高壓均質(zhì)處理對(duì)竹筍膳食纖維理化性質(zhì)及結(jié)構(gòu)的影響

游玉明，王昱圭，張潔，鄭炯*，吳良如

1(重慶文理學(xué)院 園林與生命科學(xué)學(xué)院，重慶，402160)2(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715) 3(國家林業(yè)和草原局竹子研究開發(fā)中心，浙江 杭州，310012)

竹筍是一種高蛋白、高纖維、低脂肪的綠色健康食品，因具有抗氧化、抑菌、增強(qiáng)免疫、預(yù)防糖尿病等多種生理功效，越來越受到廣大消費(fèi)者的青睞[1-2]。我國是竹筍的主要種植加工基地，其消費(fèi)量超過全球消費(fèi)總量的65%，但新鮮竹筍貯藏期短，易木質(zhì)化變質(zhì)，故60%以上的鮮筍均被加工成筍干、清水筍、發(fā)酵筍等產(chǎn)品[3-4]。每加工1 t竹筍即會(huì)產(chǎn)生0.5 t的筍殼、筍腳等副產(chǎn)物，其中大多被隨意丟棄，不僅造成資源浪費(fèi)，且污染環(huán)境[5]。因此，如何有效開發(fā)利用竹筍加工副產(chǎn)物，增加竹筍加工業(yè)的附加值，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展顯得尤為重要。

膳食纖維因具有諸多生理功效而被譽(yù)為人類的第七大營養(yǎng)素。竹筍富含膳食纖維，約占干重的19.3%～35.5%，是一種價(jià)格低廉、天然綠色的膳食纖維來源[6]。研究表明，竹筍膳食纖維(bamboo shoots dietary fiber, BSDF)不僅具有降低膽固醇、促進(jìn)腸道益生及增強(qiáng)胰島素敏感性等生理功效，還具有改善食品口感和促進(jìn)食品體系穩(wěn)定等作用[7-11]。因此，在食品工業(yè)中常被用于充當(dāng)脂肪替代物、功能性添加劑及充填劑。但BSDF主要為不可溶性膳食纖維，若直接用于食品配料，將影響食品口感，從而限制了其在食品工業(yè)的中應(yīng)用。近年來，為了促進(jìn)BSDF的利用、改善品質(zhì)，生物酶法、亞臨界水等[3, 12-14]技術(shù)被廣泛應(yīng)用于BSDF的改性。

目前國內(nèi)外主要采用生物法、化學(xué)法及物理法對(duì)膳食纖維進(jìn)行改性。其中物理法經(jīng)濟(jì)環(huán)保、能較好的保留膳食纖維的生物活性，受到了廣大科研工作者的關(guān)注[15]。高壓均質(zhì)(high-pressure homogenization, HPH)技術(shù)是一種高效率、低耗時(shí)的物理改性方法，它利用物料在高壓作用下，通過具有特殊構(gòu)造的均質(zhì)腔，進(jìn)而形成高速剪切、對(duì)流碰撞、空穴效應(yīng)等物理作用，進(jìn)而使物料大分子的連接鍵斷裂，顆粒細(xì)化，同時(shí)使其表面結(jié)構(gòu)變得疏松[16-17]。黃素雅等[18]采用HPH處理豆渣水不溶性膳食纖維后，其水溶性膳食纖維的含量提高，促進(jìn)其對(duì)膽固醇和膽酸的吸收；COLLETTI等[19]研究發(fā)現(xiàn)HPH處理能促使大豆纖維的顆粒細(xì)化，增大比表面積，提高其水合凝膠強(qiáng)度；SU等[20]利用HPH改性柑桔皮膳食纖維，改性后的膳食纖維熱穩(wěn)定性降低，微觀形態(tài)發(fā)生改變，持水、持油等能力均得到了改善。關(guān)于HPH處理對(duì)BSDF理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征影響的研究鮮有報(bào)道。本研究采用HPH技術(shù)處理BSDF，測定處理前后其粒徑、持水力、持油力等理化性質(zhì)以及官能團(tuán)特性、微觀形態(tài)等結(jié)構(gòu)特征，以期為BSDF的高值化利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮麻竹筍，重慶市北碚區(qū)天生農(nóng)貿(mào)市場；木瓜蛋白酶(80萬U/g)，美國Sigma公司；葡萄糖、亞硝酸鈉、鹽酸萘乙二胺、對(duì)氨基苯磺酸等均為分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Scientz-297A高壓均質(zhì)機(jī)，寧波新芝生物科技股份有限公司；Zetasizer Nano ZS粒度分析儀，英國馬爾文儀器有限公司；BI-200SM激光光散射儀，美國Brookhaven儀器公司；D8 Advance X-衍射儀，德國Bruker公司；Spectrum 100 紅外光譜儀，美國Perkin Elmer 公司；STA 449 F3 Jupiter同步熱分析儀，德國耐馳儀器公司；JSM6510LV 掃描電子顯微鏡，日本電子株式會(huì)社。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 樣品處理

取新鮮麻竹筍去殼，切片后沸水漂燙10 min，80 ℃烘干，粉碎后過200目篩。過篩后的竹筍粉，按1∶40(g∶mL)加入去離子水混勻，再添加3 000 U/g木瓜蛋白酶底物，56 ℃酶解1.5 h，沸水浴10 min滅酶，蒸餾水清洗后過濾，收集濾渣，冷凍干燥后得粗BSDF。

取上述竹筍膳食纖維粉配制成1.0 g/100mL溶液，膠體磨研磨10 min，研磨后的溶液采用HPH處理，均質(zhì)壓力分別設(shè)置為20、40、60、80、100 MPa，同時(shí)以未均質(zhì)處理為對(duì)照。收集均質(zhì)后的溶液，冷凍干燥后得改性BSDF。

1.3.2 理化性質(zhì)的測定

1.3.2.1 粒徑測定

將樣品用去離子水稀釋成質(zhì)量濃度為1 mg/mL的溶液，混勻后置于1 cm光程石英比色皿中，在粒度分析儀上測定其粒徑大小，檢測波長為633 nm，檢測角為90°。

1.3.2.2 持水力、持油力和膨脹力測定

參考LYU等[21]的方法并略做修改，稱取1.0 g樣品置于燒杯中，加入去離子水或食用油后靜置60 min，置于濾紙上瀝干，稱重測定持水力(water holding capacity,WHC)和持油力(oil holding capacity,OHC)；稱取0.5 g樣品置于10 mL量筒中，記錄干樣品的體積后加入8 mL去離子水，振蕩均勻，25 ℃條件下放置24 h后記錄吸水后的體積，計(jì)算膨脹力(swelling capacity,SC)。

1.3.2.3 吸附能力測定

(1)葡萄糖吸附能力[22]。稱取0.5 g樣品與100 mL葡萄糖溶液(100 mmol/L)混勻，37 ℃振蕩孵育6 h，離心取上清液，采用蒽酮比色法測定葡萄糖的含量，葡萄糖吸附能力計(jì)算如公式(1)所示：

(1)

式中：c0，吸附前葡萄糖濃度，mmol/L；c1，吸附后葡萄糖濃度，mmol/L；V，溶液體積，mL；w，樣品的質(zhì)量，g。

(2)亞硝酸鹽吸附能力[23]。稱取0.5 g樣品與100 mL亞硝酸鈉溶液(100 μmol/L)混勻，然后將溶液的pH值調(diào)整為2.0和7.0。將混合物在37 ℃振蕩孵育6 h，收集上清液，采用鹽酸萘乙二胺法測量亞硝酸鹽的含量，亞硝酸鹽吸附能力計(jì)算如公式(2)所示：

(2)

式中：m0，吸附前亞硝酸鹽含量，μg；m1，吸附后亞硝酸鹽含量，μg；w，樣品的質(zhì)量，g。

1.3.3 結(jié)構(gòu)特征的測定

1.3.3.1 傅里葉紅外光譜分析

取1 mg干燥樣品與100 mg KBr于瑪瑙研缽中充分研磨，壓制成透明薄片立即進(jìn)行紅外光譜掃描，掃描次數(shù)：32次，分辨率：4 cm-1，掃描范圍：500～4 000 cm-1。

1.3.3.2 X-射線衍射分析

采用步進(jìn)掃描法。測試條件為：靶：Cu-Kα，步寬：0.02°，電壓：40 kV，電流：40 mA，掃描速率：6°/min，掃描范圍：5°～35°。

1.3.3.3 熱重分析

采用同步熱分析儀進(jìn)行測定。稱取約4 mg樣品于鋁盤中，壓片并以空盤為對(duì)照。在充氮條件下，以25 ℃/min從25 ℃升溫至600 ℃。

1.3.3.4 掃描電鏡分析

將樣品固定在雙面導(dǎo)電的樣品臺(tái)上，并噴涂金層，然后用掃描電鏡進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察。設(shè)置電壓為15 kV，放大倍數(shù)為500倍。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 HPH處理對(duì)BSDF理化性質(zhì)的影響

2.1.1 粒度

膳食纖維的粒徑與其膨脹力、吸附性及胃腸轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間等理化性質(zhì)和功能特性密切相關(guān)[24]。由圖1可知，HPH處理可顯著減小BSDF的粒徑(P<0.05)，且隨著處理壓力的增加其粒徑持續(xù)下降，當(dāng)處理壓力為100 MPa時(shí)，BSDF的平均粒徑為(630.56±28.09) nm，比未處理樣品下降了68.63%，這與SU等[20]將柑橘皮纖維素采用不同HPH處理后，其粒徑減小的結(jié)論一致[20]。這可能是在HPH處理過程中所產(chǎn)生的高速剪切、對(duì)流碰撞、空穴等物理作用促使BSDF的結(jié)構(gòu)被破壞，顆粒斷裂，從而導(dǎo)致粒徑減小，且其破壞作用與HPH壓力成正比[25]。研究表明，在一定范圍內(nèi)，隨著粒徑的減小，膳食纖維的持水力、持油力及膨脹力等均顯著提高[26]。

圖1 HPH處理對(duì)BSDF粒徑的影響Fig.1 Effect of HPH treatment on the particle size of BSDF注：圖中不同字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)

2.1.2 持水力、持油力和膨脹力

膳食纖維良好的持水性、持油力及膨脹力可減少食品的脫水和收縮，提高乳化穩(wěn)定性，同時(shí)具有增強(qiáng)飽腹感，促進(jìn)胃腸蠕動(dòng)等功效[27]。由表1可知，經(jīng)HPH處理后,BSDF的持水性、持油力及膨脹力均顯著提升(P<0.05)，其中經(jīng)100 MPa HPH處理后，樣品的持水性、持油力和膨脹力達(dá)到了最大值，分別為(13.97±0.86)、(10.76±0.99)g/g和(5.87±0.80)mL/g，較未處理樣品分別提高了42.26%、53.30%、52.47%，存在顯著差異(P<0.05)，這一結(jié)論與汪楠等[13]采用高溫協(xié)同酶法處理改性竹筍膳食纖維結(jié)果相似。膳食纖維的持水力和膨脹力等與其粒徑大小、電荷密度、比表面積及孔隙率等有關(guān)[27]。HPH處理后BSDF的粒徑減小，比表面積和孔隙率增加，為水和油分子提供了更多的貯存空間，同時(shí)HPH處理導(dǎo)致了其致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞，暴露出更多的親水、親油性基團(tuán)，進(jìn)而促使持水性、持油力和膨脹力的增加[20]。YANG等[12]發(fā)現(xiàn)120 MPa HPH處理后的毛竹筍膳食纖維持水力和膨脹力顯著提升，但其持油力未發(fā)生變化，這可能隨著處理壓力的增加，在其比表面積增加的同時(shí)粒徑進(jìn)一步減小，發(fā)生重聚集現(xiàn)象，從而影響了其持油力。

表1 HPH處理對(duì)BSDF持水力、持油力和膨脹力的影響Table 1 Effect of HPH treatment on the WHC, OHC and SC of BSDF

2.1.3 葡萄糖及亞硝酸鹽吸附力

由表2可知，HPH處理后BSDF對(duì)葡萄糖的吸附能力顯著提高(P<0.05)，其中100 MPa處理樣品比未處理樣品提高了32.16%。這可能是HPH處理使BSDF的質(zhì)地變得疏松，更多的功能基團(tuán)暴露出來，使葡萄糖分子與BSDF之間的范德華力以及氫鍵作用增大。同時(shí)，隨著HPH處理壓力的增加，BSDF的粒徑不斷減小，為葡萄糖的吸附提供了更大的比表面積和更多的孔隙。此外，HPH處理還可增加可溶性膳食纖維的含量，而可溶性膳食纖維顆?？勺鳛槠咸烟菙U(kuò)散的物理障礙，增加了纖維網(wǎng)絡(luò)對(duì)葡萄糖分子的束縛和捕獲能力[18, 28]。因此，經(jīng)HPH處理后能顯著提升BSDF對(duì)葡萄糖的吸附能力，從而有效控制餐后血糖的升高。

表2 HPH處理對(duì)葡萄糖及亞硝酸鹽吸附力的影響Table 2 Effect of HPH treatment on the glucose and NaNO2absorption capacity of BSDF

膳食纖維以其獨(dú)特的吸附性能或特異性功能基團(tuán)與亞硝酸根離子進(jìn)行反應(yīng)，從而阻止其與體內(nèi)胺類物質(zhì)反應(yīng)生成具有致癌作用的N-亞硝基化合物，預(yù)防癌癥的發(fā)生[12]。HPH處理顯著增強(qiáng)了BSDF對(duì)亞硝酸鹽的吸附能力(P<0.05)，其中經(jīng)100 MPa HPH處理的BSDF對(duì)亞硝酸鹽的吸附能力最強(qiáng)。說明HPH處理后，BSDF粒徑減小，更多的活性位點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)暴露出來，提高了BSDF對(duì)亞硝酸鹽的吸附能力，但其對(duì)亞硝酸的吸附作用受體系酸堿性影響，在pH 2時(shí)其吸附能力大于pH 7，這與YANG等[14]對(duì)高速剪切協(xié)同酶改性后竹筍膳食纖維對(duì)亞硝酸根的吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。研究表明，膳食纖維中富含羧基的酚類化合物顯著影響其對(duì)亞硝酸鹽的吸附能力。在酸性環(huán)境下，膳食纖維阿拉伯糖上結(jié)合的阿魏酸對(duì)亞硝酸根有強(qiáng)烈的吸附作用，當(dāng)在中性環(huán)境中時(shí)，酚類化合物上的羧基發(fā)生解離，引起膳食纖維表面上負(fù)電荷的富集，進(jìn)而排斥亞硝酸根離子，減小其對(duì)亞硝酸鹽的吸附能力[14, 29]。

2.2 HPH處理對(duì)BSDF結(jié)構(gòu)特征的影響

2.2.1 紅外光譜分析

由圖2可知，HPH處理后的BSDF與未處理樣品有相似的光譜分布，無新的吸收峰出現(xiàn)，說明HPH處理未改變BSDF的化學(xué)官能團(tuán)結(jié)構(gòu)，但在相應(yīng)的波數(shù)下吸收強(qiáng)度有變化。3 432 cm-1處的寬吸收峰表示纖維素和半纖維素的O—H伸縮振動(dòng)帶，HPH處理后呈現(xiàn)出較弱的峰，這可能是HPH處理導(dǎo)致纖維素分子之間的氫鍵斷裂[12]。2 925 cm-1處的小尖峰代表BSDF中甲基和亞甲基上的C—H拉伸振動(dòng)，HPH處理后的峰強(qiáng)度減弱，說明HPH處理導(dǎo)致了部分纖維素鏈之間氫鍵的斷裂和部分亞甲基遭到破壞，促使其形成多孔結(jié)構(gòu)，有利于持油力的增加[19]。1 631 cm-1處吸收峰代表纖維素和水分子之間的氫鍵，HPH處理使此峰變?nèi)酰f明HPH的剪切、碰撞和空化作用破壞了BSDF中的氫鍵，從而降低BSDF中結(jié)合水的含量。1 481 cm-1處為BSDF的晶體吸收帶，吸收峰的明顯減弱，說明BSDF 的有序程度降低[30]。1 041～1 192 cm-1區(qū)域代表纖維素、木質(zhì)素和殘余半纖維素的C—O 拉伸帶和變形帶；917 cm-1左右處出現(xiàn)多糖的β-構(gòu)型糖苷鍵的吸收峰，經(jīng)HPH處理后，吸收峰發(fā)生偏移，且峰值下降，這與HPH處理破壞了BSDF的木質(zhì)素及半纖維素等大分子結(jié)構(gòu)，將其分解為低聚糖等小分子質(zhì)量物質(zhì)密切相關(guān)[3]。以上結(jié)果說明，HPH處理BSDF的特征吸收峰強(qiáng)度有明顯變化，引起了晶體有序度降低，導(dǎo)致部分纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等組分的降解和重排，且隨著HPH壓力的增加，這些變化更加明顯。

圖2 HPH處理BSDF的紅外光譜圖Fig.2 FTIR spectra of BSDF treated by HPH

2.2.2 X-射線衍射分析

由圖3可知，2θ在22°附近為BSDF的主衍射峰，同時(shí)2θ在14°和24°附近處有較小的衍射弱峰，呈現(xiàn)出典型的天然纖維素晶體構(gòu)型。HPH處理后，衍射峰的位置沒有明顯差異，說明BSDF的晶體構(gòu)型沒有發(fā)生變化。但隨著HPH壓力的增加，一些不規(guī)則的弱峰減少，說明HPH處理可能促進(jìn)了纖維素分子鏈間氫鍵的斷裂，從而破壞BSDF的非晶態(tài)部分，這與TU等[31]得到的結(jié)果相似。同時(shí)，HPH處理后BSDF的主衍射峰峰形變寬，特征峰的高度發(fā)生改變，當(dāng)處理壓力為100 MPa時(shí)，樣品的結(jié)晶度從未處理的49.14%降低至35.42%，表明HPH處理后BSDF的有序度降低，結(jié)晶度減小，從而導(dǎo)致了持水力、膨脹力等增加，改善其生理功能，這與紅外光譜測定結(jié)果(圖2)一致。

圖3 HPH處理BSDF的X-射線衍射圖Fig.3 X-ray diffraction diagrams of BSDF treated by HPH

2.2.3 熱重分析

圖4是對(duì)BSDF的熱穩(wěn)定性分析結(jié)果。如圖4-a所示，BSDF的熱分解過程主要由3個(gè)階段構(gòu)成。第一個(gè)明顯的熱分解階段發(fā)生在40～100 ℃，該階段的失重由BSDF分子內(nèi)部的自由水和結(jié)晶水逐漸蒸發(fā)損失造成，并且隨著HPH壓力的增加，該階段BSDF的失重率增加，這與HPH處理后BSDF具有更好的持水力有關(guān)；第二個(gè)失重階段發(fā)生在200～350 ℃，這是樣品失重率最高的階段，主要為纖維素和半纖維素的分解[32]。該階段經(jīng)過HPH處理的BSDF失重率和失重速率顯著大于未處理組(圖4-b)，隨著處理壓力的增加，其熱穩(wěn)定性降低。這可能是HPH處理后BSDF中的氫鍵和部分碳鏈已經(jīng)斷裂，減少了熱解時(shí)的能量需求，且BSDF粒徑減小，從而增大了比表面積，使其更容易受熱分解[33]。BSDF結(jié)晶度的減小也促使了其熱穩(wěn)定性降低，該結(jié)果與紅外光譜(圖2)和X-衍射(圖3)的分析結(jié)論一致。此外，由圖4-b可知，經(jīng)100 MPa處理的BSDF僅在320 ℃左右存在1個(gè)失重峰，而其他處理?xiàng)l件下的BSDF均存在一大一小2個(gè)失重峰，由此可以推測HPH處理可以使部分半纖維素成分轉(zhuǎn)化為纖維素[32]；而在350 ℃之后，BSDF的主要成分已被熱分解，少量木質(zhì)素和熱解殘余物在該階段緩慢分解產(chǎn)生碳和灰分，BSDF的失重減緩并最終趨于平穩(wěn)。熱重分析結(jié)果表明，HPH可以通過破壞BSDF的形態(tài)和分子結(jié)構(gòu)降低其熱穩(wěn)定性，在實(shí)際食品加工過程中應(yīng)適當(dāng)控制加工溫度以免損失BSDF的優(yōu)良性能和營養(yǎng)成分。

a-失重圖；b-失重速率圖圖4 HPH處理BSDF的熱重分析圖Fig.4 Thermogravimetric analysis of BSDF treated by HPH

2.2.4 掃描電鏡分析

圖5為500倍掃描電鏡觀察不同壓力HPH處理后BSDF的微觀結(jié)構(gòu)的變化。由圖5-a可知，未處理的BSDF顆粒較大，成不規(guī)則片狀結(jié)構(gòu)，表面較為光滑，纖維層狀結(jié)構(gòu)清晰可見；經(jīng)HPH處理后BSDF的表面開始變得粗糙，且有部分出現(xiàn)破碎和斷裂，隨著HPH處理壓力的增加，BSDF顆粒尺寸減小，比表面積和表面孔隙率增加(圖5-b～圖5-f)，當(dāng)HPH壓力為100 MPa時(shí)顆粒尺寸最小，但部分顆粒開始產(chǎn)生聚集(圖5-f)，這可能是在HPH處理過程中BSDF受到流體與管道間的剪切力、流體與流體間的碰撞力以及空穴作用力等導(dǎo)致了顆粒尺寸減小，同時(shí)使其表面結(jié)構(gòu)變得疏松，但隨著顆粒減小到一定程度，表面活性及吸附性的增加導(dǎo)致部分顆粒間開始聚集[17,34]?？傮w而言，HPH處理改變了BSDF的微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)其理化特性的改善產(chǎn)生了積極作用，這也為處理后BSDF具有良好的水合能力和吸附特性提供了依據(jù)。

a-0 MPa；b-20 MPa；c-40 MPa；d-60 MPa；e-80 MPa；f-100 MPa圖5 HPH處理BSDF的掃描電鏡(×500)圖Fig.5 Scanning electron microscope images of BSDF treated by HPH

3 結(jié)論

研究了不同壓力HPH處理對(duì)BSDF理化特性和結(jié)構(gòu)特征的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，HPH處理后BSDF的粒徑顯著減小(P<0.05)，持水力、持油力、葡萄糖及亞硝酸鹽吸附能力等均顯著提高(P<0.05)。隨著處理壓力的增加，顆粒粒徑持續(xù)減小，持水力、持油力及亞硝酸鹽吸附能力等特性逐漸增強(qiáng)，其中處理壓力為100 MPa時(shí)效果最佳。傅里葉紅外光譜、X-射線衍射、掃面電鏡及熱重分析結(jié)果顯示，HPH處理后BSDF 的各吸收峰強(qiáng)度發(fā)生變化，纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等發(fā)生部分降解，結(jié)晶度減小，熱穩(wěn)定性降低，比表面積和孔隙率增加，表面結(jié)構(gòu)由致密變得疏松，但顆粒尺寸減小到一定程度后會(huì)發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。綜上，HPH處理有效改善了BSDF的理化和結(jié)構(gòu)特性，作為一種綠色高效的處理方式，可為功能性膳食纖維開發(fā)利用提供科學(xué)參考。