麦麸作为小麦加工工业的主要副产品,通常占谷物质量的15%～20%。据统计,中国每年能产出麦麸约3 200万t,其中大部分被用作动物饲料或废弃,高值化利用率不足20%[1]。麦麸营养丰富,价格合理,易于获取,含有膳食纤维、蛋白质、维生素、矿物质等多种营养成分,其中膳食纤维含量约占40%～60%,且不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber,IDF)占比约80%以上[2]。天然的麦麸存在IDF适口性差、颗粒尺寸大、三维结构致密、内部化学基团不易暴露等特点,这对IDF的理化性质和功能特性产生不利影响,导致其在食品加工中的应用受限。通过适当改性可以改善麦麸IDF理化及功能特性,从而提高其在食品工业中的应用价值以及增加麦麸资源的经济效益。
目前,膳食纤维的改性方法主要有物理法、化学法和生物法,如超声波法、超微粉碎法、酶法、发酵法、酸碱法、乙酰基化法[3]等。碱法作为一种化学方法,会对膳食纤维产生不可逆的改性,改变膳食纤维的原有结构。有研究表明,IDF的孔隙度和比表面积可以通过酸或碱的浓度得到有效改善,从而增强其结合葡萄糖和抑制α-淀粉酶活性的能力[4]。高温蒸煮法是指通过热力-压力协同作用显著破坏麦麸IDF的木质素-纤维素网络结构,促使半纤维素水解,同时增加纤维表面微孔密度,从而提高其持水性与吸附性[5]。LEI等[6]通过对黑豆IDF进行高温蒸煮改性,显著增强了黑豆IDF的孔隙度、持水能力、持油能力以及对葡萄糖、胆固醇、胆盐和金属离子的吸附能力。蜗牛酶为来源于蜗牛消化道的多酶复合物,含有纤维素酶、果胶酶、淀粉酶等20多种水解酶,可以有效地改善麦麸中IDF理化特性和功能特性[7]。LIU等[8]用蜗牛酶对麦麸IDF进行改性,提高了麦麸IDF的持水力、葡萄糖吸附性、胆固醇吸附性。然而,单一的物理改性、化学改性或者酶解改性具有一定的局限性,多种方法联合改性可以弥补单一改性的不足,能更高效地改善IDF结构。TIAN等[9]通过空化射流加碱性过氧化氢处理山核桃IDF,发现其乳化稳定性、持水能力、葡萄糖吸收能力、胆固醇吸收能力和亚硝酸盐吸收能力均有大幅度提高。ZHOU等[10]通过碱(NaOH溶液)和复合酶(木聚糖酶和纤维素酶)对裙带菜IDF进行改性,发现碱液和复合酶修饰均能提高其保水能力、水溶胀能力、吸油能力、葡萄糖吸附能力和对α-淀粉酶的抑制能力。
碱高温处理作为一种操作简便、易于规模化实施的物化改性方法,能有效破坏纤维致密结构。结合蜗牛酶的多酶协同体系,可进一步实现对麦麸IDF的高效、靶向改性。目前,有关该协同改性体系的研究报道较少。因此,本研究以脱脂麦麸为原料,采用碱高温蒸煮处理、蜗牛酶处理、碱高温协同蜗牛酶处理对麦麸不溶性膳食纤维(wheat bran insoluble dietary fiber,WBIDF)进行改性,比较分析不同改性方法对其基本成分、结构特性及理化性质的影响,旨在为WBIDF的深度开发提供理论基础,推动其在食品工业中的高值化利用。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
小麦麸皮(膳食纤维68%,质量分数),南顺(四川)食品有限公司提供;耐高温α-淀粉酶(40 000 U/g)、蜗牛酶(破壁率90%),北京索莱宝科技有限公司;中性蛋白酶(100 U/mg),上海源叶生物科技有限公司;NaOH(分析纯),辽宁泉瑞试剂有限公司;3,5-二硝基水杨酸,上海蓝季生物科技发展有限公司;大豆油,益海嘉里金龙鱼食品集团股份有限公司;其余试剂均为分析纯。
1.2 仪器与设备
2018C132-11型酸度计,赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;SX-300型蒸汽灭菌器,天美(中国)科学仪器从有限公司;U-2910型紫外可见分光光度计,日本Hitachi公司;DHG-9053A型电热恒温鼓风干燥箱,上海精宏实验设备有限公司;3-5型低速离心机,上海托莫斯科学仪器有限公司;涡旋混合器,上海凌科实业发展有限公司;SHA-B型恒温振荡器,力辰仪器科技有限公司;ZNCL-GS190×90型智能磁力搅拌器,上海凌科实业发展有限公司;IS20-iN5型红外检测仪,赛默飞世尔科技;D8 advance X-射线衍射仪,德国布鲁克公司;Regulus8230扫描电子显微镜,日本日立公司;STA 25006热重分析仪,德国耐驰公司;Bettersize2000 激光粒度分析仪,丹东百特科技有限公司。
1.3 WBIDF的提取
1.3.1 麦麸预处理方法
参考王萌等[5]的方法将麦麸经干燥、粗粉碎并过60目筛后,以1∶10 (g∶mL)的料液比加入沸程30～60 ℃的石油醚,搅拌提取6 h,重复提取3次,离心后收集滤渣自然晾干,得到脱脂麦麸。
1.3.2 未改性WBIDF的制备
参考王萌等[5]的方法并适当修改,称取脱脂麦麸,以料液比1∶12 (g∶mL)加入蒸馏水混匀后调节pH值为6.0,温度调节至95 ℃,按麦麸质量的2%加入耐高温α-淀粉酶,反应1 h,沸水浴灭酶10 min。当温度降低至50 ℃时调整pH值至7.0,按麦麸质量的1%加入中性蛋白酶,反应1 h,沸水浴灭酶10 min,冷却后4 500 r/min离心15 min,去除上清液,沉淀物在40 ℃烘干,即得到未改性WBIDF(unmodified wheat bran insoluble dietary fiber,UN-WBIDF)。
1.3.3 碱高温改性WBIDF的制备
称取脱脂麦麸,以料液比1∶12(g∶mL)加入2 g/L 的NaOH溶液混匀后,放入高温灭菌锅,120 ℃蒸煮30 min,温度降至95 ℃,调节pH值至6.0,按麦麸质量的2%加入耐高温α-淀粉酶,反应1 h,沸水浴灭酶10 min。当温度降低至50 ℃时调整pH值至7.0,按麦麸质量1%加入中性蛋白酶,反应1 h,沸水浴灭酶10 min,离心后沉淀40 ℃烘干,即碱高温改性WBIDF(alkaline high-temperature modified wheat bran insoluble dietary fiber,AH-WBIDF)。
1.3.4 蜗牛酶改性WBIDF的制备
参考于文婷等[11]的方法并适当修改,称取脱脂麦麸,以料液比1∶12(g∶mL)加入蒸馏水混匀后调节pH值为6.0,温度调节至95 ℃,按麦麸质量的2%加入耐高温α-淀粉酶,反应1 h,沸水浴灭酶10 min。当温度降低至50 ℃时调整pH值至7.0,按麦麸质量的1%加入中性蛋白酶,反应1 h,沸水浴灭酶10 min,待温度降至37 ℃,调节pH值至6.0,按麦麸质量的1%加入蜗牛酶,反应1 h,沸水浴灭酶10 min,离心后沉淀40 ℃烘干,即得到蜗牛酶改性WBIDF(snailase modified wheat bran insoluble dietary fiber,SE-WBIDF)。
1.3.5 碱高温协同蜗牛酶改性WBIDF的制备
称取脱脂麦麸,以料液比1∶12(g∶mL)加入2 g/L 的NaOH溶液混匀后,放入高温灭菌锅,120 ℃蒸煮30 min,温度降至95 ℃,调节pH值至6.0,按麦麸质量的2%加入耐高温α-淀粉酶,反应1 h,沸水浴灭酶10 min。当温度降低至50 ℃时调整pH值至7.0,按麦麸质量的1%加入中性蛋白酶,酶解1 h,沸水浴灭酶10 min,待温度降至37 ℃,调节pH值至6.0,按麦麸质量的1%加入蜗牛酶,反应1 h后进行灭酶处理,离心后沉淀40 ℃烘干,即碱高温协同蜗牛酶改性WBIDF(alkaline high-temperature pretreatment synergized with snailase modified wheat bran insoluble dietary fiber,AS-WBIDF)。
1.4 WBIDF的得率和纯度
1.4.1 WBIDF的得率
WBIDF得率的测定参考王萌等[5]的方法,将脱脂麦麸经过改性处理,离心去除上清液、沉淀干燥得到WBIDF。WBIDF得率计算如公式(1)所示。
WBIDF得率
(1)
式中:m1,不同改性处理后WBIDF的质量,g;m2,脱脂麦麸质量,g。
1.4.2 WBIDF的纯度
WBIDF纯度以样品中总膳食纤维的质量分数表示,即扣除蛋白质、淀粉及灰分后的残余干物质占总样品质量的百分比,按公式(2)计算。蛋白质、淀粉与灰分含量分别参照GB 5009.5—2025《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》、GB 5009.9—2023《食品安全国家标准 食品中淀粉的测定》及GB 5009.4—2016《食品安全国家标准 食品中灰分的测定》进行测定。
WBIDF纯度
(2)
式中:m1,WBIDF的质量,g;m2,样品中蛋白质含量,g;m3,样品中灰分含量,g;m4,样品中淀粉含量,g。
1.5 WBIDF的主要组分含量测定
1.5.1 纤维素、半纤维素含量测定
参考孙卓妍等[12]的方法进行测定。
1.5.2 木质素含量测定
参考赵晨皓等[13]的方法进行测定。
1.6 WBIDF结构特性的测定
1.6.1 扫描电子显微镜分析
参考于文婷等[11]的方法,利用扫描电子显微镜对WBIDF样品的微观形貌进行观察。在电压3 kV、放大倍数10 000×的条件下进行扫描,并拍摄各样品对应的显微图像。
1.6.2 傅里叶变换红外光谱分析
参考刘学成等[14]的方法,WBIDF样品与KBr经110 ℃干燥24 h后,采用KBr压片法制片。光谱在扫描16次、波数范围400～4 000 cm-1的条件下采集,并以纯KBr压片作为背景扣除。
1.6.3 X-射线衍射分析
参考NIU等[15]的方法,利用X-射线衍射仪测定WBIDF结晶结构。测试条件:电压40 kV,电流40 mA,扫描范围2θ=10～50°。采用Origin 2024软件计算相对结晶度。
1.6.4 热重分析
采用热重分析评价样品热稳定性。参数设置:N2流量50 mL/min,升温速率10 ℃/min,温度范围30～800 ℃。获得热重(thermogravimetric,TG)曲线和微分热重(derivative thermogravimetry,DTG)曲线。
1.6.5 粒径的测定
采用激光粒度分析仪测定样品粒径。以去离子水为分散介质,测试参数:遮光率10%～30%,颗粒与分散介质的折射率分别为1.59和1.33。
1.7 WBIDF理化性质的测定
1.7.1 持水性的测定
参考刘鹏等[16]的方法并适当修改,将50 mL离心管烘干至恒重,准确称取0.5 g WBIDF于离心管内,加入10 mL蒸馏水,摇匀后室温静置1 h。4 000 r/min离心15 min,弃去上清液,并称量含WBIDF样品的离心管质量。持水性计算如公式(3)所示:
持水性
(3)
式中:m1,干WBIDF样品质量,g;m2,离心管与WBIDF样品质量,g;m0,离心管质量,g。
1.7.2 持油性的测定
参考WEI等[17]的方法并稍作修改,准确称取质量为0.5 g的干WBIDF样品置于刻度试管中,添加10 mL大豆油并充分混合,将混合物置于22 ℃恒温箱静置1 h。4 000 r/min离心15 min,称量弃上层油后的WBIDF样品量。持油性计算如公式(4)所示:
持油性
(4)
式中:m1,湿WBIDF样品质量,g;m,干WBIDF样品质量,g。
1.7.3 膨胀力的测定
参考李金隆等[18]的方法并稍作修改,称取WBIDF样品0.5 g于10 mL刻度试管中,记录此时干样品体积。加入10 mL蒸馏水,搅拌均匀,室温静置6 h,测定膨胀后的体积。膨胀力计算如公式(5)所示:
膨胀力
(5)
式中:V0,干WBIDF样品体积,mL;V1,膨胀后WBIDF体积,mL;m,WBIDF样品质量,g。
1.8 WBIDF葡萄糖吸附性的测定
参考张宇硕等[19]的方法,称取0.5 g WBIDF与50 mL的葡萄糖标准溶液(50、100、200 mmol/L)混匀,置于37 ℃水浴中180 r/min振荡吸附6 h,离心取上清液,采用DNS法测定上清液葡萄糖含量,葡萄糖吸附性计算如公式(6)所示:
葡萄糖吸附性
(6)
式中:m,WBIDF质量,g;c1,吸附前上清液中葡萄糖浓度,mmol/L;c2,吸附后上清液中葡萄糖浓度mmol/L;V,葡萄糖溶液体积,L。
1.9 WBIDF葡萄糖透析迟滞指数的测定
参考季佳琪等[20]的方法:取0.2 g WBIDF与一定浓度葡萄糖溶液混匀,倒入透析袋中,将透析袋浸没于37 ℃恒温水浴中,在15、30、60、90、120、150、180 min取透析液1 mL,测定葡萄糖浓度,葡萄糖透析迟滞指数计算如公式(7)所示:
葡萄糖透析迟滞指数
(7)
式中:c0,与葡萄糖溶液混合的WBIDF的透析液的葡萄糖浓度,mmol/L;c,对照组的葡萄糖浓度,mmol/L。
1.10 数据处理与分析
每组试验平行测定3次,结果用“平均值±标准差”表示。采用SPSS 27.0软件进行显著性分析,用邓肯检验确定P<0.05的显著水平;使用Origin 2024进行绘图。
2 结果与分析
2.1 不同处理对WBIDF得率和纯度的影响
由图1可知,与UN-WBIDF相比,AH-WBIDF和AS-WBIDF的得率均显著下降(P<0.05),且AS-WBIDF得率最低,为(44.55±0.55)%,但仅采用蜗牛酶处理的SE-WBIDF的得率没有显著变化(P>0.05)。WBIDF得率的下降是因为碱高温处理破坏了WBIDF的结构,促使部分不溶性膳食纤维水解为可溶性膳食纤维而损失;蜗牛酶的协同作用可进一步促进此过程[20]。另一方面,如表1所示,这些处理过程可有效去除原料中的非膳食纤维组分,导致得率降低。与此同时,WBIDF的纯度显著提升(P<0.05),其中碱高温协同蜗牛酶处理组WBIDF纯度最高,为(93.44±0.53)%。
表1 不同处理对WBIDF的各组分含量的影响
Table 1 Effects of different treatments on mass fractions of components in WBIDF
化学组成蛋白质/%淀粉/%灰分/%纤维素/%半纤维素/%木质素/%UN-WBIDF8.33±0.29a6.80±0.11a1.08±0.06a24.65±3.79c46.56±1.70a11.91±0.20aAH-WBIDF7.21±0.19b4.59±0.20b0.14±0.01c33.04±4.28b41.54±1.39b11.57±1.80aSE-WBIDF8.17±0.30a6.58±0.30a0.27±0.02b20.89±4.13c50.63±0.75a12.89±1.01aAS-WBIDF2.58±0.18c3.67±0.39c0.31±0.03b47.03±2.54a40.53±3.73b5.46±2.61b
注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
图1 不同处理WBIDF的得率和纯度
Fig.1 Yield and purity of WBIDF under different treatments
注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
2.2 不同处理对WBIDF各组分含量的影响
由表1可知,与UN-WBIDF相比,AH-WBIDF和AS-WBIDF的蛋白质含量分别下降13.4%和69.0%,淀粉含量分别下降32.5%和46.0%。这是由于碱高温处理破坏了包裹在纤维网络内部的淀粉与蛋白质的物理屏障,使二者暴露,并且碱处理能使蛋白质发生变性和部分水解,淀粉发生溶胀和糊化,更易被后续蛋白酶和淀粉酶降解[21],从而导致蛋白质和淀粉含量降低。蜗牛酶是一种复合酶系,包含纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、淀粉酶及蛋白酶等多种组分。在碱高温处理基础上,蜗牛酶进一步酶解不溶性膳食纤维,促进其内部包埋的蛋白质与淀粉暴露并水解,因而AS-WBIDF中蛋白质与淀粉含量降至最低。改性处理使WBIDF的灰分含量较未处理组显著降低(P<0.05),其中AH-WBIDF降幅达87.0%。这主要因为碱高温处理促使纤维中结合态矿物质溶出并在后续步骤中被洗脱。但经蜗牛酶协同处理后,AS-WBIDF的灰分含量较AH-WBIDF显著增加(P<0.05),原因是酶解导致大量有机组分降解,使灰分相对富集。
不溶性膳食纤维由纤维素、半纤维素和木质素组成,其比例直接影响WBIDF的理化及功能性质[15]。由表1可知,经碱高温处理后,AH-WBIDF的半纤维素含量较UN-WBIDF显著降低(P<0.05)。这是由于碱高温可破坏其与木质素之间的醚键和氢键,使半纤维素被优先溶解[22]。虽然该处理未显著改变木质素含量(P>0.05),但使其网络结构解聚与松散,从而暴露出更多酶切位点。在此基础上,蜗牛酶协同处理可进一步特异性酶解木质素,使AS-WBIDF中木质素含量降至最低(P<0.05),同时纤维素因其他组分被选择性去除而得到显著富集(P<0.05)。
SE-WBIDF的各组分含量与UN-WBIDF相比均未发生显著变化(P>0.05),这表明在未经碱高温处理的反应体系中,蜗牛酶仅能降解可及的纤维结构,对纤维整体结构的破坏作用有限。碱高温处理显著提升蜗牛酶对膳食纤维各组分的降解效率,实现纤维结构定向调控,有利于改善理化及功能特性。
2.3 不同处理对WBIDF结构的影响
2.3.1 扫描电镜分析
如图2所示,与UN-WBIDF的光滑致密结构相比(图2-a),改性处理后样品表面均变粗糙,说明结构受到破坏。AH-WBIDF呈现疏松多层的立体网络结构,可见纤维断裂与明显的孔洞特征(图2-b);SE-WBIDF表面分布有孔隙,但未见片层结构(图2-c);AS-WBIDF表面最为粗糙,纤维交织与颗粒堆积现象明显,结构间存在大量孔隙(图2-d)。这与季佳琪等[20]采用碱高温协同蜗牛酶处理葡萄皮不溶性膳食纤维的研究结果相似。碱高温处理破坏了纤维素的无定形区结构,使纤维素和半纤维素链断裂,结构疏松。蜗牛酶对其可及纤维结构具有较强的酶解作用[8]。二者协同改性有效破坏了WBIDF的分子交联,形成粗糙多孔的微观结构,增强了对水分子、油脂和葡萄糖等的物理吸附与截留能力[11],这与理化性质测定结果相符。
a-UN-WBIDF;b-AH-WBIDF;c-SE-WBIDF;d-AS-WBIDF
图2 不同处理WBIDF的扫描电镜图(10 000×)
Fig.2 Scanning electron microscopy of WBIDF under different treatments(10 000×)
2.3.2 傅里叶变换红外光谱分析
如图3所示,改性前后WBIDF的傅里叶变换红外光谱均呈现典型的多糖特征吸收峰,3 426 cm-1附近宽而强的吸收峰属于氢键与羟基的O—H伸缩振动,2 922 cm-1处的吸收峰属于纤维素中甲基/亚甲基的C—H伸缩振动,在1 651 cm-1处的吸收峰则对应C
O 的伸缩振动,位于1 427 cm-1附近的吸收峰可能与C—H的弯曲振动有关,在1 036 cm-1处对应的吸收峰属于木质素或半纤维素中C—O—C的伸缩振动[16,23]。与UN-WBIDF相比,改性处理引起了WBIDF特征峰上变化,反映其结构发生改变。AH-WBIDF和SE-WBIDF在3 426 cm-1处的峰强度与半高宽增加,说明二者均能促使—OH暴露,增强分子间氢键作用,且蜗牛酶处理的效果更为显著。这与刘学成等[14]采用酶法改性金针菇IDF的报道一致。AH-WBIDF在1 036 cm-1处的吸收峰变宽、减弱,说明碱高温处理使半纤维素和木质素中部分糖苷键断裂(C—O—C),从而破坏了其规整的复合结构,为后续酶解提供了更多可及位点。而AS-WBIDF在该处的吸收峰完全消失,表明协同处理可使糖苷键断裂,显著降解半纤维素与木质素,与表1中二者含量下降的结果相符。
图3 不同处理WBIDF的傅里叶变换红外光谱图
Fig.3 Fourier transform infrared spectroscopy diagram of WBIDF under different treatments
2.3.3 X-射线衍射分析
X-射线衍射可用于分析样品内部颗粒的结构变化情况,尖峰衍射反映了样品的结晶结构,弥散衍射则与其无定形结构相关[19]。由图4可知,改性前后WBIDF的衍射峰主要位于22°附近,对应于纤维素I型结构的[002]晶面[12],且该峰位未发生显著偏移,表明改性处理未改变纤维素的基本晶体类型。但与UN-WBIDF相比,3种改性样品均在2θ为15°附近出现肩峰,表明改性处理促使了纤维素由Iβ向Iα亚晶型的部分转化[24]。同时,UN-WBIDF中位于26.55°处的特征峰在改性后消失,表明其中的无机晶体或半纤维素结构被破坏;而仅在碱高温及协同处理组中,于32.53°处均出现新的尖峰,则说明了碱高温处理诱导形成新的有序晶体。另外,改性WBIDF的结晶度显著增加,这是由于改性处理破坏了非晶态的成分,从而增加了晶态区域的暴露比例。这些变化说明改性处理使WBIDF的纤维素亚晶型或晶体堆叠模式重构,同时无定型区减少。结合扫描电子显微镜观察到的WBIDF表面粗糙化、多孔化形貌(图2),说明改性后WBIDF形成了致密结晶区与多孔缺陷结构交织的复合微观结构,前者有利于提升其整体结构稳定性[15],后者可为水分子、油脂及葡萄糖提供更多的吸附位点与扩散通道。这种结构优势在AS-WBIDF中表现最为显著。
图4 不同处理WBIDF的X-射线衍射图
Fig.4 X-ray diffraction patterns of WBIDF under different treatments
2.3.4 热重分析
如图5所示,所有样品的TG/DTG曲线变化趋势相似,其热分解过程可分为3个阶段。第一阶段为30～240 ℃,各样品的质量损失均<10%,说明WBIDF具有较好的热稳定性,此阶段的质量损失主要归因于其游离水蒸发及纤维亲水性基团吸附结合水的脱除[25]。第二阶段为220～400 ℃,是样品的主要热分解阶段,UN-WBIDF、AH-WBIDF、SE-WBIDF和AS-WBIDF的质量损失分别为64.39%、61.70%、61.89%和60.12%,这是由于半纤维素、纤维素组分的热分解所致,二者主要热分解温度范围分别为220～315 ℃和315～400 ℃[12]。DTG曲线在此阶段出现显著的尖峰,其峰值温度表示最大失重速率温度。与UN-WBIDF(300.03 ℃)相比,碱高温及其协同蜗牛酶改性的样品,最大热分解速率对应温度分别提高至306.30 ℃和307.20 ℃,说明二者热稳定性增强,这与其结晶度提升(图4),纤维素富集及半纤维素含量降低(表1)有关。这与张宇硕等[19]用高温高压对大白菜外叶不溶性膳食纤维改性后热稳定性增加的结果一致。第三阶段为400 ℃以上,各样品的质量损失无差异,且失重速率减慢,此阶段主要对应于样品的碳化过程以及木质素等复杂组分的缓慢降解[25]。
a-UN-WBIDF;b-AH-WBIDF;c-SE-WBIDF;d-AS-WBIDF
图5 不同处理WBIDF的热重分析
Fig.5 Thermogravimetric analysis of WBIDF under different treatments
2.3.5 粒径分析
改性前后WBIDF的粒径与比表面积如表2所示。与UN-WBIDF相比,3种改性处理后的WBIDF的粒径均显著减小且比表面积显著增大(P<0.05)。其中,AS-WBIDF的粒径最小、比表面积最大。这表明碱高温处理和蜗牛酶处理均能导致膳食纤维结构破裂,且二者具有显著的协同增效作用。膳食纤维粒径越小,比表面积相应越大,可暴露更多的表面活性位点,从而提高其界面吸附效率[19],这与表3结果相一致。ZHOU等[10]研究也表明,用碱和酶改性也使裙带菜IDF的粒径降低,与本研究规律一致。
表2 不同处理WBIDF的粒径
Table 2 Particle size of WBIDF under different treatments
样品D10/μmD50/μmD90/μm比表面积/(m2/g)UN-WBIDF47.26±1.82a203.30±2.58a402.88±4.12a0.040±0.001cAH-WBIDF28.49±1.24b131.30±3.79c293.84±7.39c0.068±0.002bSE-WBIDF24.19±3.43c135.42±3.93b321.98±9.78b0.069±0.002bAS-WBIDF24.66±0.51c109.18±1.04d214.64±1.15d0.084±0.001a
表3 不同处理WBIDF的持水性、持油性、膨胀力分析
Table 3 Water-holding capacity, oil-holding capacity, and swelling capacity of WBIDF under different treatments
样品持水性/(g/g)持油性/(g/g)膨胀力/(mL/g)UN-WBIDF5.22±0.15c4.77±0.14c2.33±0.34dAH-WBIDF6.89±0.08a4.88±0.03c3.78±0.19bSE-WBIDF5.55±0.13b5.37±0.1b2.78±0.19cAS-WBIDF6.97±0.03a5.89±0.14a5.17±0.17a
2.3.6 协同改性机制探讨
综合上述结构表征结果发现,碱高温处理通过热-碱效应断裂半纤维素与木质素间的连接,破坏纤维素无定形区,使纤维网络松散并形成初始孔隙(图2-b),这既增大了比表面积(表2),也为酶解暴露了更多的可及位点。在此基础上,蜗牛酶处理可更深入地对已松散的纤维基质进行靶向酶解,进一步去除半纤维素与木质素(表1),从而富集纤维素并促进其重排结晶(图4),最终使协同样品(AS-WBIDF)的结晶度与热稳定性达到最高(图5)。这种协同作用使AS-WBIDF形成了发达的多孔结构(图2-d)且粒径显著减小(表2),为其后续优异的理化与功能性质奠定了结构基础。
2.4 不同处理对WBIDF持水性、持油性、膨胀力的影响
持水性、持油性、膨胀力是评价IDF加工性能与生理活性的关键理化指标[17]。由表3可知,改性处理可显著提高WBIDF的持水性、持油性和膨胀力,其中AS-WBIDF效果最显著,分别是UN-WBIDF的1.34倍、1.23倍和2.22倍。这是由于协同改性处理使WBIDF形成更加发达的多孔结构以及更大的比表面积(见图2,表2),这为水分子和油脂提供了更多的物理吸附与截留空间[16,18]。傅里叶红外结果也表明,协同改性破坏了氢键网络,暴露出更多的游离亲水基团(见图3),从而增强了与水的氢键结合作用。
2.5 不同处理对WBIDF葡萄糖吸附性的影响
如图6所示,在50～200 mmol/L的葡萄糖浓度范围内,所有WBIDF均表现浓度依赖的吸附趋势。这与ZHENG等[26]的研究结果一致。在50 mmol/L浓度下,AH-WBIDF、SE-WBIDF和AS-WBIDF的葡萄糖吸附量分别为0.74、0.82、1.33 mmol/g,较UN-WBIDF(0.33 mmol/g)分别提升了1.24倍、1.48倍和3.03倍。研究发现,葡萄糖吸附能力与膳食纤维的粒径大小、表面疏松程度和比表面积大小密切相关[27]。本研究中,改性处理使WBIDF形成疏松多孔的形貌(图2),粒径减小且比表面积增大(表2),从而提供了更多吸附位点与更大的接触面积,最终增强了葡萄糖吸附能力。
图6 不同处理WBIDF对葡萄糖吸附性的影响
Fig.6 Effects of different treatments WBIDF on glucose adsorption activity
2.6 不同处理对WBIDF葡萄糖扩散抑制能力的影响
由图7可知,改性前后的WBIDF均能延缓葡萄糖扩散,且在透析15 min时最强。此时,各样品葡萄糖透析迟滞指数达到峰值,分别为12.33%(UN-WBIDF)、17.67%(AH-WBIDF)、24.33%(SE-WBIDF)和34.33%(AS-WBIDF),而后随时间的延长而下降。这与季佳琪等[20]对高温蒸煮结合蜗牛酶改性葡萄皮不溶性膳食纤维中的研究结果一致。在透析时间180 min时,仅AS-WBIDF仍具有延缓能力,表明其抑制效果最优。膳食纤维对葡萄糖扩散的抑制与其吸附能力及网络结构的物理阻隔作用密切相关[27]。AS-WBIDF因其发达的多孔网络结构(图2),在溶液中形成致密屏障,更有效地阻碍葡萄糖分子的扩散;同时其优异的葡萄糖吸附能力(图6)也协同强化了该延迟效果。
图7 不同处理WBIDF对葡萄糖扩散抑制能力的影响
Fig.7 Effects of different treatments WBIDF on glucose dialysis retardation index
3 结论
本文研究了碱高温处理、蜗牛酶处理及二者协同改性对WBIDF的得率及纯度、基本成分、结构、理化性质的影响。结果表明,协同处理能有效去除WBIDF中的非纤维杂质,显著提高其纯度,使结晶度与热稳定性增强。该处理还破坏了纤维原有的致密结构,导致其粒径显著降低、比表面积显著增加,并形成了粗糙多孔的微观形貌。3种改性方式均能在不同程度上改善其理化性质,其中协同处理样品的持水性、持油性、膨胀力、葡萄糖吸附性和葡萄糖透析迟滞指数均为最优。基于其优异的理化特性,协同改性WBIDF在开发低GI食品、功能性膳食补充剂及质构改良类食品配料中具有良好的应用潜力。
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