Effect on the Structure, Physicochemical Properties and Functional Properties of Insoluble Dietary Fiber from Soybean Residue by Modification Methods
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摘要: 为探究不同改性方法对豆渣不溶性膳食纤维（Soybean Residue Insoluble Dietary Fiber，SIDF）结构、理化性质及功能特性的影响，采用高速剪切、复合酶解及二者结合的方法对SIDF进行改性处理，通过粒径、傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，FTIR）、持水力（Water Holding Capacity，WHC）、持油力（Oil Holding Capacity，OHC）、溶胀力（Swelling Capacity，SC）、阳离子交换能力等指标对SIDF的结构、理化性质及功能特性进行表征。结果表明，改性处理的SIDF粒径显著减小（P<0.05），WHC、OHC、SC显著增强（P<0.05），其中复合改性的SIDF具有最小的粒径，最优的WHC （6.74±0.11 g/g）、OHC（4.22±0.09 g/g）、SC（7.55±0.06 mL/g）。光谱分析表明改性处理后纤维素、半纤维素和木质素发生降解，结晶区发生破坏，其中复合改性处理的样品纤维素等物质降解的最多，结晶区破坏的最为明显。扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）结果表明，样品表面出现蜂窝状孔隙结构，其中复合改性的样品孔隙最为密集且最多。改性处理的不溶性膳食纤维具有优异的阳离子交换能力、亚硝酸盐吸附能力等，其中复合改性功能特性最优。综上，高速剪切结合酶解改性处理可以有效改善SIDF的理化性质和功能特性，为其综合利用提供理论依据。Abstract: To investigate the effects of different modification methods on the structure, physicochemical and functional properties of soybean residue insoluble dietary fiber (SIDF), high-speed shear, compound enzymatic digestion and the combination of the two methods were used to modify SIDF. The structural, physicochemical and functional properties of SIDF were characterized by particle size, Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, water holding capacity (WHC), oil holding capacity (OHC), swelling capacity (SC) and cation exchange capacity. Results showed that the particle size of modified SIDF was significantly reduced (P<0.05), and the WHC, OHC, and SC were significantly increased (P<0.05), in which the composite modified SIDF had the smallest particle size and the strongest WHC (6.74±0.11 g/g), OHC (4.22±0.09 g/g), and SC (7.55±0.06 mL/g). Spectral analysis showed that degradation of cellulose, hemicellulose and lignin occurred after the modification treatment and destruction of the crystalline zone, among which cellulose and other substances degraded the most in the composite modification-treated samples, and the destruction of the crystalline zone was the most obvious. Scanning electron microscopy (SEM) results showed that honeycomb pore structure appeared on the surface of the samples, with the composite-modified samples having the densest and most numerous pores. The modified SIDF had excellent cation exchange capacity, nitrite adsorption capacity, etc., of which the compound modified functional properties were optimal. In summary, high-speed shear combined with enzymatic modification treatment can effectively improve the physicochemical and functional properties of SIDF, providing a theoretical basis for its comprehensive utilization.
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豆渣是豆腐等传统豆制品加工过程中的副产物，豆渣营养丰富，含有膳食纤维、蛋白质和钙、磷、钾矿物质元素等，其中含量最高的成分是膳食纤维[1]。我国大豆食品行业每年能产出2000多万吨湿豆渣，因湿豆渣含水量高达80%以上，极易腐败变质，并且豆渣口感粗糙，使其常被当作废物或饲料处理，不仅导致了资源的极大浪费，还造成了环境污染[2−3]。不溶性膳食纤维（Insoluble Dietary Fiber, IDF）占膳食纤维的90%以上，IDF含有大量羟基、羧基等活性基团，有研究表明，摄入充足的IDF能够加强肠道的蠕动对消化道健康非常重要，能降低血脂，调节血糖和控制体重[4]。但由于IDF较大的粒径和较差的水溶性限制了其功能特性的发挥[5]，因此，需要寻找新的方法来提高IDF的功能特性并拓展其在食品领域中的应用。
现阶段IDF的改性方法主要有物理法、化学法、生物法、复合法[6]。高速剪切（High Speed Shearing, HSS）是一种物理改性方法，主要通过剪切、分散作用，使原料被压缩和折叠处理。例如，尹立晨[1]通过使用高速剪切处理豆渣发现其益生元活性得到提升。生物酶解（Composite Enzyme, CE）是一种生物改性方法，主要通过纤维素酶和木聚糖酶，酶解纤维素和木聚糖成分，导致致密的结构变得松散，使样品的持水性、持油性、亚硝酸盐吸附能力等得到提升。Tian等[7]通过使用复合酶解法处理SIDF发现其微观结构变得松散，亚硝酸盐吸附能力、胆固醇吸附能力等得到提升。然而，单一的物理、生物改性法在提升样品的理化性质和功能特性方面存在一定的局限性[8]。例如，Zhang等[9]对比超声改性、酶解结合超声改性对茶籽膳食纤维理化性质和功能特性的影响，结果表明与超声改性的样品相比，酶解结合超声改性的样品水合特性、亚硝酸盐吸附能力、葡萄糖吸附能力更强。Tian等[7]对比酶解改性、酶解结合空化微射流改性对SIDF功能特性的影响，结果表明与酶解改性相比，酶解结合空化微射流改性的样品体外益生元活性与抗消化能力更强。目前的研究表明，复合改性法可以有效结合单一改性方法的优点，更加有效地提高IDF的功能特性[8]。例如，超声结合复合酶解法对玫瑰IDF进行改性处理，改性后的样品持水、持油力和阳离子交换能力显著提高[10]；超微粉碎结合酶解法对米糠IDF进行改性处理，改性后的样品胆固醇吸附能力、牛磺酸钠吸附能力显著提高[11]；空化微射流结合酶解法对SIDF进行改性处理，改性后的样品亚硝酸盐吸附能力、葡萄糖吸附能力等显著提高[7]。选用高速剪切和生物酶解二者相结合的方法，通过高速剪切之后使得SIDF的酶切位点充分暴露，可以使样品改性更加彻底、且反应的条件较温和、所需时间更短、能耗更低[12]。
本研究以豆渣为研究对象，通过傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared spectroscopy, FTIR）、粒径、扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）、X射线衍射（X-Ray Diffraction Spectroscopy, XRD）手段比较改性前后SIDF的结构；通过持水力（Water Holding Capacity, WHC）、持油力（Oil Holding Capacity, OHC）、溶胀力（Swelling Capacity, SC）、阳离子交换能力等手段比较改性前后的理化性质和功能特性，为SIDF的综合利用提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
豆渣 山东禹王实业有限公司；一级玉米油 九三粮油工业集团有限公司；中性蛋白酶100 U/mg、纤维素酶 50 U/mg、木聚糖酶 300 U/mg、淀粉葡萄糖苷酶 1×105 U/mL、高温α-淀粉酶 4000 U/g、胆固醇、胆酸钠、邻苯二甲醛、冰乙酸、3,5-二硝基水杨酸 分析级，上海源叶生物科技有限公司；葡萄糖、亚硝酸钠 分析级，上海麦克林生化科技有限公司；对氨基苯磺酸、盐酸萘乙二胺 分析级，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。
FSH-2高速匀浆机 常州丹瑞仪器有限公司；DK-98-II电热恒温水浴锅 天津泰斯特仪器有限公司；DJC-90增力电动搅拌器 上海坤诚科学仪器有限公司；GL-21M大容量高速冷冻离心机 长沙湘仪仪器有限公司；FD-1A-50冷冻干燥机 北京博医康实验仪器有限公司；SU8010扫描电镜 日本日立公司；Nicolet is50傅里叶变换红外光谱仪 赛默飞世尔科技有限公司；SYNC激光粒度仪 美国麦奇克有限公司；SDT650热重与差热同步热分析仪 TA仪器有限公司；S/N415-1966全波长全自动多功能酶标仪 美国Omega公司。
1.2 实验方法
1.2.1 SIDF的制备
参考Tian等[7]的方法稍作修改，准确称取50.0 g粉碎后的豆渣（100目筛），以1:50比例加入蒸馏水，调节pH为6.0，加入酶活为3000 U的耐高温α-淀粉酶，水浴30 min，温度保持在95~100 ℃。调节pH为7.0，加入酶活为25000 U的中性蛋白酶，水浴30 min，温度保持在60 ℃。调节pH为4.5，加入酶活为20000 U的淀粉葡萄糖苷酶溶液，水浴30 min，温度保持在60 ℃。灭酶，将样品离心（5000 r/min，20 min）。除去上清液，保留沉淀，冷冻干燥，将其标记为SIDF。
1.2.2 SIDF的改性处理
1.2.2.1 酶解处理
参考Tian等[7]的方法稍作修改，准确称取SIDF样品20.0 g，以1:25的比例溶解于蒸馏水中，调节溶液pH为5.0，纤维素酶与木聚糖酶按照酶活1:1组成酶复合物添加到溶液中，酶复合物添加量为6%，酶解温度50 ℃，酶解时间1.5 h。灭酶，为了去除酶复合物，将沉淀溶解于85 ℃热水中，于5000 r/min下离心20 min，重复3次，除去上清，保留沉淀，冷冻干燥，将其标记为E-SIDF。
1.2.2.2 高速剪切处理
参考尹立晨[1]的方法并稍作修改，准确称取SIDF样品20.0 g，以1:50的比例溶解于蒸馏水中，使用高速剪切机以8000 r/min处理20 min。处理完成后，将溶液离心（5000 r/min，20 min），为了更好去除杂质，将沉淀物溶解于85 ℃热水中，离心（5000 r/min，10 min），重复3次，除去上清，保留沉淀，冷冻干燥，将其标记为S-SIDF。
1.2.2.3 复合改性处理
按照1.2.2.2所述，将经过高速剪切处理后的样品进行如1.2.2.1所述的酶解处理，将样品标记为ES-SIDF。
1.2.3 理化性质测定
1.2.3.1 粒径测定
使用激光粒度仪测定样品的粒径分布，样品和水的折射率分别设置为1.470和1.330，为避免多重光散射效应，准确称取0.2 g样品溶解于20 mL蒸馏水中，使样品充分分散。
1.2.3.2 持水力
参考朱玉莲[13]的方法稍作修改，准确称取0.5 g（精确到0.001 g）样品干粉于离心管中，记录样品重量为M1，加入15 mL蒸馏水，36 ℃水浴振荡2 h，离心（6000 r/min，15 min），除去上清液，记录离心管及样品湿重为M2，离心管及样品在60 ℃烘箱中干燥至恒重，记录重量为M3。持水力计算公式如下：
WHC(g/g)=M2−M3M1 (1) 1.2.3.3 持油力
参考Fan等[14]的方法稍作修改，准确称取0.5 g（精确到0.001 g）样品干粉，记录重量为M1。取离心管并记录重量为M2，加入12.5 mL玉米油，于36 ℃下水浴振荡2 h，离心，除去上清液，记录离心管及样品湿重为M3。持油力计算公式如下：
OHC(g/g)=M3−M2−M1M1 (2) 1.2.3.4 溶胀力
参考Zhang等[15]的方法稍作修改，准确称取1.0 g样品，记录重量为m。将样品放入量筒中，加入10 mL蒸馏水，记录体积为V1。室温下放置24 h后，记录样品的体积为V2。溶胀力计算公式如下：
SC(mL/g)=V2−V1m (3) 1.2.3.5 热稳定性分析
参考Khatkar等[16]的方法稍作修改，称取2~5 mg样品，通过热重法在充氮气条件下测定其热力学性质。仪器参数为：升温速率20 ℃/min，测定范围25~600 ℃。
1.2.3.6 色差分析
使用色差仪测定样品的颜色，将比色计垂直于样品表面进行测定，每个样品在3个不同的位置测定，并且记录每个样品L*、a*、b*值。根据以下公式计算样品的白度。
W=100−√(100−L∗)2+a∗2+b∗2 (4) 式中：L∗值表示样品的亮度值、a∗值表示样品的红度值、b∗表示样品的黄度值。
1.2.4 结构表征
1.2.4.1 傅里叶变换红外光谱测定
使用傅里叶变换红外光谱仪分析SIDF、E-SIDF、S-SIDF、ES-SIDF的结构特性，将样品与溴化钾按1:100的比例混合、研磨、压片，仪器设定参数：波数范围4000~500 cm−1，扫描分辨率4 cm−1。
1.2.4.2 X射线衍射测定
使用X射线衍射仪分析样品的晶体结构，仪器设定参数：电流40 mA、电压40 kV，扫描速率4°/min，衍射角范围5°~50°。
1.2.4.3 扫描电子显微镜观察
使用扫描电子显微镜观察样品的形貌和微观结构。将冻干的样品放在双面胶带上并进行喷金处理。在5 kV的加速电压下采集图像，扫描电子显微镜放大倍数分别为1、4、7、10 k。
1.2.5 功能特性测定
1.2.5.1 阳离子交换能力
参考Tian等[7]的方法稍作修改，准确称取1.0 g样品，与60 mL 0.1 mol/L盐酸溶液充分混合24 h。酸化结束后，收集沉淀用蒸馏水进行充分洗涤，直到没有Cl−检测出为止，随后在烘箱中干燥。准确称取0.1 g干燥后的样品，加入50 mL 5%的NaCl溶液混合，用0.01 mol/L NaOH溶液进行滴定，记录初始pH和加入NaOH溶液后的pH，用蒸馏水代替盐酸进行空白实验。
1.2.5.2 亚硝酸盐吸附能力
准确称取0.5 g样品，与12.5 mL 100 μmol/L NaNO2溶液混合，调节体系pH2.0或7.0，分别模拟胃或小肠环境，37 ℃水浴振荡8 h，离心，收集上清液，取上清液0.5 mL稀释到2 mL，加入2 mL 4 g/L对氨基苯磺酸溶液，混匀静置3 min，再加入1 mL 2 g/L盐酸萘乙二胺溶液。静置15 min后在538 nm波长处测定吸光度，对照组不进行处理。按公式（5）计算样品的亚硝酸盐吸附能力：
亚硝酸盐吸附能力(μg/g)=M1−M2M0 (5) 式中：M1为吸附前亚硝酸盐含量（μg）；M2为吸附后亚硝酸盐含量（μg）；M0为样品质量（g）。
1.2.5.3 胆固醇吸附能力
参考Wang等[17]的方法稍作修改，准确称取1.0 g样品与25 mL 0.1 mol/L的胆固醇溶液混合，调节溶液pH为2和7以分别模拟胃和小肠环境，在37 ℃条件下水浴振荡2 h，离心，收集上清液。采用邻苯二甲醛法测定胆固醇含量，按公式（6）计算样品胆固醇吸附能力：
胆固醇吸附能力(mg/g)=M1−M2M0 (6) 式中：M1为吸附前上清液胆固醇含量（mg）；M2为吸附后上清液胆固醇含量（mg）；M0为样品质量（g）。
1.2.5.4 胆酸钠吸附能力
准确称取0.5 g样品与1 mg/mL胆酸钠溶液50 mL（使用pH7.0的PBS缓冲液溶解）混合，在37 ℃条件下振荡反应2 h后，离心，采用糠醛比色法测定胆酸钠的含量，根据以下公式计算样品胆酸钠吸附能力：
胆酸钠吸附能力(mg/g)=M1−M2M (7) 式中：M1为样品吸附前上清液胆酸钠含量（mg）；M2为样品吸附后上清液胆酸钠含量（mg）；M是样品质量（g）。
1.2.5.5 葡萄糖吸附能力
参考Peerajit等[18]的方法稍作修改，准确称取0.5 g样品，分别加入浓度为10、30、50 mmol/L的25 mL葡萄糖溶液中。37 ℃水浴反应6 h，离心，取上清液后，利用3,5-二硝基水杨酸法测定葡萄糖浓度，对照为未加入葡萄糖的溶液，根据以下公式计算样品的葡萄糖吸附能力：
葡萄糖吸附能力(mg/g)=C1−C2M×V (8) 式中：C1为吸附前上清液葡萄糖浓度（mg/mL）；C2为吸附后上清液葡萄糖质量浓度（mg/mL）；M为样品质量（g）；V为葡萄糖溶液体积（mL）。
1.3 数据处理
所有数据都要经过三次平行测定，通过SPSS 26.0、Excel 2013、Origin 2022软件进行数据处理分析。为了确定样品的相关性，使用邓肯多重范围检验，显著性水平设置为95%（P<0.05）。
2. 结果与分析
2.1 粒径分析
不同样品的粒径分布和平均粒径如图1 所示，与SIDF相比，S-SIDF的平均粒径从218.37 μm减小到195.43 μm，从粒径分布图来看，S-SIDF的粒径分布峰发生左移，且逐渐变宽，原因可能是较高的湍流速度和剪切应力使SIDF的分子结构发生了破坏[19]。与SIDF相比，E-SIDF的平均粒径从218.37 μm减小到204.40 μm，粒径分布峰较SIDF分布峰发生左移且变宽，原因可能是纤维素酶和木聚糖酶对SIDF中的纤维素和木聚糖成分产生了降解，使SIDF的颗粒变小[20]。与单一处理的样品相比，ES-SIDF的平均粒径分别从204.40 μm、195.43 μm减小到165.7 μm，粒径分布峰发生左移且变宽，原因可能是在高速剪切处理后进行酶解处理，形成疏松且不连续的小分子，粒径变小，比表面积变大，增加了和酶的接触位点[21]。
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2.2 持水、持油力和溶胀力分析
不同样品的持水力（WHC）、持油力（OHC）和溶胀力（SC）如图2 所示。与SIDF相比，E-SIDF的WHC、OHC、SC分别提高了5.08%、23.90%、7.96%，S-SIDF的WHC、OHC、SC分别提高了13.67%、39.44%、14.01%，原因可能是高速剪切处理使得纤维的粒径减小，比表面积增大，结构变得疏松多孔，释放更多的水结合位点，而酶解处理使得纤维素和半纤维素之间的β-糖苷键断裂，孔隙增多，暴露更多亲水基团[1]，这与Zhang等[22]通过物理方法和酶解方法处理麦麸IDF提高了其WHC、OHC和SC研究结果相类似。与E-SIDF、S-SIDF相比，ES-SIDF的WHC、OHC、SC分别提高了25.28%、35.70%、11.36%和15.81%、20.57%、5.45%，原因可能是复合改性方法比单一改性方法形成更加致密的多孔结构以及更大的比表面积，使得水分子更容易进入纤维素内部并与更多的可用氢键供体和受体形成相互作用，增加了对水和油滴的吸附作用[1,7]，这与Zhu等[23]通过复合改性方法处理沙棘IDF提高了其WHC、OHC、SC的研究结果相一致。
2.3 热稳定性分析
不同样品的热重曲线如图3 所示。样品在加热过程中主要有三个失重阶段。第一阶段发生在30~210 ℃，SIDF、E-SIDF、S-SIDF、ES-SIDF质量损失率分别为4.46%、6.17%、7.89%、4.12%，原因可能是自由水和束缚水的蒸发及小分子组分的热降解[24]。第二阶段发生在210~400 ℃，此阶段样品失重最为严重，SIDF、E-SIDF、S-SIDF、ES-SIDF的质量损失率分别为60.18%、71.82%、74.62%、60.69%，原因可能是纤维素、半纤维素、木质素等物质受热降解[11]。第三阶段发生在400~600 ℃，此阶段样品失重减慢，SIDF、E-SIDF、S-SIDF、ES-SIDF的质量损失率分别为10.68%、12.85%、13.13%、10.27%，原因可能是碳热降解[6]。最终，SIDF、E-SIDF、S-SIDF、ES-SIDF的质量损失率分别为75.32%、90.84%、95.64%、75.08%，与SIDF相比，E-SIDF、S-SIDF的热稳定性降低，原因可能是高速剪切和酶解处理降低了样品的结晶度[25]。与E-SIDF、S-SIDF相比，ES-SIDF热稳定性提高，原因可能是经过复合改性处理后减少了样品中的果胶、半纤维素、木质素的量[26]。
2.4 色差分析
不同样品的色差测定结果如表1 所示，与SIDF相比，E-SIDF、S-SIDF的粉体色泽偏亮、偏白、偏绿、偏蓝，原因可能为酶解处理对纤维素和木聚糖进行了降解，减少了两种物质自身颜色对样品的影响，而高速剪切处理可能破坏了样品中的酚类物质[27]。与E-SIDF和S-SIDF相比，ES-SIDF的粉体色泽偏暗、偏黑、偏红、偏黄（图4），原因可能是较强的改性方法使得样品中的类胡萝卜素等物质充分暴露[28]，这与张明等[29]通过蒸汽爆破方法改性西蓝花老茎膳食纤维使得粉体的色泽呈现偏暗、偏红、偏黄的研究结果相类似。
表 1 SIDF的色差Table 1. Color difference of SIDF样品 L* a* b* W SIDF 80.18±0.05d 4.26±0.01a 23.53±0.02a 68.94±0.05d E-SIDF 85.81±0.01a 2.59±0.01c 18.19±0.01c 76.78±0.01a S-SIDF 83.41±0.02b 2.26±0.01d 16.85±0.02d 76.25±0.02b ES-SIDF 83.03±0.05c 2.96±0.01b 19.23±0.03b 74.18±0.03c 注：同列不同字母表示有显著性差异，P<0.05。 2.5 傅里叶变换红外光谱分析
不同样品的傅里叶变换红外光谱如图5 所示。位于3400 cm−1附近的吸收峰与纤维素和半纤维素-OH伸缩振动有关，经单一改性处理后，吸收峰红移且强度减弱，原因可能是高速剪切或酶解处理破坏了纤维素分子间的氢键，使更多的-OH暴露，从而改善了亲水性，与单一改性相比，复合改性处理吸收峰红移且强度减弱，原因可能是二者结合对氢键的破坏作用更强，这与Tian等[7]通过空化微射流结合酶解方法改性SIDF使得样品的亲水基团增多的研究结果相一致。位于2925 cm−1附近的吸收峰与多糖的甲基和亚甲基的C-H伸缩振动有关，经酶解改性和复合改性处理后，吸收峰红移且强度减弱，而经高速剪切改性后吸收峰强度和位置基本不变，原因可能是酶解改性中使用的纤维素酶和木聚糖酶对纤维素和木聚糖成分进行了降解，使其成为小分子单糖，而高速剪切对多糖降解不明显[30]。位于1745 cm−1附近的吸收峰与酯类的C=O和木质素中芳香环的伸缩振动有关，经单一改性处理后，吸收峰强度增加，原因可能是改性处理使得酯类和木质素中的活性基团充分暴露，而经过复合改性处理，吸收峰强度减弱，原因可能是较强的改性方法破坏了木质素类物质的活性基团，这与Huang等[30]通过碱性过氧化氢和均质处理柑橘皮制备富含果胶的膳食纤维，发现木质素被破坏的样品热稳定性发生降低结果相一致。位于1050 cm−1的吸收峰与半纤维素的C-O-O伸缩振动有关，峰位置和强度无明显变化。总的来说，改性处理并未改变SIDF官能团的类型，但对官能团伸缩振动有影响，例如通过改性处理减弱了3400 cm−1左右吸收峰的伸缩振动，表明SIDF的氢键发生了破坏，使得SIDF水合性能提高。
2.6 X衍射分析
不同样品的XRD如图6 所示。SIDF的晶体结构主要由两部分组成：纤维素构成的结晶区（图中大致在15°~21°）以及半纤维素和木质素构成的非结晶区（图中大致在25°~40°）。不同样品在2θ为20.8°时均出现吸收峰，具有典型的纤维素I型结构特征。与SIDF相比，改性后的样品在20.8°处的峰强度减弱，其中ES-SIDF最为显著，说明改性处理破坏了结晶区有序结构，使结晶成分向非结晶成分转变[31]。SIDF、E-SIDF、S-SIDF、ES-SIDF四种样品的结晶度分别为32.40%、28.32%、27.18%、24.54%，说明不同的改性方法对IDF样品结晶区的作用效果不同，与单一改性处理相比，复合改性处理对SIDF的有序晶体结构破坏更大，结晶度下降的更多，原因可能是高速剪切结合复合酶的方法将IDF中纤维素表面的不规则、无序的半纤维素降解[7]。较低的结晶度使得改性后的IDF具有更大的比表面积，提高了其吸附能力[7]。
2.7 扫描电子显微镜分析
不同改性方法的SIDF微观结构如图7 所示，SIDF表面光滑平坦，整体结构致密。与SIDF相比，E-SIDF的表面结构呈现多孔性，表面结构疏松，更加粗糙，原因可能是SIDF经过酶解处理后导致纤维素的糖苷键被降解[22]。S-SIDF样品表面结构不规则、粗糙、凹凸不平，原因可能是高速剪切对SIDF表面残留的蛋白、半纤维素等物质发生了破坏，使其分散在样品表面[32]，这与Xie等[32]使用SEM观察到的高压均质处理的紫肉马铃薯膳食纤维样品不平坦、粗糙、不规则的表面相一致。与E-SIDF、S-SIDF相比，ES-SIDF具有更加多孔且疏松的结构（D1），原因可能是由于复合处理破坏了SIDF分子的交联，形成了多孔且疏松结构[7]。总的来说，不同的改性处理方法均可对SIDF的微观结构产生影响，但复合改性处理效果最为明显。
2.8 阳离子交换能力分析
不同样品的阳离子交换能力如图8 所示，随着NaOH溶液的加入，不同样品溶液体系的pH逐渐升高，然后趋于稳定。样品溶液体系pH升高幅度呈现SIDF<S-SIDF<E-SIDF<ES-SIDF。两种单一处理的溶液pH升高幅度大于未处理的样品，原因可能是高速剪切处理导致SIDF的粒径减小，增加了其比表面积，暴露出更多的羟基和羧基，酶解处理破坏了膳食纤维分子间的共价键，暴露出更多极性基团，从而提高了阳离子交换能力，这与Yu等[33]通过超微粉碎、复合酶法、高静水压处理胡萝卜渣IDF，发现其阳离子交换能力得到提升的研究结果相一致。ES-SIDF所在的溶液体系pH升高幅度大于两种经过单一处理样品溶液体系，原因可能是高速剪切结合复合酶解处理SIDF，使得SIDF结构特殊，空间位阻效应减弱，从而导致阳离子交换能力提升[7]。
2.9 亚硝酸盐吸附能力分析
不同样品的亚硝酸盐吸附能力如图9 所示，在pH2时SIDF、E-SIDF、S-SIDF、ES-SIDF的亚硝酸盐吸附能力分别为8.56、11.64、13.54、13.81 μg/g。SIDF、E-SIDF、S-SIDF、ES-SIDF四种样品的亚硝酸盐吸附能力逐渐增强，原因可能为改性处理会导致SIDF暴露更多的羟基、羧基和酰胺基等功能基团，进而影响SIDF的微观结构和理化特性，E-SIDF、S-SIDF较SIDF暴露的功能基团变多，ES-SIDF较E-SIDF、S-SIDF暴露的功能基团变多，这与Liu等[34]通过纤维素酶处理米糠DF发现亚硝酸盐吸附能力提升的研究结果相一致。此外，pH的变化也会影响亚硝酸盐的吸附，pH2时的吸附效果好于pH7时，可能是因为pH的增加导致SIDF表面负电荷数量增加，减少了结合位点，增加了亚硝酸根离子的排斥作用，降低SIDF对亚硝酸根的吸附作用，Si等[35]使用黑曲霉和里氏木霉结合纤维素酶改性凉粉草膳食纤维，发现pH2条件下样品的亚硝酸盐吸附能力高于pH7，这与本文结果相一致。
2.10 胆固醇、胆酸钠吸附能力分析
不同样品的胆固醇吸附能力如图10（A）所示，与SIDF相比，改性处理后的样品具有更好的胆固醇吸附能力，并且在pH7时的胆固醇吸附能力高于pH2时，表明胆固醇在中性条件下更容易被吸收[7]，这与Qiao等[36]通过双螺杆挤压甘薯SDF，发现胆固醇在中性条件下更容易吸收的结果相一致。E-SIDF和S-SIDF在pH7下的胆固醇吸附能力分别为5.24 mg/g和8.32 mg/g，是SIDF的1.68倍和2.67倍，原因可能是E-SIDF、S-SIDF与SIDF相比具有疏松的网络结构和较高的持水性，从而增加了胆固醇吸附能力，ES-IDF在pH7下的胆固醇吸附能力为12.44 mg/g，是E-IDF、S-IDF的2.37倍和1.50倍，原因可能为，二者结合的方法导致样品具有最疏松、最大的孔隙，使得样品的吸附能力增强[37]。不同样品的胆酸钠吸附能力如图10（B）所示，SIDF的胆酸钠吸附能力为8.42 mg/g，E-SIDF、S-SIDF、ES-SIDF的胆酸钠吸附能力分别为13.54、13.68、18.84 mg/g，改性处理后SIDF的胆酸钠吸附能力显著提高且复合改性>单一改性>未改性，原因可能为两者相结合的改性方法使得IDF中的亲脂基团暴露的更加充分以及结构变得更加疏松多孔，比表面积变大，从而增加了与胆酸钠的结合位点，增强了胆酸钠吸附能力，这与扫描电子显微镜结果相一致[38]。
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图 10 SIDF的胆固醇吸附能力（A）和胆酸钠吸附能力（B）Figure 10. Cholesterol adsorption capacity (A), and sodium cholate adsorption capacity (B) of SIDF2.11 葡萄糖吸附能力分析
不同样品的葡萄糖吸附能力如图11 所示。葡萄糖吸附能力呈现复合改性>单一改性>未改性，经过改性处理后葡萄糖吸附能力显著提高。在10、30、50 mmol/L的葡萄糖浓度下，E-SIDF和S-SIDF葡萄糖吸附能力分别是SIDF的1.17倍、1.21倍（10 mmol/L浓度下）、1.07倍、1.11倍（30 mmol/L浓度下）、1.07倍、1.15倍（50 mmol/L浓度下），原因可能是高速剪切通过分散、湍流等作用使得样品中的极性基团暴露出来，酶解通过使样品变得更加疏松多孔增加了与葡萄糖分子的接触位点[1]。在10、30、50 mmol/L葡萄糖浓度下，ES-SIDF葡萄糖吸附能力是S-SIDF、E-SIDF的1.15倍、1.11倍（10 mmol/L浓度下）、1.14倍、1.1倍（30 mmol/L浓度下）、1.21倍、1.13倍（50 mmol/L浓度下），可能是因为两者相结合的处理方法使样品的粒度减小，从而使样品内部的极性基团暴露，增加了与葡萄糖分子的接触面积[27]，这与Yu等[33]通过复合酶解、超微粉碎、高静水压改性胡萝卜果渣IDF发现经过改性处理之后葡萄糖吸附能力显著提高的结果相一致。
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图 11 SIDF的葡萄糖吸附能力分析结果Figure 11. Results of glucose adsorption capacity analysis of SIDF3. 结论
本文研究了不同改性方法对SIDF结构、理化性质及功能特性的影响，结果显示经高速剪切、复合酶解及二者结合的方法对SIDF进行改性处理后，SIDF的持水力、持油力、溶胀力得到显著改善，尤其是二者结合的方法改善效果最明显，分别提高了23.90%、39.44%、68.13%。另外，经过不同方法改性处理后，粒径均变小，二者相结合的样品粒径最小，为165.7 μm，改性处理使得SIDF的亮度值和白度值增加，红绿值和黄蓝值降低，粉体色泽更加均匀，白亮。改性处理并未改变SIDF的官能团，但使其结晶度从32.40%分别降低至28.32%、27.18%、24.54%，热稳定性发生了降低，改性处理破坏了SIDF表面结构，使得样品的结构变得疏松。改性处理之后，SIDF的阳离子交换能力、亚硝酸盐吸附能力、胆固醇和胆酸钠吸附能力、葡萄糖吸附能力得到不同程度的提升，二者结合的方法功能特性提升程度最大，其亚硝酸盐吸附能力在pH2条件下为13.81 μg/g，pH7条件下为7.55 μg/g、胆固醇吸附能力为12.44 mg/g，胆酸钠吸附能力为18.84 mg/g。本研究在之前相关研究的基础上通过不同改性方法对SIDF进行处理，并且对改性前后的结构、理化性质及功能特性做了更加深入的研究，可为SIDF的开发利用提供新的思路，在特殊膳食食品及保健食品开发等方面具有广阔的前景。
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图 10 SIDF的胆固醇吸附能力（A）和胆酸钠吸附能力（B）
Figure 10. Cholesterol adsorption capacity (A), and sodium cholate adsorption capacity (B) of SIDF
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图 11 SIDF的葡萄糖吸附能力分析结果
Figure 11. Results of glucose adsorption capacity analysis of SIDF
表 1 SIDF的色差
Table 1 Color difference of SIDF
样品 L* a* b* W SIDF 80.18±0.05d 4.26±0.01a 23.53±0.02a 68.94±0.05d E-SIDF 85.81±0.01a 2.59±0.01c 18.19±0.01c 76.78±0.01a S-SIDF 83.41±0.02b 2.26±0.01d 16.85±0.02d 76.25±0.02b ES-SIDF 83.03±0.05c 2.96±0.01b 19.23±0.03b 74.18±0.03c 注：同列不同字母表示有显著性差异，P<0.05。 
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[1] 尹立晨. 豆渣膳食纤维的改性及其在酸奶冰淇淋中的应用研究[D]. 无锡:江南大学, 2022. [YIN L C, Modification of okara dietary fiber and its application in frozen yogurt[D]. Wuxi:Jiangnan University, 2022.] YIN L C, Modification of okara dietary fiber and its application in frozen yogurt[D]. Wuxi: Jiangnan University, 2022.
[2] PRIVATTI R T, RODRIGUES C E. An overview of the composition, applications, and recovery techniques of the components of Okara aimed at the biovalorization of this soybean processing residue[J]. Food Reviews International,2023,39(2):726−749. doi: 10.1080/87559129.2021.1926484
[3] 黄秋红. K2CO3预处理微细化豆渣及在米豆腐中的应用研究[D]. 贵阳:贵州大学, 2023. [HUANG Q H. K2CO3 pretreatment of micronized soybean dregs and its application in rice tofu[D]. Guiyang:Guizhou University, 2023.] HUANG Q H. K2CO3 pretreatment of micronized soybean dregs and its application in rice tofu[D]. Guiyang: Guizhou University, 2023.
[4] LI Y A, YU Y S, WU J J, et al. Comparison the structural, physicochemical, and prebiotic properties of litchi pomace dietary fibers before and after modification[J]. Foods,2022,11(3):248. doi: 10.3390/foods11030248
[5] 杨涛. 豆渣转化为食品级高效皮克林稳定剂的途径及机理[D]. 广州:华南理工大学, 2020. [YANG T. Food-grade efficient pickering stabilizers from okara:strategies and mechanisms investigation[D]. Guangzhou:South China University of Technology, 2020.] YANG T. Food-grade efficient pickering stabilizers from okara: strategies and mechanisms investigation[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2020.
[6] GAN J P, PENG G Y, LIU S, et al. Comparison of structural, functional and in vitro digestion properties of bread incorporated with grapefruit peel soluble dietary fibers prepared by three microwave-assisted modifications[J]. Food & Function,2020,11(7):6458−6466.
[7] TIAN Y, WU T, SHENG Y A, et al. Effects of cavitation-jet technology combined with enzyme treatment on the structure properties and functional properties of OKARA insoluble dietary fiber [J]. Food Chemistry, 2023, 423: 136286.
[8] GAN J P, XIE L, PENG G Y, et al. Systematic review on modification methods of dietary fiber[J]. Food Hydrocolloids,2021,119:106872. doi: 10.1016/j.foodhyd.2021.106872
[9] ZHANG F F, YI W R, CAO J, et al. Microstructure characteristics of tea seed dietary fibre and its effect on cholesterol, glucose and nitrite ion adsorption capacities in vitro:A comparison study among different modifications[J]. International Journal of Food Science and Technology,2020,55(4):1781−1791. doi: 10.1111/ijfs.14465
[10] HE Y Y, LI W, ZHANG X Y, et al. Physicochemical, functional, and microstructural properties of modified insoluble dietary fiber extracted from rose pomace[J]. Journal of Food Science and Technology,2020,57(4):1421−1429. doi: 10.1007/s13197-019-04177-8
[11] WEN Y, NIU M, ZHANG B J, et al. Structural characteristics and functional properties of rice bran dietary fiber modified by enzymatic and enzyme-micronization treatments[J]. LWT,2017,75:344−351. doi: 10.1016/j.lwt.2016.09.012
[12] YANG M, WU L R, CAO C J, et al. Improved function of bamboo shoot fibre by high‐speed shear dispersing combined with enzyme treatment[J]. International Journal of Food Science and Technology,2019,54(3):844−853. doi: 10.1111/ijfs.14004
[13] 朱玉莲. 改性沙棘不溶性膳食纤维功能特性及应用研究[D]. 杨凌:西北农林科技大学, 2022. [ZHU Y L. Functional properties and application study of modified sea buckthorn insoluble dietary fiber[D]. Yangling:Northwest Agriculture and Forestry University, 2022.] ZHU Y L. Functional properties and application study of modified sea buckthorn insoluble dietary fiber[D]. Yangling: Northwest Agriculture and Forestry University, 2022.
[14] FAN X J, CHANG H D, LIN Y A, et al. Effects of ultrasound-assisted enzyme hydrolysis on the microstructure and physicochemical properties of okara fibers[J]. Ultrasonics Sonochemistry,2020,69:105247. doi: 10.1016/j.ultsonch.2020.105247
[15] ZHANG J T, DONG Y S, NISAR T, et al. Effect of superfine-grinding on the physicochemical and antioxidant properties of Lycium ruthenicum Murray powders[J]. Powder Technology,2020,372:68−75. doi: 10.1016/j.powtec.2020.05.097
[16] KHATKAR B, BARAK S, MUDGIL D. Effects of gliadin addition on the rheological, microscopic and thermal characteristics of wheat gluten[J]. International Journal of Biological Macromolecules,2013,53:38−41. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2012.11.002
[17] WANG X J, ZHANG Y Y, LI Y B, et al. Insoluble dietary fibre from okara (soybean residue) modified by yeast Kluyveromyces marxianus[J]. LWT,2020,134:110252. doi: 10.1016/j.lwt.2020.110252
[18] PEERAJIT P, CHIEWCHAN N, DEVAHASTIN S. Effects of pretreatment methods on health-related functional properties of high dietary fibre powder from lime residues[J]. Food Chemistry,2012,132(4):1891−1898. doi: 10.1016/j.foodchem.2011.12.022
[19] TANG C D, WU L R, ZHANG F S, et al. Comparison of different extraction methods on the physicochemical, structural properties, and in vitro hypoglycemic activity of bamboo shoot dietary fibers[J]. Food Chemistry,2022,386:132642. doi: 10.1016/j.foodchem.2022.132642
[20] ZHENG Y J, LI Y. Physicochemical and functional properties of coconut (Cocos nucifera L.) cake dietary fibres:Effects of cellulase hydrolysis, acid treatment and particle size distribution[J]. Food Chemistry,2018,257:135−142. doi: 10.1016/j.foodchem.2018.03.012
[21] MA M M, MU T H. Effects of extraction methods and particle size distribution on the structural, physicochemical, and functional properties of dietary fiber from deoiled cumin[J]. Food Chemistry,2016,194:237−246. doi: 10.1016/j.foodchem.2015.07.095
[22] ZHANG M Y, LIAO A M, THAKUR K, et al. Modification of wheat bran insoluble dietary fiber with carboxymethylation, complex enzymatic hydrolysis and ultrafine comminution[J]. Food Chemistry,2019,297:124983. doi: 10.1016/j.foodchem.2019.124983
[23] ZHU Y L, JI X L, YUEN M, et al. Effects of ball milling combined with cellulase treatment on physicochemical properties and in vitro hypoglycemic ability of sea buckthorn seed meal insoluble dietary fiber[J]. Frontiers in Nutrition,2022,8:820672. doi: 10.3389/fnut.2021.820672
[24] TAFLICK T, SCHWENDLER L A, ROSA S M, et al. Cellulose nanocrystals from acacia bark–Influence of solvent extraction[J]. International Journal of Biological Macromolecules,2017,101:553−561. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2017.03.076
[25] REN F Y, FENG Y L, ZHANG H J, et al. Effects of modification methods on microstructural and physicochemical characteristics of defatted rice bran dietary fiber[J]. LWT,2021,151:112161. doi: 10.1016/j.lwt.2021.112161
[26] ILYAS R A, SAPUAN S M, ISHAK M R, et al. Sugar palm nanofibrillated cellulose (Arenga pinnata (Wurmb.) Merr):Effect of cycles on their yield, physic-chemical, morphological and thermal behavior[J]. International Journal of Biological Macromolecules,2019,123:379−388. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2018.11.124
[27] 金姝. 白芸豆皮中含结合酚膳食纤维的体外大肠酵解特性及其应用[D]. 广州:华南理工大学, 2023. [JIN S. In vitro fermentation properties of insoluble dietary fiber with bound phenolics from white kidney bean skin and its application[D]. Guangzhou:South China University of Technology, 2023.] JIN S. In vitro fermentation properties of insoluble dietary fiber with bound phenolics from white kidney bean skin and its application[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2023.
[28] MENG X M, LIU F, XIAO Y, et al. Alterations in physicochemical and functional properties of buckwheat straw insoluble dietary fiber by alkaline hydrogen peroxide treatment[J]. Food Chemistry:X,2019,3:100029.
[29] 张明, 马超, 吴茂玉, 等. 蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维品质及理化特性的影响[J]. 食品工业科技,2020,41(2):46−51. [ZHANG M, MA C, WU M Y, et al. Functional effect of steam explosion pressure on the quality and physical and chemical properties of dietary fiber of old stem in broccoli[J]. Science and Technology of Food Industry,2020,41(2):46−51.] ZHANG M, MA C, WU M Y, et al. Functional effect of steam explosion pressure on the quality and physical and chemical properties of dietary fiber of old stem in broccoli[J]. Science and Technology of Food Industry, 2020, 41（2）: 46−51.
[30] HUANG J Y, LIAO J S, QI J R, et al. Structural and physicochemical properties of pectin-rich dietary fiber prepared from citrus peel[J]. Food Hydrocolloids,2021,110:106140. doi: 10.1016/j.foodhyd.2020.106140
[31] AGUADO R, LOURENCO A F, FERREIRA P J, et al. The relevance of the pretreatment on the chemical modification of cellulosic fibers[J]. Cellulose,2019,26(10):5925−5936. doi: 10.1007/s10570-019-02517-7
[32] XIE F, LI M, LAN X H, et al. Modification of dietary fibers from purple-fleshed potatoes (Heimeiren) with high hydrostatic pressure and high pressure homogenization processing:A comparative study[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies,2017,42:157−164.
[33] YU G Y, BEI J, ZHAO J, et al. Modification of carrot (Daucus carota Linn. var. Sativa Hoffm.) pomace insoluble dietary fiber with complex enzyme method, ultrafine comminution, and high hydrostatic pressure[J]. Food Chemistry,2018,257:333−340. doi: 10.1016/j.foodchem.2018.03.037
[34] LIU Y L, ZHANG H B, YI C P, et al. Chemical composition, structure, physicochemical and functional properties of rice bran dietary fiber modified by cellulase treatment[J]. Food Chemistry,2021,342:128352. doi: 10.1016/j.foodchem.2020.128352
[35] SI J Y, YANG C R, CHEN Y, et al. Structural properties and adsorption capacities of Mesona chinensis Benth residues dietary fiber prepared by cellulase treatment assisted by Aspergillus niger or Trichoderma reesei[J]. Food Chemistry,2023,407:135149. doi: 10.1016/j.foodchem.2022.135149
[36] QIAO H Z, SHAO H M, ZHENG X J, et al. Modification of sweet potato (Ipomoea batatas Lam.) residues soluble dietary fiber following twin-screw extrusion[J]. Food Chemistry,2021,335:127522. doi: 10.1016/j.foodchem.2020.127522
[37] XIAO Z Q, YANG X Y, ZHAO W W, et al. Physicochemical properties of insoluble dietary fiber from pomelo (Citrus grandis) peel modified by ball milling[J]. Journal of Food Processing and Preservation,2022,46(2):e16242.
[38] LUO X L, WANG Q, ZHENG B D, et al. Hydration properties and binding capacities of dietary fibers from bamboo shoot shell and its hypolipidemic effects in mice[J]. Food and Chemical Toxicology,2017,109:1003−1009. doi: 10.1016/j.fct.2017.02.029
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