挤压改性对金针菇膳食纤维理化性质及微观结构的影响

王 红，刘婷婷，樊红秀，李艳霞，徐新乐，王大为*

（1 吉林农业大学食品科学与工程学院 长春 130118 2 农业农村部食用菌加工技术集成科研基地 长春 130118 3 吉林省粮食精深加工与高效利用工程研究中心 长春 130118 4 吉林省粮食精深加工与副产物高效利用技术创新重点实验 长春 130118）

金针菇（Flammulina velutipes）学名毛柄金钱菌，又称毛柄小火菇、构菌、朴菇、冬菇、朴菰、冻菌、金菇、智力菇等，为伞菌目口蘑科金钱菌属，是一种菌藻地衣类，因其菌柄细长，似金针菜，故称金针菇[1-3]。金针菇在国内外广泛种植，具有很高的药用食疗作用，长期食用金针菇，可抑制血脂升高，降低胆固醇，防治心脑血管等疾病[4-6]。目前，有关金针菇功能成分的提取和功效研究主要集中在金针菇多糖[7-8]、金针菇蛋白[9-10]等方面，金针菇膳食纤维的相关研究较少，且主要集中在提取方面的研究，对金针菇膳食纤维的改性和功能特性研究鲜有报道[11-12]。

膳食纤维是指不易被人体消化的多糖类碳水化合物，具有降低血脂与血糖、调节血压等多种功效，被列为七大营养素之一[13-20]。高品质膳食纤维组成中可溶性成分含量在10%以上，具有较强的生理活性[21]。由于普通膳食纤维中可溶性成分含量较少，因此釆用一定的技术手段，提高膳食纤维中可溶性成分含量，以制备生理功能更多的高品质膳食纤维。

挤压改性技术已成为食品加工膳食纤维最主要、科学的一种物理加工方法[21]，充分利用挤压改性技术绿色高效规模化制备高品质膳食纤维，符合国家倡导的资源节约型及环境友好型生产模式。

本研究以金针菇为原料制备膳食纤维，通过挤压改性技术提高其可溶性膳食纤维含量，制备出高品质金针菇膳食纤维。比较改性前、后的金针菇膳食纤维的持水力、持油力、膨胀力、结合水力，体外模拟生理条件下胆固醇的吸附能力、结合甘氨胆酸钠以及牛磺胆酸钠能力，通过扫描电子显微镜测定、红外光谱分析和X-射线衍射分析其结构，为金针菇膳食纤维功能性食品的合理开发与利用提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

金针菇，采购于市场；碱性蛋白酶，诺维信中国生物技术有限公司；牛磺胆酸钠、甘氨胆酸钠、胃蛋白酶（酶活1∶30 000），上海源叶生物科技有限公司；胰蛋白酶（酶活1∶250），上海瑞永生物科技有限公司；无水乙醇、丙酮，天津新通精细化工有限公司；氢氧化钠、盐酸、浓硫酸，北京化工厂；邻苯二甲醛，山东西亚化学股份有限公司；胆固醇，上海新兴化工试剂研究所。

1.2 仪器与设备

UV2300 紫外-可见分光光度计，美国Unico公司；JY92-II 超声波细胞粉碎机，宁波新芝生物科技股份有限公司；HZS-HA 水浴振荡器，中国·哈尔滨市东联电子技术开发有限公司；JC-60IT 通用挤出机，长春市盛达食品工业研究所机器所；SBC-12 小型离子溅射仪，北京中科科仪股份有限公司；Phenom Pro 电子显微镜，荷兰飞纳科学仪器有限公司；IR Prestige-21 傅里叶变换红外光谱仪，日本岛津公司；DY-40 电动粉末压片机，天津市科器高新技术公司；MiniFlx600 台式X 射线衍射仪，日本理学株式会社。

1.3 方法

1.3.1 金针菇基本成分测定 水分含量测定参考GB 5009.3-2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》的方法；脂肪含量测定参考GB 5009.6-2016 《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》索氏抽提法；蛋白质含量测定参考GB 5009.5-2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》 分光光度法；灰分含量测定参考GB 5009.4-2016《食品安全国家标准 食品中灰分的测定》；总膳食纤维、可/不溶性膳食纤维含量测定参考GB 5009.88-2014 《食品安全国家标准 食品中膳食纤维的测定》酶-重量法。

1.3.2 工艺流程

1.3.2.1 普通金针菇膳食纤维制备工艺 金针菇→干燥→超细粉碎→金针菇粉→碱性蛋白酶酶解→灭酶 （90 ℃，10 min）→过滤洗涤→干燥→金针菇膳食纤维 （Flammulina velutipes dietary fiber，FV-DF1）

1.3.2.2 高品质金针菇膳食纤维制备工艺 金针菇→干燥→超细粉碎→金针菇粉→单螺杆挤压改性（物料水分含量25%、挤出温度120 ℃、物料粒度80 目）→碱性蛋白酶酶解→灭酶 （90 ℃，10 min）→过滤洗涤→干燥→高品质金针菇膳食纤维（High-quality Flammulina velutipes dietary fiber，FV-DF2）

1.3.3 改性前、后金针菇膳食纤维的理化功能特性

1.3.3.1 原料预处理 将干燥的FV-DF1 和FVDF2 样品，用60，80，100，120，140 目的筛网筛分备样。

1.3.3.2 持水力的测定 分别称取0.500 g 不同粒度条件的FV-DF1 和FV-DF2 样品置于50 mL离心管中，添加20 mL 的蒸馏水，将样品与蒸馏水充分搅拌均匀，在室温条件下密封12 h，3 800 r/min 离心20 min，吸出上清液，称量装有样品的离心管重量。持水力按式（1）计算：

式中，m0——干样品质量，g；m1——离心管质量，g；m2——吸水后样品和离心管总质量，g。

1.3.3.3 持油力的测定 分别称取0.500 g 不同粒度条件的FV-DF1 和FV-DF2 样品置于50 mL离心管中，添加大豆油4.000 g，密封静置在37 ℃水浴锅中4 h，在3 800 r/min 条件下离心20 min，吸去上层油液，称取残渣质量。持油力按式（2）计算：

式中，m1——残渣质量，g；m0——样品质量，g。

1.3.3.4 膨胀力的测定 分别称取0.200 g 不同粒度条件的FV-DF1 和FV-DF2 样品放置于10 mL 试管中，测各干样品体积，分别加入8 mL 蒸馏水，用玻璃棒充分搅拌均匀，室温静置12 h，记录吸水膨胀后的样品体积，膨胀力按式（3）计算：

式中，V2——样品膨胀后体积，mL；V1——干样体积，mL；m——干样质量，g。

1.3.3.5 结合水力的测定 分别称取不同粒度的FV-DF1 和FV-DF2 样品0.200 g 放于50 mL 烧杯中，加入50 mL 蒸馏水，充分搅拌并密封，于4 ℃冰箱静置24 h，在3 800 r/min 条件下离心30 min，弃去上清液，抽滤并称其质量，放到105 ℃烘箱内干燥至恒重，两者之差即为样品结合水的质量。结合水力按式（4）计算：

式中，m1——抽滤后湿样品质量，g；m0——干燥后样品质量，g。

1.3.3.6 胆固醇吸附能力测定

1）胆固醇标准曲线的绘制 以胆固醇为标准品，采用邻苯二甲醛法，绘制标准曲线方程为y=0.0077x+0.0558（R2=0.9951）。

2）胆固醇吸附能力测定 参照王大为等[22-23]的方法，略加修改。取鸡蛋蛋黄，搅打均匀，加入9倍体积的蒸馏水，采用超声波破碎机搅打成均匀的乳浊液，蛋液超声波搅打条件为：超声时间5 s，间隔时间8 s，工作次数40 次，超声功率400 W。各取30 mL 稀释蛋黄液于小烧杯中，用1 mol/L HCl 将溶液pH 值调至2 （模拟胃环境）、0.1 mol/L NaOH 将溶液pH 值调整为7（模拟小肠环境），分别向其中加入1.000 g 不同粒度的FV-DF1 和FV-DF2 样品，37 ℃水浴锅振荡反应2 h，4 000 r/min 离心20 min，吸取1.00 mL 上清液在波长550 nm 处用邻苯二甲醛法测定吸光度值。胆固醇吸附能力按式（5）计算：

式中，m——恒重样品质量，g；n1——吸附前蛋黄乳液胆固醇质量浓度，mg/mL；n2——离心后上清液中胆固醇质量浓度，mg/mL。

1.3.3.7 体外结合胆酸盐试验

1）胆酸盐标准曲线的绘制 参照于美汇等[24]和田月月[25]的方法，略加修改。以0.1 mol/L 磷酸盐缓冲液（pH 6.3）配制浓度为0.3 mmol/L 的甘氨胆酸钠溶液和0.3 mmol/L 的牛磺胆酸钠溶液，分别取0，0.1，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 mL 于25 mL 具塞试管中，用0.1 mol/L 磷酸盐缓冲液（pH 6.3）补加到2.5 mL，分别加入7.5 mL 体积分数为60%的浓硫酸溶液，在70 ℃水浴锅中水浴20 min，再冰浴5 min，在波长387 nm 处测定吸光度。以胆酸盐含量为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制胆酸盐含量的标准曲线。甘氨胆酸钠标准曲线方程为y=0.624x+0.045（R2=0.995）；牛黄胆酸钠标准曲线方程为y=0.403x+0.055（R2=0.992）。

2）胆酸盐结合能力 分别称取40 mg 不同粒度的FV-DF1 和FV-DF2 样品于50 mL 锥形瓶中，加入3 mL 以0.1 mol/L 磷酸盐缓冲液（pH 6.3）配制的胃蛋白酶溶液（10 mg/mL）和1 mL HCl溶液（0.01 mol/L），在37 ℃条件下恒温水浴振荡消化1 h，模拟胃环境；用0.1 mol/L NaOH 溶液调节pH 值至6.3，随后加入4 mL 以0.1 mol/L 磷酸盐缓冲液 （pH 6.3）配制的胰蛋白酶溶液 （10 mg/mL），在37 ℃条件下恒温水浴振荡消化1 h，模拟肠道环境。每个样品中加入4 mL 甘氨胆酸钠（0.3 mmol/L）或4 mL 牛磺胆酸钠（0.3 mmol/L），37 ℃水浴振荡1 h 后3 800 r/min 离心20 min，取上清液2.5 mL，加入7.5 mL 体积分数为60%的硫酸，采用比色法，在波长387 nm 处测定吸光度值，除试验组外，还要同时做样品空白组和试剂空白组。样品空白即试验溶液中不加膳食纤维样品，其它操作同试验组。通过设置样品空白可以扣除容器转移过程中胆酸盐的损失，因此样品空白组测得的胆酸盐加入量，一般会比初始加入量略低。试剂空白组即结合体系不添加胆酸盐 （以等体积的0.1 mol/L 磷酸盐缓冲液替代胆酸盐），其它操作同试验组。计算其甘氨胆酸钠和牛磺胆酸钠含量。甘氨胆酸钠和牛磺胆酸钠结合率按式（6）和（7）计算：

式中，c0——甘氨胆酸钠加入量，μmol；c1——甘氨胆酸钠剩余量，μmol。

式中，c2——牛磺胆酸钠加入量，μmol；c3——牛磺胆酸钠剩余量，μmol。

1.3.4 改性前、后金针菇膳食纤维结构的测定

1.3.4.1 扫描电子显微镜观察 将FV-DF1 和FV-DF2 样品干燥至恒重，取适量样品放在导电胶上，用氮气将其多余样品吹扫干净以防污染电镜，采用离子溅射法进行镀金，通过扫描电子显微镜分别对FV-DF1 和FV-DF2 样品进行500 倍、1 000 倍、2 000 倍微观结构观察拍照，设置条件：加速电压5 kV，束流强度为标准束流，探头模式为背散射。

1.3.4.2 傅里叶红外光谱分析 分别称取2 mg FV-DF1 和FV-DF2 干燥样品，使样品与200 mg KBr 粉末混合均匀，研磨后在10 MPa 压力下进行压片处理。在4 000～400 cm-1范围内进行红外光谱扫描。

1.3.4.3 X-射线衍射扫描 利用MiniFlex600 台式X-射线衍射仪对已经制备好的膳食纤维样品进行分析，衍射条件：靶型为Cu 靶，管电流5 mA，管电压20 kV，扫描区域（2θ）3°～90°，扫描速度10°/min，扫描步宽0.01°，扫描模式连续式，限高（IHS）10 mm，接收狭缝（RS）0.3 mm，发散狭缝（DS）1.25°，防发散狭缝（SS）1.25°。

1.4 数据分析

所有试验数据平行测试3 次，用平均值±标准差表示，利用SPSS 17.0 软件分析，Origin 8.0 软件绘图。

2 结果与分析

2.1 金针菇基本成分

由表1可知，挤压改性前、后金针菇TDF 质量分数均为37%左右，SDF 由 （5.366±0.100）%增加到（10.210±0.130）%，IDF 质量分数由（33.320±0.624）%降低为（27.954±0.971）%。TDF 质量分数变化差异性不显著，SDF 和IDF 质量分数变化差异性显著。挤压改性前、后金针菇粉中的水分和脂肪质量分数变化具有显著性差异，水分含量由（5.585±0.183）%增加到（6.610±0.106）%，脂肪质量分数由（2.756±0.179）%降低到（1.173±0.095）%，改性前、后蛋白质及灰分含量变化差异性不显著。由测定结果可知，经过挤压改性处理的金针菇粉中的SDF 质量分数达到10%以上，符合高品质膳食纤维的标准。

表1 改性前、后金针菇粉基本成分质量分数（%）Table 1 Mass fraction of basic components in Flammulina velutipes powder before and after modification （%）

2.2 改性前、后金针菇膳食纤维理化特性分析

2.2.1 粒度对FV-DF1 和FV-DF2 持水力、持油力、膨胀力、结合水力的影响 由图1可知，FVDF1 和FV-DF2 的持水力、持油力、膨胀力、结合水力随着粒度的增加均呈先上升后下降的趋势。当粒度为100 目时均达最大值，FV-DF1 的持水力、持油力、膨胀力、结合水力分别为（11.475±0.140）g/g，（3.541±0.030）g/g，（16.484±0.150）mL/g，（4.850±0.110）g/g；FV-DF2 的持水力、持油力、膨胀力、结合水力分别为（16.115±0.120）g/g，（6.201±0.060）g/g，（16.958±0.120）mL/g，（8.044±0.090）g/g。

由图1可以看出，挤压改性处理对金针菇膳食纤维理化性质有显著影响。FV-DF2 的持水力、持油力、膨胀力、结合水力均显著高于相同粒度下的FV-DF1，这是由于高温高压剪切作用使膳食纤维发生部分降解，可溶性膳食纤维含量增加，致使黏性和吸附性增加。膳食纤维的内部结构变得疏松，形成多孔网状结构，表面羧基、羟基等亲水基团数量增加，进而使水分能够充分渗透到金针菇膳食纤维内部，因此其理化性质大大增加。此外，随着膳食纤维粒度的增加，表面积增大，使水和油脂的接触面积大大增加，导致持水力、持油力、膨胀力和结合水力逐渐增加，然而当膳食纤维粒度过高时，其网状结构遭到破坏，膳食纤维以细小颗粒形式相互堆积，水和油脂的渗透阻力增大，致使FV-DF1 和FV-DF2 的持水力、持油力、膨胀力和结合水力下降[22]。

图1 不同粒度对FV-DF1 和FV-DF2 持水力（a）、持油力（b）、膨胀力（c）和结合水力（d）的影响Fig.1 Effects of different particle size on water holding capacity （a），oil holding capacity （b），swelling force （c） and combined hydraulic power （d） of FV-DF1 and FV-DF2

2.2.2 粒度对FV-DF1 和FV-DF2 胆固醇吸附能力的影响 由图2可知，在pH=2.0 和pH=7.0 条件下，FV-DF1 和FV-DF2 的胆固醇吸附能力随着粒度的变化先上升后下降。当粒度为100 目时，FV-DF1 和FV-DF2 的胆固醇吸附能力最大，FVDF1 的胆固醇附能力分别为 （0.327±0.003）mg/（mL·g）（pH=2.0）和（0.553±0.003）mg/（mL·g）（pH=7.0），FV-DF2 胆固醇附能力分别为（0.359±0.004）mg/（mL·g）（pH=2.0）和（1.107±0.004）mg/（mL·g）（pH=7.0），这可能是由于物料粒度的增大使其结构变得疏松，极性基团增多；然而粒度过大又会对其结构造成一定程度的破坏，使其吸附能力下降。pH 值对FV-DF1 和FV-DF2 的胆固醇吸附能力也有一定影响，pH=2.0 时胆固醇吸附能力均小于pH=7.0 时的胆固醇吸附能力，说明FV-DF1 和FV-DF2 在肠道环境下吸附能力较好。在相同pH条件下，FV-DF1 与FV-DF2 相比，FV-DF2 的胆固醇吸附能力明显增强，这可能是由于挤压改性处理使金针菇粉中的不溶性膳食纤维得到降解，进而增加了可溶性膳食纤维含量。可溶性膳食纤维具有良好的黏性，不溶性膳食纤维有较强吸附性，当可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维占总膳食纤维一定比例时，能够充分发挥各自优势，起到协同增效作用，因此其胆固醇吸附能力有所增强。

图2 不同粒度FV-DF1 和FV-DF2 的胆固醇吸附能力Fig.2 Cholesterol adsorption capacity of FV-DF1 and FV-DF2 at different particle size

2.2.3 粒度对FV-DF1 和FV-DF2 结合甘氨胆酸钠能力的影响 由图3可知，FV-DF1 和FV-DF2结合甘氨胆酸钠能力随着粒度的增大呈现先上升后下降趋势。当粒度为120 目时，FV-DF1 和FVDF2 结合甘氨胆酸钠能力最高，分别为（60.080±0.600）%和（67.367±0.600）%。由此可知，适当粒度下，膳食纤维致密的结构变得疏松，比表面积增大。粉碎的过细，粒度过高，膳食纤维的内部结构被破坏，因此其吸附能力减弱。FV-DF2 结合甘氨胆酸钠能力明显高于FV-DF1，这是可能是由于通过高温高压挤压改性，FV-DF2 的内部结构变得疏松，形成立体多孔结构，表面吸附能力增强。结合量越高，说明其降胆固醇效果越好，降血脂活性越强，因为结合胆酸盐的能力越强，胆固醇在肝脏中转化胆汁酸的速度越快，降胆固醇效果越好。

图3 不同粒度FV-DF1 和FV-DF2 结合甘氨胆酸钠的能力Fig.3 The ability to combine sodium glycylcholate of FV-DF1 and FV-DF2 at different particle size

2.2.4 粒度对FV-DF1 和FV-DF2 结合牛磺胆酸钠能力的影响 由图4可知，FV-DF1 和FV-DF2结合牛磺胆酸钠能力随着粒度的增大呈现先上升后平缓趋势。当粒度为120 目时，FV-DF1 和FVDF2 结合牛磺胆酸钠能力最高，分别为（54.833±0.200）%和（63.149±0.400）%，说明粒度大小对其结合能力也有很大影响。由图4可知，FV-DF2 结合牛磺胆酸钠能力明显高于FV-DF1，这可能是由于改性后其内部结构疏松，牛磺胆酸钠更容易渗透FV-DF2 内部，说明胆酸盐的吸附能力和膳食纤维的粒度和结构有很大关系。

图4 不同粒度FV-DF1 和FV-DF2 结合牛磺胆酸钠能力Fig.4 The ability to combine sodium taurocholate of FV-DF1 and FV-DF2 at different particle size

2.3 改性前、后金针菇膳食纤维的结构

2.3.1 FV-DF1 和FV-DF2 的表面微观结构 由图5可知，FV-DF1 呈现完整的纤维条状结构，内部结构致密。FV-DF2 由于通过高温高压挤压改性处理，部分不溶性半纤维素等组分发生溶融，导致连接键断裂，使膳食纤维原来紧密的结构变得松散，内部结构被破坏，孔隙度增大，在纤维外表的孔隙间有较多的短纤维，呈疏松孔状，其比表面积增加。纤维的内部和外部结构的改变使纤维与更多的水分子通过氢键或偶极子相互作用，水溶性提高，持水力和膨胀能力增强，同时也增强其吸附能力[26]。

图5 FV-DF1（a～c）和FV-DF2（d～f）扫描电子显微镜图Fig.5 Scanning electron microscopy of FV-DF1 （a-c） and FV-DF2 （d-f）

2.3.2 FV-DF1 和FV-DF2 的主要官能团 由图6可知，FV-DF1 和FV-DF2 都表现出多糖的红外光谱特征。在3 363 cm-1附近出现较圆滑的吸收峰，这是由纤维素和半纤维素O-H 羟基的伸缩振动引起的，可能存在羟基及结合水分子。通过比较可以看出FV-DF2 在3 363 cm-1附近的吸收峰强度比FV-DF1 有所减弱，这可能是由于挤压改性处理导致纤维素分子之间的氢键发生断裂。在2 924 cm-1处的吸收峰为糖类亚甲基上C-H 的伸缩振动；在1 652 cm-1处的吸收峰是C=O 伸缩振动，说明可能有糖醛酸存在；在1 317 cm-1处的吸收峰为羧酸的C-O 伸缩振动；在1 039 cm-1附近的吸收峰是纤维素和半纤维素的醚键中糖环CO-C 伸缩振动和C-O-H 的O-H 伸缩振动。综上，改性前、后金针菇膳食纤维的主要化学结构未发生明显变化，但FV-DF2 的部分特征峰强度有所减弱。

图6 FV-DF1 和FV-DF2 红外光谱图Fig.6 Infrared spectra of FV-DF1 and FV-DF2

2.3.3 FV-DF1 和FV-DF2 的结晶度 由图7可知，FV-DF1 和FV-DF2 的纤维素晶型结构属于I型，衍射角（2θ）分别在19.04°，19.28°附近出现固有衍射峰，说明挤压改性处理前、后金针菇膳食纤维晶体构型未发生明显改变，衍射强度有所减弱。高结晶度可促进纤维的拉伸强度和硬度，而低结晶度与吸湿性，柔软性和化学反应有关[27-28]。在高剪切、挤压等作用下金针菇膳食纤维由较大形状晶体转变成小晶体，使膳食纤维中纤维素、半纤维素部分降解，可溶性膳食纤维增加，从而导致持水力、持油力等物理性质的变化。

图7 FV-DF1 和FV-DF2 的X-射线衍射扫描图Fig.7 X-ray diffraction images of FV-DF1 and FV-DF2

3 结论

单螺杆挤压改性工艺有效提高了金针菇膳食纤维中可溶性膳食纤维含量，使其成为高品质金针菇膳食纤维，大大改善了其理化特性（持水力、持油力、膨胀力、结合水力）及功能特性（吸附胆固醇能力、结合甘氨胆酸钠能力、结合牛磺胆酸钠能力）。金针菇膳食纤维良好的持油力可减少人体内油脂的吸收，对调节血脂有一定的作用；良好的水合性能使得金针菇膳食纤维吸水膨胀后呈颗粒絮状物，进而能够有效延缓或阻碍膳食中过量的胆固醇的吸收。此外，粒度对膳食纤维的理化特性和功能特性也有一定影响。当粒度为100 目时，FVDF2 的持水力、持油力、膨胀力、结合水力、吸附胆固醇能力最好；当粒度为120 目时，FV-DF2 的结合甘氨胆酸钠能力、结合牛磺胆酸钠能力最好。通过分析改性前、后金针菇膳食纤维的结构发现，FV-DF2 表面变得疏松多孔，FV-DF1 和FV-DF2主要官能团结构没有明显变化，FV-DF2 的部分特征峰强度有所减弱，FV-DF1 和FV-DF2 仍保留着相近的晶体结构，FV-DF2 的衍射峰强度减小。因此，金针菇膳食纤维微观结构和粒度大小与其理化及功能性质有着密切的关系。