堿性過氧化氫處理對藕渣不溶性膳食纖維結構及功能特性的影響

張 倩，王佩瑤，王子成，黃琳茜，何 玲，徐 磊

（淮陰工學院 生命科學與食品工程學院 江蘇淮安 223003）

蓮藕（Nelumbo nucifera Gaertn），一種蓮科多年生蔬菜，在我國種植規模較大，具有重要的經濟價值[1]。蓮藕富含淀粉、膳食纖維（Dietary fiber，DF）、蛋白質、氨基酸、還原糖、礦物質、酚類和維生素等多種營養物質[2]。研究發現，蓮藕具有抗氧化、抗腫瘤、免疫調節、減肥和抗糖尿病等多種生理作用[3-4]。目前，在我國有超過20%的蓮藕被用于藕片、藕粉、藕汁和藕醋等的生產加工，在生產過程中產生大量的藕節、藕渣等廢料，除少量被用作飼料，大部分被廢棄，一定程度上造成了蓮藕資源的浪費，約束了其經濟價值的提升[2]。研究表明，藕渣保留了蓮藕的許多功能性成分，尤其含有豐富的DF，對其進行綜合利用，一方面可以提高蓮藕種植的經濟效益，另一方面也可以拓寬食品和藥品行業原材料的來源[5]。

DF 是一種在植物中發現的碳水化合物聚合物，它雖難以消化和吸收，但是人類飲食的重要組成部分，也是腸道微生物群落的重要基質[6]。根據DF 其水溶性可分為可溶性膳食纖維（Soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纖維（Insoluble dietary fiber，IDF）。雖然DF 的主要部分為IDF，但是通常情況下IDF 的物理和生理活性弱于SDF。為了充分利用DF，對IDF 進行一定的改性，被認為是一種有效的營養提升策略[7]。研究表明，酶[8]、發酵[9]、物理[10]和化學[11]等手段可以改變IDF的結構，提高其物理和生理活性。堿性過氧化氫（Alkaline hydrogen peroxide，AHP）為一種經典的木質纖維素預處理方法，可以降低木質纖維素抗酶水解能力，從而提高其生物利用度[12]。在AHP處理過程中只產生氧氣和水，不會造成二次污染。目前，AHP 被用于處理蕎麥秸稈[13]和人參渣[7]來源的IDF，結果表明：AHP 處理改變了IDF 的理化和功能特性。然而，AHP 處理對藕渣IDF 結構和功能特性的影響尚未有報道。

本研究以藕渣為原料，采用AHP 法制備IDF，測定IDF 的持水力、持油力、膨脹力、吸附性等功能性質，分析單糖組成、微觀結構、紅外光譜、X-射線衍射圖譜和熱穩定性，以探究AHP 處理對藕渣IDF 的功能及結構特性的影響，為藕渣DF的開發利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

藕渣為本實驗室自制。新鮮蓮藕購自當地農貿市場，將蓮藕切成碎丁，加入去離子水后置于高速組織搗碎機中打漿，然后采用雙層紗布過濾除去淀粉，將濾渣于45 ℃烘箱干燥24 h，粉碎過100目篩后備用。

α-淀粉酶、淀粉葡萄糖苷酶、單糖標準品，美國Sigma-Aldrich 公 司；堿性蛋白酶，丹 麥Novozymes 公司；過氧化氫、HCl、NaOH、乙醇、冰乙酸等，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 主要設備及儀器

ICS3000 離子色譜儀，美國Dionex 公司；SU8010 型場發射掃描電鏡，日本日立高新技術公司；Scientific Nicolet iS5 型紅外光譜儀，美國Thermo 公司；Smartlab 9KW 型X-射線衍射，日本理學株式會社；STA449F3 同步熱分析儀，德國耐馳儀器制造有限公司。

1.3 方法

1.3.1 藕渣的AHP 處理 準確稱取藕渣100 g，按料液比1∶15 加入1%過氧化氫溶液，采用1 mol/L NaOH 溶液調節pH 值至11.0，然后于60℃水浴攪拌反應2 h。待反應結束后，用1 mol/L HCl 溶液調節pH值至7.0，按體積比1∶3 加入95%乙醇，4 000 r/min 離心10 min 收集沉淀，將沉淀于45 ℃烘箱干燥24 h，粉碎過100 目篩，得到AHP 處理藕渣。

1.3.2 藕渣IDF 的制備 稱取藕渣100 g，按料液比1∶15 加入去離子水，調節pH 值至8.2，充分攪拌后加入0.5 mL α-淀粉酶，95 ℃反應30 min。待懸浮液冷卻到60 ℃后，加入0.5 mL 堿性蛋白酶，反應30 min 后調節pH 值至4.5，接著加入0.1 mL 淀粉葡萄糖苷酶，反應30 min。反應結束后，沸水浴滅酶，待懸浮液冷卻至室溫，離心收集沉淀，于45 ℃烘箱干燥24 h，粉碎過100 目篩，得IDF。

1.3.3 單糖組成測定 參照Liu 等[14]的方法，采用離子色譜法分析藕渣IDF 的單糖組成。準確稱取0.2 g IDF，加入2 mL 濃硫酸，混勻后反應1 h，接著加入56 mL 去離子水，密封后于121 ℃反應2 h，待冷卻后用CaCO3中和硫酸，然后于10 000 r/min 離心20 min。上清液過0.22 μm 濾膜后進行上樣分析，液相系統采用CarboPac PA-1（4 mm ×250 mm）色譜柱，流動相為0.025 mol/L NaOH 溶液，控制流速為0.25 mL/min，柱溫為30 ℃。

1.3.4 掃描電子顯微鏡分析 取適量藕渣IDF，采用導電膠帶固定后用真空濺射鍍金，然后置于掃描電子顯微鏡下觀察。測試加速電壓為15 kV，放大倍數分別為500 和10 000。

1.3.5 傅里葉紅外光譜分析 取適量藕渣IDF，按1∶100 的比例加入KBr，充分研磨粉碎后壓成透明薄片，然后放入傅里葉紅外光譜儀中掃描，波數范圍為400～4 000 cm-1。

1.3.6 X-射線衍射分析 取適量藕渣IDF，均勻鋪展于樣品槽中，壓平后在X-射線衍射儀上進行掃描，試驗條件：靶型為Cu-Ka 靶，掃描范圍（2θ）為5°～60°，掃描速度為5°/min。

1.3.7 熱重分析 稱取5 mg 左右藕渣IDF 置于坩堝中，以10 ℃/min 的升溫速度將樣品從30 ℃加熱到600 ℃，選擇氮氣作為保護氣，控制流速為50 mL/min。

1.3.8 理化性質測定

1.3.8.1 持水力的測定 準確稱取0.2 g IDF（m0）于10 mL 離心管中，加入6 mL 去離子水，振蕩均勻，室溫下靜置24 h 后于4 000 r/min 離心10 min，棄去上清液，用濾紙吸干管壁殘余水滴，分別記錄空離心管質量（m1）和吸水后樣品和離心管總質量（m2），按式（1）計算持水力。

1.3.8.2 持油力的測定 準確稱取0.2 g IDF（m0）于10 mL 離心管中，加入6 mL 玉米油，振蕩均勻，室溫下靜置24 h 后于4 000 r/min 離心10 min，棄去上清液，用濾紙吸干管壁殘余油滴，分別記錄空離心管質量（m1）和吸油后樣品和離心管總質量（m2），按式（2）計算持油力。

1.3.8.3 膨脹力的測定 準確稱取0.2 g IDF（m）于10 mL 離心管中，記錄干樣體積（V1），加入6 mL 去離子水，攪拌均勻，室溫下靜置24 h，記錄膨脹后樣品體積（V2）。

1.3.9 吸附性能測定

1.3.9.1 亞硝酸鈉吸附能力測定 參考Zhang 等[15]的方法并略作修改，準確稱取0.3 g IDF 于100 mL 錐形瓶中，加入30 mL 100 μmol/L NaNO2溶液，然后調節體系pH 值至7.0，在37 ℃搖床中恒溫振蕩2 h，離心取上清液，采用鹽酸萘乙二胺法在波長550 nm 波長處測定吸光度，并以亞硝酸鈉為標準品繪制標準曲線。

1.3.9.2 膽固醇吸附能力測定 參照陳致印等[16]的方法進行膽固醇吸附能力的測定，略作修改。準確稱取IDF 0.3 g 于100 mL 錐形瓶中，加入8 mL冰乙酸飽和2 h，然后加入20 mL 0.5 mg/mL 的膽固醇溶液。將上述溶液置于25 ℃搖床中，以200 r/min 振蕩1.5 h，然后于4 000 r/min 離心10 min。取上清液稀釋5 倍，采用鄰苯二甲醛法在波長550 nm 處測定吸光度值，并以膽固醇為標準品繪制標準曲線。

1.3.9.3 Cu2+吸附能力測定 參照Zheng 等[11]的方法，準確稱取0.2 g IDF 于100 mL 錐形瓶中，加入25 mL 4 mg/mL 的CuSO4溶液，于37 ℃搖床中以160 r/min 振蕩24 h，然后于4 000 r/min 離心10 min。采用碘量法測定上清液中Cu2+的含量，并以未吸附前的CuSO4溶液作為對照。

1.3.10 陽離子交換能力測定 參照萬仁口等[17]的方法，準確稱取1 g IDF 于100 mL 錐形瓶中，加入20 mL 0.1 mol/L 的HCl 溶液，充分攪拌后密封靜置12 h。過濾懸浮液，將濾渣用蒸餾水反復沖洗直至濾液中不含Cl-（10% AgNO3作指示劑），然后向濾渣中加入100 mL 5% NaCl 溶液，攪拌混勻30 min，用0.01 mol/L NaOH 溶液滴定（酚酞作為指示劑），并以去離子水代替HCl 做空白試驗。

1.4 數據分析

每組試驗至少重復測定3 次，使用SPSS 18.0軟件進行單因素方差分析，P<0.05 表示顯著性差異，并用Origin 2022 軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 藕渣IDF 的單糖組成

AHP 處理對藕渣IDF 的單糖組成的影響如表1 所示。未處理IDF 主要由8 種單糖組成，其中D-葡萄糖、半乳糖醛酸和D-半乳糖質量分數較高，而D-木糖、L-阿拉伯糖和L-鼠李糖質量分數較低。劉恩超等[18]報道稱藕皮、藕節和藕食用部位多糖均主要由D-葡萄糖和D-半乳糖構成。纖維素主要由葡萄糖單元聚合而成，果膠主要由半乳糖醛酸和D-半乳糖等構成，而半纖維素則由多種單糖混聚而成[19]，與本研究結果相符。由此可以看出，藕渣IDF 主要由纖維素和果膠類物質構成。與未處理IDF 相比，經AHP 處理后，D-木糖和L-阿拉伯糖在IDF 中未檢出，D-葡萄糖質量分數增加了9.52%（P<0.05），而其它單糖質量分數均顯著降低（P<0.05）。AHP 處理后D-葡萄糖質量分數增加而其它單糖質量分數降低可歸因于處理過程中果膠、半纖維素的溶解，從而提高了藕渣IDF 中纖維素的比例。在堿性pH 值下，過氧化氫不穩定，可以形成超氧和羥自由基，導致藕渣DF 的部分降解[7]。Meng 等[13]在采用AHP 法處理蕎麥秸稈IDF過程中也報道了顯著提高的D-葡萄糖含量。

表1 藕渣IDF 的單糖組成Table 1 Monosaccharide compositions of insoluble dietary fiber from lotus root residue

2.2 藕渣IDF 微觀結構

利用SEM 對AHP 處理前、后的藕渣IDF 微觀結構進行觀察，結果如圖1 所示。未處理IDF 的結構緊湊、完整，表面較光滑，整體呈團塊狀（圖1a、1b），而經AHP 處理后IDF 的致密結構被破壞，呈現疏松多層的蓬松結構，表面起皺并出現解離斷裂，碎片尺寸減?。▓D1c、1d）。藕渣IDF 結構的變化可歸因于AHP 的促進半纖維素降解和脫木質素作用[20]。Meng 等[13]在采用AHP 方法提取蕎麥秸稈IDF 時也發現了類似的現象。AHP 處理后藕渣IDF 增大的表面積，此可在一定程度上促進其功能性質的提高。

圖1 藕渣IDF 的掃描電鏡圖Fig. 1 Scanning electron microscopy of insoluble dietary fiber from lotus root residue

2.3 藕渣IDF 的紅外光譜分析

AHP 處理前后、藕渣IDF 的FTIR 如圖2 所示，AHP 處理后未出現明顯的新的化學基團。IDF在3 385 cm-1和3 386 cm-1附近的寬吸收峰可歸因于O-H 的伸縮振動，主要來自半纖維素和纖維素。2 916 cm-1和2 913 cm-1附近出現的較弱吸收峰，這是由多糖的甲基和亞甲基的C-H 伸縮振動所引起。未處理IDF 在1 733 cm-1處出現一較弱吸收峰，是由酯類C=O 的拉伸振動所引起，然而AHP 處理后IDF 此處的吸收峰消失，這可能是由于AHP 處理時的氧化作用所致[21]。Liu 等[14]在采用AHP 法提取甘薯渣DF 時也報道了類似的現象。此外，1 251 cm-1處的吸收峰可能與C-O 的伸縮振動有關，然而，在AHP 處理后此處的吸收峰明顯減弱。在1 620 cm-1和1 616 cm-1附近的強吸收峰可歸因于-COOH 的伸縮振動。在1 058 cm-1處的吸收峰與C-O-C 的伸縮振動有關，而在896 cm-1處的吸收峰與β-糖苷鍵的伸縮振動有關[10]。以上FTIR 結果表明AHP 對藕渣IDF 的改性作用主要是破壞纖維素、半纖維素和木質素的鏈內、鏈間的特定化學鍵。

圖2 藕渣IDF 的紅外光譜圖Fig. 2 Fourier transform infrared spectra of insoluble dietary fiber from lotus root residue

2.4 藕渣IDF 的X-射線衍射分析

采用X-射線衍射技術對藕渣IDF 的晶體結構類型和結晶度進行表征，結果如圖3 所示。未處理IDF 在2θ 為21.94°處觀察到一個尖銳的晶體衍射峰，在2θ 為15.43°和34.64°處分別顯示出較弱的晶體衍射峰，這表明未處理IDF 呈現典型的纖維素I 型晶體結構[22]。研究表明，IDF 的有序結晶區主要由纖維素構成，而無序非結晶區主要由非晶纖維素、半纖維素和木質素等組成[23]。經AHP處理后藕渣IDF 的衍射峰位置未發生變化，表明AHP 處理未改變IDF 的晶體類型。然而，所有衍射峰的強度均顯著提高，經AHP 處理后藕渣IDF 的相對結晶度從13.09%增加到16.13%（P<0.05），這可能是由于非晶形半纖維素、木質素等物質的降解所致[24]。在AHP 處理過程中藕渣IDF 中化合物之間的分子鏈接會被打破，位于非結晶區的物質更易被水解，從而提高結晶區域所占的比例。上述結果與Jiang 等[7]采用AHP 處理人參IDF 的結果吻合。

圖3 藕渣IDF 的X-射線衍射圖Fig. 3 X-ray diffraction diagrams of insoluble dietary fiber from lotus root residue

2.5 藕渣IDF 熱穩定性

采用熱重分析法對藕渣IDF 的熱穩定性進行了分析，樣品的熱重（TG）和微商熱重（DTG）曲線如圖4 所示。從TG 曲線可以看出，AHP 處理前后藕渣IDF 顯示出相似的失重規律：第1 階段（50～150 ℃），IDF 的質量緩慢降低，主要由親水基團吸附的水分蒸發引起；第2 階段（150～400 ℃），IDF的質量迅速下降，主要與纖維素、半纖維素的降解相關；第3 階段（400～600 ℃），IDF 的質量損失速率減慢，可歸因于木質素和一些復雜聚合物的高溫降解[25]。最終，未處理IDF 的質量殘留率為10.43%，顯著低于AHP 處理IDF 的15.94%（P＜0.05）。這與X-射線衍射的結果相一致，AHP 處理后IDF 擁有較高的結晶度，分子鏈排列程度更有序，因而穩定性更好。Zhang 等[26]研究也發現，采用AHP 法從桔皮中回收的柑橘纖維具有更高的熱穩定性。從DTG 曲線可以看出，IDF 的熱解區間在AHP 處理后變窄，峰值溫度從324.39 ℃降低到305.77 ℃。AHP 處理提高了IDF 的質量殘留率，而降低了峰值熱解溫度，這一方面是由于AHP 處理后IDF 結構松散，在較低的溫度下即可被降解，另一方面AHP 處理后IDF 的結晶度提高，熱穩定性增強。

圖4 藕渣IDF 的熱重曲線圖Fig. 4 Thermogravimetric curves of insoluble dietary fiber from lotus root residue

2.6 藕渣IDF 的持水力、持油力和膨脹力

AHP 處理對藕渣IDF 持水力、持油力和膨脹力的影響如表2 所示。持水力主要表征材料在一定離心力條件下保持水分的能力[27]。由表2 可知，未處理IDF 的持水力為8.12 g/g，顯著高于其它來源的IDF（P＜0.05），如蕎麥秸稈[13]（4.97 g/g）和燕麥[10]（2.43 g/g）等。在AHP 處理后藕渣IDF 的持水力顯著提高（P＜0.05），較未處理時增加了49.01%。未處理IDF 的持油力為4.50 g/g，顯著高于其它來源的IDF（P＜0.05），如小麥（3.63 g/g）和刀豆[27]（2.43 g/g）等。與對持水力的影響類似，AHP 處理顯著提高了藕渣IDF 的持油力，較未處理時增加了266.67%。產生上述結果可能是由于AHP 處理使得藕渣IDF 的結構更加蓬松，暴露了更多的親水和親油位點，從而增強水和油的物理截留能力。在蕎麥秸稈[13]和人參[7]的AHP 處理研究中也觀察到IDF 顯著增加的持水力和持油力。

表2 藕渣IDF 的持水力、持油力和膨脹力Table 2 Water holding capacity，oil holding capacity and swelling capacity of insoluble dietary fiber from lotus root residue

膨脹力反應一定重量的干物質在過量溶劑中平衡后的體積變化，是一個與溶劑性質、物質結構等諸多因素相關的物理量[28]。未處理IDF 的膨脹力為5.41 mL/g，在AHP 處理后降低了37.89%（P＜0.05）。Meng 等[13]發現AHP 處理可以提高蕎麥秸稈IDF 的膨脹力，與本研究結論相反。這可能是由于IDF 的來源不同所致，在本研究中AHP 處理已使藕渣IDF 形成了較為蓬松的結構，在加入水后進一步膨脹有限，因而較未處理IDF 膨脹力降低。

2.7 藕渣IDF 的吸附性能

AHP 處理對藕渣IDF 亞硝酸鈉、膽固醇和Cu2+吸附能力的影響如表3 所示。亞硝酸鈉作為一種添加劑已被廣泛用于多種腌肉制品中，可以賦予產品特征性風味和顏色，同時也可起到抑制某些細菌的作用[29]。然而，在酸性條件下，亞硝酸根離子可與仲胺、酰胺等反應生成具有強烈致癌作用的N-亞硝基化合物[7]。研究發現DF 對亞硝酸鹽具有一定的吸附能力，從而有助于降低亞硝酸鹽對人類的毒性[30]。未處理IDF 的亞硝酸鈉吸附能力為0.86 mg/g，而AHP 處理后未發生顯著變化（P>0.05）。這可能是由于一方面AHP 處理使得IDF 更加蓬松，可以吸附更多的亞硝酸根離子，另一方面AHP 處理提高了IDF 的表面負電荷密度，增強了對亞硝酸根離子的排斥。

表3 藕渣IDF 的吸附性能Table 3 Adsorption capacity of insoluble dietary fiber from lotus root residue

膽固醇是心血管疾病的一個重要誘發因子，DF 的膽固醇吸附能力是評估其降血脂特性的重要指標[31]。如表3 所示，未處理IDF 的膽固醇吸附能力為12.26 mg/g，而AHP 處理后顯著增大（P<0.05），較未處理時提高了23.49%。經過AHP 處理后，藕渣IDF 的表面更加粗糙，結構相對疏松，這可能為膽固醇提供更多的結合位點。

銅污染是威脅食品安全的嚴重問題，體內銅過量累積會導致肝硬化、腹瀉和其它疾病[32]。研究表明，DF 的羧基、羥基和酚酸等基團都對Cu2+有較強的吸附能力，適當的化學和物理改性均可提高DF 的Cu2+吸附能力[11]。未處理IDF 的Cu2+吸附能力為85.12 mg/g，而AHP 處理后顯著提高（P<0.05），較未處理時提高了5.56%。AHP 處理后藕渣IDF 結構變得疏松，以及引發的化學鍵解離，都可在一定程度上促進IDF 對Cu2+的捕獲和吸附能力提高。

2.8 藕渣IDF 的陽離子交換能力

AHP 處理前、后藕渣IDF 的陽離子交換能力的變化如圖5 所示。未處理IDF 的陽離子交換能力為1.40 mmol/g，而AHP 處理后顯著提高（P<0.05），較未處理時提高了7.86%。DF 的側鏈結構中含有的羧基、氨基和酚羥基基團都可以賦予其一定的弱酸性陽離子交換作用，攝入到機體后能起到保持腸道pH 值穩定，控制離子濃度平衡，調節滲透壓等作用[33]。AHP 處理后，IDF 的比表面積增大，分子內共價鍵斷裂，使更多能進行陽離子交換的基團暴露出來，因而陽離子交換能力越強。

圖5 藕渣IDF 的陽離子交換能力Fig. 5 Cation exchange power of insoluble dietary fiber from lotus root residue

3 結論

經AHP 處理后藕渣IDF 的單糖組成發生變化，D-葡萄糖質量分數增加而其它單糖質量分數降低。藕渣IDF 結構在AHP 處理后變得更加疏松，FTIR 圖譜中部分特征峰消失或減弱，官能團結構發生變化。AHP 處理降解了藕渣IDF 的非結晶區域，因而其相對結晶度提高，藕渣IDF 經AHP處理后熱解峰值溫度雖然降低，但質量殘留率提高。此外，藕渣IDF 內部親水和親油基團在AHP處理后暴露，使其持水力、持油力、膽固醇吸附能力、Cu2+吸附能力和陽離子交換能力均顯著提高。本研究結果可為藕渣IDF 的功能性質改善及其在食品加工中的應用提供理論參考。