壓差式膨化加工對豆渣可溶性膳食纖維的影響

紀緒前，陳 野，高 辰，侯 強

(天津科技大學食品工程與生物技術學院，天津 300457)

豆渣是豆腐、豆腐皮、腐竹、豆奶等大豆制品加工中的主要副產物，除少部分作為飼料外，大部分作為廢料棄掉，資源浪費極大，同時又造成環境污染[1].膳食纖維被稱為“第七大營養素”，對人體健康有著很重要的生理功能[2]．但是天然來源的膳食纖維大多數為不溶性膳食纖維(IDF)，而可溶性膳食纖維(SDF)含量較低，因此提高天然膳食纖維中 SDF含量具有重要意義[3–5]．豆渣中富含膳食纖維，是一種極為理想的纖維素源[6]．壓差式膨化又稱爆炸膨化，其原理是通過瞬時高壓使物料內部水分瞬間升溫汽化、減壓膨脹，并依靠氣體的膨脹力，帶動組織中高分子物質的結構變性，從而形成具有網狀特征的多孔狀結構[7]．本文以壓差式膨化處理對豆渣可溶性膳食纖維含量及水溶性、膨脹性、持水性等理化性質的影響作研究，為豆渣的進一步開發利用提供理論依據．

1 材料與方法

1.1 材料

原料豆渣，天津濱海圣玉豆制品廠．

α–淀粉酶(AR)、糖化酶(AR)、蛋白酶(AR)，Sigma公司；無水乙醇(AR)，天津市北方天醫化學試劑廠．

QDPH–15型壓差式真空膨化設備，天津市勤德新材料科技有限公司；DSC–60A型差示掃描量熱儀，日本島津公司；JSM–6308型掃描電子顯微鏡，日本電子公司．

1.2 工藝流程

利用壓差式真空膨化設備(如圖1所示)，以特定的溫度與時間對豆渣進行膨化處理，收集膨化后的豆渣，利用高速粉碎機粉碎，過80目篩，得到膨化豆渣粉．

圖1 壓差式真空膨化實驗設備Fig.1 Experiment equipment for differential pressure explosion puffing

1.3 單因素實驗

分別以豆渣中可溶性膳食纖維含量和水分含量為指標，測定不同膨化條件處理對豆渣膨化效果的影響．

可溶性膳食纖維、總膳食纖維的測定分別采用AACC32–06 和 AACC32–07 方法[8]，水分含量的測定采用GB 5009.3—2010《食品安全國家標準食品中水分的測定》[9]方法，蛋白質含量測定采用 GB 5009.5—2010《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》[10]方法，脂肪含量測定采用GB 5009.6—2003《食品中脂肪的測定》[11]方法．

1.3.1 物料初始水分

設定物料水分為83%、70%、60%、50%，膨化溫度70,℃，處理時間 90,min進行膨化，以膨化后豆渣水分及 SDF含量為指標，測定物料初始水分對膨化效果的影響．

1.3.2 膨化溫度

設定膨化溫度為 50、60、70、80,℃，物料水分83%，處理時間90,min進行膨化，以膨化后豆渣水分及SDF含量為指標，測定膨化溫度對膨化效果的影響.

1.3.3 處理時間

設定處理時間為 30、60、90、120,min，物料水分83%，膨化溫度 70,℃進行膨化，以膨化后豆渣水分及SDF含量為指標，測定處理時間對膨化效果的影響．

1.4 豆渣物性的檢測

將不同膨化條件下所得豆渣與未經處理豆渣分別進行物性的測定[12]，并進行對比．

1.4.1 水溶性

準確稱取 0.500,g干燥至恒質量的豆渣于200,mL燒杯中，加入50,mL蒸餾水，在90,℃恒溫水浴鍋中連續攪拌30,min后，3,000,r/min離心15,min，取出上清液于105,℃烘干至恒質量，稱殘留物質量．

1.4.2 膨脹性

準確稱取 1.000,g豆渣，放入帶刻度的玻璃試管中，加入 10,mL蒸餾水，攪拌均勻后，25,℃靜置24,h，讀出豆渣此時的體積．

1.4.3 持水性

稱取 0.100,g豆渣放入燒杯中，加入蒸餾水15,mL，搖勻，在室溫下浸泡 1,h，將吸水后的豆渣樣品倒入濾紙漏斗上過濾，待水滴干后，轉移到另一表面皿稱量．換算成每克豆渣所能滯留水的質量即為豆渣的持水性．

1.5 熱穩定性分析

利用差示掃描量熱儀對原料以及產品的熱穩定性進行分析．其步驟如下：首先將物料進行干燥并粉碎過篩．稱取少量(2～5,mg)樣品置于鋁制坩堝中，然后放入壓樣機中室溫下壓蓋．將壓好蓋的坩堝轉移至差示掃描量熱儀中進行檢測．從室溫升至200,℃，升溫速率為10,℃/min，分析熱變化規律．

1.6 顯微結構觀察

將少量豆渣平鋪在導電膠上，把托盤放入離子濺射儀中噴金 90,s，采用平均電流為 15,mA，真空度為7～8,Pa，噴金結束后把托盤取出，轉移至掃描電子顯微鏡中進行掃描檢測，選用的各參數：像素為1,280×960，工作距離為 9.4,mm，加速電壓為 15,000,V，3號光闌孔，放大倍數分別為 500、1,000、2,000倍，最后將選好的圖像進行拍照并保存．

2 結果與討論

2.1 不同膨化條件對豆渣膨化效果的影響

2.1.1 物料初始水分

在膨化溫度 70,℃、處理時間 90,min條件下，測定不同物料初始水分對豆渣中 SDF與水分含量的影響，結果如圖2所示．

圖2 物料初始水分對豆渣膨化效果的影響Fig.2 Effect of initial material moisture on the puffing of soybean residue

由圖2可以看出，隨著物料初始水分的減少，膨化處理后豆渣中水分含量變化不大，SDF含量整體呈下降趨勢．當初始水分含量較高時，膨化處理產生較多的水蒸氣使罐內壓力增大，豆渣內部結構壓強隨之增加，將罐內空氣及水蒸氣瞬間抽走時豆渣結構急劇變化，形成結構疏松的泡沫狀產物．當初始水分含量較少時，膨化產生的水蒸氣較少，罐內壓力及豆渣內部壓強隨之減小，影響膨化效果，導致SDF含量降低.

2.1.2 膨化溫度

在物料初始水分83%、處理時間90,min條件下，測定不同膨化溫度對豆渣中 SDF與水分含量的影響，結果如圖3所示．

圖3 膨化溫度對豆渣膨化效果的影響Fig.3 Effect of treatment temperature on the puffing of soybean residue

由圖 3可以看出，隨著膨化溫度逐漸升高，豆渣中水分逐漸減少，當溫度上升到 60,℃以上時，隨著膨化溫度的增加水分含量基本保持不變．豆渣中SDF含量隨膨化溫度的增加逐漸增大，當溫度上升到70,℃以上時趨于平緩．

2.1.3 處理時間

在物料初始水分 83%、膨化溫度 70,℃條件下，測定不同處理時間對豆渣中 SDF與水分含量的影響，結果如圖4所示．

圖4 處理時間對豆渣膨化效果的影響Fig.4 Effect of process-time on the puffing of soybean residue

由圖 4可以看出，隨著處理時間的增加，豆渣中水分含量逐漸減小，而SDF含量逐漸增加，當處理時間超過90,min后，豆渣中水分和SDF含量基本保持不變．

2.2 膨化處理前后豆渣基本成分的比較

按照 1.3的方法，分別測定原料豆渣與 70,℃下膨化處理 90,min所得豆渣基本成分(占干基質量)的變化，結果見表1．

表1 膨化處理前后豆渣基本成分的比較Tab.1 Comparison of ingredients of soybean residue before and after the puffing

由表 1可以看出，膨化豆渣中蛋白質、脂肪和總膳食纖維的含量與原料豆渣中基本保持一致，而膨化豆渣中的可溶性膳食纖維含量與原料豆渣相比有顯著提高．由此可以看出壓差式膨化處理工藝可以有效地提高豆渣中可溶性膳食纖維的含量，提高豆渣的利用價值．

2.3 膨化處理前后豆渣物性的比較

膨化處理前后豆渣物性的比較結果見表 2．從表中可以看出，經過膨化處理后，豆渣的水溶性、膨脹性和持水性都得到了明顯的提高．

表2 膨化處理前后豆渣物性的比較Tab.2 Comparison of physical properties of soybean residue before and after the puffing

膨化豆渣水溶性的改善可能是由于豆渣經過高溫高壓以及瞬間真空條件的膨化，其中一部分不可溶的纖維素和半纖維素轉變為可溶性纖維，使其水溶性大大提高．同時，膨化罐中的高溫和積蓄的熱量使豆渣中殘存蛋白質空間結構發生變化，削弱了蛋白質之間的疏水作用，從而提高了豆渣的水溶性．

膨化后的豆渣其膨脹性要高于原料的豆渣，這可能是由于膨化處理使纖維高聚物連接鍵斷裂，使大分子物質向小分子方向裂解，增加了物料的表面積，從而提高了豆渣的膨脹性．同時，膨化工藝通過其較高的溫度和瞬時的壓力差，會使豆渣原本較為緊湊的結構變得相對疏松，增大了豆渣中顆粒的孔徑，從而提高了膨化豆渣的膨脹性．

膨化后豆渣持水性明顯提高的原因可能是膨化處理時的高溫和瞬時壓差使豆渣的結構更加疏松，提高了豆渣與水的結合能力，同時膨化處理還提高了豆渣的吸附能力，這使得豆渣具有更好的持水效果．

2.4 豆渣熱穩定性

從圖5中可以看出，經膨化處理豆渣與原料豆渣的DSC曲線趨勢基本一致．在70～80,℃表現為豆渣水分的吸熱，其后至 200,℃沒有出現吸放熱的變化，說明在 200,℃之前經膨化處理的豆渣具有熱穩定性．這對于膨化豆渣的進一步應用有著重要意義．

圖5 膨化前后豆渣DSC檢測結果的對比Fig.5 Contrast of the DSC results of soybean residue before and after the puffing

2.5 豆渣顯微結構觀察

原料豆渣與膨化豆渣放大2 000倍的SEM結果如圖6所示．

圖6 原料豆渣和膨化豆渣的SEM圖Fig.6 SEM of raw soybean residue and puffed soybean residue

從圖 6(a)可以看出，未經膨化處理的豆渣表面比較均勻光滑，而且結構比較致密，沒有明顯的斷層和破碎，而在圖 6(b)中，經膨化處理的豆渣表面粗糙，形狀不規則，有明顯的斷裂和分層，同時可以觀察到部分較小的碎片．

在膨化過程中，豆渣首先在膨化罐中受到高溫高壓作用，瞬間將膨化罐抽真空后豆渣又受到瞬時壓差作用．這些作用使得豆渣內部水分迅速汽化形成“閃蒸”[13–14]，使豆渣內部原本致密的結構變得疏松易碎．在真空條件下經過一定時間的持續加熱，豆渣內部部分纖維素和半纖維素獲得足夠的能量從而使得連接鍵斷裂，由致密的大分子結構降解為部分結構疏脆的小分子[15]．

3 結 論

對豆渣進行壓差式膨化處理，通過單因素實驗確定膨化條件為原料豆渣的膨化溫度 70,℃，處理時間90,min．經膨化處理的豆渣中可溶性膳食纖維含量為18.2%．

經膨化處理后的豆渣在水溶性、膨脹性和持水性方面較原料豆渣有明顯提高．通過 DSC分析得出膨化后的豆渣具有熱穩定性．從 SEM 圖中可以看出，經膨化處理的豆渣內部結構被破壞，部分大分子結構降解．

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