非纖維成分對球磨后大豆膳食纖維物理性質(zhì)的影響

尹志翔 王召君 曾茂茂 何志勇 秦昉 陳潔

摘要 利用行星式球磨儀制備了不同粒徑的大豆豆粕、豆渣、水不溶性膳食纖維（S-IDF），以水合能力、溶解度、密度、比表面積、懸浮穩(wěn)定性為指標，研究了非纖維成分對不同粒徑大豆膳食纖維物理性質(zhì)的影響。結(jié)果顯示，在球磨過程中豆粕結(jié)構(gòu)易被破壞，粒徑迅速降低，可溶性成分快速釋放，粉碎60? min后粒徑達11.1 μm，而溶解度達56.19%，這與其高含量蛋白相關(guān);而豆渣和S-IDF的粒徑下降相對慢，粉碎60 min后粒徑分別為13.9和10.0? μm，溶解度分別為35.2%和24.5%。不同粒徑樣品的比表面積、孔徑和孔體積結(jié)果顯示，在球磨初期，豆粕和豆渣比表面積的改變主要由粒徑下降和表面蛋白與多糖降解所致，而球磨后期則是由內(nèi)部蛋白和多糖降解以及粒徑下降共同導致。S-IDF粒徑和孔徑變化模式與豆粕和豆渣正好相反。各種膳食纖維的水合能力與形貌性質(zhì)關(guān)聯(lián)相對較小，其中豆渣具有最佳的水合能力，這可能與其含有較多的酸可溶性大豆多糖（SSPS）相關(guān);3種來源膳食纖維的懸浮穩(wěn)定性都隨著粒徑變小而增加，與形貌特征的相關(guān)性分析顯示，懸浮穩(wěn)定性與粒徑及孔徑水平呈負相關(guān)，而與比表面積及孔體積水平呈正相關(guān)（P<0.05）。上述研究說明球磨后大豆膳食纖維的物理性質(zhì)不僅與粒徑、比表面積和孔徑等形貌特征相關(guān)，而且與其非纖維成分相關(guān)。

關(guān)鍵詞 大豆膳食纖維;粒徑;非纖維成分;物理性質(zhì)

中圖分類號 TS214? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2020）20-0166-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.20.045

Effects of Non-fiber Components on Physical Properties of Soybean Dietary Fiber after Ball Milling

YIN Zhi-xiang，WANG Zhao-jun，ZENG Mao-mao et al （Key Laboratory of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi，Jiangsu 214122）

Abstract In the paper，soybean meal，soybean dregs and soybean insoluble dietary fiber （S-IDF） with different particle sizes were prepared by ball milling.Hydration capacity，solubility，density，surface area and suspension stability were measured to gain insights into the effect of non-fiber ingredients on physical properties of soybean dietary fiber with different particle sizes.The results showed that the structure of soybean meal was easily destroyed with the rapid reduction of particle size and release of soluble components during the ball milling process.The particle size reached 11.1? μm after 60? minutes of ball milling，and the solubility reached 56.19%，which was related to its high content of protein.The particle size of soybean dregs and S-IDF decreased relatively slowly.After ball milling for 60? minutes，the particle sizes were 13.9 and 10.0? μm，respectively，and the solubility was 35.2% and 24.5%，respectively.The results of surface area，pore width and pore volume of samples with different particle sizes showed that the changes in surface area of soybean meal and soybean dregs were mainly caused by the decrease in particle size and degradation of surface proteins and polysaccharides during the initial stage of ball milling，while internal protein and polysaccharides degradation and particle size reduction were responsible for these results in the later stage of ball milling.The change patterns of particle size and pore width of S-IDF were opposite to those of soybean meal and soybean dregs.The hydration ability of various dietary fibers had relatively little correlation with morphological properties.Soybean dregs had the best hydration ability，which may be related to more soluble soybean polysaccharides （SSPS）.The suspension stability of dietary fiber from all three sources increased as the particle size became smaller.Correlation analysis with morphological characteristics showed that the suspension stability was negatively related to particle size and pore width，but positively correlated with specific surface area and pore volume （P<0.05）.In summary，the physical properties of soybean dietary fiber after ball milling were not only related to the particle size，surface area and pore width，but also related to its non-fiber composition.

Key words Soybean dietary fiber;Particle size;Non-fiber composition;Physical properties

膳食纖維是指來源于植物且無法被人體消化吸收的碳水化合物，主要由纖維素、木質(zhì)素、果膠、半纖維素和其他相關(guān)物質(zhì)組成 [1]。根據(jù)水溶性可以將膳食纖維分為可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF） [2]。近年來，由于IDF的健康效應，如降低血液中膽固醇和血壓水平 [3-4]，降低膽結(jié)石、便秘和腸癌的患病風險 [5-6]，促進腸道蠕動，有效降低血糖值 [7]等，對IDF性質(zhì)及其改性的研究得到行業(yè)的重視。

目前IDF主要來源于禾谷類、豆類、薯類以及水果蔬菜等，如大豆膳食纖維、小麥膳食纖維以及柑橘膳食纖維等 [8]。各類粗加工的IDF通常質(zhì)構(gòu)和風味不佳，且各種加工性能包括懸浮性、穩(wěn)定性、乳化性、持水性等都不佳，限制了其在加工食品中的大規(guī)模應用 [9]。為了拓寬IDF的應用途徑，必須進行改性處理。目前，通常的改性方法包括超微粉碎、擠壓、蒸汽爆破、超高壓等物理方法 [10-13]，酶法、發(fā)酵等生物技術(shù)方法 [14-15]，堿處理和氧化處理等化學方法 [16-17]，或者上述方法的聯(lián)用技術(shù) [18]。降低粒徑、增大比表面積以提高IDF的性能，是各種改性方法的核心目標之一。盡管大量研究結(jié)果顯示，總體而言，隨著IDF粒徑的下降，各種性質(zhì)，尤其是口感有很大程度的提高 [19-20]，但對比不同文獻可以發(fā)現(xiàn)，IDF粒徑與理化性質(zhì)尤其是加工性質(zhì)如持水性、懸浮性等之間的關(guān)系結(jié)論并不一致 [21-24]。Zhu等 [21]對青稞膳食纖維的研究表明，較小的粒徑會顯著提高IDF的持水力（WHC）;然而，另一項關(guān)于麥麩膳食纖維的研究 [24]報道，較小的顆粒尺寸導致WHC降低。上述不一致的結(jié)果說明，影響粉碎后IDF性質(zhì)的要素，除了粒徑以外，還有別的因素，如膳食纖維的來源及其非膳食纖維成分可能也有重要影響。

我國大豆膳食纖維原料豐富。作為油脂加工的副產(chǎn)物，豆粕、豆粕提取了大豆蛋白后的豆渣、豆渣提取了可溶性大豆多糖后的水不溶性纖維（S-IDF）都是良好的膳食纖維來源 [25-27]。但目前，不同來源膳食纖維之間的性質(zhì)很少有數(shù)據(jù)可對比，也很少有同時對不同來源不同組成的膳食纖維進行對比研究，并探討影響粉碎后IDF性質(zhì)的原因和機制，使工業(yè)消費者很難理解不同膳食纖維型號之間的差異并導致應用困難。該研究利用球磨機分別處理豆粕、豆渣及S-IDF，得到不同粒徑的樣品，并測定產(chǎn)物理化性質(zhì)，探討原料中非膳食纖維成分對于粉碎加工的影響以及對產(chǎn)物性質(zhì)的影響，為提高膳食纖維的改進技術(shù)和拓寬其應用途徑提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

大豆豆粕、豆渣、水不溶性膳食纖維：河南平頂山金晶生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

PM-100行星式球磨儀（德國Retsch）;K375全自動凱氏定氮儀（瑞士Buchi公司）;TST-E804-60A電熱鼓風干燥箱（青島特斯特科技股份有限公司）;SX2-15-10馬弗爐（宜興市精益電爐有限公司）; S3500 激光粒度分析儀（美國Microtrac公司）; Autosorb-IQ比表面積及微孔物理吸附儀（美國康塔儀器公司）;3K15高速冷凍離心機（德國Sigma公司）;U-3900可見分光光度計（日本日立株式會社）;651 LUMISizer穩(wěn)定性分析儀（德國LUM公司）。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備。

將適量樣品放入球磨儀中，與氧化鋯球混合，球料比為1∶10，并在400 r/min下粉碎。分別在不同時間點取樣，以得到不同粒徑的樣品。將豆粕球磨0、0.75、1.5、5和60? min后的樣品分別命名為D1、D2、D3、D4和D5;將豆渣球磨0、5、10、20和60? min后的樣品分別命名為O1、O2、O3、O4和O5;將S-IDF球磨0、5和60? min后的樣品分別命名為I1、I2和I3。

取球磨后的干粉1 g與99 g去離子水混合，充分搖勻，邊攪拌邊調(diào)pH至4.00±0.01，得到均勻的懸浮液，供后續(xù)懸浮穩(wěn)定性試驗使用。懸浮液現(xiàn)配現(xiàn)用。

1.3.2 基本成分的測定。蛋白質(zhì)含量的測定：凱氏定氮法（GB T5009.5—2016）;

灰分含量的測定：灼燒稱重法（GB 5009.4—2016）;

水分含量的測定：直接干燥法（GB 5009.3—2016）;

膳食纖維含量的測定：（GB 5009.88—2014）;多糖含量的測定：苯酚-硫酸法。

1.3.3 平均粒徑與粒徑分布。

取適量干粉置于激光粒度分析儀內(nèi)，在干法模式下測定樣品的平均粒徑和粒徑分布。試驗結(jié)果由系統(tǒng)自帶軟件進行分析，將D 50作為平均粒徑的指標。

1.3.4 比表面積及孔徑分析。

Brunauer-Emmett-Teller（BET） 比表面積，Barrett-Joyner-Halenda （BJH） 累積孔體積和BJH孔徑的測定參照牛飛飛等 [28]的方法。取適量干粉在60 ℃真空干燥4 h，在-195.807 ℃液氮下，測定氮氣的吸附和解吸曲線，試驗結(jié)果由系統(tǒng)自帶軟件進行分析。

1.3.5 可溶解性。

可溶解性通過Zhang等 [29]描述的方法測定。1 g干粉與50 g去離子水充分混勻，80 ℃加熱30 min，立即冷卻至室溫，4 000 r/min離心30? min。小心收集上清液，將上清液在預先干燥并稱重的燒杯中于（103±2）℃干燥。將殘余物和燒杯一起稱重，并根據(jù)下式計算溶解度。

式中，S1為干粉質(zhì)量（g）;S2為燒杯質(zhì)量（g）;S3為殘余物和燒杯的總重（g）。

1.3.6 松裝密度與振實密度。

松裝密度與振實密度的測定參考Muttakin [30]的方法，將干粉小心放入已稱重的25 mL具塞試管，至25 mL刻度線，松裝密度為每毫升樣品的體積。利用旋渦振蕩器振蕩具塞試管100 s，排除樣品間的空隙，再放入樣品至刻度線，重復多次，直至樣品體積不再變化，振實密度為此時每毫升樣品的體積。

1.3.7 持水力、持油力與膨脹力。稱取0.2 g干粉置于恒重的10 mL離心管中，加入5 mL水（或油），振蕩均勻。靜置 1 h后，2 000 r/min離心10? min，然后小心除去上清液，稱量沉淀物和離心管的總重 [31]。按下式計算持水（油）力（g/g）。

式中，M1為干粉質(zhì)量（g）;M2為離心管質(zhì)量（g）;M3為沉淀物和離心管總重（g）。

稱取1.0 g干粉置于具塞試管中，讀取干粉體積（mL），加入25 mL蒸餾水，振蕩均勻，室溫下放置24 h后再讀取膨脹后樣品的體積 [23]。按下式計算膨脹力（mL/g）。

式中，V1為干粉質(zhì)量（g）;V2為干粉體積（mL）;V3為膨脹后體積（mL）。

1.3.8 懸浮穩(wěn)定性。

采用直接觀察法 [32]，取10 mL 1%懸浮液置于樣品管中，分別在不同時間觀察其分層結(jié)果，測量上清液層的高度。

2 結(jié)果與分析

2.1 原料膳食纖維組成

由表1可知，豆粕中蛋白質(zhì)含量最高，占樣品總重的43.68%，但是總膳食纖維（TDF）含量最低，僅為18.89%。豆渣與S-IDF的化學組成相近，主要成分都為TDF;總粗蛋白分別為19.26%和18.72%，顯著低于豆粕。二者最主要的區(qū)別為S-IDF是豆渣提取酸可溶性大豆多糖（SSPS）后的產(chǎn)物。SSPS主要是由半乳糖醛酸聚糖和鼠李糖半乳糖醛酸聚糖組成的主鏈以及半乳聚糖和阿拉伯聚糖組成的支鏈構(gòu)成的酸可溶多糖 [33]。

2.2 平均粒徑及粒徑分布

平均粒徑用D 50表示，即50%的顆粒可以通過的孔隙大小。如圖1（A）所示，隨著球磨時間的增加，樣品顆粒粒徑不斷降低。其中豆粕粒徑下降速度最快，豆渣其次，S-IDF最慢。3種原料無論球磨多長時間，其粒徑最終都集中在10～15 μm。豆粕粒徑的下降速度最快，除了初始粒徑較大的因素，還有可能是因為豆粕的蛋白質(zhì)含量高且結(jié)構(gòu)較弱，在剪切力的作用下容易斷裂。同樣，豆渣粒徑下降居中，可能也是由于其中存在可溶性多糖的緣故，與β-1，4糖苷鍵組成的纖維素相比，可溶性多糖在高剪切力作用下，相對易斷裂。

圖1（B～D）分別為不同球磨時間下，豆粕、豆渣、S-IDF的粒徑分布曲線，進一步說明了隨著球磨時間的增加，3種膳食纖維原料粒徑分布的降低情況。值得注意的是，豆粕的曲線，在5 min時是單峰，而到了60 min，出現(xiàn)了雙峰，這可能是顆粒重新聚集的緣故。 該結(jié)果也暗示長時間碾磨的豆粕，平均粒徑雖然不斷下降，但粒徑分布變寬，性質(zhì)未必會不斷 提升。

2.3 球磨對溶解性及產(chǎn)物比表面積和孔徑的影響

如表2所示，3種樣品的溶解度隨著粒徑的減小而顯著增加，這與圖1平均粒徑及粒徑分布結(jié)果是一致的。豆粕的溶解度最高，D5的溶解度為56.19%，遠高于豆粕和豆渣球磨60 min后的樣品，這是因為豆粕中的可溶性蛋白質(zhì)含量高。其中D5是D1的2.0倍，O5是O1的6.2倍，I3是I1的2.1倍，豆渣經(jīng)過粉碎后，溶解度提高得最多，這與可溶性膳食纖維占比 有關(guān) [34]。

3種樣品溶解物中，可溶性多糖及蛋白質(zhì)含量的變化趨勢與溶解度的變化趨勢一致。其中豆粕D2的可溶性蛋白質(zhì)含量是D1的169%，而D5僅是D2的110%。這說明豆粕中的可溶性蛋白質(zhì)在球磨的作用下極易被破壞和釋放，這也是豆粕粒徑能夠快速下降的原因之一。

值得注意的是，表2 中3種原料比表面積的變化趨勢差別很大。豆粕和豆渣比表面積均隨著碾磨時間的增加不斷升高，而孔徑變化比較復雜，前3個樣品幾乎無差別，后2個樣品孔徑顯著變小，說明豆粕和豆渣比表面積的改變在球磨初期主要由粒徑下降和表面蛋白與多糖降解所致，而球磨后期則是由內(nèi)部蛋白和多糖降解以及粒徑減少共同導致。而S-IDF球磨初期孔徑略有下降，碾磨5 min后孔徑不再變化，說明S-IDF的粒徑和孔徑變化模式與豆粕和豆渣正好相反。這種差異也暗示了3種原料的不同粒徑產(chǎn)物性質(zhì)可能有所不同。

2.4 松裝密度與振實密度

隨著豆粕、豆渣、S-IDF粒徑的下降，3種原料不同粒徑樣品的松裝密度與振實密度均顯著降低（圖2），這是因為樣品的粒徑下降，使得顆粒之間的空隙減少，堆積得更加緊密。3種樣品球磨60? min后的松裝密度集中在0.23～0.27 g/mL，振實密度集中在0.41～0.48 g/mL。

2.5 持水力、持油力及膨脹力

3種樣品中，豆渣的水合能力（持水力及膨脹力）最大，這可能與其高含量的SSPS有關(guān)。豆粕、豆渣和S-IDF持水力、持油性和膨脹力隨碾磨時間的變化趨勢有著顯著不同。由圖3可知，豆粕及豆渣的水合能力隨著球磨時間的增加，呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢;而S-IDF的水合能力呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢。豆粕D3～D5樣品、豆渣O3～O5樣品和豆渣I1～I3樣品的粒徑相似。3種樣品

類似粒徑下，水合能力的差別說明，膳食纖維的水合能力不

僅受粒徑影響，而且受其組成的影響。該結(jié)果很好地解釋了不同來源膳食纖維關(guān)于粒徑對性質(zhì)影響不一致的問題 [21-24]。

為了進一步探討膳食纖維形貌以及組成等因素對其性質(zhì)的影響，將圖3結(jié)果與表1、表2和圖1中球磨對產(chǎn)物溶解性、粒徑及孔徑比表面積的變化趨勢關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果見表3。可以看出，各種樣品水合能力的變化與其溶解度和不可溶的成分有關(guān)聯(lián)，而與形貌性質(zhì)關(guān)聯(lián)相對較小。水合能力與溶解度水平呈負相關(guān)（r=-0.865，P<0.05）;與pH 7.0水不可溶多糖含量呈正相關(guān)（r=0.918，P<0.01）。表3中不溶性纖維主要包括SSPS和膳食纖維，結(jié)合圖3結(jié)果，可以推測不同來源和不同粒徑樣品的水合能力可能與樣品中的SSPS含量有更大的關(guān)聯(lián)。3種樣品的持油力隨著粒徑的改變無顯著性變化，都集中在2.0～3.0 g/g。

2.6 懸浮穩(wěn)定性

如果膳食纖維大量使用于飲料體系，其水溶液中的懸浮穩(wěn)定性就非常重要。為此，將3種膳食纖維分別配制成1%濃度的懸浮液，分別在pH 7.0和4.0條件下靜置觀察其懸浮穩(wěn)定性，結(jié)果如圖4所示。豆粕中含有大量蛋白質(zhì)，在pH 4.0的條件下產(chǎn)生絮狀物，無法測定其懸浮穩(wěn)定性。從圖4可以看出，3種來源膳食纖維都隨著粒徑變小，懸浮穩(wěn)定性增加。相同粒徑的豆渣比S-IDF懸浮穩(wěn)定性要好，且酸性條件優(yōu)于中性條件，這是因為豆渣含有較多的SSPS。SSPS是一類酸性多糖，可以作為酸性飲料的穩(wěn)定劑 [35]。3種樣品中，豆粕的懸浮穩(wěn)定性最差。

將5 min時，懸浮液總高度（10 cm）與上清液高度的差值作為懸浮穩(wěn)定性的指標，與形貌特征及組成作相關(guān)性分析，結(jié)果見表3。可以看出，懸浮穩(wěn)定性與粒徑及孔徑水平呈負相關(guān)（P<0.05），而與比表面積及孔體積水平呈正相關(guān)（P<0.05）。

3 結(jié)論

通過球磨粉碎處理，得到了粒徑為11.1～447.3? μm的豆粕，13.9～193.0? μm的豆渣，10.0～39.5? μm的S-IDF。將3種纖維不同粒徑樣品的組成、水合能力、溶解度、比表面積、懸浮穩(wěn)定性等性質(zhì)進行對比分析，結(jié)果顯示豆粕在球磨過程中結(jié)構(gòu)易被破壞，粒徑迅速降低，可溶性成分快速釋放，其他2種相對緩慢。3種原料的組成與形貌特征關(guān)聯(lián)分析結(jié)果顯示，豆粕和豆渣比表面積的改變在球磨初期主要由粒徑下降和表面蛋白與多糖降解所致，而球磨后期則是由內(nèi)部蛋白和多糖降解以及粒徑減小共同導致。而S-IDF粒徑和孔徑變化模式與豆粕和豆渣正好相反。豆粕和豆渣的水合能力隨著粒徑的下降，先降低后升高，而S-IDF則持續(xù)降低;3種來源膳食纖維的懸浮穩(wěn)定性都隨著粒徑變小而增加。相關(guān)性分析結(jié)果顯示，膳食纖維的水合能力可能與組成關(guān)聯(lián)更大，與形貌關(guān)聯(lián)相對較小;而懸浮穩(wěn)定性與粒徑及孔徑水平呈負相關(guān)，與比表面積及孔體積水平呈正相關(guān)（P<0.05）。上述研究表明，非纖維成分與大豆膳食纖維粉碎后物理性質(zhì)密切相關(guān)，這為大豆膳食纖維在食品工業(yè)中的開發(fā)與應用提供了一定的理論和依據(jù)。

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