吳衛(wèi)成，戴建波，，曹 艷，夏其樂，*，陳劍兵，孟祥河

(1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 食品科學(xué)研究所，浙江 杭州 310021； 2.浙江工業(yè)大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 杭州 310014)

甘薯[Ipomoeabatatas(Linn.) Lamarck]是一種在國內(nèi)大范圍種植的薯類作物，具有巨大的產(chǎn)量和較完整的深加工產(chǎn)業(yè)鏈。然而，甘薯皮作為加工廢棄物，目前仍未得到有效的利用。甘薯皮低蛋白、高淀粉含量的特點(diǎn)限制了其在畜產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用。但與此同時(shí)，甘薯皮中也存在著豐富的多酚黃酮類物質(zhì)和纖維素。因此，是一種極佳的功能性膳食纖維來源。

研究發(fā)現(xiàn)，甘薯膳食纖維能夠提高大鼠血漿和器官的抗氧化能力，并能通過介導(dǎo)抗炎和促炎細(xì)胞因子、轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)和半胱天冬酶3的基因表達(dá)水平，對(duì)空腸、肝臟和脾臟的免疫功能產(chǎn)生積極的影響[1]。從甘薯中提取得到的中性多糖和酸性多糖均可增強(qiáng)正常小鼠中乙酸、丙酸和丁酸的產(chǎn)生[2]；Zhang等[3]研究發(fā)現(xiàn)，在木瓜皮中，酸性多糖較中性多糖表現(xiàn)出更好的熱穩(wěn)定性和持水持油性。由此可見，甘薯膳食纖維及其多糖具有非常好的醫(yī)用保健用途。

膳食纖維的提取改性方法通常有物理改性、化學(xué)改性、酶法改性和微生物發(fā)酵改性等。化學(xué)改性易產(chǎn)生有毒廢水，污染環(huán)境，且其化學(xué)殘留對(duì)消費(fèi)者來說同樣也是安全隱患；酶法改性由于酶難以重復(fù)回收利用，成本過高，目前難以推廣開來；微生物發(fā)酵改性需要巨大的發(fā)酵設(shè)備，投資過大，且發(fā)酵過程難以控制，易受污染[4]。隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，新型物理改性手段因具備低投入、無污染、速度快等特點(diǎn)，已越來越多地被大眾所接受。例如：用微射流瞬時(shí)高壓超微粉碎法對(duì)甘薯膳食纖維進(jìn)行處理后，其粒徑顯著減小，可溶性膳食纖維(SDF)含量增加，持水持油、葡萄糖脂肪吸收能力和對(duì)胰脂肪酶活性的抑制能力均有大幅度提高[5]。

越來越多的試驗(yàn)證明，膳食纖維的SDF含量、物理結(jié)構(gòu)，以及中性多糖和酸性多糖的比例都會(huì)影響其功能特性。另外，不同的處理方法對(duì)膳食纖維多糖的主要功能成分也有影響[6]。但目前關(guān)于不同物理改性方法對(duì)膳食纖維多糖主成分和形貌結(jié)構(gòu)影響的研究鮮見報(bào)道。為此，本研究擬運(yùn)用物理改性方法提高甘薯皮的SDF含量，探究不同物理改性方法對(duì)甘薯皮膳食纖維多糖主成分、中性多糖和酸性多糖比例組成，以及形貌結(jié)構(gòu)的影響，以進(jìn)一步開拓物理改性膳食纖維的適用范圍，并為后續(xù)純化多糖、提高其功能活性的研究提供參考依據(jù)。研究結(jié)果也可為增加甘薯皮利用率、提高產(chǎn)業(yè)附加值、促進(jìn)甘薯產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 原料和試劑

甘薯皮，浙薯13品種甘薯削皮，厚度2～3 mm，清洗干凈，低溫烘干至水分含量5%以下，粉碎，過100目篩，備用。耐高溫α-淀粉酶、淀粉葡萄糖苷酶、胰蛋白酶，購自上海麥克林生化科技有限公司。其他試劑還包括95%乙醇、NaCl、苯酚、濃硫酸、葡萄糖、氫氧化鈉、鹽酸。

1.2 主要儀器

LXJ-IIB型離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠；WF-4000型微波快速反應(yīng)系統(tǒng)，上海屹堯分析儀器有限公司；D-1型高壓蒸汽滅菌鍋，北京發(fā)恩科貿(mào)有限公司；DHG-9146A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；UItima Ⅳ型X射線衍射儀，日本理學(xué)公司；SCIENTZ-10N型冷凍干燥機(jī)，寧波新芝生物科技股份有限公司；KQ-500DB型數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；FW200型粉碎機(jī)，常州市金壇友聯(lián)儀器研究所；UV-1800型紫外分光光度計(jì)，SHIMADZU島津；HITACHI H-7650型透射電子顯微鏡，日本日立；Nicolet iS5型傅里葉紅外光譜儀，美國賽默飛世爾公司。

1.3 甘薯皮膳食纖維的物理改性

基于賴愛萍[7]試驗(yàn)方法做適當(dāng)優(yōu)化，使用熱水浸提法從甘薯皮中提取未改性總膳食纖維(TDF)，提取條件為：溫度100 ℃，料液比1∶20，時(shí)間20 min；使用亞臨界水提取法從甘薯皮中提取亞臨界水改性TDF，提取條件為：溫度121 ℃，料液比1∶20，時(shí)間25 min；使用微波提取法從甘薯皮中提取微波改性TDF，提取條件為料液比1∶20、400 W、7 min。根據(jù)Pan等[8]試驗(yàn)報(bào)道，使用超聲提取法從甘薯皮中提取超聲改性TDF，提取條件為：溫度50 ℃，料液比1∶20，功率600 W，時(shí)間50 min。

提取結(jié)束后冷卻至室溫，將pH值調(diào)至5.5，將相當(dāng)于甘薯皮干質(zhì)量1%的耐高溫α-淀粉酶加入其中，然后置于95～100 ℃的水浴鍋中加熱20 min，冷卻后調(diào)節(jié)pH值至4.0，將相當(dāng)于甘薯皮干質(zhì)量1%的淀粉葡萄糖苷酶加入其中，70 ℃水浴加熱20 min，取出冷卻并調(diào)pH至中性，加入微量胰蛋白酶，再次70 ℃水浴加熱20 min，取出冷卻，加入4倍體積的95%乙醇，靜置24 h。去除上清液，將沉淀置于離心機(jī)中3 500 r·min-1離心15 min，將沉淀物取出凍干，粉碎備用[9]。

1.4 膳食纖維含量的測定

根據(jù)McCleary等[10]的酶質(zhì)量法測定、計(jì)算TDF和SDF的含量和得率。

1.5 總糖測定

使用D-葡萄糖作為標(biāo)準(zhǔn)，通過苯酚-硫酸比色法在490 nm下測定樣品中的總碳水化合物含量。

1.6 甘薯皮膳食纖維多糖組成測定

將粗制膳食纖維(100 mg)用10 mL去離子水充分溶解，加到DEAE-Sepharose FF色譜柱(150 mL)上，靜置30 min。然后依次用200 mL蒸餾水和不同濃度的NaCl溶液(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mol·L-1)進(jìn)行洗脫，流速為2 mL·min-1。使用DBS-100型自動(dòng)收集器(上海滬西分析儀器廠有限公司)收集每支含5 mL洗脫液的試管，并使用以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)液的苯酚-硫酸法進(jìn)行檢測，洗脫曲線由使用的管數(shù)和吸光度(490 nm)繪制。

1.7 甘薯皮膳食纖維形貌結(jié)構(gòu)測定

1.7.1 透射電鏡測定

利用透射電鏡(TEM)，在15 kV加速電壓、5 μm線分辨率條件下，將TDF樣品裝載在銅網(wǎng)樣品架上，然后觀察微觀結(jié)構(gòu)，并對(duì)樣品拍照。

1.7.2 傅里葉紅外光譜測定

用傅里葉紅外光譜儀(FTIR)測量TDF的官能團(tuán)變化。取干燥粉碎過的樣品(2 mg)用KBr(100 mg，光譜級(jí))研磨均勻，壓片制成均勻圓片，以空白KBr作為背景。掃描次數(shù)，20 次；分辨率，4 cm-1；掃描范圍，500～4 000 cm-1。

1.7.3 X-射線衍射測定

使用步進(jìn)掃描法。測定參數(shù)如下：靶，Cu-Kα；步寬，0.02°；掃描速率，2°·min-1；掃描范圍，2°～40°。結(jié)晶度(Dc)[11]使用以下等式依曲線下的峰面積計(jì)算：

(1)

式(1)中：VDc為結(jié)晶度的數(shù)值；Ac和Aa分別為結(jié)晶區(qū)域和非晶區(qū)域的峰面積。

1.8 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)平行測3次。利用SPSS 20.0軟件進(jìn)行方差分析，用Origin 2017軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 物理改性前后的TDF和SDF得率

如表1所示，物理改性方法中，只有亞臨界水改性對(duì)甘薯皮TDF的得率影響顯著(P<0.05)，其他改性方法與未改性相比沒有顯著差異，亞臨界水改性后的TDF得率分別比未改性、超聲改性和微波改性提高4.19、3.42和2.87百分點(diǎn)。物理改性后，SDF得率較未改性均顯著(P<0.05)提升，其中亞臨界水改性的SDF得率分別比超聲改性和微波改性顯著(P<0.05)提高2.84和1.77百分點(diǎn)。原因可能是，亞臨界水改性的高溫高壓環(huán)境相比超聲和微波改性對(duì)纖維素間的氫鍵更具破壞力，從而將不可溶膳食纖維轉(zhuǎn)變?yōu)镾DF[12]。

2.2 物理改性前后甘薯皮膳食纖維的多糖組成

表1 物理改性前后TDF與SDF的得率比較

Table1TDF and SDF yields before and after physical modifications

處理TreatmentTDF得率TDF yield/%SDF得率SDF yield/%未改性Unmodified18.75±0.31 b0.83±0.15 d超聲改性19.52±0.28 b5.37±0.34 cUltrasonic modification亞臨界水改性22.94±0.27 a8.21±0.47 aSubcritical water modification微波改性20.07±0.36 b6.44±0.26 bMicrowave modification

同列數(shù)據(jù)后無相同字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

Data marked without the same letters in the same column indicated significant difference atP<0.05. The same as below.

如圖1所示，經(jīng)過物理改性后，甘薯皮膳食纖維的多糖主成分均有所改變。未改性的甘薯皮膳食纖維中，中性多糖、0.2 mol·L-1NaCl酸性多糖(SPP-W2)和0.3 mol·L-1NaCl酸性多糖(SPP-W3)部分的含量多于其他部分；超聲改性后，中性多糖、0.3 mol·L-1NaCl酸性多糖(SPP-U3)和0.6 mol·L-1NaCl酸性多糖(SPP-U6)部分含量最多；亞臨界水改性后，中性多糖、0.3 mol·L-1NaCl酸性多糖(SPP-H3)和0.4 mol·L-1NaCl酸性多糖(SPP-H4)部分含量最多；微波改性后，中性多糖、0.3 mol·L-1NaCl酸性多糖(SPP-M2)和0.6 mol·L-1NaCl酸性多糖(SPP-M3)部分含量最多。物理改性后，不同的機(jī)械作用力導(dǎo)致部分不可溶的膳食纖維分子間的氫鍵、共價(jià)鍵斷裂，從而導(dǎo)致原本不溶的半纖維素等物質(zhì)溶于水[13]，提高了SDF的含量。改性后中性多糖含量的提高，也可能與此有關(guān)。

A、B、C、D分別展示未改性、超聲改性、亞臨界水改性和微波改性后甘薯皮膳食纖維的多糖成分。SPP-W0、SPP-W2和SPP-W3分別為中性多糖、0.2 mol·L-1和0.3 mol·L-1 NaCl酸性多糖；SPP-U0、SPP-U3和SPP-U6分別為中性多糖、0.3 mol·L-1和0.6 mol·L-1 NaCl酸性多糖；SPP-H0、SPP-H3和SPP-H4分別為中性多糖、0.3 mol·L-1和0.4 mol·L-1 NaCl酸性多糖；SPP-M0、SPP-M2和SPP-M3分別為中性多糖、0.3 mol·L-1和0.6 mol·L-1 NaCl酸性多糖。A， B， C， D exhibited polysaccharide components of dietary fiber in unmodified sweet potato peels samples and samples after ultrasonic， subcritical water and microwave modifications， respectively. SPP-W0， SPP-W2 and SPP-W3 were neutral polysaccharide， 0.2 mol·L-1 and 0.3 mol·L-1 NaCl acidic polysaccharide， respectively. SPP-U0， SPP-U3 and SPP-U6 were neutral polysaccharide， 0.3 mol·L-1 and 0.6 mol·L-1 NaCl acidic polysaccharide， respectively. SPP-H0， SPP-H3 and SPP-H4 were neutral polysaccharide， 0.3 mol·L-1 and 0.4 mol·L-1 NaCl acidic polysaccharide， respectively. SPP-M0， SPP-M2 and SPP-M3 were neutral polysaccharide， 0.3 mol·L-1 and 0.6 mol·L-1 NaCl acidic polysaccharide， respectively.

2.3 物理改性前后甘薯皮膳食纖維多糖的各部分比例

如表2所示，中性多糖含量占比最多的為亞臨界水改性后的甘薯皮，分別比未改性、超聲改性、微波改性顯著(P<0.05)提高24.24、22.35和1.73百分點(diǎn)。未改性甘薯皮膳食纖維中0.1、0.2、0.3、0.5 mol·L-1NaCl洗脫出的酸性多糖部分顯著(P<0.05)高于物理改性后的，其中改變最明顯的是未改性甘薯皮膳食纖維中0.3 mol·L-1NaCl洗脫出的酸性多糖部分，分別比超聲改性、亞臨界水改性和微波改性高出18.19、10.04和8.66百分點(diǎn)。0.4 mol·L-1NaCl洗脫出的酸性多糖部分，以亞臨界水改性后所占比例最多，分別比未改性、超聲改性和微波改性顯著(P<0.05)高出4.31、4.87和7.05百分點(diǎn)；0.6 mol·L-1NaCl洗脫出的酸性多糖部分，以超聲改性后所占比例最多，分別較未改性、亞臨界水改性和微波改性顯著(P<0.05)高出37.80、34.47和38.16百分點(diǎn)。物理改性后，單位質(zhì)量甘薯皮膳食纖維中酸性多糖的比例均有所下降。原因可能是，原先溶于水的果膠等可溶部分，在物理機(jī)械作用下發(fā)生了不同程度的降解[14]。中性多糖含量占比從高到低依次為亞臨界水改性>微波改性>超聲改性>未改性，這與后面電鏡觀察到的甘薯皮膳食纖維被破壞的程度相一致，因此中性多糖含量的增加可能還與纖維的破壞程度有關(guān)。這與Ovodova等[6]的研究結(jié)果一致。

2.4 物理改性前后甘薯皮膳食纖維的透射電鏡觀察

如圖2所示，未改性的甘薯皮TDF結(jié)構(gòu)致密，表面光滑，邊緣形態(tài)完整，具有明顯的纖維外觀。相比未改性，超聲改性后，TDF表面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯裂痕，部分纖維棒結(jié)構(gòu)疏松，出現(xiàn)褶皺。這可能是因?yàn)槔w維結(jié)構(gòu)受超聲波空化作用被破壞，微小空氣泡在爆破后產(chǎn)生的微射流使纖維結(jié)構(gòu)受到撞擊，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)松散[15]。亞臨界水改性后，TDF邊緣變模糊，形態(tài)結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，出現(xiàn)大量碎片，內(nèi)部區(qū)域更多地暴露出來，比表面積大大增加，呈現(xiàn)出更復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，因此能表現(xiàn)出更好的持水持油、吸水膨脹等有益于人體腸道健康的功能特性[16]。微波改性后，TDF的局部結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，邊緣破碎，出現(xiàn)鱗片狀小顆粒，但仍有部分纖維結(jié)構(gòu)保持得比較完整，且有光滑的表面。這可能是由于微波在加熱時(shí)纖維內(nèi)部或邊角處因電磁場集聚而產(chǎn)生局部過熱，導(dǎo)致局部細(xì)胞內(nèi)蒸氣壓極速升高，水汽爆破[17]。

表2 物理改性前后甘薯皮膳食纖維多糖各部分比例比較

Table2Comparison of proportions of polysaccharides components of dietary fiber in sweet potato peels before and after physical modification

處理Treatment中性多糖Neutralpolysaccharide/%不同濃度(mol·L-1) NaCl洗脫出的酸性多糖Acidic polysaccharide eluted by different concentrations of NaCl/%0.10.20.30.40.50.6未改性Unmodified34.27±0.12 d8.48±0.25 a19.52±0.28 a28.44±0.40 a6.68±0.22 b2.32±0.16 a0.94±0.09 c超聲改性36.16±0.23 c2.33±0.08 c5.24±0.17 c10.25±0.19 d6.12±0.31 b1.50±0.11 b38.74±0.38 aUltrasonic modification亞臨界水改性58.51±0.34 a1.54±0.05 d5.81±0.14 c18.40±0.33 c10.99±0.18 a0.47±0.09 c4.27±0.14 bSubcritical water modification微波改性56.78±0.38 b4.65±0.11 b13.85±0.35 b19.78±0.26 b3.94±0.26 c0.41±0.07 c0.58±0.07 cMicrowave modification

A、B、C、D分別為未改性、超聲改性、亞臨界水改性和微波改性后甘薯皮TDF放大10 000倍的透射電鏡圖。A， B， C， D were transmission electron micrographs (10 000 times magnification) of TDF of unmodified sweet potato peel， and sweet potato peel after ultrasonic modification， subcritical water modification and microwave modification， respectively.

2.5 物理改性前后甘薯皮膳食纖維的紅外光譜分析

2.6 甘薯皮膳食纖維的X-射線衍射

膳食纖維主要由有序結(jié)晶區(qū)和非晶區(qū)組成，分別占70%和30%。對(duì)比圖4中改性前后的X射線衍射圖可以看出，未改性甘薯皮TDF的整體衍射強(qiáng)度高于改性后。這是因?yàn)樘烊焕w維素有著結(jié)構(gòu)緊密的纖維骨架，從而具有高度有序的結(jié)晶區(qū)[26]。未改性TDF在衍射角14.78°、24.26°、26.60°、27.84°、32.48°附近出現(xiàn)衍射峰，具有典型纖維素Ⅰ型結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的晶面[27]。超聲改性后，峰位置并沒有發(fā)生較大的改變，但是從峰型上來看，纖維主峰整體加寬，峰肩更加平緩，說明超聲改性并沒有使甘薯皮TDF的晶型結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。亞臨界水改性TDF在衍射角20.80°和21.90°處出現(xiàn)新的衍射峰，是典型的結(jié)晶與非結(jié)晶共存的纖維素Ⅱ型結(jié)構(gòu)[28]，說明亞臨界水改性改變了甘薯皮TDF的晶型結(jié)構(gòu)。亞臨界水改性的高溫高壓破壞了纖維素分子間的氫鍵[29]，從而使原本平滑的纖維主峰出現(xiàn)雜亂小峰，說明與傳統(tǒng)熱水處理和超聲改性相比，亞臨界水改性能夠更有效地改變膳食纖維的晶型結(jié)構(gòu)。微波改性后，在衍射角20.76°和21.90°同樣出現(xiàn)新衍射峰，是典型的纖維素Ⅱ型結(jié)構(gòu)，說明微波加熱產(chǎn)生的局部高熱作用能夠有效破壞纖維分子間的氫鍵[30]，從而降低結(jié)晶區(qū)。從圖4可以看出，微波改性后的纖維主峰略高于亞臨界水改性，說明微波改性對(duì)甘薯皮TDF晶型的影響要小于亞臨界水改性。

圖3 甘薯皮TDF改性前后的紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectrum of TDF in sweet potato peels before and after physical modification

由Jade 6.0軟件分峰擬合計(jì)算結(jié)晶度，亞臨界水改性(21.33%)和微波改性(25.74%)均低于超聲改性(29.18%)和未改性(36.45%)，這可能是因?yàn)槔w維素的晶型結(jié)構(gòu)在高溫高壓或局部高溫?zé)嵝?yīng)下更容易被破壞[31]，這與前面透射電鏡觀察到的結(jié)果一致。

圖4 甘薯皮改性前后的X射線衍射圖譜Fig.4 XRD patterns of TDF in sweet potato peels before and after physical modification

3 結(jié)論

物理改性方法中，亞臨界水改進(jìn)對(duì)甘薯皮TDF得率影響大，分別比未改性、超聲改性和微波改性提高4.19、3.42和2.87百分點(diǎn)，而其他方法對(duì)TDF得率沒有顯著影響。改性后，SDF得率均有顯著提升，且同樣以亞臨界水改性的提升效果最為明顯，分別比未改性、超聲改性和微波改性提高7.38、2.84和1.77百分點(diǎn)。物理改性前后，中性多糖占比最高的是亞臨界水改性，達(dá)到58.51%；酸性多糖中，使用0.1、0.2、0.3、0.5 mol·L-1NaCl洗脫出的部分占比最高的均為未改性多糖，分別達(dá)到8.48%、19.52%、28.44%和2.32%；酸性多糖中，0.4 mol·L-1NaCl洗脫出的部分占比最高的是亞臨界水改性，達(dá)到10.99%；0.6 mol·L-1NaCl洗脫出的部分占比最高的是超聲改性，達(dá)到38.74%。結(jié)合透射電鏡和X-射線衍射結(jié)果，SDF得率和多糖中中性多糖占比可能和膳食纖維被破壞的程度有關(guān)。

透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，亞臨界水改性對(duì)甘薯皮TDF的結(jié)構(gòu)破壞最為明顯，其次是微波改性。紅外光譜分析可知，改性后的膳食纖維仍具備多糖的官能團(tuán)，超聲改性后有更多糖醛酸的存在，改性前后均存在果膠的多聚半乳糖醛酸結(jié)構(gòu)，且物理改性后增加了膳食纖維中果膠的總含量。X-射線衍射結(jié)果分析可知，亞臨界水改性和微波改性均改變了甘薯皮TDF的纖維素晶型，其中亞臨界水改性對(duì)晶型的破壞最為嚴(yán)重。計(jì)算結(jié)晶度后發(fā)現(xiàn)，亞臨界水改性的結(jié)晶度(21.33%)分別低于未改性、超聲改性和微波改性15.12、7.85和4.41百分點(diǎn)。研究結(jié)果可為進(jìn)一步深入探究物理改性作用與甘薯皮膳食纖維結(jié)構(gòu)間的量效關(guān)系，拓寬物理改性在提高甘薯皮利用率中的應(yīng)用范圍提供參考。