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(1.浙江科技學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院,浙江杭州 310023;2.浙江省農(nóng)產(chǎn)品化學(xué)與生物加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州 310023;3.浙江省農(nóng)業(yè)生物資源生化制造協(xié)同創(chuàng)新中心,浙江杭州 310023)

超微粉碎對竹粉膳食纖維功能特性的影響

方吉雷1,2,3,葛青1,2,3,毛建衛(wèi)1,2,3,*,肖竹錢1,2,3,沙如意1,2,3,蔡成崗1,2,3,張徐1,2,3,范煜1,2,3,王建鵬1

(1.浙江科技學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院,浙江杭州 310023;2.浙江省農(nóng)產(chǎn)品化學(xué)與生物加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州 310023;3.浙江省農(nóng)業(yè)生物資源生化制造協(xié)同創(chuàng)新中心,浙江杭州 310023)

超微粉碎,竹粉,膳食纖維,功能特性

膳食纖維[1]被稱為“第七類營養(yǎng)素”,根據(jù)其水溶性可分為可溶性膳食纖維(Soluble Dietary Fiber,SDF)和不可溶性膳食纖維(Insoluble Dietary Fiber,IDF),其具有降低膽固醇、降低血糖、整腸通便等多種有益健康的生理功效。中國是竹之王國,在各種傳統(tǒng)制作和工業(yè)加工過程中,會(huì)產(chǎn)生大量廢棄物,包括材用竹的竹枝、竹葉、竹節(jié)、竹青,以及切割、打磨過程中產(chǎn)生大量竹屑等廢料,這些廢棄物約占整竹的60%以上[2]。竹屑主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)等成分組成,其中纖維素43.54%、半纖維素21.51%、木質(zhì)素22.54%[3-4],此外竹屑還含有黃酮、多酚等活性物質(zhì),是一類良好的膳食纖維補(bǔ)充來源。

由于竹中可溶性膳食纖維的含量較少,竹膳食纖維的生理功能不能得以充分發(fā)揮,為了制備高品質(zhì)的膳食纖維,提高膳食纖維的理化特性,需采用改性手段使膳食纖維可溶性成分增加,以增強(qiáng)其活性功能。超微粉碎是一項(xiàng)新型的食品加工改性技術(shù)[5],超微粉碎將膳食纖維粉碎至微米甚至納米級的粉末,以增大膳食纖維比表面積和孔隙率,使水溶性膳食纖維的含量增加,改善其功能活性。我國在超微粉碎方面的研究較多,楊健等[6]研究小米麩皮膳食纖維超微粉碎的物理特性,研究發(fā)現(xiàn),超微粉碎后膳食纖維微粉的膨脹力、持水力、陽離子交換能力等性質(zhì)均較原粉有較大提高,其中D50≤23.465 μm微粉的綜合指標(biāo)最佳。高虹等[6]研究超微粉碎對香菇柄中多糖溶出率、膳食纖維含量和物理特性的影響,結(jié)果表明超微粉碎處理后的香菇柄多糖溶出率提升了1倍多,可溶性膳食纖維含量由5.66%提高到15.64%。本實(shí)驗(yàn)以毛竹竹屑為原料,通過酶法[7]去除竹粉中的淀粉和蛋白,制備高品質(zhì)的膳食纖維,并研究不同粉碎粒度對竹粉膳食纖維理化特性的影響,為竹粉膳食纖維的開發(fā)利用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

毛竹竹屑 安吉利信生物能源有限公司提供;耐高溫α-淀粉酶(液體,活力≥20000 U/mL) 上海金穗生物科技有限公司提供;中性蛋白酶(固體,活力≥4000 U/g) 上海源葉生物科技有限公司提供;膽酸鈉 上海長哲生物科技有限公司提供;硫酸、丙酮、乙醇等試劑 均為國產(chǎn)分析純;食用油 市售。

UDK159凱氏定氮儀 VELP公司;RHP-600型高速多功能粉碎機(jī)(29000 r/min) 浙江榮浩工貿(mào)有限公司;CJM-SY-B高能納米沖擊磨 秦皇島市太極環(huán)納米制品有限公司;LS-POP(VI)激光粒度分析儀 珠海歐美克儀器有限公司;UV-5500PC紫外分光光度計(jì) 上海元分析儀器有限公司;V70紅外光譜儀 BRUKER公司;S-4800掃描電鏡 日本Hitachi公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 竹粉膳食纖維的制備 毛竹竹屑經(jīng)65 ℃烘干后粗粉碎,過20目分子篩得竹粉粗粉,置于封口袋中冷凍儲(chǔ)藏,備用。取粗粉置于高腰燒杯中,加入0.2%耐高溫α-淀粉酶,在pH6.0的磷酸鹽緩沖溶液下于95 ℃水浴15 min,過濾漂洗,再于60 ℃下用中性蛋白酶水解30 min,沸水浴滅酶10 min,調(diào)節(jié)pH至中性,加入4倍體積95%乙醇,靜置過夜,在4600 r/min下離心30 min,65 ℃烘干得到膳食纖維原粉[7]。

1.2.2 竹粉膳食纖維的超微粉碎及其結(jié)構(gòu)檢測

1.2.2.1 竹粉膳食纖維的超微粉碎 取適量原粉置于CJM-SY-B高能納米沖擊磨中,溫度23 ℃,球料比為10∶1 (g/g),球磨1、2、3、4、5、6 h獲得不同時(shí)間段的竹粉膳食纖維。

1.2.2.2 竹粉膳食纖維的粒徑測定 采用干發(fā)激光粒度分析儀測定膳食纖維的粒徑、粒徑分布。粒徑大小用平均粒徑表示,粒徑均用粒度分布離散度來衡量。D90、D50、D10分別表示一個(gè)樣品的累計(jì)粒度分布百分?jǐn)?shù)分別達(dá)到90%、50%、10%時(shí)所對應(yīng)的粒徑大小[13-14]。

1.2.2.3 掃描電鏡觀察 用戊二醛將待測樣品進(jìn)行固定,再用離子濺射儀對樣品表面進(jìn)行鍍金,將其置于掃描電鏡下觀測形態(tài),加速電壓為15 kV。

1.2.2.4 竹粉膳食纖維紅外光譜測試實(shí)驗(yàn) 探究超微粉碎前后竹粉膳食纖維其結(jié)構(gòu)特征的變化情況,取原粉和6 h樣品在瑪瑙研缽中與溴化鉀研磨混合均勻后,在壓片機(jī)中制片,檢測結(jié)構(gòu)特征。

1.2.3 竹粉膳食纖維成分的測定 按照國家標(biāo)準(zhǔn)食品中膳食纖維的測定方法AOAC911.43[8]測定可溶性膳食纖維(SDF)、不可溶性膳食纖維(IDF)和總膳食纖維含量(TDF)。按照GB 50093-2010[9]測定膳食纖維中的水分含量。按照GB 50094-2010[11]測定膳食纖維中的灰分含量。按照GB 5009.5-2010[11]測定膳食纖維中的蛋白質(zhì)含量。按照GBT 5009.6-2003[12]測定膳食纖維中的脂肪含量。

1.2.4 竹粉膳食纖維物化特性的測定

1.2.4.1 持水力(WHC)的測定 準(zhǔn)確稱取1.0000 g樣品置于100 mL燒杯中,加入70 mL蒸餾水后電磁攪拌24 h,然后以3000 r/min的速度離心30 min,去上清液后稱量樣品的質(zhì)量[16]。

式(1)

1.2.4.2 膨脹力(SC)的測定 準(zhǔn)確稱取膳食纖維 1.0000 g,置于10 mL 量筒中移液管準(zhǔn)確移取5 mL 蒸餾水加入其中。振蕩均勻后放置24 h,讀取液體中膳食纖維的體積[16]。

式(2)

1.2.4.3 持油力(OHC)的測定 取1.0000 g膳食纖維于離心管中,加入食用油20 mL,振蕩均勻后放置1 h,4000r/min 離心20 min,去掉上層油,殘?jiān)脼V紙吸干游離的油,稱量[16]。

式(3)

1.2.4.4 膽酸鈉吸附能力的測定 采用糠醛比色法[17]測定膽酸鈉含量。

表1 竹粉膳食纖維粉碎前后其粒度大小的測試結(jié)果Table 1 Particle sizes of dietary fiber in Bamboo powder before and after ultrafine comminution

注:大寫字母表示不同粉碎時(shí)間相同樣品間差異性,小寫字母表示不同粉體平均粒徑的顯著性,p<0.05。

繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線:依次加入不同濃度的膽酸鈉標(biāo)準(zhǔn)液 1 mL、45%的硫酸 6 mL,混合均勻,再加入0.3%的糠醛 1 mL,pH7.0(模擬人體腸道環(huán)境),混合均勻,置于65 ℃恒溫水浴中反應(yīng) 30 min,冷卻至室溫后于620 nm處測定吸光度。制得標(biāo)準(zhǔn)曲線為:y=0.0206x+0.0571(R2=0.9958)。

測定吸附膽酸鈉含量:準(zhǔn)確稱取0.3000 g膳食纖維樣品置于各帶塞試管中,加入膽酸鈉標(biāo)準(zhǔn)液20 mL,水浴1、2、3、4、5、6 h,離心取上清液1 mL,加入45%的硫酸6 mL、0.3%的糠醛 1 mL,pH7.0(模擬人體腸道環(huán)境),混合均勻,置于65 ℃恒溫水浴中反應(yīng) 30 min,冷卻至室溫后于620 nm處測定吸光度,用標(biāo)準(zhǔn)曲線得出樣液中的膽酸鈉濃度。

測定亞硝酸根離子含量:取250 mL的錐形瓶,加入2.0000 g膳食纖維,反應(yīng)總體積設(shè)定為100 mL,NO2-的反應(yīng)濃度為30 μg/mL,反應(yīng)環(huán)境的pH為2.0(模擬胃環(huán)境),置溶液于磁力攪拌器上,于37 ℃恒溫條件下攪拌,反應(yīng)1 h立即過濾。取濾液5 mL,測定其中的NO2-的濃度。

1.3數(shù)據(jù)處理

每個(gè)樣品設(shè)3個(gè)平行,采用Origin8.0和Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。測定結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用無重復(fù)雙因素方差分析,以p<0.05為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1超微粉碎時(shí)間對粒度分布的影響

從表1可知,超微粉碎前累積分布曲線上占顆粒總量10%、25%、50%、75%和90%所對應(yīng)的粒徑分別為39.10、64.38、104.84、148.12、188.04 μm,經(jīng)過超微粉碎后,各樣品粒徑都大幅度減少,小顆粒物質(zhì)所占比重增加。在超微粉碎3 h,占顆粒總量10%、25%、50%、75%和90%所對應(yīng)的粒徑分別為11.05、19.09、32.32、51.59、77.61 μm,而4、5、6 h在D10、D25、D50、D75和D90粒徑都相應(yīng)增加,其原因可能是強(qiáng)烈的機(jī)械作用使顆粒粒徑越來越小,讓表面原子能量處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因而顆粒趨于聚在一起,形成二次顆粒和三次顆粒,從而在此時(shí)間段發(fā)生了團(tuán)聚[19]現(xiàn)象。

從圖1a和圖1b看出,超微粉碎后相較原粉粒徑明顯減小(p<0.05),分布變窄,且隨著粉碎時(shí)間的增加,粉體顆粒更趨向均勻一致性。原粉的平均粒徑在140 μm左右,超微粉碎后的平均粒徑在40 μm左右,明顯降低。原粉的粒度分布集中在100～250 μm,而超微粉碎后的粒度分布集中在20～50 μm,其中3 h粒徑分布最小,4、5、6 h的粒徑較3 h的粒徑都少量增加,說明在此時(shí)間段發(fā)生了團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖1 原粉膳食纖維和超細(xì)粉碎后膳食纖維粒徑分布情況Fig.1 Distribution situation of the particle diameters of the original powder dietary fiber and superfine grinding dietary fiber

2.2超微粉碎處理前后的SEM分析

從圖2中可以看出,在同樣放大2000倍下,原粉粒徑達(dá)100 μm以上,超細(xì)粉碎后顆粒達(dá)幾十微米。原粉可看到較完整的結(jié)構(gòu),而粉碎后的結(jié)構(gòu)支離破碎,呈不同規(guī)則形狀的小團(tuán)塊,有些小的團(tuán)塊相互黏在一起變成細(xì)長體,結(jié)合粒度儀分析結(jié)果,可能此處發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。由于納米顆粒粒徑越來越小,使表面原子能量處于不穩(wěn)定狀態(tài),因而顆粒趨于聚在一起。圖A1和圖B1看出,粉碎后顆粒粒徑明顯減小,達(dá)到兩個(gè)數(shù)量級,與激光粒徑儀測量結(jié)果相符合。圖A2和B2比較看出,同樣放大5×104倍,原粉顆粒表面比較平滑均勻,而處理后的粉體顆粒表面不再平滑均勻,變得凹凸不平,說明超微粉碎使顆粒表面的結(jié)構(gòu)破壞,增大顆粒的比表面積。

圖2 原粉和超細(xì)粉碎后竹粉的SEM圖Fig.2 The morphology of bamboo powder of the original powder and superfine grinding dietary fiber注:圖A1、圖A2為原粉,對其放大2×103倍的電鏡結(jié)果;B1、B2為超微粉碎6 h的竹粉,對其放大5×104倍的電鏡結(jié)果。

表2 不同粒度竹粉膳食纖維各組成成分的含量(%)Table 2 Contents of main components in different particle sizes of bamboo powder dietary fiber(%)

2.3超微粉碎處理前后竹粉膳食纖維的紅外光譜比較

紅外光譜的吸收峰位移與膳食纖維各化學(xué)鍵有著重要關(guān)系[30]。根據(jù)相關(guān)竹纖維的紅外資料[20]和圖3,發(fā)現(xiàn)超微粉碎對竹粉膳食纖維中主要官能團(tuán)結(jié)構(gòu)并無較大影響,均有強(qiáng)的O-H伸縮振動(dòng)峰、C-H伸縮振動(dòng)峰等。但由于超微粉碎,物質(zhì)大分子受強(qiáng)機(jī)械力作用,發(fā)生分子鏈斷裂,使氫鍵等基團(tuán)暴露,粉碎前后的各振動(dòng)峰也有相應(yīng)變化。

圖3 竹粉膳食纖維的紅外光譜Fig.3 Infrared spectrum of bamboo dietary fiber

3400 cm-1左右的峰是O-H伸縮振動(dòng)峰,是由一些游離羥基和氫鍵締合形成的伸縮振動(dòng)吸收,是所有纖維素的特征譜帶。原粉為3441 cm-1,而超微粉碎處理后在3430 cm-1,羥基峰紅移,強(qiáng)度變大,說明超微粉碎后氫鍵作用增強(qiáng)。1700～1780 cm-1區(qū)間有一波峰,這是羰基峰和水分吸收峰組合而成的振動(dòng)峰,代表存在半纖維素。1500～1570 cm-1是苯環(huán)的特征峰,而竹粉中只有木質(zhì)素存在苯環(huán),說明存在木質(zhì)素。1000 cm-1是竹粉膳食纖維中典型的糖類吸收峰,為半纖維素和纖維素中C=O伸縮振動(dòng)峰[20],由于超微粉碎后,分子鏈斷裂,分子聚合度減小更多糖苷鍵暴露,此糖類特征吸收峰強(qiáng)度加強(qiáng)、峰型變尖銳。

2.4超微粉碎對竹粉膳食纖維組分的影響

從表2中可以看出,不同粒徑的竹粉,其成分含量也有所不同,膳食纖維顆粒大小與其SDF和IDF的含量呈規(guī)律性變化。但無論何種粒徑,其主要成分均是IDF,隨著粒度的減小,膳食纖維的SDF含量增加,IDF的含量逐漸降低。大量研究表明[21-24],高品質(zhì)膳食纖維SDF應(yīng)大于10%,SDF/IDF的合理比約為1∶3[25],超微粉碎獲得的各種粒徑竹粉膳食纖維,其SDF/IDF在0.007405～0.0939之間變化,其中25 μm以下的膳食纖維其SDF為7.1027%,SDF/IDF為0.0939,與原粉相比,SDF含量明顯增加。經(jīng)超微粉碎之后,不可溶性膳食纖維的結(jié)構(gòu)被破壞,結(jié)晶度高的長鏈被打斷,使得其中不溶性成分減小,同時(shí)超微粉碎使物料的粒度減小、比表面積增大,親水基團(tuán)暴露率增大,從而提升了可溶性膳食纖維的比率[6]。而低溫下的機(jī)械作用不會(huì)造成蛋白質(zhì)變性及其含量變化,同時(shí)也不會(huì)使脂肪流失,因此蛋白質(zhì)和脂肪含量變化不明顯。

2.5超微粉碎對竹粉膳食纖維物化特性的影響

2.5.1 不同粒度竹粉膳食纖維對WHC、SWC、OHC的影響 從圖4、圖5和圖6中可知,隨著竹粉粒徑的減少,持水力(WHC)和溶脹力(SWC)都顯著變化(p<0.05),其中持水力增長幅度較大,原粉WHC為2.76 g/g,而粒徑25 μm以下竹粉的WHC為4.90 g/g,提高了77%,而對SWC,粒徑25 μm以下的竹粉較原粉有顯著提高。這可能是在粉碎的過程中,強(qiáng)的作用力使得膳食纖維的長鏈斷裂,更多的親水基團(tuán)暴露出來與水接觸的結(jié)果。對于持油率(OHC),隨著粒徑的減少,持油率先增加后降低。這可能是因顆粒過于細(xì)小,細(xì)胞破損比例增加,反而它對油脂的束縛能力也變小,OHC下降。

圖4 不同粒度竹粉膳食纖維對持水力的影響Fig.4 Effect of different size bamboo powder dietary fiber on WHC注:圖4中小寫字母表示相同樣品不同粒徑程度的差異性,p<0.05,圖5～圖8同。

圖5 不同粒度竹粉膳食纖維對膨脹力的影響Fig.5 Effect of different size bamboo powder dietary fiber on SWC

圖6 不同粒度竹粉膳食纖維對持油力的影響Fig.6 Effect of different size bamboo powder dietary fiber on OHC

2.5.2 不同粒度竹粉膳食纖維對膽酸鈉的吸附作用 膳食纖維可通過在腸道內(nèi)與膽酸鹽吸附結(jié)合,來降低腸道內(nèi)膽汁酸的濃度,從而降低血脂含量[26]。超微粉碎后膳食纖維有更多的親水基團(tuán)暴露出來,能與膽汁酸較容易螯合成穩(wěn)定的物質(zhì)。

從圖7中可知,隨著4種不同粒度范圍的竹粉膳食纖維與膽酸鈉反應(yīng)時(shí)間的增長,溶液中膽酸鈉的含量均有不同幅度的降低,最后在5～6 h時(shí)達(dá)到吸附平衡。超微粉碎處理后的膳食纖維吸附量比處理前的膳食纖維吸附量顯著增加(p<0.05)。粒度為120～830、48～120、25～48和25 μm以下的4中膳食纖維達(dá)到吸附平衡時(shí)膽酸鈉濃度分別為0.8885、0.6076、0.5036和0.4722 g/L,25 μm以下的膳食纖維吸附量達(dá)到0.7084 g/L,是原粉吸附量的1.43倍。

圖7 不同粒度竹粉膳食纖維對膽酸鈉的吸附影響Fig.7 Effect of particle size on sodium cholate adsorption ability of dietary fiber in bamboo powder

2.5.3 不同粒度竹粉膳食纖維對亞硝酸根離子的吸附作用 大量的研究[27-29]表明,膳食纖維的攝入和胃腸道癌癥的發(fā)生呈負(fù)相關(guān)。不可溶纖維能增大腸道內(nèi)容物體積,減小致癌物濃度;可溶性纖維能加快胃腸道排空,減少致癌物在胃腸道的吸收時(shí)間,這些因素共同作用能減少腸道對致癌物的吸收[29]。

圖8 不同粒度竹粉膳食纖維對亞硝酸根離子的吸附影響Fig.8 Effect of particle size on Nadsorption ability of dietary fiber in bamboo powder

3 結(jié)論

參照GB/T 5009.88-2008 《食品中膳食纖維的測定》測定超微粉碎處理下不同粒徑的竹粉膳食纖維中膳食纖維的含量,竹粉膳食纖維主要成分均是IDF(75%以上),且隨著粒徑越小,IDF含量下降,SDF含量升高。粒徑25 μm以下的膳食纖維,其SDF含量有7.1027%,比原粉的SDF含量有顯著提高(p<0.05)。經(jīng)過不同時(shí)間的超微粉碎處理,膳食纖維的平均粒徑D50達(dá)到35 μm,粒徑范圍相對集中,分布較均勻。由于在粉碎的過程中,強(qiáng)的作用力使得膳食纖維的長鏈斷裂,比表面積增大,更多的活性基團(tuán)暴露出來,使竹粉膳食纖維的功能特性大大改善。持水力、膨脹力、對亞硝酸根離子的吸附和對膽酸鈉的吸附均明顯增強(qiáng),活性大大增強(qiáng)。研究結(jié)果表明,超微粉碎技術(shù)能大幅增加竹粉膳食纖維的可溶性含量,改善其功能特性,為竹屑廢棄物的深度開發(fā)利用提供了一條可行的途徑,同時(shí)為進(jìn)一步的竹粉膳食纖維加工改性研究提供參考價(jià)值。

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Effectofsuperfinepulverizingonpropertiesofbamboopowderdietaryfiber

FANGJi-lei1,2,3,GEQing1,2,3,MAOJian-wei1,2,3,*,XIAOZhu-qian1,2,3,SHARu-yi1,2,3,CAICheng-gang1,2,3,ZHANGXu1,2,3,FANYu1,2,3,WANGJian-peng1

(1.School of Biological and Chemical Engineering,Zhejiang University of Science & Technology,Hangzhou 310023,China;2.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Chemical and Biological Processing Technology of Farm Products,Hangzhou 310023,China;3.Collaborative Innovation Center of Agricultural Biological Resources Biochemical Manufacturing of Zhejiang Province,Hangzhou 310023,China)

superfine pulverizing;bamboo powder;dietary fiber;functional properties

2017-01-16

方吉雷(1992-),男,碩士研究生,研究方向:生物質(zhì)資源利用技術(shù)與工程,E-mail:18257344870@163.com。

*通訊作者:毛建衛(wèi)(1964-),男,碩士,教授級高級工程師,研究方向:生物質(zhì)資源利用技術(shù)與工程,E-mail:zjhzmjw@163.com。

2011開放基金項(xiàng)目(2016KF0037,2016KF0110);浙江省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2015C02031);浙江科技學(xué)院研究生科研創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2016YJSKC019)。

TS201.1

:A

:1002-0306(2017)17-0050-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.17.010