Effects of Modification on the Structure and Functional Properties of Dietary Fiber in Burdock Root
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摘要: 本研究旨在通过超声联合过氧化氢改性处理牛蒡根膳食纤维，期望实现其水合特性及功能特性的双向提升。以牛蒡根膳食纤维为研究对象，分别采用超声、碱性过氧化氢、超声-碱性过氧化氢、碱性过氧化氢-超声的方式对其进行改性处理，探究不同改性方法对牛蒡根膳食纤维结构和功能特性的影响。结果表明，通过功率200 W、时间10 min的超声条件与pH11、5%体积分数的过氧化氢处理牛蒡根膳食纤维的膨胀力和持水力均显著（P<0.05）提高，其中碱性过氧化氢-超声处理后效果最佳；粒径分布、扫描电子显微镜分析结果表明，经过碱性过氧化氢-超声处理后的膳食纤维粒径最小，表面结构疏松多孔；X射线衍射、傅里叶变换红外光谱分析表明，碱性过氧化氢-超声的膳食纤维相对结晶度最低，部分纤维素组分重新分布，向可溶性膳食纤维转化；热重分析表明，碱性过氧化氢-超声处理的膳食纤维热稳定性得到改善；体外抗氧化、α-淀粉酶与α-葡萄糖苷酶抑制实验表明，改性前后的膳食纤维均具有较强的抗氧化能力和糖消化酶抑制能力，其中碱性过氧化氢-超声处理的膳食纤维对DPPH、ABTS+自由基清除能力最强，半数抑制浓度（Median Inhibition Concentration，IC50）分别为1.07和0.89 mg/mL；对α-淀粉酶与α-葡萄糖苷酶的抑制作用最佳，其IC50分别为2.00和1.32 mg/mL。综上所述，碱性过氧化氢-超声改性是提升牛蒡根膳食纤维水合特性及功能特性的优良方法，可为牛蒡根膳食纤维理化特性的精准利用及功能食品研发提供理论依据。Abstract: To improve the hydration and functional properties of dietary fiber from burdock root by ultrasonic treatment combined with hydrogen peroxide modification. The dietary fiber from burdock root was modified by ultrasonic, alkaline hydrogen peroxide, ultrasound-alkaline hydrogen peroxide and alkaline hydrogen peroxide-ultrasonic methods, which was aim to explore the effects of different methods of modification on the structure and functional properties. The results showed that the expansibility and water-holding capacity of dietary fiber from burdock root were significantly (P<0.05) improved by ultrasonic condition associated with 200 W, 10 min and 5% v/v of hydrogen peroxide with pH value of 11. Among them, the alkaline hydrogen peroxide-ultrasonic treatment had the best effect. The particle size data and scanning electron microscope showed that the particle size of dietary fiber was the smallest, and the surface structure was loose and porous after alkaline hydrogen peroxide-ultrasonic treatment. X-ray diffraction and fourier transform infrared spectroscopy showed that dietary fiber modified with alkaline hydrogen peroxidation-ultrasonic treatment had the lowest relative crystallinity, and components of cellulose were redistributed and converted to soluble dietary fiber. Thermogravimetric analysis showed that the thermal stability of dietary fiber treated with alkaline hydrogen peroxide and ultrasound was improved. In vitro antioxidant, α-amylase and α-glucosidase inhibition experiments showed that dietary fiber had strong antioxidant and glucose-digesting enzyme inhibition ability before and after modification, and dietary fiber with the alkaline hydrogen peroxidation-ultrasonic treatment had the strongest cationic free radical scavenging ability on DPPH and ABTS+. The half maximal inhibitory concentration of which were 1.07 and 0.89 mg/mL, respectively. The inhibition of α-amylase and α-glucosidase was the best by it, and the half maximal inhibitory concentration was 2.00 and 1.32 mg/mL, respectively. In summary, alkaline hydrogen peroxide-ultrasonic treatment was an excellent method to improve the hydration and functional properties of burdock root dietary fiber, which would provide a theoretical basis for the precise utilization of physicochemical properties of dietary fiber from burdock root and the research of functional foods.
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Keywords:
- ultrasound /
- alkaline hydrogen peroxide /
- burdock root /
- dietary fiber /
- functional characteristics /
- structure
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牛蒡（Arctium lappa L.）又名恶实、东洋萝卜等，是菊科二年生草本植物，主要在中国江苏、山东两地大量种植[1]。牛蒡根是牛蒡的肉质直根，食用、药用价值较高，具有润肠通便、降血糖、抑制肥胖等作用[2−3]，近年来作为优良的功能食品资源被不断开发，是一种良好的膳食纤维来源。
膳食纤维（Dietary fiber，DF）具有改善便秘、抗氧化、调控糖脂代谢、改善肠道菌群等作用，并且不产生热量，是天然的功能性配料[4−5]。为了进一步提升膳食纤维的功能品质、促进其在食品工业中的应用，魏春红等[6]采用了多种方法对其进行改性。其中，过氧化氢[7−8]具有高效、环保等特点，可以加速多糖降解，促进半纤维素的溶出；冯子倩等[9]通过碱性过氧化氢处理改性，提高了黑豆皮中可溶性膳食纤维（Soluble Dietary Fiber，SDF）的含量，在最佳改性条件处理下的黑豆皮SDF提取率可由原样品的7.8%提高至16.9%。超声技术具有改性效果优良、环境友好、能耗较低等优点[10−11]。二者联用较单一改性处理效果更优良且操作简单。如李昊等[12]利用超声辅助碱性过氧化氢进行改性，获得了耗时短、纤维素纯度高的琯溪蜜柚幼果纤维素的提取工艺。
膳食纤维的生物活性与其自身物理性质有关，如膳食纤维主要利用其膨胀力和持水力来发挥干预便秘的作用，并且这些物理性质的改变同样可以影响其他功能特性，如抗氧化与α-葡萄糖苷酶抑制活性。然而，目前关于牛蒡根膳食纤维的研究主要集中在提取、制备方面，针对牛蒡根膳食纤维功能特性的改性鲜有研究。为了提高牛蒡根膳食纤维的功能特性，本文利用超声、碱性过氧化氢、超声-碱性过氧化氢、碱性过氧化氢-超声4种处理方式对其进行改性处理，探究4种改性处理方法对膳食纤维结构、膨胀力、持水力、抗氧化活性和α-葡萄糖苷酶抑制活性等功能特性的影响，为实现膳食纤维的绿色改性、功能精准利用以及江苏特色牛蒡资源的高值化利用，提供一定理论依据和技术支撑。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
新鲜牛蒡根 购自中国江苏省徐州市丰县；α-淀粉酶（380 U/mg）、糖化酶（120 U/mg）、木瓜蛋白酶（≥10 U/mg protein）、猪胰腺低温α-淀粉酶（≥5 U/mg solid）、酿酒酵母α-葡萄糖苷酶（≥10 U/mg protein） Sigma公司；无水乙醇 分析纯，南京化学试剂股份有限公司；氢氧化钠、过氧化氢、可溶性淀粉、对硝基苯酚-α-D-葡萄糖苷 分析纯，中国上海国药集团化学试剂有限公司。
JY92-IIN超声波细胞破碎仪 宁波新芝生物公司；DK-S28电热恒温水浴锅 上海精宏实验设备有限公司；Ultima IV X射线衍射 德国Bruker 公司；TG/DTA7200热重分析仪、EVO-LS10扫描电子显微镜（SEM） 北京欧波同光学技术有限公司；Nicolet iS50傅里叶变换红外光谱仪 赛默飞世尔科技（中国）公司。
1.2 实验方法
1.2.1 改性牛蒡根膳食纤维的制备
1.2.1.1 牛蒡根DF的制备
挑选新鲜的牛蒡根洗净后切碎，真空冷冻干燥后进行超微粉碎，过600目筛得到牛蒡根细粉。将牛蒡根细粉和80%乙醇（v/v）以质量比1:5的比例混合均匀，持续搅拌后在5000×g的条件下离心10 min，去除上清后再与无水乙醇以质量比1:5的比例混合，持续搅拌后再次离心，去除上清液后进行真空冷冻干燥，超微粉碎后得到脱脂后的牛蒡根粉。
将脱脂后的牛蒡根粉与水以质量比1:20的比例混合均匀，将其pH调至6.0，加入0.6%（w/w，脱脂牛蒡根干粉质量）低温α-淀粉酶，在60 ℃的温度下水浴振荡40 min；调节pH至4.5，加入1%（w/w，脱脂牛蒡根干粉质量）糖化酶，在60 ℃条件下水浴振荡40 min，然后100 ℃水浴5 min灭酶；调节pH至6.0，加入4.0%（w/w，脱脂牛蒡根干粉质量）木瓜蛋白酶；50 ℃水浴振荡60 min，之后100 ℃水浴5 min灭酶。整体水解液中加入4倍体积的无水乙醇，4 ℃醇沉过夜后，5000×g离心10 min，收集沉淀。向沉淀中加入水匀浆，重复醇沉操作，收集沉淀后用乙醇清洗，重复清洗两次，离心收集沉淀，真空冷冻干燥后过60目筛，得到牛蒡根DF粉。
1.2.1.2 碱性过氧化氢处理
取10.00 g DF粉与5%的过氧化氢溶液以1:20的比例混合，用NaOH溶液将其pH调至11，60 ℃水浴60 min，冷却后将其调至中性，加4倍体积无水乙醇，在4 ℃下静置4 h后收集沉淀，在40 ℃烘箱中干燥得到碱性过氧化氢处理的膳食纤维（Alkaline hydrogen peroxide-DF，A-DF）。
1.2.1.3 超声处理
取10.00 g DF粉与纯水以1:20的比例混合均匀，将悬浊液放入超声破碎仪中在200 W条件下超声50 min，加4倍体积无水乙醇，在4 ℃下静置4 h后收集沉淀，置于40 ℃烘箱中干燥得到超声处理的膳食纤维（Ultrasonication-DF，U-DF）。
1.2.1.4 超声-碱性过氧化氢处理
将U-DF进行碱性过氧化氢处理，处理方式同1.2.1.2中指定步骤，得到超声-碱性过氧化氢处理的膳食纤维（Ultrasonication-Alkaline hydrogen peroxide-DF，UA-DF）。
1.2.1.5 碱性过氧化氢-超声处理
将A-DF进行超声处理，处理方式同1.2.1.3中指定步骤，得到碱性过氧化氢-超声处理的膳食纤维（Alkaline hydrogen peroxide-Ultrasonication-DF，AU-DF）。
1.2.2 粒径分布
参考Ma等[13]的方法并稍作修改，使用粒度分析仪测定各样品的粒径分布情况。取少量样品悬浮在蒸馏水中使其为质量分数0.1%的溶液，将膳食纤维、水的折射率分别设置为1.470和1.330。D10、D50、D90分别表示样品累积粒度分布分别达到10%、50%和90%时对应的粒径大小。
1.2.3 扫描电子显微镜分析
依据易甜等[14]的方法并稍做修改，对样品进行镀金处理，在10.00 kV的加速电压下，使用扫描电子显微镜，观察改性前后共五个样品的表面和微观结构。
1.2.4 傅里叶红外光谱分析
依据Xu等[15]的方法并稍加修改。将10 mg的干燥的各膳食纤维样品与溴化钾混合制片，使用傅里叶红外光谱仪进行检测各样品的分子结构的变化，在4000~500 cm−1的范围内进行扫描，分辨率为4 cm−1。
1.2.5 X射线衍射分析
依据Zhang等[16]的方法并稍加修改。使用X射线衍射仪在衍射角10°~60°范围内对各样品的晶体结构进行测量，扫描速度为4°/ min，结晶度使用Jade6.0软件进行拟合和计算。
1.2.6 热重分析
使用热重分析仪来测定各膳食纤维样品的热稳定性，实验条件为：氮气流量50 cm3/min，加热范围30~600 ℃，线性加热速率为10 ℃/min。
1.2.7 牛蒡根膳食纤维功能特性的测定
1.2.7.1 膨胀力
依据Huang等[17]的方法并稍作修改，取0.3 g（mol/g）膳食纤维样品于10 mL带刻度的试管中，加入8 mL蒸馏水后充分混匀，在室温下静置24 h，分别记录干燥样品（V1，mL）和吸水膨胀后的样品体积（V2，mL），按如下公式计算其膨胀力：
膨胀力(mL/g)=V2−V1M (1) 1.2.7.2 持水力
依据Huang等[17]方法并稍作修改，取0.5 g（M0）样品放入干燥的50 mL离心管中并记录总质量（M1，g），加入20 mL纯水，在室温下振荡12 h，之后以1000 r/min离心20 min并去除上清液，用滤纸擦干离心管壁残留的水分，并记录样品和离心管总质量（M2，g），按如下公式计算其持水力：
持水力(g/g)=M2−M1M0 (2) 1.2.7.3 DPPH自由基清除能力
按照前人的方法并稍作修改[18]，测定改性前后DF的DPPH自由基清除能力。用纯水将各样品分别配制成0.1、0.2、0.4、1、2、4、6 mg/mL的一系列浓度梯度的溶液。配制1×10−4 mol/L DPPH-乙醇溶液，取4.0 mL该溶液与1.0 mL样品溶液置于试管中充分混合，室温黑暗反应30 min，测定517 nm处的吸光度值。用VC进行同样处理作为阳性对照。清除能力计算如下：
DPPH自由基清除率(%)=(1−A1−A2A0)×100 (3) 式中：A1为各样品组溶液的吸光值；A2为以乙醇代替DPPH-乙醇溶液测定的吸光值；A0为以超纯水代替样品溶液测定的吸光值。
1.2.7.4 ABTS+自由基清除能力
依照Liu等[19]的研究并稍作修改，测定改性前后DF的ABTS+自由基清除能力。用纯水将各样品分别配制成0.1、0.2、0.4、1、2、4、6 mg/mL的一系列浓度梯度溶液。配制ABTS的储备液：将2,2'-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)，ABTS）（7 mmol/L）与过硫酸钾（2.45 mmol/L）避光混合后反应16 h（室温）。使用前将储备液稀释，使其在734 nm处吸光度值为0.70作为工作液。取3.0 mL的ABTS工作液和1.0 mL的样品溶液混合反应，测量其在734 nm处的吸光度值。用VC进行同样处理作为阳性对照。清除能力计算如下：
ABTS+自由基清除率(%)=(1−A1−A2A0)×100 (4) 式中：A1为样品组的吸光值；A2为以乙醇代替ABTS工作液测定的吸光值；A0为以超纯水代替样品液测定的吸光值。
1.2.8 抑制糖消化酶活性试验
1.2.8.1 α-淀粉酶抑制率
依照汪磊[20]的研究并稍作修改，使用磷酸盐缓冲液（0.02 mol/L）配制样品溶液。取500 μL的样品溶液与等体积的α-淀粉酶溶液（1.0 U/mL）均匀混合，37 ℃水浴10 min后加入500 μL 1%的可溶淀粉溶液启动反应，在37℃下水浴10 min，随后加入1 mL的3,5-二硝基水杨酸颜色指示剂终止反应，沸水浴5 min后加入纯水稀释至10 mL，在540 nm处测定其吸光度。用阿卡波糖进行相同处理作为阳性对照。
α-淀粉酶抑制率(%)=(1−A1−A2A0)×100 (5) 式中：A1是样品溶液、酶和淀粉混合液的吸光度值；A2是缓冲溶液代替酶溶液的吸光度值；A0是缓冲溶液代替样品溶液的吸光度值。
1.2.8.2 α-葡萄糖苷酶抑制率
依照汪磊[20]的研究并稍作修改，使用磷酸盐缓冲液（0.1 mol/L）配制样品溶液。取100 μL 的样品溶液与等体积的α-葡萄糖苷酶溶液（0.5 U/mL）均匀混合，37 ℃水浴10 min后加入100 μL PNPG（5 mmol/L）溶液启动反应，在37 ℃下水浴10 min，随后加入1 mL的Na2CO3溶液（1 mol/L）终止反应，在405 nm处测定其吸光度。用阿卡波糖进行相同处理作为阳性对照。
α-葡萄糖苷酶抑制率(%)=(1−A1−A2A0)×100 (6) 式中：A1是样品溶液、酶和淀粉混合液的吸光度值；A2是缓冲溶液代替酶溶液的吸光度值；A0是缓冲溶液代替样品溶液的吸光度值。
1.3 数据处理
所有试验均重复3次，采用Excel 2007、SPSS （22.0）和Origin 2023软件进行数据处理与分析，结果用（平均值±标准偏差）表示，P<0.05表示差异显著。
2. 结果与分析
2.1 改性膳食纤维的粒径分析结果
测定改性前后DF样品的粒径分布结果如表1所示，UA-DF与AU-DF的中位径结果分别为17.41±0.01、16.79±0.61 μm，无显著性差异，但是碱性过氧化氢结合超声处理后获得牛蒡根膳食纤维中位径显著（P<0.05）高于未改性膳食纤维以及单一改性的膳食纤维。然而，UA-DF与AU-DF的比表面积分别为206.93±2.64、229.05±0.95 m2∙kg−1，AU-DF处理组的比表面积显著（P<0.05）高于UA-DF组以及其他单一改性组。以上结果表明，超声的空化、振荡的作用使得部分大粒径的牛蒡膳食纤维被破坏，质地变得松散，粒径减小，而过氧化氢的化学作用能够破坏纤维素结构，粒径减小，导致不溶性膳食纤维项可溶性膳食纤维的转化[21]。与此同时，充分暴漏的亲水基团将有利于增强其水合性质，进而改善了其持水力、持油力以及膨胀力。其中AU-DF的粒径最小，表明先AHP处理，再超声处理可以制得粒径小、比表面积更大的牛蒡根DF。
表 1 改性前后膳食纤维的粒径分析比较Table 1. Comparison of particle size analysis of dietary fiber before and after modification样品 D10（μm） D50（μm） D90（μm） D[3，2]（μm） D[4，3]（μm） 比表面积（m2∙kg−1） DF 6.99±0.52a 31.31±1.11a 135.45±1.55a 53.16±1.38a 15.66±0.36a 135.47±1.5e U-DF 4.81±0.01c 19.17±1.33c 65.81±1.52b 28.24±1.94b 12.82±0.41b 200.11±0.99c A-DF 5.73±0.54b 21.03±0.8b 68.21±0.78b 29.88±0.57b 12.16±0.67b 186.73±2.27d UA-DF 4.73±0.59c 17.41±0.01d 56.77±0.81c 25.15±0.3c 10.04±0.03c 206.93±2.64b AU-DF 4.44±0.11c 16.79±0.61d 54.48±2.12c 24.27±0.77c 9.6±0.15c 229.05±0.95a 注：同列标有不同字母表示组间有显著性差异（P<0.05）。 2.2 改性前后膳食纤维的扫描电子显微镜分析
各样品的扫描电镜图片如图1所示，未改性的牛蒡膳食纤维表面致密，附着的粗颗粒可能是残余蛋白；经过超声改性后的膳食纤维表面疏松多孔，可能是由于在超声改性的过程中，膳食纤维中的氢键被破坏，活性基团暴露，聚合度变小，使得结构更加松散。在碱性过氧化氢处理过程中，结构收缩，微观结构被破坏。膳食纤维的疏松的表面会带来更大的比表面积，这些为改性后牛蒡根膳食纤维持水力、膨胀力的增加提供了依据[22]。
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图 1 改性前后膳食纤维的扫描电子显微镜图（10 μm）注：图（A）~（E）分别为DF、U-DF、A-DF、UA-DF、AU-DF。Figure 1. Scanning electron microscope (SEM) images of dietary fiber before and after modification (10 μm)2.3 改性前后膳食纤维的傅里叶红外光谱分析
改性前后各组样品在500~4000 cm−1处的FTIR光谱如图2所示。在3000~3600 cm−1范围内出现纤维素和半纤维素的O-H伸缩振动峰，表明存在分子间的氢键作用力[23]；在2935 cm−1附近有较弱的吸收峰，是糖类亚甲基上的C-H基团伸缩振动[24]；在1630 cm−1处出现木质素中芳香苯基团产生的吸收峰，1430 cm−1左右出现吸收峰可能与O-H、C-H弯曲有关；在1200~1300 cm−1处出现糖醛酸的C=O特征吸收峰，在1040 cm−1处出现一个较强的吸收峰，主要由纤维素和半纤维素中C-O-C伸缩振动引起[25]。各样品大致具有相似的光谱特征，然而改性处理组的吸收峰强度相较于改性前均具有明显的变化，这可能与超声空化作用以及碱性过氧化氢的破坏处理造成的膳食纤维结构易化有关，这将使得处理组比表面积增加的同时，关键基团充分暴漏影响波普振动。这些结果表明本文使用的改性方法可能会破坏-OH、-C-H、-C-C-等基团相关的分子内键。
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图 2 改性前后膳食纤维的傅里叶红外光谱分析Figure 2. Fourier infrared spectrum analysis of dietary fiber before and after modification2.4 改性前后膳食纤维的X射线衍射分析
改性前后各样品的X射线衍射图如图3所示，各样品在12°，21.5°处有强烈的结晶衍射峰，对应纤维素晶体。目前研究发现纤维素有5种晶型结构，分别为纤维素I、II、III、IV、X，12°出现的衍射峰为纤维素II晶体对应的特征峰。纤维素中无定型区域由非结晶纤维素、半纤维素和木质素组成。这些结果表明试验样品是含有一些非晶态的结晶材料。经Jade6.0软件拟合，未改性DF、U-DF、A-DF、AU-DF、UA-DF的结晶度分别为22%、36%、33%、28%、26%，结晶度的增加是由于改性处理破坏了膳食纤维中无定型纤维素，使得木质素含量降低，从而影响了膳食纤维的膨胀性、持水性等理化性质。
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图 3 改性前后膳食纤维的X射线衍射分析Figure 3. X-ray diffraction fraction of dietary fiber before and after modification2.5 改性前后膳食纤维的热重分析
改性前后各样品的热重分析情况如图4所示。各样品的曲线变化趋势大致相似，主要分为三个阶段[26]。第一阶段（30~210 ℃）样品质量减轻，主要是由于自由水和束缚水以及一些挥发性物质的蒸发；第二阶段（210~300 ℃）由于多糖的降解和分解，样品质量以最高的速度下降，但各样品下降速度不一样；最后阶段（300~600 ℃）以中等速率发生（低于第二阶段，但高于第一阶段）质量减轻，可能是由于形成的焦炭的热分解。由图4知，在三个阶段过后，DF、U-DF、A-DF，UA-DF，AU-DF的残余质量百分比分别为27.1985%、22.3231%、30.3924%、32.178%、32.2155%，整体来看AU-DF、UA-DF的热稳定性最高，其次是A-DF，DF，U-DF。这可能与膳食纤维的轻微聚集有关，也与样品成分、结构等性质有关。
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图 4 改性前后膳食纤维的热重分析Figure 4. Thermogravimetric analysis of dietary fiber before and after modification2.6 改性前后膳食纤维的理化性质分析
2.6.1 膨胀力
膨胀力在一定程度上代表了膳食纤维的水合能力，如图5为改性前后各样品的膨胀力情况，DF、U-DF、A-DF，UA-DF，AU-DF的膨胀力分别为7.67±0.33、13.67±0.33、13.11±0.38、14.56±0.19、19.44±0.19 mL/g。其中UA-DF的膨胀力最高，几乎是未改性DF的2.5倍。其余改性方式也均显著高于未改性膳食纤维的膨胀力。这是由于这些改性方式可以破坏膳食纤维的结构，使得其粒径变小，表面积增大，亲水基团暴露，促进了其吸水和溶胀[27]。
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图 5 改性前后膳食纤维的膨胀力比较注：不同字母表示数据之间的差异显著，P<0.05；图6同。Figure 5. Comparison of dietary fiber expansibility before and after modification2.6.2 持水力
持水力是膳食纤维的另一个水合性质[19]。图6所示，改性前DF持水力为3.94±0.12 g/g，经过改性后持水力有不同程度的提高，U-DF、A-DF，UA-DF，AU-DF分别是DF持水力的1.40、1.35、1.72、1.61倍。而两者联合比单一处理能获得更好的持水力，其中UA-DF值最高，为6.78±0.08 g/g。这是由于膳食纤维经过碱性过氧化氢和超声改性后结构更加松散，孔隙增多引起的[28]。
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图 6 改性前后膳食纤维的持水力比较Figure 6. Comparison of dietary fiber water-holding capacity before and after modification2.7 改性前后膳食纤维的体外抗氧化能力分析
2.7.1 DPPH自由基清除能力
改性前后各样品对DPPH自由基的清除能力实验结果如图7所示。在测定的范围内，各膳食纤维样品对DPPH自由基的清除率与使用剂量有关，当样品质量浓度从0.1 mg/mL增加到6 mg/mL时，样品的DPPH自由基清除能力逐渐增强，DF、U-DF、A-DF，UA-DF，AU-DF的半数抑制浓度（half maximal inhibitory concentration，IC50）值分别为3.11、2.66、2.60、2.13、1.07 mg/mL。这些表明改性前后各膳食纤维样品均具有一定DPPH自由基清除能力，且AU-DF清除能力最强。DF中羟基、羧基等基团可使自由基猝灭、未配对的电子离域，使得自由基被清除。超声与碱性过氧化氢处理可以显著增加比表面积，影响膳食纤维内部结构，造成羟基、羧基等基团的充分暴漏。同时DF的粒径差异也可能导致了自由基清除活性的差异[29]。
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图 7 改性前后膳食纤维的DPPH自由基清除能力Figure 7. DPPH free radical scavenging ability of dietary fiber before and after modification2.7.2 ABTS+自由基清除能力
改性前后各样品对ABTS+自由基的清除能力实验结果如图8所示。在测定的范围内，各膳食纤维样品对ABTS+自由基的清除率与使用剂量有关，当样品质量浓度从0.1 mg/mL增加到6 mg/mL时，样品的ABTS+自由基清除能力逐渐增强。DF、U-DF、A-DF，UA-DF，AU-DF的IC50值分别为1.23、0.95、1.01、0.95、0.89 mg/mL。在4 mg/mL下，各样品的ABTS+自由基清除率均在95%以上，与VC清除能力相近。由半数抑制浓度结果可知，各改性处理组对ABTS+·的清除能力均高于未改性的膳食纤维，且AU-DF组对ABTS+·的清除能力最强。超声与碱性过氧化氢处理导致膳食纤维内部结构松散，膳食纤维表面孔状结构增多，比表面积增加且氢键充分暴漏，这将有助于膳食纤维捕获自由基。
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图 8 改性前后膳食纤维的ABTS+自由基清除能力Figure 8. ABTS+ radical cation scavenging activity of dietary fiber before and after modification2.8 改性前后膳食纤维的抑制糖消化酶活性分析
2.8.1 α-淀粉酶抑制率
α-淀粉酶是人体内消化淀粉的关键酶之一，它可以特异催化水解α-（1,4）-糖苷键，使淀粉水解成麦芽糖等寡糖[30]。由图9可知，随着膳食纤维样品的浓度升高，其对α-淀粉酶的抑制作用逐渐增强。DF、U-DF、A-DF，UA-DF，AU-DF的IC50值分别为5.61、4.41、4.80、2.57、2.00 mg/mL。与阳性对照组阿卡波糖相比，各样品对于α-淀粉酶的抑制作用较弱。由半数抑制浓度结果可知，各改性处理组对α-淀粉酶的抑制能力均高于未改性的膳食纤维，且AU-DF组的抑制能力最强。超声与碱性过氧化氢处理导致膳食纤维表面孔状结构增多，比表面积增加，靶标基团充分暴漏将有效增加膳食纤维与糖苷酶的结合位点，进而有效抑制α-淀粉酶与膳食纤维的结合。
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图 9 改性前后膳食纤维的α-淀粉酶抑制率Figure 9. α-Amylase inhibition rate of dietary fiber before and after modification2.8.2 α-葡萄糖苷酶抑制率
α-葡萄糖苷酶是人体内消化淀粉的另一个关键酶，它能催化α-（1,4）-糖苷键，使寡糖水解生成葡萄糖特异催化水解α-（1,4）-糖苷键，使淀粉水解成麦芽糖等寡糖[31]。由图10可知，DF、U-DF、A-DF、UA-DF、AU-DF的IC50值分别为2.84、2.20、2.48、1.42、1.32 mg/mL。随着膳食纤维样品的浓度升高，其对α-葡萄糖苷酶的抑制作用逐渐增强，且强于阳性对照组阿卡波糖。由IC50可知，各改性处理组对α-葡萄糖苷酶的抑制能力均高于未改性的膳食纤维，且AU-DF组的抑制能力最强。超声与碱性过氧化氢处理能够促使膳食纤维比表面积增加，靶基团充分暴漏的膳食纤维对α-糖苷酶的捕获能力显著增加，进而有效抑制α-葡萄糖苷酶与膳食纤维的结合。
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图 10 改性前后膳食纤维的α-葡萄糖苷酶抑制率Figure 10. α-Glucosidase inhibition rate of dietary fiber before and after modification3. 结论
本文利用超声与碱性过氧化氢的改性方法对牛蒡根膳食纤维进行改性，改性后的膳食纤维膨胀力、持水力均显著提高（P<0.05），其中碱性过氧化氢-超声处理对膳食纤维水合特性改善最强。结构表征可知膳食纤维粒径变小，表面结构疏松多孔，部分纤维素组分重新分布，向可溶性膳食纤维转化，且热稳定性得到改善。除此之外，通过体外抗氧化及糖消化酶抑制实验，发现改性后膳食纤维抗氧化能力及对α-淀粉酶与α-葡萄糖苷酶有抑制作用增强。其中AU-DF对DPPH自由基和ABTS+自由基表现出较好的体外抗氧化性，其IC50分别为1.07和0.89 mg/mL；对α-淀粉酶与α-葡萄糖苷酶的抑制作用同样最佳，其IC50分别为2.00和1.32 mg/mL。综上所述，通过对4种改性处理后DF的结构特性和功能特性分析和对比，改性后的DF理化性质和功能特性均得到提高，且使用碱性过氧化氢-超声处理制得的改性DF膨胀力、抗氧化能力最佳，持水力、持油力也较为优良。本研究结果可为改善牛蒡根膳食纤维的结构、功能特性提供方法，并为其精准应用于功能食品加工中奠定理论基础。
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图 1 改性前后膳食纤维的扫描电子显微镜图（10 μm）
注：图（A）~（E）分别为DF、U-DF、A-DF、UA-DF、AU-DF。
Figure 1. Scanning electron microscope (SEM) images of dietary fiber before and after modification (10 μm)
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图 2 改性前后膳食纤维的傅里叶红外光谱分析
Figure 2. Fourier infrared spectrum analysis of dietary fiber before and after modification
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图 3 改性前后膳食纤维的X射线衍射分析
Figure 3. X-ray diffraction fraction of dietary fiber before and after modification
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图 4 改性前后膳食纤维的热重分析
Figure 4. Thermogravimetric analysis of dietary fiber before and after modification
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图 5 改性前后膳食纤维的膨胀力比较
注：不同字母表示数据之间的差异显著，P<0.05；图6同。
Figure 5. Comparison of dietary fiber expansibility before and after modification
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图 6 改性前后膳食纤维的持水力比较
Figure 6. Comparison of dietary fiber water-holding capacity before and after modification
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图 7 改性前后膳食纤维的DPPH自由基清除能力
Figure 7. DPPH free radical scavenging ability of dietary fiber before and after modification
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图 8 改性前后膳食纤维的ABTS+自由基清除能力
Figure 8. ABTS+ radical cation scavenging activity of dietary fiber before and after modification
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图 9 改性前后膳食纤维的α-淀粉酶抑制率
Figure 9. α-Amylase inhibition rate of dietary fiber before and after modification
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图 10 改性前后膳食纤维的α-葡萄糖苷酶抑制率
Figure 10. α-Glucosidase inhibition rate of dietary fiber before and after modification
表 1 改性前后膳食纤维的粒径分析比较
Table 1 Comparison of particle size analysis of dietary fiber before and after modification
样品 D10（μm） D50（μm） D90（μm） D[3，2]（μm） D[4，3]（μm） 比表面积（m2∙kg−1） DF 6.99±0.52a 31.31±1.11a 135.45±1.55a 53.16±1.38a 15.66±0.36a 135.47±1.5e U-DF 4.81±0.01c 19.17±1.33c 65.81±1.52b 28.24±1.94b 12.82±0.41b 200.11±0.99c A-DF 5.73±0.54b 21.03±0.8b 68.21±0.78b 29.88±0.57b 12.16±0.67b 186.73±2.27d UA-DF 4.73±0.59c 17.41±0.01d 56.77±0.81c 25.15±0.3c 10.04±0.03c 206.93±2.64b AU-DF 4.44±0.11c 16.79±0.61d 54.48±2.12c 24.27±0.77c 9.6±0.15c 229.05±0.95a 注：同列标有不同字母表示组间有显著性差异（P<0.05）。 
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