微波对膳食纤维结构和功能特性的影响

罗舜菁 谢 靓 熊绍百 杨 榕 陈婷婷 邓莉萍 刘成梅

(1.南昌大学食品科学与技术国家重点实验室，江西 南昌 330047；2.江西大北农科技有限责任公司，江西 南昌 331700)

膳食纤维(dietary fibers，DFs)因其独特的降血脂、调节肠道菌群、通便等功能性质正受到越来越多的关注[1-2]。为进一步提高DFs的生理活性，通常会对天然植物DFs进行改性处理。传统的化学、生物方法存在反应时间长、副反应较多、工艺过程复杂等不足，与之相比微波改性具有显著优势。微波作为一种波能量，它能使被处理的溶剂发生偶极旋转，迅速升高溶剂温度，导致其中化合物的溶解度增加。更重要的是，微波处理可以增加细胞内的压力，使细胞壁破裂，暴露出更多的可及性边缘，有利于DFs对特定物质的吸附以及肠道菌群的附着利用[3]。吴卫成等[4]采用微波提升了甘薯皮中可溶性纤维(soluble dietary fiber，SDF)的得率，同时提高了中性多糖的含量。任雨离等[5]利用微波改性方竹笋膳食纤维，改性后的方竹笋膳食纤维持水力与铁离子还原能力均比改性前显著提升，且其结晶强度和比表面积增加。Cantu-Jungles等[6]发现采用微波处理木聚糖A、木聚糖T及阿拉伯聚糖，可以提高这些不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber，IDF)的可发酵性，促进了短链脂肪酸等有益于人体健康的代谢物的产生。大量的研究[7-8]对于DFs改性效果的评价主要是用SDF得率作为重要指标，然而对改性后IDF变化的影响关注较少。此外，不同来源的DFs根据其来源细胞的不同，具有的结构和功能也大不相同[9]，例如具有储能功能的块状根茎，果胶丰富的果实及豆科植物的种子，均是DFs的良好来源，但其细胞壁中纤维的构造和主要化学成分(如纤维素、半纤维素及木质素)千差万别，因此对它们进行同一种改性，可以更好地验证改性效果的普适性。

目前，微波改性DFs的研究主要集中在SDF或活性物质的提取工艺优化等方面[10-11]，而比较微波处理对不同种类DFs的成分及结构影响，以及最终导致其功能性质改变的研究报道较少。为此研究拟根据不同DFs来源选择3种有代表性的根茎类、水果类及豆类植物副产物，即甘薯渣、苹果渣和大豆渣。在相同微波条件下对3种不同来源的DFs进行微波改性，对比DFs成分、结构特性及功能特性的变化，探究微波改性在DFs改性领域的使用效益，以期提高甘薯渣、苹果渣、大豆渣等副产品的综合利用率。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

甘薯渣、苹果渣和大豆渣：南京市溧水渡江蛋白粉厂；

耐高温α-淀粉酶(250 U/g)、中性蛋白酶(0.8 U/g)、淀粉葡萄糖苷酶(260 U/mL)：美国Sigma公司；

总淀粉测定试剂盒(K-TST A-100A)、总膳食纤维测定试剂盒(K-TDFR-200A)：爱尔兰Megazyme公司；

胆固醇标准品、亚硝酸钠标准品：阿拉丁生物技术有限公司；

邻苯二甲醛、对氨基苯磺酸、盐酸萘乙二胺等：分析纯，西陇科学股份有限公司。

1.1.2 主要仪器设备

微波消解仪：MDS-6G型，上海新仪微波化学科技有限公司；

紫外分光光度计：TU-1810型，北京普析通用仪器有限责任公司；

真空冷冻干燥机：FD5型，美国SIM公司；

扫描电镜：JSU8100型，日立高新技术公司；

X-射线衍射仪：D8 Advance型，德国Bruker公司；

热重分析仪：TGA 4000型，美国PerkinElmer公司。

1.2 方法

1.2.1 提取未经处理的膳食纤维 根据Dang等[12]的方法，将原料水洗后分散于水中，调节pH 6.0，加入耐高温α-淀粉酶(15 U/g)，90 ℃下水浴震荡30 min。调节pH为6.5，加入蛋白酶(10 U/g)，50 ℃恒温震荡4 h。最后调节pH 4.5，加入葡萄糖苷酶(52 U/g)，60 ℃反应30 min 后，沸水浴灭酶5 min。之后用4倍体积的95%乙醇醇沉4 h后以4 500 r/min离心15 min，收集沉淀，50 ℃干燥得到未经处理的甘薯渣膳食纤维(WSPF)、苹果渣膳食纤维(WAF)、大豆渣膳食纤维(WSF)。

1.2.2 微波改性膳食纤维 收集1.2.1的原料，调节水料比V水∶m膳食纤维=20∶1(mg/L)，转移至微波消解罐中。在微波消解仪中根据以下微波条件进行处理[13]：微波功率800 W，微波温度160 ℃，微波时间10 min(升温时间8 min)。微波结束后静置冷却，醇沉4 h后以4 500 r/min离心15 min，并将沉淀于50 ℃干燥，得到微波改性甘薯渣膳食纤维(MWSPF)、微波改性苹果渣膳食纤维(MWAF)、微波改性大豆渣膳食纤维(MWSF)。

1.2.3 微波提取前后膳食纤维的成分测定

(1)蛋白质：按GB 5009.5—2016执行。

(2)脂肪：按GB 5009.6—2016执行。

(3)灰分：按GB 5009.4—2016执行。

(4)总淀粉：用总淀粉测定试剂盒测定。

(5)SDF和IDF：用总膳食纤维测定试剂盒测定。

1.2.4 微波提取膳食纤维的结构特征

(1)微观形貌分析：将10 mg冻干的样品放在贴有双面胶的金属台上，表面镀金膜，在加速电压25 kV，用扫描电镜在放大倍数1 000倍数下拍摄得到结果。

(2)X-射线衍射分析：取10 mg冻干的样品与100 mg KBr共同碾磨并压片，在30 kV和20 mA的操作电压和电流下收集XRD的曲线。测量范围2θ=5°～55°，结晶度的计算参照Segal等[14]的方法。

(3)热重性能分析：根据Khatkar等[15]的方法修改如下：取5 mg样品置于热重分析仪中，在氮气环境，升温速度25 ℃/min的条件下，得到样品在50～600 ℃的TGA曲线。

1.2.5 微波提取膳食纤维的功能特性

(1)持水力及持油力的测定：参照Luo等[16]的方法修改如下：称取2 g样品于50 mL离心管中，加入25 mL蒸馏水(玉米油)，室温静置2 h后，4 500 r/min离心12 min，取沉淀称重。样品的持水力(持油力)为吸附水(油)的重量与样品重量的比值(g/g)。

(2)胆固醇吸附能力(CAC)测定：根据Jia等[17]的方法修改如下：取鸡蛋黄20 mL，在烧杯中与180 mL蒸馏水搅打成乳液。称取0.5 g样品与15 mL蛋黄乳液混合，并在37 ℃下震荡2 h。4 500 r/min离心15 min后取上清液1 mL用冰醋酸稀释到10 mL，然后取0.4 mL稀释液加入0.2 mL 1 mg/mL的邻苯二甲醛及4 mL混合酸(V冰乙酸∶V硫酸=1∶10)混匀静置10 min后于550 nm 处测定吸光度。同时用不加样品的蛋黄乳液作空白对照，根据胆固醇标准曲线进行定量。按式(1)计算胆固醇吸附能力。

(1)

式中：

C——胆固醇吸附力，mg/g；

M1——吸附前蛋黄液中胆固醇质量，mg；

M2——吸附后蛋黄液中残余胆固醇质量，mg；

M0——样品干重，g。

(3)亚硝酸根离子吸附力(NIAC)测定：基于Gan等[18]的方法修改如下：称取0.5 g样品与20 mL NaNO2溶液(25 μg/mL)混合，将pH调至2.0和7.0，模拟胃环境和小肠环境。室温下放置2 h，4 500 r/min离心15 min后，将0.8 mL上清转移到玻璃管中。加超纯水至4 mL，再加入对氨基苯磺酸4 mL(4 μg/mL)和盐酸萘乙二胺2 mL(2 μg/mL)。黑暗中反应15 min后，于538 nm 处测定吸光度，并根据亚硝酸根离子标准曲线进行定量。按式(2)计算亚硝酸根离子吸附能力。

(2)

式中：

N——亚硝酸根离子吸附力，μg/g；

M1——吸附前溶液中亚硝酸根离子质量，μg；

M2——吸附后溶液中残余亚硝酸根离子质量，μg；

M0——样品干重，g。

1.3 统计分析

所有试验均重复3次，用SPSS 26.0软件进行数据分析，试验结果表示为平均值±标准偏差(n=3)，采用Tukey法检验结果的显著性差异，P<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 微波对膳食纤维成分组成的影响

由表1可知，水洗和酶解处理后，3种来源样品IDF与SDF的总量达到65%～77%，但仍残余了部分蛋白质及淀粉等杂质。微波后脂肪、蛋白质等杂质的质量分数均有所下降，说明微波改性在提取DFs过程中可能对这些杂质的去除有一定促进作用。IDF的质量分数在各DFs中均占比最高，经过微波改性后，MWSPF、MWAF及MWSF的IDF质量分数分别下降了6.89%，1.02%，34.65%，相对应SDF质量分数均有提高，分别提高了63.11%，4.51%，358.79%。这可能是由于微波可以通过增加细胞间压力，从而破坏细胞壁结构，使其中膳食纤维连接键断裂，转变成可溶性组分[16]。此外，苹果渣的SDF提升幅度最低，大豆渣的SDF提升幅度最高。这可能是由于苹果渣细胞壁结构致密，不易被微波破坏产生SDF[19]，而大豆作为一种富含半纤维素的豆类植物，纤维大分子之间的结合较为薄弱，在微波形成的空泡效应下，其中的半纤维素等成分从细胞壁上断裂，易被微波破坏分解成可溶性纤维[20]。

表1 微波改性前后各膳食纤维样品的成分组成(干基)†

2.2 微波对膳食纤维结构特征的影响

2.2.1 微观形貌分析 图1为微波前后3种DFs中的IDF的微观形貌图。3种DFs在微波改性后，表面都形成了较多孔隙结构，可能是由于微波改性造成DFs局部过热，细胞内的蒸汽压急速升高，局部水汽爆破使细胞壁破裂所导致[19]。此外，MWSPF表面变得更加平整，孔隙大小不一；苹果渣DFs壁层较薄，MWAF部分结构发生断裂，分离成带有孔隙的碎片；而MWSF表面出现规则的圆形孔洞。上述结果表明，微波改性使3种植物来源的DFs比表面积增加，出现大量孔隙结构，由于这些孔隙的存在使得这些DFs的可及性边缘大大增加，其中苹果渣DFs的结构变化最大，可及性边缘增加最多，因此可能表现出更好的水合特性、吸附特性等有益于人体健康的性质[21]。

图1 微波前后3种膳食纤维样品的扫描电镜图

2.2.2 X-射线衍射图谱分析 微波改性前后3种DFs的X-射线衍射对比结果如图2所示。3种DFs样品皆在2θ为22.0°～25.0°处出现明显纤维素晶体特征峰，且在15.0°～17.5°及35.0°附近为弱衍射峰，表明3种DFs样品中存在非晶结构物质[22]。各样品微波改性前后的峰型和出峰位置没有明显变化，说明微波改性后DFs样品仍保持较相近的结晶区结构，但微波后3种DFs峰型变得更加尖锐，且结晶强度有不同程度的上升，其中甘薯渣DFs结晶度由36.13%增加到37.80%，大豆渣DFs由33.50%增加到36.31%，苹果渣DFs改性后增加最多，由22.03%增加到31.92%，结晶度增加了9.89%。这可能是因为微波改性导致DFs结晶重排，使得分子排布更加规整，同时微波处理后蛋白质、脂肪、淀粉等含量下降，增加了样品中纤维素的比例[23]。

2.2.3 热稳定性分析 微波改性前后3种DFs样品的热重曲线如图3所示，3种DFs样品质量损失过程均可分为水分蒸发(30～250 ℃)、多糖热分解(250～350 ℃)及最终炭化(350～600 ℃)3个阶段[24]，其中第二阶段样品的质量迅速下降，失重率达到50%。在前两个阶段中MWSPF及MWAF相比未改性DFs失重更快，而MWSF却始终保持比WSF更低的失重率，热稳定性改善效果最佳。升温结束后，3种DFs质量残留不同，但相比于未经微波改性的DFs样品，微波改性后DFs的质量残留均有所增加，分别提升了4.53%，0.66%，4.97%。结果表明，微波改性对3种DFs样品的热稳定性有一定的提升效果，与结晶度提高的结果相吻合。

图3 微波改性前后3种膳食纤维样品的热重曲线

2.3 微波改性对膳食纤维功能特性的影响

2.3.1 持水力和持油力 微波改性后3种DFs的持水持油能力均显著提高(P<0.05)。持水力和持油力是DFs重要的功能特性指标，良好的持水力可防止食品脱水收缩，而高持油力可以降低脂质在肠道内的吸收[25]。由表2 可知，3种DFs的持水持油能力以大豆渣DFs最高，苹果DFs持水能力次之，但持油力最弱。这可能与不同种类DFs的成分、亲水官能团的数量等有关，大豆渣DFs相比其余两类DFs具有更复杂的单糖组成[20]，因此表现出更强的持水持油能力。此外，虽然微波改性后3种DFs的持水持油均有不同程度提升，但相比SDF质量分数提升更多的MWSPF与MWSF，MWAF的持水持油能力改善效果最佳，分别提升了26.53%及67.36%，这与苹果渣DFs改性更多可及性边缘的暴露(图2)有关，与李天等[26]的研究结论一致。说明改性之后，DFs吸附特性的改变不仅仅与SDF的质量分数有关，改性之后IDF可及性边缘的暴露与更复杂的空间结构也是促进DFs功能性质改变的重要原因。

图2 微波改性前后3种膳食纤维样品的X射线衍射图谱

表2 微波改性前后3种膳食纤维样品的功能特性†

2.3.2 胆固醇吸附能力 冠心病的发生与血液中胆固醇含量有直接的关系，因此改善DFs胆固醇的吸附能力具有重大意义[27]。对比改性前后3种DFs的胆固醇吸附能力，MWSPF、MWAF及MWSF的胆固醇吸附能力分别提高了32.02%，40.00%，50.24%。其中吸附能力提升最多的是MWSF，吸附量由2.05 mg/g上升到3.08 mg/g。Theuwissen等[28]的研究结果表明，DFs结合胆固醇的能力不仅与其内部结构有关，成分组成也是影响其结合胆固醇能力的重要因素之一，如β-葡聚糖一类的SDF，相比IDF在降血清胆固醇方面效果更好，因此MWSF中提升较多的SDF可能是导致其胆固醇吸附能力相比其他DFs提升更多的重要原因。

2.3.3 亚硝酸根离子吸附力 pH作为一项重要指标，对DFs吸附亚硝酸根离子能力有较大影响[29]。因此模拟胃环境(pH 2)和肠道环境(pH 7)下各DFs对亚硝酸根离子的吸附能力，结果如表2所示。DFs结构中含有的糖醛酸、氨基酸，特别是酚酸等活性基团在酸性条件下对亚硝基有较强的吸附作用[30]，因此在胃环境下DFs的亚硝酸根离子吸附能力显著高于肠道环境(P<0.05)。不同pH条件下微波后的DFs对亚硝酸根离子吸附力均有所提高，胃环境(pH 2)下MWSPF、MWAF、MWSF的吸附能力分别提升了11.76%，7.52%，7.23%，而肠道环境(pH 7)下吸附能力的提升幅度要显著高于胃环境，分别提升了268.67%，318.59%，164.39%。同时由于苹果渣DFs相比于其他两种DFs，含有较多的酚类物质[31]，所以酸性条件下，微波前后苹果渣DFs的亚硝酸根离子吸附力在3种DFs中最强(WAF 683.81 μg/g；MWAF 735.20 μg/g)。微波改性后，尽管苹果渣的可溶性膳食纤维增加幅度比大豆渣和甘薯渣少，但是其样品表面出现疏松多孔的结构，在一定程度上使得DFs暴露出更多可结合亚硝酸根离子的吸附位点，同时这些孔隙形成的毛细管效应加快了亚硝酸根离子进入DFs结构内部的速度，因此改性后DFs对亚硝酸根离子的吸附能力在胃肠环境下都有提高，特别是对于亚硝酸根离子的吸附能力相对较弱的肠道环境提升幅度尤其显著。

3 结论

微波改性是一种高效的具有普适性的膳食纤维改性方法。微波改性后3种膳食纤维总体的变化趋势是可溶性纤维质量分数升高，不溶性膳食纤维质量分数下降，可及性边缘增加，结晶度升高及热稳定性加强。同时，微波改性能使膳食纤维更好地与水、油、胆固醇、亚硝酸根离子等物质结合。

由于3种不同来源的膳食纤维样品自身成分及细胞壁结构的差异，微波改性对其结构及功能特性的改善效果也显著不同。总体而言，苹果渣膳食纤维的功能性质改善最为显著，但是微波改性后可溶性膳食纤维的增加却最低，这与苹果渣膳食纤维表观结构破坏程度更大有关。大豆渣膳食纤维微波改性后可溶性纤维质量分数最高(31.06%)，增幅最大(358.8%)，其持水持油性及肠道条件下的亚硝酸根离子吸附能力的改善效果均弱于微波改性苹果渣膳食纤维(可溶性纤维质量分数16.4%；增幅4.5%)。因此，膳食纤维吸附特性的改变不仅与可溶性纤维的质量分数有关，不溶性膳食纤维可及性边缘的暴露也是促进膳食纤维功能性质改善的重要原因。