高靜壓和高壓均質對豆渣水不溶膳食纖維的改性及其功能的影響

黃素雅，何亞雯，錢炳俊，鄒彥平，劉 壯

（1.上海交通大學農業與生物學院，上海 200240；2. 豐益（上海）生物技術研發中心有限公司，上海 200240）

高靜壓和高壓均質對豆渣水不溶膳食纖維的改性及其功能的影響

黃素雅1，何亞雯1，錢炳俊1，鄒彥平2，劉 壯2

（1.上海交通大學農業與生物學院，上海 200240；2. 豐益（上海）生物技術研發中心有限公司，上海 200240）

以新鮮豆渣為原料，探究高壓均質改性和高靜壓改性的水溶性膳食纖維（soluble dietary fi ber，SDF）得率以及改性后SDF理化性質和生理功能特性的變化。結果表明：高壓均質改性在最優壓力110 MPa條件下SDF得率為32.86%，高靜壓改性在進行高壓蒸煮，最優400 MPa條件下SDF得率為7.56%，高壓均質改性效果明顯優于高靜壓改性（P＜0.05）；兩種改性方式均能不同程度改善SDF的理化性質，促進其對膽酸和膽固醇的吸收，但降低了抗氧化效果。

改性；高壓均質；高靜壓；理化性質；生理功能特性；膳食纖維

膳食纖維（dietary fiber，DF）被譽為“第七大營養素”，具有重要的生理功能。它在降血糖、降血脂、抗癌、改善腸道菌群、改善便秘等方面都具有一定的調節作用。此外，它也被用作脂肪等的替代物，在改善食品質地、口感等的同時，降低產品不必要的脂質含量，為人體健康保駕護航［1］。根據水溶性，膳食纖維可分為水溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和水不溶性膳食纖維（insoluble dietary fi ber，IDF），但其中發揮生理調節功能的主要是水溶性膳食纖維。

豆渣是傳統大豆制品生產的主要副產物，是一種良好的膳食纖維來源，總膳食纖維含量可高達62.92%，但水溶性膳食纖維含量卻較低，僅含有2.79%［2］。目前豆渣只是作為飼料或者廢棄物丟掉，其富含的營養素沒有得到充分利用，這不僅浪費資源，還造成環境污染。所以本實驗對豆渣中水不溶性膳食纖維進行改性，以獲得更高含量的水溶性膳食纖維，提高豆渣的利用率和營養價值。

由于SDF比IDF在許多方面都具有更好的保健功效和生理作用，所以IDF改性的研究成了近年來研究的熱點。目前國內外關于膳食纖維改性的研究方法主要包括物理法、化學法、生物技術法和綜合改性方法。如馬毓霞等［3］采用纖維蛋白酶處理豆渣，改性的SDF得率為10.8%；連小燕等［4］采用酶解法和化學方法相結合，對玉米膳食纖維進行改性，發現改性后的SDF持水率和膨脹率與原料相比都具有明顯的提高。但從豆渣改性條件優化到理化、生理功能評價等綜合系統的研究報道鮮見，所以本實驗以豆渣為原料，采用高靜壓（high hydrostatic pressure，HHP）和高壓均質（high pressure homogenization，HPH）兩種方法對其進行改性，優化改性條件，改善其理化性質，并對其膽酸吸附力、膽固醇吸附力和抗氧化能力的生理功能進行評價，以期獲得更優質的SDF。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

新鮮雞蛋，市售；新鮮豆渣，豐益（上海）生物技術研發中心有限公司提供；歐麗薇蘭橄欖油，市售。

胰蛋白酶 國藥集團化學試劑有限公司；Trolox（VE） 美國Sigma公司；脫氧膽酸鈉（sodium deoxycholate，SD）和膽固醇 美國MP Biomedicals公司；其他試劑均為分析純。

1.2儀器與設備

離心機 德國Hermle Labortechnik GmbH公司；UV-1800紫外分光光度計 日本Shimadzu公司；高壓均質機 加拿大ATS Engineering公司；300 g密封型手提式中藥粉碎機 廣州市旭朗機械設備有限公司；色度儀美國Hunter Lab公司；酶標儀 美國Thermo Scientific公司；高靜壓裝置系統 包頭科發高壓科技有限責任公司；電子天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；高壓滅菌鍋 德國Systec GmbH公司。

1.3方法

1.3.1IDF的制備

新鮮豆渣在80 ℃烘干后粉碎，80 目過篩得豆渣樣品。加入pH 6磷酸鹽緩沖液-NaOH（5∶1，V/V）混合溶液及胰蛋白酶形成混濁液，55 ℃水浴30 min。1 000 r/min離心10 min，收集上清液為SDF。沉淀進一步分別采用去離子水、乙醇和丙酮洗滌，棄上清液，最后沉淀在40 ℃烘干即為IDF樣品。

1.3.2IDF高壓均質改性

將3 g IDF樣品用150 mL dH2O制成混濁液，采用高壓均質處理，均質壓力分別為90、110、130 MPa。取均質后60 mL溶液，9 000 r/min離心10 min，收集上清液為改性SDF（mSDF），沉淀即為IDF。

1.3.3IDF高靜壓改性

將1 g IDF樣品溶于30 mL dH2O，經120 ℃、20 min高壓蒸煮滅菌后高靜壓處理20 min（蒸煮滅菌Y/N，高靜壓壓力條件優化），之后9 000 r/min離心10 min，收集上清液為mSDF，沉淀即為IDF。樣品處理條件見表1。

表1　高靜壓改性實驗樣品處理條件Table 1 HHP modification conditionss

1.3.4改性SDF得率測定

SDF、IDF含量的測定參考文獻［5］。mSDF得率計算公式如下。

1.3.5改性SDF持水力、持油力和膨脹力的測定

參照文獻［6］方法進行測定。

1.3.6改性SDF色度測定

采用色度儀對改性SDF的色度進行測定。

1.3.7改性SDF抗氧化力測定［7］

稱取20 mg改性SDF樣品加入4 mL去離子水混合均勻，取0.5 mL混合樣品或VE標準液，加入0.5 mL磷酸鹽緩沖液和0.5 mL 1%鐵氰化鉀溶液，50 ℃水浴20 min，冷卻后加0.5 mL 10%三氯乙酸溶液，之后3 000 r/min離心10 min，取上清液加0.8 mL 0.1%氯化鐵溶液和4 mL去離子水，混合均勻后靜置10 min，測定700 nm波長處吸光度。以VE標準液繪制標準曲線，樣品的抗氧化力根據標準曲線計算，結果用VE當量表示（μmol VE/g）。

1.3.8改性SDF膽酸吸附力測定［8］

稱取25 mg改性SDF樣品加入1 mL 0.5 mg/mL SD溶液，37 ℃水浴2 h；空白組取25 mg改性SDF樣品加入1 mL磷酸鹽緩沖液，離心后取0.25 mL上清液或一定質量濃度標準液，加入0.75 mL 60%硫酸，70 ℃水浴20 min；冰浴5 min后測定387 nm波長處吸光度。以SD標準液繪制標準曲線，樣品吸附膽酸殘留SD根據標準曲線計算，結果用SD吸附當量表示（mg/g）。

1.3.9改性SDF膽固醇吸附力測定［9］

稱取33 mg改性SDF樣品，加入0.5 mL蛋黃乳液或去離子水（調節pH 7或pH 2），37 ℃、80 r/min搖晃水浴加熱2 h；4 000 r/min離心20 min后取0.2 mL上清液或蛋黃液（空白）或一定質量濃度膽固醇標準液，加入0.1 mL鄰苯二甲醛，2 mL混合酸；37 ℃水浴靜置10 min；于550 nm波長處測定吸光度。以膽固醇標準液繪制標準曲線，樣品吸附殘留膽固醇根據標準曲線計算，結果用膽固醇吸附當量表示（mg/g）。

1.4數據分析

每組實驗平行3 次，實驗數據采用Excel軟件進行基本分析，用SAS軟件進行統計學方差分析，數據用表示。

2　結果與分析

2.1高壓均質改性SDF得率

表2　高壓均質改性纖維素定量結果Table 2 Quantitative determination of dietary fibers from HPH modificationation

由表2可知，在高壓均質的3 種壓力條件下，mSDF得率范圍為29%～33%，且均質壓力對mSDF得率的影響差異性顯著（P＜0.05），當壓力在90～110 MPa范圍內，mSDF得率隨壓力的增大而增加；而在110～130 MPa范圍內，mSDF得率隨壓力的增大而減小。均質壓力為110 MPa時可獲得最大的mSDF得率。本實驗的mSDF得率比Tu Zongcai等［10］利用高壓均質改性豆渣SDF得率（10%～28%）稍有所提高。高壓均質過程中，IDF大分子糖苷鍵在高速撞擊、剪切、振蕩、空穴爆炸、膨化等一系列作用條件下發生斷裂，從而使部分IDF轉化成mSDF，提高了SDF質量分數的比例［11］。劉成梅等［12］在利用高壓均質對豆渣進行改性的實驗中發現，高壓均質可以使DF的粒度變細，IDF含量會隨著壓力的增大而減少得越多，而SDF含量則會增加。最大mSDF得率在均質壓力為110 MPa時出現的原因可能是在均質壓力為90～110 MPa范圍內時，高壓剪切和空穴爆炸的協同作用，使結構較松散的植物膠分子的糖苷鍵發生斷裂，當均質壓力達到接近110 MPa時，纖維素、半纖維素等結構較緊密糖苷鍵也發生斷裂，形成小分子多糖，而使SDF含量急劇上升［13］。而當均質壓力高于110 MPa時，SDF增加幅度變小，可能對DF的結構影響較大，導致mSDF得率變小，具體原因仍需進一步研究。

考慮到mSDF得率、經濟因素和操作簡單等因素，選擇高壓均質壓力的最優條件為110 MPa。

2.2高靜壓改性SDF得率

高靜壓處理可以使形成高分子立體結構之間的一些化學鍵發生變化，還可以影響細胞形態，從而可以達到物料改性的目的［14］。HHP處理過程不破壞食品成分中的共價鍵和小分子物質，可使風味物質及一些營養物質免受破壞，不僅能延長食品貨架期還能保持食品較好的品質［15］，所以HHP技術是一種較理想的IDF改性方法。

表3　高靜壓改性纖維素定量結果Table 3 Quantitative determination of dietary fibers from HHP modification

由表3可知，進行高壓蒸煮滅菌的IDF改性SDF得率為6%～8%，而未進行高壓蒸煮滅菌的mSDF得率僅為2%～3%，兩者存在顯著差異（P＜0.05）。出現此現象的原因可能是高壓蒸煮過程可以使部分不溶性半纖維素及果膠類化合物發生熔融現象，或是水進入纖維素和半纖維素等大分子的結晶區，使連接鍵斷裂，轉變成水溶性物質，從而提高SDF含量［16］。此外，無論高壓蒸煮與否，mSDF得率在不同壓力作用下均無顯著差異（P＞0.05），這與Mateos-Aparicio等［17］的研究結果存在一定的差異性，其研究結果表明，在壓力為200 MPa時DF成分與對照組沒有明顯變化，而當壓力變為400 MPa時，總膳食纖維含量從38.1%上升為64.8%，SDF含量也明顯提高，因為壓力越高更容易使不溶性IDF間的糖苷鍵斷裂，從而轉換為可溶性SDF。

2.3高壓均質和高靜壓改性SDF的持水力、持油力和膨脹力

表4　SDF持水力、持油力及膨脹力測定結果Table 4 Water-holding capacity， oil-holding capacity and swelling power of IDF and SDF

由表4可知，高壓均質和高靜壓處理可使改性SDF的理化性質發生較大的變化。兩種方法均能提高mSDF的持水力和膨脹力，這可能是因為高壓處理可使緊密結合的大分子結構更加松散、多孔，顆粒力度減小，比表面積增大［18］，這樣增加了SDF與水的接觸面積，提高了水合能力。此外，高靜壓處理可以提高SDF的持油力，但高壓均質處理卻使樣品持油力有所降低，原因仍需進一步探究。

研究表明，通過改性可以使膳食纖維的持水力、持油力和膨脹力發生變化，陶姝穎等［19］采用超微粉碎和擠壓超微粉碎技術對釀酒葡萄皮渣進行改性處理，結果顯示，兩種改性處理均能有效增加葡萄皮渣膳食纖維中水溶性膳食纖維的含量，并使其理化性質發生顯著改變，提高了持水力和膨脹力。劉偉等［20］對麥麩膳食纖維進行均質處理，結果表明膨脹率、持水力均有不同程度的增加，纖維懸浮液中顆粒分布更均勻，性質更穩定，在一定程度上提高了膳食纖維的性質。

2.4高壓均質和高靜壓改性SDF的色度

表5　SDF色度測定結果Table 5 Color parameters of IDF and SDF

由表5可知，高壓均質和高靜壓改性SDF色度有一定差別，在食品加工中，可以根據所生產食品的要求，添加不同色度的水溶性膳食纖維。

L*為明度指數，a*、b*為色度指數，a*代表紅綠值，b*代表黃藍值，由表5可知，HHP改性SDF與未改性SDF L*值類似，均為80左右，但高壓均質改性SDF的L*值明顯降低（P＜0.05）。此外，兩種改性處理均能一定程度降低SDF的a*和b*值。

2.5高壓均質和高靜壓改性SDF的抗氧化能力、膽固醇吸附力及膽酸吸附力

表6　改性SDF生理功能特性定量結果Table 6 Physiological properties of mSDF

由表6可知，高靜壓和高壓均質改性均能顯著降低SDF的抗氧化力，但兩種處理結果之間差異不顯著（P＞0.05）。原因可能是這兩種改性方式存在相同的靜壓處理過程，而壓力可使SDF的微觀基質結構發生一定變化［21］，這可能破壞了SDF中的抗氧化活性物質，從而使其清除自由基的能力減弱，而具體的機理原因仍需進一步研究。此外，高壓均質mSDF對膽固醇的吸附力優于高靜壓mSDF，而且對膽固醇的吸附力受體系酸堿性影響，在pH 7時吸附強度大于pH 2時，這與鐘希瓊等［22］測定多種DF對膽固醇吸附效果以及Nsor-Atindana等［23］探索可可DF吸附膽固醇的實驗結果一致。這說明改性SDF能提高其對膽固醇的吸附力，從而可有效降低患心血管疾病的風險。但是未改性的SDF在pH 2時吸附膽固醇能力卻強于pH 7，這與改性SDF的結果相反，原因仍需進一步的探究。而且高壓均質mSDF的膽酸吸附力也明顯高于未改性的，這說明高壓均質改性可以有效促進SDF對膽酸的吸附，降低膽酸對人體的危害。有研究表明，當膽酸鈉濃度相同時，SDF比IDF對膽酸吸附能力大；而當膽酸鈉濃度不同時，DF在高濃度時吸附力較低濃度時大，這表明DF對膽酸的吸附可能存在一種動態平衡［24］。

膳食纖維具有一定的抗氧化作用，其中抗氧化活性物質多源于多酚類化合物，如黃酮類、酚酸（如阿魏酸）和縮合單寧［25］。隨著人類膳食中高脂食物的增加，其中過多的膽固醇與血液中的低密度脂蛋白結合，形成低密度脂蛋白膽固醇，易造成血管阻塞，引起心血管疾病，危害較大。而膽酸是膽固醇合成的前體物質，吸附膽酸不僅可以降低人體膽固醇含量，抑制膳食中脂肪的吸收利用，而且還可以減少次生膽汁酸形成，保健腸道，預防膽結石形成［8］。

3　結 論

本實驗采用高壓均質和高靜壓的物理方式對豆渣IDF進行改性，并測定其mSDF得率、理化性質及生理功能特性。從實驗結果可以看出，高壓均質改性在最優110 MPa條件下SDF得率為32.86%，高靜壓改性在進行高壓蒸煮，400 MPa條件下SDF得率為7.56%，而且高壓均質改性在SDF得率上明顯優于高靜壓改性（P＜0.05）。此外，兩種方式改性均能不同程度提高SDF的理化性質，提高成品品質，也能促進SDF對膽酸和膽固醇的吸收，這為今后制備SDF相關產品提供了理論依據，也為促進人體健康提供了保障。但綜合實驗結果可以發現，高壓均質mSDF的綜合效果要優于高靜壓mSDF，所以在考慮通過壓力改性的物理方法時可以優先考慮高壓均質改性。

［1］ de MORAES CRIZEL T， JABLONSKI J， de OLIVEIRA RIOS A， et al. Dietary fiber from orange byproducts as a potential fat replacer［J］. LWT-Food Science and Technology， 2013， 53（1）： 9-14.

［2］ 婁海偉， 遲玉杰. 擠壓蒸煮對豆渣中可溶性膳食纖維含量的影響［J］.中國糧油學報， 2009， 24（6）： 31-35.

［3］ 馬毓霞， 王勇， 高陽， 等. 大豆膳食纖維多功能活化研究［J］. 糧油食品科技， 2005， 13（5）： 35-36.

［4］ 連小燕， 鐘振聲. 一種提高非水溶性玉米膳食纖維持水力的方法［J］.食品工業科技， 2012， 33（12）： 180-183； 187.

［5］ TSENG A， ZHAO Yanyun. Effect of different drying methods and storage time on the retention of bioactive compounds and antibacterial activity of wine grape pomace （pinot noir and merlot）［J］. Journal of Food Science， 2012， 77（9）： 192-201.

［6］ 冼惠形， 夏杏洲， 袁霞. 菠蘿皮渣水不溶性膳食纖維對油脂、膽固醇、膽酸鈉及NO2的吸附作用［J］. 農產品加工： 學刊， 2012（9）：12-15.

［7］ 王雪飛， 張華， 王振宇， 等. 11 種花粉水提物體外抗氧化能力研究［J］.食品工業科技， 2014， 35（15）： 139-143.

［8］ 黃才歡， 歐仕益， 張寧， 等. 膳食纖維吸附脂肪、膽固醇和膽酸鹽的研究［J］. 食品科技， 2006， 31（5）： 133-136.

［9］ ZHANG Ning， HUANG Caihuan， OU Shiyi. In vitro binding capacities of three dietary fibers and their mixture for four toxicelements， cholesterol， and bile acid［J］. Journal of Hazardous Materials，2011， 186（1）： 236-239.

［10］ TU Zongcai， LI Jinglin， RUAN R， et al. Process for increasing soluble dietary fiber content of soybean meals［J］. 農業工程學報， 2007， 23（5）：246-249.

［11］ 韓東平， 劉玉環， 李瑞真， 等. 提高豆渣膳食纖維活性改性研究［J］.食品科學， 2008， 29（8）： 670-672.

［12］ 劉成梅， 劉偉， 萬婕， 等. 瞬時高壓作用對膳食纖維可溶性的影響［J］.食品科學， 2005， 26（8）： 110-113.

［13］ 林德榮， 涂宗財， 阮榕生， 等. 提高大豆膳食纖維中可溶性成分的方法［J］. 糧食加工， 2008， 33（5）： 39-41.

［14］ 令博， 吳洪斌， 鄭剛， 等. 高壓技術在膳食纖維改性中的應用［J］. 食品科學， 2010， 31（15）： 312-316.

［15］ BUTZ P， EDENHARDER R， FERNANDEZ G A， et al. Changes in functional properties of vegetables induced by high pressure treatment［J］. Food Research International， 2002， 35（2）： 295-300.

［16］ 朱國君， 趙國華. 膳食纖維改性研究進展［J］. 糧食與油脂， 2008（4）：40-42.

［17］ MATEOS-APARICIO I， MATEOS-PEINADO C， RUP?REZ P. High hydrostatic pressure improves the functionality of dietary fiber in okara by-product from soybean［J］. Innovative Food Science and Emerging Technologies， 2010， 11： 445-450.

［18］ 申瑞玲， 王英. 膳食纖維的改性及其對功能特性的影響［J］. 農產品加工： 學刊， 2009（3）： 17-20； 25.

［19］ 陶姝穎， 郭曉暉， 令博， 等. 改性葡萄皮渣膳食纖維的理化特性和結構［J］. 食品科學， 2012， 33（15）： 171-177.

［20］ 劉偉， 劉成梅， 黎冬明， 等. 瞬時高壓作用對麥麩膳食纖維改性的研究［J］. 食品科學， 2006， 27（11）： 82-85.

［21］ VEGA-GáLVEZ A， LóPEZ J， TORRES-OSSANDóN M J， et al. High hydrostatic pressure effect on chemical composition， color，phenolic acids and antioxidant capacity of Cape gooseberry pulp（Physalis peruviana L.）［J］. LWT-Food Science and Technology， 2014，58（2）： 519-526.

［22］ 鐘希瓊， 胡文娥， 林麗超. 膳食纖維對油脂、膽固醇、膽酸鈉和亞硝酸根離子吸附作用的研究［J］. 食品工業科技， 2010， 31（5）： 134-136.

［23］ NSOR-ATINDANA J， ZHONG F， MOTHIBE K J. In vitro hypoglycemic and cholesterol lowering effects of dietary fi ber prepared from cocoa （Theobroma cacao L.） shells［J］. Food and Function， 2012，3（10）： 1044-1050.

［24］ 葉靜， 肖美添， 湯須崇. 江蘺藻膳食纖維吸附脂肪膽固醇和膽酸鈉的研究［J］. 食品與機械， 2010， 26（1）： 92-94.

［25］ SANCHEZ A I， BORDERIAS A J， LARSSON K， et al. Inhibition of hemoglobin mediated oxidation of regular and lipid for tified washed codmince by a white grape dietary fiber［J］. Journal of Agricultural and Food Chemistry， 2007， 55（13）： 5299-5305.

Modification of Insoluble Dietary Fiber in Okara by High Pressure Homogenization and High Hydrostatic Pressure and Functional Properties of the Modified Product

HUANG Suya1， HE Yawen1， QIAN Bingjun1， ZOU Yanping2， LIU Zhuang2
（1. School of Agriculture and Biology， Shanghai Jiaotong University， Shanghai 200240， China；2. Wilmar （Shanghai） Biotechnology Research and Development Center Co. Ltd.， Shanghai 200240， China）

In this study， insoluble dietary fi ber （IDF） from fresh okara was modifi ed by high-pressure homogenization （HPH）and high hydrostatic pressure （HHP） to improve its solubility. The physiochemical and physiological properties of the modifi ed product were analyzed. The results showed that the yield of modifi ed soluble dietary fi ber （mSDF） from HPH modifi cation under the optimal pressure （110 MPa） was approximately 32.86%， and the yield of mSDF from HHP modifi cation under 400 MPa was 7.56%， suggesting that HPH was signifi cantly better than HHP for improving the solubility of IDF （P ＜ 0.05）. Both treatments could improve the physiochemical properties of SDF， and promote the absorption capacities for bile acids and cholesterol， but decrease the antioxidant effect.

modification； high-pressure homogenization； high hydrostatic pressure； physiochemical properties；physiological properties； dietary fi ber

TS209

A

1002-6630（2015）15-0081-05

10.7506/spkx1002-6630-201515016

2014-10-10

黃素雅（1990—），女，碩士研究生，主要從事食品加工與營養研究。E-mail：sueyasuhuang@126.com