提取方式對棗膳食纖維理化及功能特性的影響

梁志宏，尹蓉，張倩茹，呂英忠

(山西省農業科學院 果樹研究所，山西 太谷，030815)

棗為鼠李科棗屬木本植物，在我國栽培面積和產量都十分巨大[1]。山西省是棗果主產區之一，產量居全國第3或第4位[2]，但因品種、氣候、栽培管理和加工技術等原因，生產和加工過程中會出現大量殘次裂果，這些果實大部分被直接扔掉，少部分作為動物飼料，從而造成嚴重經濟損失。

膳食纖維被譽為人類的第七大營養素，許多研究表明：膳食纖維具有持水、螯合有機化合物、陽離子交換和改變腸道微生物群系等特性，可以起到維護腸道健康、預防肥胖和心血管疾病、解毒、增強機體免疫力[3-7]等作用。天然植物中可溶性膳食纖維含量較低，導致其理化特性較差，需經過改性處理后許多功能特性才可以更好的發揮。目前研究較多的膳食纖維改性方法主要有以下幾種：(1)以超高壓、粉碎、擠壓膨化等技術為主的物理方法；(2)以酸、堿法為主的化學方法；(3)以酶法、發酵法為主的生物技術方法；(4)以上3種方法同時使用的聯合處理方法[8]。以上四種方法在棗膳食纖維提取中都有應用，如張江寧等[9]發現棗渣超微粉碎后可溶性膳食纖維比例提高,持水性、溶脹性、吸附油脂、膽固醇、膽酸鈉能力增強；張華等[10]用堿法提取棗渣中不溶性膳食纖維，得到產品呈淡黃色，無異味；黃雪姣等[11]以α-淀粉酶和中性蛋白酶酶解殘次棗中不溶性膳食纖維，提取率達13.04%；李黎等[12]運用保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌和植物乳酸菌復合發酵提取棗渣中不溶性膳食纖維，提高了不溶性膳食纖維得率；孫靜等[13]采用高溫蒸煮、纖維素酶酶解改性棗渣水不溶性膳食纖維,不溶性膳食纖維得率達20.03%。以上研究多以棗渣為原料，分別采用物理法、化學法、發酵法和聯合法優化膳食纖維提取工藝，但對制得的膳食纖維的品質研究較少。目前，以殘次裂棗為原料，對不同提取方式制備的膳食纖維進行品質分析的研究未見報道。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

棗粉：殘次裂棗去核，切片后60 ℃烘箱干燥，粉碎過40目篩備用；纖維素酶(5萬U/g)、木聚糖酶(5萬U/g)、糖化酶(10萬U/g)，北京索萊寶科技有限公司；m(保加利亞乳桿菌)∶m(嗜熱鏈球菌)∶m(植物乳桿菌)=1∶1∶1混合備用；其他常用化學試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

TGL20M-II型臺式高速離心機，湖南凱達科學儀器有限公司；SX系列馬弗爐，南陽市鑫宇爐業有限公司；DZF-1B電熱恒溫真空干燥箱，上海躍進醫療器械有限公司； ZWY-103B型恒溫培養振蕩器，上海智城分析儀器制造有限公司；WFZ UV-2102C型紫外可見分光光度計，尤尼柯(上海)儀器有限公司；LRH-70型生化培養箱，上海一恒科學儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 膳食纖維提取方式

1.3.1.1 堿法膳食纖維(DF1)制備

取脫糖干燥后棗粉，質量濃度20 g/L NaOH，料液比1∶15(g∶mL)，60 ℃ 提取 40 min,4 000 r/min 離心20 min，收集殘渣；上清液真空濃縮至原體積1/3左右，加入4倍95%乙醇(體積分數)醇沉6 h，離心，得濾渣，將2次濾渣混合，水洗至中性，60 ℃烘干，粉碎過80目篩備用。

1.3.1.2 酶法膳食纖維(DF2)制備：

取脫糖干燥后棗粉，料液比1∶20(g∶mL)，添加質量濃度7 g/L纖維素酶，pH 4.8在50 ℃條件下酶解 70 min，滅酶。 其他操作同1.3.1.1。

1.3.1.3 發酵法膳食纖維(DF3)制備：

取脫糖干燥后棗粉，料液比1∶10(g∶mL)，加入質量濃度20 g/L的脫脂奶粉和質量濃度10 g/L白砂糖混勻后滅菌，迅速冷卻,接入質量濃度50 g/L混合菌劑，40 ℃條件下發酵15 h。其他操作方法同上。

1.3.1.4 超聲輔助酶法膳食纖維(DF4)制備:

取脫糖干燥后棗粉，料液比 1∶20(g∶mL)調成懸液，加入質量濃度7 g/L纖維素酶，50 ℃條件下超聲提取 50 min。其他操作同上。

1.3.2 膳食纖維化學組成的測定

水分、灰分、粗蛋白和粗脂肪質量分數的測定參照AOAC方法[14]，總膳食纖維(TDF)、可溶性膳食纖維(SDF)及不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber, IDF)質量分數的測定參照GB 5009.88—2014[15]。

1.3.3 膳食纖維理化性質測定

持水力和膨脹力的測定參照陶永霞等[16]方法；持油力的測定參照SANGNARK等[17]的方法。

1.3.4 功能特性測定

1.4 數據分析

試驗數據均為3 個平行樣的平均值±標準差，結果采用SPSS 23.0軟件中的Duncan’s進行顯著性差異分析(P<0.05)，圖表用Excel繪制。

2 結果與分析

2.1 不同提取方式對膳食纖維化學組成和提取率的影響

由表1可以看出，經堿、酶、發酵和超聲處理后，粗纖維含量較棗粉有顯著提高，提取率增大，說明物理、化學和生物技術處理均可使細胞壁中的果膠和纖維結構降解，更多的纖維素、半纖維素、木質素和果膠等物質溶出，使膳食纖維比率提高。提取方式對棗粉中粗蛋白清除率最高，在39.04%～58.88%之間，與棗粉之間差異顯著(P<0.05)；對粗脂肪也有顯著清除效果，但清除率沒有粗蛋白高。說明不同處理方式均對蛋白和脂肪有一定降解破壞作用。

表1 不同提取方式膳食纖維的成分組成及提取率Table 1 Chemical compositions and yields of dietary fibers from different extraction methods

注：同行不同小寫字母表示在P<0.05水平上差異顯著，下同。

4種提取方式中，發酵法提取率最高，為40.74%，與其他處理之間差異顯著，堿法提取率最低，為35.25%，與其他處理之間亦差異顯著，超聲輔助酶法提取率略高于酶法，但二者之間差異不顯著。SDF與IDF的組成比例是影響膳食纖維生理功能的一個重要指標[21]，目前普遍認為SDF與IDF比率1∶3左右較合理，為方便后續理化特性和功能特性比較，本研究盡量將4種膳食纖維樣品SDF和IDF比例控制在1∶3左右。超聲輔助酶法SDF含量最高，與IDF比率基本與棗粉一致，其他3種處理SDF含量相近，三者之間差異不顯著，與IDF比率略高于1∶3，堿法膳食纖維SDF含量在4種提取方式中最低。4種膳食纖維樣品純度由大到小依次為：超聲輔助酶法>酶法>發酵法>堿法，超聲輔助酶法膳食纖維的純度最高，達85.42%，其次是發酵法和酶法制備的膳食纖維，分別為82.02%和80.01%，堿法膳食纖維純度最低，只有78.13%，4種膳食纖維樣品之間純度差異顯著。

2.2 不同提取方式對殘次裂棗膳食纖維理化性質的影響

2.2.1 對持水力的影響

高持水力是高品質膳食纖維的主要物化特性之一，可以調節食品體系中水分分布情況，防止加工品組織結構的脫水收縮，對食品外觀、風味及商品價值都有較大影響[22]。由圖1可以看出，4種處理方式制備的膳食纖維與棗粉相比持水力都有顯著提升(P<0.05)，其中超聲輔助酶法制備的TDF持水力最高，化學法制備的最低，持水力由大到小排序依次是超聲輔助酶法>酶法>發酵法>堿法>棗粉，除酶法和發酵法膳食纖維之間差異不顯著外，其他處理之間差異顯著。超聲輔助酶法持水力最大的原因是在超聲波作用下，纖維素酶在水分子帶動下可以更多的滲入纖維結構中，水解部分纖維糖苷鍵，使纖維分子向可溶性小分子變化，纖維結構更加疏松，比表面積增大，親水基團更多地暴露出來，持水力大幅度提高[23]。所有處理中，堿法膳食纖維持水力最低，說明堿液處理對膳食纖維的骨架結構破壞明顯，對水分的吸收和保持能力較弱。

圖1 不同提取方式對殘次裂棗膳食纖維持水力的影響Fig.1 Water holding capacity of dietary fibers from different extraction methods

2.2.2 對膨脹力的影響

膨脹力與持水力一樣，均是膳食纖維的重要性質之一，同樣與加工食品的品質有較大關系。由圖2可以看出，不同提取方式制備的膳食纖維的膨脹力都顯著高于棗粉(P<0.05)，由大到小依次為：超聲輔助酶法>發酵法>酶法>堿法>棗粉，酶法與堿法之間差異不顯著(P>0.05)，其他處理之間差異顯著。超聲輔助酶法膳食纖維膨脹力最大的原因是在物理和化學共同作用下，膳食纖維中大分子組分的連接鍵斷裂轉變為小分子組分，膳食纖維結構變得疏松，體積和比表面積增大，但并未破壞其骨架結構[24]。

圖2 不同提取方式對殘次裂棗膳食纖維膨脹力的影響Fig.2 Swelling power of dietary fibers from different extraction methods

2.2.3 對持油力的影響

膳食纖維表面不僅有親水基團，也有親油基團，親油基團可以通過吸附食物中的油脂減少人體對脂肪的攝入量。膳食纖維持油性可有效改善食品的質構特性，賦予食品更好的感官品質[22]。由圖3可以看出，提取的膳食纖維的持油力都顯著大于棗粉(P<0.05)，超聲輔助酶法制備的膳食纖維持油力最大，堿法膳食纖維在所有處理中最小，從大到小排序與持水力相同，超聲輔助酶法膳食纖維與其他TDF差異顯著。超聲輔助酶法膳食纖維持油力最大的原因與持水力一樣，在超聲和酶的雙重作用下，更多親水基團暴露的同時,更多親油基團也裸露出來，導致持油力增大。

圖3 不同提取方式對殘次裂棗膳食纖維持油力的影響Fig.3 Oil holding capacity of dietary fibers from different extraction methods

通過對不同提取方式膳食纖維理化特性分析可知，超聲輔助酶法膳食纖維比其他膳食纖維有更好的持水力、膨脹力和持油力，可應用于肉、焙烤等多種加工食品中，提高食品的加工特性及品質，作為新型品質改良劑應用于食品加工中。

2.3 不同提取方式對殘次裂棗膳食纖維功能特性的影響

2.3.1 對陽離子交換能力的影響

膳食纖維結構中含有的羧基和羥基類側鏈基團可以與陽離子可逆交換形成一個較為理想的緩沖體系，從而有利于機體的消化吸收[25]。如Na+、K+可在腸道中與膳食纖維結合隨糞便或尿液排出體外，調節血液中的Na+/K+比，產生降壓效果[26]。由圖4可以看出，所有處理的陽離子交換能力都顯著高于棗粉，各處理間由大到小依次為：超聲輔助酶法>酶法>堿法>發酵法>棗粉，除酶法和堿法制備的膳食纖維差異不顯著外，其他樣品之間差異顯著。發酵法TDF的陽離子交換能力顯著低于其他樣品，可能與其SDF含量較低有關。

圖4 不同提取方式對殘次裂棗膳食纖維陽離子交換能力的影響Fig.4 Cation exchange capacity of dietary fibers from different extraction methods

2.3.2 對葡萄糖吸附能力的影響

膳食纖維對葡萄糖具有吸附和阻礙擴散作用，可以降低小腸內葡萄糖濃度，抑制餐后血糖上升，改善葡萄糖耐量[19]。由圖5可以看出，不同提取方式制備的TDF對葡萄糖的吸附能力顯著高于棗粉，4種TDF樣品中，超聲輔助酶法制備的膳食纖維吸附能力最強，顯著高于其他3個處理，堿法、酶法和發酵法膳食纖維雖然吸附量略有不同，但相差不大，三者之間差異不顯著(P>0.05)。

圖5 不同提取方式對殘次裂棗膳食纖維葡萄糖吸附能力的影響Fig.5 Glucose adsorption capacity of dietary fibers from different extraction methods

2.3.3 對膽固醇吸附能力的影響

膳食纖維表面帶有的活性基團可以螯合吸附膽固醇和膽汁酸等有機分子，造成膽酸減少,肝臟就會利用機體自身的膽固醇合成膽酸,從而降低肝組織和血漿中膽固醇水平[27]。本文分別以pH 2.0和pH 7.0條件模擬胃和小腸環境，由圖6可以看出，所有處理在pH 7.0環境下的吸附能力均大于pH 2.0環境下，2種pH環境下樣品對膽固醇的吸附量都以超聲輔助酶解法最大，堿法最小，pH 7.0條件下由大到小依次是：超聲輔助酶法>發酵法>棗粉>酶法>堿法，超聲輔助酶法除與發酵法差異不顯著外，與其他樣品之間差異顯著(P<0.05)。棗粉膽固醇吸附量大于堿法TDF,與酶法和發酵法相差不大，說明棗粉中的多糖對膽固醇也有相似的吸附作用。

圖6 不同提取方式對殘次裂棗膳食纖維膽固醇吸附能力的影響Fig.6 Cholesterol adsorption capacity of dietary fibers from different extraction methods

通過對不同提取方式所制膳食纖維功能特性的綜合分析可知，超聲輔助酶法膳食纖維相比于其他膳食纖維具有更好的降壓、降糖、降脂及清除內源和外源有毒物質的功效。

圖7 不同提取方式對殘次裂棗清除能力的影響 clearance ability of dietary fibers from different extraction methods

3 結論