Process Optimization and Structure Characterization of Jackfruit Seed Dietary Fiber Modified by High Temperature Cooking Combined with Ultrasonic Enzymatic Method
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摘要: 通过高温蒸煮结合超声波酶法对菠萝蜜籽膳食纤维进行改性，结合单因素实验和响应面试验优化改性工艺条件，再利用扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、热重分析仪（TGA）、傅立叶红外光谱仪（FTIR）对改性前后可溶性膳食纤维（Soluble Dietary Fibre，SDF）的结构进行对比，以持水力、膨胀力、保油力和对亚硝酸盐离子、葡萄糖、胆酸盐、胆固醇的吸附能力为指标，比较改性前后SDF的功能性质。结果表明：膳食纤维的最佳改性条件为料液比1:21 g/mL，高温蒸煮121 ℃、43 min，纤维素酶添加量8%，酶解的超声波条件360 W、40 ℃、52 min。此条件下改性后菠萝蜜籽SDF得率为（24.39%±0.03%），未改性SDF得率为（16.93%±0.60%）。与未改性SDF相比，FTIR显示菠萝蜜籽纤维素组分重新分布，SEM显示结构更加疏松多孔，X射线衍射结果显示结晶度增加，热重分析结果显示热稳定性更好；改性后SDF的持水力、膨胀力、保油力、亚硝酸盐离子吸附能力、葡萄糖吸附能力、胆酸盐吸附能力、胆固醇吸附能力均显著（P<0.05）优于未改性SDF。结果表明高温蒸煮结合超声酶法能够改善菠萝蜜籽SDF的功能特性，为改性菠萝蜜籽膳食纤维提供一定理论基础。Abstract: The jackfruit seed dietary fiber was modified by high temperature cooking combined with ultrasonic enzymatic method. Single factor combined with response surface method was applied to optimize the modification process conditions. The structure of soluble dietary fiber (SDF) before and after modification was compared and analyzed by scanning electron microscope (SEM), X-ray diffraction (XRD), thermogravimetry (TGA) and Fourier transform infrared spectrometer (FTIR). The functional properties of SDF before and after modification were determined with water holding capacity, expansion capacity, oil holding capacity and adsorption capacity for nitrite ion, glucose, bile salt and cholesterol as indicators. The results showed that the optimum modification conditions of DF were as follows: The ratio of material to liquid 1:21 g/mL, cooking temperature 121 ℃, cooking time 43 min, cellulase amount 8%, ultrasonic-assisted enzymatic (UAE) power 360 W, UAE temperature 40 ℃, UAE time 52 min. Under these conditions, the yield of SDF was 24.39%±0.03%, the yield of unmodified SDF was 16.93%±0.60%. Compared with unmodified SDF, FTIR results showed that the cellulose components of jackfruit seeds were redistributed. SEM indicated a more porous structure. XRD results showed an increase in crystallinity, and TGA results showed better thermal stability. The water holding capacity, expansion capacity, oil retention capacity, nitrite ion adsorption capacity, glucose adsorption capacity, bile salt adsorption capacity, and cholesterol adsorption capacity of modified SDF were significantly better than those of unmodified SDF (P<0.05). Therefore, high temperature cooking combined with ultrasonic enzymatic method could improve the functional characteristics of SDF in jackfruit seeds and provide a theoretical basis for the modification of jackfruit seed dietary fiber.
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Keywords:
- jackfruit seed /
- dietary fiber /
- high temperature cooking /
- ultrasonic /
- cellulase /
- modification
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菠萝蜜是目前市面上可见最大的树生热带水果，其果肉及种子皆可食用，果肉柔软、汁多，具有芳香味道[1]。菠萝蜜的果实最多可以有约500颗种子（2~3 cm长，直径1~2 cm），种子质量占水果总重量的10%~15%，由于新鲜的种子不能长期储存，因此常被当作废弃物丢弃，大量的菠萝蜜籽资源仍未被充分开发[2]，对副产品进行生态化利用，可以减少生物资源的浪费，增加果农的经济收入[3]。菠萝蜜籽富含氮、磷、钾、钙、镁、硫、锌、铜等多种矿物质和木酚素、皂苷、异黄酮等植物营养素[4]，还具有高淀粉（约46%）、高膳食纤维（约20%）和低脂肪（约0.77%）的特点，膳食纤维（Dietary Fiber，DF）可用以预防代谢综合症及与生活习惯有关的疾病，因此菠萝蜜籽可视为新的膳食纤维来源[5]。DF可分为可溶性膳食纤维（SDF）和不溶性膳食纤维（IDF）[6]。膳食纤维中SDF的含量应达到10%以上，才能被认为是具有很强生理活性和保健功能的优质膳食纤维[7]，然而天然膳食纤维含量大多低于10%[8]，因此有必要探究对菠萝蜜籽DF进行改性的方法，以提取出更多的SDF。
目前广泛采用生物法（主要是酶法和发酵法）、化学法（主要是酸碱法）和物理法（主要是挤压法、高温蒸煮法和高压均质法）对膳食纤维进行改性[7]。高温蒸煮法是在高温高压下对膳食纤维进行改性，导致其中的分子链断裂，把IDF转化为SDF，以此增加SDF的含量。这种改性办法对仪器要求较高，因此常受到条件的限制，无法得到较好的结果[7]。酶法是一种对样品内部破坏强度较低的方法，对膳食纤维损伤小，其缺点为实验耗时较久，难以在短期获得较快的提取成果，但超声波处理方式能够有效提高实验速率[9]。将物理法与生物法结合起来，可以降低实验成本，弥补单一实验方法的不足。丁彩云等[10]采用高温-复合木聚糖酶和纤维素酶改性脱脂小米糠膳食纤维，结果表明高温-复合酶法可以有效改性膳食纤维，提高其结构和功能特性。汪楠等[11]分别采用纤维素酶酶解、高温蒸煮、高温蒸煮协同纤维素酶处理竹笋膳食纤维，结果表明，高温蒸煮协同酶法较单独高温蒸煮和纤维素酶解有效地提高了竹笋可溶性膳食纤维的理化性质。Li等[12]采用超声波辅助酶法对荔枝膳食纤维进行改性，结果表明经过超声波酶改性后，SDF含量提高了6.32%。Oladunjoye等[13]采用微波辅助碱处理甘蔗渣，结果表明，改性处理后其持水力等功能性质提高，微波辅助处理减少了反应时间。
目前，对菠萝蜜籽的研究集中在对其蛋白及淀粉的提取或性质研究上[1−3]，未见从菠萝蜜籽中提取膳食纤维的研究，且目前多采用两种方法相结合对膳食纤维进行改性，关于高温蒸煮、超声波、酶法三种方法结合对膳食纤维进行改性报道较少。为了减少菠萝蜜籽资源的浪费，增加膳食纤维的新来源，通过对菠萝蜜籽膳食纤维进行改性，提高菠萝蜜籽SDF的含量与功能性质，将有助于将其作为合适的功能性食品原料。因此，本实验以菠萝蜜籽为主要原料，采用高温蒸煮结合超声波酶法改性膳食纤维，并对改性工艺方法进行优化。通过单因素实验分析料液比、高温蒸煮时间、纤维素酶添加量、超声波酶解的温度、功率和时间对菠萝蜜籽SDF得率的影响，并在单因素实验的基础上结合响应面优化试验对菠萝蜜籽SDF的改性工艺进行优化。最后测定最优工艺条件下制备所得到SDF结构和功能性质，以期对菠萝蜜籽综合利用，为开发菠萝蜜籽膳食纤维功能性食品提供理论基础。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
菠萝蜜籽 产地海南，采收时间为2~3月份的马来西亚一号菠萝蜜，郑州然翎商贸有限公司；玉米油 益海嘉里金龙鱼粮油食品股份有限公司；鸡蛋 市售；纤维素酶（10000 U/g） 食品级，多美姿生物科技有限公司；耐高温α淀粉酶（20000 U/g） 食品级，邢台万达生物有限公司；中性蛋白酶（50000 U/g） 食品级，沃佳生物科技有限公司；甘氨酸钠 食品级，郑州安安康食品原料有限公司；亚硝酸钠、对氨基苯磺酸、盐酸萘乙二胺、DNS试剂、糠醛、邻苯二甲醛等 均为分析纯，国药化学试剂有限公司。
CS-700中草药粉碎机 永康市天祺盛世工贸有限公司；LDZM-60L-Ⅲ立式高压蒸汽灭菌锅 上海申安医疗器械厂；TENSOR Ⅱ傅立叶红外光谱仪 德国布鲁克公司；SU8010场发射扫描电子显微镜 日本日立公司；XRD-6100 X射线衍射仪 日本岛津公司；SDT650热重分析仪 美国沃特斯公司；KQ-600KDE高功率超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 菠萝蜜籽SDF的制备方法
清洗菠萝蜜籽，以清除所有异物和上层白色层。将菠萝蜜籽切成厚度约5 mm的片状，置于60 ℃烘箱中12 h，中草药粉碎机粉碎，粉碎后的粉末再次于60 ℃中放置12 h，过40目筛子，装入密封袋中，保持干燥，备用。
改性工艺：参考Huang等[7]和Yang等[14]的方法并略作修改。称取5.00 g样品于锥形瓶中，加入一定比例的蒸馏水，放入立式高压灭菌锅中121 ℃高温蒸煮一定时间。用2 mol/L NaOH调节混合液pH至6.0。加入耐高温α-淀粉酶0.4 g以去除淀粉，并在95 ℃下水解30 min，每隔5 min轻轻搅拌烧杯，用3 mol/L醋酸调节pH至3.0灭酶。冷却至40 ℃，用2 mol/L NaOH调节混合液pH至7.5，加入0.25 g中性蛋白酶后40 ℃水解30 min，沸水浴10 min灭酶。冷却后用3 mol/L醋酸调节混合液pH至5.0，加入纤维素酶于一定的温度、功率、时间条件下超声处理。沸水浴加热10 min灭酶后冷却至20 ℃，12000×g离心15 min。取上清液，以1:4（v/v）的比例置于95%乙醇进行醇沉。醇沉2.5 h后以4000 r/min离心10 min取沉淀，于65 ℃烘干24 h得到SDF。未改性SDF的制备：采用传统水提法提取SDF，不经过高压灭菌锅蒸煮和超声波酶解[14−15]，其他步骤同改性的工艺。
1.2.2 单因素实验
固定蒸煮时间为20 min，纤维素酶添加量为0.4 g（物质质量的8%），超声酶解时间为10 min、超声酶解温度为30 ℃、超声酶解功率为300 W，改变料液比为1:15、1:20、1:25、1:30、1:35、1:40 g/mL，研究料液比对菠萝蜜籽SDF得率的影响。
固定料液比1:20 g/mL，纤维素酶添加量为0.4 g（物质质量的8%）、超声酶解时间为30 min、超声酶解温度为30 ℃、超声酶解功率300 W，改变高温蒸煮时间为20、30、40、50、60、70 min，研究蒸煮时间对菠萝蜜籽SDF得率的影响。
固定蒸煮时间为40 min，料液比1:20 g/mL，超声酶解时间为30 min、超声酶解温度为30 ℃、超声酶解功率为300 W，纤维素酶添加量为5%、6%、7%、8%、9%和10%（物质质量的百分数），研究纤维素酶添加量对SDF得率的影响。
固定蒸煮时间为40 min，料液比1:20 g/mL，纤维素酶添加量为0.4 g（物质质量的8%），超声酶解温度为30 ℃、超声功率为300 W，改变超声酶解时间为10、20、30、40、50、60 min，研究超声酶解时间对SDF得率的影响。
固定蒸煮时间为40 min，料液比1:20 g/mL，纤维素酶添加量为0.4 g（物质质量的8%），超声酶解时间为50 min、超声酶解功率为300 W，改变超声酶解温度为30、35、40、45、50和55 ℃，研究超声酶解温度对SDF得率的影响。
固定蒸煮时间为40 min，料液比1:20 g/mL，纤维素酶添加量为0.4 g（物质质量的8%），超声酶解时间为50 min、超声酶解温度为40 ℃，改变超声酶解功率为240、300、360、420、480、540 W，研究超声酶解功率对SDF得率的影响。SDF得率按照下式计算。
SDF得率（%）=（SDF质量/菠萝蜜籽粉质量）×100
1.2.3 响应面试验优化
根据6种单因素实验结果，选取对SDF得率有显著影响的四个因素进行Box-behnken试验。之后对模型进行验证，进行3次验证实验。响应面的因素水平表见表1。
表 1 响应面试验因素水平Table 1. Level of response surface test factors水平 因素 A蒸煮时间
（min）B料液比
（g/mL）C超声酶解温度
（℃）D超声酶解时间
（min）−1 30 1:15 35 40 0 40 1:20 40 50 1 50 1:25 45 60 1.2.4 结构表征
1.2.4.1 傅里叶红外光谱仪分析
参考汪楠等[11]的方法，并略作修改。分别取1.00 mg的改性前后SDF样品放置在样品台上，在400~4000 cm−1范围内扫描32次，分辨率为16 cm−1。
1.2.4.2 扫描电子显微镜观察
样品粉末用导电胶固定于载物台上。样品经过离子溅射仪处理后，放入仪器中，加速电压为15 kV，于500、1000、2000、5000、10000倍下观察不同样品的结构[16]。
1.2.4.3 X射线衍射分析
分别取菠萝蜜籽原料粉、改性前后SDF样品平铺于XRD样品板，进行扫描。测定条件：电压40.0 kV；电流30.0 mA；以2°/min的速率进行扫描；5°~90°（2θ）范围内进行连续扫描[17]。
1.2.4.4 热重分析
分别取10 mg菠萝蜜籽原料粉、改性前后SDF样品置于刚玉坩埚中，设置初始温度为25 ℃，以10 ℃/min速率升温，升温至600 ℃。载气为氮气，流速为20 mL/min，测定各样品的热分解曲线[11]。
1.2.5 功能性质的测定
1.2.5.1 保水力（Water Holding Capacity，WHC）
参考Yang等[18]的方法。取0.500 g的三种样品分别与25 mL水混合2 h，在3000×g下离心10 min，用滤纸吸收沉积物中多余的水，并对样品进行称重（作为湿重）。通过公式（1）计算WHC：
WHC(g/g)=WW−WSWS (1) 其中，WW为湿重（g）；WS为样品质量（g）。
1.2.5.2 膨胀力（Swelling Capacity，SWC）
参考Yang等[18]的方法。向量筒中放入500 mg样品，测量样品体积V1。测量样品中加入5 mL蒸馏水，于室温下放置24 h后的体积V2。通过公式（2）计算SWC：
SWC(mL/g) = V2−V1M (2) 其中，V2为静置后体积（mL）；V1为初体积（mL）；M为样品质量（g）。
1.2.5.3 保油力（Oil Holding Capacity，OHC）
参考Yang等[18]的方法。1.0 g样品与5.0 g玉米油在离心管混合，37 ℃摇1 h，8000×g离心30 min，除去上清液，收集剩余物称重。通过公式（3）计算OHC：
OHC(g/g) = WO−WSWS (3) 其中，WO为样品保油后的质量（g）；WS为样品的原始质量（g）。
1.2.5.4 亚硝酸盐离子的吸附能力（Adsorption Capacity of Nitrite Ion，NIAC）
参考罗白铃等[19]的方法。取0.1 g样品加入到装有25 mL 1 mmol/L亚硝酸钠溶液的烧杯中，混合液在37 ℃水浴2 h，取上清液与2.5 mL 60%醋酸溶液按1:5（v/v）混匀备用。使用对氨基苯磺酸和盐酸萘乙二胺测定上清液中的亚硝酸钠水平来测定样品所保留的亚硝酸钠。其标准曲线的回归方程为y=0.0087x−0.0004，R2=0.998。通过公式（4）计算NIAC：
NIAC(μg/g)=(CO−CS)×VWS (4) 其中，CO和CS是吸附前后上清液中的亚硝酸钠浓度（μg/L）；WS代表样品质量（g）；V表示亚硝酸钠溶液的体积（L）。
1.2.5.5 葡萄糖吸附能力（Glucose Adsorption Capacity，GAC）
参考Ma等[20]等的方法。取样品1.0 g及100 mmol/L葡萄糖溶液100 mL。37 ℃孵化6 h，5000 r/min离心15 min后，取上清液备用。通过DNS试剂测定上清液中的葡萄糖水平，测定样品葡萄糖保留量。其标准曲线的回归方程为y=0.007x−0.0102，R2=0.9991。通过公式（5）计算GAC：
GAC(mmol/g) = (CO−CS)×VWS (5) 其中，CO和CS是吸附前后的葡萄糖水平（mmoL/L）；WS代表样品质量（g）；V代表葡萄糖溶液的体积（L）。
1.2.5.6 胆酸盐的吸附能力（Cholate Adsorption Capacity，CLAC）
参考Wang等[21]的方法并加以修改。0.20 g甘氨酸钠和1.00 g样品混合于20 mL磷酸盐缓冲液中，调节混合液pH至7，37 ℃培育2 h。取混合液，以8000 r/min离心10 min，取上清液备用。用糠醛比色法测定上清液中甘氨酸钠的浓度，其标准曲线回归方程为y=0.033x+0.0047，R2=0.9993。通过公式（6）计算CLAC：
CLAC(mg/g)=m0−m1m (6) 其中，m0为甘氨酸钠添加量（mg）；m1为吸附后残余甘氨酸钠质量（mg）；m为样品质量（g）。
1.2.5.7 胆固醇的吸附能力（Cholesterol Adsorption Capacity，CAC）
采用Wu等[22]描述的办法并加以修改。取两个新鲜鸡蛋，采用分离器分离蛋黄及蛋清。在烧杯中加入蛋黄9倍体积的蒸馏水制作乳液。称量1.00 g样品与50 mL乳液混匀，将pH调节至7.0，37 ℃培育2 h后离心取上清液，4000 r/min离心20 min。以邻苯二甲醛比色法测定并计算CAC，其标准曲线的回归方程为y=19.36x−0.028，R2=0.9972。按照公式（7）计算上清液中的CAC：
CAC(mg/g) = m1−m2m (7) 其中，m1为原始蛋黄乳液中胆固醇质量（mg）；m2为吸附后上清液中胆固醇质量（mg）；m为样品质量（g）。
1.3 数据处理
实验数据通过Excel 2019归纳整理；实验重复3次，数据均以“均值±标准差”表示，显著性分析采用SPSS 22统计软件，经单因素方差分析，比较方法采用Tukey分析，差异性显著为P<0.05；采用Origin 8.5进行图形绘制；响应面优化试验借助Design Expert V8.0.6进行。
2. 结果与分析
2.1 单因素实验
如图1（a）所示，料液比对于菠萝蜜籽SDF得率的影响呈现先上升后下降的趋势，当料液比为1:20 g/mL时菠萝蜜籽SDF得率最高为（19.85%±0.01%）。当料液比超过1:20 g/mL后得率便逐渐下降。这是由于料液比增加，样品粉末充分浸泡于水中，使得SDF得以溶出。相较于1:20 g/mL，1:40 g/mL的料液比条件下菠萝蜜籽SDF得率显著降低了3.30%（P<0.05），因为样品中的SDF含量有限，当其在水中达到平衡后，SDF可能会溶于水中，导致得率下降。结果表明：1:20 g/mL为菠萝蜜籽SDF提取的最佳料液比。
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图 1 不同因素对菠萝蜜籽SDF得率的影响注：a：料液比（P<0.05）；b：蒸煮时间（P<0.05）；c：纤维素酶添加量（P>0.05）；d：超声酶解时间（P<0.05）；e：超声酶解温度（P<0.05）；f：超声酶解功率（P<0.05）；不同小写字母表示组内差异显著（P<0.05）。Figure 1. Effect of different factors on SDF yield of jackfruit seeds如图1（b）所示，菠萝蜜籽SDF得率随蒸煮时间的增加逐渐提高，蒸煮时间为40 min时达到最高值。蒸煮时间大于40 min时，SDF得率开始下降（P<0.05）。这可能是因为蒸煮时间小于40 min时，膳食纤维的部分氢键断裂，反应并不充分[23]，随着时间的增加，纤维素水溶性提高，膳食纤维的溶解性改变。但蒸煮时间越长，SDF结构容易被破坏，导致醇沉时SDF无法完全析出，得率变低[24]。结果表明：40 min为菠萝蜜籽SDF提取的最佳蒸煮时间。
图1（c）所示，当酶用量小于8%时，SDF得率上升较快，并在添加量为8%的情况下达到最高值（21.88%±0.23%），酶添加量为8%~10%时，SDF得率无显著差异（P>0.05）。其原因可能为，随着纤维素酶的增加，当添加了8%的纤维素酶时，酶的催化能力已到上限。结果表明：菠萝蜜籽SDF提取的最佳酶添加量为8%。
如图1（d）所示，在10、20 min两种条件下SDF得率上升趋势最明显，其次为40~50 min。当超声酶解时间为50 min时，SDF得率最高，为（26.24%±0.76%）。超声时间过久，SDF得率降低。这可能是因为超声波的作用，使得物料的细胞壁被破坏，SDF结构被打开，内部的单糖物质溶出[25]。因此，50 min为菠萝蜜籽SDF提取的最佳超声酶解时间。
图1（e）所示，于40 ℃下超声时所得到的得率最高；当温度为55 ℃时，得率降低了2.84%（P<0.05）。其原因可能是纤维素酶在温度条件的影响下，空间结构打开，更多作用基团与反应底物结合，促进反应进程。但当温度过高时，酶的活性被抑制，反应速率降低。结果表明：40 ℃为菠萝蜜籽SDF提取的最佳超声温度。
图1（f）所示，当功率调整为360 W时，菠萝蜜籽SDF得率最高为25.60%±0.18%，但当超声功率达到420 W时，菠萝蜜籽SDF得率出现显著降低，降低值为5.05%（P<0.05）。其原因为高功率的超声波对细胞结构破坏程度过大，导致膳食纤维原本的结构也被破坏，使得SDF暴露[26]，生成了较小的糖类物质，醇沉不完全。结果表明：360 W的超声功率为菠萝蜜籽SDF提取的最佳功率。
2.2 响应面优化试验结果
响应面优化试验结果见表2。结果表明SDF得率（Y）及自变量蒸煮时间（A）、料液比（B）、超声酶解温度（C）、超声酶解时间（D）的回归方程：
表 2 响应面分析设计及结果Table 2. Response surface analysis design and results实验号 A蒸煮时间
（min）B料液比
（g/mL）C超声酶解
温度（℃）D超声酶解
时间（min）SDF得率
（%）1 30 1:15 40 50 23.25±0.11 2 50 1:15 40 50 23.29±0.27 3 30 1:25 40 50 22.71±0.10 4 50 1:25 40 50 23.49±0.25 5 40 1:20 35 40 23.62±0.18 6 40 1:20 45 40 23.38±0.06 7 40 1:20 35 60 23.75±0.57 8 40 1:20 45 60 24.18±0.03 9 30 1:20 40 40 24.27±0.13 10 50 1:20 40 40 23.54±0.44 11 30 1:20 40 60 24.38±0.18 12 50 1:20 40 60 23.47±0.21 13 40 1:15 35 50 23.78±0.03 14 40 1:25 35 50 23.75±0.48 15 40 1:15 45 50 23.51±0.18 16 40 1:25 45 50 22.47±0.41 17 30 1:20 35 50 24.52±0.17 18 50 1:20 35 50 23.76±0.58 19 30 1:20 45 50 23.36±0.24 20 50 1:20 45 50 23.33±0.16 21 40 1:15 40 40 24.21±0.04 22 40 1:25 40 40 22.85±0.08 23 40 1:15 40 60 23.63±0.27 24 40 1:25 40 60 22.15±0.34 25 40 1:20 40 50 23.81±0.47 26 40 1:20 40 50 23.67±0.23 27 40 1:20 40 50 23.76±0.45 28 40 1:20 40 50 22.67±0.35 29 40 1:20 40 50 22.78±0.18 Y=24.31+0.47A+0.15B−(8.333E−003)C+0.13D+0.083AB+0.12AC−0.040AD−(2.500E−003)BC+0.083BD−0.055CD−0.87A2−0.37B2−0.29C2−0.45D2。
由表3所示，方程模型P值<0.0001，说明模型极显著；模型失拟项P值>0.05，说明不显著，表明此回归方程有较好的可靠性，可以作为预测菠萝蜜籽膳食纤维最优提取工艺参数的模型。此模型的相关校正系数R2=0.9684，绝对校正系数Radj2=0.9368，表明模型的拟合度高。其中A、A2、B2、C2、D2的P值<0.001，表明它们对菠萝蜜籽SDF得率影响极其显著；B、D的P值<0.01，表明它们对菠萝蜜籽SDF的得率影响高度显著。分析可得各因影响素菠萝蜜籽SDF得率的顺序为：A（蒸煮时间）>B（料液比）>D（超声酶解时间）>C（超声酶解温度）。
表 3 回归模型的方差分析Table 3. Analysis of variance of regression model方差来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 显著性 模型项 8.89 14 0.63 30.65 <0.0001 *** A 2.67 1 2.67 128.88 <0.0001 *** B 0.27 1 0.27 13.18 0.0027 ** C 8.33×10−4 1 8.33×10−4 0.04 0.8439 D 0.21 1 0.21 9.92 0.0071 ** AB 0.027 1 0.027 1.31 0.2708 AC 0.06 1 0.06 2.9 0.1108 AD 6.40×10−3 1 6.40×10−3 0.31 0.5871 BC 2.50×10−5 1 2.50×10−5 1.21×10−3 0.9728 BD 0.027 1 0.027 1.31 0.2708 CD 0.012 1 0.012 0.58 0.4574 A2 4.86 1 4.86 234.39 <0.0001 *** B2 0.91 1 0.91 43.78 <0.0001 *** C2 0.55 1 0.55 26.36 0.0002 *** D2 1.29 1 1.29 62.4 <0.0001 *** 残差 0.29 14 0.021 失拟项 0.21 10 0.021 1.1 0.5063 误差项 0.077 4 0.019 总和 9.18 28 注：*表示P<0.05，影响显著；**表示P<0.01，影响高度显著；***表示P<0.001，影响极其显著。 两因素交互作用对SDF得率影响的响应面3D图见图2。响应面越陡，因子之间的交互作用越重要；响应面越平坦，影响程度越低，根据3D响应图中各因素的走势可以推断对响应值的作用大小。结果表明，四因素对菠萝蜜籽SDF提取的影响力为蒸煮时间（A）>料液比（B）>超声酶解时间（D）>超声酶解温度（C）。这与方差分析的结果一致。
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图 2 两因素交互作用对SDF得率影响的响应面3D图Figure 2. Response surface 3D diagram of the effect of two factors interaction on SDF yield2.3 提取条件优化及模型验证结果
通过软件分析与优化，得到最优改性工艺条件参数：蒸煮时间42.83 min、料液比1:21.25 g/mL、超声波酶解温度40.15 ℃、超声波酶解时间51.55 min，该条件下可得到最佳SDF得率24.41%。
结合实际实验条件，对优化的菠萝蜜籽SDF提取条件进行修正：蒸煮时间43 min、料液比1:21 g/mL、超声波酶解温度40 ℃、超声波酶解时间52 min，经过验证实验，得到菠萝蜜籽SDF得率平均值为（24.39%±0.03%）。结果与模型预测的结果相符，从而验证了应用响应面法优化的工艺参数可靠性。未改性SDF的得率为（16.93%±0.60%），经过改性后SDF得率是未改性的1.44倍。孙静等[24]以枣渣为原料，采用高温蒸煮结合纤维素酶改性枣渣膳食纤维，最佳工艺条件下的酶解时间2.5 h。而本研究通过超声波辅助纤维素酶酶解，酶解时间52 min，大大缩短了纤维素酶酶解所需要的时间。
2.4 结构表征
2.4.1 菠萝蜜籽SDF傅里叶红外光谱分析
由图3可看出，与未改性的图谱相比，改性后图谱的特征官能团的吸收峰发生了红移，这主要是由于高温高压协同超声波酶解对多糖链的破坏作用[7]。与SDF的图谱相比，原料粉在2107 cm−1处的吸收峰强度大于SDF图谱在2100 cm−1附近的吸收峰强度。改性后 SDF 于 3389 cm−1 和未改性 SDF 于 3338 cm−1 的伸缩振动带是纤维素、半纤维素-OH引起的，是多糖成分的特征吸收峰，改性处理后的吸收强度比改性前稍弱，这可能是高温蒸煮和超声波处理使纤维素间的氢键断裂，使膳食纤维形成多孔结构，增加了水分子和膳食纤维间的氢键所致[27]。2920 cm−1附近的吸收峰是多糖中-CH3的C-H伸缩振动引起的[26]。在2000 cm−1至2500 cm−1附近出现的是三键及积累双键非对称伸缩振动区，这个区间内含有CN、CC等的吸收[26]。改性后1603 cm−1和未改性1592 cm−1的特征吸附峰是酯类C=O的非对称伸缩振动[26]。改性后1413 cm−1和未改性1406 cm−1处的吸收峰通常说明存在木质素芳香苯基团，经过改性处理后的吸收峰强度减小，IDF含有纤维素、半纤维素和木质素，说明改性处理使IDF减少，可能是由于高温蒸煮和超声波处理使部分木质素转化为SDF[28]。1015 cm−1附近的强吸收峰是纤维素和半纤维素C-O-C的收缩振动，改性后SDF在1015 cm−1的吸收峰强度小于未改性SDF在此处的吸收峰强度，进一步说明改性处理使IDF的含量减少，从而转化为更多的SDF[29]。总体而言，改性后SDF和未改性SDF表现出相似的红外光谱，但其特征吸收峰的波数或吸收强度存在差异。
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图 3 改性前后DF傅里叶变换红外光谱图Figure 3. DF Fourier transform infrared before and after modification2.4.2 菠萝蜜籽SDF扫描电子显微镜分析
可溶性膳食纤维的结构不仅与自身的特性有关，也可能与提取、改性工艺的不同有关[4]。由图4所示，菠萝蜜籽原料粉、改性后SDF、未改性SDF三者的结构差别较大。菠萝蜜籽原料粉表面较为平坦，呈现圆形单片状，结构较为单一。未改性SDF呈现碎片、多层状结构。改性后SDF存在许多孔隙，增加了比表面积。这可能是由于在高温烹饪破坏了纤维链的初始结构后，超声波产生的空化气泡进一步促进了纤维的断裂，导致孔隙的形成[30]，使得更多纤维素酶能够充分地酶解，从而形成更为疏松的结构，这种结构可以扩大SDF的比表面积，暴露更多的基团，为其他物质与SDF的相互作用提供更多的位点，可以提高SDF的吸附能力[31]。
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图 4 原料粉及改性前后SDF的扫描电镜图注：A、B、C分别代表菠萝蜜籽原料粉放大500、1000、2000倍；D、E、F分别代表改性后SDF放大2000、5000、10000倍；G、H、I分别代表改性前SDF放大2000、5000、10000倍。Figure 4. SEM of raw material powder and SDF before and after modification2.4.3 菠萝蜜籽SDF X射线衍射扫描分析
三个样品的XRD结果如图5所示。结果表明，菠萝蜜籽原料粉及两种SDF的衍射图存在部分差异。菠萝蜜籽原料粉在2θ=16.8°和2θ=22.6°存在两个较大的衍射峰，在2θ=14.8°存在次衍射峰，在2θ=64.5°及2θ=77.5°存在弱衍射峰。改性后SDF及未改性SDF的光谱区别较小，衍射峰的位置也基本相同。改性前后的SDF在2θ=22°左右都出现了特征晶体峰，且2θ=18.4°、2θ=32.5°出现次衍射峰，说明高温蒸煮和超声波酶处理相结合并没有改变SDF的晶体类型，和未改性的SDF相比，改性后SDF的峰型比未改性SDF的峰型更为尖锐，经过Jade6.0软件处理后，改性处理后SDF的相对结晶度为20.62%，未改性处理的相对结晶度为14.84%，改性处理后的相对结晶度较未改性处理相对结晶度提高了38.94%，这可能是由于处于非结晶区的纤维素、半纤维素和木质素被水解，使结晶区的比例提高[28]。
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图 5 原料粉及改性前后SDF的X射线衍射谱图Figure 5. X-ray diffraction spectrum of raw material powder and SDF before and after modification2.4.4 菠萝蜜籽SDF热重分析
三种样品的热分解过程如图6所示，SDF的热分解过程主要可以分为：50~200 ℃（水分蒸发）、200~350 ℃（果胶及半纤维素分解）、350~600 ℃（最终炭化）[32]。在热分解的三个阶段中，菠萝蜜籽原料粉在热分解过程中质量损失多于改性前后SDF。改性后SDF的残余质量为40.26%，未改性SDF的残余质量为38.55%。最终改性后SDF的热稳定性更好，较未改性SDF提高了1.71%。综合来看，改性前后的SDF热稳定性比菠萝蜜籽原料粉有一定程度的提高。SDF更好的热稳定性可能与其结晶度提高有关[33]。
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图 6 原料粉及改性前后SDF的热分解行为Figure 6. Thermal decomposition behavior of raw material powder and SDF before and after modification2.5 功能性质测定结果
由表4可知，改性后SDF的功能性质都比改性前的功能性质高。改性后SDF的WHC和SWC分别较改性前显著提高了77.59%（P<0.05）和97.54%（P<0.05）。改性后较高的WHC和SWC的可能原因有两个：一是在高温蒸煮和超声酶解的作用下，纤维素酶随着水分的流动渗透进纤维结构中，使得纤维素微观结构变得更加疏松，增加了亲水物质和SDF的结合的表面积[34]；二是由于物理和酶处理破坏多糖链中的糖苷键，暴露更多的羟基、羧基等亲水官能团，提供更多的接触位点[35]；而菠萝蜜籽原料粉的内部结构排列紧密，水分难以进入结构内部，因此其保水能力和膨胀能力都较低。OHC可以反映SDF延缓脂肪的消化和吸收，促进其排泄的能力，改性后OHC较未改性显著提高了47.03%（P<0.05），主要是由于改性后SDF的疏松和多孔的结构[14]。改性后NIAC较未改性显著提高了281.45%（P<0.05），这可能是因为多孔结构增加了吸附位点和比表面积，使亚硝酸盐离子与SDF内的酚酸和官能团充分接触和反应，导致NIAC的增加[14]。GAC可用来评估SDF在胃肠道吸附葡萄糖的能力，高GAC的SDF可有效降低餐后血糖水平，延缓消化道葡萄糖吸收，改性后GAC较未改性显著提高了59.80%（P<0.05），可能是由于其疏松多孔的结构为葡萄糖提供更多的接触位点，促进葡萄糖的吸收[36]。改性后SDF的CLAC相比未改性SDF显著提高了97.63%（P<0.05），可能是比表面积增大，使更多的极性集团暴露，更易与胆酸钠结合[37]。改性后SDF的CAC较未改性显著提高了22.21%（P<0.05），可能是由于改性后SDF的WHC和SWC较高，微晶束较少，在水膨胀后，它们变成凝胶状，能够结合食物中的胆固醇，从而减少其吸收。此外，在非晶态状态下，暴露的活性基团可以直接螯合胆固醇分子[38]。Wang等[39]发现松散、多孔、高OHC的SDF通常具有更好的CAC，这与本研究的结果一致。
表 4 改性前后SDF和原料粉的理化功能性质Table 4. Physical and chemical functional properties of SDF and raw material powder before and after modification样品 WHC（g/g） SWC（mL/g） OHC（g/g） NIAC（μg/g） GAC（mmol/g） CLAC（mg/g） CAC（mg/g） 改性后SDF 1.03±0.01a 4.01±0.01a 3.22±0.02a 3310.35±60.96b 4.73±0.03a 40.79±0.75a 11.94±0.29a 未改性SDF 0.58±0.01b 2.03±0.06b 2.19±0.01b 867.83±60.82c 2.96±0.02b 20.64±0.54b 9.77±0.11b 原料粉 0.35±0.01c 1.60±0.04c 1.95±0.02c 6212.65±60.73a 1.20±0.02b 7.91±1.39c 5.29±0.11c 注：同列不同字母表示数据差异显著（P<0.05）。 3. 结论
高温蒸煮结合超声波酶法改性菠萝蜜籽膳食纤维的最佳条件为料液比1:21 g/mL、蒸煮温度121 ℃，蒸煮时间43 min、纤维素酶添加量8%、超声波酶解时间52 min、超声波酶解功率360 W、超声酶解温度40 ℃，在此条件下菠萝蜜籽SDF得率为（24.39%±0.03%）。结构测定表明改性后SDF表面结构较松散、存在多孔性，热稳定性较高，残留率为40.26%。功能性质测定表明改性后的SDF的功能性质优于未改性的SDF。为推进菠萝蜜籽可溶性膳食纤维改性工艺提供一定的理论与数据支持，为菠萝蜜籽资源开发提供参考，可为今后开发菠萝蜜籽可溶性膳食纤维功能性食品提供理论基础。
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图 1 不同因素对菠萝蜜籽SDF得率的影响
注：a：料液比（P<0.05）；b：蒸煮时间（P<0.05）；c：纤维素酶添加量（P>0.05）；d：超声酶解时间（P<0.05）；e：超声酶解温度（P<0.05）；f：超声酶解功率（P<0.05）；不同小写字母表示组内差异显著（P<0.05）。
Figure 1. Effect of different factors on SDF yield of jackfruit seeds
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图 2 两因素交互作用对SDF得率影响的响应面3D图
Figure 2. Response surface 3D diagram of the effect of two factors interaction on SDF yield
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图 3 改性前后DF傅里叶变换红外光谱图
Figure 3. DF Fourier transform infrared before and after modification
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图 4 原料粉及改性前后SDF的扫描电镜图
注：A、B、C分别代表菠萝蜜籽原料粉放大500、1000、2000倍；D、E、F分别代表改性后SDF放大2000、5000、10000倍；G、H、I分别代表改性前SDF放大2000、5000、10000倍。
Figure 4. SEM of raw material powder and SDF before and after modification
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图 5 原料粉及改性前后SDF的X射线衍射谱图
Figure 5. X-ray diffraction spectrum of raw material powder and SDF before and after modification
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图 6 原料粉及改性前后SDF的热分解行为
Figure 6. Thermal decomposition behavior of raw material powder and SDF before and after modification
表 1 响应面试验因素水平
Table 1 Level of response surface test factors
水平 因素 A蒸煮时间
（min）B料液比
（g/mL）C超声酶解温度
（℃）D超声酶解时间
（min）−1 30 1:15 35 40 0 40 1:20 40 50 1 50 1:25 45 60 
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表 2 响应面分析设计及结果
Table 2 Response surface analysis design and results
实验号 A蒸煮时间
（min）B料液比
（g/mL）C超声酶解
温度（℃）D超声酶解
时间（min）SDF得率
（%）1 30 1:15 40 50 23.25±0.11 2 50 1:15 40 50 23.29±0.27 3 30 1:25 40 50 22.71±0.10 4 50 1:25 40 50 23.49±0.25 5 40 1:20 35 40 23.62±0.18 6 40 1:20 45 40 23.38±0.06 7 40 1:20 35 60 23.75±0.57 8 40 1:20 45 60 24.18±0.03 9 30 1:20 40 40 24.27±0.13 10 50 1:20 40 40 23.54±0.44 11 30 1:20 40 60 24.38±0.18 12 50 1:20 40 60 23.47±0.21 13 40 1:15 35 50 23.78±0.03 14 40 1:25 35 50 23.75±0.48 15 40 1:15 45 50 23.51±0.18 16 40 1:25 45 50 22.47±0.41 17 30 1:20 35 50 24.52±0.17 18 50 1:20 35 50 23.76±0.58 19 30 1:20 45 50 23.36±0.24 20 50 1:20 45 50 23.33±0.16 21 40 1:15 40 40 24.21±0.04 22 40 1:25 40 40 22.85±0.08 23 40 1:15 40 60 23.63±0.27 24 40 1:25 40 60 22.15±0.34 25 40 1:20 40 50 23.81±0.47 26 40 1:20 40 50 23.67±0.23 27 40 1:20 40 50 23.76±0.45 28 40 1:20 40 50 22.67±0.35 29 40 1:20 40 50 22.78±0.18
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表 3 回归模型的方差分析
Table 3 Analysis of variance of regression model
方差来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 显著性 模型项 8.89 14 0.63 30.65 <0.0001 *** A 2.67 1 2.67 128.88 <0.0001 *** B 0.27 1 0.27 13.18 0.0027 ** C 8.33×10−4 1 8.33×10−4 0.04 0.8439 D 0.21 1 0.21 9.92 0.0071 ** AB 0.027 1 0.027 1.31 0.2708 AC 0.06 1 0.06 2.9 0.1108 AD 6.40×10−3 1 6.40×10−3 0.31 0.5871 BC 2.50×10−5 1 2.50×10−5 1.21×10−3 0.9728 BD 0.027 1 0.027 1.31 0.2708 CD 0.012 1 0.012 0.58 0.4574 A2 4.86 1 4.86 234.39 <0.0001 *** B2 0.91 1 0.91 43.78 <0.0001 *** C2 0.55 1 0.55 26.36 0.0002 *** D2 1.29 1 1.29 62.4 <0.0001 *** 残差 0.29 14 0.021 失拟项 0.21 10 0.021 1.1 0.5063 误差项 0.077 4 0.019 总和 9.18 28 注：*表示P<0.05，影响显著；**表示P<0.01，影响高度显著；***表示P<0.001，影响极其显著。
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表 4 改性前后SDF和原料粉的理化功能性质
Table 4 Physical and chemical functional properties of SDF and raw material powder before and after modification
样品 WHC（g/g） SWC（mL/g） OHC（g/g） NIAC（μg/g） GAC（mmol/g） CLAC（mg/g） CAC（mg/g） 改性后SDF 1.03±0.01a 4.01±0.01a 3.22±0.02a 3310.35±60.96b 4.73±0.03a 40.79±0.75a 11.94±0.29a 未改性SDF 0.58±0.01b 2.03±0.06b 2.19±0.01b 867.83±60.82c 2.96±0.02b 20.64±0.54b 9.77±0.11b 原料粉 0.35±0.01c 1.60±0.04c 1.95±0.02c 6212.65±60.73a 1.20±0.02b 7.91±1.39c 5.29±0.11c 注：同列不同字母表示数据差异显著（P<0.05）。
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