超聲波改善大蒜秸稈不溶性膳食纖維結(jié)構(gòu)及吸附性

黃六容，陳 甜，趙勻淑，李 璇，陳文文

（江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

0 引 言

膳食纖維是當前國際公認的一種功能性食品基料，被稱之為除水、蛋白質(zhì)、糖類、脂類、維生素、礦物質(zhì)六大營養(yǎng)要素之外的第七營養(yǎng)素，它具有潤腸通便、調(diào)節(jié)血糖濃度、降血脂血壓等多種生理功能[1-5]。不同原料來源的膳食纖維，其生理功能的強弱程度是不一樣的[6-8]。因此，在開發(fā)膳食纖維時，應(yīng)該選用那些本身生理功能比較好的膳食纖維原料，才能獲得具有良好口感和功能特性的新一代活性膳食纖維食品。

整株大蒜包括地下鱗莖和地上大蒜葉，大蒜鱗莖具有降低血脂、預(yù)防血栓、抑制癌細胞的生長、降低血糖等功效，大蒜秸稈即為地上大蒜葉部分，它具有與大蒜鱗莖相當?shù)墓π9-10]。大蒜秸稈主要由不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber，IDF)和可溶性膳食纖維(soluble dietary fiber，SDF)組成，其質(zhì)量分數(shù)分別為72.20%和7.15%，相對于SDF，IDF的含量高得多，但是IDF的功能作用卻相對較弱[11]。因此，采用適當?shù)母男允侄螌枯^高的IDF進行改性處理，改變其組織結(jié)構(gòu)，增強其功能特性，從而使不溶性膳食纖維發(fā)揮更大的功能作用，對于提高大蒜秸稈資源的綜合利用效率具有積極的意義。

生物法改性膳食纖維一般利用酶解和微生物發(fā)酵法，其成本比較高[12]；化學(xué)處理法往往需要大量的酸或堿進行處理，會帶來一定的環(huán)境污染[13]；一些物理處理法如高壓和高溫處理，操作安全性受到一定影響[14-15]。超聲技術(shù)是一種高效、環(huán)保、安全的加工技術(shù)，在改變食品的物理化學(xué)特性方面具有廣泛的應(yīng)用，它能有效打破多糖的化學(xué)鍵，使組織疏松和表面疏水性改變，從而使活性成分容易釋放出來[16-18]。因此，本研究以提高不溶性膳食纖維的降糖能力為目標，對大蒜秸稈的IDF進行超聲波處理，確定超聲對其改性的最優(yōu)工藝條件，并對不溶性膳食纖維的理化特性和微觀結(jié)構(gòu)變化進行分析，從而為膳食纖維的功能改性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大蒜秸稈由金鄉(xiāng)成功生物科技有限公司提供；鄰苯二甲醛，都萊生物科技有限公司；淀粉葡萄糖苷酶和木瓜蛋白酶，上海金穗生物科技有限公司；高溫α-淀粉酶，無錫雪梅酶制劑有限公司；其他為國藥集團化學(xué)試劑有限公司分析純試劑。

1.2 儀器與設(shè)備

Unic7200分光光度計，上海尤尼柯儀器有限公司；DL-5C離心機，上海安亭儀器廠；GA99-ⅡD超聲細胞破碎機，無錫上佳生物技術(shù)有限公司；S-4800電子顯微鏡，日本Hitachi公司；Nicolet 6700傅立葉紅外光譜儀，美國Nicolet儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原料的預(yù)處理

大蒜秸稈于大蒜鱗莖收割后采收，于陽光下曬干，剪為1～2 cm段后50℃烘干至恒定質(zhì)量，粉碎后過60目篩。

1.3.2 不溶性膳食纖維（IDF）的制備

取30 g大蒜秸稈粉末，加蒸餾水900 mL，95℃預(yù)熱30 min，加入1.5 mL高溫α-淀粉酶，蓋上鋁箔紙，95℃反應(yīng)時間35 min；反應(yīng)后，冷卻至60℃，調(diào)節(jié)pH值至7.5，加入50 mg/mL的木瓜蛋白酶3 mL，60℃水浴30 min；然后加入3 mol/L的乙酸溶液，調(diào)節(jié)pH值到4.5，加入液體淀粉葡萄糖苷酶3 mL，60℃反應(yīng)30 min，酶解液100℃滅酶15 min。反應(yīng)液5 000 r/min離心15 min，離心所得沉淀依次用78%乙醇、95%乙醇洗滌，然后60℃烘干至21.5 g即得IDF。

1.3.3 超聲波處理單因素試驗

取不同質(zhì)量（依據(jù)料液比）的IDF置于500 mL的燒杯中，加入300 mL蒸餾水，于25℃的恒溫水浴鍋中保溫10 min，然后在一定的超聲功率和時間下進行超聲處理，超聲探頭直徑為2 cm，工作2 s間歇2 s。分別以液料質(zhì)量比（以下簡稱液料比，20:1、30:1、40:1、50:1、60:1）、超聲功率（250、400、550、700、850 W）和超聲時間（10、20、30、40、50 min）為影響因素，以葡萄糖吸附量為響應(yīng)值，通過單因素試驗考察超聲對IDF改性效果的影響。超聲處理完成后，樣品于-20℃冷凍干燥得到粉末，留待下一步分析。同樣溶解和冷凍干燥但未進行超聲處理的樣品作為對照。

1.3.4 響應(yīng)面試驗設(shè)計

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以葡萄糖吸附量為響應(yīng)值（Y），對液料比（X1）、超聲功率（X2）和超聲時間（X3）用Design expert 8.06軟件的Box-Behnken法設(shè)計三因素三水平試驗，各試驗因素、水平見表1。

表1 試驗因素與水平表Table 1 Factors and levels code

1.3.5 葡萄糖吸附能力的測定（glucose adsorption capacity,GAC）[19]

稱取l.0 g的IDF于250 mL的錐形瓶中，加入100 mL濃度為100 mmol/L的葡萄糖溶液，混勻后在37℃下震蕩6 h，4 500 r/min轉(zhuǎn)速下離心20 min，吸取上清液，采用蒽酮法測定上清液中葡萄糖含量[20]。IDF對葡萄糖吸收能力按公式（1）計算。

其中，M為IDF質(zhì)量，g，C0為吸附前葡萄糖濃度，mmol/L，C1為吸附后上清液中葡萄糖濃度，mmol/L，V為吸附液體積，L。

1.3.6 膽固醇結(jié)合能力的測定（cholesterol binding capacity,CBC）[21]

鮮雞蛋去蛋清留蛋黃，加入9倍質(zhì)量的蒸餾水充分攪打成乳液。稱取l.0 g IDF于l00 mL的錐形瓶中，向每個錐形瓶中加入25 mL稀釋的蛋黃液并攪拌均勻，在37℃下振蕩2 h，4 500 r/min轉(zhuǎn)速下離心20 min，吸取上清液，采用鄰苯二甲醛法測定膽固醇含量[20]。IDF對膽固醇的吸附量按公式（2）計算。

式中，W為IDF質(zhì)量，g，W2為吸附前蛋黃液中膽固醇含量，mg，W1為吸附后上清液中膽固醇含量，mg。

1.3.7吸水性、持油性、膨脹性測定

1）吸水性 (water retention capacity，WRC)[22]。稱取IDF 1.0 g于100 mL燒杯中，加入蒸餾水70 mL，磁力攪拌24 h，轉(zhuǎn)移至離心管中，在4 500 r/min的速度下離心10 min，完全除去上清液，稱質(zhì)量。按公式（3）計算樣品的持水性。

式中M2為樣品吸水后的質(zhì)量，g，M1為樣品干質(zhì)量，g。

2）持油性 (oil holding capacity,OHC)[23]。稱取IDF 1.0 g于50 mL離心管中，加入大豆油30 mL，攪拌均勻后靜置16 h，4 500 r/min離心10 min，完全去掉上油層，稱質(zhì)量。按公式（4）計算樣品的持油性。

式中M3為樣品吸油后的質(zhì)量，g。

3）膨脹性 (water swelling capacity，WSC)[22]：稱取IDF 1.0 g于25 mL帶刻度試管中，加入蒸餾水至25 mL，混勻后于室溫下放置4 h，讀取物料的體積。膨脹性以每g樣品吸附水后的體積表示。

1.3.8 微觀形態(tài)觀察

IDF樣品表面噴金后，利用掃描電子顯微鏡觀察（scanning electron morphology,SEM）觀察膳食纖維的結(jié)構(gòu)，加速電壓為5 kV。

1.3.9 紅外光譜分析

取IDF樣品與KBr（質(zhì)量比1:250）混合均勻，然后取適量的粉末轉(zhuǎn)至壓膜器內(nèi)進行壓片，然后進行紅外光譜儀測試。參數(shù)設(shè)置：分辨率為2 cm-1，掃描次數(shù)32次，掃描范圍為400～4 000 cm?1。

1.3.10 數(shù)據(jù)處理方法

所有試驗進行3次重復(fù)測定，數(shù)據(jù)以平均值±標準偏差(±SD)的形式表示，采用 Excel 2010 統(tǒng)計分析，P<0.05為差異性顯著，OriginPro8.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 液料比對大蒜秸稈IDF葡萄糖吸附能力的影響

膳食纖維可吸附葡萄糖，阻礙葡萄糖的擴散以降低小腸內(nèi)葡萄糖的有效濃度，從而達到幫助降低餐后血糖水平的作用[24]。300 mL蒸餾水與一定量IDF分別按液料比20:1、30:1、40:1、50:1、60:1混合，在超聲功率500 W處理20 min后所得IDF對葡萄糖的吸附量如圖1所示?？梢姡斠毫媳葟?0:1變?yōu)?0:1時，所得IDF的葡萄糖吸附量明顯增大（P<0.05），可能是因為樣品濃度高時，其流動性差，不利于超聲的空化效應(yīng)和機械作用的發(fā)揮。進一步增加液體量，當液料比為40:1、50:1和 60:1時，所得的葡萄糖吸附量與30:1相比沒有顯著性差異(P>0.05)。相同液體體積下，液料比30:1時所得的IDF產(chǎn)量明顯高于40:1、50:1和 60:1時，故后續(xù)試驗均選擇液料比30:1。

圖1 液料比對IDF葡萄糖吸附力的影響Fig.1 Effect of liquid sample ratio on glucose adsorption capacity of IDF

2.2 超聲功率對大蒜秸稈IDF的葡萄糖吸附能力的影響

10 g IDF與蒸餾水按液料比30:1混合，超聲處理20 min，不同超聲功率對IDF葡萄糖吸附力的影響結(jié)果如圖2所示?？梢?，超聲功率從250 W增加到700 W時，IDF對葡萄糖吸附量逐漸上升，700 W所得IDF的吸附力最大為4.45 mmol/g，進一步提高超聲功率，IDF的吸附力沒有繼續(xù)增加（P>0.05），說明700 W對IDF的葡萄糖吸附力的促進作用達到最大化。

圖2 超聲功率對IDF葡萄糖吸附力的影響Fig.2 Effect of ultrasonic power on glucose adsorption

2.3 超聲時間對大蒜秸稈IDF的葡萄糖吸附能力的影響

10 g大蒜秸稈IDF與300 mL蒸餾水混合，經(jīng)過超聲功率700 W處理不同時間后，其對IDF的葡萄糖吸附力影響結(jié)果如圖3所示。超聲時間超過20 min后，相對于處理10 min都有顯著性影響（P<0.05），但是20 min和30 min之間差異不顯著，而超聲處理時間為40 min時，所得IDF對葡萄糖的吸附力最大，其吸附力為4.72 mmol/g。根據(jù)以上試驗結(jié)果，對大蒜秸稈IDF的葡萄糖吸附能力提高最為明顯的處理條件為：液料比30:1、超聲功率700 W和超聲時間40 min。

圖3 超聲時間對IDF葡萄糖吸附力的影響Fig.3 Effect of ultrasonic time on glucose adsorption capacity of IDF

2.4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗結(jié)果分析

試驗因素組合條件及結(jié)果如表2所示。

表2 Box-Behnken設(shè)計和試驗結(jié)果表Table 2 Box-Behnken design and experimental results

對表2的試驗結(jié)果用Design-Expert 8.06統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析，通過建立響應(yīng)面的回歸模型，進而尋求最優(yōu)響應(yīng)值的因素水平，分析結(jié)果見表3?？梢娔Ｐ蚉值為0.001 1，高度顯著，決定系數(shù)R2＝0.979 6，說明回歸方程的擬合度越好。方差分析顯示X2、X3和X2X3對葡萄糖吸附量的影響不顯著，剔除不顯著項，響應(yīng)面回歸模型方程可簡化為式（5）。

對該回歸模型進行分析，可得到最佳預(yù)處理條件為：液料比33:1，超聲功率707 W，超聲時間40.6 min。對上述最佳條件進行驗證試驗，為了操作方便，最佳處理條件修正為液料比30:1，超聲功率700 W，超聲時間40 min，結(jié)果得到葡萄糖吸附量為4.74 mmol/g，與理論值4.69 mmol/g無差異（P<0.05），說明采用響應(yīng)面法優(yōu)化的提取條件具有實際應(yīng)用價值。

表3 葡萄糖吸附量回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of glucose adsorption regression equation

2.5 超聲處理對IDF品質(zhì)和功能的影響

色澤是食品的主要表觀特征之一，色澤的影響不僅僅是視覺上，而且賦予人們對食品品種、品質(zhì)優(yōu)劣和新鮮與否的聯(lián)想。對照和最佳超聲條件處理所得IDF的顏色如圖4所示，對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過超聲改性后，所得IDF產(chǎn)品的顏色變淺，表觀更受人歡迎，可能因為超聲過程中的空化作用和熱作用導(dǎo)致膳食纖維中色素分子降解。

圖4 超聲處理和對照IDF的顏色Fig.4 Color of control and ultrasonic-treated IDF

攝入膳食纖維有助于減肥、降低血糖和血脂等，對人體健康有十分重要的意義[1-2]。大蒜秸稈IDF的降血糖和降血脂能力分別通過體外葡萄糖和膽固醇吸收力表征。經(jīng)過最佳處理后，所得IDF的相關(guān)功能和理化性質(zhì)如表4所示。

表4 超聲改性IDF的功能和理化特性Table 4 Functional and physicochemical properties of modified garlic straw IDF by ultrasound

由表4可見，經(jīng)過超聲改性的不溶性膳食纖維的葡萄糖吸附力和膽固醇結(jié)合力分別為4.74 mmol/g和15.15 mg/g，與未處理的對照相比，分別提高了12.8% 和45.0%(P<0.05)，說明超聲作用對膽固醇的吸附力影響更大。改性后膳食纖維的膨脹力、吸水力和持油力分別為13.08 mL/g、9.66 g/g和9.28 g/g，均明顯高于對照組。研究結(jié)果表明，超聲改性后的不溶性膳食纖維具有更好的功能品質(zhì)和理化特性。

2.6 不溶性膳食纖維微觀結(jié)構(gòu)的觀察

利用電子掃描顯微鏡對在最優(yōu)條件液料比30:1、超聲功率700 W和時間40 min下超聲處理的不溶性膳食纖維進行微觀結(jié)構(gòu)觀察，結(jié)果如圖5所示。可見，未經(jīng)改性處理的大蒜秸稈不溶性膳食纖維微觀表面粗糙，致密均勻，呈完整塊狀，而經(jīng)過超聲改性后，其微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的疏松，出現(xiàn)了蜂巢形的多孔性特征，并有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，且有部分出現(xiàn)斷裂和破碎?？梢?，改性后的膳食纖維表面積更大，從而表現(xiàn)出更強的吸附力[25]。

圖5 大蒜秸稈不溶性膳食纖維的掃描電鏡圖Fig.5 Scanning electron microscopy of garlic straw IDF

2.7 膳食纖維紅外光譜測試

傅里葉紅外光譜是一種可以有效提供膳食纖維的化學(xué)組成、分子構(gòu)象和氫鍵特性等信息的重要技術(shù)[26]。圖6為大蒜秸稈不溶性膳食纖維改性前后的紅外光譜（400～4000cm?1）。

圖6 超聲處理前后大蒜秸稈不溶性膳食纖維的紅外光譜圖Fig.6 Fourier transformed infrared spectra of garlic straw IDF before and after treatment of ultrasonic

所有樣品在3 400 cm?1出現(xiàn)纖維素和半纖維素的O-H 伸縮振動帶，898 cm?1處出現(xiàn)多糖的β-構(gòu)型糖苷鍵的吸收峰，1 250和 1 030 cm?1處的峰為 C-O 的伸縮振動，1 620 cm?1為木質(zhì)素的芳香烴的典型吸收峰，2 917和 2 852 cm?1為多糖的亞甲基伸縮峰[27-28]。對比二者的圖譜發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過超聲改性處理后，沒有明顯新的化學(xué)基團出現(xiàn)，不同的只是峰強度都明顯增加，說明超聲對IDF的改性作用主要是破壞纖維素和半纖維素的鏈間和鏈內(nèi)氫鍵，使膳食纖維的結(jié)構(gòu)發(fā)生疏松，大分子降解為小的分子片斷，表面積增加，從而表現(xiàn)出更強的吸附力。

3 結(jié)論

1）通過單因素和響應(yīng)面試驗優(yōu)化得到大蒜秸稈高降糖功能不溶性膳食纖維的超聲改性條件，得出超聲對不溶性膳食纖維的葡萄糖吸附功能改性條件為：液料比30:1，超聲功率700 W，超聲時間40 min。經(jīng)過該超聲工藝改性的不溶性膳食纖維的葡萄糖和膽固醇結(jié)合力分別為4.74 mmol/g和15.15 mg/g，與對照相比，分別提高了12.8% 和45.0% （P<0.05）。同時，不溶性膳食纖維經(jīng)過改性后，其膨脹力、持水力和吸油力分別為13.08 mL/g、9.66 g/g和9.28 g/g，均明顯高于對照組（P<0.05）。

2）本試驗優(yōu)化得到的最佳吸附葡萄糖的超聲處理工藝對不溶性纖維的化學(xué)基團沒有造成破壞，但是它使大蒜秸稈不溶性膳食纖維的微觀結(jié)構(gòu)變?yōu)槭杷?、蜂巢形的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且部分斷裂破碎，這些改變使得膳食纖維具有更強的吸附力。

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