超高压和超微粉碎改性对梨渣膳食纤维的影响

李天，颜玲，李沛军，刘伟，刘长虹

（合肥工业大学食品科学与工程学院，安徽合肥230009）

膳食纤维（dietary fibre，DF）被称为人体第七大营养素，其在预防人体胃肠道疾病、维护胃肠道健康方面有一定的积极作用。摄入充足膳食纤维在预防糖尿病、冠心病、肥胖症、高血压、结肠癌等方面均有显著效果[1-3]。根据水溶性可将膳食纤维分为可溶性膳食纤维（soluble dietary fibre，SDF）和不溶性膳食纤维（insoluble dietary fibre，IDF）[4]。膳食纤维的生理功能与可溶性膳食纤维有很大的关系，而天然膳食纤维水溶性成分含量偏低，无法达到膳食平衡要求。因此，可通过改性提高水溶性膳食纤维比例，改善其品质和生理功能。

砀山梨是我国安徽果品中的名产，年产量7.5万吨左右。砀山梨的深加工产品为梨膏、浓缩果汁和果汁饮料，梨渣约占果实质量的40%～50%。梨渣中含有大量的膳食纤维，如能将梨渣开发并应用于功能性食品中，不仅能增加企业效益，还会减少梨渣堆积对环境造成的污染。目前超高压技术和超微粉碎技术在食品领域上的应用已被广泛接受，其中超高压处理技术能使那些能形成生物大分子立体结构的氢键、离子键和疏水键等非共价键发生变化，改变其空间结构，从而达到物料改性和改变食品某些理化反应速率的效果[5]。超微粉碎技术能导致物料颗粒粒度变小、比表面积和孔隙率增加[6]，因此超微粉体具有独特的物理和化学性质，如良好的溶解性、分散性和吸附性等[7]。

目前关于梨渣膳食纤维提取工艺的优化已有研究，而关于其改性的研究并不多见，本研究旨在以砀山梨渣为原料，超高压和超微粉碎改性梨渣膳食纤维，并对其含量、功能特性、表征和可溶性膳食纤维单糖组成进行分析，对比超高压技术和超微粉碎处理梨渣膳食纤维的优越性，为梨渣中膳食纤维的改性应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

砀山梨：安徽合肥优客生鲜超市；2-（N-吗啉代）乙烷磺酸Tris缓冲液、K-TDFR 10/14总膳食纤维试剂盒：Mgazyme公司；乙酸、氢氧化钠、盐酸、95%乙醇，丙酮、盐酸、溴化钾、三氟乙酸、盐酸羟胺、吡啶、乙酸酐、30%过氧化氢溶液（均为分析纯）：国药集团化学试剂有限公司；大豆油：福临门食品有限公司。

1.2 仪器与设备

HPP 600Mpa/0.6L超高压处理设备：包头科发高压科技有限责任公司；PHS-3C pH计：美国ThermoFisher科技公司；HH-2电热恒温水浴锅：江苏金城国盛实验仪器厂；a SU8020场发射扫描电子显微镜：日本日立公司；HMB-701超型微粉碎机：北京环亚机械技术有限公司；Genesys 10S UV-VIS分光光度计：美国Thermo Scientific公司；MS-2000激光粒度分析仪：英国Malvern仪器有限公司；Nicolet 67傅里叶红外光谱仪：美国Thermo Nicolet公司；SCION SQ四级杆气质联用仪：美国布鲁克·道尔顿公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品制备

1.3.1.1 超高压梨渣样品

取新鲜梨渣直接进行超高压处理（300 MPa，15 min），处理后的梨渣置于60℃烘箱烘干48 h，干燥后用粉碎机进行粉碎后过60目筛，得到梨渣样品。

1.3.1.2 超微梨渣细粉样品

新鲜梨渣置于60℃烘箱干燥48 h后用粉碎机粉碎样品并过60目筛，粗粉碎样品再进行超微粉碎得到试验样品。

1.3.2 梨渣SDF和IDF测定

可溶性膳食纤维、不可溶性膳食纤维的测定参考AOAC 方法（925.09 和 991.43）[8]和颜玲等[9]的方法。

1.3.3 梨渣持水力、持油力、膨胀力、胆固醇吸附能力测定

参考王丹丹[10]的方法稍作改动。

1.3.3.1 持水力

准确称取0.5 g样品，放入称重后的离心管中，加入蒸馏水75 mL，置于37℃的恒温水浴锅中30 min，然后用4 000 r/min的转速离心15 min，取出，倾去上层清液，滤纸吸干水分称重，计算持水性：

1.3.3.2 持油力

准确称取0.2 g样品置于10 mL称重的离心管中，加入6 mL大豆油，在室温下搅拌30 min，10 000 r/min离心15 min，取出，除掉上层油液，甩干称重，计算油脂的吸附力：

1.3.3.3 膨胀力

准确称取1.0 g样品，置于带有刻度的试管中，记录此时的刻度值，再用移液管准确移取10 mL蒸馏水加入其中，振荡均匀后放入25℃水浴锅中24 h，读取液体中样品体积，计算膨胀力：

1.3.3.4 胆固醇吸附能力

胆固醇吸附能力测定参考文献[11]，由于市售胆固醇的水溶性差，本试验使用蛋黄代替胆固醇。将蛋黄用9倍体积蒸馏水稀释后取20 mL与梨渣（1.0 g）混合。混合物pH值调节至7.0和2.0，在37℃水浴锅中振荡2 h。稀释后蛋黄作为阴性对照组。反应混合物在4 000 r/min离心20 min，取上清液2 mL，用分光光度计测定其吸光度来计算胆固醇吸附能力（cholesterol binding capacity，CBC），重复 3 次。

式中：Cy是稀释后的蛋黄中的胆固醇浓度，mg/mL；Cb是阴性对照组胆固醇浓度，mg/mL；Cd是梨果渣混合的稀释蛋黄中的胆固醇浓度，mg/mL；F表示稀释因子；20：吸附体积，mL；W：梨渣的重量，g。

1.3.4 粒径测定

粒径测定参考文献[12]。未改性和改性梨渣的粒度分布通过激光粒度分析仪测定。将1 g脱水样品与10 mL去离子水混合以制备10%悬浮液用于进一步分析。粒径分布的参数包括不同的直径，例如D10、D50、D90 和 D（4，3）（体积平均粒径）。

1.3.5 扫描电镜

将3种梨渣SDF样品干燥、粉碎、筛分，采用离子溅射的方法镀金，通过扫描电子显微镜对制备好的样品进行600倍放大观察、分析，得到相应的扫描电镜图片[13]。

1.3.6 红外光谱测定

参考许维娜等[14]的方法，将3种梨渣样品干燥粉碎后，分别称取2 mg样品与100 mg干燥溴化钾粉末混合于研钵中，研磨均匀、研细至无颗粒感，加入压模器内压片并立刻放于光路中扫描，扫描区间为400 cm-1～4 000 cm-1。

1.3.7 单糖组分测定

前处理方法参考黄鹏等[15]方法略作改进。

1.3.7.1 SDF水解

取20 mg SDF溶于0.4 mL蒸馏水中并加入0.4 mL（4 mol/L）三氟乙酸（trifluoroacetic acid，TFA）封管，于110℃烘箱中水解3 h，冷却至室温后用甲醇氮吹去多余TFA。

1.3.7.2 SDF样品单糖衍生化

水解后样品称重，取10 mg于离心管，加入8 mg盐酸羟胺和0.5 mL吡啶封管后于90℃烘箱中反应10 min，冷却后再加入0.3 mL乙酸酐于90℃反应20 min，得到单糖糖腈乙酸酯衍生物，过膜后可直接用于气相色谱-质谱联用（gas chromatography-mass spectrometer，GC-MS）分析。单糖标准品衍生化方法同上。

1.3.7.3 GC-MS

色谱柱：HP-5。升温程序：起始温度50℃，保持3 min，以 50℃/min升至 200℃保持 3 min，再以20℃/min升至300℃保持3 min，进样量1 μL，分流比20∶1。质谱条件离子源温度250℃，电离方式EI，电子能量70 eV[10]。

2 结果与分析

2.1 膳食纤维含量结果分析

不同处理方法梨渣中膳食纤维含量见表1。由表1可知，高压处理后可溶性膳食纤维含量明显升高至16.3 g/100 g，而不可溶膳食纤维含量降低至45.6g/100g，这与梨渣经超高压处理后空间结构变化有关，超高压处理使梨渣中膳食纤维生物大分子改变，使不溶性膳食纤维转为可溶性膳食纤维，可溶性膳食纤维提高[16]。而超微粉碎处理的膳食纤维含量也有微弱提高，原因可能是梨渣在超微粉碎过程中，强烈的机械剪切作用使得梨渣中大分子物质发生熔融现象或部分键断裂，转化成水溶性聚合物成分[17]。对比发现超高压处理比超微粉碎处理对膳食纤维影响更大。

表1 梨渣中膳食纤维含量Table 1 The contents of dietary fiber in pear pomace

2.2 梨渣持水力、持油力、膨胀力、胆固醇吸附能力测定结果

膳食纤维的水合特性，例如持水力和膨胀力能够使食品保持稳定的质地，因此该特性为在食品中添加膳食纤维提供了重要依据。另一方面，在研究膳食纤维时发现与膳食纤维相关的水有影响肠道内微生物的重要意义。表2为膳食纤维的持水力、持油力、膨胀力和胆固醇结合能力。

表2 梨渣的功能特性Table 2 Functional properties of pear pomace

由表2可以看出，经过超高压改性的样品持水力和膨胀力最高，推测超高压改性后膳食纤维空间结构发生改变，网状结构有更好的支撑作用从而使膨胀力增加。经过超微粉碎处理后样品粒度的降低，大物质的空间立体结构被破坏，对水的吸附能力降低，持水力和膨胀力降低[18]。持油力通常能够防止食品在加工过程中的脂肪流失，还能有效防止胆固醇含量的增加[19]，对比不同处理条件下样品的持油力发现，经过超高压改性的梨渣样品持油力显著提高至1.95 g/100 g，推测在超高压处理过程中膳食纤维空间结构改变造成的。由表2可知，经过超高压改性样品的胆固醇吸附能力明显高于超微粉碎改性样品，结果与测定的膳食纤维含量相符。

2.3 粒径分析

D10、D50、D90 和 D（4，3）分别为分布体积百分比以及加权平均直径。由表3可以看出，超微粉碎样品的粒度较其他两个试验组有显著性的变化，超高压处理对梨渣样品粒度没有较大变化。

表3 梨渣粒度分布Table 3 Particle size distribution of pear pomace

2.4 扫描电镜

图1为用扫描电镜观察到的超高压和超微粉碎改性后梨渣样品的微观结构图，放大倍数为600倍。将处理组样品与未处理样品对比，发现经过超高压改性的梨渣样品呈片状，其组织结构变得更加疏松、呈现多孔性，水分更容易渗入并且可以吸收更多水分，结构变疏松可以使更多的亲水基团外露而提高物料的持水力，这与测定的持水力、持油力、膨胀力和SDF含量结果相符。而经过超微粉碎改性的梨渣粒度显著变小，比表面积明显增大，强烈的机械剪切作用使得梨渣内部的多孔网状结构破坏，大块立体结构变为疏松的更为细小的梨渣颗粒，物料中大分子物质的长链断裂，小分子物质增加，致使SDF含量略有增加[19]。

图1 样品扫描电镜图Fig.1 SEM images of samples

2.5 红外光谱分析

红外光谱结果见图2。

图2 红外光谱图Fig.2 FT-IR of samples

由图2看出，该图表现为典型的多糖红外光谱图。3 411 cm-1处表示O-H振动峰[20]，样品中氢键存在会使峰宽峰强增加，经过超高压和超微粉碎处理的样品峰宽增加且出峰波数左移；2 940 cm-1处观察到的峰表示C-H振动，是样品多糖中存在的亚甲基引起的，超高压处理后该峰强降低，这表示经过超高压改性后样品中SDF增加，而经过超微粉碎改性样品中SDF无较大变化；1 748 cm-1是表示样品中糖醛酸C=O的特征吸收峰，观察到超微粉碎处理后糖醛酸降低；1 000 cm-1～1 300 cm-1处是C-O伸缩振动吸收峰，表示多糖糖环的C-O-H键和C-O-C键，经过超微粉碎处理后该处峰强和峰宽明显降低，这表示经过超微处理后样品中部分不溶性膳食纤维转变为低聚糖。

2.6 单糖组成分析

不同处理方式下单糖组成如表4所示。

表4 梨渣可溶性膳食纤维单糖组成Table 4 Monosaccharide composition of SDF g/100 g

梨渣中SDF含量与IDF含量相似，大量的研究[21-22]发现SDF对人体健康方面比IDF效果更好，因此本试验测定了梨渣SDF单糖组成。样品GC-MS测试结果参考单糖标准品GC-MS结果，得出梨渣可溶性膳食纤维主要由7种糖组成，分别为甘露糖（10.235 min）、葡萄糖（10.312 min）、半乳糖（1.052 5 min）、鼠李糖（11.455 min）、阿拉伯糖（11.575 min）、木糖（11.743 min）和果糖（12.278 min和12.382 min）。

由表4可以看出SDF中含量最高的是鼠李糖（15.42 g/100 g），其次是阿拉伯糖（1.44 g/100 g）。鼠李糖是典型的水溶性糖，结果表示经过超高压处理后样品中鼠李糖含量较超微粉碎处理有明显增加，同时超高压组阿拉伯糖含量较高，而超微粉碎处理组阿拉伯糖含量较低。除此之外，超微粉碎处理组木糖含量也高达2.1 g/100 g，木糖主要存在于木质素中，推测在经过超微处理的梨渣样品在提取SDF过程中木质素粒径小，未能完全去除而造成误差。

3 结论

超微粉碎和超高压改性对梨渣理化性质、结构及其可溶性膳食纤维组成的影响。两种方式改性后，SDF含量均显著上升，IDF/SDF发生显著的变化。超高压改性前后梨渣的理化/功能性质发生显著的变化，梨渣的持水力、持油力、膨胀力和胆固醇吸附能力显著增加，而超微粉碎处理的未见显著变化；超微粉碎改性梨渣的平均粒度显著降低。扫描电镜观察结果可知，超微粉碎改性后，梨渣颗粒变小而均匀，空间结构消失，而超高压改性后纤维组织结构较为疏松，空间结构部分保留。红外光谱测定分析结果显示，改性处理前后梨渣中的SDF化学结构发生变化。根据GC-MS结果显示改性前后梨渣中的SDF中单糖组成发生变化。总体来说，通过超高压改性的梨渣样品相较于超微粉碎处理的梨渣样品，其可溶性膳食纤维含量以及其功能性单糖组成都明显提高。