生物酶法豆渣对淀粉理化性质及饼干消化特性的影响

朱建宇,齐宝坤,李 杨,江连洲

(东北农业大学食品学院,黑龙江哈尔滨 150030)

生物酶法是一种可同步从油料中提取油脂和蛋白质的新型制油方法[1]。目前,有关生物酶法制油技术的研究主要集中在提高油脂品质、提取率,开发高效破乳技术以及富集蛋白产品等方面[2-4]。然而,有研究表明生物酶法每生产1 L油脂约产生28 L水解液和4.4 kg豆渣[5]。生物酶法豆渣中含有丰富的可溶性膳食纤维、蛋白、维生素、异黄酮等多种营养成分[6-10],是一种良好的食用原材料,如何提高副产物的价值是当前的发展新思路。美国爱荷华州立大学Wang等[11]教授团队首次将酶法制油过程形成的不溶性纤维和豆渣用于玉米发酵提取酒精,研究不溶性纤维与豆渣对乙醇生产的影响,对比传统以玉米为基料进行发酵制取酒精,通过引入纳滤技术以提高发酵率及酒精产量,该方法可提高酒精产量20%,酒精提取率提高3%,发酵时间降低38 h。Karki等[12]研究团队将酶法制油得到的固体豆渣组分进行糖酵解后作为固体基质进行利用。近些年来,将豆渣经过一定处理添加至食品中已成为研究热潮[13-15]。不少国内外学者尝试将普通豆渣添加到小麦制品用以开发高膳食纤维低碳水化合物产品,均得到较好的感官品质产品,但深入探讨豆渣对小麦淀粉理化特性与消化特性影响的研究却几乎没有,同时生物酶法豆渣在直接食用的研究领域仍是空白。

因此,本实验将生物酶法提取豆渣直接作为一种膳食纤维来源,通过显微镜技术,针对小麦淀粉微观结构的改变进行分析,深入探讨了生物酶法豆渣与小麦淀粉间的相互作用,并建立生物酶法豆渣对豆渣饼干中淀粉消化特性影响的体外模拟消化模型,通过测定其水解率、快速消化淀粉、慢速消化淀粉及抗性淀粉含量,进一步从淀粉的微晶结构角度解释膳食纤维对淀粉消化特性的影响,为酶法制油副产物的综合利用以及一种新型高纤维慢消化的烘焙食品研发提供一定理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

挤压膨化大豆粉 山东省高唐蓝山集团总公司提供;低筋小麦面粉(蛋白质含量为9%)、糖、盐、黄油、脱脂奶粉、鸡蛋 均为食用级，市售;Alcalase 2.4 L碱性蛋白酶(1.2×105U/mL)、胃蛋白酶(2500 U/mg)、猪胰蛋白酶(250 U/mg)、α-淀粉酶(45.5 U/mg)和糖化酶(36000 U/mL) 美国Sigma公司。

KC-701型超微粉碎机 北京开创同和科技发展有限公司;TG16-WS型台式高速离心机 湖南湘仪离心机仪器有限公司;KN204P型烤箱 青岛金贝克机械有限公司;UIS2/UIS系列显微镜 奥林巴斯(中国)有限公司;SHA-B型数显恒温水浴振荡器 上海秋佐科学仪器有限公司;TU-1810型紫外-可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司。

1.2 实验方法

1.2.1 生物酶法豆渣与普通豆制品豆渣的制备 生物酶法豆渣的提取是根据李杨等[10]的研究并进行一定修改。

挤压膨化豆粉→水分调节(1∶6 w/v,g/mL)→酶解(2.4 L碱性蛋白酶,酶的添加量0.2% w/w,3 h,55 ℃)→离心分离(4500 r/min,至上层无游离油分离)→收集下层固体豆渣→烘干(60 ℃)→粉碎过筛(100 目)备用。

普通豆制品豆渣的提取:大豆去离子水浸泡(1∶6 w/v,g/mL,18 h)→磨浆(1∶9 w/w)→过滤→收集固体豆渣→烘干(60 ℃)→粉碎过筛(100 目)备用。

豆渣中水分、灰分、粗蛋白和粗脂肪测定根据AOAC方法[16],膳食纤维含量测定根据AACC方法[17]。

1.2.2 生物酶法豆渣/面粉混合物的制备 将生物酶法豆渣与小麦面粉以一定比例混合均匀,在预试验的基础上,当豆渣粉的添加量不超过总面粉的50%时,豆渣饼干的感官评分在可接受范围内。因此将豆渣粉添加量分别设定为0%、10%、20%、30%、40%、50%,分别标号为样品0～5。

1.2.3 微观结构观察 将上述1.2.2中样品0～5溶于蒸馏水制备成10%(w/v)悬浮液,分别于常温和95 ℃恒温15 min后取出,取一滴于载玻片,并滴加0.1 mol/L碘液,附上盖玻片,置于光学显微镜下观察,并采集图像[18]。

1.2.4 豆渣饼干的制备及体外模拟消化模型的建立 饼干制备:将10 g糖、30 g奶粉、0.5 g盐、30 g黄油、60 g鸡蛋液混合,电动搅拌机搅拌2 min使其混合均匀,然后加入100 g不同豆渣比例过筛混合粉,揉成面团,捆压成型,180 ℃条件下烘烤15 min。烘烤结束后,将饼干冷却至室温,备用,分别标号为豆渣饼干样品A～F。本实验体外消化模型的建立包括胃部和肠部两部分[19]。为保持每个消化体系中淀粉含量相同,分别取豆渣饼干样品A～F 6种样品质量为500、555.6、625、714.3、833.3、1000 mg。

胃部消化:将6种不同豆渣比例的饼干样品A～F研磨过筛(40目)制备成粉,并将饼干粉分别均匀溶解于10 mL模拟胃液中(模拟胃液:0.9 mmol/L H3PO4、3 mmoo/L CaCl2、0.1 mol/L HCl、0.15 mol/L NaCl、16 mmol/L KCl,pH2.5),加入3.6%(w/v)胃蛋白酶,37 ℃水浴振荡(170 r/min)模拟胃部消化60 min。

肠道消化:用已预热至37 ℃的模拟肠液将胃部消化液pH调至6.5,从而进行下一步肠道消化模拟(模拟肠液:0.7 mmol/L Na2HPO4,0.49 mmol/L MgCl2,4.56 mmol/L KCl,1.5 mmol/L NaH2PO4,54.46 mmol/L NaCl,80.36 mmol/L NaHCO3),加入6 mg胰蛋白酶,65.9 mgα-淀粉酶和40 μL糖化酶,37 ℃水浴振荡(170 r/min)分别处理0、10、20、30、60、90、120、150、180和240 min,加入10 mL 10%三氯乙酸(TCA)停止反应,将反应液离心(500 r/min)取上层清液测定葡萄糖值。

1.2.5 淀粉水解率及RDS、SDS、RS含量的测定 分别取0、10、20、30、60、90、120、150、180及240 min反应后肠道消化液0.5 mL测定还原糖浓度。采用3,5-二硝基水杨酸法(DNS)测定淀粉消化率。以葡萄糖做标准曲线,还原糖含量以葡萄糖计算。葡萄糖标准曲线为:y=0.508x-0.041

式中,y代表葡萄糖浓度(mg/mL),x代表吸光值(540 nm波长条件)。

淀粉水解率为淀粉水解量占淀粉总量(Total Starch,TS)的百分比。

根据测得的葡萄糖的质量浓度计算取样点的水解率。其中葡萄糖淀粉转换系数为0.9,可通过以下公式计算[20]:

TS=(G240-G0)×0.9

淀粉水解率(%)=(Gt×0.9/TS)×100

式中,TS为总淀粉质量,mg;G240为反应240 min时反应液中葡萄糖含量,mg;G0为反应0 min时反应液中葡萄糖含量,mg;Gt为取样时间点反应液中葡萄糖含量,mg。

根据消化速率不同,消化淀粉通常分为快速消化淀粉(Rapidly Digestible Starch,RDS)、慢速消化淀粉(Slowly Digestible Starch,SDS)和抗性淀粉(Resistant Starch,RS)。RDS、SDS和RS含量可通过以下公式计算[21]:

式中,G0为反应0 min时反应液中葡萄糖含量,mg;G20为反应20 min时反应液中葡萄糖含量,mg;G120为反应120 min时反应液中葡萄糖含量,mg。

1.3 数据处理

实验数据通过数据分析系统软件对数值进行差异显著性分析(P≤0.01表示极显著,P≤0.05表示显著,P≥0.05表示不显著)。每个试验重复3次,采用Origin 8.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 豆渣及生物酶法豆渣/面粉混合物成分分析

注：表中不同大写字母表示生物酶法豆渣与普通豆渣成分存在显著性差异(P<0.05)，用A、B表示；不同小写字母表示生物酶法豆渣/小麦面粉混合物成分存在显著性差异(P<0.05)，用a、b、c、d、e、f表示。同一行中右上角标相同者无显著性差异，不同者有显著性差异(P<0.05)。

生物酶法豆渣的营养组成如表1所示,并将其与普通豆制品豆渣进行对比。虽然两种豆渣的加工工艺存在差异,但灰分和蛋白质含量变化不显著(P>0.05)。生物酶法豆渣中粗脂肪含量较普通豆渣明显减少,粗纤维含量增加,特别是可溶性纤维的含量存在显著不同(P>0.05)。生物酶法豆渣中可溶性膳食纤维含量约29.78%(干基),要高于普通豆渣的27.89%(干基)。这可能是原料经生物酶法提油挤压工艺可有效提高其水溶性膳食纤维含量。Lu等[15]发现普通豆渣中含有58.60%的总膳食纤维,其中仅有1.91%的可溶性膳食纤维,其余55.63%均为不溶性膳食纤维;Chen等[22]通过挤压膨化将豆渣中水溶性膳食纤维含量从2.6%增加到30.1%。随着生物酶法豆渣添加量从0增加到50%,生物酶法豆渣/小麦面粉混合物中的淀粉含量从63.06%显著(P<0.05)降低到26.48%,这与Park等[23]研究的结果趋势相同。随着生物酶法豆渣添加量的不断增多,小麦淀粉含量减少,生物酶法豆渣/小麦面粉混合物的灰分、蛋白质及纤维含量显著增加(P<0.05),膳食纤维较高的亲水性使得体系中自由水的含量有所减少[24],但水分含量逐渐降低。以上结果表明生物酶法豆渣不仅富含可溶性膳食纤维,同时还能有效降低生物酶法豆渣/面粉混合物中淀粉含量,因此将生物酶法豆渣作为一种新型饼干的原材料具有一定研究价值。

2.2 生物酶法豆渣对小麦淀粉微观结构的影响

生物酶法豆渣与小麦面粉混合物加热前后微观结构变化如图1所示。结果显示,对比热处理前后生物酶法豆渣、小麦面粉复合体系的形貌结构,常温下小麦淀粉颗粒比较完整,单粒存在,但是热处理的小麦淀粉的颗粒结构基本消失,这可能是由于淀粉糊化造成的颗粒膨胀破裂,颗粒结构消失。热处理后淀粉颗粒糊化后崩解消失成糊状结构,生物酶法豆渣依旧存在,这说明生物酶法豆渣可以存在于小麦淀粉糊中,但以物理混合为主,不能达到分子水平上的混合,淀粉糊包裹着豆渣可使豆渣在淀粉糊体系中均匀分散。这些结果与许维娜等[18]研究马铃薯淀粉与豆渣混合体系结果一致,其研究发现豆渣及膳食纤维与马铃薯淀粉混合体系在糊化前后共存的形貌状态,即糊化前后在共存体系中都能观察到豆渣和膳食纤维的存在,说明主要是以物理混合为主。此外,在小麦面粉与生物酶法豆渣混合体系中,不同的聚合物会对彼此产生相互作用,豆渣会作为一种惰性填料打乱淀粉结构[25]。当加入的生物酶法豆渣浓度较低时,豆渣分散在淀粉网状结构中,并保持其完整性;随豆渣含量的增加,生物酶法豆渣会对小麦淀粉的网络结构造成一定的破坏。

图1 生物酶法豆渣与小麦面粉混合物加热前后微观结构Fig.1 The microstructures of residues and wheat flour before and after heating注:样品0～5为常温处理,样品H0～H5为加热处理,生物酶法豆渣添加量分别从0%增加至50%。

2.3 生物酶法豆渣对小麦淀粉水解率的影响

图2描述了不同生物酶法豆渣添加量的饼干在体外模拟消化模型中淀粉水解率随时间的变化。淀粉在0～90 min内水解速度迅速上升,饼干样品A～F的淀粉水解率分别达到69.63%、60.56%、61.07%、60.65%、56.69%、51.75%,这是由于豆渣比例的增加,作为一种惰性填充剂,破坏淀粉网状结构,阻碍淀粉的水解过程;之后水解率缓慢增加至平衡,这是由于淀粉经过高温糊化后,只有部分形成淀粉晶体结构,溶胀度降低,最终水解消化率趋于稳定。结合葡萄糖释放率以及淀粉的水解速率可以说明,生物酶法豆渣具有减缓消化速率,降低水解速率的特点,这是由于生物酶法豆渣可溶性膳食纤维在水解体系中形成粘性较好的液体,对淀粉颗粒的包埋作用导致消化酶不易接触淀粉颗粒,从而降低淀粉的消化水解率。这一结果与Schuchardt等[26]的研究结果是一致的,他们发现,加入适量膳食纤维的饼干在体内消化30、45和60 min后,血糖百分比分别为24.5、12.7和2.8 mg/dL,显著低于对照的白面包(37.9、32.1 and 18.1 mg/dL)。Grundy等[27]认为食物的血糖效应取决于食品的质地和颗粒大小,如食品中的淀粉类型、食品加工过程和糖、脂肪、蛋白质、膳食纤维及抗营养因子等其他成分。

图2 生物酶法豆渣添加量对淀粉水解率的影响Fig.2 Profile of in vitro starch hydrolysis in biscuits substituted with different levels of residues

2.4 RDS、SDS和RS含量的计算

RDS、SDS和RS的含量如图3所示。由图3可知,同一生物酶法豆渣添加量的饼干RDS含量均高于SDS含量,这是由于高温烘烤使得淀粉的微观结构几乎被完全破坏,淀粉的超分子结构几乎不存在,导致原生淀粉的SDS大幅度减少从而低于RDS[28]。随着生物酶法豆渣添加量的增加,样品A～F 6种生物酶法豆渣饼干中RDS含量显著减少(P<0.05),SDS和RS含量显著增加(P<0.05)。SDS和RS含量分别由13.74%、32.07%增加至28.68%、39.48%,RDS含量由54.32%降低至29.03%。这一结果的出现可能有以下几个原因:生物酶法豆渣的存在使得食品组分体系更加复杂,高温烘焙使饼干淀粉糊化后重结晶,淀粉颗粒陷入面筋蛋白-纤维-淀粉基质形成的致密网络体系中,导致淀粉颗粒水解释放葡萄糖缓慢,从而使SDS及RS含量增加[29];随着生物酶法豆渣添加量的增加,饼干体系中水分含量相对减少,淀粉糊化不完全,原生淀粉的存在提高了SDS的含量[30]。

图3 生物酶法豆渣添加量对饼干中RDS、SDS以及RS含量的影响Fig.3 Effect of addition of residues of enzyme-assisted aqueous extraction process on RDS SDS and RS content in biscuits注：字母不同表示不同浓度间的差异显著P<0.05。

3 结论

综上所述,生物酶法豆渣可溶性膳食纤维含量丰富,随生物酶法豆渣添加量的增加,小麦淀粉含量减少,生物酶法豆渣/小麦面粉混合物的灰分、粗蛋白及纤维含量显著增加(P<0.05),水分含量逐渐降低。当加入的生物酶法豆渣浓度较低时,豆渣分散在淀粉网状结构中,并保持其完整性;随豆渣含量的增加,生物酶法豆渣会对小麦淀粉的网络结构造成一定的破坏。对比热处理前后生物酶法豆渣、小麦面粉复合体系的形貌结构,常温下小麦淀粉颗粒比较完整,单粒存在,但是热处理的小麦淀粉的颗粒结构基本消失。同时随着生物酶法豆渣添加量的增加,淀粉的水解率显著减小(P<0.05),SDS和RS含量分别由13.74%、32.07%增加至28.68%、39.48%,快速消化淀粉含量由54.32%降低至29.03%。因此将生物酶法豆渣作为一种直接食用原材料用于饼干制作,可以生产一种健康的高膳食纤维饼干。