酶解-擠出復(fù)合法改性綠豆皮膳食纖維及其結(jié)構(gòu)表征與理化性能

劉鴻鋮, 樊紅秀, 趙 鑫, 張閃閃, 劉婷婷, 王大為

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院1,長春 130118)(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部食用菌加工技術(shù)集成科研基地2,長春 130118)(吉林省糧食精深加工與高效利用工程研究中心3,長春 130118)(吉林省糧食精深加工與副產(chǎn)物高效利用技術(shù)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室4,長春 130118)

綠豆[Vignaradiata(Linn.) Wilczek]富含多種營養(yǎng)成分,其中主要成分為蛋白質(zhì)與淀粉,總質(zhì)量分?jǐn)?shù)約占綠豆籽粒的80%,同時(shí)膳食纖維(DF)、維生素、黃酮、生物堿等成分含量也相當(dāng)可觀[1-4]。綠豆皮是生產(chǎn)豆芽時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)物,目前其利用方式除了少部分作為飼料加工外,大部分直接廢棄,不僅未得到充分利用,而且會帶來環(huán)境問題。綠豆皮的主要成分是膳食纖維(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為75%),特別適合用于生產(chǎn)高品質(zhì)膳食纖維。

相關(guān)研究已經(jīng)表明膳食纖維具有調(diào)節(jié)血糖、預(yù)防心腦血管疾病、通便等多種功效[5]。根據(jù)分類,膳食纖維有不溶性膳食纖維(IDF)和可溶性膳食纖維(SDF)2種類型,其中可溶性膳食纖維的功能活性更強(qiáng)[6]。由于天然產(chǎn)物的膳食纖維中SDF含量比較低,因其較差的口感使其沒能廣泛地應(yīng)用在食品領(lǐng)域中。采用綠色高效、簡約的改性方式使盡可能多的IDF轉(zhuǎn)化為SDF,逐漸成為當(dāng)前研究膳食纖維改性的熱點(diǎn)[7,8]。

酶解、擠出膨化等方式在改性膳食纖維方面具有良好的效果,可使SDF的得率大幅度提高。劉婷婷等[9]研究單螺桿擠出改性處理香菇柄纖維,改性后的香菇柄纖維持水力、持油力和膨脹力均比改性前增加。李升等[10]采用CO2爆破擠出改性提升了麥麩中SDF的含量,同時(shí)顯著提高了其抗氧化活性。張海芳等[11]發(fā)現(xiàn)酶法改性能顯著提高馬鈴薯渣膳食纖維中的單糖含量,持水力、結(jié)合水力、持油力和陽離子交換力等理化性質(zhì)也得到明顯改善。酶解-擠出復(fù)合法技術(shù)是近年來新興起的技術(shù),要求先將物料與酶混合均勻,酶解一段時(shí)間后進(jìn)行擠出處理,該技術(shù)結(jié)合了擠出過程高壓、高溫、高剪切力的作用,再加上酶的協(xié)同作用促使物料大幅度被降解,具有成本低、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)[12]。然而,目前對于酶解-擠出復(fù)合改性綠豆皮膳食纖維后結(jié)構(gòu)變化的研究還鮮有報(bào)道。因此,本研究將綠豆皮膳食纖維進(jìn)行酶解-擠出復(fù)合改性處理,通過掃描電鏡、傅里葉近紅外光譜、X-射線衍射表征酶解-擠出復(fù)合改性對綠豆皮膳食纖維結(jié)構(gòu)的變化影響,以持油力、膨脹力、吸附膽固醇能力和陽離子交換能力等理化性能為考核指標(biāo),分析酶解-擠出復(fù)合改性處理對綠豆皮膳食纖維理化性能的影響,為后續(xù)提高綠豆皮膳食纖維的利用率和開發(fā)綠豆高附加值產(chǎn)品提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

綠豆(一級),符合GB/T 10462—2008《綠豆》中一級綠豆的要求。堿性蛋白酶(3×103U/mL)、耐高溫α-淀粉酶(4×104U/g)、糖化酶(1.6×105U/g)、纖維素酶(3×104U/g)。無水乙醇、溴化鉀等:分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

GB 1302電子精密天平,TU-1901雙光束紫外可見分光光度計(jì),JC-60A單螺桿擠出試驗(yàn)機(jī),MiniFlx 600臺式粉末X-射線衍射儀,Nicolet is20傅里葉變換紅外光譜儀,DE-CSF6膳食纖維測定儀,Phenom Pro全自動(dòng)臺式掃描電鏡。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 綠豆皮的收集

參照王大為等[13]的方法,挑選籽粒飽滿、表皮無破損的綠豆,移入40 ℃的溫水中浸泡3.5 h,挑出死豆,將其余綠豆移入豆芽機(jī)中,在25 ℃條件下培養(yǎng),每間隔0.5 h噴淋清水1次,3 d后可收集到發(fā)芽脫落的綠豆皮,至于45 ℃烘箱干燥,粉碎過80 目篩(0.20 mm)并干燥保存待用。

1.3.2 綠豆皮基礎(chǔ)成分分析測定

水分含量:依據(jù)GB 5009.3—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測定》,直接干燥法;脂肪含量:依據(jù)GB 5009.6—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪的測定》,索氏抽提法;灰分含量:依據(jù)GB 5009.4—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中灰分的測定》,灼燒重量法;蛋白質(zhì)含量:依據(jù)GB 5009.5—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測定》,分光光度法;SDF、IDF、總膳食纖維(TDF)含量:依據(jù)GB 5009.88—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中膳食纖維的測定》,酶重量法。

1.3.3 酶解-擠出復(fù)合法改性綠豆皮膳食纖維的制備

精確稱取一定量綠豆皮粉,加入一定量的纖維素酶和水分充分混合均勻,酶解一段時(shí)間(pH 5.5、酶解溫度50 ℃),經(jīng)過潤料攪拌均勻后,采用單螺桿擠出實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行改性處理。固定其他因素不變,分別考察纖維素酶添加量(60、90、120 、150、180 U/g)、酶解時(shí)間(1、2、3、4、5 h)、水分添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)55%、60%、65%、70%、75%)和擠出溫度(120、130、140、150、160 ℃)對SDF得率的影響。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用四因素三水平正交試驗(yàn)優(yōu)化酶解-擠出復(fù)合改性工藝,試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平如表1所示。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素與水平表

1.3.4 綠豆皮膳食纖維的提取

膳食纖維的提取依據(jù)AOAC 991.43《食物中總的、可溶性及不溶性膳食纖維 酶-重量法》進(jìn)行。

1.3.5 掃描電鏡觀察

參照劉鴻鋮等[14]的方法,取一定量干燥樣品粉碎過80 目篩(0.20 mm),鍍金后置于掃描電鏡中,觀察對其表面微觀結(jié)構(gòu),掃描電鏡放大倍數(shù)為2 000倍。

1.3.6 X-射線衍射分析

X-射線衍射條件:Cu-Kα靶型,掃描區(qū)域?yàn)?°～45°,采用連續(xù)掃描法,速度為2(°)/min,步長為0.02,管電流為40 mA,管電壓為40 kV。

1.3.7 傅里葉變換紅外光譜分析測定

參照Liu等[15]方法,綠豆皮膳食纖維的傅里葉變換紅外光譜曲線通過Nicolet is20傅里葉變換紅外光譜儀檢測。紅外光譜儀分辨率采用4 cm-1,掃描波數(shù)范圍采用4 000～400 cm-1,累計(jì)掃描次數(shù)采用32次。

1.3.8 持油力(持水力)測定

參照Wang等[16]的方法,稱取0.20 g干燥樣品加入一支20 mL潔凈的離心管,添加10 mL植物油(蒸餾水)并震蕩均勻,采用保鮮膜密封,在室溫條件下靜置12 h,然后在3 800 r/min的轉(zhuǎn)速下離心分離,去除上清液,并用濾紙吸干剩余的油(水),持油力(持水力)采用式(1)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中:m0為干燥樣品的質(zhì)量/g;m1為離心管的質(zhì)量/g;m2為吸油(水)后樣品與離心管的質(zhì)量之和/g。

1.3.9 膨脹力測定

參考Chen等[17]方法,稱取0.25 g干燥樣品加入10 mL的量筒中,記錄樣品的體積后添加蒸餾水至5 mL刻度線處,采用保鮮膜密封,在室溫條件下靜置18 h,將樣品吸水膨脹后的體積讀取并記錄,膨脹力采用式(2)進(jìn)行計(jì)算。

(2)

式中:m為干燥樣品質(zhì)量/g;V0為干燥樣品自然堆積的體積/mL;V1為吸水膨脹后樣品的體積/mL。

1.3.10 陽離子交換能力測定

稱取1.00 g干燥樣品加入250 mL的錐形瓶內(nèi),迅速移入50 mL 1 mol/L的鹽酸溶液并均勻攪拌,采用保鮮膜密封,在室溫條件下靜置24 h后過濾,并用大量的蒸餾水洗滌樣品,直至濾液中檢測不出氯離子[18],將濾渣置于錐形瓶內(nèi),迅速加入150 mL的5 g/100 mL氯化鈉溶液,充分?jǐn)嚢?0 min,然后添加2滴酚酞溶液,最后用氫氧化鈉溶液(0.05 mol/L)滴定直到終點(diǎn),空白對照試驗(yàn)采用蒸餾水滴定,陽離子交換能力采用式(3)進(jìn)行計(jì)算。

基層農(nóng)業(yè)科研事業(yè)單位的國有資產(chǎn)主要包括：流動(dòng)資產(chǎn)（貨幣資金、往來賬款、存貨）、固定資產(chǎn)、無形資產(chǎn)和對外投資等。為確保資產(chǎn)的安全和高效使用，應(yīng)做好以下幾方面的工作。

(3)

式中:m為干燥樣品質(zhì)量/g;C為滴定所用氫氧化鈉溶液的濃度/mol/L;V0為滴定空白樣所用氫氧化鈉溶液體積/mL;V1為滴定樣品所用氫氧化鈉溶液的體積/mL。

1.3.11 吸附膽固醇能力測定

取適量新鮮雞蛋蛋黃,添加9倍體積的水制成蛋黃乳液。稱取0.50 g干燥樣品加入一個(gè)錐形瓶內(nèi),加入蛋黃乳液30 mL并均勻攪拌,分別再用鹽酸溶液和氫氧化鈉溶液調(diào)配pH=2和pH=7的緩沖液[19],然后置于36 ℃恒溫水浴中震蕩,每隔2 h取出離心分離,吸取1 mL上清液,依據(jù)鄰苯二甲醛法制成膽固醇的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線:y=0.008 8x-0.003 7(R2=0.991 7),并測出吸附前蛋黃乳液中膽固醇質(zhì)量濃度ρ2,上清液中膽固醇質(zhì)量濃度ρ1,吸附膽固醇能力采用式(4)進(jìn)行計(jì)算。

(4)

式中:ρ1為上清液中膽固醇質(zhì)量濃度/mg/mL;ρ2為吸附前蛋黃乳液中膽固醇質(zhì)量濃度/mg/mL;m為干燥樣品質(zhì)量/g。

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

2 結(jié)果與分析

2.1 基礎(chǔ)組成成分分析

綠豆皮改性前后的基礎(chǔ)成分含量如表2所示。經(jīng)過擠出-酶解改性處理后,綠豆皮中TDF含量無顯著性變化,但SDF含量顯著性增加(P<0.05),IDF含量顯著降低。這表明,通過酶解-擠出復(fù)合改性處理后,綠豆皮中的一部分IDF向SDF轉(zhuǎn)化,這可能是由于纖維素酶破壞了綠豆皮緊致的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu),SDF更有利于溶出[20],另一方面在擠出過程中,伴隨著高壓、高溫、高剪切力的作用也會使IDF內(nèi)的一部分糖苷鍵斷裂轉(zhuǎn)化生成SDF。此外,經(jīng)酶解-擠出復(fù)合改性后,綠豆皮中水分、脂肪、蛋白質(zhì)及灰分的含量均沒有顯著性變化。

表2 綠豆皮基礎(chǔ)組成質(zhì)量分?jǐn)?shù)/g/100 g

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)1.3.3節(jié)分別研究了纖維素酶添加量、酶解時(shí)間、水分添加量和擠出溫度對SDF得率的影響,結(jié)果見圖1。

圖1 各因素對綠豆皮SDF得率的影響

由圖1a可知,纖維素酶添加量為60～120 U/g范圍內(nèi),伴隨酶添加量的增加,綠豆皮SDF得率也顯著提高(P<0.05);然而當(dāng)酶添加量由120 U/g升到180 U/g時(shí),SDF得率提高不顯著(P>0.05),這可能是因?yàn)橐欢康木G豆皮作為底物,只能同相應(yīng)量的纖維素酶起作用,一旦纖維素酶超量后,超量的酶不能參與酶解反應(yīng)[21]。由圖1b可知,在開始階段,SDF得率伴隨著酶解時(shí)間的進(jìn)行顯著增加(P<0.05);而當(dāng)酶解時(shí)間為3 h,SDF得率曲線上升幅度較小,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是當(dāng)反應(yīng)時(shí)間相對過短時(shí),物料與酶的作用不夠充分,導(dǎo)致SDF得率低,反應(yīng)時(shí)間過長,酶解反應(yīng)速率達(dá)最大值,最后SDF得率趨于平緩。由圖1c可知,隨著水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,SDF得率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,在65%時(shí)SDF得率達(dá)到最大值為(9.21±0.11)%。水分添加量是影響SDF得率的重要因素,物料在經(jīng)擠出過程中水分添加量過低時(shí),沒有充足的蒸汽與其發(fā)生作用,物料出現(xiàn)糊化,在擠出機(jī)中很難被擠出,易發(fā)生堵塞;水分添加量過高時(shí),物料在擠出機(jī)中的溫度會降低,同時(shí)過于濕潤的物料也會影響其在擠出機(jī)內(nèi)部的輸送能力,發(fā)生打滑現(xiàn)象致使擠出效果不佳從而影響SDF的得率[22]。通過單因素方差分析結(jié)合圖1d可知,擠出溫度對SDF得率的影響達(dá)到了極顯著水平(P<0.01)。SDF得率隨著擠出溫度的增加呈現(xiàn)先升高后緩慢降低的趨勢,在160 ℃時(shí)SDF得率達(dá)到最大值為(9.45±0.09)%。這是由于相對較低的擠出溫度會導(dǎo)致外部能量供應(yīng)不足,滿足不了膨化動(dòng)力的要求,不利于促使綠豆皮IDF內(nèi)部的致密結(jié)構(gòu)發(fā)生裂解,因而SDF得率不高;而相對過高的擠出溫度會使物料發(fā)生不同程度的糊化,擠出腔里的壓力增大,以致影響SDF的得率[23]。

2.3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行四因素三水平正交實(shí)驗(yàn),結(jié)果見表3～表4。對正交實(shí)驗(yàn)的極差和方差進(jìn)行分析可知,對SDF得率的影響最大的因素是纖維素酶的添加量,然后依次是擠出溫度、酶解時(shí)間、水分添加量,且4個(gè)因素對SDF得率均具有顯著性影響(P<0.01),由F值大小順序?yàn)锳>D>B>C,與正交表R相對應(yīng),因此結(jié)果具有較高的可信度。最佳酶解-擠出復(fù)合改性工藝條件是A2B3C3D2,即在纖維素酶添加量為120 U/g,酶解時(shí)間4 h,水質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%,擠出溫度140 ℃時(shí),SDF得率最高。在此最佳工藝條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證性重復(fù)實(shí)驗(yàn),SDF得率為(12.74±0.29)%,超過周愛麗[22]報(bào)道的擠出改性綠豆皮的SDF得率。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,最佳酶解-擠出復(fù)合改性工藝條件的重復(fù)性較好,穩(wěn)定可靠。

表4 正交實(shí)驗(yàn)方差分析結(jié)果

2.4 表面微觀結(jié)構(gòu)觀察

圖2表明,改性前綠豆皮膳食纖維具有光滑的表面,同時(shí)存在零星可見的褶皺,結(jié)構(gòu)非常致密,表面也黏連少量粗顆粒,可能是綠豆皮上殘留的蛋白質(zhì)[24](圖2a);酶解-擠出復(fù)合改性處理后,綠豆皮膳食纖維表面呈現(xiàn)大量明顯的孔隙與褶皺,導(dǎo)致表面比較粗糙,疏松多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)十分顯著(圖2b),這可能是由于在改性處理過程中,綠豆皮膳食纖維受到高壓、高溫、高剪切力以及酶解的作用,纖維的緊密結(jié)構(gòu)被打開,結(jié)構(gòu)發(fā)生重組、斷裂,纖維的聚合度大幅度降低[9],這為酶解-擠出復(fù)合改性處理后的綠豆皮膳食纖維的持油力、持水力和膨脹力等理化性能的增大提供參考。王旭等[25]報(bào)道了通過擠出膨化輔助酶水解提取可溶性膳食纖維后,發(fā)現(xiàn)米糠可溶性膳食纖維表面呈蜂窩顆粒狀、形態(tài)疏松,其持水力、結(jié)合水力和溶脹力等物化特性均得到明顯改善。

圖2 綠豆皮膳食纖維改性前后的掃描電鏡圖(2 000×)

2.5 X-射線衍射掃描結(jié)果

由圖3可見,2θ在17°和22°附近的結(jié)晶衍射峰比較顯著,35°處的小衍射峰是纖維素I晶體典型構(gòu)型[26]。綠豆皮膳食纖維經(jīng)過改性處理后,2θ變?yōu)?6.89°、22.46°,差異不顯著(P>0.05),這說明酶解-擠出復(fù)合改性處理并未顯著改變綠豆皮膳食纖維的結(jié)晶構(gòu)型。使用Jade 7.0 軟件擬合后發(fā)現(xiàn),經(jīng)酶解-擠出復(fù)合改性后,綠豆皮膳食纖維的相對結(jié)晶度降低了約17%,這可能是由于綠豆皮膳食纖維在酶解-擠出復(fù)合改性過程中,部分非結(jié)晶區(qū)和結(jié)晶區(qū)的結(jié)構(gòu)受到影響甚至沖破,分子間的凝聚力大幅度降低,導(dǎo)致水溶性成分更容易溶出;與此同時(shí),一部分結(jié)晶區(qū)轉(zhuǎn)化為非定性區(qū),導(dǎo)致相對結(jié)晶度下降,從而使綠豆皮膳食纖維的聚合度降低,有利于改善其持油力、持水力、膨脹力、陽離子交換能力等理化特性[27]。

注:DF-1為未改性綠豆皮膳食纖維;DF-2為酶解-擠出復(fù)合改性綠豆皮膳食纖維,下同。

2.6 傅里葉變換紅外光譜分析

圖4 綠豆皮膳食纖維改性前后的傅里葉變換紅外光譜圖

2.7 持油力、膨脹力、陽離子交換能力分析

由表5可以看出,綠豆皮膳食纖維在酶解-擠出復(fù)合改性處理后,其持油力、膨脹力、陽離子交換能力等理化性能都明顯得到改善(P<0.05)。這是由于綠豆皮膳食纖維在復(fù)合改性處理過程后,其比表面積大為增加,表現(xiàn)出較多大的孔隙與多層褶皺,有利于親油基團(tuán)和親水基團(tuán)暴露出來[31],這導(dǎo)致與油和水結(jié)合的位點(diǎn)增加,油和水更容易地與綠豆皮膳食纖維結(jié)合。另一方面,酶解-擠出復(fù)合改性處理也會使一些纖維質(zhì)大分子降解轉(zhuǎn)化為可溶性小分子成分,這些變化有利于提高膳食纖維的持油力、持水力及膨脹力等理化性能[32]。陽離子交換能力與糖醛酸含量關(guān)系密切[33],綠豆皮膳食纖維經(jīng)過酶解-擠出復(fù)合改性處理,其陽離子交換能力明顯增強(qiáng)(P<0.05),這可能是由于在酶解-擠出復(fù)合改性處理過程中,一些綠豆皮膳食纖維中的糖醛酸基團(tuán)暴露所致[34]。

2.8 吸附膽固醇能力測定

由圖5可以看出,在pH=2和pH=7條件下,綠豆皮膳食纖維在復(fù)合改性前后,其對膽固醇的吸附能力都是伴隨時(shí)間的增加而增大,大約 12 h后吸附基本達(dá)到穩(wěn)定。此外,在同一條件的pH到達(dá)吸附穩(wěn)定時(shí),綠豆皮膳食纖維經(jīng)過酶解-擠出復(fù)合改性后,其吸附膽固醇能力明顯提高(P<0.05),這可能是由于SDF的分子質(zhì)量小于IDF,含有更多極性基團(tuán),也有利于膽固醇的吸附[13]。Sera等[35]研究表明,膳食纖維吸附膽固醇的能力與所處條件的pH值息息相關(guān),相同的綠豆皮膳食纖維,其吸附膽固醇能力在環(huán)境pH=7時(shí)明顯要比環(huán)境pH=2時(shí)高。另一方面,膳食纖維對膽固醇的吸附能力也會受到其表面結(jié)構(gòu)的影響,由于膳食纖維對膽固醇的吸附屬于物理吸附過程,綠豆皮膳食纖維經(jīng)過酶解-擠出改性處理后,其表面出現(xiàn)更多孔隙與褶皺,有利于對膽固醇的吸附。

3 結(jié)論

采用單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)對酶解-擠出復(fù)合法改性綠豆皮膳食纖維工藝進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果表明:在纖維素酶添加量120 U/g,酶解時(shí)間4 h,水質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%,擠出溫度140 ℃的條件下,SDF得率為(12.74±0.29)%。通過酶解-擠出復(fù)合法改性處理后,綠豆皮膳食纖維的表面結(jié)構(gòu)由光滑致密變成蓬松與粗糙,出現(xiàn)了多孔性、多層褶皺特征,比表面積增大。傅里葉變換紅外光譜、X-射線衍射結(jié)果表明,酶解-擠出復(fù)合法改性并沒有破壞綠豆皮膳食纖維內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu),但相應(yīng)特征吸收峰的強(qiáng)度均有所改變,這主要是因?yàn)樯攀忱w維內(nèi)部的部分結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)的結(jié)構(gòu)遭到破壞,以至于一部分結(jié)晶區(qū)向非定性區(qū)轉(zhuǎn)化,最終促使相對結(jié)晶度下降。以上的改變使更多的親油基團(tuán)和親水基團(tuán)從膳食纖維中解放出來,可使膳食纖維得持油力、膨脹力、吸附膽固醇能力和陽離子交換能力等理化性能等理化性能均得到有效提高。后續(xù)可利用綠豆皮膳食纖維開發(fā)控制體重、降血脂、治療便秘等功能食品。