不同处理方法对裙带菜膳食纤维性质的影响

刘静，刘雪，刘少伟*，周士琪，周定鹏

1. 华东理工大学食品科学与工程系，生物反应器工程国家重点实验室（上海 200237）；2. 中国农业大学信息与电气工程学院（北京 100083）

裙带菜原产于亚洲国家，是一种富含多种生物活性化合物的可食用褐藻，具有多种生物活性，例如抗氧化、抗炎、抗病毒和抗肥胖等[1]。然而，由于裙带菜资源的浪费以及较低的利用率，我国的裙带菜产业目前大多仍处于初级加工阶段。膳食纤维包括可溶性膳食纤维（SDF）和不溶性膳食纤维（IDF）。从裙带菜中提取的SDF具有显著的降血糖功能[2]，一些研究已经表明SDF具有延缓淀粉消化、吸收葡萄糖、降低葡萄糖扩散的功能特性[3]。

然而，不同组成、来源和处理方法获得的膳食纤维的物化性质和功能特性是不同的。Qi等[4]研究发现通过化学法处理米糠IDF可以使米糠膳食纤维对葡萄糖的吸附量增加2～3倍。Larrea等[5]研究发现膳食纤维中SDF和IDF含量的比例对其功能有很大影响。因此，通过不同的处理方法提高膳食纤维中SDF含量将有助于提高其潜在应用价值。

此次试验通过碱法和复合酶法两种处理方法处理裙带菜膳食纤维，测定膳食纤维的组成及相关性质，并与提取的膳食纤维进行比较。研究碱法和复合酶法处理对裙带菜膳食纤维的相关特性的影响，为裙带菜的深入加工和有效利用提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

裙带菜（大连久泰食品有限公司）；木聚糖酶（50 000 U/g，北京索莱宝科技有限公司）；纤维素酶（10 000 U/g，阿拉丁试剂（上海）有限公司）；其他常用化学试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

CP213电子分析天平（奥豪斯仪器（上海）有限公司）；HHS-I1-1电热水浴锅（上海一恒科学仪器有限公司）；SHA-BA恒温振荡器（常州朗越仪器制造有限公司）；DL-5-B离心机（上海安亭科学仪器厂）；STARTER2100 pH计（上海华联医疗器械有限公司）；FJ200-T型均质机（韬越上海机械科技有限公司）；MOV-212F鼓风干燥箱（上海天呈实验仪器制造有限公司）；KC-500小型高速粉碎机（北京开创同和科技发展有限公司）；UV-2000紫外分光光度计（尤尼克（上海）仪器有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 裙带菜不溶性膳食纤维的提取及处理

裙带菜不溶性膳食纤维的提取（Undaria pinnatifidaIDF，UIDF）参考马梦梅[6]的方法并稍作修改。采用剪切均质辅助碱法提取UIDF。将裙带菜粉碎过60目筛得到裙带菜粉末，取2.0 g裙带菜粉末，以1∶40（g/mL）的料液比加入去离子水，以剪切速率7 500 r/min剪切35 min，再加入0.05 mol/L的NaOH溶液，在50℃下水浴120 min；用离心机在5 000 r/min下离心15 min，弃去上清液，pH调至中性，于60℃热风干燥24 h，得到UIDF。

碱法处理裙带菜不溶性膳食纤维（Alkaline modification UIDF，A-UIDF）参考Zhang等[7]的方法并稍作修改。称取1.0 g UIDF，加入50 mL 1.4%的NaOH溶液，在80℃下水浴加热60 min。冷却至室温后将pH调至中性，加入4倍体积95%的乙醇，室温静置24 h，抽滤，保留滤渣，在60℃下烘干除去水分，得到A-UIDF。

复合酶法处理裙带菜不溶性膳食纤维（Complex enzyme modification UIDF，E-UIDF）参考姜龙波等[8]的方法并稍作修改。称取1.0 g UIDF，以1∶50（g/mL）的料液比加入至pH 6.4的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中，加入20 U/g的木聚糖酶，置于50℃恒温水浴锅加热90 min，再调节pH至4.8，加入40 U/g的纤维素酶，置于50℃恒温水浴锅加热90 min，沸水浴灭酶10 min，调节pH为中性，加入4倍体积95%的乙醇，室温静置24 h，抽滤，保留滤渣，在60℃下烘干除去水分，得到E-UIDF。

将上述三种膳食纤维用高速粉碎机粉碎2 min，分别过60，80，100，120和140目筛网，得到不同粒径的膳食纤维。

1.3.2 膳食纤维含量的测定

不同方法得到的膳食纤维中总膳食纤维含量（Total dietary fiber，TDF）、SDF和IDF的测定参照GB/T 5009.88—2014《食品中膳食纤维的测定》[9]。

1.3.3 物化性质[10]

1.3.3.1 持水性

称取1.0 g膳食纤维粉末置于30 mL蒸馏水中，室温振荡（200 r/min）18 h，以5 000 r/min离心15 min。除去上清液，称定膳食纤维的湿质量并在105℃的烘箱中干燥至恒质量。然后称量膳食纤维的干质量。持水性按式（1）计算。

1.3.3.2 吸水膨胀性

称取0.2 g膳食纤维粉末置于有刻度的试管中，记录干膳食纤维体积（mL），加入10 mL蒸馏水，室温静置18 h。记录吸水膨胀后膳食纤维的体积。吸水膨胀性按式（2）计算。

1.3.3.3 持油性

称取0.2 g膳食纤维粉末，置于30 mL玉米油中，室温静置18 h，以3 000 r/min离心10 min，弃去上清液，称定吸油后膳食纤维粉的湿质量。持油性按式（3）计算。

1.3.3.4 阳离子交换能力

称取1.0 g膳食纤维粉末，加入50 mL 0.1 mol/L HCl溶液，室温静置24 h后过滤。用蒸馏水洗涤滤渣，直至溶液的pH高于4，将滤渣加入至100 mL 15% NaCl溶液中，搅拌离心，用0.1 mol/L NaOH溶液进行滴定。用蒸馏水代替HCl溶液，测定空白对照消耗的NaOH溶液的体积。阳离子交换能力按式（4）计算。式中：V0为样品消耗的NaOH溶液体积，mL；V1为空白消耗的NaOH溶液体积，mL；m1为样品干质量，g；0.1为NaOH溶液浓度，mol/L。

1.3.4 功能特性

1.3.4.1 葡萄糖吸收能力的测定

参照Ou等[3]的方法，分别将1.0 g三种膳食纤维样品加入100 mL不同浓度（50，100，150，200和250 mmol/L）的葡萄糖溶液中，在37℃下水浴振荡6 h（120 r/min）。然后将溶液以4 000 r/min离心20 min获得上清液。通过DNS比色法在540 nm的波长下测定上清液中葡萄糖含量。葡萄糖吸收能力以每克膳食纤维粉末吸收的葡萄糖毫摩尔数表示。按式（5）计算。式中：c0为初始溶液中的葡萄糖浓度，mmol/L；c1为吸收6 h后上清液中的葡萄糖浓度，mmol/L；V2为离心后上清液体积，mL；m2为膳食纤维样品质量，g。

1.3.4.2 葡萄糖透析延迟指数的测定

参照Ou等[3]的方法，分别将0.2 g三种膳食纤维样品加入10 mL葡萄糖溶液（100 mmol/L）中，将其转移至截留分子量12 000 Da的透析袋中，置于200 mL蒸馏水（37℃）中。用DNS比色法在540 nm波长下测定20，30，60，90，120，180和300 min后的葡萄糖含量。以未添加膳食纤维样品组为空白对照。葡萄糖透析延迟指数按式（6）计算。

1.4 数据统计与分析

试验结果采用SPSS 19.0分析软件和Origin 8.0软件处理，数据均为三个平行样本，表示为平均值±标准差，采用ANOVA对数据的差异显著性进行分析（p＜ 0.05表示差异显著）。

2 结果与分析

2.1 膳食纤维含量的测定结果

由表1可知，E-UIDF的TDF最高，可达86.07%，A-UIDF次之，为85.65%，均显著高于UIDF的84.40%（p＜0.05）。其中，E-UIDF的SDF含量为13.38%，显著高于A-UIDF的9.48%与UIDF的2.30%（p＜ 0.05）。这可能是碱法和复合酶法处理可以使物料结构中的亲水活性基团暴露，进而增加SDF含量。说明碱法和复合酶法处理适用于UIDF处理工艺的研究。

表1 不同处理方法对裙带菜膳食纤维含量的影响

2.2 碱法和复合酶法处理膳食纤维的物化性质分析

2.2.1 持水性分析

膳食纤维的持水性可以促进人体消化，提升食物的口感，与膳食纤维来源、粒径大小、提取工艺和表面特性有关[11]。由图1可知，E-UIDF和A-UIDF的持水性相对于UIDF提高了2～3倍。这可能与碱法和复合酶法处理后的膳食纤维中SDF含量显著增加有关。研究发现[12]，SDF含量越高，持水性越强，SDF可以在水溶液中形成凝胶，吸收水分的同时产生的胶状物可以防止水分的流失，进而提高膳食纤维的持水性[12]。当目数从60目增加至140目时，膳食纤维的持水性随着目数的增加先升高后降低，这可能是随着机械剪切力的增加，膳食纤维的比表面积增大，具有较高的孔隙度，使其持水性增加；但是剪切力增加到一定的程度后，破坏了多糖分子之间连接的糖苷键，使其持水性降低[6]。

图1 不同处理方式和粒径对裙带菜不溶性膳食纤维持水性的影响

2.2.2 吸水膨胀性分析

膳食纤维吸水膨胀性指膳食纤维在胃肠道中吸收水的能力，可以增加人体饱腹感[13]。由图2可知，E-UIDF的吸水膨胀性为7.56～10.20 mL/g，该数值与Gómez-Ordoñez等[12]报道的裙带菜膳食纤维吸水膨胀性数值相似，高于A-UIDF的吸水膨胀性4.07～6.29 mL/g和UIDF的吸水膨胀性3.86～5.50 mL/g。相对于UIDF而言，E-UIDF和A-UIDF的吸水膨胀性分别增加了85%和14%。复合酶法处理后的膳食纤维膨胀性显著提高的原因可能是通过酶解处理，纤维素的β-1, 4糖苷键断裂，膳食纤维的结构变得疏松，比表面积增加，导致膳食纤维中可溶物质含量增多，因此吸水膨胀性增加。随着目数的增加，膳食纤维的吸水膨胀性先增加后降低，与持水性呈现相同的变化规律。这可能是随着机械力的增大，多糖之间的连接键和膳食纤维网状结构被破坏，使其吸水膨胀性降低。

图2 不同处理方式和粒径对裙带菜膳食纤维吸水膨胀性的影响

2.2.3 持油性分析

膳食纤维的持油性衡量了膳食纤维在食物加工过程中防止油的损失和减少消化过程中油的吸收的能力。结合图3可得，E-UIDF的持油性为2.89～3.54 g/g，高于A-UIDF的持油性2.24～3.21 g/g和UIDF的持油性2.12～3.03 g/g。这可能是复合酶法处理使膳食纤维粒度减小，结构更加疏松多孔，提高了膳食纤维的毛细管吸引力，使其对油类物质的截留增加。随着目数的增加，膳食纤维的持油性先增加后降低，这与马梦梅[6]的研究结果相似。

图3 不同处理方式和粒径对裙带菜膳食纤维持油性的影响

2.2.4 阳离子交换能力分析

阳离子交换能力指膳食纤维在水溶液中离解出一些阳离子，通过吸附溶液中的阳离子进行交换，进而起到一定的排毒、降血压等功效，与膳食纤维中含有的羧基、羟基和氨基等侧链基团有关[13]。由图4可看出，A-UIDF和E-UIDF的阳离子交换能力高于UIDF，是UDIF阳离子交换能力的3～4倍。随着目数的增加，阳离子交换能力先增加后降低，在100目时达到峰值。说明碱法和复合酶法处理可以使膳食纤维的一些羧基、羟基或氨基等侧链基团暴露出来，使其阳离子交换能力提高，但是剪切力过大，一些连接键会被破坏，导致阳离子交换能力下降[14]。

图4 不同处理方式和粒径对裙带菜膳食纤维阳离子交换能力的影响

2.3 碱法和复合酶法处理膳食纤维的功能特性分析

2.3.1 葡萄糖吸收能力的结果分析

膳食纤维吸收葡萄糖的能力是体外衡量膳食纤维在肠道消化的过程中对葡萄糖的抑制和转运能力的重要指标[11]。由图5可知，E-UIDF的葡萄糖吸附能力最高，其次为A-UIDF。当葡萄糖浓度为50～250 mmol/L时，三种膳食纤维均可以有效吸收葡萄糖，并且膳食纤维对葡萄糖的吸收能力随着葡萄糖浓度的增大而增大。Qi等[4]研究发现米糠膳食纤维对葡萄糖的吸收能力呈现浓度依赖性，这与此次试验结果一致。A-UIDF和E-UIDF的葡萄糖最大吸附量分别为5.05和6.01 mmol/g，相对于UIDF分别提升了34%和59%。这与Yu等[10]研究发现改性可以提高胡萝卜渣IDF的葡萄糖吸收能力的结果一致。这可能是碱法和复合酶法处理后的膳食纤维中含有较多的SDF，SDF具有较高的黏度，可以有效减缓葡萄糖的扩散速率，并且膳食纤维内在的网状结构也可截留一部分葡萄糖分子[11]。

图5 不同处理方法对裙带菜膳食纤维葡萄糖吸收能力的影响

2.3.2 葡萄糖透析延迟指数的结果分析

葡萄糖透析延迟指数是一个预测胃肠道对葡萄糖延迟吸收的体外指标[15]。如表2所示，随着时间从20 min增加到300 min，葡萄糖透析延迟指数先增加后减少，在30 min时达到峰值。透析液中的葡萄糖含量随着时间的增加而增加，与UIDF透析液中的葡萄糖含量（155～817 μmol）相比，A-UIDF和E-UIDF在20 min时为114～134 μmol，在300 min时为596～709 μmol。这可能是碱法和复合酶法处理使膳食纤维中SDF含量增加，具有更大的比表面积和更加疏松的内部结构，使其能够暴露出更多的极性基团和非极性基团，增强了膳食纤维与葡萄糖分子之间的相互作用。Rodríguez- Gutiérrez等[16]研究认为，葡萄糖透析延迟指数与样品中SDF的含量和IDF中的糖醛酸含量有关，López等[15]认为其与内部微观结构及其表面特性有关。此次试验中碱法和复合酶法处理后膳食纤维的葡萄糖透析延迟指数在300 min时为27%～38%，明显高于米糠膳食纤维的2%～3%[4]，这可能与膳食纤维的来源、加工工艺和内部结构有关。

表2 不同处理方法对裙带菜膳食纤维葡萄糖透析延迟指数的影响

3 结论

碱法和复合酶法处理均可提高UIDF中的SDF含量，且处理后的膳食纤维在物化性质和功能特性上均得到了不同程度的提升。对比碱法处理，复合酶法处理后的膳食纤维具有较高的持水性、吸水膨胀性、持油性和阳离子交换能力；在功能特性上，复合酶法表现出了优良的葡萄糖吸收能力和葡萄糖透析延迟指数。因此，碱法和复合酶法处理可以提升UIDF的物化特性和功能特性，其中复合酶法处理更加有效。此次试验为裙带菜在食品领域中的深入研究提供理论依据，可有效提高其在深加工领域的经济效益。