菠萝(Ananas comosus L.Merrill)是我国重要的热带经济水果之一,年产量可达200万t,除作为新鲜水果食用以外,还被加工成罐头、果汁以及提取菠萝蛋白酶来提高其附加值,在这些过程中通常会产生约占菠萝全果质量50%的皮渣。但是,目前大部分菠萝皮渣未被充分利用而丢弃,加工利用率较低,造成了极大的资源浪费和环境污染[1-3]。菠萝皮渣含有丰富的纤维素、半纤维素、木质素和果胶等膳食纤维成分,可作为优质膳食纤维原料对其进行利用[4]。其中,菠萝皮渣中的纤维素、半纤维素和木质素等不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber, IDF)组分含量较高,但针对其提取和理化性质研究报道较少。
膳食纤维是一种存在于植物中的碳水化合物聚合物,根据溶解性差异可分为可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber, SDF)和IDF[5-6]。SDF主要包括可溶性半纤维素和果胶等,具有降低血糖和调节血脂的作用;IDF主要包括纤维素、木质素和不溶性半纤维素等,可以有效刺激肠道蠕动,促进排便[7]。膳食纤维中的SDF含量通常较低,大部分为IDF。目前,通过提取和改性方法调控是提高膳食纤维利用率和改善功能特性的有效途径[8]。例如,通过一些化学法(如酸、碱处理)[5,9]、物理法(如球磨、超高压)[10-11]和生物法(如酶解、发酵)[12-13]已被研究报道,主要通过破坏膳食纤维中的糖苷键提升SDF的比例或降低其抗酶解能力提高生物利用度、提高结构疏松度并增加孔隙等增强膳食纤维功能特性[8,12]。其中,物理方法操作简单、环境友好,酶解法具有选择性高、条件温和的优势,通过2种及以上方法联合使用可以充分融合不同改性方法的优点以克服单独使用的局限性而受到关注[14-17]。此外,现有研究大多数针对SDF提取和理化特性进行研究,关于IDF的研究相对较少。
本文采用球磨辅助酶法(ball milling-assisted enzymatic method, BME)处理菠萝皮渣,获得菠萝皮渣不溶性膳食纤维(pineapple peel insoluble dietary fiber, PIDF)和菠萝皮渣可溶性膳食纤维(pineapple peel soluble dietary fiber, PSDF),重点探究BME处理中球磨时间对PIDF结构特性和理化特性的影响,并对其功能特性进行初步研究,以期为菠萝皮渣高值化利用及其膳食纤维食品领域应用提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
菠萝皮渣原料由重庆市北碚区永辉超市免费提供,新鲜菠萝皮渣收集后清洗去除杂质,然后用榨汁机捣碎后用纱布过滤清洗至滤出液无色,收集滤渣后干燥(50 ℃,16 h),再用中草药粉碎机粉碎后过80目筛,得到菠萝皮渣干粉(pineapple peel, PP);α-淀粉酶(2 000 U/g),上海麦克林生化科技股份有限公司;纤维素酶(50 U/mg),上海易恩化学技术有限公司;其他试剂均为国产分析纯。
1.2 仪器与设备
Spectrum100型傅里叶变换红外光谱仪,美国珀金埃尔默股份有限公司;XPert3 Powder10300型X射线衍射仪,荷兰帕纳特仪器有限公司;TGA550型热重分析仪,美国TA公司;Phenom Pro型扫描电镜,荷兰Phenom World公司;UV-2450型紫外分光光度计,日本岛津公司;FD-1-50型真空冷冻干燥机,博医康(北京)仪器有限公司;BM6pro型行星式球磨仪,北京格瑞德曼仪器设备有限公司;FW135型中草药粉碎机,天津市泰斯特仪器有限公司;MultifugeX3R型通用台式离心机,美国赛默飞世尔科技有限公司;DGG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱,上海齐欣科学仪器有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 PIDF制备
参考樊华等[14]的方法并稍作修改。取1 g菠萝皮渣(pineapple peel, PP)与HCl溶液(pH 6.0)按料液比1∶20混合,然后放至在球磨罐中(氧化锆球与PP的质量比为5∶1),以400 r/min固定转速研磨0.5、1和2 h处理菠萝皮渣,进一步将球磨处理后的皮渣在沸水浴下搅拌30 min进行溶胀,调节pH值至6.0,依次加入α-淀粉酶(添加量0.5%)、纤维素酶(添加量1%)在55 ℃下酶解1 h,沸水浴灭酶5 min,冷却至室温。酶解液离心(3 488×g,10 min)后收集沉淀并冷冻干燥可获得IDF,根据球磨时间分别命名为PIDF-BME-0.5、PIDF-BME-1和PIDF-BME-2,未经球磨处理直接酶解的样品命名为PIDF-E。为考察球磨处理对膳食纤维组分的影响,酶解离心后的上清液与4倍体积95%乙醇溶液混合后4 ℃静置24 h,离心(3 488×g,10 min)后收集沉淀并冷冻干燥可获得SDF,对应命名为PSDF-BME-0.5、PSDF-BME-1和PSDF-BME-2,未经球磨处理直接酶解的样品命名为PSDF-E。
1.3.2 膳食纤维得率计算
根据公式(1)计算菠萝皮渣膳食纤维的得率:
得率
(1)
式中:m1,PIDF-BME、PSDF-BME或PIDF-E、PSDF-E的质量,g;m0,菠萝皮渣质量,g。
1.3.3 结构表征
1.3.3.1 傅里叶红外光谱
使用傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)仪对PP和PIDF的化学官能团进行分析,扫描范围4 000～400 cm-1,扫描分辨率4 cm-1,扫描次数32次。
1.3.3.2 X-射线衍射
使用X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)仪对PP和PIDF晶体结构进行分析。扫描范围5°～50°,扫描速率10°/min,工作电压40 kV,工作电流40 mA。采用Segal经验公式,按照公式(2)计算样品的结晶度指数(CrI,%):
(2)
式中:I200是结晶峰面200的最大衍射峰强度(2θ=22°),Iam为无定型峰的峰强(2θ=18°)。
1.3.3.3 热重分析
使用热重(thermogravimetric analysis,TG)分析仪对PP和PIDF样品进行分析,记录样品的TG和微分热重(DTG)曲线。在氮气氛围下采用10 ℃/min的升温速率,温度范围为25～600 ℃。
1.3.3.4 扫描电镜
使用扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)对PP和PIDF的微观形貌进行观察。将样品进行喷金处理制样,观察样品的表面微观结构并拍照记录。
1.3.4 理化性质测定
1.3.4.1 持水力和持油力测定
参考王玲玉等[7]的方法并稍作修改。取0.5 g样品分别与20 mL去离子水和食用油于离心管混合均匀以测定持水力和持油力,室温静置6 h后离心(1 961×g,15 min),收集沉淀物并称重记录。根据公式(3)计算样品持水力/持油力:
持水力或持油力
(3)
式中:m1,溶胀样品的质量,g;m0,干燥样品的质量,g。
1.3.4.2 膨胀力测定
参考王玲玉等[7]的方法并稍作修改。取1.0 g样品和8 mL去离子水加入10 mL量筒中,混匀后室温静置24 h。根据公式(4)计算样品膨胀力:
膨胀力
(4)
式中:V2,膨胀后样品的体积,mL;V1,膨胀前样品的体积,mL;m,干燥样品的质量,g。
1.3.5 功能特性分析
1.3.5.1 阳离子交换能力测定
参考汤彩蝶等[18]的方法并稍作修改。将0.5 g样品与100 mL质量分数5%的NaCl溶液混合,搅拌5 min后测定溶液pH值。然后每次加入1 mL 0.01 mol/L的NaOH溶液并搅拌5 min同时记录pH值,当添加的NaOH溶液总体积达10 mL时停止,记录溶液pH值随添加的NaOH溶液体积增加的变化趋势。
1.3.5.2 葡萄糖吸附能力测定
参考赵宇楠等[12]的方法并稍作修改。在锥形瓶中加入0.5 g样品与100 mL葡萄糖溶液(100 mmol/L),在培养箱中37 ℃振荡孵育6 h,然后离心(1 961×g,15 min),采用DNS比色法测定上清液中的葡萄糖含量。根据公式(5)计算样品葡萄糖吸附能力:
葡萄糖吸附能力
(5)
式中:c0,吸附前葡萄糖浓度,mmol/L;c1,吸附后葡萄糖浓度,mmol/L;V,溶液体积,mL;W,样品质量,g;0.180,葡萄糖摩尔质量,kg/mol。
1.3.5.3 亚硝酸盐吸附能力测定
参考刘静娜等[19]的方法并稍作修改。取2份0.5 g样品分别与100 mL亚硝酸钠溶液(100 μmol/L)在锥形瓶中混匀,分别调节pH值至2.0和7.0,在培养箱中37 ℃振荡孵育6 h后于离心(1 961×g,15 min),采用盐酸萘乙二胺法测定上清液中的亚硝酸盐含量。根据公式(6)分别计算样品在pH值为2.0和7.0环境时的亚硝酸盐吸附能力:
亚硝酸盐吸附能力
(6)
式中:m0,吸附前亚硝酸盐含量,μg;m1,吸附后亚硝酸盐含量,μg;W,样品质量,g。
1.3.5.4 胆固醇吸附能力测定
参考赵时珊等[20]的方法并稍作修改。使用蛋黄模拟胆固醇,并用去离子水以1∶9(体积比)稀释充分混合均匀成乳液,测定吸附前蛋黄液中的胆固醇含量。取2份0.5 g样品分别与50 g稀释蛋黄液在锥形瓶中混匀,分别调节pH值至2.0和7.0。在培养箱中37 ℃振荡孵育6 h,然后离心(1 961×g,15 min),采用邻苯二甲醛法测定上清液中的胆固醇含量。根据公式(7)分别计算样品在pH值为2.0和7.0环境时的胆固醇吸附能力:
胆固醇吸附能力
(7)
式中:m0,吸附前胆固醇含量,μg;m1,吸附后胆固醇含量,μg;W,样品质量,g。
1.4 数据处理
所有测试均至少进行3次重复试验,数据结果用“平均值±标准差”表示;运用SPSS 27.0统计软件对数据进行Duncan法差异显著性分析,P<0.05为差异显著;运用Origin 2021软件进行绘图。
2 结果与分析
2.1 膳食纤维得率
图1为BME处理中不同球磨时间对PSDF和PIDF得率的影响。随着球磨时间的延长,PIDF的得率逐渐下降,反之PSDF的得率逐渐增加。经BME处理得到的IDF得率均低于单一酶处理样品PIDF-E的得率(78.25%),且随着球磨时间的延长,PIDF-BME的得率呈现逐渐降低的趋势,PIDF-BME-2的得率下降至67.25%;PSDF-E得率为7.06%,而PSDF-BME-2得率为11.78%,说明球磨处理可将部分IDF转化为SDF。BME处理可以破坏木质素和半纤维素的分子间作用力,从而增加半纤维素含量,并将纤维素和木质素降解为小分子物质,降低纤维素和木质素含量[21]。SDF含量超过10%的膳食纤维被认为拥有更高品质,具有更优的营养价值和结构特性[22]。综上,BME处理可提高膳食纤维中SDF得率,有助于提取出更优质的菠萝皮渣膳食纤维以提高其利用率,在食品领域具有良好的应用前景。由于菠萝皮渣中的PIDF含量较高,后续主要对PIDF进行结构表征和理化特性分析。
图1 BME处理中不同球磨时间对菠萝皮渣膳食 纤维得率的影响
Fig.1 Effect of different milling time in BME treatment on the yield of dietary fiber from pineapple peel
注:小写字母不同表示差异显著(P<0.05)(下同)。
2.2 结构表征
2.2.1 FTIR分析
图2为PP和PIDF的FTIR谱图。球磨处理前后特征峰的位置和峰型基本相同,这说明球磨处理对PIDF的官能团无显著影响。3 500 ～ 3 100 cm-1处的吸收峰主要来自纤维素和半纤维素的O—H伸缩振动,经BME处理后,此处吸收峰形状由宽而圆滑变得更尖锐,这归因于此处PIDF中部分糖苷键经球磨处理发生断裂,从而增强了氢键的缔合程度[18],这可能有助于增强样品的持水性。2 920 cm-1处的吸收峰代表了来自C—H的收缩振动[14]。1 643 cm-1处的吸收峰来源于糖醛酸中C
O的非对称伸缩振动,其峰宽和峰强与膳食纤维中醛基和羧基含量有关[9]。随球磨时间延长峰强度逐渐增强,表明膳食纤维中醛基或羧基数量可能因球磨处理而增多。1 543 cm-1处弱吸收峰是木质素中的苯环骨架拉伸振动引起的[23]。1 039 cm-1处的尖锐吸收峰表明存在纤维素和半纤维素的糖苷键C—O拉伸振动,877 cm-1处的吸收峰与β-糖苷键振动相关,随着球磨时间的延长,在1 039和877 cm-1处吸收峰强度增强且向短波方向移动,这可能是由于球磨处理后纤维素、半纤维素降解重排,使糖类的特征吸收峰增强[18]。
图2 PP和PIDF的FTIR谱图
Fig.2 FTIR spectra of PP and PIDF
2.2.2 XRD分析
图3为PP和PIDF的XRD谱图。各组均在22°左右处有显著的衍射峰,属于纤维素的特征结晶区。此外,各组在15°和35°附近处存在较弱的衍射峰,属于典型的纤维素Ⅰ型晶体结构,包括结晶区及无定形区,而半纤维素在22.3°附近的衍射峰与纤维素峰在此处可能产生重叠[5,14]。经过Segal经验公式计算的PP、PIDF-E、PIDF-BME-0.5、PIDF-BME-1和PIDF-BME-2的CrI值分别为19.50%、21.75%、22.72%、25.18%和26.87%,表明球磨处理增加了PIDF的结晶度指数,这与SONG等[17]得出的球磨处理能提高柑橘纤维的结晶度研究结果一致。而峰的位置与峰宽无显著变化,表明球磨处理没有改变样品的结晶区,结晶度指数的增加可能是BME处理使PIDF样品无定形区的部分降解造成的。
图3 PP和PIDF的XRD谱图
Fig.3 XRD patterns of PP and PIDF
2.2.3 TG分析
图4为PP和PIDF的TG谱图。PP和PIDF的热分解过程包括3个阶段。第1阶段温度为30～90 ℃,该阶段蒸发损失膳食纤维分子内的自由水及结晶水;第2阶段温度为210～350 ℃,该阶段失重速率最大,主要归因于纤维素、半纤维素和木质素的分解[24];第3阶段温度在350 ℃以上,此阶段热分解缓慢,主要分解少量木质素和热解残余物,产生碳和灰分[25]。PP、PIDF-E、PIDF-BME-0.5、PIDF-BME-1和PIDF-BME-2的初始分解温度Tonset分别为249.5、247.3、249.7、253.3和255.1 ℃,表明BME处理后PIDF的热稳定性有一定程度的提升,这与样品结晶度增加和部分易热解组分的球磨降解有关。在210～400 ℃,样品均呈现2个DTG峰,PP为290.8和339.9 ℃,PIDF-E为290.0和330.6 ℃,PIDF-BME-0.5为294.4和343.3 ℃,PIDF-BME-1为292.7和340.3 ℃,PIDF-BME-2为289.1和336.0 ℃,球磨时间延长高温区的降解加速。这可能是随着球磨时间延长,会导致纤维原料的分子链断裂和聚合度下降,从而破坏部分纤维结构[18],导致热稳定性降低。
a-PP;b-PIDF-E;c-PIDF-BME-0.5;d-PIDF-BME-1;e-PIDF-BME-2
图4 PP和PIDF的TG分析
Fig.4 TG analysis of PP and PIDF
2.2.4 SEM分析
图5为PP和PIDF的SEM图。PP呈现不规则形状的纤维结构,表面相对平整,由于未经处理还含有蛋白质、淀粉等大分子物质,呈现粗糙的状态。经不同处理的PIDF的微观形貌发生了明显改变。仅进行酶解的PIDF-E表面变得光滑,大部分呈现条状。经BME处理的样品随着球磨时间延长,条状纤维的比例减少,呈粒状和片状纤维比例增多,且纤维粒径减小、结构更疏松、孔隙更多。
图5 PP和PIDF的SEM图
Fig.5 SEM images of PP and PIDF
2.3 BME处理对PIDF理化性质的影响
表1为BME处理中不同球磨时间对PIDF持水力、持油力和膨胀力的影响。经BME处理后,样品的持水力、持油力和膨胀力均有显著提升(P<0.05)。相较于PIDF-E,PIDF-BME-2的持水力从7.15 g/g增加到8.29 g/g,持油力从6.39 g/g增加到7.71 g/g,膨胀力从6.91 mL/g增加到8.82 mL/g,且持水力、持油力和膨胀力均随球磨时间的延长而显著增强(P<0.05),这可能是因为球磨作用引起PIDF的粒径减小,使其结构更加疏松多孔,增加了PIDF的比表面积,使得水分子、油分子更容易渗透,且球磨处理使其暴露出更多亲水、亲油基团,增强了对水、油的截留能力[5,12]。综上,BME处理可以改善膳食纤维的理化特性,对降低食品加工过程中水分及脂肪的损失具有积极作用,在食品加工领域具有较大应用潜力。
表1 BME处理中不同球磨时间对PIDF的持水力、 持油力和膨胀力的影响
Table 1 Effects of different ball milling time in BME treatment on water holding capacity, oil holding capacity and swelling force of PIDF
样品持水力/(g/g)持油力/(g/g)膨胀力/(mL/g)PIDF-E7.15±0.07d6.39±0.04d6.91±0.06dPIDF-BME-0.57.90±0.05c7.23±0.06c7.79±0.10cPIDF-BME-18.15±0.07b7.52±0.05b8.61±0.05bPIDF-BME-28.29±0.04a7.71±0.03a8.82±0.06a
注:同一列数据上标小写字母不同表示差异显著,P<0.05。
2.4 BME处理对PIDF功能特性的影响
2.4.1 阳离子交换能力
图6为BME处理中不同球磨时间对PIDF阳离子交换能力的影响。膳食纤维表面的羧基、羟基等侧链基团可发生电离,赋予其一定的弱酸性阳离子交换能力,如能与胃肠道内的阳离子(如Na+、K+)进行离子交换、结合,以降低Na+/K+比值,调节渗透压,并降低血压[11]。经BME处理的PIDF相较于PP和PIDF-E表现出更强的阳离子交换能力,且随着球磨时间的延长,PIDF的阳离子交换能力也逐渐增加。这是因为BME处理能够使PIDF样品的粒径减小、结构疏松且孔隙增多,进而暴露出更多的羧基和羟基等侧链基团,使其阳离子交换能力得到提升,这与ZHU等[26]研究的沙棘籽粕IDF在经一定球磨处理后可提升其阳离子交换能力的结果一致。
图6 BME处理中不同球磨时间对PIDF阳离子 交换能力的影响
Fig.6 Effect of different ball milling time in BME treatment on cation exchange capacity of PIDF
2.4.2 葡萄糖吸附能力
图7为BME处理中不同球磨时间对PIDF葡萄糖吸附能力的影响。BME处理后PIDF的葡萄糖吸附能力显著提升(P<0.05),且随着球磨处理时间延长,吸附能力进一步升高。其中PIDF-BME-2比PIDF-E提高了1.05倍,这证实了BME处理对PIDF在葡萄糖吸附方面的积极影响。PIDF对葡萄糖的吸收可以通过对葡萄糖分子的诱捕和化学吸附以及物理屏障发生[8]。吸附能力的提高可能源于BME处理使得PIDF的孔隙率提高,从而使活性基团充分暴露;同时,随着BME处理时间的延长,PIDF表面变得更加粗糙,形成了更多孔隙,比表面积增大,增强了纤维的网络结构对葡萄糖分子的捕获作用[17]。
图7 BME处理中不同球磨时间对PIDF葡萄糖吸附能力的影响
Fig.7 Effect of different ball milling time in BME treatment on glucose adsorption capacity of PIDF
2.4.3 亚硝酸盐吸附能力
图8为BME处理中不同球磨时间对PIDF亚硝酸盐吸附能力的影响。膳食纤维可利用其疏松的结构和酚酸等活性基团分别对亚硝酸盐进行物理和化学吸附,以阻碍亚硝酸盐与胺类物质反应生成致癌物[12,25]。BME处理显著提升了PIDF的亚硝酸盐吸附能力(P<0.05),且随着球磨时间的延长,效果更明显(P<0.05)。BME处理后的PIDF的粒径降低,且活性基团暴露增加。亚硝酸盐的吸附能力与酚酸显著相关,在酸性环境下,膳食纤维中的多糖可与酚酸形成复合物,对亚硝酸根产生强烈的吸附作用,提高了膳食纤维对亚硝酸盐的吸附能力[25]。此外,PIDF在模拟胃液环境下(pH 2.0)的亚硝酸盐吸附能力优于模拟肠道环境下(pH 7.0),表明PIDF对亚硝酸根离子的吸附主要发生在胃中,这与DONG等[27]研究的咖啡皮膳食纤维在pH 2.0和pH 7.0环境下的亚硝酸盐吸附能力结果一致。而中性环境下亚硝酸盐吸附能力较低是由于PIDF的羧基发生解离,增大了其表面的负电荷密度,从而与亚硝酸根离子相互排斥[12]。
图8 BME处理中不同球磨时间对PIDF亚硝酸盐 吸附能力的影响
Fig.8 Effect of different ball milling time in BME treatment on nitrite adsorption capacity of PIDF
2.4.4 胆固醇吸附能力
图9为BME处理中不同球磨时间对PIDF胆固醇吸附能力的影响。胆固醇摄入过多会诱发心脑血管疾病,膳食纤维可有效吸附胆固醇,降低血清胆固醇水平,展现出了降低心脑血管疾病风险的潜力[28-29]。PIDF在模拟肠道环境下(pH 7.0)的胆固醇吸附能力优于在模拟胃液环境下(pH 2.0)的吸附能力,表明PIDF在中性条件下的胆固醇吸附能力比酸性条件下更强。这一现象可能是因为酸性环境下大量的游离氢离子使PIDF和胆固醇都带有正电荷,相互排斥,从而减少了其对胆固醇的吸附[29]。此外,BME处理显著增强了膳食纤维对胆固醇的吸附能力(P<0.05),随球磨时间的延长,样品吸附能力也随之提高。这可归因于BME处理后,PIDF的粒径减小,孔隙率和比表面积增加,形成更多的纤维网络结构,提高了其吸附胆固醇的能力[23]。
图9 BME处理中不同球磨时间对PIDF胆固醇吸附能力的影响
Fig.9 Effect of different ball milling time in BME treatment on cholesterol adsorption capacity of PIDF
3 结论
本文主要研究了BME处理中不同球磨时间对PIDF结构及理化特性的影响。研究结果表明,BME处理没有改变PIDF的基本分子结构,但增加了PIDF的结晶度,并使部分纤维素、半纤维素及木质素分解,改变了PIDF的热稳定性。随着BME处理中球磨时间的延长,PIDF的粒径显著减小,表面变得粗糙,孔隙率增加,其持水、持油和膨胀力以及葡萄糖吸附、亚硝酸盐吸附、胆固醇吸附能力均得到显著提升(P<0.05),阳离子交换能力也随BME处理中的球磨时间的延长而提高。综上所述,BME处理可为菠萝皮渣资源的高值化利用及其膳食纤维提取制备提供一定的理论参考。
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