高压微射流对生物解离大豆膳食纤维特性的影响

王 欢 佟晓红 刘 龄 李 红 胡 淼 江连洲

(东北农业大学食品学院， 哈尔滨 150030)

0 引言

生物解离(Biological dissociation，BD)是一种新型的绿色提油工艺，在机械破碎的基础上，通过对植物油料进行酶解处理可实现油脂与蛋白的同步提取，具有十分广阔的应用前景[1]。残渣是生物解离工艺的主要副产物之一，据报道，提取1 L大豆油将会产生约4.4 kg残渣[2]。生物解离残渣中膳食纤维含量丰富，且在提取过程中对物料进行的挤压膨化及酸碱调节等改性处理，改善了膳食纤维的理化性质及功能特性[3-5]。同时，膳食纤维良好的持油、持水等理化性质也可有效改善食品的风味及质构[6]，在食品加工领域有着重要价值。溶解性膳食纤维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)，其中，SDF能发挥更多的代谢功能，具有提高葡萄糖耐受力、降低胆固醇水平等生理功效[7-8]。因此，可溶性膳食纤维的组成比例是影响膳食纤维生理功能的重要因素。已有学者提出，膳食纤维中含有30%～50%的SDF才称之为高品质膳食纤维[9]。

生物解离大豆膳食纤维虽经过挤压膨化预处理，理化及功能特性已明显高于天然膳食纤维，但与改性膳食纤维相比仍存在一定差距。动态高压微射流(Dynamic high pressure microfluidization, DHPM)技术是一种高效的超微细化物理改性技术，在均质过程中，剧烈的处理条件(如液体高速撞击、高速剪切、空穴爆炸、高速振荡等作用)可能影响物料的高级结构[10-13]，从而导致其功能性质发生改变。迄今为止，围绕DHPM对生物大分子的改性研究逐年增多，但对膳食纤维改性的研究较少。

为进一步提高生物解离技术副产物的应用价值，本文将生物解离膳食纤维经DHPM处理，测定生物解离膳食纤维的主要成分、持水性、持油性、膨胀性等理化性质，并评价其胆汁酸结合能力和阳离子交换能力等功能特性，以期为膳食纤维的改性及增值利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

全脂大豆片，山东高唐蓝山集团；碱性内切蛋白酶Alcalase 2.4 L，杰能科(中国)生物工程有限公司；α-淀粉酶(20 000 U/g)，北京索莱宝科技有限公司；牛磺胆酸钠，上海源叶生物科技有限公司；其他常用化学试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

TG16-WS型台式高速离心机，湖南湘仪离心机仪器有限公司；FD5-3型冷冻干燥机，美国SIM公司；KC-701型超微粉碎机，北京开创同和科技发展有限公司；M-110EHM 型微射流均质机，美国Micrpfluidics 公司；KieltecAnalysister型凯氏定氮仪，瑞典Foss公司；Lindberg/BlueM型马弗炉，美国AshevilleNC公司；SHA-B型恒温水浴振荡器，常州国华电器有限公司；DHG-9146A型电热恒温鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司；高效液相色谱仪，美国Agilent公司；UV1101型紫外-可见分光光度计，上海天美科学仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1生物解离大豆膳食纤维制备

参照李杨等[14]的方法，将大豆片粉碎后用挤压膨化机进行挤压膨化处理，所述大豆片含水率12%，挤压膨化机套筒温度60℃，螺杆转速120 r/min，模孔孔径30 mm，挤压膨化后的大豆片以液料比6 mL/g与水混合，调节pH值至9，加入质量分数为0.2%的Alcalase 2.4 L，55℃酶解3 h，加热100℃灭酶后反复离心至上层无游离油析出，收集下层残渣，调节水解液pH值至3，4 500 r/min离心分离，并对上层清液进行乙醇沉淀处理，再次离心后收集下层残渣，将两次收集的残渣混合后冻干备用，即获得生物解离膳食纤维[15-16]。

1.3.2DHPM处理

参考涂宗财等[17]的方法，取过100目的生物解离大豆膳食纤维，以液料比40 mL/g加水混匀，先在40 MPa 均质机下均质2次后，再分别在0、50、100、150、200 MPa微射流压力下均质处理2次。均质后溶液冷冻干燥，-20℃的冷冻箱里冷藏待用[18]。

1.3.3膳食纤维含量测定

不同均质压力的膳食纤维粉中可溶性膳食纤维及不溶性膳食纤维含量的测定根据AACC[19]方法。

1.3.4理化特性的测定

参照ROBERTSON等[20]的方法对膳食纤维持水力、持油力、膨胀力等理化特性进行测定。

持水力：准确称取 1.0 g膳食纤维粉于100 mL烧杯中，加入70 mL蒸馏水，搅拌2 h后3 500 r/min离心30 min，去除上清液称量，持水力计算公式为

(1)

式中S——持水力，g/g

C0——样品质量，g

C1——吸水前样品和烧杯的总质量，g

C2——吸水后烧杯和上清液的总质量，g

持油力：准确称取 1.0 g膳食纤维粉于100 mL烧杯中，加入70 mL植物油，搅拌2 h后3 500 r/min离心30 min，去除上清液称量，持油力计算公式为

(2)

式中Y——持油力，g/g

C′1——吸油前样品和烧杯的总质量，g

C′2——吸油后烧杯和上清液的总质量，g

膨胀力：准确称取1.0 g膳食纤维粉于具塞试管中，读取干品体积(mL)，加入25 mL蒸馏水振荡摇匀后在室温(20℃)静置24 h，读取膨胀后纤维的体积，膨胀力计算公式为

(3)

式中P——膨胀力，mL/g

V1——干品体积，mL

V2——膨胀后体积，mL

1.3.5膳食纤维重金属离子吸附能力的测定

参照单平阳等[6]的方法，测定了不同均质压力的膳食纤维对Pb2+、As3+、Cu2+3种重金属离子的吸附能力。分别向100 mL重金属溶液Pb(NO3)2、CuSO4、NaAsO2(10 μmoL/mL)中加入1.0 g膳食纤维粉，为模拟胃及肠道环境，分别调整pH值至2和7，并于37℃条件下水浴震荡3 h(120 r/min)，吸附反应结束后加入8 mL无水乙醇沉淀样品，于4 000 r/min离心10 min，采用原子吸收分光光度法[21]测定上清液中残留的重金属离子浓度，各膳食纤维对不同重金属离子吸附能力计算公式为

Z=(Cc-Ct)V/Wd

(4)

式中Z——重金属离子吸附能力，μmol/g

Cc——初始上清液中各重金属离子浓度，μmol/mL

Ct——吸附后上清液中各重金属离子浓度，μmol/mL

V——溶液体积，mL

Wd——膳食纤维的质量，g

1.3.6膳食纤维葡萄糖吸收能力的测定

参照CHAU等[22]的方法，分别向100 mL葡萄糖溶液(50、100、200 mmol/L)中加入1.0 g各膳食纤维样品，于37℃条件下水浴震荡6 h (120 r/min)，4 500 r/min离心20 min后取上清液，根据还原糖法[2]测定上清液中剩余葡萄糖浓度，膳食纤维葡萄糖吸收能力计算公式为

T=(Ca-Cs)VL/Wd

(5)

式中T——葡萄糖吸收能力，mmoL/g

Ca——初始溶液中的葡萄糖浓度，mmoL/L

Cs——葡萄糖吸收达到饱和后上清液中的葡萄糖浓度，mmoL/L

VL——离心后上清液的体积，mL

1.3.7膳食纤维α-淀粉酶抑制能力测定

α-淀粉酶抑制能力的测定参照AHMED等[23]的方法，40 g马铃薯淀粉溶于900 mL的0.05 mol/L磷酸缓冲液(pH值6.5)中，65℃条件下搅拌30 min后定容至1 000 mL，得到4%的马铃薯淀粉溶液。取1.0 g膳食纤维粉和4 mg α-淀粉酶加入到40 mL上述马铃薯淀粉溶液中，37℃水浴震荡1 h (120 r/min)，4 500 r/min离心20 min，以不加膳食纤维粉为空白组，采用还原糖法[2]测定上清液中葡萄糖含量，膳食纤维对α-淀粉酶抑制能力计算公式为

D=(Ac-As)/Ac×100%

(6)

式中D——α-淀粉酶活性抑制能力，%

Ac——空白组的吸光度

As——试验组(添加膳食纤维粉)的吸光度

1.3.8胆汁酸阻滞指数测定

胆汁酸阻滞指数的测定参照ADIOTOMRE等[24]的方法，在截留分子质量为1.2～1.4 kDa的透析袋内加入25 mL 15 mmol/L牛磺胆酸钠溶液及0.2 g膳食纤维，将透析袋封口后放入100 mL 0.01 mol/L的磷酸缓冲液(pH值7)中，37℃水浴震荡1 h和2 h(120 r/min)，以不加膳食纤维粉为空白组；分别吸取2 mL透析袋内上清液，采用HPLC测定其中的胆汁酸浓度。测定条件如下：采用C18柱(4.6 mm×250 mm)，流动相为乙腈(流动相A)和pH值3的0.15%磷酸氢二钠溶液(流动相B)。流动相洗脱程序为：0～30 min流动相A的体积分数从22%线性上升至42%，30～35 min，流动相A的体积分数由42%线性下降至35%，流动相流速为1.0 mL/min，采用紫外检测器测定203 nm处吸光度。胆汁酸阻滞指数计算公式为

B=(1-Cd/Cc)×100%

(7)

式中B——胆汁酸阻滞指数，%

Cd——样品上清液中的胆汁酸浓度，mmol/L

Cc——空白组上清液中的胆汁酸浓度，mmol/L

1.4 统计分析

本实验数据均为3个平行样的平均值，结果采用SPSS 22.0分析软件和Origin 8.0进行处理，并对数据进行差异显著性分析(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 膳食纤维纯度分析

DHPM对生物解离大豆膳食纤维含量的影响如表1所示，经DHPM(50 MPa)处理的大豆膳食纤维样品中的粗纤维和SDF的质量分数显著增大，分别从77.08%增大到81.91%、从20.43%增大到25.84%，且IDF与SDF的质量分数比值从2.77降低至2.17，经50～150 MPa的DHPM处理后，样品中SDF均有显著提高，且随压力的升高而显著增大，粗纤维(TDF)含量几乎不变；而经150～200 MPa的DHPM处理后，SDF含量提高不显著，TDF含量有所降低，可能是DHPM的高速撞击、高速剪切、空穴爆炸、高速振荡等剧烈作用，使纤维物料外层致密的表层破碎，组织疏松[25]，膳食纤维聚合物多糖分子链间的弱作用力减弱或消失，聚合度下降，使得SDF含量增大，且由于部分小分子量的SDF不能被乙醇沉淀出来[26]，从而造成在高压条件下测得的TDF含量略有降低，SDF含量提高不显著。生物解离大豆膳食纤维经200 MPa的DHPM处理后，样品中SDF的含量提高了0.4倍，并且IDF与SDF质量分数的比值1.87，已处于GALISTEO等[27]对高品质膳食纤维所提要求的中间值(1～2.3)。

表1 不同压力处理膳食纤维的成分分析 Tab.1 Chemical compositions analysis of dietary fibers by different extraction methods

注：同一行中右上角标相同的数据无显著性差异，不同的数据有显著性差异(P<0.05)，下同。

此外，通过对比不同处理压力的生物解离大豆膳食纤维中其余成分的含量可知，DHPM对生物解离膳食纤维中含水率影响不显著(P>0.05)。此外，生物解离提取过程中经过加热、酸度调节、反复离心等步骤，所得生物解离膳食纤维呈现乳白色，颗粒细腻，且无豆腥味，具有更好的感官品质。

2.2 不同压力处理膳食纤维的理化性质分析

膳食纤维的理化性质在食品加工中具有重要意义，表2为不同压力处理所得膳食纤维的持水力、持油力、膨胀力及可溶解性指数。由表2可知，经过DHPM处理后，生物解离大豆膳食纤维的膨胀力、持水力和持油力均有显著改善，且持水力和持油力随着压力的升高而增大，但膨胀力在较低压力(0～100 MPa)下显著提高，之后则随压力的变化不显著。结果表明，DHPM处理可有效提高豆渣膳食纤维的膨胀力、持水性和持油力。膳食纤维的理化性质与SDF和IDF的比例、颗粒大小、表面性质和来源等有关[28]。膨胀力可能与空间网状结构有关，较好的空间网状结构有良好的支撑作用，膨胀力提高说明纤维的网状结构没有被破坏，否则相互堆叠很难支撑和膨胀到更大的体积[23]。持水力的提高可能与组织疏松、亲水基团的裸露有关，预示着样品受到DHPM的强烈撞击、剪切和气穴等综合作用，其组织更加疏松，颗粒更小，比表面积更大，同时也使样品吸附和结合脂类物质的能力更强。此外，处理后的膳食纤维中SDF含量的增加，可能也是理化性质提高的主要原因之一。已有研究表明，膳食纤维的持水力与截留水的方式有关[28]。可溶性膳食纤维在水溶液中可形成凝胶，自身吸收水分的同时产生的胶状物也可防止水分流失[29]，因此膳食纤维中可溶性膳食纤维含量越高，持水力越强。以上结果表明，生物解离膳食纤维理化性质优于其他方式提取的膳食纤维，可在肉制品、烘焙食品、保健食品等多种食品中进行应用，提高食品的加工特性及品质[30-31]。

表2 不同压力处理膳食纤维的理化性质 Tab.2 Physicochemical properties of dietary fibers under different pressure treatments

2.3 不同压力处理膳食纤维的重金属离子吸附能力分析

Pb、As和Cu等重金属元素易在生物体内富集，达到一定程度可导致中毒甚至癌症[32]，膳食纤维侧链中的亲水性基团具有很强的离子交换能力，对重金属离子可产生一定吸附作用，然而这种离子交换能力易受pH值影响，故本文选择pH值2及7两个条件，模拟体外肠道和胃环境下不同压力处理的膳食纤维对上述3种重金属离子的吸附能力，结果如图1所示。由图1a可知，在pH值7条件下，不同压力处理膳食纤维的重金属离子吸附能力的差异不显著，且膳食纤维在pH值7条件下对同种重金属离子的吸附效果优于pH值2。这是由于在酸性条件下，纤维中糖醛酸的羟基和木质素的酚酸等亲水基团对重金属离子的吸附作用被溶液中电离的H3O+的排斥作用抵消[20]，此时物理吸附成为膳食纤维吸附重金属离子的主要方式[33]。上述结果不仅说明小肠环境更适合膳食纤维对重金属离子的吸附，同时也证明生物解离膳食纤维具有更强的重金属吸附能力，可有效阻碍人体对重金属离子的吸收。

图1 不同压力处理膳食纤维的重金属离子吸附能力 Fig.1 Adsorption capacities on heavy metal ions of dietary fibers

2.4 不同压力处理膳食纤维的功能特性分析

2.4.1葡萄糖吸收能力

膳食纤维具有抑制葡萄糖扩散的功效，可降低血液中葡萄糖的含量，有效控制血糖指数[34]。图2所示为不同压力处理的膳食纤维对葡萄糖的吸收能力，各膳食纤维对葡萄糖吸收能力随处理压力的提高而依次增大，达到200 MPa时略有下降，且不同压力处理膳食纤维的葡萄糖吸收能力均随葡萄糖浓度的增加而提高，这一现象与PARK等[35]研究结果一致。已有研究表明，膳食纤维的葡萄糖吸收能力与其可溶性膳食纤维的含量及物理结构有关[21]。这是由于可溶性膳食纤维与水接触后产生的凝胶状物体可将葡萄糖分子包裹其中，且膳食纤维疏松的网状结构也会减缓葡萄糖分子在食品体系中的扩散速率。上述结果表明，生物解离膳食纤维对葡萄糖的吸收能力明显高于其他方式提取的膳食纤维，可起到较好的调节饮食结构、控制餐后血糖指数的作用，在各种食品、保健品和医药制品中具有一定的应用前景。

图2 不同压力处理膳食纤维的葡萄糖吸收能力 Fig.2 Glucose adsorption capacities of dietary fibers

2.4.2α-淀粉酶抑制能力

膳食纤维对α-淀粉酶活性具有一定抑制的作用，可改善食品体系中淀粉类物质的消化特性[36]。其中，200 MPa处理压力下的生物解离膳食纤维的α-淀粉酶抑制能力最高，为18.42%，较0～150 MPa处理的膳食纤维样品分别提高了约36%、32%、28%和27%。膳食纤维较高的α-淀粉酶抑制能力可能与其持水性和膨胀力较强有关。较高的膨胀力和持水力能降低体系流动性，减少酶与底物发生碰撞的机会，降低α-淀粉酶的酶解效果[37]。

2.4.3胆汁酸阻滞指数

胆汁酸过多会损伤胃黏膜上皮细胞，膳食纤维具有延迟或抑制人体对胆汁酸吸收速率的功效，从而预防疾病[38]。胆汁酸结合能力与样品中SDF的含量以及其他特性(营养活性物质、带电性、理化结构、疏水性和活性结合位点)相关[27]。根据图3不同压力处理膳食纤维的胆汁酸阻滞结果可知，DHPM处理后胆汁酸结合能力显著提高，但随压力升高增强不显著，这是因为DHPM能使样品颗粒变小，比表面积增大，从而可提高胆汁酸结合能力[39]。胆汁酸阻滞指数随着压力增大而增强且在150 MP和200 MPa变化不明显。DHPM对大豆膳食纤维的侧链基团的影响较小，因此其阳离子交换能力无显著变化。

图3 不同压力处理膳食纤维的胆汁酸阻滞指数 Fig.3 Bile acid retardation index of dietary fibers

综合以上不同压力处理对膳食纤维功能特性的分析结果可知，动态高压微射流技术可以有效提高生物解离膳食纤维的功能特性和营养价值，可作为一种功能性配料添加到普通食品或保健食品中，增加食品的降血糖、降血脂等生理功能，保证膳食结构平衡。

3 结束语

通过对比不同压力处理大豆膳食纤维的纯度、理化性质及功能特性发现，动态高压微射流显著提高豆渣的可溶性膳食纤维，且生物解离大豆膳食纤维经200 MPa的DHPM改性后，IDF与SDF质量分数比值最佳为1.87。DHPM改善了豆渣膳食纤维的水化性质、持水力、持油力和α-淀粉酶抑制能力，并且持水力和持油力随着处理压力的增大而增强，最优处理压力为200 MPa。DHPM对生物解离豆渣膳食纤维的功能特性分析表明，随着处理压力增大，葡萄糖吸收能力逐渐增强，200 MPa时略有下降，在150 MPa时能力最强。胆汁酸阻滞指数随着压力增大而增强，且在150 MPa和200 MPa变化不明显。DHPM对大豆膳食纤维的侧链基团的影响较小，因此其阳离子交换能力无显著变化。DHPM改性生物解离大豆膳食纤维提取工艺简单，且改性效果显著，可在提取油脂及蛋白的同时提高大豆膳食纤维的理化性质和功能特性。