高能機(jī)械處理方法對(duì)大豆不溶性膳食纖維結(jié)構(gòu)及理化特性的影響

陳秉彥,林曉姿,李維新,林曉婕,鄭寶東,何志剛,*

(1.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究所,福建福州 350001;2.福建省農(nóng)產(chǎn)品(食品)加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建福州 350003;3.福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院,福建福州 350002)

豆渣作為大豆加工副產(chǎn)物,來源廣泛,價(jià)格低廉,富含不溶性膳食纖維。開發(fā)豆渣不溶性膳食纖維作為加工配料可以提高食品的營養(yǎng)價(jià)值,對(duì)促進(jìn)人體腸道蠕動(dòng)、降低膽固醇、增加飽腹感、減少熱量攝入具有積極作用[1-2]。然而,豆渣纖維質(zhì)地粗糙、與食品物料親和性差,口感不佳[3],嚴(yán)重限制其作為配料在食品加工中的應(yīng)用。因此,降解不溶性膳食纖維結(jié)構(gòu)形成個(gè)體粒徑為亞微米級(jí)或納米級(jí)的顆粒,對(duì)改善膳食纖維的加工特性至關(guān)重要。

近年來,采用硫酸或TEMPO氧化降解是制備微細(xì)化膳食纖維的主要方式[4-5]。有研究表明,長徑比小的膳食纖維通常具有較高的結(jié)晶度,適合作為聚合物基質(zhì)的填充顆粒,提高食品凝膠的機(jī)械強(qiáng)度[6];而長徑比高的膳食纖維具有大的比表面積,顯示出良好的表面吸附能力,在食品功能活性成分包埋方面極具潛力[7]。然而,化學(xué)法所產(chǎn)生的酸堿廢液處理成本高,易污染環(huán)境,生產(chǎn)過程中無法完全除盡等缺點(diǎn),會(huì)影響到最終產(chǎn)品的色澤,風(fēng)味以及安全性[8-9]。因此,通過物理加工破碎生產(chǎn)微細(xì)化膳食纖維是當(dāng)前國內(nèi)外研究的新趨勢(shì)。

微射流均質(zhì)與振動(dòng)球磨是兩種代表性的高能機(jī)械降解方法,具有高效、快速、無污染等特點(diǎn),適合應(yīng)用于微細(xì)化膳食纖維的工業(yè)化生產(chǎn)[10-11]。振動(dòng)球磨通過鋼珠小球與震擊器表面摩擦產(chǎn)生的剪切力降低膳食纖維的粒徑,屬于機(jī)械干法降解。微射流均質(zhì)技術(shù)則是利用高壓射流攜帶膳食纖維通過特殊孔道,發(fā)生相互碰撞來實(shí)現(xiàn)細(xì)化過程,屬于機(jī)械濕法降解。不同種類的高能機(jī)械降解方式對(duì)膳食纖維的結(jié)構(gòu)與理化特性可能會(huì)產(chǎn)生明顯差異。但目前,對(duì)于機(jī)械濕法降解與機(jī)械干法降解后大豆膳食纖維的結(jié)構(gòu)及理化特性間的差異研究卻少有報(bào)道。本研究通過堿法提取大豆膳食纖維,分別利用高頻振動(dòng)球磨與微射流高壓均質(zhì)技術(shù)細(xì)化大豆膳食纖維,研究了兩種不同類型的高能機(jī)械處理對(duì)大豆膳食纖維結(jié)構(gòu)及理化特性的影響,其研究結(jié)果可為物理法改性并制備微細(xì)化大豆膳食纖維提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大豆渣(以干重記,淀粉含量為6.1%,蛋白含量為5.8%,脂肪含量為15.3%,膳食纖維含量為59.8%,灰分為5.2%) 市售大豆磨漿后所得;堿性蛋白酶 20萬 U/g,江蘇銳陽生物科技有限公司;耐高溫α-淀粉酶 2萬U/g,山東科隆特酶制劑有限公司;溴化鉀 光譜純,默克生物試劑公司;其他化學(xué)試劑 均為國產(chǎn)分析純。

GM-200德國萊馳刀式研磨儀 弗爾德儀器儀器有限公司;SPCH-35超高壓納米均質(zhì)機(jī) 英國STANSTED儀器公司;GT-200型振動(dòng)球磨儀 北京格瑞德曼儀器設(shè)備有限公司;FD5-3型冷凍干燥機(jī) 美國SIM公司;Mastersizer 3000激光粒度儀 英國馬爾文儀器公司;G2 F20透射電鏡 美國Tecnai儀器公司;布魯克TENSOR II型傅里葉紅外光譜儀 德國布魯克儀器有限公司;D/MAX 2200PC型廣角X射線衍射儀 日本Rigaku儀器公司;MCR301型安東帕流變儀 奧地利安東帕儀器公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 大豆不溶性膳食纖維的提取 大豆不溶性膳食纖維(soybean insoluble dietary fiber,SIDF)的提取參考Ullah等[12]的提取方法,粉碎過篩的豆渣粉→石油醚脫脂(固液比50 g/L,50 ℃,振蕩過夜)→抽濾→除淀粉(淀粉酶添加量0.5 g/100 g,80 ℃,1 h)→抽濾→添加5%氫氧化鈉溶液(固液比為50 g/L)→除去半纖維素與木質(zhì)素(60 ℃,振蕩1.5 h)→離心,調(diào)節(jié)pH為9.5→酶解除蛋白(添加量為0.2 g/100 g,50 ℃,振蕩3 h)→離心,水洗,分離→冷凍干燥→得到不溶性膳食纖維。

1.2.2 微細(xì)化膳食纖維的制備 根據(jù)符群等[13]的方法,并略做修改,對(duì)大豆不溶性膳食纖維進(jìn)行兩種高能機(jī)械方法降解。

微射流均質(zhì)處理:配制1.5%濃度的膳食纖維懸浮液,進(jìn)行微射流均質(zhì)處理,處理壓力為200 MPa,循環(huán)次數(shù)為5次,處理后的樣品凍干,密封包裝,命名為均質(zhì)細(xì)化的大豆不溶性膳食纖維(homogenized soybean insoluble dietary fiber,H-SIDF)。

振動(dòng)球磨處理:將膳食纖維置于球磨儀的不銹鋼容器中,放入振動(dòng)磨球,進(jìn)行球磨處理,處理頻率為1800 r/min,處理時(shí)間為3 min,研磨5次,處理后的樣品密封包裝,命名為球磨細(xì)化的大豆不溶性膳食纖維(milled soybean insoluble dietary fiber,M-SIDF)。

1.2.3 微細(xì)化膳食纖維的微觀形態(tài)觀察 采用場(chǎng)發(fā)射透射電鏡觀察H-SIDF與M-SIDF的微觀形態(tài),利用粒度儀測(cè)定粒徑大小。將濃度為0.05%的微細(xì)化膳食纖維懸浮液,滴入導(dǎo)電載物平臺(tái)上,自然風(fēng)干后,置于場(chǎng)發(fā)射透射電鏡中,抽真空后進(jìn)行觀察;之后,以水溶液為分散劑,將樣品完全分散于分散器達(dá)到遮光度后,進(jìn)行粒度測(cè)試。

1.2.4 微細(xì)化膳食纖維的紅外光譜測(cè)試 采用紅外光譜對(duì)膳食纖維的指紋區(qū)進(jìn)行掃描,分析了H-SIDF與M-SIDF表面基團(tuán)差異。取50 mg纖維素粉末與已烘干的光譜純溴化鉀混合,混合比例為1∶20,快速攆磨后壓片放置于樣品室中進(jìn)行掃描,掃描波數(shù)為800～2000 cm-1,掃描次數(shù)為32次,分辨率為4 cm-1。

1.2.5 微細(xì)化膳食纖維的晶體結(jié)構(gòu)測(cè)試 采用廣角X射線衍射對(duì)H-SIDF與M-SIDF的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。測(cè)定參數(shù)為:特征射線Cu Kα(λ=1.5406 ?),管壓40 kV,電流200 mA,測(cè)量角度2θ=0～35 °,掃描速率為8 °/min。樣品的相對(duì)結(jié)晶度通過jade擬合峰面積進(jìn)行計(jì)算。纖維素結(jié)晶度CI參考Segal等[14]的測(cè)試方法,計(jì)算公式如下:

其中,I200是指衍射角2θ=22 °對(duì)應(yīng)的衍射峰強(qiáng)度;Iam表示衍射角在2θ=15～22 °之間的峰谷衍射強(qiáng)度(at 2θ=18 °)。

1.2.6 微細(xì)化膳食纖維的持水性及持油性測(cè)定 參考Luo等[15]的測(cè)定方法,并稍作修改。分別稱取1 g微細(xì)化膳食纖維分散于20 mL去離子水或花生油中,置于磁力攪拌器上攪拌12 h,之后離心(4500 r/min,15 min),棄去上層清液,稱量下層沉淀質(zhì)量。微細(xì)化膳食纖維的持水與持油性根據(jù)公式可得:

其中,M2指離心管與沉淀總質(zhì)量,g;M1指離心管質(zhì)量,g;M0為稱取的纖維素質(zhì)量,g

1.2.7 微細(xì)化膳食纖維的流變學(xué)特性 配制濃度為5%的微細(xì)化膳食纖維溶液,置于磁力攪拌器中攪拌12 h,使膳食纖維充分吸水凝膠。取少量凝膠于流變儀載物平板上進(jìn)行振幅掃描測(cè)試。測(cè)試選用轉(zhuǎn)子為PP50,測(cè)試溫度為25 ℃,平板夾距為0.5 mm。實(shí)驗(yàn)中的轉(zhuǎn)速設(shè)定如下:振動(dòng)頻率1 Hz,應(yīng)變量為0～10%,凝膠在振動(dòng)過程中的模量(G′和G″)變化被記錄,其中損耗角正切值為tanδ=G″/G′。

1.3 數(shù)據(jù)處理

各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均重復(fù)3次,P<0.05被認(rèn)為數(shù)據(jù)之間具有顯著差異;另外,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用DPS 9.05,實(shí)驗(yàn)作圖采用Origin Pro 8.5。

2 結(jié)果與分析

2.1 微細(xì)化膳食纖維的粒徑與形態(tài)結(jié)構(gòu)

不同高能機(jī)械處理的大豆膳食纖維的微觀形態(tài)與平均粒度如圖1所示。SIDF呈現(xiàn)致密的塊狀形態(tài),平均粒度為122.86 μm,比表面積為104 m2/kg。SIDF經(jīng)高能機(jī)械處理后致密的塊狀形態(tài)發(fā)生破碎,微觀形態(tài)呈現(xiàn)明顯變化。經(jīng)球磨粉碎后,M-SIDF呈現(xiàn)彌散狀形態(tài)同時(shí)帶有部分顆粒,平均粒徑下降為28.06 μm,比表面積為532 m2/kg;另一方面,經(jīng)微射流均質(zhì)后,H-SIDF呈現(xiàn)致密的纖維絲狀形態(tài),平均粒徑為7.34 μm,表面積增加到3341 m2/kg。這可能與H-SIDF呈現(xiàn)蓬松的絲狀纖維形態(tài),能夠顯示出更高的空間延展程度有關(guān)[16-17]。這些研究結(jié)果說明物理干法破碎與濕法破碎形成的微細(xì)化膳食纖維呈現(xiàn)不同的微觀形態(tài),有必要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

圖1 不同高能機(jī)械處理的大豆不溶性膳食纖維的微觀形態(tài)與粒徑分布

2.2 微細(xì)化膳食纖維的表面基團(tuán)與晶體結(jié)構(gòu)

不同高能機(jī)械處理的大豆膳食纖維的表面基團(tuán)及主要特征峰值變化分別如圖2A及表1所示。所有纖維素樣品在低頻指紋區(qū)域(800～1750 cm-1)與高頻特征區(qū)域(2800～3600cm-1)都顯示出明顯的吸收峰,吸收峰的強(qiáng)度越大,透光率越低。經(jīng)高能機(jī)械處理后,SIDF的分子間-OH的振動(dòng)吸收峰[18](1645 cm-1)透光率下降,吸收強(qiáng)度增大。H-SIDF的羥基振動(dòng)吸收強(qiáng)度上升明顯,透光率變化為SIDF的89.20%,這說明高能機(jī)械處理能夠破壞膳食纖維的分子結(jié)構(gòu),濕法微細(xì)化處理更有利于纖維素暴露出更多的親水基團(tuán)。另一方面,纖維素樣品在指紋區(qū)890、1160、1430 cm-1處呈現(xiàn)明顯的β-糖苷鍵吸收峰[19],且H-SIDF顯示最強(qiáng)的非纖維素-CO彎曲振動(dòng),這說明高能機(jī)械處理并沒有破壞膳食纖維的基本糖單元,但會(huì)部分降解纖維素的分子鏈結(jié)構(gòu)。另外,研究發(fā)現(xiàn)SIDF經(jīng)高能機(jī)械處理后高頻特征區(qū)的氫鍵締合峰強(qiáng)度(3500 cm-1)與分子間-OH的振動(dòng)吸收峰強(qiáng)度變化一致。SIDF、M-SIDF以及H-SIDF的氫鍵締合峰透光率分別為0.669、0.604以及0.558,進(jìn)一步推測(cè)微細(xì)化處理可能有利于纖維素持水能力的增強(qiáng)。

表1 大豆微細(xì)化膳食纖維的主要紅外特征峰參數(shù)及結(jié)晶度

圖2 不同高能機(jī)械處理的大豆不溶性膳食纖維的紅外光譜與X射線衍射圖

不同高能機(jī)械處理的大豆膳食纖維的晶體結(jié)構(gòu)如圖2B所示。SIDF在衍射角15與22 °處呈現(xiàn)強(qiáng)烈的衍射峰,在34 °處顯示較弱的衍射峰,是典型的I型纖維素晶體結(jié)構(gòu)[20],SIDF的結(jié)晶度為40.98%。經(jīng)過高頻振動(dòng)球磨處理后,M-SIDF的衍射角沒有發(fā)生變化,但衍射峰強(qiáng)度明顯下降,結(jié)晶度為21.34%,這說明豆渣纖維素的晶體結(jié)構(gòu)被部分破壞。

另一方面,H-SIDF呈現(xiàn)出彌散的衍射峰,結(jié)晶度進(jìn)一步下降為3.16%,這說明微射流均質(zhì)幾乎完全破壞了纖維素的晶體結(jié)構(gòu),并轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定型結(jié)構(gòu)。Kawee等[21]研究報(bào)道發(fā)現(xiàn),細(xì)菌纖維素(α-纖維素)經(jīng)207 MPa的超高壓作用下,纖維素的晶體類型并沒有發(fā)生明顯變化。因此,纖維素晶體結(jié)構(gòu)的變化不僅與施加的壓力有關(guān),同時(shí)也取決于纖維素的來源。

2.3 微細(xì)化膳食纖維的持水性與持油性

不同高能機(jī)械處理的大豆膳食纖維的持水率與持油率如圖3所示。SIDF的持水率與持油率分別為3.62、4.03 g/g。與SIDF相比,M-SIDF的持水率與持油率分別提高了1.18、0.51倍,為7.89、6.56 g/g;H-SIDF的持水率與持油率比較M-SIDF進(jìn)一步提高,分別為未處理組的2.96、2.48倍,為10.72、9.99 g/g。此結(jié)果與微細(xì)化膳食纖維的紅外光譜測(cè)試結(jié)果一致,進(jìn)一步證實(shí)了高能機(jī)械處理后膳食纖維暴露的分子間羥基數(shù)量越多,能夠促使纖維素的持水性能增強(qiáng)[22]。另一方面,研究發(fā)現(xiàn)微射流均質(zhì)形成的膳食纖維微纖絲具有很高的持油能力,這些豆渣微細(xì)化膳食纖維的持油能力高于高壓均質(zhì)處理后的柑橘膳食纖維(8.65 g/g)[23]、筍殼膳食纖維(8.16 g/g)[15]以及橄欖膳食纖維(2.57 g/g)[24]。這可能與微纖絲在空間上呈現(xiàn)較大的比表面積有關(guān)。這些微纖絲自身的碳鏈骨架常表現(xiàn)出疏水相互作用力,在空間上相互交錯(cuò)具有廣闊的延展面積,能夠大量包裹吸附油滴[25-26],使其顯示出較高的持油率。

圖3 不同高能機(jī)械處理的大豆不溶性膳食纖維的持水與持油能力

2.4 微細(xì)化膳食纖維的流變學(xué)特性

為研究微細(xì)化大豆膳食纖維的流體行為,實(shí)驗(yàn)采用振蕩模式對(duì)其流體行為進(jìn)行描述。不同高能機(jī)械處理的大豆膳食纖維的應(yīng)變-模量曲線如圖4A所示。所有纖維素樣品的初始儲(chǔ)存模量(G′)均大于初始損耗模量(G″),表現(xiàn)為剛性的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[27-28]。SIDF在所有樣品中顯示了最高的初始儲(chǔ)存模量,說明大豆膳食纖維分子鏈的剛性結(jié)構(gòu)最強(qiáng)。此結(jié)果也與紅外光譜的測(cè)試結(jié)果一致,發(fā)現(xiàn)高能機(jī)械處理會(huì)部分降解纖維素的分子鏈結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),隨著振蕩應(yīng)變分別升高至1.5%、2.1%時(shí),SIDF與M-SIDF的儲(chǔ)存模量開始下降,損耗模量上升。當(dāng)振蕩應(yīng)變值分別達(dá)到4.6%、6.8%時(shí),兩者形成交點(diǎn),之后損耗模量高于儲(chǔ)存模量,這說明隨著振蕩應(yīng)變升高,纖維素凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生破裂。然而,H-SIDF的存儲(chǔ)模量隨振蕩應(yīng)變升高而發(fā)生的變化明顯滯后,當(dāng)振蕩應(yīng)變值達(dá)到10%時(shí),未觀察到交點(diǎn)形成。這些結(jié)果說明了微射流均質(zhì)形成的微細(xì)化大豆膳食纖維分子鏈剛性程度雖然有所下降,但形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)卻可以耐受更高的應(yīng)力變化,具有更好的振蕩穩(wěn)定性。這與損耗角正切值(tan δ)的測(cè)試結(jié)果(圖4B)一致。在高應(yīng)變(10 Hz)條件下,H-SIDF凝膠的tan δ值為SIDF的20.73%,為0.45,遠(yuǎn)小于1,說明經(jīng)振蕩后微纖維凝膠仍表現(xiàn)為剛性結(jié)構(gòu)。有研究表明,凝膠溶液的剪切穩(wěn)定性主要取決于凝膠網(wǎng)絡(luò)分子鏈排列的密集程度[29-30]。因此,H-SIDF凝膠由于絲狀纖維結(jié)構(gòu)在剪切過程中可能會(huì)發(fā)生相互纏繞形成較高的空間位阻,使其表現(xiàn)更好的振蕩穩(wěn)定性。

圖4 不同高能機(jī)械處理的大豆不溶性膳食纖維的振蕩穩(wěn)定性測(cè)試

3 結(jié)論

干法機(jī)械處理與濕法機(jī)械處理后的大豆膳食纖維形態(tài)及結(jié)構(gòu)差異明顯,濕法微射流處理形成的微細(xì)化膳食纖維具有更加優(yōu)異的理化特性。干法球磨處理后大豆膳食纖維呈現(xiàn)彌散形態(tài),其顆粒粒徑減少,結(jié)晶度下降,但仍表現(xiàn)為β-I型纖維素晶體結(jié)構(gòu)。與原膳食纖維相比,這類微細(xì)化膳食纖維的持水性明顯提高,但由于形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度較弱,無法抵抗剪切及振蕩作用,從而在流變學(xué)特性上表現(xiàn)為較高的觸變面積及損耗角正切值。另一方面,濕法微射流均質(zhì)后的膳食纖維則呈現(xiàn)絲狀形態(tài),具有更小的粒徑分布與更大的比表面積。微射流均質(zhì)完全破壞了大豆膳食纖維的晶體結(jié)構(gòu),使其暴露出更多的分子間羥基及碳鏈骨架,這賦予了微細(xì)化膳食纖維更強(qiáng)的持水與持油能力。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),這類纖維素微纖絲凝膠具有更強(qiáng)的振蕩穩(wěn)定性,這可能歸咎于微纖絲在應(yīng)力作用下相互纏繞從而具有更高的空間位阻有關(guān)。