萬仁口，李功景，賀楊正，李紅艷，袁傳明，鄧澤元*

（1 南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室 南昌330047 2 江西廣雅食品有限公司 江西樂安344300）

膳食纖維是一類不易被人體本身所具有的內(nèi)源酶消化且不易被人體吸收的物質(zhì)[1-3]。它是一種公認(rèn)的功能性食材，被列為“第七大營養(yǎng)素”[4]，同時還被稱作“腸道清道夫”。依據(jù)在水中溶解性的不同，膳食纖維分為可溶性膳食纖維（SDF）和不溶性膳食纖維（IDF）2 種[5-6]。膳食纖維具表現(xiàn)出極強的水合性質(zhì)，吸水膨大后在人體小腸內(nèi)形成膠狀物，可增加飽腹感、促進(jìn)腸道的收縮和蠕動，進(jìn)而有效地控制肥胖[7-8]。膳食纖維不僅可吸附NO2-、膽酸鹽等小分子物質(zhì)，減少外源有害物質(zhì)的危害，還能夠吸附葡萄糖分子，進(jìn)而延緩和抑制對糖的吸收，降低餐后血糖值，預(yù)防糖尿病[9]。膳食纖維能阻滯或者降低人體對脂質(zhì)吸收，進(jìn)而起到調(diào)節(jié)血脂的作用。膳食纖維可減少心血管和胃腸道疾病，預(yù)防結(jié)腸癌[10-11]。大量研究表明，SDF 比IDF 在各上表現(xiàn)更為優(yōu)異，然而也有報導(dǎo)稱IDF 對有害物質(zhì)的吸附性優(yōu)于SDF[12]。不同來源的膳食纖維的化學(xué)組成（單糖和多糖組成）和結(jié)構(gòu)特性（形狀、鍵合結(jié)構(gòu)、粒度、結(jié)晶狀態(tài)）不同，使得其理化性質(zhì)各不相同，導(dǎo)致其保健功能可能存在較大差異。從膳食纖維結(jié)構(gòu)特性和功能性質(zhì)兩方面研究，對認(rèn)識不同來源的膳食纖維具有重要的意義。

竹筍是一種極具開發(fā)前景的新型膳食纖維資源，含有多種生物活性物質(zhì)[13]。本研究以竹筍為原料，采用纖維素酶解法制備竹筍膳食纖維，并在此基礎(chǔ)上測定3 種膳食纖維的基本物理性質(zhì)和單糖的組成情況，通過掃描電鏡、傅里葉紅外光譜、X光衍射和熱穩(wěn)定性等方法研究它們的結(jié)構(gòu)特性和理化性質(zhì)，為竹筍膳食纖維的加工利用提供試驗數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

竹筍，江西廣雅食品有限公司；食品級纖維素酶，南寧龐博生物工程有限公司；食品級糖化酶、α-淀粉酶，化學(xué)純胰酶、鹽酸萘乙二胺、對氨基苯磺酸、糠醛，Aladdin；化學(xué)純亞硝酸鈉、膽酸鈉、鹽酸、苯胺、酒石酸鉀鈉、苯酚，上海西隴科學(xué)股份有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

JSM 6701F 環(huán)境掃描電鏡（SEM），日本Hitachi 公司；D8 ADVANCEX 射線衍射儀，德國Bruker 公司；TGA 4000 熱重分析儀，美國PE 公司；Nicolet5700 傅里葉紅外光譜儀，美國Thermo Fisher Nicolet 公司；氣相色譜儀，美國Agilent 公司；酶標(biāo)儀，美國BioTek 公司。

1.3 方法

1.3.1 纖維素酶制取竹筍膳食纖維的工藝 準(zhǔn)確稱取5 g 竹筍樣品于500 mL 高腳燒杯中，加入200 mL 0.05 mol/L MES-TRIS 緩沖液，依次加入250 μL α-淀粉酶、500 μL 糖化酶及0.225 g 胰酶，于60℃恒溫振蕩水浴環(huán)境中分別反應(yīng)30 min，以去除淀粉、脂質(zhì)以及蛋白質(zhì)，過濾即得總膳食纖維（TDF）。添加0.7%纖維素酶（酶解pH 值為5.0，溫度45℃）后水浴振蕩3.5 h，用G2 砂芯坩堝過濾得IDF 和濾液，而后向濾液中加入95%乙醇溶液，醇沉4 h，離心得SDF 沉淀。IDF 和SDF 冷凍干燥后即得干燥粉末。

1.3.2 基礎(chǔ)物理性質(zhì)的測定 按照耿乙文等[14]的方法對竹筍SDF、IDF 以及TDF 的顏色、堆積密度及其休止角等基礎(chǔ)物理性質(zhì)進(jìn)行測定。

1.3.3 單糖組成測定

1）樣品的處理及衍生化[15]稱取10 mg 樣品加入含有2 mL TFA（2 mol/L）的安瓿瓶中，酒精噴燈封管后于110℃恒溫干燥箱中水解3 h，冷卻至室溫，氮氣吹干，徹底蒸除三氟乙酸。分別稱取各種單糖標(biāo)品10 mg 與處理后的樣品同步進(jìn)行糖腈乙酰化衍生反應(yīng)，操作如下：加入鹽酸羥胺10 mg，吡啶0.5 mL，90℃水浴振蕩30 min 后冷卻，加入0.5 mL 醋酸酐后于90℃水浴振蕩30 min，冷卻后進(jìn)行GC 分析。

2）GC 分析條件色譜柱：Agilent HP-5 毛細(xì)管柱；檢測器：FID 檢測器；載氣：高純氮氣，流速1 mL/min，分流比為20∶1；氣化室溫度：250℃；檢測器溫度：250℃；程序升溫：160℃保持2 min，然后以2℃/min 升至240℃保持5 min；進(jìn)樣量：1 μL。

1.3.4 結(jié)構(gòu)特性 少量竹筍粉末樣品噴金后，用電鏡觀察粉末表觀形態(tài)。膳食纖維用KBr 壓片法制樣后，采用紅外光譜儀測定纖維中基團的種類，波數(shù)測定范圍400～4 000 cm-1。取10 mg 膳食纖維試樣放入熱重分析儀樣品池中進(jìn)行熱性能測定，試驗條件為：氮氣流速50 mL/min，升溫速度10℃/min，溫度范圍30～900℃。將纖維樣品壓入樣品架中，在X 射線衍射儀上進(jìn)行XRD 分析，試驗條件為：Cu 靶Ka 輻射（X 射線波長0.154 nm），管電流30 mA，衍射方向0～20 聯(lián)動掃描方式，掃描角度5 °～50 °，掃描速度5 °/min。根據(jù)Segal 等[16]的研究，結(jié)晶度的計算公式如下：

式中，CI——結(jié)晶度，%；I002——膳食纖維的最大衍射強度；Iam——2θ角為18°下的衍射強度。

1.3.5 膳食纖維的基本特性 膨脹性（Swelling capacity，SC）、持水性（Water holding capacity，WHC）和持油性（Oil holding capacity，OHC）參照劉紅開等[5]的方法測定。

1.3.6 陽離子交換性（Canon exchange capacity，CEC）[16]稱取適量樣品浸沒于裝有0.10 mol/L HC1 溶液的錐形瓶中，于37℃振蕩24 h 后過濾，收集濾渣。用蒸餾水不斷沖洗濾渣直至用10%AgNO3檢測不到氯離子為止，最后減壓干燥至恒重。0.1 g 恒重樣品置于裝有100 mL 5% NaCl 溶液的錐形瓶中，充分振蕩混合均勻，用NaOH 溶液（0.01 mol/L）緩慢滴定（酚酞作指示劑），5 min 后不變色即為滴定終點。同時用純水替代鹽酸做空白試驗，CEC 按式（2）計算：

式中，m——樣品質(zhì)量，g；V1——試樣消耗NaOH 的體積，mL；V2——空白消耗NaOH 的體積，mL；c——NaOH 濃度，mol/L。

1.3.7 膳食纖維的吸附性能

1.3.7.1 膳食纖維對亞硝酸根離子的吸附性NO2-標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作參照GB 5009.33-2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中亞硝酸鹽與硝酸鹽的測定》。稱取1.0 g 樣品于裝有100 mL 的亞硝酸溶液（100 μmol/L）的錐形瓶內(nèi)，調(diào)節(jié)pH 值，37℃水浴振搖2 h 后過濾，棄去初濾液20 mL 后吸取1 mL 上清液。標(biāo)準(zhǔn)曲線為：y=0.7475x+0.0576，R2=0.9960，亞硝酸根離子的吸附量按式（3）計算：

1.3.7.2 膳食纖維對膽酸鈉的吸附性 稱取1.0 g 樣品加入裝有100 mL 0.15 mol/L NaCl 溶液（含0.2 g 膽酸鈉）的錐形瓶內(nèi)，調(diào)節(jié)pH 值至7.0，37℃水浴振蕩3 h 后離心（4 200 r/min，25 min），取0.5 mL 上清液用純水補充體積至1 mL。采用糠醛比色法測定，標(biāo)準(zhǔn)曲線為：y=0.8982x+0.0854，R2=0.9933，按式（4）計算膽酸鈉吸附量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

2 結(jié)果與分析

2.1 基礎(chǔ)物理性質(zhì)

在食品原料中添加膳食纖維可能會影響產(chǎn)品的感官特征[3，8]，因此對膳食纖維的色度、密度和流動性的測定十分必要。3 種膳食纖維的幾個基本物理性質(zhì)見表1。TDF 和IDF 的L、a、b 和ΔE 值相近，兩者均呈淺綠色，TDF 顏色較IDF 略淺，而SDF 呈乳白色，可能與成分組成有關(guān)。堆積密度反映膳食纖維的疏松程度，堆積密度小的膳食纖維，其結(jié)構(gòu)較為疏松，纖維之間空間較大，比表面積大，具有良好的表面活性。由表1可知，IDF 的堆積密度最小，結(jié)構(gòu)最為蓬松。休止角是體現(xiàn)粉末流動性能的指標(biāo)，角度越小則流動性越好，普遍認(rèn)為θ≤40 °時流動性好且符合生產(chǎn)要求。SDF 的休止角為34.07 °，具有較好的流動性；其次是TDF，休止角為39.49 °，可以滿足企業(yè)生產(chǎn)；而IDF 的休止角較大，流動性差，在產(chǎn)品生產(chǎn)中不太適合單一添加使用。

表1 膳食纖維的基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of dietary fiber

2.2 膳食纖維的單糖組成

3 種膳食纖維經(jīng)三氟乙酸水解、硼氫化鈉還原以及乙酸酐酯化為糖醇乙酸酯后通過GC 分析其主要的單糖組分。由表2可知，TDF 水解后的單糖以木糖、甘露糖和L-阿拉伯糖為主，含量之和可達(dá)87%以上，鼠李糖含量最低，僅為0.08%，可能與半纖維素的水解有關(guān)；SDF 中的阿拉伯糖、半乳糖和木糖的含量最高，分別為24.64%，38.05%和12.63%。IDF 中的木糖和L-阿拉伯糖含量最高，分別為41.77%和10.44%。

表2 膳食纖維單糖組成Table 2 The monosaccharide composition of dietary fiber

2.3 結(jié)構(gòu)特性

2.3.1 膳食纖維微觀結(jié)構(gòu) 通過環(huán)境掃描電鏡觀測的竹筍3 種膳食纖維的微觀結(jié)構(gòu)見圖1。3 種纖維的結(jié)構(gòu)具有明顯差異，TDF 的形狀不規(guī)則，塊狀較大，表面有很多褶皺，可以吸附水和葡萄糖等小分子顆粒。SDF 的顆粒松散，形狀較小且比較均一，顆粒表面蓬松且多有孔洞，比表面積大。IDF呈現(xiàn)附著顆粒狀物質(zhì)的緊致片層結(jié)構(gòu)，表面有球形物質(zhì)，可能是蛋白質(zhì)或淀粉顆粒。

圖1 膳食纖維的微觀結(jié)構(gòu)Fig.1 The micro-structure of dietary fiber

2.3.2 膳食纖維的紅外譜圖如圖2所示，IDF、SDF 和TDF 三者的峰型比較類似，說明3 種竹筍膳食纖維的化學(xué)組成成分基本相同。3 414.46 cm-1處是由分子間或分子內(nèi)-OH 基伸縮振動引起[17]；2 929.19 cm-1處的小尖峰是由糖類甲基和亞甲基上的C-H 伸縮振動引起的；1 619.87 cm-1 處的吸收峰由CHO 的C=O 非對稱收縮振動形成[18]。在此波數(shù)下，膳食纖維的吸收峰強弱順序為IDF＞TDF＞SDF，表明相較TDF 而言，-COO-在IDF 中含量較高，在SDF 中含量較少。在酶解提取SDF的過程中，部分結(jié)構(gòu)被一定程度降解，致使特征吸收峰有所減弱。1 384.20 cm-1和1 250.22cm-1 處的小尖峰是由-CH 變形振動引起的，為糖類特征吸收峰，SDF 在這2 個波數(shù)下的峰更加尖銳，可能與半纖維素降解、糖單元間鏈接鍵斷裂、β糖苷鍵外露有關(guān)[19]。1 047.27 cm-1處的吸收峰是半纖維素糖單元中的環(huán)狀C-O-C 中的C=O 伸縮振動或者CO-H 中的O-H 變形振動峰引起的[20]。在波數(shù)1 047 cm-1處，IDF 和TDF 的吸收譜帶相對SDF 較寬，說明羥基所形成的氫鍵作用增強；620.20 cm-1處是糖分子中β型C-H 直立鍵的變形振動吸收峰。

圖2 竹筍膳食纖維紅外圖譜Fig.2 The infrared spectrum of dietary fiber from bamboo shoot

2.3.3 膳食纖維的衍射圖 研究表明，纖維素類物質(zhì)由有序結(jié)晶區(qū)和無序非結(jié)晶區(qū)兩部分組成[20-21]。衍射強度受纖維的結(jié)晶度以及照射角2θ的影響，根據(jù)它們的變化可以繪制XRD 曲線。圖3是3 種竹筍膳食纖維的衍射圖。由圖3可知，TDF 的衍射峰的2θ角有3 個，分別在21.92 °，31.15 °和45.50 °左右，表明該竹筍的纖維結(jié)晶屬于纖維素Ⅰ型；IDF 有1 個衍射峰，2θ角在21.72 °左右，衍射峰強度較TDF 大；SDF 有1 個衍射峰，其2θ角為20.22 °，衍射峰強度較TDF 小。衍射角2θ在15 °～25 °范圍內(nèi)主要是纖維素和半纖維素衍射峰，SDF 的分子質(zhì)量小，聚合度低，導(dǎo)致其纖維素和半纖維素結(jié)晶區(qū)強度弱，衍射峰強小。通過X 射線衍射圖譜不僅可以推斷竹筍纖維的結(jié)晶類型，還可以估算其結(jié)晶度大小。經(jīng)計算，TDF、IDF 和SDF 三者的結(jié)晶度分別為27.32%，25.48%和17.86%，SDF 的結(jié)晶度最低，不溶性膳食纖維與總膳食纖維的結(jié)晶度相近。

圖3 膳食纖維衍射圖Fig.3 XRD of dietary fiber

2.3.4 膳食纖維的熱穩(wěn)定性 膳食纖維的熱穩(wěn)定性分析結(jié)果見圖4。在熱重曲線（Thermal Gravity Analysis，TG）曲線中，3 種膳食纖維表現(xiàn)出相似的失重規(guī)律：第1 階段，從50℃開始，隨著溫度的升高，膳食纖維質(zhì)量緩慢地降低，可能是與膳食纖維中的水分損失有關(guān)；第2 階段，溫度在250℃左右，膳食纖維的質(zhì)量開始顯著減少，在450～500℃范圍內(nèi)失重放緩，與纖維的高溫分解有關(guān)。最終TDF 的保留率為21.21%，其次是IDF 為19.77%，SDF 的保留率最低，為15.67%。SEM 表明TDF 與IDF 結(jié)構(gòu)較SDF 更為緊致，需要更高的溫度才能被降解。一般認(rèn)為降解溫度越高，纖維的熱穩(wěn)定性越好，其結(jié)晶度也越高[22]。綜合XRD 分析結(jié)果，TDF 的結(jié)晶度最高，因此其穩(wěn)定性最好。

圖4 膳食纖維的熱穩(wěn)定性Fig.4 The TG of dietary fiber

2.4 膳食纖維基本特性

由表3可知，SDF、TDF 和IDF 3 種膳食纖維的WHC 分別為7.40，4.68 g/g 和6.48 g/g，OHC 分別為6.54，2.21 g/g 和5.73 g/g，SC 分別為6.62，4.07 mL/g 和1.75 mL/g，表明可溶性膳食纖維表現(xiàn)出更好的水合性能。持水性、持油性表示膳食纖維吸附小分子的能力，膨脹性表示因膳食纖維吸水而膨脹的能力[23]，它們均與纖維的結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、表面性質(zhì)以及疏水親油性能等有關(guān)[24]。SEM 結(jié)果表明SDF 的粒徑較小且疏松多孔，比表面積大，因此暴露的親水基團多，能夠很好地吸附油和水等小分子物質(zhì)而表現(xiàn)出好的水合性能[25-26]。

3 種膳食纖維的CEC 如表3所示。CEC 排序為：SDF（0.56 mmol/g）＞TDF（0.459 mmol/g）＞IDF（0.30 mmol/g），說明SDF 具有較強的陽離子吸附能力。膳食纖維CEC 的大小取決于不同數(shù)量的官能團，其主要受纖維結(jié)構(gòu)中親水基團的影響[27]。SDF 的粒徑小，暴露的羥基和羧基等基團多，這些基團使其CEC 相對更強，能在短時間內(nèi)降低某一陽離子濃度，從而影響腸道環(huán)境，給消化吸收提供緩沖環(huán)境[1]。

表3 膳食纖維的持水性、持油性、膨脹性及陽離子交換能力Table 3 WHC，OHC，SC and CEC of dietary fibres

2.5 膳食纖維的吸附性能

2.5.1 膳食纖維對亞硝酸根離子的吸附性NO2-是一種能夠在體內(nèi)與仲胺等物質(zhì)結(jié)合并生成致癌物的活性離子，正常情況下，食物中膳食纖維對NO2-的吸附主要發(fā)生在胃部（pH=2），這可以保護(hù)胃部，進(jìn)而避免或者減輕NO2-對人體的毒害作用[28]。膳食纖維對NO2-吸附性能是評價其品質(zhì)的重要指標(biāo)[29]，本試驗測定了SDF、TDF 和IDF 3 種膳食纖維吸附亞硝酸根離子的能力，結(jié)果如圖6所示。當(dāng)pH 值為2 時，SDF、TDF、IDF 3 種膳食纖維亞亞硝酸根離子的吸附量分別為4.65，6.30，6.20 μg/g，TDF 和IDF 對NO2-離子的吸附能力基本一致，均顯著強于SDF 的吸附能力。當(dāng)pH 為7時，3 種膳食纖維的亞硝酸根離子吸附量均顯著降低，分別為2.41，3.31，2.87 μg/g，這主要是由于隨著pH 值的增加，膳食纖維表面的負(fù)電荷密度增加，對亞硝酸根離子的排斥增加，降低了膳食纖維的吸附能力。

2.5.2 膳食纖維對膽酸鈉的吸附性 通過SDF、TDF 和IDF 體外吸附膽酸鈉試驗，檢測0 h 和12 h 時膳食纖維對膽酸鈉的吸附量，結(jié)果如圖7所示。當(dāng)吸附時間為0 h 時，3 種膳食纖維的吸附性能差異顯著，SDF 的吸附能力最好，為27.98 mg/g；其次是不溶性膳食纖維，吸附能力為18.18 mg/g；最后是TDF，為14.67 mg/g。當(dāng)吸附時間為12 h時，SDF、IDF 以及TDF 3 種膳食纖維的膽酸鈉的吸附量分別為29.73，18.46，15.44 mg/g，相較0 h有略微的增加，但吸附能力順序保持不變。膳食纖維對膽酸鈉吸附呈動態(tài)波動變化，這與體系內(nèi)膽酸鈉的濃度和吸附時間有一定關(guān)系。隨著時間的推移或體系內(nèi)膽酸鈉濃度的增加，膳食纖維對膽酸鈉的吸附量會逐漸增加至某一固定值附近波動，從而維持食物中脂肪的正常代謝，保證機體的正常生理活動[30-31]。SDF 在溶液中吸水膨脹形成呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的膠類物質(zhì)，可吸附膽酸鹽等小分子物質(zhì)，因此，攝食高SDF 的食品能夠更有效地降低人體中的膽酸鹽，對人體更為有益。

3 結(jié)論

3 種膳食纖維因其單糖組成和形態(tài)的差異而表現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)特性和功能特性。SDF 粒徑小、比表面積大，主要由阿拉伯糖（24.64%）與半乳糖（38.05%）2 種單糖組成，其糖類的紅外特征吸收峰更為尖銳，結(jié)晶度相對較低，熱穩(wěn)定性較差，但水合特性、陽離子交換性能以及膽酸鈉的吸附性能最好；IDF 和TDF 呈不規(guī)則片狀結(jié)構(gòu)，因TDF中IDF 含量高達(dá)80%以上，故2 種膳食纖維表現(xiàn)出相似的結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)。由此可見，單一的膳食纖維不足以體現(xiàn)膳食纖維所有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)和功能特性，在今后的竹筍膳食纖維產(chǎn)品的開發(fā)中可按照適當(dāng)?shù)谋壤C合利用SDF 和IDF。

圖5 膳食纖維對亞硝酸根離子的吸附性Fig.5 Adsorption capacity of dietary fiber to nitrite ion

圖6 膳食纖維對膽酸鈉的吸附性Fig.6 Adsorption capacity of dietary fiber to sodium cholate