微波和微粉碎改性對方竹筍膳食纖維性能和結構的影響

任雨離，劉玉凌，何翠，張艷，夏楊毅，2*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)2(西南大學，重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶，400715)

微波和微粉碎改性對方竹筍膳食纖維性能和結構的影響

任雨離1，劉玉凌1，何翠1，張艷1，夏楊毅1，2*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)2(西南大學，重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶，400715)

以方竹筍膳食纖維為研究對象，進行微波和微粉碎物理改性處理，分析其理化性能和結晶結構變化。以水合性(膨脹力、持水力、結合水力、持油力)和抗氧化性(吸附亞硝酸鹽能力、還原力、超氧離子清除率)為方竹筍膳食纖維的理化性能考察指標，通過微波和微粉碎實驗分析和討論，比較膳食纖維改性前后的理化性能。通過掃描電鏡、傅里葉紅外光譜和X-射線衍射比較分析方竹筍膳食纖維改性前后的結晶結構變化，探討微波和微粉碎物理改性對膳食纖維結晶結構的影響。結果表明，微波處理后膳食纖維持水力和還原力顯著提高(p<0.05)，比表面積增大；微粉碎處理后膳食纖維持油力顯著降低、還原力顯著提高(p<0.05)，部分網狀結構消失；2種改性方竹筍膳食纖維的多糖吸收峰無明顯變化，結晶結構沒有改變、但強度發生了變化。因此，微波改性既能增強方竹筍膳食纖維的水合性，又能提高其抗氧化性能，微粉碎能使方竹筍膳食纖維的抗氧化性增加；微波和微粉碎處理后的方竹筍膳食纖維結晶強度和比表面積增大。

方竹筍；膳食纖維；物理改性；理化特性；結晶結構

金佛山方竹系禾本科竹亞科方竹屬的獨立品種，僅產于重慶市和貴州省的金佛山、箐壩山和柏芷山等。金佛山方竹筍的形呈四方、有棱有角，具有脆嫩、無苦味、無異味等特點，膳食纖維(DF)含量高達53%(干基)、富含氨基酸和礦物元素[1-2]，提取液具有抗突變作用[3]。

DF指具有10個或10以上單體單元聚合成的不能被人體小腸內源酶水解的碳水化合物[4]，稱為“第七大營養素”[5]，竹筍DF具有通便、降血壓、降血脂、抗氧化、清除自由基、抗突變等生理功能[6]。天然DF的可溶性膳食纖維(SDF)含量較低(僅有3%～4%)[7]，且DF功能也可進一步改善，常采用物理、化學及生物等方法改善DF的理化性能和生理功能[6]。

目前，方竹筍DF研究主要集中在提取工藝、理化性質等方面[8-10]，但對其改性研究較少，僅有植物乳桿菌和嗜熱鏈球菌的微生物發酵處理對方竹筍DF的品質影響[11]。微波和和微粉碎屬于典型的物理改性技術[12-14]，具有快速高效、易于控制、選擇性強、無污染等特點[15-16]。試驗選取金佛山方竹筍為原料制備膳食纖維，分別進行微波和微粉碎處理，比較分析改性前后方竹筍DF的性能和結構變化，為金佛山方竹筍的開發利用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1材料與試劑

重慶市南川區金佛山方竹筍；NaOH、HCl、NaNO2、NH4Cl、乙酸、乙醇、磷酸鹽緩沖液、鐵氰化鉀、三氯乙酸、FeCl3、三羥甲基氨基甲烷，均為分析純，四川成都科龍化工試劑廠；KBr光譜純。

1.2儀器與設備

MJ-BL25C5手持粉碎機，廣東美的生活電器制造有限公司；FCD-3000遠紅外干燥箱，天津市通利信達儀器廠；G80F20CN2L-B8(R0)微波爐，格蘭仕微波爐電器有限公司；XQM-6微型實驗球磨機，長沙天創粉末技術有限公司；JSM-6510LV 掃描電子顯微鏡，日本電子；Spectrum100 傅里葉紅外光譜儀，美國PerkinElmer公司；XRD-7000 X-射線衍射分析儀，日本島津公司；722S可見分光光度計，上海龍翔光學儀器有限公司；TGL-16C高速臺式離心機，上海安亭科學儀器廠。

1.3實驗方法

1.3.1 原料預處理

金佛山方竹筍采摘后4 h內運回實驗室，挑選無機械損傷、筍齡和大小一致的新鮮方竹筍去殼處理后清洗，粉碎機粉碎制備筍渣。

1.3.2 膳食纖維制備

采用化學方法制備方竹筍DF[10]。取方竹筍渣，60 ℃、pH 12.5條件下NaOH處理(料液比1∶10)2 h，漂洗；60 ℃、pH 2條件下HCl處理(料液比1∶8)1.5 h，漂洗。置于60 ℃條件下干燥，粉碎處理后過60目篩，裝袋密封待用。

1.3.3 改性膳食纖維制備

微波改性DF：參照CHEICKNA DAOU[17]的方法略有改動。將方竹筍DF與水配制成重量體積比為1∶10的水溶液，用功率680 W微波處理30 min，干燥箱內60 ℃烘干至水含量5%～7%，裝袋密封待用。

微粉碎改性DF：參照李安平等[18]的方法略有改動。將方竹筍DF用球磨機常溫研磨5.5 h，裝袋密封待用。

1.3.4 方竹筍DF水合性指標測定

1.3.4.1 膨脹力測定[10]

準確稱取1.0 g試樣(m)于50 mL量筒中，記錄其初始體積V1，然后加入一定量蒸餾水，均勻震蕩后于室溫靜置24 h，觀察并記錄膨脹體積V2。

(1)

式中：膨脹力，mL/g；V2，自由膨脹體積,mL；V1，干品體積，mL；m，試樣質量,g。

1.3.4.2 持水力測定[10]

準確稱取0.5 g試樣(m)于50 mL離心管中，加入20 mL蒸餾水并搖勻，然后室溫條件下漩渦震蕩12 h，5 000 r/min離心10 min，棄去上清液并吸干殘留水分，稱重后計算出濕重(M)。

(2)

式中：持水力，g/g，m，試樣質量，g；M，濕重,g。

1.3.4.3 結合水力測定

參照陳雪峰等[19]的方法并稍加改動。準確稱取0.5 g試樣(m)于50 mL離心管中，加20 mL蒸餾水并搖勻，室溫條件下漩渦震蕩12 h，5 000 r/min離心10 min，棄去上清液，并將濕DF全部轉移至干燥恒重后的培養皿中，計算出濕重m1，然后于105 ℃干燥至水分含量為6%左右，冷卻至室溫后稱重，記為m2。

(3)

式中：結合水力，g/g；m1，濕重，g; m，試樣質量,g；m2，冷卻至室溫后質量，g。

1.3.4.4 持油力測定[10]

準確稱取0.5 g試樣(m)于50 mL離心管中，加菜籽油20 mL并搖勻，室溫條件下漩渦震蕩12 h，5 000 r/min離心10 min，棄去上清液并吸干殘留油分，稱重后計算出濕重M。

(4)

式中：持油力，g/g；M，濕重，g；m，試樣質量,g。

1.3.5 方竹筍DF吸附亞硝酸鹽能力測定

1.3.5.1 亞硝酸鹽標準曲線繪制

分別吸取0、2.0、2.4、2.8、3.2、3.6、4.0、4.4、4.8、5.2 mL亞硝酸鈉標液于25 mL比色管中，加入4.5 mL氯化銨緩沖液、2.5 mL 60%乙酸，然后加入5.0 mL顯色劑，加水至刻度處并混勻，暗處靜置25 min，以零管調零點，于波長550 nm處測吸光度，繪制標準曲線，如圖1所示。

圖1 亞硝酸鈉標準曲線Fig．1 The standard curve of sodium nitrite

1.3.5.2 亞硝酸鹽含量的測定

稱取2.0 g試樣于250 mL錐形瓶中，加入100 mL 20 μg/mL亞硝酸鈉溶液，混勻后室溫下震搖30 min，用濾紙過濾，吸取10 mL濾液并稀釋至100 mL，再吸取稀釋后的溶液10 mL于25 mL帶塞比色管中，按上述制作標曲方法中加入4.5 mL氯化銨緩沖液步驟操作，測定溶液的吸光值，并同時做試劑空白。帶入標準曲線方程得溶液中亞硝酸鹽含量。

1.3.6 方竹筍DF抗氧化能力測定

1.3.6.1 提取抗氧化活性成分

參照周小理等[17]的乙醇提取法：準確稱取1.0 g試樣于100 mL離心管中，加入50 mL 70%乙醇溶液(料液比1∶50)，于70 ℃條件下浸提6 h，3 000 r/min離心10 min，得上清液即為抗氧化活性成分，并用于抗氧化能力的測定。

1.3.6.2 還原力測定

參照周小理等[17]的方法，吸取上述方法中的上清液2.5 mL于試管中，分別加入2.5 mL 0.2 mol/L pH 6.6的磷酸鹽緩沖液和2.5 mL 1%鐵氰化鉀，50 ℃恒溫水浴鍋反應20 min后用冷水迅速冷卻，加入2.5 mL 10%三氯乙酸溶液，混均后吸取5 mL于試管中，分別加入4 mL蒸餾水和0.5 mL 0.1% 氯化鐵溶液，反應10 min后于波長700 nm處測吸光值。

1.3.6.3 超氧離子清除率測定

參照徐瑤等[20]的方法，吸取1.3.6.1步驟中離心后的上清液于試管中，加入3 mL pH 8.2 50 mmol/L的三羥甲基氨基甲烷緩沖溶液后于30 ℃恒溫水浴鍋反應20 min，冷卻后加入3 mL 7 mmol/L鄰苯三酚溶液并混勻，反應3 min后加1 mL濃鹽酸溶液終止反應，于420 nm處測吸光值A1；用蒸餾水代替鄰苯三酚溶液重復上述步驟測吸光值A2；用蒸餾水代替樣液重復上述步驟測吸光值A0。

(5)

式中：a,超氧離子清除率；A1，420 nm處吸光值；A2，蒸餾水替代鄰苯三酚吸光值；A0，蒸餾水替代樣液吸光值。

1.3.7 方竹筍膳食纖維結構分析

1.3.7.1 掃描電鏡(SEM)分析

將試樣干燥至恒重，樣品用雙面膠固定后表面噴金處理，用SEM觀察并拍照，放大倍數2 000倍。

1.3.7.2 傅里葉紅外光譜(FTIR)分析

參照HULT等[21]的方法略有改動。試樣干燥至恒重，稱取1～2 mg于瑪瑙研缽中，加入100 mg左右干燥的光譜純溴化鉀研磨至細粉狀并混勻，均勻平鋪裝入壓片模具中抽氣加壓3 min左右，制得透明薄片，迅速放入FTIR儀進行分析掃描。掃描次數：30次，分辨率，4 cm-1，掃描范圍：450～4 000 cm-1。

1.3.7.3 X-射線衍射(XRD)分析

利用步進掃描法。測定參數為：靶：Cu Ka，波長：1.540 6 ?；電壓：36 kV；電流：20 mA；掃描速率：2°/min；掃描范圍：5°～35°；步寬：0.02°；掃描方式：連續。

1.3.8 數據處理

每組數據平均測定3次，結果以(平均值±標準差)表示，并采用PASW 18進行方差及顯著性分析。利用Origin 8.1軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1微波和微粉碎改性對方竹筍DF理化性能的影響

由表1可知，方竹筍DF結合水力高于雷竹筍DF[22]，持水力、結合水力及膨脹力優于安徽竹筍DF[23]，表明方竹筍DF具有較好的水合性。微波改性后，方竹筍DF持水力提高了25.09%、呈顯著增加(p<0.05)，其余水合性沒有顯著變化(p>0.05)，原因在于DF中的半纖維素和木質素等極性分子吸收微波后化學鍵斷裂，同時小分子質量的化學物質急劇揮發，產生壓力，促使微孔隙形成，導致DF比表面積增大，使方竹筍DF的可溶性成分增加，潤脹能力增大[12]。微粉碎改性后，方竹筍DF持油力降低了22.46%、呈顯著下降(p<0.05)，其余水合性沒有顯著變化(p>0.05)，是因為方竹筍經微粉碎處理后顆粒粒徑過小，減小了DF對油脂的束縛，導致持油力下降[24]。

表1 微波和微粉碎改性對方竹筍膳食纖維理化性能的影響

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)。

由表1可知，方竹筍DF吸附亞硝酸鹽為76.8 μg/g，低于雷竹筍DF[25]。微波和微粉碎改性處理后沒有顯著變化(p>0.05)，與吳麗櫻等[26]的研究結果一致，原因是這2種物理改性沒有改變DF中吸附亞硝酸鹽的相關基團的活性。

由表1可知方竹筍DF的抗氧化性，與鮮食大豆莢DF相比相差不大[27]，但超氧離子清除率高于苦蕎麩皮DF[17]。微波和微粉碎改性后的還原力顯著提高(p<0.05)，而超氧離子清除率顯著降低(p<0.05)；但2種改性方竹筍DF間的抗氧化性沒有顯著差異(p>0.05)，原因在于微波和微粉碎處理對方竹筍DF中的黃酮類、多糖類化合物影響效果相差不大[12,28]。

2.2微波和微粉碎改性對方竹筍DF結構的影響

2.2.1 微波和微粉碎改性對方竹筍DF的SEM分析

由圖2可知，方竹筍DF表面呈網狀結構，且表面疏松多孔，這種密集且緊密相連的結構使得分子內部的基團外露，使方竹筍DF有較好的水合性；微波改性后，方竹筍DF孔狀結構變得更密集、網狀結構更為明顯，比表面積增大，外露更多的分子內基團，從而增強持水力；微粉碎改性后，方竹筍DF不再有網狀或孔狀結構，而是呈現出附著顆粒狀物質的片層結構，原因是球磨的高強度摩擦破壞了空間網狀結構，從而使持油力降低。

圖2 方竹筍DF微波和微粉碎改性的SEM(×2 000)圖Fig.2 The SEM(*2 000) photograph of chimonobambusa DF modified by microwave and fine grinding

2.2.2 微波和微粉碎改性對方竹筍DF的FTIR分析

由圖3可知，方竹筍DF光譜圖中900 cm-1處是β-糖苷鍵的特征吸收峰，源于C-1基團頻率(或環頻率)振動，說明方竹筍DF中含有β-糖苷鍵；1 055 cm-1處是半纖維糖單元C-O-C的特征吸收峰[29]，1 550 cm-1處的小尖峰是半纖維素中木質素的特征吸收峰，1 650 cm-1處附近出現的小尖峰是由于半纖維素羰基中C=O非對稱收縮振動形成的，說明方竹筍DF中含有較多的半纖維素；2 925 cm-1處形成的尖峰是由C-H振動造成，而3 400 cm-1附近呈現出的寬吸收峰是O-H伸縮振動所產生，說明纖維中C-H鍵和O-H鍵較為活躍。微波和微粉碎改性后的方竹筍DF光譜圖沒有發生明顯位移，表明內部主要官能團沒有較大影響，也是吸附亞硝能力變化不顯著的原因之一。

圖3 微波和微粉碎改性方竹筍DF的紅外光譜圖Fig.3 The FTIR photograph of different physical modification chimonobambusa dietary fibre

2.2.3 微波和微粉碎改性對方竹筍DF的XRD分析

由圖4可知，方竹筍DF衍射角2θ在15°～25°的范圍內，主要是纖維素和半纖維素衍射峰[30-31]，結晶區結構良好且未受到破壞。微波和微粉碎處理后的方竹筍DF衍射峰的2θ基本不變，但峰強度發生變化，在15°～25°范圍內的衍射峰峰面積明顯增大，表明微波和微粉碎改性使方竹筍DF的纖維素和半纖維素結晶區強度發生變化，結晶區破壞，使分子質量變小、聚合度降低，但是沒有改變結晶結構。其中，微粉碎處理組的圖譜峰高增高強度比微波處理組更大，說明微粉碎處理更容易破壞纖維的結晶區。

圖4 微波和微粉碎改性方竹筍DF的X-射線衍射圖譜Fig.4 The XRD patterns of different physical modification chimonobambusa dietary fibre

3 結論

方竹筍DF具有較好的水合性、吸附亞硝能力和抗氧化性等理化性能。微波改性使方竹筍DF的持水力和還原力顯著增加(p<0.05)、超氧離子清除率顯著降低(p<0.05)，微粉碎改性使方竹筍DF的還原力顯著增加(p<0.05)、持油力和超氧離子清除率顯著降低(p<0.05)。表明微波改性既能增強方竹筍DF的水合性，又能提高其抗氧化性能，微粉碎僅能使方竹筍DF的抗氧化性增加。

結構分析表明：方竹筍DF為疏松多孔的類似蜂窩狀的結構，呈現良好的多糖結晶狀態；微波和微粉碎處理后的方竹筍DF結晶結構沒有變化，但結晶強度和比表面積增加，且微粉碎對于纖維結晶區的破壞程度大于微波處理。

因此，今后需要詳細分析微波和微粉碎處理的工藝條件對方竹筍DF的影響，特別是探討定向的結構變化，以期為綜合提升方竹筍DF的應用性能奠定基礎。

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Changesoffreshchimonobambusadietaryfiberinpropertiesandstructuremodifiedbymicrowaveandfinegrinding

REN Yu-li1,LIU Yu-ling1,HE Cui1,ZHANG Yan1,XIA Yang-yi1,2*

1(College of Food Science，Southwest University，Chongqing 400715，China) 2(Chongqing Special Food Programme and Technology Research Center，Chongqing 400715，China)

Chimonobambusa dietary fiber was used as the main research objective, and microwave and fine grinding were applied to modify dietary fiber. The properties and the change of structure were analyzed. The properties of hydration including selling capacity, water-hold capacity, water-binding capacity and oil-hold capacity), anti-oxidation including adsorption capacity of sodium nitrite, and reducing power and superoxide anion scavenging rate were evaluated. The comparison with of the properties with untreated dietary fiber were performed. The structure’s difference was analyzed by SEM, FTIR and XRD. The results shows that after microwave, the water-hold capacity and reducing power of DF were increased significantly (p< 0.05), the specific surface area was increased. After the modification of fine grinding, the oil holding capacity of Chimonobambusa DF was decreased significantly (p<0.05), and the reducing power increased significantly(p<0.05), and part of network structure disappeared. Sugar absorption was not changed obviously by modification, and crystal structure was not changed, but the strength was changed. In conclusion, microwave can increase chimonobambusa dietary fiber’s hydration and anti-oxidation; fine grinding can increase antioxidation capacity; the intensity of crystallization and specific surface area of chimonobambusa dietary fiber were both increased by microwave and fine grinding treatment.

chimonobambusa; dietary fiber; physical modification; properties;structure

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.013592

碩士研究生(夏楊毅為通訊作者,E-mail:2658355128@qq.com)。

2016-12-11，改回日期：2017-02-15