一种粗粮膳食纤维的改性及降血糖作用

杨 孜

(商洛职业技术学院,陕西 商洛 726000)

膳食纤维(dietary fiber,DF)具有一定的保健功效,包括预防心脑血管疾病、调节肠道菌群等。基于该特点,膳食纤维受到广泛重视,并被营养学界视为第七大营养元素[1]。所谓的膳食纤维,世界卫生组织的定义为“含有10个以上单体链节碳水化合物的聚合物,且它们不被人体小肠中消化酶水解”[2]。根据膳食纤维溶解性的不同,可将膳食纤维分为可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维,其中不溶性膳食纤维的主要作用是吸收水,使粪便膨胀,降低便秘发生率,但不溶性膳食纤维的利用率低一直是难题;可溶性膳食纤维中由于含有一些结构疏松的活性基团,从而提高了膳食纤维的溶解性,使可溶性膳食纤维更容易被肠道菌群利用,具有一定的保健功能。因此,相比于不溶性膳食纤维,可溶性膳食纤维的功能作用更受到人们的青睐。虽然可溶性膳食纤维功能受到人们的青睐,但是其含量低,且可溶性膳食纤维的含量一般在10%以下,因此人们提出了将不溶性膳食纤维向可溶性膳食纤维转化的方法[3-4]。目前膳食纤维的改性方法主要应用的是酶解法、微生物发酵法和化学法等。在以上方法中,酶解法得到的膳食纤维纯净度最高,且酶解程序简单,安全性高[5-9],但可溶性膳食纤维得率还有待提高。因此,本研究采用高温-酶解法对米糠膳食纤维进行改性,以期提高可溶性膳食纤维的得率。

1 实验部分

1.1 主要材料

碱性蛋白酶,夏盛固体食品级碱性蛋白酶,酶活为2×105U/mL;α-淀粉酶,夏盛固体食品级耐高温α-淀粉酶,酶活力≥1×104U/g;糖化酶,夏盛固体食品级糖化酶,酶活力≥1.2×105U/g;纤维素酶,夏盛固体食品级纤维素酶,酶活力≥1.1×104U/g;正己烷(分析纯),上海化学试剂;葡萄糖(分析纯),北京化工厂;米糠,自制。

1.2 主要仪器

BSA224S电子天平,赛多利斯;behrotest®膳食纤维测定仪,德国贝尔。

1.3 实验方法

1.3.1米糠膳食纤维改性整体试验方案

为进一步提高米糠膳食纤维中可溶性膳食纤维得率,参考部分研究者的经验,采用单因素试验和响应面板法分析了复合酶比例、酶解时间、酶解温度对米糠可溶性膳食纤维得率的影响[10]。具体因素设置见表1。

表1 单因素和正交试验方案

表1显示了单因素和正交因素的综合设置情况。在正交试验中,采用响应面板法对X1、X2、X3、X4等4个因素进行综合优化,以确定最佳的酶解工艺参数。

1.3.2米糠膳食纤维的制备

(1)先粉碎米糠,粉碎后过0.25 mm孔径筛,得筛下物。

(2)用正己烷对筛下物进行回流脱脂和干燥。干燥后的脱脂米糠按质量比1∶10的比例加入蒸馏水后,调节pH值至4.5,然后在60℃的条件下水浴120 min,以除去植酸。

(3)水浴后,在3 800 r/min的条件下离心18 min,得到沉淀物。然后将沉淀按质量比为1∶13的比例加入蒸馏水进行高温糊化30 min(糊化温度为95℃)。

(4)糊化完成后,加入α-淀粉酶,在温度为95℃,pH值为6.5的条件下酶解30 min。酶解结束后,依次加入糖化酶、中性蛋白酶进行酶解。糖化酶酶解pH值为4.0,酶解温度为60℃,酶解时间为30 min。中性蛋白酶酶解的pH值为7.0～8.0,酶解温度为60℃,酶解时间为90 min[10-11]。

(5)酶解结束后,在沸水浴中放置10 min灭酶然后进行离心(离心的参数为3 800 r/min,离心时间为18 min),得到的沉淀物在60℃的温度下真空干燥,所得物即为米糠膳食纤维。

1.3.3米糠膳食纤维的改性

(1)根据比例称取适量的蒸馏水、米糠膳食纤维,放置在装有三角瓶的高压灭菌锅中进行高温改性(温度120℃,改性时间20 min),然后灭菌完成后对改性膳食纤维进行蒸发、浓缩,得高温改性后的米糠膳食纤维[11]。

(2)将高温改性后的米糠膳食纤维进行酶解。本研究的酶解方法则采用复合酶解的方式,具体步骤为:米糠膳食纤维与蒸馏水质量比为1∶15,然后调节pH值至4.5;加入纤维素酶和木聚糖酶的复合酶后进行酶解,待酶解完成后灭酶;灭酶完成后在混合溶液中加入4倍混合溶液的无水乙醇沉淀12 h,然后进行离心,得沉淀物,最后真空冷冻干燥,得改性的米糠膳食纤维。

1.4 评价指标

1.4.1理化性质分析

改性后的米糠膳食纤维理化性质主要测定溶解性(WS)和持水性(WHC)。

1.4.1.1溶解性测定

称取0.5 g改性后的米糠膳食纤维置于50 mL的蒸馏水中,在水浴温度为90℃的条件下搅拌1 h后,冷却至室温后进行离心,得到的上清液进行干燥后称重[12],并计算溶解性。

(1)

式中,W1代表上清液冷冻干燥后的质量;W2代表称取的样品质量。

1.4.1.2持水性测定

同样称取0.5 g改性后的米糠膳食纤维置于20 mL的蒸馏水中,在温度为25℃的条件下放置24 h后进行离心,得到的沉淀物称量[13],并计算持水性。

(2)

式中,m1代表吸水前样品的质量;m2代表吸水后样品的质量。

1.4.2降血糖功能分析

参照杨梦琪等[14]的方法对改性膳食纤维的降血糖功能分析。

1.5 统计学分析

结果采用SPSS软件进行统计分析,并以P<0.05为显著差异,具有统计学意义。数据以“均值±标准差”的形式表示。

2 结果分析

2.1 米糠及脱脂后的米糠膳食纤维营养测定

根据GB 5009.3—2016标准测定米糠膳食纤维中的水分;依据GB 5009.5—2016标准测定蛋白质(凯氏定氮仪法);依据GB 5009.6—2016标准测定脂肪(索氏抽提法);依据GB 5009.4—2016标准测定灰分;依据GB 5009.9-2016标准测定淀粉含量,测定结果见表2。根据表2可知,米糠脱脂酶解制备得到的膳食纤维含量达85.33 g/100 g,显著高于未经过脱脂的米糠中的膳食纤维含。同时,米糠膳食纤维中的蛋白质、脂肪和淀粉含量低,说明脱脂制备可显著去除其中的蛋白质、脂肪和淀粉。

表2 米糠和米糠膳食纤维中的营养成分测定结果 g/100 g

2.2 米糠膳食纤维改性优化结果

2.2.1单因素实验结果

复合酶的质量比、复合酶添加量、酶解时间、酶解温度对米糠水溶性膳食纤维得率的影响结果见图1。根据图1可知,图1(a)中木聚糖酶和纤维素酶的质量比为1.5∶1时,米糠水溶性膳食纤维得率最大,这主要是由于木聚糖酶的作用,将米糠中的不溶性半纤维素降解为可溶性的纤维素。

(a)

图1(b)中的复合酶的添加量为米糠质量的2%时,米糠的水溶性膳食纤维得率最大,这可能是由于复合酶促进了纤维素的水解,生成了糖类物质,当复合酶的添加量进一步提高,将会使米糠水溶性膳食纤维的降解速度增加,降低米糠水溶性膳食纤维得率。

图1(c)中的米糠水溶性膳食纤维得率最大的酶解时间为1.5 h,而随着酶解时间的延长将会使不溶性的膳食纤维降解成为可溶性的小分子,但是酶解时间增加之后,得到的可溶性小分子质量较多,醇沉时析出不完全。因此,酶解时间延长为2 h和2.5 h,米糠的可溶性膳食纤维得率反而降低。

图1(d)中的米糠水溶性膳食纤维得率最大的酶解温度为50℃,而随着温度的升高,水溶性膳食纤维得率降低。

2.2.2响应面板法综合优化

为探究以上4种因素在改性过程中的综合影响,采用响应面板法对上述因素进行综合分析,得到图2的结果。其中因素优化方案见表3所示。

图2 膳食纤维的降血糖功能

表3 正交试验结果

通过表3的SDF指标,得出最佳酶解条件为:复合酶中木聚糖酶和纤维素酶的质量比为1.5∶1,复合酶的添加量为米糠整体质量的2%,酶解时间为1.5 h,酶解温度为50℃。

2.3 改性膳食纤维的理化性质

对米糠、脱脂米糠膳食纤维、高温改性米糠膳食纤维的理化性质进行分析,结果见表4。

表4 改性前后膳食纤维的理化性质

根据表4可知,脱脂米糠膳食纤维、高温改性米糠膳食纤维的溶解性增强,由3.73%增加到了4.61%,高温-酶解改性的米糠膳食纤维溶解度最高,这主要是由于高温-酶解改性后的米糠膳食纤维的可溶性膳食纤维含量较高,改性后的纤维重新排布,具有多孔结构,这些多孔结构可以提高改性米糠膳食纤维和水分子的接触表面积,从而吸收更多的水分子。同时改性后的极性基团和糖醛酸基团等也与水分子结合,在一定程度也提高了高温改性米糠膳食纤维的溶解度。

高温改性米糠膳食纤维的的持水性最高,其次是脱脂米糠膳食纤维。其中,持水性高代表对水分子的捕捉能力强,使得改性纤维的吸水膨胀性增加,从而可以形成体积更大的物质,最终达到促进肠道的蠕动和排便,由此可以用于功能性的保健食品中。

2.4 改性膳食纤维的降血糖功能分析

改性膳食纤维的降血糖功能结果见图2。

根据图2可知,高温-酶解改性的米糠膳食纤维的葡萄糖吸附性能最佳,脱脂米糠的葡萄糖吸附性能最低。之所以高温-酶解后的改性米糠膳食纤维的葡萄糖吸附性能提高,主要是经过改性处理之后,膳食纤维表面的空隙大,使得更多的膳食纤维功能基团被暴露,从而提高了对葡萄糖的吸附能力。由此可知,本研究改性的米糠膳食纤维具有一定的降低血糖的功能。

3 结论

综上,通过高温-酶解对米糠膳食纤维改性,其溶解性和持水性增强,降血糖的功能提高。具体结论如下:

(1)对高温-酶解的最优条件为:复合酶的质量比为1.5∶1,复合酶添加量为2%,酶解时间为1.5 h,酶解温度为50℃。

(2)米糠脱脂酶解制备得到的膳食纤维含量高达85.33 g/100 g,显著高于米糠中的膳食纤维含量。

(3)米糠膳食纤维中的蛋白质、脂肪和淀粉含量低。

(4)高温-酶解改性后的米糠膳食纤维的溶解性和持水性增强,溶解性为4.61%,持水性为7.17 g/100 g。

(5)高温-酶解改性后的米糠膳食纤维的葡萄糖吸附性更高,说明具有一定的降血糖功能。