羅舜菁 謝 靚 熊紹百 楊 榕 陳婷婷 鄧?yán)蚱?劉成梅

(1.南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330047；2.江西大北農(nóng)科技有限責(zé)任公司，江西 南昌 331700)

膳食纖維(dietary fibers，DFs)因其獨(dú)特的降血脂、調(diào)節(jié)腸道菌群、通便等功能性質(zhì)正受到越來(lái)越多的關(guān)注[1-2]。為進(jìn)一步提高DFs的生理活性，通常會(huì)對(duì)天然植物DFs進(jìn)行改性處理。傳統(tǒng)的化學(xué)、生物方法存在反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、副反應(yīng)較多、工藝過(guò)程復(fù)雜等不足，與之相比微波改性具有顯著優(yōu)勢(shì)。微波作為一種波能量，它能使被處理的溶劑發(fā)生偶極旋轉(zhuǎn)，迅速升高溶劑溫度，導(dǎo)致其中化合物的溶解度增加。更重要的是，微波處理可以增加細(xì)胞內(nèi)的壓力，使細(xì)胞壁破裂，暴露出更多的可及性邊緣，有利于DFs對(duì)特定物質(zhì)的吸附以及腸道菌群的附著利用[3]。吳衛(wèi)成等[4]采用微波提升了甘薯皮中可溶性纖維(soluble dietary fiber，SDF)的得率，同時(shí)提高了中性多糖的含量。任雨離等[5]利用微波改性方竹筍膳食纖維，改性后的方竹筍膳食纖維持水力與鐵離子還原能力均比改性前顯著提升，且其結(jié)晶強(qiáng)度和比表面積增加。Cantu-Jungles等[6]發(fā)現(xiàn)采用微波處理木聚糖A、木聚糖T及阿拉伯聚糖，可以提高這些不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber，IDF)的可發(fā)酵性，促進(jìn)了短鏈脂肪酸等有益于人體健康的代謝物的產(chǎn)生。大量的研究[7-8]對(duì)于DFs改性效果的評(píng)價(jià)主要是用SDF得率作為重要指標(biāo)，然而對(duì)改性后IDF變化的影響關(guān)注較少。此外，不同來(lái)源的DFs根據(jù)其來(lái)源細(xì)胞的不同，具有的結(jié)構(gòu)和功能也大不相同[9]，例如具有儲(chǔ)能功能的塊狀根莖，果膠豐富的果實(shí)及豆科植物的種子，均是DFs的良好來(lái)源，但其細(xì)胞壁中纖維的構(gòu)造和主要化學(xué)成分(如纖維素、半纖維素及木質(zhì)素)千差萬(wàn)別，因此對(duì)它們進(jìn)行同一種改性，可以更好地驗(yàn)證改性效果的普適性。

目前，微波改性DFs的研究主要集中在SDF或活性物質(zhì)的提取工藝優(yōu)化等方面[10-11]，而比較微波處理對(duì)不同種類DFs的成分及結(jié)構(gòu)影響，以及最終導(dǎo)致其功能性質(zhì)改變的研究報(bào)道較少。為此研究擬根據(jù)不同DFs來(lái)源選擇3種有代表性的根莖類、水果類及豆類植物副產(chǎn)物，即甘薯渣、蘋果渣和大豆渣。在相同微波條件下對(duì)3種不同來(lái)源的DFs進(jìn)行微波改性，對(duì)比DFs成分、結(jié)構(gòu)特性及功能特性的變化，探究微波改性在DFs改性領(lǐng)域的使用效益，以期提高甘薯渣、蘋果渣、大豆渣等副產(chǎn)品的綜合利用率。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

甘薯渣、蘋果渣和大豆渣：南京市溧水渡江蛋白粉廠；

耐高溫α-淀粉酶(250 U/g)、中性蛋白酶(0.8 U/g)、淀粉葡萄糖苷酶(260 U/mL)：美國(guó)Sigma公司；

總淀粉測(cè)定試劑盒(K-TST A-100A)、總膳食纖維測(cè)定試劑盒(K-TDFR-200A)：愛爾蘭Megazyme公司；

膽固醇標(biāo)準(zhǔn)品、亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)品：阿拉丁生物技術(shù)有限公司；

鄰苯二甲醛、對(duì)氨基苯磺酸、鹽酸萘乙二胺等：分析純，西隴科學(xué)股份有限公司。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

微波消解儀：MDS-6G型，上海新儀微波化學(xué)科技有限公司；

紫外分光光度計(jì)：TU-1810型，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；

真空冷凍干燥機(jī)：FD5型，美國(guó)SIM公司；

掃描電鏡：JSU8100型，日立高新技術(shù)公司；

X-射線衍射儀：D8 Advance型，德國(guó)Bruker公司；

熱重分析儀：TGA 4000型，美國(guó)PerkinElmer公司。

1.2 方法

1.2.1 提取未經(jīng)處理的膳食纖維 根據(jù)Dang等[12]的方法，將原料水洗后分散于水中，調(diào)節(jié)pH 6.0，加入耐高溫α-淀粉酶(15 U/g)，90 ℃下水浴震蕩30 min。調(diào)節(jié)pH為6.5，加入蛋白酶(10 U/g)，50 ℃恒溫震蕩4 h。最后調(diào)節(jié)pH 4.5，加入葡萄糖苷酶(52 U/g)，60 ℃反應(yīng)30 min 后，沸水浴滅酶5 min。之后用4倍體積的95%乙醇醇沉4 h后以4 500 r/min離心15 min，收集沉淀，50 ℃干燥得到未經(jīng)處理的甘薯渣膳食纖維(WSPF)、蘋果渣膳食纖維(WAF)、大豆渣膳食纖維(WSF)。

1.2.2 微波改性膳食纖維 收集1.2.1的原料，調(diào)節(jié)水料比V水∶m膳食纖維=20∶1(mg/L)，轉(zhuǎn)移至微波消解罐中。在微波消解儀中根據(jù)以下微波條件進(jìn)行處理[13]：微波功率800 W，微波溫度160 ℃，微波時(shí)間10 min(升溫時(shí)間8 min)。微波結(jié)束后靜置冷卻，醇沉4 h后以4 500 r/min離心15 min，并將沉淀于50 ℃干燥，得到微波改性甘薯渣膳食纖維(MWSPF)、微波改性蘋果渣膳食纖維(MWAF)、微波改性大豆渣膳食纖維(MWSF)。

1.2.3 微波提取前后膳食纖維的成分測(cè)定

(1)蛋白質(zhì)：按GB 5009.5—2016執(zhí)行。

(2)脂肪：按GB 5009.6—2016執(zhí)行。

(3)灰分：按GB 5009.4—2016執(zhí)行。

(4)總淀粉：用總淀粉測(cè)定試劑盒測(cè)定。

(5)SDF和IDF：用總膳食纖維測(cè)定試劑盒測(cè)定。

1.2.4 微波提取膳食纖維的結(jié)構(gòu)特征

(1)微觀形貌分析：將10 mg凍干的樣品放在貼有雙面膠的金屬臺(tái)上，表面鍍金膜，在加速電壓25 kV，用掃描電鏡在放大倍數(shù)1 000倍數(shù)下拍攝得到結(jié)果。

(2)X-射線衍射分析：取10 mg凍干的樣品與100 mg KBr共同碾磨并壓片，在30 kV和20 mA的操作電壓和電流下收集XRD的曲線。測(cè)量范圍2θ=5°～55°，結(jié)晶度的計(jì)算參照Segal等[14]的方法。

(3)熱重性能分析：根據(jù)Khatkar等[15]的方法修改如下：取5 mg樣品置于熱重分析儀中，在氮?dú)猸h(huán)境，升溫速度25 ℃/min的條件下，得到樣品在50～600 ℃的TGA曲線。

1.2.5 微波提取膳食纖維的功能特性

(1)持水力及持油力的測(cè)定：參照Luo等[16]的方法修改如下：稱取2 g樣品于50 mL離心管中，加入25 mL蒸餾水(玉米油)，室溫靜置2 h后，4 500 r/min離心12 min，取沉淀稱重。樣品的持水力(持油力)為吸附水(油)的重量與樣品重量的比值(g/g)。

(2)膽固醇吸附能力(CAC)測(cè)定：根據(jù)Jia等[17]的方法修改如下：取雞蛋黃20 mL，在燒杯中與180 mL蒸餾水?dāng)嚧虺扇橐骸７Q取0.5 g樣品與15 mL蛋黃乳液混合，并在37 ℃下震蕩2 h。4 500 r/min離心15 min后取上清液1 mL用冰醋酸稀釋到10 mL，然后取0.4 mL稀釋液加入0.2 mL 1 mg/mL的鄰苯二甲醛及4 mL混合酸(V冰乙酸∶V硫酸=1∶10)混勻靜置10 min后于550 nm 處測(cè)定吸光度。同時(shí)用不加樣品的蛋黃乳液作空白對(duì)照，根據(jù)膽固醇標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行定量。按式(1)計(jì)算膽固醇吸附能力。

(1)

式中：

C——膽固醇吸附力，mg/g；

M1——吸附前蛋黃液中膽固醇質(zhì)量，mg；

M2——吸附后蛋黃液中殘余膽固醇質(zhì)量，mg；

M0——樣品干重，g。

(3)亞硝酸根離子吸附力(NIAC)測(cè)定：基于Gan等[18]的方法修改如下：稱取0.5 g樣品與20 mL NaNO2溶液(25 μg/mL)混合，將pH調(diào)至2.0和7.0，模擬胃環(huán)境和小腸環(huán)境。室溫下放置2 h，4 500 r/min離心15 min后，將0.8 mL上清轉(zhuǎn)移到玻璃管中。加超純水至4 mL，再加入對(duì)氨基苯磺酸4 mL(4 μg/mL)和鹽酸萘乙二胺2 mL(2 μg/mL)。黑暗中反應(yīng)15 min后，于538 nm 處測(cè)定吸光度，并根據(jù)亞硝酸根離子標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行定量。按式(2)計(jì)算亞硝酸根離子吸附能力。

(2)

式中：

N——亞硝酸根離子吸附力，μg/g；

M1——吸附前溶液中亞硝酸根離子質(zhì)量，μg；

M2——吸附后溶液中殘余亞硝酸根離子質(zhì)量，μg；

M0——樣品干重，g。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

所有試驗(yàn)均重復(fù)3次，用SPSS 26.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，試驗(yàn)結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=3)，采用Tukey法檢驗(yàn)結(jié)果的顯著性差異，P<0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波對(duì)膳食纖維成分組成的影響

由表1可知，水洗和酶解處理后，3種來(lái)源樣品IDF與SDF的總量達(dá)到65%～77%，但仍殘余了部分蛋白質(zhì)及淀粉等雜質(zhì)。微波后脂肪、蛋白質(zhì)等雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有所下降，說(shuō)明微波改性在提取DFs過(guò)程中可能對(duì)這些雜質(zhì)的去除有一定促進(jìn)作用。IDF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在各DFs中均占比最高，經(jīng)過(guò)微波改性后，MWSPF、MWAF及MWSF的IDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別下降了6.89%，1.02%，34.65%，相對(duì)應(yīng)SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有提高，分別提高了63.11%，4.51%，358.79%。這可能是由于微波可以通過(guò)增加細(xì)胞間壓力，從而破壞細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，使其中膳食纖維連接鍵斷裂，轉(zhuǎn)變成可溶性組分[16]。此外，蘋果渣的SDF提升幅度最低，大豆渣的SDF提升幅度最高。這可能是由于蘋果渣細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)致密，不易被微波破壞產(chǎn)生SDF[19]，而大豆作為一種富含半纖維素的豆類植物，纖維大分子之間的結(jié)合較為薄弱，在微波形成的空泡效應(yīng)下，其中的半纖維素等成分從細(xì)胞壁上斷裂，易被微波破壞分解成可溶性纖維[20]。

表1 微波改性前后各膳食纖維樣品的成分組成(干基)?

2.2 微波對(duì)膳食纖維結(jié)構(gòu)特征的影響

2.2.1 微觀形貌分析 圖1為微波前后3種DFs中的IDF的微觀形貌圖。3種DFs在微波改性后，表面都形成了較多孔隙結(jié)構(gòu)，可能是由于微波改性造成DFs局部過(guò)熱，細(xì)胞內(nèi)的蒸汽壓急速升高，局部水汽爆破使細(xì)胞壁破裂所導(dǎo)致[19]。此外，MWSPF表面變得更加平整，孔隙大小不一；蘋果渣DFs壁層較薄，MWAF部分結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂，分離成帶有孔隙的碎片；而MWSF表面出現(xiàn)規(guī)則的圓形孔洞。上述結(jié)果表明，微波改性使3種植物來(lái)源的DFs比表面積增加，出現(xiàn)大量孔隙結(jié)構(gòu)，由于這些孔隙的存在使得這些DFs的可及性邊緣大大增加，其中蘋果渣DFs的結(jié)構(gòu)變化最大，可及性邊緣增加最多，因此可能表現(xiàn)出更好的水合特性、吸附特性等有益于人體健康的性質(zhì)[21]。

圖1 微波前后3種膳食纖維樣品的掃描電鏡圖

2.2.2 X-射線衍射圖譜分析 微波改性前后3種DFs的X-射線衍射對(duì)比結(jié)果如圖2所示。3種DFs樣品皆在2θ為22.0°～25.0°處出現(xiàn)明顯纖維素晶體特征峰，且在15.0°～17.5°及35.0°附近為弱衍射峰，表明3種DFs樣品中存在非晶結(jié)構(gòu)物質(zhì)[22]。各樣品微波改性前后的峰型和出峰位置沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明微波改性后DFs樣品仍保持較相近的結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)，但微波后3種DFs峰型變得更加尖銳，且結(jié)晶強(qiáng)度有不同程度的上升，其中甘薯渣DFs結(jié)晶度由36.13%增加到37.80%，大豆渣DFs由33.50%增加到36.31%，蘋果渣DFs改性后增加最多，由22.03%增加到31.92%，結(jié)晶度增加了9.89%。這可能是因?yàn)槲⒉ǜ男詫?dǎo)致DFs結(jié)晶重排，使得分子排布更加規(guī)整，同時(shí)微波處理后蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉等含量下降，增加了樣品中纖維素的比例[23]。

2.2.3 熱穩(wěn)定性分析 微波改性前后3種DFs樣品的熱重曲線如圖3所示，3種DFs樣品質(zhì)量損失過(guò)程均可分為水分蒸發(fā)(30～250 ℃)、多糖熱分解(250～350 ℃)及最終炭化(350～600 ℃)3個(gè)階段[24]，其中第二階段樣品的質(zhì)量迅速下降，失重率達(dá)到50%。在前兩個(gè)階段中MWSPF及MWAF相比未改性DFs失重更快，而MWSF卻始終保持比WSF更低的失重率，熱穩(wěn)定性改善效果最佳。升溫結(jié)束后，3種DFs質(zhì)量殘留不同，但相比于未經(jīng)微波改性的DFs樣品，微波改性后DFs的質(zhì)量殘留均有所增加，分別提升了4.53%，0.66%，4.97%。結(jié)果表明，微波改性對(duì)3種DFs樣品的熱穩(wěn)定性有一定的提升效果，與結(jié)晶度提高的結(jié)果相吻合。

圖3 微波改性前后3種膳食纖維樣品的熱重曲線

2.3 微波改性對(duì)膳食纖維功能特性的影響

2.3.1 持水力和持油力 微波改性后3種DFs的持水持油能力均顯著提高(P<0.05)。持水力和持油力是DFs重要的功能特性指標(biāo)，良好的持水力可防止食品脫水收縮，而高持油力可以降低脂質(zhì)在腸道內(nèi)的吸收[25]。由表2 可知，3種DFs的持水持油能力以大豆渣DFs最高，蘋果DFs持水能力次之，但持油力最弱。這可能與不同種類DFs的成分、親水官能團(tuán)的數(shù)量等有關(guān)，大豆渣DFs相比其余兩類DFs具有更復(fù)雜的單糖組成[20]，因此表現(xiàn)出更強(qiáng)的持水持油能力。此外，雖然微波改性后3種DFs的持水持油均有不同程度提升，但相比SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升更多的MWSPF與MWSF，MWAF的持水持油能力改善效果最佳，分別提升了26.53%及67.36%，這與蘋果渣DFs改性更多可及性邊緣的暴露(圖2)有關(guān)，與李天等[26]的研究結(jié)論一致。說(shuō)明改性之后，DFs吸附特性的改變不僅僅與SDF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，改性之后IDF可及性邊緣的暴露與更復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)也是促進(jìn)DFs功能性質(zhì)改變的重要原因。

圖2 微波改性前后3種膳食纖維樣品的X射線衍射圖譜

表2 微波改性前后3種膳食纖維樣品的功能特性?

2.3.2 膽固醇吸附能力 冠心病的發(fā)生與血液中膽固醇含量有直接的關(guān)系，因此改善DFs膽固醇的吸附能力具有重大意義[27]。對(duì)比改性前后3種DFs的膽固醇吸附能力，MWSPF、MWAF及MWSF的膽固醇吸附能力分別提高了32.02%，40.00%，50.24%。其中吸附能力提升最多的是MWSF，吸附量由2.05 mg/g上升到3.08 mg/g。Theuwissen等[28]的研究結(jié)果表明，DFs結(jié)合膽固醇的能力不僅與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，成分組成也是影響其結(jié)合膽固醇能力的重要因素之一，如β-葡聚糖一類的SDF，相比IDF在降血清膽固醇方面效果更好，因此MWSF中提升較多的SDF可能是導(dǎo)致其膽固醇吸附能力相比其他DFs提升更多的重要原因。

2.3.3 亞硝酸根離子吸附力 pH作為一項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)DFs吸附亞硝酸根離子能力有較大影響[29]。因此模擬胃環(huán)境(pH 2)和腸道環(huán)境(pH 7)下各DFs對(duì)亞硝酸根離子的吸附能力，結(jié)果如表2所示。DFs結(jié)構(gòu)中含有的糖醛酸、氨基酸，特別是酚酸等活性基團(tuán)在酸性條件下對(duì)亞硝基有較強(qiáng)的吸附作用[30]，因此在胃環(huán)境下DFs的亞硝酸根離子吸附能力顯著高于腸道環(huán)境(P<0.05)。不同pH條件下微波后的DFs對(duì)亞硝酸根離子吸附力均有所提高，胃環(huán)境(pH 2)下MWSPF、MWAF、MWSF的吸附能力分別提升了11.76%，7.52%，7.23%，而腸道環(huán)境(pH 7)下吸附能力的提升幅度要顯著高于胃環(huán)境，分別提升了268.67%，318.59%，164.39%。同時(shí)由于蘋果渣DFs相比于其他兩種DFs，含有較多的酚類物質(zhì)[31]，所以酸性條件下，微波前后蘋果渣DFs的亞硝酸根離子吸附力在3種DFs中最強(qiáng)(WAF 683.81 μg/g；MWAF 735.20 μg/g)。微波改性后，盡管蘋果渣的可溶性膳食纖維增加幅度比大豆渣和甘薯渣少，但是其樣品表面出現(xiàn)疏松多孔的結(jié)構(gòu)，在一定程度上使得DFs暴露出更多可結(jié)合亞硝酸根離子的吸附位點(diǎn)，同時(shí)這些孔隙形成的毛細(xì)管效應(yīng)加快了亞硝酸根離子進(jìn)入DFs結(jié)構(gòu)內(nèi)部的速度，因此改性后DFs對(duì)亞硝酸根離子的吸附能力在胃腸環(huán)境下都有提高，特別是對(duì)于亞硝酸根離子的吸附能力相對(duì)較弱的腸道環(huán)境提升幅度尤其顯著。

3 結(jié)論

微波改性是一種高效的具有普適性的膳食纖維改性方法。微波改性后3種膳食纖維總體的變化趨勢(shì)是可溶性纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，不溶性膳食纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，可及性邊緣增加，結(jié)晶度升高及熱穩(wěn)定性加強(qiáng)。同時(shí)，微波改性能使膳食纖維更好地與水、油、膽固醇、亞硝酸根離子等物質(zhì)結(jié)合。

由于3種不同來(lái)源的膳食纖維樣品自身成分及細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的差異，微波改性對(duì)其結(jié)構(gòu)及功能特性的改善效果也顯著不同?？傮w而言，蘋果渣膳食纖維的功能性質(zhì)改善最為顯著，但是微波改性后可溶性膳食纖維的增加卻最低，這與蘋果渣膳食纖維表觀結(jié)構(gòu)破壞程度更大有關(guān)。大豆渣膳食纖維微波改性后可溶性纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高(31.06%)，增幅最大(358.8%)，其持水持油性及腸道條件下的亞硝酸根離子吸附能力的改善效果均弱于微波改性蘋果渣膳食纖維(可溶性纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)16.4%；增幅4.5%)。因此，膳食纖維吸附特性的改變不僅與可溶性纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，不溶性膳食纖維可及性邊緣的暴露也是促進(jìn)膳食纖維功能性質(zhì)改善的重要原因。