李 丹，汪秀妹，梁 杰，劉 濤，林國榮，王麗霞，鄭心怡

（莆田學(xué)院環(huán)境與生物工程學(xué)院，福建省新型污染物生態(tài)毒理效應(yīng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，生態(tài)環(huán)境及其信息圖譜福建省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建莆田 351100）

菠蘿蜜是目前市面上可見最大的樹生熱帶水果，其果肉及種子皆可食用，果肉柔軟、汁多，具有芳香味道[1]。菠蘿蜜的果實(shí)最多可以有約500 顆種子（2～3 cm 長，直徑1～2 cm），種子質(zhì)量占水果總重量的10%～15%，由于新鮮的種子不能長期儲(chǔ)存，因此常被當(dāng)作廢棄物丟棄，大量的菠蘿蜜籽資源仍未被充分開發(fā)[2]，對副產(chǎn)品進(jìn)行生態(tài)化利用，可以減少生物資源的浪費(fèi)，增加果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)收入[3]。菠蘿蜜籽富含氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、鋅、銅等多種礦物質(zhì)和木酚素、皂苷、異黃酮等植物營養(yǎng)素[4]，還具有高淀粉（約46%）、高膳食纖維（約20%）和低脂肪（約0.77%）的特點(diǎn)，膳食纖維（Dietary Fiber，DF）可用以預(yù)防代謝綜合癥及與生活習(xí)慣有關(guān)的疾病，因此菠蘿蜜籽可視為新的膳食纖維來源[5]。DF 可分為可溶性膳食纖維（SDF）和不溶性膳食纖維（IDF）[6]。膳食纖維中SDF的含量應(yīng)達(dá)到10%以上，才能被認(rèn)為是具有很強(qiáng)生理活性和保健功能的優(yōu)質(zhì)膳食纖維[7]，然而天然膳食纖維含量大多低于10%[8]，因此有必要探究對菠蘿蜜籽DF 進(jìn)行改性的方法，以提取出更多的SDF。

目前廣泛采用生物法（主要是酶法和發(fā)酵法）、化學(xué)法（主要是酸堿法）和物理法（主要是擠壓法、高溫蒸煮法和高壓均質(zhì)法）對膳食纖維進(jìn)行改性[7]。高溫蒸煮法是在高溫高壓下對膳食纖維進(jìn)行改性，導(dǎo)致其中的分子鏈斷裂，把IDF 轉(zhuǎn)化為SDF，以此增加SDF 的含量。這種改性辦法對儀器要求較高，因此常受到條件的限制，無法得到較好的結(jié)果[7]。酶法是一種對樣品內(nèi)部破壞強(qiáng)度較低的方法，對膳食纖維損傷小，其缺點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較久，難以在短期獲得較快的提取成果，但超聲波處理方式能夠有效提高實(shí)驗(yàn)速率[9]。將物理法與生物法結(jié)合起來，可以降低實(shí)驗(yàn)成本，彌補(bǔ)單一實(shí)驗(yàn)方法的不足。丁彩云等[10]采用高溫-復(fù)合木聚糖酶和纖維素酶改性脫脂小米糠膳食纖維，結(jié)果表明高溫-復(fù)合酶法可以有效改性膳食纖維，提高其結(jié)構(gòu)和功能特性。汪楠等[11]分別采用纖維素酶酶解、高溫蒸煮、高溫蒸煮協(xié)同纖維素酶處理竹筍膳食纖維，結(jié)果表明，高溫蒸煮協(xié)同酶法較單獨(dú)高溫蒸煮和纖維素酶解有效地提高了竹筍可溶性膳食纖維的理化性質(zhì)。Li 等[12]采用超聲波輔助酶法對荔枝膳食纖維進(jìn)行改性，結(jié)果表明經(jīng)過超聲波酶改性后，SDF 含量提高了6.32%。Oladunjoye 等[13]采用微波輔助堿處理甘蔗渣，結(jié)果表明，改性處理后其持水力等功能性質(zhì)提高，微波輔助處理減少了反應(yīng)時(shí)間。

目前，對菠蘿蜜籽的研究集中在對其蛋白及淀粉的提取或性質(zhì)研究上[1-3]，未見從菠蘿蜜籽中提取膳食纖維的研究，且目前多采用兩種方法相結(jié)合對膳食纖維進(jìn)行改性，關(guān)于高溫蒸煮、超聲波、酶法三種方法結(jié)合對膳食纖維進(jìn)行改性報(bào)道較少。為了減少菠蘿蜜籽資源的浪費(fèi)，增加膳食纖維的新來源，通過對菠蘿蜜籽膳食纖維進(jìn)行改性，提高菠蘿蜜籽SDF的含量與功能性質(zhì)，將有助于將其作為合適的功能性食品原料。因此，本實(shí)驗(yàn)以菠蘿蜜籽為主要原料，采用高溫蒸煮結(jié)合超聲波酶法改性膳食纖維，并對改性工藝方法進(jìn)行優(yōu)化。通過單因素實(shí)驗(yàn)分析料液比、高溫蒸煮時(shí)間、纖維素酶添加量、超聲波酶解的溫度、功率和時(shí)間對菠蘿蜜籽SDF 得率的影響，并在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)對菠蘿蜜籽SDF 的改性工藝進(jìn)行優(yōu)化。最后測定最優(yōu)工藝條件下制備所得到SDF 結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)，以期對菠蘿蜜籽綜合利用，為開發(fā)菠蘿蜜籽膳食纖維功能性食品提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

菠蘿蜜籽 產(chǎn)地海南，采收時(shí)間為2～3 月份的馬來西亞一號菠蘿蜜，鄭州然翎商貿(mào)有限公司；玉米油 益海嘉里金龍魚糧油食品股份有限公司；雞蛋市售；纖維素酶（10000 U/g）食品級，多美姿生物科技有限公司；耐高溫α淀粉酶（20000 U/g）食品級，邢臺萬達(dá)生物有限公司；中性蛋白酶（50000 U/g）食品級，沃佳生物科技有限公司；甘氨酸鈉 食品級，鄭州安安康食品原料有限公司；亞硝酸鈉、對氨基苯磺酸、鹽酸萘乙二胺、DNS 試劑、糠醛、鄰苯二甲醛等 均為分析純，國藥化學(xué)試劑有限公司。

CS-700 中草藥粉碎機(jī) 永康市天祺盛世工貿(mào)有限公司；LDZM-60L-Ⅲ立式高壓蒸汽滅菌鍋 上海申安醫(yī)療器械廠；TENSOR Ⅱ傅立葉紅外光譜儀德國布魯克公司；SU8010 場發(fā)射掃描電子顯微鏡日本日立公司；XRD-6100 X 射線衍射儀 日本島津公司；SDT650 熱重分析儀 美國沃特斯公司；KQ-600KDE 高功率超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 菠蘿蜜籽SDF 的制備方法 清洗菠蘿蜜籽，以清除所有異物和上層白色層。將菠蘿蜜籽切成厚度約5 mm 的片狀，置于60 ℃烘箱中12 h，中草藥粉碎機(jī)粉碎，粉碎后的粉末再次于60 ℃中放置12 h，過40 目篩子，裝入密封袋中，保持干燥，備用。

改性工藝：參考Huang 等[7]和Yang 等[14]的方法并略作修改。稱取5.00 g 樣品于錐形瓶中，加入一定比例的蒸餾水，放入立式高壓滅菌鍋中121 ℃高溫蒸煮一定時(shí)間。用2 mol/L NaOH 調(diào)節(jié)混合液pH 至6.0。加入耐高溫α-淀粉酶0.4 g 以去除淀粉，并在95 ℃下水解30 min，每隔5 min 輕輕攪拌燒杯，用3 mol/L 醋酸調(diào)節(jié)pH 至3.0 滅酶。冷卻至40 ℃，用2 mol/L NaOH 調(diào)節(jié)混合液pH 至7.5，加入0.25 g中性蛋白酶后40 ℃水解30 min，沸水浴10 min 滅酶。冷卻后用3 mol/L 醋酸調(diào)節(jié)混合液pH 至5.0，加入纖維素酶于一定的溫度、功率、時(shí)間條件下超聲處理。沸水浴加熱10 min 滅酶后冷卻至20 ℃，12000×g 離心15 min。取上清液，以1:4（v/v）的比例置于95%乙醇進(jìn)行醇沉。醇沉2.5 h 后以4000 r/min 離心10 min 取沉淀，于65 ℃烘干24 h得到SDF。未改性SDF 的制備：采用傳統(tǒng)水提法提取SDF，不經(jīng)過高壓滅菌鍋蒸煮和超聲波酶解[14-15]，其他步驟同改性的工藝。

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn) 固定蒸煮時(shí)間為20 min，纖維素酶添加量為0.4 g（物質(zhì)質(zhì)量的8%），超聲酶解時(shí)間為10 min、超聲酶解溫度為30 ℃、超聲酶解功率為300 W，改變料液比為1:15、1:20、1:25、1:30、1:35、1:40 g/mL，研究料液比對菠蘿蜜籽SDF 得率的影響。

固定料液比1:20 g/mL，纖維素酶添加量為0.4 g（物質(zhì)質(zhì)量的8%）、超聲酶解時(shí)間為30 min、超聲酶解溫度為30 ℃、超聲酶解功率300 W，改變高溫蒸煮時(shí)間為20、30、40、50、60、70 min，研究蒸煮時(shí)間對菠蘿蜜籽SDF 得率的影響。

固定蒸煮時(shí)間為40 min，料液比1:20 g/mL，超聲酶解時(shí)間為30 min、超聲酶解溫度為30 ℃、超聲酶解功率為300 W，纖維素酶添加量為5%、6%、7%、8%、9%和10%（物質(zhì)質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)），研究纖維素酶添加量對SDF 得率的影響。

固定蒸煮時(shí)間為40 min，料液比1:20 g/mL，纖維素酶添加量為0.4 g（物質(zhì)質(zhì)量的8%），超聲酶解溫度為30 ℃、超聲功率為300 W，改變超聲酶解時(shí)間為10、20、30、40、50、60 min，研究超聲酶解時(shí)間對SDF 得率的影響。

固定蒸煮時(shí)間為40 min，料液比1:20 g/mL，纖維素酶添加量為0.4 g（物質(zhì)質(zhì)量的8%），超聲酶解時(shí)間為50 min、超聲酶解功率為300 W，改變超聲酶解溫度為30、35、40、45、50 和55 ℃，研究超聲酶解溫度對SDF 得率的影響。

固定蒸煮時(shí)間為40 min，料液比1:20 g/mL，纖維素酶添加量為0.4 g（物質(zhì)質(zhì)量的8%），超聲酶解時(shí)間為50 min、超聲酶解溫度為40 ℃，改變超聲酶解功率為240、300、360、420、480、540 W，研究超聲酶解功率對SDF 得率的影響。SDF 得率按照下式計(jì)算。

SDF 得率（%）=（SDF 質(zhì)量/菠蘿蜜籽粉質(zhì)量）×100

1.2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化 根據(jù)6 種單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取對SDF 得率有顯著影響的四個(gè)因素進(jìn)行Boxbehnken 試驗(yàn)。之后對模型進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)行3 次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。響應(yīng)面的因素水平表見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平Table 1 Level of response surface test factors

1.2.4 結(jié)構(gòu)表征

1.2.4.1 傅里葉紅外光譜儀分析 參考汪楠等[11]的方法，并略作修改。分別取1.00 mg 的改性前后SDF樣品放置在樣品臺上，在400～4000 cm-1范圍內(nèi)掃描32 次，分辨率為16 cm-1。

1.2.4.2 掃描電子顯微鏡觀察 樣品粉末用導(dǎo)電膠固定于載物臺上。樣品經(jīng)過離子濺射儀處理后，放入儀器中，加速電壓為15 kV，于500、1000、2000、5000、10000 倍下觀察不同樣品的結(jié)構(gòu)[16]。

1.2.4.3 X 射線衍射分析 分別取菠蘿蜜籽原料粉、改性前后SDF 樣品平鋪于XRD 樣品板，進(jìn)行掃描。測定條件：電壓40.0 kV；電流30.0 mA；以2°/min的速率進(jìn)行掃描；5°～90°（2θ）范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)掃描[17]。

1.2.4.4 熱重分析 分別取10 mg 菠蘿蜜籽原料粉、改性前后SDF 樣品置于剛玉坩堝中，設(shè)置初始溫度為25 ℃，以10 ℃/min 速率升溫，升溫至600 ℃。載氣為氮?dú)?，流速?0 mL/min，測定各樣品的熱分解曲線[11]。

1.2.5 功能性質(zhì)的測定

1.2.5.1 保水力（Water Holding Capacity，WHC）參考Yang 等[18]的方法。取0.500 g 的三種樣品分別與25 mL 水混合2 h，在3000×g 下離心10 min，用濾紙吸收沉積物中多余的水，并對樣品進(jìn)行稱重（作為濕重）。通過公式（1）計(jì)算WHC：

其中，WW為濕重（g）；WS為樣品質(zhì)量（g）。

1.2.5.2 膨脹力（Swelling Capacity，SWC）參考Yang 等[18]的方法。向量筒中放入500 mg 樣品，測量樣品體積V1。測量樣品中加入5 mL 蒸餾水，于室溫下放置24 h 后的體積V2。通過公式（2）計(jì)算SWC：

其中，V2為靜置后體積（mL）；V1為初體積（mL）；M 為樣品質(zhì)量（g）。

1.2.5.3 保油力（Oil Holding Capacity，OHC）參考Yang 等[18]的方法。1.0 g 樣品與5.0 g 玉米油在離心管混合，37 ℃搖1 h，8000×g 離心30 min，除去上清液，收集剩余物稱重。通過公式（3）計(jì)算OHC：

其中，WO為樣品保油后的質(zhì)量（g）；WS為樣品的原始質(zhì)量（g）。

1.2.5.4 亞硝酸鹽離子的吸附能力（Adsorption Capacity of Nitrite Ion，NIAC）參考羅白鈴等[19]的方法。取0.1 g 樣品加入到裝有25 mL 1 mmol/L 亞硝酸鈉溶液的燒杯中，混合液在37 ℃水浴2 h，取上清液與2.5 mL 60%醋酸溶液按1:5（v/v）混勻備用。使用對氨基苯磺酸和鹽酸萘乙二胺測定上清液中的亞硝酸鈉水平來測定樣品所保留的亞硝酸鈉。其標(biāo)準(zhǔn)曲線的回歸方程為y=0.0087x-0.0004，R2=0.998。通過公式（4）計(jì)算NIAC：

其中，CO和CS是吸附前后上清液中的亞硝酸鈉濃度（μg/L）；WS代表樣品質(zhì)量（g）；V 表示亞硝酸鈉溶液的體積（L）。

1.2.5.5 葡萄糖吸附能力（Glucose Adsorption Capacity，GAC）參考Ma 等[20]等的方法。取樣品1.0 g及100 mmol/L 葡萄糖溶液100 mL。37 ℃孵化6 h，5000 r/min 離心15 min 后，取上清液備用。通過DNS 試劑測定上清液中的葡萄糖水平，測定樣品葡萄糖保留量。其標(biāo)準(zhǔn)曲線的回歸方程為y=0.007x-0.0102，R2=0.9991。通過公式（5）計(jì)算GAC：

其中，CO和CS是吸附前后的葡萄糖水平（mmoL/L）；WS代表樣品質(zhì)量（g）；V 代表葡萄糖溶液的體積（L）。

1.2.5.6 膽酸鹽的吸附能力（Cholate Adsorption Capacity，CLAC）參考Wang 等[21]的方法并加以修改。0.20 g 甘氨酸鈉和1.00 g 樣品混合于20 mL 磷酸鹽緩沖液中，調(diào)節(jié)混合液pH 至7，37 ℃培育2 h。取混合液，以8000 r/min 離心10 min，取上清液備用。用糠醛比色法測定上清液中甘氨酸鈉的濃度，其標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程為y=0.033x+0.0047，R2=0.9993。通過公式（6）計(jì)算CLAC：

其中，m0為甘氨酸鈉添加量（mg）；m1為吸附后殘余甘氨酸鈉質(zhì)量（mg）；m 為樣品質(zhì)量（g）。

1.2.5.7 膽固醇的吸附能力（Cholesterol Adsorption Capacity，CAC）采用Wu 等[22]描述的辦法并加以修改。取兩個(gè)新鮮雞蛋，采用分離器分離蛋黃及蛋清。在燒杯中加入蛋黃9 倍體積的蒸餾水制作乳液。稱量1.00 g 樣品與50 mL 乳液混勻，將pH 調(diào)節(jié)至7.0，37 ℃培育2 h 后離心取上清液，4000 r/min離心20 min。以鄰苯二甲醛比色法測定并計(jì)算CAC，其標(biāo)準(zhǔn)曲線的回歸方程為y=19.36x-0.028，R2=0.9972。按照公式（7）計(jì)算上清液中的CAC：

其中，m1為原始蛋黃乳液中膽固醇質(zhì)量（mg）；m2為吸附后上清液中膽固醇質(zhì)量（mg）；m 為樣品質(zhì)量（g）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過Excel 2019 歸納整理；實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次，數(shù)據(jù)均以“均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示，顯著性分析采用SPSS 22 統(tǒng)計(jì)軟件，經(jīng)單因素方差分析，比較方法采用Tukey 分析，差異性顯著為P＜0.05；采用Origin 8.5 進(jìn)行圖形繪制；響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)借助Design Expert V8.0.6 進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

如圖1（a）所示，料液比對于菠蘿蜜籽SDF 得率的影響呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，當(dāng)料液比為1:20 g/mL時(shí)菠蘿蜜籽SDF 得率最高為（19.85%±0.01%）。當(dāng)料液比超過1:20 g/mL 后得率便逐漸下降。這是由于料液比增加，樣品粉末充分浸泡于水中，使得SDF 得以溶出。相較于1:20 g/mL，1:40 g/mL 的料液比條件下菠蘿蜜籽SDF 得率顯著降低了3.30%（P＜0.05），因?yàn)闃悠分械腟DF 含量有限，當(dāng)其在水中達(dá)到平衡后，SDF 可能會(huì)溶于水中，導(dǎo)致得率下降。結(jié)果表明：1:20 g/mL 為菠蘿蜜籽SDF 提取的最佳料液比。

圖1 不同因素對菠蘿蜜籽SDF 得率的影響Fig.1 Effect of different factors on SDF yield of jackfruit seeds

如圖1（b）所示，菠蘿蜜籽SDF 得率隨蒸煮時(shí)間的增加逐漸提高，蒸煮時(shí)間為40 min 時(shí)達(dá)到最高值。蒸煮時(shí)間大于40 min 時(shí)，SDF 得率開始下降（P＜0.05）。這可能是因?yàn)檎糁髸r(shí)間小于40 min 時(shí)，膳食纖維的部分氫鍵斷裂，反應(yīng)并不充分[23]，隨著時(shí)間的增加，纖維素水溶性提高，膳食纖維的溶解性改變。但蒸煮時(shí)間越長，SDF 結(jié)構(gòu)容易被破壞，導(dǎo)致醇沉?xí)rSDF 無法完全析出，得率變低[24]。結(jié)果表明：40 min為菠蘿蜜籽SDF 提取的最佳蒸煮時(shí)間。

圖1（c）所示，當(dāng)酶用量小于8%時(shí)，SDF 得率上升較快，并在添加量為8%的情況下達(dá)到最高值（21.88%±0.23%），酶添加量為8%～10%時(shí)，SDF 得率無顯著差異（P＞0.05）。其原因可能為，隨著纖維素酶的增加，當(dāng)添加了8%的纖維素酶時(shí)，酶的催化能力已到上限。結(jié)果表明：菠蘿蜜籽SDF 提取的最佳酶添加量為8%。

如圖1（d）所示，在10、20 min 兩種條件下SDF得率上升趨勢最明顯，其次為40～50 min。當(dāng)超聲酶解時(shí)間為50 min 時(shí)，SDF 得率最高，為（26.24%±0.76%）。超聲時(shí)間過久，SDF 得率降低。這可能是因?yàn)槌暡ǖ淖饔?，使得物料的?xì)胞壁被破壞，SDF 結(jié)構(gòu)被打開，內(nèi)部的單糖物質(zhì)溶出[25]。因此，50 min 為菠蘿蜜籽SDF 提取的最佳超聲酶解時(shí)間。

圖1（e）所示，于40 ℃下超聲時(shí)所得到的得率最高；當(dāng)溫度為55 ℃時(shí)，得率降低了2.84%（P＜0.05）。其原因可能是纖維素酶在溫度條件的影響下，空間結(jié)構(gòu)打開，更多作用基團(tuán)與反應(yīng)底物結(jié)合，促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)程。但當(dāng)溫度過高時(shí)，酶的活性被抑制，反應(yīng)速率降低。結(jié)果表明：40 ℃為菠蘿蜜籽SDF 提取的最佳超聲溫度。

圖1（f）所示，當(dāng)功率調(diào)整為360 W 時(shí)，菠蘿蜜籽SDF 得率最高為25.60%±0.18%，但當(dāng)超聲功率達(dá)到420 W 時(shí)，菠蘿蜜籽SDF 得率出現(xiàn)顯著降低，降低值為5.05%（P＜0.05）。其原因?yàn)楦吖β实某暡▽?xì)胞結(jié)構(gòu)破壞程度過大，導(dǎo)致膳食纖維原本的結(jié)構(gòu)也被破壞，使得SDF 暴露[26]，生成了較小的糖類物質(zhì)，醇沉不完全。結(jié)果表明：360 W 的超聲功率為菠蘿蜜籽SDF 提取的最佳功率。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果見表2。結(jié)果表明SDF 得率（Y）及自變量蒸煮時(shí)間（A）、料液比（B）、超聲酶解溫度（C）、超聲酶解時(shí)間（D）的回歸方程：

表2 響應(yīng)面分析設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Response surface analysis design and results

Y=24.31+0.47A+0.15B-(8.333E-003)C+0.13D+0.083AB+0.12AC-0.040AD-(2.500E-003)BC+0.083BD-0.055CD-0.87A2-0.37B2-0.29C2-0.45D2。

由表3 所示，方程模型P值＜0.0001，說明模型極顯著；模型失擬項(xiàng)P值＞0.05，說明不顯著，表明此回歸方程有較好的可靠性，可以作為預(yù)測菠蘿蜜籽膳食纖維最優(yōu)提取工藝參數(shù)的模型。此模型的相關(guān)校正系數(shù)R2=0.9684，絕對校正系數(shù)Radj2=0.9368，表明模型的擬合度高。其中A、A2、B2、C2、D2的P值＜0.001，表明它們對菠蘿蜜籽SDF 得率影響極其顯著；B、D 的P值＜0.01，表明它們對菠蘿蜜籽SDF 的得率影響高度顯著。分析可得各因影響素菠蘿蜜籽SDF 得率的順序?yàn)椋篈（蒸煮時(shí)間）＞B（料液比）＞D（超聲酶解時(shí)間）＞C（超聲酶解溫度）。

表3 回歸模型的方差分析Table 3 Analysis of variance of regression model

兩因素交互作用對SDF 得率影響的響應(yīng)面3D 圖見圖2。響應(yīng)面越陡，因子之間的交互作用越重要；響應(yīng)面越平坦，影響程度越低，根據(jù)3D 響應(yīng)圖中各因素的走勢可以推斷對響應(yīng)值的作用大小。結(jié)果表明，四因素對菠蘿蜜籽SDF 提取的影響力為蒸煮時(shí)間（A）＞料液比（B）＞超聲酶解時(shí)間（D）＞超聲酶解溫度（C）。這與方差分析的結(jié)果一致。

圖2 兩因素交互作用對SDF 得率影響的響應(yīng)面3D 圖Fig.2 Response surface 3D diagram of the effect of two factors interaction on SDF yield

2.3 提取條件優(yōu)化及模型驗(yàn)證結(jié)果

通過軟件分析與優(yōu)化，得到最優(yōu)改性工藝條件參數(shù)：蒸煮時(shí)間42.83 min、料液比1:21.25 g/mL、超聲波酶解溫度40.15 ℃、超聲波酶解時(shí)間51.55 min，該條件下可得到最佳SDF 得率24.41%。

結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件，對優(yōu)化的菠蘿蜜籽SDF 提取條件進(jìn)行修正：蒸煮時(shí)間43 min、料液比1:21 g/mL、超聲波酶解溫度40 ℃、超聲波酶解時(shí)間52 min，經(jīng)過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得到菠蘿蜜籽SDF 得率平均值為（24.39%±0.03%）。結(jié)果與模型預(yù)測的結(jié)果相符，從而驗(yàn)證了應(yīng)用響應(yīng)面法優(yōu)化的工藝參數(shù)可靠性。未改性SDF 的得率為（16.93%±0.60%），經(jīng)過改性后SDF 得率是未改性的1.44 倍。孫靜等[24]以棗渣為原料，采用高溫蒸煮結(jié)合纖維素酶改性棗渣膳食纖維，最佳工藝條件下的酶解時(shí)間2.5 h。而本研究通過超聲波輔助纖維素酶酶解，酶解時(shí)間52 min，大大縮短了纖維素酶酶解所需要的時(shí)間。

2.4 結(jié)構(gòu)表征

2.4.1 菠蘿蜜籽SDF 傅里葉紅外光譜分析 由圖3可看出，與未改性的圖譜相比，改性后圖譜的特征官能團(tuán)的吸收峰發(fā)生了紅移，這主要是由于高溫高壓協(xié)同超聲波酶解對多糖鏈的破壞作用[7]。與SDF 的圖譜相比，原料粉在2107 cm-1處的吸收峰強(qiáng)度大于SDF 圖譜在2100 cm-1附近的吸收峰強(qiáng)度。改性后SDF 于 3389 cm-1和未改性 SDF 于 3338 cm-1的伸縮振動(dòng)帶是纖維素、半纖維素-OH 引起的，是多糖成分的特征吸收峰，改性處理后的吸收強(qiáng)度比改性前稍弱，這可能是高溫蒸煮和超聲波處理使纖維素間的氫鍵斷裂，使膳食纖維形成多孔結(jié)構(gòu)，增加了水分子和膳食纖維間的氫鍵所致[27]。2920 cm-1附近的吸收峰是多糖中-CH3的C-H 伸縮振動(dòng)引起的[26]。在2000 cm-1至2500 cm-1附近出現(xiàn)的是三鍵及積累雙鍵非對稱伸縮振動(dòng)區(qū)，這個(gè)區(qū)間內(nèi)含有CN、CC 等的吸收[26]。改性后1603 cm-1和未改性1592 cm-1的特征吸附峰是酯類C=O 的非對稱伸縮振動(dòng)[26]。改性后1413 cm-1和未改性1406 cm-1處的吸收峰通常說明存在木質(zhì)素芳香苯基團(tuán)，經(jīng)過改性處理后的吸收峰強(qiáng)度減小，IDF 含有纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，說明改性處理使IDF 減少，可能是由于高溫蒸煮和超聲波處理使部分木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為SDF[28]。1015 cm-1附近的強(qiáng)吸收峰是纖維素和半纖維素C-O-C 的收縮振動(dòng)，改性后SDF 在1015 cm-1的吸收峰強(qiáng)度小于未改性SDF 在此處的吸收峰強(qiáng)度，進(jìn)一步說明改性處理使IDF 的含量減少，從而轉(zhuǎn)化為更多的SDF[29]?？傮w而言，改性后SDF 和未改性SDF 表現(xiàn)出相似的紅外光譜，但其特征吸收峰的波數(shù)或吸收強(qiáng)度存在差異。

圖3 改性前后DF 傅里葉變換紅外光譜圖Fig.3 DF Fourier transform infrared before and after modification

2.4.2 菠蘿蜜籽SDF 掃描電子顯微鏡分析 可溶性膳食纖維的結(jié)構(gòu)不僅與自身的特性有關(guān)，也可能與提取、改性工藝的不同有關(guān)[4]。由圖4 所示，菠蘿蜜籽原料粉、改性后SDF、未改性SDF 三者的結(jié)構(gòu)差別較大。菠蘿蜜籽原料粉表面較為平坦，呈現(xiàn)圓形單片狀，結(jié)構(gòu)較為單一。未改性SDF 呈現(xiàn)碎片、多層狀結(jié)構(gòu)。改性后SDF 存在許多孔隙，增加了比表面積。這可能是由于在高溫烹飪破壞了纖維鏈的初始結(jié)構(gòu)后，超聲波產(chǎn)生的空化氣泡進(jìn)一步促進(jìn)了纖維的斷裂，導(dǎo)致孔隙的形成[30]，使得更多纖維素酶能夠充分地酶解，從而形成更為疏松的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)大SDF 的比表面積，暴露更多的基團(tuán)，為其他物質(zhì)與SDF 的相互作用提供更多的位點(diǎn)，可以提高SDF的吸附能力[31]。

圖4 原料粉及改性前后SDF 的掃描電鏡圖Fig.4 SEM of raw material powder and SDF before and after modification

2.4.3 菠蘿蜜籽SDF X 射線衍射掃描分析 三個(gè)樣品的XRD 結(jié)果如圖5 所示。結(jié)果表明，菠蘿蜜籽原料粉及兩種SDF 的衍射圖存在部分差異。菠蘿蜜籽原料粉在2θ=16.8°和2θ=22.6°存在兩個(gè)較大的衍射峰，在2θ=14.8°存在次衍射峰，在2θ=64.5°及2θ=77.5°存在弱衍射峰。改性后SDF 及未改性SDF 的光譜區(qū)別較小，衍射峰的位置也基本相同。改性前后的SDF 在2θ=22°左右都出現(xiàn)了特征晶體峰，且2θ=18.4°、2θ=32.5°出現(xiàn)次衍射峰，說明高溫蒸煮和超聲波酶處理相結(jié)合并沒有改變SDF 的晶體類型，和未改性的SDF 相比，改性后SDF 的峰型比未改性SDF 的峰型更為尖銳，經(jīng)過Jade6.0 軟件處理后，改性處理后SDF 的相對結(jié)晶度為20.62%，未改性處理的相對結(jié)晶度為14.84%，改性處理后的相對結(jié)晶度較未改性處理相對結(jié)晶度提高了38.94%，這可能是由于處于非結(jié)晶區(qū)的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素被水解，使結(jié)晶區(qū)的比例提高[28]。

圖5 原料粉及改性前后SDF 的X 射線衍射譜圖Fig.5 X-ray diffraction spectrum of raw material powder and SDF before and after modification

2.4.4 菠蘿蜜籽SDF 熱重分析 三種樣品的熱分解過程如圖6 所示，SDF 的熱分解過程主要可以分為：50～200 ℃（水分蒸發(fā)）、200～350 ℃（果膠及半纖維素分解）、350～600 ℃（最終炭化）[32]。在熱分解的三個(gè)階段中，菠蘿蜜籽原料粉在熱分解過程中質(zhì)量損失多于改性前后SDF。改性后SDF 的殘余質(zhì)量為40.26%，未改性SDF 的殘余質(zhì)量為38.55%。最終改性后SDF 的熱穩(wěn)定性更好，較未改性SDF 提高了1.71%。綜合來看，改性前后的SDF 熱穩(wěn)定性比菠蘿蜜籽原料粉有一定程度的提高。SDF 更好的熱穩(wěn)定性可能與其結(jié)晶度提高有關(guān)[33]。

圖6 原料粉及改性前后SDF 的熱分解行為Fig.6 Thermal decomposition behavior of raw material powder and SDF before and after modification

2.5 功能性質(zhì)測定結(jié)果

由表4 可知，改性后SDF 的功能性質(zhì)都比改性前的功能性質(zhì)高。改性后SDF 的WHC 和SWC 分別較改性前顯著提高了77.59%（P＜0.05）和97.54%（P＜0.05）。改性后較高的WHC 和SWC 的可能原因有兩個(gè)：一是在高溫蒸煮和超聲酶解的作用下，纖維素酶隨著水分的流動(dòng)滲透進(jìn)纖維結(jié)構(gòu)中，使得纖維素微觀結(jié)構(gòu)變得更加疏松，增加了親水物質(zhì)和SDF的結(jié)合的表面積[34]；二是由于物理和酶處理破壞多糖鏈中的糖苷鍵，暴露更多的羥基、羧基等親水官能團(tuán)，提供更多的接觸位點(diǎn)[35]；而菠蘿蜜籽原料粉的內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列緊密，水分難以進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，因此其保水能力和膨脹能力都較低。OHC 可以反映SDF 延緩脂肪的消化和吸收，促進(jìn)其排泄的能力，改性后OHC 較未改性顯著提高了47.03%（P＜0.05），主要是由于改性后SDF 的疏松和多孔的結(jié)構(gòu)[14]。改性后NIAC 較未改性顯著提高了281.45%（P＜0.05），這可能是因?yàn)槎嗫捉Y(jié)構(gòu)增加了吸附位點(diǎn)和比表面積，使亞硝酸鹽離子與SDF 內(nèi)的酚酸和官能團(tuán)充分接觸和反應(yīng)，導(dǎo)致NIAC 的增加[14]。GAC 可用來評估SDF 在胃腸道吸附葡萄糖的能力，高GAC 的SDF 可有效降低餐后血糖水平，延緩消化道葡萄糖吸收，改性后GAC 較未改性顯著提高了59.80%（P＜0.05），可能是由于其疏松多孔的結(jié)構(gòu)為葡萄糖提供更多的接觸位點(diǎn)，促進(jìn)葡萄糖的吸收[36]。改性后SDF 的CLAC 相比未改性SDF 顯著提高了97.63%（P＜0.05），可能是比表面積增大，使更多的極性集團(tuán)暴露，更易與膽酸鈉結(jié)合[37]。改性后SDF 的CAC 較未改性顯著提高了22.21%（P＜0.05），可能是由于改性后SDF 的WHC和SWC 較高，微晶束較少，在水膨脹后，它們變成凝膠狀，能夠結(jié)合食物中的膽固醇，從而減少其吸收。此外，在非晶態(tài)狀態(tài)下，暴露的活性基團(tuán)可以直接螯合膽固醇分子[38]。Wang 等[39]發(fā)現(xiàn)松散、多孔、高OHC 的SDF 通常具有更好的CAC，這與本研究的結(jié)果一致。

表4 改性前后SDF 和原料粉的理化功能性質(zhì)Table 4 Physical and chemical functional properties of SDF and raw material powder before and after modification

3 結(jié)論

高溫蒸煮結(jié)合超聲波酶法改性菠蘿蜜籽膳食纖維的最佳條件為料液比1:21 g/mL、蒸煮溫度121 ℃，蒸煮時(shí)間43 min、纖維素酶添加量8%、超聲波酶解時(shí)間52 min、超聲波酶解功率360 W、超聲酶解溫度40 ℃，在此條件下菠蘿蜜籽SDF 得率為（24.39%±0.03%）。結(jié)構(gòu)測定表明改性后SDF 表面結(jié)構(gòu)較松散、存在多孔性，熱穩(wěn)定性較高，殘留率為40.26%。功能性質(zhì)測定表明改性后的SDF 的功能性質(zhì)優(yōu)于未改性的SDF。為推進(jìn)菠蘿蜜籽可溶性膳食纖維改性工藝提供一定的理論與數(shù)據(jù)支持，為菠蘿蜜籽資源開發(fā)提供參考，可為今后開發(fā)菠蘿蜜籽可溶性膳食纖維功能性食品提供理論基礎(chǔ)。