三種不同改性方法對甘薯渣不溶性膳食纖維改性效果的研究

陳致印，劉偉鵬，王盈希，曾立，向國紅，劉桃李，龔意輝*

1(湖南人文科技學院 農業與生物技術學院，湖南 婁底，417000)2(長沙理工大學 化學與食品工程學院，湖南 長沙，410114)3(邵陽學院 藥學院，湖南 邵陽，422000)

甘薯，又名山芋、地瓜、番薯等，是旋花科一年生植物[1]。甘薯種植范圍廣泛，其產量僅次于稻谷、小麥、玉米，在我國排第4位，世界排名第7位[2]。甘薯是一種健康食品，具有多種食療保健作用及藥用價值。據《本草綱目》記載，甘薯具有“補虛乏，益氣力，健脾胃，強腎陰”之功效。現代預防醫學研究發現，甘薯能夠防癌、抑制膽固醇、保護心肺、抗糖尿病、減肥、潤腸通便等功效[3]。甘薯渣是甘薯提取淀粉后的主要副產物，約占鮮重的20%～30%，主要成分是淀粉、纖維素及少量蛋白質[4]。由于甘薯渣含水量高，容易腐敗變質，僅有少量用于動物飼料，絕大部分被直接丟棄，造成嚴重的環境污染和極大的資源浪費[5]。

膳食纖維(dietary fiber，DF)，根據溶解性可被分為可溶性膳食纖維(soluble dietary fiber，SDF)和不可溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber，IDF)，SDF具有較好的生理活性，能夠降糖降脂，促進大腸發酵，保護腸道健康[5]。IDF因其多孔結構，更耐結腸發酵，增加糞便體積，加快腸胃蠕動，吸收有毒物質。但如果將廢棄料中的甘薯渣IDF直接用于食品配料，將影響食品的口感，所以應采用適當的改性手段處理IDF，改變聚合物的化學結構和形態，使大分子連接鍵斷裂，形成為小分子物質，提升SDF 的含量[6]，使DF保水性、持油性、膽固醇吸附量、葡萄糖吸附量、亞硝酸鹽離子吸附量等功能指標變優。目前，改性方法有物理法、化學法、生物法和聯合改性法[6]。物理方法主要有超微粉碎法、雙螺旋擠出法、超高壓技術、蒸汽爆破、高壓均質法、亞臨界水法，其優點是能夠增加可溶性成分，生物活性功能提高，缺點是IDF的外貌形態、結晶區易遭到破壞；化學法主要有酸法和堿法，其優點是SDF含量增加，缺點是DF的表面完整性遭到破壞，且殘留一定的化學毒性物質；生物法主要有酶法，其生物活性功能提高，可溶性成分增多，但酶制劑成本高；聯合改性有擠壓-纖維素酶、高溫高壓-纖維素酶、高速剪切-酶法的聯合等。在甘薯渣的改性應用中，主要以單一的改性方法為主。單成俊等[7]采用雙螺桿擠壓膨化處理甘薯渣。LI等[8]采用淀粉酶、蛋白酶和纖維素酶聯用改性甘薯膳食纖維。梅新等[9]采用超微粉碎法改性甘薯渣 DF。趙仕婷等[10]采用動態超高壓微射流法處理甘薯渣。WNAG等[11]利用蒸汽爆破甘薯渣DF。將3種方法針對同一原料的改性對比研究鮮見報道。

因此，本試驗以甘薯渣為原料，采用酶法輔助提取膳食纖維，并對其進行改性，比較超聲波-酸法聯合(ultrasonic assisted acid method，UIDF)、膠體磨濕法粉碎法(colloid wet grinding technology ,WIDF)，纖維素酶法(cellulase enzymatic method，EIDF)3種改性方法對甘薯渣中IDF持油力、持水力、亞硝酸鹽和膽固醇吸附能力的差異，探索針對甘薯渣的最佳改性方法，為甘薯渣資源的綜合利用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

甘薯，由婁底市農業科學研究所校外種植基地提供鮮樣；食用調和油，購于益海嘉里糧油(深圳)有限公司;纖維素酶(酶活38 000 U/mL)、α-淀粉酶(酶活30 000 U/mL),購于夏盛(北京)生物科技開發有限公司，膽固醇、鄰苯二甲醛、NaOH、HCl、H2SO4、NaNO2、CH3COOH、對氨基苯磺酸、N-1-萘基乙二胺鹽酸鹽(均為分析純)，購于國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 試驗儀器

JYL-C16D/C16T/C16V料理機,九陽股份有限公司；振動式藥物超微粉碎機,濟南粉技術工程有限公司；CP214電子天平,上海奧豪斯儀器有限公司；HH-8數顯恒溫水浴鍋,江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司；KQ5200DB型數控超聲波清洗器,昆山市超聲儀器有限公司；低速臺式大容量離心機,上海安亭科學儀器廠；101型電熱鼓風干燥箱,北京中興偉業儀器有限公司；DZF—6050型真空干燥箱,鞏義市予華儀器有限責任公司；SHZ-D(Ⅲ)循環水式真空泵,鞏義市予華儀器有限責任公司；GYS-200 申鹿牌高壓均質機，上海申鹿均質機有限公司；7230G可見分光光度計,上海舜宇恒平科學儀器有限公司；雷磁PHS-3E pH計,儀電科學儀器；HZQ-C空氣浴振蕩器,哈爾濱市東聯電子技術開發有限公司；Mastersizer 3000激光粒度儀,英國Malvern公司；JSM-7500F 掃描電鏡,日本Jeol公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 甘薯渣不溶性膳食纖維的制備

根據薛山[12]的方法略作修改。將新鮮甘薯去皮，洗凈，切碎后放入料理機中，加入適量的水(覆蓋原料即可)，開機攪打1～2 min，過濾，濾渣再用水洗2 次，烘干，粉碎1～2 min，過100 目篩得到甘薯渣。取20 g甘薯渣，按料液比1∶6(g∶mL)加入蒸餾水，80 ℃水浴3 min，降溫至60 ℃，加入10 倍(以原料質量計)1.5%的α-淀粉酶液，100 W，45 ℃超聲處理45 min，100 ℃滅酶5 min，4 500 r/min離心10 min，棄去上清液，得酶解甘薯渣。按料液比1∶10加入質量濃度為70 g/L的NaOH溶液，70 ℃堿解90 min，5 000 r/min離心15 min，棄去上清液，再加入HCl溶液中和至中性，5 000 r/min離心15 min，棄去上清液，60 ℃真空烘干至恒重，粉碎，即得不溶性膳食纖維。

1.3.2 不溶性膳食纖維的改性

1.3.2.1 膠體磨濕法粉碎法

采用膠體磨進行濕法粉碎，稱取一定量的不溶性膳食纖維干燥粉，按1∶30的料液比加入蒸餾水，先設置膠體磨齒輪間隙為10 μm，過磨1次，然后調整齒輪間隙為5 μm，重復過磨2次，之后干燥，粉碎，備用。

1.3.2.2 超聲波輔助酸法

將薯渣IDF，按照1∶10的料液比，加入3%檸檬酸溶液，100 W，55 ℃超聲處理2 h后取出，用低速離心機以4 000 r/min離心10 min，分別取其上清液于80 ℃恒溫水浴鍋中蒸發濃縮至原體積的1/3左右，之后加入4 倍體積無水乙醇進行醇沉，靜置12 h，過濾干燥，備用。

1.3.2.3 纖維素酶法

稱取一定量的不溶性膳食纖維干燥粉，按1∶20的料液比加入蒸餾水，按0.6%的質量分數加入纖維素酶進行水浴酶解，酶解溫度為60 ℃，酶解1.5 h后，100 ℃滅酶5 min。然后按照3 倍體積添加無水乙醇進行醇沉，靜置12 h，過濾干燥，備用。

1.3.3 甘薯渣IDF的表征

1.3.3.1 甘薯渣IDF粒度檢測

分別取甘薯渣IDF干燥粉樣品適量于25 mL血清瓶中，用去離子水稀釋至合適濃度后，超聲分散 10 min，用移液槍取適量溶液于比色皿中，通過激光粒度分析儀測定納米粒子的粒徑。

1.3.3.2 掃描電鏡對IDF的結構形態表征

在掃描電鏡樣品臺上貼上雙面膠，將少許甘薯渣IDF干燥粉末撒于雙面膠的樣品臺上，稍稍壓實，使一部分粉末陷入雙面膠的膠基中，吹去多余的粉末，然后噴金，在電鏡下(5～10 kV加速電壓)進行掃描觀察，選擇清晰圖像并拍照。

1.3.4 甘薯渣IDF效果測定

1.3.4.1 持油力的測定

按照SONG等[13]的方法略作修改，分別稱取1.00 g(W1)改性前后的甘薯渣IDF于離心管中，每管中加入食用調和油30 mL，放置24 h后，4 000 r/min離心15 min，取出去掉上層油，稱質量(W2)，試驗重復3次，取平均值，按公式(1)計算持油力：

(1)

式中：W2，甘薯渣IDF吸油后質量，g；W1，甘薯渣IDF的質量，g。

1.3.4.2 持水力的測定

按照WANG等[14]的方法，分別稱取1.00 g(W1)改性前后的甘薯渣IDF于50 mL離心管中加入40 mL蒸餾水，室溫存放24 h后，4 000 r/min離心30 min，倒掉上清液，記錄濕品的質量(W3)，試驗重復3次，取平均值，按公式(2)計算持水力：

(2)

式中：W2，甘薯渣IDF吸水后質量，g；W1，甘薯渣IDF的質量，g。

1.3.4.3 吸附亞硝酸鹽能力的測定

配制500 mg/L的NaNO2溶液，取5 mL稀釋到100 mL，分別取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL于25 mL比色管中，加水稀釋到1 mL后，再加入2.5 mL 60%乙酸溶液，5 mL顯色劑[V(10 g/L對氨基苯磺酸∶V(1 g/LN-1-萘基乙二胺鹽酸鹽=1∶1)]，加水定容至25 mL，放于暗處，25 min后測定其在550 nm處的吸光度值。以吸光度值為縱坐標，NaNO2的質量為橫坐標，繪制標準曲線，得到回歸方程：Y=15.85X+0.010 01，R2=0.998 0(圖1)：

圖1 亞硝酸鈉標準曲線

分別取1.00 g改性前后甘薯渣不溶性膳食纖維，置于250 mL干燥錐形瓶中，加入50 mL，100 μmol/L的NaNO2溶液，分別調節pH值為2、3、5、7控制恒溫37 ℃振蕩，分別在0、20、40、60、80、100 min時，吸取上層溶液，立即過濾，取濾液1 mL，加入2.5 mL 60%乙酸溶液，5 mL顯色劑，加水定容至25 mL放于暗處，25 min后測定其在550 nm處的吸光度值。

1.3.4.4 吸附膽固醇能力的測定

分別準確吸取0.1 mg/mL的膽固醇標準溶液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，同時以0.4 mL冰乙酸做空白，然后依次加入1 mg/mL鄰苯二甲醛0.2 mL及混合酸[V(冰乙酸)∶V(濃硫酸)=1∶1]4.0 mL，靜置10 min，于波長550 nm處測定各標準管的吸光度值，重復2次，將平均值進行線性回歸，回歸方程Y=5.332X+0.003 719，R2=0.999 0(圖2)。

圖2 膽固醇標準曲線

準確稱取改性前后的甘薯渣IDF 0.15 g，用4 mL冰乙酸飽和2 h，加入0.5 mg/mL的膽固醇溶液10 mL，25 ℃恒溫振蕩90 min。取0.4 mL上清液，然后依次加入1 mg/mL鄰苯二甲醛0.2 mL及混合酸[V(冰乙酸)∶V(濃硫酸)=1∶1]4.0 mL，靜置10 min，從比色管中分別取2 mL溶液，用冰乙酸稀釋至10 mL，同時以0.4 mL冰乙酸做空白，于波長550 nm處測定吸光度值，重復2 次，取平均值。

1.3.5 數據統計分析

本文采用Microsoft Office 2013處理數據，GraphPad Prism 7.0軟件作圖，采用Multiple t tests 作顯著性差異分析。

2 結果與分析

2.1 不同改性方法對IDF粒徑和分散指數的影響

膳食纖維的粒度和分散指數對其功能性質影響較大，膨脹力、持水力和持油力隨粒度的減小而增大，但當粒度小于100目時，會使其上述性能下降，結合水力則隨粒度的減小而減小[15]。如圖3和表1所示，與未改性甘薯渣IDF相比，膠體磨濕法粉碎法、超聲波輔助酸法、纖維素酶法改性之后，甘薯渣IDF的粒徑、分散指數顯著降低(P<0.01)。尤其是當采用纖維素酶法改性后，甘薯渣IDF粒徑由(12 063.19±1 873.10) nm減小到(127.57±1.02) nm，分散指數由0.837±0.189減小為0.571±0.008，表明甘薯渣IDF不僅粒徑在減小，而且其大小分布由雜亂不一逐漸變得較為集中，這與HAYASHI等[16]將纖維素用酸、酶處理后，比酸水解得到的微纖維素相對分子質量要低的結論一致。這可能是甘薯渣經過纖維素酶改性處理后，被束縛且未降解的纖維素會進一步溶出糊化，經后續醇沉工序將混到 IDF 中，影響 IDF 的表征[17]。

圖3 不同改性方法對IDF粒徑分布的影響

表1 不同改性方法對IDF粒徑和分散指數的影響

2.2 不同改性方式對甘薯渣IDF結構形態的影響

通過放大20 000×倍數的掃描電鏡觀察未改性甘薯渣IDF與膠體磨濕法粉碎法、超聲波輔助酸法、纖維素酶法改性后樣品表面結構見圖4。由圖4-a可看出，甘薯渣IDF為不規則的塊狀緊密結構，凹凸不一，且在表面附著許多小顆粒。圖4-b是經膠體磨濕法粉碎法改性IDF，顆粒感明顯減少，結構更加完整和致密。圖4-c和4-d是IDF經超聲波輔助酸法和纖維素酶法改性，可見其表面顆粒和光滑球體的數量顯著降低，顯示不規則的、大的、致密的層壓微結構，但有凹陷和褶皺，這暴露了多糖類內部可能有更多相關的活性集團，從而導致甘薯渣生理功能增強[18]。這與YU等[19]對胡蘿卜不溶性膳食纖維改性研究的表征結構一致。

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

2.3 不同改性方式對IDF性能的影響

不溶性膳食纖維的持油力越大，生理活性越好。由表2可知，改性前IDF的持油力為1.9 g/g，經過膠體磨濕法粉碎法、超聲波輔助酸法、纖維素酶法3種不同改性處理后，其持油力分別為3.40、2.53、2.97 g/g，與IDF相比，其持油力都極顯著提高(P<0.01)，其大小表現為膠體磨濕法粉碎法>纖維素酶法>超聲波輔助酸法，原因可能是IDF在膠體磨中受到高速剪切和高頻振動等機械力，使改性處理后的IDF粒度減小，可供吸油的表面積增大，且細顆粒樣品組成的纖維結構更為松散，毛細孔更多，因此能滲入更多的油[20]。不溶性膳食纖維分子表面含有很多活性基團，可吸附油類及腸道中的某些物質如脂肪顆粒等，起到降血脂的作用[21]。

持水力是不溶性膳食纖維生理特性的一個重要參數，良好的持水力可以減少產品的脫水和收縮，促進在人體的消化，改善食品口感，提高產品的保質期[22]。3種不同改性方式對薯渣不溶性膳食纖維持水力的影響如表2所示，改性前IDF的持水力為 0.17 g/g，經過膠體磨濕法粉碎法、超聲波輔助酸法、纖維素酶法改性處理后，其持水力分別為2.83、1.14、0.93 g/g，與IDF相比，其持水力都極顯著提高(P<0.01)，其大小表現為膠體磨濕法粉碎法>超聲波輔助酸法>纖維素酶法，原因可能是膠體磨濕法粉碎過程中水介質的存在，使得膠體磨表現出極強的剪切力，親水基團暴露且部分IDF轉化為SDF，增加了體系黏度且吸水膨脹，對水分的束縛加大[22]。而超聲波輔助酸法處理使甘薯渣IDF持水力增加，是因為超聲波產生的空穴效應能形成瞬時高壓并不斷撞擊物料，破壞了甘薯渣IDF網狀結構，蛋白質分子之間的疏水作用減弱，使其破碎成粒徑更小的物質，比表面積增大，暴露出更多的親水基團，這些結構變化使其持水力增加[23]。不溶性膳食纖維的持水力可以使不溶性膳食纖維進入消化道后吸水膨脹，增加食物體積，促進胃腸蠕動，增加排便速度及次數，降低腸內壓力，起到通便的作用[24]。

不溶性膳食纖維能吸附人體中過度供給的膽固醇和甘油三酯等物質，從而有效降低血清濃度，減少和預防心腦血管疾病發生的危險。由表2可知，改性前IDF的膽固醇吸附能力為0.088 mg/g，經膠體磨濕法粉碎法、超聲波輔助酸法、纖維素酶法改性后，膽固醇吸附能力都有不同程度的提升，比改性前吸附能力分別提高62.5%、23.86%、7.95%，存在明顯差異(P<0.01)。其中吸附能力提升最多的膠體磨濕法粉碎法改性后，吸附量由0.088 mg/g上升到0.143 mg/g。

2.4 不同改性方式對甘薯渣IDF吸附亞硝酸鹽能力的影響

亞硝酸鹽可與胃中的仲胺、叔胺類物質作用轉化為具有致癌作用的N-亞硝胺，導致癌癥的發生[25]，而膳食纖維能夠吸收體內的一些有害物質，起到防治疾病的作用。如圖5所示，在相同振蕩時間，不同的pH下，甘薯渣IDF對亞硝酸鹽的吸附能力差異較大，當pH在2～7時，隨著pH的上升，甘薯渣IDF吸附亞硝酸鹽的能力逐漸上升。當pH=2時，未改性甘薯渣IDF亞硝酸鹽吸附量只有0.042 mg/g，而當pH=7時，其亞硝酸鹽吸附量上升到0.585 mg/g。在相同的pH情況下，亞硝酸鹽的能力隨著振蕩時間的延長呈下降趨勢，不同改性方法處理的甘薯渣IDF差異較大，整體呈WIDF>UIDF>EIDF>IDF，即改性后效果較未改性效果更佳。

表2 不同改性方法對IDF性能的影響

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

3 結論

本文通過3種方法對甘薯渣IDF進行改性，并分析了其改性后結構和理化性質的變化。經不同改性處理后，IDF的結構較未改性前均有較大的變化，持油力、持水力均極顯著高于未改性IDF(P<0.01)，吸附亞硝酸鹽和膽固醇能力也高于未改性IDF。3種改性方法改性甘薯渣IDF各有優勢，膠體磨濕法粉碎法改性甘薯渣IDF后，甘薯渣IDF的顆粒感減小，結構更加完整和致密，吸附亞硝酸鹽和膽固醇的能力最強。超聲波輔助酸法改性甘薯渣IDF后，甘薯渣IDF的分散指數最小，體系最為均勻，持油力和持水力最佳。纖維素酶法改性甘薯渣IDF后，其粒徑最小。雖然這3種方法都有各自的具體優勢，但膠體磨濕法粉碎法處理后，改性甘薯渣IDF整體理化性能和功能特性更全面、更優質。因此，甘薯渣改性后的膳食纖維可作為功能性食品添加劑應用于烘焙、肉類、乳制品和飲料中，這些副產品的有效利用可進一步提升經濟效益。