超聲波處理對(duì)膳食纖維結(jié)構(gòu)、理化特性影響的研究進(jìn)展

任 恒，林聲偉，丑義宣，冉紅梅，金 雨，劉學(xué)龍，崔耀明，王 朋，王金榮，喬漢楨

（河南工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院，河南鄭州 450001）

膳食纖維（dietary fiber，DF）是指不能被人體小腸消化吸收，可在大腸部分或全部發(fā)酵的可食用植物性成分、碳水化合物及其類似物質(zhì)的總稱[1]，具有降低血液膽固醇水平[2]，調(diào)節(jié)血糖[3]，降低心臟病風(fēng)險(xiǎn)[4]，調(diào)節(jié)腸道功能且防止便秘[3]等諸多功效，對(duì)維持機(jī)體正常生理功能具有重要作用。DF 按其溶解性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，其中SDF 主要包括果膠、樹膠、半纖維素等親水性物質(zhì)；IDF 主要包括纖維素、木質(zhì)素和部分半纖維素等[5]。DF 中SDF 含量通常是評(píng)價(jià)DF 品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)，高品質(zhì)DF 中的SDF 含量通常達(dá)到30%～50%，因而具有更加優(yōu)良的加工特性、生理活性和保健功能[6]。但大多數(shù)天然DF 中SDF 含量較少（＜10%），無(wú)法滿足膳食的平衡要求，因此，需要加工技術(shù)處理DF，使得IDF 大分子的糖苷鍵斷裂，致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)疏松，并促進(jìn)IDF 向SDF 轉(zhuǎn)化，提高SDF 比例，改善DF 品質(zhì)。

超聲波技術(shù)是一種高效且對(duì)環(huán)境友好的現(xiàn)代食品加工手段，作用于溶液時(shí)會(huì)產(chǎn)生空化效應(yīng)，并進(jìn)一步引起機(jī)械效應(yīng)和自由基效應(yīng)，在食品加工中可引發(fā)食品組分結(jié)構(gòu)的變化[7]。超聲可以根據(jù)應(yīng)用分為不同的頻率范圍，包括高頻低強(qiáng)度的非破壞性超聲（＞1 MHz，＜1 W/cm-2），用于化合物的分析或表征以及食品理化特性（熟度、硬度、酸度、含糖量等）分析[8]。另一種是低頻高強(qiáng)度超聲（20～100 kHz，10～1000 W/cm-2），即功率超聲。由于其對(duì)加工過(guò)程或產(chǎn)品的機(jī)械、化學(xué)或物理作用，已廣泛應(yīng)用于食品、農(nóng)業(yè)和化工產(chǎn)業(yè)[9]。近年來(lái)，超聲波由于操作簡(jiǎn)單，綠色高效，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等諸多優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到人們的重視，可作為一種理想的非熱加工方式應(yīng)用于活性物質(zhì)提取、制備等多方面[10]。此外，超聲波技術(shù)常與酶法[10]、微波法[11]、化學(xué)法[12]等多種技術(shù)相結(jié)合，縮短處理時(shí)間，增強(qiáng)處理效果。目前，關(guān)于該技術(shù)對(duì)膳食纖維結(jié)構(gòu)、理化特性的影響還未深入探究。本文就超聲波對(duì)DF 的提取、結(jié)構(gòu)以及理化特性的影響進(jìn)行綜述，以期為DF 的深度開發(fā)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 超聲波處理DF 文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)CNKI、Web of Science 等數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)國(guó)內(nèi)外近10 年超聲波處理DF 相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖1 所示?？梢钥闯?，近10 年來(lái)，國(guó)內(nèi)關(guān)于超聲波的研究一直保持活躍，相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量總體呈穩(wěn)定趨勢(shì)，但國(guó)內(nèi)對(duì)超聲波的應(yīng)用及其對(duì)DF 的功能開發(fā)與國(guó)際相比還存在一定差距。

圖1 2010～2020 年國(guó)內(nèi)外超聲波處理DF 相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics of Chinese and international literatures on ultrasonic modification of DF from 2010 to 2020

2 超聲波處理對(duì)SDF 含量的影響

可溶性膳食纖維含量高低是評(píng)價(jià)膳食纖維的重要指標(biāo)，隨著可溶性膳食纖維含量的增加，水合特性、流變特性等這些理化性質(zhì)會(huì)隨之改善，通常來(lái)說(shuō)，可溶性膳食纖維含量在10%以上的具有更加優(yōu)良的理化特性。超聲波可通過(guò)在植物組織內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)、高加速度和強(qiáng)大的氣蝕破壞植物細(xì)胞，減少各組分間的密切連接，使植物組織結(jié)構(gòu)變得疏松多孔，增強(qiáng)細(xì)胞質(zhì)的釋放、擴(kuò)散和溶解，從而提高SDF 的提取效率[8]。超聲波常與其他物理、化學(xué)和酶法等聯(lián)合使用，用于SDF 的提?。ū?），效果優(yōu)于單一方法。Dong 等[12]采用超聲輔助酶法（超聲功率500 W，處理溫度65 ℃，處理25 min 后，調(diào)節(jié)pH至4.9，添加纖維素酶0.2%（w/w），50 ℃孵育2 h）提取的咖啡皮SDF 含量最高為13.04%，相比酸輔助酶法（0.1 mol/L HCl，固液比1:15 g/mL，60 ℃反應(yīng)20 min后調(diào)節(jié)pH 至4.9，添加纖維素酶0.2%（w/w），50 ℃孵育2 h）的11.38%，酶法（纖維素酶0.2%（w/w），50 ℃，pH4.9，孵育2 h）的9.54%和酸提取法（0.1 mol/L HCl，固液比1:15 g/mL，60 ℃，反應(yīng)20 min）的9.16%，SDF 含量顯著提升（P＜0.05），這與超聲的空化作用破壞了DF 結(jié)構(gòu)，增大了DF 與酶接觸的比表面積密切相關(guān)[13]。Gan 等[11]的研究中也有類似結(jié)果，超聲-微波法（微波功率500 W，溫度80 ℃，處理40 min后，超聲功率200 W，溫度25 ℃，處理10 min）處理后的柚皮SDF 含量為8.35%，顯著高于微波法（微波功率500 W，溫度80 ℃，處理40 min，SDF 含量為7.94%）處理和未處理組（SDF 含量為3.62%）（P＜0.05），原因可能是超聲處理能增加細(xì)胞內(nèi)壓力，使細(xì)胞壁破裂，釋放更多的活性成分。

表1 DF 的提取方法Table 1 Extraction method of DF

3 超聲波處理對(duì)DF 結(jié)構(gòu)的影響

DF 獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性與其復(fù)雜多樣的物化及功能特性緊密相關(guān)[19]，超聲波技術(shù)作為一種物理處理手段，可以機(jī)械振動(dòng)形式在液體介質(zhì)中產(chǎn)生瞬時(shí)強(qiáng)壓、強(qiáng)剪切力和局部高溫，打斷DF 長(zhǎng)分子鏈，改變DF單糖含量、粒度和分子聚集狀態(tài)，從而改變DF 的空間結(jié)構(gòu)及分子間作用力，進(jìn)而影響DF 的水合性、吸附性和黏性等理化特性[8]。

3.1 粒徑

DF 的粒徑受加工和消化過(guò)程的影響，同時(shí)粒徑對(duì)DF 理化特性也有較大影響[1]。牛希等[20]研究發(fā)現(xiàn)，燕麥DF 經(jīng)240 W 超聲處理30 min 后，粒徑從1281.34 nm 減小至300～800 nm，表面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疏松多孔特征，表明超聲的空化、剪切等物理作用使得大粒徑燕麥DF 破壞，粒徑減少，隨著功率增加至360 W，膳食纖維結(jié)構(gòu)破壞增加，粒徑進(jìn)一步變化（13.55～955.41 nm）。胡筱等[21]研究發(fā)現(xiàn)，葵花粕經(jīng)100 W 的超聲波處理1 h 后，SDF 粒徑（40.14±1.55 μm）高于處理前（39.50±3.22 μm），可能是SDF 發(fā)生了部分團(tuán)聚使得粒徑略增。Fan 等[22]研究了不同超聲強(qiáng)度（0、1、2、3、4 和5 W/mL）對(duì)豆渣DF 粒徑的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)超聲強(qiáng)度由0 增加到1 W/mL 時(shí)，豆渣DF 粒徑略微減??；隨著強(qiáng)度增加到4 W/mL，DF 的粒徑則由79.76 μm 驟降到53.96 μm（P＜0.05），表明低超聲強(qiáng)度（1 W/mL）對(duì)豆渣DF 粒徑幾乎無(wú)影響，而高超聲強(qiáng)度（4 W/mL）具有更強(qiáng)的空化效應(yīng)和機(jī)械應(yīng)力；隨著超聲強(qiáng)度繼續(xù)增加到5 W/mL，豆渣薄壁組織變形，但DF 粒徑并未繼續(xù)減小，可能是此時(shí)形成的高黏度DF 懸液加強(qiáng)了DF 顆粒間的相互作用力，阻礙DF 粒徑變小。此外，DF 的粒度是決定其性能和應(yīng)用的重要因素[23]。有研究表明，隨著豆渣DF 粒徑的減?。?6.7 mm～544.3 nm），其明度和白度顯著提升（P＜0.05），Zeta 電位持續(xù)下降（P＜0.05），膨脹力，水溶性指數(shù)和表觀黏度顯著上升（P＜0.05），有助于在色澤鮮艷、保水率高、低熱量的食品中應(yīng)用[24]。因此，通過(guò)超聲波處理調(diào)節(jié)膳食纖維的粒徑，進(jìn)而改善膳食纖維的分子特性，可拓展膳食纖維的應(yīng)用范圍。

3.2 分子量

DF 分子量的測(cè)定是研究DF 功能特性的重要指標(biāo)[25]，研究表明，小分子多糖具有良好的生理活性功能（抑菌性、抗氧化性等）[25-27]。當(dāng)考慮重均分子量（MW）時(shí)，分子量越小，聚合度越低，溶解度越好，黏度越低[28]。重均分子量與數(shù)均分子量（Mn）之比（MW/Mn）代表分子量分散系數(shù)，可作為樣品分子量分布是否均勻的指標(biāo)，分散系數(shù)越小，樣品分子量分布越均勻[29]。Shen 等[25]采用超聲-微波（功率450 W，時(shí)間30 min）協(xié)同處理黑豆皮（固液比1:40 g/mL），處理后SDF 的平均分子量降低了33.21%，表明處理黑豆皮中SDF 的分子量發(fā)生變化，這可能是因?yàn)槌暡ㄌ幚硎辜?xì)胞壁破裂更徹底，SDF 溶解更徹底。通常，超聲處理后DF 分子內(nèi)部會(huì)暴露更多水結(jié)合位點(diǎn)和其他極性基團(tuán)；此外，超聲波的空化效應(yīng)形成瞬間高壓，會(huì)連續(xù)不斷沖擊破碎DF 組織，使得水分更易進(jìn)入DF 內(nèi)部，表現(xiàn)出更強(qiáng)的水合特性[30]。此外，超聲極大程度上破壞了DF 糖苷鍵及多糖鏈內(nèi)與鏈間的氫鍵作用，使分子量降低，聚合度變小，也為超聲處理后DF 持水力、膨脹力和持油力的改善提供了理論依據(jù)。

3.3 比表面積

通常，物料的比表面積與粒徑成反比，超聲波處理能有效減小物料粒徑，提高物料的比表面積和吸附能力[31]?；钚蕴吭?5 wt% H3PO4溶液中浸潤(rùn)45 min后，20 kHz 超聲處理5 min，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)效應(yīng)促進(jìn)了活性炭表面擴(kuò)大和孔洞發(fā)育，在非空化狀態(tài)下，中孔（20～500 ?）孔容（孔體積和中孔粒徑分布）提高60%～100%；超聲空化效應(yīng)也促進(jìn)了活性炭孔結(jié)構(gòu)（比表面積和微孔體積）發(fā)育，減小了活性炭粒徑[31]。此外，聲化反應(yīng)幾乎與空化同時(shí)發(fā)生，在此過(guò)程中，通過(guò)分解水和氧產(chǎn)生的羥自由基、過(guò)氧化氫和其他氧化劑，促進(jìn)了H3PO4對(duì)活性炭中纖維素、木質(zhì)素等生物聚合物的水解[32-33]，進(jìn)而促進(jìn)了活性炭孔結(jié)構(gòu)（比表面積和微孔體積）發(fā)育。然而，過(guò)度的空化會(huì)導(dǎo)致活性炭孔隙率降低，可能是由于過(guò)量的空化氣泡附著在活性炭表面[34]，阻礙了活性炭與H3PO4的接觸。胡筱等[21]研究發(fā)現(xiàn)，葵花粕經(jīng)100 W 的超聲波處理1 h 后，SDF 表面疏松，凹凸不平，部分出現(xiàn)裂縫，呈現(xiàn)出一定的水合特性，而經(jīng)超聲波處理的SDF 表面明顯平整，出現(xiàn)孔洞結(jié)構(gòu)，比表面積增大，這也為持水力、結(jié)合水力和持油力的增加提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。張艷等[35]研究發(fā)現(xiàn)，將新鮮、干制和冷凍方竹筍DF 按照料液比1:10（g/mL），超聲波頻率25 kHz，功率100 W 的條件室溫處理1 h，結(jié)果顯示超聲波處理使新鮮方竹筍DF 的蜂窩結(jié)構(gòu)更加密集，干制和冷凍方竹筍DF 則呈現(xiàn)疏松多孔結(jié)構(gòu)，這也進(jìn)一步增加了方竹筍DF 的比表面積。Huang 等[13]在超聲功率535 W，作用時(shí)間41 min，初始溫度45 ℃的條件下對(duì)大蒜秸稈IDF 進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)未經(jīng)處理的IDF 表面較光滑平坦，經(jīng)超聲處理后IDF 具有明顯的蜂窩結(jié)構(gòu)特征，且表面呈現(xiàn)更多的裂紋和孔洞，比表面積增大，可能是由于超聲處理的纖維素、木質(zhì)素及其內(nèi)部糖苷鍵被破壞所致。Minjares-Fuentes 等[36]利用超聲（強(qiáng)度0.05 W/mL）輔助堿處理提取葡萄渣中半纖維素，發(fā)現(xiàn)未處理樣品與堿處理（20 ℃，60 min）葡萄渣半纖維素表面形態(tài)無(wú)明顯差異；而超聲波輔助堿處理樣品60 min 后，葡萄渣半纖維素表面出現(xiàn)明顯斷裂，比表面積增大。超聲波處理可通過(guò)加強(qiáng)植物細(xì)胞壁中間層纖維物質(zhì)的水合作用，強(qiáng)化細(xì)胞壁的膨脹和軟化過(guò)程，加速植物組織細(xì)胞破碎，使其比表面積和傳質(zhì)速率顯著增加，進(jìn)而充分釋放DF 等功能活性成分[37]。比表面積大的物料可有效增加與客體分子的接觸面積，暴露更多的反應(yīng)位點(diǎn)，提升反應(yīng)效率[38]。超聲波處理通過(guò)破壞膳食纖維空間結(jié)構(gòu)提高DF 的比表面積，使其呈現(xiàn)裂紋和孔洞的疏松結(jié)構(gòu)，這為提升膳食纖維的功能提供重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

3.4 孔洞結(jié)構(gòu)

物料孔洞結(jié)構(gòu)的維持依賴于高分子鏈間不同強(qiáng)度的化學(xué)鍵及物理相互作用，而超聲處理過(guò)程往往伴隨大分子骨架的斷裂，部分不溶性成分轉(zhuǎn)變成可溶性成分以及致密的空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷山Y(jié)構(gòu)[39]。Izadifar[40]采用84 W 的24 kHz 超聲對(duì)小麥干酒糟（wheat dried distiller’s grain，DDG）超聲處理30 s，樣品比表面積和孔容積分別增至18.847 m2/g 和0.016 cm3/g，較處理前分別提升35.5%和33.3%（P＜0.05），表明超聲處理能有效促進(jìn)DDG 孔隙發(fā)育和植物細(xì)胞壁損傷；超聲處理前后樣品細(xì)胞壁孔徑主要為中孔（27.34～34.31 ?），隨著超聲功率（處理20 min 內(nèi)）增加，DDG 的總孔容積隨之增大，表明超聲對(duì)樣品的力學(xué)效應(yīng)主要表現(xiàn)為中孔范圍內(nèi)孔容積增大，且高功率和超短時(shí)間（100%功率，30 s）的能耗較低功率和長(zhǎng)超聲時(shí)間（20%功率，20 min）更少。此外，超聲處理后孔體積、比表面積增大，可提高酚類化合物的提取產(chǎn)量和效率（14%以上），證明超聲處理有助于天然化合物的提取。Fan 等[22]利用超聲處理豆渣，初始豆渣DF 呈塊狀，表明光滑，質(zhì)地致密，無(wú)明顯碎片；當(dāng)超聲強(qiáng)度為2 W/mL 時(shí)，豆渣DF 呈不規(guī)則的塊狀結(jié)構(gòu)，排列緊密；隨著強(qiáng)度繼續(xù)增加，DF 則產(chǎn)生明顯的蜂窩樣結(jié)構(gòu)，此時(shí)薄壁組織完整；當(dāng)超聲強(qiáng)度為4 W/mL 時(shí)，薄壁組織變得致密，沙漏結(jié)構(gòu)斷裂；而當(dāng)超聲強(qiáng)度達(dá)到5 W/mL，薄壁組織變形，DF 解體。因此，DF 孔洞結(jié)構(gòu)的成型受超聲功率和DF 來(lái)源的影響，低功率超聲處理僅分解塊狀結(jié)構(gòu)，高功率超聲處理可使DF 結(jié)構(gòu)和成分一定程度上分解，功率過(guò)高或過(guò)低都不利于孔洞結(jié)構(gòu)的形成。

3.5 官能團(tuán)

DF 富含羧基和羥基類側(cè)鏈基團(tuán)，可對(duì)礦物質(zhì)元素和電解質(zhì)（尤其是重金屬離子）產(chǎn)生吸附作用[41]。Huang 等[13]在超聲功率535 W，作用時(shí)間41 min，初始溫度45 ℃的條件下對(duì)大蒜秸稈IDF 進(jìn)行處理，經(jīng)紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)超聲處理IDF 在2320 cm-1處出現(xiàn)了一個(gè)新的峰，具有三鍵化合物的特征，表明其脫氫是由超聲波誘發(fā)的。從超聲處理后峰位的變化可以看出，超聲可以破壞分子內(nèi)的化學(xué)鍵，導(dǎo)致有機(jī)分子的破壞，增加親水基團(tuán)和水結(jié)合位點(diǎn)，減小粒徑。此外，超聲波處理天然纖維素后，纖維素I（1430 cm-1處）的特征峰會(huì)向低波數(shù)方向移動(dòng)，纖維素II 結(jié)晶變體出現(xiàn)，表明超聲波處理改變了纖維素的結(jié)晶度和晶格結(jié)構(gòu)，處理時(shí)間延長(zhǎng)，會(huì)加劇這種結(jié)晶結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變[42]。此外，超聲處理也會(huì)增強(qiáng)-OH、C-H、C-O、C=C 和C=O 鍵的吸收峰強(qiáng)度。然而，超聲功率、作用時(shí)間以及DF 來(lái)源不同，超聲處理對(duì)DF 的作用效果也不盡相同。經(jīng)超聲處理（100 W，20 min）前后的大蒜秸稈SDF 紅外光譜相重疊，表明在處理過(guò)程中，SDF 的官能團(tuán)和化學(xué)結(jié)構(gòu)沒(méi)有變化[43]。同時(shí)，超聲處理后糖苷鍵的破壞可導(dǎo)致SDF的黏度和粒徑降低，這可能是自由基或空化效應(yīng)引起的[43]?？偟膩?lái)說(shuō)，DF 經(jīng)一定強(qiáng)度的超聲處理后紅外光譜特征吸收峰的強(qiáng)度有較明顯變化，DF 各組分重新分布，促使部分IDF 向SDF 轉(zhuǎn)化。

3.6 晶體結(jié)構(gòu)

X 射線衍射（X-ray diffraction，XRD）是評(píng)價(jià)DF 結(jié)晶特性的有效方法。晶體纖維素具有明顯的XRD 峰，具有延伸的晶線和完整的晶面；非晶區(qū)由非晶纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成[44]，通常采用非線性多峰擬合函數(shù)對(duì)X 射線衍射圖譜進(jìn)行分峰擬合，評(píng)價(jià)DF 的結(jié)晶度指數(shù)。萬(wàn)苗苗[45]采用超聲輔助EDTA 酸提法（超聲功率850 W，超聲時(shí)間79 min，EDTA 含量0.25%，pH1.0，固液比1:25 g/mL），微波輔助EDTA 酸提法（微波功率550 W，微波時(shí)間125 s，EDTA 含量0.25%，pH1.0，固液比1:25 g/mL），EDTA輔助酸提法（EDTA 含量0.25%，pH1.0，固液比1:30 g/mL，提取溫度90 ℃，提取時(shí)間90 min）提取柚皮果膠，XRD 結(jié)果顯示，EDTA 輔助酸提法和微波輔助EDTA 酸提法提取的果膠分別在21°、22°和23°處有強(qiáng)衍射峰，在16°附近有弱衍射峰，表明這兩種方法提取的果膠存在部分結(jié)晶現(xiàn)象。超聲輔助EDTA酸提法提取的果膠沒(méi)有明顯衍射峰，可能是由于超聲波的機(jī)械和空化作用破壞了果膠的晶體結(jié)構(gòu)。其余不規(guī)則峰可能是由于果膠提取過(guò)程中變性所致[24]，此外，超聲輔助EDTA 酸提法提取的果膠溶解度最佳（6 h），說(shuō)明DF 的溶解度與結(jié)晶度有關(guān)，結(jié)晶度越高，晶體類型越多，溶解性越差[46]。

4 超聲波處理對(duì)DF 理化特性的影響

DF 的理化特性與其結(jié)構(gòu)特性密切相關(guān)，研究DF 理化特性與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系則為進(jìn)一步解析DF 構(gòu)效關(guān)系提供理論基礎(chǔ)[46]。目前DF 的理化特性研究主要集中在水合特性、黏性、酶解發(fā)酵特性和吸附特性等。

4.1 水合特性

DF 結(jié)構(gòu)中存在大量羥基、羧基等親水基團(tuán)，使DF 具備較強(qiáng)的水合特性（持水力、吸附力和膨脹力）[47-48]。DF 水合特性的提高有助于減輕腸道內(nèi)壓力，提高機(jī)體排便速度，加速胃腸道內(nèi)毒物排出，起到預(yù)防結(jié)腸癌的作用[49-50]。超聲波處理DF 過(guò)程中，空穴效應(yīng)產(chǎn)生的瞬時(shí)高壓會(huì)不斷沖擊DF，使得DF 粒度減小，比表面積增大，細(xì)胞結(jié)構(gòu)疏松，大量親水基團(tuán)暴露，水合特性得到強(qiáng)化[51]。牛希等[20]研究發(fā)現(xiàn)，燕麥DF 經(jīng)240 W 超聲處理30 min 后，相比對(duì)照組，燕麥膳食纖維持水力、膨化力和持油力分別提高8%，52.58%和6.8%（P＜0.05）；隨著功率增加至360 W，持水力、膨化力和持油力也隨之增加，相比對(duì)照組分別提高20.16%、155.57%和21.98%（P＜0.05）。胡筱等[21]研究發(fā)現(xiàn)，葵花粕經(jīng)100 W 的超聲波處理1 h后，與未處理SDF 相比，改性后SDF 的持水力、結(jié)合水力和持油力分別增加了3.09%、17.56%、23.73%。Fan 等[22]利用超聲波對(duì)豆渣DF 進(jìn)行處理，隨著超聲功率密度從0 W/mL 提高到4 W/mL，持水力則從4.20±0.06 g/100 g 提升到最高值16.36±1.06 g/100 g（P＜0.05）。Zhang 等[14]采用超聲輔助堿性提取法（料液比1:16.55（w/w），超聲功率175 W，超聲時(shí)間30.76 min）提取木瓜皮中SDF，發(fā)現(xiàn)超聲輔助堿性提取法所得SDF 的持水力（5.26±0.15 g/g）顯著高于堿性提取法（4.93±0.10 g/g）（P＜0.05），可能是由于超聲輔助堿處理破壞了DF 的三維孔洞結(jié)構(gòu)，降低了DF 的碳鏈長(zhǎng)度，增大了DF 的表面積。超聲處理后的DF 分子間作用力減弱，使得DF 組織結(jié)構(gòu)松散，溶液更容易進(jìn)入DF 內(nèi)部，進(jìn)而提高DF 的保水性[52]。

4.2 黏性

黏性是DF 重要的理化特性，反映了DF 的吸水和凝膠能力[24]。SDF 通常具有良好的黏性，能形成高黏度的溶液，可用來(lái)改善飲料的黏度和穩(wěn)定性，提高乳制品的保健功能和應(yīng)用范圍[53]。此外，機(jī)體攝入SDF，也可提高小腸內(nèi)容物的黏度，起到阻礙葡萄糖吸收，控制餐后血糖升高和預(yù)防糖尿病的作用[54]。Fan 等[22]通過(guò)超聲波對(duì)豆渣DF 進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)處理后豆渣DF 懸液表現(xiàn)出獨(dú)特的多糖剪切稀釋現(xiàn)象，在一定超聲功率范圍內(nèi)（0～4 W/mL），功率增加，豆渣DF 懸液的表觀黏度值也會(huì)增加，可能是由于超聲處理后豆渣DF 微粒數(shù)量增加，導(dǎo)致溶液更粘稠。通常，DF 比表面積隨著粒徑的減小而增大，提升的比表面積可提供更多的吸附位點(diǎn)和空間，從而產(chǎn)生流動(dòng)阻力[55]。Huang 等[43]通過(guò)聚能超聲波（100 W，20 min，25 ℃）處理大蒜秸稈SDF，發(fā)現(xiàn)在高黏度、低剪切速率條件下，SDF 表現(xiàn)出典型的剪切稀化特性（假塑性），而流變性通常與分子量和取代基的分布等結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。相比對(duì)照組，超聲處理后的SDF 黏度從0.037 Pa·s 顯著降低至0.010 Pa·s（10 s-1的剪切速率）（P＜0.05），其原因可能是超聲處理引起的SDF 粒徑減小或顆粒形狀的改變。Encalada 等[56]采用高能超聲（超聲強(qiáng)度10 W/cm2，料液比1:40 g/mL，處理時(shí)間20 min）處理胡蘿卜凍干粉，隨后加入0.1 mol/L Na2CO3能夠在1 h 內(nèi)以低溶液體積（1:60 g/mL）從胡蘿卜凍干粉中提取14%的果膠，得到三個(gè)低分子量的果膠組分（119240、45266、35940 Da）剪切稀化前在水中表現(xiàn)出較高的牛頓黏性，并制備出彈性模量較低的鈣交聯(lián)凝膠（G=12 Pa），表明超聲處理能夠破壞原料基質(zhì)，促進(jìn)聚合物釋放，有效提取富含果膠的組分，且平均分子量的改變可能是影響果膠黏度的直接原因。由于超聲處理后DF 形成的中空孔洞結(jié)構(gòu)，可使DF 迅速膨脹增稠而溶于水，易分散，不成團(tuán)，因此超聲處理后DF 是種潛在的增稠保水劑。

4.3 酶解發(fā)酵性

由于DF 不能被機(jī)體中的消化酶水解，但能夠被微生物部分酵解和利用[56]，因此，為了提高機(jī)體腸道菌群對(duì)DF 的利用效率，可采用超聲波對(duì)DF 進(jìn)行預(yù)處理，使得DF 結(jié)構(gòu)疏松，有機(jī)大分子轉(zhuǎn)變成小分子物質(zhì)，有利于DF 進(jìn)一步發(fā)酵和降解。粉碎研磨后的木屑可采用纖維素酶酶解，然而水解過(guò)程相當(dāng)緩慢，且水解過(guò)程中積累的糖量不足以發(fā)酵[57]。超聲波可有效破壞植物組織結(jié)構(gòu)，提高酶與底物的接觸面積。通過(guò)對(duì)木屑進(jìn)行超聲波處理，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度超聲（10 W/g 木屑）可導(dǎo)致木屑結(jié)構(gòu)的破壞和暴露面積增加，通過(guò)增加底物的比表面積以及酶與底物復(fù)合物的接觸位點(diǎn)來(lái)提高DF 的降解速率[43,58]。此外，超聲波（功率：10 W/g 木屑，5～10 min）處理與兩級(jí)研磨（400 r/min）相結(jié)合后，酶解效率最高，此時(shí)葡萄糖含量（35.5 g/L-1葡萄糖）比對(duì)照組增加了2 倍[57]。因此，超聲波處理可破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，提高底物與酶的接觸面積，提升DF 的酶解速率。

4.4 吸附性

DF 分子表面存在大量活性基團(tuán)，可以吸附膽固醇、膽汁酸、亞硝酸根和一些致病毒素從而抑制機(jī)體的吸收，一些有毒和致癌的物質(zhì)也可以被DF 吸附并排出體外[1,53]。超聲波處理對(duì)DF 吸附特性的影響如表2 所示。Huang 等[13]對(duì)大蒜秸稈IDF 進(jìn)行超聲處理，在超聲功率535 W、超聲時(shí)間41 min 和初始溫度45 ℃條件下，處理后IDF 的膽固醇結(jié)合力和持油力分別為16.75 mg/g 和10.56 g/g，比未處理的IDF 分別提高了58.2%和17.9%（P＜0.05）。超聲處理后IDF 具有良好的孔隙率、更小的粒徑和更大的表面積，這也賦予了IDF 更強(qiáng)的吸附和結(jié)合能力。此外，小鼠飼喂8 周含Cd2+（100 mg/L）的低DF 飼糧，發(fā)現(xiàn)飼糧中添加麥麩DF（100 g/kg）能吸附大部分Cd2+，恢復(fù)小鼠細(xì)胞的體外生長(zhǎng)速度。與單純攝入Cd2+的模型組小鼠相比，飼喂麥麩DF 能有效防止Cd2+進(jìn)入小鼠器官，降低腸道對(duì)Cd2+的吸收，消除Cd2+對(duì)腸道菌群的毒性，恢復(fù)腸道菌群結(jié)構(gòu)。因此，DF 可作為一種食物補(bǔ)充成分，對(duì)抗重金屬毒性[54]。

表2 超聲波處理對(duì)DF 結(jié)構(gòu)、理化特性以及吸附特性的影響Table 2 Effects of ultrasonic treatment on structure, physicochemical properties and adsorption properties of DF

由此可見，膳食纖維的理化特性研究主要集中在水合特性、黏性、酶解發(fā)酵特性和吸附特性等，而這些理化特性與纖維的比表面積、粒徑、親水基團(tuán)以及孔洞結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。超聲波處理可通過(guò)空化效應(yīng)等調(diào)節(jié)膳食纖維的比表面積、粒徑以及親水基團(tuán)的暴露和孔洞結(jié)構(gòu)的形成，進(jìn)而改善膳食纖維的理化特性。

5 結(jié)語(yǔ)及展望

超聲波處理DF 作為一種公認(rèn)的高效、高利用率、便捷、綠色無(wú)污染的物理處理方法，通過(guò)調(diào)控超聲功率及其處理?xiàng)l件，可使生物聚合物的微觀結(jié)構(gòu)朝預(yù)期轉(zhuǎn)變。因此，超聲被認(rèn)為是改善和微調(diào)生物聚合物的結(jié)構(gòu)、疏水性以及改變其尺寸、分子量、結(jié)構(gòu)特性以及生物活性的有效物理工具。目前研究主要集中于超聲處理對(duì)不同來(lái)源DF 的輔助提取以及超聲處理后對(duì)DF 的影響等，在食品與健康領(lǐng)域尚缺乏深入、系統(tǒng)研究。

為提高DF 理化性質(zhì)，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，今后對(duì)超聲波處理DF 理化性質(zhì)與結(jié)構(gòu)影響的研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下三個(gè)方面：首先，開展DF 經(jīng)超聲處理后，其理化性質(zhì)如黏性、吸附性等在不同pH、溫度和溶劑等條件下的變化規(guī)律研究；其次，建立DF 理化特性與結(jié)構(gòu)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，解析DF 理化特性與構(gòu)象間的關(guān)系；最后，加強(qiáng)DF 在人與動(dòng)物不同生長(zhǎng)階段的應(yīng)用研究，探索最適的添加水平和營(yíng)養(yǎng)配方，明確DF 的在體功能及其作用機(jī)制。