高能机械处理方法对大豆不溶性膳食纤维结构及理化特性的影响

陈秉彦,林晓姿,李维新,林晓婕,郑宝东,何志刚,*

(1.福建省农业科学院农业工程技术研究所,福建福州 350001;2.福建省农产品(食品)加工重点实验室,福建福州 350003;3.福建农林大学食品科学学院,福建福州 350002)

豆渣作为大豆加工副产物,来源广泛,价格低廉,富含不溶性膳食纤维。开发豆渣不溶性膳食纤维作为加工配料可以提高食品的营养价值,对促进人体肠道蠕动、降低胆固醇、增加饱腹感、减少热量摄入具有积极作用[1-2]。然而,豆渣纤维质地粗糙、与食品物料亲和性差,口感不佳[3],严重限制其作为配料在食品加工中的应用。因此,降解不溶性膳食纤维结构形成个体粒径为亚微米级或纳米级的颗粒,对改善膳食纤维的加工特性至关重要。

近年来,采用硫酸或TEMPO氧化降解是制备微细化膳食纤维的主要方式[4-5]。有研究表明,长径比小的膳食纤维通常具有较高的结晶度,适合作为聚合物基质的填充颗粒,提高食品凝胶的机械强度[6];而长径比高的膳食纤维具有大的比表面积,显示出良好的表面吸附能力,在食品功能活性成分包埋方面极具潜力[7]。然而,化学法所产生的酸碱废液处理成本高,易污染环境,生产过程中无法完全除尽等缺点,会影响到最终产品的色泽,风味以及安全性[8-9]。因此,通过物理加工破碎生产微细化膳食纤维是当前国内外研究的新趋势。

微射流均质与振动球磨是两种代表性的高能机械降解方法,具有高效、快速、无污染等特点,适合应用于微细化膳食纤维的工业化生产[10-11]。振动球磨通过钢珠小球与震击器表面摩擦产生的剪切力降低膳食纤维的粒径,属于机械干法降解。微射流均质技术则是利用高压射流携带膳食纤维通过特殊孔道,发生相互碰撞来实现细化过程,属于机械湿法降解。不同种类的高能机械降解方式对膳食纤维的结构与理化特性可能会产生明显差异。但目前,对于机械湿法降解与机械干法降解后大豆膳食纤维的结构及理化特性间的差异研究却少有报道。本研究通过碱法提取大豆膳食纤维,分别利用高频振动球磨与微射流高压均质技术细化大豆膳食纤维,研究了两种不同类型的高能机械处理对大豆膳食纤维结构及理化特性的影响,其研究结果可为物理法改性并制备微细化大豆膳食纤维提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

大豆渣(以干重记,淀粉含量为6.1%,蛋白含量为5.8%,脂肪含量为15.3%,膳食纤维含量为59.8%,灰分为5.2%) 市售大豆磨浆后所得;碱性蛋白酶 20万 U/g,江苏锐阳生物科技有限公司;耐高温α-淀粉酶 2万U/g,山东科隆特酶制剂有限公司;溴化钾 光谱纯,默克生物试剂公司;其他化学试剂 均为国产分析纯。

GM-200德国莱驰刀式研磨仪 弗尔德仪器仪器有限公司;SPCH-35超高压纳米均质机 英国STANSTED仪器公司;GT-200型振动球磨仪 北京格瑞德曼仪器设备有限公司;FD5-3型冷冻干燥机 美国SIM公司;Mastersizer 3000激光粒度仪 英国马尔文仪器公司;G2 F20透射电镜 美国Tecnai仪器公司;布鲁克TENSOR II型傅里叶红外光谱仪 德国布鲁克仪器有限公司;D/MAX 2200PC型广角X射线衍射仪 日本Rigaku仪器公司;MCR301型安东帕流变仪 奥地利安东帕仪器公司。

1.2 实验方法

1.2.1 大豆不溶性膳食纤维的提取 大豆不溶性膳食纤维(soybean insoluble dietary fiber,SIDF)的提取参考Ullah等[12]的提取方法,粉碎过筛的豆渣粉→石油醚脱脂(固液比50 g/L,50 ℃,振荡过夜)→抽滤→除淀粉(淀粉酶添加量0.5 g/100 g,80 ℃,1 h)→抽滤→添加5%氢氧化钠溶液(固液比为50 g/L)→除去半纤维素与木质素(60 ℃,振荡1.5 h)→离心,调节pH为9.5→酶解除蛋白(添加量为0.2 g/100 g,50 ℃,振荡3 h)→离心,水洗,分离→冷冻干燥→得到不溶性膳食纤维。

1.2.2 微细化膳食纤维的制备 根据符群等[13]的方法,并略做修改,对大豆不溶性膳食纤维进行两种高能机械方法降解。

微射流均质处理:配制1.5%浓度的膳食纤维悬浮液,进行微射流均质处理,处理压力为200 MPa,循环次数为5次,处理后的样品冻干,密封包装,命名为均质细化的大豆不溶性膳食纤维(homogenized soybean insoluble dietary fiber,H-SIDF)。

振动球磨处理:将膳食纤维置于球磨仪的不锈钢容器中,放入振动磨球,进行球磨处理,处理频率为1800 r/min,处理时间为3 min,研磨5次,处理后的样品密封包装,命名为球磨细化的大豆不溶性膳食纤维(milled soybean insoluble dietary fiber,M-SIDF)。

1.2.3 微细化膳食纤维的微观形态观察 采用场发射透射电镜观察H-SIDF与M-SIDF的微观形态,利用粒度仪测定粒径大小。将浓度为0.05%的微细化膳食纤维悬浮液,滴入导电载物平台上,自然风干后,置于场发射透射电镜中,抽真空后进行观察;之后,以水溶液为分散剂,将样品完全分散于分散器达到遮光度后,进行粒度测试。

1.2.4 微细化膳食纤维的红外光谱测试 采用红外光谱对膳食纤维的指纹区进行扫描,分析了H-SIDF与M-SIDF表面基团差异。取50 mg纤维素粉末与已烘干的光谱纯溴化钾混合,混合比例为1∶20,快速撵磨后压片放置于样品室中进行扫描,扫描波数为800～2000 cm-1,扫描次数为32次,分辨率为4 cm-1。

1.2.5 微细化膳食纤维的晶体结构测试 采用广角X射线衍射对H-SIDF与M-SIDF的晶体结构进行分析。测定参数为:特征射线Cu Kα(λ=1.5406 Å),管压40 kV,电流200 mA,测量角度2θ=0～35 °,扫描速率为8 °/min。样品的相对结晶度通过jade拟合峰面积进行计算。纤维素结晶度CI参考Segal等[14]的测试方法,计算公式如下:

其中,I200是指衍射角2θ=22 °对应的衍射峰强度;Iam表示衍射角在2θ=15～22 °之间的峰谷衍射强度(at 2θ=18 °)。

1.2.6 微细化膳食纤维的持水性及持油性测定 参考Luo等[15]的测定方法,并稍作修改。分别称取1 g微细化膳食纤维分散于20 mL去离子水或花生油中,置于磁力搅拌器上搅拌12 h,之后离心(4500 r/min,15 min),弃去上层清液,称量下层沉淀质量。微细化膳食纤维的持水与持油性根据公式可得:

其中,M2指离心管与沉淀总质量,g;M1指离心管质量,g;M0为称取的纤维素质量,g

1.2.7 微细化膳食纤维的流变学特性 配制浓度为5%的微细化膳食纤维溶液,置于磁力搅拌器中搅拌12 h,使膳食纤维充分吸水凝胶。取少量凝胶于流变仪载物平板上进行振幅扫描测试。测试选用转子为PP50,测试温度为25 ℃,平板夹距为0.5 mm。实验中的转速设定如下:振动频率1 Hz,应变量为0～10%,凝胶在振动过程中的模量(G′和G″)变化被记录,其中损耗角正切值为tanδ=G″/G′。

1.3 数据处理

各组实验数据均重复3次,P<0.05被认为数据之间具有显著差异;另外,实验数据统计采用DPS 9.05,实验作图采用Origin Pro 8.5。

2 结果与分析

2.1 微细化膳食纤维的粒径与形态结构

不同高能机械处理的大豆膳食纤维的微观形态与平均粒度如图1所示。SIDF呈现致密的块状形态,平均粒度为122.86 μm,比表面积为104 m2/kg。SIDF经高能机械处理后致密的块状形态发生破碎,微观形态呈现明显变化。经球磨粉碎后,M-SIDF呈现弥散状形态同时带有部分颗粒,平均粒径下降为28.06 μm,比表面积为532 m2/kg;另一方面,经微射流均质后,H-SIDF呈现致密的纤维丝状形态,平均粒径为7.34 μm,表面积增加到3341 m2/kg。这可能与H-SIDF呈现蓬松的丝状纤维形态,能够显示出更高的空间延展程度有关[16-17]。这些研究结果说明物理干法破碎与湿法破碎形成的微细化膳食纤维呈现不同的微观形态,有必要对其结构进行进一步研究。

图1 不同高能机械处理的大豆不溶性膳食纤维的微观形态与粒径分布

2.2 微细化膳食纤维的表面基团与晶体结构

不同高能机械处理的大豆膳食纤维的表面基团及主要特征峰值变化分别如图2A及表1所示。所有纤维素样品在低频指纹区域(800～1750 cm-1)与高频特征区域(2800～3600cm-1)都显示出明显的吸收峰,吸收峰的强度越大,透光率越低。经高能机械处理后,SIDF的分子间-OH的振动吸收峰[18](1645 cm-1)透光率下降,吸收强度增大。H-SIDF的羟基振动吸收强度上升明显,透光率变化为SIDF的89.20%,这说明高能机械处理能够破坏膳食纤维的分子结构,湿法微细化处理更有利于纤维素暴露出更多的亲水基团。另一方面,纤维素样品在指纹区890、1160、1430 cm-1处呈现明显的β-糖苷键吸收峰[19],且H-SIDF显示最强的非纤维素-CO弯曲振动,这说明高能机械处理并没有破坏膳食纤维的基本糖单元,但会部分降解纤维素的分子链结构。另外,研究发现SIDF经高能机械处理后高频特征区的氢键缔合峰强度(3500 cm-1)与分子间-OH的振动吸收峰强度变化一致。SIDF、M-SIDF以及H-SIDF的氢键缔合峰透光率分别为0.669、0.604以及0.558,进一步推测微细化处理可能有利于纤维素持水能力的增强。

表1 大豆微细化膳食纤维的主要红外特征峰参数及结晶度

图2 不同高能机械处理的大豆不溶性膳食纤维的红外光谱与X射线衍射图

不同高能机械处理的大豆膳食纤维的晶体结构如图2B所示。SIDF在衍射角15与22 °处呈现强烈的衍射峰,在34 °处显示较弱的衍射峰,是典型的I型纤维素晶体结构[20],SIDF的结晶度为40.98%。经过高频振动球磨处理后,M-SIDF的衍射角没有发生变化,但衍射峰强度明显下降,结晶度为21.34%,这说明豆渣纤维素的晶体结构被部分破坏。

另一方面,H-SIDF呈现出弥散的衍射峰,结晶度进一步下降为3.16%,这说明微射流均质几乎完全破坏了纤维素的晶体结构,并转变为无定型结构。Kawee等[21]研究报道发现,细菌纤维素(α-纤维素)经207 MPa的超高压作用下,纤维素的晶体类型并没有发生明显变化。因此,纤维素晶体结构的变化不仅与施加的压力有关,同时也取决于纤维素的来源。

2.3 微细化膳食纤维的持水性与持油性

不同高能机械处理的大豆膳食纤维的持水率与持油率如图3所示。SIDF的持水率与持油率分别为3.62、4.03 g/g。与SIDF相比,M-SIDF的持水率与持油率分别提高了1.18、0.51倍,为7.89、6.56 g/g;H-SIDF的持水率与持油率比较M-SIDF进一步提高,分别为未处理组的2.96、2.48倍,为10.72、9.99 g/g。此结果与微细化膳食纤维的红外光谱测试结果一致,进一步证实了高能机械处理后膳食纤维暴露的分子间羟基数量越多,能够促使纤维素的持水性能增强[22]。另一方面,研究发现微射流均质形成的膳食纤维微纤丝具有很高的持油能力,这些豆渣微细化膳食纤维的持油能力高于高压均质处理后的柑橘膳食纤维(8.65 g/g)[23]、笋壳膳食纤维(8.16 g/g)[15]以及橄榄膳食纤维(2.57 g/g)[24]。这可能与微纤丝在空间上呈现较大的比表面积有关。这些微纤丝自身的碳链骨架常表现出疏水相互作用力,在空间上相互交错具有广阔的延展面积,能够大量包裹吸附油滴[25-26],使其显示出较高的持油率。

图3 不同高能机械处理的大豆不溶性膳食纤维的持水与持油能力

2.4 微细化膳食纤维的流变学特性

为研究微细化大豆膳食纤维的流体行为,实验采用振荡模式对其流体行为进行描述。不同高能机械处理的大豆膳食纤维的应变-模量曲线如图4A所示。所有纤维素样品的初始储存模量(G′)均大于初始损耗模量(G″),表现为刚性的凝胶网络结构[27-28]。SIDF在所有样品中显示了最高的初始储存模量,说明大豆膳食纤维分子链的刚性结构最强。此结果也与红外光谱的测试结果一致,发现高能机械处理会部分降解纤维素的分子链结构。进一步研究发现,随着振荡应变分别升高至1.5%、2.1%时,SIDF与M-SIDF的储存模量开始下降,损耗模量上升。当振荡应变值分别达到4.6%、6.8%时,两者形成交点,之后损耗模量高于储存模量,这说明随着振荡应变升高,纤维素凝胶网络结构发生破裂。然而,H-SIDF的存储模量随振荡应变升高而发生的变化明显滞后,当振荡应变值达到10%时,未观察到交点形成。这些结果说明了微射流均质形成的微细化大豆膳食纤维分子链刚性程度虽然有所下降,但形成的凝胶网络却可以耐受更高的应力变化,具有更好的振荡稳定性。这与损耗角正切值(tan δ)的测试结果(图4B)一致。在高应变(10 Hz)条件下,H-SIDF凝胶的tan δ值为SIDF的20.73%,为0.45,远小于1,说明经振荡后微纤维凝胶仍表现为刚性结构。有研究表明,凝胶溶液的剪切稳定性主要取决于凝胶网络分子链排列的密集程度[29-30]。因此,H-SIDF凝胶由于丝状纤维结构在剪切过程中可能会发生相互缠绕形成较高的空间位阻,使其表现更好的振荡稳定性。

图4 不同高能机械处理的大豆不溶性膳食纤维的振荡稳定性测试

3 结论

干法机械处理与湿法机械处理后的大豆膳食纤维形态及结构差异明显,湿法微射流处理形成的微细化膳食纤维具有更加优异的理化特性。干法球磨处理后大豆膳食纤维呈现弥散形态,其颗粒粒径减少,结晶度下降,但仍表现为β-I型纤维素晶体结构。与原膳食纤维相比,这类微细化膳食纤维的持水性明显提高,但由于形成的凝胶网络强度较弱,无法抵抗剪切及振荡作用,从而在流变学特性上表现为较高的触变面积及损耗角正切值。另一方面,湿法微射流均质后的膳食纤维则呈现丝状形态,具有更小的粒径分布与更大的比表面积。微射流均质完全破坏了大豆膳食纤维的晶体结构,使其暴露出更多的分子间羟基及碳链骨架,这赋予了微细化膳食纤维更强的持水与持油能力。进一步研究发现,这类纤维素微纤丝凝胶具有更强的振荡稳定性,这可能归咎于微纤丝在应力作用下相互缠绕从而具有更高的空间位阻有关。