粒度對網紋瓜膳食纖維結構與性質的影響

劉巖龍，張彩麗，黃萍萍，貢漢生

（魯東大學食品工程學院，山東煙臺264025）

網紋瓜（Cucumis melo L.var.reticulatus Naud）屬葫蘆科甜瓜屬的一個變種，是厚皮甜瓜的一種類型[1]，網紋瓜味美香甜，營養豐富，深受消費者喜愛。我國是網紋瓜的生產大國，栽培面積達20 萬hm2，年產量300萬t 以上[2]。目前我國網紋瓜主要以鮮食為主，由于網紋瓜成熟期正值夏季高溫多雨，不易貯藏，容易造成經濟損失，也限制了網紋瓜產業的發展，因此網紋瓜的規?；庸榻鉀Q這一問題提供了途徑。王建清、高建曉等分別研究了不同處理方法對鮮切網紋瓜的保鮮作用[3-4]，王子萱研究了網紋瓜的變溫壓差膨化干燥工藝，為網紋瓜的加工提供了思路[2]。由于網紋瓜果皮較厚，在加工過程中會產生大量的果皮副產物，然而目前對網紋瓜副產物進行綜合利用的研究鮮見報道，如果大量的網紋皮無法得到合理有效的利用，勢必將造成一定的環境問題。網紋瓜果皮含有豐富的膳食纖維，是制備膳食纖維的良好原料。因此，利用網紋瓜皮制備膳食纖維，不僅能解決廢棄物污染的問題，還能提高其附加值，促進網紋瓜精深加工的發展。

膳食纖維是一類不能被人胃腸道消化吸收，也不能產生能量的多糖類物質，對預防肥胖、糖尿病、心血管疾病、胃腸功能紊亂等疾病的具有重要作用[5-7]。膳食纖維的性質和功能受其加工方式、結構特點等因素影響。粉碎是膳食纖維制備過程中必不可少的單元操作，粉碎能夠減小膳食纖維的平均粒徑，改變膳食纖維基質的結構特征，從而影響其理化特性和功能性質[8]。目前粉碎對膳食纖維理化性質有不同程度的影響。Chau 等研究表明超微粉碎能夠提高膳食纖維的持油力、持水力和膨脹力[9]。與此相反，Zhu 等則報道由于膳食纖維的基質結構被破壞，球磨降低了麥麩膳食纖維的持水力和膨脹力[10]。王大為等報道了粒徑大小對毛蔥膳食纖維的影響，粒徑過大或者過小均會產生不利影響[11]。因此，不同來源、不同粉碎方式、粉碎程度均可能對膳食纖維的理化性質產生的影響。目前粒徑對網紋瓜膳食纖維的影響也鮮有報道。

本研究利用網紋瓜加工后剩余的果皮為原料制備膳食纖維，對網紋瓜膳食纖維的理化性質、粉體性質和功能性質進行研究，比較不同粒徑對網紋瓜膳食纖維性質的影響，并通過掃描電鏡和紅外光譜對其結構進行表征，為網紋瓜副產物的綜合利用和膳食纖維的開發提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

網紋瓜：煙臺市芝罘區；α 淀粉酶（50 U/mg）：Sigma公司。其他試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

KH19A 型離心機：湖南凱達科學儀器有限公司；721G 型分光光度計：上海精密科學儀器有限公司；CR400 型色差計：日本柯尼卡美能達公司；Mastersizer 2000 型激光粒度儀：英國馬爾文儀器有限公司；MAGNA550 型紅外光譜儀：美國 Thermo Nicolet 公司；Hitachi SU8010 型掃描電子顯微鏡：日本日立公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 膳食纖維的制備

制備工藝：網紋瓜皮→切塊→清洗→60 ℃熱風干燥→粉碎→pH 值為2 的鹽酸溶液提取→調節pH 值至7→乙醇沉淀→抽濾→干燥→粉碎→過篩→膳食纖維。將膳食纖維用高速旋轉粉碎機粉碎后依次通過40、60、80、100 目和120 目的篩網，得到相應的膳食纖維樣品。

1.3.2 膳食纖維的理化特性

1.3.2.1 持水力

稱取0.500 0 g 膳食纖維于50 mL 離心管中，加入20 mL 蒸餾水混合均勻，25 ℃靜置 24 h，4 000 r/min 離心20 min，除去上清液，稱重，計算持水力[12]。持水力/（g/g）=（樣品濕重-樣品干重）/樣品干重。

1.3.2.2 持油力

稱取0.500 0 g 膳食纖維與50 mL 離心管中，加入20 mL 大豆油混合均勻，25 ℃靜置 18 h，4 000 r/min離心20 min，除去上層油脂，稱重，計算持油力[13]。持水力/（g/g）=（樣品吸油后重量-樣品干重）/樣品干重。

1.3.2.3 膨脹力

稱取0.2500g 膳食纖維于10mL 量筒中，加入10 mL蒸餾水，25 ℃靜置18 h，記錄樣品膨脹后的體積，計算持水力[14]。膨脹力/（mL/g）=（樣品膨脹后體積-樣品干體積）/樣品干重。

1.3.2.4 色度

采用色差計測定膳食纖維樣品的色度，色度值用CIE Lab 表示，其中 L 值表示明度（0～100）。

1.3.3 膳食纖維的粉體性質

1.3.3.1 粒徑

不同膳食纖維樣品的粒徑采用激光粒度儀測定，平均粒徑采用中位粒徑（D50）表示。

1.3.3.2 休止角

將漏斗垂直固定在坐標紙上方，使膳食纖維樣品從漏斗中自由落下堆積成圓錐體，記錄圓錐體的直徑（2R）和高度（H）[15]。休止角（α）表示為圓錐體側面和底面形成的夾角，根據公式計算休止角α=arctan（H/R）。

1.3.3.3 滑動角

將一定量的膳食纖維樣品平鋪在光滑玻璃板上，固定一端，輕輕向上抬動另一端直到膳食纖維樣品開始滑動，記錄玻璃抬起的高度（H）和玻璃長度（L），計算膳食纖維的滑角θ=arcsin（H/L）。

1.3.4 膳食纖維的功能性質

1.3.4.1 膽固醇吸附能力

將新鮮雞蛋的蛋黃與9 倍量的蒸餾水混合均勻，制成10%蛋黃稀釋液。將1 g 膳食纖維樣品與25 g 蛋黃稀釋液混合均勻，調節pH 值為7.00，在搖床中37 ℃振蕩2 h，4 000 r/min 離心20 min，采用鄰苯二甲醛比色法測定上清液中膽固醇含量，用膽固醇標準品制作標準曲線[16]。膽固醇吸附能力/（mg/g）=（吸附前蛋黃液中膽固醇含量－吸附后上清液中膽固醇含量）/樣品質量。

1.3.4.2 陽離子交換能力

將約0.5 g 膳食纖維樣品與20 mL 0.1 mol/L 鹽酸溶液混合均勻，在25 ℃靜置24 h，過濾后反復洗滌濾渣，并用硝酸銀溶液滴定濾液，直到濾液不含有氯離子為止[17]。將濾渣加入到100 mL 5%氯化鈉溶液中，磁力攪拌30 min，用0.1 mol/L 氫氧化鈉溶液滴定至終點，消耗氫氧化鈉體積V。同時做空白對照，不加膳食纖維樣品，消耗氫氧化鈉體積V0，樣品質量為m。陽離子交換能力/（mmol/g）=（V－V0）×0.1/m。

1.3.4.3 淀粉酶活力抑制率

將 0.25 g 膳食纖維樣品、0.1 g α 淀粉酶、25 mL 馬鈴薯淀粉溶液混合均勻，在37 ℃孵育30 min，然后加入0.1 mol/L 氫氧化鈉溶液終止反應，4 000 r/min 離心20 min，測定上清液中葡萄糖含量[18]。對照組不加膳食纖維，其余條件相同。淀粉酶活力抑制率（%）定義為添加膳食纖維樣品組中葡萄糖產生速率比對照組下降的百分比。

1.3.5 掃描電鏡

將干燥的膳食纖維樣品用導電碳膠帶固定后進行表面噴金，放入掃描電鏡中觀察膳食纖維樣品表面的微觀結構。

1.3.6 紅外光譜

將1 mg 干燥的膳食纖維樣品與150 mg 溴化鉀混合，研磨均勻后壓成薄片，放入紅外光譜儀中掃描，波數范圍 4 000 cm-1～500 cm-1，分辨率 4 cm-1。

1.4 數據分析

試驗結果表示為平均值±標準差，試驗重復3 次。使用SPSS 18.0 軟件對數據進行統計分析，P＜0.05 為顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 膳食纖維的理化性質

表1 為不同粒徑網紋瓜膳食纖維的理化性質。

隨著膳食纖維目數增加，粒徑減少，持水力、持油力和膨脹力均出現先增加后減小的趨勢，在粒度為80目時最大，分別為 8.56 g/g、2.77 g/g 和 9.93 mL/g。膳食纖維的理化性質與其粒徑有密切關系。Chau 等[9]和Zhu 等[19]分別研究了超微粉碎對胡蘿卜和蕎麥殼膳食纖維的影響，粉碎后粒徑越低，持水力越高。Sangnark等[20]和Zhu 等[10]則認為粒徑越小，膳食纖維的持水力、持油力越低。也有文獻報道膳食纖維在不同的粒徑范圍，持水力隨粒徑變化趨勢也不一樣。椰渣纖維的粒徑高于550 μm 時，持水力和膨脹力隨著粒徑降低而升高，而粒徑低于550 μm 時，持水力和膨脹力則隨著粒徑降低而降低，與本文結果一致。膳食纖維的持水力、持油力主要是由于其多孔的基質結構中的細孔能夠持有大量的毛細管水和油[21]。隨著粒徑減小，膳食纖維會暴露更多的表面積、極性基團和其他結合位點與周圍接觸，導致持水力、持油力和膨脹力的顯著改善；但隨著粒度進一步減小，膳食纖維的多孔基質結構也會被破壞，造成持水力、持油力和膨脹力降低。

顏色變化會影響膳食纖維樣品的感官性質，并限制其潛在的應用[12]。粒度在在40 目～120 目范圍內，膳食纖維的明度隨著粒度目數的升高而升高。結果表明，膳食纖維粒徑越小，其顏色越淺，這與Hu 等的報道一致[22]，可能是由于粉碎后超細的膳食纖維分布更加均勻造成的[23]。由于消費者偏愛的原因，原料成分的明度在食品加工中起重要作用[24]，因此，粒徑較小的膳食纖維更有利于其在淺色食品中的應用。

2.2 膳食纖維的粉體性質

網紋瓜膳食纖維平均粒徑如圖2 所示。

表2 不同粒徑網紋瓜膳食纖維的粉體性質Table 2 Power properties of dietary fibers from netted melon with different particle sizes

目數越大，平均粒徑越小，40 目～120 目的平均粒徑分別為 614.47、432.32、373.90、231.09、141.89 μm。膳食纖維顆粒越小，在單位重量內的顆粒數量越多，有更高的分散性，當與其他食品成分混合時能夠更加均勻一致[25]。

粉體的休止角和滑動角是評價其流動特性的一個重要指標，休止角和滑動角越小，流動性越好。從表2 可以看出，網紋瓜膳食纖維的粒徑越小，其休止角和滑動角越大。研究表明，粉體顆粒的流動性與其粒徑、形狀、表明粗糙度等因素有關[26]。粉體的粒徑越小，其比表面積越大，顆粒表面的聚合力增加，造成顆粒聚集在一起，流動性下降。一般認為，休止角小于30°時粉體流動性很好，小于40°即可滿足粉體輸送需要[26]。因此，從食品加工過程中物料輸送的角度考慮，網紋瓜膳食纖維的粒度不宜超過80 目。

2.3 膽固醇吸附能力

網紋瓜膳食纖維的膽固醇吸附能力如圖1 所示。

圖1 膳食纖維的膽固醇吸附能力Fig.1 Cholesterol adsorption capacity of dietary fiber

膽固醇吸附能力是衡量膳食纖維品質的一個重要指標[27]。粒度對膳食纖維吸附膽固醇具有顯著影響，80 目的膳食纖維膽固醇吸附能力最高，為18.64 mg/g，粒度過高或者過低均降低了吸附能力。主要原因可能是膳食纖維粒徑過大，其比表面積較小，粒徑過小，膳食纖維的多孔結構被破壞，均不利于吸附膽固醇，與持油力的結果一致。本研究中網紋瓜膳食纖維的膽固醇吸附能力與蘆筍、滸苔膳食纖維吸附膽固醇效果接近[27]。膳食纖維較高的膽固醇吸附能力有利于降低血清膽固醇濃度，減少心血管疾病的發生。

2.4 陽離子交換能力

膳食纖維的陽離子交換能力如圖2 所示。

圖2 膳食纖維的陽離子交換能力Fig.2 Cation exchange capacity of dietary fiber

膳食纖維在水溶液中能夠解離出某些陽離子，并與溶液中原有的部分陽離子進行交換[27]。陽離子交換能力隨著膳食纖維目數增加而增大，當超過100 目時不再有顯著變化。陽離子交換能力的強弱與其中的糖醛酸含量有關[17]，膳食纖維粉碎后粒徑越小，其在水中暴露出來的糖醛酸可能越多，導致陽離子交換能力增強，增加到一定的程度便不再增加。膳食纖維較高的陽離子交換能力可以起到吸附金屬離子、降低血壓的生理功效。

2.5 α淀粉酶活力抑制率

不同粒徑的網紋瓜膳食纖維對α 淀粉酶活力抑制率如圖3 所示。

圖3 膳食纖維對α 淀粉酶的活力抑制率Fig.3 Effect of dietary fiber on α-amylase activity inhibition ratio

粒度在40 目～120 目范圍的膳食纖維均能抑制α淀粉酶的活力（13.08%～19.96%），目數越大，粒徑越小，淀粉酶活力抑制率越大，與以往的報道是一致[8]。膳食纖維粒徑越小，單位重量內有更多數量的纖維顆粒，其分散度越均勻，表面積越大，能夠造成更大的物理障礙。因此，減小膳食纖維的粒徑可能會導致其包埋更多的淀粉和淀粉酶分子，并減少淀粉和淀粉酶之間的接觸，從而導致淀粉酶活力的降低[9]。

2.6 掃描電鏡觀察微觀結構

不同粒徑的網紋瓜膳食纖維的微觀結構通過掃描電鏡進行觀察，結果如圖4 所示。

圖4 膳食纖維的掃描電鏡圖（500×）Fig.4 Scanning electron micrographs of dietary fiber（500×）

40 目和60 目的膳食纖維顆粒較大，表面呈現不規則的褶皺，存在少量的裂隙和小孔。80 目的膳食纖維顆粒小于40 目和60 目，且表面存在更多的裂隙和孔洞，比表面積更大，有利于內部基團暴露，增加與其他物質的接觸面積。水分可以通過其較高的表面張力而保持在纖維內的毛細管結構中，能夠通過氫鍵或偶極形式與纖維中的各種組分相互作用。因此，80 目的膳食纖維具有較高的持水力、持油力及膽固醇吸附能力。隨著粒徑尺寸進一步減小，100 目和120 目的膳食纖維的基質結構被破壞，孔隙減少，導致其持水力和持油力等指標降低。

2.7 紅外光譜分析

網紋瓜膳食纖維的分子結構通過紅外光譜進行分析，結果如圖5 所示。

圖5 膳食纖維的紅外光譜圖Fig.5 FTIR spectra of dietary fiber

在3 423 cm-1～3 430 cm-1處存在強的寬峰，是羥基中O-H 的伸縮振動，說明膳食纖維中存在較多的羥基及氫鍵。40 目吸收峰為3 430 cm-1，120 目吸收峰為3 423 cm-1，羥基峰紅移，說明粒徑小的膳食纖維氫鍵作用增強。2 917 cm-1～2 921 cm-1處的吸收峰是由甲基和亞甲基的C-H 伸縮振動造成的。這些基團均屬于多糖化合物的典型結構。1 743 cm-1的振動是酯羰基伸縮振動；1 631 cm-1處的強吸收峰是羧基C=O 的不對稱伸縮振動，說明樣品中含有糖醛酸[17]。1 066 cm-1是酯基上的C-O 的伸縮振動，也是多糖的特征吸收峰。紅外光譜分析表明網紋瓜膳食纖維具備多糖紅外圖譜的典型特征，說明其主要成分是多糖類化合物，具有較多的羥基，能夠為其較高的持水力提供結構基礎。

3 結論

粒徑對網紋瓜膳食纖維的理化性質、粉體性質和功能性質均有顯著的影響。網紋瓜膳食纖維的持水力、持油力和膨脹力均隨著粒徑減小而先增加后減小，粒度在80 目時具有最大值，分別為8.56 g/g、2.77 g/g 和9.93 mL/g，明度則隨著粒徑降低而增加。休止角范圍為37.22°～44.76°，80 目以下的膳食纖維流動性較好。膳食纖維的膽固醇吸附能力在14.55 mg/g～18.64 mg/g，80目的吸附能力最高。陽離子交換能力和淀粉酶活力抑制率隨著粒徑降低而增加。掃描電鏡觀察顯示80目的膳食纖維比粒徑大的膳食纖維具有更多的孔隙和比表面積，有利于提高其持水力和吸附能力。傅里葉變換紅外光譜顯示其具有C-H、O-H、C=O 等吸收峰，具有典型的多糖化合物的紅外結構。