碱性过氧化氢改性预处理对玉米芯不溶性膳食纤维的理化性质及功能特性的影响

李金隆, 魏书音, 孟 珺, 邢 杨, 丁长河, 游艳芝,2

(河南工业大学粮油食品学院1,郑州 450001)

(浙江科技学院环境与资源学院2,杭州 310023)

(北京市疾病预防控制中心食品中毒诊断与溯源技术北京市重点实验室3,北京 100013)

玉米芯是玉米的主要副产品之一,占玉米产量的15%,是一种丰富而廉价的可再生资源,主要由纤维素、半纤维素和木质素组成[1]。玉米芯主要用于制糖、造纸、有机肥和饲料等工业生产中[2]。然而,在广大农村地区玉米芯一直被用作家庭燃料,不仅造成了资源的浪费,还对环境造成了严重的污染,影响了生态平衡。

膳食纤维(DF)根据其水溶性分为可溶性膳食纤维(SDF)和不溶性膳食纤维(IDF)[3]。研究发现,IDF能促进消化、粪便排出和规律性,并促进肠道菌群中有益菌的生长[4]。玉米芯含有丰富的IDF,但功能特性较差,因此需要对其进行改性,以此提高理化特性和功能特征[5]。

目前,已有多种技术被用来研究改变DF的理化性质、结构及功能特性,包括物理、化学、生物及其联合改性技术[6]。过氧化氢是一种具有漂白、消毒、防腐等能力的绿色氧化剂,碱性过氧化氢(AHP)已经被应用于生物质处理中,常常用来处理木质纤维素原料[7]。冯子倩[8]在H2O2体积分数为15%,pH为11和料液比为1∶18(m/V)条件下使用AHP对黑豆皮DF进行改性,改性后SDF含量提高了2.17倍,内部形成多孔网状结构,成胶性能提高。Ma等[9]在H2O2质量分数为1%,pH为11.5和料液比为1∶20(m/V)条件下使用AHP对紫萝卜IDF进行改性,改性后显著性提高了IDF的保水能力、吸水膨胀力和持油力。目前,AHP改性对玉米芯IDF的影响尚未研究。因此,本研究利用AHP法对玉米芯IDF进行改性,并对改性前后玉米芯IDF的结构变化和功能特性进行观察和分析,评估了AHP法对玉米芯IDF结构和功能方面的影响,以期为玉米芯IDF的开发和使用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米芯、大豆油:市售;过氧化氢、石油醚、亚硝酸钠、对氨基苯磺酸、N-1-盐酸萘乙二胺:分析纯;α-淀粉酶:酶活力13 u/mg,糖化酶:酶活力100 000 u/g;碱性蛋白酶:酶活力200 000 u/g。

1.2 实验设备

FJS-4型数显恒温磁力搅拌水浴锅;DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱;UV-1600B型紫外可见分光光度计;Regulus 8100型冷场发射扫描电镜;Nicolet iS 10傅里叶红外光谱仪;MiniFlex600型X-射线衍射仪。

1.3 实验方法

1.3.1 玉米芯IDF的提取

参考刘丽娜等[10]方法稍作修改。将60目脱脂玉米芯与蒸馏水以料液比1∶10(m/V)混匀,然后依次加入质量分数0.7%碱性蛋白酶(pH 9.0,45 ℃,1 h)、质量分数0.3%糖化酶和质量分数1.5% α-淀粉酶(pH 6.5,45 ℃,1 h)进行反应,直至碘液检测不变蓝,灭酶,结束反应,冷却至室温。4 000 r/min离心10 min,并用蒸馏水水洗2次。水洗后置于45 ℃电热恒温鼓风干燥箱烘干,粉碎后过60目筛,得到玉米芯IDF,命名为Original-IDF(O-IDF)。

1.3.2 玉米芯IDF的AHP改性

10 g玉米芯IDF中分别加入质量分数分别为0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的过氧化氢反应液,料液比为1∶20(m/V),用5 mol/L的NaOH溶液将pH调至11。将反应液置于水浴锅中80 ℃搅拌4 h。反应结束后用1 mol/L HCl将溶液调至中性。使用循环水式真空泵收集固体残留物,用蒸馏水洗涤2次,在45 ℃的电热鼓风干燥器中干燥至恒重,并研磨至60目,得到碱性过氧化氢改性后的IDF(M-IDF)。

1.3.3 AHP改性前后IDF水合能力的测定

1.3.3.1 持水力(WHC)

参考Jiang等[11]方法稍作修改。称取0.5 g(m1) O-IDF和M-IDF于10 mL离心管中(管质量m2),加入5 mL蒸馏水,混匀后37 ℃下反应1 h, 4 000 r/min离心10 min,过滤出水,称取离心管质量(m3)。样品的WHC值计算见式(1):

(1)

1.3.3.2 持油力(OHC)

参考Jiang等[11]方法稍作修改。称取0.5 g(m1) O-IDF和M-IDF于25 mL离心管中(管质量m2),加入12.5 mL大豆油,混匀后37 ℃下反应1 h,4 000 r/min离心10min,过滤出油,称取离心管质量(m3)。样品的OHC值计算见式(2):

(2)

1.3.3.3 吸水膨胀力(WSC)

参考Jiang等[11]方法稍作修改。称取0.5 g(m1) O-IDF和M-IDF于10 mL离心管中,加入5 mL蒸馏水,记录样品体积为V1,混匀后37 ℃下反应1 h,4 000 r/min离心10 min,记录样品体积为V2,称取离心管质量(m3)。样品的WSC值计算见式(3):

(3)

1.3.4 AHP改性前后IDF葡萄糖吸附能力(GAC)的测定

参考Meng等[12]方法稍作修改。在100 mL浓度为50 mmol/L的葡萄糖溶液(初始溶液中葡萄糖浓度(C1)中分别加入0.5 g O-IDF和M-IDF(m),37 ℃水浴反应6 h;4 000 r/min离心15min,取上清液,用DNS法在540 nm处测定吸光度值(吸附后溶液中葡萄糖浓度C2)。利用式(4)计算样品中的GAC:

(4)

1.3.5 AHP改性前后IDF亚硝酸根离子吸附能力(NAC)测定

参考郑佳欣[13]方法稍作修改。在25 mL浓度为500 μmol/L的亚硝酸钠溶液(初始溶液中亚硝酸盐浓度C1)中分别加入1 g O-IDF和M-IDF(m),将样品分别调节到pH 2.0(模拟胃pH)和pH 7.0(模拟小肠pH)。37 ℃水浴反应2 h,4 000 r/min离心15 min,取上清液,用盐酸萘乙二胺法在538 nm处测定吸光度值(吸附后溶液中亚硝酸盐浓度C2)。利用式5计算样品中的NAC:

(5)

1.3.6 粒径分布测定

称取适量的O-IDF和M-IDF粉末置于激光粒度仪样品槽中,用蒸馏水作为分散剂湿法测定IDF粒径分布[12]。

1.3.7 扫描电子显微镜(SEM)测定

将干燥的O-IDF和M-IDF的粉末喷金后在×500、×1 000、×3 000条件下通过扫描电子显微镜观察[13]。

1.3.8 傅里叶红外光谱(FT-IR)测定

在适量干燥O-IDF和M-IDF粉末中加入KBr粉末置于玛瑙研钵中研磨,压片制成透明薄片,于4 000～400 cm-1范围内对样品进行扫描[13]。

1.3.9 X-射线衍射(XRD)测定

利用 X-射线衍射仪对O-IDF和M-IDF的结晶结构进行表征。工作电压40 kV,工作电流15 mA,衍射角扫描范围为5°～90°,测量速率:6(°)/min[13]。

1.3.10 数据处理

所有实验均进行3次重复,以均值±标准差的形式表示结果,采用 SPSS 26.0软件实验结果进行方差分析和显著性检验,Origin 64 软件作图。

2 结果与分析

2.1 AHP改性预处理对玉米芯IDF的水合能力的影响

DF与水的相互作用通过物理吸附机制发挥其生物活性,是由物理结构和化学组分共同决定的,DF的结构、比表面积和水结合点的数量都会影响其与水分子的相互作用[14]。由表1可见,在AHP改性处理过程中,随着过氧化氢质量分数的增加,玉米芯IDF的WHC显著性提高。质量分数2.0% AHP改性后持水力达到最大值(4.36±0.18)g/g,是O-IDF的WHC的1.94倍。同时,AHP改性后玉米芯IDF的WSC显著性提高。质量分数2% AHP改性后WSC达到最大值(2.94±0.08)g/g,相比O-IDF的WSC提高了49.24%。这是因为AHP处理能够使玉米芯IDF结构变得松散,氢键遭到破坏,导致更多亲水基团的暴露[15]。同时,AHP处理能够破坏纤维素和半纤维素之间的共价键,以及半纤维素和木质素之间的醚键,从而破坏IDF的结构特征,有助于改善IDF的水化性能[12]。

表1 AHP改性前后玉米芯IDF的持水力(WHC)、持油力(OHC)和吸水膨胀力(WSC)

此外,AHP改性后玉米芯IDF的OHC显著性提高,与O-IDF相比,分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0% AHP改性后玉米芯IDF的OHC分别提高了17.05%、36.17%、54.25%、69.14%。质量分数0.0% AHP改性后OHC无显著性变化,说明碱性条件改性对玉米芯IDF的OHC没有显著性影响。一般来说,OHC取决于IDF的表面特性、总电荷密度和疏水性[16]。AHP处理能够增加玉米芯IDF的比表面积,提高了与油的接触面积,从而提高其OHC[9]。这与Zhang等[17]关于AHP改性能提高柑橘DF的持水力、持油力和吸水膨胀力研究结果相同。

DF的水合特性是影响食品品质的关键因素,高WHC和WSC有利于促进肠道蠕动,延长食品保质期。同时,在果汁中加入高WHC的IDF能够改善果汁性能,延长果汁保质期。高OHC的IDF能够作为脂肪替代品,肉制品中加入IDF能够限制消费者摄入的脂肪,保障人体健康。

2.2 AHP改性预处理对玉米芯IDF的葡萄糖吸附能力的影响

葡萄糖吸附能力是DF的一个重要功能特性,DF可以与肠道中的葡萄糖结合,导致餐后血糖水平下降[6]。GAC与DF的黏度、孔隙率和比表面积密切相关[18]。AHP改性后玉米芯IDF的GAC随着过氧化氢质量分数的增加而增加,相比O-IDF的GAC,0.0% AHP改性后玉米芯IDF的GAC无显著性变化。相比于O-IDF的GAC,质量分数分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0% AHP改性后玉米芯IDF的GAC分别提高了29.88%、51.63%、59.32%、113.17%。IDF对葡萄糖的吸收可以通过葡萄糖分子化学吸附和物理屏障来实现,AHP处理能够破坏木质纤维素中的生物质连接键,使内部结构和极性基团暴露,吸附葡萄糖的能力增强[11]。同时,AHP处理后玉米芯IDF的内部结构变得松散,IDF捕获葡萄糖分子并将其嵌入纤维网络中,从而降低上清液中葡萄糖含量[12]。Afrazeh等[19]使用AHP对甘蔗渣和枣子DF改性后也有相似结果。AHP改性后玉米芯IDF的GAC能够使它作为低热量的成分添加到膳食零食中。

注:字母不同表示差异显著P<0.05,余同。

2.3 AHP改性预处理对玉米芯IDF的亚硝酸根离子吸附能力的影响

DF具有吸收亚硝酸盐的能力,一般来说,亚硝酸盐从体内排出量与膳食纤维的NAC有关[20]。实验模拟了胃环境(pH=2.0)和肠环境(pH=7.0)下O—IDF和M-IDF对NAC的吸附能力,结果如图2所示。胃环境条件下IDF的NAC要优于模拟肠环境条件下,原因是DF对NAC的影响与DF结构中的糠醛酸、酚酸和氨基酸等活性基团数量有关,在酸性条件下NO2-与H+结合生成HNO2,进而形成大量的氮氧化合物,从而形成吸附作用[21]。

图2 AHP改性前后IDF的亚硝酸根离子吸附能力

在pH=2.0条件下,相比O-IDF的NAC,质量分数分别为0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0% AHP改性后玉米芯IDF的NAC分别提高了10.69%、19.95%、30.87%、41.06%、48.86%。在pH=7.0条件下,质量分数分别为0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0% AHP改性后玉米芯IDF的NAC分别是O-IDF的 NAC的2.03、3.58、5.10、7.45、8.77倍。与质量分数0.0% AHP改性后玉米芯IDF相比质量分数0.5%、1.0%、1.5%、2.0% AHP改性后玉米芯IDF的NAC也均有显著性升高。这可能是因为AHP后结构变得疏松,比表面积增大,亚硝酸根离子吸附位点增多,这与Luo等[22]研究类似。

2.4 AHP改性预处理对玉米芯IDF的粒径的影响

DF的粒径尺寸会影响其化学性质,并且比表面积随着粒径尺寸减小而增加[23]。O-IDF和M-IDF的粒径分布如图3所示。AHP改性后M-IDF的粒径分布峰值逐渐向左偏移,证明M-IDF的粒径在改性后也有不同程度的下降。粒度大小顺序为:O-IDF>0.0% AHP M-IDF>0.5% AHP M-IDF>1.0% AHP M-IDF>1.5% AHP M-IDF>2.0% AHP M-IDF,分布范围对称。随着过氧化氢质量分数的提高,M-IDF的中位粒径(D50)逐渐减小。O-IDF和质量分数0.0% AHP改性后玉米芯IDF的粒径D50大于100 μm,质量分数分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0% AHP改性后玉米芯IDF的粒径D50小于100 μm。改性后粒径降低与AHP处理后木质素的降解和部分醇溶性物质的去除有关,而较低的粒径往往导致水合性质的提高[24]使用AHP对紫萝卜IDF进行改性,改性后粒径也有所降低。

图3 AHP改性前后IDF粒径分布图

2.5 AHP改性前后玉米芯IDF的扫描电镜分析

AHP改性前后IDF的表面微观结构如图4所示。O-IDF呈现不规则、致密的块状结构,表面较为光滑,无孔洞结构。相比O-IDF,质量分数0.0% AHP改性后不规则块状结构被破坏,表面出现孔洞结构,结构变得粗糙,这是因为强碱条件可以破坏膳食纤维的微观结构,降解纤维素和部分半纤维素,同时破坏其中的糖苷键[17]。质量分数1.0% AHP改性后孔洞结构增多,内部呈现蜂窝网状结构,表面更加粗糙。质量分数2.0% AHP改性后表面出现褶皱,仍有多孔结构,内部出现裂缝。随着过氧化氢质量分数的增加木质纤维素分解的越多,出现褶皱现象[12]。研究证明多孔结构和表面褶皱现象有助于帮助膳食纤维截留水分[25]。SEM结果证明AHP改性能改善玉米芯IDF的微观结构,使其结构变得松散,表面出现褶皱,导致暴露更多的极性基团和非极性基团,从而提高其持水力、持油力、吸水膨胀力、葡萄糖吸附能力和亚硝酸根离子吸附能力,这与上述结果保持一致。

图4 AHP改性前后IDF的表面微观结构

2.6 AHP改性前后玉米芯IDF的红外光谱分析

图5 AHP改性前后玉米芯的IDF红外光谱图谱

2.7 AHP改性前后玉米芯IDF的X-射线衍射分析

为进一步分析AHP改性对玉米芯IDF结构的影响,对改性前后玉米芯IDF进行了X射线衍射实验。X-射线衍射分析了材料的结构和晶体信息,峰越尖锐表示结晶度越高[31]。由图6可见,AHP改性前后分别在16°、22°以及34.5°附近出现特征衍射峰,16°附近的衍射峰对应于单斜纤维素Ⅰ型β型晶体的110结晶面,22°附近的衍射峰对应于纤维素Ⅰ型衍射角,34.5°附近的衍射峰对应于单斜纤维素Ⅰ型β型晶体的040结晶面[32]。改性前后特征衍射峰位置基本没有发生变化,证明AHP改性并未改变IDF的晶体类型。改性后峰型变得更加尖锐,说明相对结晶度提高。通过Jade6分析计算得到0.0%AHP改性后结晶度为32.24%,刘静[33]也有类似发现,碱性条件下纤维素发生降解,结晶区被破坏。1.0%AHP改性后结晶度为33.08%,2.0%AHP改性后结晶度为34.05%。Zhang等[17]使用AHP对柑橘DF进行改性也使得结晶度有所提高。AHP能够降解纤维素和木质素,释放多糖类物质,使非结晶区占比减少,结晶区占比增多,结晶度提高[34]。

图6 AHP改性前后玉米芯IDF 的XRD图

3 结论

采用AHP对玉米芯IDF进行改性,以改善其理化性质、结构和功能特性。M-IDF的水合性质、GAC和NAC都有不同程度的提高。在质量分数2.0% AHP改性条件下得到的M-IDF具有最佳的水合能力、GAC和NAC。同时,AHP改性显著降低了IDF的粒径,破坏了IDF原有的不规则和致密结构,形成孔洞结构,表面出现褶皱。FT-IR和XRD结果表明,AHP改性可以降解半纤维素和木质素,从而提高其结晶度。研究为全面提高玉米芯IDF的质量以提高其再利用价值提供了参考,这也拓展了改性技术在玉米芯IDF功能化加工上的应用前景。因此,AHP改性处理玉米芯IDF并将其应用于各种类型的食品配方中具有重要价值,未来的研究应该集中在功能性食品的开发方面。