生物解離大豆膳食纖維對餅干質構及消化特性的影響

鐘明明，齊寶坤，孫禹凡，曾 琪，李 紅，朱建宇，胡 淼，王 歡，李 楊

（東北農業大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030）

生物解離是在機械破碎的基礎上，通過對油料進行酶解處理，從而同時獲得油脂與蛋白的新型提取工藝[1]。生物解離殘渣是該工藝的主要副產物之一，據已有文獻[2]報道，每提取1 L大豆油將產生約4.4 kg殘渣。生物解離大豆殘渣中膳食纖維含量豐富，且由于在提取過程中對物料進行的擠壓膨化及酸堿調節等改性處理，其中膳食纖維的理化性質及功能特性會得到一定改善，若將其直接添加到食品中可簡化膳食纖維改性工藝，改善食品品質，具有良好的應用前景。然而目前針對生物解離殘渣的研究主要集中在固態發酵和營養成分的提取等方面[3-6]，關于生物解離膳食纖維在烘焙食品中應用的研究尚鮮見報道。

近幾年膳食纖維在餅干中的研究較為廣泛。餅干作為一類高糖高脂食品過多食用會使人體血糖指數快速上升，易導致肥胖癥、糖尿病等多種疾病[7]。膳食纖維具有降低餐后血糖、預防肥胖癥等多種生理功能，良好的持油持水等理化性質也可改善食品的風味及質構[8]，但過量的膳食纖維會稀釋烘焙食品中面筋蛋白含量，與面筋蛋白產生吸水競爭，阻礙面團結構的形成并破壞食品感官品質[9]，故目前的纖維食品普遍存在膳食纖維添加量過低、難以達到標準攝入量，成品質量差、口感粗糙、難以被消費者接受等多種問題[10-11]。因此，減少膳食纖維對烘焙食品品質的破壞并盡量提高其在烘焙食品中的添加量是目前的研究熱點。研究發現，豆渣膳食纖維添加量不高于15%時可改善面團及面制品的質構特性[12]；將大豆膳食纖維進行酸堿調節、超微粉碎等改性處理可提高其在面制品中的添加量，且面制品感官品質與膳食纖維粒度及可溶性膳食纖維含量有關[13-14]。

因此，本實驗將生物解離大豆膳食纖維作為一種改性膳食纖維直接應用至餅干中，首先測定其可溶性膳食纖維含量、持水性、持油性、膨脹性等理化性質，及葡萄糖吸收能力、α-淀粉酶抑制能力等功能特性，以確定其應用價值；在面粉粉質特性及面團質構特性最佳添加量下制備餅干，對其質構特性及消化特性進行測定，并與市售纖維餅干及普通餅干進行比較，從而為生物解離大豆殘渣中膳食纖維的增值利用提供新思路，為開發新型大豆膳食纖維烘焙食品提供一定理論依據。

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；Alcalase 2.4L堿性內切蛋白酶 杰能科（中國）生物工程有限公司；胃蛋白酶（2 500 U/mg）、豬胰蛋白酶（250 U/mg）、α-淀粉酶（45.5 U/mg）、糖化酶（36 000 U/mL）美國Sigma公司；面粉（蛋白質量分數9%）、白糖、食鹽、黃油、脫脂奶粉、雞蛋、纖維餅干（均為食用級） 市售。

原味大豆膳食纖維餅干（主要成分為小麥粉、白砂糖、黃油、食用鹽，該餅干膳食纖維來源為豆渣，每100 g餅干中約含有膳食纖維3 g、蛋白質9.1 g、脂肪28.8 g、碳水化合物54.4 g） 安徽平牧食品科技股份有限公司。

1.2 儀器與設備

TG16-WS臺式高速離心機 湖南湘儀離心機儀器有限公司；KC-701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；TA.XTPlus物性測試儀 英國Stable Micro System公司；SU8000掃描電鏡 日本日立公司；KN204P烤箱青島金貝克機械有限公司；SHA-B數顯恒溫水浴振蕩器金壇市雙捷實驗儀器廠；TU-1810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 方法

1.3.1 生物解離大豆膳食纖維的制備及性質測定

參考李楊等[15]方法，將大豆片粉碎后用擠壓膨化機進行擠壓膨化處理，所述大豆片含水量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料液比1∶6（m/m）與水混合，調節pH值至9.0，加入質量分數為0.2%的Alcalase 2.4L堿性內切蛋白酶酶解3 h，加熱滅酶后反復離心至上層無游離油析出，收集下層殘渣，調節水解液pH值至3.0，4 500 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，即獲得生物解離大豆膳食纖維。

根據AACC方法[16]測定生物解離大豆膳食纖維中可溶性膳食纖維及不溶性膳食纖維含量。參照Robertson等[17]方法測定生物解離膳食纖維持水性、持油性及吸水膨脹力；參照Chau等[18]方法測定生物解離膳食纖維葡萄糖吸收能力；參照Ahmed等[19]方法測定生物解離大豆膳食纖維α-淀粉酶抑制能力。

1.3.2 生物解離大豆膳食纖維對面粉粉質特性影響的測定

預實驗結果表明，當面粉中生物解離大豆膳食纖維質量分數超過50%時，面粉吸水率過大，且難以形成面團。為保證餅干品質基礎上取得最大添加量，本實驗每100 g面粉-膳食纖維復合粉中，生物解離大豆膳食纖維質量分數分別為0%、10%、20%、30%、40%、50%。參考GB/T 14614—2006《小麥粉面團的物理特性測定 粉質儀法》[20]方法對面粉的粉質特性進行測定。

1.3.3 生物解離大豆膳食纖維對面團質構影響的測定

參照蘆菲等[21]方法，根據Farinograph-E電子型粉質儀各復合粉吸水率的結果將復合粉加水揉制成面團，將面團制成高4 cm、直徑5 cm的圓柱形，采用物性測定儀進行質構特性分析（texture profile analysis，TPA）。選用P50探頭，測試前、中、后速率分別為2、1、10 mm/s，應變位移為40 mm，引發類型為自動，數據采集速率為200 pps。

1.3.4 生物解離大豆膳食纖維對面團微觀結構影響的測定

參照劉穎等[22]方法，取100 g復合粉揉成面團，面團醒發90 min后拉伸搓圓，從面團中取3～5 mm3左右的小面團作為測試樣，立即浸泡于0.2 mol/L pH 7.2的3%戊二醛-磷酸緩沖液中，4 ℃固定24 h。然后用0.1 mol/L pH 7.2的磷酸緩沖液清洗3 次，每次5 min，再依次用體積分數為30%、50%、70%、90%、100%乙醇溶液脫水，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離子濺射儀鍍金100 A后用掃描電鏡觀察拍照，加速電壓5 kV，照片放大倍數為2 000 倍。

1.3.5 生物解離大豆膳食纖維餅干的制備及質構特性的測定

將10 g白糖、30 g奶粉、0.5 g食鹽混合均勻后，加入30 g室溫融化的黃油，用電動攪拌機打2 min使其混合均勻，最后分別加入100 g過篩純面粉，以及30%生物解離大豆膳食纖維復合粉，揉成面團捆壓成型，180 ℃烘烤15 min。烘烤結束后，將餅干取出，冷卻至室溫備用，即獲得普通餅干及生物解離大豆膳食纖維餅干。

參考李明娟等[23]方法測定3 種餅干TPA。采用CT3質構儀對餅干TPA進行測定，包括脆性、硬度、咀嚼性、彈性和內聚性。其中，餅干脆性測定條件為：壓縮模式，選用TA7探頭，距離3 mm，觸發力5 g，測試速率0.5 mm/s；其他指標測定條件為：TPA模式，選用TA5圓柱形探頭，距離0.5 mm，觸發力5 g，測試速率0.5 mm/s，每塊餅干測試3 個點取平均值，每個樣品重復不少于3 次。

1.3.6 生物解離大豆膳食纖維餅干消化性能的測定

參考Frances等[24]方法，本實驗體外消化模型的建立包括胃部和腸部兩部分，分別取適量3 種餅干研磨過篩（40 目）制備成粉，取1 g餅干粉分別均勻溶解于10 mL模擬胃液中（模擬胃液：0.9 mmol/L H3PO4、3 mmol/L CaCl2、0.1 mol/L HCl、0.15 mol/L NaCl、16 mmol/L KCl，pH 2.5），加入3.6 g/100 mL胃蛋白酶，37 ℃水浴振蕩（170 r/min）模擬胃部消化60 min；用已預熱至37 ℃的模擬腸液將反應物pH值調到6.5（模擬腸液：0.7 mmol/L Na2HPO4，0.49 mmol/L MgCl2，4.56 mmol/L KCl，1.5 mmol/L NaH2PO4，54.46 mmol/L NaCl，80.36 mmol/L NaHCO3，pH 7.0），加入6 mg胰蛋白酶，65.9 mg α-淀粉酶和40 μL糖化酶，37 ℃水浴振蕩（170 r/min），加入10 mL 10%三氯乙酸停止反應，分別取0、10、20、30、60、90、120、150、180 min及240 min反應后的腸道消化液0.5 mL，500 r/min離心10 min后，取上層清液采用3,5-二硝基水楊酸（DNS）法[25]測定葡萄糖濃度并計算淀粉水解率，淀粉水解率為已水解淀粉占淀粉總質量（total starch，TS）的百分比，葡萄糖標準曲線方程為y=0.528x－0.041，淀粉水解率計算見公式（1）：

參考Mardianaahamad[26]及Goňi[27]等方法計算快速消化淀粉（rapidly digestible starch，RDS）、慢速消化淀粉（slowly digestible starch，SDS）和抗性淀粉（resistant starch，RS）質量分數及餅干血糖指數，相應淀粉質量分數計算見公式（2）～（4）：

式中：G0為反應0 min時反應液中葡萄糖質量/mg；G20為反應20 min時反應液中葡萄糖質量/mg；G120為反應120 min時反應液中葡萄糖質量/mg；0.9為糖轉化系數；TS為淀粉總質量/mg；RDS、SDS、RS為相應淀粉的質量分數/%。

血糖指數是指與參比樣品（葡萄糖）攝入后血糖濃度的變化程度相比，進食后血糖上升的比率。本實驗利用淀粉水解率曲線下面積計算水解指數，從而按式（5）、（6）計算血糖指數：

1.4 數據統計分析

本實驗數據均為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，并對數據進行差異顯著性分析（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 生物解離大豆膳食纖維成分、理化特性及功能特性的分析

表1 生物解離大豆膳食纖維成分及理化特性分析Table1 Composition and physicochemical properties of dietary fi ber

由表1可知，生物解離大豆膳食纖維純度為81.34%，可溶性膳食纖維質量占總膳食纖維質量的50.83%。據研究報道[28]，工業提取的大豆膳食纖維純度約為70%，其中可溶性膳食纖維質量分數僅約2%，對脫脂豆粉水溶液進行堿處理能夠使其可溶性膳食纖維質量分數達到12%[29]，Chen等[30]通過爆破擠壓技術改性處理使大豆膳食纖維中可溶性膳食纖維質量分數提高至30.1%。生物解離大豆膳食纖維中較高的可溶性膳食纖維含量可能是由于提取過程中擠壓膨化及酸堿處理的結合，有效地破壞了物料組織，使其結構中的親水活性位點暴露，可溶性膳食纖維含量增加，且在堿性條件下可溶性膳食纖維更易被提取。此外，生物解離大豆膳食纖維的持水性為6.87 g/g，持油性為5.48 g/g，吸水膨脹力為8.45 mL/g。據報道[31-32]，未經改性的豆渣膳食纖維持水性、持油性、吸水膨脹力分別約為4 g/g、3 g/g、6 mL/g；Ullah等[10]利用乳酸菌發酵結合動態高壓微射流技術提高膳食纖維的持水性、持油性及吸水膨脹力分別為7.90 g/g、5.32 g/g、8.55 mL/g，可以看出改性后的膳食纖維與生物解離膳食纖維理化性質相近。生物解離大豆膳食纖維理化特性的提高可能與其可溶性膳食纖維含量豐富有關，研究表明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[33]，此外擠壓膨化預處理，酸堿調節，加熱離心等步驟會促使膳食纖維間連接鍵斷裂，網狀結構變得疏松，體積和比表面積增大，也會使膳食纖維的理化特性得到一定提高。同時測定生物解離大豆膳食纖維的α-淀粉酶抑制能力為18.42%，已有研究表明[35]豆渣膳食纖維的α-淀粉酶抑制能力約為12%。較高的α-淀粉酶抑制能力可能是由于較高的吸水膨脹性和持水力可降低體系流動性[36]，從而減少酶與底物發生碰撞的機會，降低α-淀粉酶的酶解效果。

表2 生物解離大豆膳食纖維功能特性分析Table2 Functional properties of dietary fi ber

由表2可知，生物解離大豆膳食纖維葡萄糖吸收能力為6.06～35.78 mmol/g。已有研究表明[34]豆渣膳食纖維的葡萄糖吸收能力約為4～15 mmol/g。生物解離大豆膳食纖維較強的葡萄糖吸收能力可能是由于豐富的可溶性膳食纖維與水接觸后產生的凝膠狀物體將葡萄糖分子包裹其中。上述結果表明，生物解離大豆膳食纖維理化及功能特性良好，可作為一種品質改良劑及慢消化食品添加劑應用在功能性食品中。

2.2 生物解離大豆膳食纖維對面粉粉質特性的影響

表3 生物解離大豆膳食纖維添加量對面粉粉質特性影響Table3 Effect of dietary fi ber addition on farinograph properties of wheat fl our

由表3可知，生物解離大豆膳食纖維添加量由0%增加至50%時，面團的吸水率由60.20%上升至134.50%，形成時間由7.53 min延長至21.10 min；弱化度由1 148.90 BU增大至2 026.13 BU；穩定時間及延展度呈現先增大后減小趨勢，均在添加量為30%時達到最高值，分別為7.93 min、85.83 mm。面粉粉質特性與面制品的加工特性及質構特性存在一定相關性，可有效預測和控制餅干品質[37]。面粉吸水率較低會使面筋蛋白水合不充分，抑制面筋網絡形成，制作的餅干酥松易碎、口感粗糙[38]。生物解離大豆膳食纖維可提高面粉的吸水率，這可能與其自身持水性較高有關。可溶性膳食纖維中的羥基可通過氫鍵與水發生水合作用，加強面粉對水的束縛，從而顯著增加復合粉吸水率（P＜0.05）。但當添加量超過30%時，面筋蛋白網絡結構的穩定時間及延展度出現降低的趨勢，這可能是由于混合粉中面筋蛋白被稀釋，膳食纖維對面筋網絡產生填充作用，并與面筋蛋白產生吸水競爭。由此可知，生物解離大豆膳食纖維可改善面粉粉質特性，推測添加量在30%左右時可制作出感官品質易被接受的纖維餅干。

2.3 生物解離大豆膳食纖維對面團的影響

表4 生物解離大豆膳食纖維添加量對面團質構的影響Table4 Effect of dietary fi ber addition on texture properties of dough

由表4可知，隨生物解離大豆膳食纖維添加量由0%增加至50%，面團的硬度由6.72 N增加至10.73 N，咀嚼性由10.77 mJ上升至14.43 mJ，彈性由3.44 MPa降低至2.87 MPa，內聚性及膠黏性呈現先增加后降低的趨勢，均在添加量為30%時達到最大值（0.34、5.39 N）。Vangs?e等[25]研究發現適量的膳食纖維添加可以提高面團的質構特性，這是由于膳食纖維可依靠主鏈間非共價鍵形成具有一定黏彈性的凝膠網絡結構，并且膳食纖維中的酚酸活性雙鍵可與面筋蛋白結合成更大分子的網絡結構，同時膳食纖維的高持水性也有利于面筋網絡結構的維持。本實驗結果表明，生物解離大豆膳食纖維可有效改善面團硬度、咀嚼性、彈性等質構特性，但當生物解離大豆膳食纖維在面粉中添加量高于30%時，內聚性與膠黏性的降低可能是由于過量的膳食纖維限制了面筋充分擴展，導致食品體系內部反應減弱。以上結果可以說明，當生物解離大豆膳食纖維添加量為30%時，膳食纖維對面團質構的影響達到平衡。

圖1 生物解離膳食纖維添加量對面團微觀結構的影響Fig.1 Effect of dietary fi ber addition on micro-structure of dough

由圖1可知，純面粉中面筋的網絡結構具有連續性，并可完全包裹住淀粉顆粒。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，與膳食纖維混合。當添加量超過40%時幾乎看不到成片的面筋膜，面筋結構受到嚴重破壞，膳食纖維結構成為面團主體。

2.4 生物解離大豆膳食纖維對餅干質構的影響

表5 不同餅干的質構特性Table5 Texture prof i les of different biscuits

由表5可知，生物解離大豆膳食纖維餅干硬度及脆性較普通餅干分別下降22.45%、17.74%，但相比于市售纖維餅干，其分別提高3.9%、4.8%。此外，2 種纖維餅干咀嚼性相近且明顯低于普通餅干（P＜0.05），3 種餅干彈性相差不大（P＞0.05）。以上結果可以說明，添加量為30%的生物解離大豆膳食纖維餅干質構特性雖與普通餅干存在一定差距，但其質構特性高于市售膳食纖維餅干，且膳食纖維添加量約為15%，明顯高于市售纖維餅干3%的添加量。因此生物解離技術可有效降低膳食纖維對烘焙制備品質的破壞，提高膳食纖維在食品中的添加量，改善消費者的膳食平衡結構。

2.5 生物解離大豆膳食纖維對餅干消化特性影響

圖2 不同餅干的消化特性Fig.2 Digestibility of different biscuits

由圖2A可知，生物解離大豆膳食纖維具有減緩餅干消化速率，降低淀粉水解率的特點，這可能與生物解離膳食纖維較強的葡萄糖吸附能力及淀粉酶抑制能力等功能特性有關。此外，普通餅干最終淀粉水解率為81.73%，與Englyst等[39]測得的谷物不消化淀粉含量相近，說明本實驗采取一級水解動力學模型擬合預測血糖指數具有可靠性。

由圖2B可知，生物解離大豆膳食纖維餅干RDS、SDS和RS質量分數分別為30.68%、30.09%及39.23%，市售膳食纖維餅干RDS、SDS和RS質量分數分別為37.03%、24.07%及38.90%，而普通餅干分別為53.42%、14.31%及32.27%。生物解離大豆膳食纖維餅干RDS質量分數相比于市售纖維餅干及普通餅干分別降低17.14%、42.57%，SDS質量分數相比于市售纖維餅干及普通餅干分別提高24.93%、110.27%，RS質量分數分別提高了0.85%、21.57%。餅干中淀粉組成的改變可能是由于膳食纖維包裹住淀粉，導致淀粉顆粒水解緩慢[40]，從而SDS及RS質量分數增加，RDS質量分數減少。由圖2C可知，普通餅干血糖指數為79.16，市售纖維餅干血糖指數為59.94，可達到中等血糖生成指數范圍（55≤血糖指數≤70）[27]，生物解離膳食纖維餅干血糖指數僅為45.99，已達到低血糖生成指數范圍（＜55），且相比于市售纖維餅干及普通餅干分別降低了41.90%、23.27%。因此生物解離大豆膳食纖維可有效改善餅干的消化特性，降低淀粉水解率，提高餅干中RS及SDS的含量，控制餅干血糖指數，可作為一種新型功能性食品原料進行開發。

3 結 論

本實驗通過研究生物解離大豆膳食纖維理化特性及其對面團及餅干品質的影響可知，生物解離大豆膳食纖維純度高達81.34%，將其添加到餅干制作可改善面粉粉質特性。添加量的不同又會對餅干的質構特性及消化特性產生不同的影響。以上結果表明，生物解離大豆膳食纖維提取工藝簡單且改性效果顯著，對餅干質構特性影響較小且可有效提高餅干消化特性，可作為一種新型大豆膳食纖維來源在烘焙食品中進行應用，以改善居民膳食平衡結構。