不同處理方法對裙帶菜膳食纖維性質(zhì)的影響

劉靜，劉雪，劉少偉*，周士琪，周定鵬

1. 華東理工大學(xué)食品科學(xué)與工程系，生物反應(yīng)器工程國家重點實驗室（上海 200237）；2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院（北京 100083）

裙帶菜原產(chǎn)于亞洲國家，是一種富含多種生物活性化合物的可食用褐藻，具有多種生物活性，例如抗氧化、抗炎、抗病毒和抗肥胖等[1]。然而，由于裙帶菜資源的浪費以及較低的利用率，我國的裙帶菜產(chǎn)業(yè)目前大多仍處于初級加工階段。膳食纖維包括可溶性膳食纖維（SDF）和不溶性膳食纖維（IDF）。從裙帶菜中提取的SDF具有顯著的降血糖功能[2]，一些研究已經(jīng)表明SDF具有延緩淀粉消化、吸收葡萄糖、降低葡萄糖擴散的功能特性[3]。

然而，不同組成、來源和處理方法獲得的膳食纖維的物化性質(zhì)和功能特性是不同的。Qi等[4]研究發(fā)現(xiàn)通過化學(xué)法處理米糠IDF可以使米糠膳食纖維對葡萄糖的吸附量增加2～3倍。Larrea等[5]研究發(fā)現(xiàn)膳食纖維中SDF和IDF含量的比例對其功能有很大影響。因此，通過不同的處理方法提高膳食纖維中SDF含量將有助于提高其潛在應(yīng)用價值。

此次試驗通過堿法和復(fù)合酶法兩種處理方法處理裙帶菜膳食纖維，測定膳食纖維的組成及相關(guān)性質(zhì)，并與提取的膳食纖維進行比較。研究堿法和復(fù)合酶法處理對裙帶菜膳食纖維的相關(guān)特性的影響，為裙帶菜的深入加工和有效利用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

裙帶菜（大連久泰食品有限公司）；木聚糖酶（50 000 U/g，北京索萊寶科技有限公司）；纖維素酶（10 000 U/g，阿拉丁試劑（上海）有限公司）；其他常用化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

CP213電子分析天平（奧豪斯儀器（上海）有限公司）；HHS-I1-1電熱水浴鍋（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；SHA-BA恒溫振蕩器（常州朗越儀器制造有限公司）；DL-5-B離心機（上海安亭科學(xué)儀器廠）；STARTER2100 pH計（上海華聯(lián)醫(yī)療器械有限公司）；FJ200-T型均質(zhì)機（韜越上海機械科技有限公司）；MOV-212F鼓風(fēng)干燥箱（上海天呈實驗儀器制造有限公司）；KC-500小型高速粉碎機（北京開創(chuàng)同和科技發(fā)展有限公司）；UV-2000紫外分光光度計（尤尼克（上海）儀器有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 裙帶菜不溶性膳食纖維的提取及處理

裙帶菜不溶性膳食纖維的提取（Undaria pinnatifidaIDF，UIDF）參考馬夢梅[6]的方法并稍作修改。采用剪切均質(zhì)輔助堿法提取UIDF。將裙帶菜粉碎過60目篩得到裙帶菜粉末，取2.0 g裙帶菜粉末，以1∶40（g/mL）的料液比加入去離子水，以剪切速率7 500 r/min剪切35 min，再加入0.05 mol/L的NaOH溶液，在50℃下水浴120 min；用離心機在5 000 r/min下離心15 min，棄去上清液，pH調(diào)至中性，于60℃熱風(fēng)干燥24 h，得到UIDF。

堿法處理裙帶菜不溶性膳食纖維（Alkaline modification UIDF，A-UIDF）參考Zhang等[7]的方法并稍作修改。稱取1.0 g UIDF，加入50 mL 1.4%的NaOH溶液，在80℃下水浴加熱60 min。冷卻至室溫后將pH調(diào)至中性，加入4倍體積95%的乙醇，室溫靜置24 h，抽濾，保留濾渣，在60℃下烘干除去水分，得到A-UIDF。

復(fù)合酶法處理裙帶菜不溶性膳食纖維（Complex enzyme modification UIDF，E-UIDF）參考姜龍波等[8]的方法并稍作修改。稱取1.0 g UIDF，以1∶50（g/mL）的料液比加入至pH 6.4的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液中，加入20 U/g的木聚糖酶，置于50℃恒溫水浴鍋加熱90 min，再調(diào)節(jié)pH至4.8，加入40 U/g的纖維素酶，置于50℃恒溫水浴鍋加熱90 min，沸水浴滅酶10 min，調(diào)節(jié)pH為中性，加入4倍體積95%的乙醇，室溫靜置24 h，抽濾，保留濾渣，在60℃下烘干除去水分，得到E-UIDF。

將上述三種膳食纖維用高速粉碎機粉碎2 min，分別過60，80，100，120和140目篩網(wǎng)，得到不同粒徑的膳食纖維。

1.3.2 膳食纖維含量的測定

不同方法得到的膳食纖維中總膳食纖維含量（Total dietary fiber，TDF）、SDF和IDF的測定參照GB/T 5009.88—2014《食品中膳食纖維的測定》[9]。

1.3.3 物化性質(zhì)[10]

1.3.3.1 持水性

稱取1.0 g膳食纖維粉末置于30 mL蒸餾水中，室溫振蕩（200 r/min）18 h，以5 000 r/min離心15 min。除去上清液，稱定膳食纖維的濕質(zhì)量并在105℃的烘箱中干燥至恒質(zhì)量。然后稱量膳食纖維的干質(zhì)量。持水性按式（1）計算。

1.3.3.2 吸水膨脹性

稱取0.2 g膳食纖維粉末置于有刻度的試管中，記錄干膳食纖維體積（mL），加入10 mL蒸餾水，室溫靜置18 h。記錄吸水膨脹后膳食纖維的體積。吸水膨脹性按式（2）計算。

1.3.3.3 持油性

稱取0.2 g膳食纖維粉末，置于30 mL玉米油中，室溫靜置18 h，以3 000 r/min離心10 min，棄去上清液，稱定吸油后膳食纖維粉的濕質(zhì)量。持油性按式（3）計算。

1.3.3.4 陽離子交換能力

稱取1.0 g膳食纖維粉末，加入50 mL 0.1 mol/L HCl溶液，室溫靜置24 h后過濾。用蒸餾水洗滌濾渣，直至溶液的pH高于4，將濾渣加入至100 mL 15% NaCl溶液中，攪拌離心，用0.1 mol/L NaOH溶液進行滴定。用蒸餾水代替HCl溶液，測定空白對照消耗的NaOH溶液的體積。陽離子交換能力按式（4）計算。式中：V0為樣品消耗的NaOH溶液體積，mL；V1為空白消耗的NaOH溶液體積，mL；m1為樣品干質(zhì)量，g；0.1為NaOH溶液濃度，mol/L。

1.3.4 功能特性

1.3.4.1 葡萄糖吸收能力的測定

參照Ou等[3]的方法，分別將1.0 g三種膳食纖維樣品加入100 mL不同濃度（50，100，150，200和250 mmol/L）的葡萄糖溶液中，在37℃下水浴振蕩6 h（120 r/min）。然后將溶液以4 000 r/min離心20 min獲得上清液。通過DNS比色法在540 nm的波長下測定上清液中葡萄糖含量。葡萄糖吸收能力以每克膳食纖維粉末吸收的葡萄糖毫摩爾數(shù)表示。按式（5）計算。式中：c0為初始溶液中的葡萄糖濃度，mmol/L；c1為吸收6 h后上清液中的葡萄糖濃度，mmol/L；V2為離心后上清液體積，mL；m2為膳食纖維樣品質(zhì)量，g。

1.3.4.2 葡萄糖透析延遲指數(shù)的測定

參照Ou等[3]的方法，分別將0.2 g三種膳食纖維樣品加入10 mL葡萄糖溶液（100 mmol/L）中，將其轉(zhuǎn)移至截留分子量12 000 Da的透析袋中，置于200 mL蒸餾水（37℃）中。用DNS比色法在540 nm波長下測定20，30，60，90，120，180和300 min后的葡萄糖含量。以未添加膳食纖維樣品組為空白對照。葡萄糖透析延遲指數(shù)按式（6）計算。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

試驗結(jié)果采用SPSS 19.0分析軟件和Origin 8.0軟件處理，數(shù)據(jù)均為三個平行樣本，表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，采用ANOVA對數(shù)據(jù)的差異顯著性進行分析（p＜ 0.05表示差異顯著）。

2 結(jié)果與分析

2.1 膳食纖維含量的測定結(jié)果

由表1可知，E-UIDF的TDF最高，可達(dá)86.07%，A-UIDF次之，為85.65%，均顯著高于UIDF的84.40%（p＜0.05）。其中，E-UIDF的SDF含量為13.38%，顯著高于A-UIDF的9.48%與UIDF的2.30%（p＜ 0.05）。這可能是堿法和復(fù)合酶法處理可以使物料結(jié)構(gòu)中的親水活性基團暴露，進而增加SDF含量。說明堿法和復(fù)合酶法處理適用于UIDF處理工藝的研究。

表1 不同處理方法對裙帶菜膳食纖維含量的影響

2.2 堿法和復(fù)合酶法處理膳食纖維的物化性質(zhì)分析

2.2.1 持水性分析

膳食纖維的持水性可以促進人體消化，提升食物的口感，與膳食纖維來源、粒徑大小、提取工藝和表面特性有關(guān)[11]。由圖1可知，E-UIDF和A-UIDF的持水性相對于UIDF提高了2～3倍。這可能與堿法和復(fù)合酶法處理后的膳食纖維中SDF含量顯著增加有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)[12]，SDF含量越高，持水性越強，SDF可以在水溶液中形成凝膠，吸收水分的同時產(chǎn)生的膠狀物可以防止水分的流失，進而提高膳食纖維的持水性[12]。當(dāng)目數(shù)從60目增加至140目時，膳食纖維的持水性隨著目數(shù)的增加先升高后降低，這可能是隨著機械剪切力的增加，膳食纖維的比表面積增大，具有較高的孔隙度，使其持水性增加；但是剪切力增加到一定的程度后，破壞了多糖分子之間連接的糖苷鍵，使其持水性降低[6]。

圖1 不同處理方式和粒徑對裙帶菜不溶性膳食纖維持水性的影響

2.2.2 吸水膨脹性分析

膳食纖維吸水膨脹性指膳食纖維在胃腸道中吸收水的能力，可以增加人體飽腹感[13]。由圖2可知，E-UIDF的吸水膨脹性為7.56～10.20 mL/g，該數(shù)值與Gómez-Ordo?ez等[12]報道的裙帶菜膳食纖維吸水膨脹性數(shù)值相似，高于A-UIDF的吸水膨脹性4.07～6.29 mL/g和UIDF的吸水膨脹性3.86～5.50 mL/g。相對于UIDF而言，E-UIDF和A-UIDF的吸水膨脹性分別增加了85%和14%。復(fù)合酶法處理后的膳食纖維膨脹性顯著提高的原因可能是通過酶解處理，纖維素的β-1, 4糖苷鍵斷裂，膳食纖維的結(jié)構(gòu)變得疏松，比表面積增加，導(dǎo)致膳食纖維中可溶物質(zhì)含量增多，因此吸水膨脹性增加。隨著目數(shù)的增加，膳食纖維的吸水膨脹性先增加后降低，與持水性呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律。這可能是隨著機械力的增大，多糖之間的連接鍵和膳食纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞，使其吸水膨脹性降低。

圖2 不同處理方式和粒徑對裙帶菜膳食纖維吸水膨脹性的影響

2.2.3 持油性分析

膳食纖維的持油性衡量了膳食纖維在食物加工過程中防止油的損失和減少消化過程中油的吸收的能力。結(jié)合圖3可得，E-UIDF的持油性為2.89～3.54 g/g，高于A-UIDF的持油性2.24～3.21 g/g和UIDF的持油性2.12～3.03 g/g。這可能是復(fù)合酶法處理使膳食纖維粒度減小，結(jié)構(gòu)更加疏松多孔，提高了膳食纖維的毛細(xì)管吸引力，使其對油類物質(zhì)的截留增加。隨著目數(shù)的增加，膳食纖維的持油性先增加后降低，這與馬夢梅[6]的研究結(jié)果相似。

圖3 不同處理方式和粒徑對裙帶菜膳食纖維持油性的影響

2.2.4 陽離子交換能力分析

陽離子交換能力指膳食纖維在水溶液中離解出一些陽離子，通過吸附溶液中的陽離子進行交換，進而起到一定的排毒、降血壓等功效，與膳食纖維中含有的羧基、羥基和氨基等側(cè)鏈基團有關(guān)[13]。由圖4可看出，A-UIDF和E-UIDF的陽離子交換能力高于UIDF，是UDIF陽離子交換能力的3～4倍。隨著目數(shù)的增加，陽離子交換能力先增加后降低，在100目時達(dá)到峰值。說明堿法和復(fù)合酶法處理可以使膳食纖維的一些羧基、羥基或氨基等側(cè)鏈基團暴露出來，使其陽離子交換能力提高，但是剪切力過大，一些連接鍵會被破壞，導(dǎo)致陽離子交換能力下降[14]。

圖4 不同處理方式和粒徑對裙帶菜膳食纖維陽離子交換能力的影響

2.3 堿法和復(fù)合酶法處理膳食纖維的功能特性分析

2.3.1 葡萄糖吸收能力的結(jié)果分析

膳食纖維吸收葡萄糖的能力是體外衡量膳食纖維在腸道消化的過程中對葡萄糖的抑制和轉(zhuǎn)運能力的重要指標(biāo)[11]。由圖5可知，E-UIDF的葡萄糖吸附能力最高，其次為A-UIDF。當(dāng)葡萄糖濃度為50～250 mmol/L時，三種膳食纖維均可以有效吸收葡萄糖，并且膳食纖維對葡萄糖的吸收能力隨著葡萄糖濃度的增大而增大。Qi等[4]研究發(fā)現(xiàn)米糠膳食纖維對葡萄糖的吸收能力呈現(xiàn)濃度依賴性，這與此次試驗結(jié)果一致。A-UIDF和E-UIDF的葡萄糖最大吸附量分別為5.05和6.01 mmol/g，相對于UIDF分別提升了34%和59%。這與Yu等[10]研究發(fā)現(xiàn)改性可以提高胡蘿卜渣IDF的葡萄糖吸收能力的結(jié)果一致。這可能是堿法和復(fù)合酶法處理后的膳食纖維中含有較多的SDF，SDF具有較高的黏度，可以有效減緩葡萄糖的擴散速率，并且膳食纖維內(nèi)在的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也可截留一部分葡萄糖分子[11]。

圖5 不同處理方法對裙帶菜膳食纖維葡萄糖吸收能力的影響

2.3.2 葡萄糖透析延遲指數(shù)的結(jié)果分析

葡萄糖透析延遲指數(shù)是一個預(yù)測胃腸道對葡萄糖延遲吸收的體外指標(biāo)[15]。如表2所示，隨著時間從20 min增加到300 min，葡萄糖透析延遲指數(shù)先增加后減少，在30 min時達(dá)到峰值。透析液中的葡萄糖含量隨著時間的增加而增加，與UIDF透析液中的葡萄糖含量（155～817 μmol）相比，A-UIDF和E-UIDF在20 min時為114～134 μmol，在300 min時為596～709 μmol。這可能是堿法和復(fù)合酶法處理使膳食纖維中SDF含量增加，具有更大的比表面積和更加疏松的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其能夠暴露出更多的極性基團和非極性基團，增強了膳食纖維與葡萄糖分子之間的相互作用。Rodríguez- Gutiérrez等[16]研究認(rèn)為，葡萄糖透析延遲指數(shù)與樣品中SDF的含量和IDF中的糖醛酸含量有關(guān)，López等[15]認(rèn)為其與內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)及其表面特性有關(guān)。此次試驗中堿法和復(fù)合酶法處理后膳食纖維的葡萄糖透析延遲指數(shù)在300 min時為27%～38%，明顯高于米糠膳食纖維的2%～3%[4]，這可能與膳食纖維的來源、加工工藝和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。

表2 不同處理方法對裙帶菜膳食纖維葡萄糖透析延遲指數(shù)的影響

3 結(jié)論

堿法和復(fù)合酶法處理均可提高UIDF中的SDF含量，且處理后的膳食纖維在物化性質(zhì)和功能特性上均得到了不同程度的提升。對比堿法處理，復(fù)合酶法處理后的膳食纖維具有較高的持水性、吸水膨脹性、持油性和陽離子交換能力；在功能特性上，復(fù)合酶法表現(xiàn)出了優(yōu)良的葡萄糖吸收能力和葡萄糖透析延遲指數(shù)。因此，堿法和復(fù)合酶法處理可以提升UIDF的物化特性和功能特性，其中復(fù)合酶法處理更加有效。此次試驗為裙帶菜在食品領(lǐng)域中的深入研究提供理論依據(jù)，可有效提高其在深加工領(lǐng)域的經(jīng)濟效益。