超高壓對海帶吸附性質(zhì)的影響及其初步機(jī)理研究

海帶，又名昆布、江白菜，福建、山東、遼寧等沿海省份是我國海帶的主要產(chǎn)地，我國海帶產(chǎn)量居全球首位[1]。海帶富含膳食纖維(dietary fiber, DF)[2]。DF雖然本身沒有營養(yǎng)價(jià)值，但其表現(xiàn)出極強(qiáng)的水合性質(zhì)和吸附性質(zhì)，具有促進(jìn)腸道收縮蠕動(dòng)、降低餐后血糖值、調(diào)節(jié)血脂以及降低心血管和胃腸道疾病發(fā)病機(jī)率等功效[3]。研究發(fā)現(xiàn)，通過適當(dāng)?shù)母男允侄翁幚鞤F，可改變聚合物的分子結(jié)構(gòu)、形態(tài)與含量等[4]，有助于提高DF功能，是當(dāng)前食品工業(yè)研究熱點(diǎn)之一[5]。

超高壓技術(shù)(ultra-high pressure, UHP)是近年來出現(xiàn)的食品冷殺菌新技術(shù)，是指用液體或氣體作為介質(zhì)，對軟包裝食品等物料物理加壓到100～1 000 MPa的壓力處理技術(shù)。目前UHP在食品的應(yīng)用主要集中在食品殺菌[6]。鑒于UHP可對生物大分子立體結(jié)構(gòu)的非共價(jià)鍵(氫鍵、離子鍵和疏水鍵)產(chǎn)生影響，UHP在食品改性方面的作用也逐漸受到重視。研究發(fā)現(xiàn)，改性后的大豆DF有更致密、均勻的結(jié)構(gòu)[7]，小麥DF經(jīng)UHP處理后持水率和膨脹率都有較大的提高[8]。由于不同來源DF的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特性不同，UHP對其改性后的理化性質(zhì)也值得進(jìn)一步研究，而目前有關(guān)UHP在海帶類原料的改性應(yīng)用還未見報(bào)道。

本文采用UHP處理海帶，研究高壓前后以及不同壓力、時(shí)間對海帶的持水力(water holding capacity, WHC)、持油力(oil holding capacity，OHC)、葡萄糖吸附能力(glucose adsorption capacity，GAC)和膽固醇吸附能力(cholesterol adsorption capacity，CAC)的影響，并初步從微觀結(jié)構(gòu)和DF含量兩方面對其機(jī)理進(jìn)行探討，從而為UHP工藝在海帶產(chǎn)品的開發(fā)以及功能性食品的生產(chǎn)研究方面提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮海帶，本地菜市場購買；堿性蛋白酶，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；淀粉酶，西格瑪奧德里奇(上海)貿(mào)易有限公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

SCIENTZ-18 N 冷凍干燥機(jī)，寧波生物科技股份有限公司；CQC2L-600型全液相超高壓食品滅菌機(jī)，北京速原中天科技股份有限公司；EVO-MA15掃描電子顯微鏡，德國ZEISS公司；ST 16R高速冷凍離心機(jī)，廣州源起生物科技有限公司；HH-2恒溫水浴鍋，金壇市宏華儀器廠；LE104E/02電子天平，梅特勒-托利多(上海)儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 海帶預(yù)處理

新鮮片狀海帶(slice-kelp, S-K)，清洗干凈，切成3 cm×8 cm長方形，等量放入塑料袋，真空密封包裝；另取新鮮海帶冷凍干燥，再打粉得到海帶粉末(powder-kelp, P-K)樣品，等量放入塑料袋，真空密封包裝。

1.3.2 UHP處理

將密封的S-K和P-K樣品放入U(xiǎn)HP內(nèi)腔，分別在300、450、600 MPa下處理5、10 min，泄壓后取出置干燥器中保存待測定。

1.3.3 WHC 測定方法

參考CHAU等[9]的方法適當(dāng)改進(jìn)。

精確稱取0.2 g S-K、P-K樣品置于離心管，加入10 mL純水，室溫下振蕩均勻后靜置過夜，取S-K置于濾紙上瀝干。P-K樣品于10 000 r/min條件下離心10 min，小心清除上清液，殘?jiān)糜跒V紙上瀝干。瀝干后樣品稱重，WHC計(jì)算如公式(1)所示：

(1)

1.3.4 OHC測定方法

按照SANGNARK等[10]的方法進(jìn)行改進(jìn)。

精確稱取0.2 g S-K、P-K樣品置于離心管，加入5 g 玉米油，并將其混合均勻，在常溫下靜置過夜。取P-K樣品于10 000 r/min條件下離心10 min，小心除去上油層，殘?jiān)糜跒V紙上瀝干。取S-K置于濾紙上，吸干殘?jiān)械挠?，然后稱重，OHC計(jì)算如公式(2)所示：

(2)

1.3.5 GAC測定

按照NSOR-ATINDANA等[11]的方法進(jìn)行改進(jìn)。

分別稱取0.2 g樣品與20 mL 500 mmol/L葡萄糖溶液,混勻，常溫下靜置過夜，10 000 r/min條件下離心10 min取上清液，按GB 5009.7—2016《食品中還原糖的測定》方法測定葡萄糖含量。CAC計(jì)算如公式(3)所示：

(3)

式中：m0為樣品質(zhì)量，g；m1為吸糖前溶液的葡萄糖含量，g；m2為吸糖后溶液的葡萄糖含量，g。

1.3.6 CAC測定

1.3.6.1 膽固醇標(biāo)準(zhǔn)曲線

分別取0.1、0.2、0.3、0.5、0.6 mL膽固醇乙酸標(biāo)準(zhǔn)溶液(3 mg/mL，45 mg膽固醇標(biāo)準(zhǔn)品溶于15 mL乙酸)于試管中，加入乙酸至總體積為1 mL。搖勻后加入3 mL 鄰苯二甲醛溶液(10 mg鄰苯二甲酸溶于100 mL乙酸)和2 mL硫酸(98%,體積分?jǐn)?shù))，在室溫下靜置 10 min 后，于550 nm處測定吸光值[12]。建立膽固醇質(zhì)量濃度(X，mg/mL) 與吸光值(Y) 之間線性方程:y = 0.175 7x + 0.137 3，R2=0.990 9。

1.3.6.2 CAC測定

將新鮮蛋黃與水按4∶1的質(zhì)量比混合制成蛋黃液。分別取0.3 g海帶樣品于離心管中，加入15 mL蛋黃乳液，搖晃混勻并調(diào)節(jié)pH至7.0，37 ℃恒溫水浴振蕩2 h，4 000×g條件下離心4 min，取上清液，采用鄰苯二甲醛法在550 nm下測定吸光度，CAC計(jì)算如公式(4)所示[13]：

(4)

式中：M1，吸附前蛋黃乳液的膽固醇質(zhì)量，mg；M2，吸附后上清液中膽固醇質(zhì)量，mg；MK，海帶樣品的質(zhì)量，g。

1.3.7 膳食纖維含量測定方法

采用GB 5009.88—2014《食品中膳食纖維的測定》 6.3.1測定總DF含量；采用GB 5009.88—2014 《食品中膳食纖維的測定》 6.3.2測定不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber, IDF)含量；采用GB 5009.88—2014 《食品中膳食纖維的測定》6.3.3測定可溶性膳食纖維(soluble dietary fiber, SDF)含量。

1.3.8 掃描電子顯微鏡觀察

將干燥的樣品散落在金屬樣品平臺(tái)上并用雙面膠帶固定，通過陰極噴涂系統(tǒng)涂覆金屬離子層(約30 nm厚)。在高真空條件(10～40 Pa)下以5 kV的加速電壓使用掃描電鏡觀察。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

所有實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行3次平行，結(jié)果用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并用Minitab 19軟件進(jìn)行ANOVA方差分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 UHP處理對海帶吸附性質(zhì)的影響

2.1.1 UHP對WHC的影響

未處理的海帶WHC為22～26 g/g，經(jīng)UHP處理后S-K的WHC未見顯著差別，而P-K顯著提高為原來的1.61～2.31倍(P<0.05)(圖1)，最高值達(dá)到(63.40±1.29)g/g，說明UHP能顯著提高海帶吸水性。經(jīng)UHP改性后的DF，如小麥麩皮、梨渣和沙果渣, 其WHC分別為未處理原料的1.28[14]、1.24[15]和1.17倍[16]。樣品WHC的提高可能與UHP處理后分子結(jié)構(gòu)改變帶來的親水基團(tuán)的裸露和組織疏松帶來的組織滯留水分的能力增強(qiáng)有關(guān)[8]。同時(shí)，P-K的WHC隨著UHP壓力的增加也有顯著提高，而只有在300 MPa 時(shí)處理時(shí)間會(huì)造成WHC顯著差異(P<0.05)，這一結(jié)論與朱丹等[16]處理小麥麩皮的結(jié)果相似。

雖然未處理的S-K和P-K在WHC沒有顯著差異，但經(jīng)UHP處理后，P-K的WHC得到顯著提高，說明原料的物理性狀會(huì)對吸附性產(chǎn)生影響。經(jīng)打粉后P-K的分散性、比表面積增加，更容易受到高壓的影響，而S-K自身結(jié)構(gòu)排列致密，UHP處理對其比表面積和孔隙率影響不大，親水基團(tuán)難以暴露[16]，因此，UHP未對S-K的WHC產(chǎn)生影響。

圖1 UHP處理對海帶WHC的影響
Fig.1 Effect of UHP treatment on the WHC of kelp 注：不同大寫字母表示P-K組間數(shù)據(jù)顯著差異(P<0.05) 小寫字母表示S-K組間數(shù)據(jù)顯著差異(P<0.05)(下同)

2.1.2 UHP對OHC的影響

未處理的P-K的OHC(4 g/g)顯著高于S-K(P<0.05)(圖2)，相對于豆渣(1.5 g/g)、梨渣(1.65 g/g)、紅薯(1.6 g/g)等，其OHC也較高。與WHC結(jié)果相似，經(jīng)UHP處理后，P-K的OHC也顯著高于S-K,其中經(jīng)UHP 600 MPa處理10 min后P-K的OHC顯著提升到(9.94±2.13) g/g(P<0.05)(圖2)，為未處理樣品的2.33倍，而其余UHP樣品的OHC并無明顯變化，這一結(jié)論與苗字葉等[17]采用UHP處理麥麩20 min發(fā)現(xiàn)OHC隨壓強(qiáng)增大而增加的結(jié)果不同，推測可能是由于處理時(shí)間過短，海帶內(nèi)部的親油性基團(tuán)未能完全暴露。

2.1.3 UHP對GAC的影響

由WHC和OHC數(shù)據(jù)可見，粉末狀P-K的吸附力都要高于S-K,且容易受到UHP處理的影響。因此，后續(xù)只選擇P-K為原料探討其他性質(zhì)。

圖2 UHP對海帶OHC的影響
Fig.2 Effect of UHP treatment on the OHC of kelp

UHP處理后P-K的GAC都有所提高，其中450 MPa處理10 min樣品的GAC最高為(2.74±0.95) g/g，為未處理樣品的11.33倍(P<0.05)(圖3)，且隨著壓力的增大呈現(xiàn)先增加再減少的趨勢。趙健等[6]采用UHP處理紅薯渣膳食纖維后GAC也有提高。UHP處理使大分子上更多的功能基團(tuán)，比如側(cè)鏈上一些醛酸基等親水的基團(tuán)暴露出來，提供更多結(jié)合位點(diǎn),使葡萄糖分子與DF之間的范德華力以及氫鍵作用增大[18]。飲食中的纖維顆?？赡茏鳛槠咸烟菙U(kuò)散的物理障礙，UHP處理增加了纖維網(wǎng)絡(luò)對葡萄糖分子的束縛和捕獲能力[19]，在控制葡萄糖擴(kuò)散率方面起著至關(guān)重要的作用。因此，通過UHP處理的海帶粉末可以在腸道內(nèi)形成屏障捕獲葡萄糖分子，可以延緩葡萄糖的擴(kuò)散，推遲腸胃中的葡萄糖吸收，從而有效控制餐后血糖的升高[20]。

圖3 UHP處理對P-K的GAC的影響
Fig.3 Effect of UHP treatment on the GAC of P-K

2.1.4 UHP對CAC的影響

高膽固醇是心血管疾病的高危因素，直接影響肝腎功能及動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)展[21]。未處理的海帶CAC為133.9 mg/g，經(jīng)UHP處理未造成其顯著變化(圖4)，其中經(jīng)450 MPa處理10 min后樣品的CAC增加為未處理樣品的1.22倍，這一結(jié)論與吳長玲等[22]采用空化射流處理豆渣膳食纖維所得的結(jié)果相似。隨著UHP處理壓力的增加，樣品的孔隙度增加，比表面積增大，可暴露更多的親脂基團(tuán)與膽固醇結(jié)合。但壓力過大時(shí)，其毛細(xì)管力受損致使膽固醇吸附力降低[23]。

圖4 UHP處理對P-K的CAC的影響
Fig.4 Effect of UHP treatment on the cholesterol-adsorption capacity of P-K

2.2 UHP處理對海帶吸附性影響機(jī)理的初步探討

以上結(jié)果表明，UHP處理后的P-K的WHC、OHC和GAC都有了顯著提高，但CAC的變化并不明顯；而S-K的各種吸附性能都較差，UHP對其影響也并不明顯。為探討UHP處理影響P-K吸附性的機(jī)理，現(xiàn)從其DF含量、表觀特征等方面來探討其相關(guān)性。

2.2.1 UHP處理對海帶DF含量的影響

DF包括SDF和IDF，SDF在防治心血管疾病、糖尿病、動(dòng)脈硬化等方面具有良好的作用且優(yōu)于IDF[4]。本文對UHP處理前后總DF、IDF和SDF含量的變化進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，未處理樣品的總DF含量為(61.91±0.98)g/100g，經(jīng)UHP處理后的樣品總DF含量顯著增加(P<0.05)，最高值達(dá)到(74.82±0.99)g/100g，為原來的1.21倍(圖5-a)。不同壓力下，處理5 min的樣品中IDF含量顯著升高為未處理樣品的1.07～1.10倍(圖5-b)，而處理10 min 后的樣品SDF含量顯著增加為原來的1.47～1.63倍(圖5-c)(P<0.05)。趙健等[6]采用UHP處理紅薯渣DF后也發(fā)現(xiàn)總DF增加。UHP處理后，海帶的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，IDF的含量首先增加，使得總DF的含量增加。隨著處理時(shí)間的增長，DF的空間結(jié)構(gòu)再次發(fā)生變化，大分子組分的鏈接鍵斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿?，使得IDF轉(zhuǎn)化為SDF，從而使SDF含量增加[24]，這與苗字葉等[17]采用UHP處理梨渣膳食纖維結(jié)果相似。XIE等[25]認(rèn)為UHP可以降解纖維素，將IDF轉(zhuǎn)化為SDF，使得IDF和SDF再分配，有效地提高了SDF含量。

a-總DF；b-IDF；c-SDF
圖5 UHP處理對海帶DF含量的影響
Fig.5 Effect of UHP treatment on the content of DF in kelp

2.2.2 UHP對海帶微觀結(jié)構(gòu)的影響

UHP處理后海帶經(jīng)掃描電鏡研究其微觀結(jié)構(gòu)(圖6)。未處理的P-K顆粒較大，成不規(guī)則片狀結(jié)構(gòu)，表面較為光滑(圖6-g)；經(jīng)UHP處理后P-K的表面開始變得粗糙，且出現(xiàn)破碎和斷裂,顆粒變小(圖6-a～圖6-f), 當(dāng)壓力為 450 MPa 時(shí)顆粒尺寸最小。文獻(xiàn)表明，隨著UHP壓力和處理時(shí)間的增加，P-K比表面積和表面孔隙率增加，可能是由于UHP處理過程中P-K的空間結(jié)構(gòu)遭到破壞而變得疏松，顆粒尺寸減小，但當(dāng)尺寸減小到一定程度，表面活性及吸附性的增加導(dǎo)致部分顆粒開始聚集?？傮w而言，UHP處理改變了P-K的微觀結(jié)構(gòu)，從而對其吸附性產(chǎn)生了影響，這與之前吸附性數(shù)據(jù)結(jié)果相符。

a-300 MPa，10 min；b-450 MPa，10 min；c-600 MPa，10 min; d-300 MPa，5 min;e-450 MPa，5 min;f-600 MPa，5 min;g-對照
圖6 P-K電鏡圖(600×)
Fig.6 Scanning electron microscope (SEM) images of P-K(600×)

3 結(jié)論

本文研究了不同壓力(300、450、600 MPa)及時(shí)間(5、10 min)的UHP處理對P-K以及S-K吸附性質(zhì)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，UHP處理后的P-K的WHC、OHC、GAC均顯著提高(P<0.05)，CAC能力雖無顯著變化但略有增加;而S-K的各種吸附性能都較差，UHP對其影響也并不明顯。P-K的WHC、OHC和GAC分別顯著提高為原來的1.61～2.31、2.33和11.33倍。隨著處理壓力和時(shí)間的增加，WHC及OHC逐漸增強(qiáng)，而GAC及CAC隨處理壓強(qiáng)的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。經(jīng)進(jìn)一步對海帶DF含量、種類和微觀結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)處理5 min的樣品中IDF含量顯著增加，處理10 min后SDF含量顯著增加，所有UHP樣品總DF含量顯著增加(P<0.05)。掃描電鏡分析的結(jié)果顯示，UHP處理后P-K的比表面積和孔隙率增加，表面結(jié)構(gòu)由致密變得疏松，但顆粒尺寸減小到一定程度后會(huì)發(fā)生聚集現(xiàn)象。綜上所述，UHP處理能夠影響海帶中DF的組成和含量，改變其微觀結(jié)構(gòu)，從而影響其吸附性。本研究為進(jìn)一步推動(dòng)海帶資源的高效、高值化、可持續(xù)開發(fā)利用提供新思路，也為UHP工藝在生產(chǎn)功能性食品方面提供理論依據(jù)。