王雅怡，付曉康，賀 便，黃 亮, ，朱仁威，張林威

（1.特醫(yī)食品加工湖南省重點實驗室，中南林業(yè)科技大學食品科學與工程學院，湖南長沙 410004；2.稻谷及副產物深加工國家工程研究中心，中南林業(yè)科技大學食品科學與工程學院，湖南長沙 410004）

洋薊，別名朝鮮薊、法國洋薊、球洋薊、法國百合等，是一種菊科菜薊屬植物，在我國云南、浙江、湖南等地相繼引種并形成規(guī)?；N植[1]。洋薊的主要食用部位是綠色葉狀苞片包圍的花蕾，具有很高的營養(yǎng)價值，同時葉柄軟化后也可水煮食用[2]。食用新鮮洋薊的花蕾可保護肝腎、增強肝臟排毒、促進氨基酸代謝、降低膽固醇以及治療消化不良、改善胃腸功能、防止動脈硬化、保護心血管[3-4]。宋曙輝等[5]研究發(fā)現，洋薊花托、莖和葉片纖維含量較高，粗纖維含量以鮮樣計，不可食用部分占4.41%，花托為0.73%，苞片可食部為2.65%，具有很高的營養(yǎng)保健功能。

洋薊中的膳食纖維為可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）[6]。SDF 具有更廣泛和重要的生理功能，不僅可以顯著影響碳水化合物和脂質的代謝，還可以吸附重金屬離子和膽固醇，是影響膳食纖維生理功能的重要因素[7-9]。董吉林等[10]研究發(fā)現燕麥膳食纖維對食源性肥胖小鼠有顯著降脂減肥的作用，其中SDF的效果更佳。美國流行病學研究顯示，增加膳食纖維，尤其是SDF的攝入可降低冠心病發(fā)生風險[11]。洋薊中膳食纖維的含量豐富但大多數是IDF，IDF口感粗糙且人體不易吸收，主要促進腸道蠕動等等發(fā)揮作用，這限制了洋薊膳食纖維更好地發(fā)揮其功能[12-13]。因此，如何提高洋薊膳食纖維的SDF含量已成為當下研究的熱點。

低溫冷凍是將物料冷卻至玻璃化轉變溫度或低于脆化溫度。作為預處理方法，低溫冷凍與粉碎相結合，除了廣泛應用于粉碎橡膠、塑料外，還可應用于粉碎食品，香料等。Liu等[14]研究發(fā)現低溫粉碎使胡椒粉品質更佳、味道濃厚細膩。李楊等[15]在-4 ℃下將生物酶法制油豆渣膳食纖維經低溫超微粉碎處理后,豆渣膳食纖維粒徑分布穩(wěn)定,其持水性、膨脹性顯著提高。

超微粉碎是一種具有高速、污染少、原料利用率高等特點的新型加工方法[16]，經超微粉碎后的食品顆粒粒徑細小、均勻、易于發(fā)酵、酶解[17-18]。施建斌等[19]比較麥麩及麥麩膳食纖維分別在常規(guī)粉碎和超微粉碎后的物化特性，發(fā)現超微粉碎處理可進一步提升麥麩膳食纖維的持水性和持油性，超微粉碎麥麩及麥麩膳食纖維膽酸鈉吸附量和葡萄糖吸附量明顯上升等等，可以說明超微粉碎將有助于改變麥麩及麥麩膳食纖維的原始特性。Yan等[20]用高靜水壓（HHP）和超微粉碎處理（SFGT）對梨果渣的理化和功能特性的影響，結果表明，HHP和SFGT均可增加SDF含量。

湖南常德西洞庭管理區(qū)自2005年從國外引進洋薊種植并加工成罐頭出口外銷，2015年，種植面積達到2000 hm2，單產7500 kg/hm2，然而目前西洞庭洋薊加工罐頭僅利用其合格鮮果的約1/3，洋薊的綜合利用率只有5%～10%，導致資源浪費和環(huán)境污染[21]。目前國內外對于超微粉碎在食品中的應用以及洋薊的抗氧化成分、洋薊粉等相關加工工藝等的研究較多，低溫冷凍-超溫粉碎和洋薊膳食纖維鮮有研究，而洋薊中膳食纖維的含量豐富且為優(yōu)質纖維。為了更好地探究低溫冷凍及超微粉碎兩種方法相結合所產生的協(xié)同作用、提高洋薊的資源利用率，本實驗以洋薊膳食纖維為原料，對比研究普通粉碎、超微粉碎和低溫冷凍-超微粉碎三種處理方式對洋薊膳食纖維結構及理化性質的影響，為提高洋薊膳食纖維的綜合利用提供新思路和理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

洋薊 惠美農業(yè)科技有限公司；二水合磷酸二氫鈉、十二水合磷酸氫二鈉、無水乙醇、石油醚、氫氧化鈉、鹽酸、溴化鉀、葡萄糖、氯化氫、硝酸銀、氯化鈉等試劑 均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

JL-1178型激光粒度分析儀 成都精新粉體儀器有限公司；FA1104分析天平 上海舜宇恒平科學儀器有限公司；FW-400A萬能粉碎機 北京中興偉業(yè)儀器有限公司；SHA-C恒溫震蕩水浴鍋 常州國華電器有限公司；SU8000冷場發(fā)射掃描電鏡 日本日立公司；CJM-SY-B1型高能納米沖擊磨 秦皇島市太極環(huán)納米制品有限公司；DW-HL388超低溫冰箱 中科美菱低溫科技有限公司；smarlab ragiku 2019衍射儀 日本理學電機公司；MS400加熱型磁力攪拌器 上海般特儀器制造有限公司；UV-1800紫外可見分析光度計 日本島津公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 洋薊預處理 取一定量干洋薊花苞于105 ℃干燥12 h，取出冷卻至室溫后用萬能粉碎機粉碎。粉碎后將樣品用85%乙醇溶液按每克試樣10 mL的比例沖洗后棄乙醇溶液，連續(xù)沖洗3次，再將試樣置40 ℃烘箱內干燥12 h。干樣粉碎過60目篩后得到脫糖洋薊粉，置于玻璃干燥器中備用。

1.2.2 洋薊膳食纖維的提取 準確稱取脫糖洋薊粉試樣5 g（精確至0.01 g），加入水200 mL，用磁力攪拌直至試樣完全分散在水中。調節(jié)pH6.0，向試樣中先添加0.9 %熱穩(wěn)定a-淀粉酶在溫度85 ℃、pH6下水解50 min。再添加0.9%蛋白酶，在溫度55 ℃、pH6下水解40 min。水解完成后向每份試樣酶解液中按乙醇與試樣液體積比4:1的比例加入預熱至（60±1） ℃的95%乙醇，加蓋鋁箔于室溫條件下沉淀1 h后抽濾，在105 ℃烘干12 h后室溫冷卻1 h，得到洋薊膳食纖維。

1.2.3 普通粉碎處理 將洋薊膳食纖維放入萬能粉碎機粉碎，過60目篩后收集。

1.2.4 超微粉碎處理 將洋薊膳食纖維加入納米沖擊磨中，樣品與鋯球質量比2:1的條件下粉碎8 h，過300目篩后收集。

1.2.5 低溫冷凍-超微粉碎處理 將洋薊膳食纖維在-80 ℃下冷凍48 h，再加入納米沖擊磨中，樣品與鋯球質量比2:1的條件下粉碎8 h，過300目篩后收集。

1.2.6 粒徑測定 采用激光粒度分析儀對洋薊膳食纖維粉末粒徑進行測定[22]。用空氣作為分散劑，取適量的洋薊膳食纖維，超聲輔助使其分散均勻，設定折射率1.510，介質折射率1.33，粒徑測定范圍0.01～2000 μm。粒徑分布的參數例如D10、D50、D90和粒度分布寬度等等，以Zhao等[23]的方法為參考，粒度分布寬度的換算如下：

式中：D10指樣品的累計粒度分布百分數達到10 %時所對應的粒徑；D50指樣品的累計粒度分布百分數達到50%時所對應的粒徑；D90指樣品的累計粒度分布百分數達到90%時所對應的粒徑。

1.2.7 傅里葉紅外光譜（FTIR） 在充分干燥的環(huán)境中，取2 mg干燥的樣品，加入200 mg充分干燥的溴化鉀粉末于瑪瑙研缽中，研磨直至完全研細混勻，將研磨好的粉末均勻加入壓膜器內，壓片5 min，然后迅速取出放入儀器中進行掃描，掃描波數400～4000 cm-1，掃描次數32次，掃描分辨率4 cm-1。

1.2.8 掃描電鏡觀察微觀結構 取少量導電膠將適量干燥樣品固定在樣品臺上，噴金100 s，將電鏡的加速電壓逐步從低到高升到5 kV，工作距離10 mm，分別放大2000、10000和20000倍觀察樣品顆粒的形貌，拍照分析樣品形態(tài)變化。

1.2.9 理化性質分析 參考徐驅霧[22]的方法加以修改，測定樣品的膨脹力、持水力、持油力、結合水力。

1.2.9.1 膨脹力（SWC）測定 精確稱取洋薊膳食纖維干樣0.1 g（精確至0.001 g）于盛有一定蒸餾水的量筒中，混合均勻后于室溫下放置24 h，觀察樣品在量筒中的自由膨脹體積（mL），計算其膨脹性。膨脹性換算成每克干物質的膨脹體積：

式中：L1為膨脹后體積；L2為干樣體積；m為樣品干重。

1.2.9.2 持水力（WHC）測定 精確稱取洋薊膳食纖維干樣0.5 g（精確至0.001 g）于50 mL離心管中，加30 mL蒸餾水浸泡搖勻，室溫下靜止1 h，在3000 r/min下離心20 min，棄上清液，稱剩余沉淀物的重量。持水力換算成每克干物質中的水分含量：

式中：m1為樣品干重；m2為樣品濕重。

1.2.9.3 持油力（OHC）測定 稱取洋薊膳食纖維干樣0.1 g（精確至0.001 g）于試管中，加入一定量市售飽和色拉油混勻靜置30 min后，倒置試管瀝干多余油脂，然后稱重，持油力換算成每克干物質所滯帶的色拉油的重量：

式中：m1為樣品干重；m2為樣品濕重。

1.2.9.4 結合水力（WBC）測定 精確稱取洋薊膳食纖維樣品0.1 g（精確至0.001 g），浸泡于25 mL 25 ℃的蒸餾水中，伴隨適當攪拌保持2 h。在14000 r/min條件下離心1 h后去除上清液，沉淀物靜置于G-2多孔玻璃上1 h后稱重。隨后在120 ℃下干燥2 h再次稱重，兩者差值為所結合水的重量，結合水力換算成每克干物質的結合水克數：

式中：m1為樣品干重；m2為離心后樣品濕重；m3為干燥后樣品干重。

1.2.10 葡萄糖吸附能力測定 參考阮傳英等[24]的方法，準確稱取1.00 g樣品（精確至0.001 g）放入100 mL 100 mmol/L的葡萄糖溶液（pH7.0）中。在38 ℃下磁力攪拌7 h。然后3000 r/min下離心25 min，利用可見分光光度法在505 nm下測定上清液中葡萄糖含量，同時做空白對照：

1.2.11 XRD分析 將樣品在45 ℃下干燥4 h，然后使用衍射儀在25 ℃下以0.2 s/步掃描并記錄XRD圖譜（其中管電流：150 mA，管電壓：40 kV，DS 狹縫 0.5°，SS 狹縫 0.5°，RS 狹縫 0.1 mm，CuKα輻射，λ=0.1540 nm，2θ=3.2°至 80°的范圍內）。洋薊膳食纖維的相對結晶度（CI）計算方式如下：

式中： A非晶態(tài)為非晶態(tài)曲線下的面積； A結晶為采樣曲線下的區(qū)域。

使用Scherrer方程確定纖維素尺寸：

式中：λ=0.1540 nm；k 為校正因子且 k=0.91；弧度 θ 為衍射角；β為全寬。

纖維素的d間距用布拉格定律確定：

式中：d為晶格平面之間的面間距離；θ為以度為單位的散射角；n為正整數；λ為x射線的波長。

1.3 數據處理

所有實驗平行3次，采用Microsoft excel 2016處理數據，Origin 2018作圖，結果均采用平均值±標準差（±s）的形式表示，通過SPSS 22.0進行分析數據，采用方差分析和T檢驗，P＜0.05有顯著差異，P＜0.01有極顯著差異。

2 結果與分析

2.1 不同處理方法對洋薊膳食纖維粒徑的影響

如表1所示，與普通粉碎相比，超微粉碎和低溫冷凍-超溫粉碎處理后的洋薊膳食纖維的粒度顯著減小，其中低溫冷凍-超微粉碎膳食纖維不僅D50最小，而且粒度分布寬度小于其他兩種，說明其粒徑大小分布從雜亂逐漸變得集中，這可能與DF顆粒受到剪切力，纖維素結構受到一定程度的破壞有關，從而影響DF的功能特性，這與Zhao等[23]得到的結論一致。

表1 不同處理方式對洋薊膳食纖維粒度和分布的影響Table 1 Effects of different treatments on grain size and distribution of artichoke dietary fiber

2.2 不同處理方法的洋薊膳食纖維傅里葉紅外光譜分析

如圖1所示，紅外光譜圖中波數3367 cm-1附近的吸收峰為分子內羥基（-OH）伸縮振動峰，這是由于分子間氫鍵發(fā)生締合，低溫冷凍-超微粉碎后的洋薊膳食纖維的峰明顯比其他兩組寬且峰強度有所上升，主要是由樣品中果膠和半纖維素引起的。波數為2943 cm-1的峰為C-H伸縮振動峰，是多糖類物質典型結構特征，其中低溫冷凍-超溫粉碎的洋薊膳食纖維的峰強度最大，說明亞甲基含量最多。1732 cm-1的峰歸屬于羰基（C=O）的伸縮振動峰，波數為1058 cm-1的峰為C-O的伸縮振動峰，這主要是由半纖維素引起的，同時也說明了樣品可能含有酯基，1639 cm-1為吸附水的H-O-H彎曲振動峰，在低溫冷凍-超微粉碎后的洋薊膳食纖維中強度最大，說明此樣品吸水性最大，1325 cm-1峰歸屬于脂肪族不對稱的C-H鍵彎曲振動峰，1247 cm-1峰為纖維素中C-O伸縮振動峰，在1527 cm-1附近沒有木質素的特征吸收峰出現，說明三組樣品都不含木質素[25]。從圖1中各官能團的峰可以看出，低溫冷凍-超微粉碎＞超微粉碎＞普通粉碎，整體分析可知，低溫冷凍-超微粉碎處理前后洋薊膳食纖維具有-OH、C-H、C=O、C-O鍵等果膠、多糖類、纖維素及半纖維素的特征吸收峰，沒有出現新吸收峰，其特征吸收峰峰型、位置及峰數量均未有明顯變化，說明與普通粉碎相比，經過超微粉碎和低溫冷凍-超微粉碎后的洋薊膳食纖維的理化性質提升但化學成分均未發(fā)生明顯變化，其中低溫冷凍-超微粉碎使洋薊膳食纖維的理化性質提升更明顯。

圖1 不同處理方法的洋薊膳食纖維傅里葉紅外光譜圖Fig.1 FTIR spectra of dietary fiber of artichoke with different treatment methods

如圖2所示，與其他方法相比，低溫冷凍-超微粉碎使洋薊膳食纖維表面結構發(fā)生了較大的變化。在2000倍數下，橫向對比可以看出超微粉碎的顆粒多為不規(guī)則片狀結構，普通粉碎和低溫冷凍超微粉碎呈塊狀排列。再通過觀察10000和20000倍，三種方法對比后發(fā)現超微粉碎和冷凍低溫-超微粉碎的組織結構變得疏松，其中低溫冷凍-超微粉碎的膳食纖維受到更強烈的機械剪切作用，比表面積明顯增大，纖維內部結構受到破壞使更多親水基團外露，持水力、持油力、膨脹力提高，這與李天等[26]得到的結論一致。

圖2 不同放大倍數下不同處理方法的洋薊膳食纖維的掃描電鏡圖Fig.2 Scanning electron micrographs of dietary fibers of artichoke with different treatments at different magnifications

2.3 不同處理方法對洋薊膳食纖維理化性質的影響

洋薊膳食纖維具有良好的持水性、持油性、膨脹力和結合水力等，這與其結構組成密切相關，能進一步反映其功能特性。表2為不同處理方法的洋薊膳食纖維的理化性質及持油力的變化。分析表2可知，經過超微粉碎的洋薊膳食纖維的膨脹力、持水力和持油力有明顯提高，但低溫冷凍-超微粉碎的提高更顯著，與普通粉碎的洋薊膳食纖維相比分別提升了1.44、1.25、1.97倍。由于粉碎后顆粒數量增加，膳食纖維顆粒溶于水后容積增大，膳食纖維的膨脹力增大，而粉碎使物料粒度減小，孔隙率相對增加，更多的親水性基團暴露，從而膨脹力上升[27-29]。超微粉碎和低溫冷凍-超微粉碎均使可溶性膳食纖維占比增加，導致膨脹力大幅提高[28。因為膳食纖維大分子結構被破壞，影響了其整體的理化性質，反而使其對小分子的吸附性變強；粉碎對膳食纖維產生空穴效應和剪切力，顆粒的增多會使得比表面積增大，更易結合油脂，所以低溫冷凍-超微粉碎條件下的持油力更大，這與李菁等[29]得到的結論一致。但隨著進一步細化，尤其在低溫冷凍-超微粉碎處理后，洋薊膳食纖維的結合水力更顯著下降，可能是粉碎過程中，機械作用破壞顆粒毛細結構部分、纖維基質以及致密的多孔網狀結構，原本通過氫鍵存留在多孔網狀結構內部空隙間的水分被釋放，對水的束縛減小，低溫冷凍使得網狀結構破壞強度更大，對水的束縛更小，最終導致結合水力下降[30-31]。

表2 不同處理方法的洋薊膳食纖維的理化性質Table 2 Physicochemical properties of dietary fiber from artichoke with different treatment methods

2.4 不同處理方法對洋薊膳食纖維葡萄糖吸附能力的影響

在100 mmol/L的葡萄糖溶液濃度條件下，洋薊膳食纖維對葡萄糖的等溫吸附結果為普通粉碎0.57±0.03 mg/g、超微粉碎 1.34±0.04 mg/g、低溫冷凍-超微粉碎2.12±0.04 mg/g。由圖3可見，經過低溫冷凍-超微粉碎的洋薊膳食纖維對葡萄糖吸附能力是普通粉碎的3.7倍。超微粉碎使洋薊膳食纖維的內部結構變疏松，顆粒之間的間隙使內部溶質進入纖維內部更加容易，同時網狀結構被打開，變成片層狀結構，其中的功能基團暴露，使葡萄糖吸附能力增強，而經過低溫冷凍-超微粉碎后的洋薊膳食纖維因低溫冷凍使功能基團暴露更加徹底，比起超微粉碎處理吸附能力更強。微觀結構不是影響吸附作用的唯一因素，洋薊膳食纖維本身的性質也會影響其吸附能力[32]。而普通粉碎后的洋薊膳食纖維結構比其他兩種方法處理后更致密一些，包裹在內部的許多功能基團很難發(fā)揮吸附作用，這與掃描電鏡的分析結果一致。

圖3 不同處理方法的洋薊膳食纖維的葡萄糖吸附量Fig.3 Glucose adsorption of dietary fiber from artichoke with different treatments

2.5 不同處理方法對洋薊膳食纖維結晶度的影響

結晶度是衡量洋薊膳食纖維物理特性的重要指標，隨著結晶度的增加，材料的尺寸穩(wěn)定性、抗拉強度、彈性模量、耐熱性等特性隨之增強。如圖4所示，三種方法的XRD圖譜都顯示出相似的形狀。X 射線衍射圖樣記錄在 2θ=14.98°，22.8°和 34.49°處，圖譜中峰表示這三種方法處理后的洋薊膳食纖維均具有纖維素 Ⅰ 型的X射線衍射曲線特征，說明晶體類型為纖維素Ⅰ型，為結晶區(qū)與非結晶區(qū)兩相共存的狀態(tài)[33]。纖維素是一種重要的不可溶性膳食纖維，主晶峰在22.8°處觀察到強度為100%，證實了其中結晶纖維素的存在。經過計算，三個不同處理方法樣品的結晶度，分別為 1#=26.73%，2#=38.10%，3#=30.5%，可以看出低溫冷凍-超微粉碎破壞了纖維素I型晶體中的無定形結構，并使得纖維素結構被破壞[34-35]，從而導致持水力、膨脹力、持油力等理化性質的變化。

圖4 不同處理方法的洋薊膳食纖維的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of dietary fiber from artichoke with different treatments

3 結 論

利用三種不同的處理方式處理洋薊膳食纖維，通過電鏡觀察，結合粒徑的相關分析對比發(fā)現，低溫冷凍-超微粉碎處理的洋薊膳食纖維粒徑分布更加集中和均勻，通過FTIR證實了低溫冷凍-超微粉碎使洋薊膳食纖維的理化性質更顯著提升，通過觀察XRD圖譜發(fā)現低溫冷凍-超微粉碎處理的洋薊膳食纖維中的纖維素結構受到破壞，親水基團暴露，使結晶能力和葡萄糖吸附能力顯著提高，并且改善了持水力、膨脹力、持油力等理化性質，說明低溫冷凍-超微粉碎可以很好地優(yōu)化洋薊膳食纖維的結構和物理特性。本研究僅僅在洋薊膳食纖維層面對低溫冷凍-超微粉碎的處理效果進行分析，有助于為未來洋薊膳食纖維的綜合利用和與超微粉碎相關的協(xié)同作用提供一些新思路。