莊遠(yuǎn)紅， 林嬌芬， 劉靜娜， 潘裕添*

(1.閩南師范大學(xué) 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 漳州 363000；2. 閩南師范大學(xué) 菌物產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)中心，福建 漳州 363000)

真空冷凍干燥與熱風(fēng)烘干對(duì)香蕉皮可溶性膳食纖維功能特性的影響

莊遠(yuǎn)紅1,2， 林嬌芬1,2， 劉靜娜1,2， 潘裕添1,2*

(1.閩南師范大學(xué) 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 漳州 363000；2. 閩南師范大學(xué) 菌物產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)中心，福建 漳州 363000)

以香蕉皮為原料，經(jīng)過(guò)烘干、提取、濃縮后分別采用真空冷凍干燥和熱風(fēng)烘干制得可溶性膳食纖維，比較兩種干燥方式對(duì)香蕉皮可溶性膳食纖維持油力、陽(yáng)離子交換量、膽固醇吸附特性的影響，進(jìn)一步探究其在模擬胃、腸條件下對(duì)亞硝酸根、鉛、鎘的吸附效果.結(jié)果表明，真空冷凍干燥樣品的持油力和對(duì)膽固醇、NO2-、重金屬Pb2+、Cd2+的去除效果均好于熱風(fēng)烘干；添加量為5 g/L時(shí)膽固醇具有最大吸附效率；可溶性膳食纖維對(duì)NO2-的吸附主要集中在胃部；真空冷凍干燥樣品的陽(yáng)離子交換量略小于熱風(fēng)烘干.干燥方式對(duì)可溶性膳食纖維分子的空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響了可溶性膳食纖維的功能特性.

香蕉皮；可溶性膳食纖維；真空冷凍干燥；膽固醇；模擬胃腸環(huán)境

近年來(lái)，一些“富貴病”如高血壓、冠心病、糖尿病等的發(fā)病率逐年攀升[1]，主要原因在于飲食上對(duì)“三高”(高熱量、高蛋白、高脂肪)食物和精細(xì)食物的偏愛(ài)，膳食纖維攝入量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，造成膳食營(yíng)養(yǎng)不均衡[2].膳食纖維具有極其重要的生理功能[3]，其中可溶性膳食纖維能被腸道菌群發(fā)酵利用，在降低血糖和吸附膽固醇方面具有良好效果[4].膳食纖維來(lái)源豐富，可以從許多廉價(jià)的廢棄物中提取.漳州“天寶”香蕉產(chǎn)量高，隨著香蕉加工業(yè)的迅速發(fā)展，大量的香蕉皮亟待處理[5-6]，制備香蕉皮可溶性膳食纖維，發(fā)掘其藥理價(jià)值，可為香蕉皮資源化利用開(kāi)辟新的途徑，用于對(duì)“富貴病”的預(yù)防.

真空冷凍干燥技術(shù)是將物料溫度降至共晶點(diǎn)以下使水分凍結(jié)成冰，在低壓下提供升華熱使其直接升華，從而除去物料中水分的一種干燥方法[7-8]，這種方法可以完整保持產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).以往針對(duì)膳食纖維的研究大多限于對(duì)提取物提取效率的影響和產(chǎn)品品質(zhì)的研究，或者籠統(tǒng)研究總膳食纖維的某些功能特性，而很少單獨(dú)針對(duì)真空冷凍干燥和熱風(fēng)烘干得到的可溶態(tài)膳食纖維在模擬胃、腸環(huán)境下進(jìn)行藥理價(jià)值的探索.本實(shí)驗(yàn)以香蕉皮為試驗(yàn)材料，分別采用真空冷凍干燥和熱風(fēng)烘干得到可溶性膳食纖維，研究不同干燥方式下可溶性膳食纖維對(duì)持油力、陽(yáng)離子交換量、膽固醇吸附效果，以及在模擬胃、腸環(huán)境下對(duì)亞硝酸根及重金屬鉛、鎘吸附效果等功能特性的影響，為真空冷凍干燥獲得的香蕉皮可溶性膳食纖維藥理價(jià)值的開(kāi)發(fā)提供了理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料和試劑

香蕉皮，由漳州香蕉果肉加工企業(yè)提供.

膽固醇(國(guó)藥集團(tuán))、胃蛋白酶(豬胃黏膜)/胰蛋白酶(豬胰)(上海金穗公司)、硝酸鉛/氯化鎘(汕頭西隴化工廠)，其他試劑均為分析純.

1.2 儀器設(shè)備

AR124CN型電子天平(上海奧豪斯有限公司)、JC101型電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海成順儀器儀表有限公司)、高速萬(wàn)能粉碎機(jī)(天津市泰斯特儀器有限公司)、HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋(金壇市科析儀器有限公司)、SHZ-D(Ⅲ)循環(huán)水式真空泵/RE-301旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司)、DHG-9030電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)、LG-0.2型真空冷凍干燥機(jī)(沈陽(yáng)航天新陽(yáng)速凍設(shè)備制造有限公司)、85-2恒溫磁力攪拌器(金壇市江南儀器廠)、EL20型pH計(jì)(上海梅特勒-托利多儀器有限公司)、HQY-C恒溫振蕩搖床(金壇市順華儀器有限公司)、AA-7003A型原子吸收光譜儀(北京東西分析儀器有限公司).

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 可溶性膳食纖維提取工藝流程 香蕉皮→95 ℃滅酶3 min→粉碎→鹽酸水浴回流提取(0.7 mol/L，料液比1 g∶10 mL，80 ℃，1.5 h)→過(guò)濾→濃縮→醇沉→抽濾→加水溶解→濃縮→真空冷凍干燥/熱風(fēng)烘干→粉碎，過(guò)180目篩→可溶性膳食纖維[6].

1.3.2 持油力測(cè)定 樣品0.5 g與10 mL植物油混合浸泡1 h，期間每10 min振搖一次，離心去除多余油脂后稱(chēng)取殘?jiān)亓?，以每克干物質(zhì)所持油脂量表示[6].

1.3.3 陽(yáng)離子交換量的測(cè)定 樣品0.5 g與33 mL 1 mol/L乙酸鈉混合，振搖，離心，殘留的Na+用95%乙醇洗滌去除，用1 mol/L乙酸銨把與樣品交換的Na+置換出來(lái)，火焰原子吸收光譜法測(cè)定Na+含量，計(jì)算陽(yáng)離子交換量[9].

1.3.4 膽固醇吸附量的測(cè)定 樣品添加量對(duì)膽固醇吸附效果的影響：樣品以2.5、3.75、5、15、25 g/L添加量加入質(zhì)量濃度為2 g/L的膽固醇溶液中(以冰乙酸為溶劑)，于37 ℃下以250 r/min恒溫振蕩5 h后，采用鄰苯二甲醛法[10]測(cè)定膽固醇含量.

吸附時(shí)間對(duì)膽固醇吸附效果的影響：樣品添加量為5 g/L，振蕩平衡時(shí)間分別為1、2、3、4、5 h，其余操作同上.

1.3.5 模擬胃、腸環(huán)境下對(duì)NO2-吸附能力的測(cè)定 樣品以0.25、0.5、1.5、3、5 g/L添加量加入含250 μmol/L NaNO2的人工胃液[11](模擬胃環(huán)境)或人工腸液[11](模擬腸環(huán)境)中，于37 ℃下以250 r/min恒溫振蕩4 h(人工胃液)或7 h(人工腸液)后，采用鹽酸萘乙二胺法[12]測(cè)定吸附后溶液中殘余NO2-的濃度，根據(jù)GB5009.33-2010方法求得每克樣品的NO2-吸附量.

1.3.6 模擬胃、腸環(huán)境下對(duì)重金屬Pb2+，Cd2+吸附能力的測(cè)定 樣品以5 g/L添加量加入含100 mg/L Pb2+(或含28 mg/L Cd2+)的人工胃液(或人工腸液)中[11]，于37 ℃中以250 r/min恒溫振蕩，經(jīng)過(guò)4 h(人工胃液)或7 h(人工腸液)的吸附平衡后，采用火焰原子吸收光譜法測(cè)定Pb2+、Cd2+含量，求出吸附量.

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)持油力的影響

持油力的大小主要與膳食纖維粒度、表面特性、帶電離子密度、水合性質(zhì)有關(guān)[13].由圖1可知，真空冷凍干燥與熱風(fēng)烘干的可溶性膳食纖維持油力均較高，且真空冷凍干燥可溶性膳食纖維持油力比熱風(fēng)烘干大，這可能是由于水溶性膳食纖維本身聚合度相對(duì)較低，分子小，比表面積大[14]，且真空冷凍干燥不僅較好地保持了膳食纖維的表面特性，而且其成品的水合性質(zhì)較強(qiáng)，暴露出較多的親水性基團(tuán)，使表面電荷性質(zhì)改變，持油能力增強(qiáng)[15].

2.2 對(duì)陽(yáng)離子交換量的影響

膳食纖維中的側(cè)鏈基團(tuán)——羧基、羥基和氨基等在消化道可與金屬陽(yáng)離子進(jìn)行可逆交換，改變消化道的pH、滲透壓，并且影響氧化還原電位，形成一個(gè)更溫和的環(huán)境，利于消化和吸收[6,16].圖2表明，真空冷凍干燥與熱風(fēng)烘干可溶性膳食纖維對(duì)陽(yáng)離子交換量的影響不大，且熱風(fēng)烘干陽(yáng)離子交換量略大于真空冷凍干燥，可能是熱風(fēng)烘干使物料中更多的羧基與羥基的側(cè)鏈基團(tuán)外露的結(jié)果.

2.3 對(duì)膽固醇吸附能力的影響

2.3.1 樣品添加量對(duì)膽固醇吸附效果的影響 由圖3可知，兩種干燥方式獲得的可溶性膳食纖維對(duì)膽固醇的吸附量表現(xiàn)為相同的趨勢(shì)，且真空冷凍干燥樣品的吸附量稍大于熱風(fēng)烘干.當(dāng)樣品添加量為2.5～5 g/L時(shí)，隨著添加量的增加，吸附量逐漸增大；添加量為5 g/L時(shí)，可溶性膳食纖維對(duì)膽固醇的吸附量最高，真空冷凍干燥為51.9 mg/g，熱風(fēng)烘干為39.4 mg/g；繼續(xù)增大可溶性膳食纖維的添加量，對(duì)膽固醇的吸附量反而降低，且真空冷凍干燥的下降趨勢(shì)大于熱風(fēng)烘干.當(dāng)樣品添加量大于15 g/L時(shí)，兩種樣品對(duì)膽固醇的吸附量差異不大.兩種干燥方式獲得的可溶性膳食纖維的最佳樣品添加量均為5 g/L，此時(shí)具有最大的吸附效率.

2.3.2 吸附時(shí)間對(duì)膽固醇吸附效果的影響 由圖4可以看出，真空冷凍干燥獲得的可溶性膳食纖維對(duì)膽固醇的吸附量顯著大于熱風(fēng)烘干，在3 h時(shí)，吸附量的差值達(dá)到最大，5 h時(shí)，吸附量差值僅為10 mg/g.蘇玨等[17]認(rèn)為，膳食纖維對(duì)膽固醇的吸附是表面單分子層吸附和分子間引力的多分子層吸附結(jié)合的物理吸附.真空冷凍干燥獲得的水溶性膳食纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)好，表面極性基團(tuán)多，吸附空間障礙小，對(duì)膽固醇的吸附效果更佳.同時(shí)有研究表明[18]，可溶性膳食纖維具有強(qiáng)膠粘性，會(huì)阻斷體內(nèi)消化酶、膽汁酸微團(tuán)、腸黏膜對(duì)膽固醇的吸收，從而使體內(nèi)膽固醇含量降低.

2.4 對(duì)NO2-吸附能力的影響

由圖5可知，模擬胃環(huán)境下，可溶性膳食纖維對(duì)NO2-的吸附量與樣品添加量大致呈反函數(shù)關(guān)系，真空冷凍干燥樣品的吸附量大于熱風(fēng)烘干的吸附量，樣品添加量為0.25～1.5 g/L時(shí)，兩種干燥方式獲得的可溶性膳食纖維均能大幅度減少人工胃液中的NO2-含量，當(dāng)樣品添加量為1.5～5 g/L，可溶性膳食纖維對(duì)NO2-的吸附量趨于穩(wěn)定.

由圖6可以看出，模擬腸環(huán)境下，兩種干燥方式獲得的可溶性膳食纖維對(duì)NO2-的吸附量與樣品添加量呈先增大后減小的趨勢(shì).在樣品添加量為0.25～0.5 g/L時(shí)，隨著添加量的增加，NO2-吸附量大幅升高.當(dāng)添加量為0.5 g/L時(shí)，吸附量接近最大值.繼續(xù)增大樣品添加量，NO2-吸附量呈下降趨勢(shì).當(dāng)添加量≤ 3 g/L時(shí)，真空冷凍干燥的可溶性膳食纖維對(duì)NO2-的吸附量明顯大于熱風(fēng)烘干；當(dāng)添加量≥3 g/L時(shí)，真空冷凍干燥與熱風(fēng)烘干的吸附量大致相當(dāng).

通過(guò)比較兩種干燥方式香蕉皮可溶性膳食纖維在模擬胃、腸兩種體系中對(duì)NO2-的吸附，發(fā)現(xiàn)可溶性膳食纖維對(duì)NO2-的吸附效果與pH有關(guān).模擬胃環(huán)境下可溶性膳食纖維對(duì)NO2-的吸附量高于模擬腸環(huán)境，說(shuō)明可溶性膳食纖維對(duì)NO2-的吸附主要集中在胃部.原因可以歸結(jié)為以下兩點(diǎn)：(1) 可溶性纖維在溶液中呈膠溶狀態(tài)，比表面積大，物理吸附優(yōu)勢(shì)強(qiáng)，且水溶性膳食纖維在腸液中極易分解，在胃中吸附的NO2-會(huì)隨其在大腸中分解而釋放[19-20].(2) 膳食纖維對(duì)NO2-的吸附一方面可能是由于細(xì)胞壁中的酚酸與NO2-反應(yīng)而阻斷亞硝胺類(lèi)物質(zhì)的生成，另一方面可能是膳食纖維分子上的—OH和NO2-形成膳食纖維—NO2--絡(luò)合物來(lái)去除NO2-.酸性條件下，酚酸類(lèi)物質(zhì)起輔助作用，而堿性條件下部分絡(luò)合物離解，減少了NO2-的吸附，但對(duì)酚酸結(jié)合影響不大[17].

2.5 對(duì)Pb2+，Cd2+吸附能力的影響

FAO/WHO暫定鉛、鎘日允許攝入量分別為0.003 6 mg/kg BW和0.001 mg/kg BW[21]，以此為標(biāo)準(zhǔn)，以成人體重60 kg計(jì)，將攝入總量作為此實(shí)驗(yàn)的重金屬添加量，配制100 mg/L的Pb2+和28 mg/L的Cd2+，探究在體外模擬胃、腸環(huán)境下兩種處理的可溶性膳食纖維對(duì)Pb2+、Cd2+的吸附效果.由圖7可知，真空冷凍干燥樣品對(duì)Pb2+、Cd2+的吸附效果好于熱風(fēng)烘干樣品，這是因?yàn)榭扇苄陨攀忱w維對(duì)溶液中重金屬的吸附主要是物理吸附，即取決于原料結(jié)構(gòu)疏松性和表面積大小.熱風(fēng)烘干使可溶性膳食纖維表面顏色加深，形成硬塊，破壞了可溶性膳食纖維的空間結(jié)構(gòu)，致使其吸附重金屬能力有所下降.真空冷凍干燥可溶性膳食纖維在模擬腸環(huán)境下(pH為7)對(duì)Pb2+、Cd2+的吸附要好于胃環(huán)境(pH為2).

3 討論與結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M了胃、腸環(huán)境中可溶性膳食纖維對(duì)膽固醇、NO2-和重金屬鉛、鎘的吸附性能，但實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，NO2-測(cè)定過(guò)程中，檢測(cè)試劑鹽酸萘乙二胺的加入會(huì)使溶液pH降低，導(dǎo)致根據(jù)國(guó)家藥典方法配制的人工腸液中胰蛋白酶重新溶出(胰蛋白酶的最適pH為7.8～8.5)，產(chǎn)生渾濁，干擾了比色法的測(cè)定，因此，NO2-吸附性能測(cè)定中的模擬人工腸液僅調(diào)節(jié)pH為7，沒(méi)有加入胰蛋白酶；此外，由于膽固醇難溶于水，易溶于醋酸中，實(shí)驗(yàn)前先將膽固醇完全溶解于冰乙酸中再添加到人工胃、腸液中，但是溶液環(huán)境中冰乙酸濃度降低，膽固醇重新析出，無(wú)法保持溶液的穩(wěn)定狀態(tài)，因此本實(shí)驗(yàn)對(duì)膽固醇吸附性能的研究無(wú)法在模擬胃腸環(huán)境下進(jìn)行.可溶性膳食纖維是香蕉皮中的重要組成成分，干燥過(guò)程中可溶性膳食纖維的損失和功能結(jié)構(gòu)的破壞，可以作為衡量干燥方法優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo).本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用真空冷凍干燥法所得的可溶性膳食纖維的功能特性好于傳統(tǒng)熱風(fēng)烘干法，可以從以下角度分析其原因：①?gòu)牟ＡB(tài)聚合物[7]的角度：玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度(Tg)是無(wú)定形組分從類(lèi)似玻璃態(tài)向橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度，當(dāng)干燥時(shí)物料溫度超過(guò)Tg時(shí)，物料品質(zhì)變化較大；在熱風(fēng)烘干的過(guò)程中，由于加工溫度一直大于Tg，導(dǎo)致加工后的可溶性膳食纖維的品質(zhì)降低，而冷凍干燥溫度一般低于Tg，且濕度和Tg的相應(yīng)降低使得對(duì)樣品的損害較小.②從干燥過(guò)程和成品性狀角度[22]：可溶性膳食纖維經(jīng)預(yù)凍后，內(nèi)部水分呈冰晶形態(tài)存在于固體骨架之間，伴隨著真空干燥過(guò)程水分的升華，骨架結(jié)構(gòu)完整保留，避免了熱風(fēng)干燥過(guò)程產(chǎn)生的樣品表面硬化現(xiàn)象，并且真空冷凍干燥與熱風(fēng)烘干分別是在真空、低溫與較高的溫度下進(jìn)行，前者中的揮發(fā)性成分與受熱變性的營(yíng)養(yǎng)成分損失較熱風(fēng)烘干小，生物活性物質(zhì)得到了有效保護(hù)；真空冷凍干燥后成品顏色均勻，體積、形狀基本不變，孔隙致密，呈海綿團(tuán)狀多孔性結(jié)構(gòu)，表面和內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生裂隙，微結(jié)構(gòu)也不會(huì)發(fā)生變化，因此表現(xiàn)出來(lái)的吸附效果大于熱風(fēng)烘干.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:真空冷凍干燥獲得的香蕉皮可溶性膳食纖維的持油力，對(duì)膽固醇、亞硝酸根、鉛、鎘的吸附效果均好于熱風(fēng)烘干；添加量為5 g/L時(shí)對(duì)膽固醇具有最大吸附量；在模擬胃環(huán)境(pH為2)下可溶性膳食纖維對(duì)NO2-的吸附量明顯高于模擬腸環(huán)境(pH為7)，而真空冷凍干燥獲得的可溶性膳食纖維在模擬腸環(huán)境下對(duì)Pb2+、Cd2+的吸附要好于模擬胃環(huán)境.食用真空冷凍干燥的可溶性膳食纖維對(duì)去除體內(nèi)油脂、膽固醇、NO2-殘留、重金屬Pb2+、Cd2+殘留效果更佳.此研究為真空冷凍干燥制備可溶性膳食纖維在保健產(chǎn)品上的應(yīng)用提供了理論依據(jù).

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責(zé)任編輯：羅 聯(lián)

The Effects of Vacuum Freeze Drying and Hot Air Drying on the Functional Characteristics of Soluble Dietary Fiber from Banana Peel

ZHUANGYuan-hong1,2,LINJiao-fen1,2,LIUJing-na1,2,PANYu-tian1,2*

(1. College of Biology Science and Technology, Minnan Normal University, Zhangzhou 363000; 2. Engineering Technological Center of Mushroom Industry, Minnan Normal University, Zhangzhou 363000 China)

The soluble dietary fiber was extracted, concentrated, and then dried by vacuum freeze or hot air from banana peel. The differences of oil holding capacity, cationic exchange capacity, cholesterol absorptivity of soluble dietary fiber dried by vacuum freezing and hot air were compared. Furthermore, their absorptivity of NO2-, Pb2+, Cd2+in imitative gastroenteric environments was studied. These results showed that oil holding capacity, absorptivity of cholesterol, nitrite, Pb2+, Cd2+of the peel dried by vacuum freeze were higher than that by hot air. The soluble dietary fiber achieved maximum adsorption efficiency at the dose of 5 g/L. The NO2-absorption of soluble dietary fiber was occurred mainly in the gastric environment. The cationic exchange capacity of vacuum freeze dried sample was slightly less than that of by hot air drying. These results indicated that the drying methods make impact on molecular space structure of soluble dietary fiber, leading to the functional characteristics difference of the soluble dietary fiber.

banana peel;soluble dietary fiber; vacuum freeze drying;cholesterol;imitative gastroenteric environments

2016-06-20

福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目(JA15312)；福建省自然科學(xué)基金青年創(chuàng)新項(xiàng)目(2015J05071)

潘裕添(1969—)，男，福建 東山人，教授.E-mail: xmpyt@sina.com

TS201.4；TS209

A

1000-5900(2016)04-0043-06