生物解離大豆膳食纖維對面團質構特性的影響

李 楊 鐘明明 齊寶坤 曾 琪 李 紅 王 歡

(東北農業大學食品學院，哈爾濱 150030)

0 引言

生物解離技術是一種利用機械和酶解手段同步提取油脂和蛋白的綠色加工方式[1]。據報道，該工藝生產1 L油脂會同時產生約28 L水解液及4.4 kg的殘渣[2]，經研究表明擠壓膨化、酸度調節等處理方式使得生物解離豆粕顆粒細膩，可溶性膳食纖維含量較豐富[3]，且在蛋白酶酶解油脂體表面蛋白膜促進油脂釋放的同時，大豆蛋白被水解為多肽游離于水解液中，故生物解離大豆所產生的殘渣無需進一步改性和提取即可作為高品質膳食纖維粉直接利用。目前，脫脂豆粉及大豆膳食纖維在面制品中應用廣泛，研究表明，膳食纖維具有較高的持水性，且其自身凝膠性也對面制品品質起到一定改良作用，但過量添加會稀釋面筋蛋白、破壞面團結構[4-6]。國內外關于膳食纖維在面制品中應用的研究主要集中于對膳食纖維進行改性處理，提高水溶性膳食纖維含量，并分析其對面粉的功能特性及面制品感官品質的影響[7-14]。

超微粉碎技術近幾年在膳食纖維改性方面應用廣泛。本文以生物解離大豆膳食纖維為原料，通過單因素分析及響應面優化確定不同膳食纖維粒度及添加量對面團質構特性的影響，得到制備生物解離膳食纖維面團的最優工藝。測定面團中巰基/二硫鍵含量，判斷膳食纖維對面團面筋結構形成的影響，并通過掃描電鏡觀察生物解離膳食纖維在面團中的存在形式及其對面筋結構的影響，為生物解離大豆膳食纖維在面制品中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆片、低筋面粉(蛋白質質量分數9%)，市售；2.4 L堿性蛋白酶(1.2×105U/mL)，美國Sigma公司。其他常用化學試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

TG16-WS型臺式高速離心機，湖南湘儀離心機儀器有限公司；KC-701型超微粉碎機，北京開創同和科技發展有限公司；Farinograph-E型粉質儀，德國Brabender公司；KN204P型烤箱，青島金貝克機械有限公司； SHA-B型數顯恒溫水浴振蕩器，金壇市雙捷實驗儀器廠；TU-1810型紫外-可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司。

1.3 試驗方法

1.3.1生物解離大豆膳食纖維的制備

將大豆片粉碎后進行擠壓膨化處理[15]，大豆片含水率12%，擠壓膨化機套筒溫度60℃，螺桿轉速120 r/min，模孔孔徑30 mm，擠壓膨化后的物料加水調節，液料比為6 mL/g，加入0.2% 2.4 L堿性蛋白酶，酶解3 h后用1 mol/L NaOH調節pH值至9，沸水浴20 min滅酶，4 500 r/min 離心分離至上層無游離油析出[16]，收集下層固體殘渣，冷凍干燥后獲得生物解離大豆膳食纖維粉(Enzyme-assisted aqueous extraction processing Okara, EO)；將膳食纖維粉進行不同條件超微粉碎處理，超微粉碎后的物料(Enzyme-assisted aqueous extraction processing with ultrafine grinding Okara, EUGO)分別過100、200、300、500目篩備用。

1.3.2膳食纖維成分及功能性測定

膳食纖維粉中水分、灰分、粗蛋白和粗脂肪含量的測定根據AOAC方法[17]，膳食纖維含量的測定根據AACC方法[18]。持水力、持油力和膨脹力的測定與李安平等[19]研究方法相同。

1.3.3大豆生物解離膳食纖維面團制備工藝單因素試驗

利用大豆生物解離膳食纖維與面粉混合制成面團，單因素試驗按照表1進行(纖維添加量和水分添加量為纖維和水占面粉質量的百分比)，利用面團質構的各項指標作為標準進行評價。所有試驗進行3次，試驗結果取3次平均值。面團質構的測定采用物性測定儀，將面團制成高4 cm、直徑5 cm的圓柱形，選用P50型探頭，測試前、中、后速度分別為2、1、10 mm/s，應變位移40 mm，引發類型為自動，數據采集速率200 p/s。將對照和各混合粉平均分成5份，每份樣品200 g，在恒溫條件下，將每份樣品加入適量水進行揉和，將揉好的光滑、不黏手的面團以相同的揉和次數及揉和力度揉成圓形后，進行TPA(質構分析)測試。從TPA試驗曲線上可得到3個參數：硬度、彈性和膠黏性[15]。

表1 制備大豆生物解離膳食纖維面團單因素水平Tab.1 Single factor experiment levels of EAEP residue dough

1.3.4生物解離纖維面團制備工藝響應面優化

根據單因素測定結果，應用Box-Behnken設計原理，以纖維粒度、纖維添加量、水分添加量3因素作為影響因素，以生物解離膳食纖維面團延展率作為響應值，設計三因素三編碼的響應面試驗，優化生物解離膳食纖維面團制備條件。

1.3.5面團巰基/二硫鍵測定

由響應面結果可知，膳食纖維添加量對面團質構影響較大，故以下試驗將TPA測試后的面團經過真空冷凍干燥，用研缽粉碎并過100目篩，分別準確稱取150 mg面團粉，與1 mL Tris-Gly(0.086 mol/L Tris(氨基丁三醇)，0.09 mol/L Gly(氨基乙醇)，0.04 mol/L EDTA(乙二胺四乙酸)，pH值8.0)緩沖溶液混勻后加4.7 g鹽酸胍，用緩沖溶液定容至10 mL，室溫(20℃)下攪拌30 min。吸取1 mL樣品液加入5 mL 8mol/L Urea(尿素)溶液，再加入0.04 mL Ellman’s (DTNB，即5，5-二硫基雙2-硝基苯甲酸溶于Tris-Gly緩沖液，4 mg/mL)試劑，迅速混合后在25℃下保溫反應30 min，測定在412 nm下吸光度A412；同時測定空白值(以蒸餾水代替樣品測定)。每組樣品測定3次取平均值，游離巰基摩爾質量濃度計算式為

Sh=73.53A412D/C

(1)

式中D——稀釋系數，取5.02

C——樣品蛋白質最終質量濃度，mg/mL

測定總巰基含量時，吸取0.4 mL樣品液加入2.0 mL 10 mol/L Urea及0.04 mL β-巰基乙醇，25℃保溫60 min后加入10 mL 12%三氯乙酸(TCA)，保溫60 min后3 000 r/min離心分離15 min，用5 mL 12%三氯乙酸洗滌沉淀后繼續離心，反復兩次，將沉淀物溶于6 mL 8 mol/L Urea中，加入0.06 mL Ellman’s試劑，迅速混合后在25℃下保溫反應30 min后于412 nm處測定吸光度。總巰基摩爾質量濃度的計算式為

Sh+SS=73.53A412D/C

(2)

式中SS——被還原的巰基摩爾質量濃度

D——稀釋系數，取10

1.3.6掃描電鏡

每100 g面粉中分別添加0、10%、20%、30%、40%、50%生物解離大豆膳食纖維混勻后揉和成面團，面團醒發90 min后拉伸搓圓，從面團中取3～5 mm3的小面團作為測試樣，立即浸泡于0.2 mol/L pH值 7.2的磷酸緩沖液配置的3%戊二醛中，在4℃下固定24 h。然后用0.1 mol/L pH值 7.2的磷酸緩沖液清洗3次，每次5 min，再依次用30%、50%、70%、90%、100%的乙醇脫水，每次20 min。樣品凍干后，將其用雙面膠帶粘在樣品臺上，經IB-5型離子濺射儀鍍金后用JEOL-JSM-6360LV型掃描電鏡觀察拍照，加速電壓15 kV，照片放大倍數為1 000倍[20]。

1.3.7數據分析

本試驗數據均為3個平行樣的平均值，結果采用SPSS分析軟件和Origin 8.0進行處理分析。

2 結果與討論

2.1 生物解離大豆膳食纖維成分及功能特性結果分析

表2所示為不同粒度膳食纖維(表中纖維類別字母后的數字表示纖維粒度)中可溶性纖維含量及膳食纖維粉的功能特性。膳食纖維粉中可溶性膳食纖維質量分數隨著粒度的減小由60.31%(100目)增加至69.07%(500目)，這可能是由于大豆膳食纖維長鏈斷裂、親水基團暴露，從而使得水溶性物質的含量增加。此外生物解離膳食纖維粉的持水力、持油力及膨脹力隨目數的增加呈現出先增大后減小的趨勢，最大值分別達到7.62 g/g、8.24 g/g、12.02 mL/g。膳食纖維粉在小于300目時，其功能特性隨目數增大而增大，這可能是由于在超微粉碎強力作用下，水溶性膳食纖維增多的同時比表面積增大，從而使持水力、膨脹力有所增大[21]；但當膳食纖維粉大于300目后，超微粉碎破壞了豆渣粉中膳食纖維的組織結構，雖然豆渣粉與水分的接觸面積增大但對水分的束縛能力減小[22]，故功能特性呈平緩趨勢。因此，超微粉碎可以改善生物解離大豆膳食纖維的功能特性。

表2 不同粒度膳食纖維成分及功能特性分析Tab.2 Composition and characteristics analysis of dietary fiber with different particle sizes

注：同一行中上角標相同者表示無顯著性差異，不同者表示有顯著性差異(P<0.05)。

2.2 單因素試驗結果與分析

2.2.1纖維粒度

在纖維添加量30%、水分添加量為5%條件下，膳食纖維粒度對面團質構特性的影響如圖1所示。隨著膳食纖維粒度從60目增加至500目，面團硬度逐漸減小，彈性逐漸增大，這與王帥陽[12]研究結果一致。這可能是由于隨著豆渣粒度的減小，小粒度膳食纖維粉與水的接觸面積增大，且超微粉碎過程中大量的羥基暴露增大了與水結合的機率，導致面團的吸水率增大，面團硬度減小，但同時黏度增高，彈性降低。但當纖維粒度為500目時，雖然與水接觸面積進一步增大，但膳食纖維結構遭到破壞對水的束縛能力降低，從而導致吸水率的降低，這一結果與不同粒度膳食纖維功能特性的結果相一致，且面團硬度、彈性、黏度的變化趨勢相吻合。從差異顯著性角度分析，硬度隨著目數的增加逐漸降低，在60目到100目之間變化不顯著，直到增加到500目硬度有明顯降低；彈性隨目數的增加而增加，顯著性變化與硬度相似；膠黏性隨目數的增加而升高，但變化趨勢不顯著。綜合考慮膳食纖維粒度對面團質構特性的影響，故在優化膳食纖維粒度時選擇300目作為中心點。

圖1 膳食纖維粒度對面團質構特性的影響Fig.1 Influence of dietary fiber size on texture properties of dough

2.2.2纖維添加量

圖2 膳食纖維添加量對面團質構特性的影響Fig.2 Influence of dietary fiber addition amount on texture properties of dough

在纖維粒度為300目，水分添加量5%的條件下，纖維添加量對面團質構的影響如圖2所示。由圖2可知，隨纖維添加量的不斷增多，面團硬度逐漸增大，彈性不斷減小，膠黏性呈現先增大后降低的趨勢。從差異顯著性角度分析，硬度隨著膳食纖維添加量的增加而增強，在添加量10%～40%之間硬度增強較顯著，當添加量到達50%時，硬度增強不再顯著；彈性隨著膳食纖維添加量的增加不斷減小，但變化趨勢并不顯著；而膠黏性呈先增加后降低的趨勢，在添加量為30%時達到最高。硬度的結果可能是由于膳食纖維添加量的增加，面團結合效果會受到影響，隨著添加量的不斷增加，會使面團失去原有的彈性，從而也導致彈性的不斷降低。膠黏性的結果可能是由于膳食纖維自身的粘度會在添加初期使得面團粘度出現上升趨勢，當添加量達到一定程度時，膳食纖維自身的粘度已不能彌補對面團的破壞，故呈現降低趨勢。綜合面團質構特性考慮，選擇纖維添加量為30%作為試驗中心點。

2.2.3水分添加量

圖3 水分添加量對面團質構特性的影響Fig.3 Influence of water addition amount on texture properties of dough

水分添加量是影響面團質構的一個重要因素，在纖維粒度為300目，纖維添加量為30%的條件下，水分添加量對面團質構的影響如圖3所示。由圖3可知，硬度隨水分添加量的增加呈先增大后降低的趨勢，水分添加量過低會影響面團結合度，硬度也會相對較高，但水分過多面粉則會容易溶解在水中不易成團，也會影響面團的質量，所以5%水分添加量效果最佳。從差異顯著性角度分析，硬度隨水分添加量的增加先增加后降低，水分添加量1%～3%時硬度呈不顯著增加趨勢，3%～9%時呈顯著降低趨勢；彈性隨水分添加量的增加先增強后降低，水分添加量1%～7%時彈性增強，1%～3%時增強不顯著，5%～7%時顯著增強，添加量9%時彈性開始降低；膠黏性隨著水分添加量的增加不斷增強，添加量在7%時，增強較為顯著。彈性與硬度的變化呈負相關，硬度越大彈性越小，所以從圖中可以看出彈性隨著水分添加量的增加也呈先增大后降低的效果。膠黏性則隨水分的增加不斷增大，淀粉溶于水會呈現一種膠黏狀態，水分增多，黏性增強。綜合考慮，在優化水分添加量時選擇5%作為中心點。

2.3 生物酶法大豆膳食纖維面團制備參數響應面分析

延展率是判斷面團質構的綜合指標，在實際應用中起著重要作用。因此，本試驗選擇纖維粒度、纖維添加量、水分添加量3因素，采用Box-Behnken設計原理，進行響應面法優化分析。響應面試驗因素與編碼見表3，試驗設計方案與結果見表4，表4中X1、X2、X3為x1、x2、x3的編碼值。

表3 大豆生物解離膳食纖維面團響應面試驗因素和編碼Tab.3 Factors and levels for response surface analysis

表4 Box-Behnken試驗設計與結果Tab.4 Experimental design and corresponding results of Box-Behnken

利用Design-Expert軟件，對表4中試驗數據進行多元擬合，得到延展率對纖維粒度、纖維添加量、水分添加量二次多項回歸方程為

(3)

表5 延展率的方差分析Tab.5 Analysis of variance of extension rate

通過響應面試驗(圖4)分析生物解離大豆膳食纖維面團制備參數，發現纖維粒度在單因素試驗中確定的300目處比276目處面團各項指標略有降低，但總體影響不大。纖維添加量也略有差值，模型預測最佳添加量為30.52%，與單因素的30%相差甚微。水分添加量方面，模型結果將單因素試驗的結果進一步細化，精確至4.36%。在此條件下制備的面團具有最佳的延展率，而在實際試驗中也進一步得到證實。

最終結果表明，利用回歸方程預測，得到生物解離膳食纖維可食膜的最佳工藝參數為：纖維粒度為276目，纖維添加量為30.52%，水分添加量為4.36%，在此條件下制備的面團延展率為10.73。考慮實際操作可行性，將上述條件修正為：纖維粒度為300目、纖維添加量為30%、水分添加量為4.5%，在此條件下進行試驗，得到面團延展率為10.61，與模型預測值較為接近，說明該模型預測結果與實際試驗結果接近，具有一定參考價值，可用于實際生產加工中。

圖4 面團參數對面團延展率影響的響應曲面Fig.4 Response surfaces exhibiting effects of film formation parameters on water vapor permeability of edible films

圖6 生物解離大豆膳食纖維對面粉微觀結構的影響Fig.6 Effect of EAEP soybean dietary fiber on microstructure of wheat flour

2.4 生物解離大豆膳食纖維對面團二硫鍵/巰基含量的影響

根據圖5可知，隨著生物解離大豆膳食纖維添加量的增加，混合粉中總巰基及二硫鍵含量呈整體波動下降趨勢，該變化主要是由小麥面筋蛋白中半胱氨酸殘基的巰基變化引起，其中麥醇溶蛋白只含有分子內二硫鍵，水化之后賦予面團流變性，麥谷蛋白是大分子復合體，含有大量分子間二硫鍵，水化后使面團具有良好的彈性和延伸性，在面團形成過程中，蛋白質分子間以及分子內二硫鍵的形成受到面筋蛋白含量的影響，且膳食纖維的強親水性使得面團中小麥面筋蛋白二硫鍵(—S—S—)部分斷裂，面筋網絡結構受到一定程度的破壞，面團筋力下降，多肽鏈形成多肽和小分子短鏈物質，從而引起總巰基、游離巰基含量以及二硫鍵含量的降低。此外，面粉的穩定時間越長說明面粉筋力越強韌性越好，麥谷蛋白的二硫鍵結合牢固不易斷裂或處在恰當的位置，二硫鍵測定結果與小麥粉質特性結果相一致。小麥粉中麥谷蛋白和醇溶蛋白共同形成面筋，麥谷蛋白靠分子內和分子間二硫鍵連接，賦予面團彈性，醇溶蛋白主要為面團提供延展性。

圖5 生物解離大豆膳食纖維對面團中二硫鍵含量的影響Fig.5 Effect of EAEP residues on content of disulfide bond in dough

2.5 生物解離大豆膳食纖維對面團微觀結構影響

各樣品面團的電鏡掃描結果見圖6。在未添加大豆生物解離膳食纖維的空白對照中，面筋的網絡結構連續，可以清晰地觀察到面團中筋狀、片狀的面筋蛋白。隨著生物解離大豆膳食纖維添加量的增加，面團面筋開始斷裂，出現不連續性，淀粉顆粒暴露在面筋網絡結構之外，當添加量為40%和50%時幾乎看不到成片的面筋膜，面筋結構受到嚴重破壞[23]。這一現象能夠更直觀地說明生物解離大豆膳食纖維的添加破壞了面筋的網絡結構，從而導致了上述面團質構特性的變化[24]。但適量的大豆生物解離膳食纖維可以作為改良劑添加至面制品中，改善面制品的營養價值。

3 結論

(1)大豆生物解離膳食纖維面團的制備單因素試驗表明，纖維粒度、纖維添加量及水分添加量3因素均對面團質構有較顯著影響，其中面團的膠黏性隨著纖維粒度的增加緩慢增加，隨纖維添加量的增多呈先升高后降低的趨勢，隨水分添加量的增加不斷增加。

(2)在單因素試驗基礎上，通過響應面法建立了纖維粒度、纖維添加量及水分添加量3因素對面團延展率影響的模型。3因素對面團延展率的影響程度由大到小排序為：纖維添加量、水分添加量、纖維粒度。經優化得到的最佳工藝條件為纖維粒度300目、纖維添加量30%、水分添加量4.5%，在此條件下進行試驗，得到面團延展率為10.61。

(3)通過二硫鍵測定結果可以看出，在最優工藝條件下制備的膳食纖維面團中仍存在較多的面筋結構。隨生物解離大豆膳食纖維添加量的增加，面團面筋開始斷裂，出現不連續性，淀粉顆粒暴露在面筋網絡結構之外，當添加量為40%和50%時幾乎看不到成片的面筋膜，面筋結構受到嚴重破壞，且隨著生物解離大豆膳食纖維添加量的增加，混合粉中總巰基及二硫鍵含量呈整體波動下降趨勢。