雷筍膳食纖維酶法改性及其理化性能和結構變化

楊開，楊振寰,，吳偉杰，陳劍兵，夏其樂*

1(浙江工業大學 食品科學與工程系，浙江 杭州，310014) 2(浙江省農業科學院食品科學研究所，中國輕工業果蔬保鮮與加工重點實驗室，浙江省果蔬保鮮與加工技術研究重點實驗室，浙江 杭州，310021)

雷竹(Phyllostachyspraecoxf. Prevernalis)是一種優質的食用筍竹種，其幼嫩莖為雷筍，又名早竹筍，含有粗蛋白、脂肪、纖維素等成分，營養豐富，有著產量高、出筍早的特點，作為竹筍的一種，雷筍也富含膳食纖維[1]。膳食纖維(dietary fiber,DF)被認為是人類的第七營養素，近幾年的醫學研究又證實了DF可以降低糖尿病，心血管疾病，結腸癌等的發病率[2]，這與DF良好的持水、持油、膨脹和吸附能力等有關[3]。研究發現，可溶性膳食纖維(SDF)相比不可溶膳食纖維(IDF)對膽固醇和血糖控制等功能具有更顯著的效果[4]。

我國每年都有大量新鮮雷筍產出，除鮮食外，普遍以常規的罐頭加工食品為主，缺乏精深加工，而且因為較低的原始SDF含量使得其功能價值尚未完全開發。為了提高SDF的比率，常使用化學、生物和物理方法對DF進行改性處理[5]?；瘜W方法會帶來潛在的食品安全問題；而物理方法(螺桿擠壓、高壓均質、高靜水壓等)則對設備和操作要求較高；生物法(酶解法和發酵法)因其操作簡便快捷的特點，是該領域的未來發展方向[6]。因此，本文旨在通過纖維素酶和木聚糖酶聯合處理改善雷筍DF的理化性質，并對其結構變化進行分析比較，為獲得高SDF含量的雷筍膳食纖維和提高雷筍附加值提供有效途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮雷筍購自杭州市果蔬批發市場，經浙江省農科院食品科學研究所陸勝民研究員品種鑒定。耐熱α-淀粉酶、蛋白酶、淀粉葡萄糖苷酶和α-葡萄糖苷酶均購自Sigma公司；纖維素酶(酶活力30 000 U/g)、木聚糖酶(酶活力30 000 U/g)，寧夏和氏璧生物技術有限公司；其他化學試劑屬于分析級。

1.2 儀器與設備

FW200粉碎機，江蘇省金壇市友聯儀器研究所；CR10色差儀，日本柯尼卡美能達公司；SW23水浴搖床，德國優萊博公司；LXJ-IIB離心機，上海安亭科學儀器廠；UV-1800紫外分光光度計，日本島津公司；TM3000臺式顯微鏡，日本日立公司；Nicolet iS5傅里葉紅外光譜儀，美國賽默飛世爾公司；UItima IV型X射線衍射儀，日本理學公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 粗膳食纖維制備[7]

挑選無機械損傷，筍齡和外觀一致的新鮮雷筍50 kg。去殼處理后，將其在60 ℃下干燥48 h并用研磨機粉碎，并過80目篩獲得雷筍粉末。雷筍DF根據AOAC方法991.43制備，最后獲得1.5 kg未處理的雷筍膳食纖維粉末。

1.3.2 改性膳食纖維制備

根據預實驗結果，使用纖維素酶和木聚糖酶分步酶解對雷筍膳食纖維進行改性。取10 g雷筍膳食纖維粉末，加入50 mL 0.05 mol/L pH 6.8的PBS緩沖液，按添加量0.15%(質量分數)加入纖維素酶，混勻，置于50 ℃振蕩水浴2 h，將pH調至4.8后加入0.15%的木聚糖酶，混勻，置于50 ℃振蕩水浴3 h。酶解結束后沸水浴10 min滅活，加入4倍體積的95%乙醇，靜置過夜，抽濾，并烘干粉碎，得到酶改性后雷筍膳食纖維。

1.3.3 色澤測定

使用色差儀測量樣品的色澤。顏色值表示為亮度/暗度(L*)，紅色/綠色(a*)和黃色/藍色(b*)。未處理雷筍膳食纖維用作計算總色差的參考。根據KIM等[8]的方法使用式(1)計算總色差：

ΔE=(ΔL2+Δa2+Δb2)1/2

(1)

1.3.4 持水力、持油力和膨脹力測定

根據文獻[9-10]的方法測定持水力(g/g DF)，持油力(g/g DF)和膨脹力(mL/g DF)。

1.3.5 吸附能力測定

1.3.5.1 亞硝酸吸附能力

采用鐘希瓊等[11]的方法測定亞硝酸吸附能力(NIAC)，稍有改動。將1 g DF樣品與25 mL NaNO2溶液(0.1 mol/L)混合，并將溶液的pH調節至2.0(模擬胃的pH環境)和7.0(模擬小腸的pH環境)。將混合物在水浴搖床中于37 ℃以120 r/min搖動30 min，然后用離心機以4 000 r/min離心20 min以沉淀DF，收集上清液用于以下分析。亞硝酸鹽含量通過ZHU等[12]的方法測定。

1.3.5.2 膽固醇吸附能力

采用朱玉等[13]的方法對膽固醇吸附能力(CBC)進行了分析，并進行了一些修改。取新鮮的蛋黃，并用9倍體積的蒸餾水充分攪打成乳液。將1 g DF樣品與25 g蛋黃乳液混合，并將體系的pH分別調節至2.0和7.0。將混合物在37 ℃振蕩浴中以120 r/min搖動2 h，并以4 000 r/min離心20 min以沉淀DF，然

后收集上清液。使用蛋黃乳液作為空白對照，在550 nm的波長下測量吸光度。

1.3.6 掃描電鏡(SEM)分析

通過SEM在15 kV下觀察DF的表面和微結構。將DF樣品用雙面導電膠帶裝載在樣品架上，并涂覆金層，然后進行電子顯微鏡觀察和樣品拍照。

1.3.7 傅里葉紅外光譜(FT-IR)分析

用FT-IR光譜儀測量DF分子結構的變化。取干燥的樣品(2mg)用KBr(100 mg，光譜級)研磨，壓片制成透明薄片，并用空白KBr作為背景。掃描次數：20次，分辨率，4 cm-1，掃描范圍：500～4 000 cm-1。

1.3.8 X-射線衍射(XRD)分析

利用步進掃描法。測定參數為：靶：Cu-Kα；步寬：0.02°；掃描速率：2°/min；掃描范圍：2°～40°。結晶度[14]使用式(2)從曲線下的峰面積計算：

(2)

式中:Dc為結晶度;Ac為結晶區域;Aa為非晶區域。

1.3.9 數據處理

每組數據平行測定3次并表示為平均值±標準偏差。使用SPSS 19.0進行方差和顯著性分析，利用Origin 2017軟件繪圖。

2 結果與討論

2.1 酶改性對膳食纖維組成的影響

表1顯示了酶改性前后DF的組成。與對照組的SDF含量(1.02±0.04)%相比，酶改性后顯著提高了SDF含量，達到了對照組的6.67倍。TDF含量沒有顯著變化(P>0.05)，但是IDF含量與對照組相比顯著降低，這是因為纖維素酶水解的纖維素和木聚糖酶水解的半纖維素都是IDF的重要組成部分，水解產生的寡糖和小分子糖則提高了SDF含量。WEN等[15]也有類似的結論：纖維素酶和木聚糖酶處理米糠膳食纖維后可增加SDF含量。此外，酶改性后水分含量增加但是灰分含量降低。

表1 酶改性膳食纖維的組成成分 單位：%Table 1 The composition of dietary fiber with enzyme modification treatments

注：同列不同字母表示差異顯著(P< 0.05)，相同字母則表示差異不顯著(P> 0.05)。下同。

2.2 酶改性DF的色度

由表2可知，與未處理DF相比，酶改性處理后L*值，a*值和b*值均顯著降低(P<0.05)，這可能是由于小分子糖促進干燥過程中的褐變反應導致的[16]。L*值降低，表示亮度降低，b*值為正且相對較高，說明在黃綠之間更傾向于黃色。在食品加工中，可根據所生產食品的色澤要求添加不同類型的DF產品，NAEEM等[17]在餅干中添加竹筍膳食纖維時，觀察到了良好的感官接受度。

表2 酶改性膳食纖維的顏色和總色差Table 2 Color parameters and total color differences of dietary fiber with enzyme modification treatments

2.3 酶改性DF的持水性、持油性和膨脹力

DF的持水量(WHC)，持油量(OHC)和膨脹能力(SC)的差異可能與粒徑，孔隙率，電荷密度，比表面積和空間結構有關[18]。表3顯示了酶處理后DF的WHC、OHC和SC均顯著增加(P<0.05)。

表3 酶改性膳食纖維的理化性質Table 3 physicochemical properties of dietary fiber with enzyme modification treatments

據推測，酶改性后DF的比表面積增加，DF的松散結構暴露出更多的極性和非極性基團，從而增強了WHC和OHC，YU等[19]在用酶改性胡蘿卜果渣的不可溶性膳食纖維后得到了類似的結果。纖維素酶和木聚糖酶降解了一些IDF，使整個結構變得龐大并增加了SC，并且有研究表明SC與SDF的含量呈正相關[20]，因此SC增加也可能與SDF含量增加有關。

2.4 酶改性DF的吸附亞硝酸鹽和膽固醇能力

一些流行病學研究表明，過量攝入亞硝酸鹽被認為對人體健康有害，并可能增加患癌癥的風險[21]。表4顯示了酶改性前后DF的亞硝酸根離子吸收能力(NIAC)，酶改性后NIAC在模擬小腸和胃的pH下均顯著增加(P< 0.05)。結果表明，酶改性后有助于防止過量亞硝酸鹽引起的人體中毒。此外，發現NIAC在pH 2.0的條件下有更高的吸收能力，說明DF在胃中比在腸中能吸收更多的亞硝酸根離子。不同pH下NIAC之間的差異可能是由DF中的阿魏酸引起的[21]，酚酸基團對亞硝基有較強的吸附作用，但在小腸環境中，由于pH值的升高使得阿魏酸上的羧基發生解離，從而排斥NO2-，影響了吸附效果。

表4還顯示了酶改性前后DF的膽固醇吸附容量(CAC)。酶改性后顯著提高了雷筍DF的CAC(P< 0.05)，CAC分別提高了2.16倍(pH 7.0)和1.41倍(pH 2.0)。DF對膽固醇的吸附通常是化學和物理吸附的作用。最近的研究報道，SDF的CAC比IDF更高[22-23]，因此酶改性后CAC的增加可能與其SDF含量增加有關。此外，pH值是CAC的一個重要影響因素。在pH 7.0條件下，CAC的數值明顯比pH 2.0下的更高，這可能是由于SDF中部分側鏈基團在較高pH下發生了解離。

表4 酶處理膳食纖維亞硝酸根和膽固醇的體外吸收能力Table 4 In vitro binding capacities to sodium nitrite and cholesterol of dietary fiber with enzyme modification treatments

2.5 掃描電鏡分析

在圖1中，顯示了酶改性前后的膳食纖維的微觀結構。觀察到未處理膳食纖維的表面較為光滑，組織較致密，孔隙較少，呈束狀結構。酶改性后，膳食纖維的表面更為疏松，形成了較多孔隙，呈現了更復雜的空間網絡結構，這和王佳等[24]的研究一致，其使用纖維素酶和木聚糖酶的酶處理導致竹筍膳食纖維的表面變得蓬松且帶有孔隙。膳食纖維的比表面積增大，會暴露出更多的親水親油基團，這導致了持水性、持油性和吸附能力的顯著增加。

圖1 雷筍DF未處理和酶改性的掃描電鏡圖Fig.1 Scanning electronic micrographs(SEM) of DF treated by enzyme

2.6 紅外光譜分析

酶解后DF顯示出與未處理樣品相似的光譜分布，但在相應波長下吸收強度略有變化。如圖2所示，3 400 cm-1處的寬吸收峰是纖維素和半纖維素的O-H伸縮振動帶。酶改性后3 400cm-1處呈現較弱的峰，可能是因為改性處理導致纖維素分子之間的氫鍵斷裂[15]。2 925cm-1處的吸收峰是多糖亞甲基的C-H振動。在1 734 cm-1處觀察到未處理膳食纖維的肩峰是半纖維素的特征吸收峰，酶改性后該峰消失，這說明木聚糖酶對半纖維素產生了分解作用。1 653 cm-1處的吸收峰是木質素中的芳香苯引起的，1 546 cm-1和1 247 cm-1處的吸收峰是木質素組分的特征性彎曲或拉伸[25]。在酶改性后，這些峰的強度均降低，表明一些木質素被降解。1 370 cm-1和1 060 cm-1處的譜帶屬于木質素和纖維素的共同帶[26]。897 cm-1處的峰是糖單元中β-糖苷鍵的伸縮振動。

圖2 雷筍DF未處理和酶改性的紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra of DF treated by enzyme

2.7 X射線衍射

根據文獻，DF由有序結晶區(70%)和非晶(30%)組成。非晶區由無定形纖維素，半纖維素和木質素組成[27]。從圖3可以看出，酶改性前后的X射線衍射圖形在形狀上相似，顯示出典型的纖維素Ⅰ晶體構型。未處理DF在掃描角度2θ為20.10°有明顯的結晶衍射峰，酶改性DF在掃描角度2θ為20.39°有明顯的結晶衍射峰，同時在34.55°處有一個弱衍射峰。酶改性DF與未處理DF比較，結晶峰的2θ值相近，表明酶改性并沒有使晶型發生改變。由Jade 5.0軟件擬合后發現，酶改性后DF的結晶度(30.78%)低于未處理DF(33.72%)，CAO等[28]發現纖維素I的(002)晶面在酶水解過程中優先水解，并且半纖維素通常與纖維素相連，但其具有隨機和無定形結構，容易被半纖維素酶水解，因此在纖維素酶初期的水解期間結晶度應該增加，然而結果與之相矛盾。這可能是因為隨著酶解時間的增加，較多的內切葡聚糖酶使得結晶區表面纖維素的大分子斷裂，并且在外切葡聚糖酶和纖維素二糖酶的協同作用下完全水解，導致結晶區減??；同時，結晶區某些部位分子鏈排列的無序性因為外切葡聚糖酶的水解作用而增加，使得無定形區增加，兩方面的綜合影響使得酶改性后DF的結晶度發生了降低。LE等[29]報道了纖維素酶處理木漿纖維后纖維素結晶度快速降低。結晶度的降低表明DF的結構更為松散，這和WHC、SC和吸附能力的改善結果一致。

圖3 雷筍DF未處理和酶改性的X射線衍射圖Fig.3 X-ray diffraction diagrams of DF treated by enzyme

3 結論

通過纖維素酶和木聚糖酶聯合改性雷筍膳食纖維，并比較了改性前后膳食纖維的理化性能和結構特性的差異。酶法改性不僅可以顯著提高雷筍膳食纖維的SDF含量，而且可以改善膳食纖維的功能特性，改性后WHC、OHC、SC和吸附能力(CAC和NIAC)均得到有效增加；經電鏡和波譜分析，酶法改性改變了雷筍DF的結構特征，FT-IR顯示木質素和纖維素部分降解，XRD表明其結晶度降低。經比較說明了酶處理對雷筍DF性能的影響，并從其結構變化來闡述原因，為進一步研究和開發雷筍新功能食品或食品添加劑提供了有益的指導。