膳食纤维(dietary fiber,DF)是指在消化过程中既不水解也不吸收的复杂碳水化合物,被称为第七大常量营养素,根据其水溶性分为两类:可溶性膳食纤维(soluble dietary fibers,SDF)和不溶性膳食纤维(insoluble dietary fibers,IDF)[1]。大量研究表明,DF有助于预防心血管疾病、糖尿病和癌症等疾病。SDF可用于降低血糖反应、血浆胆固醇以及患心血管疾病的风险[2]。IDF可以通过吸附胆固醇和盐胆汁酸等化学物质来帮助降低血压,并可以预防胃肠道疾病和多种形式的癌症,包括结直肠癌,乳腺癌和前列腺癌[3-5]。此外,适当摄入IDF是一种预防肥胖的有效方法[6]。IDF具有通过其葡萄糖吸附特性调节肠道内碳水化合物代谢的能力,从而有助于降低餐后血糖浓度[5]。因此,IDF具有良好的功能性质,使其有望成为食品工业中的调节剂和添加剂[7]。这些功能性质推动了学者们对各种来源IDF的探索。
菠萝(Ananas comosus)是凤梨科的一种非呼吸跃变型水果,营养成分丰富[8]。菠萝是全球交易量最大的热带水果,也是仅次于苹果和橙子的第三大最受消费者喜爱的果汁来源[9]。全球每年菠萝产量近2 820万t,依据不同的加工方式,其中1 400万～1 800万 t(50%～65%)作为残渣(果皮和果渣)被丢弃[10]。由于运输成本高昂,这些废弃物通常会沉积在土地上,作为环境污染物引起严重关注[11]。菠萝残渣中包含丰富的功能性化合物,如多糖、微量营养素(矿物质和维生素)、酶、蛋白质、膳食纤维和挥发性化合物,在许多领域中具有很大的潜在应用价值[12]。菠萝废料经过去皮和榨汁后,其主要成分为膳食纤维[13]。近年来,从水果和蔬菜废弃物中提取并改性膳食纤维的研究激增。
目前,人们正在尝试采用不同的改性方法来改善各种食物来源的IDF的功能性质。例如,WANG等[14]采用酸处理麦麸IDF,发现低浓度酸(质量分数1%～2% H2SO4溶液)可改善其吸附能力,但高浓度酸会导致纤维结构破坏,功能性质下降。FENG等[15]利用电子束辐照改性豆渣IDF,结果表明6 kGy的辐照剂量可显著提高其持水性、膨胀能力和胆固醇吸附能力,但过高的辐照剂量会因纤维聚集而降低功能特性。HUANG等[16]通过超声波辅助纤维素酶法改性刺梨IDF,发现联合处理能有效破坏纤维结构,提升SDF含量,并显著改善其保水能力、油脂结合能力和吸附性能。然而,这些方法分别存在处理条件苛刻(如强酸或高能辐照)、成本较高(如酶法)或工艺复杂(如联合处理)等局限性。
相比之下,碱性过氧化氢(alkaline hydrogen peroxide,AHP)处理作为一种绿色化学改性方法,具有反应条件温和、操作简便且无有害残留等优势。本研究揭示了不同质量分数AHP处理对菠萝不溶性膳食纤维(pineapple insoluble dietary fiber,PIDF)的微观结构所产生的变化,并分析改性对保水能力、油脂结合能力、水膨胀能力以及葡萄糖、亚硝酸根和胆固醇吸附能力等理化性质的影响。本研究为扩宽PIDF的应用范围提供了理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
过氧化氢试液(质量分数3%),哈尔滨瑞标科技有限公司;玉米油,益海嘉里金龙鱼食品集团股份有限公司;亚硝酸钠、对氨基苯磺酸、N-1-盐酸萘乙二胺、葡萄糖、氢氧化钠、冰乙酸、邻苯二甲酸(分析纯),国药集团化学试剂有限公司;胆固醇标准品,北京索莱宝科技有限公司;DNS,飞净生物科技有限公司。
1.2 仪器与设备
LGJ-50FD真空冷冻干燥机,河南兄弟仪器设备有限公司;BeNano 90 zeta纳米粒度电位分析仪,丹东百特仪器有限公司;T1000分析天平,常熟市双杰测试仪器厂;Phenom Pro扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM),复纳科学仪器(上海)有限公司;iS50傅里叶红外光谱仪(Fourier-transform infrared spectroscopy,FT-IR),美国Thermo Scientific公司;TDL-5A离心机,上海安亭科学仪器厂;722S紫外分光光度计,上海菁华科技仪器有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 PIDF的制备
参考刘鹏等[17]的方法,采用碱法提取PIDF。菠萝榨汁后的残渣洗涤后干燥并粉碎,得到菠萝残渣粉。将菠萝残渣粉与以体积分数6%的NaOH溶液以料液比1∶26(g∶mL)混匀、置于温度为40 ℃的水浴锅中提取时间75 min。3 000 r/min离心15 min,将得到的沉淀反复用蒸馏水冲洗至澄清无色,真空冷冻干燥24 h,得PIDF,命名为Original-PIDF(O-PIDF)。
1.3.2 PIDF的AHP改性
参照李金隆等[18]的方法改性。称取1 g PIDF样品,按质量分数梯度设置0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%配比加入过氧化氢溶液,控制料液比为1∶20(g∶mL)。采用5 mol/L NaOH溶液调节体系pH值至11.0后,将反应体系转移至恒温水浴装置,于80 ℃条件下保持机械搅拌状态持续4 h。反应完成后,以1 mol/L HCl溶液中和至溶液呈中性状态,通过循环水式真空泵抽滤分离固体产物。所得滤渣经蒸馏水反复清洗2次后,进行真空冷冻干燥处理至质量恒定,最终研磨过0.25 mm筛,制得碱性过氧化氢改性PIDF样品。
1.3.3 SEM测定
采用SEM观察PIDF的表面形貌,加速电压为15 kV,分别放大300和800倍。
1.3.4 FT-IR测定
采用FT-IR对PIDF中存在的官能团进行分析。测量范围500～4 000 cm-1,分辨率4 cm-1,扫描次数64次。
1.3.5 X-射线衍射(X-ray diffraction,XRD)测定
利用XRD对PIDF的结晶结构进行表征。工作电压30 kV,工作电流30 mA,衍射角扫描范围为5°～90°,测量速率:5 °/min。
1.3.6 粒径分布测定
称取待测粉末样品,转移至激光粒度分析仪专用样品池中,以蒸馏水作分散剂测定其平均粒径。
1.3.7 改性前后PIDF水合能力的测定
1.3.7.1 持水力(water holding capacity,WHC)
WHC根据ZHU等[19]的方法测定,稍作修改。精确称取0.5 g PIDF样品(记为m1)置于10 mL离心管中(空管质量记为m2),加入5 mL蒸馏水充分混匀,于37 ℃恒温条件下静置反应1 h。经4 000 r/min离心分离10 min后,移除上清液后,精确称量离心管及沉淀物总质量(记为m3)。样品的WHC值由公式(1)计算:
(1)
1.3.7.2 持油力(oil holding capacity,OHC)
OHC根据ZHU等[19]的方法测定,稍作修改。精确称取0.5 g PIDF样品(记为m1)置于10 mL离心管中(空管质量记为m2),加入12.5 mL玉米油充分混匀,于37 ℃恒温条件下静置反应1 h。经4 000 r/min离心分离10 min后,移除上层油脂层,精确称量离心管及沉淀物总质量(记为m3)。样品的OHC值由公式(2)计算:
(2)
1.3.7.3 吸水膨胀力(water swelling capacity,WSC)
WSC根据ZHU等[19]的方法测定,稍作修改。精确称取0.5 g PIDF样品(记为m)置于10 mL离心管中,加入5 mL蒸馏水后记录初始体积(记为V1)。经37 ℃恒温反应1 h并4 000 r/min离心分离10 min后,记录沉淀物体积(记为V2)。样品的WSC值由公式(3)计算:
(3)
1.3.8 改性前后PIDF葡萄糖吸附能力(glucose adsorption capacity,GAC)的测定
GAC根据李金隆等[18]的方法测定。量取100 mL 50 mmol/L葡萄糖溶液(初始浓度记为c1),加入0.5 g PIDF样品(记为m),于37 ℃水浴条件下振荡反应6 h。反应液经4 000 r/min离心分离15 min后,取离心上清液,采用DNS比色法于540 nm波长处测定吸光值(平衡浓度记为c2)。样品的GAC值由公式(4)计算:
(4)
1.3.9 改性前后PIDF亚硝酸根离子吸附能力(nitrite ion adsorption capacity,NAC)的测定
NAC根据李金隆等[18]的方法测定。分别配制25 mL 500 μmol/L亚硝酸钠溶液(初始浓度记为c1),各加入1 g PIDF样品(质量记为m),利用HCl溶液或NaOH溶液调节体系pH值至2.0(模拟胃液环境)和7.0(模拟肠液环境)。将反应体系置于37 ℃水浴中振荡反应2 h,经4 000 r/min离心分离15 min后,取离心上清液,采用盐酸萘乙二胺比色法于538 nm波长处测定吸光值(平衡浓度记为c2)。样品的NAC值由公式(5)计算:
(5)
1.3.10 改性前后PIDF胆固醇吸附能力(cholesterol adsorption capacity,CAC)的测定
CAC根据ZHANG等[20]的方法稍加改进测定,构建胆固醇吸附测定体系。鉴于胆固醇在乳化剂存在条件下仍呈现出疏水特性,本研究选用新鲜蛋黄构建仿生模型系统。量取新鲜蛋黄样品,按1∶9体积比与去离子水混合,通过搅拌形成均一乳液(记为c1)。精确称取1.0 g PIDF样品(记为m),与25 mL蛋黄稀释液充分混匀(记为c3),将反应体系置于37 ℃恒温振荡器中,设置转速120 r/min持续反应2 h。吸附平衡后,加入4倍体积无水乙醇进行沉淀处理,随后以4 000 r/min转速离心分离20 min。设置25 mL蛋黄稀释液作为实验对照,采集离心上清液(记为c2),采用邻苯二甲酸比色法于550 nm波长处测定吸光值。样品的CAC值由公式(6)计算:
(6)
2 结果与分析
2.1 改性前后PIDF的SEM分析
PIDF微观结构的SEM图像显示,AHP处理使PIDF产生了结构变化。O-PIDF颗粒形态规则,尺寸较大,颗粒间界限清晰;表面相对平整,凹凸不平和不规则结构较少;呈现出明显的层状结构,层与层之间堆叠紧密(图1-A、图1-B)。经0.0% AHP处理后,原始块状结构发生崩解,表面出现孔隙特征,粗糙度增加(图1-C、图1-D)。该现象归因于强碱性环境对纤维微观结构的破坏,导致部分纤维素、半纤维素及果胶组分降解,形成表面孔洞[18]。当AHP质量分数增至1.0%时,孔隙数量显著增加,内部呈现蜂窝状网络结构,表面粗糙度进一步加剧(图1-E、图1-F)。这种结构松散和孔隙增多的现象,表明AHP处理有效断裂了PIDF中的糖苷键[21]。在AHP质量分数为2.0%处理条件下,表面形成褶皱形态,但仍保留多孔特征(图1-G、图1-H)。结果表明,随着过氧化氢的质量分数升高,木质纤维素组分降解程度加深,内部结构破坏更为显著,最终表现为表面褶皱化现象[22]。
A-O-PIDF(300×);B-O-PIDF(800×);C-0.0% PIDF(300×);D-0.0% PIDF(800×);E-1.0% PIDF(300×);F-1.0% PIDF(800×);G-2.0% PIDF(300×);H-2.0% PIDF(800×)
图1 AHP改性前后PIDF的表面微观结构
Fig.1 The surface microstructure of PIDF before and after AHP modification
2.2 改性前后PIDF的FT-IR分析
不同样品的傅里叶变换红外光谱如图2所示。3 200～3 400 cm-1处的特色吸收带归因于O—H拉伸振动。由图2可看出,AHP改性后3 342 cm-1处吸收峰发生蓝移,增加了与水之间的氢键,从而导致WHC增加[18]。吸收峰值在2 906 cm-1处果胶和半纤维素中的饱和烃拉伸振动有关,并与1 433 cm-1处的峰值代表典型的碳水化合物骨架结构有关[23]。此外,特征峰值在1 609 cm-1为—COCH3或半纤维素中的C
O拉伸,以及果胶和半纤维素中半乳糖醛酸的电离和酯化基团。吸收峰值在1 433、1 156 cm-1与纤维素和半纤维素结构相关[24-25]。尖峰在1 035 cm-1代表半纤维素中CO—OR的拉伸振动和木质素中愈创木酰基单元的C—O[26-27]。896 cm-1处吸收峰代表葡萄糖的C—H弯曲振动[28]。光谱对比分析表明,AHP处理仅引起部分波长下吸收峰强度的改变,未产生新的振动峰,证实该处理主要导致半纤维素和木质素的有限降解,未引入新的化学基团。
图2 AHP改性前后PIDF红外光谱图谱
Fig.2 Infrared spectra of PIDF before and after AHP modification
2.3 改性前后PIDF的XRD分析
IDF的结晶度直接影响其物理和化学性质,如保水、保油和吸水膨胀能力等[29]。改性处理前后PIDF的XRD图谱如图3所示。O-PIDF在16.1°和22.3°处显示出明显的特征衍射峰,在34.5°处观察到的衍射峰强度降低,证实了O-PIDF存在具有无定形和结晶区域的纤维素I型结构[30]。无定形区域可能是由于非结晶纤维素、半纤维素和木质素的存在[26]。经AHP处理后,PIDF在16.1°和22.3°处的峰强度变化,表明AHP处理提高了纤维素含量,而降低半纤维素和木质素的含量,纤维素水平升高可能是由于其他多糖和非纤维含量的减少[21]。PIDF在34.5°处峰强度降低,这主要归因于纤维素的三偏斜结构(β-1,4),这可能是由于原始有序纤维素结构的破坏和结晶度的变化造成的[31]。研究显示,PIDF的峰位置未呈现显著性改变,此现象表明纤维的结晶类型未发生改变。
图3 AHP改性前后PIDF的XRD图
Fig.3 XRD pattern of PIDF before and after AHP modification
2.4 改性处理对PIDF粒径的影响
粒径是IDF物理化学和功能特性的一个重要特征,与WSC、吸附能力以及胃肠道转运时间有关[32]。图4显示,AHP处理可以显著降低PIDF的粒径,可由未改性的354.46 μm降至139.73 μm。粒径的减小有助于PIDF比表面积的增加和细胞壁的破坏,有利于促进活性物质的释放和增加颗粒的生物活性[33]。因此,改性处理增加了PIDF在食品生物利用方面的潜力。改性后粒径降低的现象与AHP处理后木质素的降解和部分醇溶性物质的去除有关,这种粒径细化现象与水合性能的改善呈现正相关关系,这与表1结果相一致,HUANG等[34]使用AHP对柑橘DF改性后也有类似结果。现有研究证实,在特定粒径范围内,随着颗粒尺寸的减小,膳食纤维的WHC、OHC及WSC等均呈现显著提升趋势[35]。
图4 AHP改性前后PIDF的平均粒径
Fig.4 The average particle size of PIDF before and after AHP modification
注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
2.5 改性处理对PIDF水合能力的影响
WHC是指DF保留大量水分并防止泄漏的能力[1]。如表1所示,改性后PIDF的WHC显著提高。2% PIDF的WHC达到最大值(23.91±0.02) g/g,与O-PIDF相比增加了4.76倍,表明AHP处理能有效提高PIDF的持水能力。改性后PIDF的WHC随着过氧化氢质量分数的增加而增加,可能主要归因于木质纤维素生物质结构的破坏[36]。AHP处理可以破坏(半)纤维素内部的氢键,导致果胶的随机脱酯,暴露纤维结构内更多的亲水基团,使纤维内部结构松动,有助于提高PIDF的WHC[21]。
表1 AHP改性前后PIDF的水合能力
Table 1 Hydration capacity of PIDF before and after AHP modification
样品WHC/(g/g)OHC/(g/g)WSC/(mL/g)O-PIDF5.02±0.03f4.56±0.03f5.68±0.05f0.0% AHP PIDF11.72±0.03e11.15±0.05e6.20±0.05e0.5% AHP PIDF15.60±0.08d14.64±0.03d8.65±0.09d1.0% AHP PIDF17.62±0.03c15.35±0.02c8.83±0.09c1.5% AHP PIDF20.53±0.04b18.75±0.01b9.55±0.08b2.0% AHP PIDF23.91±0.02a19.68±0.03a10.55±0.12a
注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
OHC是指DF通过化学或物理结合保留大量油,防止其损失或扩散的能力[37]。如表1所示,改性后PIDF的OHC显著提高。AHP处理后,质量分数为2%时PIDF的OHC达到最大值(19.68±0.03) g/g,增加了4.31倍。AHP处理可以去除PIDF中的一些纤维素、半纤维素和木质素,并暴露出纤维中更多的官能团,增强PIDF对油脂的截留,提高OHC[38]。
WSC是指DF在饮水时膨胀或形成凝胶状物质的能力[1]。如表1所示,改性后PIDF的WSC显著提高。AHP处理后,质量分数为2%时PIDF的WSC达到最大值(10.55±0.12) mL/g,增加了1.85倍,表明AHP处理能有效提高菠萝皮渣IDF的持水能力。WSC的增加可能归因于AHP处理可以打破纤维素和半纤维素之间的共价键,以及半纤维素和木质素之间的醚键[22]。这个过程导致PIDF的结构更加松散,还会降低纤维素链的长度并增加其空间[39]。
WHC、OHC和WSC是IDF生理功能的重要指标,较强的水合特性有助于增强饱腹感和促进胃肠蠕动。因此,改性处理后PIDF的生理功能得到了一定程度的增强。
2.6 改性处理对PIDF的GAC影响
IDF能够通过主动吸附葡萄糖分子以及形成物理屏障来影响葡萄糖的吸收[27]。改性处理前后PIDF的GAC如图5所示。与O-PIDF相比,AHP改性对改善PIDF的GAC表现出显著效果(P<0.05)。根据SEM和XRD分析,AHP处理可以打破木质纤维素生物质中的强链接,从而导致改性后的PIDF中具有更多的极性基团和更开放的内部结构。因此,这种处理可能会增强PIDF对葡萄糖分子的化学吸附[31]。随着过氧化氢质量分数的增加,表面粗糙度增加,孔隙数量增多,比表面积显著增大,增强了纤维网络对葡萄糖分子的捕获能力,吸附效率随之提升[40]。PIDF的高WSC帮助它在吸水和溶胀过程中嵌入葡萄糖分子[41]。研究结果表明,PIDF可能是开发高血糖友好产品的极好资源。
图5 AHP改性前后PIDF的葡萄糖吸附能力
Fig.5 The glucose adsorption capacity of PIDF before and after AHP modification
2.7 改性处理对PIDF的NAC影响
亚硝酸盐可以与胺结合产生N-硝基化合物,这些化合物是潜在的致癌物,但IDF可以从机体内吸附一些亚硝酸盐,具有预防胃癌和降低其对人体毒性的作用[42]。改性处理前后PIDF的NAC如图6所示。与O-PIDF相比,AHP改性对改善PIDF的NAC表现出显著效果(P<0.05),这主要归因于经改性处理后,导致大量反应性基团的暴露,形成粗糙的孔状结构,粒径的减小和比表面积的增加,进而提升了其对亚硝酸盐的吸附能力[19]。pH 2.0时PIDF的NAC显著高于pH 7.0时,表明PIDF在胃液中对亚硝酸盐离子的吸收比在肠道中更有利,并且PIDF通过化学吸附吸附亚硝酸盐离子,这与YANG等[43]通过AHP处理对木棉DF改性的研究类似。亚硝酸盐可以在酸性条件下形成氮氧化物,其与膳食纤维(尤其是酚酸和葡萄糖醛酸)的有机酸部分具有很高的结合能力[44]。因此,较低的pH值有利于亚硝酸盐离子在PIDF上的吸附。
图6 AHP改性前后PIDF的亚硝酸根离子吸附能力
Fig.6 The nitrite ion adsorption capacity of PIDF before and after AHP modification
2.8 改性处理对PIDF的CAC影响
摄入高CAC的IDF可以促进胆固醇排出,降低血清胆固醇水平,预防心血管疾病[43]。在人工模拟肠环境条件下,AHP处理对PIDF对胆固醇的吸附能力的影响如图7所示。对于AHP改性体系,当过氧化氢质量分数为2%时,PIDF的胆固醇吸附量达到峰值3.99 mg/g,较未改性样品提升3.27倍。实验数据显示,胆固醇吸附量与过氧化氢质量分数呈正相关增长趋势,这与改性后PIDF表面形成的疏松多孔蜂窝结构导致的比表面积增大密切相关[45]。此外,改性过程中膳食纤维水溶性成分的增加,可能增强了PIDF对胆固醇分子的吸附作用[46]。
图7 AHP改性前后PIDF的胆固醇吸附能力
Fig.7 The cholesterol adsorption capacity of PIDF before and after AHP modification
3 结论
本研究系统探究了AHP处理对PIDF结构和功能性质的影响。结果表明,AHP处理显著改变了PIDF的微观结构,使其表面形成多孔褶皱及蜂窝状网络,同时粒径明显减小,但未引入新的官能团或改变其结晶类型。结构优化进一步提升了PIDF的功能性质,包括WHC、OHC、WSC、GAC、NAC和CAC。这些改善为PIDF在食品工业中的应用提供了重要理论依据,尤其是在功能性食品开发中作为调节剂或添加剂的潜力。此外,本研究为菠萝加工废弃物的高值化利用提供了可行途径,具有重要的环保和经济意义。总体而言,AHP处理是一种高效、绿色的改性方法,能够显著提升PIDF的功能性质,拓展其在健康食品领域的应用前景。
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