海帶與小麥麩皮由來不溶性膳食纖維的酶輔助提取及其功能特性比較

鐘雅云 楊 敏 何沁峰 劉思岐 王傲然 汪秋寬 武 龍

（大連海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧大連116023）

膳食纖維是食物中不能被人體內(nèi)源酶分解消化的植物性成分的總稱[1]。在以精制食品為主、過量攝入能量日趨普遍的當(dāng)今社會(huì)，膳食纖維因能有效增進(jìn)健康，預(yù)防現(xiàn)代“文明病”的重要特性，被視為“第七大營養(yǎng)素”。大量研究證實(shí)，合理攝入膳食纖維有助于改善消化道健康，輔助降血脂，調(diào)節(jié)血糖，控制體重等[2]。

大型海藻富含多糖類物質(zhì)，被公認(rèn)為膳食纖維的優(yōu)質(zhì)來源。常見可食性海藻的總膳食纖維含量可達(dá)32.7%～74.6%[3]。近年來，海藻膳食纖維的提取、功能評(píng)價(jià)及應(yīng)用開發(fā)研究廣受關(guān)注[4]。我國是經(jīng)濟(jì)海藻養(yǎng)殖大國，特別是大型褐藻（如：海帶及裙帶菜）產(chǎn)量長期居世界首位。2015年全國海藻養(yǎng)殖總產(chǎn)量近209 萬t，其中海帶產(chǎn)量占67.6%[5]。作為我國褐藻工業(yè)的重要原料，海帶在用于提取褐藻膠等物質(zhì)后產(chǎn)生大量富含纖維質(zhì)殘?jiān)烧荚细芍氐?0%），這部分資源尚未得到有效開發(fā)利用[6]。

膳食纖維可分為水溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和水不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）兩大類。一般認(rèn)為SDF 更多發(fā)揮調(diào)節(jié)代謝相關(guān)功能，更具生理活性；IDF 主要起促進(jìn)腸道蠕動(dòng)作用[7]。盡管如此，最近研究表明IDF 成分也可發(fā)揮諸如降血脂[8]、調(diào)節(jié)血糖[9]、抗炎[10]、抗氧化[11]等多種生理功能，因而正受到越來越多的關(guān)注。高等植物由來IDF 一般為細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)性成分，主要含纖維素、半纖維素及木質(zhì)素等[12]，而大型海藻細(xì)胞壁不含賦予高等植物結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及降解拮抗性的芳香性高聚物——木質(zhì)素，其多糖類有效成分具有更高的酶可及性及反應(yīng)活性[13]，并且更易得到分離純化[14]。目前，海藻與高等植物由來IDF 的功能特性差異及其組成、結(jié)構(gòu)與其功能特性之間的內(nèi)在聯(lián)系尚未得到深入研究。

本研究通過酶輔助化學(xué)法提取海帶和麩皮IDF，并對(duì)其主要膳食纖維功能特性進(jìn)行評(píng)價(jià)比較，旨在拓展優(yōu)質(zhì)膳食纖維資源，為海藻膳食纖維的開發(fā)利用提供依據(jù)，并為海藻資源的高效、高值化、可持續(xù)開發(fā)利用提供思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

干制海帶（Saccharina japonica），購自本地市場，產(chǎn)地大連；小麥（Triticum aestivum L.）麩皮（以下簡稱麩皮），由企業(yè)提供，產(chǎn)地吉林。原料用小型粉碎機(jī)粉碎，樣品密封保存于干燥器中備用。

α-淀粉酶（4 000 U/g），上海源葉生物科技有限公司；糖化酶（10 萬U/g），上海源葉生物科技有限公司；中性蛋白酶（10 萬U/g），上海源葉生物科技有限公司；鎘離子、鉛離子標(biāo)準(zhǔn)溶液，西化儀（北京）科技有限公司；鹽酸、無水乙醚、氫氧化鈉、冰醋酸、乙酰丙酮、高碘酸鉀等均為分析純試劑。

1.2 設(shè)備與儀器

HC-1000Y2 高速組織搗碎機(jī)，永康市綠可食品機(jī)械有限公司；HH-6 數(shù)顯恒溫水浴鍋，國華電器有限公司；單層玻璃反應(yīng)器，滎陽市中浮儀器設(shè)備有限公司；SCIENTZ-10N 冷凍干燥機(jī)，寧波新芝生物科技股份有限公司；PHS-3C 精密pH 計(jì)，上海精學(xué)科學(xué)儀器有限公司；721 型可見分光光度計(jì)，上海光譜儀器有限公司；Optima 8000 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，美國PE 公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 原料基本成分的測定 原料基本成分的測定主要參考食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)方法。水分：參考GB/T5009.3-2016 《食品中水分的測定》，采用直接干燥法測定[15]。總灰分：參考GB/T5009.4-2016《食品中灰分的測定》，采用高溫灼燒法測定[16]。粗蛋白含量：參考GB/T5009.5-2016 《食品中蛋白質(zhì)的測定》，采用凱氏定氮法測定[17]。粗脂肪含量：參考GB/T5009.6-2016 《食品中脂肪的測定》，采用索氏抽提法測定[18]。淀粉含量：參考GB/T5009.9-2016《食品中淀粉的測定》，采用酶水解法測定[19]，其中水解產(chǎn)生的還原糖采用3，5-二硝基水楊酸（DNS）法進(jìn)行定量[20]。

海帶中甘露醇含量采用分光光度法[21]測定；褐藻膠含量采用質(zhì)量法[22]測定。

1.3.2 不溶性膳食纖維的提取

1.3.2.1 海帶不溶性膳食纖維的提取 取5 g 海帶樣品，按固液比1∶30 加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的碳酸鈉溶液，在70 ℃條件下攪拌處理2 h，真空抽濾，以上步驟重復(fù)2 次。將所得濾渣用過量去離子水洗至中性，加入pH7.5 的檸檬酸鹽緩沖溶液及2 000 U/g 的中性蛋白酶，在固液比1∶10、45 ℃條件下酶解120 min，離心分離 （9 000 r/min，20 min），棄上清；殘?jiān)萌ルx子水充分洗滌，再以體積分?jǐn)?shù)0.35%的鹽酸在室溫下攪拌處理2 h，用去離子水抽濾，洗凈至中性后冷凍干燥，得海帶不溶性膳食纖維樣品，密封保存于干燥器中備用。

1.3.2.2 麩皮不溶性膳食纖維的提取 參考Garbelotti 等[23]的方法，并加以改進(jìn)。麩皮樣品用過量無水乙醚反復(fù)洗滌、抽濾，再以過量去離子水反復(fù)洗滌、抽濾；向?yàn)V渣中加入pH6.9 的檸檬酸鹽緩沖溶液及1 000 U/g 的α-淀粉酶，在固液比1∶10、60℃條件下酶解120 min，再以檸檬酸鹽緩沖溶液調(diào)節(jié)pH 值至4.5，加入1 000 U/g 的糖化酶在55 ℃條件下酶解120 min，對(duì)反應(yīng)物取樣加入I2-KI 溶液，確認(rèn)不變藍(lán)后離心分離，棄上清；殘?jiān)詐H7.5 檸檬酸鹽緩沖溶液洗滌、離心，加入1 200 U/g 中性蛋白酶，在固液比1∶10、45 ℃條件下酶解120 min；最后將所得殘?jiān)赃^量去離子水抽濾洗凈后冷凍干燥，得麩皮不溶性膳食纖維，密封保存于干燥器中備用。

1.3.3 不溶性膳食纖維功能特性分析

1.3.3.1 膨脹力 分別稱量0.5 g 凍干海帶及麩皮膳食纖維樣品于量筒中，加入50 mL 去離子水，劇烈振蕩，在37 ℃水浴條件下放置24 h，記錄床層體積變化，按下式計(jì)算樣品膨脹力[24]。

式中，V1——樣品初始床層體積（mL）；V2——樣品最終床層體積（mL）；M——樣品干重（g）。

1.3.3.2 持水力 分別稱量1.0 g 凍干樣品于已知質(zhì)量的50 mL 離心管中，加入蒸餾水至45 mL刻度線處，在37 ℃振蕩24 h，離心（5 000 r/min，10 min），棄上清并用濾紙吸干管壁殘留水分，稱量離心管加樣品最終量，按下式計(jì)算樣品持水力[24]。

式中，m1——樣品干 質(zhì)量（g）；m2——離心管質(zhì)量（g）；m3——離心管加樣品終質(zhì)量（g）。

1.3.3.3 持油力 分別稱量1.0 g 凍干樣品于已知質(zhì)量的50 mL 離心管中，加入食用油至45 mL刻度線處，在37 ℃振蕩24 h，離心（5 000 r/min，10 min），棄上層食用油并用濾紙吸干附著在管壁及樣品表面的油分，稱量離心管加樣品最終質(zhì)量，按下式計(jì)算樣品持油力[24]。

式中，m1——樣品初始質(zhì)量（g）；m2——離心管質(zhì)量（g）；m3——離心管加樣品終質(zhì)量（g）。

1.3.3.4 吸附重金屬離子能力 分別配制0.1～0.5 μg/mL 的鎘離子、鉛離子標(biāo)準(zhǔn)溶液，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）對(duì)標(biāo)樣進(jìn)行分析；設(shè)備主要參數(shù)：等離子冷卻氣流量8.0 L/min，輔助氣體流速0.2 L/min，霧化器流量0.55 L/min，功率1.30 kW，觀測高度15，觀測方式為軸式，測定波長：228.802 nm（Cd）和220.353 nm（Pb）；根據(jù)目標(biāo)元素信號(hào)強(qiáng)度及離子濃度繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線[25]。

稱量1 g 凍干膳食纖維樣品于三角瓶中，分別加入50 μmol/L 的氯化鎘、氯化鉛溶液100 mL，于37 ℃水浴振蕩培養(yǎng)4 h，真空抽濾；濾液適當(dāng)稀釋并測鹽度合格后 （鹽度值應(yīng)小于1），使用ICPOES 在上述儀器參數(shù)條件下分析，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線確定目標(biāo)離子最終濃度，按下式計(jì)算樣品吸附金屬離子能力[26]。

式中，C1——目標(biāo)離子初始質(zhì)量濃度（μg/mL）；C2——目標(biāo)離子最終質(zhì)量濃度（μg/mL）；V——加入含目標(biāo)離子溶液的體積（mL）；m——膳食纖維樣品質(zhì)量（g）。

2 結(jié)果與分析

2.1 原料基本組成

通過成分分析，明確了本研究用海帶和小麥麩皮樣品的基本組成，結(jié)果見表1及表2。表1數(shù)據(jù)顯示：大型褐藻海帶含有較為豐富的礦物質(zhì)、甘露醇、褐藻膠，以及一定量的不溶性膳食纖維（IDF）和蛋白質(zhì)，其脂肪類及淀粉類物質(zhì)含量可忽略不計(jì)，證明海帶是一種低能量、高纖維的“功能性”食物原料。海帶樣品總膳食纖維含量（褐藻膠加不溶性膳食纖維）可達(dá)原料干質(zhì)量的32.7%，與文獻(xiàn)[3]報(bào)道的結(jié)果相符。當(dāng)海帶被直接食用時(shí)，褐藻膠占總膳食纖維的大部分，其在消化道內(nèi)發(fā)揮可溶性膳食纖維（SDF）的生理功效；海帶不溶性膳食纖維含量相對(duì)較低，尚未引起足夠的研究關(guān)注。付慧等[8]對(duì)比了多肋藻（Costaria costata，大型褐藻）由來IDF 和SDF 降低高血脂模型小鼠血脂的功效，發(fā)現(xiàn)IDF 降血脂效果比SDF 顯著，且總膳食纖維中IDF 比例越高，降血脂作用越顯著。在我國，海帶被用于工業(yè)提取褐藻膠、甘露醇和碘等化學(xué)品[27]，而提取過程產(chǎn)生的殘?jiān)懈患舜罅康睦w維類物質(zhì)[6]，有望作為食物源不溶性膳食纖維添加成分得到進(jìn)一步開發(fā)利用。

小麥麩皮為子粒外側(cè)硬殼，是加工面粉過程的副產(chǎn)物。表2數(shù)據(jù)表明麩皮樣品成分與海帶差異顯著。麩皮作為高等植物由來生物質(zhì)，主要含有由纖維素、半纖維素及木質(zhì)素組成的不溶性細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)性成分，這也由其高達(dá)78%（干基）的IDF含量所印證。由于麩皮緊貼胚乳，在加工過程中會(huì)帶入一定量的蛋白質(zhì)及淀粉（表2）。與文獻(xiàn)[28]、[29]報(bào)道的15%～20%的淀粉含量相比，本研究所得數(shù)據(jù)偏低，應(yīng)與原料品種及加工方式有關(guān)[30]。麩皮樣品中的灰分及脂肪含量相對(duì)較低。麩皮雖然不可直接食用，但其膳食纖維含量高，得到食品科技領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，其可用于制備膳食纖維補(bǔ)充成分添加到膳食當(dāng)中，發(fā)揮調(diào)節(jié)脂肪代謝[31]、抗氧化[32]、益生元[33]、吸附[34]，以及改變面制品加工特性與產(chǎn)品品質(zhì)[35-36]等作用。

表1 海帶樣品基本組成（%）Table 1 Chemical composition of kelp sample（%）

表2 小麥麩皮樣品的化學(xué)基本組成（%）Table 2 Chemical composition of wheat bran sample（%）

2.2 不溶性膳食纖維的提取

目前，不溶性膳食纖維的提取主要依據(jù)重量法原理，即通過酶及化學(xué)處理實(shí)現(xiàn)淀粉及蛋白質(zhì)等非目標(biāo)組分的去除，如基于美國分析化學(xué)家協(xié)會(huì)AOAC 991.43 的提取方法[37]。本研究采用酶輔助化學(xué)方法，針對(duì)原料成分特點(diǎn)對(duì)提取方法進(jìn)行改進(jìn)，以盡可能減少對(duì)原料結(jié)構(gòu)的破壞，提升膳食纖維的功能特性。

如前所述，海帶中主要含有甘露醇、褐藻膠、蛋白質(zhì)及礦物質(zhì)等“雜質(zhì)”，而淀粉及脂肪等含量可忽略不計(jì)。本研究采用提取褐藻膠常用的弱堿處理實(shí)現(xiàn)褐藻酸鹽的溶解、分離。由圖1可以看出，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%以上的Na2CO3溶液在70 ℃下處理樣品2h，重復(fù)兩次后，不溶性膳食纖維的提取率趨于穩(wěn)定，判斷褐藻膠被完全去除。為減少樣品活性損失，保持其“天然”特性，在蛋白酶水解后未對(duì)樣品按文獻(xiàn)[38]中采用的含氯化合物漂白處理，最終得到的海帶不溶性膳食纖維呈灰褐色，占原料干重的8.5%，灰分（0.25±0.03）%（干基），未檢出蛋白質(zhì)。

本試驗(yàn)原料為市售食用干海帶。適于食用的海帶的纖維素含量一般較低，而工業(yè)用海帶的粗纖維含量高[39]，如以工業(yè)提膠殘?jiān)鼮樵?，可望取得更高的不溶性膳食纖維得率并降低提取成本。

在提取麩皮不溶性膳食纖維時(shí)，鑒于樣品淀粉含量偏低，對(duì)提取條件進(jìn)行調(diào)整。按照預(yù)先測定的酶活力，研究確定淀粉酶及蛋白酶酶解過程的酶底比，控制酶用量。在所用淀粉酶酶解條件下，反應(yīng)結(jié)束后向酶解液及濾渣中加入I2-KI 溶液，均未觀察到顏色變藍(lán)，表明淀粉被完全去除。所得殘?jiān)?jīng)中性蛋白酶酶解，得未經(jīng)化學(xué)漂白處理的麩皮不溶性膳食纖維，占原料干重的77.9%，提取率與文獻(xiàn)[40]報(bào)道的結(jié)果接近，且樣品中未檢出蛋白質(zhì)及淀粉。

2.3 不溶性膳食纖維功能特性評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)兩種不溶性膳食纖維樣品的功能特性，首先考察樣品的膨脹力 （swelling capacity，SC）、持水力（Water holding capacity，WHC） 及持油力（Oil holding capacity，OHC），結(jié)果見圖2。

圖1 堿處理對(duì)海帶不溶性膳食纖維提取率的影響Fig.1 Effect of sodium carbonate treatment on extraction yield of insoluble dietary fiber from kelp sample

圖2 海帶與麩皮不溶性膳食纖維樣品的膨脹力、持水力及持油力Fig.2 Swelling，water-holding and oil-holding capacity of kelp and wheat bran IDF samples

膳食纖維在消化道內(nèi)吸水后膨脹，發(fā)揮填充、吸附、刺激腸道蠕動(dòng)等重要作用。膳食纖維與水分相互作用的能力一般通過其膨脹力和持水力來衡量，且兩個(gè)指標(biāo)間存在高度的相關(guān)性[41]。由圖2可見，海帶IDF 樣品的SC 及WHC 均為麩皮IDF 的近2 倍，兩種樣品的數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[29]、[42]報(bào)道的結(jié)果基本相符，表明前者與水分相互作用的能力明顯強(qiáng)于后者，其原因與海帶IDF 中不含木質(zhì)素等疏水性物質(zhì)有關(guān)，尚待進(jìn)一步確認(rèn)。一些研究以大型褐藻為原料提取膳食纖維，據(jù)報(bào)道高于本研究數(shù)倍的SC 及WHC 值[43-45]。由分析報(bào)道的提取方法及提取率數(shù)據(jù)，推測所得樣品中應(yīng)含有相當(dāng)量的SDF 成分——褐藻膠，而褐藻膠的存在會(huì)顯著提升膳食纖維SC 及WHC 水平[4，41，46]，造成與本研究結(jié)果的差異。隨著海藻膳食纖維相關(guān)研究的不斷深入，在評(píng)價(jià)功能特性時(shí)有必要對(duì)SDF 及IDF加以區(qū)分。

在持油力方面，海帶IDF 樣品的表現(xiàn)明顯優(yōu)于麩皮IDF。向琴等[29]報(bào)道的麥麩IDF 持油力為4.57 g/g，與本研究結(jié)果接近。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，海藻由來膳食纖維因其組分的親水性，OHC 值一般在0.9～1.67 g/g，特別是當(dāng)SDF 成分（藻膠及其它多糖）含量較高時(shí)，其值較低[42，46-47]。本研究中海帶IDF 樣品OHC 偏高的原因，除其中不含SDF 成分外，因相關(guān)領(lǐng)域尚未建立標(biāo)準(zhǔn)化的評(píng)價(jià)程序，故可能與樣品狀態(tài)及分析條件等有關(guān)。

以上結(jié)果表明，海帶不溶性膳食纖維樣品具有更高的膨脹力、持水力和持油力，有助其發(fā)揮其健康功效。此外，上述功能特性在食品加工中也具有重要的意義，可以起到改善加工特性及產(chǎn)品感官等作用[48]。

當(dāng)今社會(huì)環(huán)境問題備受矚目，水體及因生物富集而導(dǎo)致的食物原料重金屬含量超標(biāo)成為對(duì)人類健康的潛在威脅。在有毒重金屬中，鉛和鎘一直是研究重點(diǎn)，膳食纖維成分對(duì)其吸附作用早有報(bào)道[49]。本研究通過ICP-OES 方法考察兩種IDF 樣品對(duì)鉛離子和鎘離子的吸附能力。表3為目標(biāo)元素的ICP-OES 標(biāo)準(zhǔn)曲線，可見離子濃度與信號(hào)強(qiáng)度線性關(guān)系良好。不同IDF 樣品對(duì)目標(biāo)離子的吸附能力結(jié)果如圖3所示。

海帶IDF 樣品對(duì)Pb2+的吸附能力顯著高于小麥麩皮IDF，對(duì)Cd2+的吸附能力二者接近。楊賢慶等[26]對(duì)比了小麥麩皮與4 種海藻由來膳食纖維對(duì)Pb2+、Cd2+及Hg2+的吸附作用，發(fā)現(xiàn)各膳食纖維對(duì)重金屬離子的吸附能力從大到小依次為：海帶、麒麟菜、麥麩、江蘺及馬尾藻。雖然結(jié)論基本一致，但是該文獻(xiàn)報(bào)道的吸附力數(shù)據(jù)遠(yuǎn)高于本研究結(jié)果。例如：其海帶膳食纖維對(duì)Pb2+的吸附力達(dá)160 mg/g。分析造成差異的主要原因有二，本研究選擇了相對(duì)較低的標(biāo)準(zhǔn)溶液初始濃度，遠(yuǎn)低于上述文獻(xiàn)報(bào)道水平，然而已超出我國生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[50]規(guī)定的鉛及鎘離子質(zhì)量濃度上限（0.01 mg/L 及0.005 mg/L）千余倍。另外，根據(jù)文獻(xiàn)[49]、[51]、[52]報(bào)道，當(dāng)膳食纖維中存在SDF 組分（藻膠、果膠等），其對(duì)上述重金屬離子的吸附能力會(huì)明顯提升，而本研究所制備樣品不含SDF 組分，是導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏低的另一原因。Nawirska[52]和Hu 等[53]均報(bào)道纖維素對(duì)Pb2+的吸附力要顯著高于木質(zhì)素，這也可以解釋海帶IDF 更好地吸附Pb2+的表現(xiàn)。兩種IDF 樣品對(duì)Pb2+的吸附作用總體要強(qiáng)于Cd2+，與楊賢慶等[26]的報(bào)道一致，應(yīng)與生物質(zhì)與不同金屬離子間的相互作用機(jī)制有關(guān)[54]。此外，Rose 等[49]研究表明，SDF（褐藻膠、果膠、瓊脂等）的體外重金屬離子的吸附能力較強(qiáng)，然而其存在會(huì)延長離子在大鼠體內(nèi)的滯留時(shí)間，進(jìn)而導(dǎo)致重金屬在骨質(zhì)、肝臟、腎臟內(nèi)沉積量的顯著增加；飼喂纖維素則可有效促進(jìn)重金屬離子的排出，減少其體內(nèi)沉積量。以上分析表明，海帶IDF 對(duì)有毒重金屬離子具有較強(qiáng)的吸附能力，同時(shí)有助于促進(jìn)此類物質(zhì)從體內(nèi)排出，減輕其對(duì)人體的危害。

表3 鉛及鎘離子的ICP-OES 標(biāo)準(zhǔn)曲線Table 3 ICP-OES calibration equations for cadmium and lead ions

圖3 海帶與麩皮不溶性膳食纖維樣品吸附鉛離子及鎘離子的能力Fig.2 Cadmium and lead ion-binding capacity of kelp and wheat bran IDF samples

3 結(jié)論

海帶中含有的不溶性膳食纖維可以通過相對(duì)簡單的提取方法，在較為溫和的處理?xiàng)l件下得到分離。與高等植物不溶性膳食纖維相比，海帶不溶性膳食纖維具有優(yōu)良的功能特性，其膨脹力、持水力、持油力和對(duì)有毒重金屬離子的吸附能力均較高。如能將其作為海洋源健康食品原料加以開發(fā)利用，可望發(fā)揮良好的增進(jìn)健康，預(yù)防疾病功效。海藻由來不溶性膳食纖維的更多生理功能還有待進(jìn)一步挖掘。我國作為海帶養(yǎng)殖加工大國，如何將膳食纖維開發(fā)與現(xiàn)有褐藻工業(yè)有機(jī)結(jié)合，進(jìn)一步提高資源利用率與產(chǎn)品附加值，應(yīng)得到更多研究關(guān)注。