微波和微粉碎改性对方竹笋膳食纤维性能和结构的影响

任雨离，刘玉凌，何翠，张艳，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)

微波和微粉碎改性对方竹笋膳食纤维性能和结构的影响

任雨离1，刘玉凌1，何翠1，张艳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)

以方竹笋膳食纤维为研究对象，进行微波和微粉碎物理改性处理，分析其理化性能和结晶结构变化。以水合性(膨胀力、持水力、结合水力、持油力)和抗氧化性(吸附亚硝酸盐能力、还原力、超氧离子清除率)为方竹笋膳食纤维的理化性能考察指标，通过微波和微粉碎实验分析和讨论，比较膳食纤维改性前后的理化性能。通过扫描电镜、傅里叶红外光谱和X-射线衍射比较分析方竹笋膳食纤维改性前后的结晶结构变化，探讨微波和微粉碎物理改性对膳食纤维结晶结构的影响。结果表明，微波处理后膳食纤维持水力和还原力显著提高(p<0.05)，比表面积增大；微粉碎处理后膳食纤维持油力显著降低、还原力显著提高(p<0.05)，部分网状结构消失；2种改性方竹笋膳食纤维的多糖吸收峰无明显变化，结晶结构没有改变、但强度发生了变化。因此，微波改性既能增强方竹笋膳食纤维的水合性，又能提高其抗氧化性能，微粉碎能使方竹笋膳食纤维的抗氧化性增加；微波和微粉碎处理后的方竹笋膳食纤维结晶强度和比表面积增大。

方竹笋；膳食纤维；物理改性；理化特性；结晶结构

金佛山方竹系禾本科竹亚科方竹属的独立品种，仅产于重庆市和贵州省的金佛山、箐坝山和柏芷山等。金佛山方竹笋的形呈四方、有棱有角，具有脆嫩、无苦味、无异味等特点，膳食纤维(DF)含量高达53%(干基)、富含氨基酸和矿物元素[1-2]，提取液具有抗突变作用[3]。

DF指具有10个或10以上单体单元聚合成的不能被人体小肠内源酶水解的碳水化合物[4]，称为“第七大营养素”[5]，竹笋DF具有通便、降血压、降血脂、抗氧化、清除自由基、抗突变等生理功能[6]。天然DF的可溶性膳食纤维(SDF)含量较低(仅有3%～4%)[7]，且DF功能也可进一步改善，常采用物理、化学及生物等方法改善DF的理化性能和生理功能[6]。

目前，方竹笋DF研究主要集中在提取工艺、理化性质等方面[8-10]，但对其改性研究较少，仅有植物乳杆菌和嗜热链球菌的微生物发酵处理对方竹笋DF的品质影响[11]。微波和和微粉碎属于典型的物理改性技术[12-14]，具有快速高效、易于控制、选择性强、无污染等特点[15-16]。试验选取金佛山方竹笋为原料制备膳食纤维，分别进行微波和微粉碎处理，比较分析改性前后方竹笋DF的性能和结构变化，为金佛山方竹笋的开发利用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1材料与试剂

重庆市南川区金佛山方竹笋；NaOH、HCl、NaNO2、NH4Cl、乙酸、乙醇、磷酸盐缓冲液、铁氰化钾、三氯乙酸、FeCl3、三羟甲基氨基甲烷，均为分析纯，四川成都科龙化工试剂厂；KBr光谱纯。

1.2仪器与设备

MJ-BL25C5手持粉碎机，广东美的生活电器制造有限公司；FCD-3000远红外干燥箱，天津市通利信达仪器厂；G80F20CN2L-B8(R0)微波炉，格兰仕微波炉电器有限公司；XQM-6微型实验球磨机，长沙天创粉末技术有限公司；JSM-6510LV 扫描电子显微镜，日本电子；Spectrum100 傅里叶红外光谱仪，美国PerkinElmer公司；XRD-7000 X-射线衍射分析仪，日本岛津公司；722S可见分光光度计，上海龙翔光学仪器有限公司；TGL-16C高速台式离心机，上海安亭科学仪器厂。

1.3实验方法

1.3.1 原料预处理

金佛山方竹笋采摘后4 h内运回实验室，挑选无机械损伤、笋龄和大小一致的新鲜方竹笋去壳处理后清洗，粉碎机粉碎制备笋渣。

1.3.2 膳食纤维制备

采用化学方法制备方竹笋DF[10]。取方竹笋渣，60 ℃、pH 12.5条件下NaOH处理(料液比1∶10)2 h，漂洗；60 ℃、pH 2条件下HCl处理(料液比1∶8)1.5 h，漂洗。置于60 ℃条件下干燥，粉碎处理后过60目筛，装袋密封待用。

1.3.3 改性膳食纤维制备

微波改性DF：参照CHEICKNA DAOU[17]的方法略有改动。将方竹笋DF与水配制成重量体积比为1∶10的水溶液，用功率680 W微波处理30 min，干燥箱内60 ℃烘干至水含量5%～7%，装袋密封待用。

微粉碎改性DF：参照李安平等[18]的方法略有改动。将方竹笋DF用球磨机常温研磨5.5 h，装袋密封待用。

1.3.4 方竹笋DF水合性指标测定

1.3.4.1 膨胀力测定[10]

准确称取1.0 g试样(m)于50 mL量筒中，记录其初始体积V1，然后加入一定量蒸馏水，均匀震荡后于室温静置24 h，观察并记录膨胀体积V2。

(1)

式中：膨胀力，mL/g；V2，自由膨胀体积,mL；V1，干品体积，mL；m，试样质量,g。

1.3.4.2 持水力测定[10]

准确称取0.5 g试样(m)于50 mL离心管中，加入20 mL蒸馏水并摇匀，然后室温条件下漩涡震荡12 h，5 000 r/min离心10 min，弃去上清液并吸干残留水分，称重后计算出湿重(M)。

(2)

式中：持水力，g/g，m，试样质量，g；M，湿重,g。

1.3.4.3 结合水力测定

参照陈雪峰等[19]的方法并稍加改动。准确称取0.5 g试样(m)于50 mL离心管中，加20 mL蒸馏水并摇匀，室温条件下漩涡震荡12 h，5 000 r/min离心10 min，弃去上清液，并将湿DF全部转移至干燥恒重后的培养皿中，计算出湿重m1，然后于105 ℃干燥至水分含量为6%左右，冷却至室温后称重，记为m2。

(3)

式中：结合水力，g/g；m1，湿重，g; m，试样质量,g；m2，冷却至室温后质量，g。

1.3.4.4 持油力测定[10]

准确称取0.5 g试样(m)于50 mL离心管中，加菜籽油20 mL并摇匀，室温条件下漩涡震荡12 h，5 000 r/min离心10 min，弃去上清液并吸干残留油分，称重后计算出湿重M。

(4)

式中：持油力，g/g；M，湿重，g；m，试样质量,g。

1.3.5 方竹笋DF吸附亚硝酸盐能力测定

1.3.5.1 亚硝酸盐标准曲线绘制

分别吸取0、2.0、2.4、2.8、3.2、3.6、4.0、4.4、4.8、5.2 mL亚硝酸钠标液于25 mL比色管中，加入4.5 mL氯化铵缓冲液、2.5 mL 60%乙酸，然后加入5.0 mL显色剂，加水至刻度处并混匀，暗处静置25 min，以零管调零点，于波长550 nm处测吸光度，绘制标准曲线，如图1所示。

图1 亚硝酸钠标准曲线Fig．1 The standard curve of sodium nitrite

1.3.5.2 亚硝酸盐含量的测定

称取2.0 g试样于250 mL锥形瓶中，加入100 mL 20 μg/mL亚硝酸钠溶液，混匀后室温下震摇30 min，用滤纸过滤，吸取10 mL滤液并稀释至100 mL，再吸取稀释后的溶液10 mL于25 mL带塞比色管中，按上述制作标曲方法中加入4.5 mL氯化铵缓冲液步骤操作，测定溶液的吸光值，并同时做试剂空白。带入标准曲线方程得溶液中亚硝酸盐含量。

1.3.6 方竹笋DF抗氧化能力测定

1.3.6.1 提取抗氧化活性成分

参照周小理等[17]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 70%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，得上清液即为抗氧化活性成分，并用于抗氧化能力的测定。

1.3.6.2 还原力测定

参照周小理等[17]的方法，吸取上述方法中的上清液2.5 mL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%铁氰化钾，50 ℃恒温水浴锅反应20 min后用冷水迅速冷却，加入2.5 mL 10%三氯乙酸溶液，混均后吸取5 mL于试管中，分别加入4 mL蒸馏水和0.5 mL 0.1% 氯化铁溶液，反应10 min后于波长700 nm处测吸光值。

1.3.6.3 超氧离子清除率测定

参照徐瑶等[20]的方法，吸取1.3.6.1步骤中离心后的上清液于试管中，加入3 mL pH 8.2 50 mmol/L的三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液后于30 ℃恒温水浴锅反应20 min，冷却后加入3 mL 7 mmol/L邻苯三酚溶液并混匀，反应3 min后加1 mL浓盐酸溶液终止反应，于420 nm处测吸光值A1；用蒸馏水代替邻苯三酚溶液重复上述步骤测吸光值A2；用蒸馏水代替样液重复上述步骤测吸光值A0。

(5)

式中：a,超氧离子清除率；A1，420 nm处吸光值；A2，蒸馏水替代邻苯三酚吸光值；A0，蒸馏水替代样液吸光值。

1.3.7 方竹笋膳食纤维结构分析

1.3.7.1 扫描电镜(SEM)分析

将试样干燥至恒重，样品用双面胶固定后表面喷金处理，用SEM观察并拍照，放大倍数2 000倍。

1.3.7.2 傅里叶红外光谱(FTIR)分析

参照HULT等[21]的方法略有改动。试样干燥至恒重，称取1～2 mg于玛瑙研钵中，加入100 mg左右干燥的光谱纯溴化钾研磨至细粉状并混匀，均匀平铺装入压片模具中抽气加压3 min左右，制得透明薄片，迅速放入FTIR仪进行分析扫描。扫描次数：30次，分辨率，4 cm-1，扫描范围：450～4 000 cm-1。

1.3.7.3 X-射线衍射(XRD)分析

利用步进扫描法。测定参数为：靶：Cu Ka，波长：1.540 6 Å；电压：36 kV；电流：20 mA；扫描速率：2°/min；扫描范围：5°～35°；步宽：0.02°；扫描方式：连续。

1.3.8 数据处理

每组数据平均测定3次，结果以(平均值±标准差)表示，并采用PASW 18进行方差及显著性分析。利用Origin 8.1软件绘图。

2 结果与分析

2.1微波和微粉碎改性对方竹笋DF理化性能的影响

由表1可知，方竹笋DF结合水力高于雷竹笋DF[22]，持水力、结合水力及膨胀力优于安徽竹笋DF[23]，表明方竹笋DF具有较好的水合性。微波改性后，方竹笋DF持水力提高了25.09%、呈显著增加(p<0.05)，其余水合性没有显著变化(p>0.05)，原因在于DF中的半纤维素和木质素等极性分子吸收微波后化学键断裂，同时小分子质量的化学物质急剧挥发，产生压力，促使微孔隙形成，导致DF比表面积增大，使方竹笋DF的可溶性成分增加，润胀能力增大[12]。微粉碎改性后，方竹笋DF持油力降低了22.46%、呈显著下降(p<0.05)，其余水合性没有显著变化(p>0.05)，是因为方竹笋经微粉碎处理后颗粒粒径过小，减小了DF对油脂的束缚，导致持油力下降[24]。

表1 微波和微粉碎改性对方竹笋膳食纤维理化性能的影响

注：同列不同字母表示差异显著(p<0.05)，相同字母则表示差异不显著(p>0.05)。

由表1可知，方竹笋DF吸附亚硝酸盐为76.8 μg/g，低于雷竹笋DF[25]。微波和微粉碎改性处理后没有显著变化(p>0.05)，与吴丽樱等[26]的研究结果一致，原因是这2种物理改性没有改变DF中吸附亚硝酸盐的相关基团的活性。

由表1可知方竹笋DF的抗氧化性，与鲜食大豆荚DF相比相差不大[27]，但超氧离子清除率高于苦荞麸皮DF[17]。微波和微粉碎改性后的还原力显著提高(p<0.05)，而超氧离子清除率显著降低(p<0.05)；但2种改性方竹笋DF间的抗氧化性没有显著差异(p>0.05)，原因在于微波和微粉碎处理对方竹笋DF中的黄酮类、多糖类化合物影响效果相差不大[12,28]。

2.2微波和微粉碎改性对方竹笋DF结构的影响

2.2.1 微波和微粉碎改性对方竹笋DF的SEM分析

由图2可知，方竹笋DF表面呈网状结构，且表面疏松多孔，这种密集且紧密相连的结构使得分子内部的基团外露，使方竹笋DF有较好的水合性；微波改性后，方竹笋DF孔状结构变得更密集、网状结构更为明显，比表面积增大，外露更多的分子内基团，从而增强持水力；微粉碎改性后，方竹笋DF不再有网状或孔状结构，而是呈现出附着颗粒状物质的片层结构，原因是球磨的高强度摩擦破坏了空间网状结构，从而使持油力降低。

图2 方竹笋DF微波和微粉碎改性的SEM(×2 000)图Fig.2 The SEM(*2 000) photograph of chimonobambusa DF modified by microwave and fine grinding

2.2.2 微波和微粉碎改性对方竹笋DF的FTIR分析

由图3可知，方竹笋DF光谱图中900 cm-1处是β-糖苷键的特征吸收峰，源于C-1基团频率(或环频率)振动，说明方竹笋DF中含有β-糖苷键；1 055 cm-1处是半纤维糖单元C-O-C的特征吸收峰[29]，1 550 cm-1处的小尖峰是半纤维素中木质素的特征吸收峰，1 650 cm-1处附近出现的小尖峰是由于半纤维素羰基中C=O非对称收缩振动形成的，说明方竹笋DF中含有较多的半纤维素；2 925 cm-1处形成的尖峰是由C-H振动造成，而3 400 cm-1附近呈现出的宽吸收峰是O-H伸缩振动所产生，说明纤维中C-H键和O-H键较为活跃。微波和微粉碎改性后的方竹笋DF光谱图没有发生明显位移，表明内部主要官能团没有较大影响，也是吸附亚硝能力变化不显著的原因之一。

图3 微波和微粉碎改性方竹笋DF的红外光谱图Fig.3 The FTIR photograph of different physical modification chimonobambusa dietary fibre

2.2.3 微波和微粉碎改性对方竹笋DF的XRD分析

由图4可知，方竹笋DF衍射角2θ在15°～25°的范围内，主要是纤维素和半纤维素衍射峰[30-31]，结晶区结构良好且未受到破坏。微波和微粉碎处理后的方竹笋DF衍射峰的2θ基本不变，但峰强度发生变化，在15°～25°范围内的衍射峰峰面积明显增大，表明微波和微粉碎改性使方竹笋DF的纤维素和半纤维素结晶区强度发生变化，结晶区破坏，使分子质量变小、聚合度降低，但是没有改变结晶结构。其中，微粉碎处理组的图谱峰高增高强度比微波处理组更大，说明微粉碎处理更容易破坏纤维的结晶区。

图4 微波和微粉碎改性方竹笋DF的X-射线衍射图谱Fig.4 The XRD patterns of different physical modification chimonobambusa dietary fibre

3 结论

方竹笋DF具有较好的水合性、吸附亚硝能力和抗氧化性等理化性能。微波改性使方竹笋DF的持水力和还原力显著增加(p<0.05)、超氧离子清除率显著降低(p<0.05)，微粉碎改性使方竹笋DF的还原力显著增加(p<0.05)、持油力和超氧离子清除率显著降低(p<0.05)。表明微波改性既能增强方竹笋DF的水合性，又能提高其抗氧化性能，微粉碎仅能使方竹笋DF的抗氧化性增加。

结构分析表明：方竹笋DF为疏松多孔的类似蜂窝状的结构，呈现良好的多糖结晶状态；微波和微粉碎处理后的方竹笋DF结晶结构没有变化，但结晶强度和比表面积增加，且微粉碎对于纤维结晶区的破坏程度大于微波处理。

因此，今后需要详细分析微波和微粉碎处理的工艺条件对方竹笋DF的影响，特别是探讨定向的结构变化，以期为综合提升方竹笋DF的应用性能奠定基础。

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Changesoffreshchimonobambusadietaryfiberinpropertiesandstructuremodifiedbymicrowaveandfinegrinding

REN Yu-li1,LIU Yu-ling1,HE Cui1,ZHANG Yan1,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)

Chimonobambusa dietary fiber was used as the main research objective, and microwave and fine grinding were applied to modify dietary fiber. The properties and the change of structure were analyzed. The properties of hydration including selling capacity, water-hold capacity, water-binding capacity and oil-hold capacity), anti-oxidation including adsorption capacity of sodium nitrite, and reducing power and superoxide anion scavenging rate were evaluated. The comparison with of the properties with untreated dietary fiber were performed. The structure’s difference was analyzed by SEM, FTIR and XRD. The results shows that after microwave, the water-hold capacity and reducing power of DF were increased significantly (p< 0.05), the specific surface area was increased. After the modification of fine grinding, the oil holding capacity of Chimonobambusa DF was decreased significantly (p<0.05), and the reducing power increased significantly(p<0.05), and part of network structure disappeared. Sugar absorption was not changed obviously by modification, and crystal structure was not changed, but the strength was changed. In conclusion, microwave can increase chimonobambusa dietary fiber’s hydration and anti-oxidation; fine grinding can increase antioxidation capacity; the intensity of crystallization and specific surface area of chimonobambusa dietary fiber were both increased by microwave and fine grinding treatment.

chimonobambusa; dietary fiber; physical modification; properties;structure

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.013592

硕士研究生(夏杨毅为通讯作者,E-mail:2658355128@qq.com)。

2016-12-11，改回日期：2017-02-15