食品界

刘学波教授等：球磨联合碱辅助酶法改善淡竹叶水溶性膳食纤维的物化和功能特性

淡竹叶（Herba Lophatheri）通常指禾本科草本植物淡竹叶的干燥茎叶，其含有多种功能性成分，如多糖、黄酮和氨基酸，具有改善发热、尿路炎症等功效。大量研究表明，从传统中药中提取的多糖具有抗氧化、抗肿瘤、抗病毒、抗炎等生物学活性，而多糖的淀粉部分因其可消化性主要用于能量供应。因此，推测属于膳食纤维（DF）的非淀粉部分是淡竹叶发挥生物学活性的主要因素。然而，目前对淡竹叶DF的研究十分有限，导致人们对淡竹叶的了解不够全面，难以在食品加工中高效利用淡竹叶资源。

西北农林科技大学食品科学与工程学院的樊华、刘夫国、刘学波*等采用酶法（E）、球磨辅助酶法（BME）、碱辅助酶法（AE）和球磨联合碱辅助酶法（BMAE）提取淡竹叶来源的SDF，并对其得率、结构特性、功能特性进行测定、表征和分析，旨在探索提取高质量SDF的可行方法，为充分了解淡竹叶及扩大其在食品工业中的应用提供可靠参考。

1、不同方法对SDF提取率的影响

分别用4种方法（E、BME、AE和BMAE）分别处理淡竹叶粉末，所得IDF和SDF分别标记为EIDF、BMEIDF、AEIDF、BMAEIDF和ESDF、BMESDF、AESDF、BMAESDF。

如图1所示，BMAESDF提取率最高（（30.03±1.03）%），其次是AESDF（（26.83±1.46）%）、BMESDF（（9.55±0.09）%）和ESDF（（9.15±0.1）%）提取率较低。IDF含量（BMAE为（35.97±1.07）%、AE为（44.38±2.72）%、BME为（63.72±0.97）%、E为（66.32±1.41）%）与SDF含量的趋势相反。球磨能显著降低样品粒径，而粒径越小SDF含量越高。碱处理能通过水解半纤维素和木质素之间的酯键及打破纤维素和半纤维素之间的共价键增加SDF含量。此外，pH值是从半纤维素中提取SDF的关键因素，强碱性环境能破坏DF中的糖苷键从而影响SDF/IDF比率。因此，AE和BMAE处理后SDF含量的显著增加可能是由于IDF键的连接被破坏和pH值的大幅波动，说明球磨和碱处理后部分IDF转化成SDF，提高了SDF/IDF的比率。

2、不同处理方法对SDF物化特性的影响

SDF单糖组成分析

由表1可知，4种SDF均含有葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖醛酸、木糖，而甘露糖也在除ESDF的其他SDF中检出。这可能是由于球磨和碱处理打破了多糖分子间的糖苷键，形成了一种新的单糖。葡萄糖、木糖和阿拉伯糖是半纤维素的主要成分，它们在ESDF中含量丰富，表明半纤维素可能是ESDF的主要成分。BMESDF、AESDF和BMAESDF的主要单糖组分为半乳糖、木糖和阿拉伯糖，可能是联合处理后DF中的半纤维素和其他组分发生降解所致。BMESDF、AESDF和BMAESDF的阿拉伯糖、半乳糖含量增加。阿拉伯糖是SDF的主要单糖，BMAESDF阿拉伯糖含量最高，与SDF提取率结果一致。此外，半乳糖含量的增加也可能是SDF产量增加的原因。

SDF表面电荷分析

如图2所示，ESDF的Zeta电位值最大（（-10.25±0.48）mV），其次为BMESDF（（-13.67±0.06）mV）、AESDF（（-18.17±1.25）mV）、BMAESDF（（-22.83±1.95）mV），4种SDF的Zeta电位值差异显著。BMAESDF的Zeta电位值最低，表明其可以诱导产生更多的静电吸引，具有更强的凝胶形成能力，这可能是球磨、碱处理和酶解共同作用的结果。

SDF流动特性分析

由图3可知，质量浓度对SDF的流动特性有重要影响，Gu Meidong等的研究也证实了这一点。由图3A可知，当质量浓度为50 mg/mL时，在0.1～1 s^-1剪切速率范围内，4种SDF的黏度变化不稳定；在1～1 000 s^-1范围内，AESDF和BMAESDF的黏度呈近似线性下降，而ESDF和BMESDF变化较小。

由图3B可知，当质量浓度为60 mg/mL时，所有样品均表现为随剪切速率增加而黏度降低，即典型的假塑性特征，也称非牛顿流体和剪切稀化行为。缠结分子的减少和聚集体的破坏可导致剪切稀化行为，因此缠结分子链数量的减少可能是高剪切速率区域黏度降低的原因。在低剪切速率区域，AESDF和BMAESDF的黏度较高，而ESDF和BMESDF的黏度相对较低；随着剪切速率的增加，AESDF和BMAESDF的黏度急剧降低，而ESDF和BMESDF的黏度变化较为缓慢，表明剪切速率对AESDF和BMAESDF黏度的影响较大，AESDF和BMAESDF具有较高的剪切敏感性。

SDF微观结构分析

如图4所示，4种SDF均为块状颗粒结构。ESDF表面相对平整致密且存在一些较小的不规则颗粒，可能是蛋白质和淀粉的残留物。与ESDF相比，BMESDF变化较小，但其表面出现了一些孔隙，这可能是由于球磨产生的机械力破坏了SDF的宏观结构。AESDF和BMAESDF相似，且与ESDF相比变化很大，其表面粗糙不平整且具有较多的空隙和裂缝，形成了疏松多孔的结构，这可能是由于碱处理打破了细胞壁结构。疏松多孔的结构有助于SDF内部基团的暴露、比表面积的增加和活性成分的释放。因此，AESDF和BMAESDF可能具有更高的WHC、OHC和ABTS阳离子自由基清除活性。

SDF的FTIR分析

如图5A所示，除了特定的吸收峰和峰值强度略有差异外，4种SDF具有相似的光谱分布。3 600～3 200 cm^-1之间的吸收峰由O—H的拉伸振动引起，其主要存在于纤维素和半纤维素中。3 200～2 800 cm^-1之间的吸收峰由多糖和羰基的甲基或亚甲基的C—H拉伸引起。1 741 cm^-1处的吸收峰由醛基或酯基中芳香族骨架和C＝O的拉伸引起，其是木质素和半纤维素的重要组成成分，也广泛存在于蛋白质中。1 633 cm^-1处的吸收峰由—COOH伸缩振动引起，表明样品中含有糖醛酸，与单糖组成结果一致。1 400 cm^-1处的小峰对应于C—H的弯曲振动，可能源于木质素。1 200～900 cm^-1之间的吸收峰由吡喃葡萄糖中C—O—H和C—O—C的伸缩振动引起。

SDF的XRD分析

如图5B所示，所有SDF均在2θ 19°～22°范围内有明显的结晶衍射峰，AESDF和BMAESDF在2θ 32°附近存在较窄的衍射峰。纤维素的宏观结构由结晶区和无定形区组成，该结构通常被定义为纤维素I型结构。2θ 19°～22°范围内的衍射峰是纤维素的特征结晶区。此外，半纤维素在2θ 22.3°附近也有典型的衍射峰，该峰可能与纤维素峰发生重叠。2θ 32°附近的衍射峰是纤维素的无定形区域。以上结果表明，碱处理改变了SDF的晶体类型、产生了无定形区域，AESDF和BMAESDF具有典型的纤维素I型结构。此外，ESDF、BMESDF、AESDF和BMAESDF的结晶度分别为21.11%、36.94%、47.06%和44.38%。

SDF的DSC分析

由图5C可知，所有SDF的吸热峰均在96.5 ℃附近，表明其在结构上具有高度一致性。100 ℃附近的吸热峰主要是非结合水的蒸发和对水有吸附作用的果胶从结晶区到非结晶区的相转变而形成。BMAESDF在吸热峰处的热流高于其他SDF，表明其水分含量更少，热稳定性更高。放热峰出现在248～260 ℃范围内，其出现代表聚合物发生了持续热分解和氧化分解，以及挥发性产物的蒸发和消除。250 ℃附近出现的放热峰是果胶热分解的结果。

3、不同处理方法对SDF功能特性的影响

SDF的WHC分析

由图6A可知，AESDF（（4.71±0.12）g/g）和BMAESDF（（4.86±0.1）g/g）的WHC较高，其次是BMESDF（（2.45±0.16）g/g）和ESDF（（1.78±0.07）g/g）。WHC的变化受粒径、结构、密度、水结合位点的影响。BMESDF的WHC增加可能是由于球磨减小了SDF粒径、增加了比表面积使其暴露出更多亲水基团。AESDF的WHC提高可能是由于碱处理去除了部分纤维素、半纤维素和木质素等IDF成分使纤维的内部结构更加疏松多孔。BMAESDF的WHC提高则是物理（球磨）、化学（碱处理）处理共同作用的结果。

SDF的OHC分析

由图6B可知，AESDF（（2±0.04）g/g）的OHC最高，其次是BMESDF（（1.69±0.13）g/g）和BMAESDF（（1.65±0.14）g/g），ESDF（（1.36±0.05）g/g）最低。联合处理后SDF的OHC较ESDF显著提高，与WHC相似。表面性质（如比表面积、疏水性）和结构性质均对OHC有重要影响。

SDF的抗氧化性分析

由图6C可知，AESDF的ABTS阳离子自由基清除活性（（53.41±1.27）%）最高，其次是BMAESDF（（49.40±0.93）%）、ESDF（（43.46±0.55）%）和BMESDF（（36.71±1.51）%），表明碱处理能提高SDF的ABTS阳离子自由基清除活性，而球磨能降低其ABTS阳离子自由基清除活性。

结论

采用4种不同处理方法（E、BME、AE和BMAE）从淡竹叶中提取SDF（ESDF、BMESDF、AESDF、BMAESDF）并评估其物化和功能特性。结果表明：所有SDF均含有葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖醛酸和木糖，且BMESDF、AESDF和BMAESDF中形成了甘露糖。ESDF和BMESDF的晶体类型相似，而AESDF更接近BMAESDF。4种SDF中，BMAESDF的提取率（（30.03±1.03）%）、WHC（（4.86±0.1）g/g）、Zeta电位（（-22.83±1.95）mV）和热稳定性（热流高）最为突出，具有疏松多孔的结构和较好的ABTS阳离子自由基清除活性（（49.40±0.93）%）。综上所述，BMAE可作为提取淡竹叶中高品质SDF的有效方法，为淡竹叶资源的深度开发利用提供一定理论基础。

通信作者简介

刘学波，男，1975年9月出生，黑龙江克山县人，博士，教授，博士生导师，现任西北农林科技大学国际合作与交流处处长、港澳台办公室主任。入选国家级人才，教育部“新世纪优秀人才”支持计划，科技部“中青年科技创新领军人才”计划，荣获2015年度中国食品科学技术学会科技创新奖-杰出青年奖，享受国务院政府特殊津贴。兼任国务院学位委员会第八届食品科学与工程学科评议组成员，中国食品科学技术学会理事、青年工作委员会副主任委员，陕西省食品科学技术学会副理事长，陕西省营养学会副理事长，《中国食品学报》、《中国农业科学》、《食品科学》、《Food Science and Human Wellness》编委。

本文《球磨联合碱辅助酶法改善淡竹叶水溶性膳食纤维的物化和功能特性》来源于《食品科学》2022年43卷24期74-82页，作者：樊华，刘夫国，王玉堂，李银霞，刘学波。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220301-013。