粒度對網(wǎng)紋瓜膳食纖維結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的影響

劉巖龍，張彩麗，黃萍萍，貢漢生

（魯東大學(xué)食品工程學(xué)院，山東煙臺264025）

網(wǎng)紋瓜（Cucumis melo L.var.reticulatus Naud）屬葫蘆科甜瓜屬的一個變種，是厚皮甜瓜的一種類型[1]，網(wǎng)紋瓜味美香甜，營養(yǎng)豐富，深受消費者喜愛。我國是網(wǎng)紋瓜的生產(chǎn)大國，栽培面積達(dá)20 萬hm2，年產(chǎn)量300萬t 以上[2]。目前我國網(wǎng)紋瓜主要以鮮食為主，由于網(wǎng)紋瓜成熟期正值夏季高溫多雨，不易貯藏，容易造成經(jīng)濟(jì)損失，也限制了網(wǎng)紋瓜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此網(wǎng)紋瓜的規(guī)?；庸榻鉀Q這一問題提供了途徑。王建清、高建曉等分別研究了不同處理方法對鮮切網(wǎng)紋瓜的保鮮作用[3-4]，王子萱研究了網(wǎng)紋瓜的變溫壓差膨化干燥工藝，為網(wǎng)紋瓜的加工提供了思路[2]。由于網(wǎng)紋瓜果皮較厚，在加工過程中會產(chǎn)生大量的果皮副產(chǎn)物，然而目前對網(wǎng)紋瓜副產(chǎn)物進(jìn)行綜合利用的研究鮮見報道，如果大量的網(wǎng)紋皮無法得到合理有效的利用，勢必將造成一定的環(huán)境問題。網(wǎng)紋瓜果皮含有豐富的膳食纖維，是制備膳食纖維的良好原料。因此，利用網(wǎng)紋瓜皮制備膳食纖維，不僅能解決廢棄物污染的問題，還能提高其附加值，促進(jìn)網(wǎng)紋瓜精深加工的發(fā)展。

膳食纖維是一類不能被人胃腸道消化吸收，也不能產(chǎn)生能量的多糖類物質(zhì)，對預(yù)防肥胖、糖尿病、心血管疾病、胃腸功能紊亂等疾病的具有重要作用[5-7]。膳食纖維的性質(zhì)和功能受其加工方式、結(jié)構(gòu)特點等因素影響。粉碎是膳食纖維制備過程中必不可少的單元操作，粉碎能夠減小膳食纖維的平均粒徑，改變膳食纖維基質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征，從而影響其理化特性和功能性質(zhì)[8]。目前粉碎對膳食纖維理化性質(zhì)有不同程度的影響。Chau 等研究表明超微粉碎能夠提高膳食纖維的持油力、持水力和膨脹力[9]。與此相反，Zhu 等則報道由于膳食纖維的基質(zhì)結(jié)構(gòu)被破壞，球磨降低了麥麩膳食纖維的持水力和膨脹力[10]。王大為等報道了粒徑大小對毛蔥膳食纖維的影響，粒徑過大或者過小均會產(chǎn)生不利影響[11]。因此，不同來源、不同粉碎方式、粉碎程度均可能對膳食纖維的理化性質(zhì)產(chǎn)生的影響。目前粒徑對網(wǎng)紋瓜膳食纖維的影響也鮮有報道。

本研究利用網(wǎng)紋瓜加工后剩余的果皮為原料制備膳食纖維，對網(wǎng)紋瓜膳食纖維的理化性質(zhì)、粉體性質(zhì)和功能性質(zhì)進(jìn)行研究，比較不同粒徑對網(wǎng)紋瓜膳食纖維性質(zhì)的影響，并通過掃描電鏡和紅外光譜對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，為網(wǎng)紋瓜副產(chǎn)物的綜合利用和膳食纖維的開發(fā)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

網(wǎng)紋瓜：煙臺市芝罘區(qū)；α 淀粉酶（50 U/mg）：Sigma公司。其他試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

KH19A 型離心機(jī)：湖南凱達(dá)科學(xué)儀器有限公司；721G 型分光光度計：上海精密科學(xué)儀器有限公司；CR400 型色差計：日本柯尼卡美能達(dá)公司；Mastersizer 2000 型激光粒度儀：英國馬爾文儀器有限公司；MAGNA550 型紅外光譜儀：美國 Thermo Nicolet 公司；Hitachi SU8010 型掃描電子顯微鏡：日本日立公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 膳食纖維的制備

制備工藝：網(wǎng)紋瓜皮→切塊→清洗→60 ℃熱風(fēng)干燥→粉碎→pH 值為2 的鹽酸溶液提取→調(diào)節(jié)pH 值至7→乙醇沉淀→抽濾→干燥→粉碎→過篩→膳食纖維。將膳食纖維用高速旋轉(zhuǎn)粉碎機(jī)粉碎后依次通過40、60、80、100 目和120 目的篩網(wǎng)，得到相應(yīng)的膳食纖維樣品。

1.3.2 膳食纖維的理化特性

1.3.2.1 持水力

稱取0.500 0 g 膳食纖維于50 mL 離心管中，加入20 mL 蒸餾水混合均勻，25 ℃靜置 24 h，4 000 r/min 離心20 min，除去上清液，稱重，計算持水力[12]。持水力/（g/g）=（樣品濕重-樣品干重）/樣品干重。

1.3.2.2 持油力

稱取0.500 0 g 膳食纖維與50 mL 離心管中，加入20 mL 大豆油混合均勻，25 ℃靜置 18 h，4 000 r/min離心20 min，除去上層油脂，稱重，計算持油力[13]。持水力/（g/g）=（樣品吸油后重量-樣品干重）/樣品干重。

1.3.2.3 膨脹力

稱取0.2500g 膳食纖維于10mL 量筒中，加入10 mL蒸餾水，25 ℃靜置18 h，記錄樣品膨脹后的體積，計算持水力[14]。膨脹力/（mL/g）=（樣品膨脹后體積-樣品干體積）/樣品干重。

1.3.2.4 色度

采用色差計測定膳食纖維樣品的色度，色度值用CIE Lab 表示，其中 L 值表示明度（0～100）。

1.3.3 膳食纖維的粉體性質(zhì)

1.3.3.1 粒徑

不同膳食纖維樣品的粒徑采用激光粒度儀測定，平均粒徑采用中位粒徑（D50）表示。

1.3.3.2 休止角

將漏斗垂直固定在坐標(biāo)紙上方，使膳食纖維樣品從漏斗中自由落下堆積成圓錐體，記錄圓錐體的直徑（2R）和高度（H）[15]。休止角（α）表示為圓錐體側(cè)面和底面形成的夾角，根據(jù)公式計算休止角α=arctan（H/R）。

1.3.3.3 滑動角

將一定量的膳食纖維樣品平鋪在光滑玻璃板上，固定一端，輕輕向上抬動另一端直到膳食纖維樣品開始滑動，記錄玻璃抬起的高度（H）和玻璃長度（L），計算膳食纖維的滑角θ=arcsin（H/L）。

1.3.4 膳食纖維的功能性質(zhì)

1.3.4.1 膽固醇吸附能力

將新鮮雞蛋的蛋黃與9 倍量的蒸餾水混合均勻，制成10%蛋黃稀釋液。將1 g 膳食纖維樣品與25 g 蛋黃稀釋液混合均勻，調(diào)節(jié)pH 值為7.00，在搖床中37 ℃振蕩2 h，4 000 r/min 離心20 min，采用鄰苯二甲醛比色法測定上清液中膽固醇含量，用膽固醇標(biāo)準(zhǔn)品制作標(biāo)準(zhǔn)曲線[16]。膽固醇吸附能力/（mg/g）=（吸附前蛋黃液中膽固醇含量－吸附后上清液中膽固醇含量）/樣品質(zhì)量。

1.3.4.2 陽離子交換能力

將約0.5 g 膳食纖維樣品與20 mL 0.1 mol/L 鹽酸溶液混合均勻，在25 ℃靜置24 h，過濾后反復(fù)洗滌濾渣，并用硝酸銀溶液滴定濾液，直到濾液不含有氯離子為止[17]。將濾渣加入到100 mL 5%氯化鈉溶液中，磁力攪拌30 min，用0.1 mol/L 氫氧化鈉溶液滴定至終點，消耗氫氧化鈉體積V。同時做空白對照，不加膳食纖維樣品，消耗氫氧化鈉體積V0，樣品質(zhì)量為m。陽離子交換能力/（mmol/g）=（V－V0）×0.1/m。

1.3.4.3 淀粉酶活力抑制率

將 0.25 g 膳食纖維樣品、0.1 g α 淀粉酶、25 mL 馬鈴薯淀粉溶液混合均勻，在37 ℃孵育30 min，然后加入0.1 mol/L 氫氧化鈉溶液終止反應(yīng)，4 000 r/min 離心20 min，測定上清液中葡萄糖含量[18]。對照組不加膳食纖維，其余條件相同。淀粉酶活力抑制率（%）定義為添加膳食纖維樣品組中葡萄糖產(chǎn)生速率比對照組下降的百分比。

1.3.5 掃描電鏡

將干燥的膳食纖維樣品用導(dǎo)電碳膠帶固定后進(jìn)行表面噴金，放入掃描電鏡中觀察膳食纖維樣品表面的微觀結(jié)構(gòu)。

1.3.6 紅外光譜

將1 mg 干燥的膳食纖維樣品與150 mg 溴化鉀混合，研磨均勻后壓成薄片，放入紅外光譜儀中掃描，波數(shù)范圍 4 000 cm-1～500 cm-1，分辨率 4 cm-1。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，試驗重復(fù)3 次。使用SPSS 18.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，P＜0.05 為顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 膳食纖維的理化性質(zhì)

表1 為不同粒徑網(wǎng)紋瓜膳食纖維的理化性質(zhì)。

隨著膳食纖維目數(shù)增加，粒徑減少，持水力、持油力和膨脹力均出現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在粒度為80目時最大，分別為 8.56 g/g、2.77 g/g 和 9.93 mL/g。膳食纖維的理化性質(zhì)與其粒徑有密切關(guān)系。Chau 等[9]和Zhu 等[19]分別研究了超微粉碎對胡蘿卜和蕎麥殼膳食纖維的影響，粉碎后粒徑越低，持水力越高。Sangnark等[20]和Zhu 等[10]則認(rèn)為粒徑越小，膳食纖維的持水力、持油力越低。也有文獻(xiàn)報道膳食纖維在不同的粒徑范圍，持水力隨粒徑變化趨勢也不一樣。椰渣纖維的粒徑高于550 μm 時，持水力和膨脹力隨著粒徑降低而升高，而粒徑低于550 μm 時，持水力和膨脹力則隨著粒徑降低而降低，與本文結(jié)果一致。膳食纖維的持水力、持油力主要是由于其多孔的基質(zhì)結(jié)構(gòu)中的細(xì)孔能夠持有大量的毛細(xì)管水和油[21]。隨著粒徑減小，膳食纖維會暴露更多的表面積、極性基團(tuán)和其他結(jié)合位點與周圍接觸，導(dǎo)致持水力、持油力和膨脹力的顯著改善；但隨著粒度進(jìn)一步減小，膳食纖維的多孔基質(zhì)結(jié)構(gòu)也會被破壞，造成持水力、持油力和膨脹力降低。

顏色變化會影響膳食纖維樣品的感官性質(zhì)，并限制其潛在的應(yīng)用[12]。粒度在在40 目～120 目范圍內(nèi)，膳食纖維的明度隨著粒度目數(shù)的升高而升高。結(jié)果表明，膳食纖維粒徑越小，其顏色越淺，這與Hu 等的報道一致[22]，可能是由于粉碎后超細(xì)的膳食纖維分布更加均勻造成的[23]。由于消費者偏愛的原因，原料成分的明度在食品加工中起重要作用[24]，因此，粒徑較小的膳食纖維更有利于其在淺色食品中的應(yīng)用。

2.2 膳食纖維的粉體性質(zhì)

網(wǎng)紋瓜膳食纖維平均粒徑如圖2 所示。

表2 不同粒徑網(wǎng)紋瓜膳食纖維的粉體性質(zhì)Table 2 Power properties of dietary fibers from netted melon with different particle sizes

目數(shù)越大，平均粒徑越小，40 目～120 目的平均粒徑分別為 614.47、432.32、373.90、231.09、141.89 μm。膳食纖維顆粒越小，在單位重量內(nèi)的顆粒數(shù)量越多，有更高的分散性，當(dāng)與其他食品成分混合時能夠更加均勻一致[25]。

粉體的休止角和滑動角是評價其流動特性的一個重要指標(biāo)，休止角和滑動角越小，流動性越好。從表2 可以看出，網(wǎng)紋瓜膳食纖維的粒徑越小，其休止角和滑動角越大。研究表明，粉體顆粒的流動性與其粒徑、形狀、表明粗糙度等因素有關(guān)[26]。粉體的粒徑越小，其比表面積越大，顆粒表面的聚合力增加，造成顆粒聚集在一起，流動性下降。一般認(rèn)為，休止角小于30°時粉體流動性很好，小于40°即可滿足粉體輸送需要[26]。因此，從食品加工過程中物料輸送的角度考慮，網(wǎng)紋瓜膳食纖維的粒度不宜超過80 目。

2.3 膽固醇吸附能力

網(wǎng)紋瓜膳食纖維的膽固醇吸附能力如圖1 所示。

圖1 膳食纖維的膽固醇吸附能力Fig.1 Cholesterol adsorption capacity of dietary fiber

膽固醇吸附能力是衡量膳食纖維品質(zhì)的一個重要指標(biāo)[27]。粒度對膳食纖維吸附膽固醇具有顯著影響，80 目的膳食纖維膽固醇吸附能力最高，為18.64 mg/g，粒度過高或者過低均降低了吸附能力。主要原因可能是膳食纖維粒徑過大，其比表面積較小，粒徑過小，膳食纖維的多孔結(jié)構(gòu)被破壞，均不利于吸附膽固醇，與持油力的結(jié)果一致。本研究中網(wǎng)紋瓜膳食纖維的膽固醇吸附能力與蘆筍、滸苔膳食纖維吸附膽固醇效果接近[27]。膳食纖維較高的膽固醇吸附能力有利于降低血清膽固醇濃度，減少心血管疾病的發(fā)生。

2.4 陽離子交換能力

膳食纖維的陽離子交換能力如圖2 所示。

圖2 膳食纖維的陽離子交換能力Fig.2 Cation exchange capacity of dietary fiber

膳食纖維在水溶液中能夠解離出某些陽離子，并與溶液中原有的部分陽離子進(jìn)行交換[27]。陽離子交換能力隨著膳食纖維目數(shù)增加而增大，當(dāng)超過100 目時不再有顯著變化。陽離子交換能力的強(qiáng)弱與其中的糖醛酸含量有關(guān)[17]，膳食纖維粉碎后粒徑越小，其在水中暴露出來的糖醛酸可能越多，導(dǎo)致陽離子交換能力增強(qiáng)，增加到一定的程度便不再增加。膳食纖維較高的陽離子交換能力可以起到吸附金屬離子、降低血壓的生理功效。

2.5 α淀粉酶活力抑制率

不同粒徑的網(wǎng)紋瓜膳食纖維對α 淀粉酶活力抑制率如圖3 所示。

圖3 膳食纖維對α 淀粉酶的活力抑制率Fig.3 Effect of dietary fiber on α-amylase activity inhibition ratio

粒度在40 目～120 目范圍的膳食纖維均能抑制α淀粉酶的活力（13.08%～19.96%），目數(shù)越大，粒徑越小，淀粉酶活力抑制率越大，與以往的報道是一致[8]。膳食纖維粒徑越小，單位重量內(nèi)有更多數(shù)量的纖維顆粒，其分散度越均勻，表面積越大，能夠造成更大的物理障礙。因此，減小膳食纖維的粒徑可能會導(dǎo)致其包埋更多的淀粉和淀粉酶分子，并減少淀粉和淀粉酶之間的接觸，從而導(dǎo)致淀粉酶活力的降低[9]。

2.6 掃描電鏡觀察微觀結(jié)構(gòu)

不同粒徑的網(wǎng)紋瓜膳食纖維的微觀結(jié)構(gòu)通過掃描電鏡進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 膳食纖維的掃描電鏡圖（500×）Fig.4 Scanning electron micrographs of dietary fiber（500×）

40 目和60 目的膳食纖維顆粒較大，表面呈現(xiàn)不規(guī)則的褶皺，存在少量的裂隙和小孔。80 目的膳食纖維顆粒小于40 目和60 目，且表面存在更多的裂隙和孔洞，比表面積更大，有利于內(nèi)部基團(tuán)暴露，增加與其他物質(zhì)的接觸面積。水分可以通過其較高的表面張力而保持在纖維內(nèi)的毛細(xì)管結(jié)構(gòu)中，能夠通過氫鍵或偶極形式與纖維中的各種組分相互作用。因此，80 目的膳食纖維具有較高的持水力、持油力及膽固醇吸附能力。隨著粒徑尺寸進(jìn)一步減小，100 目和120 目的膳食纖維的基質(zhì)結(jié)構(gòu)被破壞，孔隙減少，導(dǎo)致其持水力和持油力等指標(biāo)降低。

2.7 紅外光譜分析

網(wǎng)紋瓜膳食纖維的分子結(jié)構(gòu)通過紅外光譜進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 膳食纖維的紅外光譜圖Fig.5 FTIR spectra of dietary fiber

在3 423 cm-1～3 430 cm-1處存在強(qiáng)的寬峰，是羥基中O-H 的伸縮振動，說明膳食纖維中存在較多的羥基及氫鍵。40 目吸收峰為3 430 cm-1，120 目吸收峰為3 423 cm-1，羥基峰紅移，說明粒徑小的膳食纖維氫鍵作用增強(qiáng)。2 917 cm-1～2 921 cm-1處的吸收峰是由甲基和亞甲基的C-H 伸縮振動造成的。這些基團(tuán)均屬于多糖化合物的典型結(jié)構(gòu)。1 743 cm-1的振動是酯羰基伸縮振動；1 631 cm-1處的強(qiáng)吸收峰是羧基C=O 的不對稱伸縮振動，說明樣品中含有糖醛酸[17]。1 066 cm-1是酯基上的C-O 的伸縮振動，也是多糖的特征吸收峰。紅外光譜分析表明網(wǎng)紋瓜膳食纖維具備多糖紅外圖譜的典型特征，說明其主要成分是多糖類化合物，具有較多的羥基，能夠為其較高的持水力提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

粒徑對網(wǎng)紋瓜膳食纖維的理化性質(zhì)、粉體性質(zhì)和功能性質(zhì)均有顯著的影響。網(wǎng)紋瓜膳食纖維的持水力、持油力和膨脹力均隨著粒徑減小而先增加后減小，粒度在80 目時具有最大值，分別為8.56 g/g、2.77 g/g 和9.93 mL/g，明度則隨著粒徑降低而增加。休止角范圍為37.22°～44.76°，80 目以下的膳食纖維流動性較好。膳食纖維的膽固醇吸附能力在14.55 mg/g～18.64 mg/g，80目的吸附能力最高。陽離子交換能力和淀粉酶活力抑制率隨著粒徑降低而增加。掃描電鏡觀察顯示80目的膳食纖維比粒徑大的膳食纖維具有更多的孔隙和比表面積，有利于提高其持水力和吸附能力。傅里葉變換紅外光譜顯示其具有C-H、O-H、C=O 等吸收峰，具有典型的多糖化合物的紅外結(jié)構(gòu)。