超声波改善大蒜秸秆不溶性膳食纤维结构及吸附性

黄六容，陈 甜，赵匀淑，李 璇，陈文文

（江苏大学食品与生物工程学院，镇江 212013）

0 引 言

膳食纤维是当前国际公认的一种功能性食品基料，被称之为除水、蛋白质、糖类、脂类、维生素、矿物质六大营养要素之外的第七营养素，它具有润肠通便、调节血糖浓度、降血脂血压等多种生理功能[1-5]。不同原料来源的膳食纤维，其生理功能的强弱程度是不一样的[6-8]。因此，在开发膳食纤维时，应该选用那些本身生理功能比较好的膳食纤维原料，才能获得具有良好口感和功能特性的新一代活性膳食纤维食品。

整株大蒜包括地下鳞茎和地上大蒜叶，大蒜鳞茎具有降低血脂、预防血栓、抑制癌细胞的生长、降低血糖等功效，大蒜秸秆即为地上大蒜叶部分，它具有与大蒜鳞茎相当的功效[9-10]。大蒜秸秆主要由不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber，IDF)和可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber，SDF)组成，其质量分数分别为72.20%和7.15%，相对于SDF，IDF的含量高得多，但是IDF的功能作用却相对较弱[11]。因此，采用适当的改性手段对含量较高的IDF进行改性处理，改变其组织结构，增强其功能特性，从而使不溶性膳食纤维发挥更大的功能作用，对于提高大蒜秸秆资源的综合利用效率具有积极的意义。

生物法改性膳食纤维一般利用酶解和微生物发酵法，其成本比较高[12]；化学处理法往往需要大量的酸或碱进行处理，会带来一定的环境污染[13]；一些物理处理法如高压和高温处理，操作安全性受到一定影响[14-15]。超声技术是一种高效、环保、安全的加工技术，在改变食品的物理化学特性方面具有广泛的应用，它能有效打破多糖的化学键，使组织疏松和表面疏水性改变，从而使活性成分容易释放出来[16-18]。因此，本研究以提高不溶性膳食纤维的降糖能力为目标，对大蒜秸秆的IDF进行超声波处理，确定超声对其改性的最优工艺条件，并对不溶性膳食纤维的理化特性和微观结构变化进行分析，从而为膳食纤维的功能改性提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大蒜秸秆由金乡成功生物科技有限公司提供；邻苯二甲醛，都莱生物科技有限公司；淀粉葡萄糖苷酶和木瓜蛋白酶，上海金穗生物科技有限公司；高温α-淀粉酶，无锡雪梅酶制剂有限公司；其他为国药集团化学试剂有限公司分析纯试剂。

1.2 仪器与设备

Unic7200分光光度计，上海尤尼柯仪器有限公司；DL-5C离心机，上海安亭仪器厂；GA99-ⅡD超声细胞破碎机，无锡上佳生物技术有限公司；S-4800电子显微镜，日本Hitachi公司；Nicolet 6700傅立叶红外光谱仪，美国Nicolet仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原料的预处理

大蒜秸秆于大蒜鳞茎收割后采收，于阳光下晒干，剪为1～2 cm段后50℃烘干至恒定质量，粉碎后过60目筛。

1.3.2 不溶性膳食纤维（IDF）的制备

取30 g大蒜秸秆粉末，加蒸馏水900 mL，95℃预热30 min，加入1.5 mL高温α-淀粉酶，盖上铝箔纸，95℃反应时间35 min；反应后，冷却至60℃，调节pH值至7.5，加入50 mg/mL的木瓜蛋白酶3 mL，60℃水浴30 min；然后加入3 mol/L的乙酸溶液，调节pH值到4.5，加入液体淀粉葡萄糖苷酶3 mL，60℃反应30 min，酶解液100℃灭酶15 min。反应液5 000 r/min离心15 min，离心所得沉淀依次用78%乙醇、95%乙醇洗涤，然后60℃烘干至21.5 g即得IDF。

1.3.3 超声波处理单因素试验

取不同质量（依据料液比）的IDF置于500 mL的烧杯中，加入300 mL蒸馏水，于25℃的恒温水浴锅中保温10 min，然后在一定的超声功率和时间下进行超声处理，超声探头直径为2 cm，工作2 s间歇2 s。分别以液料质量比（以下简称液料比，20:1、30:1、40:1、50:1、60:1）、超声功率（250、400、550、700、850 W）和超声时间（10、20、30、40、50 min）为影响因素，以葡萄糖吸附量为响应值，通过单因素试验考察超声对IDF改性效果的影响。超声处理完成后，样品于-20℃冷冻干燥得到粉末，留待下一步分析。同样溶解和冷冻干燥但未进行超声处理的样品作为对照。

1.3.4 响应面试验设计

在单因素试验的基础上，以葡萄糖吸附量为响应值（Y），对液料比（X1）、超声功率（X2）和超声时间（X3）用Design expert 8.06软件的Box-Behnken法设计三因素三水平试验，各试验因素、水平见表1。

表1 试验因素与水平表Table 1 Factors and levels code

1.3.5 葡萄糖吸附能力的测定（glucose adsorption capacity,GAC）[19]

称取l.0 g的IDF于250 mL的锥形瓶中，加入100 mL浓度为100 mmol/L的葡萄糖溶液，混匀后在37℃下震荡6 h，4 500 r/min转速下离心20 min，吸取上清液，采用蒽酮法测定上清液中葡萄糖含量[20]。IDF对葡萄糖吸收能力按公式（1）计算。

其中，M为IDF质量，g，C0为吸附前葡萄糖浓度，mmol/L，C1为吸附后上清液中葡萄糖浓度，mmol/L，V为吸附液体积，L。

1.3.6 胆固醇结合能力的测定（cholesterol binding capacity,CBC）[21]

鲜鸡蛋去蛋清留蛋黄，加入9倍质量的蒸馏水充分搅打成乳液。称取l.0 g IDF于l00 mL的锥形瓶中，向每个锥形瓶中加入25 mL稀释的蛋黄液并搅拌均匀，在37℃下振荡2 h，4 500 r/min转速下离心20 min，吸取上清液，采用邻苯二甲醛法测定胆固醇含量[20]。IDF对胆固醇的吸附量按公式（2）计算。

式中，W为IDF质量，g，W2为吸附前蛋黄液中胆固醇含量，mg，W1为吸附后上清液中胆固醇含量，mg。

1.3.7吸水性、持油性、膨胀性测定

1）吸水性 (water retention capacity，WRC)[22]。称取IDF 1.0 g于100 mL烧杯中，加入蒸馏水70 mL，磁力搅拌24 h，转移至离心管中，在4 500 r/min的速度下离心10 min，完全除去上清液，称质量。按公式（3）计算样品的持水性。

式中M2为样品吸水后的质量，g，M1为样品干质量，g。

2）持油性 (oil holding capacity,OHC)[23]。称取IDF 1.0 g于50 mL离心管中，加入大豆油30 mL，搅拌均匀后静置16 h，4 500 r/min离心10 min，完全去掉上油层，称质量。按公式（4）计算样品的持油性。

式中M3为样品吸油后的质量，g。

3）膨胀性 (water swelling capacity，WSC)[22]：称取IDF 1.0 g于25 mL带刻度试管中，加入蒸馏水至25 mL，混匀后于室温下放置4 h，读取物料的体积。膨胀性以每g样品吸附水后的体积表示。

1.3.8 微观形态观察

IDF样品表面喷金后，利用扫描电子显微镜观察（scanning electron morphology,SEM）观察膳食纤维的结构，加速电压为5 kV。

1.3.9 红外光谱分析

取IDF样品与KBr（质量比1:250）混合均匀，然后取适量的粉末转至压膜器内进行压片，然后进行红外光谱仪测试。参数设置：分辨率为2 cm-1，扫描次数32次，扫描范围为400～4 000 cm−1。

1.3.10 数据处理方法

所有试验进行3次重复测定，数据以平均值±标准偏差(±SD)的形式表示，采用 Excel 2010 统计分析，P<0.05为差异性显著，OriginPro8.0作图。

2 结果与分析

2.1 液料比对大蒜秸秆IDF葡萄糖吸附能力的影响

膳食纤维可吸附葡萄糖，阻碍葡萄糖的扩散以降低小肠内葡萄糖的有效浓度，从而达到帮助降低餐后血糖水平的作用[24]。300 mL蒸馏水与一定量IDF分别按液料比20:1、30:1、40:1、50:1、60:1混合，在超声功率500 W处理20 min后所得IDF对葡萄糖的吸附量如图1所示。可见，当液料比从20:1变为30:1时，所得IDF的葡萄糖吸附量明显增大（P<0.05），可能是因为样品浓度高时，其流动性差，不利于超声的空化效应和机械作用的发挥。进一步增加液体量，当液料比为40:1、50:1和 60:1时，所得的葡萄糖吸附量与30:1相比没有显著性差异(P>0.05)。相同液体体积下，液料比30:1时所得的IDF产量明显高于40:1、50:1和 60:1时，故后续试验均选择液料比30:1。

图1 液料比对IDF葡萄糖吸附力的影响Fig.1 Effect of liquid sample ratio on glucose adsorption capacity of IDF

2.2 超声功率对大蒜秸秆IDF的葡萄糖吸附能力的影响

10 g IDF与蒸馏水按液料比30:1混合，超声处理20 min，不同超声功率对IDF葡萄糖吸附力的影响结果如图2所示。可见，超声功率从250 W增加到700 W时，IDF对葡萄糖吸附量逐渐上升，700 W所得IDF的吸附力最大为4.45 mmol/g，进一步提高超声功率，IDF的吸附力没有继续增加（P>0.05），说明700 W对IDF的葡萄糖吸附力的促进作用达到最大化。

图2 超声功率对IDF葡萄糖吸附力的影响Fig.2 Effect of ultrasonic power on glucose adsorption

2.3 超声时间对大蒜秸秆IDF的葡萄糖吸附能力的影响

10 g大蒜秸秆IDF与300 mL蒸馏水混合，经过超声功率700 W处理不同时间后，其对IDF的葡萄糖吸附力影响结果如图3所示。超声时间超过20 min后，相对于处理10 min都有显著性影响（P<0.05），但是20 min和30 min之间差异不显著，而超声处理时间为40 min时，所得IDF对葡萄糖的吸附力最大，其吸附力为4.72 mmol/g。根据以上试验结果，对大蒜秸秆IDF的葡萄糖吸附能力提高最为明显的处理条件为：液料比30:1、超声功率700 W和超声时间40 min。

图3 超声时间对IDF葡萄糖吸附力的影响Fig.3 Effect of ultrasonic time on glucose adsorption capacity of IDF

2.4 响应面优化试验结果分析

试验因素组合条件及结果如表2所示。

表2 Box-Behnken设计和试验结果表Table 2 Box-Behnken design and experimental results

对表2的试验结果用Design-Expert 8.06统计软件进行数据分析，通过建立响应面的回归模型，进而寻求最优响应值的因素水平，分析结果见表3。可见模型P值为0.001 1，高度显著，决定系数R2＝0.979 6，说明回归方程的拟合度越好。方差分析显示X2、X3和X2X3对葡萄糖吸附量的影响不显著，剔除不显著项，响应面回归模型方程可简化为式（5）。

对该回归模型进行分析，可得到最佳预处理条件为：液料比33:1，超声功率707 W，超声时间40.6 min。对上述最佳条件进行验证试验，为了操作方便，最佳处理条件修正为液料比30:1，超声功率700 W，超声时间40 min，结果得到葡萄糖吸附量为4.74 mmol/g，与理论值4.69 mmol/g无差异（P<0.05），说明采用响应面法优化的提取条件具有实际应用价值。

表3 葡萄糖吸附量回归模型方差分析Table 3 Variance analysis of glucose adsorption regression equation

2.5 超声处理对IDF品质和功能的影响

色泽是食品的主要表观特征之一，色泽的影响不仅仅是视觉上，而且赋予人们对食品品种、品质优劣和新鲜与否的联想。对照和最佳超声条件处理所得IDF的颜色如图4所示，对比发现，经过超声改性后，所得IDF产品的颜色变浅，表观更受人欢迎，可能因为超声过程中的空化作用和热作用导致膳食纤维中色素分子降解。

图4 超声处理和对照IDF的颜色Fig.4 Color of control and ultrasonic-treated IDF

摄入膳食纤维有助于减肥、降低血糖和血脂等，对人体健康有十分重要的意义[1-2]。大蒜秸秆IDF的降血糖和降血脂能力分别通过体外葡萄糖和胆固醇吸收力表征。经过最佳处理后，所得IDF的相关功能和理化性质如表4所示。

表4 超声改性IDF的功能和理化特性Table 4 Functional and physicochemical properties of modified garlic straw IDF by ultrasound

由表4可见，经过超声改性的不溶性膳食纤维的葡萄糖吸附力和胆固醇结合力分别为4.74 mmol/g和15.15 mg/g，与未处理的对照相比，分别提高了12.8% 和45.0%(P<0.05)，说明超声作用对胆固醇的吸附力影响更大。改性后膳食纤维的膨胀力、吸水力和持油力分别为13.08 mL/g、9.66 g/g和9.28 g/g，均明显高于对照组。研究结果表明，超声改性后的不溶性膳食纤维具有更好的功能品质和理化特性。

2.6 不溶性膳食纤维微观结构的观察

利用电子扫描显微镜对在最优条件液料比30:1、超声功率700 W和时间40 min下超声处理的不溶性膳食纤维进行微观结构观察，结果如图5所示。可见，未经改性处理的大蒜秸秆不溶性膳食纤维微观表面粗糙，致密均匀，呈完整块状，而经过超声改性后，其微观结构发生不同程度的疏松，出现了蜂巢形的多孔性特征，并有网状结构出现，且有部分出现断裂和破碎。可见，改性后的膳食纤维表面积更大，从而表现出更强的吸附力[25]。

图5 大蒜秸秆不溶性膳食纤维的扫描电镜图Fig.5 Scanning electron microscopy of garlic straw IDF

2.7 膳食纤维红外光谱测试

傅里叶红外光谱是一种可以有效提供膳食纤维的化学组成、分子构象和氢键特性等信息的重要技术[26]。图6为大蒜秸秆不溶性膳食纤维改性前后的红外光谱（400～4000cm−1）。

图6 超声处理前后大蒜秸秆不溶性膳食纤维的红外光谱图Fig.6 Fourier transformed infrared spectra of garlic straw IDF before and after treatment of ultrasonic

所有样品在3 400 cm−1出现纤维素和半纤维素的O-H 伸缩振动带，898 cm−1处出现多糖的β-构型糖苷键的吸收峰，1 250和 1 030 cm−1处的峰为 C-O 的伸缩振动，1 620 cm−1为木质素的芳香烃的典型吸收峰，2 917和 2 852 cm−1为多糖的亚甲基伸缩峰[27-28]。对比二者的图谱发现，经过超声改性处理后，没有明显新的化学基团出现，不同的只是峰强度都明显增加，说明超声对IDF的改性作用主要是破坏纤维素和半纤维素的链间和链内氢键，使膳食纤维的结构发生疏松，大分子降解为小的分子片断，表面积增加，从而表现出更强的吸附力。

3 结论

1）通过单因素和响应面试验优化得到大蒜秸秆高降糖功能不溶性膳食纤维的超声改性条件，得出超声对不溶性膳食纤维的葡萄糖吸附功能改性条件为：液料比30:1，超声功率700 W，超声时间40 min。经过该超声工艺改性的不溶性膳食纤维的葡萄糖和胆固醇结合力分别为4.74 mmol/g和15.15 mg/g，与对照相比，分别提高了12.8% 和45.0% （P<0.05）。同时，不溶性膳食纤维经过改性后，其膨胀力、持水力和吸油力分别为13.08 mL/g、9.66 g/g和9.28 g/g，均明显高于对照组（P<0.05）。

2）本试验优化得到的最佳吸附葡萄糖的超声处理工艺对不溶性纤维的化学基团没有造成破坏，但是它使大蒜秸秆不溶性膳食纤维的微观结构变为疏松、蜂巢形的多孔网状结构，且部分断裂破碎，这些改变使得膳食纤维具有更强的吸附力。

[1]Zhu F,Du B,Zheng L,et al.Advance on the bioactivity and potential applications of dietary fibre from grape pomace[J].Food Chemistry,2015,186:207－212.

[2]GunnessP,GidleyM J.Mechanismsunderlyingthe cholesterol-lowering propertiesofsoluble dietary fibre polysaccharides[J].Food&Function,2010,1(2):149－155.

[3]Castellanos-Jankiewicz A,Bosque-Plata L D,Tejero M E.Combined effect of plant sterols and dietary fiber for the treatment of hypercholesterolemia[J].Plant Foods for Human Nutrition,2014,69(2):93－100.

[4]Hanan M A,Ahmed A R.Utilization of watermelon rinds and sharlyn melon peels as a natural source of dietary fiber and antioxidants in cake[J].Annals of Agricultural Sciences,2013,58(1):83－95.

[5]Paturi G,Butts C A,Monro J A,et al.Effects of blackcurrant and dietary fibers on large intestinal health biomarkers in rats[J].Plant Foods for Human Nutrition,2018,73(1):1－7.

[6]Daou C,Zhang H.Functional and physiological properties of total,soluble,and insoluble dietary fibers derived from defatted rice bran [J].JournalofFood Science and Technology,2014,51(12):3878－3885.

[7]Wang L,Xu H,Yuan F,etal.Preparation and physicochemical properties of soluble dietary fiber from orange peel assisted by steam explosion and dilute acid soaking[J].Food Chemistry,2015,185:90－98.

[8]Lv J S,Liu X Y,Zhang X P,et al.Chemical composition and functionalcharacteristics of dietary fiber-rich powder obtained from core of maize straw[J].Food Chemistry,2017,227:383－389.

[9]闫淼淼，许真，徐蝉，等.大蒜功能成分研究进展[J].食品科学，2010，31(5)：312－318.Yan Miaomiao,Xu Zhen,Xu Chan,et al.Research progress of bioactive components in garlic[J].Food Science,2010,31(5):312－318.(in Chinese with English abstract)

[10]Kallel F,Bettaieb F,Khiari R,et al.Isolation and structural characterization of cellulose nanocrystals extracted from garlic straw residues[J].Industrial Crops&Products,2016,87:287－296.

[11]Ma M,Mu T.Modification of deoiled cumin dietary fiber with laccase and cellulaseunder high hydrostatic pressure[J].Carbohydrate Polymers,2016,136:87－94.

[12]Santala O,Kiran A,Sozer N,et al.Enzymatic modification and particle size reduction of wheat bran improves the mechanical properties and structure of bran-enriched expanded extrudates[J].Journal of Cereal Science,2014,60(2):448－456.

[13]Lan G S,Chen H X,Chen S H,et al.Chemical composition and physicochemicalproperties ofdietary fiberfrom Polygonatum odoratum as affected by different processing methods[J].Food Research International,2012,49(1):406－410.

[14]Pérez-López E,Mateos-Aparicio I,Rupérez P.Okara treated with high hydrostatic pressure assisted by Ultraflo®L:Effect on solubility of dietary fibre[J].Innovative Food Science and Emerging Technologies,2016,33:32－37.

[15]李雁，熊明洲，尹丛林，等.红薯渣不溶性膳食纤维超高压改性[J].农业工程学报，2012，28(19)：270－278.Li Yan,Xiong Mingzhou,Yin Conglin,et al.Modification of insoluble dietary fiber from sweet potato residue with ultra high pressure processing technology[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2012,28(19):270－278.(in Chinese with English abstract)

[16]Yachmenev V,Condon B,Klasson T,et al.Acceleration of the enzymatic hydrolysis of corn stover and sugar cane bagasse celluloses by low intensity uniform ultrasound[J].Journal of Biobased Materials and Bioenergy,2009,3(7):25－31.

[17]Huang L,Ma H,Peng L,et al.Enzymolysis kinetics of garlic powder with single frequency countercurrent ultrasound pretreatment[J].Food Bioproducts Processing,2015,95:292－297.

[18]Ying Z,Han X,Li J.Ultrasound-assisted extraction of polysaccharides from mulberry leaves[J].Food Chemistry,2011,127(3):1273－1279.

[19]PeerajitP,Chiewchan N,Devahastin,S.Effectsof pretreatment methods on health-related functional properties of high dietary fiber powder from lime residues[J].Food Chemistry,2012,132(4):1891–1898.

[20]付娆.纤维素酶法制备黑木耳残渣中的膳食纤维及性质测定[D].哈尔滨：东北农业大学，2014.Fu Rao.The Preparation and Properties of Dietary Fiber from Auricularia Auricular Residues with Cellulase[D].Harbin:Northeast Agricultural University,2014.(in Chinese with English abstract)1

[21]Zhang N,Huang C,Ou S.Invitrobinding capacities of three dietary fibers and their mixture for four toxic elements,cholesterol,and bile acid[J].Journal of Hazardous Materials,2011,186(1):236－239.

[22]Qi J,Li Y,MasambaK G,et al.The effect of chemical treatment on the in vitro hypoglycemic properties of rice bran insoluble dietary fiber[J].Food Hydrocolloid,2016,52:699－706.

[23]Yaich H,Garna H,Bchir B,et al.Chemical composition and functional properties of dietary fibre extracted by englyst and prosky methods from the algaUlva lactuca,collected in Tunisia[J].Algal Research,2015,9:65－73

[24]金晖，孟怡璠，陈萍，等.不同颗粒度南瓜不溶性膳食纤维的功能性质研究[J].中国食品学报，2013，13(9)：15－21.Jin Hui,Meng Yifan,Chen Ping,et al.Studies on functional properties of the dietary fiber prepared from pumpin with different granularity[J].Journal of Chinese Institute of Food Science and Technology,2013,13(9):15－21.(in Chinese with English abstract)

[25]Elleuch M,Bedigian D,Roiseux O,et al.Dietary fibre and fibre-rich by-products of food processing:Characterisation technological functionality and commercial applications:A review[J].Food Chemistry,2011,124(2):411－421.

[26]Saleh T A.Isotherm,kinetic,and thermodynamic studies on Hg(II)adsorption from aqueous solution by silica-multiwall carbon nanotubes[J].Environmental Science and Pollution Research,2015,22(21):16721－16731.

[27]Ma M,Mu T.Effects of extraction methods and particle size distribution on the structural,physicochemical,and functiona l properties of dietary fiber from deoiled cumin[J].Food Chemistry,2016,194:237－246.

[28]Gupta V K,Saleh T A,Pathania D,et al.A cellulose acetate based nanocomposite forphotocatalytic degradation of methylene blue dye under solar light[J].Ionics,2015,21(6):1787–1793.