Effects of Modification Methods on the Structural and Functional Properties of Lemon Peel Residue Powders
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摘要: 为提高柠檬皮渣粉的品质及柠檬加工副产物综合利用率，本研究采用微波、高速剪切、超微粉碎三种方式对柠檬皮渣粉进行改性，通过扫描电镜、傅里叶红外光谱、热重分析对改性前后的形态结构、热稳定性进行分析，并对理化、功能特性进行测定以评价不同改性柠檬皮渣粉的综合品质。结果表明，三种改性使柠檬皮渣粉结构变得疏松；改性后主要官能团未发生明显变化；微波、高速剪切处理显著提高了柠檬皮渣粉的热稳定性（P<0.05）。整体而言，经高速剪切改性的柠檬皮渣粉各项理化、功能特性均为最佳，其总膳食纤维含量（Total dietary fiber，TDF）、可溶性膳食纤维（Soluble dietary fiber，SDF）含量、持水力、持油力、膨胀力分别为81.88%、33.07%、20.05 g/g、2.00 g/g、34.99 mL/g，并具有最佳的阳离子交换能力、延迟葡萄糖透析的能力、吸附葡萄糖能力、吸附胆固醇能力，因此具有与膳食纤维（Dietary fiber，DF）类似的理化和功能特性。相关性分析提示，柠檬皮渣粉中SDF含量与各理化、功能指标之间呈极显著正相关（P<0.01）。综上，提高SDF含量可作为改善柠檬皮渣粉品质的一个参考指标，经高速剪切改性后的柠檬皮渣粉具有作为优质DF来源的潜力，这可为提高柠檬皮渣粉的品质及其作为潜在的功能性食品配料提供一定理论参考。Abstract: In this study, lemon peel residue powders were modified by microwave, high-speed shear and ultra-fine grinding, respectively, to improve its quality and the comprehensive utilization rate of lemon processing by-products. The morphological structure and thermal stability before and after modification were characterized by scanning electron microscopy, Fourier infrared spectroscopy and thermogravimetric analysis. The physicochemical and functional properties were measured to evaluate the overall quality of the lemon peel residue powders after different modifications. The results showed that the structure of lemon peel residue powders was loosened after these three modifications and the main functional groups were not significantly changed after the modification. The thermal stability of lemon peel residue powders was significantly improved after microwave and high-speed shear modification (P<0.05). Overall, the physicochemical and functional properties of the lemon peel residue powders modified by high-speed shearing were the best. Its total dietary fiber (TDF), soluble dietary fiber (SDF), water holding capacity, oil holding capacity and swelling capacity were 81.88%, 33.07%, 20.05 g/g, 2.00 g/g and 34.99 mL/g, respectively, as well as had the best cation exchange capacity, ability to delay glucose dialysis, glucose adsorption capacity, and cholesterol adsorption capacity, and therefore had similar physicochemical and functional properties to dietary fiber (DF). Correlation analysis suggested a highly significant positive correlation between the SDF content in lemon peel residue powders and each physicochemical and functional index (P<0.01). In conclusion, increasing the SDF content could be used as a reference indicator to improve the quality of lemon peel residue powders, and the lemon peel residue powders modified by high-speed shear had the potential to be a high quality source of DF, which could provide some theoretical reference to improve the quality of lemon peel residue powder and its potential as functional food ingredient.
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柠檬皮渣是柠檬加工过程中未被有效利用的主要副产物，约占柠檬重量50%以上[1]，其含有丰富的膳食纤维（Dietary fiber，DF）、维生素C、黄酮、多酚类等生物活性成分[2]，其中含量最高的是膳食纤维，高达50%以上[3]，是所有柑桔类原料中膳食纤维含量最高的品种[4]。目前柠檬皮渣被广泛用于制备膳食纤维，然而提取膳食纤维往往需要使用大量酸、碱、各类酶制剂等，处理不当会污染环境[5]，同时皮渣中性质不稳定的生物活性成分也会在制备过程中因为酸、碱、高温等原因大量损失。膳食纤维根据溶解性可分为可溶性膳食纤维（Soluble dietary fiber，SDF）和不可溶性膳食纤维（Insoluble dietary fiber，IDF），相较于IDF，SDF具有更好的口感和更为优质的水合性质、吸附特性、离子交换能力，对DF发挥生理功能起着更重要的作用[6]。然而，大量相关报道显示提取制备的柠檬皮渣膳食纤维中SDF含量远低于IDF含量[7−9]，这就导致其口感较差，并且在食品配料中生理功能的发挥也受到限制，因此限制了其在食品领域中的广泛应用。而有关报道指出改性膳食纤维能提高膳食纤维纯度以及SDF含量，而SDF含量的增加会显著提升膳食纤维的结构和理化功能特性[10]。因此，若直接对柠檬皮渣改性以提高其膳食纤维、SDF含量，使其具有膳食纤维类似的特性，不仅能避免提取膳食纤维中的诸多不利因素，同时还省去了繁琐的制备过程，并有望直接获得品质较佳的柠檬膳食纤维，这也能最大限度利用柠檬皮渣的有效成分。
膳食纤维的改性方法有生物法、化学法、物理法。其中，物理改性具有成本低、操作简单、更容易实现工业规模化的优点，因而被广泛使用[10]。据相关报道，微波、高速剪切、超微粉碎这三种物理改性方法均对DF的品质有较好的改良效果，黄嘉仪[11]对柑橘皮渣纤维进行高速剪切处理后其SDF含量、持水力、膨胀力均提高，比表面积增加；Gan等[12]采用微波对柚子皮纤维进行改性后，其SDF含量、吸附葡萄糖能力、吸附胆固醇能力均提高；Yan等[13]采用超微粉碎处理寒富苹果渣后，其SDF含量、持水力、持油力均提高。
目前关于柠檬皮渣改性的报道非常少，改性前后其结构、理化特性和功能特性变化尚不清楚。为此，本实验以柠檬皮渣粉为原料，针对其中SDF含量偏低的缺点，采用微波、高速剪切、超微粉碎三种方式对其进行改性，分析改性前后柠檬皮渣粉的结构表征和功能特性，筛选出最佳的改性方法以期获得品质较佳的柠檬膳食纤维，同时为柠檬皮渣的高值化利用提供依据。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
柠檬 产于四川安岳，采收于2022年10月；新鲜鸡蛋 市售；道道全菜籽油 湖南巴陵油脂有限公司；葡萄糖、胆固醇 标准品，上海源叶生物科技有限公司；NaOH、NaCl、Al(NO3)3、NaNO2、NaCO3、HCl、NaHCO3、无水乙醇、冰醋酸、邻苯二甲醛、浓硫酸、DNS试剂、福林酚试剂（均为分析纯）、溴化钾（光谱纯） 成都市科龙化工试剂厂。
800A多功能粉碎机 永康市红太阳机电有限公司；1900岛津双光束紫外分光光度计、DTG-60差热-热重分析仪 日本岛津中国分公司；MM440混合型球磨仪 长沙米淇仪器设备有限公司；K1100自动凯氏定氮仪、SH420石墨消解仪 山东海能科学仪器有限公司；SX-8-10箱式电阻炉 天津市泰斯特仪器有限公司；TGL-16高速冷冻离心机 四川蜀科仪器有限公司；S-320pH计 成都世纪方舟科技有限公司；BPG-9270A鼓风干燥箱 上海一恒科技有限公司；蔡司Supra55扫描电镜 德国卡尔蔡司公司；APV-1000高速剪切机 丹麦APV公司；金牛4010微波消解仪 上海屹尧仪器科技发展有限公司；Nicolet傅里叶变换红外光谱仪 上海力晶科学仪器有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 柠檬皮渣粉的制备
参考黄清霞等[1]的方法，并作适当修改。新鲜柠檬清洗干净后去油胞，再破碎去汁，取果皮、残渣切碎后置于95%乙醇浸提90 min（去除一些小分子可溶性物质，使皮渣中膳食纤维成分更有效地沉淀下来），过滤后将得到的滤渣冷冻干燥至恒重，再粉碎过80目筛，得到未改性的柠檬皮渣粉，简称CK。
1.2.2 柠檬皮渣粉的改性
1.2.2.1 微波改性
参考谢靓[14]的方法，作适当修改。称取1 g柠檬皮渣粉，按料液比1:20（g:mL）加入蒸馏水并搅拌均匀，用1 mol/L NaOH溶液调节pH5，在微波温度115 ℃条件下处理4 min，待冷却后加入4倍体积的无水乙醇，醇沉60 min，以8000 r/min的转速离心15 min，取沉淀在50 °C下烘干，粉碎，过80目筛，命名为WBF。
1.2.2.2 高速剪切改性
参考黄嘉怡[11]的方法，作适当修改。称取5 g柠檬皮渣粉，按料液比1:25（g:mL）加入蒸馏水并搅拌均匀，1 mol/L NaOH溶液调节pH7，在剪切转速10000 r/min条件下处理6 min，冷却至室温，加入4倍体积的无水乙醇，醇沉60 min，以8000 r/min的转速离心15 min，取沉淀在50 ℃下烘干，粉碎，过80目筛，命名为GQF。
1.2.2.3 超微粉碎改性
参考史早等[15]的方法，作适当修改。称取5 g柠檬皮渣粉于球磨罐中，在振动频率25 Hz的条件下粉碎20 min，命名为CWF。
1.2.3 柠檬皮渣粉的结构表征
1.2.3.1 扫描电镜观察
取少量样品，置于载物台上，表面喷金处理提高导电性，观察在放大倍数10000时的形貌微观结构[16]。
1.2.3.2 傅里叶红外光谱分析
取样品1 mg于玛瑙研钵中，加入100 mg溴化钾，在研磨后压片，进行红外光谱扫描，分辨率为4 cm−1，扫描范围：4000～400 cm−1[17]。
1.2.4 热重分析
取样品3~5 mg，采用热重法在充氮条件下测定其热力学性质。仪器参数：升温速率10 ℃/min，测定范围40～600 ℃[17]。
1.2.5 柠檬皮渣粉中膳食纤维含量的测定
膳食纤维包括总膳食纤维（Total dietary fiber，TDF）、SDF、IDF，其含量测定依据GB 5009.88-2014《食品中膳食纤维的测定方法》。
1.2.6 柠檬皮渣粉理化特性的测定
1.2.6.1 持水力（Water holding capacity，WHC）的测定
参考Zhang等[18]的方法，稍作调整。准确称取0.5 g（M）样品（精确到0.001 g）于50 mL离心管（M1）中，加入35 mL蒸馏水，振荡使其混匀，放置24 h，在8000 r/min的条件下离心15 min，弃上清液，称重（M2）。通过式（1）进行计算。
(1) 1.2.6.2 持油力（Oil holding capacity，OHC）的测定
参考Chu等[19]的方法，稍作调整。称取样品1 g（M0）倒入50 mL离心管（M1）中，加入20 g食用油，搅拌均匀后放置24 h，8000 r/min离心20 min，将上清液全部倒出，称离心管与湿粉质量（M2）。根据式（2）进行计算。
(2) 1.2.6.3 膨胀力（Swelling force，SC）的测定
参考黄嘉仪[11]的方法进行测定。称取样品0.2 g（M0），置于10 mL试管中，记录下粉体体积V1（mL），向试管内加入10 mL蒸馏水，振荡均匀后静置24 h，记录粉体溶胀后体积V2（mL）。根据式（3）进行计算。
(3) 1.2.7 柠檬皮渣粉功能特性的测定
1.2.7.1 阳离子交换能力（Cation exchange capacity，CEC）的测定
参考王崇队等[20]的方法，适当修改。将适量的待测样品浸没于0.1 mol/L HCl溶液中，放置24 h过滤，并用蒸馏水多次冲洗残渣以除去多余的酸 （用质量分数10%的AgNO3溶液鉴定，至不含Cl−为止），然后干燥。称取干燥后的样品0.5 g于烧杯中，加入100 mL 5%的NaCl溶液，在转速400 r/min下，磁力搅拌5 min后，用0.1 mol/L NaOH溶液滴定，记录pH。以样品液pH达到7.0时, 每克样品所消耗0.1 mol/L NaOH的量来衡量阳离子交换能力。根据式（4）进行计算。
(4) 式中：V为0.1 mol/L NaOH体积，mL；M为样品质量，g。
1.2.7.2 葡萄糖吸附能力（Glucose adsorption capacity，GAC）的测定
参考Peerajit等[21]的方法，作适当修改。将1 g样品（经80%乙醇在转速100 r/min下振荡60 min后抽滤并再用80%乙醇洗两次）加入到30 mL 50 mmol/L葡萄糖溶液中，37 ℃在转速100 r/min下振荡5 h，于4000 r/min条件下离心20 min，取上清液，对照组设置为不含样品，采用DNS法进行测定。根据式（5）进行计算。
(5) 式中：C1为吸附前葡萄糖含量，mg；C2为吸附后葡萄糖含量，mg；M为样品干重，g。
1.2.7.3 葡萄糖透析延迟指数（Glucose dialysis retardation index，GDRI）的测定
参考黄清霞等[1]的方法。在15 mL 2%的葡萄糖溶液中加入400 mg的样品（用80%的乙醇洗两次），经过1 h的搅拌后转移到12 cm长的透析袋中，放于装有400 mL蒸馏水的烧杯中透析，连续振荡1 h，每10 min测定透析液中的葡萄糖含量，对照组设置为不含样品，根据式（6）进行计算。
(6) 1.2.7.4 胆固醇吸附能力（Cholesterol adsorption capacity，CAC）的测定
参考谢靓[14]的方法，作适当修改。取鸡蛋蛋黄，加9倍质量的蒸馏水搅打成乳液状。称取1 g样品混合20 mL蛋黄乳液，震摇均匀后，分别调节pH至2.0和7.0，在37 ℃下振荡2 h，4000 r/min下离心20 min，取上清液，对照组设置为不含样品，采用邻苯二甲醛法进行测定。根据式（7）进行计算。
(7) 式中：C1为吸附前蛋黄液中初始胆固醇质量，mg；C2为吸附后蛋黄液中残余的胆固醇质量，mg；M为样品干重，g。
1.3 数据处理
实验数据平行测定3次，实验结果以平均值±标准差（）表示。数据采用SPSS 26.0 软件进行多样本均数比较的方差分析，各组间两两比较采用SNK检验，采用皮尔逊法进行相关性分析，P<0.05为差异显著；采用Origin2021作图。
2. 结果与分析
2.1 改性前后柠檬皮渣粉微观结构分析
由图1可看出，改性前后柠檬皮渣粉微观结构变化明显。CK的结构严密，表面更为光滑、紧密。WBF表面粗糙，有小颗粒，明显有较多的孔隙和裂痕，这与罗舜菁等[22]用微波改性甘薯渣、苹果渣、大豆渣中膳食纤维得到的结果相似。这可能是由于微波改性造成柠檬皮渣粉内部过热，细胞内的蒸汽压快速升高，局部水汽爆破细胞壁破裂[22−23]。GQF表面粗糙，呈现出较多的褶皱且层次变多，其结构更为疏松，这是高速剪切过程中强烈的机械剪切、液压等作用引起的[11]。CWF多呈现为不规则团状或块状，有孔洞，同时可能因为颗粒过小，分子间吸引力增加，小颗粒更易附着在大颗粒的表面[24]，出现团聚现象，这与赵愉涵等[25]的研究结果一致。上述结果表明，三种改性方式都在一定程度上使柠檬皮渣粉表面积增加，结构疏松，这可以使更多的亲水基团外露，因而可能改善柠檬皮渣粉的水合特性、吸附特性等[26]。
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图 1 不同改性处理后柠檬皮渣粉的扫描电镜注：a：CK；b：WBF；c：GQF；d：CWF。Figure 1. Scanning electron microscope of lemon peel residue powder after different modifications2.2 改性前后柠檬皮渣粉红外光谱分析
图2为三种改性处理对柠檬皮渣粉产生的红外光谱分析图，可用于测定其改性前后的官能团变化。由图2可知，四种样品均在3404 cm−1间出现纤维素和半纤维素分子间或分子内的O-H特征吸收峰[27]，其中，WBF、GQF、CWF的峰强度明显低于CK，可能是纤维素分子间的氢键断裂所致[19]，有利于多孔结构的形成[28]。在2927 cm−1 附近的峰主要由糖类亚甲基上的C-H基团伸缩振动引起[28]，GQF、WBF峰强度明显弱于CK，说明这两种处理可使多糖的含量减少。1746 cm−1附近处是木质素中苯环的特征吸收峰[15]，在1640 cm−1和1051 cm−1 附近的特征峰来自通过分子间氢键与纤维素链相连的羧基特有的弯曲或拉伸[29]，经三种改性后，所对应的峰强度均有所下降，表明三种改性在不同程度均导致了部分纤维素、木质素的降解，向SDF转化。综上可以推断三种改性并未使柠檬皮渣粉的主要官能团结构发生明显变化，仅在某些特征带的峰强度有变化，而峰强度的变化提示柠檬皮渣粉的理化及功能特性可能会在原有的基础上发生变化[26]。
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图 2 不同改性处理后柠檬皮渣粉的红外光谱图Figure 2. Infrared spectra of lemon peel residue powder after different modifications2.3 改性前后柠檬皮渣粉热重分析
由图3所示，四种样品的失重大致分为三个阶段：第一阶段为温度50~150 ℃，该阶段质量损失率最低，主要质量损失是柠檬皮渣粉中的自由水以及结晶水[17]。第二阶段为温度150~400 ℃，此阶段为失重的主要阶段，发生了强烈的热裂解反应和碳链、氢键和糖苷键的断裂[11]，纤维素、半纤维素、木质素等物质受热分解[30]，其中200~325 ℃时四种样品的损失率基本一致，在325~400 ℃时，四种样品损失率开始出现差异，如图所示。CK和CWF的初始降解温度约在140 ℃，WBF、GQF的初始降解温度分别约在180、190 ℃，这说明微波、高速剪切均都有效提高柠檬皮渣粉的热稳定性。第三阶段为温度400 ℃以上，此阶段是生物质碳化过程，最终，CK、WBF、GQF、CWF的残余质量分数分别为8.12%、14.26%、21.63%、6.46%，除了CK与CWF之间没有显著差异（P>0.05），其余处理之间残余质量分数两两比较均有显著差异（P<0.05）。该结果与初始降解温度的结果一致，进一步说明微波和高速剪切能显著提高柠檬皮渣粉的热稳定性，这可能是因为这两种处理提高了柠檬皮渣粉的结晶度，而结晶度越高，热稳定性也越强[7]。Lin等[31]用微波处理燕麦膳食纤维后，其热稳定性也升高。CWF与CK的热稳定性无显著差异（P>0.05），这与超微粉碎处理咖啡果皮IDF[32]得到的结果一致。
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图 3 不同改性处理后柠檬皮渣粉的热重分析图Figure 3. Thermogravimetric analysis of lemon peel residue powder after different modifications2.4 改性前后柠檬皮渣粉DF含量分析
由表1可知，WBF、GQF的TDF含量较CK有显著上升（P<0.05），可能是在微波、高速剪切的过程中损失了一些醇溶性的成分，如脂肪、小分子糖、酸类物质，而极大限度地保留了膳食纤维[11]，从而提高了柠檬皮渣粉中膳食纤维的纯度。此外，WBF、GQF的SDF较改性前分别增加了45.06%、109.57%，这可能是因为微波处理过程中微波形成的空泡效应下，细胞壁结构被破坏，其中的半纤维素等成分从细胞壁上断裂，易被微波分解成可溶性的纤维[33]；而剪切过程中产生的强烈剪切、分散作用力可能破坏了纤维分子间的氢键，小分子基团转化为游离态，使IDF易转化为SDF[11]，这与红外光谱结果相对应。GQF的TDF、SDF含量分别为81.88%、33.07%，均高于周丽玲等[7]、刘义武等[8]采用酶解法提取制备的柠檬皮渣膳食纤维中TDF（67.63%、73.00%）、SDF含量（11.03%、28.9%），与欧阳玲花等[9]采用化学法制备的柠檬皮膳食纤维中TDF（89.26%）、SDF含量（34.58%）非常接近，提示高速剪切改性的柠檬皮渣粉可视为一种柠檬膳食纤维。超微粉碎过程中由于强烈的压力、剪切力、摩擦力等综合作用力，柠檬皮渣粉中的DF结构被破坏，因此CWF的TDF含量下降[34]。CWF的SDF含量较改性前增加了18.95%，IDF含量较改性前降低了14.57%，是因为经超微粉碎粉体粒径减小，纤维素结晶区被破坏，比表面积增加及更多亲水基团的暴露，可能导致部分IDF转化成SDF[35]，或者是包裹在IDF结构内部的SDF被释放出来[35]。总体来说，高速剪切获得的样品其DF含量最高，并且更有利于提高其SDF的含量。
表 1 不同改性处理后柠檬皮渣粉中TDF、IDF、SDF的含量Table 1. Contents of TDF, IDF and SDF in lemon peel residue powder after different modifications膳食纤维（%） CK WBF GQF CWF TDF 55.02±0.97b 68.34±0.75c 81.88±0.46d 52.30±0.67a IDF 39.25±0.76b 45.44±0.80c 48.82±0.76d 33.53±0.56a SDF 15.78±1.52a 22.89±1.07c 33.07±1.14d 18.77±0.38b 注：不同小写字母表示同行数据差异显著（P<0.05）。 2.5 改性前后柠檬皮渣粉的WHC、OHC、SC分析
由图4可知，三种改性方式均能显著提高柠檬皮渣粉的持水力（WHC）、膨胀力（SC），其中高速剪切的效果最好，其持水力、膨胀力分别为20.05 g/g、34.99 mL/g，均高于蒋丽等[36]采用发酵法、周丽玲等[7]采用酶解法制备的柠檬皮渣膳食纤维的持水力（9.15、14.39 g/g）、膨胀力（13.21、16.36 mL/g）。柠檬皮渣粉的持水力和膨胀力主要与其微观结构以及其SDF、IDF含量有关[37]，柠檬皮渣粉表面积大，结构疏松，会增加与水的结合位点并增强水分子的渗透作用，而SDF能与水形成凝胶，锁住水分，使水分无法流失[38]。由膳食纤维含量和扫描电镜结果可知，三种改性方式均在不同程度提高了柠檬皮渣粉中SDF含量并使其结构变疏松、表面积增大，这为水合性质的提升提供了依据。三种改性均提高了柠檬皮渣粉持油力（OHC），微波、高速剪切的效果优于超微粉碎，分别较改性前增加了18.29%、21.95%。OHC的提升与体积密度降低、多孔性和毛细管吸引力作用增强有关[39]。三种改性均使柠檬皮渣粉比表面积增大，增加了与油的接触面积，同时孔隙率的提高，使毛细管对油脂的吸引力增大[40]，因此OHC提高。通过对三个指标进行比较，持油力的增幅小于持水力、膨胀力，说明三种改性更有利于改善柠檬皮渣粉的水合性质。
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2.6 改性前后柠檬皮渣粉的CEC分析
膳食纤维含有的一些羟基、羧基等侧链基团能与身体中的有机阳离子进行交换，通过改变离子的瞬间浓度，对消化道内的渗透压、pH产生影响，从而提供一个有利于消化吸收的缓冲环境，起到排毒、降血压的生理功效[41]。由图5可知，WBF、GQF、CWF的阳离子交换能力分别为0.33、0.46、0.24 mmol/g，较CK提高了50.00%、109.10%、9.10%，高速剪切的最大；三种改性均提高了柠檬皮渣粉的阳离子交换能力，这可能是因为三种改性均能引起柠檬皮渣粉中膳食纤维的侧链基团暴露出来，增加了与阳离子的交换作用，可以更大程度地控制pH的剧烈变化，更好地起到缓冲作用，从而控制酸碱环境[11]。
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图 5 不同改性处理后柠檬皮渣粉的阳离子交换能力Figure 5. CEC of lemon peel residue powder after different modifications2.7 改性前后柠檬皮渣粉的GAC分析
葡萄糖的吸附能力可以在一定程度上反映人体对葡萄糖的吸收和转运能力，样品的GAC值越大，则提示其控制血糖波动的能力越强。由图6可知，三种改性均提高了柠檬皮渣粉吸附葡萄糖的能力，WBF、GQF、CWF的GAC分别为35.50、40.33、23.98 mg/g，分别较改性前提高了228.70%、273.43%、122.04%，说明高速剪切对柠檬皮渣粉的GAC提升效果最佳，其次是微波，最后是超微粉碎。其原因可能是三种改性均在不同程度使柠檬皮渣粉中SDF含量上升，而SDF高粘度有助于形成粘性水化层包裹葡萄糖分子[42]。结合电镜结果，三种改性后柠檬皮渣粉的比表面积均在一定程度上增大，这有利于对葡萄糖分子的吸附，相较于超微粉碎，微波、高速剪切改性后的柠檬皮渣粉还具有更多层次结构和疏松多孔的结构，这将使葡萄糖分子嵌入多孔纤维网络中，从而增强对其的束缚力[43]，而CWF的扫描电镜显示其小颗粒明显附着在大颗粒表面，出现团聚现象，这对葡萄糖分子的吸附会有一定的消极影响。
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图 6 不同改性处理后柠檬皮渣粉吸附葡萄糖的能力Figure 6. GAC of lemon peel residue powder after different modifications2.8 改性前后柠檬皮渣粉的GDRI分析
GDRI是一个能够有效反映葡萄糖在人体胃肠道中被延迟吸收的体外指标，GDRI越高，间接说明样品维持人体餐后血糖稳定的能力越强。如图7所示，三种改性均显著提高了柠檬皮渣粉的GDRI（P<0.05），其中WBF、GQF延迟葡萄糖透析的效果显著优于CWF。这可能是因为三种改性均在不同程度增加了柠檬皮渣粉SDF含量和比表面积，而微波处理和高速剪切处理还获得了更加疏松的内部结构，进而增强了对葡萄糖的物理吸附和空间阻碍[44]。在透析时间为40 min以及之前，WBF的GDRI高于GQF，但GQF的GDRI在50 min时出现上升，超过WBF，且其60 min时的GDRI均高于30、40 min，这说明GQF对延迟葡萄糖透析的效果相较于WBF、CWF更持久且稳定，若用于功能性食品或药物产品中，更能预防或辅助糖尿病的治疗。整体看来，随着透析时间的延长，四种样品的GDRI均大致呈下降趋势且透析后期变化幅度变小，这是因为随透析时间的不断延长，对葡萄糖的吸附量接近饱和，吸附过程达到动态平衡[45]。
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图 7 葡萄糖透析延迟指数与透析时间的关系图注：不同小写字母表示同一透析时间下不同样品的数据差异显著（P<0.05）。Figure 7. Plot of GDRI versus dialysis time2.9 改性前后柠檬皮渣粉的CAC分析
CAC能反映样品对胆固醇吸附能力的大小，该值越高，可间接说明样品可能更能有效地降低血浆胆固醇水平，减少机体对胆固醇的吸收。由图8可知，四种样品均在pH7（模拟小肠内环境）时的CAC大于pH2（模拟胃部环境）时的CAC，说明柠檬皮渣粉在肠道中对胆固醇的吸附能力强于在胃中的吸附能力，原因可能是酸性条件下存在大量H+，使柠檬皮渣粉和胆固醇表面均携带了正电荷，两者相互排斥，结合力减弱，导致了吸附胆固醇能力的下降[46]。三种改性均显著提高了柠檬皮渣粉对胆固醇的吸附能力（P<0.05），其中高速剪切最佳，在pH2和pH7时分别为9.70、14.56 mg/g，比改性前分别提高了156.61%、167.65%，其次是微波，最后是超微粉碎。出现这种现象可能是因为SDF比IDF更能吸附胆固醇[47]，这与三种改性后柠檬皮渣粉中SDF含量均在不同程度增加的结果相吻合。同时，三种改性均提高了柠檬皮渣粉的阳离子交换能力，而具有高阳离子交换能力的DF会捕获、破坏脂质乳液，导致包括胆固醇在内的脂质的扩散、吸收和利用减少[48]。
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图 8 不同改性处理后柠檬皮渣粉吸附胆固醇的能力注：不同小写字母表示同一pH下不同样品数据差异显著（P<0.05）。Figure 8. CAC of lemon peel residue powder after different modifications2.10 SDF与各指标之间的相关性分析
为进一步探索验证柠檬皮渣粉中SDF含量与其理化、功能特性间的关系，对其SDF含量与相关理化（WHC、SC、OHC）、功能特性（CEC、GAC、GDRI、CAC）进行相关性分析，其中GDRI以6个取样时间点的平均值代入计算[49]。由表2可知，柠檬皮渣SDF含量与WHC、SC、OHC、CEC、GAC、GDRI、CAC均呈极显著正相关（P<0.01），各理化、功能指标之间也呈极显著正相关（P<0.01），提示柠檬皮渣粉SDF含量对其发挥上述理化、功能特性起着贡献作用，其SDF含量越高，理化、功能特性也越强，因此通过适宜的改性方法在提高SDF的同时可以改善柠檬皮渣粉的相关理化和功能特性指标，理化指标的改善也有利于功能特性的提高。
表 2 柠檬皮渣粉SDF含量与其理化、功能特性之间的相关性（n=12）Table 2. Correlation between SDF content and physicochemical and functional properties of lemon peel residue powder (n=12)相关
系数SDF
含量WHC SC OHC CEC GAC GDRI CAC
（pH2）CAC
（pH7）SDF
含量1 0.984** 0.973** 0.837** 0.979** 0.881** 0.827** 0.958** 0.933** WHC 1 0.956** 0.811** 0.978** 0.828** 0.770** 0.938** 0.906** SC 1 0.915** 0.982** 0.951** 0.923** 0.993** 0.986** OHC 1 0.875** 0.932** 0.934** 0.923** 0.928** CEC 1 0.890** 0.859** 0.970** 0.941** GAC 1 0.983** 0.953** 0.980** GDRI 1 0.929** 0.955** CAC
（pH2）1 0.978** CAC
（pH7）1 注：**表示在0.01水平（双尾）显著相关。 3. 结论
本研究以提高SDF为目标，探讨了微波、高速剪切和超微粉碎三种改性对柠檬皮渣粉结构及理化、功能特性的影响。结果表明，三种方式均可有效改善柠檬皮渣粉的表面微观结构，改性后其表面微观结构均由光滑紧密变成不同程度的粗糙与疏松，孔隙率增加，但不会改变其主要官能团；微波、高速剪切改性显著提高了柠檬皮渣粉热稳定性（P<0.05）；三种改性均可提高SDF含量，SDF提高的同时可以改善柠檬皮渣粉的理化和功能特性指标。整体而言，高速剪切改性的效果最佳，其TDF、SDF含量高达81.88%、33.07%，持水力、阳离子交换能力、葡萄糖吸附能力等其他理化、功能特性均最佳，具有膳食纤维类似的理化和功能特性，可视为一种柠檬膳食纤维。综上，提高SDF含量可作为改善柠檬皮渣粉品质的一个重要指标，高速剪切为改性柠檬皮渣粉的一种优良方法，可为柠檬皮渣的高品质利用提供思路。
本研究重点从体外试验的角度考察改性柠檬皮渣粉的结构、理化指标及与膳食纤维相关的功能特性指标，后续尚需通过体内试验包括人体试验进一步验证其功能特性，并探讨其作为食品配料在相关产品中的应用，以期更好满足大众对功能食品的需求。
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图 1 不同改性处理后柠檬皮渣粉的扫描电镜
注：a：CK；b：WBF；c：GQF；d：CWF。
Figure 1. Scanning electron microscope of lemon peel residue powder after different modifications
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图 2 不同改性处理后柠檬皮渣粉的红外光谱图
Figure 2. Infrared spectra of lemon peel residue powder after different modifications
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图 3 不同改性处理后柠檬皮渣粉的热重分析图
Figure 3. Thermogravimetric analysis of lemon peel residue powder after different modifications
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图 5 不同改性处理后柠檬皮渣粉的阳离子交换能力
Figure 5. CEC of lemon peel residue powder after different modifications
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图 6 不同改性处理后柠檬皮渣粉吸附葡萄糖的能力
Figure 6. GAC of lemon peel residue powder after different modifications
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图 7 葡萄糖透析延迟指数与透析时间的关系图
注：不同小写字母表示同一透析时间下不同样品的数据差异显著（P<0.05）。
Figure 7. Plot of GDRI versus dialysis time
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图 8 不同改性处理后柠檬皮渣粉吸附胆固醇的能力
注：不同小写字母表示同一pH下不同样品数据差异显著（P<0.05）。
Figure 8. CAC of lemon peel residue powder after different modifications
表 1 不同改性处理后柠檬皮渣粉中TDF、IDF、SDF的含量
Table 1 Contents of TDF, IDF and SDF in lemon peel residue powder after different modifications
膳食纤维（%） CK WBF GQF CWF TDF 55.02±0.97b 68.34±0.75c 81.88±0.46d 52.30±0.67a IDF 39.25±0.76b 45.44±0.80c 48.82±0.76d 33.53±0.56a SDF 15.78±1.52a 22.89±1.07c 33.07±1.14d 18.77±0.38b 注：不同小写字母表示同行数据差异显著（P<0.05）。 
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表 2 柠檬皮渣粉SDF含量与其理化、功能特性之间的相关性（n=12）
Table 2 Correlation between SDF content and physicochemical and functional properties of lemon peel residue powder (n=12)
相关
系数SDF
含量WHC SC OHC CEC GAC GDRI CAC
（pH2）CAC
（pH7）SDF
含量1 0.984** 0.973** 0.837** 0.979** 0.881** 0.827** 0.958** 0.933** WHC 1 0.956** 0.811** 0.978** 0.828** 0.770** 0.938** 0.906** SC 1 0.915** 0.982** 0.951** 0.923** 0.993** 0.986** OHC 1 0.875** 0.932** 0.934** 0.923** 0.928** CEC 1 0.890** 0.859** 0.970** 0.941** GAC 1 0.983** 0.953** 0.980** GDRI 1 0.929** 0.955** CAC
（pH2）1 0.978** CAC
（pH7）1 注：**表示在0.01水平（双尾）显著相关。
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