竹笋作为一种绿色森林蔬菜，富含蛋白质、膳食纤维、氨基酸、矿物质、无机盐等多种营养成分[1]，越来越受到消费者的欢迎。鲜竹笋贮藏时间短，故常被加工成笋干、水煮笋、腌制笋等食品。随着竹笋加工业的快速发展，竹笋加工过程中往往会产生大量的笋壳、笋头和笋脚等副产物，其中大部分副产物被随意丢弃或利用率低，造成了相当大的环境污染和资源浪费[2]。研究表明竹笋副产物中的膳食纤维(dietary fiber，DF)含量可达干重的40%左右，高于一般食用蔬菜[3]。竹笋膳食纤维(bamboo shoot dietary fiber，BSDF)的添加被证明可以降低油炸鱼丸面包吸收脂肪的能力[1]，有效改善牛奶布丁的流变性能和组织性能[4]。添加BSDF可以解决食品中DF缺乏问题以及改善食品的质构和感官特性。因此，利用竹笋加工副产品作为DF的来源，既可以解决DF来源不足的问题，同时还可以减少环境污染，实现竹笋的综合利用，提高其附加值。
DF根据其溶解性可分为可溶性膳食纤维(solubble dietary fiber，SDF)和不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber，IDF)。与IDF相比，SDF具有更多的功能特性和更大的黏度、乳化性，SDF通常也会提供更好的质地和口感，因此很容易应用于食品加工。竹笋中DF含量高，但竹笋中的DF大多是不溶性的，SDF含量低限制了其在食品工业中的应用。因此，生物法、化学法和物理法被用来改性DF以提高SDF含量[5-8]。近年来，一些研究者利用挤压结合纤维素酶[9]、超声波辅助蒸煮碱处理[10]、挤压结合酶[11]、高温蒸煮结合纤维素酶[12]等联合处理方式对DF进行改性。根据结构决定性质的原理，改性处理可减小DF的粒径，使DF中更多的功能基团暴露，从而增强其持水性、溶胀性、油脂结合能力、黏度、阳离子交换能力、抗氧化等理化性质及功能特性。然而，目前对于高温蒸煮协同纤维素酶改性BSDF后理化性质和结构的研究鲜有报道。因此，本文采用高温蒸煮协同纤维素酶改性BSDF，并比较了单独高温蒸煮和酶解处理以及高温协同酶解处理后BSDF的粒径、微观结构、水合性质、持油能力、色泽、热稳定性和官能团组成，旨在为BSDF改性提供一种新的方法。
麻竹笋，重庆市北碚区天生菜市场；金龙鱼食用油，重庆市北碚区永辉超市；纤维素酶(40 U/mg)、木瓜蛋白酶(800 U/mg)等，上海源叶生物科技有限公司有限公司。
HH-ZK8数显恒温水浴锅，巩义市予化仪器有限责任公司；FA1004A电子分析天平，上海精天电子仪器有限公司；GR60DA高压灭菌锅，美国Zealway致微公司；Zetasizer Nano ZS粒度分析仪，英国马尔文仪器有限公司；Phenom Pro扫描电镜，荷兰Phenom World公司；UltraScan PRO分光测色仪，美国HunterLab公司；TGA55热重分析仪，美国TA公司；Spectrum 100傅里叶红外光谱仪，美国Perkin Elmer公司。
取新鲜无损伤麻竹笋，洗净切片，取用麻竹笋肉，用沸水漂烫8 min，60 ℃烘干，用粉碎机粉碎后过100目筛得到麻竹笋粉，加木瓜蛋白酶800 U/g，料液比1∶20 (g∶mL)，55 ℃ 酶解2 h后沸水灭酶15 min，在3 000 r/min下离心15 min，收集离心得到的沉淀物，冷冻干燥，粉碎得到BSDF。
取BSDF加纤维素酶300 U/g，料液比1∶12 (g∶mL)，60 ℃酶解1.5 h得到纤维素酶解组BSDF(ET)，取BSDF在温度120 ℃，设置不同的蒸煮时间(20、40 min)进行高温蒸煮处理分别得到HT20、HT40组BSDF；取纤维素酶处理后的BSDF在温度120 ℃，设置不同的蒸煮时间(20、40 min)进行高温蒸煮分别得到ET-HT20、ET-HT40组BSDF。以未处理的BSDF作为空白对照(CK)。
1.4.1 粒径和电位的测定
将样品用蒸馏水稀释1 000倍后，采用纳米粒度仪测定其粒径大小和电位。粒径测定条件：平衡时间2 min，测定温度25 ℃，所用光源为最大输出功率10 W的He-Ne激光，检测角90°，检测波长633 nm。避免多重光散射，每次循环扫描10～120次。电位测定条件：折叠毛细管样品池，0.45 cm2铂电极，折叠毛细管间距0.4 cm，平衡时间2 min，测定温度25℃，每次循环扫描10～100次。每个样品重复测定3次。
1.4.2 微观结构
将干燥至恒重的BSDF粉末固定于双面导电的样品台上，喷金使其具有导电性，采用扫描电镜观察样品的微观结构并拍照记录。扫描电镜电压10 kV，放大倍数1 000倍。
1.4.3 色泽的测定
BSDF的色泽使用分光测色仪进行测定。记录每个样品的明度(L*)、绿/红度(a*)、蓝/黄度(b*)等不同颜色参数的值。总色差(△E)表示颜色强度，采用公式(1)计算：
(1)
1.4.4 持水力、膨胀性、持油性的测定
参考CHEN等[13]和HUA等[14]的方法略作修改，一式3份测定持水力(water holding capacity，WHC)、膨胀性(swelling capality，SC)、持油性(oil holding capacity，OHC)。
称取样品0.5 g，放入烧杯中，加入20 mL蒸馏水后静置6 h，在4 500 r/min下离心15 min后，收集沉淀物称重测定WHC。称取0.2 g样品，放入10 mL量筒中读取体积V1，量取8 mL纯水转移到10 mL量筒中，振荡均匀，室温下放置24 h，记录BSDF吸水后的体积测定SC。
称取样品0.5 g，放入烧杯中，加入食用油20 mL后静置6 h，在4 500 r/min下离心15 min后，收集沉淀物，用滤纸吸收BSDF表面多余的油脂后，称重测定OHC。
1.4.5 热重测定
取5～10 mg干燥样品用同步热分析仪进行热重分析，采用热重法(thermogravimetry，TG)和微分热重分析法(differential thermogravimetry analysis，DTG)测定样品的热力学性质。试验在充N2的条件下进行，升温速率为10 ℃/min，测定范围为25～600 ℃。
1.4.6 红外光谱分析
取样品1 mg干燥至恒重，放于玛瑙研钵中，加入100 mg的干燥的KBr粉末，研磨混匀至细微的粉末状。取0.05 g研磨后的混合物粉末，装入并使其均匀平铺于压片模具中，抽气加压，保持3 min左右，将制成的透明薄片迅速放入红外光谱仪中进行分析扫描，扫描次数32次，分辨率4 cm-1，扫描范围500～4 000 cm-l。
使用SPSS 25.0统计软件，对数据进行方差分析；试验数据通过数据分析系统软件对数值进行差异显著性分析(P<0.05表示显著，P>0.05表示不显著)。每个试验重复3次。运用Origin 8.0软件对数据进行处理绘图。
图1为不同处理BSDF的粒径和电位。由图1可知，不同处理均能显著减小BSDF的粒径(P<0.05)，HT组与ET组粒径无显著差异(P>0.05)，HT40和ET-HT40组粒径分别小于HT20和ET-HT20组，ET-HT40组粒径((423±23.7) nm)最小，粒径的减小可能是纤维素被水解为小分子以及BSDF颗粒断裂所致[5]。DF粒径与其吸收水和油的能力、在结肠中的运输和发酵等理化性质和功能特性密切相关[15]。有研究表明粒径减小会增加DF分子间的范德华力、静电引力和表面活性，对DF的理化性质有重要影响[16]。BSDF的电位在不同处理后均显著减小(P<0.05)，各处理组间电位无显著差异(P>0.05)。处理后BSDF含有较大的负电荷，可能是大量的羟基和羧基存在所致。电位绝对值较大，则粒子间的静电排斥作用较大，可以防止絮凝和凝聚，从而提高稳定性[17]。HAN等[18]发现少量的麦麸DF增强了小麦淀粉颗粒间的排斥力，增加了颗粒间的稳定性。
a-粒径；b-电位
图1 不同处理方式对BSDF的粒径和电位的影响
Fig.1 Effects of different treatments on the particle size
and potential of BSDF
注：图中不同处理小写字母代表差异显著(P<0.05)
图2为不同处理后BSDF放大1 000倍的扫描电镜图。经过处理后的BSDF颗粒更细小，ET-HT40组BSDF颗粒细小均匀，与粒径结果一致。颗粒尺寸的减小和比表面积的增加促进了酶的水解和DF结构的崩解[5]。CK、ET和HT组BSDF呈球状，ET-HT组呈片状，有孔隙结构出现。这可能是在高温高压条件下糖苷键断裂，分子颗粒减小，纤维素酶的水解导致BSDF表面的纤维素颗粒松散，分子质量和聚合度降低[19]。有研究发现挤压处理后BSDF为片状，有浅裂纹和深裂纹，酶解处理后有多块碎片和层状结构，而挤压结合酶解处理后BSDF表面结构呈蜂窝状[9]。也有研究发现酶解后BSDF呈蜂窝状结构，有较多的孔洞和裂纹，有助于葡萄糖等的扩散[21]。BSDF微观结构的改变使得BSDF更容易与水接触，从而提高BSDF的水溶性和保水能力[20]。HT和ET-HT组BSDF表面可见少量块状和球状物质，可能是残留的蛋白质颗粒[22]。
a-CK；b-ET；c-HT20；d-HT40；e-ET20；f-ET-HT40
图2 BSDF的SEM图(×1 000)
Fig.2 The SEM photograph of BSDF
不同处理后BSDF的色泽变化如表1所示，各改性组的L*显著降低(P<0.05)，a*值显著升高(P<0.05)，表明各改性处理后BSDF颜色均变暗、变红。HT组的a*值显著大于ET组(P<0.05)，L*显著小于ET组(P<0.05)，ET-HT40组的L*(54.26±0.64)值最小，ET-HT20组有最大的a*值(9.63±0.17)。ET、HT组的b*升高，ET-HT组的b*略有下降。HT20组的b*(20.43±0.68)最大。各改性组BSDF的ΔE均大于1.5，ET-HT40组BSDF的ΔE达到11.11±0.56，表明改性后BSDF颜色变化显著。这可能是在高温高压条件下，纤维素降解产生的糖类与BSDF中的某些物质产生美拉德反应，出现明显的褐变，导致色泽变暗，红黄度增加[23]。改性后BSDF颜色较深，可以添加在肉类制品或棕色面包等食品中，具有较好的潜在应用价值。
表1 不同处理方式对BSDF颜色的影响
Table 1 Effects of different treatments on the colors of BSDF
处理方式L∗a∗b∗ΔECK64.97±0.81e6.19±0.38a19.66±0.96ab—ET63.38±0.79d8.15±0.07b19.75±0.45b2.66±0.33aHT2058.65±0.37c9.09±0.17cd20.43±0.68b7.04±0.19bHT4056.17±0.31b9.47±0.22d20.18±0.29b9.41±0.19cET-HT2056.18±0.21b9.63±0.17d18.46±0.36a9.48±0.21cET-HT4054.26±0.64a8.83±0.38c18.41±0.29a11.11±0.56d
注：—表示无，不同小写字母表示差异显著(下同)
由表2可知，改性后BSDF的WHC、SC和OHC均有所提升。ET组的WHC显著增加(P<0.05)，HT组的SC显著提升(P<0.05)，ET-HT组的WHC和SC较对照组均显著提升(P<0.05)。HT组和ET组的WHC无显著差异(P>0.05)，SC显著提升(P<0.05)。ET-HT20组的WHC((5.29±0.17) g/g)和SC((13.22±0.12) mL/g)最大，可能是纤维素酶解以及高温高压的作用使BSDF疏松多孔，羧基、羟基和氨基等亲水基团更多的暴露，粒径减小，较高的WHC与减小的粒径也有关系[18]。
改性后BSDF的OHC较对照均显著提升(P<0.05)，各改性组间OHC无显著差异(P>0.05)，ET-HT40组OHC((8.35±0.03) g/g)最高。OHC与BSDF的表面性质、疏水性和总电荷密度有关，高温蒸煮和酶解过程中各种力和酶的作用使得BSDF原本紧密的结构变得变得松散，孔隙增多，更多的亲脂基团暴露，油容易渗透到DF分子中被结合，使持油力得到改善[24]。
HT20组和ET-HT20组BSDF的WHC、SC和OHC较HT20和ET-HT20组均有所下降。郑刚等[25]发现高压蒸煮15 min后苹果DF的膨胀性升高，30、45 min处理后又下降。这可能是随时间的延长，酶解后产生的葡聚糖等SDF被进一步降解，一些活性基团和孔隙结构被破环，致使其持水和持油能力下降[26]。较高的WHC、SC和OHC可以改变食品的黏度和质地，与降低血清胆固醇、改善血糖控制和肠道发酵等多种功能性质有关[27]。
表2 不同处理方式对BSDF的WHC，SC和OHC的影响
Table 2 Effects of different treatments on the WHC，
SC and OHC of BSDF
处理方式WHC/(g·g-1)SC/(mL·g-1)OHC/(g·g-1)CK3.83±0.01a7.48±0.48a3.82±0.18aET4.97±0.13c8.05±0.05a8.32±0.18bHT20 4.81±0.23bc11.52±0.03c7.34±0.16bHT404.30±0.30b11.60±0.15c7.16±0.88bET-HT205.29±0.17c13.22±0.12d8.35±0.03bET-HT405.08±0.10c10.20±0.20b8.02±0.04b
不同处理后BSDF的热分解过程如图3所示，BSDF的热分解大致分为3个阶段：50～200 ℃、200～400 ℃、400～600 ℃。这与人参渣DF的热分解过程相似[14]。在50～200 ℃的热分解范围内是水在120 ℃条件下蒸发。ET组BSDF有明显的失水峰，HT和ET-HT组无明显的失水峰。在200～400 ℃可能是果胶和半纤维素的分解，在400～600 ℃的可能是木质素和纤维素的分解。不同处理后BSDF的最大热分解温度都在300 ℃左右，ET-HT20组BSDF的最大失重率为0.43%/min，大于其他组。HT20组BSDF的最大失重率(0.39%/min)最小。各种改性处理后BSDF的热稳定性较对照均提高。HT20和HT40改性的BSDF残留率分别为26.49%和27.16%，高于ET改性BSDF的残留率24.20%，ET-HT20组BSDF的热稳定性最高，残留率为27.31%。BSDF较高的热稳定性，可能与其较高的结晶度和降解温度有关[21]。
a-CK；b-ET；c-HT20；d-HT40；e-ET20；f-ET-HT40
图3 不同处理方式BSDF的热重分析图
Fig.3 Thermal analysis of BSDF in different treatments
不同处理BSDF的红外光谱如图4所示，处理组与CK组BSDF的光谱分布相似，但在相应波长处的吸收强度有变化。在1 041 cm-1处的峰值是糖苷键所致[28]，ET、HT、ET-HT组BSDF在此处峰的强度小于CK组，说明改性后BSDF中的部分糖苷键断裂。BSDF在1 225 cm-1和1 375 cm-1处出现较小的峰，与C=O拉伸振动[29]和C-H弯曲有关[16]。在1 640 cm-1的峰是结合水和一些羧酸基团、酯羰基(—COOR)所致，表明醛酸的存在[6]。有研究认为甘蔗DF在1 646 cm-1的峰是多糖和半纤维素中的C=O拉伸振动或木质素中酯基团所引起[30]。在2 928 cm-1处的峰是由木质素、纤维素和半纤维素中C-H伸缩振动引起的[31]。BSDF在3 402 cm-1附近均有较强的宽峰，主要是O—H键的延伸所致，是多糖组分的特征吸收峰[15,32]。总体来说，BSDF的红外图谱特征吸收峰的峰型和基本位置未发生特别明显的变化，改性对BSDF主要官能团没有较大影响。LUO等[22]发现酶解后BSDF的吸收峰与未处理组基本一致，BSDF的基本结构没有被破坏。
图4 不同处理方式BSDF的红外光谱图
Fig.4 The FT-RI of BSDF by different treatments
本文研究了纤维素酶解、高温蒸煮、高温蒸煮协同纤维素酶处理对BSDF结构和理化性质的影响。研究结果表明，改性后的BSDF颜色偏暗、偏红和偏黄，高温蒸煮协同纤维素酶处理BSDF具有最小的粒径，BSDF的持水力、膨胀力和持油力得到改善。通过热重、扫描电镜和红外光谱分析，高温蒸煮协同纤维素酶处理BSDF成片状，颗粒减小，热稳定性增强，主要官能团结构未发生改变。综上所述，高温蒸煮结合纤维素酶处理有效地改善了BSDF的结构和理化性质，是一种绿色有效的方法，可以为今后BSDF的开发利用提供新的参考。
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