蒸煮加工對甘薯渣膳食纖維特性的影響

賴愛萍 陸國權(quán)

(浙江農(nóng)林大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院;浙江省農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)改良技術(shù)研究重點實驗室，浙江杭州311300)

近年來，由于高脂肪食物攝入而引發(fā)的疾病如高血壓、冠狀動脈硬化、心臟病等發(fā)病率不斷增大［1］。研究表明膳食纖維具有平衡飲食，降低血脂的功效，增大膳食纖維的攝入量可以降低食欲，減少能量攝入，有效預(yù)防肥胖癥和心血管疾病［2-3］。不同的食品加工方法對膳食纖維的理化特性和結(jié)構(gòu)特性具有不同程度的影響。Lan G S［4］等人研究了蒸汽處理和自然曬干對玉竹膳食纖維的理化特性影響，結(jié)果表明蒸汽處理過的膳食纖維持水力、膨脹力等顯著高于自然曬干處理的膳食纖維。Chen J L［5］等人對桃子和燕麥的膳食纖維進(jìn)行微射流均質(zhì)處理，顯著改善了膳食纖維的理化特性。本研究比較分析了常壓蒸煮、高壓蒸煮、微波蒸煮及擠壓蒸煮四種食品加工方式對甘薯膳食纖維的理化特性和結(jié)構(gòu)特性的影響，為進(jìn)一步利用甘薯膳食纖維，提高膳食纖維品質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

甘薯渣 山東省濟(jì)寧市甘薯淀粉廠提供，自然風(fēng)干，粉碎，過100篩。

立式壓力蒸汽滅菌器LS-30 上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;微波爐KD12B-DA型 美的集團(tuán);擠壓膨化機(jī)SYSLG32-Ⅱ 濟(jì)南賽百諾科技有限公司;粉末X-射線衍射儀6000 日本島津儀器公司;高分辨透射電子顯微鏡Tecnai G2 F30 S-Twin 荷蘭Philips-FEI公司。

1.2 實驗方法

1．2．1 甘薯膳食纖維的提取工藝 甘薯渣→NaOH浸泡→加入α-淀粉酶，45℃水浴30min→加入糖化酶，60℃水浴30min→加入蛋白酶，37℃水浴30min→乙醇沉淀→抽濾→ 烘干、粉碎→薯渣膳食纖維

工 藝 要 點:NaOH 濃 度 0．2mol/L，料 液 比1∶5g/mL;α-淀粉酶用量 1．5mL(2000U/mL);糖化酶用量 5．5mL(1500U/mL);蛋 白 酶 用 量 0．4mL(250U/mL)。

1．2．2 甘薯膳食纖維的加工工藝 以膳食纖維得率為指標(biāo)，通過預(yù)實驗優(yōu)化工藝，得到四種蒸煮方式的最優(yōu)條件如下:

常壓蒸煮:在常壓下，沸水蒸煮20min。高壓蒸煮:壓力為 0．1Mpa，溫度為 121℃，蒸煮 25min。

微波蒸煮:微波功率640W、微波時間6min、物料比 1∶3。

擠壓蒸煮:物料含水量32%、螺桿轉(zhuǎn)速130r/min、擠出溫度110℃。

1．2．3 膳食纖維理化特性測定

1．2．3．1 膳食纖維含量測定參照GB/T5009．88-2008。

1．2．3．2 持水力的測定 取0．5g(W1)樣品放入離心管中，加10mL去離子水，混勻，室溫放置24h，1500r/min離心 10min，去上清液，稱量樣品的重量(W2)［6］。

1．2．3．3 膨脹力的測定 稱取一定量的樣品(W1)于帶刻度的試管中，讀取樣品的體積(V1)，以 1∶50(g/mL)加入去離子水，混勻，放置18h，記錄樣品在試管中的膨脹后體積(V2)［7］。

1．2．3．4 持油性的測定 參照CaprezA 等的方法，取0．25g(W1)樣品于離心管中，加入玉米胚油5mL，混勻，在 2000r/min下離心 30min，稱量樣品濕重(W2)［8］。

1．2．3．5 結(jié)合脂肪能力 稱取 0．5g(W1)樣品于離心管中，加入花生油5mL，每5min混勻一次，半個小時后在1600r/min下離心25min，取上清液，稱量樣品濕重(W2)［9］。

1．2．3．6 葡萄糖吸收能力 稱量 0．1g(W1)膳食纖維粉于離心管中，加入100mmol/L的葡萄糖原液10mL，在37℃下振蕩水浴6h，在3000r/min下離心10min，用斐林試劑測定上清液中的葡萄糖含量(M1)［10］。

1．2．4 膳食纖維結(jié)構(gòu)特性測定

1．2．4．1 X-粉末衍射 X-射線衍射條件:采用銅靶，管壓40kv，電流40mA，發(fā)散狹縫1度，散射狹縫1度，接收狹縫0．3mm，測量范圍 2θ =5～60°，掃描速率為2deg/min。實驗數(shù)據(jù)用 Originlab軟件進(jìn)行處理。

1．2．4．2 傅里葉紅外光譜 以1∶100的比例將樣品和KBr粉末研磨均勻，在400～4000cm-1下掃描。

1．2．4．3 電子掃描顯微鏡 在高分辨透射電子顯微鏡下對樣品顆粒形貌行分析、觀察。

1.3 數(shù)據(jù)處理

以SPSS Statistics17．0軟件對所測實驗數(shù)據(jù)在0．05水平上進(jìn)行多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 膳食纖維的理化特性測定結(jié)果

2．1．1 膳食纖維含量 從圖1可知蒸煮對甘薯渣膳食纖維含量具有顯著影響，四種蒸煮方式獲得的薯渣膳食纖維含量均顯著高于對照，其中擠壓蒸煮最高為41．62%。在蒸煮中，薯渣所含的淀粉、蛋白質(zhì)等吸熱膨脹，更多的暴露在表面，且某些大分子物質(zhì)降解為小分子物質(zhì)，在提取過程中更利于脫去雜質(zhì)，提高了膳食纖維含量。不同的蒸煮方式之間存在著顯著性差異，原料、常壓蒸煮、高壓蒸煮、微波蒸煮和擠壓蒸煮方式作用后薯渣中的膳食纖維含量呈遞增趨勢，可能是因為高壓使膳食纖維的結(jié)構(gòu)變的更加疏散，利于不溶性纖維轉(zhuǎn)化為可溶性物質(zhì)［11］。微波能短時間內(nèi)使物料內(nèi)外同時進(jìn)行加熱，促進(jìn)物質(zhì)中分子的運動而提高膳食纖維含量［12］。在四種蒸煮方式中，擠壓蒸煮獲得的膳食纖維含量最高，這是由于擠壓過程中的高壓、高剪切力作用，促進(jìn)膳食纖維的溶出［13］。

圖1 不同蒸煮方式對膳食纖維含量的影響Fig．1 Effect of DF content in different cooking methods

2．1．2 持水力 持水力的高低是評價膳食纖維品質(zhì)好壞的重要指標(biāo)之一，從圖2可知，蒸煮使甘薯膳食纖維的持水力得到顯著提高，改善了膳食纖維品質(zhì)，這與蒸煮后可溶性膳食纖維的比例升高緊密相關(guān)，水溶性膳食纖維具有更多的親水基團(tuán)因而表現(xiàn)出較好的親水性，持水力強(qiáng)。常壓蒸煮獲得的膳食纖維持水力最強(qiáng)為3．52g/g，與原料相比提高了66．04%，而其他加工方式獲得的膳食纖維持水力相對較低，原因是常壓蒸煮對膳食纖維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破壞較?。?4］，而高壓、微波、擠壓方式在高溫高壓下對膳食纖維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的破壞，從而導(dǎo)致持水力相應(yīng)下降［13］。

2．1．3 膨脹力 從圖3可知，擠壓蒸煮使膳食纖維的膨脹力顯著提高，達(dá)到5．71mL/g，而其他蒸煮方式對膨脹力有一定的提高，但不顯著。膨脹力的大小與薯渣的粉碎方式、烘干方式及薯渣原料等密切相關(guān)。擠壓蒸煮對于膨脹力的提高具有顯著性，因為擠壓蒸煮過程中促進(jìn)膳食纖維的微?；?，使物料的緊密組織變得松散，產(chǎn)生更多的毛細(xì)孔，利于水分滲入，提高物料的膨脹力［13］。

圖2 不同蒸煮方式對膳食纖維持水力的影響Fig．2 Effect of water-holding capacity in different cooking methods

圖3 不同蒸煮方式對膳食纖維膨脹力的影響Fig．3 Effect of swelling capacity in different cooking methods

2．1．4 持油性 從圖4可知，蒸煮對膳食纖維的持油性影響不顯著，各種蒸煮方式使持油性都有不同程度的降低，相比較而言，擠壓蒸煮方式對膳食纖維的持油性影響相對較弱，僅降低了0．15g/g。加工破壞了部分膳食纖維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，降低了膳食纖維的持油力。膳食纖維的持油性能夠幫助高脂多油的食品鎖住油分，防止食品中的油分損失而導(dǎo)致品質(zhì)變壞，同時也能縮短物質(zhì)在人體腸道中的停留時間［14］，有助于人體排毒。

圖4 不同加工方式對膳食纖維持油力的影響Fig．4 Effect of oil-holding capacity in different cooking methods

2．1．5 葡萄糖吸收能力 葡萄糖吸收能力與甘薯的品種、粉碎方式及提取方式有關(guān)。從圖5中可看出，蒸煮顯著提高了膳食纖維吸收葡萄糖的能力。在蒸煮的過程中，某些大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)，膳食纖維的結(jié)構(gòu)變得酥松，縮短葡萄糖進(jìn)入物料的路徑，更易于葡萄糖進(jìn)入物料內(nèi)部，提高了膳食纖維吸收葡萄糖的能力。擠壓蒸煮方式獲得的膳食纖維葡萄糖吸收能力最大為9．35mmol/g，綜合各項指標(biāo)，擠壓蒸煮方式是比較好的一種食品加工方式，能夠顯著改善膳食纖維的理化特性。

圖5 不同蒸煮方式對膳食纖維葡萄糖吸收能力的影響Fig．5 Effect of glucose adsorption capacity in different cooking methods

2.2 不同加工方式對甘薯膳食纖維結(jié)構(gòu)特性的影響

2．2．1 X-粉末衍射 研究表明纖維類物質(zhì)是由70%有序結(jié)晶的纖維素區(qū)和30%無序非晶態(tài)纖維素、半纖維素區(qū)組成，其中，高度有序的纖維區(qū)具有較強(qiáng)的結(jié)晶性［15］。結(jié)晶度是指纖維內(nèi)部結(jié)晶區(qū)的質(zhì)量占纖維總質(zhì)量的百分率，結(jié)晶度高說明纖維內(nèi)部有序結(jié)構(gòu)的比例較高。對不同蒸煮方式的膳食纖維進(jìn)行X-粉末衍射，衍射結(jié)果表明原料、常壓蒸煮、高壓蒸煮、微波蒸煮、擠壓蒸煮方式獲得的膳食纖維結(jié)晶 度 分 別 為 63．05%、68．79%、70．98%、64．91%、67．43%。蒸煮后的膳食纖維結(jié)晶度均高于未進(jìn)行加工處理的原料，這可能與蒸煮提高了膳食纖維在物料中所占的比例有關(guān)。

從圖6可知，不同蒸煮方式的膳食纖維X衍射圖譜大致相似，只是衍射的強(qiáng)度有所不同，說明蒸煮未對膳食纖維的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞或破壞程度不大，這可能與加工過程中所產(chǎn)生的機(jī)械力不足以使纖維顆粒之間連接鍵斷裂有關(guān)［16］。圖6中2θ=26°左右有一個非常明顯且尖銳的峰，峰的強(qiáng)度較高，這可能是鋁制載物臺的衍射峰。圖中2θ=22．5°附近有明顯的衍射峰且峰形較尖銳，表明蒸煮方式并未對纖維中的結(jié)晶區(qū)造成破壞［17］，物料仍然具有纖維的特征。在2θ=16°和2θ=34°附近也出現(xiàn)了較明顯的衍射峰，說明薯渣膳食纖維的晶體類型為纖維素Ⅰ型，即天然纖維素［18］。圖6中在2θ=18°附近有一個比較明顯且峰形較尖銳的峰，這可能是因為膳食纖維的加工或提取中使纖維非定型區(qū)發(fā)生了一定程度的降解［19］。

圖6 不同蒸煮方式的X衍射圖譜Fig．6 X-ray diffraction spectrums of different cooking methods

2．2．2 傅里葉紅外光譜 從圖7可知，蒸煮后的膳食纖維與對照膳食纖維的紅外光譜大致相似，說明蒸煮未對薯渣膳食纖維結(jié)構(gòu)造成顯著改變，與X-衍射結(jié)果一致。圖7中五種膳食纖維均具有多糖特征吸收峰，3422cm-1處是O-H的伸縮振動，2927cm-1處是糖類甲基和亞甲基上C-H的收縮振動，這些是糖類的特征吸收峰［20］。薯渣膳食纖維在3420cm-1附近的峰是游離羥基和氫鍵結(jié)合造成的伸縮振動，是多糖上的羥基及樣品中的水分所產(chǎn)生的，這是所有纖維素的特征譜帶［21］。對照、常壓蒸煮、高壓蒸煮、微波蒸煮和擠壓蒸煮在3500～3400cm-1處的OH伸縮振動峰 分 別 為 3422．43、3422．19、3426．76、3423．31 和3422．86cm-1。圖7中在2361cm-1附近的振動峰很可能是由空氣中二氧化碳的C=O鍵引起的，高壓蒸煮和擠壓蒸煮此處的峰較小，表明這兩個樣品測試時受外界空氣中二氧化碳影響較小。從圖7中可知在1655～1635cm-1區(qū)間，不同處理的膳食纖維均有吸收峰，分 別 為 1654．35、1654．38、1636．78、1635．38 和1637．93cm-1，這是薯渣膳食纖維粉中所含的水分和纖維素晶體引起的振動峰［22］。在1406cm-1附近的尖峰為C-H(-CH2)彎曲的振動峰，為木聚糖的特征峰［23］，說明蒸煮加工處理后的膳食纖維仍然含有木質(zhì)素。圖7中1015cm-1附近的強(qiáng)尖峰是O-H的變角振動吸收峰［24］。總體來看，加工未對膳食纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化。

圖7 不同蒸煮方式膳食纖維的紅外光譜圖Fig．7 The infra-red spectrogram of different cooking methods

2．2．3 電子掃描顯微鏡 從圖8可知，原料膳食纖維表面的片狀結(jié)構(gòu)相互堆積形成緊密相連的組織，片層之間空隙較小，形狀較規(guī)則。經(jīng)過蒸煮加工后的樣品在電鏡下片狀結(jié)構(gòu)具有不同程度的斷裂，片層空隙較大，結(jié)構(gòu)較酥松，原先的較大塊狀結(jié)構(gòu)碎裂為細(xì)小的碎屑，碎屑的大小不均，大分子物質(zhì)降解為小分子物質(zhì)，利于薯渣中的可溶性成分不斷溶出［25］。膳食纖維的片狀結(jié)構(gòu)碎裂，分子中的親水基團(tuán)更多的暴露在表面，使得膳食纖維與外界環(huán)境接觸更加充分，提高膳食纖維的提取率。同時暴露在外的親水基團(tuán)能夠結(jié)合更多的水分子，提高了膳食纖維的持水力、膨脹力。微波具有強(qiáng)穿透性，透入介質(zhì)時使介質(zhì)分子之間相互摩擦，細(xì)胞內(nèi)溫度迅速上升，加速細(xì)胞破裂，因而從電鏡結(jié)果中看膳食纖維的片狀結(jié)構(gòu)破裂效果相對較好。物料在擠壓蒸煮中受到高壓、高剪切力作用，大分子物質(zhì)快速降解為小分子物質(zhì)，其片狀結(jié)構(gòu)層次較多，且空隙較大，所以各方面理化特性表現(xiàn)較好。

圖8 不同蒸煮方式的膳食纖維電子顯微鏡圖Fig．8 SEM of different cooking methods

3 結(jié)論

常壓蒸煮、高壓蒸煮、微波蒸煮和擠壓蒸煮顯著提高了甘薯膳食纖維的含量、持水力、膨脹力和葡萄糖吸收能力，而降低了膳食纖維的持油力和結(jié)合脂肪能力。通過對膳食纖維的結(jié)構(gòu)分析得出，加工未對膳食纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯影響，紅外光譜顯示纖維結(jié)構(gòu)未遭到破壞，X-衍射顯示其結(jié)晶度提高，掃描電鏡結(jié)果顯示，蒸煮使膳食纖維的細(xì)胞表面結(jié)構(gòu)破碎。綜合各項指標(biāo)，擠壓蒸煮方式是較優(yōu)的加工方式，能夠改善膳食纖維特性，提高其品質(zhì)。

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