纖維素酶改性榨菜皮膳食纖維的理化性質的研究

成林林，周　蓮，潘年龍，韓彥慧，曾凡坤，*

（1.西南大學食品科學學院，重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶400715；2.重慶工商大學綠色食品研究所，重慶400067）

纖維素酶改性榨菜皮膳食纖維的理化性質的研究

成林林1，周蓮2，潘年龍1，韓彥慧1，曾凡坤1，*

（1.西南大學食品科學學院，重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶400715；2.重慶工商大學綠色食品研究所，重慶400067）

采用纖維素酶對榨菜皮粗纖維進行改性，分析了在不同溫度和pH條件下改性榨菜皮膳食纖維理化性質的變化。結果表明，改性纖維中水溶性膳食纖維含量增加了80.02%，不溶性膳食纖維含量下降9.76%；改性榨菜皮膳食纖維的持水力、吸水膨脹力及NO2-吸附能力均顯著提高（p＜0.01）；改性纖維陽離子交換能力與粗纖維差異顯著（p＜0.01），并在60℃達到最大值0.657mmol/g；pH7時改性纖維膽固醇吸附能力比pH2時吸附能力強。形貌結構分析顯示改性纖維粒徑更小，更加疏松，有較大的空腔和裂縫，但主要成分及化學結構沒有受到明顯的影響。

榨菜皮，膳食纖維，改性，纖維素酶，理化性質

榨菜皮是榨菜在加工過程中產生的皮渣、老筋等副產物，含大量纖維和食鹽。榨菜在加工修剪去皮過程中，一般會產生10%左右的榨菜皮，僅重慶涪陵榨菜集團每年加工榨菜8萬噸左右，可產生0.8～1萬噸榨菜皮［1］。由于榨菜皮含鹽量很高，大部分直接丟棄，對環境造成嚴重污染，榨菜皮中的膳食纖維未得到良好利用［2］。膳食纖維是指不被人體消化吸收，以多糖類物質為主體的大分子物質的總稱，具有良好的生理功能，能夠預防心腦血管疾病、高血壓、腸道疾病等［3-4］。

本實驗研究了纖維素酶改性榨菜皮膳食纖維的持水力、吸水膨脹力、陽離子交換能力等理化性質，并與未改性纖維進行比較，為榨菜皮膳食纖維的進一步研究及在食品加工中的應用提供一定的參考。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

榨菜皮重慶市涪陵榨菜集團股份有限公司；纖維素酶（1萬U/g） 生物試劑，南寧東恒華道生物科技有限責任公司；MES（生物試劑） 上海恒遠生物科技有限公司；TRIS、磷酸氫二鈉、檸檬酸、95%乙醇分析純試劑，成都市科龍化工試劑廠。

DHG-9140型電熱恒溫鼓風干燥箱、HWS-28型電熱恒溫水浴鍋上海齊欣科學儀器有限公司；SHZ-82型恒溫振蕩器常州國華電器有限公司；FW177型中草藥粉碎機天津泰斯特儀器有限公司；PB-10型酸度計賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；K-360型全自動凱氏定氮儀瑞士BuChi公司；UV-2450型紫外分光光度計日本島津公司；Spectrun100型紅外光譜美國PerkinElmer公司；Quanta-200掃描電子顯微鏡荷蘭FEI公司。

1.2實驗方法

1.2.1改性膳食纖維（MDF1）的制備按料水比1∶4，用自來水浸泡榨菜皮15min，瀝干，再按料水比1∶3浸泡10min，榨菜皮含鹽量約4%；于60℃條件下烘12h，粉碎，過60目篩，得榨菜皮粗纖維（MSDF1）。取5g MSDF1，加入150mL pH4.87的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖液，搖勻，于50℃下預熱溶脹1h；再加入187.25U纖維素酶，混勻，于50℃恒溫水浴振蕩器中酶解2.5h；用95%乙醇收集、過濾、烘干、粉碎，過60目篩，得MDF1。

1.2.2檢測方法

1.2.2.1基本成分的測定灰分的測定：參照GB 5009.4-2010；蛋白質的測定：凱氏定氮法（參照 GB 5009.5-2010）；總膳食纖維（TDF）、水溶性膳食纖維（SDF）、水不溶性膳食纖維（IDF）的測定：酶-重量法（參照GB/T 5009.88-2008）；纖維素的測定：王林風等［5］硝酸乙醇法；半纖維素的測定：2mol/L鹽酸水解法［6］；木質素的測定：Klason lignin法［7］。

1.2.2.2不同溫度和pH下持水力的測定參考Gómez-Ordó?ez等［8］的方法并作適當修改。準確稱取干燥樣品0.5g，置于已知質量的離心管中，加入20mL蒸餾水，搖勻，靜止1h后于5000r/min離心20min，小心去掉上清液，用濾紙吸干內壁多余水分，稱重，重復測定3次。用恒溫水浴鍋控制溫度分別為20、40、60、80、100℃五個梯度，在pH為7.5條件下測定各溫度下的持水力；用磷酸鹽緩沖液調節pH在3、5、7、9、11五個梯度，在溫度為室溫時測定各pH下膳食纖維的持水力。

持水力（g/g）=（X1-X0）/X

式中：X1為吸水后重量（g）；X0為離心管重量（g）；X為樣品干重（g）。

1.2.2.3溫度和pH對吸水膨脹力影響的測定參考Chau等［9］的方法并作適當修改。準確稱取干燥樣品0.5g，置于25mL刻度試管中，讀取干燥樣品體積，然后加入20mL蒸餾水，振蕩搖勻，靜置24h，記錄樣品膨脹的自由體積，重復測定3次。用恒溫水浴鍋控制溫度分別為20、40、60、80、100℃五個梯度，在pH為7條件下測定各溫度下的持水力；用磷酸鹽緩沖液調節pH在3、5、7、9、11五個梯度，在溫度為25℃時各pH下膳食纖維的持水力。

吸水膨脹力（mL/g）=（V1-V0）/M

式中：V1為膨脹后體積（mL）；V0為干樣品體積（mL）；M為樣品干重（g）。

1.2.2.4溫度對陽離子交換能力影響的測定參考Benítez等［10］的方法并作適當修改。準確稱取1.0g樣品置于三角瓶中，加入40mL去離子水、5%NaOH 100mL、2滴酚酞，用100mmol/L的NaOH溶液滴定，至微紅且5s內不褪色，記錄消耗的NaOH的體積。以同樣的方法做空白滴定。根據消耗的NaOH體積計算樣品與陽離子的交換能力，重復測定3次。用恒溫水浴鍋控制溫度分別為20、40、60、80、100℃五個梯度，在pH為7.5條件下測定各溫度下的持水力。

陽離子交換能力（mmol/L）=（V1-V0）/1000×C/M

式中：V1為滴定樣品時消耗NaOH的體積（mL）；V0為滴定空白時消耗NaOH的體積（mL）；C為NaOH的濃度（mmol/L）；M為樣品質量（g）。

1.2.2.5pH對膽固醇吸附能力的測定參考歐仕益等［11］的方法并作適當修改。取雞蛋蛋黃，加入9倍質量的蒸餾水充分攪打成乳液，分別取樣品2.0g于250mL三角瓶中，加入50g稀釋蛋黃液，攪拌均勻，調節體系pH至2.0和7.0（模擬胃和小腸環境），置恒溫振蕩器中，37℃振蕩2h，在3000r/min條件下離心20min，準確吸取1mL上清液稀釋10倍，取0.1mL采用鄰苯二甲醛作顯色劑在550nm下比色測定pH2、7下膽固醇含量，平行測定3次。以膽固醇為標準物制作標準曲線［12］。

1.2.2.6pH對NO2-吸附能力的測定參考歐仕益等［13］的方法并作適當修改。準確稱取0.50g樣品于250mL的干燥錐形瓶中，加入100μmol/L NaNO2溶液100mL，調節體系pH至2.0和7.0（模擬胃和小腸環境），在37℃的條件下用磁力攪拌機攪拌一段時間使其完全分散，取出后過濾，取濾液5.00mL于25mL比色管中，加入0.4%的對氨基苯磺酸溶液2.0mL，混勻，靜置5min，再加入0.2%的鹽酸萘乙二胺溶液1.0mL，加水至刻度，混勻，靜置10min，測吸光值，平行測定3次，并測出pH2、7下每克樣品亞硝酸根離子的吸附量隨攪拌時間的變化趨勢。以100μmol/L NaNO2溶液制作標準曲線（參考GB5009.33-2010第二法）。

1.2.2.7結構分析與微觀形態觀察紅外光譜測定：取1～2mg纖維樣品于瑪瑙研缽中，加入100mg烘干的光譜純溴化鉀粉末，研細混勻，烘干粉末，將粉末均勻加入壓模器內，制成一定厚度和直徑的均勻透明片，迅速放入儀器光路中掃描。微觀形態觀察：纖維表面噴金，厚度為50nm，噴金后直接于掃描電子顯微鏡下觀察。

1.2.3數據處理采用所有實驗處理進行三次重復測定，測定數據以平均值±標準偏差（±sD）的形式表示。實驗數據采用Excel2010，Spss Statistics19軟件統計分析數據。

2　結果與分析

2.1改性前后纖維基本成分組成

經纖維素酶處理之后，改性膳食纖維的TDF、SDF含量升高，特別是SDF含量提高了80.02%，是優質膳食纖維標準（SDF含量10%）的三倍多（表1），IDF含量下降了9.76%。其原因可能是纖維素酶的適度水解使粗纖維中的不溶性大分子間連接鍵斷裂［14］，部分不溶性成分轉化為水溶性聚合物。

表1　粗纖維和改性纖維膳食纖維組成Table 1　DF composition of crude dietary fiber and modified dietary fiber

2.2不同pH和溫度對膳食纖維持水力的影響

從pH對改性纖維持水力影響結果（見圖1）可以看出，改性纖維的持水力顯著高于未改性纖維（p＜0.01），且兩者都是在pH7時持水力最大。改性纖維和未改性纖維的持水力都隨著溫度的升高而增大，但改性纖維在同一溫度下持水力顯著高于未改性纖維（p＜0.01）（見圖2）；當溫度過高時，樣品持水力的增加趨勢放緩，這可能是由于水分子的運動速率隨著溫度的升高而增大，導致纖維不容易束縛住水分子。

圖1　pH對持水力大小的影響Fig.1　Influence of pH on water holding capacity of DF

圖2　溫度對持水力的影響Fig.2　Influence of temperature on water holding capacity of DF

2.3不同pH和溫度對膨脹力的影響

從圖3可知，隨著pH的增大，吸水膨脹力總體呈上升趨勢，但改性纖維吸水膨脹力顯著高于未改性纖維（p＜0.01）。膨脹力增加的原因可能是：酶法改性后結構更松散，顆粒增加，容積變得更大，使膳食纖維的膨脹力增大；其次可能是改性榨菜皮膳食纖維的孔隙增加，暴露出更多親水基團，因此膨脹力增加［15-16］。從圖4可知，改性纖維的吸水膨脹力顯著高于未改性纖維（p＜0.01）；隨著溫度的升高，纖維吸水膨脹力不斷增強，這可能是由于溫度升高，纖維結構更加舒展，從而吸收更多的水分。

圖3　pH對吸水膨脹力的影響Fig.3　Influence of pH on swelling capacity of DF

圖4　溫度對吸水膨脹力的影響Fig.4　Influence of temperature on swelling capacity of DF

圖5　溫度對陽離子交換能力的影響Fig.5　Influence of temperature on cation exchange capacity of DF

2.4溫度對膳食纖維陽離子交換能力的影響

膳食纖維結構中所包含的側鏈基團，如羥基、羧基和氨基，能夠產生類似弱酸性陽離子交換樹脂的作用，具有一定的陽離子交換能力。膳食纖維還能與有機陽離子進行可逆交換，影響消化道的滲透壓、pH，形成一個緩沖區域，有利于膳食的消化吸收，同時由于膳食纖維能與Na+、K+交換，降低血液中Na+/K+比值，有利于降低血壓［17］。從圖5可知，溫度對膳食纖維陽離子交換能力影響較大，可能是適宜的溫度使纖維的結構更加松散，更多側鏈基團暴露，增加了陽離子的交換能力。而溫度過高時基團受到一定程度的破壞，減弱其交換能力。在溫度為40℃時（接近人體溫度），改性纖維陽離子交換能力顯著高于未改性纖維（p＜0.01），且在60℃時達到最大0.657mmol/g。

2.5不同pH對膽固醇吸附能力影響

膳食纖維對膽固醇的吸附主要是物理吸附［12］，從圖6可知，pH對膳食纖維吸附膽固醇的能力影響較大，兩種膳食纖維在中性條件下的吸附能力顯著高于酸性條件（p＜0.01），說明膳食纖維對膽固醇也有一定的化學吸附作用，這與黃晟等［14］研究結果相同。經過改性處理后，無論pH2或pH7改性纖維對膽固醇的吸附能力都高于未改性纖維（p＜0.05）。

圖6　不同樣品對膽固醇吸附能力指標Fig.6　Adsorption indicator of different samples on cholesterol

2.6不同pH對NO2-吸附能力影響

圖7　pH7時不同樣品對NO2-吸附能力指標Fig.7　Adsorption indicator of different samples on nitrite ion when pH 7

圖8　pH2時不同樣品對NO2-吸附能力指標Fig.8　Adsorption indicator of different samples on nitrite ion when pH2

從圖7和圖8可知，pH對膳食纖維吸附NO2-影響較大，兩種樣品在pH2時的吸附能力高于pH7時，并且都隨著時間的延長，吸附量不斷增大，到一定的時間后吸附能力有所放緩。這可能是由于pH升高后，羧基化合物中的羧基解離，膳食纖維表面的負電荷量增加，進而排斥NO2-使其釋放出來［13］，從而造成pH7時膳食纖維對NO2-的吸附能力小于pH2。經過改性處理后，不論pH2或pH7，改性纖維對NO2-的吸附能力都顯著高于未改性纖維（p＜0.05）。

2.7改性前后纖維結構比較

圖9是未改性纖維和改性纖維的紅外光譜掃描圖，兩者的紅外光譜圖基本一致。從圖9可知，3500～3200cm-1處出現的寬峰是分子間氫鍵O-H的伸縮振動，2940～2930cm-1為飽和C-H伸縮振動，2500～2000cm-1為叁鍵和累積雙鍵的伸縮振動，1650～1620cm-1為單核芳烴上C=C伸縮振動，1465～1340cm-1為C-H彎曲振動，880～680cm-1為芳烴面外C-H彎曲振動，769～659cm-1為O-H面外彎曲振動；1634cm-1為木質素中苯環的特征吸收峰，1162cm-1為纖維素的特征吸收峰，896cm-1為β吡喃糖C-H變角振動的特征吸收峰。

圖9　未改性纖維和改性纖維紅外光譜掃描圖Fig.9　Infrared spectroscopy of crude dietary fiber and modified dietary fiber

圖10　未改性纖維和改性纖維的掃描電鏡圖Fig.10　Microstructures of crude dietary fiber and modified dietary fiber

由纖維改性前后掃描電鏡圖10可以看出，榨菜皮未改性纖維呈現較大顆粒狀。改性纖維呈不規則的小片狀，相互間形成褶皺形態，增強持水和持油能力。

3　結論

經纖維素酶改性后榨菜皮膳食纖維的SDF含量提高了80.02%，達到31.36%，是優質膳食纖維標準（SDF含量10%）的三倍多，而IDF含量下降了9.76%；改性榨菜皮膳食纖維的持水力、吸水膨脹力及NO2-吸附能力均顯著提高（p＜0.01）；改性纖維陽離子交換能力與未改性纖維差異顯著（p＜0.01），并在60℃達到最大值0.657mmol/g；pH7時改性纖維膽固醇吸附能力比pH2時吸附能力強。紅外光譜圖表明，纖維素酶的改性處理沒有導致新基團的生成，主要成分和化學結構并未發生改變；掃描電鏡圖顯示，改性纖維呈不規則小片狀，相互間形成褶皺形態，增強持水能力。

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Physicochemical properties and structure of modified dietary fiber with cellulase from mustard skin

CHENG Lin-lin1，ZHOU Lian2，PAN Nian-long1，HAN Yan-hui1，ZENG Fan-kun1，*
（1.College of Food Science，Southwest University，Engineering Technique Research Center of Chongqing for Special Food，Chongqing 400715，China；2.Research Institute of Green Food，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067，China）

Comparison of the composition，physicochemical properties and structure changes of the mustard dietary fiber were analyzed before and after cellulase modification in the different temperature and pH.The results showed that the soluble dietary fiber content after modified was increased by 80.02%and the insoluble dietary fiber content after modified was decreased by 9.76%.The water holding capability，swelling capability，and nitrite in the modified dietary fiber were improved significantly（p＜0.01）.The cation exchange capacity between modified and rude fiber had significant differences（p＜0.01），and it reached maximum which was 0.657mmol/g at 60℃.Absorption cholesterol capability of the fiber modified at pH7 was more power than that at pH2.By observing the ultra at structure of dietary fiber before and after modification，the modified fiber had smaller particle size，looser morphology and structure，larger cavity and crack，the main components and their chemical structures were not affected.

mustard skin；dietary fiber；modification；cellulase；physicochemical propertie

TS255.53

A

1002-0306（2015）14-0134-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.14.019

2014－10－27

成林林（1991-），女，碩士研究生，研究方向：食品生物技術。

曾凡坤（1963-），男，碩士，教授，研究方向：果蔬加工技術。

“十二五”國家科技計劃（863）課題（2011AA100805-2）。