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    黑小麥麩皮可溶性膳食纖維的提取及其功能性質(zhì)研究

    2018-04-09 01:43:43王雅琪馬麗蘋朱文學
    中國糧油學報 2018年3期
    關(guān)鍵詞:實驗研究

    羅 磊 張 寬 王雅琪 馬麗蘋 朱文學

    (河南科技大學食品與生物工程學院;河南省食品原料工程技術(shù)研究中心,洛陽 471023)

    黑小麥(Black Wheat,BW)是一種呈藍、紫、紫黑、黑等顏色較深的新型作物[1],含豐富的生物活性物質(zhì),以其特殊的營養(yǎng)價值而備受關(guān)注。 黑小麥麩皮(Black Wheat Bran,BWB)是黑小麥加工過程中的副產(chǎn)物,口感比較粗糙,極少應用于食品當中。目前國內(nèi)外對黑小麥麩皮的研究較少,孫元琳等[2]對黑小麥麩皮酚酸物質(zhì)進行定性與定量研究;李偉等[3]對黑小麥麩皮花色苷組分進行測定及功能性質(zhì)研究;對黑小麥麩皮中可溶性膳食纖維的提取及功能性質(zhì)研究鮮見報道。

    根據(jù)膳食纖維(Dietary Fiber,DF)的溶解性可把DF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)。其多糖的組成結(jié)構(gòu)賦予膳食纖維一些獨特的性質(zhì),直接影響人體的生理效應。 SDF能降低血清和肝中的膽固醇,防止高血壓降低血糖,這已被國內(nèi)外大量的研究和流行病調(diào)查結(jié)果所證實。Othman等[4]研究發(fā)現(xiàn)β-葡聚糖可降低血漿總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇水平約 5%~10%。徐苗軍[5]的研究可證實SDF具有較強的吸附膽酸鈉作用,這種作用被認為是膳食纖維降血脂功能機理之一。

    有研究表明,超聲可破壞植物細胞壁,提高SDF的得率[6]。劉顯波等[7]研究發(fā)現(xiàn)通過酶解得到的SDF呈多孔蜂窩狀,增加其可溶性。超微粉碎技術(shù)使顆粒超細化,比表面積增加,與酶解液充分接觸使得SDF更易溶出[8]。因此本實驗采取超聲輔助酶解提取黑小麥麩皮中的SDF,并對其組分、理化性質(zhì)以及功能性質(zhì)進行研究。為提高黑小麥麩皮的附加值和綜合利用提供參考。

    1 材料與方法

    1.1 材料與試劑

    黑小麥麩皮:中普彩麥公司;普通小麥雞蛋、花生油、自制豬油(食品級):市售;纖維素酶(20 000 U/g,食品級):江蘇瑞陽生物科技有限公司;α-淀粉酶:北京奧博星生物技術(shù)有限責任公司;葡萄糖苷酶、中性蛋白酶、膽酸鈉:上海藍季生物科技發(fā)展有限公司;膽固醇(AR95%):上海伯奧生物科技有限公司。

    1.2 儀器與設備

    KQ-500DE型數(shù)控超聲波清洗器:昆山市超聲儀器有限公司;HC-1000Y型高速粉碎機:北京市永光明醫(yī)療儀器;UV2400紫外可見分光光度計:上海舜宇恒平科學儀器有限公司; PHS-3C pH計:上海越平科學儀器有限公司; QYC2102C全溫空氣搖床:上海福馬實驗設備有限公司;TENSPOR27傅里葉紅外變換光譜儀:德國BRUKER儀器公司。

    1.3 方法

    1.3.1BWB的預處理

    取1 kg試樣經(jīng)熱穩(wěn)定的α-淀粉酶50 μL/g、中性蛋白酶[9]100 μL/g和葡萄糖苷酶100 μL/g酶解去除蛋白質(zhì)和淀粉后,用溫水多次洗滌至水清澈。在121 ℃、30 min的高壓鍋中進行蒸煮滅酶,然后干燥至恒重。超微粉碎,過篩得到不同粒徑BWB超微粉末。

    BWB-SDF的得率按照公式計算:

    式中:TDF為總膳食纖維。

    1.3.2工藝流程

    黑小麥麩皮→濕蒸→干燥→超微粉碎→過篩→酶解→超聲→滅酶→離心→過濾→濃縮→醇沉→離心→過濾→脫色→干燥→SDF成品。

    1.3.3單因素的實驗設計方案

    在水浴溫度為60 ℃、超聲時間為25 min的條件下考察液料比(20∶1、25∶1、30∶1、35∶1、40∶1、45∶1V/m),水浴時間(40、50、60、70、80、90 min),酶底比(50、100、150、200、250、300 U/g),超聲功率(200、250、300、350、400 W)四個因素對SDF得率的影響。

    1.3.4通過單因素實驗確定最佳提取工藝參數(shù)

    以液料比(X1)、水浴時間(X2)、酶底比(X3)、超聲功率(X4)為影響提取效果的工藝參數(shù),進行四因素五水平的二次通用旋轉(zhuǎn)組合實驗設計。將BWB-SDF得率作為響應值,采用Design-Expert 8.0.6軟件對所得數(shù)據(jù)進行處理并分析,得出對BWB-SDF提取的最佳工藝條件。

    1.4 抗氧化活性實驗

    羥自由基清除能力的測定參考[10-13]的方法,并做一定的調(diào)整。還原力的測定采用鐵氰化鉀法[14]。

    1.5 SDF的物化特性

    參考梅新等[15]BWB-SDF的持水力和膨脹力,并按公式計算:

    1.6 靜態(tài)體外實驗

    1.6.1SDF對膽固醇吸附作用的測定

    采用鄰苯二甲醛法在550 nm下比色測定膽固醇含量[16]。質(zhì)量濃度范圍在0~0.4 mg/mL得到標準曲線y=0.011 32x+0.068 22,R2=0.998 69。

    SDF對膽固醇的吸附量=

    1.6.2SDF對不飽和脂肪與飽和脂肪吸附作用的測定

    參照黃才歡等[17]的方法進行測定。

    1.6.3SDF對膽酸鈉吸附作用的測定

    用糠醛比色法繪制標準曲線且在620 nm下測定其吸光度值并繪制時間-吸光度折線圖,膽酸鈉的濃度范圍在0~1.2 mg/mL時,得到標準曲線y=0.047 68x+0.028 11,R2=0.999 34。

    1.7 傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)分析

    參考Yao等[18]的方法,測定紅外光譜曲線。

    1.8 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

    實驗重復3次,利用Excel軟件處理實驗數(shù)據(jù),利用Origin8.5軟件進行繪圖。采用DPS v7.05數(shù)據(jù)處理軟件設計了四因素五水平31個實驗點,利用Design8.06軟件建立模型并進行響應面分析。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 超微粉碎后粒徑對BWB-SDF得率的影響

    由圖1可知在50~400目(粉末粒徑270~38 μm)時隨著目數(shù)的增加BWB-SDF的含量也呈上增趨勢,這是因為超微粉碎之后粒徑變小,比表面積變大,與酶的接觸也就越充分,使得SDF更容易溶出,得率達到16.11%。400~500目(粒徑38~25 μm)得率下降是因為顆粒過細影響提取效果,這與陳銘等[19]的研究結(jié)果分析一致。過500目篩(粒徑小于25 μm)時,得率為15.72%,較400目變化較小,因此,選擇通過400目而未通過500目的BWB進行研究。

    圖1 粒徑對SDF得率的影響

    2.2 單因素的實驗結(jié)果

    由圖2可知,液料比在20∶1~35∶1 mL/g范圍內(nèi)SDF的含量隨液料比的增大而增加。這是因為在一定的底物濃度范圍內(nèi),酶的活性中心被飽和或趨于飽和時,反應速度達到最大值。而當液料比在35∶1 mL/g之后,SDF的含量隨液料比的增大反而減少。這是由于過量的底物不能被酶解,致使反應不均一而影響酶解率。因此,在研究中選擇液料比為35∶1 mL/g。

    水浴40~60 min SDF得率隨著時間的延長逐漸增加,在60 min時得率達到一個最大值。但是超過60 min隨酶解時間的延長而略有降低,主要原因是隨著酶解時間的延長,纖維素酶已作用完成,但水解產(chǎn)物隨時間的延長開始聚集,從而導致SDF含量略有降低。這一結(jié)果與姜北國等[20]研究纖維素酶法制備SDF結(jié)果一致。因此,研究中最佳水浴時間選擇60 min。

    當酶底比為200 U/g時得率達到一個最大值,這說明一定的酶底比可有效將不溶性纖維素轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄缘钠暇厶?,提高SDF得率;當酶底比大于200 U/g 時,SDF的得率開始下降,可能是因為過多的酶使葡聚糖的聚合度降低[20],SDF得率下降。所以,研究中最佳酶底比選取200 U/g。

    200~350 W的范圍內(nèi)SDF得率隨著超聲功率的增加而增加。當超聲功率達到350 W時SDF得率出現(xiàn)了最佳值19.287%;當功率大于350 W時得率下降,可能是因為物料內(nèi)部溫度變得黏稠[21],使得SDF不易被提取。所以,最佳超聲功率選擇350W。

    圖2 液料比、水浴時間、酶底比、超聲功率對SDF得率的影響

    2.3 二次通用旋轉(zhuǎn)組合設計實驗結(jié)果

    表1 四元二次通用旋轉(zhuǎn)組合設計因素水平編碼表

    表2 四元二次通用旋轉(zhuǎn)組合設計結(jié)果

    2.3.1模型建立與顯著性檢驗

    以BWB-SDF得率(Y)為指標,設計了四因素五水平的二次通用旋轉(zhuǎn)組合設計實驗,實驗方案及結(jié)果如表1和表2所示。對實驗結(jié)果進行多元回歸擬合,得SDF得率對液料比(X1)、水浴時間(X2)、酶底比(X3)、超聲功率(X4)的二次多項式回歸模型為:

    由表3 可以看出,F(xiàn)2=53.71 ,P<0.000 1,表明模型顯著性極高,R2=0.979 2 ,說明該模型與實際的實驗數(shù)據(jù)相關(guān)性較好;失擬性檢驗F1=3.96 ,P>0.05不顯著,說明回歸方程的擬合性好。因此,該模型是適用的。影響SDF得率的主次因素依次為酶底比>液料比>超聲功率>水浴時間 。一次項X3、交互項X1X2、X1X4以及二次項X12、X22、X32、X42對SDF得率的影響極顯著,其余項對提取SDF影響不顯著。剔除不顯著項,建立得率對實驗因子的回歸方程為:Y=19.321 43+0.071 92X3-0.148 00X1X2-0.263 87X1X4-0.776 25X12-0.769 63X22-0.924 38X32-0.729 75X42。

    表3 四元二次通用旋轉(zhuǎn)組合實驗結(jié)果方差分析表

    注:**P<0.01,差異極顯著;*P<0.05,差異顯著。

    2.3.2響應面交互作用分析

    由圖3可看出響應面坡度都比較陡峭,說明液料比和水浴時間、液料比和超聲功率對BWB-SDF得率的影響均較大。由圖3a可知,液料比在33.5∶1~36.5∶1 mL/g、水浴時間在57~61 min;圖3b液料比在33.5∶1~36.5∶1 mL/g,超聲功率335~365 W范圍內(nèi)BWB-SDF得率較高。

    圖3 液料比(X1)與水浴時間(X2)(a)、超聲功率(X4)(b)的交互作用

    2.3.3驗證實驗

    通過二次通用旋轉(zhuǎn)組合設計優(yōu)化得到的最佳工藝參數(shù):液料比34.92∶1(mL/g);水浴時間59.99 min;酶底比203.91(U/g);超聲功率350.35 W。為驗證優(yōu)化后得到的回歸模型的可靠性,實際操作中采用液料比35∶1(mL/g),水浴時間60 min,酶底比200(U/g),超聲功率350 W進行3次重復驗證實驗,測得BWB-SDF得率的均值為19.308%,與理論預測值19.346%偏差較小,重復性好,沒有顯著差異,說明通過二次通用旋轉(zhuǎn)組合設計優(yōu)化得到的回歸方程參數(shù)準確可靠。BWB-SDF初始得率是15.65%,工藝優(yōu)化后得率為19.308%,比原來提高了3.658%。這可能是由于超聲輔助酶解使得更多的SDF溢出,這與對小麥麩皮改性優(yōu)化后SDF含量提高的報道一致[22]。

    2.4 BWB-SDF體外抗氧化活性研究

    2.4.1羥自由基(·OH)清除效果

    從圖4可以看出羥自由基的清除率與SDF質(zhì)量濃度成正比。以VC作對照,而BWB-SDF的羥自由基清除率在質(zhì)量濃度為4 mg/mL時達到了81.43%,接近1,顯然BWB-SDF具有較強的羥自由基清除能力。

    圖4 SDF對羥自由基的清除作用

    2.4.2還原力

    質(zhì)量濃度范圍在0.062 5~4 mg/mL時,以VC的還原力作對照,在質(zhì)量濃度為250 μg/mL時已達到了2.146。由圖5可知BWB-SDF的吸光度值與質(zhì)量濃度呈正相關(guān)。當質(zhì)量濃度為4 mg/mL時,還原力為1.688。

    圖5 SDF的還原力

    2.5 物化特性

    從表4可以看出BWB-SDF的持水力是一般小麥麩皮[23]SDF的2.96倍,是因為其不僅具有一般小麥麩皮的特征,富含膳食纖維,且其中的戊聚糖具有高持水力[24]。有研究表明高持水力和膨脹力是衡量SDF品質(zhì)的主要依據(jù),能增加食物殘渣的體積,加劇胃腸道蠕動,減少有害物質(zhì)與腸道接觸的時間,從而達到預防疾病的目的[25]。

    表4 BWB-SDF物化特性結(jié)果

    2.6 靜態(tài)體外吸附結(jié)果及分析

    由表5可知BWB-SDF的吸附效果均優(yōu)于一般小麥麩皮SDF,且在中性條件下(模擬腸道的pH環(huán)境)BWB-SDF對膽固醇的吸附能力大于酸性條件下(模擬胃的pH環(huán)境)的吸附能力,這與黃才歡等[26]的研究結(jié)果一致。由圖6可知膽酸鈉的濃度在0~120 min這一時間段隨著時間的延長不斷降低,尤其在前20 min內(nèi)變化比較顯著,之后趨于平緩。呈現(xiàn)這種趨勢的原因可能是BWB溶液中SDF的含量是有限的,導致對膽酸鈉的吸附量也是有限的。120 min時測膽酸鈉濃度為1.54 mg/mL,比初始濃度降低了0.64 mg/mL,膽酸鈉的吸附率達到了29.36%。膽酸是形成膽固醇的前體物質(zhì),降低膽酸鈉可以有效降低機體對膽固醇的吸收。因此,BWB-SDF可能具有降血脂的生理功能。

    表5 BWB-SDF與一般小麥麩皮SDF吸附效果差異

    圖6 膽酸鈉溶液吸光度值隨時間變化圖

    2.7 黑小麥麩皮SDF的紅外光譜 結(jié)果分析

    由圖7可知,SDF組分在500~4 000 cm-1范圍具有明顯的糖類特征的吸收峰。3 600~2 200 cm-1出現(xiàn)的寬峰是分子內(nèi)或分子間O—H伸縮振動的結(jié)果。3 000~2 800 cm-1的吸收峰由C—H(CH、CH2和CH3)伸縮振動引起,這個吸收峰常常被O—H伸縮振動引起的寬峰所掩蓋。1 460~1 370 cm-1以附近的吸收峰屬C—H的彎曲振動。1 643 cm-1的強吸收峰是糖的水化物樣品的吸收峰。 1 300~1 000 cm-1的吸收峰是由C—O伸縮振動所引起的,歸屬于不同糖殘基糖環(huán)上的C—O—H和不同的糖苷鍵C—O—C。990 cm-1處有一低強度的肩峰是阿拉伯糖基的特征吸收峰,這可能是由于酸性纖維素酶水解作用于半纖維素成分,產(chǎn)生了阿拉伯木聚糖。由單糖組成可知,膳食纖維主要由β-葡聚糖組成其紅外光譜中指紋區(qū)的吸收特征幾乎相同。由于923 cm-1有一吸收峰782 cm-1附近有微弱吸收峰,說明膳食纖維分子以β-糖苷鍵為主,并含有一定量的α-糖苷鍵。

    圖7 SDF紅外光譜圖

    3 結(jié)論

    通過二次通用旋轉(zhuǎn)組合設計實驗優(yōu)化后最佳工藝參數(shù)采用液料比35∶1(mL/g),水浴時間為60 min,酶底比200 U/g,超聲功率350 W。體外抗氧化表明SDF具有很強的清除自由基的能力,實驗中羥自由基清除率為81.43%,還原力為1.688;體外吸附實驗SDF對花生油、豬油的吸附量分別為3.66、6.62,對pH=2、7時膽固醇的吸附量分別為3.96、5.02,對膽酸鈉的吸附率為29.36%。表明BWB-SDF可有效降低機體對膽固醇的吸收。

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