不同处理对版纳甜龙竹竹笋膳食纤维结构与功能特性的影响

李秀芬，赵 冰,2，赵一鹤，李 沁，和劲松*

(1.云南农业大学食品科学技术学院，云南 昆明 650201； 2.中国科学院西双版纳热带植物园，云南 勐腊 666303； 3.云南省林业和草原科学院，云南 昆明 650201)

目前，食品市场对无滋味和气味的膳食纤维代用品需求量越来越大[1-2]，将膳食纤维用作功能强化剂或无能量膨胀剂部分替代面粉、脂肪或糖，能稳定高脂食品和乳液，改善食品质地和口感[3-4]。同时，竹笋膳食纤维(dietary fiber from bamboo shoot, BSDF) 具有降血糖活性[5]，能降低大鼠血脂总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇水平[6]，有效延缓高脂饲喂小鼠的肥胖进程，调节肠道微生物群，提高胰岛素敏感性[7-8]。BSDF摄入与降低患糖尿病、心血管疾病和某些癌症风险相关[9]。然而，BSDF产品并不多，仅有Jelucel® BF、Nutriloid® Bamboo Fiber和Crea be等少数实现工业化生产，并在国际贸易中流通[1]。与此同时，全球竹笋销量达数百万吨，半数以上产自中国[10]，每年中国产生的湿笋壳量超过百万吨[11]，仅有少量用作功能食品或天然纤维[6,12]，多数以废弃物丢弃[13]。竹笋及笋壳中含有大量不溶性膳食纤维，是膳食纤维的良好原料。

膳食纤维的生物活性以及加工性质与其组成和结构密切相关[3]，而不同提取和处理方法对BSDF的结构、组成和功能性质有重要影响。碱液提取的BSDF主要由木糖和阿拉伯糖组成，甘露糖和半乳糖含量次之[1]。采用热水前处理和醋酸后处理，从竹笋中能提取出醋酸木质素[1]。挤压结合纤维素酶处理，能改变BSDF的结构，增加持水性、持油性和溶胀性等功能性质[14]。酶水解和动态高压微射流处理，能显著降低BSDF的粒径，改变纤维微观形貌，处理后的BSDF具有明显的蜂窝状表面和较大的孔洞结构，纤维的结晶度和热稳定性提高[15]。超微粉碎得到的BSDF，以不溶性膳食纤维为主，粒径越小，对NO2-和胆酸盐的吸附能力越大[16]。发现天然膳食纤维的超分子结构，解析其结构与生物活性的关系是目前研究的热点。然而，目前对BSDF的组成、结构以及功能性质的研究仍然不多[5]。BSDF的多种生理活性激励更多研究者聚焦于它的制备过程、组成分析、物理化学性质研究以及功能评价[3,17]。因此，试验通过发酵和烘干处理版纳甜龙竹(Dendrocalamushamitonii)竹笋，探究不同前处理方式对所提取BSDF的结构特征和功能性质的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

版纳甜龙竹竹笋：采自云南省勐腊县勐仑镇；市售竹笋膳食纤维：西安四季生物科技有限公司；岩藻糖(Fuc)、鼠李糖(Rha)、阿拉伯糖(Ara)、核糖(Rib)、甘露糖 (Man)、半乳糖(Gal)、半乳糖醛酸(GalA)、葡萄糖醛酸(GlcA)：上海源叶生物科技有限公司；木糖(Xyl)、葡萄糖(Glc)：TMstandard科技有限公司；D-1-苯基-3-甲基-5-吡咯啉酮(PMP)：上海阿拉丁生化科技有限公司；氯仿、乙腈、三氟乙酸、氢氧化钠、盐酸等分析试剂：国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

Nicolet iS5傅立叶红外变换光谱仪(Thermo Fisher Inc.，USA)、Agilent1200高效液相色谱仪(Agilent Technologies Inc.，USA)、FibertecTM8000纤维素自动分析系统(Foss Inc.，Denmark)、FlexSEM 1000扫描电子显微镜(HITACHI Inc.，Japan)、色差仪(深圳三恩驰科技有限公司，中国)。

1.3 方法

1.3.1膳食纤维的制备方法 (1)BSDF的制备。BSDF的提取采用Elleuch等[18]的方法，略作改动：竹笋洗净、去壳切丝，加2倍体积蒸馏水，打浆，磁力搅拌下加热至100 ℃并煮沸5 min，冷却至25 ℃，8 000×g离心10 min，用400 mL、40 ℃温水洗涤沉淀并13 500 ×g离心(25 ℃) 10 min。洗涤操作重复3次，每次磁力搅拌5 min，去除可溶性糖和灰分，所得沉淀经冷冻干燥，粉碎，过40目筛，得鲜竹笋直接提取的BSDF，装入密封袋，置于干燥器中备用。(2)Dried-BSDF的制备。竹笋洗净、去壳、切片，置于60 ℃恒温干燥箱中烘干，打成粉末，过40目筛。称取竹笋粉末15 g，加入100 ℃水450 mL，磁力搅拌下煮沸5 min，后续操作按照步骤(1)进行，得Dried-DF。(3)Fermented BSDF的制备。竹笋洗净、去壳、切丝，称取700 g笋丝，放入洗净晾干的玻璃罐中。将1 400 mL去离子水煮沸并冷却至室温，加入56 g食盐，溶解后加入盛有笋丝的玻璃罐，罐顶加盖，加水密封罐口，自然发酵10 d。取出笋丝，按照步骤(1)的方法制备Fermented BSDF。(4)Dried-Fermented BSDF制备。将步骤(3)中发酵后的笋丝60 ℃烘干，打成粉末，过40目筛。按照步骤(2)的方法制备Dried-Fermented BSDF。

1.3.2膳食纤维的测定 纤维素含量采用纤维素自动分析仪测定，纤维素含量以中性洗涤纤维(Neutral detergent fiber, NDF)减去木质素(ADL)的量计算，半纤维素含量以NDF减去酸性洗涤纤维(Acid detergent fiber, ADF)的量计算。可溶性膳食纤维(Soluble dietary fiber, SDF)和不溶性膳食纤维(Insoluble dietary fiber, IDF)的含量采用AOAC991.43[19]的方法测定。以SDF和IDF的总和确定总膳食纤维(Total dietary fiber, TDF)的含量。

1.3.3竹笋膳食纤维的单糖组成测定 竹笋膳食纤维的单糖组成及糖醛酸含量采用高效液相色谱仪测定，配置有SHISEIDO C18色谱柱(4.6 mm × 250 mm, 5 μm)的具体如下：(1)前处理。称取适量样品装入水解管中，加1 mL水，加1 mL、4 mol·L-1三氟乙酸，充氮，在110 ℃水解2 h。取出冷却至室温，取0.1 mL水解液于4 mL离心管中，放入真空干燥箱，60 ℃干燥2 h。(2)衍生化反应。向上述离心管中分别加入0.05 mL、0.3 mol·L-1的NaOH，0.05 mL PMP甲醇溶液，充氮，转移至水浴锅，70 ℃水浴60 min，取出冷却至室温，分别加入0.5 mL、0.3 mol·L-1的盐酸，0.75 mL水，1.5 mL氯仿，充分振荡摇匀，待静置分层后弃去氯仿，萃取3次，水层过膜上机测定。(3)上机条件。进样量为10 μL；柱温为25 ℃；波长为245 nm；流速为1.0 mL·min-1。单糖标准品也用PMP标记。

1.3.4膳食纤维色泽的测定 干燥样品表面颜色使用色差仪测定，依据CIE(国际照明委员会)规定的色彩空间坐标：L*(白或亮)、a*(红绿)、b*(黄蓝)。标准光源为D65、8 mm直径测量孔。总颜色变化(ΔE)计算如公式：

1.3.5傅立叶红外光谱(FT-IR)分析 采用傅立叶红外光谱仪测定所提取的竹笋膳食纤维的结构。1 mg不同种类的竹笋膳食纤维样品与300 mg干燥的溴化钾粉末混合，在预先干燥的玛瑙研钵中研磨均匀，每个研磨后的样品在制样器中压成半透明的薄片，放入傅立叶红外光谱仪中扫描确定红外光谱带(从4 000 nm-1到450 nm-1)。

1.3.6竹笋膳食纤维的性质分析 (1)持水性(Water holding capacity，WHC)的测定。采用Hasnaoui等[20]的方法，略作修改：取250 mg样品放入50 mL离心管，称重，加入25 mL磷酸盐缓冲液(0.05 mol·L-1，pH 7.0)，室温振荡过夜，4 000 ×g离心15 min，弃去上清液再次称重，计算WHC。WHC=(沉淀的质量-样品质量)/样品质量，结果以单位样品质量(g)中含有水的质量(g)表示。(2)持油性(Oil holding capacity，OHC)的测定。采用Elleuch等[18]的方法：200 mg粉状样品放入50 mL离心管，加入15 g玉米油，振荡1 h后室温离心(1 500 ×g，15 min)，弃去上清称重并计算OHC。OHC=(沉淀的质量-样品质量)/样品质量，结果以单位样品质量(g)中含有的玉米油的质量(g)表示。实验设置3个平行。(3)膨胀力(Swelling capacity，SWC)的测定。采用Martinez等[21]的方法，略作改动：准确称取500 mg样品放入带刻度的量筒，记录体积V1(mL)，加入一定量磷酸盐缓冲溶液(1.0 mmol·L-1，pH 7.5)，20 ℃放置24 h，观察样品在量筒中自由膨胀的体积V2(mL)，计算膨胀力SWC=(膨胀体积V2-干品体积V1)/样品质量(g)。

1.3.7竹笋膳食纤维的微观形态分析 将干燥竹笋膳食纤维粉喷金处理30 s，用扫描电子显微镜观察干燥竹笋样品及竹笋膳食纤维的表面形态。

1.4 数据处理

实验重复3次，采用SPSS 19.0软件包进行数据分析，结果以平均值±SD表示。显著性水平为P<0.05，平均值分析采用单因素ANOVA和Tukey’s多重实验。图标中，不同字母或*表示具有显著性差异。

2 结果与分析

2.1 竹笋膳食纤维的组成

版纳甜龙竹竹笋膳食纤维的组成见表1。

表1 版纳甜龙竹竹笋膳食纤维的组成成分

从表1可以看出，版纳甜龙竹竹笋制备的膳食纤维主要由半纤维素和纤维素组成，木质素含量较少。4种BSDF的TDF含量都在77.69%以上，以不溶性纤维为主，这既是由于竹笋自身含有大量不溶性膳食纤维，也可能因为提取过程中的反复洗涤，造成可溶性纤维的流失。其中， 发酵处理能显著提高半纤维素的含量。Fermented-BSDF和Dried-Fermented BSDF比BSDF和Dried-BSDF的TDF含量高，发酵后提取的BSDF中SDF均高于直接提取BSDF。干燥处理仅降低了发酵BSDF的纤维素含量，对膳食纤维含量没有影响。

2.2 竹笋膳食纤维的单糖组成分析

竹笋及笋壳中含有大量不溶性膳食纤维，不溶性膳食纤维主要由植物细胞壁成分构成，包括纤维素、半纤维素、木质素等[2,6,13]。半纤维素指植物中除纤维素、果胶质和淀粉外的全部碳水化合物，由木糖、阿拉伯糖、甘露糖、葡萄糖、半乳糖构成。竹类的半纤维素主要是由木聚糖类构成，以聚阿拉伯糖-4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖为主，还含有半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸、鼠李糖和岩藻糖糖基[22]。竹笋膳食纤维的单糖组成如表2所示。

表2 版纳甜龙竹竹笋膳食纤维的单糖组成

由表2可知，竹笋膳食纤维中，阿拉伯糖、葡萄糖、木糖和半乳糖含量较高。经过发酵前处理，膳食纤维中的阿拉伯糖、葡萄糖、木糖、鼠李糖、核糖、半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸含量显著增加。竹笋膳食纤维水提物主要由阿拉伯半乳聚糖构成[23]，而碱提取幼笋(Phyllostachysaurea)细胞壁半纤维素主要由葡萄糖醛酸阿拉伯木聚糖(Xyl: Ara: GlcA=100:67:8)和少量葡聚糖构成，果胶较少[23]。

2.3 竹笋膳食纤维的色泽和形态

色泽是消费者对产品可接受性的重要影响因素，不同处理方法所提取竹笋膳食纤维的颜色指标如表3所示。

表3 版纳甜龙竹竹笋膳食纤维的色泽指标

从表3中可知，竹笋干粉、市售竹笋膳食纤维及提取的4种竹笋膳食纤维均在淡黄色区域。L*值均大于70，说明版纳甜龙竹竹笋干粉基本保持原有的白色。与市售竹笋膳食纤维色泽相似，4种版纳甜龙竹竹笋膳食纤维的颜色都接近白色，稍有微黄，给人愉悦的感受。其中Fermented BSDFL*值最大，说明发酵后直接提取的竹笋膳食纤维最接近白色。表3中，a*值均小于10，只有Dried-BSDF的a*值有显著增加。发酵竹笋膳食纤维的b*值小于BSDF和竹笋干粉，又小于Dried-BSDF，说明干燥处理后再提取的竹笋膳食纤维略带棕或黄色，这可能与版纳甜龙竹竹笋在干燥过程中发生部分美拉德反应有关，虽然提取过程经过多次洗涤，但不可逆的产物留在膳食纤维内部无法完全去除，这与Ferrari的研究结果相近[11]。与竹笋干粉相比，Fermented BSDF的色差值(ΔE)变化最大，主要是由于竹笋发酵后制备的膳食纤维最接近白色。

2.4 竹笋膳食纤维的化学结构

竹笋膳食纤维的傅立叶红外光谱分析结构如图1所示。

图1 版纳甜龙竹竹笋膳食纤维的傅立叶红外光谱图Fig.1 FT-IR spectra of dietary fibers from bamboo shoot (D. hamiltonii)

由图1可见，3 415 cm-1处强吸收峰是O-H拉伸振动特征区域，主要是纤维素[9]。2 927 cm-1处吸收峰是由于CH2基团的C-H拉伸振动引起。1 745 cm-1处吸收峰是由于羰基(C=O)的缘故，说明竹笋膳食纤维中出现甲酯化的糖醛酸，证实测出了HPLC分析中出现的半乳糖醛酸[13]。1 653 cm-1处是木质素中芳香族的苯环[24]。1 546 cm-1处信号是木质素的特征吸收峰，是木质素的弯曲或拉伸。此处信号较弱，说明木质素含量不高，与化学分析结果相映证[24]。900-1 200 cm-1处包括在1 057 cm-1处的吸收峰值，源于半纤维素中酰基氧(CO-OR)伸缩振动和木质素的愈创木基单元[25]。不同处理后制备的竹笋膳食纤维都有以上特征峰值，而BSDF和Fermented BSDF表现出更为典型的吸收峰特征，说明二者中纤维素和半纤维素成分结构有序，而经过干燥处理制备的竹笋膳食纤维可能从化学结构上发生了更多变化。

2.5 竹笋膳食纤维的功能性质比较

不同处理所制备竹笋膳食纤维的持水性、持油性和膨胀力见表4。

表4 版纳甜龙竹竹笋膳食纤维的功能性质

由表4可知，与纤维素和市售竹笋膳食纤维相比，4种版纳甜龙竹竹笋膳食纤维的持水性、持油性和膨胀力都显著增加。BSDF和Dried-BSDF的持水性约为纤维素的4.2～6.1倍，比产自四川的麻竹竹笋膳食纤维(6.55～9.77 g油·g-1)和雷竹竹笋膳食纤维都略高[26,27]。经过发酵处理，Fermented BSDF和Dried- Fermented DF的持水性显著提高1.2和1.5倍，说明发酵处理促进竹笋膳食纤维与水的结合能力。版纳甜龙竹竹笋膳食纤维的持油性为纤维素的3.3～3.9倍，约为市售竹笋膳食纤维的2倍，4种不同处理对竹笋膳食纤维的持油性没有明显影响。据报道[28]，小麦纤维的持油性为2.68 g油·g-1，水果纤维的持油性为1.66 g油·g-1。可见，竹笋膳食纤维的持油性都比小麦纤维和水果纤维高。

膨胀力反应了膳食纤维在水溶液中的溶解膨胀性能，由表4可知，竹笋膳食纤维的膨胀力是纤维素的2.0～4.8倍，是市售竹笋膳食纤维的0.95～2.32倍。与直接提取的BSDF相比，Dried-BSDF和Fermented BSDF的膨胀力分别提高40%和120%，Dried-Fermented DF的膨胀力最高。说明干燥和发酵处理均能提高竹笋膳食纤维的膨胀力。其中，干燥处理竹笋膳食纤维的溶胀性与麻竹笋膳食纤维(11.51～10.22 mL·g-1)相似[26]。

2.6 竹笋膳食纤维的微观形态

由扫描电子显微镜观察竹笋膳食纤维的微观结构，如图2所示。

图2 竹笋膳食纤维的微观结构(5 000×)Fig.2 Microstructure of dietary fibers from bamboo shoot (D. hamiltonii) (5 000×)

从图中2可以看出，竹笋膳食纤维的空间网络结构复杂，BSDF表面呈现微小孔洞和紧密的小颗粒状态，经干燥处理或经发酵处理的膳食纤维则都具有较大的表面区域。Dried BSDF呈现出与BSDF不同的较大孔洞，以及薄层弯曲舒展的多态结构。二者相比，可能由于干燥处理过程中Dried BSDF比BSDF经历多次失水和复水作用，以及受到机械力多次粉碎，致使竹笋半纤维素结构被部分修饰和破坏。与前两者相比，发酵处理的竹笋膳食纤维具有显著不同的表面特征，都呈现波浪形、疏松且较为光滑的条带状表面结构，其中，Dried-Fermented BSDF较Fermented BSDF的结构特征更为明显。有报道称，膳食纤维的物理结构直接影响膳食纤维的生理功能，不溶性膳食纤维松散的网络结构可能主要与其物理化学性质相关，如促进水分子的吸附和滞留，这可以提高持水性，膨胀力和持油性[29]。这也能够解释发酵后制备的竹笋膳食纤维具有更强的持水性和膨胀性(表4)。

3 结论

试验对比了不同处理对所制备竹笋膳食纤维的结构、组成以及功能性质的影响。研究表明，不同处理对膳食纤维组成成分有一定影响，经发酵后制备的竹笋膳食纤维中的阿拉伯糖、葡萄糖、木糖、鼠李糖、核糖、半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸含量增加。发酵后直接制备的膳食纤维色泽更亮白，傅立叶光谱的吸收峰更明显，干燥处理的膳食纤维的吸收峰的强度和面积发生了改变。发酵处理能提高膳食纤维的持水性，发酵和干燥处理都能提高膳食纤维的膨胀力。干燥处理和发酵处理都能对竹笋膳食纤维的微观形态产生影响，发酵竹笋膳食纤维具有疏松、光滑的波浪形表面结构，可能与持水性和膨胀力高有关。