超微粉碎对竹粉膳食纤维功能特性的影响

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(1.浙江科技学院 生物与化学工程学院,浙江杭州 310023;2.浙江省农产品化学与生物加工技术重点实验室,浙江杭州 310023;3.浙江省农业生物资源生化制造协同创新中心,浙江杭州 310023)

超微粉碎对竹粉膳食纤维功能特性的影响

方吉雷1,2,3,葛青1,2,3,毛建卫1,2,3,*,肖竹钱1,2,3,沙如意1,2,3,蔡成岗1,2,3,张徐1,2,3,范煜1,2,3,王建鹏1

(1.浙江科技学院 生物与化学工程学院,浙江杭州 310023;2.浙江省农产品化学与生物加工技术重点实验室,浙江杭州 310023;3.浙江省农业生物资源生化制造协同创新中心,浙江杭州 310023)

超微粉碎,竹粉,膳食纤维,功能特性

膳食纤维[1]被称为“第七类营养素”,根据其水溶性可分为可溶性膳食纤维(Soluble Dietary Fiber,SDF)和不可溶性膳食纤维(Insoluble Dietary Fiber,IDF),其具有降低胆固醇、降低血糖、整肠通便等多种有益健康的生理功效。中国是竹之王国,在各种传统制作和工业加工过程中,会产生大量废弃物,包括材用竹的竹枝、竹叶、竹节、竹青,以及切割、打磨过程中产生大量竹屑等废料,这些废弃物约占整竹的60%以上[2]。竹屑主要由纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质等成分组成,其中纤维素43.54%、半纤维素21.51%、木质素22.54%[3-4],此外竹屑还含有黄酮、多酚等活性物质,是一类良好的膳食纤维补充来源。

由于竹中可溶性膳食纤维的含量较少,竹膳食纤维的生理功能不能得以充分发挥,为了制备高品质的膳食纤维,提高膳食纤维的理化特性,需采用改性手段使膳食纤维可溶性成分增加,以增强其活性功能。超微粉碎是一项新型的食品加工改性技术[5],超微粉碎将膳食纤维粉碎至微米甚至纳米级的粉末,以增大膳食纤维比表面积和孔隙率,使水溶性膳食纤维的含量增加,改善其功能活性。我国在超微粉碎方面的研究较多,杨健等[6]研究小米麸皮膳食纤维超微粉碎的物理特性,研究发现,超微粉碎后膳食纤维微粉的膨胀力、持水力、阳离子交换能力等性质均较原粉有较大提高,其中D50≤23.465 μm微粉的综合指标最佳。高虹等[6]研究超微粉碎对香菇柄中多糖溶出率、膳食纤维含量和物理特性的影响,结果表明超微粉碎处理后的香菇柄多糖溶出率提升了1倍多,可溶性膳食纤维含量由5.66%提高到15.64%。本实验以毛竹竹屑为原料,通过酶法[7]去除竹粉中的淀粉和蛋白,制备高品质的膳食纤维,并研究不同粉碎粒度对竹粉膳食纤维理化特性的影响,为竹粉膳食纤维的开发利用提供实验依据。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

毛竹竹屑 安吉利信生物能源有限公司提供;耐高温α-淀粉酶(液体,活力≥20000 U/mL) 上海金穗生物科技有限公司提供;中性蛋白酶(固体,活力≥4000 U/g) 上海源叶生物科技有限公司提供;胆酸钠 上海长哲生物科技有限公司提供;硫酸、丙酮、乙醇等试剂 均为国产分析纯;食用油 市售。

UDK159凯氏定氮仪 VELP公司;RHP-600型高速多功能粉碎机(29000 r/min) 浙江荣浩工贸有限公司;CJM-SY-B高能纳米冲击磨 秦皇岛市太极环纳米制品有限公司;LS-POP(VI)激光粒度分析仪 珠海欧美克仪器有限公司;UV-5500PC紫外分光光度计 上海元分析仪器有限公司;V70红外光谱仪 BRUKER公司;S-4800扫描电镜 日本Hitachi公司。

1.2实验方法

1.2.1 竹粉膳食纤维的制备 毛竹竹屑经65 ℃烘干后粗粉碎,过20目分子筛得竹粉粗粉,置于封口袋中冷冻储藏,备用。取粗粉置于高腰烧杯中,加入0.2%耐高温α-淀粉酶,在pH6.0的磷酸盐缓冲溶液下于95 ℃水浴15 min,过滤漂洗,再于60 ℃下用中性蛋白酶水解30 min,沸水浴灭酶10 min,调节pH至中性,加入4倍体积95%乙醇,静置过夜,在4600 r/min下离心30 min,65 ℃烘干得到膳食纤维原粉[7]。

1.2.2 竹粉膳食纤维的超微粉碎及其结构检测

1.2.2.1 竹粉膳食纤维的超微粉碎 取适量原粉置于CJM-SY-B高能纳米冲击磨中,温度23 ℃,球料比为10∶1 (g/g),球磨1、2、3、4、5、6 h获得不同时间段的竹粉膳食纤维。

1.2.2.2 竹粉膳食纤维的粒径测定 采用干发激光粒度分析仪测定膳食纤维的粒径、粒径分布。粒径大小用平均粒径表示,粒径均用粒度分布离散度来衡量。D90、D50、D10分别表示一个样品的累计粒度分布百分数分别达到90%、50%、10%时所对应的粒径大小[13-14]。

1.2.2.3 扫描电镜观察 用戊二醛将待测样品进行固定,再用离子溅射仪对样品表面进行镀金,将其置于扫描电镜下观测形态,加速电压为15 kV。

1.2.2.4 竹粉膳食纤维红外光谱测试实验 探究超微粉碎前后竹粉膳食纤维其结构特征的变化情况,取原粉和6 h样品在玛瑙研钵中与溴化钾研磨混合均匀后,在压片机中制片,检测结构特征。

1.2.3 竹粉膳食纤维成分的测定 按照国家标准食品中膳食纤维的测定方法AOAC911.43[8]测定可溶性膳食纤维(SDF)、不可溶性膳食纤维(IDF)和总膳食纤维含量(TDF)。按照GB 50093-2010[9]测定膳食纤维中的水分含量。按照GB 50094-2010[11]测定膳食纤维中的灰分含量。按照GB 5009.5-2010[11]测定膳食纤维中的蛋白质含量。按照GBT 5009.6-2003[12]测定膳食纤维中的脂肪含量。

1.2.4 竹粉膳食纤维物化特性的测定

1.2.4.1 持水力(WHC)的测定 准确称取1.0000 g样品置于100 mL烧杯中,加入70 mL蒸馏水后电磁搅拌24 h,然后以3000 r/min的速度离心30 min,去上清液后称量样品的质量[16]。

式(1)

1.2.4.2 膨胀力(SC)的测定 准确称取膳食纤维 1.0000 g,置于10 mL 量筒中移液管准确移取5 mL 蒸馏水加入其中。振荡均匀后放置24 h,读取液体中膳食纤维的体积[16]。

式(2)

1.2.4.3 持油力(OHC)的测定 取1.0000 g膳食纤维于离心管中,加入食用油20 mL,振荡均匀后放置1 h,4000r/min 离心20 min,去掉上层油,残渣用滤纸吸干游离的油,称量[16]。

式(3)

1.2.4.4 胆酸钠吸附能力的测定 采用糠醛比色法[17]测定胆酸钠含量。

表1 竹粉膳食纤维粉碎前后其粒度大小的测试结果Table 1 Particle sizes of dietary fiber in Bamboo powder before and after ultrafine comminution

注:大写字母表示不同粉碎时间相同样品间差异性,小写字母表示不同粉体平均粒径的显著性,p<0.05。

绘制标准曲线:依次加入不同浓度的胆酸钠标准液 1 mL、45%的硫酸 6 mL,混合均匀,再加入0.3%的糠醛 1 mL,pH7.0(模拟人体肠道环境),混合均匀,置于65 ℃恒温水浴中反应 30 min,冷却至室温后于620 nm处测定吸光度。制得标准曲线为:y=0.0206x+0.0571(R2=0.9958)。

测定吸附胆酸钠含量:准确称取0.3000 g膳食纤维样品置于各带塞试管中,加入胆酸钠标准液20 mL,水浴1、2、3、4、5、6 h,离心取上清液1 mL,加入45%的硫酸6 mL、0.3%的糠醛 1 mL,pH7.0(模拟人体肠道环境),混合均匀,置于65 ℃恒温水浴中反应 30 min,冷却至室温后于620 nm处测定吸光度,用标准曲线得出样液中的胆酸钠浓度。

测定亚硝酸根离子含量:取250 mL的锥形瓶,加入2.0000 g膳食纤维,反应总体积设定为100 mL,NO2-的反应浓度为30 μg/mL,反应环境的pH为2.0(模拟胃环境),置溶液于磁力搅拌器上,于37 ℃恒温条件下搅拌,反应1 h立即过滤。取滤液5 mL,测定其中的NO2-的浓度。

1.3数据处理

每个样品设3个平行,采用Origin8.0和Excel软件进行数据分析。测定结果以平均值±标准差表示。实验数据采用无重复双因素方差分析,以p<0.05为差异显著。

2 结果与分析

2.1超微粉碎时间对粒度分布的影响

从表1可知,超微粉碎前累积分布曲线上占颗粒总量10%、25%、50%、75%和90%所对应的粒径分别为39.10、64.38、104.84、148.12、188.04 μm,经过超微粉碎后,各样品粒径都大幅度减少,小颗粒物质所占比重增加。在超微粉碎3 h,占颗粒总量10%、25%、50%、75%和90%所对应的粒径分别为11.05、19.09、32.32、51.59、77.61 μm,而4、5、6 h在D10、D25、D50、D75和D90粒径都相应增加,其原因可能是强烈的机械作用使颗粒粒径越来越小,让表面原子能量处于不稳定状态。因而颗粒趋于聚在一起,形成二次颗粒和三次颗粒,从而在此时间段发生了团聚[19]现象。

从图1a和图1b看出,超微粉碎后相较原粉粒径明显减小(p<0.05),分布变窄,且随着粉碎时间的增加,粉体颗粒更趋向均匀一致性。原粉的平均粒径在140 μm左右,超微粉碎后的平均粒径在40 μm左右,明显降低。原粉的粒度分布集中在100～250 μm,而超微粉碎后的粒度分布集中在20～50 μm,其中3 h粒径分布最小,4、5、6 h的粒径较3 h的粒径都少量增加,说明在此时间段发生了团聚现象。

图1 原粉膳食纤维和超细粉碎后膳食纤维粒径分布情况Fig.1 Distribution situation of the particle diameters of the original powder dietary fiber and superfine grinding dietary fiber

2.2超微粉碎处理前后的SEM分析

从图2中可以看出,在同样放大2000倍下,原粉粒径达100 μm以上,超细粉碎后颗粒达几十微米。原粉可看到较完整的结构,而粉碎后的结构支离破碎,呈不同规则形状的小团块,有些小的团块相互黏在一起变成细长体,结合粒度仪分析结果,可能此处发生团聚现象。由于纳米颗粒粒径越来越小,使表面原子能量处于不稳定状态,因而颗粒趋于聚在一起。图A1和图B1看出,粉碎后颗粒粒径明显减小,达到两个数量级,与激光粒径仪测量结果相符合。图A2和B2比较看出,同样放大5×104倍,原粉颗粒表面比较平滑均匀,而处理后的粉体颗粒表面不再平滑均匀,变得凹凸不平,说明超微粉碎使颗粒表面的结构破坏,增大颗粒的比表面积。

图2 原粉和超细粉碎后竹粉的SEM图Fig.2 The morphology of bamboo powder of the original powder and superfine grinding dietary fiber注:图A1、图A2为原粉,对其放大2×103倍的电镜结果;B1、B2为超微粉碎6 h的竹粉,对其放大5×104倍的电镜结果。

表2 不同粒度竹粉膳食纤维各组成成分的含量(%)Table 2 Contents of main components in different particle sizes of bamboo powder dietary fiber(%)

2.3超微粉碎处理前后竹粉膳食纤维的红外光谱比较

红外光谱的吸收峰位移与膳食纤维各化学键有着重要关系[30]。根据相关竹纤维的红外资料[20]和图3,发现超微粉碎对竹粉膳食纤维中主要官能团结构并无较大影响,均有强的O-H伸缩振动峰、C-H伸缩振动峰等。但由于超微粉碎,物质大分子受强机械力作用,发生分子链断裂,使氢键等基团暴露,粉碎前后的各振动峰也有相应变化。

图3 竹粉膳食纤维的红外光谱Fig.3 Infrared spectrum of bamboo dietary fiber

3400 cm-1左右的峰是O-H伸缩振动峰,是由一些游离羟基和氢键缔合形成的伸缩振动吸收,是所有纤维素的特征谱带。原粉为3441 cm-1,而超微粉碎处理后在3430 cm-1,羟基峰红移,强度变大,说明超微粉碎后氢键作用增强。1700～1780 cm-1区间有一波峰,这是羰基峰和水分吸收峰组合而成的振动峰,代表存在半纤维素。1500～1570 cm-1是苯环的特征峰,而竹粉中只有木质素存在苯环,说明存在木质素。1000 cm-1是竹粉膳食纤维中典型的糖类吸收峰,为半纤维素和纤维素中C=O伸缩振动峰[20],由于超微粉碎后,分子链断裂,分子聚合度减小更多糖苷键暴露,此糖类特征吸收峰强度加强、峰型变尖锐。

2.4超微粉碎对竹粉膳食纤维组分的影响

从表2中可以看出,不同粒径的竹粉,其成分含量也有所不同,膳食纤维颗粒大小与其SDF和IDF的含量呈规律性变化。但无论何种粒径,其主要成分均是IDF,随着粒度的减小,膳食纤维的SDF含量增加,IDF的含量逐渐降低。大量研究表明[21-24],高品质膳食纤维SDF应大于10%,SDF/IDF的合理比约为1∶3[25],超微粉碎获得的各种粒径竹粉膳食纤维,其SDF/IDF在0.007405～0.0939之间变化,其中25 μm以下的膳食纤维其SDF为7.1027%,SDF/IDF为0.0939,与原粉相比,SDF含量明显增加。经超微粉碎之后,不可溶性膳食纤维的结构被破坏,结晶度高的长链被打断,使得其中不溶性成分减小,同时超微粉碎使物料的粒度减小、比表面积增大,亲水基团暴露率增大,从而提升了可溶性膳食纤维的比率[6]。而低温下的机械作用不会造成蛋白质变性及其含量变化,同时也不会使脂肪流失,因此蛋白质和脂肪含量变化不明显。

2.5超微粉碎对竹粉膳食纤维物化特性的影响

2.5.1 不同粒度竹粉膳食纤维对WHC、SWC、OHC的影响 从图4、图5和图6中可知,随着竹粉粒径的减少,持水力(WHC)和溶胀力(SWC)都显著变化(p<0.05),其中持水力增长幅度较大,原粉WHC为2.76 g/g,而粒径25 μm以下竹粉的WHC为4.90 g/g,提高了77%,而对SWC,粒径25 μm以下的竹粉较原粉有显著提高。这可能是在粉碎的过程中,强的作用力使得膳食纤维的长链断裂,更多的亲水基团暴露出来与水接触的结果。对于持油率(OHC),随着粒径的减少,持油率先增加后降低。这可能是因颗粒过于细小,细胞破损比例增加,反而它对油脂的束缚能力也变小,OHC下降。

图4 不同粒度竹粉膳食纤维对持水力的影响Fig.4 Effect of different size bamboo powder dietary fiber on WHC注:图4中小写字母表示相同样品不同粒径程度的差异性,p<0.05,图5～图8同。

图5 不同粒度竹粉膳食纤维对膨胀力的影响Fig.5 Effect of different size bamboo powder dietary fiber on SWC

图6 不同粒度竹粉膳食纤维对持油力的影响Fig.6 Effect of different size bamboo powder dietary fiber on OHC

2.5.2 不同粒度竹粉膳食纤维对胆酸钠的吸附作用 膳食纤维可通过在肠道内与胆酸盐吸附结合,来降低肠道内胆汁酸的浓度,从而降低血脂含量[26]。超微粉碎后膳食纤维有更多的亲水基团暴露出来,能与胆汁酸较容易螯合成稳定的物质。

从图7中可知,随着4种不同粒度范围的竹粉膳食纤维与胆酸钠反应时间的增长,溶液中胆酸钠的含量均有不同幅度的降低,最后在5～6 h时达到吸附平衡。超微粉碎处理后的膳食纤维吸附量比处理前的膳食纤维吸附量显著增加(p<0.05)。粒度为120～830、48～120、25～48和25 μm以下的4中膳食纤维达到吸附平衡时胆酸钠浓度分别为0.8885、0.6076、0.5036和0.4722 g/L,25 μm以下的膳食纤维吸附量达到0.7084 g/L,是原粉吸附量的1.43倍。

图7 不同粒度竹粉膳食纤维对胆酸钠的吸附影响Fig.7 Effect of particle size on sodium cholate adsorption ability of dietary fiber in bamboo powder

2.5.3 不同粒度竹粉膳食纤维对亚硝酸根离子的吸附作用 大量的研究[27-29]表明,膳食纤维的摄入和胃肠道癌症的发生呈负相关。不可溶纤维能增大肠道内容物体积,减小致癌物浓度;可溶性纤维能加快胃肠道排空,减少致癌物在胃肠道的吸收时间,这些因素共同作用能减少肠道对致癌物的吸收[29]。

图8 不同粒度竹粉膳食纤维对亚硝酸根离子的吸附影响Fig.8 Effect of particle size on Nadsorption ability of dietary fiber in bamboo powder

3 结论

参照GB/T 5009.88-2008 《食品中膳食纤维的测定》测定超微粉碎处理下不同粒径的竹粉膳食纤维中膳食纤维的含量,竹粉膳食纤维主要成分均是IDF(75%以上),且随着粒径越小,IDF含量下降,SDF含量升高。粒径25 μm以下的膳食纤维,其SDF含量有7.1027%,比原粉的SDF含量有显著提高(p<0.05)。经过不同时间的超微粉碎处理,膳食纤维的平均粒径D50达到35 μm,粒径范围相对集中,分布较均匀。由于在粉碎的过程中,强的作用力使得膳食纤维的长链断裂,比表面积增大,更多的活性基团暴露出来,使竹粉膳食纤维的功能特性大大改善。持水力、膨胀力、对亚硝酸根离子的吸附和对胆酸钠的吸附均明显增强,活性大大增强。研究结果表明,超微粉碎技术能大幅增加竹粉膳食纤维的可溶性含量,改善其功能特性,为竹屑废弃物的深度开发利用提供了一条可行的途径,同时为进一步的竹粉膳食纤维加工改性研究提供参考价值。

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Effectofsuperfinepulverizingonpropertiesofbamboopowderdietaryfiber

FANGJi-lei1,2,3,GEQing1,2,3,MAOJian-wei1,2,3,*,XIAOZhu-qian1,2,3,SHARu-yi1,2,3,CAICheng-gang1,2,3,ZHANGXu1,2,3,FANYu1,2,3,WANGJian-peng1

(1.School of Biological and Chemical Engineering,Zhejiang University of Science & Technology,Hangzhou 310023,China;2.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Chemical and Biological Processing Technology of Farm Products,Hangzhou 310023,China;3.Collaborative Innovation Center of Agricultural Biological Resources Biochemical Manufacturing of Zhejiang Province,Hangzhou 310023,China)

superfine pulverizing;bamboo powder;dietary fiber;functional properties

2017-01-16

方吉雷(1992-),男,硕士研究生,研究方向:生物质资源利用技术与工程,E-mail:18257344870@163.com。

*通讯作者:毛建卫(1964-),男,硕士,教授级高级工程师,研究方向:生物质资源利用技术与工程,E-mail:zjhzmjw@163.com。

2011开放基金项目(2016KF0037,2016KF0110);浙江省重点研发项目(2015C02031);浙江科技学院研究生科研创新基金项目(2016YJSKC019)。

TS201.1

:A

:1002-0306(2017)17-0050-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.17.010