粒度大小对姜渣膳食纤维功能特性的影响

陆红佳，袁进文，游玉明

(重庆文理学院 林学与生命科学学院，重庆 402160)

生姜为姜科植物姜的根茎，是热带、亚热带地区的一种重要栽培植物，被世界广泛用作调味植物和中药材。我国是世界上姜科植株栽培面积最大、生产量最多的国家，出口贸易量占世界总量的70%以上，具有丰富的原料资源。姜渣是生姜加工的副产物，其中含有大量的膳食纤维，通常被当作废弃物丢弃或作为饲料简单加工，不仅造成资源的大量浪费，还对环境造成了一定的污染[1]。但目前我国对生姜的利用还没有得到足够的重视，对其深度开发、综合利用的研究甚少。因此，极有必要对其进行更加深入的研究。

膳食纤维不被胃肠道消化吸收，也不能产生能量，研究发现膳食纤维具有重要的生理作用。在饮食中增加膳食纤维的摄入可以有效地改善肠道的吸收功能，预防结肠癌[2-4]，同时还具有降血脂、降血糖、抗氧化、促进肠道蠕动等功效[5-8]。但由于膳食纤维的韧性较强、口感较粗糙、生产利用率极低，从而导致了资源和功能成分的浪费。而有研究表明，膳食纤维的功能特性与其粒度大小有着密切的关系，随着膳食纤维粒度的减小，其功能特性有所提高[9,10]。关于姜渣膳食纤维粒度大小和功能特性之间关系的研究尚未见相关报道，那么对于不同粒度大小的姜渣膳食纤维，其功能特性是否会有同样的变化趋势，是值得研究的。本研究主要通过测定不同粒度姜渣膳食纤维对胆固醇和胆酸钠的吸附性、阳离子交换能力、葡萄糖束水能力、酶活性抑制力、DPPH·自由基清除能力等功能特性，分析对比粒度大小对其特性的影响，不仅可以提高姜渣的附加值，而且为姜渣膳食纤维在食品加工领域更好地发挥其功能作用提供理论基础，对推动我国农副产品的综合利用和应用具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

姜渣膳食纤维：实验室自制；马铃薯淀粉：怀来隆晨食品有限公司；大豆油：成都粮油食品有限公司。

无水乙醇、氢氧化钠、氯化钠(均为分析纯)：重庆川东化工有限公司；糠醛、硫酸铁铵(均为分析纯)：天津市大茂化学试剂厂；冰乙酸、蒽酮、盐酸、过氧化氢、硫酸铜、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、硝酸银、磷酸、胰脂肪酶、DPPH、硝酸银、硫酸(均为分析纯)：成都市科龙化工试剂厂；胆酸钠、胆固醇：北京酷尔化学科技有限公司；α-淀粉酶(活性≥3700 U/g)：北京奥博星生物技术责任有限公司。

1.2 仪器与设备

RRH-25型高速多功能粉粹机 上海缘沃工贸有限公司；SB-2500DTDN 超声波清洗机 宁波新芝生物科技股份有限公司；DGG-9246A电热恒温鼓风干燥箱 上海齐欣科学仪器有限公司；TG16W高速离心机 长沙平凡仪器仪表有限公司；Q/BKYY29-2000电热恒温水温箱 上海跃进医疗器械有限公司；ZWY-240恒温培养振荡器 上海智城分析仪器制造有限公司；752型紫外可见分光光度计 上海舜宇恒平科学仪器有限公司；79-1磁力加热搅拌器 金坛市友联仪器研究所；电子万用炉 天津市泰斯特有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 不同粒度姜渣膳食纤维的制备

将姜渣膳食纤维进行粉碎处理，分别过60，80，100目的筛子，得到不同粒度的姜渣膳食纤维(dietary fiber, DF)，即姜渣DF-a、姜渣DF-b、姜渣DF-c。在测定时，以姜渣原料粉碎过60目筛作为对照组，即姜渣-a，进行相关指标的测定。

1.3.2 不同粒度姜渣膳食纤维对胆固醇吸附性的测定[11]

胆固醇标准储备液(1 mg/mL)：精准称取胆固醇100 mg，加入100 mL的容量瓶中，用冰乙酸定容；此液在2个月内保持稳定。

胆固醇标准常备液(100 μg/mL)：准确吸取胆固醇标准储备液10 mL，加入100 mL的容量瓶中，用冰乙酸定容至100 mL，此液现配现用。

分别取胆固醇标准常备液0，0.5，1.0，1.5，2.0 mL置于10 mL试管中，加入冰乙酸使总体积达4 mL。吸取2 mL铁矾显色液沿管壁加入，混匀后置于570 nm波长处测定其吸光度。绘制标准曲线，y=0.6800x-0.0018，R2=0.9948。

准确称取1.00 g待测样品，分别放入含10 mL胆固醇标准常备液中，调节pH值分别为2.0(模拟人体胃部环境)和7.0(模拟人体肠道环境)，在37 ℃振荡2 h，吸取上清液4 mL，沸水浴上蒸干后再分别加入无水乙醇4 mL和铁矾显色液2 mL，混合均匀，在570 nm处测定其吸光度，依据标准曲线，计算不同pH值下胆固醇的吸附性。

1.3.3 不同粒度姜渣膳食纤维对胆酸钠吸附性的测定

分别准确称取0，10，20，40，60，80，100 mg的胆酸钠置于50 mL容量瓶中，加蒸馏水定容至刻度线。吸取1 mL各浓度的标准胆酸钠溶液于15 mL带塞试管中，加入45%的硫酸6 mL，混匀后加入0.3%的糠醛1 mL，摇匀后置于恒温水浴锅中，65 ℃反应30 min，取出并冷却至室温，在620 nm处测定其吸光度。绘制相应的标准曲线，y=0.2212x+0.0125，R2=0.9817。

准确称取1.00 g待测样品于带塞的锥形瓶中，向其中加入2 mg/mL胆酸钠溶液100 mL，在37 ℃下磁力搅拌2 h，以4000 r/min离心20 min后取上清液1 mL，加入6 mL浓度为45%的硫酸，混匀，加入1 mL浓度为0.3%的糠醛，混匀置于65 ℃恒温水浴锅中反应30 min，冷却至室温后，于620 nm处测定吸光度，根据标准曲线计算胆酸钠的吸附性。

1.3.4 不同粒度姜渣膳食纤维阳离子交换能力的测定

准确称取2.0 g待测样品，置于装有50 mL 0.1 mol/L HCl的烧杯中浸泡24 h，然后过滤并用蒸馏水冲洗，直到不含氯离子为止(用10%的硝酸银溶液滴定滤液)，置于干燥器中备用。

准确称取0.25 g干燥后的滤渣于锥形瓶中，加入100 mL浓度为15%的NaCl溶液，搅拌均匀后，用0.1 mol/L的NaOH进行滴定[12]，阳离子交换能力计算公式如下：

CEC(mmol/kg)=C×V×1000/M。

式中：C为滴定所用 NaOH 的浓度，mol/L；V为滴定所消耗的NaOH的体积，mL；M为滴定所用酸化形式样品的质量，g。

在上述条件下每个实验做3次重复。

1.3.5 不同粒度姜渣膳食纤维酶活力抑制力的测定

1.3.5.1 α-淀粉酶活力抑制力的测定

准确称取 1.00 g待测样品置于40 g已糊化的马铃薯淀粉溶液(4%，W/V)中，调节 pH为6.0，吸取0.3 mL 1% 的α-淀粉酶溶液加入其中，置于恒温水浴锅中， 于95 ℃水浴反应1 h，然后取出，用离心机离心5 min(3000 r/min)，吸取上清液，用斐林试剂法测定其中还原糖的含量[13，14]。淀粉酶活力抑制力以还原糖减少量的百分比计。

α-淀粉酶活力抑制力(%)=(A-A1)/A。

式中：A为空白组未添加样品反应后还原糖含量，g/100 g；A1为添加样品反应后还原糖含量，g/100 g。

1.3.5.2 胰脂肪酶活力抑制力的测定

准确称取0.5 g待测样品置于100 mL 锥形瓶中，吸取10 mL的大豆油加入其中，再量取50 mL磷酸钠缓冲液(0.1 mol/L，pH 7.2)和 10 mL胰脂肪酶溶液分别加入其中，37 ℃磁力搅拌1 h，置于沸水浴中终止反应。所释放的游离脂肪酸的量用0.1 mol/L NaOH 滴定测得V1。产生的自由脂肪酸的量与对照组相比降低的百分率即为脂肪酶活力的抑制力。

胰脂肪酶活力抑制力(%)= (V-V1)×C×M/V×C×M。

式中：V为不加待测样品时消耗 NaOH溶液的体积，mL；V1为滴定消耗NaOH 溶液的体积，mL；C为滴定用 NaOH 标准溶液的浓度，mol/L；M为自由脂肪酸的摩尔质量，g/mol。

1.3.6 不同粒度姜渣膳食纤维对DPPH·自由基清除能力的测定[15]

用70%的乙醇配制浓度为80 g/L的待测样品溶液，在比色管中依次加入2 mL样品溶液和2 mL 0.2 mmol/L的DPPH乙醇溶液，混匀，避光反应30 min。然后于517 nm波长处测定吸光度A1；同时，将样品溶液2 mL与无水乙醇2 mL混匀反应后于517 nm处测定其吸光度A2；将2 mL DPPH乙醇溶液和2 mL 70%乙醇溶液混匀反应后于517 nm处测定其吸光度A0。DPPH·自由基的清除率计算公式如下：

DPPH·清除率(%)=1-(A1-A2)/A0。

式中：A1为加入待测样品溶液后的吸光度；A2为待测样品溶液本底的吸光度；A0为空白对照液的吸光度。

1.4 数据处理

以上指标均进行3次平行实验，实验数据经SPSS 18.0进行显著性分析，P<0.05为有显著性差异。

2 结果与分析

2.1 粒度大小对姜渣膳食纤维胆固醇吸附性的影响

粒度大小对姜渣膳食纤维胆固醇吸附性的影响见图1，胆固醇吸附性主要模拟了胃部环境pH为2和肠道环境pH为7。

图1 粒度大小对姜渣膳食纤维胆固醇吸附性的影响Fig.1 Effects of particle size on the cholesterol adsorption of dietary fiber from ginger slag

注：不同小写字母表示样品间差异显著(P<0.05)，下同。

由图1可知，与姜渣原料对比，不同粒度的姜渣膳食纤维胆固醇吸附性均有不同程度的增加，说明膳食纤维具有较好的胆固醇吸附能力。通过对比不同粒度姜渣膳食纤维对胆固醇的吸附性可以看出，随着姜渣膳食纤维粒度的减小，其对胆固醇的吸附能力呈逐渐增加的趋势，其中粒度最小的姜渣DF-c的胆固醇吸附能力分别为7.27 mg/g(pH为2)和13.37 mg/g(pH为7)，说明粒度的减小可增加姜渣膳食纤维对胆固醇的吸附能力。膳食纤维对胆固醇的吸附性是其降血脂的作用机理之一，由于其对体内胆固醇的吸附，使胆固醇可以随粪便排出，从而降低体内胆固醇的含量[16]，所以，对胆固醇吸附能力的增加，可间接说明其具有较好的降血脂功能。

2.2 粒度大小对姜渣膳食纤维胆酸钠吸附性的影响

姜渣及不同粒度的姜渣膳食纤维对胆酸钠的吸附性见图2。

图2 粒度大小对姜渣膳食纤维胆酸钠吸附性的影响Fig.2 Effect of particle size on the sodium cholate adsorption of dietary fiber from ginger slag

由图2可知，与姜渣-a对比，不同粒度姜渣膳食纤维的胆酸钠吸附能力均有显著性(P<0.05)增加。对比不同粒度姜渣膳食纤维对胆酸钠的吸附性可以看出，姜渣DF-b的胆酸钠吸附能力最强，其吸附量为7.29 mg/mL，其次是姜渣DF-c,其吸附量为6.61 mg/mL。随着姜渣膳食纤维的粒度由60目减小至80目，其对胆酸钠吸附能力呈逐渐增加的趋势，而当粒度减小到100目时，其胆酸钠吸附能力有所降低，说明粒度的改变使得姜渣膳食纤维的吸附能力发生了变化。胆酸钠在机体的小肠中被膳食纤维吸附，不能进入肝肠循环，使得体内胆汁酸不能被肠道重吸收，胆汁酸便随粪便排出体外，从而降低体内胆固醇含量。

2.3 粒度大小对姜渣膳食纤维阳离子交换能力的影响

膳食纤维分子结构中含有部分侧链基团，这些侧链基团因为带有一些羧基和氨基，从而起到弱酸性阳离子交换作用，可与阳离子实现逆交换[17-19]。姜渣及不同粒度的姜渣膳食纤维阳离子交换能力见图3。

图3 粒度大小对姜渣膳食纤维阳离子交换能力的影响Fig.3 Effect of particle size on the cation exchange capacity of dietary fiber from ginger slag

由图3可知，与姜渣-a相比，不同粒度的姜渣膳食纤维的阳离子交换能力显著增高。通过比较可以看出，随着姜渣膳食纤维粒度的减小，其阳离子交换能力依次增加，其中粒度最小的姜渣DF-c的阳离子交换能力达到最高，为200.04 mmol/kg，可能是由于随着姜渣膳食纤维粒度的减小，其表面暴露出许多阳离子或糖醛酸结合位点。阳离子交换能力的提高一方面能够有效的抑制机体中胆固醇或脂肪的扩散和吸收[20]，另一方面则有助于增加对重金属的吸附，使其随粪便排出[21]。

2.4 粒度大小对姜渣膳食纤维酶活力抑制力的影响

2.4.1 粒度大小对姜渣膳食纤维α-淀粉酶活力抑制力的影响

姜渣及不同粒度的姜渣膳食纤维对α-淀粉酶活力抑制能力的影响见图4。

图4 粒度大小对姜渣膳食纤维α-淀粉酶活力抑制力的影响Fig.4 Effect of particle size on the activity inhibitory of alpha-amylase of dietary fiber from ginger slag

由图4可知，与姜渣-a相比，姜渣DF-a和姜渣DF-b对α-淀粉酶活力的抑制力显著性(P<0.05)降低。而与不同粒度姜渣膳食纤维相比，随着姜渣膳食纤维粒度的减小，其淀粉酶活力抑制力逐渐增强，其中姜渣DF-c对α-淀粉酶活力的抑制力最强，达到38.02%，同时其显著性高于姜渣-a，说明粒度越小，姜渣膳食纤维对α-淀粉酶活力的抑制力越强。研究表明，α-淀粉酶抑制剂能有效抑制肠胃道中唾液和胰淀粉酶的活性，从而阻碍或者延缓机体对食物中所含碳水化合物的水解和消化，从而降低食物中淀粉糖类物质的分解吸收，起到降低血脂、血糖的作用[22,23]。

2.4.2 粒度大小对姜渣膳食纤维胰脂肪酶活力抑制力的影响

胰脂肪酶是水解脂肪的重要酶类。不同粒度姜渣膳食纤维的脂肪酶活力抑制力见图5。主要分析对比不同粒度的姜渣膳食纤维对胰脂肪酶活力的抑制作用。

图5 粒度大小对姜渣膳食纤维胰脂肪酶活力抑制力的影响Fig.5 Effect of particle size on the inhibition activity of pancreatic lipase of dietary fiber from ginger slag

由图5可知，与姜渣-a相比，姜渣膳食纤维对胰脂肪酶活力的抑制力显著性增加(P<0.05)。不同粒度的膳食纤维对胰脂肪酶活力的抑制能力不同，随着粒度的减小，抑制能力逐渐增强，其中姜渣DF-c对胰脂肪酶活力的抑制力最强，达到6.66%。可能是由于随着姜渣膳食纤维粒度的减小，其比表面积逐渐增大，表面暴露出许多酶活力抑制基团，从而增强对酶活的抑制力。

2.5 粒度大小对姜渣膳食纤维的DPPH·自由基清除能力的影响

不同粒度姜渣膳食纤维对DPPH·自由基的清除能力见图6。

图6 粒度大小对姜渣膳食纤维的DPPH·自由基清除能力的影响Fig.6 Effect of different particle sizes of DPPH· radical scavenging capacity of dietary fiber from ginger slag

由图6可知，在姜渣膳食纤维中，不同粒度的膳食纤维对DPPH·自由基的清除能力有所不同，随着粒度的减小，其对DPPH·自由基的清除能力逐渐增强。与姜渣-a相比，姜渣DF-a和姜渣DF-b的DPPH·自由基清除能力显著性(P<0.05)降低，而姜渣DF-c 的DPPH·自由基清除能力最强，可以达到87.05%。说明随着姜渣粒度的减小，其对DPPH·自由基的清除能力呈逐渐增强的趋势。DPPH·是一种很稳定的氮中心的自由基，自由基是机体正常代谢的中间产物，具有较高的活性，过高的自由基导致生物膜结构和功能破坏、蛋白质降解与断裂酶活性变化，加速人体的衰老。

3 结论

本研究以姜渣为原料，通过制备不同粒度姜渣膳食纤维，对比分析粒度大小对姜渣功能特性的影响，研究结果表明：与姜渣相比，姜渣膳食纤维具有较好的功能特性，且粒度的改变对姜渣膳食纤维的功能特性有一定的影响。其中随着姜渣膳食纤维粒度的减小，其对胆固醇吸附性、阳离子交换能力、酶活力抑制力及DPPH·自由基清除能力呈逐渐增加的趋势，其中粒度最小的姜渣DF-c的胆固醇吸附能力分别为(7.27 mg/g)(pH为2)和13.37 mg/g(pH为7)，对α-淀粉酶活力的抑制力最强，达到38.02%；随着粒度的减小，其对DPPH·自由基的清除能力逐渐增强，姜渣DF-c 的DPPH·自由基的清除能力最强，可以达到87.05%。说明随着姜渣膳食纤维粒度的减小，其比表面积增大，同时暴露更多的极性基团，使其功能特性得到一定的改善。因此，对于粒度大小与姜渣膳食纤维功能特性的研究，一方面可以扩大姜渣的综合利用途径，增加其附加值；另一方面为其在食品中的应用提供了理论参考。