咖啡果皮可溶性膳食纖維的制備及其表征

李 雄,胡榮鎖,張海德,*,周文化,曾 穎,朱新儒,余 壘

(1.海南大學,海南?？?570228; 2.中國熱帶農業科學院香料飲料研究所,海南萬寧 571533; 3.特醫食品加工湖南省重點實驗室,湖南長沙 410004)

目前,咖啡在云南省的種植面積已達12.2萬公頃,年產副產物超過40萬噸,其中少量作為肥料,大量堆積廢棄。針對上述現象本實驗決定采用云南省咖啡的主要品種:云南小粒種咖啡,一般也稱阿拉比卡。

國內對咖啡副產物的研究尚停留在較為低級的階段,多將副產物集中在一起用于農業生產中堆肥等,而國外對咖啡副產物研究有進一步的細分,包括咖啡果皮、咖啡銀皮、咖啡渣[1]等,用途豐富。胡榮鎖等利用響應面法優化了咖啡果皮可溶性膳食纖維(SDF,Soluble dietary fiber)的提取工藝,同時缺乏對產品的比較及其結構特性進一步的探究[2]。Usha[3]利用葡糖醋桿菌在咖啡果皮中提取到比天然纖維素具有更高結晶度的細菌纖維素。Pourfarzad在咖啡銀皮研究中,其水溶性膳食纖維含量達到總膳食纖維的86%,并將其應用到焙烤食品中[4]?？Х仍挠猛靖鼜V泛,包括改善土壤條件、作為工業鍋爐的燃料、用作動物飼料、生產生物柴油[5]等等。

本研究利用四種預處理方法,分別是:超聲波、微波、濕磨和高壓爆破來結合纖維素酶提取咖啡果皮(CP,coffee peel)中的膳食纖維,比較探討不同的預處理方法對SDF的功能特性和結構的影響,以針對性獲得各SDF產品適合的實際應用的領域,旨在為咖啡果皮高品質SDF的產業化開發應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

云南小粒種咖啡果皮 由云南農業大學熱帶作物學院協助收集;果膠酶(酶活力≥3×104U/g)、胰酶(酶活力為USP級)、溴化鉀(光譜級) 美國阿拉丁公司;纖維素酶(酶活力≥10×104U/g) 鄭州明瑞化工產品有限公司;三氟乙酸、無水吡啶 均為色譜純;鹽酸、三氯甲烷、氫氧化鈉、氯化羥胺、乙酸酐 均為分析純。

AL104分析天平、FE20實驗室pH計、梅特勒DSC 1 梅特勒-托利多國際貿易(上海)有限公司;電子恒溫不銹鋼水浴鍋 上海宜昌儀器紗篩廠;步琪R-215旋轉蒸發儀 瑞士步琪實驗設備公司;CW-2000超聲-微波協同萃取儀 新拓微波溶劑測試技術有限公司;IKA magic LAB乳化分散機 IKA集團;HOP-L7濕法超細粉碎機 無錫赫普輕工設備技術有限公司;I WAVE精密色差儀 深圳市威福光電科技有限公司;Nicolet 6700傅立葉紅外光譜 美國賽默飛世爾科技有限公司;Agilent 7890A氣相色譜儀 美國安捷倫科技公司;MCR302流變儀 奧地利安東帕(中國)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 咖啡果皮中SDF的制備

1.2.1.1 CP的前處理 收集經過濕法加工[6]后的CP,采用日曬法,將其水分含量降至10%以下,趁熱放入干燥器。提取前,將水分烘干至水分含量為5%左右,使用中藥粉碎機來粉碎,過40目篩,備用。

1.2.1.2 SDF的酶法提取 參考文獻[7]，a.纖維素酶提取SDF(C-SDF):咖啡果皮經過果膠酶除果膠和胰酶處理后,調節pH5.5,添加6%的纖維素酶,在50 ℃下反應2 h,沸水浴10 min滅活,過濾,濾液恒溫55 ℃減壓濃縮至原液體積的1/6,定容至100 mL,4倍體積無水乙醇靜置沉淀2 h,抽濾得到SDF,70 ℃恒溫烘干,得干燥產品。

b.超聲波輔助酶法提取SDF(UC-SDF):咖啡果皮經過果膠酶除果膠和胰酶處理后,超聲波協助處理25 min,功率300 W,后續處理同C-SDF,得干燥產品。

c.微波輔助酶法提取SDF(MC-SDF):咖啡果皮經過果膠酶除果膠和胰酶處理后,微波協助處理15 min,功率100 W,后續處理同C-SDF,得干燥產品。

d.膠體磨輔助酶法提取SDF(WC-SDF):咖啡果皮經過果膠酶除果膠和胰酶處理后,皮渣液在膠體磨中循環15 min,后續處理同C-SDF,得干燥產品。

e.高壓爆破輔助酶法提取SDF(HC-SDF):咖啡果皮經過果膠酶除果膠和胰酶處理后,皮渣液在膠體磨中循環10 min,在25 MPa壓力下用均質機處理5次,后續處理同C-SDF,得干燥產品。

1.2.2 產品得率的測定 將C-SDF及四種預處理手段協助得到的UC-SDF、MC-SDF、WC-SDF、HC-SDF收集,設定鼓風干燥箱為60 ℃,時間2 h,稱重。

1.2.4 咖啡果皮SDF的物理特性

1.2.4.1 持水力參考Esposito等[8]的方法,稱取1.0 g樣品于50 mL的離心管中,加入20 mL的去離子水,室溫下,用磁力攪拌器攪打40 min,3000 r/min離心15 min,棄去上清液并用濾紙吸干管壁,稱重。

持水力(g/g)=樣品濕質量(g)-樣品干質量(g)/樣品干質量(g)

1.2.4.2 對脂肪吸附能力 參照Caprez等[9]的方法。取0.2 g產品置于40 mL大豆油中,室溫靜置12 h,2000 r/min離心15 min,去除上清液,稱取吸油后的質量。

對脂肪吸附能力(g/g)=樣品濕質量(g)-樣品干質量(g)/樣品干質量(g)

1.2.4.3 溶脹性 參照Sowbhagya等[10]的方法,取0.5 g產品置于20 mL去離子水中,室溫靜置24 h,記錄SDF吸水前后的體積。

溶脹性(mL/g)=吸水后的體積(mL)-吸水前的體積(mL)/樣品干質量(g)

1.2.5 咖啡果皮SDF的表征

1.2.5.1 傅里葉變換紅外光譜(FTIR,fourier transfer infrared spectrum)分析 參照李安平等[11]的方法,取干燥SDF樣品各2 mg分別與干燥200 mg KBr混合研磨至均勻細粉狀,使用油壓機以10 MPa的壓力進行壓片1 min,得到均勻透明薄片,放入夾具槽位,傅里葉變換紅外光譜掃描范圍4000～400 cm-1,掃描次數為32,分辨率為4 cm-1,觀察樣品官能團的特征吸收峰。

1.2.5.2 單糖組成 分析前處理方法參考黃鵬等[12]方法,利用氣相色譜-質譜(GC-MS,gas chromatograph-mass spectrum)測定SDF中單糖的種類,稱取50 mg干燥后的SDF樣品于試管中,加入2 mol/L三氟乙酸(TFA)2 mL封管,置于110 ℃烘箱中水解2 h,冷卻至室溫,濾去殘渣,并用少量去離子水沖洗2遍,合并上述濾液,減壓干燥,通過減壓蒸發除去殘存的TFA。

乙酰化:取上述干燥后的樣品,加入10 mg鹽酸羥胺及1 mL無水吡啶,振蕩待其充分溶解后,封口,于90 ℃水浴反應30 min,冷卻至室溫,加入1 mL無水醋酸酐,于90 ℃水浴反應30 min,冷卻后加入1 mL去離子水攪拌,用2 mL三氯甲烷分別萃取3次,合并萃取液,加足量無水硫酸鈉除盡水分,吸取1 mL下層三氯甲烷液體,即可進行氣相色譜測定,條件如下:

GC-MS測試方法:DB-5MS色譜柱(30 m×250 μm×0.25 μm),升溫程序:起始溫度50 ℃,保持3 min,以10 ℃/min上升到150 ℃保持3 min,再以4 ℃/min上升至220 ℃保持3 min,最后以10 ℃/min上升至280 ℃。進樣量1 μL,不分流。

質譜條件:離子源溫度230 ℃,掃描質量范圍25～300 u。

采集到的總離子流圖與NIST標準譜庫對照,對組分定性,僅報道保留指數與參考保留指數誤差小的鑒定結果,并用峰面積歸一化法計算各單糖的相對含量[13]。

1.2.5.3 熱穩定性分析 利用差示掃描量熱儀(DSC,differential scanning calorimeter)對各產品進行分析。參考紀緒前[14]的方法適當調整,方法如下:物料經過干燥及粉碎過篩。稱取8 mg樣品置于40 μL標準鋁坩堝中,然后經過壓樣機壓蓋密封。將壓好蓋的坩堝移入儀器樣品槽,準備檢測。溫度從25 ℃升至400 ℃,升溫速率為15 ℃/min,分析熱變化規律。

1.2.5.4 流變學性質的研究 采用高精度流變儀Φ60 mm不銹鋼平行板測量系統,分別取0.2 g SDF g充分溶解于10 mL水,制成20 mg/mL的混合溶液,完全溶解后,溶液在4 ℃下平衡過夜以允許消除被夾帶的空氣[15]。每次取樣約4 mL于測試板,選擇穩態剪切模式,測定溶液粘度及剪切應力隨剪切速率的變化。測試方法:取點時間按對數規律變化,起始值10 s,最終值1 s;剪切速率按對數規律變化,起始值1 s-1,最終值100 s-1。測試前,設定平板系統溫度為25 ℃,穩定5 min開始檢測。

2 結果與分析

2.1 SDF得率的測定結果

由圖1可知,空化、加熱、剪切、高壓等這些預處理效應使得SDF得率均顯著高于對照組(p<0.05),其中得率最高的膠體磨協同酶法是14.65%,與常規酶法7.98%相比,增加了83.58%。空化、剪切作用能破壞植物細胞,降低植物組織中各成分之間結合緊密程度,同時使待提取物更快滲透到提取液中,提高提取效率[16-17]。高壓使膳食纖維的結構變的更加疏散,利于不溶性纖維轉化為可溶性物質[18],而微波能短時間內使物料內外同時進行加熱,促進物質中分子的運動而提高膳食纖維含量[19]。

圖1 不同預處理方法對SDF得率的影響Fig.1 Effects of different pretreatment methods on SDF yield注:C-SDF:對照組,UC-SDF:超聲波預處理組, MC-SDF:微波預處理組,WC-SDF:濕磨預處理組, HC-SDF:高壓爆破預處理組,圖2～圖5 及圖7～圖8同,表1、表3、表4同。 圖中不同小寫字母表示各組差異顯著(p<0.05), 相同小寫字母表示組間差異不顯著(p>0.05)，圖2～圖4同。

2.2 SDF色差值的測定結果

四種預處理手段結合酶法及酶法制備的SDF的顏色值的測定結果如表1所示。

表1 不同預處理方法對SDF色差值的影響Table 1 Effects of different pretreatment methods on SDF color difference

由表1,樣品整體亮度適中,顏色紅棕,適度偏黃,各顏色值之間存在顯著差異(p<0.05),其中微波預處理的SDF產品的總色差值最大,濕磨預處理制得的產品與常規酶解工藝產品總色差最小,可能是濕磨對細胞結構破壞程度不深,色素類物質含量積累較少。另外,超聲預處理和微波預處理制得的產品無論在明度差異、紅/綠差異、黃/藍差異上均與對照組有顯著差異性(p<0.05),可能短時熱效應對產品色素的積累具有推動作用。

2.3 咖啡果皮SDF的物理特性測定結果

2.3.1 持水力 由圖2可知,超聲,微波預處理使得膳食纖維的持水力有一定提高,來源于其對物料細胞壁破壞并產生強烈的加速度,進一步釋放和增加SDF的含量,而可溶性膳食纖維具有大量的親水基團因而表現出較好的親水性[20],持水能力強。濕磨預處理得到的膳食纖維持水力最強,為10.37 g/g,與對照7.34 g/g相比提高了41.28%,推測其對膳食纖維的網狀結構破壞較小[21],而高壓爆破獲得的產品并沒有王曉梅等[22]利用高壓均質技術得到的產品持水力那么好,推測可能是高壓、高溫、乳化作用對膳食纖維的網狀結構產生了一定的破壞,導致持水力下降[23]。

圖2 不同預處理方法對SDF持水力的影響Fig.2 Effects of different pretreatment methods on water holding capacity of SDF

2.3.2 對脂肪吸附能力 從圖3可知,各種方式使持油性都有不同程度的降低。相比較而言,濕磨方式對膳食纖維的持油性影響最大,推測其SDF較多的親水基團影響其對油的吸附。高壓爆破破壞了膳食纖維的網狀結構,使脂肪在物料中的保留時間縮短[24],結合脂肪能力降低,但是降低的程度和其他實驗組相比是最低的。至于微波和超聲則對結構破壞嚴重,吸油能力衰減較大。

圖3 不同預處理方法對SDF吸油能力的影響Fig.3 Effects of different pretreatment methods on the oil absorption capacity of SDF

2.3.3 溶脹性 由圖4,高壓爆破處理使得產品溶脹性顯著提高,達9.52 mL/g。而其他處理對溶脹性有一定提升,但差異顯著(p<0.05)。高壓爆破之所以對于膨脹力的提高具有顯著影響(p<0.05),是因為在均質機循環中高壓能促進膳食纖維的微?；?使物料的緊密組織變得松散,產生更多的毛細孔,利于水分滲入,提高物料的膨脹力[21]。

圖4 不同預處理方法對SDF溶脹能力的影響Fig.4 Effects of different pretreatment methods on swelling capacity of SDF

2.4 傅里葉紅外光譜分析結果

由圖5可知,各樣品的紅外圖譜幾乎完全一致,咖啡果皮可溶性膳食纖維具有多糖的特征吸收峰。3200～3600 cm-1處出現的寬展圓滑的吸收峰是O-H的伸縮振動,說明SDF中有較多羥基以及結合水分子[25]。2930 cm-1處為糖類甲基和亞甲基的C-H伸縮振動峰,1407 cm-1處附近是C-H變角振動峰,這些都為糖類的特征峰[26]。1650 cm-1處的吸收峰是羰基的吸收峰,說明咖啡果皮可溶性膳食纖維中存在糖醛酸[27],1538 cm-1處吸收峰是由C=C鍵骨架振動引起的[28],1000～1200 cm-1是糖類C-O的收縮振動,其中1068 cm-1是C-O-C環內醚中C-O伸縮振動和C-O-H的O-H的變角振動,是多糖的另一特征吸收峰[29],617 cm-1是糖分子中β-型的C-H直立鍵的變角振動吸收[30]。峰的數量、位置、峰形均沒有發生顯著變化,說明5種SDF的主要成分及總體化學結構沒有發生明顯改變。

圖5 咖啡果皮SDF傅里葉紅外光譜Fig.5 Infrared spectra of soluble dietary fibers from coffee peel

2.5 SDF單糖組成分析

由圖6、表2、表3可以看出,咖啡果皮SDF主要由鼠李糖、阿拉伯糖、塔羅糖、甘露糖、半乳糖5種單糖來組成,其余還有少量赤蘚糖、巖藻糖和葡萄糖。其中赤蘚糖是四碳糖,阿拉伯糖是五碳糖,占比較小,其他部分均為六碳糖,這些六碳糖占比超過總體的80%,在各實驗組和對照組中,除了HC-SDF,塔羅糖占比最高,均超過30%,其次是甘露糖,而在HC-SDF中剛好相反,甘露糖比塔羅糖占比稍多,也超過30%?？Х裙DF中葡萄糖和半乳糖含量很小,說明在SDF中可能存在的果膠含量很少,果膠作為一組聚半乳糖醛酸往往會被水解成大量葡萄糖、半乳糖等單糖,且被證實具有明顯降膽固醇的作用[31]。

表2 檢測組分與保留指數Table 2 Detection of components and retention indices

表3 單糖種類與比例Table 3 Monosaccharide composition of coffee peel SDF

圖6 咖啡果皮SDF樣品的總離子流色譜圖Fig.6 Total ion chromatogram of coffee peel SDF sample

2.6 SDF熱穩定性分析結果

由圖7與表4可知,經各種預處理手段結合酶提取的SDF與對照組酶法SDF的DSC曲線趨勢基本一致。各個SDF產品起始溫度、峰值溫度基本一致,結束溫度HC-SDF與吸收的熱量H與其他組有明顯差異。初始溫度在50～100 ℃表現為產品水分的吸熱[32],最高吸收峰均在80 ℃左右,200 ℃后沒有出現明顯吸放熱的變化,說明在200 ℃后產品具有熱穩定性,其中C-SDF、UC-SDF、WC-SDF較早進入熱穩定狀態,其次是MC-SDF,最晚是HC-SDF,這說明高壓爆破手段對于提取咖啡果皮SDF產品來說,可能會較明顯影響其產品的熱穩定性,這對于作為烘焙食品工業的膳食纖維添加劑有重要意義。

表4 咖啡果皮SDF的熱穩定性Table 4 Thermal properties of the coffee peel SDF

圖7 咖啡果皮SDF差式熱量掃描曲線Fig.7 Differential scanning calorimetry curves of coffee peel SDF

2.7 SDF產品的流變性研究結果

從圖8a中可以看出隨著剪切速率的增加,各SDF產品的剪切應力逐漸增強并與剪切速率呈線性關系,說明近似于牛頓流體[33],常規酶解方法和預處理手段結合酶的方法對SDF溶液的流體類型無明顯影響。當剪切速率一致時,剪切應力大小:C-SDF>UC-SDF>WC-SDF>HC-SDF>MC-SDF,與此情況相對應的是,黏度大小:C-SDF>UC-SDF>WC-SDF>HC-SDF>MC-SDF。各SDF產品在剪切速率較低的范圍內都隨著剪切速率的增大粘度減小,有剪切稀化的現象,具有假塑性[33],具有假塑性的流體大多含有高分子的膠體粒子,這些粒子多由巨大的鏈狀分子構成[33]。在靜止或低流速時,它們互相鉤掛纏結,黏度較大,顯得黏稠,但當流速增大時,也就是由于流層之間的剪切應力的作用,使比較散亂的鏈狀粒子滾動旋轉而收縮成團,減少了相互鉤掛,這就出現剪切稀化現象[33]。綜上,不同的預處理手段,對最終SDF產品的流變特性影響程度不一,但反應流變特性的應力與黏度在一定流動速率下都會趨于降低,降低程度為:MC-SDF>HC-SDF>WC-SDF>UC-SDF>C-SDF。

圖8 不同提取SDF的流變特性(a)剪切應力 與剪切速率的關系(b)黏度與剪切速率的關系Fig.8 Folw behavior of different SDF(a)shear stress as a function of the shear rate(b)viscosityas a function of shear rate

3 結論

咖啡果皮SDF的提取,不同的預處理手段,包括超聲處理、微波處理、濕磨處理、高壓爆破處理都能顯著提升產品得率,提升程度:WC-SDF>HC-SDF>UC-SDF>MC-SDF>C-SDF。得到的SDF整體亮度適中,顏色紅棕,各顏色值存在顯著差異(p<0.05)。物理特性方面,WC-SDF組持水力最優,對脂肪吸附能力最差。HC-SDF組溶脹性最好,持水力偏弱,表明高壓爆破對其物理特性的影響較顯著。結構表征方面,各SDF產品紅外圖譜幾乎一致,都具有多糖的特征吸收峰,主要由鼠李糖、阿拉伯糖、塔羅糖、甘露糖、半乳糖5種單糖組成。高壓爆破預處理對SDF熱穩定表現影響最明顯。各SDF產品在剪切速率較低的范圍內隨著剪切速率的增大都黏度減小,并且表現出剪切稀化的現象,具有顯著的假塑性,同時預處理對SDF產品流變特性的影響很明顯,程度為:MC-SDF>HC-SDF>WC-SDF>UC-SDF>C-SDF

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