不同處理對版納甜龍竹竹筍膳食纖維結(jié)構(gòu)與功能特性的影響

李秀芬，趙 冰,2，趙一鶴，李 沁，和勁松*

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201； 2.中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園，云南 勐臘 666303； 3.云南省林業(yè)和草原科學(xué)院，云南 昆明 650201)

目前，食品市場對無滋味和氣味的膳食纖維代用品需求量越來越大[1-2]，將膳食纖維用作功能強(qiáng)化劑或無能量膨脹劑部分替代面粉、脂肪或糖，能穩(wěn)定高脂食品和乳液，改善食品質(zhì)地和口感[3-4]。同時，竹筍膳食纖維(dietary fiber from bamboo shoot, BSDF) 具有降血糖活性[5]，能降低大鼠血脂總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇水平[6]，有效延緩高脂飼喂小鼠的肥胖進(jìn)程，調(diào)節(jié)腸道微生物群，提高胰島素敏感性[7-8]。BSDF攝入與降低患糖尿病、心血管疾病和某些癌癥風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)[9]。然而，BSDF產(chǎn)品并不多，僅有Jelucel? BF、Nutriloid? Bamboo Fiber和Crea be等少數(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，并在國際貿(mào)易中流通[1]。與此同時，全球竹筍銷量達(dá)數(shù)百萬噸，半數(shù)以上產(chǎn)自中國[10]，每年中國產(chǎn)生的濕筍殼量超過百萬噸[11]，僅有少量用作功能食品或天然纖維[6,12]，多數(shù)以廢棄物丟棄[13]。竹筍及筍殼中含有大量不溶性膳食纖維，是膳食纖維的良好原料。

膳食纖維的生物活性以及加工性質(zhì)與其組成和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[3]，而不同提取和處理方法對BSDF的結(jié)構(gòu)、組成和功能性質(zhì)有重要影響。堿液提取的BSDF主要由木糖和阿拉伯糖組成，甘露糖和半乳糖含量次之[1]。采用熱水前處理和醋酸后處理，從竹筍中能提取出醋酸木質(zhì)素[1]。擠壓結(jié)合纖維素酶處理，能改變BSDF的結(jié)構(gòu)，增加持水性、持油性和溶脹性等功能性質(zhì)[14]。酶水解和動態(tài)高壓微射流處理，能顯著降低BSDF的粒徑，改變纖維微觀形貌，處理后的BSDF具有明顯的蜂窩狀表面和較大的孔洞結(jié)構(gòu)，纖維的結(jié)晶度和熱穩(wěn)定性提高[15]。超微粉碎得到的BSDF，以不溶性膳食纖維為主，粒徑越小，對NO2-和膽酸鹽的吸附能力越大[16]。發(fā)現(xiàn)天然膳食纖維的超分子結(jié)構(gòu)，解析其結(jié)構(gòu)與生物活性的關(guān)系是目前研究的熱點(diǎn)。然而，目前對BSDF的組成、結(jié)構(gòu)以及功能性質(zhì)的研究仍然不多[5]。BSDF的多種生理活性激勵更多研究者聚焦于它的制備過程、組成分析、物理化學(xué)性質(zhì)研究以及功能評價[3,17]。因此，試驗(yàn)通過發(fā)酵和烘干處理版納甜龍竹(Dendrocalamushamitonii)竹筍，探究不同前處理方式對所提取BSDF的結(jié)構(gòu)特征和功能性質(zhì)的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

版納甜龍竹竹筍：采自云南省勐臘縣勐侖鎮(zhèn)；市售竹筍膳食纖維：西安四季生物科技有限公司；巖藻糖(Fuc)、鼠李糖(Rha)、阿拉伯糖(Ara)、核糖(Rib)、甘露糖 (Man)、半乳糖(Gal)、半乳糖醛酸(GalA)、葡萄糖醛酸(GlcA)：上海源葉生物科技有限公司；木糖(Xyl)、葡萄糖(Glc)：TMstandard科技有限公司；D-1-苯基-3-甲基-5-吡咯啉酮(PMP)：上海阿拉丁生化科技有限公司；氯仿、乙腈、三氟乙酸、氫氧化鈉、鹽酸等分析試劑：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Nicolet iS5傅立葉紅外變換光譜儀(Thermo Fisher Inc.，USA)、Agilent1200高效液相色譜儀(Agilent Technologies Inc.，USA)、FibertecTM8000纖維素自動分析系統(tǒng)(Foss Inc.，Denmark)、FlexSEM 1000掃描電子顯微鏡(HITACHI Inc.，Japan)、色差儀(深圳三恩馳科技有限公司，中國)。

1.3 方法

1.3.1膳食纖維的制備方法 (1)BSDF的制備。BSDF的提取采用Elleuch等[18]的方法，略作改動：竹筍洗凈、去殼切絲，加2倍體積蒸餾水，打漿，磁力攪拌下加熱至100 ℃并煮沸5 min，冷卻至25 ℃，8 000×g離心10 min，用400 mL、40 ℃溫水洗滌沉淀并13 500 ×g離心(25 ℃) 10 min。洗滌操作重復(fù)3次，每次磁力攪拌5 min，去除可溶性糖和灰分，所得沉淀經(jīng)冷凍干燥，粉碎，過40目篩，得鮮竹筍直接提取的BSDF，裝入密封袋，置于干燥器中備用。(2)Dried-BSDF的制備。竹筍洗凈、去殼、切片，置于60 ℃恒溫干燥箱中烘干，打成粉末，過40目篩。稱取竹筍粉末15 g，加入100 ℃水450 mL，磁力攪拌下煮沸5 min，后續(xù)操作按照步驟(1)進(jìn)行，得Dried-DF。(3)Fermented BSDF的制備。竹筍洗凈、去殼、切絲，稱取700 g筍絲，放入洗凈晾干的玻璃罐中。將1 400 mL去離子水煮沸并冷卻至室溫，加入56 g食鹽，溶解后加入盛有筍絲的玻璃罐，罐頂加蓋，加水密封罐口，自然發(fā)酵10 d。取出筍絲，按照步驟(1)的方法制備Fermented BSDF。(4)Dried-Fermented BSDF制備。將步驟(3)中發(fā)酵后的筍絲60 ℃烘干，打成粉末，過40目篩。按照步驟(2)的方法制備Dried-Fermented BSDF。

1.3.2膳食纖維的測定 纖維素含量采用纖維素自動分析儀測定，纖維素含量以中性洗滌纖維(Neutral detergent fiber, NDF)減去木質(zhì)素(ADL)的量計(jì)算，半纖維素含量以NDF減去酸性洗滌纖維(Acid detergent fiber, ADF)的量計(jì)算?？扇苄陨攀忱w維(Soluble dietary fiber, SDF)和不溶性膳食纖維(Insoluble dietary fiber, IDF)的含量采用AOAC991.43[19]的方法測定。以SDF和IDF的總和確定總膳食纖維(Total dietary fiber, TDF)的含量。

1.3.3竹筍膳食纖維的單糖組成測定 竹筍膳食纖維的單糖組成及糖醛酸含量采用高效液相色譜儀測定，配置有SHISEIDO C18色譜柱(4.6 mm × 250 mm, 5 μm)的具體如下：(1)前處理。稱取適量樣品裝入水解管中，加1 mL水，加1 mL、4 mol·L-1三氟乙酸，充氮，在110 ℃水解2 h。取出冷卻至室溫，取0.1 mL水解液于4 mL離心管中，放入真空干燥箱，60 ℃干燥2 h。(2)衍生化反應(yīng)。向上述離心管中分別加入0.05 mL、0.3 mol·L-1的NaOH，0.05 mL PMP甲醇溶液，充氮，轉(zhuǎn)移至水浴鍋，70 ℃水浴60 min，取出冷卻至室溫，分別加入0.5 mL、0.3 mol·L-1的鹽酸，0.75 mL水，1.5 mL氯仿，充分振蕩搖勻，待靜置分層后棄去氯仿，萃取3次，水層過膜上機(jī)測定。(3)上機(jī)條件。進(jìn)樣量為10 μL；柱溫為25 ℃；波長為245 nm；流速為1.0 mL·min-1。單糖標(biāo)準(zhǔn)品也用PMP標(biāo)記。

1.3.4膳食纖維色澤的測定 干燥樣品表面顏色使用色差儀測定，依據(jù)CIE(國際照明委員會)規(guī)定的色彩空間坐標(biāo)：L*(白或亮)、a*(紅綠)、b*(黃藍(lán))。標(biāo)準(zhǔn)光源為D65、8 mm直徑測量孔?？傤伾兓?ΔE)計(jì)算如公式：

1.3.5傅立葉紅外光譜(FT-IR)分析 采用傅立葉紅外光譜儀測定所提取的竹筍膳食纖維的結(jié)構(gòu)。1 mg不同種類的竹筍膳食纖維樣品與300 mg干燥的溴化鉀粉末混合，在預(yù)先干燥的瑪瑙研缽中研磨均勻，每個研磨后的樣品在制樣器中壓成半透明的薄片，放入傅立葉紅外光譜儀中掃描確定紅外光譜帶(從4 000 nm-1到450 nm-1)。

1.3.6竹筍膳食纖維的性質(zhì)分析 (1)持水性(Water holding capacity，WHC)的測定。采用Hasnaoui等[20]的方法，略作修改：取250 mg樣品放入50 mL離心管，稱重，加入25 mL磷酸鹽緩沖液(0.05 mol·L-1，pH 7.0)，室溫振蕩過夜，4 000 ×g離心15 min，棄去上清液再次稱重，計(jì)算WHC。WHC=(沉淀的質(zhì)量-樣品質(zhì)量)/樣品質(zhì)量，結(jié)果以單位樣品質(zhì)量(g)中含有水的質(zhì)量(g)表示。(2)持油性(Oil holding capacity，OHC)的測定。采用Elleuch等[18]的方法：200 mg粉狀樣品放入50 mL離心管，加入15 g玉米油，振蕩1 h后室溫離心(1 500 ×g，15 min)，棄去上清稱重并計(jì)算OHC。OHC=(沉淀的質(zhì)量-樣品質(zhì)量)/樣品質(zhì)量，結(jié)果以單位樣品質(zhì)量(g)中含有的玉米油的質(zhì)量(g)表示。實(shí)驗(yàn)設(shè)置3個平行。(3)膨脹力(Swelling capacity，SWC)的測定。采用Martinez等[21]的方法，略作改動：準(zhǔn)確稱取500 mg樣品放入帶刻度的量筒，記錄體積V1(mL)，加入一定量磷酸鹽緩沖溶液(1.0 mmol·L-1，pH 7.5)，20 ℃放置24 h，觀察樣品在量筒中自由膨脹的體積V2(mL)，計(jì)算膨脹力SWC=(膨脹體積V2-干品體積V1)/樣品質(zhì)量(g)。

1.3.7竹筍膳食纖維的微觀形態(tài)分析 將干燥竹筍膳食纖維粉噴金處理30 s，用掃描電子顯微鏡觀察干燥竹筍樣品及竹筍膳食纖維的表面形態(tài)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，采用SPSS 19.0軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果以平均值±SD表示。顯著性水平為P<0.05，平均值分析采用單因素ANOVA和Tukey’s多重實(shí)驗(yàn)。圖標(biāo)中，不同字母或*表示具有顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 竹筍膳食纖維的組成

版納甜龍竹竹筍膳食纖維的組成見表1。

表1 版納甜龍竹竹筍膳食纖維的組成成分

從表1可以看出，版納甜龍竹竹筍制備的膳食纖維主要由半纖維素和纖維素組成，木質(zhì)素含量較少。4種BSDF的TDF含量都在77.69%以上，以不溶性纖維為主，這既是由于竹筍自身含有大量不溶性膳食纖維，也可能因?yàn)樘崛∵^程中的反復(fù)洗滌，造成可溶性纖維的流失。其中， 發(fā)酵處理能顯著提高半纖維素的含量。Fermented-BSDF和Dried-Fermented BSDF比BSDF和Dried-BSDF的TDF含量高，發(fā)酵后提取的BSDF中SDF均高于直接提取BSDF。干燥處理僅降低了發(fā)酵BSDF的纖維素含量，對膳食纖維含量沒有影響。

2.2 竹筍膳食纖維的單糖組成分析

竹筍及筍殼中含有大量不溶性膳食纖維，不溶性膳食纖維主要由植物細(xì)胞壁成分構(gòu)成，包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等[2,6,13]。半纖維素指植物中除纖維素、果膠質(zhì)和淀粉外的全部碳水化合物，由木糖、阿拉伯糖、甘露糖、葡萄糖、半乳糖構(gòu)成。竹類的半纖維素主要是由木聚糖類構(gòu)成，以聚阿拉伯糖-4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖為主，還含有半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸、鼠李糖和巖藻糖糖基[22]。竹筍膳食纖維的單糖組成如表2所示。

表2 版納甜龍竹竹筍膳食纖維的單糖組成

由表2可知，竹筍膳食纖維中，阿拉伯糖、葡萄糖、木糖和半乳糖含量較高。經(jīng)過發(fā)酵前處理，膳食纖維中的阿拉伯糖、葡萄糖、木糖、鼠李糖、核糖、半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸含量顯著增加。竹筍膳食纖維水提物主要由阿拉伯半乳聚糖構(gòu)成[23]，而堿提取幼筍(Phyllostachysaurea)細(xì)胞壁半纖維素主要由葡萄糖醛酸阿拉伯木聚糖(Xyl: Ara: GlcA=100:67:8)和少量葡聚糖構(gòu)成，果膠較少[23]。

2.3 竹筍膳食纖維的色澤和形態(tài)

色澤是消費(fèi)者對產(chǎn)品可接受性的重要影響因素，不同處理方法所提取竹筍膳食纖維的顏色指標(biāo)如表3所示。

表3 版納甜龍竹竹筍膳食纖維的色澤指標(biāo)

從表3中可知，竹筍干粉、市售竹筍膳食纖維及提取的4種竹筍膳食纖維均在淡黃色區(qū)域。L*值均大于70，說明版納甜龍竹竹筍干粉基本保持原有的白色。與市售竹筍膳食纖維色澤相似，4種版納甜龍竹竹筍膳食纖維的顏色都接近白色，稍有微黃，給人愉悅的感受。其中Fermented BSDFL*值最大，說明發(fā)酵后直接提取的竹筍膳食纖維最接近白色。表3中，a*值均小于10，只有Dried-BSDF的a*值有顯著增加。發(fā)酵竹筍膳食纖維的b*值小于BSDF和竹筍干粉，又小于Dried-BSDF，說明干燥處理后再提取的竹筍膳食纖維略帶棕或黃色，這可能與版納甜龍竹竹筍在干燥過程中發(fā)生部分美拉德反應(yīng)有關(guān)，雖然提取過程經(jīng)過多次洗滌，但不可逆的產(chǎn)物留在膳食纖維內(nèi)部無法完全去除，這與Ferrari的研究結(jié)果相近[11]。與竹筍干粉相比，F(xiàn)ermented BSDF的色差值(ΔE)變化最大，主要是由于竹筍發(fā)酵后制備的膳食纖維最接近白色。

2.4 竹筍膳食纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)

竹筍膳食纖維的傅立葉紅外光譜分析結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 版納甜龍竹竹筍膳食纖維的傅立葉紅外光譜圖Fig.1 FT-IR spectra of dietary fibers from bamboo shoot (D. hamiltonii)

由圖1可見，3 415 cm-1處強(qiáng)吸收峰是O-H拉伸振動特征區(qū)域，主要是纖維素[9]。2 927 cm-1處吸收峰是由于CH2基團(tuán)的C-H拉伸振動引起。1 745 cm-1處吸收峰是由于羰基(C=O)的緣故，說明竹筍膳食纖維中出現(xiàn)甲酯化的糖醛酸，證實(shí)測出了HPLC分析中出現(xiàn)的半乳糖醛酸[13]。1 653 cm-1處是木質(zhì)素中芳香族的苯環(huán)[24]。1 546 cm-1處信號是木質(zhì)素的特征吸收峰，是木質(zhì)素的彎曲或拉伸。此處信號較弱，說明木質(zhì)素含量不高，與化學(xué)分析結(jié)果相映證[24]。900-1 200 cm-1處包括在1 057 cm-1處的吸收峰值，源于半纖維素中?；?CO-OR)伸縮振動和木質(zhì)素的愈創(chuàng)木基單元[25]。不同處理后制備的竹筍膳食纖維都有以上特征峰值，而BSDF和Fermented BSDF表現(xiàn)出更為典型的吸收峰特征，說明二者中纖維素和半纖維素成分結(jié)構(gòu)有序，而經(jīng)過干燥處理制備的竹筍膳食纖維可能從化學(xué)結(jié)構(gòu)上發(fā)生了更多變化。

2.5 竹筍膳食纖維的功能性質(zhì)比較

不同處理所制備竹筍膳食纖維的持水性、持油性和膨脹力見表4。

表4 版納甜龍竹竹筍膳食纖維的功能性質(zhì)

由表4可知，與纖維素和市售竹筍膳食纖維相比，4種版納甜龍竹竹筍膳食纖維的持水性、持油性和膨脹力都顯著增加。BSDF和Dried-BSDF的持水性約為纖維素的4.2～6.1倍，比產(chǎn)自四川的麻竹竹筍膳食纖維(6.55～9.77 g油·g-1)和雷竹竹筍膳食纖維都略高[26,27]。經(jīng)過發(fā)酵處理，F(xiàn)ermented BSDF和Dried- Fermented DF的持水性顯著提高1.2和1.5倍，說明發(fā)酵處理促進(jìn)竹筍膳食纖維與水的結(jié)合能力。版納甜龍竹竹筍膳食纖維的持油性為纖維素的3.3～3.9倍，約為市售竹筍膳食纖維的2倍，4種不同處理對竹筍膳食纖維的持油性沒有明顯影響。據(jù)報(bào)道[28]，小麥纖維的持油性為2.68 g油·g-1，水果纖維的持油性為1.66 g油·g-1?？梢姡窆S膳食纖維的持油性都比小麥纖維和水果纖維高。

膨脹力反應(yīng)了膳食纖維在水溶液中的溶解膨脹性能，由表4可知，竹筍膳食纖維的膨脹力是纖維素的2.0～4.8倍，是市售竹筍膳食纖維的0.95～2.32倍。與直接提取的BSDF相比，Dried-BSDF和Fermented BSDF的膨脹力分別提高40%和120%，Dried-Fermented DF的膨脹力最高。說明干燥和發(fā)酵處理均能提高竹筍膳食纖維的膨脹力。其中，干燥處理竹筍膳食纖維的溶脹性與麻竹筍膳食纖維(11.51～10.22 mL·g-1)相似[26]。

2.6 竹筍膳食纖維的微觀形態(tài)

由掃描電子顯微鏡觀察竹筍膳食纖維的微觀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 竹筍膳食纖維的微觀結(jié)構(gòu)(5 000×)Fig.2 Microstructure of dietary fibers from bamboo shoot (D. hamiltonii) (5 000×)

從圖中2可以看出，竹筍膳食纖維的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，BSDF表面呈現(xiàn)微小孔洞和緊密的小顆粒狀態(tài)，經(jīng)干燥處理或經(jīng)發(fā)酵處理的膳食纖維則都具有較大的表面區(qū)域。Dried BSDF呈現(xiàn)出與BSDF不同的較大孔洞，以及薄層彎曲舒展的多態(tài)結(jié)構(gòu)。二者相比，可能由于干燥處理過程中Dried BSDF比BSDF經(jīng)歷多次失水和復(fù)水作用，以及受到機(jī)械力多次粉碎，致使竹筍半纖維素結(jié)構(gòu)被部分修飾和破壞。與前兩者相比，發(fā)酵處理的竹筍膳食纖維具有顯著不同的表面特征，都呈現(xiàn)波浪形、疏松且較為光滑的條帶狀表面結(jié)構(gòu)，其中，Dried-Fermented BSDF較Fermented BSDF的結(jié)構(gòu)特征更為明顯。有報(bào)道稱，膳食纖維的物理結(jié)構(gòu)直接影響膳食纖維的生理功能，不溶性膳食纖維松散的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可能主要與其物理化學(xué)性質(zhì)相關(guān)，如促進(jìn)水分子的吸附和滯留，這可以提高持水性，膨脹力和持油性[29]。這也能夠解釋發(fā)酵后制備的竹筍膳食纖維具有更強(qiáng)的持水性和膨脹性(表4)。

3 結(jié)論

試驗(yàn)對比了不同處理對所制備竹筍膳食纖維的結(jié)構(gòu)、組成以及功能性質(zhì)的影響。研究表明，不同處理對膳食纖維組成成分有一定影響，經(jīng)發(fā)酵后制備的竹筍膳食纖維中的阿拉伯糖、葡萄糖、木糖、鼠李糖、核糖、半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸含量增加。發(fā)酵后直接制備的膳食纖維色澤更亮白，傅立葉光譜的吸收峰更明顯，干燥處理的膳食纖維的吸收峰的強(qiáng)度和面積發(fā)生了改變。發(fā)酵處理能提高膳食纖維的持水性，發(fā)酵和干燥處理都能提高膳食纖維的膨脹力。干燥處理和發(fā)酵處理都能對竹筍膳食纖維的微觀形態(tài)產(chǎn)生影響，發(fā)酵竹筍膳食纖維具有疏松、光滑的波浪形表面結(jié)構(gòu)，可能與持水性和膨脹力高有關(guān)。