粒度对网纹瓜膳食纤维结构与性质的影响

刘岩龙，张彩丽，黄萍萍，贡汉生

（鲁东大学食品工程学院，山东烟台264025）

网纹瓜（Cucumis melo L.var.reticulatus Naud）属葫芦科甜瓜属的一个变种，是厚皮甜瓜的一种类型[1]，网纹瓜味美香甜，营养丰富，深受消费者喜爱。我国是网纹瓜的生产大国，栽培面积达20 万hm2，年产量300万t 以上[2]。目前我国网纹瓜主要以鲜食为主，由于网纹瓜成熟期正值夏季高温多雨，不易贮藏，容易造成经济损失，也限制了网纹瓜产业的发展，因此网纹瓜的规模化加工为解决这一问题提供了途径。王建清、高建晓等分别研究了不同处理方法对鲜切网纹瓜的保鲜作用[3-4]，王子萱研究了网纹瓜的变温压差膨化干燥工艺，为网纹瓜的加工提供了思路[2]。由于网纹瓜果皮较厚，在加工过程中会产生大量的果皮副产物，然而目前对网纹瓜副产物进行综合利用的研究鲜见报道，如果大量的网纹皮无法得到合理有效的利用，势必将造成一定的环境问题。网纹瓜果皮含有丰富的膳食纤维，是制备膳食纤维的良好原料。因此，利用网纹瓜皮制备膳食纤维，不仅能解决废弃物污染的问题，还能提高其附加值，促进网纹瓜精深加工的发展。

膳食纤维是一类不能被人胃肠道消化吸收，也不能产生能量的多糖类物质，对预防肥胖、糖尿病、心血管疾病、胃肠功能紊乱等疾病的具有重要作用[5-7]。膳食纤维的性质和功能受其加工方式、结构特点等因素影响。粉碎是膳食纤维制备过程中必不可少的单元操作，粉碎能够减小膳食纤维的平均粒径，改变膳食纤维基质的结构特征，从而影响其理化特性和功能性质[8]。目前粉碎对膳食纤维理化性质有不同程度的影响。Chau 等研究表明超微粉碎能够提高膳食纤维的持油力、持水力和膨胀力[9]。与此相反，Zhu 等则报道由于膳食纤维的基质结构被破坏，球磨降低了麦麸膳食纤维的持水力和膨胀力[10]。王大为等报道了粒径大小对毛葱膳食纤维的影响，粒径过大或者过小均会产生不利影响[11]。因此，不同来源、不同粉碎方式、粉碎程度均可能对膳食纤维的理化性质产生的影响。目前粒径对网纹瓜膳食纤维的影响也鲜有报道。

本研究利用网纹瓜加工后剩余的果皮为原料制备膳食纤维，对网纹瓜膳食纤维的理化性质、粉体性质和功能性质进行研究，比较不同粒径对网纹瓜膳食纤维性质的影响，并通过扫描电镜和红外光谱对其结构进行表征，为网纹瓜副产物的综合利用和膳食纤维的开发提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

网纹瓜：烟台市芝罘区；α 淀粉酶（50 U/mg）：Sigma公司。其他试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

KH19A 型离心机：湖南凯达科学仪器有限公司；721G 型分光光度计：上海精密科学仪器有限公司；CR400 型色差计：日本柯尼卡美能达公司；Mastersizer 2000 型激光粒度仪：英国马尔文仪器有限公司；MAGNA550 型红外光谱仪：美国 Thermo Nicolet 公司；Hitachi SU8010 型扫描电子显微镜：日本日立公司。

1.3 试验方法

1.3.1 膳食纤维的制备

制备工艺：网纹瓜皮→切块→清洗→60 ℃热风干燥→粉碎→pH 值为2 的盐酸溶液提取→调节pH 值至7→乙醇沉淀→抽滤→干燥→粉碎→过筛→膳食纤维。将膳食纤维用高速旋转粉碎机粉碎后依次通过40、60、80、100 目和120 目的筛网，得到相应的膳食纤维样品。

1.3.2 膳食纤维的理化特性

1.3.2.1 持水力

称取0.500 0 g 膳食纤维于50 mL 离心管中，加入20 mL 蒸馏水混合均匀，25 ℃静置 24 h，4 000 r/min 离心20 min，除去上清液，称重，计算持水力[12]。持水力/（g/g）=（样品湿重-样品干重）/样品干重。

1.3.2.2 持油力

称取0.500 0 g 膳食纤维与50 mL 离心管中，加入20 mL 大豆油混合均匀，25 ℃静置 18 h，4 000 r/min离心20 min，除去上层油脂，称重，计算持油力[13]。持水力/（g/g）=（样品吸油后重量-样品干重）/样品干重。

1.3.2.3 膨胀力

称取0.2500g 膳食纤维于10mL 量筒中，加入10 mL蒸馏水，25 ℃静置18 h，记录样品膨胀后的体积，计算持水力[14]。膨胀力/（mL/g）=（样品膨胀后体积-样品干体积）/样品干重。

1.3.2.4 色度

采用色差计测定膳食纤维样品的色度，色度值用CIE Lab 表示，其中 L 值表示明度（0～100）。

1.3.3 膳食纤维的粉体性质

1.3.3.1 粒径

不同膳食纤维样品的粒径采用激光粒度仪测定，平均粒径采用中位粒径（D50）表示。

1.3.3.2 休止角

将漏斗垂直固定在坐标纸上方，使膳食纤维样品从漏斗中自由落下堆积成圆锥体，记录圆锥体的直径（2R）和高度（H）[15]。休止角（α）表示为圆锥体侧面和底面形成的夹角，根据公式计算休止角α=arctan（H/R）。

1.3.3.3 滑动角

将一定量的膳食纤维样品平铺在光滑玻璃板上，固定一端，轻轻向上抬动另一端直到膳食纤维样品开始滑动，记录玻璃抬起的高度（H）和玻璃长度（L），计算膳食纤维的滑角θ=arcsin（H/L）。

1.3.4 膳食纤维的功能性质

1.3.4.1 胆固醇吸附能力

将新鲜鸡蛋的蛋黄与9 倍量的蒸馏水混合均匀，制成10%蛋黄稀释液。将1 g 膳食纤维样品与25 g 蛋黄稀释液混合均匀，调节pH 值为7.00，在摇床中37 ℃振荡2 h，4 000 r/min 离心20 min，采用邻苯二甲醛比色法测定上清液中胆固醇含量，用胆固醇标准品制作标准曲线[16]。胆固醇吸附能力/（mg/g）=（吸附前蛋黄液中胆固醇含量－吸附后上清液中胆固醇含量）/样品质量。

1.3.4.2 阳离子交换能力

将约0.5 g 膳食纤维样品与20 mL 0.1 mol/L 盐酸溶液混合均匀，在25 ℃静置24 h，过滤后反复洗涤滤渣，并用硝酸银溶液滴定滤液，直到滤液不含有氯离子为止[17]。将滤渣加入到100 mL 5%氯化钠溶液中，磁力搅拌30 min，用0.1 mol/L 氢氧化钠溶液滴定至终点，消耗氢氧化钠体积V。同时做空白对照，不加膳食纤维样品，消耗氢氧化钠体积V0，样品质量为m。阳离子交换能力/（mmol/g）=（V－V0）×0.1/m。

1.3.4.3 淀粉酶活力抑制率

将 0.25 g 膳食纤维样品、0.1 g α 淀粉酶、25 mL 马铃薯淀粉溶液混合均匀，在37 ℃孵育30 min，然后加入0.1 mol/L 氢氧化钠溶液终止反应，4 000 r/min 离心20 min，测定上清液中葡萄糖含量[18]。对照组不加膳食纤维，其余条件相同。淀粉酶活力抑制率（%）定义为添加膳食纤维样品组中葡萄糖产生速率比对照组下降的百分比。

1.3.5 扫描电镜

将干燥的膳食纤维样品用导电碳胶带固定后进行表面喷金，放入扫描电镜中观察膳食纤维样品表面的微观结构。

1.3.6 红外光谱

将1 mg 干燥的膳食纤维样品与150 mg 溴化钾混合，研磨均匀后压成薄片，放入红外光谱仪中扫描，波数范围 4 000 cm-1～500 cm-1，分辨率 4 cm-1。

1.4 数据分析

试验结果表示为平均值±标准差，试验重复3 次。使用SPSS 18.0 软件对数据进行统计分析，P＜0.05 为显著性差异。

2 结果与分析

2.1 膳食纤维的理化性质

表1 为不同粒径网纹瓜膳食纤维的理化性质。

随着膳食纤维目数增加，粒径减少，持水力、持油力和膨胀力均出现先增加后减小的趋势，在粒度为80目时最大，分别为 8.56 g/g、2.77 g/g 和 9.93 mL/g。膳食纤维的理化性质与其粒径有密切关系。Chau 等[9]和Zhu 等[19]分别研究了超微粉碎对胡萝卜和荞麦壳膳食纤维的影响，粉碎后粒径越低，持水力越高。Sangnark等[20]和Zhu 等[10]则认为粒径越小，膳食纤维的持水力、持油力越低。也有文献报道膳食纤维在不同的粒径范围，持水力随粒径变化趋势也不一样。椰渣纤维的粒径高于550 μm 时，持水力和膨胀力随着粒径降低而升高，而粒径低于550 μm 时，持水力和膨胀力则随着粒径降低而降低，与本文结果一致。膳食纤维的持水力、持油力主要是由于其多孔的基质结构中的细孔能够持有大量的毛细管水和油[21]。随着粒径减小，膳食纤维会暴露更多的表面积、极性基团和其他结合位点与周围接触，导致持水力、持油力和膨胀力的显著改善；但随着粒度进一步减小，膳食纤维的多孔基质结构也会被破坏，造成持水力、持油力和膨胀力降低。

颜色变化会影响膳食纤维样品的感官性质，并限制其潜在的应用[12]。粒度在在40 目～120 目范围内，膳食纤维的明度随着粒度目数的升高而升高。结果表明，膳食纤维粒径越小，其颜色越浅，这与Hu 等的报道一致[22]，可能是由于粉碎后超细的膳食纤维分布更加均匀造成的[23]。由于消费者偏爱的原因，原料成分的明度在食品加工中起重要作用[24]，因此，粒径较小的膳食纤维更有利于其在浅色食品中的应用。

2.2 膳食纤维的粉体性质

网纹瓜膳食纤维平均粒径如图2 所示。

表2 不同粒径网纹瓜膳食纤维的粉体性质Table 2 Power properties of dietary fibers from netted melon with different particle sizes

目数越大，平均粒径越小，40 目～120 目的平均粒径分别为 614.47、432.32、373.90、231.09、141.89 μm。膳食纤维颗粒越小，在单位重量内的颗粒数量越多，有更高的分散性，当与其他食品成分混合时能够更加均匀一致[25]。

粉体的休止角和滑动角是评价其流动特性的一个重要指标，休止角和滑动角越小，流动性越好。从表2 可以看出，网纹瓜膳食纤维的粒径越小，其休止角和滑动角越大。研究表明，粉体颗粒的流动性与其粒径、形状、表明粗糙度等因素有关[26]。粉体的粒径越小，其比表面积越大，颗粒表面的聚合力增加，造成颗粒聚集在一起，流动性下降。一般认为，休止角小于30°时粉体流动性很好，小于40°即可满足粉体输送需要[26]。因此，从食品加工过程中物料输送的角度考虑，网纹瓜膳食纤维的粒度不宜超过80 目。

2.3 胆固醇吸附能力

网纹瓜膳食纤维的胆固醇吸附能力如图1 所示。

图1 膳食纤维的胆固醇吸附能力Fig.1 Cholesterol adsorption capacity of dietary fiber

胆固醇吸附能力是衡量膳食纤维品质的一个重要指标[27]。粒度对膳食纤维吸附胆固醇具有显著影响，80 目的膳食纤维胆固醇吸附能力最高，为18.64 mg/g，粒度过高或者过低均降低了吸附能力。主要原因可能是膳食纤维粒径过大，其比表面积较小，粒径过小，膳食纤维的多孔结构被破坏，均不利于吸附胆固醇，与持油力的结果一致。本研究中网纹瓜膳食纤维的胆固醇吸附能力与芦笋、浒苔膳食纤维吸附胆固醇效果接近[27]。膳食纤维较高的胆固醇吸附能力有利于降低血清胆固醇浓度，减少心血管疾病的发生。

2.4 阳离子交换能力

膳食纤维的阳离子交换能力如图2 所示。

图2 膳食纤维的阳离子交换能力Fig.2 Cation exchange capacity of dietary fiber

膳食纤维在水溶液中能够解离出某些阳离子，并与溶液中原有的部分阳离子进行交换[27]。阳离子交换能力随着膳食纤维目数增加而增大，当超过100 目时不再有显著变化。阳离子交换能力的强弱与其中的糖醛酸含量有关[17]，膳食纤维粉碎后粒径越小，其在水中暴露出来的糖醛酸可能越多，导致阳离子交换能力增强，增加到一定的程度便不再增加。膳食纤维较高的阳离子交换能力可以起到吸附金属离子、降低血压的生理功效。

2.5 α淀粉酶活力抑制率

不同粒径的网纹瓜膳食纤维对α 淀粉酶活力抑制率如图3 所示。

图3 膳食纤维对α 淀粉酶的活力抑制率Fig.3 Effect of dietary fiber on α-amylase activity inhibition ratio

粒度在40 目～120 目范围的膳食纤维均能抑制α淀粉酶的活力（13.08%～19.96%），目数越大，粒径越小，淀粉酶活力抑制率越大，与以往的报道是一致[8]。膳食纤维粒径越小，单位重量内有更多数量的纤维颗粒，其分散度越均匀，表面积越大，能够造成更大的物理障碍。因此，减小膳食纤维的粒径可能会导致其包埋更多的淀粉和淀粉酶分子，并减少淀粉和淀粉酶之间的接触，从而导致淀粉酶活力的降低[9]。

2.6 扫描电镜观察微观结构

不同粒径的网纹瓜膳食纤维的微观结构通过扫描电镜进行观察，结果如图4 所示。

图4 膳食纤维的扫描电镜图（500×）Fig.4 Scanning electron micrographs of dietary fiber（500×）

40 目和60 目的膳食纤维颗粒较大，表面呈现不规则的褶皱，存在少量的裂隙和小孔。80 目的膳食纤维颗粒小于40 目和60 目，且表面存在更多的裂隙和孔洞，比表面积更大，有利于内部基团暴露，增加与其他物质的接触面积。水分可以通过其较高的表面张力而保持在纤维内的毛细管结构中，能够通过氢键或偶极形式与纤维中的各种组分相互作用。因此，80 目的膳食纤维具有较高的持水力、持油力及胆固醇吸附能力。随着粒径尺寸进一步减小，100 目和120 目的膳食纤维的基质结构被破坏，孔隙减少，导致其持水力和持油力等指标降低。

2.7 红外光谱分析

网纹瓜膳食纤维的分子结构通过红外光谱进行分析，结果如图5 所示。

图5 膳食纤维的红外光谱图Fig.5 FTIR spectra of dietary fiber

在3 423 cm-1～3 430 cm-1处存在强的宽峰，是羟基中O-H 的伸缩振动，说明膳食纤维中存在较多的羟基及氢键。40 目吸收峰为3 430 cm-1，120 目吸收峰为3 423 cm-1，羟基峰红移，说明粒径小的膳食纤维氢键作用增强。2 917 cm-1～2 921 cm-1处的吸收峰是由甲基和亚甲基的C-H 伸缩振动造成的。这些基团均属于多糖化合物的典型结构。1 743 cm-1的振动是酯羰基伸缩振动；1 631 cm-1处的强吸收峰是羧基C=O 的不对称伸缩振动，说明样品中含有糖醛酸[17]。1 066 cm-1是酯基上的C-O 的伸缩振动，也是多糖的特征吸收峰。红外光谱分析表明网纹瓜膳食纤维具备多糖红外图谱的典型特征，说明其主要成分是多糖类化合物，具有较多的羟基，能够为其较高的持水力提供结构基础。

3 结论

粒径对网纹瓜膳食纤维的理化性质、粉体性质和功能性质均有显著的影响。网纹瓜膳食纤维的持水力、持油力和膨胀力均随着粒径减小而先增加后减小，粒度在80 目时具有最大值，分别为8.56 g/g、2.77 g/g 和9.93 mL/g，明度则随着粒径降低而增加。休止角范围为37.22°～44.76°，80 目以下的膳食纤维流动性较好。膳食纤维的胆固醇吸附能力在14.55 mg/g～18.64 mg/g，80目的吸附能力最高。阳离子交换能力和淀粉酶活力抑制率随着粒径降低而增加。扫描电镜观察显示80目的膳食纤维比粒径大的膳食纤维具有更多的孔隙和比表面积，有利于提高其持水力和吸附能力。傅里叶变换红外光谱显示其具有C-H、O-H、C=O 等吸收峰，具有典型的多糖化合物的红外结构。