三种不同改性方法对甘薯渣不溶性膳食纤维改性效果的研究

陈致印，刘伟鹏，王盈希，曾立，向国红，刘桃李，龚意辉*

1(湖南人文科技学院 农业与生物技术学院，湖南 娄底，417000)2(长沙理工大学 化学与食品工程学院，湖南 长沙，410114)3(邵阳学院 药学院，湖南 邵阳，422000)

甘薯，又名山芋、地瓜、番薯等，是旋花科一年生植物[1]。甘薯种植范围广泛，其产量仅次于稻谷、小麦、玉米，在我国排第4位，世界排名第7位[2]。甘薯是一种健康食品，具有多种食疗保健作用及药用价值。据《本草纲目》记载，甘薯具有“补虚乏，益气力，健脾胃，强肾阴”之功效。现代预防医学研究发现，甘薯能够防癌、抑制胆固醇、保护心肺、抗糖尿病、减肥、润肠通便等功效[3]。甘薯渣是甘薯提取淀粉后的主要副产物，约占鲜重的20%～30%，主要成分是淀粉、纤维素及少量蛋白质[4]。由于甘薯渣含水量高，容易腐败变质，仅有少量用于动物饲料，绝大部分被直接丢弃，造成严重的环境污染和极大的资源浪费[5]。

膳食纤维(dietary fiber，DF)，根据溶解性可被分为可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber，SDF)和不可溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber，IDF)，SDF具有较好的生理活性，能够降糖降脂，促进大肠发酵，保护肠道健康[5]。IDF因其多孔结构，更耐结肠发酵，增加粪便体积，加快肠胃蠕动，吸收有毒物质。但如果将废弃料中的甘薯渣IDF直接用于食品配料，将影响食品的口感，所以应采用适当的改性手段处理IDF，改变聚合物的化学结构和形态，使大分子连接键断裂，形成为小分子物质，提升SDF 的含量[6]，使DF保水性、持油性、胆固醇吸附量、葡萄糖吸附量、亚硝酸盐离子吸附量等功能指标变优。目前，改性方法有物理法、化学法、生物法和联合改性法[6]。物理方法主要有超微粉碎法、双螺旋挤出法、超高压技术、蒸汽爆破、高压均质法、亚临界水法，其优点是能够增加可溶性成分，生物活性功能提高，缺点是IDF的外貌形态、结晶区易遭到破坏；化学法主要有酸法和碱法，其优点是SDF含量增加，缺点是DF的表面完整性遭到破坏，且残留一定的化学毒性物质；生物法主要有酶法，其生物活性功能提高，可溶性成分增多，但酶制剂成本高；联合改性有挤压-纤维素酶、高温高压-纤维素酶、高速剪切-酶法的联合等。在甘薯渣的改性应用中，主要以单一的改性方法为主。单成俊等[7]采用双螺杆挤压膨化处理甘薯渣。LI等[8]采用淀粉酶、蛋白酶和纤维素酶联用改性甘薯膳食纤维。梅新等[9]采用超微粉碎法改性甘薯渣 DF。赵仕婷等[10]采用动态超高压微射流法处理甘薯渣。WNAG等[11]利用蒸汽爆破甘薯渣DF。将3种方法针对同一原料的改性对比研究鲜见报道。

因此，本试验以甘薯渣为原料，采用酶法辅助提取膳食纤维，并对其进行改性，比较超声波-酸法联合(ultrasonic assisted acid method，UIDF)、胶体磨湿法粉碎法(colloid wet grinding technology ,WIDF)，纤维素酶法(cellulase enzymatic method，EIDF)3种改性方法对甘薯渣中IDF持油力、持水力、亚硝酸盐和胆固醇吸附能力的差异，探索针对甘薯渣的最佳改性方法，为甘薯渣资源的综合利用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

甘薯，由娄底市农业科学研究所校外种植基地提供鲜样；食用调和油，购于益海嘉里粮油(深圳)有限公司;纤维素酶(酶活38 000 U/mL)、α-淀粉酶(酶活30 000 U/mL),购于夏盛(北京)生物科技开发有限公司，胆固醇、邻苯二甲醛、NaOH、HCl、H2SO4、NaNO2、CH3COOH、对氨基苯磺酸、N-1-萘基乙二胺盐酸盐(均为分析纯)，购于国药集团化学试剂有限公司。

1.2 试验仪器

JYL-C16D/C16T/C16V料理机,九阳股份有限公司；振动式药物超微粉碎机,济南粉技术工程有限公司；CP214电子天平,上海奥豪斯仪器有限公司；HH-8数显恒温水浴锅,江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司；KQ5200DB型数控超声波清洗器,昆山市超声仪器有限公司；低速台式大容量离心机,上海安亭科学仪器厂；101型电热鼓风干燥箱,北京中兴伟业仪器有限公司；DZF—6050型真空干燥箱,巩义市予华仪器有限责任公司；SHZ-D(Ⅲ)循环水式真空泵,巩义市予华仪器有限责任公司；GYS-200 申鹿牌高压均质机，上海申鹿均质机有限公司；7230G可见分光光度计,上海舜宇恒平科学仪器有限公司；雷磁PHS-3E pH计,仪电科学仪器；HZQ-C空气浴振荡器,哈尔滨市东联电子技术开发有限公司；Mastersizer 3000激光粒度仪,英国Malvern公司；JSM-7500F 扫描电镜,日本Jeol公司。

1.3 试验方法

1.3.1 甘薯渣不溶性膳食纤维的制备

根据薛山[12]的方法略作修改。将新鲜甘薯去皮，洗净，切碎后放入料理机中，加入适量的水(覆盖原料即可)，开机搅打1～2 min，过滤，滤渣再用水洗2 次，烘干，粉碎1～2 min，过100 目筛得到甘薯渣。取20 g甘薯渣，按料液比1∶6(g∶mL)加入蒸馏水，80 ℃水浴3 min，降温至60 ℃，加入10 倍(以原料质量计)1.5%的α-淀粉酶液，100 W，45 ℃超声处理45 min，100 ℃灭酶5 min，4 500 r/min离心10 min，弃去上清液，得酶解甘薯渣。按料液比1∶10加入质量浓度为70 g/L的NaOH溶液，70 ℃碱解90 min，5 000 r/min离心15 min，弃去上清液，再加入HCl溶液中和至中性，5 000 r/min离心15 min，弃去上清液，60 ℃真空烘干至恒重，粉碎，即得不溶性膳食纤维。

1.3.2 不溶性膳食纤维的改性

1.3.2.1 胶体磨湿法粉碎法

采用胶体磨进行湿法粉碎，称取一定量的不溶性膳食纤维干燥粉，按1∶30的料液比加入蒸馏水，先设置胶体磨齿轮间隙为10 μm，过磨1次，然后调整齿轮间隙为5 μm，重复过磨2次，之后干燥，粉碎，备用。

1.3.2.2 超声波辅助酸法

将薯渣IDF，按照1∶10的料液比，加入3%柠檬酸溶液，100 W，55 ℃超声处理2 h后取出，用低速离心机以4 000 r/min离心10 min，分别取其上清液于80 ℃恒温水浴锅中蒸发浓缩至原体积的1/3左右，之后加入4 倍体积无水乙醇进行醇沉，静置12 h，过滤干燥，备用。

1.3.2.3 纤维素酶法

称取一定量的不溶性膳食纤维干燥粉，按1∶20的料液比加入蒸馏水，按0.6%的质量分数加入纤维素酶进行水浴酶解，酶解温度为60 ℃，酶解1.5 h后，100 ℃灭酶5 min。然后按照3 倍体积添加无水乙醇进行醇沉，静置12 h，过滤干燥，备用。

1.3.3 甘薯渣IDF的表征

1.3.3.1 甘薯渣IDF粒度检测

分别取甘薯渣IDF干燥粉样品适量于25 mL血清瓶中，用去离子水稀释至合适浓度后，超声分散 10 min，用移液枪取适量溶液于比色皿中，通过激光粒度分析仪测定纳米粒子的粒径。

1.3.3.2 扫描电镜对IDF的结构形态表征

在扫描电镜样品台上贴上双面胶，将少许甘薯渣IDF干燥粉末撒于双面胶的样品台上，稍稍压实，使一部分粉末陷入双面胶的胶基中，吹去多余的粉末，然后喷金，在电镜下(5～10 kV加速电压)进行扫描观察，选择清晰图像并拍照。

1.3.4 甘薯渣IDF效果测定

1.3.4.1 持油力的测定

按照SONG等[13]的方法略作修改，分别称取1.00 g(W1)改性前后的甘薯渣IDF于离心管中，每管中加入食用调和油30 mL，放置24 h后，4 000 r/min离心15 min，取出去掉上层油，称质量(W2)，试验重复3次，取平均值，按公式(1)计算持油力：

(1)

式中：W2，甘薯渣IDF吸油后质量，g；W1，甘薯渣IDF的质量，g。

1.3.4.2 持水力的测定

按照WANG等[14]的方法，分别称取1.00 g(W1)改性前后的甘薯渣IDF于50 mL离心管中加入40 mL蒸馏水，室温存放24 h后，4 000 r/min离心30 min，倒掉上清液，记录湿品的质量(W3)，试验重复3次，取平均值，按公式(2)计算持水力：

(2)

式中：W2，甘薯渣IDF吸水后质量，g；W1，甘薯渣IDF的质量，g。

1.3.4.3 吸附亚硝酸盐能力的测定

配制500 mg/L的NaNO2溶液，取5 mL稀释到100 mL，分别取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL于25 mL比色管中，加水稀释到1 mL后，再加入2.5 mL 60%乙酸溶液，5 mL显色剂[V(10 g/L对氨基苯磺酸∶V(1 g/LN-1-萘基乙二胺盐酸盐=1∶1)]，加水定容至25 mL，放于暗处，25 min后测定其在550 nm处的吸光度值。以吸光度值为纵坐标，NaNO2的质量为横坐标，绘制标准曲线，得到回归方程：Y=15.85X+0.010 01，R2=0.998 0(图1)：

图1 亚硝酸钠标准曲线

分别取1.00 g改性前后甘薯渣不溶性膳食纤维，置于250 mL干燥锥形瓶中，加入50 mL，100 μmol/L的NaNO2溶液，分别调节pH值为2、3、5、7控制恒温37 ℃振荡，分别在0、20、40、60、80、100 min时，吸取上层溶液，立即过滤，取滤液1 mL，加入2.5 mL 60%乙酸溶液，5 mL显色剂，加水定容至25 mL放于暗处，25 min后测定其在550 nm处的吸光度值。

1.3.4.4 吸附胆固醇能力的测定

分别准确吸取0.1 mg/mL的胆固醇标准溶液0、0.08、0.16、0.24、0.32、0.40 mL于25 mL比色管中，加入冰乙酸至0.4 mL，同时以0.4 mL冰乙酸做空白，然后依次加入1 mg/mL邻苯二甲醛0.2 mL及混合酸[V(冰乙酸)∶V(浓硫酸)=1∶1]4.0 mL，静置10 min，于波长550 nm处测定各标准管的吸光度值，重复2次，将平均值进行线性回归，回归方程Y=5.332X+0.003 719，R2=0.999 0(图2)。

图2 胆固醇标准曲线

准确称取改性前后的甘薯渣IDF 0.15 g，用4 mL冰乙酸饱和2 h，加入0.5 mg/mL的胆固醇溶液10 mL，25 ℃恒温振荡90 min。取0.4 mL上清液，然后依次加入1 mg/mL邻苯二甲醛0.2 mL及混合酸[V(冰乙酸)∶V(浓硫酸)=1∶1]4.0 mL，静置10 min，从比色管中分别取2 mL溶液，用冰乙酸稀释至10 mL，同时以0.4 mL冰乙酸做空白，于波长550 nm处测定吸光度值，重复2 次，取平均值。

1.3.5 数据统计分析

本文采用Microsoft Office 2013处理数据，GraphPad Prism 7.0软件作图，采用Multiple t tests 作显著性差异分析。

2 结果与分析

2.1 不同改性方法对IDF粒径和分散指数的影响

膳食纤维的粒度和分散指数对其功能性质影响较大，膨胀力、持水力和持油力随粒度的减小而增大，但当粒度小于100目时，会使其上述性能下降，结合水力则随粒度的减小而减小[15]。如图3和表1所示，与未改性甘薯渣IDF相比，胶体磨湿法粉碎法、超声波辅助酸法、纤维素酶法改性之后，甘薯渣IDF的粒径、分散指数显著降低(P<0.01)。尤其是当采用纤维素酶法改性后，甘薯渣IDF粒径由(12 063.19±1 873.10) nm减小到(127.57±1.02) nm，分散指数由0.837±0.189减小为0.571±0.008，表明甘薯渣IDF不仅粒径在减小，而且其大小分布由杂乱不一逐渐变得较为集中，这与HAYASHI等[16]将纤维素用酸、酶处理后，比酸水解得到的微纤维素相对分子质量要低的结论一致。这可能是甘薯渣经过纤维素酶改性处理后，被束缚且未降解的纤维素会进一步溶出糊化，经后续醇沉工序将混到 IDF 中，影响 IDF 的表征[17]。

图3 不同改性方法对IDF粒径分布的影响

表1 不同改性方法对IDF粒径和分散指数的影响

2.2 不同改性方式对甘薯渣IDF结构形态的影响

通过放大20 000×倍数的扫描电镜观察未改性甘薯渣IDF与胶体磨湿法粉碎法、超声波辅助酸法、纤维素酶法改性后样品表面结构见图4。由图4-a可看出，甘薯渣IDF为不规则的块状紧密结构，凹凸不一，且在表面附着许多小颗粒。图4-b是经胶体磨湿法粉碎法改性IDF，颗粒感明显减少，结构更加完整和致密。图4-c和4-d是IDF经超声波辅助酸法和纤维素酶法改性，可见其表面颗粒和光滑球体的数量显著降低，显示不规则的、大的、致密的层压微结构，但有凹陷和褶皱，这暴露了多糖类内部可能有更多相关的活性集团，从而导致甘薯渣生理功能增强[18]。这与YU等[19]对胡萝卜不溶性膳食纤维改性研究的表征结构一致。

a-IDF;b-WIDF;c-UIDF;d-EIDF

2.3 不同改性方式对IDF性能的影响

不溶性膳食纤维的持油力越大，生理活性越好。由表2可知，改性前IDF的持油力为1.9 g/g，经过胶体磨湿法粉碎法、超声波辅助酸法、纤维素酶法3种不同改性处理后，其持油力分别为3.40、2.53、2.97 g/g，与IDF相比，其持油力都极显著提高(P<0.01)，其大小表现为胶体磨湿法粉碎法>纤维素酶法>超声波辅助酸法，原因可能是IDF在胶体磨中受到高速剪切和高频振动等机械力，使改性处理后的IDF粒度减小，可供吸油的表面积增大，且细颗粒样品组成的纤维结构更为松散，毛细孔更多，因此能渗入更多的油[20]。不溶性膳食纤维分子表面含有很多活性基团，可吸附油类及肠道中的某些物质如脂肪颗粒等，起到降血脂的作用[21]。

持水力是不溶性膳食纤维生理特性的一个重要参数，良好的持水力可以减少产品的脱水和收缩，促进在人体的消化，改善食品口感，提高产品的保质期[22]。3种不同改性方式对薯渣不溶性膳食纤维持水力的影响如表2所示，改性前IDF的持水力为 0.17 g/g，经过胶体磨湿法粉碎法、超声波辅助酸法、纤维素酶法改性处理后，其持水力分别为2.83、1.14、0.93 g/g，与IDF相比，其持水力都极显著提高(P<0.01)，其大小表现为胶体磨湿法粉碎法>超声波辅助酸法>纤维素酶法，原因可能是胶体磨湿法粉碎过程中水介质的存在，使得胶体磨表现出极强的剪切力，亲水基团暴露且部分IDF转化为SDF，增加了体系黏度且吸水膨胀，对水分的束缚加大[22]。而超声波辅助酸法处理使甘薯渣IDF持水力增加，是因为超声波产生的空穴效应能形成瞬时高压并不断撞击物料，破坏了甘薯渣IDF网状结构，蛋白质分子之间的疏水作用减弱，使其破碎成粒径更小的物质，比表面积增大，暴露出更多的亲水基团，这些结构变化使其持水力增加[23]。不溶性膳食纤维的持水力可以使不溶性膳食纤维进入消化道后吸水膨胀，增加食物体积，促进胃肠蠕动，增加排便速度及次数，降低肠内压力，起到通便的作用[24]。

不溶性膳食纤维能吸附人体中过度供给的胆固醇和甘油三酯等物质，从而有效降低血清浓度，减少和预防心脑血管疾病发生的危险。由表2可知，改性前IDF的胆固醇吸附能力为0.088 mg/g，经胶体磨湿法粉碎法、超声波辅助酸法、纤维素酶法改性后，胆固醇吸附能力都有不同程度的提升，比改性前吸附能力分别提高62.5%、23.86%、7.95%，存在明显差异(P<0.01)。其中吸附能力提升最多的胶体磨湿法粉碎法改性后，吸附量由0.088 mg/g上升到0.143 mg/g。

2.4 不同改性方式对甘薯渣IDF吸附亚硝酸盐能力的影响

亚硝酸盐可与胃中的仲胺、叔胺类物质作用转化为具有致癌作用的N-亚硝胺，导致癌症的发生[25]，而膳食纤维能够吸收体内的一些有害物质，起到防治疾病的作用。如图5所示，在相同振荡时间，不同的pH下，甘薯渣IDF对亚硝酸盐的吸附能力差异较大，当pH在2～7时，随着pH的上升，甘薯渣IDF吸附亚硝酸盐的能力逐渐上升。当pH=2时，未改性甘薯渣IDF亚硝酸盐吸附量只有0.042 mg/g，而当pH=7时，其亚硝酸盐吸附量上升到0.585 mg/g。在相同的pH情况下，亚硝酸盐的能力随着振荡时间的延长呈下降趋势，不同改性方法处理的甘薯渣IDF差异较大，整体呈WIDF>UIDF>EIDF>IDF，即改性后效果较未改性效果更佳。

表2 不同改性方法对IDF性能的影响

a-pH=2;b-pH=3;c-pH=5;d-pH=7

3 结论

本文通过3种方法对甘薯渣IDF进行改性，并分析了其改性后结构和理化性质的变化。经不同改性处理后，IDF的结构较未改性前均有较大的变化，持油力、持水力均极显著高于未改性IDF(P<0.01)，吸附亚硝酸盐和胆固醇能力也高于未改性IDF。3种改性方法改性甘薯渣IDF各有优势，胶体磨湿法粉碎法改性甘薯渣IDF后，甘薯渣IDF的颗粒感减小，结构更加完整和致密，吸附亚硝酸盐和胆固醇的能力最强。超声波辅助酸法改性甘薯渣IDF后，甘薯渣IDF的分散指数最小，体系最为均匀，持油力和持水力最佳。纤维素酶法改性甘薯渣IDF后，其粒径最小。虽然这3种方法都有各自的具体优势，但胶体磨湿法粉碎法处理后，改性甘薯渣IDF整体理化性能和功能特性更全面、更优质。因此，甘薯渣改性后的膳食纤维可作为功能性食品添加剂应用于烘焙、肉类、乳制品和饮料中，这些副产品的有效利用可进一步提升经济效益。