超高壓對(duì)海帶吸附性質(zhì)的影響及其初步機(jī)理研究

1、超高壓對(duì)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(duì)

2、軟包裝食品等物料物理加壓到1001 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(duì)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(duì)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(duì)海帶的持水力(water holding capacity, WHC)、持油

3、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(duì)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)。1.4 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(P0.05)。2 結(jié)果與分析2.1 UHP處理對(duì)海帶吸附性質(zhì)的影響2.1.1 UHP對(duì)WH

4、C的影響未處理的海帶WHC為2226 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1.612.31倍(P0.05)(圖1)，最高值達(dá)到(63.401.29)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1.2814、1.2415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(P0.05)，這一結(jié)論與朱丹等1

5、6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(duì)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(duì)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(duì)S-K的WHC產(chǎn)生影響。圖1 UHP處理對(duì)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(P0.05) 小寫字母表示S-K組間數(shù)據(jù)顯著差異(P0.05)(下同)2.1.

6、2 UHP對(duì)OHC的影響未處理的P-K的OHC(4 g/g)顯著高于S-K(P0.05)(圖2)，相對(duì)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(9.942.13) g/g(P0.05)(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。

7、2.1.3 UHP對(duì)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(duì)海帶OHC的影響Fig.2 Effect of UHP treatment on the OHC of kelpUHP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(2.740.95) g/g，為未處理樣品的11.33倍(P0.05)(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

8、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(duì)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(duì)P-K的GAC的影響Fig.3 Effect of UHP treatment on the GAC of P-K2.1.4 UHP對(duì)CAC的影響高膽固醇是心血管疾病的高危因素，直接影響肝

9、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(duì)P-K的CAC的影響Fig.4 Effect of UHP treatment on the cholesterol-adsorption capacity of P-K2.2 U

10、HP處理對(duì)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(duì)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(duì)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IDF4。本文對(duì)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(61.910.98)g/100g，經(jīng)UHP處理后的樣品總DF含量顯著增加(P0.

11、05)，最高值達(dá)到(74.820.99)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1.071.10倍(圖5-b)，而處理10 min 后的樣品SDF含量顯著增加為原來的1.471.63倍(圖5-c)(P0.05)。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》肿樱沟肐DF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

12、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(duì)海帶DF含量的影響Fig.5 Effect of UHP treatment on the content of DF in kelp2.2.2 UHP對(duì)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

13、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。總體而言，UHP處理改變了P-K的微觀結(jié)構(gòu)，從而對(duì)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(duì)照?qǐng)D6 P-K電鏡圖(600)Fig.6 Scanning electron micros

14、cope (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(duì)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(P0.05)，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(duì)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1.612.31、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(duì)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