红花（Carthamus tinctorius L.）是一年生或越年生的菊科红花属植物，又名红蓝花、刺红花，是新疆特有的经济作物之一，适宜在温暖干燥的环境中生长，具有极强的抗寒性、耐旱性[1]。红花籽是红花的种子，又称为“白平子”[2]。红花籽油含有丰富的不饱和脂肪酸，其中亚油酸的含量最高，达73%～85%，有“亚油酸之王”的称号，对提高免疫力、促进身体代谢，预防心脑血管等疾病有良好的作用[3]。红花籽粕是红花籽榨油后的副产物，颜色呈暗褐色或暗褐色，味道发涩[4]，其中含有大量的生物活性物质（如木质素、黄酮类化合物和5-羟色胺衍生物等）[5]。有研究报道，红花籽粕含有粗蛋白质20%、粗纤维31%，粗蛋白消化率可达78%、粗纤维消化率可达14.3%，由于其较高的营养物质含量和消化率，将红花籽粕添加到动物饲料中，可以提高奶牛的产奶率和肉质[6-7]。但是，国内大量的红花籽粕被直接进行填埋处理，少量被用作动物饲料和肥料，对籽粕利用率很低，造成了极大的资源浪费。
随着国内外对红花营养价值的深入研究，又提出了对红花籽粕的综合利用。目前，对红花籽粕的研究主要集中在蛋白质、抗氧化肽及5-羟色胺及其衍生物的制备和生物活性的研究，但鲜有红花籽粕中膳食纤维的相关研究。红花籽粕中含有31%左右的粗纤维，是膳食纤维的理想来源[8]。膳食纤维（soluble dietary，DF）是指不被人体消化的多糖类碳水化合物和木质素的总称，被称为“第七营养素”，能够促进人体健康[9]。膳食纤维因其良好的持水性、持油性等性质，经常被用作食品添加剂添加到面制品、饮料、肉制品中，以改善食品的稳定性、柔软性，还可以延长食品的货架期。根据水溶性的差异，膳食纤维可分为不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF）和可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）[10]。研究发现，IDF可促进肠道蠕动，增加粪便体积，还能起到预防便秘、肠道癌等作用；而SDF具有更多的生理活性，如降低胆固醇、冠心病、糖尿病、高血脂等疾病的发病率[11]。但是，多数膳食纤维中SDF含量较低，这限制了SDF在食品工业中的发展。
目前，通过物理法、化学法和生物发酵法等改性方法改变膳食纤维的结构组成和理化性质，使膳食纤维具有特定的功能，极大改善了膳食纤维的生理活性[12]。本实验以红花籽粕为原料，使用酸法提取红花籽粕可溶性膳食纤维，分别通过碱-酶法、酶-高温蒸煮法、碱-高温蒸煮法3种改性方式对红花籽粕可溶性膳食纤维进行改性，考察改性后的红花籽粕可溶性膳食纤维持水力、膨胀力、持油力等部分理化性质，并对改性后的红花籽粕可溶性膳食纤维的葡萄糖、阳离子、胆固醇、亚硝酸根离子吸附能力等吸附特性进行分析，以期提高红花籽粕的利用率，为提高红花籽粕的经济价值和缓解红花籽粕废弃物造成的资源浪费和红花籽粕可溶性膳食纤维在食品和保健品中的开发提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
红花籽粕：新疆伊犁州察布查尔县雅其娜农业发展有限公司；纤维素酶（50 000 U/g）：北京奥博星公司产品；大豆油（一级）：市售；体积分数95%的乙醇：邯郸市凯旋医疗器械有限公司；柠檬酸：天津市凯通化学试剂有限公司；NaOH：天津市科密欧化学试剂有限公司。实验所用试剂均为分析纯。
1.2 仪器与设备
TS-110X50恒温水浴振荡箱：常州金坛良友仪器有限公司；R-1005旋转蒸发仪：郑州生化仪器有限公司；DZF-DHG冷冻干燥箱：南京爱华仪器设备有限公司；YXQ-LS-50SII高压灭菌锅：上海申安医疗器械厂；DF-101S磁力搅拌器：河南豫华仪器科技有限公司；UV-1750紫外分光光度计：上海元析仪器有限公司；JA1003电子天平：上海精密科学仪器有限公司；1000A高速万能粉碎机：永康市太阳机电有限公司。
1.3 方法
1.3.1 红花籽粕可溶性膳食纤维的提取
使用酸法提取红花籽粕SDF[13]：烘干的红花籽粕用粉碎机粉碎，过60目筛，取5 g粉碎样品，使用体积分数为1%的柠檬酸溶液100 mL在37 ℃水浴浸提2 h，5 000 r/min离心10 min，取上清液于50 ℃旋转蒸发仪中浓缩至原体积的1/3，浓缩液中加入4倍体积的体积分数95%的乙醇进行醇沉，沉淀在-18 ℃条件下冷冻干燥36 h，得到红花籽粕SDF。
1.3.2 红花籽粕可溶性膳食纤维改性
酶-碱法改性红花籽粕可溶性膳食纤维：取干燥的红花籽粕SDF 2.0 g放入锥形瓶中，按照料液比1∶20（g∶mL）加水混合均匀，加入1%的纤维素酶，在50 ℃条件下50 r/min的恒温水浴振荡箱2 h，90 ℃灭酶5 min，然后加入1%的NaOH浸提2 h，将浸提液5 000 r/min离心10 min，取上清液进行浓缩至原体积的1/3，向浓缩液中加入4倍体积的体积分数95%的乙醇进行醇沉，沉淀在-18 ℃条件下冷冻干燥36 h，得到酶-碱法改性后的红花籽粕SDF，并称质量[14]。
酶-高温蒸煮法改性红花籽粕膳食纤维：取干燥的红花籽粕SDF 2.0 g放入锥形瓶中，按照料液比1∶20（g∶mL）加水混合均匀，加入1%的纤维素酶，50 ℃条件下50 r/min的恒温水浴振荡箱中处理2 h，90 ℃高温灭酶5 min，然后放入到高压灭菌锅中，110 ℃持续20 min，放凉后在5 000 r/min条件下离心10 min，取上清液进行浓缩至原体积的1/3，向浓缩液中加入4倍体积的体积分数95%的乙醇进行醇沉，沉淀在-18 ℃条件下冷冻干燥36 h，得到酶-高温蒸煮法改性后的红花籽粕SDF，并称质量。
碱-高温蒸煮法改性红花籽粕膳食纤维：取干燥的红花籽粕SDF 2.0 g放入锥形瓶中，按照料液比1∶20（g∶mL）加水混合均匀，加入1%的NaOH，50 ℃条件下50 r/min的恒温水浴振荡箱中处理2 h，然后放入高压灭菌锅中，110 ℃持续20 min，放凉后在5 000 r/min条件下离心10 min，取上清液进行浓缩至原体积的1/3，向浓缩液中加入4倍体积的体积分数95%的乙醇进行醇沉，沉淀在-18 ℃条件下冷冻干燥36 h，得到碱-高温蒸煮法改性后的红花籽粕SDF，并称质量。
1.3.3 不同改性方法红花籽粕可溶性膳食纤维理化性质和吸附特性的测定方法
持水力的测定[15]：取1.0 g干燥的红花籽粕SDF样品，记录质量为m1，置于50 mL离心管中，加入40 mL蒸馏水，室温条件下以50 r/min振荡30 min，静置12 h，去上清液，称质量，记录为m2。持水力计算公式如下：
式中：m1为干燥红花籽粕SDF样品的质量，g；m2为湿红花籽粕SDF样品的质量，g。
膨胀力的测定[16]：取1.0 g干燥的红花籽粕SDF样品，置于10 mL刻度试管中，记录样品的体积V0，准确加入5 mL蒸馏水，室温条件下振荡摇匀，静置12 h，记录其膨胀后的体积V1。膨胀力计算公式如下：
式中：V0为干燥样品的体积，mL；V1为吸水膨胀后的体积，mL；m为样品的质量，g。
持油力的测定[17]：取1.0 g干燥的红花籽粕SDF样品，记录质量为m1，置于50 mL离心管中，加入大豆油40 mL混合均匀，室温静置12 h，5 000 r/min离心10 min，倒掉上清液，记录质量为m2。持油力计算公式如下：
式中：m1为干燥样品的质量，g；m2为湿样品的质量，g。
葡萄糖吸附能力的测定[18]：称取1.0 g干燥的红花籽粕SDF样品，记录质量为m；于100 mL葡萄糖溶液（100 mmol/L）中在37 ℃条件下磁力搅拌6 h，5 000 r/min离心15 min，取上清液，采用3,5-二硝基水杨酸比色法（3,5-dinitrosalicylic acid colorimetric，DNS）比色法测定上清液中葡萄糖浓度，以标准葡萄糖溶液为空白对照，测定溶液中的葡萄糖浓度。计算公式如下：
式中：C0为葡萄糖溶液的浓度，mmol/g；C1为上清液中葡萄糖浓度，mmol/L；V为测定时葡萄糖溶液的体积，mL；m为样品的质量，g。
阳离子吸附能力的测定[19]：将干燥的红花籽粕SDF样品浸入0.1 mol/L HCl溶液中，24 h后用蒸馏水去除过量的酸，用10%AgNO3溶液滴定至不含Cl-，进行冷冻干燥。准确称取0.25 g处理过的干燥样品分散于100 mL 15%NaCl溶液中，使用磁力搅拌器搅拌，用酚酞作指示剂，用0.1mol/L NaOH慢慢滴定，待溶液恰好呈现浅红色且30 s不褪色，记录pH的变化。
胆固醇吸附能力的测定[20]：取新鲜鸡蛋蛋黄，用9倍蒸馏水稀释蛋黄搅拌至完全乳化，分别调pH为2和7。取1.0 g红花籽粕SDF样品与分别于不同pH值的25 mL稀释蛋黄液混合，37 ℃连续振荡孵育2 h。取4 mL样液，加入16 mL无水乙醇，4 000 r/min离心20 min，取上清液，采用邻苯二甲酸法测定波长550 nm处上清液中胆固醇含量。
式中：m1和m2分别是吸附前后溶液中胆固醇的含量，μg；m为红花籽粕SDF质量，g。
亚硝酸根离子的吸附作用：取0.1 g样品分别与5 mL 20 μg/mL亚硝酸盐溶液混合，并将溶液的pH分别调节至2.0和7.0（模拟胃和小肠环境）。将混合物在37 ℃恒温条件下反应3 h，2 000 r/min离心5 min，用移液管吸取5.0 mL上清液于具塞比色管中，加入2.0 mL 4 g/L的对氨基苯磺酸溶液，静置5 min，再加入1 mL 2 g/L的盐酸蔡乙二胺溶液，加入蒸馏水至刻度，静置一段时间，在波长538 nm处测定吸光度值，根据亚硝酸盐标准曲线计算出溶液中剩余NaNO2的含量[21]。
式中：m1和m2分别是吸附前后溶液中亚硝酸盐的含量，μg；w为红花籽粕SDF质量，g。
2 结果与分析
2.1 改性方法对红花籽粕SDF理化性质的测定结果
持水力、膨胀力和持油力的大小可以衡量可溶性膳食纤维品质好坏的重要指标。持水力表示膳食纤维在特定的条件下，保留水的能力[22]。由图1可知，酶-碱法、酶-高温蒸煮法、碱-高温蒸煮法改性后红花籽粕SDF的持水力分别为4.74 g/g、3.70 g/g和5.58 g/g，较未改性的红花籽粕SDF持水力（2.28 g/g）分别提高约108%、62%、145%。碱高温蒸煮法改性后红花籽粕SDF的持水力最高，这可能是经过碱-高温蒸煮法处理后膳食纤维结构变得松散，水的结合位点增加，容易吸收更多的水分；或者改性后的SDF转换成吸水性较强的小分子物质。此外，红花籽粕SDF持水力高于红枣膳食纤维（3.16 g/g）[23]、火麻膳食纤维（2.30 g/g）[24]，但低于橙皮渣膳食纤维[25]（7.43 g/g）、竹笋膳食纤维（12.99 g/g）[26]。研究表明，高持水力的SDF可以锁住食品中更多的水分，预防产品脱水，从而提高产品质量[27]。因此，碱-高温蒸煮法改性后红花籽粕SDF持水力最佳。
图1 改性方法对红花籽粕可溶性膳食纤维持水力的影响
Fig. 1 Effect of modification method on water holding capacity of safflower seed meal soluble dietary fiber
膨胀力与膳食纤维中的纤维素的化学结构直接相关，如孔隙率、粒径、离子形式、离子强度等直接相关，改性方式对这些特性有重要影响。由图2可知，酶-碱法、酶-高温蒸煮法和碱-高温蒸煮法改性后的红花籽粕SDF膨胀力分别为3.54 mL/g、2.76 mL/g和3.98 mL/g，较未改性的红花籽粕SDF的膨胀力（1.58 mL/g）提高了124%、75%、152%。可能是高分子聚合物经改性后转换成吸水性较强的SDF，SDF的结构可能更加松散，表面积增大，对水分吸收能力增强，随着酶解和高温蒸煮的进行，SDF部分网络结构遭到破坏，亲水基团暴露增多，使得红花籽粕SDF对水分子的结合和束缚能力表现出更好的效果[28]。综上，碱-高温蒸煮法改性后SDF的膨胀力最好。
图2 改性方法对红花籽粕可溶性膳食纤维膨胀力的影响
Fig. 2 Effect of modification method on swelling capacity of safflower seed meal soluble dietary fiber
由图3可看出，酶-碱法、酶-高温蒸煮法和碱-高温蒸煮法改性后的SDF持油力分别为3.89 g/g、3.10 g/g和4.38 g/g，较未改性的红花籽粕SDF的持油力（2.02 g/g）分别提高了93%、53%、117%。可能是因为经过碱-高温蒸煮法改性处理后红花籽粕SDF的粒度减小，使其对油脂类物质的截留能力增加。因此，碱-高温蒸煮法改性的SDF持油力最佳，与持水力、膨胀力效果一致。
图3 改性方法对红花籽粕可溶性膳食纤维持油力的影响
Fig.3 Effect of modification method on oil holding capacity of safflower seed meal soluble dietary fiber
2.2 改性方法对红花籽粕SDF吸附性能测定结果
2.2.1 改性方法对红花籽粕SDF葡萄糖吸附能力测定的结果
膳食纤维的葡萄糖吸附能力是体外考察在肠道消化过程中膳食纤维对葡萄糖抑制和转运能力的重要指标。不同改性方法对红花籽粕膳食纤维葡萄糖吸附力的影响见图4。
图4 改性方法对红花籽粕可溶性膳食纤维葡萄糖吸附能力的影响
Fig. 4 Effect of modification method on glucose adsorption capacity of safflower seed meal soluble dietary fiber
由图4可知，未改性的红花籽粕SDF的葡萄糖吸附力为6.75 mmol/g，酶-碱法、酶-高温蒸煮法、碱-高温蒸煮法经改性后的红花籽粕SDF葡萄糖吸附力分别提高至13.46 mmol/g、10.73 mmol/g、16.08 mmol/g。葡萄糖吸附力主要受SDF含量的影响，改性效果使红花籽粕SDF含量提高，原因可能是三种改性方式使膳食纤维的结构表面积增大，表面疏松多孔，对葡萄糖吸收力产生积极作用，且与测得的持水力、膨胀力和持油力相对应[29]。目前，研究表明膳食纤维对餐后血糖水平的升高有抑制作用，从而间接对机体脂质代谢进行调控，对预防糖尿病有一定的效果。由此可见，碱-高温蒸煮法改性SDF具有更好的葡萄糖吸附力。
2.2.2 改性方法对红花籽粕SDF阳离子吸附能力测定的结果
膳食纤维结构中的某些基团，能产生类似阳离子交换树脂的作用，可和一些阳离子交换，稀释并延长了离子的转换时间，因此影响了消化道的渗透压、pH等，并提供了缓冲力更强的环境促进消化，维持离子平衡，降低食盐摄入过多而引起的疾病的发生[30]。
由图5可知，当1%NaOH添加量＜1 mL时，三种改性方式处理的红花籽粕SDF溶液pH上升缓慢，当1%NaOH添加量为1～4 mL时，未改性的和三种改性方法都可使溶液pH值上升较快。当1%NaOH添加量＞4 mL时，pH值变化不明显，pH接近11，说明SDF的阳离子交换能力达到饱和。在消耗相同NaOH量时，pH越高则阳离子交换能力越好。由图5曲线的斜率看出，当1%NaOH的添加量在1～4 mL时，不同改性方法对阳离子交换能力的大小：碱-高温蒸煮法＞酶-碱法＞酶-高温蒸煮法＞未改性。
图5 改性方法对红花籽粕可溶性膳食纤维阳离子吸附能力的影响
Fig. 5 Effect of modification method on cation adsorption capacity of safflower seed meal soluble dietary fiber
2.2.3 改性方法对SDF胆固醇吸附能力的测定结果
随着社会不断发展，人们的生活水平不断提高，对高糖高油食品的摄入也有所提高，导致机体内胆固醇含量过高，使得高血压、冠心病等一系列心脑血管疾病正在呈上升趋势，因此降低机体内胆固醇含量成为当前研究的重点[31]。改性方法对红花籽粕SDF胆固醇吸附能力的影响见图6。由图6可知，在pH=2时，未改性组和酶-碱法、酶-高温蒸煮法、碱-高温蒸煮法处理的红花籽粕SDF吸附胆固醇的能力分别为2.99 mg/g、6.38 mg/g、5.03 mg/g、7.68 mg/g。在pH=7时，未改性组和酶-碱法、酶-高温蒸煮法、碱-高温蒸煮法处理的红花籽粕SDF吸附胆固醇的能力分别为5.01 mg/g、9.15 mg/g、8.03 mg/g、10.14 mg/g。碱-高温蒸煮法改性得到的红花籽粕SDF在pH=2和pH=7时对胆固醇吸附力均大于其他改性方法。此外，在模拟肠道环境下（pH=7）红花籽粕SDF对胆固醇的吸附能力明显高于模拟的胃液条件（pH=2），原因可能是酸性条件下H+大量存在，使SDF和胆固醇均携带正电荷，两者之间相互排斥，结合力减弱，导致吸附胆固醇的能力减弱[32]。
图6 改性方法对红花籽粕可溶性膳食纤维胆固醇吸附能力的影响
Fig. 6 Effect of modification method on cholesterol adsorption capacity of safflower seed meal soluble dietary fiber
2.2.4 改性方法对SDF亚硝酸盐吸附力的测定结果
亚硝酸盐在食品行业中应用广泛，起到防腐剂、发色剂等作用，有利于肉制品的保存。但是，亚硝酸盐是一种普遍的致癌物，过量摄入亚硝酸盐可增加致癌的风险，因此降低人体内亚硝酸根离子的含量具有重要意义。改性方法对红花籽粕SDF亚硝酸盐吸附能力的影响见图7。由图7可知，在pH=2条件下，未改性、酶-碱法、酶-高温蒸煮法和碱-高温蒸煮法改性对NO2-的吸附能力依次为35.55 μg/g、47.59 μg/g、42.50 μg/g、56.43 μg/g，在pH=7条件下，未改性、酶法、碱法和高温蒸煮法改性对NO2-的吸附能力依次为14.92 μg/g、25.53 μg/g、20.43 μg/g、30.53 μg/g。结果表明，碱-高温蒸煮法改性可更好防止亚硝酸盐引起的人体中毒。由此还发现，亚硝酸盐的吸附能力在pH=2时，具有更高的吸收能力，这表明红花籽粕SDF在胃液中可吸收更多的亚硝酸根离子。原因是因为在酸性环境中，亚硝酸根和氢离子可结合形成亚硝酸，亚硝酸经过其他反应可生成氮氧化合物，这些氮氧化合物与带附电荷的氧原子结合被吸附，pH升高，SDF中的羧基成游离状态，使SDF负电荷增加，加大对亚硝酸根的排斥力，从而降低SDF的吸附力[33]。
图7 改性方法对红花籽粕可溶性膳食纤维亚硝酸盐吸附力的影响
Fig. 7 Effect of modification method on nitrite adsorption capacity of safflower seed meal soluble dietary fiber
3 结论
本实验研究了酶-碱法、酶-高温蒸煮法、碱-高温蒸煮法3种改性方式对红花籽粕SDF部分理化性质和吸附性的影响。理化性质上，三种改性方法的持水力、膨胀力、持油力均高于未改性的红花籽粕SDF，且碱-高温蒸煮法改性后的红花籽粕SDF的理化性质优于其他两种处理方式，持水力、膨胀力、持油力分别提高了145%、152%、117%，这对改善人体肠道健康和和控制体质量有良好的作用。吸附性能上，通过碱-高温蒸煮法改性后的红花籽粕SDF有较好的葡萄糖吸附力、阳离子吸附力、胆固醇吸附力和亚硝酸盐吸附力，这与测定的理化性质趋势相同。综上，碱-高温蒸煮法改性后的红花籽粕SDF具有更好的理化性质和功能特性。
但是受实验条件的限制，本实验还有些不足，后续还可以继续完善。本实验采用了简单的酶法、碱法、高温蒸煮法相结合的方法对红花籽粕SDF进行改性，后续可采用超微粉碎技术、蒸汽爆破技术和挤压膨化技术等对红花籽粕SDF进行改性，寻找出提高红花籽粕SDF性质和适合工业化发展的方法。由于红花籽粕SDF组分复杂，功能性多样，仅对SDF理化性质和吸附特性进行测定，还不能完全了解红花籽粕的其他相关性质。后续还可以探究红花籽粕膳食纤维中含有的纤维素、半纤维素、木质素和单糖组成之间的关系，结合膳食纤维的粒径变化研究膳食纤维的结构、多孔性和比表面积之间的联系，进而明确改性的机制。
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