超高壓和超微粉碎改性對梨渣膳食纖維的影響

李天，顏玲，李沛軍，劉偉，劉長虹

（合肥工業大學食品科學與工程學院，安徽合肥230009）

膳食纖維（dietary fibre，DF）被稱為人體第七大營養素，其在預防人體胃腸道疾病、維護胃腸道健康方面有一定的積極作用。攝入充足膳食纖維在預防糖尿病、冠心病、肥胖癥、高血壓、結腸癌等方面均有顯著效果[1-3]。根據水溶性可將膳食纖維分為可溶性膳食纖維（soluble dietary fibre，SDF）和不溶性膳食纖維（insoluble dietary fibre，IDF）[4]。膳食纖維的生理功能與可溶性膳食纖維有很大的關系，而天然膳食纖維水溶性成分含量偏低，無法達到膳食平衡要求。因此，可通過改性提高水溶性膳食纖維比例，改善其品質和生理功能。

碭山梨是我國安徽果品中的名產，年產量7.5萬噸左右。碭山梨的深加工產品為梨膏、濃縮果汁和果汁飲料，梨渣約占果實質量的40%～50%。梨渣中含有大量的膳食纖維，如能將梨渣開發并應用于功能性食品中，不僅能增加企業效益，還會減少梨渣堆積對環境造成的污染。目前超高壓技術和超微粉碎技術在食品領域上的應用已被廣泛接受，其中超高壓處理技術能使那些能形成生物大分子立體結構的氫鍵、離子鍵和疏水鍵等非共價鍵發生變化，改變其空間結構，從而達到物料改性和改變食品某些理化反應速率的效果[5]。超微粉碎技術能導致物料顆粒粒度變小、比表面積和孔隙率增加[6]，因此超微粉體具有獨特的物理和化學性質，如良好的溶解性、分散性和吸附性等[7]。

目前關于梨渣膳食纖維提取工藝的優化已有研究，而關于其改性的研究并不多見，本研究旨在以碭山梨渣為原料，超高壓和超微粉碎改性梨渣膳食纖維，并對其含量、功能特性、表征和可溶性膳食纖維單糖組成進行分析，對比超高壓技術和超微粉碎處理梨渣膳食纖維的優越性，為梨渣中膳食纖維的改性應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

碭山梨：安徽合肥優客生鮮超市；2-（N-嗎啉代）乙烷磺酸Tris緩沖液、K-TDFR 10/14總膳食纖維試劑盒：Mgazyme公司；乙酸、氫氧化鈉、鹽酸、95%乙醇，丙酮、鹽酸、溴化鉀、三氟乙酸、鹽酸羥胺、吡啶、乙酸酐、30%過氧化氫溶液（均為分析純）：國藥集團化學試劑有限公司；大豆油：福臨門食品有限公司。

1.2 儀器與設備

HPP 600Mpa/0.6L超高壓處理設備：包頭科發高壓科技有限責任公司；PHS-3C pH計：美國ThermoFisher科技公司；HH-2電熱恒溫水浴鍋：江蘇金城國盛實驗儀器廠；a SU8020場發射掃描電子顯微鏡：日本日立公司；HMB-701超型微粉碎機：北京環亞機械技術有限公司；Genesys 10S UV-VIS分光光度計：美國Thermo Scientific公司；MS-2000激光粒度分析儀：英國Malvern儀器有限公司；Nicolet 67傅里葉紅外光譜儀：美國Thermo Nicolet公司；SCION SQ四級桿氣質聯用儀：美國布魯克·道爾頓公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品制備

1.3.1.1 超高壓梨渣樣品

取新鮮梨渣直接進行超高壓處理（300 MPa，15 min），處理后的梨渣置于60℃烘箱烘干48 h，干燥后用粉碎機進行粉碎后過60目篩，得到梨渣樣品。

1.3.1.2 超微梨渣細粉樣品

新鮮梨渣置于60℃烘箱干燥48 h后用粉碎機粉碎樣品并過60目篩，粗粉碎樣品再進行超微粉碎得到試驗樣品。

1.3.2 梨渣SDF和IDF測定

可溶性膳食纖維、不可溶性膳食纖維的測定參考AOAC 方法（925.09 和 991.43）[8]和顏玲等[9]的方法。

1.3.3 梨渣持水力、持油力、膨脹力、膽固醇吸附能力測定

參考王丹丹[10]的方法稍作改動。

1.3.3.1 持水力

準確稱取0.5 g樣品，放入稱重后的離心管中，加入蒸餾水75 mL，置于37℃的恒溫水浴鍋中30 min，然后用4 000 r/min的轉速離心15 min，取出，傾去上層清液，濾紙吸干水分稱重，計算持水性：

1.3.3.2 持油力

準確稱取0.2 g樣品置于10 mL稱重的離心管中，加入6 mL大豆油，在室溫下攪拌30 min，10 000 r/min離心15 min，取出，除掉上層油液，甩干稱重，計算油脂的吸附力：

1.3.3.3 膨脹力

準確稱取1.0 g樣品，置于帶有刻度的試管中，記錄此時的刻度值，再用移液管準確移取10 mL蒸餾水加入其中，振蕩均勻后放入25℃水浴鍋中24 h，讀取液體中樣品體積，計算膨脹力：

1.3.3.4 膽固醇吸附能力

膽固醇吸附能力測定參考文獻[11]，由于市售膽固醇的水溶性差，本試驗使用蛋黃代替膽固醇。將蛋黃用9倍體積蒸餾水稀釋后取20 mL與梨渣（1.0 g）混合。混合物pH值調節至7.0和2.0，在37℃水浴鍋中振蕩2 h。稀釋后蛋黃作為陰性對照組。反應混合物在4 000 r/min離心20 min，取上清液2 mL，用分光光度計測定其吸光度來計算膽固醇吸附能力（cholesterol binding capacity，CBC），重復 3 次。

式中：Cy是稀釋后的蛋黃中的膽固醇濃度，mg/mL；Cb是陰性對照組膽固醇濃度，mg/mL；Cd是梨果渣混合的稀釋蛋黃中的膽固醇濃度，mg/mL；F表示稀釋因子；20：吸附體積，mL；W：梨渣的重量，g。

1.3.4 粒徑測定

粒徑測定參考文獻[12]。未改性和改性梨渣的粒度分布通過激光粒度分析儀測定。將1 g脫水樣品與10 mL去離子水混合以制備10%懸浮液用于進一步分析。粒徑分布的參數包括不同的直徑，例如D10、D50、D90 和 D（4，3）（體積平均粒徑）。

1.3.5 掃描電鏡

將3種梨渣SDF樣品干燥、粉碎、篩分，采用離子濺射的方法鍍金，通過掃描電子顯微鏡對制備好的樣品進行600倍放大觀察、分析，得到相應的掃描電鏡圖片[13]。

1.3.6 紅外光譜測定

參考許維娜等[14]的方法，將3種梨渣樣品干燥粉碎后，分別稱取2 mg樣品與100 mg干燥溴化鉀粉末混合于研缽中，研磨均勻、研細至無顆粒感，加入壓模器內壓片并立刻放于光路中掃描，掃描區間為400 cm-1～4 000 cm-1。

1.3.7 單糖組分測定

前處理方法參考黃鵬等[15]方法略作改進。

1.3.7.1 SDF水解

取20 mg SDF溶于0.4 mL蒸餾水中并加入0.4 mL（4 mol/L）三氟乙酸（trifluoroacetic acid，TFA）封管，于110℃烘箱中水解3 h，冷卻至室溫后用甲醇氮吹去多余TFA。

1.3.7.2 SDF樣品單糖衍生化

水解后樣品稱重，取10 mg于離心管，加入8 mg鹽酸羥胺和0.5 mL吡啶封管后于90℃烘箱中反應10 min，冷卻后再加入0.3 mL乙酸酐于90℃反應20 min，得到單糖糖腈乙酸酯衍生物，過膜后可直接用于氣相色譜-質譜聯用（gas chromatography-mass spectrometer，GC-MS）分析。單糖標準品衍生化方法同上。

1.3.7.3 GC-MS

色譜柱：HP-5。升溫程序：起始溫度50℃，保持3 min，以 50℃/min升至 200℃保持 3 min，再以20℃/min升至300℃保持3 min，進樣量1 μL，分流比20∶1。質譜條件離子源溫度250℃，電離方式EI，電子能量70 eV[10]。

2 結果與分析

2.1 膳食纖維含量結果分析

不同處理方法梨渣中膳食纖維含量見表1。由表1可知，高壓處理后可溶性膳食纖維含量明顯升高至16.3 g/100 g，而不可溶膳食纖維含量降低至45.6g/100g，這與梨渣經超高壓處理后空間結構變化有關，超高壓處理使梨渣中膳食纖維生物大分子改變，使不溶性膳食纖維轉為可溶性膳食纖維，可溶性膳食纖維提高[16]。而超微粉碎處理的膳食纖維含量也有微弱提高，原因可能是梨渣在超微粉碎過程中，強烈的機械剪切作用使得梨渣中大分子物質發生熔融現象或部分鍵斷裂，轉化成水溶性聚合物成分[17]。對比發現超高壓處理比超微粉碎處理對膳食纖維影響更大。

表1 梨渣中膳食纖維含量Table 1 The contents of dietary fiber in pear pomace

2.2 梨渣持水力、持油力、膨脹力、膽固醇吸附能力測定結果

膳食纖維的水合特性，例如持水力和膨脹力能夠使食品保持穩定的質地，因此該特性為在食品中添加膳食纖維提供了重要依據。另一方面，在研究膳食纖維時發現與膳食纖維相關的水有影響腸道內微生物的重要意義。表2為膳食纖維的持水力、持油力、膨脹力和膽固醇結合能力。

表2 梨渣的功能特性Table 2 Functional properties of pear pomace

由表2可以看出，經過超高壓改性的樣品持水力和膨脹力最高，推測超高壓改性后膳食纖維空間結構發生改變，網狀結構有更好的支撐作用從而使膨脹力增加。經過超微粉碎處理后樣品粒度的降低，大物質的空間立體結構被破壞，對水的吸附能力降低，持水力和膨脹力降低[18]。持油力通常能夠防止食品在加工過程中的脂肪流失，還能有效防止膽固醇含量的增加[19]，對比不同處理條件下樣品的持油力發現，經過超高壓改性的梨渣樣品持油力顯著提高至1.95 g/100 g，推測在超高壓處理過程中膳食纖維空間結構改變造成的。由表2可知，經過超高壓改性樣品的膽固醇吸附能力明顯高于超微粉碎改性樣品，結果與測定的膳食纖維含量相符。

2.3 粒徑分析

D10、D50、D90 和 D（4，3）分別為分布體積百分比以及加權平均直徑。由表3可以看出，超微粉碎樣品的粒度較其他兩個試驗組有顯著性的變化，超高壓處理對梨渣樣品粒度沒有較大變化。

表3 梨渣粒度分布Table 3 Particle size distribution of pear pomace

2.4 掃描電鏡

圖1為用掃描電鏡觀察到的超高壓和超微粉碎改性后梨渣樣品的微觀結構圖，放大倍數為600倍。將處理組樣品與未處理樣品對比，發現經過超高壓改性的梨渣樣品呈片狀，其組織結構變得更加疏松、呈現多孔性，水分更容易滲入并且可以吸收更多水分，結構變疏松可以使更多的親水基團外露而提高物料的持水力，這與測定的持水力、持油力、膨脹力和SDF含量結果相符。而經過超微粉碎改性的梨渣粒度顯著變小，比表面積明顯增大，強烈的機械剪切作用使得梨渣內部的多孔網狀結構破壞，大塊立體結構變為疏松的更為細小的梨渣顆粒，物料中大分子物質的長鏈斷裂，小分子物質增加，致使SDF含量略有增加[19]。

圖1 樣品掃描電鏡圖Fig.1 SEM images of samples

2.5 紅外光譜分析

紅外光譜結果見圖2。

圖2 紅外光譜圖Fig.2 FT-IR of samples

由圖2看出，該圖表現為典型的多糖紅外光譜圖。3 411 cm-1處表示O-H振動峰[20]，樣品中氫鍵存在會使峰寬峰強增加，經過超高壓和超微粉碎處理的樣品峰寬增加且出峰波數左移；2 940 cm-1處觀察到的峰表示C-H振動，是樣品多糖中存在的亞甲基引起的，超高壓處理后該峰強降低，這表示經過超高壓改性后樣品中SDF增加，而經過超微粉碎改性樣品中SDF無較大變化；1 748 cm-1是表示樣品中糖醛酸C=O的特征吸收峰，觀察到超微粉碎處理后糖醛酸降低；1 000 cm-1～1 300 cm-1處是C-O伸縮振動吸收峰，表示多糖糖環的C-O-H鍵和C-O-C鍵，經過超微粉碎處理后該處峰強和峰寬明顯降低，這表示經過超微處理后樣品中部分不溶性膳食纖維轉變為低聚糖。

2.6 單糖組成分析

不同處理方式下單糖組成如表4所示。

表4 梨渣可溶性膳食纖維單糖組成Table 4 Monosaccharide composition of SDF g/100 g

梨渣中SDF含量與IDF含量相似，大量的研究[21-22]發現SDF對人體健康方面比IDF效果更好，因此本試驗測定了梨渣SDF單糖組成。樣品GC-MS測試結果參考單糖標準品GC-MS結果，得出梨渣可溶性膳食纖維主要由7種糖組成，分別為甘露糖（10.235 min）、葡萄糖（10.312 min）、半乳糖（1.052 5 min）、鼠李糖（11.455 min）、阿拉伯糖（11.575 min）、木糖（11.743 min）和果糖（12.278 min和12.382 min）。

由表4可以看出SDF中含量最高的是鼠李糖（15.42 g/100 g），其次是阿拉伯糖（1.44 g/100 g）。鼠李糖是典型的水溶性糖，結果表示經過超高壓處理后樣品中鼠李糖含量較超微粉碎處理有明顯增加，同時超高壓組阿拉伯糖含量較高，而超微粉碎處理組阿拉伯糖含量較低。除此之外，超微粉碎處理組木糖含量也高達2.1 g/100 g，木糖主要存在于木質素中，推測在經過超微處理的梨渣樣品在提取SDF過程中木質素粒徑小，未能完全去除而造成誤差。

3 結論

超微粉碎和超高壓改性對梨渣理化性質、結構及其可溶性膳食纖維組成的影響。兩種方式改性后，SDF含量均顯著上升，IDF/SDF發生顯著的變化。超高壓改性前后梨渣的理化/功能性質發生顯著的變化，梨渣的持水力、持油力、膨脹力和膽固醇吸附能力顯著增加，而超微粉碎處理的未見顯著變化；超微粉碎改性梨渣的平均粒度顯著降低。掃描電鏡觀察結果可知，超微粉碎改性后，梨渣顆粒變小而均勻，空間結構消失，而超高壓改性后纖維組織結構較為疏松，空間結構部分保留。紅外光譜測定分析結果顯示，改性處理前后梨渣中的SDF化學結構發生變化。根據GC-MS結果顯示改性前后梨渣中的SDF中單糖組成發生變化。總體來說，通過超高壓改性的梨渣樣品相較于超微粉碎處理的梨渣樣品，其可溶性膳食纖維含量以及其功能性單糖組成都明顯提高。