脫蛋白結合超微粉碎對豆渣膳食纖維成分及功能特性影響

湯小明 盧堅雯 曾艷紅

(宜春市農業農村局1，宜春 336000) (中共宜春市袁州區委黨校2，宜春 336000)

膳食纖維(dietary fiber，DF)是人體必需的七種營養素之一，廣泛應用于各種食品、保健品和醫療產品的加工。DF根據其水溶性分為不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber，IDF)和可溶性膳食纖維(soluble dietary fiber，SDF)[1]。IDF可以減少消化物在腸道運動和運輸時間。此外，它對腹瀉和便秘有積極作用[2]。SDF可以幫助降低血液膽固醇水平[3]和調節血糖水平[4]，以及預防結直腸癌[5]。

中國每年生產約2千萬噸豆渣，但豆渣未被充分利用，多用作飼料和肥料，甚至作為工業廢棄物丟棄。事實上，豆渣是一種營養豐富，天然，低熱量，低脂肪，低糖的原料食品，可以提高產品的附加值，具有很大的發展潛力。目前利用豆渣仍然存在兩個問題。首先，豆渣含有豐富的蛋白質，使其易于微生物腐敗，難以儲存、運輸。而且豆渣蛋白含有3種主要過敏原，分別是Gly m Bd 28K，Gly m Bd 30K，Gly m Bd 60K[6]。這些過敏原容易誘發人體消化不良，腹瀉，特應性皮炎等不良反應。國內外用于豆渣脫蛋白的方法主要有化學法[3]和酶解法[6]。酶解法因條件溫和、對環境污染小，應用前景廣闊[6]。其次，豆渣DF組成不均衡，富含IDF但幾乎不含SDF[7]，它不符合“理想膳食纖維”的要求[8]。事實證明，SDF在某些方面比IDF更能改善人的健康狀況[9]。很多方法已經使用于增加植物殘渣的SDF含量，例如化學或微生物發酵法[8]。但這些方法有很多缺點。例如，化學法耗時且會產生污染物[9], 而微生物發酵法非常昂貴[10]。

超微粉碎是近二十年來發展的技術，它可以將原料加工成微米或納米粉末，并已廣泛應用于各行各業。該技術具有高速低溫破碎；粒徑細，分布均勻；節約原材料，提高利用率，減少污染；有益于身體對食物營養吸收等優勢。本實驗研究脫蛋白結合超微粉碎改性方法對豆渣DF化學組成和功能特性的影響，為豆渣的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

豆渣堿性蛋白酶(4 000 u/g)、中性蛋白酶(4 000 u/g)、風味蛋白酶(4 000 u/g)；氫氧化鈉、石油醚等試劑均為分析純。Mastersizer2000粒徑分布儀，Pulverisette 14超微粉碎儀，LXJ-IIB離心機。

1.2 試驗方法

1.2.1 豆渣DF的制備

1.2.1.1 原料預處理

豆渣在60 ℃下烘干至恒重，將干燥的豆渣用錘磨機研磨并過500 μm篩網，然后用石油醚脫脂，在-20 ℃下儲存直至使用。

1.2.1.2 原料脫蛋白

脫脂豆渣分別通過下面四種方法脫蛋白后，用純凈水反復洗滌，于60 ℃下烘干過夜，分別得到DF-A，DF-N，DF-F，DF-T四種樣品。

DF-A：堿性蛋白酶(料液比1∶20、pH 9.0、溫度60 ℃、酶解時間4 h)；

DF-N：中性蛋白酶(料液比1∶20、pH 7.0、溫度50 ℃、酶解時間4 h)；

DF-F：風味蛋白酶(料液比1∶20、pH 3.0、溫度45 ℃、酶解時間4 h)；

DF-T：堿提蛋白(第一步料液比1∶20、pH 10、溫度60 ℃、提起時間90 min，第二步料液比1∶10、pH 10、溫度60 ℃、提起時間60 min)

1.2.2 豆渣DF組分的測定

根據AOAC[11]方法測量豆渣DF的粗蛋白，TDF，IDF和SDF含量。粗蛋白根據使用Kjedahl方法(AOAC方法920.152)估算氮含量來測量粗蛋白質含量。根據酶重量法(AOAC方法991.43)測量TDF，IDF和SDF含量。

1.2.3 豆渣DF超微粉碎及粒徑的測定

1.2.3.1 豆渣DF超微粉碎

先后取適量DF-A，DF-N，DF-F，DF-T四種樣品，置于旋轉研磨機，運行速度設定為20 000r/min，并分別粉碎通過裝有的四個不同篩(40、60、100、250 μm)。最后，獲得過40、60、100、250 μm篩的四種不同粒徑豆渣DF粉末。

1.2.3.2 粒徑的測定

將100 mg豆渣DF溶解于5 mL蒸餾水中，超聲進行分散，分散劑為水，使DF顆粒分散均勻。采用Mastersizer 2000粒徑分布儀測定，樣品由Hydro 2000 MU (A)進樣測定，得粒徑體積分布。

1.2.4 豆渣DF功能性質的測定

根據陳存社等[12]的方法稍作修改，測定豆渣DF粉末的持水力，持油力和膨脹力。

1.2.4.1 持水力(water holding capacity，WHC)

取250 mg樣品加入50 mL離心管，加15 mL蒸餾水，在室溫下震蕩均勻，靜置24 h，離心(4 800r/min，20 min)去除上清液，根據質量差算出每克樣品持水的重量，測量3次。

計算WHC如下：

式中：m0為離心管的質量/g；m1為去除上清液后離心管的質量/g；m為膳食纖維樣品的質量/g。

1.2.4.2 持油力(holding capacity，OHC)

取250 mg樣品加入50 mL離心管，加15 mL大豆油，在室溫下震蕩均勻，靜置24 h后離心(4 800r/min，20 min)去除上清液，根據質量差算出每克樣品持水的重量，測量3次。

計算OHC如下：

式中：m0為離心管的質量/g；m1為去除上清液后離心管的質量/g；m為膳食纖維樣品的質量/g。

1.2.4.3 膨脹力(swelling capacity，SC)

取250 mg樣品加入10 mL量筒中，加入5 mL含0.02%迭代化鈉蒸餾水，立即震蕩，消除氣泡的影響，過夜，測量每克樣品增加的體積，測量3次。

計算SC如下：

式中：V為干樣品的體積/mL；V0為吸水膨脹后樣品的體積/mL；m為膳食纖維樣品的質量/g。

2 結果與分析

2.1 豆渣DF超微粉碎粒徑分布

在不同的超微粉碎條件下處理得到的豆渣DF的粒度分布特征如圖1所示。當豆渣DF超微粉碎通過裝有250 μm篩的旋轉研磨機時，其平均粒徑從125.6 μm急劇減小到30.8 μm，屬于亞微米級。結果表明，通過旋轉研磨機粉碎可以有效地將豆渣DF顆粒的粒徑減小到亞微米級。當豆渣DF粉碎分別通過帶有篩子(100、60、40 μm)的旋轉研磨機時，豆渣DF的粒度分布在2 μm至160 μm的范圍內，表明豆渣DF粒徑的一部分大于粉碎通過的篩孔，這種異常現象可能歸因于超微粉碎后的豆渣DF顆粒發生了聚集。Rajkhowa等[13]研究發現旋轉研磨后的絲綢品種獲得了類似的結果。隨著DF顆粒變得更小，抗斷裂性逐漸增加，由于表面積的增加，聚集加速。因此，當豆渣DF粒徑到了一定大小，超微粉碎不能再使其粒度變少。

圖1 豆渣DF超微粉碎粒徑分布圖

2.2 豆渣DF的基本組分

本研究中使用的豆渣的化學組成見表1，其蛋白質含量與已報道的豆渣樣品值一致[14]。O’Toole[15]總結報道豆渣的化學組成，其中蛋白質，SDF和IDF質量分數在24%～31%，12.6%～14.6%和40.2%～43.6%之間。與早期研究的豆渣組分相比，本研究豆渣的蛋白質和SDF含量明顯較低，IDF含量較高。產生這種差異可能由于生產豆渣的方法和大豆栽培品種不一樣[15]。

當豆渣樣品進行酶處理或堿處理時(表1)，蛋白質含量顯著降低。堿性蛋白酶脫蛋白效果最好，蛋白的去除率為78.8%。通過堿處理，豆渣蛋白的去除率為53.7%，低于之前的報道[16]。中性和風味酶處理分別去除蛋白率47.1%、39.4%。豆渣的IDF，TDF質量分數在去除蛋白后從59.4增加到79.9%，64.1增加到85.2%，然而，SDF含量沒有明顯增加。通過堿性蛋白酶處理制備的豆渣DF含量最高，這意味著堿性蛋白酶脫蛋白是生產高純度DF的有效方法。

表1 豆渣DF組成成分及功能特性

如(表2)所示，隨著粒徑的減小，四種豆渣DF的TDF含量逐漸降低。超微粉碎后TDF含量的降低可能是由于半纖維素，纖維素和木質素斷裂轉化為一些可溶性小分子[17]。DF-A，DF-N，DF-F，DF-T的IDF質量分數分別從79.90%降至69.93%，73.13%降至64.85%，72.86降至64.64%，76.70降至65.87%。然而，DF-A，DF-N，DF-F，DF-T的SDF質量分數經超微粉碎后分別從5.31%增加到14.75%，4.60%到13.89%，3.16到11.98%，3.66到12.61%，表明超微粉碎導致部分膳食纖維組分從不溶性轉換成可溶性。平衡的DF組分配比建議SDF含量高于10%[18]。因此，將IDF轉換為SDF是一項很有意義的改方法性。本研究中豆渣DF的SDF質量分數高于10%，這意味著超粉碎是一種生產高質量DF的有效方法。

表2 超微粉碎對膳食纖維組成的影響

2.3 豆渣DF功能特性

2.3.1 前處理對豆渣DF功能特性影響

如(表1)所示，DF-A，DF-N，DF-F，DF-T的WHC，SC，OHC高于豆渣，這是由于酶處理或堿處理提高了豆渣中的DF含量，其具有高功能特性[19]。DF-A的WHC和SC高于其它前處理方法得到的樣品，這可能與其含有更高IDF有關[20]。然而，與DF-N，DF-F相比，DF-T具有更高的IDF含量，它卻具有更低的WHC和SC，這可能是由于強堿前處理破壞了膳食纖維的結構，導致其功能性質發生變化[21]。此外，諸如pH，離子強度，離子性質的環境條件會影響膳食纖維的功能特性[22]。前處理后的豆渣DF樣品比豆渣(1.0 g/g)具有更高的OHC(1.9～2.7 g/g)。DF-A的OHC為2.7 g/g，高于其它前處理方法得到的豆渣DF。

2.3.2 粒徑對豆渣DF功能特性影響

理論上，隨著粒徑減小，豆渣DF的比表面積增大，顆粒與水的接觸更充分，可能使得其WHC，SC增大[20]，另一方面，強烈的機械剪切作用使得物料內部的多孔網狀結構破壞，滯留水分的能力降低，導致WHC，SC降低。由圖2、圖3可知，此實驗中超微粉碎后WHC，SC降低的原因可能是強烈的機械剪切作用使豆渣空間立體結構被破壞，豆渣對水分的束縛附能力降低的作用比表面積的增大帶來的WHC，SC提高的作用更大的結果，同時粉碎后豆渣DF中不溶性膳食纖維含量降低也是導致其WHC，SC降低的原因之一，因為不溶性膳食纖維具有更強的功能特性[22]。Kethireddipalli等[22]指出，將DF超微粉碎后，其WHC和SC降低；產生這種現在不僅可歸因于其粒徑減小，而且還可歸因于DF基質結構的改變。此外，功能特性降低的原因還可能是由于在粉碎過程中DF基質和孔隙發生破壞[23]。除了這項研究之外，還有一些報道[17, 24]得到類似的結果。

圖2 粒徑對持水力的影響

圖3 粒徑對膨脹力的影響

如圖4所示，當豆渣DF超微粉碎通過配有(250、100 μm)篩子的研磨機時，DF-A，DF-N，DF-T的OHC均降低。這是由于超微粉碎后DF顆粒的厚度和疏水性減小。Sangnark[21]報道，甘蔗渣DF的粒徑越小，OHC更低。然而，當這3種豆渣DF樣品的粒度進一步減小，導致OHC增加，可能是由于部分豆渣DF粒徑變小，暴露了親脂性基團和增加了孔隙度，豆渣DF的毛細吸引力增強了油的物理截留。Raghavendra等[25]指出，超微粉碎后椰子DF的物理結構和表面積增加，從而導致隨著椰子DF粒徑減小，OHC增加。 隨著粒徑的減小，DF-F的OHC卻從2.3降低到1.8g/g。有許多試驗研究了粒徑大小對DF的OHC的影響，但結果并不相同，產生差異可能是由于不同的前處理方法，原材料和粉碎儀器。

圖4 粒徑對持油力的影響

4 總結

豆渣是DF的重要來源，在食品工業中具有很大的發展潛力。酶處理或堿處理可以有效地增加DF含量，并且增加所得的DF的功能特性(WHC，SC和OHC)。超微粉碎可以將豆渣DF的粒徑減小到亞微米級，并且顯著增加其SDF含量，從而得到合理DF組成。此外，超微粉末更容易被人體吸收，從而提高食品的質量和安全性以及人體健康。因此，脫蛋白和超微粉碎相結合加工可能成為生產“理想膳食纖維”食品的新途徑。