高壓均質處理對竹筍膳食纖維理化性質及結構的影響

游玉明，王昱圭，張潔，鄭炯*，吳良如

1(重慶文理學院 園林與生命科學學院，重慶，402160)2(西南大學 食品科學學院，重慶，400715) 3(國家林業和草原局竹子研究開發中心，浙江 杭州，310012)

竹筍是一種高蛋白、高纖維、低脂肪的綠色健康食品，因具有抗氧化、抑菌、增強免疫、預防糖尿病等多種生理功效，越來越受到廣大消費者的青睞[1-2]。我國是竹筍的主要種植加工基地，其消費量超過全球消費總量的65%，但新鮮竹筍貯藏期短，易木質化變質，故60%以上的鮮筍均被加工成筍干、清水筍、發酵筍等產品[3-4]。每加工1 t竹筍即會產生0.5 t的筍殼、筍腳等副產物，其中大多被隨意丟棄，不僅造成資源浪費，且污染環境[5]。因此，如何有效開發利用竹筍加工副產物，增加竹筍加工業的附加值，實現產業的健康可持續發展顯得尤為重要。

膳食纖維因具有諸多生理功效而被譽為人類的第七大營養素。竹筍富含膳食纖維，約占干重的19.3%～35.5%，是一種價格低廉、天然綠色的膳食纖維來源[6]。研究表明，竹筍膳食纖維(bamboo shoots dietary fiber, BSDF)不僅具有降低膽固醇、促進腸道益生及增強胰島素敏感性等生理功效，還具有改善食品口感和促進食品體系穩定等作用[7-11]。因此，在食品工業中常被用于充當脂肪替代物、功能性添加劑及充填劑。但BSDF主要為不可溶性膳食纖維，若直接用于食品配料，將影響食品口感，從而限制了其在食品工業的中應用。近年來，為了促進BSDF的利用、改善品質，生物酶法、亞臨界水等[3, 12-14]技術被廣泛應用于BSDF的改性。

目前國內外主要采用生物法、化學法及物理法對膳食纖維進行改性。其中物理法經濟環保、能較好的保留膳食纖維的生物活性，受到了廣大科研工作者的關注[15]。高壓均質(high-pressure homogenization, HPH)技術是一種高效率、低耗時的物理改性方法，它利用物料在高壓作用下，通過具有特殊構造的均質腔，進而形成高速剪切、對流碰撞、空穴效應等物理作用，進而使物料大分子的連接鍵斷裂，顆粒細化，同時使其表面結構變得疏松[16-17]。黃素雅等[18]采用HPH處理豆渣水不溶性膳食纖維后，其水溶性膳食纖維的含量提高，促進其對膽固醇和膽酸的吸收；COLLETTI等[19]研究發現HPH處理能促使大豆纖維的顆粒細化，增大比表面積，提高其水合凝膠強度；SU等[20]利用HPH改性柑桔皮膳食纖維，改性后的膳食纖維熱穩定性降低，微觀形態發生改變，持水、持油等能力均得到了改善。關于HPH處理對BSDF理化性質和結構特征影響的研究鮮有報道。本研究采用HPH技術處理BSDF，測定處理前后其粒徑、持水力、持油力等理化性質以及官能團特性、微觀形態等結構特征，以期為BSDF的高值化利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮麻竹筍，重慶市北碚區天生農貿市場；木瓜蛋白酶(80萬U/g)，美國Sigma公司；葡萄糖、亞硝酸鈉、鹽酸萘乙二胺、對氨基苯磺酸等均為分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

Scientz-297A高壓均質機，寧波新芝生物科技股份有限公司；Zetasizer Nano ZS粒度分析儀，英國馬爾文儀器有限公司；BI-200SM激光光散射儀，美國Brookhaven儀器公司；D8 Advance X-衍射儀，德國Bruker公司；Spectrum 100 紅外光譜儀，美國Perkin Elmer 公司；STA 449 F3 Jupiter同步熱分析儀，德國耐馳儀器公司；JSM6510LV 掃描電子顯微鏡，日本電子株式會社。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品處理

取新鮮麻竹筍去殼，切片后沸水漂燙10 min，80 ℃烘干，粉碎后過200目篩。過篩后的竹筍粉，按1∶40(g∶mL)加入去離子水混勻，再添加3 000 U/g木瓜蛋白酶底物，56 ℃酶解1.5 h，沸水浴10 min滅酶，蒸餾水清洗后過濾，收集濾渣，冷凍干燥后得粗BSDF。

取上述竹筍膳食纖維粉配制成1.0 g/100mL溶液，膠體磨研磨10 min，研磨后的溶液采用HPH處理，均質壓力分別設置為20、40、60、80、100 MPa，同時以未均質處理為對照。收集均質后的溶液，冷凍干燥后得改性BSDF。

1.3.2 理化性質的測定

1.3.2.1 粒徑測定

將樣品用去離子水稀釋成質量濃度為1 mg/mL的溶液，混勻后置于1 cm光程石英比色皿中，在粒度分析儀上測定其粒徑大小，檢測波長為633 nm，檢測角為90°。

1.3.2.2 持水力、持油力和膨脹力測定

參考LYU等[21]的方法并略做修改，稱取1.0 g樣品置于燒杯中，加入去離子水或食用油后靜置60 min，置于濾紙上瀝干，稱重測定持水力(water holding capacity,WHC)和持油力(oil holding capacity,OHC)；稱取0.5 g樣品置于10 mL量筒中，記錄干樣品的體積后加入8 mL去離子水，振蕩均勻，25 ℃條件下放置24 h后記錄吸水后的體積，計算膨脹力(swelling capacity,SC)。

1.3.2.3 吸附能力測定

(1)葡萄糖吸附能力[22]。稱取0.5 g樣品與100 mL葡萄糖溶液(100 mmol/L)混勻，37 ℃振蕩孵育6 h，離心取上清液，采用蒽酮比色法測定葡萄糖的含量，葡萄糖吸附能力計算如公式(1)所示：

(1)

式中：c0，吸附前葡萄糖濃度，mmol/L；c1，吸附后葡萄糖濃度，mmol/L；V，溶液體積，mL；w，樣品的質量，g。

(2)亞硝酸鹽吸附能力[23]。稱取0.5 g樣品與100 mL亞硝酸鈉溶液(100 μmol/L)混勻，然后將溶液的pH值調整為2.0和7.0。將混合物在37 ℃振蕩孵育6 h，收集上清液，采用鹽酸萘乙二胺法測量亞硝酸鹽的含量，亞硝酸鹽吸附能力計算如公式(2)所示：

(2)

式中：m0，吸附前亞硝酸鹽含量，μg；m1，吸附后亞硝酸鹽含量，μg；w，樣品的質量，g。

1.3.3 結構特征的測定

1.3.3.1 傅里葉紅外光譜分析

取1 mg干燥樣品與100 mg KBr于瑪瑙研缽中充分研磨，壓制成透明薄片立即進行紅外光譜掃描，掃描次數：32次，分辨率：4 cm-1，掃描范圍：500～4 000 cm-1。

1.3.3.2 X-射線衍射分析

采用步進掃描法。測試條件為：靶：Cu-Kα，步寬：0.02°，電壓：40 kV，電流：40 mA，掃描速率：6°/min，掃描范圍：5°～35°。

1.3.3.3 熱重分析

采用同步熱分析儀進行測定。稱取約4 mg樣品于鋁盤中，壓片并以空盤為對照。在充氮條件下，以25 ℃/min從25 ℃升溫至600 ℃。

1.3.3.4 掃描電鏡分析

將樣品固定在雙面導電的樣品臺上，并噴涂金層，然后用掃描電鏡進行微觀結構觀察。設置電壓為15 kV，放大倍數為500倍。

1.3.4 數據處理

2 結果與分析

2.1 HPH處理對BSDF理化性質的影響

2.1.1 粒度

膳食纖維的粒徑與其膨脹力、吸附性及胃腸轉運時間等理化性質和功能特性密切相關[24]。由圖1可知，HPH處理可顯著減小BSDF的粒徑(P<0.05)，且隨著處理壓力的增加其粒徑持續下降，當處理壓力為100 MPa時，BSDF的平均粒徑為(630.56±28.09) nm，比未處理樣品下降了68.63%，這與SU等[20]將柑橘皮纖維素采用不同HPH處理后，其粒徑減小的結論一致[20]。這可能是在HPH處理過程中所產生的高速剪切、對流碰撞、空穴等物理作用促使BSDF的結構被破壞，顆粒斷裂，從而導致粒徑減小，且其破壞作用與HPH壓力成正比[25]。研究表明，在一定范圍內，隨著粒徑的減小，膳食纖維的持水力、持油力及膨脹力等均顯著提高[26]。

圖1 HPH處理對BSDF粒徑的影響Fig.1 Effect of HPH treatment on the particle size of BSDF注：圖中不同字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)

2.1.2 持水力、持油力和膨脹力

膳食纖維良好的持水性、持油力及膨脹力可減少食品的脫水和收縮，提高乳化穩定性，同時具有增強飽腹感，促進胃腸蠕動等功效[27]。由表1可知，經HPH處理后,BSDF的持水性、持油力及膨脹力均顯著提升(P<0.05)，其中經100 MPa HPH處理后，樣品的持水性、持油力和膨脹力達到了最大值，分別為(13.97±0.86)、(10.76±0.99)g/g和(5.87±0.80)mL/g，較未處理樣品分別提高了42.26%、53.30%、52.47%，存在顯著差異(P<0.05)，這一結論與汪楠等[13]采用高溫協同酶法處理改性竹筍膳食纖維結果相似。膳食纖維的持水力和膨脹力等與其粒徑大小、電荷密度、比表面積及孔隙率等有關[27]。HPH處理后BSDF的粒徑減小，比表面積和孔隙率增加，為水和油分子提供了更多的貯存空間，同時HPH處理導致了其致密的網狀結構被破壞，暴露出更多的親水、親油性基團，進而促使持水性、持油力和膨脹力的增加[20]。YANG等[12]發現120 MPa HPH處理后的毛竹筍膳食纖維持水力和膨脹力顯著提升，但其持油力未發生變化，這可能隨著處理壓力的增加，在其比表面積增加的同時粒徑進一步減小，發生重聚集現象，從而影響了其持油力。

表1 HPH處理對BSDF持水力、持油力和膨脹力的影響Table 1 Effect of HPH treatment on the WHC, OHC and SC of BSDF

2.1.3 葡萄糖及亞硝酸鹽吸附力

由表2可知，HPH處理后BSDF對葡萄糖的吸附能力顯著提高(P<0.05)，其中100 MPa處理樣品比未處理樣品提高了32.16%。這可能是HPH處理使BSDF的質地變得疏松，更多的功能基團暴露出來，使葡萄糖分子與BSDF之間的范德華力以及氫鍵作用增大。同時，隨著HPH處理壓力的增加，BSDF的粒徑不斷減小，為葡萄糖的吸附提供了更大的比表面積和更多的孔隙。此外，HPH處理還可增加可溶性膳食纖維的含量，而可溶性膳食纖維顆粒可作為葡萄糖擴散的物理障礙，增加了纖維網絡對葡萄糖分子的束縛和捕獲能力[18, 28]。因此，經HPH處理后能顯著提升BSDF對葡萄糖的吸附能力，從而有效控制餐后血糖的升高。

表2 HPH處理對葡萄糖及亞硝酸鹽吸附力的影響Table 2 Effect of HPH treatment on the glucose and NaNO2absorption capacity of BSDF

膳食纖維以其獨特的吸附性能或特異性功能基團與亞硝酸根離子進行反應，從而阻止其與體內胺類物質反應生成具有致癌作用的N-亞硝基化合物，預防癌癥的發生[12]。HPH處理顯著增強了BSDF對亞硝酸鹽的吸附能力(P<0.05)，其中經100 MPa HPH處理的BSDF對亞硝酸鹽的吸附能力最強。說明HPH處理后，BSDF粒徑減小，更多的活性位點和網絡結構暴露出來，提高了BSDF對亞硝酸鹽的吸附能力，但其對亞硝酸的吸附作用受體系酸堿性影響，在pH 2時其吸附能力大于pH 7，這與YANG等[14]對高速剪切協同酶改性后竹筍膳食纖維對亞硝酸根的吸附實驗結果一致。研究表明，膳食纖維中富含羧基的酚類化合物顯著影響其對亞硝酸鹽的吸附能力。在酸性環境下，膳食纖維阿拉伯糖上結合的阿魏酸對亞硝酸根有強烈的吸附作用，當在中性環境中時，酚類化合物上的羧基發生解離，引起膳食纖維表面上負電荷的富集，進而排斥亞硝酸根離子，減小其對亞硝酸鹽的吸附能力[14, 29]。

2.2 HPH處理對BSDF結構特征的影響

2.2.1 紅外光譜分析

由圖2可知，HPH處理后的BSDF與未處理樣品有相似的光譜分布，無新的吸收峰出現，說明HPH處理未改變BSDF的化學官能團結構，但在相應的波數下吸收強度有變化。3 432 cm-1處的寬吸收峰表示纖維素和半纖維素的O—H伸縮振動帶，HPH處理后呈現出較弱的峰，這可能是HPH處理導致纖維素分子之間的氫鍵斷裂[12]。2 925 cm-1處的小尖峰代表BSDF中甲基和亞甲基上的C—H拉伸振動，HPH處理后的峰強度減弱，說明HPH處理導致了部分纖維素鏈之間氫鍵的斷裂和部分亞甲基遭到破壞，促使其形成多孔結構，有利于持油力的增加[19]。1 631 cm-1處吸收峰代表纖維素和水分子之間的氫鍵，HPH處理使此峰變弱，說明HPH的剪切、碰撞和空化作用破壞了BSDF中的氫鍵，從而降低BSDF中結合水的含量。1 481 cm-1處為BSDF的晶體吸收帶，吸收峰的明顯減弱，說明BSDF 的有序程度降低[30]。1 041～1 192 cm-1區域代表纖維素、木質素和殘余半纖維素的C—O 拉伸帶和變形帶；917 cm-1左右處出現多糖的β-構型糖苷鍵的吸收峰，經HPH處理后，吸收峰發生偏移，且峰值下降，這與HPH處理破壞了BSDF的木質素及半纖維素等大分子結構，將其分解為低聚糖等小分子質量物質密切相關[3]。以上結果說明，HPH處理BSDF的特征吸收峰強度有明顯變化，引起了晶體有序度降低，導致部分纖維素、半纖維素和木質素等組分的降解和重排，且隨著HPH壓力的增加，這些變化更加明顯。

圖2 HPH處理BSDF的紅外光譜圖Fig.2 FTIR spectra of BSDF treated by HPH

2.2.2 X-射線衍射分析

由圖3可知，2θ在22°附近為BSDF的主衍射峰，同時2θ在14°和24°附近處有較小的衍射弱峰，呈現出典型的天然纖維素晶體構型。HPH處理后，衍射峰的位置沒有明顯差異，說明BSDF的晶體構型沒有發生變化。但隨著HPH壓力的增加，一些不規則的弱峰減少，說明HPH處理可能促進了纖維素分子鏈間氫鍵的斷裂，從而破壞BSDF的非晶態部分，這與TU等[31]得到的結果相似。同時，HPH處理后BSDF的主衍射峰峰形變寬，特征峰的高度發生改變，當處理壓力為100 MPa時，樣品的結晶度從未處理的49.14%降低至35.42%，表明HPH處理后BSDF的有序度降低，結晶度減小，從而導致了持水力、膨脹力等增加，改善其生理功能，這與紅外光譜測定結果(圖2)一致。

圖3 HPH處理BSDF的X-射線衍射圖Fig.3 X-ray diffraction diagrams of BSDF treated by HPH

2.2.3 熱重分析

圖4是對BSDF的熱穩定性分析結果。如圖4-a所示，BSDF的熱分解過程主要由3個階段構成。第一個明顯的熱分解階段發生在40～100 ℃，該階段的失重由BSDF分子內部的自由水和結晶水逐漸蒸發損失造成，并且隨著HPH壓力的增加，該階段BSDF的失重率增加，這與HPH處理后BSDF具有更好的持水力有關；第二個失重階段發生在200～350 ℃，這是樣品失重率最高的階段，主要為纖維素和半纖維素的分解[32]。該階段經過HPH處理的BSDF失重率和失重速率顯著大于未處理組(圖4-b)，隨著處理壓力的增加，其熱穩定性降低。這可能是HPH處理后BSDF中的氫鍵和部分碳鏈已經斷裂，減少了熱解時的能量需求，且BSDF粒徑減小，從而增大了比表面積，使其更容易受熱分解[33]。BSDF結晶度的減小也促使了其熱穩定性降低，該結果與紅外光譜(圖2)和X-衍射(圖3)的分析結論一致。此外，由圖4-b可知，經100 MPa處理的BSDF僅在320 ℃左右存在1個失重峰，而其他處理條件下的BSDF均存在一大一小2個失重峰，由此可以推測HPH處理可以使部分半纖維素成分轉化為纖維素[32]；而在350 ℃之后，BSDF的主要成分已被熱分解，少量木質素和熱解殘余物在該階段緩慢分解產生碳和灰分，BSDF的失重減緩并最終趨于平穩。熱重分析結果表明，HPH可以通過破壞BSDF的形態和分子結構降低其熱穩定性，在實際食品加工過程中應適當控制加工溫度以免損失BSDF的優良性能和營養成分。

a-失重圖；b-失重速率圖圖4 HPH處理BSDF的熱重分析圖Fig.4 Thermogravimetric analysis of BSDF treated by HPH

2.2.4 掃描電鏡分析

圖5為500倍掃描電鏡觀察不同壓力HPH處理后BSDF的微觀結構的變化。由圖5-a可知，未處理的BSDF顆粒較大，成不規則片狀結構，表面較為光滑，纖維層狀結構清晰可見；經HPH處理后BSDF的表面開始變得粗糙，且有部分出現破碎和斷裂，隨著HPH處理壓力的增加，BSDF顆粒尺寸減小，比表面積和表面孔隙率增加(圖5-b～圖5-f)，當HPH壓力為100 MPa時顆粒尺寸最小，但部分顆粒開始產生聚集(圖5-f)，這可能是在HPH處理過程中BSDF受到流體與管道間的剪切力、流體與流體間的碰撞力以及空穴作用力等導致了顆粒尺寸減小，同時使其表面結構變得疏松，但隨著顆粒減小到一定程度，表面活性及吸附性的增加導致部分顆粒間開始聚集[17,34]。總體而言，HPH處理改變了BSDF的微觀結構，對其理化特性的改善產生了積極作用，這也為處理后BSDF具有良好的水合能力和吸附特性提供了依據。

a-0 MPa；b-20 MPa；c-40 MPa；d-60 MPa；e-80 MPa；f-100 MPa圖5 HPH處理BSDF的掃描電鏡(×500)圖Fig.5 Scanning electron microscope images of BSDF treated by HPH

3 結論

研究了不同壓力HPH處理對BSDF理化特性和結構特征的影響。結果發現，HPH處理后BSDF的粒徑顯著減小(P<0.05)，持水力、持油力、葡萄糖及亞硝酸鹽吸附能力等均顯著提高(P<0.05)。隨著處理壓力的增加，顆粒粒徑持續減小，持水力、持油力及亞硝酸鹽吸附能力等特性逐漸增強，其中處理壓力為100 MPa時效果最佳。傅里葉紅外光譜、X-射線衍射、掃面電鏡及熱重分析結果顯示，HPH處理后BSDF 的各吸收峰強度發生變化，纖維素、半纖維素、木質素等發生部分降解，結晶度減小，熱穩定性降低，比表面積和孔隙率增加，表面結構由致密變得疏松，但顆粒尺寸減小到一定程度后會發生團聚現象。綜上，HPH處理有效改善了BSDF的理化和結構特性，作為一種綠色高效的處理方式，可為功能性膳食纖維開發利用提供科學參考。