赖爱萍 陆国权

(浙江农林大学农业与食品科学学院;浙江省农产品品质改良技术研究重点实验室，浙江杭州311300)

近年来，由于高脂肪食物摄入而引发的疾病如高血压、冠状动脉硬化、心脏病等发病率不断增大［1］。研究表明膳食纤维具有平衡饮食，降低血脂的功效，增大膳食纤维的摄入量可以降低食欲，减少能量摄入，有效预防肥胖症和心血管疾病［2-3］。不同的食品加工方法对膳食纤维的理化特性和结构特性具有不同程度的影响。Lan G S［4］等人研究了蒸汽处理和自然晒干对玉竹膳食纤维的理化特性影响，结果表明蒸汽处理过的膳食纤维持水力、膨胀力等显著高于自然晒干处理的膳食纤维。Chen J L［5］等人对桃子和燕麦的膳食纤维进行微射流均质处理，显著改善了膳食纤维的理化特性。本研究比较分析了常压蒸煮、高压蒸煮、微波蒸煮及挤压蒸煮四种食品加工方式对甘薯膳食纤维的理化特性和结构特性的影响，为进一步利用甘薯膳食纤维，提高膳食纤维品质提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

甘薯渣 山东省济宁市甘薯淀粉厂提供，自然风干，粉碎，过100筛。

立式压力蒸汽灭菌器LS-30 上海博讯实业有限公司医疗设备厂;微波炉KD12B-DA型 美的集团;挤压膨化机SYSLG32-Ⅱ 济南赛百诺科技有限公司;粉末X-射线衍射仪6000 日本岛津仪器公司;高分辨透射电子显微镜Tecnai G2 F30 S-Twin 荷兰Philips-FEI公司。

1.2 实验方法

1．2．1 甘薯膳食纤维的提取工艺 甘薯渣→NaOH浸泡→加入α-淀粉酶，45℃水浴30min→加入糖化酶，60℃水浴30min→加入蛋白酶，37℃水浴30min→乙醇沉淀→抽滤→ 烘干、粉碎→薯渣膳食纤维

工 艺 要 点:NaOH 浓 度 0．2mol/L，料 液 比1∶5g/mL;α-淀粉酶用量 1．5mL(2000U/mL);糖化酶用量 5．5mL(1500U/mL);蛋 白 酶 用 量 0．4mL(250U/mL)。

1．2．2 甘薯膳食纤维的加工工艺 以膳食纤维得率为指标，通过预实验优化工艺，得到四种蒸煮方式的最优条件如下:

常压蒸煮:在常压下，沸水蒸煮20min。高压蒸煮:压力为 0．1Mpa，温度为 121℃，蒸煮 25min。

微波蒸煮:微波功率640W、微波时间6min、物料比 1∶3。

挤压蒸煮:物料含水量32%、螺杆转速130r/min、挤出温度110℃。

1．2．3 膳食纤维理化特性测定

1．2．3．1 膳食纤维含量测定参照GB/T5009．88-2008。

1．2．3．2 持水力的测定 取0．5g(W1)样品放入离心管中，加10mL去离子水，混匀，室温放置24h，1500r/min离心 10min，去上清液，称量样品的重量(W2)［6］。

1．2．3．3 膨胀力的测定 称取一定量的样品(W1)于带刻度的试管中，读取样品的体积(V1)，以 1∶50(g/mL)加入去离子水，混匀，放置18h，记录样品在试管中的膨胀后体积(V2)［7］。

1．2．3．4 持油性的测定 参照CaprezA 等的方法，取0．25g(W1)样品于离心管中，加入玉米胚油5mL，混匀，在 2000r/min下离心 30min，称量样品湿重(W2)［8］。

1．2．3．5 结合脂肪能力 称取 0．5g(W1)样品于离心管中，加入花生油5mL，每5min混匀一次，半个小时后在1600r/min下离心25min，取上清液，称量样品湿重(W2)［9］。

1．2．3．6 葡萄糖吸收能力 称量 0．1g(W1)膳食纤维粉于离心管中，加入100mmol/L的葡萄糖原液10mL，在37℃下振荡水浴6h，在3000r/min下离心10min，用斐林试剂测定上清液中的葡萄糖含量(M1)［10］。

1．2．4 膳食纤维结构特性测定

1．2．4．1 X-粉末衍射 X-射线衍射条件:采用铜靶，管压40kv，电流40mA，发散狭缝1度，散射狭缝1度，接收狭缝0．3mm，测量范围 2θ =5～60°，扫描速率为2deg/min。实验数据用 Originlab软件进行处理。

1．2．4．2 傅里叶红外光谱 以1∶100的比例将样品和KBr粉末研磨均匀，在400～4000cm-1下扫描。

1．2．4．3 电子扫描显微镜 在高分辨透射电子显微镜下对样品颗粒形貌行分析、观察。

1.3 数据处理

以SPSS Statistics17．0软件对所测实验数据在0．05水平上进行多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 膳食纤维的理化特性测定结果

2．1．1 膳食纤维含量 从图1可知蒸煮对甘薯渣膳食纤维含量具有显著影响，四种蒸煮方式获得的薯渣膳食纤维含量均显著高于对照，其中挤压蒸煮最高为41．62%。在蒸煮中，薯渣所含的淀粉、蛋白质等吸热膨胀，更多的暴露在表面，且某些大分子物质降解为小分子物质，在提取过程中更利于脱去杂质，提高了膳食纤维含量。不同的蒸煮方式之间存在着显著性差异，原料、常压蒸煮、高压蒸煮、微波蒸煮和挤压蒸煮方式作用后薯渣中的膳食纤维含量呈递增趋势，可能是因为高压使膳食纤维的结构变的更加疏散，利于不溶性纤维转化为可溶性物质［11］。微波能短时间内使物料内外同时进行加热，促进物质中分子的运动而提高膳食纤维含量［12］。在四种蒸煮方式中，挤压蒸煮获得的膳食纤维含量最高，这是由于挤压过程中的高压、高剪切力作用，促进膳食纤维的溶出［13］。

图1 不同蒸煮方式对膳食纤维含量的影响Fig．1 Effect of DF content in different cooking methods

2．1．2 持水力 持水力的高低是评价膳食纤维品质好坏的重要指标之一，从图2可知，蒸煮使甘薯膳食纤维的持水力得到显著提高，改善了膳食纤维品质，这与蒸煮后可溶性膳食纤维的比例升高紧密相关，水溶性膳食纤维具有更多的亲水基团因而表现出较好的亲水性，持水力强。常压蒸煮获得的膳食纤维持水力最强为3．52g/g，与原料相比提高了66．04%，而其他加工方式获得的膳食纤维持水力相对较低，原因是常压蒸煮对膳食纤维的网状结构破坏较小［14］，而高压、微波、挤压方式在高温高压下对膳食纤维的网状结构产生了一定的破坏，从而导致持水力相应下降［13］。

2．1．3 膨胀力 从图3可知，挤压蒸煮使膳食纤维的膨胀力显著提高，达到5．71mL/g，而其他蒸煮方式对膨胀力有一定的提高，但不显著。膨胀力的大小与薯渣的粉碎方式、烘干方式及薯渣原料等密切相关。挤压蒸煮对于膨胀力的提高具有显著性，因为挤压蒸煮过程中促进膳食纤维的微粒化，使物料的紧密组织变得松散，产生更多的毛细孔，利于水分渗入，提高物料的膨胀力［13］。

图2 不同蒸煮方式对膳食纤维持水力的影响Fig．2 Effect of water-holding capacity in different cooking methods

图3 不同蒸煮方式对膳食纤维膨胀力的影响Fig．3 Effect of swelling capacity in different cooking methods

2．1．4 持油性 从图4可知，蒸煮对膳食纤维的持油性影响不显著，各种蒸煮方式使持油性都有不同程度的降低，相比较而言，挤压蒸煮方式对膳食纤维的持油性影响相对较弱，仅降低了0．15g/g。加工破坏了部分膳食纤维的网状结构，降低了膳食纤维的持油力。膳食纤维的持油性能够帮助高脂多油的食品锁住油分，防止食品中的油分损失而导致品质变坏，同时也能缩短物质在人体肠道中的停留时间［14］，有助于人体排毒。

图4 不同加工方式对膳食纤维持油力的影响Fig．4 Effect of oil-holding capacity in different cooking methods

2．1．5 葡萄糖吸收能力 葡萄糖吸收能力与甘薯的品种、粉碎方式及提取方式有关。从图5中可看出，蒸煮显著提高了膳食纤维吸收葡萄糖的能力。在蒸煮的过程中，某些大分子物质转化为小分子物质，膳食纤维的结构变得酥松，缩短葡萄糖进入物料的路径，更易于葡萄糖进入物料内部，提高了膳食纤维吸收葡萄糖的能力。挤压蒸煮方式获得的膳食纤维葡萄糖吸收能力最大为9．35mmol/g，综合各项指标，挤压蒸煮方式是比较好的一种食品加工方式，能够显著改善膳食纤维的理化特性。

图5 不同蒸煮方式对膳食纤维葡萄糖吸收能力的影响Fig．5 Effect of glucose adsorption capacity in different cooking methods

2.2 不同加工方式对甘薯膳食纤维结构特性的影响

2．2．1 X-粉末衍射 研究表明纤维类物质是由70%有序结晶的纤维素区和30%无序非晶态纤维素、半纤维素区组成，其中，高度有序的纤维区具有较强的结晶性［15］。结晶度是指纤维内部结晶区的质量占纤维总质量的百分率，结晶度高说明纤维内部有序结构的比例较高。对不同蒸煮方式的膳食纤维进行X-粉末衍射，衍射结果表明原料、常压蒸煮、高压蒸煮、微波蒸煮、挤压蒸煮方式获得的膳食纤维结晶 度 分 别 为 63．05%、68．79%、70．98%、64．91%、67．43%。蒸煮后的膳食纤维结晶度均高于未进行加工处理的原料，这可能与蒸煮提高了膳食纤维在物料中所占的比例有关。

从图6可知，不同蒸煮方式的膳食纤维X衍射图谱大致相似，只是衍射的强度有所不同，说明蒸煮未对膳食纤维的结构产生破坏或破坏程度不大，这可能与加工过程中所产生的机械力不足以使纤维颗粒之间连接键断裂有关［16］。图6中2θ=26°左右有一个非常明显且尖锐的峰，峰的强度较高，这可能是铝制载物台的衍射峰。图中2θ=22．5°附近有明显的衍射峰且峰形较尖锐，表明蒸煮方式并未对纤维中的结晶区造成破坏［17］，物料仍然具有纤维的特征。在2θ=16°和2θ=34°附近也出现了较明显的衍射峰，说明薯渣膳食纤维的晶体类型为纤维素Ⅰ型，即天然纤维素［18］。图6中在2θ=18°附近有一个比较明显且峰形较尖锐的峰，这可能是因为膳食纤维的加工或提取中使纤维非定型区发生了一定程度的降解［19］。

图6 不同蒸煮方式的X衍射图谱Fig．6 X-ray diffraction spectrums of different cooking methods

2．2．2 傅里叶红外光谱 从图7可知，蒸煮后的膳食纤维与对照膳食纤维的红外光谱大致相似，说明蒸煮未对薯渣膳食纤维结构造成显著改变，与X-衍射结果一致。图7中五种膳食纤维均具有多糖特征吸收峰，3422cm-1处是O-H的伸缩振动，2927cm-1处是糖类甲基和亚甲基上C-H的收缩振动，这些是糖类的特征吸收峰［20］。薯渣膳食纤维在3420cm-1附近的峰是游离羟基和氢键结合造成的伸缩振动，是多糖上的羟基及样品中的水分所产生的，这是所有纤维素的特征谱带［21］。对照、常压蒸煮、高压蒸煮、微波蒸煮和挤压蒸煮在3500～3400cm-1处的OH伸缩振动峰 分 别 为 3422．43、3422．19、3426．76、3423．31 和3422．86cm-1。图7中在2361cm-1附近的振动峰很可能是由空气中二氧化碳的C=O键引起的，高压蒸煮和挤压蒸煮此处的峰较小，表明这两个样品测试时受外界空气中二氧化碳影响较小。从图7中可知在1655～1635cm-1区间，不同处理的膳食纤维均有吸收峰，分 别 为 1654．35、1654．38、1636．78、1635．38 和1637．93cm-1，这是薯渣膳食纤维粉中所含的水分和纤维素晶体引起的振动峰［22］。在1406cm-1附近的尖峰为C-H(-CH2)弯曲的振动峰，为木聚糖的特征峰［23］，说明蒸煮加工处理后的膳食纤维仍然含有木质素。图7中1015cm-1附近的强尖峰是O-H的变角振动吸收峰［24］。总体来看，加工未对膳食纤维化学结构产生变化。

图7 不同蒸煮方式膳食纤维的红外光谱图Fig．7 The infra-red spectrogram of different cooking methods

2．2．3 电子扫描显微镜 从图8可知，原料膳食纤维表面的片状结构相互堆积形成紧密相连的组织，片层之间空隙较小，形状较规则。经过蒸煮加工后的样品在电镜下片状结构具有不同程度的断裂，片层空隙较大，结构较酥松，原先的较大块状结构碎裂为细小的碎屑，碎屑的大小不均，大分子物质降解为小分子物质，利于薯渣中的可溶性成分不断溶出［25］。膳食纤维的片状结构碎裂，分子中的亲水基团更多的暴露在表面，使得膳食纤维与外界环境接触更加充分，提高膳食纤维的提取率。同时暴露在外的亲水基团能够结合更多的水分子，提高了膳食纤维的持水力、膨胀力。微波具有强穿透性，透入介质时使介质分子之间相互摩擦，细胞内温度迅速上升，加速细胞破裂，因而从电镜结果中看膳食纤维的片状结构破裂效果相对较好。物料在挤压蒸煮中受到高压、高剪切力作用，大分子物质快速降解为小分子物质，其片状结构层次较多，且空隙较大，所以各方面理化特性表现较好。

图8 不同蒸煮方式的膳食纤维电子显微镜图Fig．8 SEM of different cooking methods

3 结论

常压蒸煮、高压蒸煮、微波蒸煮和挤压蒸煮显著提高了甘薯膳食纤维的含量、持水力、膨胀力和葡萄糖吸收能力，而降低了膳食纤维的持油力和结合脂肪能力。通过对膳食纤维的结构分析得出，加工未对膳食纤维的化学结构产生明显影响，红外光谱显示纤维结构未遭到破坏，X-衍射显示其结晶度提高，扫描电镜结果显示，蒸煮使膳食纤维的细胞表面结构破碎。综合各项指标，挤压蒸煮方式是较优的加工方式，能够改善膳食纤维特性，提高其品质。

［1］Ktari N，Smaoui S，Trabelsi I，et al．Chemical composition，techno-functional and sensory properties and effects of three dietary fibers on the quality characteristics of Tunisian beef sausage［J］．Meat Science，2014，96(1):521-526．

［2］Wanders A J，Feskens J E，Jonathan M C，et al．Pectin is not pectin:A andomized trial on the effect of different physicochemical properties of dietary fiber on appetite and energy intake［J］．Physiology ＆ Behavior，2014，128:212-219．

［3］Mudgil D，Barak S．Composition，properties and health benefits of indigestible carbohydrate polymers as dietary fiber:A review［J］．International Journal of Biological Macromolecules，2013，61:1-6

［4］Lan G S，Chen H X，Chen S H，et al．Chemical compositon and physicochemical properties of dietary fiber from Polygonatum odoratum as affected by different processing methods［J］．Food Research International，2012，49(1):406-410

［5］Chen J U，Gao D X，Yang L T，et al．Effect of microfluidization process on the functional properties of insoluble dietary fiber［J］．Food Research International，2013，54(2):1821-1827．

［6］梅新．甘薯膳食纤维、果胶制备及物化特性研究［D］．北京:中国农业科学院，2010．

［7］Zhu F M，Du B，Li R F，et al．Effect of micronization technology on physicochemical and antioxidant properties of dietary fiberfrom buckwheathulls［J］．Biocatalysis and Agricultural Biotechnology，2013，9．

［8］Caprez A，Arrigoni E，Amado R，et al．Influence of different types of thermal treatment on the chemical composition and physical properties of wheat bran［J］．Cereal Science，1986，4:233-239．

［9］ YasumasuK，SawaelaK，MoritakaS．Whippingand emulsifying propertiesofsoybean products ［J］ ．Food and Agriculture Organization of the United Nations，1972(36):719-737．

［10］Chau C F，Huang．Y L，Lee M H．In vitro hypoglycemic effect of different insoluble fiber-rich fractions prepared from the peel of citrus Sinensis L．cv．Liucheng［J］．Agricultural and Food Chemistry，2003，51(22):6623-6626

［11］赵健，郑刚，赵国华．超高压处理对红薯渣膳食纤维理化性质的影响［J］．食品科学，2009，30(17):109-112

［12］刘素稳，郭朔，刘畅，等．微波辅助提取苹果渣可溶性膳食纤维［J］．中国食品学报，2010，10(5):152-159

［13］祝威．挤压蒸煮法改善玉米膳食纤维功能特性的研究［D］．长春:吉林农业大学，2003

［14］何李．加工处理对膳食纤维理化及发酵特性的影响［D］．重庆:西南大学，2008

［15］胥晶，张涛，江波，等．牛蒡渣膳食纤维微粒结构及物性的研究［J］．食品工业科技，2010，31(7):136-137

［16］陶姝颖，郭晓辉，令博，等．改性葡萄皮渣膳食纤维的理化特性和结构［J］．食品科学，2012，33(15):171-175

［17］任梅君．大豆膳食纤维的结构化及其应用研究［D］．无锡:江南大学，2012

［18］高洁，汤烈贵．纤维素科学［M］．北京:科学出版社，1999:41-60

［19］乐胜锋．苹果渣膳食纤维的制备及其性能表征［D］．北京:北京工商大学，2010

［20］陶颜娟，钱海峰，周慧明，等．纤维素酶法制备麦麸可溶性膳食纤维及其理化性质研究［J］．食品工业科技，2008，29(4):127-129

［21］李安平，谢碧霞，王俊，等．竹笋膳食纤维的制备及其功能结构比较［J］．中国食品学报，2010，10(1):86-91

［22］何文，尤骏，蒋身学，等．毛竹纳米纤维素晶体的制备及特征分析［J］．南京林业大学学报，2013，37(4):95-98

［23］PachecoSV，MirandaR，CervantesC．Inorganicion resistance by bacteria isolated from a Mexico City freeway［J］．Antonie van Leeuwenhoek，1995，67(4):333-337

［24］张素琴，马国华，宋冬林，等．长江中上游部分江段水细菌质粒的研究［J］．环境科学与技术，1990，13(2):9-12

［25］付成程，郭玉蓉，严迈，等．木聚糖酶对苹果肉渣膳食纤维改性的研究［J］．食品工业科技，2013，34(7):139-142．