柑橘是芸香科柑橘属植物,是橘、柑、橙、金柑、柚、枳等的总称,是世界和我国产量第一的水果。据国家统计局数据,2021年我国柑橘产量5 595.6万t,按照柑橘皮渣占柑橘全果重的30%～50%计算,每年产生的柑橘皮渣超过1 600万 t[1]。目前国内外对柑橘皮渣的处理方式主要有垃圾填埋、生产动物饲料和有机肥、生物转化为有机燃料等[2],其中的活性成分未得到合理利用,资源浪费严重。柑橘皮渣中含有膳食纤维、黄酮、有机酸等生物活性成分,其含量甚至高于柑橘加工制成品[2]。膳食纤维分为可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber, SDF)和不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber, IDF),具有通便排毒,预防心血管疾病,调节血糖等多种生理功能,被世界公认为七大营养素之一[3]。天然柑橘皮渣中,IDF含量过多,导致持水力、持油力等理化特性较低,口感粗糙,限制了在食品行业中的应用,因此如何采取简单、绿色与高效的改性手段减少IDF含量,使其转化为SDF,已成为膳食纤维改性研究的热点[4-5]。
目前,膳食纤维的改性方法有生物法(如酶法)、化学法(如酸法、碱法)、物理法(如超微粉碎、高速剪切、高温高压、超声波等)及联合改性法等[6]。其中生物法成本高、反应条件苛刻;化学法安全性低、污染高,而物理法时间短、污染小。张巧等[7]对柠檬皮渣纤维进行高速剪切处理后其SDF含量、持水力、膨胀力、吸附胆固醇能力等均有提高;ZHANG等[8]研究超声波处理柠檬皮SDF结果表现出更疏松和多孔的结构,更高的持水、持油能力;SU等[9]对柑橘纤维进行高压均质处理后发现粒径显著减小,水合能力显著提高。目前关于柑橘皮渣改性的研究大多数只针对单一柑橘品种进行探讨,而采用不同物理方法针对不同品种的柑橘皮渣纤维的改性研究报道较少,改性后样品的理化功能指标及内部结构的变化差异尚不清楚。
因此,本研究分别选取柠檬类、橙类、杂柑类的代表柠檬、脐橙、沃柑皮渣为原料,采用高速剪切、超声波、高温高压3种方式对其进行改性处理,以结构特性和理化功能特性为评价指标,分析改性前后不同处理方式及不同品种之间的差异,以期筛选出一种绿色高效的物理改性方式及适宜改性的柑橘品种,制备出品质更高的柑橘皮渣纤维,为促进不同种类柑橘皮渣纤维在食品加工行业的利用提供依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
安岳黄柠檬、武鸣沃柑、重庆奉节脐橙,市售;玉米油,邦基(南京)粮油有限公司;鸡蛋,市售;95%乙醇、盐酸、氢氧化钠、过氧化氢,成都市科隆化学品有限公司;胆固醇标准品、芦丁标准品、没食子酸标准品、PBS缓冲液,上海源叶生物科技有限公司;邻苯二甲醛(色谱纯),成都华夏化学试剂有限公司;冰乙酸,重庆川东化工有限公司;亚硝酸钠,上海易恩化学化学技术有限公司;对氨基苯磺酸,福晨(天津)化学有限公司;溴化钾,成都市科龙化工试剂厂(光谱纯)。所用试剂未标注级别的均为分析纯。
1.2 仪器与设备
FTIR920 傅里叶变换红外光谱仪,天津市拓普仪器有限公司;TD-5M 台式低速离心机,四川蜀科有限公司;Lyolab3000 冷冻干燥机,丹麦Heto Holten公司;Bettersize2600 激光粒度分布仪,丹东百特仪器有限公司;SB-5200DTN 超声清洗机,宁波新芝生物科技股份有限公司;HBS-SCANX 全波长酶标分析仪,南京德铁生物科技有限公司;DF-602 膳食纤维测定仪,上海纤检仪器有限公司;GI54DWS 全自动高压蒸汽灭菌锅,致微(厦门)仪器有限公司;T18 分散机,德国IKA公司;PHS-320 显数式pH计,成都世纪方舟科技有限公司;多功能粉碎机,永康市红太阳机电有限公司;XD3 多晶X射线衍射仪,北京普析通用仪器有限责任公司;DTG-60 差热热重同步分析仪,岛津企业管理有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 柑橘皮渣纤维制备
柑橘皮渣纤维制备工艺如下:
柠檬、沃柑、脐橙鲜果→清洗→去除油胞→榨汁→取皮渣→脱色(95%乙醇40 ℃脱色90 min)→50 ℃烘至恒重→粉碎过60目筛→柠檬皮渣纤维(lemon pomace fiber, LPF)原粉、脐橙皮渣纤维(navel orange pomace fiber, NPF)原粉、沃柑皮渣纤维(orah pomace fiber, OPF)原粉[10]
1.3.2 柑橘皮渣纤维改性处理
1.3.2.1 高速剪切处理(high-speed shearing,HS)
参考尹立晨[11]的方法稍作修改。取制备好的 LPF、NPF、OPF,按料液比1∶20(g∶mL)加入蒸馏水搅拌均匀,以10 000 r/min的速率剪切分散10 min。倒入4倍体积的95%(体积分数)乙醇溶液,静置醇沉过夜,抽滤收集沉淀,冷冻干燥,粉碎过筛60目得到样品。
1.3.2.2 超声波处理(ultrasonic,UL)
参考DAOU[12]的方法,稍作修改。取制备好的LPF、NPF、OPF,按料液比1∶20(g∶mL)加入蒸馏水搅拌均匀,超声波功率300 W,室温下改性1 h。后续操作同1.3.2.1节。
1.3.2.3 高温高压处理(high temperature-high pressure treatment,HT)
参考魏春红等[13]的方法,稍作修改。取制备好的LPF、NPF、OPF,按料液比1∶25(g∶mL)加入蒸馏水搅拌均匀,高压蒸汽灭菌锅105 ℃处理20 min。后续操作同1.3.2.1节。
1.3.3 柑橘皮渣纤维结构测定
1.3.3.1 粒径及比表面积测定
参考蒋维等[14]的方法,稍作修改。取适量改性前后LPF、NPF、OPF样品,以去离子水为分散剂,置于激光粒度仪中进行粒径、比表面积分析,遮光率在10.67%左右。
1.3.3.2 傅里叶变换红外光谱测定
参考刘学成等[15]的方法。准确称取1 mg改性前后LPF、NPF、OPF样品,加入100 mg KBr研磨成粉末压片,并用空白KBr作为背景。扫描次数为32次,分辨率为4 cm-1,扫描范围为400～4 000 cm-1。
1.3.3.3 X-射线衍射测试
参考ZHENG等[16]的方法,衍射条件:采用连续扫描法,管电压:40 kV;管电流:40 mA;靶型:CuKα;扫描范围:5°～45°;扫描速度:2°/min;步长:0.02。
1.3.3.4 热稳定性测定
参照REN等[17]的方法,稍作修改。取3～5 mg改性前后LPF、NPF、OPF样品置于热重分析仪中,在氮气环境,升温速度25 ℃/min的条件下,以空坩埚为空白对照,得到样品30～300 ℃的热重曲线。
1.3.4 柑橘皮渣纤维理化性质测定
1.3.4.1 膳食纤维含量测定
改性前后LPF、NPF、OPF样品按照国标GB 5009.88—2014测定计算总膳食纤维(total dietary fibers, TDF)、SDF、IDF。
1.3.4.2 持水力测定
参考姜永超等[18]的方法,稍作修改。准确称取0.5 g改性前后LPF、NPF、OPF样品于50 mL离心管并加入25 mL蒸馏水,恒温振荡1 h,4 000 r/min 离心20 min,去除上清液,称重。计算如公式(1)所示:
持水力
(1)
式中:M为样品干重,g;M1为样品湿重,g。
1.3.4.3 持油力测定
参考黄嘉仪[19]的方法,准确称取0.2 g改性前后LPF、NPF、OPF样品于离心管中,加入10 mL玉米油,静置1 h,振荡使其均匀后在3 500 r/min的条件下离心30 min,除去上清液,用滤纸将离心管内壁多余的油脂吸去,静置5 min,称重。计算如公式(2)所示:
持轴力
(2)
式中:m为样品干重,g;m1为样品湿重,g。
1.3.4.4 膨胀力测定
参考黄嘉仪[19]的方法,稍作修改。称取0.1 g改性前后LPF、NPF、OPF样品,置于10 mL带刻度的试管中,记录样品的初始体积,加入10 mL蒸馏水,振荡使其混匀后,在室温下静置过夜,读取样品的最终体积。计算如公式(3)所示:
膨胀力
(3)
式中:V2为膨胀后体积,mL;V1为膨胀前体积,mL;m为样品质量,g。
1.3.5 柑橘皮渣纤维功能性质测定
1.3.5.1 总酚、总黄酮含量测定
a)活性成分提取
参考石秀梅[20]的方法。称取2.5 g改性前后LPF、NPF、OPF样品,按料液比1∶50(g∶mL),加入70%乙醇溶液,70 ℃ 恒温水浴锅中浸提6 h,提取后的样液3 000 r/min离心10 min,取上清液,旋转蒸发后,定容至25 mL放置4 ℃ 冰箱保存待用。
b)总酚含量测定
分别移取0.5 mL改性前后柑橘皮渣纤维提取液于50 mL容量瓶中,采用Folin-Ciocalteu测定法,用蒸馏水作空白,在760 nm下测定其吸光值Ai。柑橘皮渣纤维样品中的总酚的含量(以没食子酸计)计算如公式(4)所示:
总酚含量
(4)
式中:m为样品质量,g;Ai为提取液中总酚的质量浓度,mg/mL;V为提取液总体积,mL;n为稀释倍数。
c)总黄酮含量测定
取1 mL改性前后柑橘皮渣纤维试样提取液,采用NaNO2-AlCl3-NaOH显色法,在510 nm处比色测定。对照标准曲线,柑橘皮渣纤维样品的中总黄酮的含量(以芦丁计)计算如公式(5)所示:
总黄酮含量
(5)
式中:m为样品质量,g;A为提取液中总黄酮的质量浓度,mg/mL;V为提取液总体积,mL;n为稀释倍数。
1.3.5.2 吸附胆固醇能力(cholesterol adsorption capacity, CAC)测定
参考高荫榆等[21]的方法,稍作修改。取生鸡蛋黄,用9倍体积的蒸馏水稀释并充分搅打成乳液。准确称取0.5 g改性前后LPF、NPF、OPF样品,加入15 mL稀释后的鸡蛋黄液,混合均匀,使用1 mol/L NaOH和1 mol/L HCl溶液调节pH分别至2.0及7.0(对应胃和小肠),在37 ℃下充分振摇2 h,随后在4 000 r/min条件下离心20 min,去除沉淀。取1 mL上清液,用冰乙酸稀释10倍后取0.1 mL,采用邻苯二甲醛法在550 nm处测定吸光度(OD550)。柑橘皮渣纤维样品的CAC计算如公式(6)所示:
(6)
式中:m为样品质量,g;C1为对照组蛋黄液中胆固醇质量浓度,mg/mL;C2为柑橘皮渣纤维吸附后蛋黄液中胆固醇质量浓度,mg/mL。
1.3.5.3 吸附亚硝酸盐能力(nitrite adsorption capacity, NAC)测定
参考杨晓宽等[22]的方法,稍作修改。准确称取0.2 g改性前后LPF、NPF、OPF样品,加入20 mL 20 μg/mL NaNO2溶液于50 mL离心管中,混合均匀,使用1 mol/L NaOH和1 mol/L HCl溶液调节pH值分别至2.0及7.0(对应胃和小肠),在37 ℃下振荡2 h,随后在4 000 r/min条件下离心20 min,去除沉淀。取1 mL上清液,按亚硝酸根离子标准曲线的测定步骤,在538 nm处测定吸光度。以等比稀释的未添加柑橘皮渣纤维样品的溶液为空白组进行对照实验。柑橘皮渣纤维样品的NAC计算如公式(7)所示:
(7)
式中:m为柑橘皮渣纤维样品质量,g;C1为未添加柑橘皮渣纤维吸附的体系中亚硝酸盐质量浓度,μg/mL;C2为柑橘皮渣纤维吸附后体系中亚硝酸盐质量浓度,μg/mL。
1.4 数据处理
每组试验重复操作3次,采用SPSS 26统计软件进行多样本均数比较的方差分析,各组间多重比较采用Duncan′s法,P<0.05差异有统计学意义。运用Origin 2022软件对数据进行处理绘图。
2 结果与分析
2.1 改性前后柑橘皮渣纤维结构分析
2.1.1 改性前后柑橘皮渣纤维粒径及比表面积分析
粒径和比表面积是纤维特性的一个重要指标。表1显示了3种改性处理后柑橘皮渣纤维的粒径显著降低、比表面积显著增加(P<0.05),可见改性可以使柑橘皮渣纤维结构变得相对疏松,颗粒粒度更小。其中经HS处理的效果最显著,表明UL的空化效应[23]、长时间高温高压环境和HS强大的剪切、分散、冲击作用,都能降低柑橘皮渣纤维分子间的作用力,破坏结构,使粒径减小,比表面积增大,HS处理效果最好的原因可能是,强大的剪切力高速湍流冲击作用对皮渣纤维间的作用力破坏更强[24]。同一处理方式不同品种柑橘皮渣间粒径和比表面积大小也具有显著差异(P<0.05),粒径大小依次表现为LPF>NPF>OPF,比表面积大小表现为OPF>NPF>LPF,表明3种皮渣中OPF的粒径最小,比表面积最大,可能是因为沃柑皮较另外2种更软,粉碎处理更容易被破坏[25]。
表1 改性前后柑橘皮渣纤维粒度及比表面积分布
Table 1 Fiber size and specific surface area distribution of citrus peel pomace before and after modification
处理方式样品D10/μmD50/μmD90/μm比表面积/(m2/kg)RWLPF24.53±0.65a198.27±2.65a551.07±5.30a38.97±0.97kNPF19.52±0.23e149.27±3.79d464.9±4.08d46.80±0.54hOPF14.04±0.26i74.12±1.48g296.47±0.47f73.93±1.35dHSLPF20.57±0.42d144.27±2.40e467.37±2.10d46.88±0.83hNPF14.90±0.11h74.62±0.46g278.07±5.41h63.63±0.65eOPF11.76±0.15k56.04±1.27j237.63±3.69k86.90±0.84aULLPF21.94±0.36c165.27±3.48c500.00±1.93c43.06±0.20iNPF16.46±0.13g77.32±0.75fg301.13±2.27f61.55±0.40fOPF12.53±0.38j60.12±0.09i253.17±4.44j82.57±1.32bHTLPF23.07±0.40b176.43±3.75b510.53±2.26b40.95±0.23jNPF18.06±0.24f79.37±0.46f308.83±1.53e55.16±1.57gOPF13.55±0.35i66.02±0.43h268.07±4.97i79.45±1.05c
注:RW,未处理;HS,高速剪切改性;UL,超声波改性;HT,高温高压改性(下同),肩标不同小写字母代表同列数据差异显著(P<0.05)(下同);D10、D50、D90,分别表示颗粒累积分布为10%、50%、90%的粒径。
2.1.2 改性前后柑橘皮渣纤维傅里叶红外光谱图结构分析
图1为3种改性前后柑橘皮渣纤维的红外光谱图。由图1可知,改性前后柑橘皮渣纤维都具有类似的光谱分布,具备糖的特征峰,没有出现新峰,说明物理改性没有改变3种柑橘皮渣纤维的化学结构,而在相应的波数下峰的吸收强度稍有差异,影响了纤维的理化性质[26]。3 400 cm-1处的吸收峰是典型的半纤维素和纤维素O—H伸缩振动带,经改性后吸收峰的强度减小,可能是改性导致纤维素间的部分氢键断裂,使结构疏松,空隙变大,与比表面积的结果相符合[27]。2 930 cm-1附近的峰是来自多糖甲基与亚甲基的C—H拉伸振动带,代表了纤维素和半纤维素多糖化合物。1 630 cm-1附近的吸收峰为木质素中芳香烃化合物的—COOH伸缩振动所引起,表示样品中含有糖醛酸[28],1 000～1 300 cm-1是半纤维素、木质素、纤维素的C—O伸缩振动吸收峰,表示多糖糖环的C—O—H键和C—O—C键[29]。本研究结果表明,3种柑橘皮渣纤维改性前后总体上具有相似的红外光谱,3种改性方法并未改变柑橘皮渣纤维的主要官能团,这与汪楠等[30]高温蒸煮改性竹笋膳食纤维、魏春红等[13]超声波改性小米水溶性膳食纤维结果类似。
a-LPF;b-NPF;c-OPF
图1 改性前后柑橘皮渣纤维傅里叶红外光谱图
Fig.1 Fourier infrared spectra of citrus peel pomace fiber before and after modification
注:LPF-RW、NPF-RW、OPF-RW,未改性柠檬皮渣纤维、脐橙皮渣纤维、沃柑皮渣纤维;LPF-HS、NPF-HS、OPF-HS,高速剪切改性柠檬皮渣纤维、脐橙皮渣纤维、沃柑皮渣纤维;LPF-UL、NPF-UL、OPF-UL,超声波改性柠檬皮渣纤维、脐橙皮渣纤维、沃柑皮渣纤维;LPF-HT、NPF-HT、OPF-HT,高温高压改性柠檬皮渣纤维、脐橙皮渣纤维、沃柑皮渣纤维(下同)。
2.1.3 改性前后柑橘皮渣纤维X-射线衍射光谱图结构分析
图2为改性前后柑橘皮渣纤维的X-射线衍射谱图,可以看出在衍射角2θ为15.48°和22.36°左右时有明显的结晶衍射峰,具有典型的纤维素I晶体构型[31]。改性前后3种柑橘皮渣纤维在15.48°和22.36°左右都出现了结晶衍射峰,说明改性处理并没有使柑橘皮渣纤维的结晶构型发生了明显改变。通过Jade 6软件拟合出,经过HS、UL、HT改性处理后LPF的相对结晶度分别为18.54%、20.42%、21.25%,均低于改性前的27.42%;HS、UL、HT改性后NPF和OPF的相对结晶度依次为18.10%、20.01%、21.49%和15.60%、16.16%、17.43%,也低于改性前的24.61%和21.16%;这是由于上述3种改性处理过程中,柑橘皮渣纤维部分结晶区结构和非结晶区结构被破坏,分子聚合力降低,使这些结构组分溶出或转化为水溶性成分溶出,一些结晶区转变为非定性区,相对结晶度降低[32]。这与刘鸿铖等[33]研究酶解-挤压方法改性绿豆膳食纤维的结果类似。
a-LPF;b-NPF;c-OPF
图2 改性前后柑橘皮渣纤维 X-射线衍射图
Fig.2 X-ray diffractogram of citrus peel pomace fiber before and after modification
2.1.4 改性前后柑橘皮渣纤维热重分析
热重分析技术是指在程序控制温度和一定气氛下连续测量待测样品的质量与温度或时间变化关系的一种热分析技术,用来研究样品的热稳定性[34]。表2是3种改性处理后柑橘皮渣纤维的热重分析表,由表2可以看出,在200 ℃时3种柑橘皮渣纤维经HS、UL改性后的质量残留率均高于改性前(P<0.05),这一阶段主要是水分损失,改性后残留率升高可能与柑橘皮渣纤维持水力提高有关[35]。在300 ℃时改性后的柑橘皮渣纤维质量残留率显著高于改性前或与改性前无显著差异,提示改性样品的热稳定性提高或保持不变,而300 ℃的温度已经远超食品加工中通常所能达到的温度,所以改性有利于提高或维持样品的热稳定性,不会影响其后续加工。
表2 改性前后柑橘皮渣纤维热重质量残留率分布表
Table 2 Distribution of thermogravimetric mass residuals of citrus peel pomace fiber before and after modification
处理方式样品质量残留率(200 ℃)/%质量残留率(300 ℃)/%RWLPF89.85±0.03i61.41±0.03hNPF94.01±0.08f66.65±0.04fOPF92.01±0.07g61.63±0.22ghHSLPF91.13±0.10h61.87±0.02gNPF96.42±0.04b68.08±0.34eOPF96.02±0.23cd74.14±0.06aULLPF96.29±0.24bc71.85±0.01cNPF96.77±0.24a70.87±0.05dOPF95.05±0.05e73.21±0.21bHTLPF95.87±0.03d70.64±0.02dNPF93.06±0.07g66.17±0.30fOPF96.23±0.10bc73.14±0.05b
2.2 改性前后柑橘皮渣纤维理化指标分析
2.2.1 改性前后柑橘皮渣纤维膳食纤维含量分析
表3为改性前后柑橘皮渣纤维的膳食纤维含量。由表3可以看出,改性后3种柑橘皮渣的SDF显著上升,IDF显著下降(P<0.05),通过HS处理的效果最为明显,经HS处理后LPF、NPF、OPF的SDF含量分别较未处理提升了68.71%、73.90%、91.47%。由表3还可以看出,相同处理方式时3种皮渣改性前后SDF含量大小均表现为LPF>NPF>OPF,且3种皮渣之间均具有显著差异(P<0.05),提示LPF经HS处理后具有更高的SDF提升潜力。SDF升高的原因是由于机械处理的过程均可以有效促进IDF向SDF转化,在释压过程中产生的强剪切力,也可进一步促使原料中的纤维素、半纤维素、不溶性果胶类化合物等成分发生不同程度的降解,转化为水溶性糖类[18]。该结果与吴卫成等[36]超声波改性甘薯皮渣膳食纤维的变化趋势一致。
表3 改性前后柑橘皮渣纤维膳食纤维含量
Table 3 Dietary fiber content of citrus peel pomace fiber before and after modification
处理方式样品TDF/(g/100 g)IDF/(g/100 g)SDF/(g/100 g)RWLPF73.32±0.34c60.25±0.38a13.07±0.18gNPF64.41±0.36e53.91±0.18cd10.50±0.30iOPF55.80±0.37h47.59±0.14g8.21±0.32jHSLPF75.58±0.28a53.53±0.10d22.05±0.24aNPF65.26±0.23d46.70±0.32g18.26±0.27cOPF57.69±0.30f41.97±0.27i15.72±0.35eULLPF74.15±0.08b54.81±0.27c19.34±0.23bNPF64.99±0.71d48.58±0.41f16.41±0.25dOPF56.83±0.16g44.53±0.32h12.30±0.15hHTLPF73.35±0.29c56.69±0.21b16.66±0.24dNPF65.05±0.08d50.70±0.35e14.35±0.40fOPF56.08±0.29h45.38±0.26h10.70±0.19i
2.2.2 改性前后柑橘皮渣纤维持水力、持油力、膨胀力分析
持水力、持油力和膨胀力是膳食纤维重要的功能特性指标,持水力和膨胀力分别反映膳食纤维粉与过量水分相互作用产物的质量与体积的变化情况,良好的持水力和膨胀力,可防止食品脱水收缩[37];良好的持油力,可提高食品的乳化稳定性,更好地阻止脂肪流失。由表4可以看出,经过3种方法处理后LPF、NPF、OPF的持水力、持油力和膨胀力均显著上升(P<0.05),其中HS处理提升效果最好。改性后持水力、持油力、膨胀力的增大,与膳食纤维的粒度减小和比表面积增大有关,氢键暴露更多,促进其持水溶胀,渗透进更多的油[38],还可能与改性后结晶度降低有关[39],这与YU等[40]通过不同改性方式处理胡萝卜渣IDF、DRAKOS等[5]通过酶法处理绿豆皮渣膳食纤维相关报道研究结果一致。相同处理方式,不同品种间的柑橘皮渣纤维持水力、持油力、膨胀力也表现出显著差异(P<0.05),持水力和膨胀力均是LPF表现最好,经HS、UL处理后LPF的持油力最高,提示改性后的柑橘皮渣纤维,尤其是LPF具有更好的理化特性,有利于减少食品加工过程中水分和脂肪的流失,提高食品的品质[41]。
表4 改性前后柑橘皮渣纤维持水力、持油力、膨胀力
Table 4 Water holding capacity, oil holding capacity and swelling capacity of citrus peel pomace fiber before and after modification
处理方式样品持水力/(g/g)持油力/(g/g)膨胀力/(g/g)RWLPF 7.61±0.09e1.14±0.05j14.41±0.45gNPF6.50±0.28g1.50±0.05i11.46±0.45hOPF5.75±0.24h1.75±0.05h9.73±0.42iHSLPF11.08±0.06a2.86±0.03a23.66±0.42aNPF9.68±0.13b2.52±0.03b21.37±0.35bOPF7.97±0.04d2.78±0.08a18.03±0.25dULLPF11.31±0.03a2.27±0.08d19.55±0.18cNPF7.62±0.20e2.00±0.05fg17.33±0.35eOPF6.63±0.08g2.05±0.05f11.27±0.31hHTLPF11.31±0.23a1.95±0.04g23.17±0.15aNPF8.62±0.31c2.37±0.08c19.33±0.42cOPF7.04±0.03f2.15±0.05e16.07±0.31f
2.3 改性前后柑橘皮渣纤维功能指标分析
2.3.1 改性前后柑橘皮渣纤维总酚、总黄酮含量分析
由图3可知,经改性处理后柑橘皮渣纤维总黄酮和总酚的含量发生显著变化(P<0.05),通过HS、UL改性方式处理后总酚和总黄酮的含量显著升高(P<0.05),尤其是HS处理的最为明显,LPF、NPF、OPF总酚含量较未改性处理分别增长了23.58%、30.13%、23.13%;总黄酮含量较未改性处理分别增长了26.55%、26.62%、32.98%。这种变化趋势与朱珂[42]研究的超声波改性咖啡果皮可溶性膳食纤维结果相似,都是经改性后总酚和总黄酮含量显著提高。可能是由于通过HS、UL改性处理后粉体平均粒径减小,颗粒更加均匀,使酚类物质更易溶出。同时由图3还可以看出,同一处理方式3种柑橘皮渣中LPF的总酚和总黄酮含量最高,提示LPF可能具有较好的抗氧化、抗炎症、抗心血管疾病等活性功能,更利于在食品中的应用[43]。
a-总酚含量;b-总黄酮含量
图3 改性前后柑橘皮渣纤维总酚、总黄酮化合物的含量
Fig.3 Content of total phenols and total flavonoid compounds in citrus peel pomace fiber before and after modification
注:不同小写字母代表不同处理方式同一品种之间差异显著(P<0.05);不同大写字母代表同一处理方式不同品种之间差异显著(P<0.05)(下同)。
2.3.2 改性前后柑橘皮渣纤维体外胆固醇吸附能力分析
胆固醇摄入过多是引发心血管疾病的主要原因之一,而膳食纤维能有效吸附胆固醇,阻碍胆固醇进入肠肝循环,降低患病风险[44]。膳食纤维能够通过物理吸附和化学螯合作用结合胆固醇分子,通过实验模拟改性前后柑橘皮渣纤维在胃(pH 2)与小肠(pH 7)环境下对胆固醇的吸附。由图4可知,经过3种改性方式处理后的柑橘皮渣纤维吸附胆固醇能力显著提高(P<0.05),其中经HS处理的3种皮渣纤维吸附胆固醇能力最优,在pH 2条件下经HS处理后LPF、NPF、OPF 3种柑橘皮渣纤维胆固醇吸附能力,较未改性的增加了97.85%、128.10%、144.67%;在pH 7条件下经HS处理后LPF、NPF、OPF 3种柑橘皮渣纤维胆固醇吸附能力较未改性的增加了112.87%、115.20%、129.24%;且相同处理不同品种的柑橘皮渣纤维中LPF的胆固醇吸附能力最好。郑佳欣[45]的研究结果表明,膳食纤维结合胆固醇的能力不仅与其内部结构有关,成分组成也是影响其结合胆固醇能力的重要因素之一,SDF相比IDF在吸附胆固醇方面效果更好。HS处理柑橘皮渣纤维吸附胆固醇能力最好,可能是比表面积增大更明显,结构出现更多的空隙;LPF的吸附胆固醇能力更强,可能因为其果胶含量更丰富[46],SDF含量更高,增加其吸附胆固醇的能力。
a-pH 2胆固醇吸附能力;b-pH 7胆固醇吸附能力
图4 改性前后柑橘皮渣纤维胆固醇吸附能力
Fig.4 Cholesterol adsorption capacity of citrus peel pomace fiber before and after modification
2.3.3 改性前后柑橘皮渣纤维体外亚硝酸盐吸附能力分析
亚硝酸盐在食品行业(特别是肉制品)中应用广泛,起到防腐剂、发色剂等作用,有利于肉制品的保存。然而,亚硝酸盐具有一定毒性,且可能在烹饪过程中或摄入后与其他食物中的化合物反应,生成致癌物,过量摄入亚硝酸盐可增加致癌的风险,因此降低人体内亚硝酸根离子的含量具有重要意义[47]。由图5可知,经HS、UL改性后的柑橘皮渣纤维吸附亚硝酸盐能力较未改性处理显著提升,而HT改性后吸附能力显著下降(P<0.05),不同pH条件下3种改性方式亚硝酸盐吸附能力大小均表现为HS>UL>HT。由图5还可以看出,相同处理方式下不同品种的柑橘皮渣亚硝酸盐吸附能力为LPF>NPF>OPF。王志宏等[48]的报道显示,亚硝酸盐的吸附主要属于化学吸附,对亚硝基有吸附作用的主要是酚酸基团。因HS、UL处理后柑橘皮渣纤维总酚的含量升高,可能提高了亚硝酸盐的吸附能力,而HT处理后受长时间高温的影响总酚含量损失,降低了吸附能力。LPF的亚硝酸盐吸附能力最高可能是由于LPF的总酚含量及SDF含量显著高于其余2种(P<0.05),提高了其亚硝酸盐的吸附能力。
a-pH 2亚硝酸钠吸附能力;b-pH 7亚硝酸钠吸附能力
图5 改性前后柑橘皮渣纤维亚硝酸盐吸附能力
Fig.5 Nitrite adsorption capacity of citrus peel pomace fiber before and after modification
3 结论
本文以3种典型的柑橘皮渣(柠檬、脐橙、沃柑)为代表,采用HS、UL、HT 3种物理方法对其进行改性,比较了改性前后LPF、NPF、OPF结构特性和理化功能特性差异。结果表明,3种改性处理后,柑橘皮渣纤维均表现为粒径减小,比表面积增大;相对结晶度降低;热稳定性良好,主要官能团结构没有发生改变;SDF含量显著上升(P<0.05),持水力、持油力、吸附胆固醇能力等理化功能特性也得到有效提高。整体而言,HS处理后3种柑橘皮渣的SDF含量最高,结构与理化功能特性最佳;3种物理改性后都是LPF表现最优。本研究结果可为改善不同品种柑橘皮渣纤维结构、理化功能特性提供一定的理论依据,HS改性后的柑橘皮渣纤维,尤其是LPF可望应用于相关食品中改善食品的功能,对延长不同品种柑橘皮渣加工产业链具有重要意义。
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