周麗玲，羅佳倩，常霞，林軍，黃帆，李高陽，2

1.湖南大學研究生院隆平分院/果蔬貯藏加工與質(zhì)量安全湖南省重點實驗室/湖南省果蔬加工與質(zhì)量安全國際科技創(chuàng)新合作基地，長沙 410125；2.湖南省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，長沙 410125

柑橘是世界第一大類水果[1]，我國是柑橘大國，種植面積及產(chǎn)量均居世界首位。柑橘果皮占柑橘全果質(zhì)量的30%～50%，是柑橘加工過程中的主要副產(chǎn)物，每年在生產(chǎn)加工中產(chǎn)生的柑橘皮渣超過1 000萬t，若不進行適當處理，會對環(huán)境、人類健康和經(jīng)濟造成負面影響，因此，加工副產(chǎn)物的高效利用已成為柑橘產(chǎn)業(yè)的重點發(fā)展方向[2]。

膳食纖維因其在調(diào)節(jié)腸道菌群[3]、控制血糖[4]等方面的生理功能而受到廣泛關注，根據(jù)水溶性不同可將其分為水溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）。研究報道發(fā)現(xiàn)柑橘中SDF含量遠高于豆渣、葡萄、蘋果等，具有更好的功能特性[5-6]。Liu等[6]研究表明，柚子膳食纖維可改善低血糖，降低血脂水平，并對腸道菌群的豐富度和多樣性具有積極影響。利用加工副產(chǎn)物提取柑橘纖維是一種更環(huán)保、更經(jīng)濟的方法，對于柑橘深加工及拓寬膳食纖維應用范圍具有重要意義。

堿液浸提法因其提取率較高而常被用于膳食纖維提取[7]，但易造成化學試劑殘留，對環(huán)境不友好。相比于化學提取法，酶法制備膳食纖維通常生理活性更佳，且加工特性較好。Wang等[8]采用酶法、酸法及堿提3種方法提取獼猴桃膳食纖維，發(fā)現(xiàn)酶法制備的獼猴桃纖維結(jié)構(gòu)更松散，IDF葡萄糖吸附能力最高，SDF油脂吸附能力最高。Ma等[5]對比分析酶法及堿液浸提法對紫蘿卜纖維的影響，發(fā)現(xiàn)酶法制備SDF的產(chǎn)量顯著高于堿法，持油力及膽固醇吸附能力也更高。

因此，本研究選用橙類（臍橙）、寬皮柑橘（沃柑）、檸檬、柚（蘋果柚）4種產(chǎn)量較高的柑橘作為原料，通過酶解柑橘皮渣制備膳食纖維，并對其理化性質(zhì)及功能進行綜合評價，以期為拓寬柑橘纖維應用范圍、提高柑橘副產(chǎn)物綜合利用率提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

臍橙（Citrus sinensis（L.）Osbeck），購于湖南省邵陽市新寧縣；檸檬（Citrus limoncv Fino），購于四川省資陽市安岳縣；沃柑（Citrus reticulata），購于湖南省永州市武鳴縣；蘋果柚（Citrus maxima‘Apple’），購于湖南省常德市澧縣。果實均無損傷和腐爛。

將果實洗凈后剝皮，皮渣于烘箱中60℃干燥48 h，粉碎后過孔徑0.178 mm篩，將柑橘皮粉置于干燥器中保存?zhèn)溆?。參照Liu等[6]的方法分別制備臍橙纖維（NODF）、蘋果柚纖維（APDF）、沃柑纖維（ODF）及檸檬纖維（LDF）于25℃的干燥器中備用。提取率按式（1）計算。

式（1）中，M1為干燥后橘皮質(zhì)量，g；M2為干燥膳食纖維質(zhì)量，g。

1.2 結(jié)構(gòu)表征

采用掃描電鏡儀（EVO LS10，德國Carl Zeiss公司）觀察柑橘纖維微觀結(jié)構(gòu)；用紅外光譜儀（Nicolet iS5，美國Thermo fisher scientific公司）、X射線衍射儀（D8 Advance，德國Bruker公司）及熱重分析儀（NETZSCH STA 449 F3/F5 Jupiter，德國耐馳公司）分析柑橘纖維結(jié)構(gòu)特性并計算結(jié)晶度，具體方法參考文獻[9]。

1.3 粉體性質(zhì)測定

采用超純水配制0.5%柑橘纖維懸浮液，用激光粒度分析儀（LS-POP VI，歐美克科技有限公司）測定粒徑分布情況；用全自動色度分析儀（Color Quest XE，美國Hunter Lab公司）測定纖維色澤；參考GB 5009.88—2014測定總膳食纖維TDF、不可溶性膳食纖維IDF及可溶性膳食纖維SDF含量；參考劉巖龍[10]的方法測定并計算纖維持水力（water holding capacity，WHC）、持油力（oil holding capacity，OHC）及溶脹性（swelling capacity，SC）；參考朱欣頔[11]的方法用流變儀（MCR302，奧地利Anton Paar公司）分析測定柑橘纖維表觀黏度隨剪切速率的變化規(guī)律以及在不同剪切速率下受到的剪切應力。

1.4 抗氧化活性測定

以DPPH·和ABTS+自由基清除率、鐵還原能力（FRAP）為指標對柑橘纖維體外抗氧化活性進行研究。

參照萬仁口等[9]的方法分別制備質(zhì)量濃度為2.5、5、10、15、20 mg/mL的纖維提取液并計算自由基清除率，測定方法略作修改：DPPH溶液質(zhì)量濃度為0.039 mg/mL；ABTS工作液配制方法如下：取10 mL 7 mmol/L ABTS+溶液，與10 mL 2.45 mmol/L K2S2O8混勻后避光反應12 h，使用前用無水乙醇稀釋近50倍，至734 nm下檢測吸光度小于0.700備用。

鐵還原能力（FRAP）通常用于分析植物提取物的總抗氧化活性。FRAP測定方法：取0.1 mL待測纖維，加入3 mL預熱至37℃的FRAP工作液，再加入2 mL超純水，搖勻并于37℃水浴反應30 min。吸光度均采用紫外-可見分光光度計（UV-1800，蘇州島津儀器有限公司）測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 18.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析（Duncan’s多重比較法，P＜0.05），同時采用Pearson相關性分析及KMO檢驗，對測定指標進行主成分分析。用Origin 2021對數(shù)據(jù)進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀結(jié)構(gòu)

圖1為不同柑橘膳食纖維的掃描電鏡圖，NODF（圖1A）和LDF（圖1D）排布較為緊密，且NODF呈團簇結(jié)構(gòu)，表面粗糙不平，可以看到顆粒碎片。APDF（圖1B）結(jié)構(gòu)較為疏松，表面存在孔隙。與其他3種纖維相比，ODF（圖1C）表面呈蜂窩狀，具有更多孔狀結(jié)構(gòu)，孔隙度較高。膳食纖維的生理功能受微觀結(jié)構(gòu)影響，空間結(jié)構(gòu)疏松的膳食纖維往往具有較大比表面積，可能會影響其對水、油等的吸附能力。酶處理會導致淀粉、蛋白質(zhì)等降解，可能會在纖維表面留下多孔結(jié)構(gòu)和起皺的表面，這些微觀結(jié)構(gòu)的變化有助于增大柑橘纖維表面積并增強其吸收水分、油脂的能力。

圖1 不同柑橘纖維的掃描電鏡圖（500×）Fig.1 The SEM photograph of different citrus dietary fiber

2.2 紅外光譜

不同柑橘膳食纖維的紅外光譜如圖2所示。4種柑橘纖維峰形相似，說明其化學組成基本相同。所有樣品紅外光譜均出現(xiàn)3 400 cm-1處的寬吸收峰，是由于纖維素和半纖維素O—H伸縮振動引起。2 928 cm-1的峰值是來自膳食纖維中甲基和亞甲基上C—H鍵伸縮振動，表明存在典型多糖化合物結(jié)構(gòu)。1 745 cm-1處的特征吸收峰是半纖維素中羧酸C＝O伸縮振動，是半纖維素特征吸收峰。1 647 cm-1處的吸收峰是木質(zhì)素的芳香族苯環(huán)，1 010 cm-1處的峰是由于C—O—C鍵上C—O伸縮振動，是典型木聚糖吸收峰，表明柑橘纖維中含有木聚糖半纖維素。

圖2 不同柑橘纖維的紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra of different citrus dietary fiber

2.3 X射線衍射

如圖3所示，不同柑橘纖維的特征衍射峰基本相同，說明其晶體構(gòu)型較為相似。所有樣品的主峰都出現(xiàn)在2θ為22°附近，表明樣品纖維均為纖維素Ⅰ晶體構(gòu)型。結(jié)晶度的降低有助于改善柑橘纖維延展性，而結(jié)晶度增加可能會增強柑橘纖維的熱穩(wěn)定性。經(jīng)計算，4種纖維的結(jié)晶度分別為：NODF（26.83%）、APDF（27.43%）、ODF（24.09%）、LDF（26.74%）。

圖3 不同柑橘纖維的X射線衍射圖Fig.3 XRD of different citrus dietary fiber

2.4 熱穩(wěn)定性分析

不同柑橘纖維熱穩(wěn)定性如圖4所示。柑橘纖維熱分解主要分為3個階段，第一階段（60～160℃）對應失水，是由于柑橘纖維分子內(nèi)游離水和結(jié)晶水蒸發(fā)造成纖維樣品質(zhì)量下降；第二階段（160～250℃）的降解主要是半纖維素和果膠熱解聚，結(jié)晶區(qū)域破壞等，樣品失重率分別為：NODF（28.71%）、APDF（28.73%）、ODF（31.07%）、LDF（26.06%），柑橘纖維中SDF主要由果膠及部分半纖維素組成，臍橙、沃柑及蘋果柚纖維中SDF含量高于檸檬纖維（表1），可能是導致這3種纖維在此階段失水較多的原因；第三階段（＞250℃）主要是由于一些木質(zhì)素和復雜聚合物分解所致，4種柑橘纖維殘留量分別為：NODF（24.19%）、APDF（24.40%）、ODF（24.34%）、LDF（25.12%）。

表1 不同柑橘纖維的理化和功能性質(zhì)Table 1 Physicochemical and functional properties of different citrus fiber

圖4 不同柑橘纖維的熱重分析Fig.4 Thermogravimetric analysis of different citrus dietary fiber

2.5 粒徑分布

不同柑橘膳食纖維的粒徑分布如圖5所示。蘋果柚纖維在4種纖維中粒徑最大，沃柑纖維粒徑小于其他3種纖維。結(jié)晶度的降低可導致分子有序狀態(tài)降低，使纖維形態(tài)減小，這可能是沃柑纖維顆粒尺寸較小的原因。隨著膳食纖維顆粒尺寸的減小，其理化性質(zhì)和生理活性可能會得到改善。4種纖維的平均粒徑為49.31～52.75 μm，表明酶解可作為一種低粒徑膳食纖維提取的有效方法。

圖5 不同柑橘纖維的粒徑分布Fig.5 Particle size distribution of different citrus dietary fiber

2.6 色澤及組成成分和功能性質(zhì)

由表1可知，檸檬纖維L*值在4種纖維中最高，呈現(xiàn)淺色色澤，有益于其在淺色食品中的應用。臍橙纖維L*值顯著低于其他3種纖維，根據(jù)SEM結(jié)果，臍橙膳食纖維存在團簇結(jié)構(gòu)，可能使其比表面積增大，在制備過程中產(chǎn)生褐變，導致L*值較低，b*值較大。膳食纖維色澤對其在食品中的應用有直接影響。通過酶法制備的4種柑橘纖維都保持較相似的淡黃色，可能會限制其在淺色食品中作為配料的應用。

通過酶法制備的4種柑橘纖維主要成分均為IDF，含量達50%以上。檸檬總膳食纖維（TDF）及IDF含量均最高，分別為67.63%和56.60%。臍橙SDF含量高于其他3種柑橘纖維，為14.06%，且IDF與SDF比例較好（3.6∶1），可能對其生理活性具有一定促進作用。

沃柑纖維的持水力在4種膳食纖維中最高；臍橙、蘋果柚、沃柑纖維的持油力差異不顯著，檸檬纖維的略低；4種纖維的溶脹性為14.17～20.00 mL/g，臍橙纖維溶脹性最高，其余3種纖維差異不顯著。

2.7 流變特性

如圖6A所示，不同柑橘纖維剪切應力與剪切速率之間呈現(xiàn)線性關系，其中粒徑最大的APDF受到的剪切應力明顯高于其他纖維，可能因為纖維粒徑越大，越容易形成網(wǎng)絡，導致更多顆粒相互作用，從而使其受到更大剪切應力。

圖6 不同柑橘纖維的剪切應力（A）和黏度（B）Fig.6 Shear stress（A）and viscosity（B）of different citrus dietary fiber

不同柑橘纖維黏度隨剪切速率變化規(guī)律如圖6B所示。結(jié)果顯示，在低速率下，柑橘纖維表觀黏度隨著剪切速率增加而顯著降低，當剪切速率繼續(xù)增加時，表觀黏度趨于穩(wěn)定，呈剪切稀化現(xiàn)象。相同剪切速率下，4種柑橘纖維中，APDF表觀黏度最大，ODF及NODF表觀黏度較小。結(jié)合粒徑分布結(jié)果發(fā)現(xiàn)，平均粒徑較小柑橘纖維黏度較高，可能是因為較小纖維顆粒尺寸可以提供較大比表面積和填充分數(shù)，使膳食纖維具有抗流動能力。同時，根據(jù)XRD分析結(jié)果，可能是由于APDF結(jié)晶度最高（27.43%），分子內(nèi)排布較為有序，分子間相互作用力較大，導致表觀黏度增大，也需要更大的力來打破其晶體結(jié)構(gòu)，使相同剪切速率下，APDF受到的剪切應力較大。

2.8 抗氧化活性

不同柑橘膳食纖維抗氧化活性如圖7所示，4種柑橘纖維抗氧化能力均隨其質(zhì)量濃度的升高呈明顯上升趨勢，高纖維濃度對DPPH·、ABTS+自由基均有較強清除能力，且具有較好的鐵還原能力。由圖7A、B可知，相同質(zhì)量濃度下，不同柑橘纖維抗氧化活性具有顯著性差異。NODF在4種柑橘纖維中表現(xiàn)出最高DPPH·、ABTS+自由基清除力。

圖7 不同柑橘纖維的抗氧化活性Fig.7 Antioxidant activity of different citrus dietary fiber

如圖7C所示，同濃度下，樣品吸光度越高，表明還原力則越強，抗氧化能力也越高?？梢奦c的鐵還原能力顯著高于柑橘纖維。4種柑橘纖維中，NODF、ODF鐵還原能力顯著高于APDF和LDF，與DPPH·及ABTS+自由基清除能力變化規(guī)律一致。

2.9 相關性分析

將各指標測定值進行相關性分析，結(jié)果見表2。TDF與WHC、DPPH、ABTS、FRAP呈極顯著正相關，與OHC及黏度呈極顯著負相關，與SC呈顯著正相關；IDF與OHC呈極顯著負相關，與SC呈顯著負相關；SDF與WHC、OHC、SC、DPPH、FRAP呈極顯著正相關，說明膳食纖維中主要是可溶性膳食纖維SDF具有水合性能及抗氧化活性。粒徑與WHC、OHC、DPPH、ABTS及FRAP呈極顯著負相關，證明在一定粒度范圍內(nèi)，膳食纖維粒徑越小，其持水性及持油性越高，抗氧化活性也越強。WHC、SC與DPPH、ABTS、FRAP呈極顯著正相關，說明在一定范圍內(nèi)，膳食纖維水合性能對其抗氧化性能具有促進作用。黏度與粒徑呈極顯著正相關，即粒徑較大的纖維黏度較高，可能是由于纖維顆粒度較大，加強了顆粒間相互作用，導致表觀黏度增大。黏度對纖維體外抗氧化活性也具有顯著影響。結(jié)果顯示，黏度與DPPH、ABTS及FRAP呈極顯著負相關。柑橘纖維粒徑與亮度L*呈顯著正相關，與a*及b*呈極顯著負相關，可能是因為粒徑減小導致比表面積增大，反射因數(shù)隨之增大，導致纖維色澤變淺。DPPH與ABTS、FRAP之間均呈極顯著正相關，且相關系數(shù)大于0.7。結(jié)果表明，各表征指標間相關性較強，可采用主成分分析對不同柑橘纖維品質(zhì)進行綜合分析。

表2 4種柑橘纖維表征指標的相關性系數(shù)矩陣Table 2 Correction coefficient matrix of characterization index in 4 kinds of citrus dietary fiber

2.10 主成分分析

進行主成分分析前，采用KMO檢驗對所獲數(shù)據(jù)進行適應性檢驗，經(jīng)計算得知KMO=0.646，大于0.5，因此，可進行主成分分析。如表3所示，分析得到的3個因子特征值均大于1，累計方差貢獻率達90.893%，可反映不同柑橘纖維絕大部分信息，因此提取前3個因子信息進行后續(xù)分析計算。

表3 主成分的特征值、貢獻率、累計貢獻率及特征向量Table 3 Principal components eigenvalues，contribution rate，accumulative contribution rate and eigenvector

由表3可知，貢獻率為49.083%的第1因子中荷載值較大的有TDF含量、SDF含量、IDF含量、L*、a*、b*及OHC，主要反映纖維化學組成及色澤；第2因子貢獻率為30.954%，其中荷載值較高且為正值的有WHC、FRAP、DPPH及b*，粒徑及黏度為負相關；貢獻率為10.855%的第3因子中，SC及ABTS、FRAP荷載值均為正值且大于0.5，主要反映柑橘纖維抗氧化和水合性能。

以3個主成分分別對應的方差貢獻率占累積方差貢獻率的比例作權重建立綜合評價模型：F=0.540F1+0.341F2+0.119F3，綜合評價結(jié)果如表4所示。臍橙纖維在第1、第3因子中的得分均最高，說明與其他品種相比，NODF在膳食纖維含量及組成、色澤方面具有優(yōu)勢。ODF在第2因子中得分最高，說明其在抗氧化性能方面具有最大優(yōu)勢。而LDF及APDF在第2因子中得分均較低，抗氧化活性較低。以不同因子貢獻率為權重，根據(jù)不同品種各因子得分與相應權重乘積的累加計算得到纖維綜合得分，排序為：臍橙纖維、沃柑纖維、蘋果柚纖維、檸檬纖維，臍橙纖維綜合品質(zhì)最高，檸檬纖維品質(zhì)較差。

表4 4種柑橘纖維的得分及綜合評價Table 4 Score and comprehensive evaluation

3 討論

柑橘皮渣是膳食纖維的主要來源之一，利用酶法制備臍橙、蘋果柚、沃柑及檸檬皮渣膳食纖維，并分析比較其理化、結(jié)構(gòu)及抗氧化活性差異。通過結(jié)構(gòu)解析發(fā)現(xiàn)，4種柑橘纖維的紅外光譜均呈現(xiàn)纖維素特征吸收峰，為纖維素Ⅰ晶體構(gòu)型，表明酶處理未改變柑橘纖維晶型。

膳食纖維水合作用對腸道內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收有直接影響，可增加飽腹感，起預防肥胖的作用，其生理功能與其表面結(jié)構(gòu)密切相關。本研究表明，在一定粒度范圍內(nèi)，纖維粒徑越小，其持水力、持油力越高，這與Huang等[12]的研究結(jié)果一致。4種柑橘纖維中，沃柑纖維WHC最高，可用作功能性食品配料，改善產(chǎn)品黏度和質(zhì)地；根據(jù)SEM結(jié)果，沃柑纖維表面呈現(xiàn)蜂窩狀，孔隙度較高，可能有助于吸收并保持更多水分子。酶法制備的4種柑橘纖維溶脹性均高于竹筍（5.11 mL/g）[13]、椰子（5.12 mL/g）[14]等的纖維，可能是經(jīng)過酶解處理后，纖維表面淀粉殘留物被去除，緊密的纖維表面被破壞形成多孔疏松的結(jié)構(gòu)[15]，這些結(jié)構(gòu)變化有助于提高纖維的吸附能力[16]，使柑橘纖維具有增加飽腹感的潛力，可作為一種功能食品添加劑用于預防或限制肥胖。此前的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，SDF比IDF表現(xiàn)出更好抗氧化活性[9]，SDF與抗氧化能力之間存在正相關性[17]，測得臍橙纖維中SDF含量顯著高于沃柑、蘋果柚及檸檬纖維，可能對其抗氧化活性有增強作用；柑橘皮渣膳食纖維抗氧化活性與其濃度呈正相關，高纖維濃度具有較強的抗氧化活性；相關性分析結(jié)果表明，柑橘纖維SDF含量、WHC、SC與其抗氧化活性均呈極顯著正相關。

研究表明柑橘皮渣可作為一種優(yōu)質(zhì)膳食纖維來源，為柑橘加工副產(chǎn)物綜合利用提供新思路，提高柑橘加工鏈價值。本試驗中制得4種柑橘纖維IDF占比均較大，未達到理想比例，仍需深入研究以改善SDF與IDF比例，進一步提升柑橘纖維的生理活性。