高壓微射流對生物解離大豆膳食纖維特性的影響

王 歡 佟曉紅 劉 齡 李 紅 胡 淼 江連洲

(東北農業(yè)大學食品學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

生物解離(Biological dissociation，BD)是一種新型的綠色提油工藝，在機械破碎的基礎上，通過對植物油料進行酶解處理可實現(xiàn)油脂與蛋白的同步提取，具有十分廣闊的應用前景[1]。殘渣是生物解離工藝的主要副產物之一，據(jù)報道，提取1 L大豆油將會產生約4.4 kg殘渣[2]。生物解離殘渣中膳食纖維含量豐富，且在提取過程中對物料進行的擠壓膨化及酸堿調節(jié)等改性處理，改善了膳食纖維的理化性質及功能特性[3-5]。同時，膳食纖維良好的持油、持水等理化性質也可有效改善食品的風味及質構[6]，在食品加工領域有著重要價值。溶解性膳食纖維分為可溶性膳食纖維(Soluble dietary fiber, SDF)和不可溶性膳食纖維(Insoluble dietary fiber, IDF)，其中，SDF能發(fā)揮更多的代謝功能，具有提高葡萄糖耐受力、降低膽固醇水平等生理功效[7-8]。因此，可溶性膳食纖維的組成比例是影響膳食纖維生理功能的重要因素。已有學者提出，膳食纖維中含有30%～50%的SDF才稱之為高品質膳食纖維[9]。

生物解離大豆膳食纖維雖經(jīng)過擠壓膨化預處理，理化及功能特性已明顯高于天然膳食纖維，但與改性膳食纖維相比仍存在一定差距。動態(tài)高壓微射流(Dynamic high pressure microfluidization, DHPM)技術是一種高效的超微細化物理改性技術，在均質過程中，劇烈的處理條件(如液體高速撞擊、高速剪切、空穴爆炸、高速振蕩等作用)可能影響物料的高級結構[10-13]，從而導致其功能性質發(fā)生改變。迄今為止，圍繞DHPM對生物大分子的改性研究逐年增多，但對膳食纖維改性的研究較少。

為進一步提高生物解離技術副產物的應用價值，本文將生物解離膳食纖維經(jīng)DHPM處理，測定生物解離膳食纖維的主要成分、持水性、持油性、膨脹性等理化性質，并評價其膽汁酸結合能力和陽離子交換能力等功能特性，以期為膳食纖維的改性及增值利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

全脂大豆片，山東高唐藍山集團；堿性內切蛋白酶Alcalase 2.4 L，杰能科(中國)生物工程有限公司；α-淀粉酶(20 000 U/g)，北京索萊寶科技有限公司；牛磺膽酸鈉，上海源葉生物科技有限公司；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；FD5-3型冷凍干燥機，美國SIM公司；KC-701型超微粉碎機，北京開創(chuàng)同和科技發(fā)展有限公司；M-110EHM 型微射流均質機，美國Micrpfluidics 公司；KieltecAnalysister型凱氏定氮儀，瑞典Foss公司；Lindberg/BlueM型馬弗爐，美國AshevilleNC公司；SHA-B型恒溫水浴振蕩器，常州國華電器有限公司；DHG-9146A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海精宏實驗設備有限公司；高效液相色譜儀，美國Agilent公司；UV1101型紫外-可見分光光度計，上海天美科學儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1生物解離大豆膳食纖維制備

參照李楊等[14]的方法，將大豆片粉碎后用擠壓膨化機進行擠壓膨化處理，所述大豆片含水率12%，擠壓膨化機套筒溫度60℃，螺桿轉速120 r/min，模孔孔徑30 mm，擠壓膨化后的大豆片以液料比6 mL/g與水混合，調節(jié)pH值至9，加入質量分數(shù)為0.2%的Alcalase 2.4 L，55℃酶解3 h，加熱100℃滅酶后反復離心至上層無游離油析出，收集下層殘渣，調節(jié)水解液pH值至3，4 500 r/min離心分離，并對上層清液進行乙醇沉淀處理，再次離心后收集下層殘渣，將兩次收集的殘渣混合后凍干備用，即獲得生物解離膳食纖維[15-16]。

1.3.2DHPM處理

參考涂宗財?shù)萚17]的方法，取過100目的生物解離大豆膳食纖維，以液料比40 mL/g加水混勻，先在40 MPa 均質機下均質2次后，再分別在0、50、100、150、200 MPa微射流壓力下均質處理2次。均質后溶液冷凍干燥，-20℃的冷凍箱里冷藏待用[18]。

1.3.3膳食纖維含量測定

不同均質壓力的膳食纖維粉中可溶性膳食纖維及不溶性膳食纖維含量的測定根據(jù)AACC[19]方法。

1.3.4理化特性的測定

參照ROBERTSON等[20]的方法對膳食纖維持水力、持油力、膨脹力等理化特性進行測定。

持水力：準確稱取 1.0 g膳食纖維粉于100 mL燒杯中，加入70 mL蒸餾水，攪拌2 h后3 500 r/min離心30 min，去除上清液稱量，持水力計算公式為

(1)

式中S——持水力，g/g

C0——樣品質量，g

C1——吸水前樣品和燒杯的總質量，g

C2——吸水后燒杯和上清液的總質量，g

持油力：準確稱取 1.0 g膳食纖維粉于100 mL燒杯中，加入70 mL植物油，攪拌2 h后3 500 r/min離心30 min，去除上清液稱量，持油力計算公式為

(2)

式中Y——持油力，g/g

C′1——吸油前樣品和燒杯的總質量，g

C′2——吸油后燒杯和上清液的總質量，g

膨脹力：準確稱取1.0 g膳食纖維粉于具塞試管中，讀取干品體積(mL)，加入25 mL蒸餾水振蕩搖勻后在室溫(20℃)靜置24 h，讀取膨脹后纖維的體積，膨脹力計算公式為

(3)

式中P——膨脹力，mL/g

V1——干品體積，mL

V2——膨脹后體積，mL

1.3.5膳食纖維重金屬離子吸附能力的測定

參照單平陽等[6]的方法，測定了不同均質壓力的膳食纖維對Pb2+、As3+、Cu2+3種重金屬離子的吸附能力。分別向100 mL重金屬溶液Pb(NO3)2、CuSO4、NaAsO2(10 μmoL/mL)中加入1.0 g膳食纖維粉，為模擬胃及腸道環(huán)境，分別調整pH值至2和7，并于37℃條件下水浴震蕩3 h(120 r/min)，吸附反應結束后加入8 mL無水乙醇沉淀樣品，于4 000 r/min離心10 min，采用原子吸收分光光度法[21]測定上清液中殘留的重金屬離子濃度，各膳食纖維對不同重金屬離子吸附能力計算公式為

Z=(Cc-Ct)V/Wd

(4)

式中Z——重金屬離子吸附能力，μmol/g

Cc——初始上清液中各重金屬離子濃度，μmol/mL

Ct——吸附后上清液中各重金屬離子濃度，μmol/mL

V——溶液體積，mL

Wd——膳食纖維的質量，g

1.3.6膳食纖維葡萄糖吸收能力的測定

參照CHAU等[22]的方法，分別向100 mL葡萄糖溶液(50、100、200 mmol/L)中加入1.0 g各膳食纖維樣品，于37℃條件下水浴震蕩6 h (120 r/min)，4 500 r/min離心20 min后取上清液，根據(jù)還原糖法[2]測定上清液中剩余葡萄糖濃度，膳食纖維葡萄糖吸收能力計算公式為

T=(Ca-Cs)VL/Wd

(5)

式中T——葡萄糖吸收能力，mmoL/g

Ca——初始溶液中的葡萄糖濃度，mmoL/L

Cs——葡萄糖吸收達到飽和后上清液中的葡萄糖濃度，mmoL/L

VL——離心后上清液的體積，mL

1.3.7膳食纖維α-淀粉酶抑制能力測定

α-淀粉酶抑制能力的測定參照AHMED等[23]的方法，40 g馬鈴薯淀粉溶于900 mL的0.05 mol/L磷酸緩沖液(pH值6.5)中，65℃條件下攪拌30 min后定容至1 000 mL，得到4%的馬鈴薯淀粉溶液。取1.0 g膳食纖維粉和4 mg α-淀粉酶加入到40 mL上述馬鈴薯淀粉溶液中，37℃水浴震蕩1 h (120 r/min)，4 500 r/min離心20 min，以不加膳食纖維粉為空白組，采用還原糖法[2]測定上清液中葡萄糖含量，膳食纖維對α-淀粉酶抑制能力計算公式為

D=(Ac-As)/Ac×100%

(6)

式中D——α-淀粉酶活性抑制能力，%

Ac——空白組的吸光度

As——試驗組(添加膳食纖維粉)的吸光度

1.3.8膽汁酸阻滯指數(shù)測定

膽汁酸阻滯指數(shù)的測定參照ADIOTOMRE等[24]的方法，在截留分子質量為1.2～1.4 kDa的透析袋內加入25 mL 15 mmol/L牛磺膽酸鈉溶液及0.2 g膳食纖維，將透析袋封口后放入100 mL 0.01 mol/L的磷酸緩沖液(pH值7)中，37℃水浴震蕩1 h和2 h(120 r/min)，以不加膳食纖維粉為空白組；分別吸取2 mL透析袋內上清液，采用HPLC測定其中的膽汁酸濃度。測定條件如下：采用C18柱(4.6 mm×250 mm)，流動相為乙腈(流動相A)和pH值3的0.15%磷酸氫二鈉溶液(流動相B)。流動相洗脫程序為：0～30 min流動相A的體積分數(shù)從22%線性上升至42%，30～35 min，流動相A的體積分數(shù)由42%線性下降至35%，流動相流速為1.0 mL/min，采用紫外檢測器測定203 nm處吸光度。膽汁酸阻滯指數(shù)計算公式為

B=(1-Cd/Cc)×100%

(7)

式中B——膽汁酸阻滯指數(shù)，%

Cd——樣品上清液中的膽汁酸濃度，mmol/L

Cc——空白組上清液中的膽汁酸濃度，mmol/L

1.4 統(tǒng)計分析

本實驗數(shù)據(jù)均為3個平行樣的平均值，結果采用SPSS 22.0分析軟件和Origin 8.0進行處理，并對數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 膳食纖維純度分析

DHPM對生物解離大豆膳食纖維含量的影響如表1所示，經(jīng)DHPM(50 MPa)處理的大豆膳食纖維樣品中的粗纖維和SDF的質量分數(shù)顯著增大，分別從77.08%增大到81.91%、從20.43%增大到25.84%，且IDF與SDF的質量分數(shù)比值從2.77降低至2.17，經(jīng)50～150 MPa的DHPM處理后，樣品中SDF均有顯著提高，且隨壓力的升高而顯著增大，粗纖維(TDF)含量幾乎不變；而經(jīng)150～200 MPa的DHPM處理后，SDF含量提高不顯著，TDF含量有所降低，可能是DHPM的高速撞擊、高速剪切、空穴爆炸、高速振蕩等劇烈作用，使纖維物料外層致密的表層破碎，組織疏松[25]，膳食纖維聚合物多糖分子鏈間的弱作用力減弱或消失，聚合度下降，使得SDF含量增大，且由于部分小分子量的SDF不能被乙醇沉淀出來[26]，從而造成在高壓條件下測得的TDF含量略有降低，SDF含量提高不顯著。生物解離大豆膳食纖維經(jīng)200 MPa的DHPM處理后，樣品中SDF的含量提高了0.4倍，并且IDF與SDF質量分數(shù)的比值1.87，已處于GALISTEO等[27]對高品質膳食纖維所提要求的中間值(1～2.3)。

表1 不同壓力處理膳食纖維的成分分析 Tab.1 Chemical compositions analysis of dietary fibers by different extraction methods

注：同一行中右上角標相同的數(shù)據(jù)無顯著性差異，不同的數(shù)據(jù)有顯著性差異(P<0.05)，下同。

此外，通過對比不同處理壓力的生物解離大豆膳食纖維中其余成分的含量可知，DHPM對生物解離膳食纖維中含水率影響不顯著(P>0.05)。此外，生物解離提取過程中經(jīng)過加熱、酸度調節(jié)、反復離心等步驟，所得生物解離膳食纖維呈現(xiàn)乳白色，顆粒細膩，且無豆腥味，具有更好的感官品質。

2.2 不同壓力處理膳食纖維的理化性質分析

膳食纖維的理化性質在食品加工中具有重要意義，表2為不同壓力處理所得膳食纖維的持水力、持油力、膨脹力及可溶解性指數(shù)。由表2可知，經(jīng)過DHPM處理后，生物解離大豆膳食纖維的膨脹力、持水力和持油力均有顯著改善，且持水力和持油力隨著壓力的升高而增大，但膨脹力在較低壓力(0～100 MPa)下顯著提高，之后則隨壓力的變化不顯著。結果表明，DHPM處理可有效提高豆渣膳食纖維的膨脹力、持水性和持油力。膳食纖維的理化性質與SDF和IDF的比例、顆粒大小、表面性質和來源等有關[28]。膨脹力可能與空間網(wǎng)狀結構有關，較好的空間網(wǎng)狀結構有良好的支撐作用，膨脹力提高說明纖維的網(wǎng)狀結構沒有被破壞，否則相互堆疊很難支撐和膨脹到更大的體積[23]。持水力的提高可能與組織疏松、親水基團的裸露有關，預示著樣品受到DHPM的強烈撞擊、剪切和氣穴等綜合作用，其組織更加疏松，顆粒更小，比表面積更大，同時也使樣品吸附和結合脂類物質的能力更強。此外，處理后的膳食纖維中SDF含量的增加，可能也是理化性質提高的主要原因之一。已有研究表明，膳食纖維的持水力與截留水的方式有關[28]。可溶性膳食纖維在水溶液中可形成凝膠，自身吸收水分的同時產生的膠狀物也可防止水分流失[29]，因此膳食纖維中可溶性膳食纖維含量越高，持水力越強。以上結果表明，生物解離膳食纖維理化性質優(yōu)于其他方式提取的膳食纖維，可在肉制品、烘焙食品、保健食品等多種食品中進行應用，提高食品的加工特性及品質[30-31]。

表2 不同壓力處理膳食纖維的理化性質 Tab.2 Physicochemical properties of dietary fibers under different pressure treatments

2.3 不同壓力處理膳食纖維的重金屬離子吸附能力分析

Pb、As和Cu等重金屬元素易在生物體內富集，達到一定程度可導致中毒甚至癌癥[32]，膳食纖維側鏈中的親水性基團具有很強的離子交換能力，對重金屬離子可產生一定吸附作用，然而這種離子交換能力易受pH值影響，故本文選擇pH值2及7兩個條件，模擬體外腸道和胃環(huán)境下不同壓力處理的膳食纖維對上述3種重金屬離子的吸附能力，結果如圖1所示。由圖1a可知，在pH值7條件下，不同壓力處理膳食纖維的重金屬離子吸附能力的差異不顯著，且膳食纖維在pH值7條件下對同種重金屬離子的吸附效果優(yōu)于pH值2。這是由于在酸性條件下，纖維中糖醛酸的羥基和木質素的酚酸等親水基團對重金屬離子的吸附作用被溶液中電離的H3O+的排斥作用抵消[20]，此時物理吸附成為膳食纖維吸附重金屬離子的主要方式[33]。上述結果不僅說明小腸環(huán)境更適合膳食纖維對重金屬離子的吸附，同時也證明生物解離膳食纖維具有更強的重金屬吸附能力，可有效阻礙人體對重金屬離子的吸收。

圖1 不同壓力處理膳食纖維的重金屬離子吸附能力 Fig.1 Adsorption capacities on heavy metal ions of dietary fibers

2.4 不同壓力處理膳食纖維的功能特性分析

2.4.1葡萄糖吸收能力

膳食纖維具有抑制葡萄糖擴散的功效，可降低血液中葡萄糖的含量，有效控制血糖指數(shù)[34]。圖2所示為不同壓力處理的膳食纖維對葡萄糖的吸收能力，各膳食纖維對葡萄糖吸收能力隨處理壓力的提高而依次增大，達到200 MPa時略有下降，且不同壓力處理膳食纖維的葡萄糖吸收能力均隨葡萄糖濃度的增加而提高，這一現(xiàn)象與PARK等[35]研究結果一致。已有研究表明，膳食纖維的葡萄糖吸收能力與其可溶性膳食纖維的含量及物理結構有關[21]。這是由于可溶性膳食纖維與水接觸后產生的凝膠狀物體可將葡萄糖分子包裹其中，且膳食纖維疏松的網(wǎng)狀結構也會減緩葡萄糖分子在食品體系中的擴散速率。上述結果表明，生物解離膳食纖維對葡萄糖的吸收能力明顯高于其他方式提取的膳食纖維，可起到較好的調節(jié)飲食結構、控制餐后血糖指數(shù)的作用，在各種食品、保健品和醫(yī)藥制品中具有一定的應用前景。

圖2 不同壓力處理膳食纖維的葡萄糖吸收能力 Fig.2 Glucose adsorption capacities of dietary fibers

2.4.2α-淀粉酶抑制能力

膳食纖維對α-淀粉酶活性具有一定抑制的作用，可改善食品體系中淀粉類物質的消化特性[36]。其中，200 MPa處理壓力下的生物解離膳食纖維的α-淀粉酶抑制能力最高，為18.42%，較0～150 MPa處理的膳食纖維樣品分別提高了約36%、32%、28%和27%。膳食纖維較高的α-淀粉酶抑制能力可能與其持水性和膨脹力較強有關。較高的膨脹力和持水力能降低體系流動性，減少酶與底物發(fā)生碰撞的機會，降低α-淀粉酶的酶解效果[37]。

2.4.3膽汁酸阻滯指數(shù)

膽汁酸過多會損傷胃黏膜上皮細胞，膳食纖維具有延遲或抑制人體對膽汁酸吸收速率的功效，從而預防疾病[38]。膽汁酸結合能力與樣品中SDF的含量以及其他特性(營養(yǎng)活性物質、帶電性、理化結構、疏水性和活性結合位點)相關[27]。根據(jù)圖3不同壓力處理膳食纖維的膽汁酸阻滯結果可知，DHPM處理后膽汁酸結合能力顯著提高，但隨壓力升高增強不顯著，這是因為DHPM能使樣品顆粒變小，比表面積增大，從而可提高膽汁酸結合能力[39]。膽汁酸阻滯指數(shù)隨著壓力增大而增強且在150 MP和200 MPa變化不明顯。DHPM對大豆膳食纖維的側鏈基團的影響較小，因此其陽離子交換能力無顯著變化。

圖3 不同壓力處理膳食纖維的膽汁酸阻滯指數(shù) Fig.3 Bile acid retardation index of dietary fibers

綜合以上不同壓力處理對膳食纖維功能特性的分析結果可知，動態(tài)高壓微射流技術可以有效提高生物解離膳食纖維的功能特性和營養(yǎng)價值，可作為一種功能性配料添加到普通食品或保健食品中，增加食品的降血糖、降血脂等生理功能，保證膳食結構平衡。

3 結束語

通過對比不同壓力處理大豆膳食纖維的純度、理化性質及功能特性發(fā)現(xiàn)，動態(tài)高壓微射流顯著提高豆渣的可溶性膳食纖維，且生物解離大豆膳食纖維經(jīng)200 MPa的DHPM改性后，IDF與SDF質量分數(shù)比值最佳為1.87。DHPM改善了豆渣膳食纖維的水化性質、持水力、持油力和α-淀粉酶抑制能力，并且持水力和持油力隨著處理壓力的增大而增強，最優(yōu)處理壓力為200 MPa。DHPM對生物解離豆渣膳食纖維的功能特性分析表明，隨著處理壓力增大，葡萄糖吸收能力逐漸增強，200 MPa時略有下降，在150 MPa時能力最強。膽汁酸阻滯指數(shù)隨著壓力增大而增強，且在150 MPa和200 MPa變化不明顯。DHPM對大豆膳食纖維的側鏈基團的影響較小，因此其陽離子交換能力無顯著變化。DHPM改性生物解離大豆膳食纖維提取工藝簡單，且改性效果顯著，可在提取油脂及蛋白的同時提高大豆膳食纖維的理化性質和功能特性。