 734 cm-1處觀察到未處理膳食纖維的肩峰是半纖維素的特征吸收峰，酶改性后該峰消失，這說(shuō)明木聚糖酶對(duì)半纖維素產(chǎn)生了分解作用。1 653 cm-1處的吸收峰是木質(zhì)素中的芳香苯引起的，1 546 cm-1和1 247 cm-1處的吸收峰是木質(zhì)素組分的特征性彎曲或拉伸[25]。在酶改性后，這些峰的強(qiáng)度均降低，表明一些木質(zhì)素被降解。1 370 cm-1和1 060 cm-1處的譜帶屬于木質(zhì)素和纖維素的共同帶[26]。897 cm-1處的峰是糖單元中β-糖苷鍵的伸縮振動(dòng)。

圖2 雷筍DF未處理和酶改性的紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra of DF treated by enzyme

2.7 X射線衍射

根據(jù)文獻(xiàn)，DF由有序結(jié)晶區(qū)(70%)和非晶(30%)組成。非晶區(qū)由無(wú)定形纖維素，半纖維素和木質(zhì)素組成[27]。從圖3可以看出，酶改性前后的X射線衍射圖形在形狀上相似，顯示出典型的纖維素Ⅰ晶體構(gòu)型。未處理DF在掃描角度2θ為20.10°有明顯的結(jié)晶衍射峰，酶改性DF在掃描角度2θ為20.39°有明顯的結(jié)晶衍射峰，同時(shí)在34.55°處有一個(gè)弱衍射峰。酶改性DF與未處理DF比較，結(jié)晶峰的2θ值相近，表明酶改性并沒(méi)有使晶型發(fā)生改變。由Jade 5.0軟件擬合后發(fā)現(xiàn)，酶改性后DF的結(jié)晶度(30.78%)低于未處理DF(33.72%)，CAO等[28]發(fā)現(xiàn)纖維素I的(002)晶面在酶水解過(guò)程中優(yōu)先水解，并且半纖維素通常與纖維素相連，但其具有隨機(jī)和無(wú)定形結(jié)構(gòu)，容易被半纖維素酶水解，因此在纖維素酶初期的水解期間結(jié)晶度應(yīng)該增加，然而結(jié)果與之相矛盾。這可能是因?yàn)殡S著酶解時(shí)間的增加，較多的內(nèi)切葡聚糖酶使得結(jié)晶區(qū)表面纖維素的大分子斷裂，并且在外切葡聚糖酶和纖維素二糖酶的協(xié)同作用下完全水解，導(dǎo)致結(jié)晶區(qū)減??；同時(shí)，結(jié)晶區(qū)某些部位分子鏈排列的無(wú)序性因?yàn)橥馇衅暇厶敲傅乃庾饔枚黾?，使得無(wú)定形區(qū)增加，兩方面的綜合影響使得酶改性后DF的結(jié)晶度發(fā)生了降低。LE等[29]報(bào)道了纖維素酶處理木漿纖維后纖維素結(jié)晶度快速降低。結(jié)晶度的降低表明DF的結(jié)構(gòu)更為松散，這和WHC、SC和吸附能力的改善結(jié)果一致。

圖3 雷筍DF未處理和酶改性的X射線衍射圖Fig.3 X-ray diffraction diagrams of DF treated by enzyme

3 結(jié)論

通過(guò)纖維素酶和木聚糖酶聯(lián)合改性雷筍膳食纖維，并比較了改性前后膳食纖維的理化性能和結(jié)構(gòu)特性的差異。酶法改性不僅可以顯著提高雷筍膳食纖維的SDF含量，而且可以改善膳食纖維的功能特性，改性后WHC、OHC、SC和吸附能力(CAC和NIAC)均得到有效增加；經(jīng)電鏡和波譜分析，酶法改性改變了雷筍DF的結(jié)構(gòu)特征，F(xiàn)T-IR顯示木質(zhì)素和纖維素部分降解，XRD表明其結(jié)晶度降低。經(jīng)比較說(shuō)明了酶處理對(duì)雷筍DF性能的影響，并從其結(jié)構(gòu)變化來(lái)闡述原因，為進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)雷筍新功能食品或食品添加劑提供了有益的指導(dǎo)。