超声波改性对方竹笋膳食纤维性能和结构的影响

张艳，何翠，刘玉凌，夏杨毅,2*

1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)2(西南大学 重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆，400715)

超声波改性对方竹笋膳食纤维性能和结构的影响

张艳1，何翠1，刘玉凌1，夏杨毅1,2*

1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)2(西南大学 重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆，400715)

以新鲜、干制和冷冻方竹笋制备的膳食纤维(dietary fiber，DF)为研究对象，运用超声波改性处理，比较分析其理化性能和结构变化。结果表明：新鲜方竹笋DF的膨胀力、持油力和羟自由基清除率显著高于干制和冷冻方竹笋DF(P<0.05)，但还原力和超氧离子清除率显著低于干制方竹笋DF(P<0.05)，表明3种方竹笋DF的性能存在差异。超声波改性后，除新鲜方竹笋DF的膨胀力和持油力以及干制方竹笋DF持油力没有显著变化(P>0.05)外，3种方竹笋DF的其他性能均呈显著增加(P<0.05)，表明超声波改性可提高3种方竹笋DF的理化性能。扫描电镜结果显示，超声波处理使新鲜方竹笋DF的蜂窝结构更加密集、干制和冷冻方竹笋DF呈现疏松多孔状结构；红外图谱显示，超声波处理没有改变方竹笋DF的特征峰型、位置及峰的数量，但使干制和冷冻方竹笋DF的部分特征吸收峰强度发生改变。

超声波改性；新鲜；干制；冷冻；方竹笋；膳食纤维

金佛山方竹笋是世界竹类中的特有品种，品质纯净、形呈四方，具有肉厚鲜美[1]、氨基酸含量高[2]、矿物质丰富[3]等特点，富含竹黄酮、多糖等天然活性物质，且纤维素、半纤维素、木质素含量丰富，是理想的膳食纤维原料之一。膳食纤维是营养膳食不可或缺的 “第七大营养素”[4]，具有促进排便、降低血液中胆固醇和血糖含量的生理效果[5-6]。方竹笋功能特性与膳食纤维组成、理化性质、化学结构有关，改性处理是提高膳食纤维营养及生理活性的重点和方向[7]。超声波可产生空穴效应、机械效应、热效应等，可减小DF粒径、增加表面积[7]，从而提高溶解度及抗氧化性能[8-9]，具有耗时少、效率高、对环境污染小等特点[10]。

新鲜方竹笋易发生老化、笋体变硬、含水量降低、营养成分减少，干制、冷冻处理是常用的方竹笋储藏手段，也是竹笋加工及膳食纤维提取的主要原料。目前有关方竹笋膳食纤维的研究主要集中在提取工艺[11]、功能特性[12-13]的研究上，对不同原料的方竹笋膳食纤维超声波改性研究仍未见报道。本文以新鲜、干制和冷冻方竹笋制备的膳食纤维为原料，分析超声波改性后方竹笋膳食纤维理化性能和结构的变化，以期为方竹笋膳食纤维的利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

方竹笋，九月初采自重庆市南川区金佛山牵牛坪(海拔1 800～2 000 m)，笋长20～25 cm。

主要化学试剂：铁氰化钾，三氯乙酸，FeCl3邻苯三酚，磷酸盐，水杨酸，均为分析纯，四川成都科龙化工试剂厂。

1.2 仪器与设备

Q-100A2高速多功能粉碎机，上海冰都电器有限公司；DW-FW110超低温冷冻储存箱，中科美菱低温科技有限公司；SCQ-4201超声波清洗机，上海声彦超声波仪器有限公司；5810台式高速离心机，德国Eppendorf公司；JSM-6510LV扫描电子显微镜，日本电子；YP-2 压片机，上海山岳科学仪器有限公司；Spectrum100傅里叶红外光谱仪，美国PerkinElmer公司。

1.3 实验方法

1.3.1 样品制备

1.3.1.1 预处理

新鲜方竹笋，采后4 h内运回实验室，挑选出笋龄大小一致、无机械损伤的新鲜笋，去壳，清洗，分成2组。一组直接粉碎制备新鲜方竹笋渣。另一组切成长宽厚8 cm×2 cm×5 mm的片状，沸水中漂烫11 min，常温流动水快速冷却并自然沥干，一部分在60 ℃干燥箱中烘干至水分含量6%左右，自来水浸泡12 h后粉碎制备干制方竹笋渣；另一部分包装预冷至4 ℃后于-40 ℃条件下冻藏，35 d后取出自然解冻，粉碎制备冷冻方竹笋渣。

1.3.1.2 方竹笋DF制备[12]

3种方竹笋渣→碱改性(温度60℃、pH 12.5、料液比1∶10、时间2 h)→漂洗→酸改性(温度60℃、pH 2、料液比1∶8、时间1.5 h)→漂洗→60℃干燥→粉碎→过60目筛→装自封袋待用。

1.3.1.3 方竹笋DF超声波处理

参照CHEICKNA DAOU[14]的方法，略有改动。按重量体积比1∶10的水溶液，超声波频率25 kHz，功率100 W，室温下改性1 h，于60 ℃干燥箱中烘干至水分含量6%左右，装自封袋保存待用。

1.3.2 理化性质测定

1.3.2.1 持水力测定[15]

准确称取0.5 g试样于已知质量的50 mL离心管中，加蒸馏水20 mL，摇匀于室温下漩涡振荡12 h，5 000 r/min离心10 min，小心弃去上清液，并用吸水纸吸干离心管壁残留的水分，称量并计算出湿试样的质量。

(1)

式中：m1，样品湿质量，g；m0，样品干质量，g。

1.3.2.2 结合水力测定

参照陈雪峰[16]等人的方法，略有改动。准确称取0.5 g试样于已知质量的50 mL离心管中，加蒸馏水20 mL，摇匀于室温下漩涡振荡12 h，5 000 r/min离心10 min，小心弃去上清液，将湿的膳食纤维全部转移至干燥恒重后的培养皿中，计算出湿重，然后于105 ℃干燥至水分含量为6%左右，冷却至室温后称重。

(2)

式中：m1，干燥后样品质量，g；m1，样品湿质量，g；m0，样品干质量，g。

1.3.2.3 膨胀力测定

参照ROBERTSON[15]等人的床体积法。准确称取1.0 g试样于10 mL量筒中，读取初始体积，加入足量蒸馏水，振荡均匀，室温下静置24 h后，记录量筒内试样自由膨胀体积。

(3)

式中：V2，吸水膨胀后体积，mL；V1，干品体积，mL；m0，样品质量，g。

1.3.2.4 持油力测定[15]

准确称取0.5 g试样于已知质量的50 mL离心管中，加菜籽油20 mL，摇匀于室温下漩涡振荡12 h，5 000 r/min离心10 min，小心弃去上清液，并用吸水纸吸干离心管壁残留的油分，称量并计算出湿试样的质量。

(4)

式中：m1，样品湿质量，g；m0，样品干质量，g。

1.3.3 抗氧化能力测定

1.3.3.1 抗氧化活性成分的提取

参照周小理[17]等人的乙醇提取法，准确称取1.0 g试样于100 mL离心管中，加入50 mL 体积分数为70%的乙醇溶液(料液比1∶50)，于70 ℃条件下浸提6 h，3 000 r/min离心10 min，取上清液进行抗氧化能力的测定。

1.3.3.2 还原力测定[17]

吸取2.5 mL上述离心后的上清液于试管中，分别加入2.5 mL 0.2 mol/L pH 6.6的磷酸盐缓冲液和2.5 mL 1%的铁氰化钾，于50 ℃恒温水浴锅反应20 min，冷水迅速冷却后，加入2.5 mL 10%的三氯乙酸溶液，混均后取5 mL此溶液于试管中，分别加入4 mL蒸馏水和0.5 mL 0.1%的氯化铁溶液，反应10 min后于波长700 nm处测吸光值。

1.3.3.3 超氧离子清除率测定[18]

吸取1 mL上述离心后的上清液于试管中，加入3 mL pH8.2 50 mmol/L的Tris-HCL溶液，于30℃恒温水浴锅反应20 min，冷却后加入3 mL 7 mmol/L邻苯三酚溶液，混均后反应3 min，再加1 mL浓盐酸溶液终止反应，于420 nm处测吸光值。

(5)

式中：A1，待测液在420nm下的吸光值；A2，以H2O代替邻苯三酚在420nm下的吸光值；A0，以H2O代替样液在420nm下的吸光值。

1.3.3.4 羟自由基清除率测定[18]

吸取1 mL上述离心后的上清液于试管中，分别加入1 mL 9 mmol/L的硫酸亚铁溶液和1 mL 9 mmol/L的水杨酸乙醇溶液，然后加入1 mL 8.8 mmol/L的双氧水启动反应，混均后于37℃恒温水浴锅反应0.5 h，冷却后在波长510 nm处测吸光值。

(6)

式中：A1，待测液在510nm下的吸光值；A2，以H2O代替H2O2在510nm下的吸光值；A0，以H2O代替样液在510nm下的吸光值。

1.3.4 形貌特征与结构测定

1.3.4.1 扫描电镜测定

扫描电镜(scanning electron microscope，SEM)图的拍摄参照高怡然[19]等的研究方法。试样干燥至恒重，取少量用双面胶固定在样品座上，表面喷金处理后进行电镜观察并拍照。

1.3.4.2 傅里叶红外光谱测定

傅里叶红外光谱(fourier transform infrared，FTIR)的测定方法参照HULT[20]等人的方法，略有改动。取1～2 mg干燥至恒重的方竹笋膳食纤维于玛瑙研钵中，加入100 mg左右的干燥的光谱纯溴化钾，研磨混匀至细微的粉末状，装入并使其均匀平铺于压片模具中，抽气加压，保持3 min左右，将制成的透明薄片迅速放入仪器进行分析扫描，扫描次数：32次，分辨率：4 cm-1，扫描范围：500～4 000 cm-1。

1.3.5 数据处理

每组数据平均测定3次，结果均以(平均值±标准差)表示，并采用SPSS 17.0进行方差及显著性分析，Origin 8.1进行相关图的绘制。

2 结果与分析

2.1 超声波改性对方竹笋DF理化性质的影响

由表1可知，与新鲜方竹笋DF比较，干制和冷冻方竹笋DF的膨胀力和持油力显著降低(P<0.05)，持水力和结合水力没有显著差异(P>0.05)。可能是由于干制、冷冻加工工艺破坏了细胞纤维结构，致密的多孔网状结构被破坏，细胞出现不同程度的坍塌，导致膨胀力降低，同时，网状结构的破坏使油脂抵御离心作用减弱，持油力下降[21-22]。

超声波改性后，新鲜方竹笋DF的持水力(6.79 g/g)和结合水力(5.67 g/g)显著增加(P<0.05)，但膨胀力(4.51 mL/g)和持油力(3.04 g/g)没有显著变化(P>0.05)；干制方竹笋DF的持水力(9.88 g/g)、结合水力(8.52 g/g)和膨胀力(7.14 mL/g)显著增加(P<0.05)，但持油力(2.64 g/g)显著降低(P<0.05)；冷冻方竹笋DF的持水力(8.20 g/g)、结合水力(6.67 g/g)和膨胀力(6.92 mL/g)显著增加(P<0.05)，但持油力(3.03 g/g)没有显著变化(P>0.05)。表明超声波处理使方竹笋DF的水合性能增加，这是因为超声波产生的空穴效应能形成瞬时高压并不断撞击物料，破坏了方竹笋DF网状结构，削弱了蛋白质分子之间的疏水作用，使其破碎成粒径更小的物质，增大比表面积，暴露出更多的亲水基团，这些结构变化会增加其水合性能[23]。

超声波改性后，3种方竹笋DF的持水力和结合水力依次为干制>冷冻>新鲜方竹笋DF，且差异显著(P<0.05)；干制和冷冻方竹笋DF的膨胀力没有显著差异(P>0.05)，但显著高于新鲜方竹笋DF(P<0.05)；而3种方竹笋DF的持油力没有显著差异(P>0.05)。表明超声波改性后的干制和冷冻方竹笋DF的水合性能高于新鲜方竹笋DF，原因在于经干制、冷冻加工后的方竹笋DF结构更为疏松，经超声波改性处理，更容易破碎成粒径更小的物质，暴露出更多的亲水基团，从而表现出比新鲜方竹笋DF更高的持水力、结合水力，而干制加工形成的褶皱结构，使表面积得到较大程度提高，水合性能得到较大提高。

表1 超声波改性对方竹笋DF理化性质的影响

注：同列小写字母不同，表示差异显著(P<0.05)。

2.2 超声波改性对方竹笋DF抗氧化能力的影响

由图1(a)可知，新鲜和冷冻方竹笋DF的还原力没有显著差异(P>0.05)，但显著低于干制方竹笋DF(P<0.05)。超声波改性后，3种方竹笋DF的还原力均显著提高(P<0.05)，分别达到0.15、0.50和0.16，其中干制方竹笋DF的还原力显著高于新鲜和冷冻方竹笋DF(P<0.05)。

由图1(b)可知，3种方竹笋DF的超氧离子清除能力呈显著差异(P<0.05)，分别为：干制>新鲜>冷冻。超声波改性后，新鲜方竹笋DF的超氧离子清除能力没有显著变化(P>0.05)、干制方竹笋DF的超氧离子清除能力显著降低(P<0.05)、冷冻方竹笋DF的超氧离子清除能力显著增加(P<0.05)，但3种DF比较仍呈显著差异(P<0.05)、分别是干制>冷冻>新鲜。

由图1(c)可知，干制和冷冻方竹笋DF的羟自由基清除率没有显著差异(P>0.05)，但显著低于新鲜方竹笋DF(P<0.05)。超声波改性后，3种方竹笋DF的羟自由基清除率均显著提高(P<0.05)，分别达到25.82%、23.75%和18.22%，其值接近刘湾等[24]用纤维素酶改性蒜皮DF，抗坏血酸浓度为0.02%时的羟自由基清除率(26.14%)。

图1 超声波改性对方竹笋DF抗氧化能力的影响Fig.1 Effect of ultrasound modified on the antioxidant capacityof chimonobambusa DF注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

干制处理可显著增加方竹笋DF的还原力、超氧离子清除率，而羟基自由基清除率显著降低(P<0.05)，这可能是干制破坏了细胞结构，导致细胞膜透性改变，抗氧化活性物质在种类和数量上发生变化[25-26]，进而造成了方竹笋DF抗氧化活性的差异。另外，超声波改性处理显著提高了新鲜、冷冻方竹笋DF的抗氧化能力(P<0.05)。

2.3 超声波改性对方竹笋DF形貌特征和结构的影响

2.3.1 方竹笋DF的扫描电镜(SEM)分析

由图2可知，新鲜方竹笋DF呈现疏松多孔的类似蜂窝状的结构，干制方竹笋DF呈现无规则凹凸状结构，冷冻方竹笋DF的致密网状结构受到一定程度破坏，呈现较紧实的无规则凹凸状结构，3种方竹笋DF的表观形态结构存在一定的差异。

图2 方竹笋DF的SEM图Fig.2 The SEM photograph of chimonobambusa DF注：a1表示新鲜方竹笋DF，a3表示干制方竹笋DF，a2表示冷冻方竹笋DF，b1表示改性新鲜方竹笋DF，b3表示改性干制方竹笋DF，b2表示改性冷冻方竹笋DF。

超声波改性后，新鲜方竹笋DF表面的蜂窝状结构变得更加密集，使DF比表面积增大、分子内部更多的基团外露，进而改善其水合性能；干制方竹笋DF呈现出疏松多孔的空间网状结构，褶皱较多，比表面积得到明显提高；冷冻方竹笋DF表面结构变得疏松多孔，呈现更加复杂的空间网状结构，比表面积得到很大程度的增大；表明超声波处理能改变方竹笋膳食纤维的表观结构，使方竹笋DF的性能发生变化。

2.3.2 方竹笋DF的红外光谱分析

图3 方竹笋DF的红外光谱图Fig.3 The FTIR photograph of chimonobambusa DF

超声波改性后，新鲜方竹笋DF未发生位移，红外图谱呈现纤维素类多糖的特征吸收峰，其特征吸收峰的峰型、位置及峰的数量均未有显著变化，说明改性后的新鲜方竹笋DF化学成分未发生明显变化[29]。

超声波改性后，干制方竹笋DF峰型基本未发生显著变化，说明改性后干制方竹笋DF的化学组成成分基本未发生较大改变。在1 540、1 652、2 925 cm-1处附近的特征吸收峰强度明显减弱，表明改性后的干制方竹笋DF中木质素、—COO—、C—H含量出现一定程度减少。1 448 cm-1处的小峰消失，898 cm-1处的特征吸收峰明显增强且变得更加尖锐，主要是组分中更多的糖单元间β-糖苷键显露出来所致。

超声波改性后，冷冻方竹笋DF红外图谱特征吸收峰的整体峰型和基本位置未发生特别明显的变化。在898 cm-1处的特征吸收峰明显增强且变得更加尖锐，可能是改性造成糖单元间链接键断裂，更多的β-糖苷键显露出来致使吸收峰增强。1 242、1 316、1 401 cm-1处的吸收峰强度明显减弱甚至消失，说明经超声波改性后，冷冻方竹笋半纤维素组分发生一定程度的降解，造成其特征吸收峰减弱。1 542 cm-1处的特征吸收峰有所增强，可能是由于改性使得方竹笋DF中半纤维素发生不同程度的降解，组分中的木质素含量相对增加，特征吸收峰有所增强。

3 结论

与新鲜方竹笋DF比较，干制和冷冻方竹笋DF的膨胀力、持油力和羟自由基清除率显著降低(P<0.05)，表明干制和冷冻对方竹笋DF的性能有较大影响。超声波改性后，除新鲜方竹笋DF的膨胀力和持油力以及干制方竹笋DF持油力没有显著变化(P>0.05)外，其余3种方竹笋DF的性能均呈显著增加(P<0.05)，表明方竹笋DF超声波处理具有较好的改性效果。干制方竹笋DF超声波改性后的理化性能明显优于改性后的新鲜和冷冻方竹笋DF，表明干制方竹笋是较好的DF提取原料。

SEM结果显示，超声波改性使新鲜方竹笋DF的蜂窝结构更加密集、干制和冷冻方竹笋DF呈现疏松多孔状结构，3种方竹笋DF的比表面积提高。FTIR结果显示：超声波改性后的3种方竹笋DF的特征峰型、位置及峰的数量均未有显著变化，但干制和冷冻方竹笋DF的部分特征吸收峰强度发生改变。

超声波的多重效应能够促使蛋白质分子裂解，暴露出分子内部更多的亲水基团，减小颗粒粒径，增加表面积，提高溶解度，显著提高了方竹笋膳食纤维的理化性质和抗氧化活性，同时可引起化学键的断裂和原子重排，造成方竹笋膳食纤维组成发生一定程度改变。

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Effect of ultrasound on physicochemical properties and structure of chimonobambusa dietary fibre

ZHANG Yan1, HE Cui1,LIU Yu-ling1,XIA Yang-yi1,2*

1(College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China) 2(Chongqing Special Food Programme and Technology Research Center, Chongqing 400715, China)

Dietary fiber prepared from fresh, dried and frozen chimonobambusa by ultrasonic were studied. The changes of its physicochemical properties and structure of the dietary fiber were analyzed. The results showed that: the expansion force, oil holding capacity and hydroxyl radical scavenging of fresh chimonobambusa DF was significantly higher than that of dried and frozen chimonobambusa DF (P<0.05), but reducing power and superoxide anion clearance rate was significantly lower than dried chimonobambusa DF (P<0.05). This shows three kinds of chimonobambusa DF is different. After modified by Ultrasonic, the expansibility, the oil holding capacity of fresh chimonobambusa DF and the oil holding capacity of dried chimonobambusa DF did not change significantly (P>0.05). The other properties showed a significant increase (P<0.05), indicating that ultrasonic can improve the physicochemical properties of chimonobambusa DF. SEM analysis showed that after ultrasonic, the honeycomb structure in fresh chimonobambusa DF became more dense; dried and frozen chimonobambusa DF present the space of the porous mesh structure. FTIR showed that ultrasonic treatment did not change the characteristics absorption peak, the position and number of the peaks, but changed peak intensity of dry and frozen chimonobambusa DF.

ultrasonic modified; fresh; dried; frozen; chimonobambusa; dietary fiber

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201701025

硕士研究生(夏杨毅副教授为通讯作者,E-mail：265835528@qq.com)。

公益性行业(农业)科研专项《原料理化特性对传统腌腊肉制品品质的影响研究与示范(201303082-7)》；农业部公益性行业(农业)科研专项“南方地区肉兔育肥与高品质肉生产技术研究”(201303144)；国家兔产业技术体系肉加工与综合利用(CARS-44-D-1)

2016-06-05，改回日期：2016-07-01