羧甲基化大豆水酶法膳食纖維的制備及其性能研究

江連洲 張巧智 關(guān)嘉琦 鞏 涵 李 楊 隋曉楠

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，哈爾濱 150030)

羧甲基化大豆水酶法膳食纖維的制備及其性能研究

江連洲 張巧智 關(guān)嘉琦 鞏 涵 李 楊 隋曉楠

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，哈爾濱 150030)

大豆水酶法殘?jiān)勺鳛樯攀忱w維的來(lái)源。以大豆水酶法殘?jiān)鼮樵?，?duì)其中的膳食纖維進(jìn)行羧甲基化修飾，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)建立了堿化溫度、氯乙酸添加量、醚化時(shí)間和醚化溫度對(duì)羧甲基取代度的模型。研究結(jié)果表明，各參數(shù)對(duì)羧甲基取代度的影響程度依次為醚化時(shí)間、氯乙酸添加量、堿化溫度、醚化溫度。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的二次回歸分析得到的最佳制備工藝為堿化溫度25℃、氯乙酸添加量為膳食纖維質(zhì)量的1.05倍、醚化溫度70℃、醚化時(shí)間3.8 h，在此最優(yōu)條件下制備的水酶法膳食纖維羧甲基取代度為0.430 5，其持水率、持油率和膨脹率分別較修飾前提升了89.61%、20.63%和114.32%。紅外光譜結(jié)果表明，制備的大豆水酶法膳食纖維發(fā)生了羧甲基取代反應(yīng)。

大豆； 膳食纖維； 水酶法； 羧甲基化修飾； 響應(yīng)面分析

引言

膳食纖維是指不被人體胃腸道消化酶分解、吸收，而在大腸中會(huì)部分或全部發(fā)酵的一類碳水化合物的總稱，包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、果膠、多糖等，膳食纖維不僅可以取自天然食物，還可以經(jīng)物理、化學(xué)和生物法處理原料后獲得[1-2]。攝入膳食纖維對(duì)人體具有重要的生理保健功能，如降低膽固醇、降低餐后血糖、預(yù)防肥胖癥、預(yù)防結(jié)腸癌等，因此又被稱作“第七大營(yíng)養(yǎng)素”[3-5]。根據(jù)溶解性，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)。理想的膳食纖維組成中，SDF應(yīng)在10%以上，其結(jié)構(gòu)中豐富的親水基團(tuán)可形成網(wǎng)絡(luò)凝膠結(jié)構(gòu)，使膳食纖維具備持水、持油、吸附溶脹等特性，在人體內(nèi)發(fā)揮上述生理功能[6-8]。但天然來(lái)源的膳食纖維中多為不溶性膳食纖維，水溶性差、口感粗糙、加工特性低下，因此，通過(guò)物理、化學(xué)和生物方法對(duì)不溶性膳食纖維進(jìn)行修飾改造，提升其理化性質(zhì)和生理特性，一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)[9]。羧甲基化修飾是一種重要的化學(xué)修飾方法，羧甲基是一種強(qiáng)親水基團(tuán)，通過(guò)取代反應(yīng)添加到膳食纖維結(jié)構(gòu)中，可增強(qiáng)其對(duì)水分的親和作用，提升口感、加工和功能特性，使其在一定程度上具有與可溶性膳食纖維類似的功能作用[10]。荊曉飛[11]以玉米皮不溶性膳食纖維為原料，采用羧甲基化修飾的膳食纖維替代海綿蛋糕中的部分脂肪，降低烘焙損失；黃紀(jì)念等[12]以不溶性麥麩膳食纖維為原料，通過(guò)羧甲基化反應(yīng)制備高持水力麥麩膳食纖維，持水力提升105.79%；趙國(guó)華等[13]以豆渣為原料，采用羧甲基化改性制備豆渣膳食纖維，經(jīng)動(dòng)物試驗(yàn)證明較原豆渣具有更強(qiáng)的降血糖作用。

水酶法是一種新型綠色提油技術(shù)，通過(guò)溫和酶解手段提取油脂，具有廣闊的應(yīng)用前景[14-15]。水酶法殘?jiān)撬阜ㄌ嵊凸に嚨闹饕碑a(chǎn)物，提取1 L大豆油將產(chǎn)生約4.4 kg殘?jiān)黐16-17]。因此，對(duì)水酶法殘?jiān)暮侠砝脤㈥P(guān)系到水酶法工藝的經(jīng)濟(jì)可行性。研究表明殘?jiān)闹饕煞譃椴蝗苄岳w維、蛋白質(zhì)及少量礦物質(zhì)，可作為膳食纖維的豐富來(lái)源[18-19]，但由于其中主要為不溶性膳食纖維，直接添加到食品中口感和功能特性不佳，因此，本文以大豆水酶法殘?jiān)鼮樵咸崛∑渲械纳攀忱w維，并通過(guò)羧甲基取代反應(yīng)改善不溶性膳食纖維的親水特性，在探討影響羧甲基取代度主要因素的基礎(chǔ)上，通過(guò)響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)確定最佳取代條件，并進(jìn)一步對(duì)修飾后膳食纖維的持水率、持油率、膨脹率等功能特性進(jìn)行測(cè)定。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

全脂大豆片(東農(nóng)42號(hào)，含水率10.54%，粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)19.73%，粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)38.48%，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.21%)，聊城藍(lán)山集團(tuán)；Alcalase 2.4L堿性內(nèi)切蛋白酶 (AU)，杰能科(中國(guó))生物工程有限公司；α-淀粉酶、葡萄糖苷酶，北京索萊寶科技有限公司；甲醇、乙醇、異丙醇、氯乙酸、氫氧化鈉、鹽酸等均為分析純。

T20型雙螺桿擠壓機(jī)，法國(guó)Clextral公司；電子分析天平，上海精密科學(xué)儀器有限公司；PHS-25型數(shù)顯臺(tái)式酸度計(jì)，上海雷磁儀器廠；HH-4型恒溫水浴鍋，上海邦西儀器科技有限公司；JJ-1型精密電動(dòng)攪拌器，金壇市順華儀器有限公司；FD5型冷凍干燥機(jī)，美國(guó)西盟國(guó)際集團(tuán)；SHZ-B型恒溫水浴振蕩器，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司；3-18K型高速冷凍離心機(jī)，Sigma公司；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；高速剪切乳化機(jī)，上海昂尼儀器儀表有限公司；IRTracer-100型傅里葉變換紅外光譜儀，日本島津公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1基本化學(xué)成分測(cè)定

含水率測(cè)定，依據(jù)GB/T 5497—1985 《糧食、 油料檢驗(yàn) 水分測(cè)定法》；粗脂肪含量測(cè)定，依據(jù)GB/T 14772—2008 《食品中粗脂肪的測(cè)定》；粗蛋白含量測(cè)定，依據(jù)GB 5009.5—2010 《食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》；灰分含量測(cè)定，依據(jù)GB/T 5009.4—2010 《食品中灰分的測(cè)定》?？偵攀忱w維含量(Total dietary fiber, TDF)、可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維含量，依據(jù)GB/T 22224—2008 《食品中膳食纖維的測(cè)定》。

1.2.2水酶法大豆殘?jiān)猩攀忱w維制備

殘?jiān)鳛榇蠖顾阜ㄌ嵊凸に嚨母碑a(chǎn)物，本文所采用的酶解條件為L(zhǎng)I等[15,20-21]優(yōu)化的最佳提取工藝，其主要流程如下：

全脂大豆片→粉碎→調(diào)節(jié)含水率為14.5%→擠壓膨化(60℃，300 r/min)→粉碎過(guò)60目篩→調(diào)節(jié)液料比為6 mL/g→調(diào)節(jié)溫度為50℃，pH值為8.5→酶解3 h(加酶量1.85 mL/(100 g))→酶滅活(100℃，10 min)→離心分離(8 000g，20 min)→收集殘?jiān)毫媳葹?0 mL/g，水洗3次至中性→抽濾，60℃干燥→水酶法膳食纖維。

1.2.3羧甲基化水酶法膳食纖維制備

參照劉穎等[10]羧甲基化修飾的方法，將上述水酶法膳食纖維按液料比10 mL/g加入反應(yīng)介質(zhì)中，取與膳食纖維等質(zhì)量的NaOH，配制為一定質(zhì)量濃度溶液后加入，于設(shè)定溫度下堿化一定時(shí)間。稱取一定量的氯乙酸，溶于上述介質(zhì)后加入反應(yīng)液中，于設(shè)定溫度下醚化一定時(shí)間。醚化反應(yīng)結(jié)束后，用乙酸中和溶液pH值至7，真空濃縮后加入4倍體積無(wú)水乙醇沉淀，抽濾后于60℃干燥，粉碎后即得羧甲基化膳食纖維。

1.2.4羧甲基取代度測(cè)定

參照黃紀(jì)念等[12]、趙國(guó)華等[13]的方法，稱取0.3 g水酶法膳食纖維，向其中加入 40 mL HCl 溶液(2 mol/L)，攪拌3.5 h后過(guò)濾，用80%甲醇溶液洗滌樣品直至濾液用AgNO3檢查無(wú)Cl-離子，此時(shí)樣品轉(zhuǎn)化為酸式，再將樣品溶解于50 mL NaOH溶液(0.5 mol/L)中，加熱使溶液呈透明，立即用0.1 mol/L HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定剩余NaOH，以酚酞為指示劑，以紅色剛褪去為滴定終點(diǎn)，計(jì)算公式為

(1)

其中

X=CNaOHVNaOH-CHClVHCl

(2)

式中DS——樣品羧甲基取代度

CNaOH——NaOH溶液濃度，取0.5 mol/L

VNaOH——NaOH溶液體積，取50 mL

CHCl——HCl溶液濃度，取0.1 mol/L

VHCl——消耗HCl溶液體積，mL

1.2.5試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.5.1單因素試驗(yàn)

(1)反應(yīng)溶劑

分別以水、甲醇、乙醇和異丙醇為溶劑，按1.2.3節(jié)中所述將大豆水酶法膳食纖維加入上述各介質(zhì)中，加入15%NaOH溶液，于25℃堿化1 h，加入與膳食纖維等量的氯乙酸于70℃醚化4 h，以羧甲基取代度為指標(biāo)確定最佳反應(yīng)溶劑。

(2)堿化溫度

向水酶法膳食纖維溶液中加入15% NaOH溶液，分別于20、25、30、35、40℃堿化1 h，加入與膳食纖維等量的氯乙酸，于70℃醚化4 h，測(cè)定所得樣品的羧甲基取代度。

(3)氯乙酸添加量

向水酶法膳食纖維溶液中加入15% NaOH溶液，于25℃堿化1 h，分別稱取與膳食纖維質(zhì)量比為0.5、0.75、1.0、1.25、1.5的氯乙酸加入，于70℃醚化4 h，測(cè)定所得樣品的羧甲基取代度。

(4)醚化溫度

向水酶法膳食纖維溶液中加入15% NaOH溶液，于25℃堿化1 h，加入與膳食纖維等量的氯乙酸，分別于55、60、65、70、75℃醚化4 h，測(cè)定所得樣品的羧甲基取代度。

(5)醚化時(shí)間

向水酶法膳食纖維溶液中加入15% NaOH溶液，于25℃堿化1 h，加入與膳食纖維等量的氯乙酸，于70℃分別醚化3、3.5、4、4.5、5 h，測(cè)定所得樣品的羧甲基取代度。

1.2.5.2響應(yīng)面試驗(yàn)

在上述單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken設(shè)計(jì)原理，以堿化溫度、氯乙酸添加量(與膳食纖維質(zhì)量比)、醚化時(shí)間、醚化溫度為自變量，以水酶法膳食纖維的羧甲基取代度為響應(yīng)值，試驗(yàn)因素編碼見(jiàn)表1。

表1 Box-Behnken試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Codes of variables in Box-Behnken experiment

1.2.6水酶法膳食纖維物理化學(xué)性能測(cè)定

1.2.6.1持水率和持油率

(3)

式中WHC——持水率，g/g

M0——膳食纖維干質(zhì)量，g

M1——膳食纖維濕質(zhì)量，g

持油率的測(cè)定與持水率相同，但用葵花籽油替代蒸餾水與膳食纖維混合，離心后棄掉上層游離油，用濾紙輕輕吸干沉淀殘?jiān)砻娴目ㄗ延?，持油率?jì)算公式為

(4)

式中OHC——持油率，g/g

1.2.6.2膨脹率

膨脹率的測(cè)定參照FEMENIA等[23]的方法，稱取0.3 g膳食纖維，置于10 mL量筒中，準(zhǔn)確記錄此時(shí)量筒中膳食纖維的體積，向其中加入5 mL蒸餾水，振蕩均勻后于室溫放置24 h，再次讀取水中膳食纖維的體積，膨脹率計(jì)算公式為

(5)

式中E——膨脹率，mL/g

V0——膨脹前體積，mL

V1——膨脹后體積，mL

MD——膨脹前干質(zhì)量，g

1.2.7水酶法膳食纖維紅外光譜測(cè)定

參照荊曉飛[11]的方法，將2 mg膳食纖維樣品與200 mg 干燥的KBr混合后在瑪瑙研缽中研磨均勻，使其粒度在2.5 μm以下，放入壓片機(jī)模具中壓成樣品薄片，在500～4 000 cm-1范圍內(nèi)以4 cm-1的分辨率掃描32次，采集樣品圖譜數(shù)據(jù)，并在相同測(cè)試條件下采集背景。

1.2.8數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均表示為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”，試驗(yàn)重復(fù)3次。采用SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析(p<0.05)。

2 結(jié)果與討論

2.1 大豆水酶法殘?jiān)闹饕瘜W(xué)組成

大豆水酶法殘?jiān)闹饕瘜W(xué)組成中含有69.05%碳水化合物、20.54%蛋白質(zhì)、6.43%油脂及3.98%灰分。該化學(xué)組成與常用來(lái)提取大豆膳食纖維的豆制品加工副產(chǎn)物——豆渣組成相類似，如王波等[24]曾報(bào)道豆渣中主要含有約74%碳水化合物、22%蛋白質(zhì)、0.43%油脂及3%灰分。水酶法殘?jiān)锌偵攀忱w維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68.22%，可作為膳食纖維的豐富來(lái)源，且其中還含有豐富的蛋白質(zhì)，加入食品中可同時(shí)提供膳食纖維的保健功能并增加蛋白質(zhì)含量。殘?jiān)猩攀忱w維主要為IDF，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為66.69%，占總膳食纖維的97.76%，而SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為1.53%。當(dāng)不溶性膳食纖維含量較多時(shí)，雖可起到促進(jìn)腸道蠕動(dòng)、增加排泄量等作用[25]，但食品口感粗糙，水溶性、持水率等加工特性不佳，限制了其保健功能的發(fā)揮，因此有必要對(duì)所提取的水酶法膳食纖維進(jìn)行修飾改性處理，使其在一定程度上具備水溶性膳食纖維的功能和特性。

2.2 反應(yīng)溶劑對(duì)膳食纖維羧甲基取代度的影響

羧甲基取代反應(yīng)是在堿性條件下，通過(guò)取代膳食纖維多糖結(jié)構(gòu)中的部分羥基，起到提升持水率、增強(qiáng)功能特性的作用，而羧甲基取代度可在一定程度上說(shuō)明取代羥基數(shù)量的多少[12]。由圖1所示，溶劑的選擇對(duì)羧甲基取代度有顯著影響，在相同反應(yīng)條件下，采用乙醇作為反應(yīng)溶劑得到的羧甲基取代度最高，為0.403 5，采用異丙醇的羧甲基取代度次之，為0.328 8，且當(dāng)以甲醇或異丙醇作為反應(yīng)介質(zhì)時(shí)，堿化階段纖維易結(jié)塊，產(chǎn)物顏色偏深，不利于后續(xù)醚化反應(yīng)，此現(xiàn)象與王伊沂等[26]的發(fā)現(xiàn)一致。以水為溶劑的改性效果最差，其產(chǎn)物的羧甲基取代度僅為0.190 6，該現(xiàn)象說(shuō)明水作為載體對(duì)試驗(yàn)條件要求較苛刻，反應(yīng)體系中副反應(yīng)增多并嚴(yán)重抑制羧甲基化反應(yīng)，造成醚化劑的效用大幅降低，增加了產(chǎn)物后處理的難度，因此，本試驗(yàn)選擇乙醇作為反應(yīng)溶劑，并進(jìn)一步優(yōu)化羧甲基取代反應(yīng)的試驗(yàn)條件。

圖1 反應(yīng)溶劑對(duì)水酶法膳食纖維羧甲基取代度的影響Fig.1 Influence of solvent on DS of EAEP dietary fiber

2.3 單因素試驗(yàn)分析結(jié)果

2.3.1堿化溫度

以15%NaOH溶液分別于20、25、30、35、40℃溫度下堿化1 h，加入與膳食纖維等量的氯乙酸于70℃醚化4 h，測(cè)定堿化溫度對(duì)膳食纖維羧甲基取代度的影響，如圖2所示。

圖2 堿化溫度對(duì)水酶法膳食纖維羧甲基取代度的影響Fig.2 Influence of alkalization temperatures on DS of EAEP dietary fiber

堿化反應(yīng)中，NaOH作為反應(yīng)中釋放酸類物質(zhì)的中和劑，具有促進(jìn)膳食纖維溶脹，增進(jìn)醚化反應(yīng)活力的作用[13]。NaOH與膳食纖維結(jié)構(gòu)單元上的羥基反應(yīng)，形成多糖鈉鹽，作為下一步醚化反應(yīng)的活性中心。隨堿化溫度的升高，羧甲基取代度呈先升高后逐漸下降的趨勢(shì)，在20～30℃范圍內(nèi)，溫度的升高有利于羧甲基與膳食纖維的活性中心反應(yīng)，反應(yīng)速率不斷增大，為后續(xù)醚化階段提供更多活性末端，當(dāng)溫度為25℃時(shí)，羧甲基取代度達(dá)到最大，為0.417 3。繼續(xù)升高溫度，將不利于膳食纖維結(jié)構(gòu)中羥基基團(tuán)的外露，并逐步縮小反應(yīng)空間，對(duì)取代反應(yīng)有不利影響，劉穎等[10]的研究同樣發(fā)現(xiàn)堿化溫度為25℃時(shí)羧甲基取代度較為理想，且25℃接近室溫，對(duì)反應(yīng)設(shè)備及耗能要求較低，因此在優(yōu)化堿化溫度時(shí)選擇25℃為中心點(diǎn)。

2.3.2氯乙酸添加量

以15%NaOH溶液分別于25℃下堿化1 h，分別加入與膳食纖維質(zhì)量比為0.50、0.75、1.00、1.25、1.50的氯乙酸于70℃醚化4 h，測(cè)定氯乙酸添加量對(duì)膳食纖維羧甲基取代度的影響，如圖3所示。

圖3 氯乙酸添加量對(duì)水酶法膳食纖維羧甲基取代度的影響Fig.3 Influence of chloroacetic acid dosage on DS of EAEP dietary fiber

如圖3可知，隨氯乙酸添加量的增加，羧甲基取代度呈先增加后逐漸減小的趨勢(shì)。當(dāng)堿化反應(yīng)中用堿量一定時(shí)，生成的多糖鈉鹽活性中心一定，此時(shí)增加氯乙酸添加量，其與活性中心碰撞的頻率也隨之增加，產(chǎn)物羧甲基取代度逐漸上升[13]。但當(dāng)氯乙酸添加量過(guò)高時(shí)，多余的氯乙酸會(huì)與NaOH反應(yīng)，改變體系堿性環(huán)境，主反應(yīng)醚化反應(yīng)速率降低，副反應(yīng)增加，致使取代度降低。由圖3可知，當(dāng)氯乙酸添加量為1.0時(shí)，產(chǎn)物羧甲基取代度最高，為0.412 6，此條件可確保反應(yīng)體系中效率最高，因此在優(yōu)化氯乙酸添加量時(shí)選擇與膳食纖維質(zhì)量比為1.0作為中心點(diǎn)。

2.3.3醚化溫度

以15%NaOH溶液于25℃下堿化1 h，加入與膳食纖維等量的氯乙酸分別于55、60、65、70、75℃醚化4 h，測(cè)定醚化溫度對(duì)膳食纖維羧甲基取代度的影響，如圖4所示。

圖4 醚化溫度對(duì)水酶法膳食纖維羧甲基取代度的影響Fig.4 Influence of etherification temperature on DS of EAEP dietary fiber

如圖4所示，隨醚化溫度的升高，產(chǎn)物羧甲基取代度呈先上升后逐漸下降的趨勢(shì)。醚化溫度在55～70℃范圍內(nèi)時(shí)，羧甲基取代度從0.315 7上升至0.406 1。醚化溫度的升高增加了醚化劑氯乙酸與多糖鈉鹽相互碰撞的頻率，有利于反應(yīng)基團(tuán)與活性位點(diǎn)間的相互作用，從而促進(jìn)羧甲基取代產(chǎn)物的生成[24]。而當(dāng)醚化溫度高于70℃時(shí)，繼續(xù)升高溫度，將導(dǎo)致膳食纖維在強(qiáng)堿條件下發(fā)生降解，已經(jīng)取代的基團(tuán)牢固程度下降，且纖維易發(fā)生焦化反應(yīng)，產(chǎn)物顏色變深并結(jié)塊。當(dāng)醚化溫度為70℃時(shí)，羧甲基取代度最高，為0.406 1，該溫度既可保證主反應(yīng)效率，又可有效控制副反應(yīng)速率，使醚化劑利用充分，因此在優(yōu)化醚化溫度時(shí)選擇70℃為中心點(diǎn)。

2.3.4醚化時(shí)間

以15%NaOH溶液于25℃下堿化1 h，加入與膳食纖維等量的氯乙酸于70℃分別醚化3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 h，測(cè)定醚化時(shí)間對(duì)膳食纖維羧甲基取代度的影響，如圖5所示。

圖5 醚化時(shí)間對(duì)水酶法膳食纖維羧甲基取代度的影響Fig.5 Influence of etherification time on DS of EAEP dietary fiber

由圖5可知，當(dāng)醚化時(shí)間在3～4 h時(shí)，羧甲基取代度隨醚化時(shí)間的增加而逐漸上升，延長(zhǎng)醚化時(shí)間將使取代反應(yīng)進(jìn)行得更充分，當(dāng)醚化時(shí)間在4～5 h時(shí)，反應(yīng)已達(dá)平衡，繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，由于體系長(zhǎng)期處于強(qiáng)堿環(huán)境中易導(dǎo)致纖維發(fā)生降解，可能致使連接上的羧甲基被再次裂解下來(lái)，從而使羧甲基取代度逐漸降低。當(dāng)醚化時(shí)間為4 h時(shí)，羧甲基取代度最大，為0.409 5，因此在優(yōu)化醚化時(shí)間時(shí)選擇4 h為中心點(diǎn)。

2.4 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.4.1模型建立與方差分析

在上述單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以膳食纖維羧甲基取代度為響應(yīng)值，選擇堿化溫度、氯乙酸添加量、醚化溫度和醚化時(shí)間4個(gè)因素，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行響應(yīng)面分析。試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2，表中X1、X2、X3、X4分別為堿化溫度、氯乙酸添加量、醚化溫度和醚化時(shí)間的編碼值。

通過(guò)Design-Expert 8.0.6軟件，對(duì)表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸擬合，得到膳食纖維羧甲基取代度(DS)對(duì)堿化溫度X1、氯乙酸添加量X2、醚化溫度X3、醚化時(shí)間X4的二次多項(xiàng)回歸方程模型為

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.2 Experimental design and results of Box-Behnken design

表3 響應(yīng)面結(jié)果方差分析Tab.3 ANOVA of response surface results

2.4.2響應(yīng)面分析與優(yōu)化

在回歸方程基礎(chǔ)上，考察各因素及其交互作用對(duì)羧甲基取代度的影響，所得響應(yīng)曲面及等高線圖如圖6所示。在響應(yīng)曲面中，曲面越陡峭則該因素對(duì)響應(yīng)值影響較大，反之較??；而等高線圖可反映因素間交互作用的程度，橢圓形表示交互作用顯著，圓形表示交互作用不顯著[12]。結(jié)合圖6及回歸方程可知，堿化溫度與氯乙酸添加量、堿化溫度與醚化溫度對(duì)羧甲基取代度影響極顯著(P<0.01)，氯乙酸添加量與醚化溫度、氯乙酸添加量與醚化時(shí)間對(duì)羧甲基取代度影響顯著(P<0.05)。在所考察因素范圍內(nèi)，響應(yīng)值均隨各因素先升高后降低，各曲面呈下開口凹面，中心位于所考察區(qū)域內(nèi)，說(shuō)明回歸方程有極大值。

圖6 羧甲基化工藝參數(shù)對(duì)羧甲基取代度影響的響應(yīng)曲面Fig.6 Response surfaces exhibiting effects of parameters on DS of EAEP dietary fiber

通過(guò)Design-Expert軟件分析，得到羧甲基化制備大豆水酶法膳食纖維的最佳工藝參數(shù)為：堿化溫度25℃、氯乙酸添加量為膳食纖維質(zhì)量的1.04倍、醚化溫度 70.20℃、醚化時(shí)間3.80 h，此條件下由回歸方程推算出羧甲基取代度的預(yù)測(cè)值為0.432 0。考慮到實(shí)際可操作性，將上述參數(shù)調(diào)整為：堿化溫度25℃、氯乙酸添加量為膳食纖維質(zhì)量的1.05倍、醚化溫度70℃、醚化時(shí)間3.8 h，在此最優(yōu)條件下進(jìn)行3次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到的羧甲基取代度平均值為0.430 5，與預(yù)測(cè)值較為接近，說(shuō)明響應(yīng)面優(yōu)化的結(jié)果準(zhǔn)確可靠，具有一定的實(shí)際參考價(jià)值。

2.5 水酶法膳食纖維的物化特性

在上述最優(yōu)條件下制備羧甲基化水酶法膳食纖維，測(cè)定修飾反應(yīng)前后膳食纖維的物化特性，結(jié)果如表4所示。

表4 水酶法膳食纖維的物化特性Tab.4 Physiochemical properties of EAEP dietary fiber

注：同列不同字母表示差異顯著。

制得的羧甲基化膳食纖維呈乳白色，無(wú)豆腥味，質(zhì)地細(xì)膩。由表4可知，經(jīng)羧甲基化處理后膳食纖維的各項(xiàng)物化指標(biāo)均有不同程度的改善，其持水率、持油率和膨脹率分別提升至8.21 g/g、3.80 g/g和9.88 mL/g，較原膳食纖維分別提升了89.61%、20.63%和114.32%。修飾反應(yīng)后膳食纖維良好的物化特性，有助于其功能特性的發(fā)揮，可將其應(yīng)用于肉制品、焙烤食品、冷凍食品、飲料等中制備高功能性的產(chǎn)品。

2.6 水酶法膳食纖維的紅外光譜結(jié)果

利用紅外光譜對(duì)羧甲基修飾反應(yīng)前后水酶法膳食纖維進(jìn)行了表征，如圖7所示。

圖7 水酶法膳食纖維的紅外光譜圖Fig.7 Infrared spectrum of EAEP dietary fiber

3 結(jié)束語(yǔ)

采用羧甲基化對(duì)大豆水酶法膳食纖維進(jìn)行修飾改性，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)Box-Behnken響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)建立了堿化溫度、氯乙酸添加量、醚化溫度和醚化時(shí)間對(duì)羧甲基取代度影響的模型。試驗(yàn)結(jié)果表明，各因素對(duì)羧甲基取代度影響大小依次為醚化時(shí)間、氯乙酸添加量、堿化溫度、醚化溫度。經(jīng)優(yōu)化得到的最佳工藝參數(shù)為：堿化溫度25℃、氯乙酸添加量為膳食纖維質(zhì)量的1.05倍、醚化溫度70℃、醚化時(shí)間3.8 h，在上述最優(yōu)條件下羧甲基取代度為0.430 5。修飾反應(yīng)后水酶法膳食纖維持水率、持油率和膨脹率分別較反應(yīng)前提升了89.61%、20.63%和114.32%。紅外光譜譜圖顯示經(jīng)修飾反應(yīng)后水酶法膳食纖維結(jié)構(gòu)中發(fā)生了羧甲基取代。

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PreparationofDietaryFiberfromEnzyme-assistedAqueousExtractionofSoybeansthroughCarboxymethylationandItsFunctionalProperties

JIANG Lianzhou ZHANG Qiaozhi GUAN Jiaqi GONG Han LI Yang SUI Xiaonan

(CollegeofFoodScience,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

Enzyme-assisted aqueous extraction (EAEP) is an environmental-friendly method which is an alternative to conventional hexane oil extraction.During EAEP of soybeans, an additional by-product, residue fraction was produced.About 4.4 kg residue would be produced for every liter soybean oil extracted.The residue fraction of EAEP of soybeans contains substantial amount of fibers, which can be considered as a rich resource of dietary fiber.A soybean dietary fiber was prepared from EAEP residues and further modified through carboxymethyl substitution.According to the results of single factor experiments, Box-Behnken response surface methodology was conducted to investigate the correlation between operating parameters and degree of substitution (DS).The results indicated that the effects of four parameters on DS followed an order of etherification time, chloroacetic acid dosage, alkalization temperature, and etherification temperature.For optimizing the four independent variables, square regression analysis was performed.The regression model was fitted with determination coefficientR2of 0.968 4 and optimal parameters were as follows: alkalization temperature was 25℃; dosage of chloroacetic acid was 1.05 times of the mass of raw fiber; etherification temperature was 70℃ and etherification time was 3.8 h.The DS under above conditions was 0.430 5.Compared with the raw sample, the water holding capacity, oil holding capacity and expansion capacity of modified fiber were 8.21 g/g, 3.80 g/g and 9.88 mL/g, which were improved by 89.61%, 20.63% and 114.32%, respectively.The infrared spectrum showed that carboxymethyl substitution was occurred during modification.The modified dietary fiber from EAEP of soybeans exhibited desired functional properties, which can be used in meat, beverage and bakery products.

soybeans; dietary fiber; enzyme-assisted aqueous extraction method; carboxymethylation modification; response surface analysis

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.042

TS221

A

1000-1298(2017)10-0330-08

2017-02-20

2017-03-05

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0401402、2016YFD0400700)、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(31430067)、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(31571876)和東北農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(201610224178)

江連洲(1960—)，男，教授，博士，主要從事糧食、油脂及植物蛋白工程研究，E-mail:jlzname@163.com

隋曉楠(1987—)，男，副教授，博士，主要從事糧食、油脂及植物蛋白工程研究，E-mail: xiaonan.sui@neau.edu.cn