纤维素酶改性榨菜皮膳食纤维的理化性质的研究

成林林，周　莲，潘年龙，韩彦慧，曾凡坤，*

（1.西南大学食品科学学院，重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆400715；2.重庆工商大学绿色食品研究所，重庆400067）

纤维素酶改性榨菜皮膳食纤维的理化性质的研究

成林林1，周莲2，潘年龙1，韩彦慧1，曾凡坤1，*

（1.西南大学食品科学学院，重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆400715；2.重庆工商大学绿色食品研究所，重庆400067）

采用纤维素酶对榨菜皮粗纤维进行改性，分析了在不同温度和pH条件下改性榨菜皮膳食纤维理化性质的变化。结果表明，改性纤维中水溶性膳食纤维含量增加了80.02%，不溶性膳食纤维含量下降9.76%；改性榨菜皮膳食纤维的持水力、吸水膨胀力及NO2-吸附能力均显著提高（p＜0.01）；改性纤维阳离子交换能力与粗纤维差异显著（p＜0.01），并在60℃达到最大值0.657mmol/g；pH7时改性纤维胆固醇吸附能力比pH2时吸附能力强。形貌结构分析显示改性纤维粒径更小，更加疏松，有较大的空腔和裂缝，但主要成分及化学结构没有受到明显的影响。

榨菜皮，膳食纤维，改性，纤维素酶，理化性质

榨菜皮是榨菜在加工过程中产生的皮渣、老筋等副产物，含大量纤维和食盐。榨菜在加工修剪去皮过程中，一般会产生10%左右的榨菜皮，仅重庆涪陵榨菜集团每年加工榨菜8万吨左右，可产生0.8～1万吨榨菜皮［1］。由于榨菜皮含盐量很高，大部分直接丢弃，对环境造成严重污染，榨菜皮中的膳食纤维未得到良好利用［2］。膳食纤维是指不被人体消化吸收，以多糖类物质为主体的大分子物质的总称，具有良好的生理功能，能够预防心脑血管疾病、高血压、肠道疾病等［3-4］。

本实验研究了纤维素酶改性榨菜皮膳食纤维的持水力、吸水膨胀力、阳离子交换能力等理化性质，并与未改性纤维进行比较，为榨菜皮膳食纤维的进一步研究及在食品加工中的应用提供一定的参考。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

榨菜皮重庆市涪陵榨菜集团股份有限公司；纤维素酶（1万U/g） 生物试剂，南宁东恒华道生物科技有限责任公司；MES（生物试剂） 上海恒远生物科技有限公司；TRIS、磷酸氢二钠、柠檬酸、95%乙醇分析纯试剂，成都市科龙化工试剂厂。

DHG-9140型电热恒温鼓风干燥箱、HWS-28型电热恒温水浴锅上海齐欣科学仪器有限公司；SHZ-82型恒温振荡器常州国华电器有限公司；FW177型中草药粉碎机天津泰斯特仪器有限公司；PB-10型酸度计赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；K-360型全自动凯氏定氮仪瑞士BuChi公司；UV-2450型紫外分光光度计日本岛津公司；Spectrun100型红外光谱美国PerkinElmer公司；Quanta-200扫描电子显微镜荷兰FEI公司。

1.2实验方法

1.2.1改性膳食纤维（MDF1）的制备按料水比1∶4，用自来水浸泡榨菜皮15min，沥干，再按料水比1∶3浸泡10min，榨菜皮含盐量约4%；于60℃条件下烘12h，粉碎，过60目筛，得榨菜皮粗纤维（MSDF1）。取5g MSDF1，加入150mL pH4.87的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液，摇匀，于50℃下预热溶胀1h；再加入187.25U纤维素酶，混匀，于50℃恒温水浴振荡器中酶解2.5h；用95%乙醇收集、过滤、烘干、粉碎，过60目筛，得MDF1。

1.2.2检测方法

1.2.2.1基本成分的测定灰分的测定：参照GB 5009.4-2010；蛋白质的测定：凯氏定氮法（参照 GB 5009.5-2010）；总膳食纤维（TDF）、水溶性膳食纤维（SDF）、水不溶性膳食纤维（IDF）的测定：酶-重量法（参照GB/T 5009.88-2008）；纤维素的测定：王林风等［5］硝酸乙醇法；半纤维素的测定：2mol/L盐酸水解法［6］；木质素的测定：Klason lignin法［7］。

1.2.2.2不同温度和pH下持水力的测定参考Gómez-Ordóñez等［8］的方法并作适当修改。准确称取干燥样品0.5g，置于已知质量的离心管中，加入20mL蒸馏水，摇匀，静止1h后于5000r/min离心20min，小心去掉上清液，用滤纸吸干内壁多余水分，称重，重复测定3次。用恒温水浴锅控制温度分别为20、40、60、80、100℃五个梯度，在pH为7.5条件下测定各温度下的持水力；用磷酸盐缓冲液调节pH在3、5、7、9、11五个梯度，在温度为室温时测定各pH下膳食纤维的持水力。

持水力（g/g）=（X1-X0）/X

式中：X1为吸水后重量（g）；X0为离心管重量（g）；X为样品干重（g）。

1.2.2.3温度和pH对吸水膨胀力影响的测定参考Chau等［9］的方法并作适当修改。准确称取干燥样品0.5g，置于25mL刻度试管中，读取干燥样品体积，然后加入20mL蒸馏水，振荡摇匀，静置24h，记录样品膨胀的自由体积，重复测定3次。用恒温水浴锅控制温度分别为20、40、60、80、100℃五个梯度，在pH为7条件下测定各温度下的持水力；用磷酸盐缓冲液调节pH在3、5、7、9、11五个梯度，在温度为25℃时各pH下膳食纤维的持水力。

吸水膨胀力（mL/g）=（V1-V0）/M

式中：V1为膨胀后体积（mL）；V0为干样品体积（mL）；M为样品干重（g）。

1.2.2.4温度对阳离子交换能力影响的测定参考Benítez等［10］的方法并作适当修改。准确称取1.0g样品置于三角瓶中，加入40mL去离子水、5%NaOH 100mL、2滴酚酞，用100mmol/L的NaOH溶液滴定，至微红且5s内不褪色，记录消耗的NaOH的体积。以同样的方法做空白滴定。根据消耗的NaOH体积计算样品与阳离子的交换能力，重复测定3次。用恒温水浴锅控制温度分别为20、40、60、80、100℃五个梯度，在pH为7.5条件下测定各温度下的持水力。

阳离子交换能力（mmol/L）=（V1-V0）/1000×C/M

式中：V1为滴定样品时消耗NaOH的体积（mL）；V0为滴定空白时消耗NaOH的体积（mL）；C为NaOH的浓度（mmol/L）；M为样品质量（g）。

1.2.2.5pH对胆固醇吸附能力的测定参考欧仕益等［11］的方法并作适当修改。取鸡蛋蛋黄，加入9倍质量的蒸馏水充分搅打成乳液，分别取样品2.0g于250mL三角瓶中，加入50g稀释蛋黄液，搅拌均匀，调节体系pH至2.0和7.0（模拟胃和小肠环境），置恒温振荡器中，37℃振荡2h，在3000r/min条件下离心20min，准确吸取1mL上清液稀释10倍，取0.1mL采用邻苯二甲醛作显色剂在550nm下比色测定pH2、7下胆固醇含量，平行测定3次。以胆固醇为标准物制作标准曲线［12］。

1.2.2.6pH对NO2-吸附能力的测定参考欧仕益等［13］的方法并作适当修改。准确称取0.50g样品于250mL的干燥锥形瓶中，加入100μmol/L NaNO2溶液100mL，调节体系pH至2.0和7.0（模拟胃和小肠环境），在37℃的条件下用磁力搅拌机搅拌一段时间使其完全分散，取出后过滤，取滤液5.00mL于25mL比色管中，加入0.4%的对氨基苯磺酸溶液2.0mL，混匀，静置5min，再加入0.2%的盐酸萘乙二胺溶液1.0mL，加水至刻度，混匀，静置10min，测吸光值，平行测定3次，并测出pH2、7下每克样品亚硝酸根离子的吸附量随搅拌时间的变化趋势。以100μmol/L NaNO2溶液制作标准曲线（参考GB5009.33-2010第二法）。

1.2.2.7结构分析与微观形态观察红外光谱测定：取1～2mg纤维样品于玛瑙研钵中，加入100mg烘干的光谱纯溴化钾粉末，研细混匀，烘干粉末，将粉末均匀加入压模器内，制成一定厚度和直径的均匀透明片，迅速放入仪器光路中扫描。微观形态观察：纤维表面喷金，厚度为50nm，喷金后直接于扫描电子显微镜下观察。

1.2.3数据处理采用所有实验处理进行三次重复测定，测定数据以平均值±标准偏差（±sD）的形式表示。实验数据采用Excel2010，Spss Statistics19软件统计分析数据。

2　结果与分析

2.1改性前后纤维基本成分组成

经纤维素酶处理之后，改性膳食纤维的TDF、SDF含量升高，特别是SDF含量提高了80.02%，是优质膳食纤维标准（SDF含量10%）的三倍多（表1），IDF含量下降了9.76%。其原因可能是纤维素酶的适度水解使粗纤维中的不溶性大分子间连接键断裂［14］，部分不溶性成分转化为水溶性聚合物。

表1　粗纤维和改性纤维膳食纤维组成Table 1　DF composition of crude dietary fiber and modified dietary fiber

2.2不同pH和温度对膳食纤维持水力的影响

从pH对改性纤维持水力影响结果（见图1）可以看出，改性纤维的持水力显著高于未改性纤维（p＜0.01），且两者都是在pH7时持水力最大。改性纤维和未改性纤维的持水力都随着温度的升高而增大，但改性纤维在同一温度下持水力显著高于未改性纤维（p＜0.01）（见图2）；当温度过高时，样品持水力的增加趋势放缓，这可能是由于水分子的运动速率随着温度的升高而增大，导致纤维不容易束缚住水分子。

图1　pH对持水力大小的影响Fig.1　Influence of pH on water holding capacity of DF

图2　温度对持水力的影响Fig.2　Influence of temperature on water holding capacity of DF

2.3不同pH和温度对膨胀力的影响

从图3可知，随着pH的增大，吸水膨胀力总体呈上升趋势，但改性纤维吸水膨胀力显著高于未改性纤维（p＜0.01）。膨胀力增加的原因可能是：酶法改性后结构更松散，颗粒增加，容积变得更大，使膳食纤维的膨胀力增大；其次可能是改性榨菜皮膳食纤维的孔隙增加，暴露出更多亲水基团，因此膨胀力增加［15-16］。从图4可知，改性纤维的吸水膨胀力显著高于未改性纤维（p＜0.01）；随着温度的升高，纤维吸水膨胀力不断增强，这可能是由于温度升高，纤维结构更加舒展，从而吸收更多的水分。

图3　pH对吸水膨胀力的影响Fig.3　Influence of pH on swelling capacity of DF

图4　温度对吸水膨胀力的影响Fig.4　Influence of temperature on swelling capacity of DF

图5　温度对阳离子交换能力的影响Fig.5　Influence of temperature on cation exchange capacity of DF

2.4温度对膳食纤维阳离子交换能力的影响

膳食纤维结构中所包含的侧链基团，如羟基、羧基和氨基，能够产生类似弱酸性阳离子交换树脂的作用，具有一定的阳离子交换能力。膳食纤维还能与有机阳离子进行可逆交换，影响消化道的渗透压、pH，形成一个缓冲区域，有利于膳食的消化吸收，同时由于膳食纤维能与Na+、K+交换，降低血液中Na+/K+比值，有利于降低血压［17］。从图5可知，温度对膳食纤维阳离子交换能力影响较大，可能是适宜的温度使纤维的结构更加松散，更多侧链基团暴露，增加了阳离子的交换能力。而温度过高时基团受到一定程度的破坏，减弱其交换能力。在温度为40℃时（接近人体温度），改性纤维阳离子交换能力显著高于未改性纤维（p＜0.01），且在60℃时达到最大0.657mmol/g。

2.5不同pH对胆固醇吸附能力影响

膳食纤维对胆固醇的吸附主要是物理吸附［12］，从图6可知，pH对膳食纤维吸附胆固醇的能力影响较大，两种膳食纤维在中性条件下的吸附能力显著高于酸性条件（p＜0.01），说明膳食纤维对胆固醇也有一定的化学吸附作用，这与黄晟等［14］研究结果相同。经过改性处理后，无论pH2或pH7改性纤维对胆固醇的吸附能力都高于未改性纤维（p＜0.05）。

图6　不同样品对胆固醇吸附能力指标Fig.6　Adsorption indicator of different samples on cholesterol

2.6不同pH对NO2-吸附能力影响

图7　pH7时不同样品对NO2-吸附能力指标Fig.7　Adsorption indicator of different samples on nitrite ion when pH 7

图8　pH2时不同样品对NO2-吸附能力指标Fig.8　Adsorption indicator of different samples on nitrite ion when pH2

从图7和图8可知，pH对膳食纤维吸附NO2-影响较大，两种样品在pH2时的吸附能力高于pH7时，并且都随着时间的延长，吸附量不断增大，到一定的时间后吸附能力有所放缓。这可能是由于pH升高后，羧基化合物中的羧基解离，膳食纤维表面的负电荷量增加，进而排斥NO2-使其释放出来［13］，从而造成pH7时膳食纤维对NO2-的吸附能力小于pH2。经过改性处理后，不论pH2或pH7，改性纤维对NO2-的吸附能力都显著高于未改性纤维（p＜0.05）。

2.7改性前后纤维结构比较

图9是未改性纤维和改性纤维的红外光谱扫描图，两者的红外光谱图基本一致。从图9可知，3500～3200cm-1处出现的宽峰是分子间氢键O-H的伸缩振动，2940～2930cm-1为饱和C-H伸缩振动，2500～2000cm-1为叁键和累积双键的伸缩振动，1650～1620cm-1为单核芳烃上C=C伸缩振动，1465～1340cm-1为C-H弯曲振动，880～680cm-1为芳烃面外C-H弯曲振动，769～659cm-1为O-H面外弯曲振动；1634cm-1为木质素中苯环的特征吸收峰，1162cm-1为纤维素的特征吸收峰，896cm-1为β吡喃糖C-H变角振动的特征吸收峰。

图9　未改性纤维和改性纤维红外光谱扫描图Fig.9　Infrared spectroscopy of crude dietary fiber and modified dietary fiber

图10　未改性纤维和改性纤维的扫描电镜图Fig.10　Microstructures of crude dietary fiber and modified dietary fiber

由纤维改性前后扫描电镜图10可以看出，榨菜皮未改性纤维呈现较大颗粒状。改性纤维呈不规则的小片状，相互间形成褶皱形态，增强持水和持油能力。

3　结论

经纤维素酶改性后榨菜皮膳食纤维的SDF含量提高了80.02%，达到31.36%，是优质膳食纤维标准（SDF含量10%）的三倍多，而IDF含量下降了9.76%；改性榨菜皮膳食纤维的持水力、吸水膨胀力及NO2-吸附能力均显著提高（p＜0.01）；改性纤维阳离子交换能力与未改性纤维差异显著（p＜0.01），并在60℃达到最大值0.657mmol/g；pH7时改性纤维胆固醇吸附能力比pH2时吸附能力强。红外光谱图表明，纤维素酶的改性处理没有导致新基团的生成，主要成分和化学结构并未发生改变；扫描电镜图显示，改性纤维呈不规则小片状，相互间形成褶皱形态，增强持水能力。

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Physicochemical properties and structure of modified dietary fiber with cellulase from mustard skin

CHENG Lin-lin1，ZHOU Lian2，PAN Nian-long1，HAN Yan-hui1，ZENG Fan-kun1，*
（1.College of Food Science，Southwest University，Engineering Technique Research Center of Chongqing for Special Food，Chongqing 400715，China；2.Research Institute of Green Food，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067，China）

Comparison of the composition，physicochemical properties and structure changes of the mustard dietary fiber were analyzed before and after cellulase modification in the different temperature and pH.The results showed that the soluble dietary fiber content after modified was increased by 80.02%and the insoluble dietary fiber content after modified was decreased by 9.76%.The water holding capability，swelling capability，and nitrite in the modified dietary fiber were improved significantly（p＜0.01）.The cation exchange capacity between modified and rude fiber had significant differences（p＜0.01），and it reached maximum which was 0.657mmol/g at 60℃.Absorption cholesterol capability of the fiber modified at pH7 was more power than that at pH2.By observing the ultra at structure of dietary fiber before and after modification，the modified fiber had smaller particle size，looser morphology and structure，larger cavity and crack，the main components and their chemical structures were not affected.

mustard skin；dietary fiber；modification；cellulase；physicochemical propertie

TS255.53

A

1002-0306（2015）14-0134-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.14.019

2014－10－27

成林林（1991-），女，硕士研究生，研究方向：食品生物技术。

曾凡坤（1963-），男，硕士，教授，研究方向：果蔬加工技术。

“十二五”国家科技计划（863）课题（2011AA100805-2）。