超高壓和超微粉碎改性對梨渣膳食纖維的影響

李天，顏玲，李沛軍，劉偉，劉長虹

（合肥工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，安徽合肥230009）

膳食纖維（dietary fibre，DF）被稱為人體第七大營養(yǎng)素，其在預(yù)防人體胃腸道疾病、維護(hù)胃腸道健康方面有一定的積極作用。攝入充足膳食纖維在預(yù)防糖尿病、冠心病、肥胖癥、高血壓、結(jié)腸癌等方面均有顯著效果[1-3]。根據(jù)水溶性可將膳食纖維分為可溶性膳食纖維（soluble dietary fibre，SDF）和不溶性膳食纖維（insoluble dietary fibre，IDF）[4]。膳食纖維的生理功能與可溶性膳食纖維有很大的關(guān)系，而天然膳食纖維水溶性成分含量偏低，無法達(dá)到膳食平衡要求。因此，可通過改性提高水溶性膳食纖維比例，改善其品質(zhì)和生理功能。

碭山梨是我國安徽果品中的名產(chǎn)，年產(chǎn)量7.5萬噸左右。碭山梨的深加工產(chǎn)品為梨膏、濃縮果汁和果汁飲料，梨渣約占果實質(zhì)量的40%～50%。梨渣中含有大量的膳食纖維，如能將梨渣開發(fā)并應(yīng)用于功能性食品中，不僅能增加企業(yè)效益，還會減少梨渣堆積對環(huán)境造成的污染。目前超高壓技術(shù)和超微粉碎技術(shù)在食品領(lǐng)域上的應(yīng)用已被廣泛接受，其中超高壓處理技術(shù)能使那些能形成生物大分子立體結(jié)構(gòu)的氫鍵、離子鍵和疏水鍵等非共價鍵發(fā)生變化，改變其空間結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到物料改性和改變食品某些理化反應(yīng)速率的效果[5]。超微粉碎技術(shù)能導(dǎo)致物料顆粒粒度變小、比表面積和孔隙率增加[6]，因此超微粉體具有獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)，如良好的溶解性、分散性和吸附性等[7]。

目前關(guān)于梨渣膳食纖維提取工藝的優(yōu)化已有研究，而關(guān)于其改性的研究并不多見，本研究旨在以碭山梨渣為原料，超高壓和超微粉碎改性梨渣膳食纖維，并對其含量、功能特性、表征和可溶性膳食纖維單糖組成進(jìn)行分析，對比超高壓技術(shù)和超微粉碎處理梨渣膳食纖維的優(yōu)越性，為梨渣中膳食纖維的改性應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

碭山梨：安徽合肥優(yōu)客生鮮超市；2-（N-嗎啉代）乙烷磺酸Tris緩沖液、K-TDFR 10/14總膳食纖維試劑盒：Mgazyme公司；乙酸、氫氧化鈉、鹽酸、95%乙醇，丙酮、鹽酸、溴化鉀、三氟乙酸、鹽酸羥胺、吡啶、乙酸酐、30%過氧化氫溶液（均為分析純）：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；大豆油：福臨門食品有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

HPP 600Mpa/0.6L超高壓處理設(shè)備：包頭科發(fā)高壓科技有限責(zé)任公司；PHS-3C pH計：美國ThermoFisher科技公司；HH-2電熱恒溫水浴鍋：江蘇金城國盛實驗儀器廠；a SU8020場發(fā)射掃描電子顯微鏡：日本日立公司；HMB-701超型微粉碎機(jī)：北京環(huán)亞機(jī)械技術(shù)有限公司；Genesys 10S UV-VIS分光光度計：美國Thermo Scientific公司；MS-2000激光粒度分析儀：英國Malvern儀器有限公司；Nicolet 67傅里葉紅外光譜儀：美國Thermo Nicolet公司；SCION SQ四級桿氣質(zhì)聯(lián)用儀：美國布魯克·道爾頓公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品制備

1.3.1.1 超高壓梨渣樣品

取新鮮梨渣直接進(jìn)行超高壓處理（300 MPa，15 min），處理后的梨渣置于60℃烘箱烘干48 h，干燥后用粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎后過60目篩，得到梨渣樣品。

1.3.1.2 超微梨渣細(xì)粉樣品

新鮮梨渣置于60℃烘箱干燥48 h后用粉碎機(jī)粉碎樣品并過60目篩，粗粉碎樣品再進(jìn)行超微粉碎得到試驗樣品。

1.3.2 梨渣SDF和IDF測定

可溶性膳食纖維、不可溶性膳食纖維的測定參考AOAC 方法（925.09 和 991.43）[8]和顏玲等[9]的方法。

1.3.3 梨渣持水力、持油力、膨脹力、膽固醇吸附能力測定

參考王丹丹[10]的方法稍作改動。

1.3.3.1 持水力

準(zhǔn)確稱取0.5 g樣品，放入稱重后的離心管中，加入蒸餾水75 mL，置于37℃的恒溫水浴鍋中30 min，然后用4 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心15 min，取出，傾去上層清液，濾紙吸干水分稱重，計算持水性：

1.3.3.2 持油力

準(zhǔn)確稱取0.2 g樣品置于10 mL稱重的離心管中，加入6 mL大豆油，在室溫下攪拌30 min，10 000 r/min離心15 min，取出，除掉上層油液，甩干稱重，計算油脂的吸附力：

1.3.3.3 膨脹力

準(zhǔn)確稱取1.0 g樣品，置于帶有刻度的試管中，記錄此時的刻度值，再用移液管準(zhǔn)確移取10 mL蒸餾水加入其中，振蕩均勻后放入25℃水浴鍋中24 h，讀取液體中樣品體積，計算膨脹力：

1.3.3.4 膽固醇吸附能力

膽固醇吸附能力測定參考文獻(xiàn)[11]，由于市售膽固醇的水溶性差，本試驗使用蛋黃代替膽固醇。將蛋黃用9倍體積蒸餾水稀釋后取20 mL與梨渣（1.0 g）混合?；旌衔飌H值調(diào)節(jié)至7.0和2.0，在37℃水浴鍋中振蕩2 h。稀釋后蛋黃作為陰性對照組。反應(yīng)混合物在4 000 r/min離心20 min，取上清液2 mL，用分光光度計測定其吸光度來計算膽固醇吸附能力（cholesterol binding capacity，CBC），重復(fù) 3 次。

式中：Cy是稀釋后的蛋黃中的膽固醇濃度，mg/mL；Cb是陰性對照組膽固醇濃度，mg/mL；Cd是梨果渣混合的稀釋蛋黃中的膽固醇濃度，mg/mL；F表示稀釋因子；20：吸附體積，mL；W：梨渣的重量，g。

1.3.4 粒徑測定

粒徑測定參考文獻(xiàn)[12]。未改性和改性梨渣的粒度分布通過激光粒度分析儀測定。將1 g脫水樣品與10 mL去離子水混合以制備10%懸浮液用于進(jìn)一步分析。粒徑分布的參數(shù)包括不同的直徑，例如D10、D50、D90 和 D（4，3）（體積平均粒徑）。

1.3.5 掃描電鏡

將3種梨渣SDF樣品干燥、粉碎、篩分，采用離子濺射的方法鍍金，通過掃描電子顯微鏡對制備好的樣品進(jìn)行600倍放大觀察、分析，得到相應(yīng)的掃描電鏡圖片[13]。

1.3.6 紅外光譜測定

參考許維娜等[14]的方法，將3種梨渣樣品干燥粉碎后，分別稱取2 mg樣品與100 mg干燥溴化鉀粉末混合于研缽中，研磨均勻、研細(xì)至無顆粒感，加入壓模器內(nèi)壓片并立刻放于光路中掃描，掃描區(qū)間為400 cm-1～4 000 cm-1。

1.3.7 單糖組分測定

前處理方法參考黃鵬等[15]方法略作改進(jìn)。

1.3.7.1 SDF水解

取20 mg SDF溶于0.4 mL蒸餾水中并加入0.4 mL（4 mol/L）三氟乙酸（trifluoroacetic acid，TFA）封管，于110℃烘箱中水解3 h，冷卻至室溫后用甲醇氮吹去多余TFA。

1.3.7.2 SDF樣品單糖衍生化

水解后樣品稱重，取10 mg于離心管，加入8 mg鹽酸羥胺和0.5 mL吡啶封管后于90℃烘箱中反應(yīng)10 min，冷卻后再加入0.3 mL乙酸酐于90℃反應(yīng)20 min，得到單糖糖腈乙酸酯衍生物，過膜后可直接用于氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（gas chromatography-mass spectrometer，GC-MS）分析。單糖標(biāo)準(zhǔn)品衍生化方法同上。

1.3.7.3 GC-MS

色譜柱：HP-5。升溫程序：起始溫度50℃，保持3 min，以 50℃/min升至 200℃保持 3 min，再以20℃/min升至300℃保持3 min，進(jìn)樣量1 μL，分流比20∶1。質(zhì)譜條件離子源溫度250℃，電離方式EI，電子能量70 eV[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 膳食纖維含量結(jié)果分析

不同處理方法梨渣中膳食纖維含量見表1。由表1可知，高壓處理后可溶性膳食纖維含量明顯升高至16.3 g/100 g，而不可溶膳食纖維含量降低至45.6g/100g，這與梨渣經(jīng)超高壓處理后空間結(jié)構(gòu)變化有關(guān)，超高壓處理使梨渣中膳食纖維生物大分子改變，使不溶性膳食纖維轉(zhuǎn)為可溶性膳食纖維，可溶性膳食纖維提高[16]。而超微粉碎處理的膳食纖維含量也有微弱提高，原因可能是梨渣在超微粉碎過程中，強(qiáng)烈的機(jī)械剪切作用使得梨渣中大分子物質(zhì)發(fā)生熔融現(xiàn)象或部分鍵斷裂，轉(zhuǎn)化成水溶性聚合物成分[17]。對比發(fā)現(xiàn)超高壓處理比超微粉碎處理對膳食纖維影響更大。

表1 梨渣中膳食纖維含量Table 1 The contents of dietary fiber in pear pomace

2.2 梨渣持水力、持油力、膨脹力、膽固醇吸附能力測定結(jié)果

膳食纖維的水合特性，例如持水力和膨脹力能夠使食品保持穩(wěn)定的質(zhì)地，因此該特性為在食品中添加膳食纖維提供了重要依據(jù)。另一方面，在研究膳食纖維時發(fā)現(xiàn)與膳食纖維相關(guān)的水有影響腸道內(nèi)微生物的重要意義。表2為膳食纖維的持水力、持油力、膨脹力和膽固醇結(jié)合能力。

表2 梨渣的功能特性Table 2 Functional properties of pear pomace

由表2可以看出，經(jīng)過超高壓改性的樣品持水力和膨脹力最高，推測超高壓改性后膳食纖維空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有更好的支撐作用從而使膨脹力增加。經(jīng)過超微粉碎處理后樣品粒度的降低，大物質(zhì)的空間立體結(jié)構(gòu)被破壞，對水的吸附能力降低，持水力和膨脹力降低[18]。持油力通常能夠防止食品在加工過程中的脂肪流失，還能有效防止膽固醇含量的增加[19]，對比不同處理條件下樣品的持油力發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過超高壓改性的梨渣樣品持油力顯著提高至1.95 g/100 g，推測在超高壓處理過程中膳食纖維空間結(jié)構(gòu)改變造成的。由表2可知，經(jīng)過超高壓改性樣品的膽固醇吸附能力明顯高于超微粉碎改性樣品，結(jié)果與測定的膳食纖維含量相符。

2.3 粒徑分析

D10、D50、D90 和 D（4，3）分別為分布體積百分比以及加權(quán)平均直徑。由表3可以看出，超微粉碎樣品的粒度較其他兩個試驗組有顯著性的變化，超高壓處理對梨渣樣品粒度沒有較大變化。

表3 梨渣粒度分布Table 3 Particle size distribution of pear pomace

2.4 掃描電鏡

圖1為用掃描電鏡觀察到的超高壓和超微粉碎改性后梨渣樣品的微觀結(jié)構(gòu)圖，放大倍數(shù)為600倍。將處理組樣品與未處理樣品對比，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過超高壓改性的梨渣樣品呈片狀，其組織結(jié)構(gòu)變得更加疏松、呈現(xiàn)多孔性，水分更容易滲入并且可以吸收更多水分，結(jié)構(gòu)變疏松可以使更多的親水基團(tuán)外露而提高物料的持水力，這與測定的持水力、持油力、膨脹力和SDF含量結(jié)果相符。而經(jīng)過超微粉碎改性的梨渣粒度顯著變小，比表面積明顯增大，強(qiáng)烈的機(jī)械剪切作用使得梨渣內(nèi)部的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破壞，大塊立體結(jié)構(gòu)變?yōu)槭杷傻母鼮榧?xì)小的梨渣顆粒，物料中大分子物質(zhì)的長鏈斷裂，小分子物質(zhì)增加，致使SDF含量略有增加[19]。

圖1 樣品掃描電鏡圖Fig.1 SEM images of samples

2.5 紅外光譜分析

紅外光譜結(jié)果見圖2。

圖2 紅外光譜圖Fig.2 FT-IR of samples

由圖2看出，該圖表現(xiàn)為典型的多糖紅外光譜圖。3 411 cm-1處表示O-H振動峰[20]，樣品中氫鍵存在會使峰寬峰強(qiáng)增加，經(jīng)過超高壓和超微粉碎處理的樣品峰寬增加且出峰波數(shù)左移；2 940 cm-1處觀察到的峰表示C-H振動，是樣品多糖中存在的亞甲基引起的，超高壓處理后該峰強(qiáng)降低，這表示經(jīng)過超高壓改性后樣品中SDF增加，而經(jīng)過超微粉碎改性樣品中SDF無較大變化；1 748 cm-1是表示樣品中糖醛酸C=O的特征吸收峰，觀察到超微粉碎處理后糖醛酸降低；1 000 cm-1～1 300 cm-1處是C-O伸縮振動吸收峰，表示多糖糖環(huán)的C-O-H鍵和C-O-C鍵，經(jīng)過超微粉碎處理后該處峰強(qiáng)和峰寬明顯降低，這表示經(jīng)過超微處理后樣品中部分不溶性膳食纖維轉(zhuǎn)變?yōu)榈途厶恰?/p>

2.6 單糖組成分析

不同處理方式下單糖組成如表4所示。

表4 梨渣可溶性膳食纖維單糖組成Table 4 Monosaccharide composition of SDF g/100 g

梨渣中SDF含量與IDF含量相似，大量的研究[21-22]發(fā)現(xiàn)SDF對人體健康方面比IDF效果更好，因此本試驗測定了梨渣SDF單糖組成。樣品GC-MS測試結(jié)果參考單糖標(biāo)準(zhǔn)品GC-MS結(jié)果，得出梨渣可溶性膳食纖維主要由7種糖組成，分別為甘露糖（10.235 min）、葡萄糖（10.312 min）、半乳糖（1.052 5 min）、鼠李糖（11.455 min）、阿拉伯糖（11.575 min）、木糖（11.743 min）和果糖（12.278 min和12.382 min）。

由表4可以看出SDF中含量最高的是鼠李糖（15.42 g/100 g），其次是阿拉伯糖（1.44 g/100 g）。鼠李糖是典型的水溶性糖，結(jié)果表示經(jīng)過超高壓處理后樣品中鼠李糖含量較超微粉碎處理有明顯增加，同時超高壓組阿拉伯糖含量較高，而超微粉碎處理組阿拉伯糖含量較低。除此之外，超微粉碎處理組木糖含量也高達(dá)2.1 g/100 g，木糖主要存在于木質(zhì)素中，推測在經(jīng)過超微處理的梨渣樣品在提取SDF過程中木質(zhì)素粒徑小，未能完全去除而造成誤差。

3 結(jié)論

超微粉碎和超高壓改性對梨渣理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)及其可溶性膳食纖維組成的影響。兩種方式改性后，SDF含量均顯著上升，IDF/SDF發(fā)生顯著的變化。超高壓改性前后梨渣的理化/功能性質(zhì)發(fā)生顯著的變化，梨渣的持水力、持油力、膨脹力和膽固醇吸附能力顯著增加，而超微粉碎處理的未見顯著變化；超微粉碎改性梨渣的平均粒度顯著降低。掃描電鏡觀察結(jié)果可知，超微粉碎改性后，梨渣顆粒變小而均勻，空間結(jié)構(gòu)消失，而超高壓改性后纖維組織結(jié)構(gòu)較為疏松，空間結(jié)構(gòu)部分保留。紅外光譜測定分析結(jié)果顯示，改性處理前后梨渣中的SDF化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。根據(jù)GC-MS結(jié)果顯示改性前后梨渣中的SDF中單糖組成發(fā)生變化?？傮w來說，通過超高壓改性的梨渣樣品相較于超微粉碎處理的梨渣樣品，其可溶性膳食纖維含量以及其功能性單糖組成都明顯提高。