李 楊 陳凡凡 楊 朔 郭增旺 王中江 滕 飛

(東北農業(yè)大學食品學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

膳食纖維可以調節(jié)人體吸收營養(yǎng)物質及排除有害物質，對機體自身調節(jié)發(fā)揮重要作用。膳食纖維的主要生理功能包括清理腸道垃圾[1]；預防和降低心腦血管疾病的發(fā)病率，如心臟病[2]、高血壓、冠心病[3]、肝臟等疾病[4]；降低膽固醇的吸收。膳食纖維包含可溶性膳食纖維(SDF)和不溶性膳食纖維兩種。與不溶性膳食纖維相比，SDF具有更好的生理功能和生物活性[5]，如降血脂、降膽固醇、降血糖、抗腫瘤[6]、抗氧化活性、凝膠形成能力和發(fā)酵能力等[7-10]，既能溶解于水，吸水膨脹，又能被大腸中微生物降解。在食品工業(yè)生產中可作為增稠劑、乳化劑、穩(wěn)定劑和脂肪替代物[6]。

我國是世界上大豆加工的主要國家之一，隨著大豆加工量的增大，大豆副產物也隨之增多，其中豆渣是大豆加工中最多的農業(yè)廢棄物，每年產量約為2 000萬t[11]。豆渣中總膳食纖維質量分數(shù)約為62.92%，其中SDF質量分數(shù)約為2.79%[12]。因此，大豆加工副產物豆渣可作為膳食纖維加工的重要原料。充分利用我國的大豆資源及其加工副產物，利用先進的科學技術對其進行改性處理，改良生產工藝，開發(fā)SDF的保健產品，是該領域可持續(xù)發(fā)展的方向。

輻照技術作為一種殺菌技術，以其能耗低、無毒物殘留、無污染、滅菌徹底、不破壞營養(yǎng)成分、操作簡單、耗時短和適合大批量殺菌等獨特優(yōu)勢，越來越受到生產加工和改性技術研究的重視[13]。在保證糧食的安全和衛(wèi)生條件下，通過運用γ射線、X射線或高能電子束等電離輻射產生的射線對糧食進行處理[14]，可降低農產品和食品的損失，增加產品的附加值[15]。多年來，國內外眾多學者對輻照大豆的理化性質進行了研究，大量研究結果表明，輻照僅使大豆色澤變暗、粗脂肪含量及電導率稍提高[16]，對大豆品質、含油率、蛋白含量、氨基酸組成及含量基本無影響[16-17]，并且適當劑量的輻照可提高蛋白功能[18]。但輻照對大豆中膳食纖維尤其是SDF的影響并未被深入研究。

為進一步探究輻照對豆渣SDF結構與性質的影響，本文采用輻照技術對豆渣進行處理，并通過掃描電鏡、紅外光譜和X射線衍射研究輻照對SDF結構特性的作用機制，探究不同輻照劑量對SDF結構性質、結晶度、膨脹力、陽離子交換能力、持水力、結合水力、α-葡萄糖苷酶活性和抗氧化性的影響，分析引起SDF理化性質變化的原因，為豆渣儲藏和SDF的應用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1材料

豆渣(豆粉副產物，含水率85%，蛋白質質量分數(shù)3.0%，脂肪質量分數(shù)0.5%，碳水化合物(纖維素、多糖等)質量分數(shù)8.0%)：由北大荒綠色健康食品有限責任公司提供，大豆品種為黑農84 (蛋白質量分數(shù)40%)；木瓜蛋白酶(酶活力800 U/mg)，北京索萊寶科技有限公司；ABTS試劑，北京索萊寶科技有限公司。

1.1.2設備

XRD-6100型島津X射線衍射儀，深圳市瑞盛科技有限公司；FTIR-650型傅里葉變換紅外光譜儀，天津港東科技股份有限公司；SU8010型發(fā)射掃描電鏡，青島澳信儀器有限公司；755B型分光光度計，上海精密科學儀器有限公司；Alpha-4型冷凍干燥器，德國Christ公司；輻照儀器，劑量率0.2 kGy/h；HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋，常州丹瑞實驗儀器設備有限公司；GL10MD型高速冷凍離心機，湖南湘儀離心機儀器有限公司；SZ-1型快速混勻器，常州國宇儀器制造有限公司。

1.2 SDF的提取

參照文獻[19]方法并略加改動。取新鮮豆渣清洗兩遍，置于105℃鼓風干燥箱干燥后，采用0、2、4、6、8、10 kGy不同輻照劑量進行輻照得輻照預處理豆渣。將輻照預處理豆渣按液料比20 mL/g與蒸餾水混合，加入豆渣質量2%的木瓜蛋白酶，于55℃、pH值7.4下酶解1.5 h后，在4℃離心機中8 000 r/min離心20 min，取上清液，真空過濾除渣后，按4倍體積的95%乙醇溶液沉淀24 h，將沉淀物于55℃下干燥至質量恒定，4℃密封備用，得0、2、4、6、8、10 kGy不同輻照劑量處理后的豆渣SDF。

1.3 微觀結構的測定

參照文獻[20]的方法并改動。將SDF樣品粉碎后，過100目篩，取1 mg樣品沾樣測試，采用離子濺射方法鍍金，通過掃描電子顯微鏡對制備好的樣品進行5 000倍的觀察分析，得到相應的掃描電鏡圖。

1.4 SDF結晶特性的測定

參照文獻[21]研究方法。將干燥后樣品于瑪瑙研缽中研磨約15 min，過100目篩，取1 g樣品進行結晶度測試。測試條件：管流管壓分別為30 mA、30 kV；靶型：Cu；步長：0.02；起始角：10°；終止角：70°。

1.5 SDF基本結構的測定

參照文獻[22]的研究方法，稱取2 mg樣品，磨碎后混入溴化鉀純品(200 mg)，于瑪瑙研缽中研磨約15 min后進行壓片(壓力140 N，時間1 min)，將樣品薄片放入樣品架，置于紅外光譜儀內掃描，掃描范圍為400～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，信號掃描累加64 次，繪制紅外光譜圖。

1.6 SDF理化特性的測定

1.6.1提取率

參照文獻[23]的方法。將輻照預處理豆渣10 g(m2)按液料比20 mL/g與蒸餾水混合，加入豆渣質量2%的木瓜蛋白酶，于55℃、pH值7.4下酶解1.5 h后，在4℃離心機中8 000 r/min離心20 min，取上清液，真空過濾除渣后，按4倍體積的95%乙醇溶液沉淀24 h，將沉淀物于55℃干燥至質量恒定，此時質量為m1。SDF提取率計算公式為

(1)

1.6.2持水力和結合水力

參照文獻[24]研究方法，取0.300 g SDF樣品，質量記為m3，按液料比20 mL/g加入去離子水，混勻2 min后靜置24 h，于1 500 r/min下離心10 min，取沉淀稱量，質量記為m4。其持水力計算公式為

(2)

式中W——持水力，g/g

參照文獻[25]的研究方法，將0.1 g豆渣SDF樣品浸泡于25 mL 4℃的純水中，干樣品質量記為m7，4 000 r/min離心1 h，除去上清液，殘留物于G-2型砂芯坩堝中靜置1 h，稱取該殘留物質量m5，然后在120℃下干燥2 h后，再次稱質量m6，兩者差值即為結合水的質量。結合水力計算公式為

(3)

式中C——結合水力，g/g

1.6.3膨脹力

參照文獻[26]方法，準確稱取SDF樣品1.0 g于直徑為1.5 cm的試管中，樣品質量記為m8，記膳食纖維體積為V1，按液料比20 mL/g加入去離子水，充分混勻，于室溫(20℃)下放置16 h，記吸水后膳食纖維體積V2。膳食纖維的吸水膨脹指數(shù)計算公式為

(4)

式中L——吸水膨脹指數(shù)，mL/g

1.6.4陽離子交換能力

參照文獻[27]的方法，準確稱取豆渣SDF樣品300 mg，溶解于30 mL 0.01 mol/L HCl溶液中，在4℃下靜置12 h，將0.2 mL的0.1 mol/L NaOH進行滴定，記錄NaOH溶液消耗體積和pH值變化，根據得到的數(shù)據作pH值-NaOH溶液消耗體積關系圖。

1.6.5體外抑制α-葡萄糖苷酶活性

參照文獻[28]的方法，取100 mg豆渣SDF溶于蒸餾水中，由0.45 μm濾膜過濾，配成20 mg/mL的樣品溶液。依次取0.2、0.3、0.4、0.6、0.8、1.0 mL樣品溶液，加入蒸餾水定容至2 mL，配制不同質量濃度梯度的待測樣品溶液。在96孔酶標板中先后加入100 μL濃度為0.5 mol/L的磷酸鹽緩沖溶液、20 μL質量濃度為0.913 3 mg/mL的底物PNPG(對硝基苯基-β-D-吡喃半乳糖苷)溶液、20 μL酶溶液、15 μL不同質量濃度梯度的待測樣品溶液，水平振蕩混勻并密封，置于37℃培養(yǎng)箱中反應1 h，然后依次加入50 μL濃度為0.57 mo1/L的Na2CO3溶液終止反應。在405 nm波長處的吸光度與α-葡萄糖苷酶抑制率正相關。α-葡萄糖苷酶抑制率的計算公式為

(5)

式中G——α-葡萄糖苷酶抑制率

A1——樣品組的吸光度

A2——空白組的吸光度

1.7 體外抗氧化能力

參照文獻[29]等的方法進行測定，將樣品用磷酸鹽緩沖溶液(0.2 mol/L，pH值7.4)配制為不同多肽濃度的溶液。用7.4 mmoL/L ABTS儲液與2.45 mmoL/L過硫酸鉀溶液等體積混合并于室溫暗處反應12～16 h以制備ABTS·+儲液。用上述緩沖溶液適當稀釋ABTS·+儲液，使其在波長734 nm處的吸光度為0.70±0.02。為測定樣品的ABTS·+自由基清除能力，取4 mL稀釋后的ABTS·+溶液，加入200 μL樣品溶液并混合均勻，于暗處反應6 min后，測定其在734 nm處的吸光度。以不含樣品的緩沖溶液作為空白。標準曲線的測定:磷酸鹽緩沖溶液將10 mmol/L Trolox(水溶性維生素E)標準溶液稀釋成0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 mmol/L，按照測定樣品的方法測定標準曲線。ABTS·+自由基清除率計算公式為

(6)

式中Asample——樣品的吸光度

Ablank——空白的吸光度

總抗氧化能力計算公式為

Y=C1/C2

式中C1——樣品的ABTS·+抑制率與Trolox的ABTS·+抑制率相等時Trolox的濃度，mmol/L

C2——樣品的質量濃度，取1.0 mg/mL

Y——總抗氧化能力，mmol/g

1.8 統(tǒng)計分析

每組試驗進行3次平行試驗，并將試驗數(shù)據進行誤差分析。采用統(tǒng)計學軟件SPSS 20.0 進行方差分析和差異顯著性分析(顯著性水平P<0.05)，采用Origin 8.5 軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 掃描電鏡(SEM)方法

由圖1可知，隨著輻照劑量的增大，豆渣SDF的微觀結構由開始的略有褶皺、結構疏松，而逐漸變得蓬松并呈現(xiàn)蜂窩狀，且在酶解時間為30 min時SDF結構最蓬松，但隨著輻照強度的持續(xù)增加，SDF表面破裂，形成片狀結構，且片狀結構數(shù)目和體積隨輻照劑量的增大而逐漸增大，最終形成塊狀。這表明輻射會誘導纖維素、淀粉和果膠等多糖的降解并發(fā)生分子鏈中的糖苷鍵斷裂[30]、分子量降低及分子之間的相互作用力變弱，促進羰基及雙鍵的形成，進而導致SDF的結構松弛，呈蜂窩狀結構[31]，且輻照劑量越大，組織軟化程度越顯著[32]；但當輻照劑量超過6kGy時，豆渣SDF聚合度下降，進而表面結構發(fā)生斷裂[33]，組織結構松散。

圖1 輻照劑量對SDF顯微結構的影響Fig.1 Effect of irradiation dose on microstructure of SDF

2.2 X射線衍射測試方法

X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)是通過X射線在晶體中所產生的衍射現(xiàn)象來反映物質結晶特性和結晶度的分析方法[34-35]。整體峰型表征樣品的晶體類型，衍射峰強度的增大表明該衍射角度處的結晶度增大。由圖2可知，輻照處理并不會引起峰型改變，且各樣品在掃描角度(2θ)為22.3°、28.0°處均有明顯的吸收峰，這表明6種SDF的晶體均為I型纖維素類型,由有序的結晶纖維素區(qū)和無序的纖維素和半纖維素區(qū)組成，輻照技術并不會改變SDF的纖維素類型；隨著輻照劑量的增大，其峰強度出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且在輻照劑量為6 kGy時達到峰值。此時結晶度也由19.34%提高到23.12%，但隨著輻照劑量持續(xù)增大，結晶度反而降低，這表明輻照強度對衍射峰強度的影響具有兩面性。其原因可能為輻照可破壞膳食纖維的表面結構，切斷膳食纖維的分子鏈，軟化多糖組織結構[32],降解半纖維素和木質素等雜質，暴露結晶區(qū)[21]，促使衍射峰強度增強，但隨著輻照劑量的進一步增大，暴露的結晶區(qū)發(fā)生降解[21],減小了晶體粒度，導致長結晶區(qū)域形成無序區(qū)，進而使結晶度降低。這與掃描電鏡的實驗結果一致，進一步證明了輻照對膳食纖維結構的降解作用。

圖2 不同輻照劑量SDF的X衍射光譜圖Fig.2 X-ray diffraction spectrum of different irradiation doses of SDF

2.3 紅外光譜分析法

圖3 不同輻照劑量SDF的紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectrum of different irradiation doses of SDF

2.4 SDF的理化指標測定

2.4.1提取率

由圖4(圖中不同字母表示差異顯著，下同)可知，隨著輻照劑量的增大，豆渣SDF的提取率呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，且在輻照劑量超過6 kGy時提取率增加率減小并趨于定值。與未經輻照的豆渣SDF相比，經過6 kGy輻照豆渣SDF提取率從2.36%提高到4.15%，提高了1.79個百分點。研究表明，輻照處理能使豆渣的微觀結構發(fā)生破壞，切斷多糖物質的分子鏈[38]，將半纖維素轉化成SDF[28],并且促進了SDF的溶出，進而顯著提高SDF的提取率。

圖4 輻照劑量對豆渣SDF提取率的影響Fig.4 Effect of irradiation doses on extraction rate of bean dregs SDF

2.4.2持水力和結合水力

持水力通常指分子(通常以低濃度構成的大分子)構成的機體通過物理方式截留大量的水而阻止水滲出的能力。結合水力通常與其分子中親水基團的暴露量有關,親水基團暴露得越多, 結合水力越高[39]。由圖5可知，隨著輻照劑量的增大，SDF的持水力和結合水力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且在輻照劑量為6 kGy時持水力和結合水力達到最大，結合水力從2.93 g/g增至3.21 g/g，持水力從2.94 g/g增至3.46 g/g。這表明適當?shù)妮椪仗幚砜梢燥@著提高持水力和結合水力，其原因是輻照處理可以使膳食纖維的糖苷鍵發(fā)生斷裂，導致多糖纖維素的降解和氫鍵的斷裂[30]，其微觀結構轉變?yōu)榉涓C狀，為水分子的儲存提供了更多空間[40]，從而增強SDF的持水性[41]，降低鏈間的氫鍵[42]，并誘導膳食纖維結構中親水性基團的暴露，促使結合水力提高；但是輻照劑量過大時，會導致SDF的網狀結構發(fā)生破壞，造成持水力和結合水的能力下降。

圖5 輻照劑量對SDF持水性的影響Fig.5 Effect of irradiation doses on water retention of SDF

2.4.3膨脹力

由圖6可知，隨著輻照劑量的增大，膨脹力呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，從4.24 mL/g增至5.36 mL/g，且當輻照劑量大于6 kGy時，SDF的膨脹力增大速度逐漸減慢直至平緩，其表明適當?shù)妮椪談┝繉ι攀忱w維的膨脹力有顯著的提高作用。研究表明，粒度可影響膳食纖維的膨脹力[43]，輻照可使部分SDF斷裂轉變?yōu)樾》肿樱瑥亩股攀忱w維致密的網狀結構變得疏松，體積和比表面積有所增大，同時可溶物質含量增多，從而導致膳食纖維膨脹性提高；但由于SDF含有β-葡聚糖[44],當膳食纖維顆粒過小時，β-葡聚糖含量減小，膨脹性被限制[45]，且SDF吸水膨脹后相互之間產生的阻力阻礙SDF膨脹進而膨脹力減小[46]，這表明適當輻照劑量可提高SDF的膨脹力。

圖6 輻照劑量對SDF膨脹力的影響Fig.6 Effect of irradiation doses on expansion of SDF

2.4.4陽離子交換能力

陽離子交換能力與其羧基、羥基等離子型官能團的暴露量有關[47]，陽離子交換能力的曲線斜率越大，樣品陽離子交換能力越差[48]。由圖7可知，隨著輻照劑量的增大，曲線斜率逐漸減小，這表明陽離子交換能力呈逐漸增大的趨勢。在NaOH溶液消耗量為1.8 mL時，溶液的pH值趨于穩(wěn)定，陽離子交換能力基本達到平衡。膳食纖維的組織結構一般均帶有一些側鏈基團，這些含有羧基和氨基的側鏈基團可與一些陽離子實現(xiàn)可逆交換。輻照劑量的增大使膳食纖維的比表面積增大、粒度減小，使更多能進行有機陽離子交換的基團暴露出來，從而呈現(xiàn)出一種能維持pH值穩(wěn)定和離子濃度平衡的作用。隨著輻照劑量的進一步增大，豆渣SDF粒度減小，分子中的羧基、羥基和氨基等側鏈暴露增多，其弱酸性表現(xiàn)得更明顯，陽離子交換能力更強[49]。通過改變離子的瞬時濃度，影響消化道的pH值、滲透壓及氧化還原電位等，進而為消化提供一個更有利的環(huán)境[50]。

圖7 輻照對豆渣SDF陽離子交換能力的影響Fig.7 Effect of irradiation on ion exchange capacity of soybean slag

圖8 輻照對豆渣SDF α-葡萄糖苷酶抑制率的影響Fig.8 Effect of irradiation on α-glucosidase inhibition rate of soybean slag

2.4.5體外抑制α-葡萄糖苷酶活性

α-葡萄糖苷酶水解α-1,4-葡萄糖苷鍵后釋放出對硝基苯酚(pNP)[51]，SDF可抑制α-葡萄糖苷酶活性，進而減少pNP的生成量[52]，從而使405 nm波長處的峰強度發(fā)生變化。圖8中斜率越大，SDF對α-葡萄糖苷酶的抑制率越強，則人體對單糖的吸收越小，降糖效果越明顯。由圖8可知，隨著輻照劑量的逐漸增大，豆渣SDF對α-葡萄糖苷酶的抑制率呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，與未經輻照的SDF相比，經過輻照豆渣SDF對α-葡萄糖苷酶的抑制能力更強，且輻照劑量越大抑制效果越明顯。研究表明，膳食纖維的生物活性與分子質量和單糖組成有密切關系[53]，輻照可降低SDF的分子量，且輻照劑量越大降解效果越明顯，而低相對分子質量糖類因不能形成聚合結構而表現(xiàn)出良好的生物活性[28]。因此輻照劑量越大豆渣SDF對α-葡萄糖苷酶抑制效果越明顯。結果表明，輻照豆渣SDF具有良好的體外抑制α-葡萄糖苷酶活性的能力。

2.5 體外抗氧化能力

圖9 輻照劑量對SDF抗氧化能力的影響Fig.9 Effect of irradiation doses on antioxidant capacity of SDF

ABTS法是基于分光光度法來測定樣品的抗氧化活性，ABTS試劑在氧化劑作用下會形成綠色的ABTS·+自由基，在抗氧化物存在時ABTS·+自由基的產生會被抑制[54]。由圖9可知，隨著輻照劑量的增加，SDF的抗氧化能力先增大后減小，且在6 kGy時抗氧化能力達到最大(從7.37 mmol/g提高到8.6 mmol/g)，這表明適當?shù)妮椪談┝靠商岣逽DF抗氧化能力。SDF中含有供氫體，供氫體的釋放量越多，提供電子使自由基變?yōu)榉€(wěn)定的物質從而中斷自由基連鎖反應的能力越強，進而抗氧化效果越明顯。研究表明，輻射處理可以影響SDF構象變化，例如交聯(lián)、共價鍵斷裂和自由基的形成等，而共價鍵的斷裂可暴露出更多的活性基團，在增加其親水性的同時抗氧化相關活性物質的溶出量也增大，最終供氫體的釋放量增多[55]。但隨著輻照劑量的進一步增大，供氫體釋放量減少，SDF抗氧化能力減弱，因此低輻照劑量條件下可提高SDF的抗氧化能力，這與文獻[56]的研究結果一致。

3 結論

(1)與未經輻照相比，輻照劑量為6 kGy的豆渣SDF結晶度由19.34%提高到23.12%，微觀結構變化較為明顯，紋理細膩蓬松，分布均勻。上述變化表明，輻照劑量增加會使膳食纖維結構發(fā)生降解，結晶區(qū)被破壞，共價鍵斷裂，隱藏基團暴露增多，纖維結構變得疏松膨脹，持水性下降。輻照對豆渣SDF理化性質和結構特性具有明顯的改良作用。

(2)豆渣經過輻照處理后，豆渣SDF的提取率、膨脹力、陽離子交換能力、持水力和結合水力可得到明顯改善。與未經輻照相比，豆渣SDF提取率從2.36%提高到4.15%，膨脹力從4.24 mL/g增大到5.36 mL/g，結合水力從2.93 g/g增大到3.21 g/g，持水力從2.94 g/g提高到3.46 g/g，抗氧化能力從7.37 mmol/g提高到8.6 mmol/g。