高压均质处理对竹笋膳食纤维理化性质及结构的影响

游玉明，王昱圭，张洁，郑炯*，吴良如

1(重庆文理学院 园林与生命科学学院，重庆，402160)2(西南大学 食品科学学院，重庆，400715) 3(国家林业和草原局竹子研究开发中心，浙江 杭州，310012)

竹笋是一种高蛋白、高纤维、低脂肪的绿色健康食品，因具有抗氧化、抑菌、增强免疫、预防糖尿病等多种生理功效，越来越受到广大消费者的青睐[1-2]。我国是竹笋的主要种植加工基地，其消费量超过全球消费总量的65%，但新鲜竹笋贮藏期短，易木质化变质，故60%以上的鲜笋均被加工成笋干、清水笋、发酵笋等产品[3-4]。每加工1 t竹笋即会产生0.5 t的笋壳、笋脚等副产物，其中大多被随意丢弃，不仅造成资源浪费，且污染环境[5]。因此，如何有效开发利用竹笋加工副产物，增加竹笋加工业的附加值，实现产业的健康可持续发展显得尤为重要。

膳食纤维因具有诸多生理功效而被誉为人类的第七大营养素。竹笋富含膳食纤维，约占干重的19.3%～35.5%，是一种价格低廉、天然绿色的膳食纤维来源[6]。研究表明，竹笋膳食纤维(bamboo shoots dietary fiber, BSDF)不仅具有降低胆固醇、促进肠道益生及增强胰岛素敏感性等生理功效，还具有改善食品口感和促进食品体系稳定等作用[7-11]。因此，在食品工业中常被用于充当脂肪替代物、功能性添加剂及充填剂。但BSDF主要为不可溶性膳食纤维，若直接用于食品配料，将影响食品口感，从而限制了其在食品工业的中应用。近年来，为了促进BSDF的利用、改善品质，生物酶法、亚临界水等[3, 12-14]技术被广泛应用于BSDF的改性。

目前国内外主要采用生物法、化学法及物理法对膳食纤维进行改性。其中物理法经济环保、能较好的保留膳食纤维的生物活性，受到了广大科研工作者的关注[15]。高压均质(high-pressure homogenization, HPH)技术是一种高效率、低耗时的物理改性方法，它利用物料在高压作用下，通过具有特殊构造的均质腔，进而形成高速剪切、对流碰撞、空穴效应等物理作用，进而使物料大分子的连接键断裂，颗粒细化，同时使其表面结构变得疏松[16-17]。黄素雅等[18]采用HPH处理豆渣水不溶性膳食纤维后，其水溶性膳食纤维的含量提高，促进其对胆固醇和胆酸的吸收；COLLETTI等[19]研究发现HPH处理能促使大豆纤维的颗粒细化，增大比表面积，提高其水合凝胶强度；SU等[20]利用HPH改性柑桔皮膳食纤维，改性后的膳食纤维热稳定性降低，微观形态发生改变，持水、持油等能力均得到了改善。关于HPH处理对BSDF理化性质和结构特征影响的研究鲜有报道。本研究采用HPH技术处理BSDF，测定处理前后其粒径、持水力、持油力等理化性质以及官能团特性、微观形态等结构特征，以期为BSDF的高值化利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜麻竹笋，重庆市北碚区天生农贸市场；木瓜蛋白酶(80万U/g)，美国Sigma公司；葡萄糖、亚硝酸钠、盐酸萘乙二胺、对氨基苯磺酸等均为分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

Scientz-297A高压均质机，宁波新芝生物科技股份有限公司；Zetasizer Nano ZS粒度分析仪，英国马尔文仪器有限公司；BI-200SM激光光散射仪，美国Brookhaven仪器公司；D8 Advance X-衍射仪，德国Bruker公司；Spectrum 100 红外光谱仪，美国Perkin Elmer 公司；STA 449 F3 Jupiter同步热分析仪，德国耐驰仪器公司；JSM6510LV 扫描电子显微镜，日本电子株式会社。

1.3 实验方法

1.3.1 样品处理

取新鲜麻竹笋去壳，切片后沸水漂烫10 min，80 ℃烘干，粉碎后过200目筛。过筛后的竹笋粉，按1∶40(g∶mL)加入去离子水混匀，再添加3 000 U/g木瓜蛋白酶底物，56 ℃酶解1.5 h，沸水浴10 min灭酶，蒸馏水清洗后过滤，收集滤渣，冷冻干燥后得粗BSDF。

取上述竹笋膳食纤维粉配制成1.0 g/100mL溶液，胶体磨研磨10 min，研磨后的溶液采用HPH处理，均质压力分别设置为20、40、60、80、100 MPa，同时以未均质处理为对照。收集均质后的溶液，冷冻干燥后得改性BSDF。

1.3.2 理化性质的测定

1.3.2.1 粒径测定

将样品用去离子水稀释成质量浓度为1 mg/mL的溶液，混匀后置于1 cm光程石英比色皿中，在粒度分析仪上测定其粒径大小，检测波长为633 nm，检测角为90°。

1.3.2.2 持水力、持油力和膨胀力测定

参考LYU等[21]的方法并略做修改，称取1.0 g样品置于烧杯中，加入去离子水或食用油后静置60 min，置于滤纸上沥干，称重测定持水力(water holding capacity,WHC)和持油力(oil holding capacity,OHC)；称取0.5 g样品置于10 mL量筒中，记录干样品的体积后加入8 mL去离子水，振荡均匀，25 ℃条件下放置24 h后记录吸水后的体积，计算膨胀力(swelling capacity,SC)。

1.3.2.3 吸附能力测定

(1)葡萄糖吸附能力[22]。称取0.5 g样品与100 mL葡萄糖溶液(100 mmol/L)混匀，37 ℃振荡孵育6 h，离心取上清液，采用蒽酮比色法测定葡萄糖的含量，葡萄糖吸附能力计算如公式(1)所示：

(1)

式中：c0，吸附前葡萄糖浓度，mmol/L；c1，吸附后葡萄糖浓度，mmol/L；V，溶液体积，mL；w，样品的质量，g。

(2)亚硝酸盐吸附能力[23]。称取0.5 g样品与100 mL亚硝酸钠溶液(100 μmol/L)混匀，然后将溶液的pH值调整为2.0和7.0。将混合物在37 ℃振荡孵育6 h，收集上清液，采用盐酸萘乙二胺法测量亚硝酸盐的含量，亚硝酸盐吸附能力计算如公式(2)所示：

(2)

式中：m0，吸附前亚硝酸盐含量，μg；m1，吸附后亚硝酸盐含量，μg；w，样品的质量，g。

1.3.3 结构特征的测定

1.3.3.1 傅里叶红外光谱分析

取1 mg干燥样品与100 mg KBr于玛瑙研钵中充分研磨，压制成透明薄片立即进行红外光谱扫描，扫描次数：32次，分辨率：4 cm-1，扫描范围：500～4 000 cm-1。

1.3.3.2 X-射线衍射分析

采用步进扫描法。测试条件为：靶：Cu-Kα，步宽：0.02°，电压：40 kV，电流：40 mA，扫描速率：6°/min，扫描范围：5°～35°。

1.3.3.3 热重分析

采用同步热分析仪进行测定。称取约4 mg样品于铝盘中，压片并以空盘为对照。在充氮条件下，以25 ℃/min从25 ℃升温至600 ℃。

1.3.3.4 扫描电镜分析

将样品固定在双面导电的样品台上，并喷涂金层，然后用扫描电镜进行微观结构观察。设置电压为15 kV，放大倍数为500倍。

1.3.4 数据处理

2 结果与分析

2.1 HPH处理对BSDF理化性质的影响

2.1.1 粒度

膳食纤维的粒径与其膨胀力、吸附性及胃肠转运时间等理化性质和功能特性密切相关[24]。由图1可知，HPH处理可显著减小BSDF的粒径(P<0.05)，且随着处理压力的增加其粒径持续下降，当处理压力为100 MPa时，BSDF的平均粒径为(630.56±28.09) nm，比未处理样品下降了68.63%，这与SU等[20]将柑橘皮纤维素采用不同HPH处理后，其粒径减小的结论一致[20]。这可能是在HPH处理过程中所产生的高速剪切、对流碰撞、空穴等物理作用促使BSDF的结构被破坏，颗粒断裂，从而导致粒径减小，且其破坏作用与HPH压力成正比[25]。研究表明，在一定范围内，随着粒径的减小，膳食纤维的持水力、持油力及膨胀力等均显著提高[26]。

图1 HPH处理对BSDF粒径的影响Fig.1 Effect of HPH treatment on the particle size of BSDF注：图中不同字母表示各处理间差异显著(P<0.05)

2.1.2 持水力、持油力和膨胀力

膳食纤维良好的持水性、持油力及膨胀力可减少食品的脱水和收缩，提高乳化稳定性，同时具有增强饱腹感，促进胃肠蠕动等功效[27]。由表1可知，经HPH处理后,BSDF的持水性、持油力及膨胀力均显著提升(P<0.05)，其中经100 MPa HPH处理后，样品的持水性、持油力和膨胀力达到了最大值，分别为(13.97±0.86)、(10.76±0.99)g/g和(5.87±0.80)mL/g，较未处理样品分别提高了42.26%、53.30%、52.47%，存在显著差异(P<0.05)，这一结论与汪楠等[13]采用高温协同酶法处理改性竹笋膳食纤维结果相似。膳食纤维的持水力和膨胀力等与其粒径大小、电荷密度、比表面积及孔隙率等有关[27]。HPH处理后BSDF的粒径减小，比表面积和孔隙率增加，为水和油分子提供了更多的贮存空间，同时HPH处理导致了其致密的网状结构被破坏，暴露出更多的亲水、亲油性基团，进而促使持水性、持油力和膨胀力的增加[20]。YANG等[12]发现120 MPa HPH处理后的毛竹笋膳食纤维持水力和膨胀力显著提升，但其持油力未发生变化，这可能随着处理压力的增加，在其比表面积增加的同时粒径进一步减小，发生重聚集现象，从而影响了其持油力。

表1 HPH处理对BSDF持水力、持油力和膨胀力的影响Table 1 Effect of HPH treatment on the WHC, OHC and SC of BSDF

2.1.3 葡萄糖及亚硝酸盐吸附力

由表2可知，HPH处理后BSDF对葡萄糖的吸附能力显著提高(P<0.05)，其中100 MPa处理样品比未处理样品提高了32.16%。这可能是HPH处理使BSDF的质地变得疏松，更多的功能基团暴露出来，使葡萄糖分子与BSDF之间的范德华力以及氢键作用增大。同时，随着HPH处理压力的增加，BSDF的粒径不断减小，为葡萄糖的吸附提供了更大的比表面积和更多的孔隙。此外，HPH处理还可增加可溶性膳食纤维的含量，而可溶性膳食纤维颗粒可作为葡萄糖扩散的物理障碍，增加了纤维网络对葡萄糖分子的束缚和捕获能力[18, 28]。因此，经HPH处理后能显著提升BSDF对葡萄糖的吸附能力，从而有效控制餐后血糖的升高。

表2 HPH处理对葡萄糖及亚硝酸盐吸附力的影响Table 2 Effect of HPH treatment on the glucose and NaNO2absorption capacity of BSDF

膳食纤维以其独特的吸附性能或特异性功能基团与亚硝酸根离子进行反应，从而阻止其与体内胺类物质反应生成具有致癌作用的N-亚硝基化合物，预防癌症的发生[12]。HPH处理显著增强了BSDF对亚硝酸盐的吸附能力(P<0.05)，其中经100 MPa HPH处理的BSDF对亚硝酸盐的吸附能力最强。说明HPH处理后，BSDF粒径减小，更多的活性位点和网络结构暴露出来，提高了BSDF对亚硝酸盐的吸附能力，但其对亚硝酸的吸附作用受体系酸碱性影响，在pH 2时其吸附能力大于pH 7，这与YANG等[14]对高速剪切协同酶改性后竹笋膳食纤维对亚硝酸根的吸附实验结果一致。研究表明，膳食纤维中富含羧基的酚类化合物显著影响其对亚硝酸盐的吸附能力。在酸性环境下，膳食纤维阿拉伯糖上结合的阿魏酸对亚硝酸根有强烈的吸附作用，当在中性环境中时，酚类化合物上的羧基发生解离，引起膳食纤维表面上负电荷的富集，进而排斥亚硝酸根离子，减小其对亚硝酸盐的吸附能力[14, 29]。

2.2 HPH处理对BSDF结构特征的影响

2.2.1 红外光谱分析

由图2可知，HPH处理后的BSDF与未处理样品有相似的光谱分布，无新的吸收峰出现，说明HPH处理未改变BSDF的化学官能团结构，但在相应的波数下吸收强度有变化。3 432 cm-1处的宽吸收峰表示纤维素和半纤维素的O—H伸缩振动带，HPH处理后呈现出较弱的峰，这可能是HPH处理导致纤维素分子之间的氢键断裂[12]。2 925 cm-1处的小尖峰代表BSDF中甲基和亚甲基上的C—H拉伸振动，HPH处理后的峰强度减弱，说明HPH处理导致了部分纤维素链之间氢键的断裂和部分亚甲基遭到破坏，促使其形成多孔结构，有利于持油力的增加[19]。1 631 cm-1处吸收峰代表纤维素和水分子之间的氢键，HPH处理使此峰变弱，说明HPH的剪切、碰撞和空化作用破坏了BSDF中的氢键，从而降低BSDF中结合水的含量。1 481 cm-1处为BSDF的晶体吸收带，吸收峰的明显减弱，说明BSDF 的有序程度降低[30]。1 041～1 192 cm-1区域代表纤维素、木质素和残余半纤维素的C—O 拉伸带和变形带；917 cm-1左右处出现多糖的β-构型糖苷键的吸收峰，经HPH处理后，吸收峰发生偏移，且峰值下降，这与HPH处理破坏了BSDF的木质素及半纤维素等大分子结构，将其分解为低聚糖等小分子质量物质密切相关[3]。以上结果说明，HPH处理BSDF的特征吸收峰强度有明显变化，引起了晶体有序度降低，导致部分纤维素、半纤维素和木质素等组分的降解和重排，且随着HPH压力的增加，这些变化更加明显。

图2 HPH处理BSDF的红外光谱图Fig.2 FTIR spectra of BSDF treated by HPH

2.2.2 X-射线衍射分析

由图3可知，2θ在22°附近为BSDF的主衍射峰，同时2θ在14°和24°附近处有较小的衍射弱峰，呈现出典型的天然纤维素晶体构型。HPH处理后，衍射峰的位置没有明显差异，说明BSDF的晶体构型没有发生变化。但随着HPH压力的增加，一些不规则的弱峰减少，说明HPH处理可能促进了纤维素分子链间氢键的断裂，从而破坏BSDF的非晶态部分，这与TU等[31]得到的结果相似。同时，HPH处理后BSDF的主衍射峰峰形变宽，特征峰的高度发生改变，当处理压力为100 MPa时，样品的结晶度从未处理的49.14%降低至35.42%，表明HPH处理后BSDF的有序度降低，结晶度减小，从而导致了持水力、膨胀力等增加，改善其生理功能，这与红外光谱测定结果(图2)一致。

图3 HPH处理BSDF的X-射线衍射图Fig.3 X-ray diffraction diagrams of BSDF treated by HPH

2.2.3 热重分析

图4是对BSDF的热稳定性分析结果。如图4-a所示，BSDF的热分解过程主要由3个阶段构成。第一个明显的热分解阶段发生在40～100 ℃，该阶段的失重由BSDF分子内部的自由水和结晶水逐渐蒸发损失造成，并且随着HPH压力的增加，该阶段BSDF的失重率增加，这与HPH处理后BSDF具有更好的持水力有关；第二个失重阶段发生在200～350 ℃，这是样品失重率最高的阶段，主要为纤维素和半纤维素的分解[32]。该阶段经过HPH处理的BSDF失重率和失重速率显著大于未处理组(图4-b)，随着处理压力的增加，其热稳定性降低。这可能是HPH处理后BSDF中的氢键和部分碳链已经断裂，减少了热解时的能量需求，且BSDF粒径减小，从而增大了比表面积，使其更容易受热分解[33]。BSDF结晶度的减小也促使了其热稳定性降低，该结果与红外光谱(图2)和X-衍射(图3)的分析结论一致。此外，由图4-b可知，经100 MPa处理的BSDF仅在320 ℃左右存在1个失重峰，而其他处理条件下的BSDF均存在一大一小2个失重峰，由此可以推测HPH处理可以使部分半纤维素成分转化为纤维素[32]；而在350 ℃之后，BSDF的主要成分已被热分解，少量木质素和热解残余物在该阶段缓慢分解产生碳和灰分，BSDF的失重减缓并最终趋于平稳。热重分析结果表明，HPH可以通过破坏BSDF的形态和分子结构降低其热稳定性，在实际食品加工过程中应适当控制加工温度以免损失BSDF的优良性能和营养成分。

a-失重图；b-失重速率图图4 HPH处理BSDF的热重分析图Fig.4 Thermogravimetric analysis of BSDF treated by HPH

2.2.4 扫描电镜分析

图5为500倍扫描电镜观察不同压力HPH处理后BSDF的微观结构的变化。由图5-a可知，未处理的BSDF颗粒较大，成不规则片状结构，表面较为光滑，纤维层状结构清晰可见；经HPH处理后BSDF的表面开始变得粗糙，且有部分出现破碎和断裂，随着HPH处理压力的增加，BSDF颗粒尺寸减小，比表面积和表面孔隙率增加(图5-b～图5-f)，当HPH压力为100 MPa时颗粒尺寸最小，但部分颗粒开始产生聚集(图5-f)，这可能是在HPH处理过程中BSDF受到流体与管道间的剪切力、流体与流体间的碰撞力以及空穴作用力等导致了颗粒尺寸减小，同时使其表面结构变得疏松，但随着颗粒减小到一定程度，表面活性及吸附性的增加导致部分颗粒间开始聚集[17,34]。总体而言，HPH处理改变了BSDF的微观结构，对其理化特性的改善产生了积极作用，这也为处理后BSDF具有良好的水合能力和吸附特性提供了依据。

a-0 MPa；b-20 MPa；c-40 MPa；d-60 MPa；e-80 MPa；f-100 MPa图5 HPH处理BSDF的扫描电镜(×500)图Fig.5 Scanning electron microscope images of BSDF treated by HPH

3 结论

研究了不同压力HPH处理对BSDF理化特性和结构特征的影响。结果发现，HPH处理后BSDF的粒径显著减小(P<0.05)，持水力、持油力、葡萄糖及亚硝酸盐吸附能力等均显著提高(P<0.05)。随着处理压力的增加，颗粒粒径持续减小，持水力、持油力及亚硝酸盐吸附能力等特性逐渐增强，其中处理压力为100 MPa时效果最佳。傅里叶红外光谱、X-射线衍射、扫面电镜及热重分析结果显示，HPH处理后BSDF 的各吸收峰强度发生变化，纤维素、半纤维素、木质素等发生部分降解，结晶度减小，热稳定性降低，比表面积和孔隙率增加，表面结构由致密变得疏松，但颗粒尺寸减小到一定程度后会发生团聚现象。综上，HPH处理有效改善了BSDF的理化和结构特性，作为一种绿色高效的处理方式，可为功能性膳食纤维开发利用提供科学参考。