不同處理方法對豆渣水溶性膳食纖維結構與功能的影響

齊　惠,倪春蕾,尹　園,王　帥,張　珊,程建軍

(東北農業大學食品學院,黑龍江哈爾濱 150030)

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不同處理方法對豆渣水溶性膳食纖維結構與功能的影響

齊惠,倪春蕾,尹園,王帥,張珊,程建軍*

(東北農業大學食品學院,黑龍江哈爾濱 150030)

采用不同處理方法制備得到四種豆渣水溶性膳食纖維,分別為原豆渣直接提取的水溶性膳食纖維SDF1,纖維素酶酶解豆渣提取的SDF2,擠壓豆渣提取的SDF3和擠壓-酶解復合處理豆渣提取的SDF4。通過粒徑分析儀、電子顯微鏡、分光光度儀、黏度計和體外抗氧化試劑盒等研究對比不同的SDF的結構和功能特性。研究結果表明,SDF4粒度最小,體積平均粒徑為(39.311±0.657)μm;SDF2和SDF4顆粒表面結構更加疏松,棱角消失;SDF4黏度最低,陽離子交換能力和膽固醇吸附能力最高，體外抗氧化能力最大,其鐵還原力為(0.169±0.004)mmol/g,ABTS+·清除能力為(0.806±0.028)mmol/g,·OH清除能力為(305.739±4.965)U/mL。擠壓、酶解處理對水溶性膳食纖維結構和功能性有顯著影響(p<0.05)。

處理方法,豆渣SDF,體外抗氧化活性

膳食纖維(dietary fiber,DF)能夠改善人體營養狀況,調節機體功能,被列為“人類第七營養素”,一般分為不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber,IDF)和水溶性膳食纖維(soluble dietary fiber,SDF)兩類[1]。SDF中可溶于溫水或熱水、其水溶液又能被相當于其體積四倍的乙醇再沉淀的部分,具有很高的生理活性和多種功能性。豆渣SDF不僅具有SDF的生理活性,同時還具有良好的抗氧化活性等功能特性[2]。

膳食纖維的生理功能與SDF有很大的關系,而天然膳食纖維水溶性成分含量偏低,無法達到膳食平衡要求。因此可以通過不同的處理方法提高膳食纖維中SDF的含量,改善其品質和生理功能。豆類膳食纖維的制備方法主要有化學法、生物方法(如酶法[3]、微生物發酵法[4]等)、物理法(如擠壓蒸煮[5-6]、超微粉碎[7]、瞬時高壓技術[8]、超聲波法[9])和復合處理方法[10-11]等,處理方法的不同對SDF的性質有較大影響。SDF的理化性質和功能性質方面,溶解性、粘性、陽離子交換作用、吸附作用和體外抗氧化性等是研究熱點[12-14]。本實驗分別采用原豆渣直接提取、酶解處理、擠壓和擠壓-酶法復合處理的方法制備得到四種豆渣SDF,研究不同的處理方法對豆渣SDF的結構特性和功能特性的影響。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

豆渣哈爾濱高科技(集團)股份有限公司;Viscozyme L復合纖維素酶(酶活7100 U/mL)、堿性內切蛋白酶(酶活180000 U/mL)諾維信,化學試劑,分析純。

NDJ-5S數字式黏度計上海精密科學儀器有限公司;S0119總抗氧化能力檢測試劑盒、S0116總抗氧化能力檢測試劑盒碧云天生物技術研究所;A018羥自由基測定試劑盒南京建成生物工程研究所;DS56-Ⅲ型雙螺桿擠壓機濟南賽信膨化機械有限公司;Mastersizer2000激光粒度分析英國Malvern公司;PHM220型pH計法國Radiometer analytical;TU-1800紫外可見分光光度計北京普析通用儀器有限責任公司;S-3400N電子掃描顯微鏡日本HITACHI。

1.2實驗方法

1.2.1豆渣SDF的制備方法參考劉昊飛、徐廣超等人的方法[15-16],對豆渣采用不同的處理方法,制備豆渣水溶性膳食纖維SDF 1～4,將四種SDF樣品分別干燥、粉碎、80目篩分后備用。具體方法如下:

1.2.1.1豆渣SDF1的制備將原豆渣經蛋白酶酶解除蛋白,酶解條件為:料液比1∶20,55 ℃,pH7.5,300 U蛋白酶/g豆渣,時間1.5 h。酶解液用加入0.5 g硅藻土的G2坩堝真空抽濾,濾液用4倍體積的預熱至60 ℃的95%乙醇沉淀1 h,將沉淀物105 ℃干燥至恒重后即得SDF1。

1.2.1.2纖維素酶酶解豆渣SDF2的制備將原豆渣按照1.2.1.1的酶解條件酶解除蛋白,滅酶后進行纖維素酶酶解作用,條件為:pH4.5,55 ℃,106 U纖維素酶/g豆渣,酶解2 h,酶解液按照1.2.1.1的方法真空抽濾、醇沉、干燥后即得SDF2。

1.2.1.3擠壓豆渣SDF3的制備豆渣雙螺桿擠壓條件為:水分含量55%,轉速160 r/min、機筒溫度160 ℃、喂料速度40 kg/h。將擠壓處理后的豆渣按照1.2.1.1的方法提取得SDF3。

1.2.1.4擠壓-酶解復合處理SDF4的制備擠壓處理后豆渣按照1.2.1.2的方法制得SDF4。

1.2.2粒徑分析采用Mastersizer2000激光粒度分析儀對樣品顆粒的粒度進行分析。進樣器為Hydro 2000 MU(A),顆粒折射率:1.460,顆粒吸收率:0.1,以超純水作為分散劑,分散劑折射率:1.33,粒徑范圍:0.02～2000 μm[17]。

1.2.3電鏡觀察將四種豆渣SDF樣品粉碎后,過100目篩,采用離子濺射方法鍍金,通過掃描電子顯微鏡對制備好的樣品進行3000倍放大觀察分析,得到相應的掃描電鏡照片。

1.2.4黏度測定在25 ℃條件下,配制濃度為10%的豆渣SDF溶液,用NDJ-5S數字式黏度計,I號轉子,60 r/min轉速下測定溶液黏度,記數3次,每隔20 s記一次,黏度單位用(mPa·s)表示[15]。

1.2.4.1濃度對豆渣SDF溶液黏度的影響在25 ℃條件下,配制濃度為2%、4%、6%、8%、10%、12%的豆渣SDF溶液,分別測定其黏度。

1.2.4.2溫度對豆渣SDF溶液黏度的影響配制濃度為6%的豆渣SDF溶液,在10～90 ℃范圍內每隔5 ℃進行一次黏度測定。

1.2.5陽離子交換能力的測定將四種SDF樣品分別準確稱取300 mg,溶解于30 mL 0.01 mol/L HCl溶液中,在4 ℃下過夜,用0.02 mol/L NaOH溶液進行滴定,以不加樣品的30 mL 0.01 mol/L HCl溶液做對照實驗,記錄四組SDF溶液滴定時溶液的pH變化和消耗的NaOH溶液體積,作V(NaOH)-pH關系圖[18]。

1.2.6膽固醇吸附能力的測定采用鄰苯二甲醛法比色法測定膽固醇含量[19-21]。以膽固醇為標準物質,在550 nm波長比色測定吸光度值,并以其為縱坐標,膽固醇總含量為橫坐標,作標準曲線。

不同種類SDF對膽固醇的吸附量計算公式如下:

吸附量(%)=吸附前膽固醇量(g)-吸附后膽固醇量(g)/樣品質量(g)×100

1.2.7體外抗氧化能力的測定

1.2.7.1ABTS+·清除能力的測定將ABTS溶液稀釋至在734 nm波長處的吸光度為0.700±0.050。在室溫條件下取10 μL樣品溶液(1.0 mg/mL)加入200 μL稀釋后的ABTS溶液中混勻,靜置5 min后測定734 nm波長下的吸光度值。以PBS作空白對照。標準曲線的測定:用PBS將10 mmol/L Trolox標準溶液稀釋成0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 mmol/L,按照測定樣品的方法測定標準曲線。

計算公式:

ABTS+·抑制率(%)=空白OD值-測定OD值/空白OD值×100

式中,C1表示樣品的ABTS+·抑制率與Trolox的ABTS+·抑制率相等時Trolox的濃度,單位mmol/L;C2表示樣品的濃度,1.0 mg/mL。

1.2.7.2鐵還原力的測定在37 ℃水浴中預熱FRAP溶液。在室溫條件下取5 μL樣品溶液(2.0 mg/mL)加入180 μL FRAP溶液中。于37 ℃水浴5 min后測定593 nm波長處的吸光度值。以PBS作空白對照。標準曲線的測定:將FeSO4·7H2O溶解稀釋至0.15、0.30、0.60、0.90、1.20和1.50 mmol/L,按照測定樣品的方法測定標準曲線。

樣品的抗氧化能力用FeSO4標準溶液濃度來表示。

計算公式:

式中,C1表示樣品的吸光度與FeSO4溶液的吸光度相等時,FeSO4溶液的濃度,單位mmol/L;C2表示樣品的濃度,2.0 mg/mL。

1.2.7.3·OH清除能力的測定配制0.03% H2O2溶液、顯色液以及適當濃度的樣品溶液等,將試劑盒中甲液、乙液分別稀釋10倍后按等比例配制成甲乙混合液,各溶液在37 ℃下預熱3 min,將空白管(加0.4 mL超純水)、標準管(超純水、0.03% H2O2溶液各0.2 mL)、對照管(超純水、底物溶液各0.2 mL)和測定管(底物溶液、樣品溶液各0.2 mL)中加入甲乙混合液各0.4 mL,混勻后37 ℃反應1 min,立即加顯色劑2 mL終止反應。于室溫下放置20 min后,在550 nm波長下測定各管吸光度值,以超純水調零。以樣品抑制羥自由基能力為指標,其定義為1 mg樣品在37 ℃下反應1 min,使反應體系中H2O2的濃度降低1 mmol/L為一個抑制羥自由基能力單位。

計算公式:

抑制羥自由基能力(U/mL)=對照OD值-測定OD值/標準OD值-空白OD值×標準品濃度(8.824 mmol/L)×1 mL/取樣量×樣品測試前稀釋倍數。

1.2.8統計分析方法方差分析采用SPSS19軟件中的One-Way ANOVA進行分析;相關性分析采用SPSS軟件中的皮爾遜相關系數進行分析;采用Origin 8.5軟件進行圖例制作。

2　結果與分析

2.1粒徑分析

圖1所示為四種豆渣SDF粒徑分布情況。SDF1、SDF2、SDF3和SDF4的體積平均粒徑D[4,3]分別為(107.988±4.368)、(44.325±7.091)、(92.121±4.578)、(39.311±0.657)μm,SDF4

圖1　豆渣SDF粒徑分布情況Fig.1　The particle size distribution of SDF

纖維素酶可以降解纖維素,使纖維素分子鏈被切斷,使分子量降低。所以SDF2和SDF4的粒徑比SDF1和SDF3小。擠壓SDF3與未處理豆渣SDF1相比粒度減小,原因可能是因為在擠壓的強作用力下,部分膳食纖維發生熔融現象,某些連接鍵斷裂,生成粒度更小的可溶性膳食纖維[22]。因此復合處理得到的SDF4粒度最小。

2.2電鏡分析

圖2為四種豆渣SDF在3000倍掃描電鏡下的觀察結果。可以看出,未處理豆渣提取的SDF1顆粒表面較為緊實光滑,呈現較致密的狀態;豆渣擠壓后提取的SDF3顆粒表面光滑度略差;經過纖維素酶酶解作用后提取的豆渣SDF2和SDF4顆粒表面相似,表面結構遭到破壞,棱角消失,結構疏松,表面有大量的蜂窩狀結構。

圖2　SDF的電鏡觀察圖(×3000)Fig.2　Scanning electron microscope images of SDF(×3000)

SDF2和SDF4顆粒表面結構成因可能是經過酶解,膳食纖維聚合度下降,使得水分子可以進一步深入膳食纖維內部,同時帶著纖維素酶分子繼續發生酶解作用,膳食纖維顆粒內部開始出現缺口,形成蜂窩狀孔洞,松散不平整,增大了顆粒的表面積[23]。

2.3黏度測定

圖3所示為不同濃度和溫度對SDF溶液黏度的影響。相同條件下,SDF4溶液與其他幾種SDF溶液相比具有最小的黏度。圖3a所示,溫度為25 ℃時,不同的SDF溶液的黏度都隨著濃度的增大而上升,且增幅越來越大,四種SDF溶液之間黏度差值增大。b圖所示,濃度為6%時,SDF溶液黏度隨著溫度的升高而降低,且降幅越來越小,四種SDF溶液的黏度差距縮小,溫度高于50 ℃后,黏度變化不明顯。

圖3　不同濃度和溫度對SDF溶液黏度的影響Fig.3　Effect of different concentrationsand temperatures on viscosity of SDF solution注:a圖表示溶液溫度為25 ℃時,SDF溶液的黏度隨濃度不同而變化情況;b圖表示SDF溶液濃度為6%時黏度隨著溫度上升而變化的情況。

隨著溶液中SDF含量的增加和粒度的增大,分子間相互聯結、聚合的程度增加,SDF分子運動受到阻礙,溶液的黏度越大,這種現象符合一般高分子溶液的黏度特性[24]。在升溫過程中分子熱運動加快,分子間距離擴大,破壞了SDF分子側鏈間的氫鍵和離子鍵,使SDF的多聚體結構變為低聚體,聚合度的下降導致了黏度下降。因此,SDF4的黏度最低,與其降解程度高、粒度較小有關。

2.4陽離子交換能力的測定

四種SDF陽離子交換能力如圖4所示。以圖中空白溶液pH隨滴入的NaOH溶液體積變化關系曲線作對比,可看出四種SDF具有明顯的緩沖能力,具有陽離子交換作用。SDF1、SDF2、SDF3和SDF4溶液的初始pH分別為2.92、2.79、2.82和2.74,空白溶液的初始pH為2.11。將四種SDF溶液和空白液用0.02 mol/L NaOH溶液滴定至pH9.40,所消耗NaOH的體積分別為17.9、20.7、20.0、23.5、15.8 mL,因此SDF4的陽離子交換能力最大。

圖4　SDF陽離子交換能力V(NaOH)-pH關系圖Fig.4　The cation exchange capacity of SDF

陽離子交換能力受到膳食纖維微觀結構、顆粒粒度等因素的影響[25]。SDF4比其他SDF樣品具有更強的陽離子交換能力,可能是因為擠壓和酶解過程使得粒徑減小,比表面積增大,更多的化學基團暴露,從而在一定程度上提高了SDF的陽離子交換能力。

2.5膽固醇吸附能力的測定

膽固醇總量(X,mg)與吸光值(Y)之間的標準直線方程為:Y=12.851X-0.025,R2=0.9924。

由圖5可見,四種不同的SDF對膽固醇都有一定吸附作用,但總體而言SDF4優于其他。pH為7.0時,SDF4膽固醇吸附能力最大,SDF4與SDF2、SDF1與SDF3兩兩間無顯著差異,說明經過酶解作用,豆渣SDF膽固醇吸附能力得到明顯提高,而擠壓對其影響不大;pH為2.0時,四種SDF的膽固醇吸附能力均下降,SDF4>SDF2>SDF3>SDF1,相鄰兩者間差異不顯著;SDF對膽固醇的吸附能力受反應體系酸堿性的影響,在pH為7.0中性條件下的吸附能力要優于pH為2.0酸性條件下的吸附能力。

圖5　SDF對膽固醇的吸附能力Fig.5　The adsorption capacity of SDF for cholesterol注:不同字母表示相同指標不同種類SDF之間存在顯著差異(p<0.05)。

SDF4對膽固醇的吸附能力較大,可能是因為分子越小,微晶束較少,呈無定形狀態,極性基團暴露得多,空間障礙小,利于吸附膽固醇。在酸性條件下體系中存在大量氫離子,使得SDF與膽固醇均攜帶了部分正電荷,兩者之間產生了相互排斥的作用力而使結合力減弱,SDF對膽固醇的吸附能力有所下降[26],所以pH7.0時吸附能力優于pH2.0。

2.6體外抗氧化能力的測定

表1　SDF體外抗氧化能力

注:不同字母表示相同指標不同種類SDF之間存在顯著差異(p<0.05)。ABTS+·清除能力的測定所得Trolox濃度(X,mmol/L)與抑制率(Y)之間的直線方程為:Y=2.4917X+0.1217,R2=0.9992。鐵還原力的測定得到FeSO4濃度(X,mmol/L)與吸光值(Y)之間的直線方程為:Y=0.6516X+0.0578,R2=0.9998。

表1所示為不同處理方法所得的SDF體外抗氧化能力測定結果。SDF4的ABTS+·清除能力達到了(0.806±0.028)mmol/g,顯著高于其他三種SDF,SDF1與SDF2間無顯著差異。SDF4鐵還原能力僅次于SDF3,二者無顯著性差異,均顯著高于SDF1和SDF2,說明擠壓能夠較大幅度的提升SDF的鐵還原能力。不同的處理方法對SDF的·OH清除能力的影響較大,SDF4>SDF2>SDF3>SDF1,相鄰兩者間差異顯著,經過酶解作用的SDF的·OH清除能力更大,SDF4的·OH清除能力是SDF1的2.9倍。

擠壓-酶解復合處理可能增大了SDF提供電子的能力,可以通過提供電子使自由基變為穩定的物質,中斷自由基連鎖反應;暴露出更多的活性基團,親水性增大,加大SDF供氫體的釋放,使·OH還原,因此SDF4體外抗氧化能力增大[27]。

3　結論

通過對不同處理方法所得SDF部分性質的比較研究,結果表明:

豆渣水溶性膳食纖維粒度和黏度大小依次為SDF4

與SDF1和SDF3微觀結構相比,SDF2和SDF4顆粒表面形成蜂窩狀孔洞、表面結構更疏松,纖維素酶酶解處理對水溶性膳食纖維顆粒表面結構的影響大于擠壓處理。

SDF2、SDF3和SDF4的陽離子交換能力、膽固醇吸附能力和體外抗氧化活性高于SDF1,且SDF4功能性最強,擠壓和纖維素酶酶解處理能夠增強豆渣水溶性膳食纖維的功能性。

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Effects of treatment methods on structural and characteristics of soluble dietary fiber extracted from soybean dregs

QI Hui,NI Chun-lei,YIN Yuan,WANG Shuai,ZHANG Shan,CHENG Jian-jun*

(College of Food Science,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Four kinds of soluble dietary fibers(raw soybean dregs SDF1,enzymatic hydrolysis SDF2,extruded SDF3,extrusion-enzymatic SDF4)were extracted from soybean dregs and their structural and functional properties were investigated using electron microscope,laser particle size analyzer,ultraviolet spectrophotometer,rotary viscomete andinvitroantioxidant Kits. The results showed that the volume average particle size of SDF4 was the smallest of(39.311±0.657)μm. The surface structures of SDF2 and SDF4 particles were much looser with almost no edges. SDF4 exhibited the lowest viscosity,stronger cation-exchange and cholesterol-adsorption capacity. The FRAP,the inhibition capacity on ABTS+· and ·OH radical of SDF4 was the largest of(0.169±0.004)mmol/g,(0.806±0.028)mmol/g and(305.739±4.965)U/mL,respectively. Extrusion-enzymatic hydrolysis had a significant impact on the structure and function of soluble dietary fiber(p<0.05).

treatment methods;soybean dregs soluble dietary fiber;antioxidant activities

2015-12-10

齊惠(1988-),女,碩士,研究方向:糧食、油脂及植物蛋白工程,E-mail:qihui322@126.com。

程建軍(1969-),男,博士，教授,研究方向:農產品加工,E-mail:cheng577@163.com。

黑龍江省應用技術研究與開發計劃項目(GC13B208)。

TS210.9

A

1002-0306(2016)11-0062-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.11.004