超高压对海带吸附性质的影响及其初步机理研究

1、超高压对海带吸附性质的影响及其初步机理研究海带，又名昆布、江白菜，福建、山东、辽宁等沿海省份是我国海带的主要产地，我国海带产量居全球首位1。海带富含膳食纤维(dietary fiber, DF)2。DF虽然本身没有营养价值，但其表现出极强的水合性质和吸附性质，具有促进肠道收缩蠕动、降低餐后血糖值、调节血脂以及降低心血管和胃肠道疾病发病机率等功效3。研究发现，通过适当的改性手段处理DF，可改变聚合物的分子结构、形态与含量等4，有助于提高DF功能，是当前食品工业研究热点之一5。超高压技术(ultra-high pressure, UHP)是近年来出现的食品冷杀菌新技术，是指用液体或气体作为介质，对

2、软包装食品等物料物理加压到1001 000 MPa的压力处理技术。目前UHP在食品的应用主要集中在食品杀菌6。鉴于UHP可对生物大分子立体结构的非共价键(氢键、离子键和疏水键)产生影响，UHP在食品改性方面的作用也逐渐受到重视。研究发现，改性后的大豆DF有更致密、均匀的结构7，小麦DF经UHP处理后持水率和膨胀率都有较大的提高8。由于不同来源DF的化学组成和结构特性不同，UHP对其改性后的理化性质也值得进一步研究，而目前有关UHP在海带类原料的改性应用还未见报道。本文采用UHP处理海带，研究高压前后以及不同压力、时间对海带的持水力(water holding capacity, WHC)、持油

3、力(oil holding capacity，OHC)、葡萄糖吸附能力(glucose adsorption capacity，GAC)和胆固醇吸附能力(cholesterol adsorption capacity，CAC)的影响，并初步从微观结构和DF含量两方面对其机理进行探讨，从而为UHP工艺在海带产品的开发以及功能性食品的生产研究方面提供理论依据。1.4 数据统计分析所有实验均进行3次平行，结果用平均数标准差表示。采用Excel软件进行数据统计，并用Minitab 19软件进行ANOVA方差分析(P0.05)。2 结果与分析2.1 UHP处理对海带吸附性质的影响2.1.1 UHP对WH

4、C的影响未处理的海带WHC为2226 g/g，经UHP处理后S-K的WHC未见显著差别，而P-K显著提高为原来的1.612.31倍(P0.05)(图1)，最高值达到(63.401.29)g/g，说明UHP能显著提高海带吸水性。经UHP改性后的DF，如小麦麸皮、梨渣和沙果渣, 其WHC分别为未处理原料的1.2814、1.2415和1.17倍16。样品WHC的提高可能与UHP处理后分子结构改变带来的亲水基团的裸露和组织疏松带来的组织滞留水分的能力增强有关8。同时，P-K的WHC随着UHP压力的增加也有显著提高，而只有在300 MPa 时处理时间会造成WHC显著差异(P0.05)，这一结论与朱丹等1

5、6处理小麦麸皮的结果相似。虽然未处理的S-K和P-K在WHC没有显著差异，但经UHP处理后，P-K的WHC得到显著提高，说明原料的物理性状会对吸附性产生影响。经打粉后P-K的分散性、比表面积增加，更容易受到高压的影响，而S-K自身结构排列致密，UHP处理对其比表面积和孔隙率影响不大，亲水基团难以暴露16，因此，UHP未对S-K的WHC产生影响。图1 UHP处理对海带WHC的影响Fig.1 Effect of UHP treatment on the WHC of kelp 注：不同大写字母表示P-K组间数据显著差异(P0.05) 小写字母表示S-K组间数据显著差异(P0.05)(下同)2.1.

6、2 UHP对OHC的影响未处理的P-K的OHC(4 g/g)显著高于S-K(P0.05)(图2)，相对于豆渣(1.5 g/g)、梨渣(1.65 g/g)、红薯(1.6 g/g)等，其OHC也较高。与WHC结果相似，经UHP处理后，P-K的OHC也显著高于S-K,其中经UHP 600 MPa处理10 min后P-K的OHC显著提升到(9.942.13) g/g(P0.05)(图2)，为未处理样品的2.33倍，而其余UHP样品的OHC并无明显变化，这一结论与苗字叶等17采用UHP处理麦麸20 min发现OHC随压强增大而增加的结果不同，推测可能是由于处理时间过短，海带内部的亲油性基团未能完全暴露。

7、2.1.3 UHP对GAC的影响由WHC和OHC数据可见，粉末状P-K的吸附力都要高于S-K,且容易受到UHP处理的影响。因此，后续只选择P-K为原料探讨其他性质。图2 UHP对海带OHC的影响Fig.2 Effect of UHP treatment on the OHC of kelpUHP处理后P-K的GAC都有所提高，其中450 MPa处理10 min样品的GAC最高为(2.740.95) g/g，为未处理样品的11.33倍(P0.05)(图3)，且随着压力的增大呈现先增加再减少的趋势。赵健等6采用UHP处理红薯渣膳食纤维后GAC也有提高。UHP处理使大分子上更多的功能基团，比如侧链上

8、一些醛酸基等亲水的基团暴露出来，提供更多结合位点,使葡萄糖分子与DF之间的范德华力以及氢键作用增大18。饮食中的纤维颗粒可能作为葡萄糖扩散的物理障碍，UHP处理增加了纤维网络对葡萄糖分子的束缚和捕获能力19，在控制葡萄糖扩散率方面起着至关重要的作用。因此，通过UHP处理的海带粉末可以在肠道内形成屏障捕获葡萄糖分子，可以延缓葡萄糖的扩散，推迟肠胃中的葡萄糖吸收，从而有效控制餐后血糖的升高20。图3 UHP处理对P-K的GAC的影响Fig.3 Effect of UHP treatment on the GAC of P-K2.1.4 UHP对CAC的影响高胆固醇是心血管疾病的高危因素，直接影响肝

9、肾功能及动脉粥样硬化发展21。未处理的海带CAC为133.9 mg/g，经UHP处理未造成其显著变化(图4)，其中经450 MPa处理10 min后样品的CAC增加为未处理样品的1.22倍，这一结论与吴长玲等22采用空化射流处理豆渣膳食纤维所得的结果相似。随着UHP处理压力的增加，样品的孔隙度增加，比表面积增大，可暴露更多的亲脂基团与胆固醇结合。但压力过大时，其毛细管力受损致使胆固醇吸附力降低23。图4 UHP处理对P-K的CAC的影响Fig.4 Effect of UHP treatment on the cholesterol-adsorption capacity of P-K2.2 U

10、HP处理对海带吸附性影响机理的初步探讨以上结果表明，UHP处理后的P-K的WHC、OHC和GAC都有了显著提高，但CAC的变化并不明显；而S-K的各种吸附性能都较差，UHP对其影响也并不明显。为探讨UHP处理影响P-K吸附性的机理，现从其DF含量、表观特征等方面来探讨其相关性。2.2.1 UHP处理对海带DF含量的影响DF包括SDF和IDF，SDF在防治心血管疾病、糖尿病、动脉硬化等方面具有良好的作用且优于IDF4。本文对UHP处理前后总DF、IDF和SDF含量的变化进行了分析。结果表明，未处理样品的总DF含量为(61.910.98)g/100g，经UHP处理后的样品总DF含量显著增加(P0.

11、05)，最高值达到(74.820.99)g/100g，为原来的1.21倍(图5-a)。不同压力下，处理5 min的样品中IDF含量显著升高为未处理样品的1.071.10倍(图5-b)，而处理10 min 后的样品SDF含量显著增加为原来的1.471.63倍(图5-c)(P0.05)。赵健等6采用UHP处理红薯渣DF后也发现总DF增加。UHP处理后，海带的空间结构发生变化，IDF的含量首先增加，使得总DF的含量增加。随着处理时间的增长，DF的空间结构再次发生变化，大分子组分的链接键断裂转变为小分子，使得IDF转化为SDF，从而使SDF含量增加24，这与苗字叶等17采用UHP处理梨渣膳食纤维结果相

12、似。XIE等25认为UHP可以降解纤维素，将IDF转化为SDF，使得IDF和SDF再分配，有效地提高了SDF含量。a-总DF；b-IDF；c-SDF图5 UHP处理对海带DF含量的影响Fig.5 Effect of UHP treatment on the content of DF in kelp2.2.2 UHP对海带微观结构的影响UHP处理后海带经扫描电镜研究其微观结构(图6)。未处理的P-K颗粒较大，成不规则片状结构，表面较为光滑(图6-g)；经UHP处理后P-K的表面开始变得粗糙，且出现破碎和断裂,颗粒变小(图6-a图6-f), 当压力为 450 MPa 时颗粒尺寸最小。文献表明，随

13、着UHP压力和处理时间的增加，P-K比表面积和表面孔隙率增加，可能是由于UHP处理过程中P-K的空间结构遭到破坏而变得疏松，颗粒尺寸减小，但当尺寸减小到一定程度，表面活性及吸附性的增加导致部分颗粒开始聚集。总体而言，UHP处理改变了P-K的微观结构，从而对其吸附性产生了影响，这与之前吸附性数据结果相符。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-对照图6 P-K电镜图(600)Fig.6 Scanning electron micros

14、cope (SEM) images of P-K(600)3 结论本文研究了不同压力(300、450、600 MPa)及时间(5、10 min)的UHP处理对P-K以及S-K吸附性质的影响。结果发现，UHP处理后的P-K的WHC、OHC、GAC均显著提高(P0.05)，CAC能力虽无显著变化但略有增加;而S-K的各种吸附性能都较差，UHP对其影响也并不明显。P-K的WHC、OHC和GAC分别显著提高为原来的1.612.31、2.33和11.33倍。随着处理压力和时间的增加，WHC及OHC逐渐增强，而GAC及CAC随处理压强的增加呈现先增加后减小的趋势。经进一步对海带DF含量、种类和微观结构分析，发现处理5 min的样品