空化微射流對(duì)豆渣膳食纖維結(jié)構(gòu)及功能特性影響

吳海波，于靜雯，吳長(zhǎng)玲，李 楊，江連洲，滕 飛,，王中江,

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.北部灣大學(xué)食品工程學(xué)院，廣西 欽州 535011）

大豆是亞洲國(guó)家的傳統(tǒng)農(nóng)作物之一，2017年世界大豆產(chǎn)量增加至3.24億t，超過(guò)上一周期1 040萬(wàn)t，且大豆類食品消費(fèi)量逐年遞增[1]。大豆主要作為制油原料，目前，生物酶法制油技術(shù)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，其副產(chǎn)物含量高達(dá)70%，其主要副產(chǎn)物豆渣干質(zhì)量的50%～60%為可利用膳食纖維。由于生產(chǎn)加工后大量廢棄豆渣未得到充分利用，限制了生物酶法技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可行性[2]。膳食纖維具有多種生理功效，如促進(jìn)腸胃蠕動(dòng)、降低膽固醇含量、減少熱量攝入等，被稱之為“第七營(yíng)養(yǎng)”[3-4]。 Lu Fei等[5]研究發(fā)現(xiàn)提高食物膳食纖維及蛋白的攝入量對(duì)穩(wěn)定血糖療效顯著。另外，由于豆渣存在質(zhì)地粗糙、口感不佳等問題，嚴(yán)重限制了大豆加工副產(chǎn)物二次利用的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。因此，開展對(duì)生物酶法制油豆渣膳食纖維的相關(guān)研究，對(duì)減少資源浪費(fèi)及提高人民健康水平具有重要的意義。

目前，膳食纖維加工的方法主要分為物理及生物加工[6]。物理加工方法主要以高壓均質(zhì)、螺桿擠壓、超微粉碎及微波處理為主。Xie Fan等[7]研究發(fā)現(xiàn)高壓均質(zhì)處理馬鈴薯改變了其單糖組成，提高了不溶性膳食纖維含量；Jing Yan等[8]通過(guò)螺桿擠壓處理豆渣可溶性膳食纖維，發(fā)現(xiàn)體系溫度升高，引起糖苷鍵解聚，從而增強(qiáng)其理化性質(zhì)；Clara等[9]研究發(fā)現(xiàn)微波處理可改善柑橘纖維黏性及咀嚼性。生物加工方法多采用發(fā)酵及酶處理技術(shù)。Dang等[10]研究發(fā)現(xiàn)米糠經(jīng)木聚糖酶改性處理使可溶性膳食纖維含量提高50%左右；Kumar等[11]通過(guò)真空發(fā)酵芒果及稻殼纖維，使得多糖分解從而產(chǎn)生乙醇。盡管對(duì)豆渣的研究不斷深入，但大多停留在粗加工層面[12]，對(duì)其更為精細(xì)的新型加工技術(shù)研究相對(duì)較少，且副產(chǎn)物組分中膳食纖維結(jié)構(gòu)與功能特性的構(gòu)效關(guān)系尚未明確，有待進(jìn)一步深入研究。

空化微射流技術(shù)是一種新興的高效射流技術(shù)，它利用空泡破裂產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊力來(lái)增強(qiáng)射流的沖蝕效果[13]， 促使物料結(jié)構(gòu)改變，從而改變產(chǎn)品特性[3]。Chau等[14]研究發(fā)現(xiàn)將胡蘿卜經(jīng)高壓微射流處理后，其纖維組分從不溶性向可溶性轉(zhuǎn)變，纖維粒徑減小、堆積密度降低。與傳統(tǒng)加工方式相比，空化微射流顯示出高熱動(dòng)態(tài)效率，熱敏營(yíng)養(yǎng)成分保留較多，且易于工業(yè)化生產(chǎn)[15]。因此，本實(shí)驗(yàn)選取空化微射流技術(shù)處理豆渣膳食纖維。

綜上所述，基于前期生物酶法制油工藝研究，本研究以生物酶法制油豆渣為原料，運(yùn)用新型空化微射流技術(shù)處理豆渣，采用傅里葉變換紅外光譜、X射線衍射、掃描電子顯微鏡及基本理化性質(zhì)分析等方法表征不同處理時(shí)間對(duì)豆渣膳食纖維分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、表觀形態(tài)及持水、持油、膨脹特性的影響，明確空化微射流對(duì)豆渣膳食纖維結(jié)構(gòu)及功能特性的影響機(jī)制。本研究旨在充分發(fā)揮空化微射流加工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提高豆渣品質(zhì)，促進(jìn)生物酶法制油工藝副產(chǎn)物二次利用，并引入新型副產(chǎn)物加工設(shè)備，為豆渣的開發(fā)應(yīng)用提供技術(shù)支持，為大豆副產(chǎn)物高值化提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆 山東禹王生態(tài)食業(yè)有限公司；大豆生物酶法制油豆渣為實(shí)驗(yàn)室自制；Alcalase堿性蛋白酶（酶活力不小于10 000 U/g） 丹麥丹尼斯克有限公司；葵花籽油（食品級(jí)） 中糧福臨門食品營(yíng)銷有限公司；其他試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

空化射流氣爆機(jī)為本實(shí)驗(yàn)室自組裝；JJ-1/100W精密電動(dòng)攪拌器、HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州丹瑞實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備有限公司；AL204型分析天平、PL303電子天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；PHS-3C雷磁pH計(jì) 上海精科儀器有限公司；TDL-408臺(tái)式離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；DHG-9146A型鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司；DC-500A型高速多功能粉 碎機(jī) 浙江武義鼎盛藏日用金屬制品廠；K-436型快速消解儀、K-370型自動(dòng)凱氏定氮儀 瑞士步琦有限公司； IRTracer-100型傅里葉變換紅外光譜儀 日本島津 公司；S-3400N電子掃描顯微鏡 日本Hitachi公司。

1.3 方法

1.3.1 生物酶法制油豆渣制備

參照李楊等[16]的生物酶法制油進(jìn)行豆渣制備，具體操作如下：大豆經(jīng)粉碎機(jī)粉碎過(guò)60 目篩，取200 g過(guò)篩后的粉體，按料液比為1∶6加入1 200 mL蒸餾水，攪拌均勻后置于55 ℃水浴鍋中，按生物酶法制油的過(guò)程進(jìn)行酶解，酶解條件為：酶解溫度55 ℃、持續(xù)攪拌2 h、pH值穩(wěn)定在9.0、Alcalase堿性蛋白酶添加量為豆渣質(zhì)量的0.5%，酶解結(jié)束后，用1 mol/L HCl溶液將pH值調(diào)至7.0后在100 ℃沸水浴中滅酶5 min，冷卻，將滅酶后的混合液離心20 min（4 500 r/min、4 ℃），離心后將上層液體去除，僅保留下層固體豆渣，并在相同離心條件下按料液比為1∶3用去離子水將所得豆渣洗3 次，之后在托盤鋪平并置入55 ℃鼓風(fēng)烘箱干燥6 h，待恒質(zhì)量后粉碎至顆粒均勻，即得到生物酶法制油豆渣。

1.3.2 豆渣膳食纖維制備

根據(jù)Ullah等[6]的方法制備豆渣膳食纖維。取50 g生物酶法制油豆渣粉，以料液比1∶20與1 000 mL蒸餾水混合均勻，用1 mol/L NaOH溶液將pH值調(diào)至9.0，攪拌器攪拌2 h，在9 000 r/min、4 ℃、30 min條件下離心后去除上層液體，保留下層固體，以料液比為1∶3加入去離子水，4 500 r/min、4 ℃離心15 min，去離子水洗并重復(fù)離心3 次，在托盤鋪平后置入55 ℃鼓風(fēng)烘箱干燥6 h，得豆渣膳食纖維粉。每組取90 g豆渣膳食纖維粉，按料液比1∶8用蒸餾水溶解，將混合液進(jìn)行空化微射流處理。處理參數(shù)如下：處理壓力0.01 MPa，處理溫度22.5 ℃，處理時(shí)間分別為5、10、15 min，樣品經(jīng)空化微射流后在 4 500 r/min、4 ℃條件下離心15 min，并在55 ℃烘干至恒質(zhì)量，脫脂處理后即得本實(shí)驗(yàn)樣品。

1.3.3 基本成分測(cè)定

纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定采用GB 5009.88ü 2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中膳食纖維的測(cè)定》[17]方法；蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定參考GB 5009.5ü 2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》[18]中凱氏定氮法；脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定參考GB 5009.6ü 2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪的測(cè)定》[19]中索氏抽提法；水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定參考 GB 5009.3ü 2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》[20]；灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定參考GB 5009.4ü 2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中灰分的測(cè)定》[21]中干法灰化法。

1.3.4 持水力測(cè)定

參考Yang Jun[22]、Chen Jialun[23]等的研究方法進(jìn)行測(cè)定。取0.5 g樣品及30 mL蒸餾水加入50 mL離心管中。在室溫下充分?jǐn)嚢韬? h。在5 000 r/min、20 ℃條件下離心10 min后，棄去上清液，稱殘留物質(zhì)量并按式（1）計(jì)算持水力。

1.3.5 持油力測(cè)定

準(zhǔn)確稱取1.0 g膳食纖維粉于100 mL燒杯中，加入70 mL植物油，攪拌器攪拌2 h后在4 500 r/min、20 ℃條件下離心30 min，去除上清液，稱量殘留物質(zhì)量，按 式（2）[8]計(jì)算持油力。

1.3.6 膨脹力測(cè)定

將樣品（250 mg）加入15 mL具塞試管（刻度0.1 mL）中，讀取干樣品體積，加入7.5 mL蒸餾水，搖勻，在室溫（20 ℃）下靜置24 h吸水膨脹，并讀取膨脹后樣品體積。按式（3）[8]計(jì)算膨脹力。

1.3.7 傅里葉變換紅外光譜測(cè)定

根據(jù)Ullah等[24]所采用的KBr圓盤法測(cè)定膳食纖維分子結(jié)構(gòu)變化，并略有修改。首先將待測(cè)樣品干燥處理，在研缽中研磨至粉末狀，與干燥的KBr試劑混合并壓制成顆粒。使用傅里葉變換紅外光譜儀在400～4 000 cm－1的分辨率范圍內(nèi)掃描分析，每個(gè)樣品掃描32 次，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.3.8 膳食纖維掃描電子顯微鏡觀察

使用掃描電子顯微鏡觀察豆渣膳食纖維的微觀形態(tài)。在掃描之前，將樣品在自然空氣循環(huán)中干燥并濺射涂覆。用導(dǎo)電雙面膠將纖維顆粒固定在金屬樣品平臺(tái)上，清理除去余下的粉末，在真空環(huán)境中噴涂鉑金，然后置于掃描電子顯微鏡下，以20 kV的電子束觀察拍攝。

1.3.9 X射線衍射測(cè)定

利用X射線衍射儀對(duì)豆渣不溶性膳食纖維的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)定。在室溫下，分別取一定量樣品，置于專用載物片的樣品槽中，用玻璃片壓實(shí)，然后置于儀器樣品臺(tái)上。設(shè)定發(fā)生器電壓40 kV，入射電流150 mA，防發(fā)散狹縫2/3，使用CuKα輻射，在衍射角為5°～60°的范圍內(nèi)以1 π/min的掃描速率記錄數(shù)據(jù)[25]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，除非另有說(shuō)明，否則所有分析重復(fù)3 次。利用SPSS Statistics 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，使用最小顯著性差異法，以5%為具有顯著性差異。采用Origin 9.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、圖表處理及圖譜分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 豆渣基本成分分析結(jié)果

表 1 豆渣基本成分含量Table 1 Proximate composition of okara

由表1可知，隨空化微射流時(shí)間延長(zhǎng)，蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)同不溶性膳食纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)一致，均在處理時(shí)間為10 min時(shí)達(dá)到峰值，隨后其質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。這一結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)目栈⑸淞魈幚砟軌虼龠M(jìn)蛋白及不溶性纖維的溶出，過(guò)度處理會(huì)導(dǎo)致不可溶性多糖向無(wú)定形及可溶性多糖轉(zhuǎn)化，因此可溶性纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，不溶性膳食纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨之下降。

2.2 持水力及持油力分析結(jié)果

由圖1可知，隨空化微射流處理時(shí)間的延長(zhǎng)，豆渣膳食纖維持水力及持油力均呈先升高后下降的趨勢(shì)。當(dāng)處理時(shí)間達(dá)到10 min時(shí)，持水力和持油力分別達(dá)到峰值（（9.42±0.05）g/g、（3.92±0.05）g/g），處理后樣品持油力可達(dá)到未處理的1.6 倍，這與竹筍殼中不溶性膳食纖維改性特性的研究結(jié)果相接近[26]。這可能是由于隨著處理時(shí)間延長(zhǎng)，豆渣膳食纖維因受高速擠壓剪切等作用力導(dǎo)致粉碎程度增加，粒度逐漸減小，此過(guò)程會(huì)暴露出來(lái)更多的親水、親油基團(tuán)，致使持水及持油能力增強(qiáng)；同時(shí)結(jié)合水的能力通常受水結(jié)合位點(diǎn)的數(shù)量和性質(zhì)以及纖維結(jié)構(gòu)的影響，經(jīng)處理后由于結(jié)構(gòu)可捕獲的水含量升高，尤其是在空化微射流過(guò)程中釋放更多的水結(jié)合位點(diǎn)[23]。 當(dāng)處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，豆渣纖維結(jié)構(gòu)過(guò)于松散，沒有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)保留所吸收的水分及油滴，持水力、持油力因此降低[22]。綜上，空化微射流處理10 min對(duì)豆渣膳食纖維物性有較適宜的提升。Zhu Fengmei等[27]報(bào)道了蕎麥殼中不溶性膳食纖維經(jīng)超細(xì)研磨處理后其粒徑減小到亞微米級(jí)時(shí)，持水、持油性均得到了改善。

圖 1 處理時(shí)間對(duì)豆渣膳食纖維持水力及持油力影響Fig. 1 Effect of treatment time on water and oil retention capacity of okara dietary fiber

2.3 膨脹力分析結(jié)果

圖 2 處理時(shí)間對(duì)豆渣膳食纖維膨脹力影響Fig. 2 Effect of treatment time on swelling power of okara dietary fiber

由圖2可知，隨處理時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，膨脹力呈先上升再下降的變化趨勢(shì)，當(dāng)處理時(shí)間達(dá)到10 min時(shí)，豆渣膳食纖維膨脹力達(dá)到最高，為（13.92±0.04）mL/g。這一結(jié)果與在靜水高壓環(huán)境中處理豆渣膳食纖維結(jié)果相似[28]。膨脹力是纖維在水中分散后占據(jù)水質(zhì)量的量度，其受纖維組成、分子結(jié)構(gòu)、粒度、表面積和孔隙率的影響顯著[24]。隨處理時(shí)間延長(zhǎng)，膨脹力升高，這是由于空化微射流處理使纖維顆粒具有更細(xì)微的顆粒和更大的表面積，從而具有更高的捕獲水分子的能力。Jing Yan等[8]優(yōu)化雙螺桿擠壓豆渣工藝結(jié)果表明，較高的分子質(zhì)量和不溶性膳食纖維含量有助于膨脹能力的改善。10 min后膨脹力降低，受空化微射流影響，此過(guò)程中的擠壓、剪切、粉碎等作用過(guò)于強(qiáng)烈，物料的溫度、離子強(qiáng)度、粒徑會(huì)發(fā)生變化，甚至取代基的存在會(huì)導(dǎo)致纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)改變，雖然經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間處理其孔隙率有所增加，但是豆渣不溶性纖維主成分中的纖維素質(zhì)地較硬，溶脹力很小，會(huì)導(dǎo)致纖維吸水膨脹效果降低。因此，應(yīng)當(dāng)注意控制處理時(shí)間。

2.4 傅里葉變換紅外光譜分析結(jié)果

傅里葉變換紅外光譜是根據(jù)分子在不同波數(shù)處的振動(dòng)不同進(jìn)而形成的紅外吸收光譜圖，用來(lái)檢測(cè)分子基團(tuán)及化學(xué)鍵變化。吸收峰的位置和強(qiáng)弱主要受化學(xué)鍵或分子基團(tuán)的種類影響，若存在誘導(dǎo)、共軛或空間位阻，則吸收峰的位置隨之變化[29]。豆渣膳食纖維是一類不被人體腸道內(nèi)消化酶消化吸收，但可被大腸內(nèi)某些微生物部分酵解和利用的非淀粉多糖物質(zhì)，研究表明，波數(shù)范圍從500～4 000 cm－1的峰是糖類物質(zhì)的特征吸收峰[30]，由圖3可知，不同時(shí)間處理的樣品均可觀察到3 000～3 656 cm－1范圍內(nèi)吸收峰及2 925 cm－1處的弱吸收峰，這是羥基Oü H 伸縮和亞甲基中Cü H拉伸所致，是纖維作為多糖的典型結(jié)構(gòu)。豆渣膳食纖維在1 640 cm－1處的吸收峰是酯 類C＝O的伸縮振動(dòng)特征峰[6]。與原料相比，經(jīng)空化射流處理的豆渣膳食纖維分子鏈間氫鍵被打斷，隨之產(chǎn)生的—COOH，與其吸附水的能力相關(guān)。另外，1 136 cm－1處吸收峰是半纖維素結(jié)構(gòu)中典型的特征峰，歸屬于半纖維素骨架中的環(huán)振動(dòng)模式，并且其強(qiáng)度可提供關(guān)于半纖維素含量的信息。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，部分峰的波型和強(qiáng)度隨著處理時(shí)間延長(zhǎng)而改變，空化微射流處理導(dǎo)致各纖維素組分重新分布，致使不可溶性多糖向無(wú)定形及可溶性多糖轉(zhuǎn)化。

圖 3 豆渣膳食纖維傅里葉變換紅外光譜分析Fig. 3 Fourier transform infrared spectroscopic analysis of okara dietary fiber

2.5 X射線衍射分析結(jié)果

圖 4 豆渣膳食纖維X射線衍射分析Fig. 4 X-ray diffraction analysis of okara dietary fiber

X射線衍射圖譜分析是檢測(cè)固體材料的微觀結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)組成的主要技術(shù)之一，纖維素晶型結(jié)構(gòu)一般分為5 類，本實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容屬于I型，是天然纖維素的晶型[25]。 豆渣膳食纖維的X射線衍射圖譜如圖4所示，未處理組以及處理5、10、15 min組衍射角2θ分別在22.06°、21.80°、22.34°、22.36°出現(xiàn)固有衍射峰，說(shuō)明經(jīng)空化微射流處理，豆渣膳食纖維素晶體構(gòu)型未發(fā)生改變。隨處理時(shí)間延長(zhǎng)，峰型逐漸尖銳，表明結(jié)晶度提高，這是由于處于非結(jié)晶區(qū)的多糖類物質(zhì)逐漸被水解去除，非結(jié)晶區(qū)所占比例降低，進(jìn)而使得結(jié)晶區(qū)所占比例升高。高結(jié)晶度可增加纖維的拉伸強(qiáng)度和硬度，而低結(jié)晶度與吸濕性、柔軟性和化學(xué)反應(yīng)有關(guān)[30]。隨著處理時(shí)間延長(zhǎng)，其空化微射流程度加深，在高速剪切、碰撞、擠壓等作用下豆渣膳食纖維由較大形狀晶體轉(zhuǎn)變成小晶體，從而導(dǎo)致持水性、持油性等物理性質(zhì)的變化，這與Ullah等[6]利用高能濕介質(zhì)研磨豆渣不溶性膳食纖維所得相關(guān)結(jié)果趨勢(shì) 一致。

2.6 膳食纖維掃描電子顯微鏡觀察結(jié)果

圖 5 豆渣膳食纖維掃描電子顯微鏡分析Fig. 5 Scanning electron microscopic analysis of okara dietary fiber

不同處理時(shí)間下豆渣不溶性膳食纖維的形態(tài)如圖5所示，未處理樣品具有緊湊的不規(guī)則表面結(jié)構(gòu)。經(jīng)空化微射流處理的樣品顯示出更高的碎裂程度。隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，豆渣膳食纖維表面破壞程度加劇，孔隙度增大，表明結(jié)構(gòu)逐步崩解，比表面積增加，以具有膨化形態(tài)的聚集形式存在。Ullah等[24]對(duì)濕法介質(zhì)處理納米級(jí)豆渣膳食纖維的研究表明：此過(guò)程中可能暴露更多的羥基結(jié)合位點(diǎn)，產(chǎn)生毛細(xì)管作用力，有助于水分子滲入，從而促進(jìn)纖維分子與水分子通過(guò)氫鍵結(jié)合，進(jìn)而改善膳食纖維的功能性質(zhì)。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)以生物酶法制油豆渣為原料，利用空化微射流技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理，通過(guò)傅里葉變換紅外光譜、X射線衍射、掃描電子顯微鏡分析豆渣膳食纖維結(jié)構(gòu)與功能變化清況。結(jié)果表明，空化射流處理10 min時(shí)，持水力及膨脹力增加，表明豆渣膳食纖維水合性質(zhì)提高；經(jīng)X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)不同處理時(shí)間豆渣膳食纖維衍射角固有峰均在22°左右，并未改性；傅里葉變換紅外光譜分析可知，豆渣不溶性膳食纖維中化學(xué)鍵伸縮振動(dòng)表明存在不可溶性多糖向無(wú)定形及可溶性多糖轉(zhuǎn)化的情況；掃描電子顯微鏡觀測(cè)發(fā)現(xiàn)豆渣膳食纖維纖維微觀結(jié)構(gòu)由緊湊致密逐步變得疏松多孔。