物理改性对甘薯皮膳食纤维含量、多糖组成及其结构的影响

吴卫成，戴建波，，曹 艳，夏其乐，*，陈剑兵，孟祥河

(1.浙江省农业科学院 食品科学研究所，浙江 杭州 310021； 2.浙江工业大学 海洋学院，浙江 杭州 310014)

甘薯[Ipomoeabatatas(Linn.) Lamarck]是一种在国内大范围种植的薯类作物，具有巨大的产量和较完整的深加工产业链。然而，甘薯皮作为加工废弃物，目前仍未得到有效的利用。甘薯皮低蛋白、高淀粉含量的特点限制了其在畜产业的应用。但与此同时，甘薯皮中也存在着丰富的多酚黄酮类物质和纤维素。因此，是一种极佳的功能性膳食纤维来源。

研究发现，甘薯膳食纤维能够提高大鼠血浆和器官的抗氧化能力，并能通过介导抗炎和促炎细胞因子、转化生长因子-β(TGF-β)和半胱天冬酶3的基因表达水平，对空肠、肝脏和脾脏的免疫功能产生积极的影响[1]。从甘薯中提取得到的中性多糖和酸性多糖均可增强正常小鼠中乙酸、丙酸和丁酸的产生[2]；Zhang等[3]研究发现，在木瓜皮中，酸性多糖较中性多糖表现出更好的热稳定性和持水持油性。由此可见，甘薯膳食纤维及其多糖具有非常好的医用保健用途。

膳食纤维的提取改性方法通常有物理改性、化学改性、酶法改性和微生物发酵改性等。化学改性易产生有毒废水，污染环境，且其化学残留对消费者来说同样也是安全隐患；酶法改性由于酶难以重复回收利用，成本过高，目前难以推广开来；微生物发酵改性需要巨大的发酵设备，投资过大，且发酵过程难以控制，易受污染[4]。随着工业生产技术的发展，新型物理改性手段因具备低投入、无污染、速度快等特点，已越来越多地被大众所接受。例如：用微射流瞬时高压超微粉碎法对甘薯膳食纤维进行处理后，其粒径显著减小，可溶性膳食纤维(SDF)含量增加，持水持油、葡萄糖脂肪吸收能力和对胰脂肪酶活性的抑制能力均有大幅度提高[5]。

越来越多的试验证明，膳食纤维的SDF含量、物理结构，以及中性多糖和酸性多糖的比例都会影响其功能特性。另外，不同的处理方法对膳食纤维多糖的主要功能成分也有影响[6]。但目前关于不同物理改性方法对膳食纤维多糖主成分和形貌结构影响的研究鲜见报道。为此，本研究拟运用物理改性方法提高甘薯皮的SDF含量，探究不同物理改性方法对甘薯皮膳食纤维多糖主成分、中性多糖和酸性多糖比例组成，以及形貌结构的影响，以进一步开拓物理改性膳食纤维的适用范围，并为后续纯化多糖、提高其功能活性的研究提供参考依据。研究结果也可为增加甘薯皮利用率、提高产业附加值、促进甘薯产业的可持续发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 原料和试剂

甘薯皮，浙薯13品种甘薯削皮，厚度2～3 mm，清洗干净，低温烘干至水分含量5%以下，粉碎，过100目筛，备用。耐高温α-淀粉酶、淀粉葡萄糖苷酶、胰蛋白酶，购自上海麦克林生化科技有限公司。其他试剂还包括95%乙醇、NaCl、苯酚、浓硫酸、葡萄糖、氢氧化钠、盐酸。

1.2 主要仪器

LXJ-IIB型离心机，上海安亭科学仪器厂；WF-4000型微波快速反应系统，上海屹尧分析仪器有限公司；D-1型高压蒸汽灭菌锅，北京发恩科贸有限公司；DHG-9146A型电热恒温鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司；UItima Ⅳ型X射线衍射仪，日本理学公司；SCIENTZ-10N型冷冻干燥机，宁波新芝生物科技股份有限公司；KQ-500DB型数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司；FW200型粉碎机，常州市金坛友联仪器研究所；UV-1800型紫外分光光度计，SHIMADZU岛津；HITACHI H-7650型透射电子显微镜，日本日立；Nicolet iS5型傅里叶红外光谱仪，美国赛默飞世尔公司。

1.3 甘薯皮膳食纤维的物理改性

基于赖爱萍[7]试验方法做适当优化，使用热水浸提法从甘薯皮中提取未改性总膳食纤维(TDF)，提取条件为：温度100 ℃，料液比1∶20，时间20 min；使用亚临界水提取法从甘薯皮中提取亚临界水改性TDF，提取条件为：温度121 ℃，料液比1∶20，时间25 min；使用微波提取法从甘薯皮中提取微波改性TDF，提取条件为料液比1∶20、400 W、7 min。根据Pan等[8]试验报道，使用超声提取法从甘薯皮中提取超声改性TDF，提取条件为：温度50 ℃，料液比1∶20，功率600 W，时间50 min。

提取结束后冷却至室温，将pH值调至5.5，将相当于甘薯皮干质量1%的耐高温α-淀粉酶加入其中，然后置于95～100 ℃的水浴锅中加热20 min，冷却后调节pH值至4.0，将相当于甘薯皮干质量1%的淀粉葡萄糖苷酶加入其中，70 ℃水浴加热20 min，取出冷却并调pH至中性，加入微量胰蛋白酶，再次70 ℃水浴加热20 min，取出冷却，加入4倍体积的95%乙醇，静置24 h。去除上清液，将沉淀置于离心机中3 500 r·min-1离心15 min，将沉淀物取出冻干，粉碎备用[9]。

1.4 膳食纤维含量的测定

根据McCleary等[10]的酶质量法测定、计算TDF和SDF的含量和得率。

1.5 总糖测定

使用D-葡萄糖作为标准，通过苯酚-硫酸比色法在490 nm下测定样品中的总碳水化合物含量。

1.6 甘薯皮膳食纤维多糖组成测定

将粗制膳食纤维(100 mg)用10 mL去离子水充分溶解，加到DEAE-Sepharose FF色谱柱(150 mL)上，静置30 min。然后依次用200 mL蒸馏水和不同浓度的NaCl溶液(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mol·L-1)进行洗脱，流速为2 mL·min-1。使用DBS-100型自动收集器(上海沪西分析仪器厂有限公司)收集每支含5 mL洗脱液的试管，并使用以葡萄糖为标准液的苯酚-硫酸法进行检测，洗脱曲线由使用的管数和吸光度(490 nm)绘制。

1.7 甘薯皮膳食纤维形貌结构测定

1.7.1 透射电镜测定

利用透射电镜(TEM)，在15 kV加速电压、5 μm线分辨率条件下，将TDF样品装载在铜网样品架上，然后观察微观结构，并对样品拍照。

1.7.2 傅里叶红外光谱测定

用傅里叶红外光谱仪(FTIR)测量TDF的官能团变化。取干燥粉碎过的样品(2 mg)用KBr(100 mg，光谱级)研磨均匀，压片制成均匀圆片，以空白KBr作为背景。扫描次数，20 次；分辨率，4 cm-1；扫描范围，500～4 000 cm-1。

1.7.3 X-射线衍射测定

使用步进扫描法。测定参数如下：靶，Cu-Kα；步宽，0.02°；扫描速率，2°·min-1；扫描范围，2°～40°。结晶度(Dc)[11]使用以下等式依曲线下的峰面积计算：

(1)

式(1)中：VDc为结晶度的数值；Ac和Aa分别为结晶区域和非晶区域的峰面积。

1.8 统计学分析

每组试验数据平行测3次。利用SPSS 20.0软件进行方差分析，用Origin 2017软件绘图。

2 结果与分析

2.1 物理改性前后的TDF和SDF得率

如表1所示，物理改性方法中，只有亚临界水改性对甘薯皮TDF的得率影响显著(P<0.05)，其他改性方法与未改性相比没有显著差异，亚临界水改性后的TDF得率分别比未改性、超声改性和微波改性提高4.19、3.42和2.87百分点。物理改性后，SDF得率较未改性均显著(P<0.05)提升，其中亚临界水改性的SDF得率分别比超声改性和微波改性显著(P<0.05)提高2.84和1.77百分点。原因可能是，亚临界水改性的高温高压环境相比超声和微波改性对纤维素间的氢键更具破坏力，从而将不可溶膳食纤维转变为SDF[12]。

2.2 物理改性前后甘薯皮膳食纤维的多糖组成

表1 物理改性前后TDF与SDF的得率比较

Table1TDF and SDF yields before and after physical modifications

处理TreatmentTDF得率TDF yield/%SDF得率SDF yield/%未改性Unmodified18.75±0.31 b0.83±0.15 d超声改性19.52±0.28 b5.37±0.34 cUltrasonic modification亚临界水改性22.94±0.27 a8.21±0.47 aSubcritical water modification微波改性20.07±0.36 b6.44±0.26 bMicrowave modification

同列数据后无相同字母的表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

Data marked without the same letters in the same column indicated significant difference atP<0.05. The same as below.

如图1所示，经过物理改性后，甘薯皮膳食纤维的多糖主成分均有所改变。未改性的甘薯皮膳食纤维中，中性多糖、0.2 mol·L-1NaCl酸性多糖(SPP-W2)和0.3 mol·L-1NaCl酸性多糖(SPP-W3)部分的含量多于其他部分；超声改性后，中性多糖、0.3 mol·L-1NaCl酸性多糖(SPP-U3)和0.6 mol·L-1NaCl酸性多糖(SPP-U6)部分含量最多；亚临界水改性后，中性多糖、0.3 mol·L-1NaCl酸性多糖(SPP-H3)和0.4 mol·L-1NaCl酸性多糖(SPP-H4)部分含量最多；微波改性后，中性多糖、0.3 mol·L-1NaCl酸性多糖(SPP-M2)和0.6 mol·L-1NaCl酸性多糖(SPP-M3)部分含量最多。物理改性后，不同的机械作用力导致部分不可溶的膳食纤维分子间的氢键、共价键断裂，从而导致原本不溶的半纤维素等物质溶于水[13]，提高了SDF的含量。改性后中性多糖含量的提高，也可能与此有关。

A、B、C、D分别展示未改性、超声改性、亚临界水改性和微波改性后甘薯皮膳食纤维的多糖成分。SPP-W0、SPP-W2和SPP-W3分别为中性多糖、0.2 mol·L-1和0.3 mol·L-1 NaCl酸性多糖；SPP-U0、SPP-U3和SPP-U6分别为中性多糖、0.3 mol·L-1和0.6 mol·L-1 NaCl酸性多糖；SPP-H0、SPP-H3和SPP-H4分别为中性多糖、0.3 mol·L-1和0.4 mol·L-1 NaCl酸性多糖；SPP-M0、SPP-M2和SPP-M3分别为中性多糖、0.3 mol·L-1和0.6 mol·L-1 NaCl酸性多糖。A， B， C， D exhibited polysaccharide components of dietary fiber in unmodified sweet potato peels samples and samples after ultrasonic， subcritical water and microwave modifications， respectively. SPP-W0， SPP-W2 and SPP-W3 were neutral polysaccharide， 0.2 mol·L-1 and 0.3 mol·L-1 NaCl acidic polysaccharide， respectively. SPP-U0， SPP-U3 and SPP-U6 were neutral polysaccharide， 0.3 mol·L-1 and 0.6 mol·L-1 NaCl acidic polysaccharide， respectively. SPP-H0， SPP-H3 and SPP-H4 were neutral polysaccharide， 0.3 mol·L-1 and 0.4 mol·L-1 NaCl acidic polysaccharide， respectively. SPP-M0， SPP-M2 and SPP-M3 were neutral polysaccharide， 0.3 mol·L-1 and 0.6 mol·L-1 NaCl acidic polysaccharide， respectively.

2.3 物理改性前后甘薯皮膳食纤维多糖的各部分比例

如表2所示，中性多糖含量占比最多的为亚临界水改性后的甘薯皮，分别比未改性、超声改性、微波改性显著(P<0.05)提高24.24、22.35和1.73百分点。未改性甘薯皮膳食纤维中0.1、0.2、0.3、0.5 mol·L-1NaCl洗脱出的酸性多糖部分显著(P<0.05)高于物理改性后的，其中改变最明显的是未改性甘薯皮膳食纤维中0.3 mol·L-1NaCl洗脱出的酸性多糖部分，分别比超声改性、亚临界水改性和微波改性高出18.19、10.04和8.66百分点。0.4 mol·L-1NaCl洗脱出的酸性多糖部分，以亚临界水改性后所占比例最多，分别比未改性、超声改性和微波改性显著(P<0.05)高出4.31、4.87和7.05百分点；0.6 mol·L-1NaCl洗脱出的酸性多糖部分，以超声改性后所占比例最多，分别较未改性、亚临界水改性和微波改性显著(P<0.05)高出37.80、34.47和38.16百分点。物理改性后，单位质量甘薯皮膳食纤维中酸性多糖的比例均有所下降。原因可能是，原先溶于水的果胶等可溶部分，在物理机械作用下发生了不同程度的降解[14]。中性多糖含量占比从高到低依次为亚临界水改性>微波改性>超声改性>未改性，这与后面电镜观察到的甘薯皮膳食纤维被破坏的程度相一致，因此中性多糖含量的增加可能还与纤维的破坏程度有关。这与Ovodova等[6]的研究结果一致。

2.4 物理改性前后甘薯皮膳食纤维的透射电镜观察

如图2所示，未改性的甘薯皮TDF结构致密，表面光滑，边缘形态完整，具有明显的纤维外观。相比未改性，超声改性后，TDF表面结构出现明显裂痕，部分纤维棒结构疏松，出现褶皱。这可能是因为纤维结构受超声波空化作用被破坏，微小空气泡在爆破后产生的微射流使纤维结构受到撞击，导致结构松散[15]。亚临界水改性后，TDF边缘变模糊，形态结构遭到严重破坏，出现大量碎片，内部区域更多地暴露出来，比表面积大大增加，呈现出更复杂的空间结构，因此能表现出更好的持水持油、吸水膨胀等有益于人体肠道健康的功能特性[16]。微波改性后，TDF的局部结构遭到严重破坏，边缘破碎，出现鳞片状小颗粒，但仍有部分纤维结构保持得比较完整，且有光滑的表面。这可能是由于微波在加热时纤维内部或边角处因电磁场集聚而产生局部过热，导致局部细胞内蒸气压极速升高，水汽爆破[17]。

表2 物理改性前后甘薯皮膳食纤维多糖各部分比例比较

Table2Comparison of proportions of polysaccharides components of dietary fiber in sweet potato peels before and after physical modification

处理Treatment中性多糖Neutralpolysaccharide/%不同浓度(mol·L-1) NaCl洗脱出的酸性多糖Acidic polysaccharide eluted by different concentrations of NaCl/%0.10.20.30.40.50.6未改性Unmodified34.27±0.12 d8.48±0.25 a19.52±0.28 a28.44±0.40 a6.68±0.22 b2.32±0.16 a0.94±0.09 c超声改性36.16±0.23 c2.33±0.08 c5.24±0.17 c10.25±0.19 d6.12±0.31 b1.50±0.11 b38.74±0.38 aUltrasonic modification亚临界水改性58.51±0.34 a1.54±0.05 d5.81±0.14 c18.40±0.33 c10.99±0.18 a0.47±0.09 c4.27±0.14 bSubcritical water modification微波改性56.78±0.38 b4.65±0.11 b13.85±0.35 b19.78±0.26 b3.94±0.26 c0.41±0.07 c0.58±0.07 cMicrowave modification

A、B、C、D分别为未改性、超声改性、亚临界水改性和微波改性后甘薯皮TDF放大10 000倍的透射电镜图。A， B， C， D were transmission electron micrographs (10 000 times magnification) of TDF of unmodified sweet potato peel， and sweet potato peel after ultrasonic modification， subcritical water modification and microwave modification， respectively.

2.5 物理改性前后甘薯皮膳食纤维的红外光谱分析

2.6 甘薯皮膳食纤维的X-射线衍射

膳食纤维主要由有序结晶区和非晶区组成，分别占70%和30%。对比图4中改性前后的X射线衍射图可以看出，未改性甘薯皮TDF的整体衍射强度高于改性后。这是因为天然纤维素有着结构紧密的纤维骨架，从而具有高度有序的结晶区[26]。未改性TDF在衍射角14.78°、24.26°、26.60°、27.84°、32.48°附近出现衍射峰，具有典型纤维素Ⅰ型结构所对应的晶面[27]。超声改性后，峰位置并没有发生较大的改变，但是从峰型上来看，纤维主峰整体加宽，峰肩更加平缓，说明超声改性并没有使甘薯皮TDF的晶型结构发生改变。亚临界水改性TDF在衍射角20.80°和21.90°处出现新的衍射峰，是典型的结晶与非结晶共存的纤维素Ⅱ型结构[28]，说明亚临界水改性改变了甘薯皮TDF的晶型结构。亚临界水改性的高温高压破坏了纤维素分子间的氢键[29]，从而使原本平滑的纤维主峰出现杂乱小峰，说明与传统热水处理和超声改性相比，亚临界水改性能够更有效地改变膳食纤维的晶型结构。微波改性后，在衍射角20.76°和21.90°同样出现新衍射峰，是典型的纤维素Ⅱ型结构，说明微波加热产生的局部高热作用能够有效破坏纤维分子间的氢键[30]，从而降低结晶区。从图4可以看出，微波改性后的纤维主峰略高于亚临界水改性，说明微波改性对甘薯皮TDF晶型的影响要小于亚临界水改性。

图3 甘薯皮TDF改性前后的红外光谱图Fig.3 Infrared spectrum of TDF in sweet potato peels before and after physical modification

由Jade 6.0软件分峰拟合计算结晶度，亚临界水改性(21.33%)和微波改性(25.74%)均低于超声改性(29.18%)和未改性(36.45%)，这可能是因为纤维素的晶型结构在高温高压或局部高温热效应下更容易被破坏[31]，这与前面透射电镜观察到的结果一致。

图4 甘薯皮改性前后的X射线衍射图谱Fig.4 XRD patterns of TDF in sweet potato peels before and after physical modification

3 结论

物理改性方法中，亚临界水改进对甘薯皮TDF得率影响大，分别比未改性、超声改性和微波改性提高4.19、3.42和2.87百分点，而其他方法对TDF得率没有显著影响。改性后，SDF得率均有显著提升，且同样以亚临界水改性的提升效果最为明显，分别比未改性、超声改性和微波改性提高7.38、2.84和1.77百分点。物理改性前后，中性多糖占比最高的是亚临界水改性，达到58.51%；酸性多糖中，使用0.1、0.2、0.3、0.5 mol·L-1NaCl洗脱出的部分占比最高的均为未改性多糖，分别达到8.48%、19.52%、28.44%和2.32%；酸性多糖中，0.4 mol·L-1NaCl洗脱出的部分占比最高的是亚临界水改性，达到10.99%；0.6 mol·L-1NaCl洗脱出的部分占比最高的是超声改性，达到38.74%。结合透射电镜和X-射线衍射结果，SDF得率和多糖中中性多糖占比可能和膳食纤维被破坏的程度有关。

透射电镜观察发现，亚临界水改性对甘薯皮TDF的结构破坏最为明显，其次是微波改性。红外光谱分析可知，改性后的膳食纤维仍具备多糖的官能团，超声改性后有更多糖醛酸的存在，改性前后均存在果胶的多聚半乳糖醛酸结构，且物理改性后增加了膳食纤维中果胶的总含量。X-射线衍射结果分析可知，亚临界水改性和微波改性均改变了甘薯皮TDF的纤维素晶型，其中亚临界水改性对晶型的破坏最为严重。计算结晶度后发现，亚临界水改性的结晶度(21.33%)分别低于未改性、超声改性和微波改性15.12、7.85和4.41百分点。研究结果可为进一步深入探究物理改性作用与甘薯皮膳食纤维结构间的量效关系，拓宽物理改性在提高甘薯皮利用率中的应用范围提供参考。