高壓超聲波協(xié)同改性紅松松仁膜衣膳食纖維工藝優(yōu)化及結(jié)構(gòu)分析

王秋陽， 付 剛， 王 超， 張 敏， 徐紅艷

(延邊大學(xué)，吉林 延吉 133002)

紅松(Pinuskoraiensis)在中國東北的小興安嶺到長白山一帶分布較廣[1]。紅松仁富含單不飽和脂肪酸和生育酚、蛋白質(zhì)[2-3]，具有良好的風(fēng)味、營養(yǎng)和保健特性，深受消費(fèi)者喜愛。紅松松仁膜衣為松仁外層所附的一層薄皮，在堅果企業(yè)精加工松仁過程中，產(chǎn)生大量膜衣副產(chǎn)物[4]。課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，紅松松仁膜衣含有黃酮類化合物、多酚和蛋白質(zhì)等成分[5]，具有較高的營養(yǎng)價值。

膳食纖維(Dietary Fiber，DF)的溶解度與其化學(xué)結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，可分為水溶性膳食纖維(Soluble Dietary Fiber，SDF)和水不溶性膳食纖維(Insoluble Dietary Fiber，IDF)2種[6]。高膳食纖維飲食，可降低各種慢性疾病的風(fēng)險[7-8]，為人類健康的可持續(xù)性提供重要的健康益處，增加最終產(chǎn)品的營養(yǎng)價值。因此,有關(guān)膳食纖維的粒度、表面積、微觀結(jié)構(gòu)、改善其功能特性，以及提高在食品工業(yè)中的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注[9]。本文采用高壓-超聲波協(xié)同法通過高溫、高壓以及高頻振動的剪切作用使其中的非共價鍵發(fā)生變化從而改變其結(jié)構(gòu)，達(dá)到改性目的。

本文以PIDF為原料，通過響應(yīng)面法優(yōu)化高壓-超聲波協(xié)同作用的改性條件，并采用掃描電子顯微鏡、X射線衍射、傅里葉變換紅外光譜進(jìn)行進(jìn)一步分析。旨在為松仁膜衣的精深加工提供理論依據(jù)，促進(jìn)其在食品、保健品領(lǐng)域的應(yīng)用，為堅果副產(chǎn)物的綜合利用提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅松松仁膜衣：梅河口市實全土特產(chǎn)品有限公司于2018年提供。

高峰α-淀粉酶(≥4 000 U/g),購自上海源葉生物科技有限公司；無水檸檬酸,購自濰坊英軒實業(yè)有限公司；檸檬酸三鈉,購自福晨(天津)化學(xué)試劑有限公司；H2O2、無水乙醇等試劑均為國家級分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

PHS-3C型酸度計(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)；KQ-500DE型超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)；YXQ-LS-50SⅡ型立式壓力蒸汽滅菌器(上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠)；D/max-2200型X射線衍射儀(日本理學(xué)公司)；SU8010型掃描電子顯微鏡(日立儀器有限公司)。

1.3 PIDF的制備

根據(jù)GB 5009.88-2014方法，將紅松松仁膜衣經(jīng)粉碎后過60目篩，按料液比 1∶10(g/mL)加入蒸餾水，調(diào)節(jié)溶液pH值至中性，加入木瓜蛋白酶0.6 g，50 ℃水浴60 min；再調(diào)節(jié)溶液pH值至4.5，加入1%葡萄糖苷酶，60 ℃水浴30 min，滅酶10 min后抽濾，將濾渣烘干稱重并粉碎，過60目篩得PIDF。

1.4 高壓-超聲波協(xié)同法改性PIDF的工藝流程

PIDF→按不同的料液比加入不同pH值1% H2O2溶液→以固定條件，即壓力0.1 MPa、溫度121 ℃、時間20 min進(jìn)行處理→不同功率、時間的超聲波處理→溶液調(diào)至中性→抽濾→乙醇醇沉→沉淀干燥→改性SDF[10]

1.5 響應(yīng)面優(yōu)化高壓-超聲波協(xié)同法改性PIDF工藝條件

考慮到節(jié)省原料及試劑等因素，因此選擇pH值、超聲波功率和超聲波時間3個因素，采用Box-Behnken中心設(shè)計原理[11-13]，設(shè)計高壓-超聲波協(xié)同法改性的響應(yīng)面試驗。試驗因素和水平編碼見表1[14-15]。

表1 高壓-超聲波協(xié)同法響應(yīng)面試驗因素水平

1.6 掃描電子顯微鏡、X射線衍射和傅里葉變換紅外光譜測試

根據(jù)曹龍奎等[16]的方法對未改性SDF和改性SDF進(jìn)行超微結(jié)構(gòu)、X射線衍射強(qiáng)度以及紅外光譜透光率的測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 高壓-超聲波協(xié)同法改性PIDF單因素

2.1.1 pH值對改性SDF得率的影響

稱取5.00 g PIDF，按1∶10(g/mL)加入不同pH值的1%過氧化氫溶液，在壓力0.1 MPa、溫度121 ℃條件下處理20 min，然后在超聲波功率300 W，超聲溫度60 ℃條件下處理90 min，調(diào)節(jié)pH值至中性，醇沉后得到的沉淀烘干稱重，計算改性SDF得率。

圖1 pH值對紅松松仁膜衣改性SDF得率的影響

pH值是影響膳食纖維溶解度和穩(wěn)定性的重要因素。由圖1可知，改性SDF得率隨pH值的升高而逐漸增加，可能是體系中離子濃度升高，有利于膳食纖維充分溶解。當(dāng)pH值為12時，改性SDF得率達(dá)到最高,達(dá)到飽和狀態(tài)，為20.6%。當(dāng)pH值超過12后，改性SDF結(jié)構(gòu)被破壞并降低其溶解度，改性SDF得率下降[10]。因此，確定12為最適pH值。

2.1.2 超聲波功率對改性SDF得率的影響

稱取5.00 g PIDF，按1∶10(g/mL)加入pH值為12的1%過氧化氫溶液，在壓力0.1 MPa、溫度121 ℃條件下處理20 min，然后在不同超聲波功率下，超聲溫度60 ℃處理90 min，調(diào)節(jié)pH值至中性，醇沉后得到的沉淀烘干稱重，計算改性SDF得率。

圖2 超聲波功率對紅松松仁膜衣改性SDF得率的影響

由圖2可知，當(dāng)超聲波功率由250 W上升到350 W時，改性SDF得率由6.2%增加到20.4%。當(dāng)超聲波功率為350 W時，其高頻振動作用趨于飽和，改性SDF得率達(dá)到最大。當(dāng)超聲波功率超過350 W后，改性SDF得率略微降低。表明在相同時間內(nèi)，超聲波產(chǎn)生的空化和機(jī)械振動作用[17]，使改性SDF中化學(xué)鍵斷裂，導(dǎo)致得率下降，因此，確定350 W為最適超聲波功率。

2.1.3 超聲波時間對改性SDF得率的影響

稱取5.00 g PIDF，按1∶10(g/mL)加入pH值為12的1%過氧化氫溶液，在壓力0.1 MPa、溫度121 ℃條件下處理20 min，然后在超聲波功率350 W，超聲溫度60 ℃條件下分別處理不同時間，調(diào)節(jié)pH值至中性，醇沉后得到的沉淀烘干稱重，計算改性SDF得率。

圖3 超聲波時間對紅松松仁膜衣改性SDF得率的影響

由圖3可知，當(dāng)超聲波時間從30到90 min時，改性SDF得率上升較快，當(dāng)超聲波時間為90 min時，改性SDF得率為17.6%，達(dá)到最大。時間超過90 min時，反應(yīng)體系溫度逐漸升高，改性SDF中的成分被分解成小分子，得率降低。因此，確定90 min為最適超聲波時間。

2.1.4 料液比對改性SDF得率的影響

稱取5.00 g PIDF，分別按1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35(g/mL)加入pH值為12的1%過氧化氫溶液，在壓力0.1 MPa、溫度121 ℃條件下處理20 min，然后在超聲波功率350 W，超聲溫度為60 ℃條件下處理90 min，調(diào)節(jié)pH值至中性，醇沉后得到的沉淀烘干稱重，計算改性SDF得率。

圖4 料液比對紅松松仁膜衣改性SDF得率的影響

由圖4可知，當(dāng)料液比從1∶15到1∶30時，改性SDF得率也隨之增加，可能因為料液比過小時，原料不能在緩沖溶液中充分溶脹，影響了超聲波與其相互作用，不能達(dá)到理想的改性效果；當(dāng)料液比為1∶30時，改性SDF得率達(dá)到最大，為41.2%。之后料液比增加導(dǎo)致原料被稀釋，改性效率降低，得率減少。因此，確定1∶30為最適料液比。

2.2 高壓-超聲波協(xié)同法改性PIDF響應(yīng)面

2.2.1 響應(yīng)面設(shè)計與結(jié)果

選取pH值、超聲波功率和超聲波時間3個試驗因素進(jìn)行響應(yīng)面分析，以確定高壓-超聲波協(xié)同改性的最優(yōu)條件。試驗設(shè)計與結(jié)果見表2，系數(shù)檢驗見表3，方差分析見表4。

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計方案與結(jié)果

表3 響應(yīng)面分析優(yōu)化后改性SDF得率模型的系數(shù)檢驗

表4 響應(yīng)面優(yōu)化改性SDF得率回歸方程的方差分析

改性SDF得率的結(jié)果經(jīng)回歸擬合，得到回歸模型為：

Y=41.133 3+0.650 000X1+2.200 00X2+1.150 00X3-5.216 67X12-4.016 67X22-4.516 67X32+2.200 00X1X2+1.400 00X1X3-2.500 00X2X3

綜上所述，對于年齡≥80歲患者，在3 h溶栓時間窗內(nèi)，低劑量與標(biāo)準(zhǔn)劑量阿替普酶靜脈溶栓具有相似的有效性和安全性。但是，本研究納入樣本較少，結(jié)論可能存在偏倚。因此，有待擴(kuò)大樣本量，反復(fù)論證低劑量阿替普酶治療高齡急性腦梗死患者的療效及安全性。

通過方差及其相關(guān)系數(shù)的可靠性分析模型，由表3可知，一次項X2、二次項X12、X22、X32和交互項X2X3極顯著影響可溶性膳食纖維得率(P<0.01)，一次項X3和交互項X1X2顯著影響膳食纖維得率(P<0.05)，其余項影響不顯著(P>0.05)。

由響應(yīng)面分析結(jié)果可知，R2=93.44%；膳食纖維得率回歸模型的P值極顯著(P<0.01)；失擬項的P值不顯著(P>0.05)；表明該模型對各因素與響應(yīng)值之間的真實關(guān)系具有可靠性，可以利用此模型進(jìn)行分析和預(yù)測高壓-超聲波協(xié)同法對PIDF的改性效果。

2.2.2 高壓-超聲波協(xié)同法改性最優(yōu)條件的確定

pH值、超聲波功率和超聲波時間3個因素影響改性SDF得率的響應(yīng)面見圖5。

圖5 各因素交互作用的響應(yīng)面圖

綜合分析響應(yīng)面改性SDF得率的試驗結(jié)果表明，各因素對改性SDF得率的影響大小排序為：超聲波功率>超聲波時間>pH值，其中,超聲波功率影響極顯著(P<0.01)，超聲波時間影響顯著(P<0.05)，交互項按影響大小排列依次為：超聲波功率和超聲波時間>超聲波功率和pH值>pH值和超聲波時間。

依據(jù)回歸方程，最佳改性工藝為：pH值為12、超聲波功率378 W、超聲波時間92 min。

2.2.3 驗證試驗

根據(jù)最佳工藝條件進(jìn)行3次驗證試驗，改性SDF得率分別為43.2%、42.6%和44.2%，平均得率為43.3%，驗證試驗結(jié)果與理論預(yù)測值41.53% 接近，RSD為1.8%，表明該模型符合實際情況，響應(yīng)面法優(yōu)化得到的高壓-超聲波協(xié)同改性條件具有真實可靠性。

2.3 高壓-超聲波協(xié)同法改性前后SDF結(jié)構(gòu)分析

2.3.1 高壓-超聲波協(xié)同法改性前后SDF超微結(jié)構(gòu)

由圖6可知，相同倍數(shù)下，改性前后SDF具有不同的超微結(jié)構(gòu)。未改性SDF表面無縫隙，結(jié)構(gòu)致密，呈現(xiàn)團(tuán)狀結(jié)構(gòu)；改性SDF表面有蜂窩狀孔隙，凹凸不平，比表面積增大，組織被顆?；?，且形狀不規(guī)則[18]。表明高壓-超聲波協(xié)同法改性SDF聚合度較低，可能導(dǎo)致兩者的理化性質(zhì)如溶脹性和吸水性的不同。

注:1為未改性SDF(×3 000)；2為未改性SDF(×500)；3為改性SDF(×3 000)；4為改性SDF(×500)

2.3.2 高壓-超聲波協(xié)同法改性前后SDF的X射線衍射結(jié)果

由圖7可知，未改性SDF和改性SDF在掃描角度2θ為21°～24°均有明顯的結(jié)晶衍射峰，表明它們具有纖維素I型的特征[19-20]，其中,改性SDF的衍射強(qiáng)度低于未改性SDF,表明高壓-超聲波協(xié)同法使結(jié)晶區(qū)纖維素分子間的氫鍵破壞，纖維素分子發(fā)生部分降解，但并沒有使SDF的晶型發(fā)生改變。

注:1為未改性SDF；2為改性SDF。

2.3.3 高壓-超聲波協(xié)同法改性前后SDF傅里葉變換紅外光譜

高壓-超聲波協(xié)同法改性前后SDF的紅外光譜見圖8。

注:1.為未改性SDF；2.為改性SDF

由圖8可知，改性SDF在3 398.57 cm-1出現(xiàn)的寬吸收峰是由于O-H伸縮振動產(chǎn)生，可能是高壓-超聲波協(xié)同法破壞了IDF中的糖苷鍵，暴露出更多O-H[19]；改性前后的SDF均在2 924.09 cm-1出現(xiàn)的尖峰是由C-H振動引起，但改性SDF的峰強(qiáng)度更大，1 745.58 cm-1的尖峰是由CHO的碳氧鍵的收縮振動形成，1 200.00 cm-1附近的寬吸收峰，也是半纖維素糖單元中C-O-C的特征吸收峰，880～890.00 cm-1附近的吸收峰為糖單元間β-糖苷鍵的特征吸收峰，改性SDF的峰強(qiáng)度明顯高于改性前，且未出現(xiàn)位移，表明高壓-超聲波協(xié)同法未對主要成分產(chǎn)生影響。

3 結(jié)論

以PIDF為試驗材料，利用高壓-超聲波協(xié)同法進(jìn)行改性。在固定條件壓力0.1 MPa、溫度121 ℃、時間20 min下，采用響應(yīng)面法優(yōu)化得到高壓-超聲波協(xié)同法的最佳改性條件為pH值12、超聲波功率378 W、超聲波時間92 min。驗證試驗結(jié)果與回歸模型預(yù)測的理論值接近，RSD小于2%，表明采用響應(yīng)面法優(yōu)化的條件具有真實可靠性。利用掃描電子顯微鏡、X射線衍射和傅里葉變換紅外光譜將改性前后SDF的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較的結(jié)果表明,未改性SDF結(jié)構(gòu)致密，表面光滑，高壓-超聲波協(xié)同法改性SDF的表面疏松多孔且結(jié)晶束較少，且主要成分未發(fā)生明顯改變，改性效果良好。