高溫蒸煮協(xié)同纖維素酶改性竹筍膳食纖維

汪楠，黃山，張月，張甫生，鄭炯*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶, 400715)2(食品科學(xué)與工程國家級實驗教學(xué)示范中心(西南大學(xué))，重慶，400715)

竹筍作為一種綠色森林蔬菜，富含蛋白質(zhì)、膳食纖維、氨基酸、礦物質(zhì)、無機鹽等多種營養(yǎng)成分[1]，越來越受到消費者的歡迎。鮮竹筍貯藏時間短，故常被加工成筍干、水煮筍、腌制筍等食品。隨著竹筍加工業(yè)的快速發(fā)展，竹筍加工過程中往往會產(chǎn)生大量的筍殼、筍頭和筍腳等副產(chǎn)物，其中大部分副產(chǎn)物被隨意丟棄或利用率低，造成了相當(dāng)大的環(huán)境污染和資源浪費[2]。研究表明竹筍副產(chǎn)物中的膳食纖維(dietary fiber，DF)含量可達(dá)干重的40%左右，高于一般食用蔬菜[3]。竹筍膳食纖維(bamboo shoot dietary fiber，BSDF)的添加被證明可以降低油炸魚丸面包吸收脂肪的能力[1]，有效改善牛奶布丁的流變性能和組織性能[4]。添加BSDF可以解決食品中DF缺乏問題以及改善食品的質(zhì)構(gòu)和感官特性。因此，利用竹筍加工副產(chǎn)品作為DF的來源，既可以解決DF來源不足的問題，同時還可以減少環(huán)境污染，實現(xiàn)竹筍的綜合利用，提高其附加值。

DF根據(jù)其溶解性可分為可溶性膳食纖維(solubble dietary fiber，SDF)和不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber，IDF)。與IDF相比，SDF具有更多的功能特性和更大的黏度、乳化性，SDF通常也會提供更好的質(zhì)地和口感，因此很容易應(yīng)用于食品加工。竹筍中DF含量高，但竹筍中的DF大多是不溶性的，SDF含量低限制了其在食品工業(yè)中的應(yīng)用。因此，生物法、化學(xué)法和物理法被用來改性DF以提高SDF含量[5-8]。近年來，一些研究者利用擠壓結(jié)合纖維素酶[9]、超聲波輔助蒸煮堿處理[10]、擠壓結(jié)合酶[11]、高溫蒸煮結(jié)合纖維素酶[12]等聯(lián)合處理方式對DF進(jìn)行改性。根據(jù)結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的原理，改性處理可減小DF的粒徑，使DF中更多的功能基團(tuán)暴露，從而增強其持水性、溶脹性、油脂結(jié)合能力、黏度、陽離子交換能力、抗氧化等理化性質(zhì)及功能特性。然而，目前對于高溫蒸煮協(xié)同纖維素酶改性BSDF后理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的研究鮮有報道。因此，本文采用高溫蒸煮協(xié)同纖維素酶改性BSDF，并比較了單獨高溫蒸煮和酶解處理以及高溫協(xié)同酶解處理后BSDF的粒徑、微觀結(jié)構(gòu)、水合性質(zhì)、持油能力、色澤、熱穩(wěn)定性和官能團(tuán)組成，旨在為BSDF改性提供一種新的方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

麻竹筍，重慶市北碚區(qū)天生菜市場；金龍魚食用油，重慶市北碚區(qū)永輝超市；纖維素酶(40 U/mg)、木瓜蛋白酶(800 U/mg)等，上海源葉生物科技有限公司有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

HH-ZK8數(shù)顯恒溫水浴鍋，鞏義市予化儀器有限責(zé)任公司；FA1004A電子分析天平，上海精天電子儀器有限公司；GR60DA高壓滅菌鍋，美國Zealway致微公司；Zetasizer Nano ZS粒度分析儀，英國馬爾文儀器有限公司；Phenom Pro掃描電鏡，荷蘭Phenom World公司；UltraScan PRO分光測色儀，美國HunterLab公司；TGA55熱重分析儀，美國TA公司；Spectrum 100傅里葉紅外光譜儀，美國Perkin Elmer公司。

1.3 樣品處理

取新鮮無損傷麻竹筍，洗凈切片，取用麻竹筍肉，用沸水漂燙8 min，60 ℃烘干，用粉碎機粉碎后過100目篩得到麻竹筍粉，加木瓜蛋白酶800 U/g，料液比1∶20 (g∶mL)，55 ℃ 酶解2 h后沸水滅酶15 min，在3 000 r/min下離心15 min，收集離心得到的沉淀物，冷凍干燥，粉碎得到BSDF。

取BSDF加纖維素酶300 U/g，料液比1∶12 (g∶mL)，60 ℃酶解1.5 h得到纖維素酶解組BSDF(ET)，取BSDF在溫度120 ℃，設(shè)置不同的蒸煮時間(20、40 min)進(jìn)行高溫蒸煮處理分別得到HT20、HT40組BSDF；取纖維素酶處理后的BSDF在溫度120 ℃，設(shè)置不同的蒸煮時間(20、40 min)進(jìn)行高溫蒸煮分別得到ET-HT20、ET-HT40組BSDF。以未處理的BSDF作為空白對照(CK)。

1.4 測定方法

1.4.1 粒徑和電位的測定

將樣品用蒸餾水稀釋1 000倍后，采用納米粒度儀測定其粒徑大小和電位。粒徑測定條件：平衡時間2 min，測定溫度25 ℃，所用光源為最大輸出功率10 W的He-Ne激光，檢測角90°，檢測波長633 nm。避免多重光散射，每次循環(huán)掃描10～120次。電位測定條件：折疊毛細(xì)管樣品池，0.45 cm2鉑電極，折疊毛細(xì)管間距0.4 cm，平衡時間2 min，測定溫度25℃，每次循環(huán)掃描10～100次。每個樣品重復(fù)測定3次。

1.4.2 微觀結(jié)構(gòu)

將干燥至恒重的BSDF粉末固定于雙面導(dǎo)電的樣品臺上，噴金使其具有導(dǎo)電性，采用掃描電鏡觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)并拍照記錄。掃描電鏡電壓10 kV，放大倍數(shù)1 000倍。

1.4.3 色澤的測定

BSDF的色澤使用分光測色儀進(jìn)行測定。記錄每個樣品的明度(L*)、綠/紅度(a*)、藍(lán)/黃度(b*)等不同顏色參數(shù)的值?？偵?△E)表示顏色強度，采用公式(1)計算：

(1)

1.4.4 持水力、膨脹性、持油性的測定

參考CHEN等[13]和HUA等[14]的方法略作修改，一式3份測定持水力(water holding capacity，WHC)、膨脹性(swelling capality，SC)、持油性(oil holding capacity，OHC)。

稱取樣品0.5 g，放入燒杯中，加入20 mL蒸餾水后靜置6 h，在4 500 r/min下離心15 min后，收集沉淀物稱重測定WHC。稱取0.2 g樣品，放入10 mL量筒中讀取體積V1，量取8 mL純水轉(zhuǎn)移到10 mL量筒中，振蕩均勻，室溫下放置24 h，記錄BSDF吸水后的體積測定SC。

稱取樣品0.5 g，放入燒杯中，加入食用油20 mL后靜置6 h，在4 500 r/min下離心15 min后，收集沉淀物，用濾紙吸收BSDF表面多余的油脂后，稱重測定OHC。

1.4.5 熱重測定

取5～10 mg干燥樣品用同步熱分析儀進(jìn)行熱重分析，采用熱重法(thermogravimetry，TG)和微分熱重分析法(differential thermogravimetry analysis，DTG)測定樣品的熱力學(xué)性質(zhì)。試驗在充N2的條件下進(jìn)行，升溫速率為10 ℃/min，測定范圍為25～600 ℃。

1.4.6 紅外光譜分析

取樣品1 mg干燥至恒重，放于瑪瑙研缽中，加入100 mg的干燥的KBr粉末，研磨混勻至細(xì)微的粉末狀。取0.05 g研磨后的混合物粉末，裝入并使其均勻平鋪于壓片模具中，抽氣加壓，保持3 min左右，將制成的透明薄片迅速放入紅外光譜儀中進(jìn)行分析掃描，掃描次數(shù)32次，分辨率4 cm-1，掃描范圍500～4 000 cm-l。

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 25.0統(tǒng)計軟件，對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析；試驗數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)軟件對數(shù)值進(jìn)行差異顯著性分析(P<0.05表示顯著，P>0.05表示不顯著)。每個試驗重復(fù)3次。運用Origin 8.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對BSDF粒徑和電位的影響

圖1為不同處理BSDF的粒徑和電位。由圖1可知，不同處理均能顯著減小BSDF的粒徑(P<0.05)，HT組與ET組粒徑無顯著差異(P>0.05)，HT40和ET-HT40組粒徑分別小于HT20和ET-HT20組，ET-HT40組粒徑((423±23.7) nm)最小，粒徑的減小可能是纖維素被水解為小分子以及BSDF顆粒斷裂所致[5]。DF粒徑與其吸收水和油的能力、在結(jié)腸中的運輸和發(fā)酵等理化性質(zhì)和功能特性密切相關(guān)[15]。有研究表明粒徑減小會增加DF分子間的范德華力、靜電引力和表面活性，對DF的理化性質(zhì)有重要影響[16]。BSDF的電位在不同處理后均顯著減小(P<0.05)，各處理組間電位無顯著差異(P>0.05)。處理后BSDF含有較大的負(fù)電荷，可能是大量的羥基和羧基存在所致。電位絕對值較大，則粒子間的靜電排斥作用較大，可以防止絮凝和凝聚，從而提高穩(wěn)定性[17]。HAN等[18]發(fā)現(xiàn)少量的麥麩DF增強了小麥淀粉顆粒間的排斥力，增加了顆粒間的穩(wěn)定性。

a-粒徑；b-電位圖1 不同處理方式對BSDF的粒徑和電位的影響Fig.1 Effects of different treatments on the particle size and potential of BSDF注：圖中不同處理小寫字母代表差異顯著(P<0.05)

2.2 不同處理對BSDF微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖2為不同處理后BSDF放大1 000倍的掃描電鏡圖。經(jīng)過處理后的BSDF顆粒更細(xì)小，ET-HT40組BSDF顆粒細(xì)小均勻，與粒徑結(jié)果一致。顆粒尺寸的減小和比表面積的增加促進(jìn)了酶的水解和DF結(jié)構(gòu)的崩解[5]。CK、ET和HT組BSDF呈球狀，ET-HT組呈片狀，有孔隙結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。這可能是在高溫高壓條件下糖苷鍵斷裂，分子顆粒減小，纖維素酶的水解導(dǎo)致BSDF表面的纖維素顆粒松散，分子質(zhì)量和聚合度降低[19]。有研究發(fā)現(xiàn)擠壓處理后BSDF為片狀，有淺裂紋和深裂紋，酶解處理后有多塊碎片和層狀結(jié)構(gòu)，而擠壓結(jié)合酶解處理后BSDF表面結(jié)構(gòu)呈蜂窩狀[9]。也有研究發(fā)現(xiàn)酶解后BSDF呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，有較多的孔洞和裂紋，有助于葡萄糖等的擴散[21]。BSDF微觀結(jié)構(gòu)的改變使得BSDF更容易與水接觸，從而提高BSDF的水溶性和保水能力[20]。HT和ET-HT組BSDF表面可見少量塊狀和球狀物質(zhì)，可能是殘留的蛋白質(zhì)顆粒[22]。

a-CK；b-ET；c-HT20；d-HT40；e-ET20；f-ET-HT40圖2 BSDF的SEM圖(×1 000)Fig.2 The SEM photograph of BSDF

2.3 不同處理對BSDF色澤的影響

不同處理后BSDF的色澤變化如表1所示，各改性組的L*顯著降低(P<0.05)，a*值顯著升高(P<0.05)，表明各改性處理后BSDF顏色均變暗、變紅。HT組的a*值顯著大于ET組(P<0.05)，L*顯著小于ET組(P<0.05)，ET-HT40組的L*(54.26±0.64)值最小，ET-HT20組有最大的a*值(9.63±0.17)。ET、HT組的b*升高，ET-HT組的b*略有下降。HT20組的b*(20.43±0.68)最大。各改性組BSDF的ΔE均大于1.5，ET-HT40組BSDF的ΔE達(dá)到11.11±0.56，表明改性后BSDF顏色變化顯著。這可能是在高溫高壓條件下，纖維素降解產(chǎn)生的糖類與BSDF中的某些物質(zhì)產(chǎn)生美拉德反應(yīng)，出現(xiàn)明顯的褐變，導(dǎo)致色澤變暗，紅黃度增加[23]。改性后BSDF顏色較深，可以添加在肉類制品或棕色面包等食品中，具有較好的潛在應(yīng)用價值。

表1 不同處理方式對BSDF顏色的影響Table 1 Effects of different treatments on the colors of BSDF

注：—表示無，不同小寫字母表示差異顯著(下同)

2.4 不同處理對BSDF 的WHC，SC和OHC的影響

由表2可知，改性后BSDF的WHC、SC和OHC均有所提升。ET組的WHC顯著增加(P<0.05)，HT組的SC顯著提升(P<0.05)，ET-HT組的WHC和SC較對照組均顯著提升(P<0.05)。HT組和ET組的WHC無顯著差異(P>0.05)，SC顯著提升(P<0.05)。ET-HT20組的WHC((5.29±0.17) g/g)和SC((13.22±0.12) mL/g)最大，可能是纖維素酶解以及高溫高壓的作用使BSDF疏松多孔，羧基、羥基和氨基等親水基團(tuán)更多的暴露，粒徑減小，較高的WHC與減小的粒徑也有關(guān)系[18]。

改性后BSDF的OHC較對照均顯著提升(P<0.05)，各改性組間OHC無顯著差異(P>0.05)，ET-HT40組OHC((8.35±0.03) g/g)最高。OHC與BSDF的表面性質(zhì)、疏水性和總電荷密度有關(guān)，高溫蒸煮和酶解過程中各種力和酶的作用使得BSDF原本緊密的結(jié)構(gòu)變得變得松散，孔隙增多，更多的親脂基團(tuán)暴露，油容易滲透到DF分子中被結(jié)合，使持油力得到改善[24]。

HT20組和ET-HT20組BSDF的WHC、SC和OHC較HT20和ET-HT20組均有所下降。鄭剛等[25]發(fā)現(xiàn)高壓蒸煮15 min后蘋果DF的膨脹性升高，30、45 min處理后又下降。這可能是隨時間的延長，酶解后產(chǎn)生的葡聚糖等SDF被進(jìn)一步降解，一些活性基團(tuán)和孔隙結(jié)構(gòu)被破環(huán)，致使其持水和持油能力下降[26]。較高的WHC、SC和OHC可以改變食品的黏度和質(zhì)地，與降低血清膽固醇、改善血糖控制和腸道發(fā)酵等多種功能性質(zhì)有關(guān)[27]。

表2 不同處理方式對BSDF的WHC，SC和OHC的影響Table 2 Effects of different treatments on the WHC，SC and OHC of BSDF

2.5 不同處理對BSDF熱重的影響

不同處理后BSDF的熱分解過程如圖3所示，BSDF的熱分解大致分為3個階段：50～200 ℃、200～400 ℃、400～600 ℃。這與人參渣DF的熱分解過程相似[14]。在50～200 ℃的熱分解范圍內(nèi)是水在120 ℃條件下蒸發(fā)。ET組BSDF有明顯的失水峰，HT和ET-HT組無明顯的失水峰。在200～400 ℃可能是果膠和半纖維素的分解，在400～600 ℃的可能是木質(zhì)素和纖維素的分解。不同處理后BSDF的最大熱分解溫度都在300 ℃左右，ET-HT20組BSDF的最大失重率為0.43%/min，大于其他組。HT20組BSDF的最大失重率(0.39%/min)最小。各種改性處理后BSDF的熱穩(wěn)定性較對照均提高。HT20和HT40改性的BSDF殘留率分別為26.49%和27.16%，高于ET改性BSDF的殘留率24.20%，ET-HT20組BSDF的熱穩(wěn)定性最高，殘留率為27.31%。BSDF較高的熱穩(wěn)定性，可能與其較高的結(jié)晶度和降解溫度有關(guān)[21]。

a-CK；b-ET；c-HT20；d-HT40；e-ET20；f-ET-HT40圖3 不同處理方式BSDF的熱重分析圖Fig.3 Thermal analysis of BSDF in different treatments

2.6 不同處理后BSDF紅外光譜分析

不同處理BSDF的紅外光譜如圖4所示，處理組與CK組BSDF的光譜分布相似，但在相應(yīng)波長處的吸收強度有變化。在1 041 cm-1處的峰值是糖苷鍵所致[28]，ET、HT、ET-HT組BSDF在此處峰的強度小于CK組，說明改性后BSDF中的部分糖苷鍵斷裂。BSDF在1 225 cm-1和1 375 cm-1處出現(xiàn)較小的峰，與C=O拉伸振動[29]和C-H彎曲有關(guān)[16]。在1 640 cm-1的峰是結(jié)合水和一些羧酸基團(tuán)、酯羰基(—COOR)所致，表明醛酸的存在[6]。有研究認(rèn)為甘蔗DF在1 646 cm-1的峰是多糖和半纖維素中的C=O拉伸振動或木質(zhì)素中酯基團(tuán)所引起[30]。在2 928 cm-1處的峰是由木質(zhì)素、纖維素和半纖維素中C-H伸縮振動引起的[31]。BSDF在3 402 cm-1附近均有較強的寬峰，主要是O—H鍵的延伸所致，是多糖組分的特征吸收峰[15,32]?？傮w來說，BSDF的紅外圖譜特征吸收峰的峰型和基本位置未發(fā)生特別明顯的變化，改性對BSDF主要官能團(tuán)沒有較大影響。LUO等[22]發(fā)現(xiàn)酶解后BSDF的吸收峰與未處理組基本一致，BSDF的基本結(jié)構(gòu)沒有被破壞。

圖4 不同處理方式BSDF的紅外光譜圖Fig.4 The FT-RI of BSDF by different treatments

3 結(jié)論

本文研究了纖維素酶解、高溫蒸煮、高溫蒸煮協(xié)同纖維素酶處理對BSDF結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明，改性后的BSDF顏色偏暗、偏紅和偏黃，高溫蒸煮協(xié)同纖維素酶處理BSDF具有最小的粒徑，BSDF的持水力、膨脹力和持油力得到改善。通過熱重、掃描電鏡和紅外光譜分析，高溫蒸煮協(xié)同纖維素酶處理BSDF成片狀，顆粒減小，熱穩(wěn)定性增強，主要官能團(tuán)結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變。綜上所述，高溫蒸煮結(jié)合纖維素酶處理有效地改善了BSDF的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，是一種綠色有效的方法，可以為今后BSDF的開發(fā)利用提供新的參考。