膳食纤维（dietary fiber,DF）是一类由碳水化合物的聚合物和非碳水化合物组分的化合物组成的混合物,其对人类小肠中的消化和吸附具有抗性,在大肠中可完全或部分发酵[1,2]。按照溶解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）两大类。优质的膳食纤维具有较好的加工特性、生理活性和保健功能,且SDF含量应不低于10%。然而,尽管许多植物中总膳食纤维所占比例很高,但可溶性膳食纤维含量相对较低,大约仅为3%~4%,不能满足膳食平衡的要求[3]。运用简单且有效的方法对原料中的副产物进行改性使SDF含量增加,是膳食纤维研究领域的重点。之前的研究已经探索了运用化学和生物的方法改善SDF的结构和水合特性或将IDF转化为SDF,但存在许多缺点,如化学处理反应时间长,造成环境污染等[4,5]。物理改性方法由于其污染程度小,过程易操作,是目前研究膳食纤维改性的主要方法,其中挤压膨化技术与超微粉碎技术已广泛应用于膳食纤维原产品的改性处理,蒸汽爆破技术近年来也受到越来越多的关注。超微粉碎技术是利用物理的方法克服物料之间的结合力,使其达到一定的粒度[6];挤压膨化技术是使原料在挤压设备中进行高温和高压的组合作用,产生高剪切、湍流、空化以及温度的组合效应导致其结构的变化[7];蒸汽爆破技术是利用过热蒸汽对原料进行高压处理,通过瞬间解压的方式使得物料体积膨胀至爆炸,使细胞壁破裂[8]。
菠萝（Ananas comosus）又名凤梨,属于凤梨科（Bromeliaceae）凤梨属（Ananas）的多年生单子叶常绿草本果树,是热带亚热带名果之一。菠萝不易储存,除少部分用于鲜果销售外,大部分用于生产果汁或制作菠萝罐头,在加工过程中产生高达50%~60%的菠萝皮渣未被利用[9],其营养成分与果肉类似,且含有丰富的膳食纤维。目前,关于菠萝皮渣的膳食纤维研究主要集中于提取方面[10],尚未有采用物理方法对菠萝皮渣膳食纤维进行改性的相关报道。物理改性方法近年来在麦麸、豆渣中应用较多,主要是用来提高膳食纤维中SDF含量及纤维的品质。Yan等[11]采用双螺旋杆挤压技术处理麦麸,改性后的SDF含量提高了41%;Gong等[12]采用蒸汽爆破技术对麦麸处理后发现其总酚含量和抗氧化能力明显提高。本研究以菠萝皮渣为原料,采用超微粉碎、双螺旋杆挤压膨化、蒸汽爆破3种物理改性方法对其进行改性处理,从膳食纤维的角度分析比较其物理化学和功能特性的变化,采用扫描电镜、傅里叶红外光谱等技术对改性前后的物理结构进行解析,以期为高品质菠萝皮渣膳食纤维的制备提供依据。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 材料与试剂 菠萝皮渣（来自巴厘品种,九成熟）,湛江思味特食品公司;α-淀粉酶,北京索莱宝生物公司;95%乙醇、三羟甲基氨基甲烷、乙烷磺酸、丙酮、重铬酸钾、硅藻土及其他均为国产分析纯。
1.1.2 仪器与设备 SYSLG30-IV双螺杆挤压实验机,济南鼎润机械设备有限公司;超微粉碎机, 杭州旭众机械设备有限公司;QBS-80超音速弹射式汽爆机,鹤壁正道生物能源有限公司;SHZ-Ⅲ循环水真空抽滤机,深圳市瑞鑫达有限公司;XMTD-8222型电热恒温鼓风干燥箱,上海精宏实验设备有限公司;XL-200马弗炉,鹤壁市丰泰有限公司;电热恒温水浴槽,上海森信实验仪器有限公司。
1.2 方法
1.2.1 菠萝皮渣膳食纤维的制备 皮渣原料→热水洗涤2次→60 ℃ 烘干24 h→粉碎过60目筛→皮渣干基→α-淀粉酶酶解（酶用量520 U/g,碱解时间40 min）→碱解（NaOH浓度4.1%,碱解时间65 min）→水洗至中性→洗至60 ℃烘干过夜→粉碎过60目筛→成品。
1.2.2 菠萝皮渣膳食纤维改性处理 超微粉碎处理（UP）：采用超微粉碎机进行改性,称取一定量的菠萝皮渣膳食纤维,超微粉碎处理10 min,置于塑封袋中备用。
蒸汽爆破处理（SE）：采用蒸汽爆破机进行改性,实验参数为：压力为1.5 MPa,维压时间为30 s,烘干后置于塑封袋中备用[13]。
挤压膨化处理（EP）：采用双螺旋杆挤压膨化机进行改性,实验参数为：转速150 r/min,水分含量设置为40%,膨化温度设置为140 ℃,挤压膨化处理后烘干粉碎,过60目筛置于塑封袋中备用。
1.2.3 改性前后菠萝皮渣膳食纤维基本成分测定 水分、蛋白质、粗脂肪、淀粉、灰分：采用GB/T 5009-2008的方法测定。采用酶–重量法[14]测定菠萝皮渣膳食纤维中各类膳食纤维含量。
1.2.4 改性前后菠萝皮渣膳食纤维物化性质的测定 （1）持水性的测定。依照Suzuki等[15]的方法,稍作修改,准确称取1.0 g样品并加入50 mL蒸馏水中,将混合物在恒温振荡器上搅拌1 h。然后4000 r/min离心20 min,倾倒除去上清液,称重残余物。计算公式为：
W=(M1–M)/M
式中W为持水性（g/g）;M为样品干重（g）;M1为样品湿重（g）。
（2）持油性的测定。依照Wang等[16] 的方法并稍作修改,称取1.0 g样品置于离心管中,加入食用大豆油8 g,混合均匀后于室温静置1 h,4000 r/min离心20 min,将大豆油倾倒出来,然后滤纸将残渣中游离大豆油吸干,称重残余物。计算公式为：
O= (m1-m)/m
式中O为持油性（g/g）;m为样品干重（g）;m1为样品湿重（g）。
（3）溶胀性的测定。依照涂宗财等[17] 的方法并稍作修改,准确称取1.0 g样品,置于带刻度的玻璃试管中,加蒸馏水15 mL,混合均匀后在室温下放置过夜,观察其自由膨胀体积。计算公式为：
S=(V2-V1)/m
式中S为溶胀性（mL/g）;V2为膨胀后体积（mL）;V1为膨胀前体积（mL）;m为样品质量（g）。
（4）阳离子交换能力。参照Chau等[18]的方法。
1.2.5 改性前后菠萝皮渣膳食纤维的形貌特征与结构测定 扫描电镜：将微量样品固定于导电胶带观察台上,用离子溅射方法的方法进行喷金处理,置于扫描电子显微镜下观察。
傅里叶红外光谱分析：将菠萝皮渣膳食纤维样品提前烘干至恒重,取约2 mg样品置于玛瑙研钵中,并加入150 mg的KBr粉末,研磨处理均匀后压片处理进行光谱分析,扫描波长为500~4000 cm-l。
1.2.6 生物活性化合物溶出的测定 菠萝皮渣中含有丰富的多酚黄酮以及多种抗氧化物质,实验主要对不同物理方法改性前后的皮渣中总酚和黄酮含量进行测定,并比较其变化。
（1）总酚、黄酮的提取。总酚、黄酮的提取参照沈佩仪等的方法[19],准确称取皮渣5.0 g,溶剂为50%乙醇,液料比为40∶1（mL/g）,室温下浸提20 min,过滤收集上清液。
（2）总酚含量的测定。参照Deng等[20]的方法,稍作修改。具体操作步骤如下：配制没食子酸溶液浓度为1 mg/mL,分别取0、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 mL于10 mL容量瓶中用蒸馏水稀释。上述稀释液各2 mL于50 mL 容量瓶,依次加福林酚试剂（10%）10 mL,Na2CO3溶液（7%）8 mL,蒸馏水定容后室温下放置1 h,在765 nm 波长处测吸光度值,得没食子酸质量浓度（x）与吸光度（y）之间的直线方程为y=3.2861x+0.0173,R2=0.9985。样品中多酚含量为每克皮渣干物质相当于没食子酸的量（mg/g）。
（3）黄酮含量的测定。参考Tohidi等[21]的方法并稍作修改。具体操作如下：配制浓度为0.24 mg/mL的芦丁溶液,分别取0.8、1.2、1.6、2.0、2.4 mL于10 mL容量瓶,加入50 mg/mL NaNO2溶液0.5 mL,摇匀后放置6 min,再加入100 mg/mL Al(NO3)3 溶液0.5 mL,摇匀后放置6 min,加入40 mg/mL的NaOH溶液4.0 mL,蒸馏水定容,室温放置15 min,在510 nm处测定吸光度值,得到芦丁质量浓度（x）与吸光度（y）之间的直线方程为y=1.6127x-0.0953,R2=0.9992。样品中黄酮含量以每克干物质芦丁计,单位为mg/g。
2 结果与分析
2.1 改性菠萝皮渣膳食纤维的基本成分分析
由表1可知,改性前后菠萝皮渣膳食纤维灰分、淀粉含量无显著变化,其中蛋白质含量较改性前相比略有降低,原因可能是恶劣的改性环境使得蛋白质降解所致,这与刘湾等[22]对蒜皮的物理改性实验结果类似。相对于原料,改性处理后各样品除挤压膨化外SDF含量均有增加,而IDF含量发生降低,其中蒸汽爆破样品SDF含量增加最显著,但总膳食纤维（TDF）含量显著减少,原因可能是在处理过程中纤维素和木质素等大分子物质降解为小分子物质所致。超微粉碎前后SDF含量明显增加,这可能是由于部分膳食纤维在粉碎过程中糖苷键断裂转化为可溶性糖所致。而挤压膨化后样品的TDF、SDF、IDF均有减少,说明挤压膨化不是提高SDF含量的有效方法,这可能是因为它只能破坏非共价键,在挤压过程中导致一部分膳食纤维损失。
表1 改性前后菠萝皮渣膳食纤维的组成Tab. 1 Basic components of dietary fiber from pineapple pomace before and after modification g/100 g |
| 样品 Sample | 灰分 Ash | 蛋白质 Protein | 淀粉 Starch | 水分 Moisture | 总膳食纤维 TDF | 可溶性膳食纤维 SDF | 不可溶性膳食纤维 IDF |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 原料 | 3.64±0.21a | 5.29±0.25a | 1.52±0.23a | 5.51±0.13b | 71.40±1.24a | 6.15±0.11a | 65.20±2.17c |
| 超微粉碎 | 3.45±0.19a | 4.80±0.32a | 1.59±0.12a | 4.25±0.35a | 70.50±2.25a | 6.81±0.34b | 63.20±2.15c |
| 蒸汽爆破 | 3.45±0.28a | 4.91±0.22a | 1.55±0.25a | 5.46±0.08b | 63.80±1.22b | 10.11±0.55c | 53.70±1.24a |
| 挤压膨化 | 3.58±0.05a | 5.18±0.13a | 1.48±0.11a | 4.28±0.18a | 63.80±2.25b | 5.51±1.25d | 58.30±1.19b |
Note: The results were all on a dry basis.Different lowercase letters in the same column indicate significant difference (P<0.05). | |
注：结果均以干基计;不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。 |
2.2 改性前后菠萝皮渣理化性质分析
表2 改性前后菠萝皮渣膳食纤维的理化性质Tab. 2 Physiochemical properties of dietary fiber from pineapple pomace before and after modification |
| 样品 Sample | 膨胀力 Swelling capacity/(mL·g-1) | 持水力 Water holding capacity/(g·g-1) | 持油力 Oil holding capacity/(g·g-1) | 阳离子交换能力 Cation exchange capacity/ (mmol·g-1) |
|---|---|---|---|---|
| 原料 | 1.75 ± 0.11a | 5.64 ± 0.22a | 2.03 ± 0.05a | 1.65 ± 0.12a |
| 超微粉碎 | 0.80 ± 0.09b | 4.17 ± 0.04b | 1.62 ± 0.03b | 2.15 ± 0.05b |
| 蒸汽爆破 | 1.35 ± 0.09c | 4.86 ± 0.12c | 2.15 ± 0.02c | 1.85 ± 0.11c |
| 挤压膨化 | 0.75 ± 0.05b | 4.63 ± 0.16d | 1.52 ± 0.08b | 1.75 ± 0.13c |
Note: The results were all on a dry basis.Different lowercase letters in the same column indicate significant difference (P<0.05). | |
注：结果均以干基计;同列不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。 |
2.3 改性菠萝皮渣膳食纤维的形貌特征与结构分析
2.3.1 扫描电镜分析 由图1可知,菠萝皮渣膳食纤维中具有规则的表面,结构更完整、更致密。经过挤压膨化后的纤维变得松散多孔,样品中间部分出现了孔洞且沟壑状态明显,可能是因为挤压处理使得膳食纤维颗粒被破坏。该现象与样品挤压后持水力和膨胀力变弱的结果相吻合。经过蒸汽爆破后的样品表面褶皱,具有很多空隙,相对表面积增大。此外纤维的细胞结构也被破坏,菠萝皮渣膳食纤维中SDF的含量显著提高。超微粉碎后出现团簇现象,颗粒变小且不均匀,局部仍存在较完整的细胞壁结构,且呈剥离多层状态,说明超微粉碎过程中主要为纵向的剪切作用。
图1 菠萝皮渣膳食纤维改性前后的扫描电镜图A：菠萝皮渣原料（RM）;B、C、D分别为超微粉碎（UP）、蒸汽爆破（SE）和挤压膨化改性（EP）。 Fig.1 Scanning electron microscope images of DF from pineapple pomace before and after modification A: Raw material (RM); B, C, D are ultrafine pulverization (UP), steam explosion (SE) and extrusion puffing modification (EP), respectively. |
2.3.2 傅里叶红外光谱分析 物质的红外光谱吸收峰位移和吸收强度与其本身化学组成以及化学键的类型有密切的关系。3种改性方式处理后与处理前膳食纤维的红外光谱大致相似,说明菠萝皮渣膳食纤维的化学结构在处理过程中未发生显著变化,如图2所示,3300~3500 cm-1附近显示出宽的拉伸强烈特征峰,这归因于-OH亚基的伸缩振动。在2919 cm-1附近出现纤维亚甲基（-CH2）相应的伸缩振动峰,2919~2933 cm-1附近归因多糖亚甲基的CH拉伸带。在1636 cm-1附近处为木质素苯环的特征吸收峰,代表了对木质素降解的影响[30]。1424~1517 cm-1属于羧基官能团[31]。在1143和962 cm-1附近的吸收峰为膳食纤维中多糖的典型吸收峰,表明分子中含有C-OH和C-O-C键[32]。
与原料膳食纤维相比,经过蒸汽爆破处理和挤压膨化处理后,纤维结构中的羟基吸收峰都发生了不同程度的蓝移,其中蒸汽爆破处理比挤压处理移动的更多,分别由3384 cm-1移动到3282、3291 cm-1,说明处理使一些羟基基团暴露,起到了一定的水解作用。而超微粉碎处理后未发生显著变化。蒸汽爆破处理后的膳食纤维在1636 cm-1处也出现吸收峰减弱,说明不可溶性膳食纤维被降解,可能转化为一些可溶性膳食纤维。
2.4 菠萝皮渣膳食纤维生物活性物质溶出量
图3 改性前后菠萝皮渣膳食纤维中多酚、黄酮的溶出量不同大写字母表示各处理之间多酚含量差异显著（P<0.05）,不同小写字母表示各处理之间黄酮含量差异显著（P<0.05）。 Fig. 3 Solution of polyphenols and flavonoids in DF of pineapple pomace before and after modification ifferent uppercase and lowercase letters indicated significant differences in polyphenol and flavonoid content between treatments(P<0.05), respectively. |
有研究表明菠萝皮中含有丰富的生物活性物质,且菠萝皮中的总多酚高于其果肉[34]。生物活性物质具有预防癌症、心血管疾病、哮喘、糖尿病等慢性疾病的功效,可以作为生物补强剂添加到食品中发挥作用。从结果来看,蒸汽爆破处理显著增加了菠萝皮渣多酚、黄酮类物质的溶出量,可作为一种良好的多酚、黄酮提取原料应用到食品中去。
3 讨论
改性前后菠萝皮渣膳食纤维基本含量除蛋白质减少外其他均无显著变化,不会对原料的含量本身造成影响。阳离子交换能力均有提高,纤维含量发生显著变化,除挤压膨化外SDF含量均有增加,IDF含量都有降低,其中蒸汽爆破样品SDF含量增加约4%,最为显著,达到10.11%左右,其SDF含量在目前对于膳食纤维改性处理中处于中等水平,达到了膳食纤维的高品质要求。然而,在改性过程中膳食纤维的理化性质变化较大,膨胀力和持水力均有减小的趋势,表明物理改性处理可能会破坏原料本身优良的物理特性,这与许多学者所研究的结果基本一致。蒸汽爆破改性后其持油力有增加的趋势,在膨胀力、持水力方面与原料相差不大,表现良好。
形貌结构分析显示,与皮渣原料膳食纤维相比,经过挤压膨化后的纤维变得松散多孔,样品表面有较少的沟壑且中间出现了孔隙;蒸汽爆破后的样品表面褶皱,具有很多空隙,相对表面积增大,可能会产生更强的金属离子的束缚性能;超微粉碎后出现团簇现象,颗粒变小且不均匀,局部仍存在较完整的细胞壁结构,且呈剥离多层状态。红外光谱显示,蒸汽爆破处理和挤压膨化处理后,纤维结构中的羟基吸收峰都发生了不同程度的蓝移,其他未发生显著变化,3种改性方式对膳食纤维的结构影响不大。
改性后的菠萝皮渣膳食纤维总酚和黄酮的溶出量有显著的变化,且多酚与黄酮的变化类似,这在目前膳食纤维的研究中鲜有报道。结果表明,物理改性处理还能增加菠萝皮渣膳食纤维生物活性物质的溶出量,在实际生产中可用于提取生物补强剂的前处理方法。在3种改性处理中,蒸汽爆破处理后样品的总酚和黄酮的溶出量最高。从整体来看,3种物理改性方式对菠萝皮渣膳食纤维的影响差异显著,综合物化性质分析,蒸汽爆破处理更适用于菠萝皮渣膳食纤维的改性处理。