高温蒸煮结合超声酶法改性菠萝蜜籽膳食纤维工艺优化及结构表征

李 丹，汪秀妹，梁 杰，刘 涛，林国荣，王丽霞，郑心怡

（莆田学院环境与生物工程学院，福建省新型污染物生态毒理效应与控制重点实验室，生态环境及其信息图谱福建省高等学校重点实验室，福建莆田 351100）

菠萝蜜是目前市面上可见最大的树生热带水果，其果肉及种子皆可食用，果肉柔软、汁多，具有芳香味道[1]。菠萝蜜的果实最多可以有约500 颗种子（2～3 cm 长，直径1～2 cm），种子质量占水果总重量的10%～15%，由于新鲜的种子不能长期储存，因此常被当作废弃物丢弃，大量的菠萝蜜籽资源仍未被充分开发[2]，对副产品进行生态化利用，可以减少生物资源的浪费，增加果农的经济收入[3]。菠萝蜜籽富含氮、磷、钾、钙、镁、硫、锌、铜等多种矿物质和木酚素、皂苷、异黄酮等植物营养素[4]，还具有高淀粉（约46%）、高膳食纤维（约20%）和低脂肪（约0.77%）的特点，膳食纤维（Dietary Fiber，DF）可用以预防代谢综合症及与生活习惯有关的疾病，因此菠萝蜜籽可视为新的膳食纤维来源[5]。DF 可分为可溶性膳食纤维（SDF）和不溶性膳食纤维（IDF）[6]。膳食纤维中SDF的含量应达到10%以上，才能被认为是具有很强生理活性和保健功能的优质膳食纤维[7]，然而天然膳食纤维含量大多低于10%[8]，因此有必要探究对菠萝蜜籽DF 进行改性的方法，以提取出更多的SDF。

目前广泛采用生物法（主要是酶法和发酵法）、化学法（主要是酸碱法）和物理法（主要是挤压法、高温蒸煮法和高压均质法）对膳食纤维进行改性[7]。高温蒸煮法是在高温高压下对膳食纤维进行改性，导致其中的分子链断裂，把IDF 转化为SDF，以此增加SDF 的含量。这种改性办法对仪器要求较高，因此常受到条件的限制，无法得到较好的结果[7]。酶法是一种对样品内部破坏强度较低的方法，对膳食纤维损伤小，其缺点为实验耗时较久，难以在短期获得较快的提取成果，但超声波处理方式能够有效提高实验速率[9]。将物理法与生物法结合起来，可以降低实验成本，弥补单一实验方法的不足。丁彩云等[10]采用高温-复合木聚糖酶和纤维素酶改性脱脂小米糠膳食纤维，结果表明高温-复合酶法可以有效改性膳食纤维，提高其结构和功能特性。汪楠等[11]分别采用纤维素酶酶解、高温蒸煮、高温蒸煮协同纤维素酶处理竹笋膳食纤维，结果表明，高温蒸煮协同酶法较单独高温蒸煮和纤维素酶解有效地提高了竹笋可溶性膳食纤维的理化性质。Li 等[12]采用超声波辅助酶法对荔枝膳食纤维进行改性，结果表明经过超声波酶改性后，SDF 含量提高了6.32%。Oladunjoye 等[13]采用微波辅助碱处理甘蔗渣，结果表明，改性处理后其持水力等功能性质提高，微波辅助处理减少了反应时间。

目前，对菠萝蜜籽的研究集中在对其蛋白及淀粉的提取或性质研究上[1-3]，未见从菠萝蜜籽中提取膳食纤维的研究，且目前多采用两种方法相结合对膳食纤维进行改性，关于高温蒸煮、超声波、酶法三种方法结合对膳食纤维进行改性报道较少。为了减少菠萝蜜籽资源的浪费，增加膳食纤维的新来源，通过对菠萝蜜籽膳食纤维进行改性，提高菠萝蜜籽SDF的含量与功能性质，将有助于将其作为合适的功能性食品原料。因此，本实验以菠萝蜜籽为主要原料，采用高温蒸煮结合超声波酶法改性膳食纤维，并对改性工艺方法进行优化。通过单因素实验分析料液比、高温蒸煮时间、纤维素酶添加量、超声波酶解的温度、功率和时间对菠萝蜜籽SDF 得率的影响，并在单因素实验的基础上结合响应面优化试验对菠萝蜜籽SDF 的改性工艺进行优化。最后测定最优工艺条件下制备所得到SDF 结构和功能性质，以期对菠萝蜜籽综合利用，为开发菠萝蜜籽膳食纤维功能性食品提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

菠萝蜜籽 产地海南，采收时间为2～3 月份的马来西亚一号菠萝蜜，郑州然翎商贸有限公司；玉米油 益海嘉里金龙鱼粮油食品股份有限公司；鸡蛋市售；纤维素酶（10000 U/g）食品级，多美姿生物科技有限公司；耐高温α淀粉酶（20000 U/g）食品级，邢台万达生物有限公司；中性蛋白酶（50000 U/g）食品级，沃佳生物科技有限公司；甘氨酸钠 食品级，郑州安安康食品原料有限公司；亚硝酸钠、对氨基苯磺酸、盐酸萘乙二胺、DNS 试剂、糠醛、邻苯二甲醛等 均为分析纯，国药化学试剂有限公司。

CS-700 中草药粉碎机 永康市天祺盛世工贸有限公司；LDZM-60L-Ⅲ立式高压蒸汽灭菌锅 上海申安医疗器械厂；TENSOR Ⅱ傅立叶红外光谱仪德国布鲁克公司；SU8010 场发射扫描电子显微镜日本日立公司；XRD-6100 X 射线衍射仪 日本岛津公司；SDT650 热重分析仪 美国沃特斯公司；KQ-600KDE 高功率超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 菠萝蜜籽SDF 的制备方法 清洗菠萝蜜籽，以清除所有异物和上层白色层。将菠萝蜜籽切成厚度约5 mm 的片状，置于60 ℃烘箱中12 h，中草药粉碎机粉碎，粉碎后的粉末再次于60 ℃中放置12 h，过40 目筛子，装入密封袋中，保持干燥，备用。

改性工艺：参考Huang 等[7]和Yang 等[14]的方法并略作修改。称取5.00 g 样品于锥形瓶中，加入一定比例的蒸馏水，放入立式高压灭菌锅中121 ℃高温蒸煮一定时间。用2 mol/L NaOH 调节混合液pH 至6.0。加入耐高温α-淀粉酶0.4 g 以去除淀粉，并在95 ℃下水解30 min，每隔5 min 轻轻搅拌烧杯，用3 mol/L 醋酸调节pH 至3.0 灭酶。冷却至40 ℃，用2 mol/L NaOH 调节混合液pH 至7.5，加入0.25 g中性蛋白酶后40 ℃水解30 min，沸水浴10 min 灭酶。冷却后用3 mol/L 醋酸调节混合液pH 至5.0，加入纤维素酶于一定的温度、功率、时间条件下超声处理。沸水浴加热10 min 灭酶后冷却至20 ℃，12000×g 离心15 min。取上清液，以1:4（v/v）的比例置于95%乙醇进行醇沉。醇沉2.5 h 后以4000 r/min 离心10 min 取沉淀，于65 ℃烘干24 h得到SDF。未改性SDF 的制备：采用传统水提法提取SDF，不经过高压灭菌锅蒸煮和超声波酶解[14-15]，其他步骤同改性的工艺。

1.2.2 单因素实验 固定蒸煮时间为20 min，纤维素酶添加量为0.4 g（物质质量的8%），超声酶解时间为10 min、超声酶解温度为30 ℃、超声酶解功率为300 W，改变料液比为1:15、1:20、1:25、1:30、1:35、1:40 g/mL，研究料液比对菠萝蜜籽SDF 得率的影响。

固定料液比1:20 g/mL，纤维素酶添加量为0.4 g（物质质量的8%）、超声酶解时间为30 min、超声酶解温度为30 ℃、超声酶解功率300 W，改变高温蒸煮时间为20、30、40、50、60、70 min，研究蒸煮时间对菠萝蜜籽SDF 得率的影响。

固定蒸煮时间为40 min，料液比1:20 g/mL，超声酶解时间为30 min、超声酶解温度为30 ℃、超声酶解功率为300 W，纤维素酶添加量为5%、6%、7%、8%、9%和10%（物质质量的百分数），研究纤维素酶添加量对SDF 得率的影响。

固定蒸煮时间为40 min，料液比1:20 g/mL，纤维素酶添加量为0.4 g（物质质量的8%），超声酶解温度为30 ℃、超声功率为300 W，改变超声酶解时间为10、20、30、40、50、60 min，研究超声酶解时间对SDF 得率的影响。

固定蒸煮时间为40 min，料液比1:20 g/mL，纤维素酶添加量为0.4 g（物质质量的8%），超声酶解时间为50 min、超声酶解功率为300 W，改变超声酶解温度为30、35、40、45、50 和55 ℃，研究超声酶解温度对SDF 得率的影响。

固定蒸煮时间为40 min，料液比1:20 g/mL，纤维素酶添加量为0.4 g（物质质量的8%），超声酶解时间为50 min、超声酶解温度为40 ℃，改变超声酶解功率为240、300、360、420、480、540 W，研究超声酶解功率对SDF 得率的影响。SDF 得率按照下式计算。

SDF 得率（%）=（SDF 质量/菠萝蜜籽粉质量）×100

1.2.3 响应面试验优化 根据6 种单因素实验结果，选取对SDF 得率有显著影响的四个因素进行Boxbehnken 试验。之后对模型进行验证，进行3 次验证实验。响应面的因素水平表见表1。

表1 响应面试验因素水平Table 1 Level of response surface test factors

1.2.4 结构表征

1.2.4.1 傅里叶红外光谱仪分析 参考汪楠等[11]的方法，并略作修改。分别取1.00 mg 的改性前后SDF样品放置在样品台上，在400～4000 cm-1范围内扫描32 次，分辨率为16 cm-1。

1.2.4.2 扫描电子显微镜观察 样品粉末用导电胶固定于载物台上。样品经过离子溅射仪处理后，放入仪器中，加速电压为15 kV，于500、1000、2000、5000、10000 倍下观察不同样品的结构[16]。

1.2.4.3 X 射线衍射分析 分别取菠萝蜜籽原料粉、改性前后SDF 样品平铺于XRD 样品板，进行扫描。测定条件：电压40.0 kV；电流30.0 mA；以2°/min的速率进行扫描；5°～90°（2θ）范围内进行连续扫描[17]。

1.2.4.4 热重分析 分别取10 mg 菠萝蜜籽原料粉、改性前后SDF 样品置于刚玉坩埚中，设置初始温度为25 ℃，以10 ℃/min 速率升温，升温至600 ℃。载气为氮气，流速为20 mL/min，测定各样品的热分解曲线[11]。

1.2.5 功能性质的测定

1.2.5.1 保水力（Water Holding Capacity，WHC）参考Yang 等[18]的方法。取0.500 g 的三种样品分别与25 mL 水混合2 h，在3000×g 下离心10 min，用滤纸吸收沉积物中多余的水，并对样品进行称重（作为湿重）。通过公式（1）计算WHC：

其中，WW为湿重（g）；WS为样品质量（g）。

1.2.5.2 膨胀力（Swelling Capacity，SWC）参考Yang 等[18]的方法。向量筒中放入500 mg 样品，测量样品体积V1。测量样品中加入5 mL 蒸馏水，于室温下放置24 h 后的体积V2。通过公式（2）计算SWC：

其中，V2为静置后体积（mL）；V1为初体积（mL）；M 为样品质量（g）。

1.2.5.3 保油力（Oil Holding Capacity，OHC）参考Yang 等[18]的方法。1.0 g 样品与5.0 g 玉米油在离心管混合，37 ℃摇1 h，8000×g 离心30 min，除去上清液，收集剩余物称重。通过公式（3）计算OHC：

其中，WO为样品保油后的质量（g）；WS为样品的原始质量（g）。

1.2.5.4 亚硝酸盐离子的吸附能力（Adsorption Capacity of Nitrite Ion，NIAC）参考罗白铃等[19]的方法。取0.1 g 样品加入到装有25 mL 1 mmol/L 亚硝酸钠溶液的烧杯中，混合液在37 ℃水浴2 h，取上清液与2.5 mL 60%醋酸溶液按1:5（v/v）混匀备用。使用对氨基苯磺酸和盐酸萘乙二胺测定上清液中的亚硝酸钠水平来测定样品所保留的亚硝酸钠。其标准曲线的回归方程为y=0.0087x-0.0004，R2=0.998。通过公式（4）计算NIAC：

其中，CO和CS是吸附前后上清液中的亚硝酸钠浓度（μg/L）；WS代表样品质量（g）；V 表示亚硝酸钠溶液的体积（L）。

1.2.5.5 葡萄糖吸附能力（Glucose Adsorption Capacity，GAC）参考Ma 等[20]等的方法。取样品1.0 g及100 mmol/L 葡萄糖溶液100 mL。37 ℃孵化6 h，5000 r/min 离心15 min 后，取上清液备用。通过DNS 试剂测定上清液中的葡萄糖水平，测定样品葡萄糖保留量。其标准曲线的回归方程为y=0.007x-0.0102，R2=0.9991。通过公式（5）计算GAC：

其中，CO和CS是吸附前后的葡萄糖水平（mmoL/L）；WS代表样品质量（g）；V 代表葡萄糖溶液的体积（L）。

1.2.5.6 胆酸盐的吸附能力（Cholate Adsorption Capacity，CLAC）参考Wang 等[21]的方法并加以修改。0.20 g 甘氨酸钠和1.00 g 样品混合于20 mL 磷酸盐缓冲液中，调节混合液pH 至7，37 ℃培育2 h。取混合液，以8000 r/min 离心10 min，取上清液备用。用糠醛比色法测定上清液中甘氨酸钠的浓度，其标准曲线回归方程为y=0.033x+0.0047，R2=0.9993。通过公式（6）计算CLAC：

其中，m0为甘氨酸钠添加量（mg）；m1为吸附后残余甘氨酸钠质量（mg）；m 为样品质量（g）。

1.2.5.7 胆固醇的吸附能力（Cholesterol Adsorption Capacity，CAC）采用Wu 等[22]描述的办法并加以修改。取两个新鲜鸡蛋，采用分离器分离蛋黄及蛋清。在烧杯中加入蛋黄9 倍体积的蒸馏水制作乳液。称量1.00 g 样品与50 mL 乳液混匀，将pH 调节至7.0，37 ℃培育2 h 后离心取上清液，4000 r/min离心20 min。以邻苯二甲醛比色法测定并计算CAC，其标准曲线的回归方程为y=19.36x-0.028，R2=0.9972。按照公式（7）计算上清液中的CAC：

其中，m1为原始蛋黄乳液中胆固醇质量（mg）；m2为吸附后上清液中胆固醇质量（mg）；m 为样品质量（g）。

1.3 数据处理

实验数据通过Excel 2019 归纳整理；实验重复3 次，数据均以“均值±标准差”表示，显著性分析采用SPSS 22 统计软件，经单因素方差分析，比较方法采用Tukey 分析，差异性显著为P＜0.05；采用Origin 8.5 进行图形绘制；响应面优化试验借助Design Expert V8.0.6 进行。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

如图1（a）所示，料液比对于菠萝蜜籽SDF 得率的影响呈现先上升后下降的趋势，当料液比为1:20 g/mL时菠萝蜜籽SDF 得率最高为（19.85%±0.01%）。当料液比超过1:20 g/mL 后得率便逐渐下降。这是由于料液比增加，样品粉末充分浸泡于水中，使得SDF 得以溶出。相较于1:20 g/mL，1:40 g/mL 的料液比条件下菠萝蜜籽SDF 得率显著降低了3.30%（P＜0.05），因为样品中的SDF 含量有限，当其在水中达到平衡后，SDF 可能会溶于水中，导致得率下降。结果表明：1:20 g/mL 为菠萝蜜籽SDF 提取的最佳料液比。

图1 不同因素对菠萝蜜籽SDF 得率的影响Fig.1 Effect of different factors on SDF yield of jackfruit seeds

如图1（b）所示，菠萝蜜籽SDF 得率随蒸煮时间的增加逐渐提高，蒸煮时间为40 min 时达到最高值。蒸煮时间大于40 min 时，SDF 得率开始下降（P＜0.05）。这可能是因为蒸煮时间小于40 min 时，膳食纤维的部分氢键断裂，反应并不充分[23]，随着时间的增加，纤维素水溶性提高，膳食纤维的溶解性改变。但蒸煮时间越长，SDF 结构容易被破坏，导致醇沉时SDF 无法完全析出，得率变低[24]。结果表明：40 min为菠萝蜜籽SDF 提取的最佳蒸煮时间。

图1（c）所示，当酶用量小于8%时，SDF 得率上升较快，并在添加量为8%的情况下达到最高值（21.88%±0.23%），酶添加量为8%～10%时，SDF 得率无显著差异（P＞0.05）。其原因可能为，随着纤维素酶的增加，当添加了8%的纤维素酶时，酶的催化能力已到上限。结果表明：菠萝蜜籽SDF 提取的最佳酶添加量为8%。

如图1（d）所示，在10、20 min 两种条件下SDF得率上升趋势最明显，其次为40～50 min。当超声酶解时间为50 min 时，SDF 得率最高，为（26.24%±0.76%）。超声时间过久，SDF 得率降低。这可能是因为超声波的作用，使得物料的细胞壁被破坏，SDF 结构被打开，内部的单糖物质溶出[25]。因此，50 min 为菠萝蜜籽SDF 提取的最佳超声酶解时间。

图1（e）所示，于40 ℃下超声时所得到的得率最高；当温度为55 ℃时，得率降低了2.84%（P＜0.05）。其原因可能是纤维素酶在温度条件的影响下，空间结构打开，更多作用基团与反应底物结合，促进反应进程。但当温度过高时，酶的活性被抑制，反应速率降低。结果表明：40 ℃为菠萝蜜籽SDF 提取的最佳超声温度。

图1（f）所示，当功率调整为360 W 时，菠萝蜜籽SDF 得率最高为25.60%±0.18%，但当超声功率达到420 W 时，菠萝蜜籽SDF 得率出现显著降低，降低值为5.05%（P＜0.05）。其原因为高功率的超声波对细胞结构破坏程度过大，导致膳食纤维原本的结构也被破坏，使得SDF 暴露[26]，生成了较小的糖类物质，醇沉不完全。结果表明：360 W 的超声功率为菠萝蜜籽SDF 提取的最佳功率。

2.2 响应面优化试验结果

响应面优化试验结果见表2。结果表明SDF 得率（Y）及自变量蒸煮时间（A）、料液比（B）、超声酶解温度（C）、超声酶解时间（D）的回归方程：

表2 响应面分析设计及结果Table 2 Response surface analysis design and results

Y=24.31+0.47A+0.15B-(8.333E-003)C+0.13D+0.083AB+0.12AC-0.040AD-(2.500E-003)BC+0.083BD-0.055CD-0.87A2-0.37B2-0.29C2-0.45D2。

由表3 所示，方程模型P值＜0.0001，说明模型极显著；模型失拟项P值＞0.05，说明不显著，表明此回归方程有较好的可靠性，可以作为预测菠萝蜜籽膳食纤维最优提取工艺参数的模型。此模型的相关校正系数R2=0.9684，绝对校正系数Radj2=0.9368，表明模型的拟合度高。其中A、A2、B2、C2、D2的P值＜0.001，表明它们对菠萝蜜籽SDF 得率影响极其显著；B、D 的P值＜0.01，表明它们对菠萝蜜籽SDF 的得率影响高度显著。分析可得各因影响素菠萝蜜籽SDF 得率的顺序为：A（蒸煮时间）＞B（料液比）＞D（超声酶解时间）＞C（超声酶解温度）。

表3 回归模型的方差分析Table 3 Analysis of variance of regression model

两因素交互作用对SDF 得率影响的响应面3D 图见图2。响应面越陡，因子之间的交互作用越重要；响应面越平坦，影响程度越低，根据3D 响应图中各因素的走势可以推断对响应值的作用大小。结果表明，四因素对菠萝蜜籽SDF 提取的影响力为蒸煮时间（A）＞料液比（B）＞超声酶解时间（D）＞超声酶解温度（C）。这与方差分析的结果一致。

图2 两因素交互作用对SDF 得率影响的响应面3D 图Fig.2 Response surface 3D diagram of the effect of two factors interaction on SDF yield

2.3 提取条件优化及模型验证结果

通过软件分析与优化，得到最优改性工艺条件参数：蒸煮时间42.83 min、料液比1:21.25 g/mL、超声波酶解温度40.15 ℃、超声波酶解时间51.55 min，该条件下可得到最佳SDF 得率24.41%。

结合实际实验条件，对优化的菠萝蜜籽SDF 提取条件进行修正：蒸煮时间43 min、料液比1:21 g/mL、超声波酶解温度40 ℃、超声波酶解时间52 min，经过验证实验，得到菠萝蜜籽SDF 得率平均值为（24.39%±0.03%）。结果与模型预测的结果相符，从而验证了应用响应面法优化的工艺参数可靠性。未改性SDF 的得率为（16.93%±0.60%），经过改性后SDF 得率是未改性的1.44 倍。孙静等[24]以枣渣为原料，采用高温蒸煮结合纤维素酶改性枣渣膳食纤维，最佳工艺条件下的酶解时间2.5 h。而本研究通过超声波辅助纤维素酶酶解，酶解时间52 min，大大缩短了纤维素酶酶解所需要的时间。

2.4 结构表征

2.4.1 菠萝蜜籽SDF 傅里叶红外光谱分析 由图3可看出，与未改性的图谱相比，改性后图谱的特征官能团的吸收峰发生了红移，这主要是由于高温高压协同超声波酶解对多糖链的破坏作用[7]。与SDF 的图谱相比，原料粉在2107 cm-1处的吸收峰强度大于SDF 图谱在2100 cm-1附近的吸收峰强度。改性后SDF 于 3389 cm-1和未改性 SDF 于 3338 cm-1的伸缩振动带是纤维素、半纤维素-OH 引起的，是多糖成分的特征吸收峰，改性处理后的吸收强度比改性前稍弱，这可能是高温蒸煮和超声波处理使纤维素间的氢键断裂，使膳食纤维形成多孔结构，增加了水分子和膳食纤维间的氢键所致[27]。2920 cm-1附近的吸收峰是多糖中-CH3的C-H 伸缩振动引起的[26]。在2000 cm-1至2500 cm-1附近出现的是三键及积累双键非对称伸缩振动区，这个区间内含有CN、CC 等的吸收[26]。改性后1603 cm-1和未改性1592 cm-1的特征吸附峰是酯类C=O 的非对称伸缩振动[26]。改性后1413 cm-1和未改性1406 cm-1处的吸收峰通常说明存在木质素芳香苯基团，经过改性处理后的吸收峰强度减小，IDF 含有纤维素、半纤维素和木质素，说明改性处理使IDF 减少，可能是由于高温蒸煮和超声波处理使部分木质素转化为SDF[28]。1015 cm-1附近的强吸收峰是纤维素和半纤维素C-O-C 的收缩振动，改性后SDF 在1015 cm-1的吸收峰强度小于未改性SDF 在此处的吸收峰强度，进一步说明改性处理使IDF 的含量减少，从而转化为更多的SDF[29]。总体而言，改性后SDF 和未改性SDF 表现出相似的红外光谱，但其特征吸收峰的波数或吸收强度存在差异。

图3 改性前后DF 傅里叶变换红外光谱图Fig.3 DF Fourier transform infrared before and after modification

2.4.2 菠萝蜜籽SDF 扫描电子显微镜分析 可溶性膳食纤维的结构不仅与自身的特性有关，也可能与提取、改性工艺的不同有关[4]。由图4 所示，菠萝蜜籽原料粉、改性后SDF、未改性SDF 三者的结构差别较大。菠萝蜜籽原料粉表面较为平坦，呈现圆形单片状，结构较为单一。未改性SDF 呈现碎片、多层状结构。改性后SDF 存在许多孔隙，增加了比表面积。这可能是由于在高温烹饪破坏了纤维链的初始结构后，超声波产生的空化气泡进一步促进了纤维的断裂，导致孔隙的形成[30]，使得更多纤维素酶能够充分地酶解，从而形成更为疏松的结构，这种结构可以扩大SDF 的比表面积，暴露更多的基团，为其他物质与SDF 的相互作用提供更多的位点，可以提高SDF的吸附能力[31]。

图4 原料粉及改性前后SDF 的扫描电镜图Fig.4 SEM of raw material powder and SDF before and after modification

2.4.3 菠萝蜜籽SDF X 射线衍射扫描分析 三个样品的XRD 结果如图5 所示。结果表明，菠萝蜜籽原料粉及两种SDF 的衍射图存在部分差异。菠萝蜜籽原料粉在2θ=16.8°和2θ=22.6°存在两个较大的衍射峰，在2θ=14.8°存在次衍射峰，在2θ=64.5°及2θ=77.5°存在弱衍射峰。改性后SDF 及未改性SDF 的光谱区别较小，衍射峰的位置也基本相同。改性前后的SDF 在2θ=22°左右都出现了特征晶体峰，且2θ=18.4°、2θ=32.5°出现次衍射峰，说明高温蒸煮和超声波酶处理相结合并没有改变SDF 的晶体类型，和未改性的SDF 相比，改性后SDF 的峰型比未改性SDF 的峰型更为尖锐，经过Jade6.0 软件处理后，改性处理后SDF 的相对结晶度为20.62%，未改性处理的相对结晶度为14.84%，改性处理后的相对结晶度较未改性处理相对结晶度提高了38.94%，这可能是由于处于非结晶区的纤维素、半纤维素和木质素被水解，使结晶区的比例提高[28]。

图5 原料粉及改性前后SDF 的X 射线衍射谱图Fig.5 X-ray diffraction spectrum of raw material powder and SDF before and after modification

2.4.4 菠萝蜜籽SDF 热重分析 三种样品的热分解过程如图6 所示，SDF 的热分解过程主要可以分为：50～200 ℃（水分蒸发）、200～350 ℃（果胶及半纤维素分解）、350～600 ℃（最终炭化）[32]。在热分解的三个阶段中，菠萝蜜籽原料粉在热分解过程中质量损失多于改性前后SDF。改性后SDF 的残余质量为40.26%，未改性SDF 的残余质量为38.55%。最终改性后SDF 的热稳定性更好，较未改性SDF 提高了1.71%。综合来看，改性前后的SDF 热稳定性比菠萝蜜籽原料粉有一定程度的提高。SDF 更好的热稳定性可能与其结晶度提高有关[33]。

图6 原料粉及改性前后SDF 的热分解行为Fig.6 Thermal decomposition behavior of raw material powder and SDF before and after modification

2.5 功能性质测定结果

由表4 可知，改性后SDF 的功能性质都比改性前的功能性质高。改性后SDF 的WHC 和SWC 分别较改性前显著提高了77.59%（P＜0.05）和97.54%（P＜0.05）。改性后较高的WHC 和SWC 的可能原因有两个：一是在高温蒸煮和超声酶解的作用下，纤维素酶随着水分的流动渗透进纤维结构中，使得纤维素微观结构变得更加疏松，增加了亲水物质和SDF的结合的表面积[34]；二是由于物理和酶处理破坏多糖链中的糖苷键，暴露更多的羟基、羧基等亲水官能团，提供更多的接触位点[35]；而菠萝蜜籽原料粉的内部结构排列紧密，水分难以进入结构内部，因此其保水能力和膨胀能力都较低。OHC 可以反映SDF 延缓脂肪的消化和吸收，促进其排泄的能力，改性后OHC 较未改性显著提高了47.03%（P＜0.05），主要是由于改性后SDF 的疏松和多孔的结构[14]。改性后NIAC 较未改性显著提高了281.45%（P＜0.05），这可能是因为多孔结构增加了吸附位点和比表面积，使亚硝酸盐离子与SDF 内的酚酸和官能团充分接触和反应，导致NIAC 的增加[14]。GAC 可用来评估SDF 在胃肠道吸附葡萄糖的能力，高GAC 的SDF 可有效降低餐后血糖水平，延缓消化道葡萄糖吸收，改性后GAC 较未改性显著提高了59.80%（P＜0.05），可能是由于其疏松多孔的结构为葡萄糖提供更多的接触位点，促进葡萄糖的吸收[36]。改性后SDF 的CLAC 相比未改性SDF 显著提高了97.63%（P＜0.05），可能是比表面积增大，使更多的极性集团暴露，更易与胆酸钠结合[37]。改性后SDF 的CAC 较未改性显著提高了22.21%（P＜0.05），可能是由于改性后SDF 的WHC和SWC 较高，微晶束较少，在水膨胀后，它们变成凝胶状，能够结合食物中的胆固醇，从而减少其吸收。此外，在非晶态状态下，暴露的活性基团可以直接螯合胆固醇分子[38]。Wang 等[39]发现松散、多孔、高OHC 的SDF 通常具有更好的CAC，这与本研究的结果一致。

表4 改性前后SDF 和原料粉的理化功能性质Table 4 Physical and chemical functional properties of SDF and raw material powder before and after modification

3 结论

高温蒸煮结合超声波酶法改性菠萝蜜籽膳食纤维的最佳条件为料液比1:21 g/mL、蒸煮温度121 ℃，蒸煮时间43 min、纤维素酶添加量8%、超声波酶解时间52 min、超声波酶解功率360 W、超声酶解温度40 ℃，在此条件下菠萝蜜籽SDF 得率为（24.39%±0.03%）。结构测定表明改性后SDF 表面结构较松散、存在多孔性，热稳定性较高，残留率为40.26%。功能性质测定表明改性后的SDF 的功能性质优于未改性的SDF。为推进菠萝蜜籽可溶性膳食纤维改性工艺提供一定的理论与数据支持，为菠萝蜜籽资源开发提供参考，可为今后开发菠萝蜜籽可溶性膳食纤维功能性食品提供理论基础。