楊融，王一帆，王超，段翰英*

1(暨南大學 國際學院，廣東 廣州，510632)2(暨南大學 理工學院，廣東 廣州，510632)

海帶，又名昆布、江白菜，福建、山東、遼寧等沿海省份是我國海帶的主要產(chǎn)地，我國海帶產(chǎn)量居全球首位[1]。海帶富含膳食纖維(dietary fiber, DF)[2]。DF雖然本身沒有營養(yǎng)價值，但其表現(xiàn)出極強的水合性質(zhì)和吸附性質(zhì)，具有促進腸道收縮蠕動、降低餐后血糖值、調(diào)節(jié)血脂以及降低心血管和胃腸道疾病發(fā)病機率等功效[3]。研究發(fā)現(xiàn)，通過適當?shù)母男允侄翁幚鞤F，可改變聚合物的分子結(jié)構(gòu)、形態(tài)與含量等[4]，有助于提高DF功能，是當前食品工業(yè)研究熱點之一[5]。

超高壓技術(shù)(ultra-high pressure, UHP)是近年來出現(xiàn)的食品冷殺菌新技術(shù)，是指用液體或氣體作為介質(zhì)，對軟包裝食品等物料物理加壓到100～1 000 MPa的壓力處理技術(shù)。目前UHP在食品的應用主要集中在食品殺菌[6]。鑒于UHP可對生物大分子立體結(jié)構(gòu)的非共價鍵(氫鍵、離子鍵和疏水鍵)產(chǎn)生影響，UHP在食品改性方面的作用也逐漸受到重視。研究發(fā)現(xiàn)，改性后的大豆DF有更致密、均勻的結(jié)構(gòu)[7]，小麥DF經(jīng)UHP處理后持水率和膨脹率都有較大的提高[8]。由于不同來源DF的化學組成和結(jié)構(gòu)特性不同，UHP對其改性后的理化性質(zhì)也值得進一步研究，而目前有關(guān)UHP在海帶類原料的改性應用還未見報道。

本文采用UHP處理海帶，研究高壓前后以及不同壓力、時間對海帶的持水力(water holding capacity, WHC)、持油力(oil holding capacity，OHC)、葡萄糖吸附能力(glucose adsorption capacity，GAC)和膽固醇吸附能力(cholesterol adsorption capacity，CAC)的影響，并初步從微觀結(jié)構(gòu)和DF含量兩方面對其機理進行探討，從而為UHP工藝在海帶產(chǎn)品的開發(fā)以及功能性食品的生產(chǎn)研究方面提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮海帶，本地菜市場購買；堿性蛋白酶，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；淀粉酶，西格瑪奧德里奇(上海)貿(mào)易有限公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

SCIENTZ-18 N 冷凍干燥機，寧波生物科技股份有限公司；CQC2L-600型全液相超高壓食品滅菌機，北京速原中天科技股份有限公司；EVO-MA15掃描電子顯微鏡，德國ZEISS公司；ST 16R高速冷凍離心機，廣州源起生物科技有限公司；HH-2恒溫水浴鍋，金壇市宏華儀器廠；LE104E/02電子天平，梅特勒-托利多(上海)儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 海帶預處理

新鮮片狀海帶(slice-kelp, S-K)，清洗干凈，切成3 cm×8 cm長方形，等量放入塑料袋，真空密封包裝；另取新鮮海帶冷凍干燥，再打粉得到海帶粉末(powder-kelp, P-K)樣品，等量放入塑料袋，真空密封包裝。

1.3.2 UHP處理

將密封的S-K和P-K樣品放入UHP內(nèi)腔，分別在300、450、600 MPa下處理5、10 min，泄壓后取出置干燥器中保存待測定。

1.3.3 WHC 測定方法

參考CHAU等[9]的方法適當改進。

精確稱取0.2 g S-K、P-K樣品置于離心管，加入10 mL純水，室溫下振蕩均勻后靜置過夜，取S-K置于濾紙上瀝干。P-K樣品于10 000 r/min條件下離心10 min，小心清除上清液，殘渣置于濾紙上瀝干。瀝干后樣品稱重，WHC計算如公式(1)所示：

(1)

1.3.4 OHC測定方法

按照SANGNARK等[10]的方法進行改進。

精確稱取0.2 g S-K、P-K樣品置于離心管，加入5 g 玉米油，并將其混合均勻，在常溫下靜置過夜。取P-K樣品于10 000 r/min條件下離心10 min，小心除去上油層，殘渣置于濾紙上瀝干。取S-K置于濾紙上，吸干殘渣中的油，然后稱重，OHC計算如公式(2)所示：

(2)

1.3.5 GAC測定

按照NSOR-ATINDANA等[11]的方法進行改進。

分別稱取0.2 g樣品與20 mL 500 mmol/L葡萄糖溶液,混勻，常溫下靜置過夜，10 000 r/min條件下離心10 min取上清液，按GB 5009.7—2016《食品中還原糖的測定》方法測定葡萄糖含量。CAC計算如公式(3)所示：

(3)

式中：m0為樣品質(zhì)量，g；m1為吸糖前溶液的葡萄糖含量，g；m2為吸糖后溶液的葡萄糖含量，g。

1.3.6 CAC測定

1.3.6.1 膽固醇標準曲線

分別取0.1、0.2、0.3、0.5、0.6 mL膽固醇乙酸標準溶液(3 mg/mL，45 mg膽固醇標準品溶于15 mL乙酸)于試管中，加入乙酸至總體積為1 mL。搖勻后加入3 mL 鄰苯二甲醛溶液(10 mg鄰苯二甲酸溶于100 mL乙酸)和2 mL硫酸(98%,體積分數(shù))，在室溫下靜置 10 min 后，于550 nm處測定吸光值[12]。建立膽固醇質(zhì)量濃度(X，mg/mL) 與吸光值(Y) 之間線性方程:y= 0.175 7x+ 0.137 3，R2=0.990 9。

1.3.6.2 CAC測定

將新鮮蛋黃與水按4∶1的質(zhì)量比混合制成蛋黃液。分別取0.3 g海帶樣品于離心管中，加入15 mL蛋黃乳液，搖晃混勻并調(diào)節(jié)pH至7.0，37 ℃恒溫水浴振蕩2 h，4 000×g條件下離心4 min，取上清液，采用鄰苯二甲醛法在550 nm下測定吸光度，CAC計算如公式(4)所示[13]：

(4)

式中：M1，吸附前蛋黃乳液的膽固醇質(zhì)量，mg；M2，吸附后上清液中膽固醇質(zhì)量，mg；MK，海帶樣品的質(zhì)量，g。

1.3.7 膳食纖維含量測定方法

采用GB 5009.88—2014《食品中膳食纖維的測定》 6.3.1測定總DF含量；采用GB 5009.88—2014 《食品中膳食纖維的測定》 6.3.2測定不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber, IDF)含量；采用GB 5009.88—2014 《食品中膳食纖維的測定》6.3.3測定可溶性膳食纖維(soluble dietary fiber, SDF)含量。

1.3.8 掃描電子顯微鏡觀察

將干燥的樣品散落在金屬樣品平臺上并用雙面膠帶固定，通過陰極噴涂系統(tǒng)涂覆金屬離子層(約30 nm厚)。在高真空條件(10～40 Pa)下以5 kV的加速電壓使用掃描電鏡觀察。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

所有實驗均進行3次平行，結(jié)果用平均數(shù)±標準差表示。采用Excel軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并用Minitab 19軟件進行ANOVA方差分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 UHP處理對海帶吸附性質(zhì)的影響

2.1.1 UHP對WHC的影響

未處理的海帶WHC為22～26 g/g，經(jīng)UHP處理后S-K的WHC未見顯著差別，而P-K顯著提高為原來的1.61～2.31倍(P<0.05)(圖1)，最高值達到(63.40±1.29)g/g，說明UHP能顯著提高海帶吸水性。經(jīng)UHP改性后的DF，如小麥麩皮、梨渣和沙果渣, 其WHC分別為未處理原料的1.28[14]、1.24[15]和1.17倍[16]。樣品WHC的提高可能與UHP處理后分子結(jié)構(gòu)改變帶來的親水基團的裸露和組織疏松帶來的組織滯留水分的能力增強有關(guān)[8]。同時，P-K的WHC隨著UHP壓力的增加也有顯著提高，而只有在300 MPa 時處理時間會造成WHC顯著差異(P<0.05)，這一結(jié)論與朱丹等[16]處理小麥麩皮的結(jié)果相似。

雖然未處理的S-K和P-K在WHC沒有顯著差異，但經(jīng)UHP處理后，P-K的WHC得到顯著提高，說明原料的物理性狀會對吸附性產(chǎn)生影響。經(jīng)打粉后P-K的分散性、比表面積增加，更容易受到高壓的影響，而S-K自身結(jié)構(gòu)排列致密，UHP處理對其比表面積和孔隙率影響不大，親水基團難以暴露[16]，因此，UHP未對S-K的WHC產(chǎn)生影響。

圖1 UHP處理對海帶WHC的影響Fig.1 Effect of UHP treatment on the WHC of kelp 注：不同大寫字母表示P-K組間數(shù)據(jù)顯著差異(P<0.05) 小寫字母表示S-K組間數(shù)據(jù)顯著差異(P<0.05)(下同)

2.1.2 UHP對OHC的影響

未處理的P-K的OHC(4 g/g)顯著高于S-K(P<0.05)(圖2)，相對于豆渣(1.5 g/g)、梨渣(1.65 g/g)、紅薯(1.6 g/g)等，其OHC也較高。與WHC結(jié)果相似，經(jīng)UHP處理后，P-K的OHC也顯著高于S-K,其中經(jīng)UHP 600 MPa處理10 min后P-K的OHC顯著提升到(9.94±2.13) g/g(P<0.05)(圖2)，為未處理樣品的2.33倍，而其余UHP樣品的OHC并無明顯變化，這一結(jié)論與苗字葉等[17]采用UHP處理麥麩20 min發(fā)現(xiàn)OHC隨壓強增大而增加的結(jié)果不同，推測可能是由于處理時間過短，海帶內(nèi)部的親油性基團未能完全暴露。

2.1.3 UHP對GAC的影響

由WHC和OHC數(shù)據(jù)可見，粉末狀P-K的吸附力都要高于S-K,且容易受到UHP處理的影響。因此，后續(xù)只選擇P-K為原料探討其他性質(zhì)。

圖2 UHP對海帶OHC的影響Fig.2 Effect of UHP treatment on the OHC of kelp

UHP處理后P-K的GAC都有所提高，其中450 MPa處理10 min樣品的GAC最高為(2.74±0.95) g/g，為未處理樣品的11.33倍(P<0.05)(圖3)，且隨著壓力的增大呈現(xiàn)先增加再減少的趨勢。趙健等[6]采用UHP處理紅薯渣膳食纖維后GAC也有提高。UHP處理使大分子上更多的功能基團，比如側(cè)鏈上一些醛酸基等親水的基團暴露出來，提供更多結(jié)合位點,使葡萄糖分子與DF之間的范德華力以及氫鍵作用增大[18]。飲食中的纖維顆?？赡茏鳛槠咸烟菙U散的物理障礙，UHP處理增加了纖維網(wǎng)絡(luò)對葡萄糖分子的束縛和捕獲能力[19]，在控制葡萄糖擴散率方面起著至關(guān)重要的作用。因此，通過UHP處理的海帶粉末可以在腸道內(nèi)形成屏障捕獲葡萄糖分子，可以延緩葡萄糖的擴散，推遲腸胃中的葡萄糖吸收，從而有效控制餐后血糖的升高[20]。

圖3 UHP處理對P-K的GAC的影響Fig.3 Effect of UHP treatment on the GAC of P-K

2.1.4 UHP對CAC的影響

高膽固醇是心血管疾病的高危因素，直接影響肝腎功能及動脈粥樣硬化發(fā)展[21]。未處理的海帶CAC為133.9 mg/g，經(jīng)UHP處理未造成其顯著變化(圖4)，其中經(jīng)450 MPa處理10 min后樣品的CAC增加為未處理樣品的1.22倍，這一結(jié)論與吳長玲等[22]采用空化射流處理豆渣膳食纖維所得的結(jié)果相似。隨著UHP處理壓力的增加，樣品的孔隙度增加，比表面積增大，可暴露更多的親脂基團與膽固醇結(jié)合。但壓力過大時，其毛細管力受損致使膽固醇吸附力降低[23]。

圖4 UHP處理對P-K的CAC的影響Fig.4 Effect of UHP treatment on the cholesterol-adsorption capacity of P-K

2.2 UHP處理對海帶吸附性影響機理的初步探討

以上結(jié)果表明，UHP處理后的P-K的WHC、OHC和GAC都有了顯著提高，但CAC的變化并不明顯；而S-K的各種吸附性能都較差，UHP對其影響也并不明顯。為探討UHP處理影響P-K吸附性的機理，現(xiàn)從其DF含量、表觀特征等方面來探討其相關(guān)性。

2.2.1 UHP處理對海帶DF含量的影響

DF包括SDF和IDF，SDF在防治心血管疾病、糖尿病、動脈硬化等方面具有良好的作用且優(yōu)于IDF[4]。本文對UHP處理前后總DF、IDF和SDF含量的變化進行了分析。結(jié)果表明，未處理樣品的總DF含量為(61.91±0.98)g/100g，經(jīng)UHP處理后的樣品總DF含量顯著增加(P<0.05)，最高值達到(74.82±0.99)g/100g，為原來的1.21倍(圖5-a)。不同壓力下，處理5 min的樣品中IDF含量顯著升高為未處理樣品的1.07～1.10倍(圖5-b)，而處理10 min 后的樣品SDF含量顯著增加為原來的1.47～1.63倍(圖5-c)(P<0.05)。趙健等[6]采用UHP處理紅薯渣DF后也發(fā)現(xiàn)總DF增加。UHP處理后，海帶的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，IDF的含量首先增加，使得總DF的含量增加。隨著處理時間的增長，DF的空間結(jié)構(gòu)再次發(fā)生變化，大分子組分的鏈接鍵斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿樱沟肐DF轉(zhuǎn)化為SDF，從而使SDF含量增加[24]，這與苗字葉等[17]采用UHP處理梨渣膳食纖維結(jié)果相似。XIE等[25]認為UHP可以降解纖維素，將IDF轉(zhuǎn)化為SDF，使得IDF和SDF再分配，有效地提高了SDF含量。

a-總DF；b-IDF；c-SDF圖5 UHP處理對海帶DF含量的影響Fig.5 Effect of UHP treatment on the content of DF in kelp

2.2.2 UHP對海帶微觀結(jié)構(gòu)的影響

UHP處理后海帶經(jīng)掃描電鏡研究其微觀結(jié)構(gòu)(圖6)。未處理的P-K顆粒較大，成不規(guī)則片狀結(jié)構(gòu)，表面較為光滑(圖6-g)；經(jīng)UHP處理后P-K的表面開始變得粗糙，且出現(xiàn)破碎和斷裂,顆粒變小(圖6-a～圖6-f), 當壓力為 450 MPa 時顆粒尺寸最小。文獻表明，隨著UHP壓力和處理時間的增加，P-K比表面積和表面孔隙率增加，可能是由于UHP處理過程中P-K的空間結(jié)構(gòu)遭到破壞而變得疏松，顆粒尺寸減小，但當尺寸減小到一定程度，表面活性及吸附性的增加導致部分顆粒開始聚集?？傮w而言，UHP處理改變了P-K的微觀結(jié)構(gòu)，從而對其吸附性產(chǎn)生了影響，這與之前吸附性數(shù)據(jù)結(jié)果相符。

a-300 MPa，10 min；b-450 MPa，10 min；c-600 MPa，10 min; d-300 MPa，5 min;e-450 MPa，5 min;f-600 MPa，5 min;g-對照圖6 P-K電鏡圖(600×)Fig.6 Scanning electron microscope (SEM) images of P-K(600×)

3 結(jié)論

本文研究了不同壓力(300、450、600 MPa)及時間(5、10 min)的UHP處理對P-K以及S-K吸附性質(zhì)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，UHP處理后的P-K的WHC、OHC、GAC均顯著提高(P<0.05)，CAC能力雖無顯著變化但略有增加;而S-K的各種吸附性能都較差，UHP對其影響也并不明顯。P-K的WHC、OHC和GAC分別顯著提高為原來的1.61～2.31、2.33和11.33倍。隨著處理壓力和時間的增加，WHC及OHC逐漸增強，而GAC及CAC隨處理壓強的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。經(jīng)進一步對海帶DF含量、種類和微觀結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)處理5 min的樣品中IDF含量顯著增加，處理10 min后SDF含量顯著增加，所有UHP樣品總DF含量顯著增加(P<0.05)。掃描電鏡分析的結(jié)果顯示，UHP處理后P-K的比表面積和孔隙率增加，表面結(jié)構(gòu)由致密變得疏松，但顆粒尺寸減小到一定程度后會發(fā)生聚集現(xiàn)象。綜上所述，UHP處理能夠影響海帶中DF的組成和含量，改變其微觀結(jié)構(gòu)，從而影響其吸附性。本研究為進一步推動海帶資源的高效、高值化、可持續(xù)開發(fā)利用提供新思路，也為UHP工藝在生產(chǎn)功能性食品方面提供理論依據(jù)。