化学改性对竹笋膳食纤维结构及理化性能的影响

吴丽萍，朱 妞

(黄山学院生命与环境科学学院，安徽黄山245041)

竹笋是一种深受人们喜爱的传统食品，它营养丰富，不仅含有多种氨基酸、维生素、矿物质，而且纤维含量亦相当高，被誉为“素食第一品”。中医认为，竹笋性甘、微寒，能清热去痰，对咳嗽、高血压、便秘、糖尿病均具有一定疗效。然而竹笋从收获到加工、保鲜的过程中老化比较快，纤维素、木质素等含量迅速增加［1］，加工处理时这些老化部分往往被作为下脚料废弃，造成资源上很大的浪费。竹笋中纤维素、木质素、半纤维素含量丰富，是一种理想的膳食纤维原料。据报道，竹笋中不溶性膳食纤维含量在70%以上，此外还含有5%左右的可溶性膳食纤维［2］。然而膳食纤维中SDF的比例是影响膳食纤维生理功能的一个重要因素，其中SDF占膳食纤维总量10%以上才能成为高品质的膳食纤维［3］。然而天然的膳食纤维多是不溶性的［4］，因此对DF进行改性处理，是目前提高其营养及生理活性的重点和方向［5］。目前很多报道都是关于膳食纤维的提取及性能研究，未见有关竹笋膳食纤维改性及改性对膳食纤维结构及功能上产生的影响方面的报道。因此，本文前期实验对碱法提取的竹笋膳食纤维进行了化学改性，使纤维高聚物部分糖苷键断裂，降低其聚合度，增加羟基的数目［6］，从而得到羧甲基竹笋膳食纤维。在前期实验基础上，为了研究化学改性对竹笋DF的确切改性机制，以选择恰当的改性方法，本文采用红外光谱法及电镜扫描技术对化学改性后的竹笋膳食纤维进行结构表征，并对改性前后竹笋膳食纤维的理化性能进行分析，初步探讨化学改性对竹笋膳食纤维结构及生理功能活性的影响机制。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

竹笋膳食纤维(DF)实验室制备;氢氧化钠、乙醇 分析纯，西安化学试剂厂;一氯乙酸 分析纯，天津福晨化学试剂厂。

HH－S4型电热恒温水浴锅 天津泰斯特仪器有限公司;800型离心分离机 北京医用离心机厂;78HW－1型磁力搅拌器 江苏省金坛市医疗仪器厂;JEM－200CX型高分辨透射电镜 日本JEOL公司;XRD Rigaku D/max－II，CuKα1 日本理学株式会社。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程 竹笋膳食纤维→碱化→醚化→中和→离心分离→洗涤→干燥→检验→成品

1.2.2 化学改性的最佳工艺条件 以碱法提取的竹笋膳食纤维作为化学改性的原料，通过单因素及正交实验分析，确定了适宜的碱化及醚化条件。研究结果确定了化学改性的最佳工艺条件是:NaOH浓度为35%，碱化温度为30℃，碱化时间为2h，乙醇浓度80%;一氯乙酸浓度为30%，乙醇浓度为20%，醚化温度为55℃，醚化时间为3.5h，料液比为1∶9(g/L)。在最佳工艺条件下进行验证实验，得到的羧甲基竹笋膳食纤维的取代度为0.72，SDF含量为16.2%，改性效果良好。

1.2.3 红外光谱分析 将竹笋膳食纤维、羧甲基竹笋膳食纤维分别在粉碎机中粉碎，过80目筛，向玛瑙研钵中放入1mg样品，加入100～200mg干燥的光谱纯KBr，在红外灯下研磨均匀，装入压片模具中抽气加压，压力约588Pa，保持3～5min，去压所得样品放在傅立叶红外光谱分析仪上扫描作图。

1.2.4 扫描电镜观察(SEM)［7］利用扫描电子显微镜对DF和改性后的羧甲基竹笋膳食纤维进行形态观察。分别取已经粉碎至100目以上的DF和羧甲基竹笋膳食纤维，在100℃烘干水分至恒重，放置到清洗好并贴上双面胶的载样台上。样品固定好，进行镀金处理。把镀好金的样品及载样台放到扫描电镜的样品室进行电镜观察，拍摄电镜照片。

1.2.5 膳食纤维理化性能的测定

1.2.5.1 膨胀力的测定［8］准确称取样品1g置于量筒中，加入50mL水，振荡均匀后室温放置24h。观察膳食纤维样品在试管中的自由膨胀体积(mL)，换算成每克干物质的膨胀体积(mL/g)来表示。

膨胀力 =溶胀后纤维体积(mL)－干品体积(mL)/样品干重(g)

1.2.5.2 持水力的测定［8］准确称取样品1g放入烧杯中，用25℃蒸馏水50mL饱和其膳食纤维1h。置于滤纸上沥干，将结合了水的纤维转移到表面皿上称重，换算成每克纤维所滞的水克数。

持水力(WHC)=样品湿重(g)－样品干重(g)/样品干重(g)

1.2.5.3 结合水力的测定［9］准确称取样品1.0g浸泡于50mL，4℃的蒸馏水中，在8000r/min条件下离心处理1h，小心去除上清液。残留物置于多孔玻璃上静置1h，称重该残留物，计为m1。然后在120℃下干燥2h后再称重，计为m2，两者差值即为所结合的水重量。

1.2.5.4 阳离子交换力的测定［10］将样品浸入0.1mol/L HCl溶液中，48h后用蒸馏水去除过量的酸，用10%的AgNO3溶液鉴定不含有氯离子为止，干燥。准确称取250mg处理过的干燥样品分散于100mL 0.9%NaCl溶液中，磁力搅拌器搅拌，用0.1mol/L NaOH慢慢滴定，记录pH，画出NaOH－pH关系图。阳离子交换能力以实验液pH达到7时，每克样品所消耗0.1mol/L NaOH的物质的量来表示。

阳离子交换能力(mmol/g)=0.1×V/m

2 结果与分析

2.1 IR谱图表征

DF由于成分复杂分析不易，目前多采用红外光谱进行简单的定性分析。红外光谱可以通过谱图中吸收峰的变化来研究分子的结构和化学键的变化［11］。竹笋膳食纤维和羧甲基竹笋膳食纤维的IR谱图如图 1、图 2所示。由图 1可以看出，在3447.29cm－1处出现醇羟基的伸缩振动吸收峰，在2925.22cm－1处出现C－H键的伸缩振动吸收峰，在1636.15、1510.78、1422.74、1267.51、1069.12cm－1等处出现纤维素葡萄糖糖元的C－O键对称与不对称伸缩振动的吸收峰。560.34cm－1为纤维素的特征吸收峰。

图1 竹笋膳食纤维DF的IR图谱Fig.1 IR atlas of bamboo－shoot dietary fiber

图2 羧甲基竹笋膳食纤维的IR谱图Fig.2 IR atlas of carboxyl methyl bamboo－shoot dietary fiber

与竹笋膳食纤维的IR谱图比较，在3445.70cm－1处可以看出羧甲基膳食纤维的吸收峰强度较小，说明纤维素分子中的羟基被羧甲基取代而减弱。在1417.08、1331.91、1242.02、1143.35、1099.67、1018.55、966.59cm－1处出现了醚键吸收峰，说明竹笋膳食纤维被羧甲基化。

2.2 电镜扫描(SEM)观察

对竹笋膳食纤维和羧甲基竹笋膳食纤维的样品经电镜扫描，扫描图见图3、图4。从图3可以观察到经去杂、脱色漂洗后的竹笋膳食纤维DF表面结构疏松，略有褶皱，主要是因为表面的蛋白质被洗去，同时洗涤造成物料表面其它小颗粒去除。经羧甲基化改性后的竹笋膳食纤维，见图4，表面粗糙不平，有明显的裂纹及沟壑，说明表面结构受到一定的破坏，这是因改性试剂使DF溶胀变形，大分子物质发生降解，分子链被切断，分子质量相对降低，使得结晶度和聚合度下降［11］，微观结构和分子大小发生了变化，结构更疏松，其完整性遭到破坏。因为其微观结构和功能特性密切相关，因此，可以推测经改性后的竹笋膳食纤维具有更好的膨胀力、持水力及结合能力［12］。

图3 竹笋膳食纤维电镜扫描图(10000×)Fig.3 SEM of bamboo－shoot dietary fiber(10000×)

图4 羧甲基竹笋膳食纤维电镜扫描图(10000×)Fig.4 SEM of carboxyl methyl bamboo－shoot dietary fiber(10000×)

2.3 理化性能的结果分析

表1 竹笋DF理化性能差异显著性分析Table 1 Significant analysis of physical and chemical properties

物化特性是衡量膳食纤维质量好坏的一个重要指标。膳食纤维通过吸水膨胀，可以延缓或阻碍对膳食中多余的胆固醇及胆汁酸的吸收，从而可以达到降血脂降血糖的功效;膳食纤维较强的亲水性可增加机体排便体积与质量，缩短粪便在肠道内的停留时间，减少粪便中有毒物质对肠壁的刺激，清除内外源性有毒有害物质，提高机体免疫力，可有效的预防便秘和结肠癌［1］。此外，膳食纤维结构中包含着一些羧基、羟基和氨基等侧链基团，能产生类似弱酸性阳离子交换树脂的作用，可与阳离子尤其是有机阳离子进行可逆交换［12］。因此，膳食纤维能够与肠道中的K+和Na+结合，使之随粪便或尿液一同排出体外，降低由于K+、Na+摄入过量而引起的多种疾病(如心血管疾病等)的发病率［13］。

由图5可以看出，经改性后的羧甲基竹笋膳食纤维的膨胀力、持水力、结合水力与竹笋DF相比有了一定的提高，此结果证实了DF微观结构的改变与其功能特性之间的关系，但性能差异不显著(p＞0.05)。阳离子交换力却有所下降，这是因为膳食纤维在化学改性过程中表面的羟基被羧甲基化，从而影响阳离子交换能力下降。此外，化学改性显著提高了竹笋膳食纤维SDF的含量(p＜0.01)，由改性前的5.04%提高到16.2%，在一定程度上明显的改善了竹笋膳食纤维的品质及营养价值。

图5 化学改性前后竹笋DF理化性能结果分析Fig.5 Analysis result of physical and chemical properties of bamboo－shoot DF before and after modification

3 结论

3.1 以碱法提取的竹笋膳食纤维为原料进行化学改性，对改性后的竹笋膳食纤维进行红外图谱表征。结果表明，在3445.70cm－1处羧甲基膳食纤维的吸收峰强度较小，说明纤维素分子中的羟基被羧甲基取代而减弱。在 1417.08、1331.91、1242.02、1143.35、1099.67、1018.55、966.59cm－1处出现了醚键吸收峰，说明竹笋膳食纤维中的羟基被羧甲基化。

3.2 电镜扫描结果显示，化学改性后的竹笋膳食纤维表面粗糙不平，有明显的裂纹及沟壑，表面结构受到一定的破坏，微观结构和分子大小发生了变化，其完整性遭到破坏。

3.3 经化学改性后的竹笋膳食纤维的膨胀力、持水力、结合水力与竹笋DF相比有了一定程度提高，但阳离子交换力却有所下降。而SDF的含量，由改性前的5.04%提高到16.2%，说明化学改性可以明显改善竹笋DF的质量及品质。

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