一種粗糧膳食纖維的改性及降血糖作用

楊 孜

(商洛職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 商洛 726000)

膳食纖維(dietary fiber,DF)具有一定的保健功效,包括預(yù)防心腦血管疾病、調(diào)節(jié)腸道菌群等。基于該特點,膳食纖維受到廣泛重視,并被營養(yǎng)學(xué)界視為第七大營養(yǎng)元素[1]。所謂的膳食纖維,世界衛(wèi)生組織的定義為“含有10個以上單體鏈節(jié)碳水化合物的聚合物,且它們不被人體小腸中消化酶水解”[2]。根據(jù)膳食纖維溶解性的不同,可將膳食纖維分為可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維,其中不溶性膳食纖維的主要作用是吸收水,使糞便膨脹,降低便秘發(fā)生率,但不溶性膳食纖維的利用率低一直是難題;可溶性膳食纖維中由于含有一些結(jié)構(gòu)疏松的活性基團,從而提高了膳食纖維的溶解性,使可溶性膳食纖維更容易被腸道菌群利用,具有一定的保健功能。因此,相比于不溶性膳食纖維,可溶性膳食纖維的功能作用更受到人們的青睞。雖然可溶性膳食纖維功能受到人們的青睞,但是其含量低,且可溶性膳食纖維的含量一般在10%以下,因此人們提出了將不溶性膳食纖維向可溶性膳食纖維轉(zhuǎn)化的方法[3-4]。目前膳食纖維的改性方法主要應(yīng)用的是酶解法、微生物發(fā)酵法和化學(xué)法等。在以上方法中,酶解法得到的膳食纖維純凈度最高,且酶解程序簡單,安全性高[5-9],但可溶性膳食纖維得率還有待提高。因此,本研究采用高溫-酶解法對米糠膳食纖維進行改性,以期提高可溶性膳食纖維的得率。

1 實驗部分

1.1 主要材料

堿性蛋白酶,夏盛固體食品級堿性蛋白酶,酶活為2×105U/mL;α-淀粉酶,夏盛固體食品級耐高溫α-淀粉酶,酶活力≥1×104U/g;糖化酶,夏盛固體食品級糖化酶,酶活力≥1.2×105U/g;纖維素酶,夏盛固體食品級纖維素酶,酶活力≥1.1×104U/g;正己烷(分析純),上海化學(xué)試劑;葡萄糖(分析純),北京化工廠;米糠,自制。

1.2 主要儀器

BSA224S電子天平,賽多利斯;behrotest?膳食纖維測定儀,德國貝爾。

1.3 實驗方法

1.3.1米糠膳食纖維改性整體試驗方案

為進一步提高米糠膳食纖維中可溶性膳食纖維得率,參考部分研究者的經(jīng)驗,采用單因素試驗和響應(yīng)面板法分析了復(fù)合酶比例、酶解時間、酶解溫度對米糠可溶性膳食纖維得率的影響[10]。具體因素設(shè)置見表1。

表1 單因素和正交試驗方案

表1顯示了單因素和正交因素的綜合設(shè)置情況。在正交試驗中,采用響應(yīng)面板法對X1、X2、X3、X4等4個因素進行綜合優(yōu)化,以確定最佳的酶解工藝參數(shù)。

1.3.2米糠膳食纖維的制備

(1)先粉碎米糠,粉碎后過0.25 mm孔徑篩,得篩下物。

(2)用正己烷對篩下物進行回流脫脂和干燥。干燥后的脫脂米糠按質(zhì)量比1∶10的比例加入蒸餾水后,調(diào)節(jié)pH值至4.5,然后在60℃的條件下水浴120 min,以除去植酸。

(3)水浴后,在3 800 r/min的條件下離心18 min,得到沉淀物。然后將沉淀按質(zhì)量比為1∶13的比例加入蒸餾水進行高溫糊化30 min(糊化溫度為95℃)。

(4)糊化完成后,加入α-淀粉酶,在溫度為95℃,pH值為6.5的條件下酶解30 min。酶解結(jié)束后,依次加入糖化酶、中性蛋白酶進行酶解。糖化酶酶解pH值為4.0,酶解溫度為60℃,酶解時間為30 min。中性蛋白酶酶解的pH值為7.0～8.0,酶解溫度為60℃,酶解時間為90 min[10-11]。

(5)酶解結(jié)束后,在沸水浴中放置10 min滅酶然后進行離心(離心的參數(shù)為3 800 r/min,離心時間為18 min),得到的沉淀物在60℃的溫度下真空干燥,所得物即為米糠膳食纖維。

1.3.3米糠膳食纖維的改性

(1)根據(jù)比例稱取適量的蒸餾水、米糠膳食纖維,放置在裝有三角瓶的高壓滅菌鍋中進行高溫改性(溫度120℃,改性時間20 min),然后滅菌完成后對改性膳食纖維進行蒸發(fā)、濃縮,得高溫改性后的米糠膳食纖維[11]。

(2)將高溫改性后的米糠膳食纖維進行酶解。本研究的酶解方法則采用復(fù)合酶解的方式,具體步驟為:米糠膳食纖維與蒸餾水質(zhì)量比為1∶15,然后調(diào)節(jié)pH值至4.5;加入纖維素酶和木聚糖酶的復(fù)合酶后進行酶解,待酶解完成后滅酶;滅酶完成后在混合溶液中加入4倍混合溶液的無水乙醇沉淀12 h,然后進行離心,得沉淀物,最后真空冷凍干燥,得改性的米糠膳食纖維。

1.4 評價指標(biāo)

1.4.1理化性質(zhì)分析

改性后的米糠膳食纖維理化性質(zhì)主要測定溶解性(WS)和持水性(WHC)。

1.4.1.1溶解性測定

稱取0.5 g改性后的米糠膳食纖維置于50 mL的蒸餾水中,在水浴溫度為90℃的條件下攪拌1 h后,冷卻至室溫后進行離心,得到的上清液進行干燥后稱重[12],并計算溶解性。

(1)

式中,W1代表上清液冷凍干燥后的質(zhì)量;W2代表稱取的樣品質(zhì)量。

1.4.1.2持水性測定

同樣稱取0.5 g改性后的米糠膳食纖維置于20 mL的蒸餾水中,在溫度為25℃的條件下放置24 h后進行離心,得到的沉淀物稱量[13],并計算持水性。

(2)

式中,m1代表吸水前樣品的質(zhì)量;m2代表吸水后樣品的質(zhì)量。

1.4.2降血糖功能分析

參照楊夢琪等[14]的方法對改性膳食纖維的降血糖功能分析。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

結(jié)果采用SPSS軟件進行統(tǒng)計分析,并以P<0.05為顯著差異,具有統(tǒng)計學(xué)意義。數(shù)據(jù)以“均值±標(biāo)準差”的形式表示。

2 結(jié)果分析

2.1 米糠及脫脂后的米糠膳食纖維營養(yǎng)測定

根據(jù)GB 5009.3—2016標(biāo)準測定米糠膳食纖維中的水分;依據(jù)GB 5009.5—2016標(biāo)準測定蛋白質(zhì)(凱氏定氮儀法);依據(jù)GB 5009.6—2016標(biāo)準測定脂肪(索氏抽提法);依據(jù)GB 5009.4—2016標(biāo)準測定灰分;依據(jù)GB 5009.9-2016標(biāo)準測定淀粉含量,測定結(jié)果見表2。根據(jù)表2可知,米糠脫脂酶解制備得到的膳食纖維含量達85.33 g/100 g,顯著高于未經(jīng)過脫脂的米糠中的膳食纖維含。同時,米糠膳食纖維中的蛋白質(zhì)、脂肪和淀粉含量低,說明脫脂制備可顯著去除其中的蛋白質(zhì)、脂肪和淀粉。

表2 米糠和米糠膳食纖維中的營養(yǎng)成分測定結(jié)果 g/100 g

2.2 米糠膳食纖維改性優(yōu)化結(jié)果

2.2.1單因素實驗結(jié)果

復(fù)合酶的質(zhì)量比、復(fù)合酶添加量、酶解時間、酶解溫度對米糠水溶性膳食纖維得率的影響結(jié)果見圖1。根據(jù)圖1可知,圖1(a)中木聚糖酶和纖維素酶的質(zhì)量比為1.5∶1時,米糠水溶性膳食纖維得率最大,這主要是由于木聚糖酶的作用,將米糠中的不溶性半纖維素降解為可溶性的纖維素。

(a)

圖1(b)中的復(fù)合酶的添加量為米糠質(zhì)量的2%時,米糠的水溶性膳食纖維得率最大,這可能是由于復(fù)合酶促進了纖維素的水解,生成了糖類物質(zhì),當(dāng)復(fù)合酶的添加量進一步提高,將會使米糠水溶性膳食纖維的降解速度增加,降低米糠水溶性膳食纖維得率。

圖1(c)中的米糠水溶性膳食纖維得率最大的酶解時間為1.5 h,而隨著酶解時間的延長將會使不溶性的膳食纖維降解成為可溶性的小分子,但是酶解時間增加之后,得到的可溶性小分子質(zhì)量較多,醇沉?xí)r析出不完全。因此,酶解時間延長為2 h和2.5 h,米糠的可溶性膳食纖維得率反而降低。

圖1(d)中的米糠水溶性膳食纖維得率最大的酶解溫度為50℃,而隨著溫度的升高,水溶性膳食纖維得率降低。

2.2.2響應(yīng)面板法綜合優(yōu)化

為探究以上4種因素在改性過程中的綜合影響,采用響應(yīng)面板法對上述因素進行綜合分析,得到圖2的結(jié)果。其中因素優(yōu)化方案見表3所示。

圖2 膳食纖維的降血糖功能

表3 正交試驗結(jié)果

通過表3的SDF指標(biāo),得出最佳酶解條件為:復(fù)合酶中木聚糖酶和纖維素酶的質(zhì)量比為1.5∶1,復(fù)合酶的添加量為米糠整體質(zhì)量的2%,酶解時間為1.5 h,酶解溫度為50℃。

2.3 改性膳食纖維的理化性質(zhì)

對米糠、脫脂米糠膳食纖維、高溫改性米糠膳食纖維的理化性質(zhì)進行分析,結(jié)果見表4。

表4 改性前后膳食纖維的理化性質(zhì)

根據(jù)表4可知,脫脂米糠膳食纖維、高溫改性米糠膳食纖維的溶解性增強,由3.73%增加到了4.61%,高溫-酶解改性的米糠膳食纖維溶解度最高,這主要是由于高溫-酶解改性后的米糠膳食纖維的可溶性膳食纖維含量較高,改性后的纖維重新排布,具有多孔結(jié)構(gòu),這些多孔結(jié)構(gòu)可以提高改性米糠膳食纖維和水分子的接觸表面積,從而吸收更多的水分子。同時改性后的極性基團和糖醛酸基團等也與水分子結(jié)合,在一定程度也提高了高溫改性米糠膳食纖維的溶解度。

高溫改性米糠膳食纖維的的持水性最高,其次是脫脂米糠膳食纖維。其中,持水性高代表對水分子的捕捉能力強,使得改性纖維的吸水膨脹性增加,從而可以形成體積更大的物質(zhì),最終達到促進腸道的蠕動和排便,由此可以用于功能性的保健食品中。

2.4 改性膳食纖維的降血糖功能分析

改性膳食纖維的降血糖功能結(jié)果見圖2。

根據(jù)圖2可知,高溫-酶解改性的米糠膳食纖維的葡萄糖吸附性能最佳,脫脂米糠的葡萄糖吸附性能最低。之所以高溫-酶解后的改性米糠膳食纖維的葡萄糖吸附性能提高,主要是經(jīng)過改性處理之后,膳食纖維表面的空隙大,使得更多的膳食纖維功能基團被暴露,從而提高了對葡萄糖的吸附能力。由此可知,本研究改性的米糠膳食纖維具有一定的降低血糖的功能。

3 結(jié)論

綜上,通過高溫-酶解對米糠膳食纖維改性,其溶解性和持水性增強,降血糖的功能提高。具體結(jié)論如下:

(1)對高溫-酶解的最優(yōu)條件為:復(fù)合酶的質(zhì)量比為1.5∶1,復(fù)合酶添加量為2%,酶解時間為1.5 h,酶解溫度為50℃。

(2)米糠脫脂酶解制備得到的膳食纖維含量高達85.33 g/100 g,顯著高于米糠中的膳食纖維含量。

(3)米糠膳食纖維中的蛋白質(zhì)、脂肪和淀粉含量低。

(4)高溫-酶解改性后的米糠膳食纖維的溶解性和持水性增強,溶解性為4.61%,持水性為7.17 g/100 g。

(5)高溫-酶解改性后的米糠膳食纖維的葡萄糖吸附性更高,說明具有一定的降血糖功能。