化學(xué)改性對竹筍膳食纖維結(jié)構(gòu)及理化性能的影響

吳麗萍，朱 妞

(黃山學(xué)院生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，安徽黃山245041)

竹筍是一種深受人們喜愛的傳統(tǒng)食品，它營養(yǎng)豐富，不僅含有多種氨基酸、維生素、礦物質(zhì)，而且纖維含量亦相當(dāng)高，被譽為“素食第一品”。中醫(yī)認為，竹筍性甘、微寒，能清熱去痰，對咳嗽、高血壓、便秘、糖尿病均具有一定療效。然而竹筍從收獲到加工、保鮮的過程中老化比較快，纖維素、木質(zhì)素等含量迅速增加［1］，加工處理時這些老化部分往往被作為下腳料廢棄，造成資源上很大的浪費。竹筍中纖維素、木質(zhì)素、半纖維素含量豐富，是一種理想的膳食纖維原料。據(jù)報道，竹筍中不溶性膳食纖維含量在70%以上，此外還含有5%左右的可溶性膳食纖維［2］。然而膳食纖維中SDF的比例是影響膳食纖維生理功能的一個重要因素，其中SDF占膳食纖維總量10%以上才能成為高品質(zhì)的膳食纖維［3］。然而天然的膳食纖維多是不溶性的［4］，因此對DF進行改性處理，是目前提高其營養(yǎng)及生理活性的重點和方向［5］。目前很多報道都是關(guān)于膳食纖維的提取及性能研究，未見有關(guān)竹筍膳食纖維改性及改性對膳食纖維結(jié)構(gòu)及功能上產(chǎn)生的影響方面的報道。因此，本文前期實驗對堿法提取的竹筍膳食纖維進行了化學(xué)改性，使纖維高聚物部分糖苷鍵斷裂，降低其聚合度，增加羥基的數(shù)目［6］，從而得到羧甲基竹筍膳食纖維。在前期實驗基礎(chǔ)上，為了研究化學(xué)改性對竹筍DF的確切改性機制，以選擇恰當(dāng)?shù)母男苑椒?，本文采用紅外光譜法及電鏡掃描技術(shù)對化學(xué)改性后的竹筍膳食纖維進行結(jié)構(gòu)表征，并對改性前后竹筍膳食纖維的理化性能進行分析，初步探討化學(xué)改性對竹筍膳食纖維結(jié)構(gòu)及生理功能活性的影響機制。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

竹筍膳食纖維(DF)實驗室制備;氫氧化鈉、乙醇 分析純，西安化學(xué)試劑廠;一氯乙酸 分析純，天津福晨化學(xué)試劑廠。

HH－S4型電熱恒溫水浴鍋 天津泰斯特儀器有限公司;800型離心分離機 北京醫(yī)用離心機廠;78HW－1型磁力攪拌器 江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠;JEM－200CX型高分辨透射電鏡 日本JEOL公司;XRD Rigaku D/max－II，CuKα1 日本理學(xué)株式會社。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程 竹筍膳食纖維→堿化→醚化→中和→離心分離→洗滌→干燥→檢驗→成品

1.2.2 化學(xué)改性的最佳工藝條件 以堿法提取的竹筍膳食纖維作為化學(xué)改性的原料，通過單因素及正交實驗分析，確定了適宜的堿化及醚化條件。研究結(jié)果確定了化學(xué)改性的最佳工藝條件是:NaOH濃度為35%，堿化溫度為30℃，堿化時間為2h，乙醇濃度80%;一氯乙酸濃度為30%，乙醇濃度為20%，醚化溫度為55℃，醚化時間為3.5h，料液比為1∶9(g/L)。在最佳工藝條件下進行驗證實驗，得到的羧甲基竹筍膳食纖維的取代度為0.72，SDF含量為16.2%，改性效果良好。

1.2.3 紅外光譜分析 將竹筍膳食纖維、羧甲基竹筍膳食纖維分別在粉碎機中粉碎，過80目篩，向瑪瑙研缽中放入1mg樣品，加入100～200mg干燥的光譜純KBr，在紅外燈下研磨均勻，裝入壓片模具中抽氣加壓，壓力約588Pa，保持3～5min，去壓所得樣品放在傅立葉紅外光譜分析儀上掃描作圖。

1.2.4 掃描電鏡觀察(SEM)［7］利用掃描電子顯微鏡對DF和改性后的羧甲基竹筍膳食纖維進行形態(tài)觀察。分別取已經(jīng)粉碎至100目以上的DF和羧甲基竹筍膳食纖維，在100℃烘干水分至恒重，放置到清洗好并貼上雙面膠的載樣臺上。樣品固定好，進行鍍金處理。把鍍好金的樣品及載樣臺放到掃描電鏡的樣品室進行電鏡觀察，拍攝電鏡照片。

1.2.5 膳食纖維理化性能的測定

1.2.5.1 膨脹力的測定［8］準(zhǔn)確稱取樣品1g置于量筒中，加入50mL水，振蕩均勻后室溫放置24h。觀察膳食纖維樣品在試管中的自由膨脹體積(mL)，換算成每克干物質(zhì)的膨脹體積(mL/g)來表示。

膨脹力 =溶脹后纖維體積(mL)－干品體積(mL)/樣品干重(g)

1.2.5.2 持水力的測定［8］準(zhǔn)確稱取樣品1g放入燒杯中，用25℃蒸餾水50mL飽和其膳食纖維1h。置于濾紙上瀝干，將結(jié)合了水的纖維轉(zhuǎn)移到表面皿上稱重，換算成每克纖維所滯的水克數(shù)。

持水力(WHC)=樣品濕重(g)－樣品干重(g)/樣品干重(g)

1.2.5.3 結(jié)合水力的測定［9］準(zhǔn)確稱取樣品1.0g浸泡于50mL，4℃的蒸餾水中，在8000r/min條件下離心處理1h，小心去除上清液。殘留物置于多孔玻璃上靜置1h，稱重該殘留物，計為m1。然后在120℃下干燥2h后再稱重，計為m2，兩者差值即為所結(jié)合的水重量。

1.2.5.4 陽離子交換力的測定［10］將樣品浸入0.1mol/L HCl溶液中，48h后用蒸餾水去除過量的酸，用10%的AgNO3溶液鑒定不含有氯離子為止，干燥。準(zhǔn)確稱取250mg處理過的干燥樣品分散于100mL 0.9%NaCl溶液中，磁力攪拌器攪拌，用0.1mol/L NaOH慢慢滴定，記錄pH，畫出NaOH－pH關(guān)系圖。陽離子交換能力以實驗液pH達到7時，每克樣品所消耗0.1mol/L NaOH的物質(zhì)的量來表示。

陽離子交換能力(mmol/g)=0.1×V/m

2 結(jié)果與分析

2.1 IR譜圖表征

DF由于成分復(fù)雜分析不易，目前多采用紅外光譜進行簡單的定性分析。紅外光譜可以通過譜圖中吸收峰的變化來研究分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的變化［11］。竹筍膳食纖維和羧甲基竹筍膳食纖維的IR譜圖如圖 1、圖 2所示。由圖 1可以看出，在3447.29cm－1處出現(xiàn)醇羥基的伸縮振動吸收峰，在2925.22cm－1處出現(xiàn)C－H鍵的伸縮振動吸收峰，在1636.15、1510.78、1422.74、1267.51、1069.12cm－1等處出現(xiàn)纖維素葡萄糖糖元的C－O鍵對稱與不對稱伸縮振動的吸收峰。560.34cm－1為纖維素的特征吸收峰。

圖1 竹筍膳食纖維DF的IR圖譜Fig.1 IR atlas of bamboo－shoot dietary fiber

圖2 羧甲基竹筍膳食纖維的IR譜圖Fig.2 IR atlas of carboxyl methyl bamboo－shoot dietary fiber

與竹筍膳食纖維的IR譜圖比較，在3445.70cm－1處可以看出羧甲基膳食纖維的吸收峰強度較小，說明纖維素分子中的羥基被羧甲基取代而減弱。在1417.08、1331.91、1242.02、1143.35、1099.67、1018.55、966.59cm－1處出現(xiàn)了醚鍵吸收峰，說明竹筍膳食纖維被羧甲基化。

2.2 電鏡掃描(SEM)觀察

對竹筍膳食纖維和羧甲基竹筍膳食纖維的樣品經(jīng)電鏡掃描，掃描圖見圖3、圖4。從圖3可以觀察到經(jīng)去雜、脫色漂洗后的竹筍膳食纖維DF表面結(jié)構(gòu)疏松，略有褶皺，主要是因為表面的蛋白質(zhì)被洗去，同時洗滌造成物料表面其它小顆粒去除。經(jīng)羧甲基化改性后的竹筍膳食纖維，見圖4，表面粗糙不平，有明顯的裂紋及溝壑，說明表面結(jié)構(gòu)受到一定的破壞，這是因改性試劑使DF溶脹變形，大分子物質(zhì)發(fā)生降解，分子鏈被切斷，分子質(zhì)量相對降低，使得結(jié)晶度和聚合度下降［11］，微觀結(jié)構(gòu)和分子大小發(fā)生了變化，結(jié)構(gòu)更疏松，其完整性遭到破壞。因為其微觀結(jié)構(gòu)和功能特性密切相關(guān)，因此，可以推測經(jīng)改性后的竹筍膳食纖維具有更好的膨脹力、持水力及結(jié)合能力［12］。

圖3 竹筍膳食纖維電鏡掃描圖(10000×)Fig.3 SEM of bamboo－shoot dietary fiber(10000×)

圖4 羧甲基竹筍膳食纖維電鏡掃描圖(10000×)Fig.4 SEM of carboxyl methyl bamboo－shoot dietary fiber(10000×)

2.3 理化性能的結(jié)果分析

表1 竹筍DF理化性能差異顯著性分析Table 1 Significant analysis of physical and chemical properties

物化特性是衡量膳食纖維質(zhì)量好壞的一個重要指標(biāo)。膳食纖維通過吸水膨脹，可以延緩或阻礙對膳食中多余的膽固醇及膽汁酸的吸收，從而可以達到降血脂降血糖的功效;膳食纖維較強的親水性可增加機體排便體積與質(zhì)量，縮短糞便在腸道內(nèi)的停留時間，減少糞便中有毒物質(zhì)對腸壁的刺激，清除內(nèi)外源性有毒有害物質(zhì)，提高機體免疫力，可有效的預(yù)防便秘和結(jié)腸癌［1］。此外，膳食纖維結(jié)構(gòu)中包含著一些羧基、羥基和氨基等側(cè)鏈基團，能產(chǎn)生類似弱酸性陽離子交換樹脂的作用，可與陽離子尤其是有機陽離子進行可逆交換［12］。因此，膳食纖維能夠與腸道中的K+和Na+結(jié)合，使之隨糞便或尿液一同排出體外，降低由于K+、Na+攝入過量而引起的多種疾病(如心血管疾病等)的發(fā)病率［13］。

由圖5可以看出，經(jīng)改性后的羧甲基竹筍膳食纖維的膨脹力、持水力、結(jié)合水力與竹筍DF相比有了一定的提高，此結(jié)果證實了DF微觀結(jié)構(gòu)的改變與其功能特性之間的關(guān)系，但性能差異不顯著(p＞0.05)。陽離子交換力卻有所下降，這是因為膳食纖維在化學(xué)改性過程中表面的羥基被羧甲基化，從而影響陽離子交換能力下降。此外，化學(xué)改性顯著提高了竹筍膳食纖維SDF的含量(p＜0.01)，由改性前的5.04%提高到16.2%，在一定程度上明顯的改善了竹筍膳食纖維的品質(zhì)及營養(yǎng)價值。

圖5 化學(xué)改性前后竹筍DF理化性能結(jié)果分析Fig.5 Analysis result of physical and chemical properties of bamboo－shoot DF before and after modification

3 結(jié)論

3.1 以堿法提取的竹筍膳食纖維為原料進行化學(xué)改性，對改性后的竹筍膳食纖維進行紅外圖譜表征。結(jié)果表明，在3445.70cm－1處羧甲基膳食纖維的吸收峰強度較小，說明纖維素分子中的羥基被羧甲基取代而減弱。在 1417.08、1331.91、1242.02、1143.35、1099.67、1018.55、966.59cm－1處出現(xiàn)了醚鍵吸收峰，說明竹筍膳食纖維中的羥基被羧甲基化。

3.2 電鏡掃描結(jié)果顯示，化學(xué)改性后的竹筍膳食纖維表面粗糙不平，有明顯的裂紋及溝壑，表面結(jié)構(gòu)受到一定的破壞，微觀結(jié)構(gòu)和分子大小發(fā)生了變化，其完整性遭到破壞。

3.3 經(jīng)化學(xué)改性后的竹筍膳食纖維的膨脹力、持水力、結(jié)合水力與竹筍DF相比有了一定程度提高，但陽離子交換力卻有所下降。而SDF的含量，由改性前的5.04%提高到16.2%，說明化學(xué)改性可以明顯改善竹筍DF的質(zhì)量及品質(zhì)。

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