蒸汽爆破对石榴皮渣膳食纤维结构、理化及功能性质的影响

石榴(Punica granatum L.),别名安石榴、丹若等,在全球范围内广泛种植,中国作为石榴的主要种植国家之一,在豫鲁皖苏地区、陕晋地区和新疆等地种植颇为集中[1]。据估计,2021年全球石榴市场规模已达到2.359 4亿美元,预计到2030年将增加到3.386亿美元[2]。石榴因营养丰富、具有药用价值,其产量不断攀升,发展前景较为广阔[3]。石榴的主要食用方式为鲜食,石榴汁、石榴酒等产品的加工则居其次[4]。然而,在石榴食用和加工过程中,占石榴果实总质量近半的副产物被大量遗弃,这将直接引发环境污染和资源浪费等严峻问题[5]。而石榴的副产物蕴藏着丰富的营养与功能性成分,如蛋白质、脂质、纤维素、游离氨基酸、可溶性糖类、多酚化合物、黄酮类化合物等[6]。以上成分不仅为石榴副产物的综合利用提供了坚实的物质基础,也为石榴在食品、医药等领域的应用开辟了广阔前景[4]。现阶段对石榴副产物综合利用的研究主要集中在提取石榴皮中的多酚物质和石榴籽油上,对其他活性成分的利用则有所忽视。因此,针对石榴皮渣中其他活性成分的挖掘与利用成为了目前的研究热点之一。

膳食纤维(dietary fiber,DF)是指植物细胞壁、多糖、木质素及相关物质的总和,不易被人体消化吸收。DF可有效促进肠道蠕动,具有降血糖、降低血清胆固醇、预防便秘、增加肠道有益菌等多种功效。依照其在水中的溶解特性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)。SDF含量的高低可作为评价DF品质的关键指标之一,若SDF的含量在10%以上,可最大限度地发挥其良好的加工特性、生理活性和保健功能[6]。石榴皮渣中SDF含量较低约为7.5%,因此,通过合适的改性处理手段,不仅能提高石榴皮渣中SDF含量,还能够进一步优化SDF的品质特性。

蒸汽爆破技术的原理是物料在高温、高压处理的条件下,蒸汽爆破瞬间释放的压力导致纤维紧密结构断裂,改变了纤维的性质,共价键断裂、聚合物链内重组形成新的键,使低分子物质溶出,从而改变聚合物的最终结构[7]。蒸汽爆破技术已被应用于蔬菜、水果、粮谷类食品的DF改性,且效果显著。如王田林[8]以甘薯渣为原料进行蒸汽爆破,结果表明,蒸汽爆破技术能显著提高甘薯渣DF中SDF含量,并增加SDF的持油力(oil holding capacity,OHC)、持水力、吸水膨胀力、葡萄糖的吸收能力、阳离子交换能力等物化和功能特性。李素芬等[9]应用蒸汽爆破预处理不同种米糠增加其SDF含量,并提升了SDF对α-淀粉酶活性的抑制能力及抗氧化性。本课题组前期证明蒸汽爆破改性后的豆渣SDF不仅具有更好的理化及功能特性,还能够促进肠道菌群中有益菌的生长,抑制有害菌的增殖[10]。然而,蒸汽爆破技术对石榴皮渣SDF的影响尚不清楚。

因此,本实验将SDF提取率作为指标,将粒径、汽爆压力、维压时间设定为变量展开单因素试验,以此来遴选出最佳改性工艺条件;同时对蒸汽爆破石榴皮渣SDF结构性质、理化性质以及功能特性进行研究,旨在为石榴皮渣SDF在食品加工中的应用给予理论依据与科学基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

石榴,荥阳市河阴石榴开发有限公司;石榴皮渣由河南农业大学实验室自制。

无水乙醇,天津市富宇精细化工有限公司;Na2HPO4、NaH2PO4、冰乙酸,天津市致远化学试剂有限公司;NaOH、3, 5-二硝基水杨酸、无水葡萄糖,国药集团化学试剂有限公司;盐酸、浓硫酸,烟台市双双化工有限公司;苯酚,上海麦克林生化科技股份有限公司;以上试剂均为分析纯。α-淀粉酶、碱性蛋白酶、淀粉葡萄糖化酶,合肥博美生物科技有限公司;ABTS阳离子自由基清除能力检测试剂盒、DPPH自由基清除能力检测试剂盒、羟自由基清除能力检测试剂盒,上海酶联生物科技有限公司;以上均为生化试剂。胆固醇(标准品),上海源叶生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

QBS-80B小型汽爆机组,河南鹤壁正道重型机械厂;101-2AB电热鼓风干燥箱,天津市泰斯特仪器有限公司;UV2000紫外可见分光光度计,龙尼科(上海)仪器有限公司;Neo 1600高速冷冻离心机,上海力申科学仪器有限公司;S-3000 N扫描电子显微镜,日本HITACHI公司;D8 ADVANCE X-射线衍射仪,德国BRUKER公司;Nicolet iN10-iZ10傅里叶红外光谱仪,赛默飞世尔科技公司;XL-30C超微粉碎机,广州市旭朗机械设备有限公司;FA224电子分析天平,上海舜宇恒平科学仪器有限公司;YC-S30恒温摇床,天津市泰斯特仪器有限公司;20HOP1951 pH计,上海大普仪器公司。

1.3 实验方法

1.3.1 石榴皮渣DF蒸汽爆破改性工艺流程

将石榴皮渣依次通过粒径为20、40、60、80、100目的目筛,分别收集后备用。把定量的石榴皮渣置于蒸汽爆破汽爆仓内,分别设置汽爆压力为(0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 MPa),分别设置维压时间为(20、60、100、140、180 s),进行蒸汽爆破处理。分别对石榴皮渣的粒径、蒸汽爆破的压力、维压时间进行单因素试验。将处理后的石榴皮渣,于60 ℃烘箱充分烘干并粉碎,制得蒸汽爆破后的样品,干燥保存。

1.3.2 石榴皮渣DF提取方法及提取率计算

石榴皮渣SDF的提取参考王田林[8]的方法并稍作修改。未经改性处理的石榴皮渣中提取的SDF记为0-SDF,经改性处理后的石榴皮渣中提取的SDF记为SE-SDF。

1.3.2.1 石榴渣样品的前处理

参考李素芬等[9]的方法对样品进行去糖处理。取适量样品,按质量比1∶10的比例加入体积分数为80%乙醇溶液,放入摇床中(200 r/min,37 ℃)5 h后,取出样液离心(4 800 r/min,10 min),取沉淀倒回原锥形瓶中,再加入与第1次去糖同样体积的体积分数为80%乙醇溶液,放入摇床中(200 r/min,37 ℃)12 h后,取出样液离心(4 800 r/min,10 min),取沉淀于烘箱中60 ℃烘干,将烘干的去糖样品粉碎。

1.3.2.2 石榴皮渣DF的提取

按照1∶20(g∶mL)的比例将石榴皮渣与0.1 mol/L磷酸盐缓冲液于锥形瓶中混匀,按照与磷酸盐缓冲液体积比800∶1的比例,加入100 mg/mL的α-淀粉酶溶液,90 ℃加热30 min,边加热边振荡,水浴完毕后用pH计调pH值到5.2。再以与磷酸盐缓冲液体积比800∶1比例加入100 mg/mL的淀粉葡萄糖化酶,水浴锅60 ℃加热30 min,边加热边振荡,30 min后以与磷酸盐缓冲液体积比400∶1比例加入50 mg/mL的碱性蛋白酶溶液,调pH值到4.3。将样品离心(4 800 r/min,10 min),取上清液加入4倍体积的体积分数为95%乙醇进行醇沉,醇沉12 h。将醇沉后的样品离心(8 000 r/min,10 min),取沉淀于60 ℃烘箱中烘干至恒重,称重,记录数据。

1.3.2.3 SDF提取率的计算

SDF提取率的计算如公式(1)所示:

式中:m,称重去糖后石榴皮渣样品质量,g;m1,烘干后的SDF质量,g。

1.3.3 石榴皮渣SDF红外光谱的测定

粉碎的石榴皮渣SDF样品取少量,利用傅里叶变换红外光谱进行分析。设置分辨率:4 cm-1,扫描波数范围:4 000～400 cm-1。

1.3.4 石榴皮渣SDF X-射线衍射的测定

参考MA等[11]的方法使用X-射线衍射仪测定蒸汽爆破改性前后SDF的衍射图谱。使用铜靶,设定管压、管流分别为40 kV、40 mA,衍射角设置为2θ,扫描范围为5°～60°。

1.3.5 石榴皮渣SDF扫描电子显微镜的测定

将少量样品放置在导电胶上,使用真空喷镀仪镀金后,在电镜下放大2 000倍和5 000倍扫描并拍照记录。

1.3.6 石榴皮渣SDF持水力、持油力、膨胀力的测定

1.3.6.1 石榴皮渣SDF持水力

参考李益臻等[12]的方法。准确称取0.5 g样品于干燥的50 mL离心管中,记录管中加样品的总质量,注入纯水20 mL,室温下振荡混合12 h,再在4 800 r/min转速离心20 min,倒出上清液,并记录沉淀和离心管总质量,持水力按公式(2)计算:

式中:m0,SDF样品质量,g;m2,干燥离心管加SDF样品的总质量,g;m3,离心后沉淀和离心管总质量,g。

1.3.6.2 石榴皮渣SDF持油力

参考郑佳欣[13]的方法稍作修改。分别称取SE-SDF和0-SDF 0.25 g,于50 mL干燥离心管中,加20 mL大豆油充分混匀,37 ℃静置1 h取出,在5 000 r/min条件下离心20 min,倒出管内的大豆油并且尽量把管壁上的大豆油用滤纸吸干,记吸油后的SDF质量为m1。持油力的计算如公式(3)所示:

式中:m4,称量的DF样品质量,g;m5,吸油后DF质量,g。

1.3.6.3 石榴皮渣SDF膨胀力

参考李益臻等[12]的方法,并稍作修改。分别称取0.3 g的SE-SDF和0-SDF样品,加到带刻度的10 mL试管中,加入8 mL的蒸馏水,与样品混匀后,记录管内样品体积。室温下静置24 h后,记吸水膨胀后的样品体积。膨胀力的计算如公式(4)所示:

式中:m6,称量DF样品质量,g;V1,混匀后管内样品体积,mL;V2,水膨胀后的样品体积,mL。

1.3.7 石榴皮渣SDF功能性质的测定

1.3.7.1 石榴皮渣SDF对胆固醇吸附能力(cholesterol adsorption capacity,CAC)的测定

参考耿宁宁[14]、杨晓宽等[15]的方法稍作修改。取10.0 mg胆固醇标准品,冰乙酸定容至100 mL容量瓶中,制得胆固醇标准液。分别取0.1 mg/mL的胆固醇标准溶液的0、0.16、0.32、0.48、0.64、0.80 mL后,加入冰乙酸补足至0.80 mL并混匀。加入0.4 mL由冰乙酸配制的1.0 mg/mL的邻苯二甲醛溶液和8 mL混合酸(冰乙酸与浓硫酸按照体积比1∶1混匀),混匀后室温静置10 min。测定波长550 nm处的吸光值并绘制标准曲线。测得胆固醇标准曲线:y=8.738 6x+0.002 9,R2=0.997 1。

样品测定:新鲜鸡蛋的蛋黄与蒸馏水按1∶9比例混合,取0.1 g样品与5 mL混合液均匀混合,分别调节pH值为2.0和7.0,随后在37 ℃摇床中反应2 h。随后10 000 r/min离心10 min,取0.1 mL上清液,加0.7 mL冰乙酸、0.4 mL邻苯二甲醛溶液和8.0 mL混合酸,混匀放置10 min后,在550 nm处取200 μL样液测定吸光值。对照为未加样品的蛋黄混合液,CAC的计算如公式(5)所示:

式中:m7,未加样品的溶液胆固醇质量,mg;m8,加样品的溶液胆固醇质量,mg;m9,样品质量,g。

1.3.7.2 石榴皮渣SDF对葡萄糖吸附能力(glucose adsorption capacity,GAC)的测定

参考LI等[16]的方法略作修改。取100.0 mg无水葡萄糖标准品于100 mL容量瓶并用蒸馏水定容,配得葡萄糖标准液。在15 mL离心管中加入0.0、0.1、0.2、0.4、0.8、1.0 mL的葡萄糖标准液,加蒸馏水补足至1.0 mL。向离心管中加入2.0 mL DNS试剂,沸水浴加热2 min后冷却,定容至15 mL。测定波长540 nm时的吸光度来绘制标准曲线。测得葡萄糖标准曲线:y=0.389 2x-0.012 5,R2=0.999 7。

样品测定:取0.1 g样品与10 mL 100 mg/mL葡萄糖溶液混匀。经6 h的37 ℃水浴,4 000 r/min离心20 min,取上清液,540 nm处用DNS法比色,对照为未加入石榴皮渣DF的葡萄糖溶液,GAC的计算如公式(6)所示:

式中:m10,葡萄糖溶液原质量,mg;m11,离心后上清液葡萄糖溶液质量,mg;m12,样品质量,g。

1.3.7.3 石榴皮渣SDF对α-淀粉酶活性抑制能力的测定

参考CHEN等[17]的方法略作修改。准确称取0.1 g样品,与50 mL 1.0 g/100 mL的可溶性淀粉液(调节pH值到6.5)均匀混合,加入0.1 g α-淀粉酶,充分混匀,37 ℃水浴振摇2 h后,3 000 r/min离心15 min,取上清液,于540 nm处利用DNS法比色。

1.3.8 石榴皮渣SDF抗氧化能力的测定

通过ABTS阳离子自由基、DPPH自由基、羟自由基(·OH)清除率来测定SDF的抗氧化能力。按照试剂盒说明书进行测定。

1.3.8.1 DPPH自由基清除率

DPPH自由基清除率标准曲线:在标准品管中加入2 mL体积分数80%甲醇充分溶解即为0.5 mg/mL;取一定量标准品,使用体积分数80%甲醇稀释成25、20、15、10、5 μg/mL。在标准管中加入标准品400 μL和600 μL试剂一混匀,室温避光反应30 min,515 nm波长下,用等体积体积分数80%甲醇调零,测定各管吸光值A,并绘制标准曲线。

称取0.1 g样品后加入1 mL提取液混匀,然后10 000×g 4 ℃离心10 min,测定管取400 μL上清液,加入600 μL试剂一。对照管取400 μL样本加入600 μL提取液。空白管加入400 μL提取液以及600 μL试剂一。混匀,室温避光反应30 min,于波长515 nm处测吸光值A,等体积提取液调零。DPPH自由基清除率的计算如公式(7)所示:

式中:A测定,测定管吸光值;A对照,对照管吸光值;A空白,空白管吸光值。

1.3.8.2 ABTS阳离子自由基清除率

准确称取0.1 g样品,加入1 mL提取液混匀后,10 000×g 4 ℃离心10 min,测定管取50 μL上清液加入950 μL工作液。空白管取50 μL提取液,并加入950 μL工作液。充分混匀,10 min内在734 nm处测定吸光值A,等体积蒸馏水调零。ABTS阳离子自由基清除率的计算如公式(8)所示:

式中:A测定,测定管吸光值;A空白,空白管吸光值。

1.3.8.3 ·OH清除率

测定管取150 μL上清液(测定ABTS阳离子自由基清除率时已制备)加入750 μL工作液、150 μL试剂四;对照管加入750 μL工作液、150 μL试剂四、150 μL蒸馏水;空白管加入750 μL工作液和300 μL蒸馏水。混匀,37 ℃保温60 min,然后8 000×g 25 ℃离心5 min,吸取1 mL于波长536 nm处测吸光值A。·OH清除率的计算如公式(9)所示:

式中:A测定,测定管吸光值;A对照,对照管吸光值;A空白,空白管吸光值。

1.4 数据处理与分析

除1.3.5节实验外,各实验均重复3次,实验数据用“平均值±标准差”表示。采用Origin 2024对分析的数据进行作图,采用SPSS软件对其进行差异显著性分析(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 石榴皮渣DF蒸汽爆破改性单因素试验结果

2.1.1 蒸汽爆破过程中原料粒径对石榴皮渣SDF提取率的影响

将过不同目数的石榴皮渣在1.0 MPa下进行60 s汽爆处理,酶解提取其SDF并计算SDF提取率,探究原料粒径对汽爆改性的影响(图1-a)。汽爆后石榴皮渣SDF提取率随原料粒径的变小呈先增后减的趋势,当原料目数为60目时,SDF的提取率最高,为(11.24±0.66)%,说明原料目数不同会影响改性效果。在一定范围内,随原料目数增大,原料颗粒逐渐变小,原料与水蒸汽接触面积增大,改性后SDF的提取率逐渐提升。但当原料目数继续增大时,物料之间空隙较小,物料接触紧密,容易发生聚集、结块,不利于蒸汽进入物料并释放[18],从而减弱改性效果,降低SDF提取率。

2.1.2 蒸汽爆破过程中压力对石榴皮渣SDF提取率的影响

将60目的石榴皮渣置于汽爆仓内,设维压时间60 s,以不同爆破压力对石榴皮渣DF进行改性。在不同蒸汽爆破压力下SDF提取率的变化(图1-b)。石榴皮渣SDF提取率随汽爆压力的上升而先增后减,汽爆压力为0.6 MPa时,SDF提取率最高,为(11.29±0.37)%,结果表明,蒸汽爆破压力是影响爆破改性DF效果的因素之一。在高温高压的蒸汽爆破条件下,随着压力的增大,不溶解的纤维素、半纤维素等高分子物质发生糖苷键断裂,形成小分子片段的还原糖溶出并转为SDF,增加SDF含量;而当汽爆压力过大的情况下,会造成可溶性糖类部分降解[8],进而降低其SDF含量。

2.1.3 蒸汽爆破过程中维压时间对石榴皮渣SDF提取率的影响

将粒径为60目的石榴皮渣置于汽爆仓内,设汽爆压力为0.6 MPa,得到不同维压时间下的SDF提取率,分析维压时间对其DF效果的影响(图1-c)。当维压时间为20～140 s时,石榴皮渣SDF提取率随着时间的增加而逐渐增大,当维压时间>140 s时,石榴皮渣SDF提取率又随着时间的增加而逐渐降低。维压时间为140 s时,SDF提取率最高,为(13.42±0.12)%,继续增加维压时间,石榴皮渣SDF的提取率降低。蒸汽爆破过程包括高温蒸煮和瞬时减压爆破2个阶段,在一定范围内随着维压时间的增大,可以延长高温蒸煮的过程,从而使石榴皮渣中木质素、纤维素、半纤维素等一些IDF降解并转化为SDF。从而使得SDF提取率增大,但继续增大维压时间,SDF会部分降解,SDF提取率从升高转变为下降趋势[13]。

2.2 蒸汽爆破改性前后石榴皮渣DF结构性质分析

2.2.1 石榴皮渣SDF的红外光谱测定结果

如图2所示,可以看出蒸汽爆破前后红外光谱特征吸收峰位置、数量无明显改变,表明改性过程并未改变石榴皮渣SDF的化学组成,没有产生新官能团[9]。两者均在3 431 cm-1处呈现的宽峰为O—H伸缩振动峰,表明有氢键作用力的存在;波长2 927 cm-1处为C—H伸缩振动形成,1 620 cm-1处为芳香环的苯基团形成的吸收峰,1 020 cm-1附近对应纤维素和半纤维素C

O(—COC)的伸缩振动峰,这几种吸收峰属于多糖的特征吸收峰,表明了石榴皮渣中的SDF有糖类物质的结构。

2.2.2 石榴皮渣SDF的X-射线衍射分析

由图3可知,蒸汽爆破改性前后石榴皮渣SDF的衍射峰形和峰位置并未发生明显变化,反映出改性并未改变SDF的晶型,与纤维素I型结晶结构相符,即结晶区与非结晶区的共存状态[13]。蒸汽爆破前后,SDF的相对结晶度由18.56%下降到11.79%,这可能是由于蒸汽爆破改性后石榴皮渣SDF结晶区遭到了破坏,由有规则的结晶状态变成无定形,结晶度因此下降[19]。也正是由于SDF结晶度的下降使其结构变得疏松多孔,从而提高了SDF的持水力、持油力以及膨胀力等理化性质。

2.2.3 石榴皮渣SDF扫描电子显微镜观测结果

石榴皮渣SDF的表面形态在汽爆前后差异显著(图4),具体表现为:0-SDF的表面呈现出片层状,对比较为光滑;而SE-SDF表面则呈现出大量的蜂窝状结构,且表面膨胀破裂。这一现象的产生,与蒸汽爆破过程中高温蒸煮以及高压瞬间释放的环节,对SDF表面结构的破坏有着密切的关联。何晓琴等[20]研究发现,蒸汽爆破的高温高压蒸煮和瞬时减压爆破过程中的热能可以和剪切力、摩擦力等作用力相结合,从而破坏细胞壁形成多孔结构,增加石榴皮渣的比表面积。白晓州等[21]利用蒸汽爆破处理沙棘果渣发现,沙棘果渣SDF表面出现大量褶皱,并形成孔洞。本研究结果与之相符。

2.3 蒸汽爆破改性前后石榴皮渣DF理化性质分析

2.3.1 持水力分析

膳食纤维的持水力是指DF与水分的物理吸附能力,即其水合能力[22]。由图5-a可知,改性后的SDF持水力明显高于改性前水平(P<0.05),0-SDF持水力为(1.02±0.011) g/g,SE-SDF为(1.21±0.008) g/g。改性后持水力提高可能是因为:一方面经过蒸汽爆破改性后,SDF表面变得粗糙出现很多褶皱,更多的化学基团被暴露出来,促进其与水分的结合;另一方面,蒸汽爆破改性后SDF表面呈多孔网状结构,这种结构的形成能有效锁住水分,从而提高SDF的持水力。以往研究表明,蒸汽爆破改性能够使苦荞麸皮SDF持水力提高74.34%[23];沙棘果渣利用蒸汽爆破改性后其SDF持水力从(4.53±0.46) g/g提升到了(6.06±0.21) g/g[21]。

2.3.2 持油力分析

DF的持油力指通过膳食纤维对油脂的吸附来阻止食物中多余胆固醇的吸收[23],对高血脂、动脉粥样硬化等疾病有一定的预防效果。如图5-b所示,经过蒸汽爆破改性后SDF的持油力显著提升(P<0.05),0-SDF持油力为(1.42±0.16) g/g,SE-SDF持油力为(2.28±0.2) g/g。SE-SDF持油力约为0-SDF的1.6倍,存在显著性差异(P<0.05)。经过蒸汽爆破改性后,SDF结构变得松散,形成多孔网状结构,可将大分子的油脂锁在其内部,从而提高了SDF的持油能力。DF持油力的提升对防止食品加工中脂质的损失起着积极的作用[24]。唐鑫静[25]研究发现,薏苡仁麸皮蒸汽爆破改性后持油力显著增加了47.30%,可能是由于蒸汽爆破改性破坏了薏苡仁麸皮SDF的空间结构,疏松多孔的结构有利于吸附更多油脂。

2.3.3 膨胀力分析

在某种程度上,膨胀力可反映DF的持水能力。如图5-c所示,0-SDF的膨胀力为(1.34±0.03) mL/g,SE-SDF膨胀力为(2.61±0.03) mL/g。蒸汽爆破改性后,石榴皮渣SDF的膨胀力显著提高(P<0.05),约为0-SDF的1.9倍。蒸汽爆破改性后,石榴皮渣中SDF的结构被破坏,呈多孔隙的网状结构,比表面积增大,暴露出更多的官能团,从而促进SDF对水的吸附。李悦等[26]对麦麸进行蒸汽爆破改性也发现,麦麸SDF膨胀力提高了11.24%,可能是由于蒸汽爆破改性增加了麦麸SDF含量,亲水基团增多,从而增强麦麸SDF的水合能力。

2.4 蒸汽爆破改性前后石榴皮渣DF功能性质分析

2.4.1 蒸汽爆破改性前后石榴皮渣DF胆固醇吸附能力测定

实验分别模拟胃环境(pH=2)和肠道环境(pH=7),并测定改性前后石榴皮渣SDF对胆固醇的吸附能力(图6-a)。在pH=2的条件下,蒸汽爆破改性后,石榴皮渣SDF对胆固醇吸附能力显著提升,SE-SDF约为0-SDF胆固醇吸附能力的1.47倍。在pH=7的条件下,蒸汽爆破改性显著提升了石榴皮渣SDF对胆固醇的吸附能力,SE-SDF约为0-SDF胆固醇吸附能力的1.53倍。改性后的DF结构遭到破坏,内部无序性增强,暴露出更多的化学基团,从而促进了DF对胆固醇的吸附[13]。并且,不论是否经过蒸汽爆破改性,在pH=7条件下,SDF对胆固醇的吸附能力均优于pH=2时的情况,表明肠道环境对DF吸收胆固醇更为有利,原因可能在于pH较低时,酸性环境的H+与SDF、胆固醇所带的正电荷相互排斥,阻碍了SDF与胆固醇的结合;pH增大时,SDF分子中的—COOH发生解离产生羧基阴离子,从而能够和胆固醇所带的正电荷紧密结合,促进了SDF对胆固醇的吸附[27]。郑佳欣[13]在研究蒸汽爆破处理对刺梨渣DF影响时发现,改性后的刺梨渣SDF表现出更强的胆固醇吸附能力,且在pH=7条件下效果更好。

2.4.2 蒸汽爆破改性前后石榴皮渣DF葡萄糖吸附能力测定

由图6-b可知,0-SDF葡萄糖吸附能力为(9.65±0.97) mg/g,SE-SDF为(28.33±1.44) mg/g。经过蒸汽爆破处理的石榴皮渣SDF约为未处理样品SDF葡萄糖吸附能力的2.9倍,蒸汽爆破改性后,石榴皮渣SDF葡萄糖吸附能力显著提高。因为经过蒸汽爆破改性后,DF表面形成多孔片层结构,出现大量褶皱和空隙,促进DF吸附更多葡萄糖分子。更多化学基团的暴露,使SDF与葡萄糖分子的亲和力增强,这些都促进了DF对葡萄糖吸附能力的提高[28]。与本研究结果类似,蒸汽爆破处理香蕉花后SDF的葡萄糖吸附能力高于未处理样品,这可能是DF中的多糖成分具有吸附能力,而蒸汽爆破改性增加了香蕉花SDF多糖成分的溶出,从而提高了葡萄糖吸附能力[29]。

2.4.3 蒸汽爆破改性前后石榴皮渣DF α-淀粉酶活性抑制能力测定

如图6-c所示,改性后石榴皮渣SDF对α-淀粉酶抑制能力提高,0-SDF α-淀粉酶抑制能力为(13.42±1.89)%,SE-SDF为(30.62±2.54)%,提高约1.3倍。其对α-淀粉酶的抑制作用主要体现在DF的组分能够包裹住淀粉和淀粉酶部分,减少接触;并且DF还具备吸附淀粉酶的能力,降低与淀粉相互作用的酶量[13]。汽爆后的石榴皮渣DF表面结构更粗糙,多褶皱片层结构吸附并固定更多的酶和大分子淀粉于表面,酶抑制作用更加显著[13]。以往研究表明,蒸汽爆破处理甘薯渣SDF后,甘薯渣SDF α-淀粉酶抑制能力比改性前提高了1.59倍[8]。

2.4.4 蒸汽爆破改性前后石榴皮渣DF抗氧化能力测定

由图6-d可知,蒸汽爆破改性未对石榴皮渣SDF的DPPH自由基清除率和ABTS阳离子自由基清除率产生影响,仍保留了较好的自由基清除能力,而·OH清除率却显著提高。·OH清除能力显著提升可能是因为膳食纤维中的—OH可以与酚类物质形成氢键作用力,酚类物质的酚羟基作为·OH的清除物质,可与之发生反应,捕获消除·OH。由于石榴皮渣SDF的分子结构遭到破坏,使其暴露出更多的官能团,包括·OH,既能使更多的多酚物质与·OH形成分子间氢键,又为·OH与酚羟基的反应提供更多反应位点[13],有利于抗氧化能力的发挥。王磊等[30]研究发现,汽爆处理后小麦麸皮SDF的·OH清除率提升了9.87%,可能是由于改性处理后,小麦麸皮SDF粒径减小、比表面积增大,促进了SDF中活性成分的溶解和释放,增加了SDF中抗氧化成分与试剂的接触机会。

3 结论

本研究以石榴皮渣为原料,通过蒸汽爆破对石榴皮渣DF进行改性,利用单因素试验得到最佳条件:石榴皮渣粒径60目,汽爆压力0.60 MPa,维压时间140 s。该条件下,石榴皮渣SDF提取率为(13.42±0.12)%,对比未处理石榴皮渣SDF提高了(5.91±0.04)%。蒸汽爆破改性使石榴皮渣的SDF由致密的结构变为了疏松多孔,多褶皱的片层结构;SDF暴露出更多的化学基团,分子间氢键作用力增强,但未改变SDF的多糖结构性质;SDF结晶由规则区到无定形区,结晶度下降。蒸汽爆破增加了石榴皮渣SDF的持水力、持油力和膨胀力,提升了SDF对胆固醇、葡萄糖的吸附能力以及α-淀粉酶的抑制能力。此外,蒸汽爆破处理后的石榴皮渣SDF的·OH的清除能力增加,说明其抗氧化性能一定程度上得到提升。

综上,本研究证明了蒸汽爆破能够改善石榴皮渣SDF的理化与功能特性。在未来的研究中,可采用其他高效的改性技术与蒸汽爆破技术联用制备SDF,结合动物实验确定其安全特性;通过组学技术、分子生物学技术等探究其潜在生物活性、对肠道健康的影响及其相关机制等,从而提高石榴皮渣DF相关食品原料的安全性和综合利用性。此外,可以针对石榴皮渣DF开展不同类型食品的开发与应用,优化适合产业化生产的加工工艺。

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