離子液體EMImCl處理提高豆渣中水溶性膳食纖維的研究

張 引,劉 嘉,錢貴明,樊虹霞,趙國華,2,*

(1.西南大學食品科學學院,重慶 400715；2.重慶市農產品加工技術重點實驗室,重慶 400715)

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離子液體EMImCl處理提高豆渣中水溶性膳食纖維的研究

張 引1,劉 嘉1,錢貴明1,樊虹霞1,趙國華1,2,*

(1.西南大學食品科學學院,重慶 400715；2.重慶市農產品加工技術重點實驗室,重慶 400715)

離子液體在食品物料的分離提取、分析及改性中的作用越來越得到重視和利用。本文利用纖維素在離子液體中解聚而促溶的原理,以富含水不溶性膳食纖維的食物殘渣豆渣為原料,在單因素實驗研究的基礎上,依據Box Behnken Design(BBD)設計的響應曲面實驗,以處理溫度、處理時間、料液比為考察因素,以豆渣中水溶性膳食纖維的含量為響應值,優化了氯化1-乙基-3-甲基咪唑(EMImCl)離子液體處理的工藝參數。結果表明,當處理溫度為76.4℃、處理時間為12h、料液比為1∶15g/mL時,處理效果最佳,豆渣中水溶性膳食纖維的含量可提高到11.6g/100g,遠高于原始豆渣中的6.0g/100g。方差分析表明,處理溫度和處理時間對SDF的含量影響極顯著,而料液比的影響不顯著。實測數據與預測數據之間差異不顯著表明建立的回歸模型準確可靠。

豆渣,水溶性膳食纖維,離子液體,促溶,響應曲面

膳食纖維(Dietary Fiber,DF)是一類能抵抗小腸消化吸收,而在大腸部分或全部發酵的可食用植物性成分、碳水化合物及其類似物的總稱[1]。按溶解性又可將其分為水不溶性膳食纖維(Insoluble Dietary Fiber,IDF)和水溶性膳食纖維(Soluble Dietary Fiber,SDF)[2]。我國是豆制品(豆腐、豆乳、豆干等)加工大國,每年有大量的豆渣產生。據估計,每加工1kg大豆能產生豆渣約1.1kg,我國鮮豆渣的年產量約2000萬噸[3]。目前我國豆渣的綜合利用程度很低,不到20%,除少部分作為飼料外,大部分都被直接丟棄。豆渣的高效利用問題也一直困擾著我國的豆制品企業。研究表明,干豆渣中含有近60%的膳食纖維,但其絕大部分為IDF[4],嚴重限制了豆渣在食品中的應用。

有大量研究有關提高豆渣中膳食纖維水溶性的研究,諸如物理處理[5-6],化學處理[7],酶降解和生物發酵[8-9]。離子液體(Ionic Liquids)又稱為常溫離子液體,它具有生物可降解、低毒、高熱穩定性和可回收利用等優點[10],已被廣泛用于食品物料的分離提取、分析及充當改性反應溶劑[11-13]。自2002年Rogers等人[14]研究發現纖維素能夠溶解在離子液體中之后,利用各種離子液體促溶纖維素的研究快速發展。目前,用于纖維促溶的陰離子體對包括氯化鹽和醋酸鹽,而陽離子對包括乙基、丁基、烯丙基、己基。其中,氯化1-乙基-3-甲基咪唑(EMImCl)是一種常用的離子液體。本文以富含水不溶性膳食纖維的豆渣為原料,研究利用EMImCl促溶其膳食纖維,以期為開發高品質豆渣、新型的食品物料改性方法與技術以及推進離子液體在食品工業中的應用提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

鮮豆渣 由重慶原磨豆漿生產廠家提供(水溶性膳食纖維含量為(6.0 ± 0.2)g/100g,均已干基表示);氯化1-乙基-3-甲基咪唑 上海成捷化學有限公司;蛋白酶和胰酶 美國Sigma公司;所用其它試劑均為分析純。

RE-52AA 旋轉蒸發器 上海亞榮生化儀器廠;DHG-9140電熱恒溫鼓風干燥箱 上海齊欣科學儀器有限公司;FA2004電子天平 上海恒平科學儀器有限公司;85-2A數顯恒溫磁力攪拌器 金壇市科析儀器有限公司;HH-2數顯恒溫水浴鍋 金壇市富華儀器有限公司;L535-1離心機 湖南湘儀離心機儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 豆渣前處理 將鮮豆渣用單層紗布包裹后離心(3000r/min,10min)去除大部分水分后置于50℃烘箱中干燥過夜。干燥后的豆渣簡單粉碎后用石油醚脫脂(豆渣/石油醚=1g∶4.5mL)后粉碎過60目篩,用塑料袋密閉包裝備用。

1.2.2 離子液體處理豆渣 取豆渣(0.4～2.0g)置于燒杯中,加入氯化1-乙基-3甲基咪唑10mL,在帶加熱套磁力攪拌器上加熱并攪拌(處理溫度設置20～100℃,處理時間設置3～48h)。處理結束后,向燒杯中加入40mL無水乙醇,并置于60℃水浴中沉淀1h。離心(3000r/min,10min)獲得沉淀并用無水乙醇洗至無色后,置于烘箱中在50℃下干燥過夜,而后粉碎過60目篩,用塑料袋密閉包裝待測。

1.2.3 水溶性膳食纖維(SDF)測定 SDF測定按照《食品中膳食纖維的測定》(GB/T 22224-2008)中酶重量法進行?？紤]到豆渣中淀粉的含量非常低,因此省去耐熱淀粉酶酶解的步驟[15]。

1.2.4 響應面實驗設計 結合單因素實驗結果,以離子液體處理溫度、處理時間和料液比為變量,以豆渣中SDF含量為因變量,采用BBD原理設計響應曲面優化實驗。處理溫度(X1)的實驗水平(-1、0、+1)分別為40、60、80℃;處理時間(X2)的實驗水平(-1、0、+1)分別為3、7.5、12 h;料液比(X3)的實驗水平(-1、0、+1)分別為1∶5、1∶10、1∶15g/mL。

表1 BBD實驗設計因素水平表Table 1 Independent variables and coded levels inBox-Behnken experimental design

1.3 數據處理

所有測定重復3次,數據以平均值±標準誤表示。采用SPSS16.0和Design Expert 7.0對實驗數據進行分析。用Tukey’s HSD進行方差分析(p<0.01為極顯著差異;p<0.05為顯著差異)。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 料液比對離子液體提高豆渣水溶性膳食纖維的影響 研究表明離子液體促進超分子結晶纖維素解聚而溶解的原理是纖維素分子羥基的O原子和H原子作為電子供體與電子受體與離子液體分子中的電子受體(陽離子)和電子供體(陰離子)形成電子對,從而使纖維素分子中羥基上的O原子和H原子分離,使維持纖維素超分子結晶結構的氫鍵被打開導致纖維素分子解聚而溶解[16-17]。如圖1所示,隨著料液比從1∶5g/mL增加到1∶10g/mL,豆渣中水溶性膳食纖維的含量顯著得以提高。主要原因可能是隨離子液體用量的增加,纖維素與離子液體的接觸更為容易,離子液體與纖維素分子之間的作用力得以加強,從而水溶性膳食纖維的含量得到提高[18]。當料液比從1∶10g/mL再增加到1∶25g/mL時,豆渣中水溶性膳食纖維的含量并沒有隨離子液體的用量增加而再提升。由圖1可知,料液比在1∶10g/mL以后,對于SDF的增加無顯著提高(p>0.05),故進一步優化的區間選擇1∶5～1∶15g/mL。

圖1 料液比對離子液體提高豆渣水溶性膳食纖維的影響Fig.1 Effect of ratio of Okara/IL on the SDF content in Okara

2.1.2 處理溫度對離子液體提高豆渣水溶性膳食纖維的影響 如圖2所示,隨著處理溫度的增加(25℃到100℃),豆渣中水溶性膳食纖維的含量呈現顯著性提高。這主要源于以下原因:首先,溫度升高使離子液體陰陽離子之間的作用力減弱,這同時使得離子液體與纖維素分子羥基之間的作用力得以增強;其次,在高溫下,超分子結構纖維素中的纖維素分子的移動能力增強,這能夠促進分子鏈的斷裂,即纖維素中分子內和分子間氫鍵更易斷裂[10]。但實驗研究發現,當溫度超過80℃以后,豆渣的色澤變深,且在醇沉時難于與離子液體分開,造成回收困難。究其原因主要是在溫度較高時,豆渣發生較嚴重的褐變反應,產生的褐變產物一方面導致產品變色,另一方面難于與離子液體分離。另外,Zhao等人[10]的研究發現,較高的溫度(70～90℃)會引起纖維素的降解,而更高的溫度(>100℃)會引起纖維素的嚴重降解。這與豆渣在高溫離子液體中變色也有一定的關系。豆渣在高溫處理后會產物褐變且難回收,故單因數優化區間選擇40～80℃。

圖2 處理溫度對離子液體提高豆渣水溶性膳食纖維的影響Fig.2 Effect of IL-treating temperature on the SDF content in Okara

2.1.3 處理時間對離子液體提高豆渣水溶性膳食纖維的影響 如圖3所示,當處理時間從3h延長到12h,豆渣中膳食纖維的水溶性得到明顯提升,而再增加時間(至50h)對提升豆渣中膳食纖維水溶性并無幫助(p>0.05)。因此可以得知,離子液體與纖維素分子之間形成電子對的過程在10h之內已全部完成。這與Nguyen等人的研究趨勢相似[19]。從圖3可知當處理時間超過12h后,對于SDF的增加無顯著提高(p>0.05),故進一步優化的區間選擇3～12h。

圖3 處理時間對離子液體提高豆渣水溶性膳食纖維的影響Fig.3 Effect of IL-treating time on the SDF content in Okara

2.2 模型建立及方差分析

按照BBD實驗設計,設定不同料液比、時間處理以及溫度處理的實驗結果見表2。利用表2數據多元回歸擬合獲得可用于離子液體處理膳食纖維條件控制與結果預測的二次多項回歸方程為:Y=10.22+1.250X1+0.563X2+0.063X3-0.250X1X2+0.050X1X3-0.025X2X3-0.948X12-0.022X22+0.028X32。式中Y為SDF含量(g/100g),X1、X2和X3分別為處理溫度(℃)、處理時間(h)和料液比(g/mL)。

表2 (BBD)實驗設計與結果Table 2 Box-Behnken experimental design and surface analysis

由方差分析可知(表2),模型的p值極顯著。擬合不足(Lack of Fit)檢驗的p=0.2844(p>0.05),模型失擬不顯著,未知因素對實驗結果干擾小。且R2=0.9917說明模型擬合程度良好,實驗誤差小,模型選擇合適。由此可用該模型來預測不同反應條件下EMImCl處理豆渣中水溶性膳食纖維的含量。由表2的p值可知,模型中X1、X2、X12對水溶性膳食纖維的含量影響極顯著(p<0.01)。X1X2對水溶性膳食纖維的含量影響顯著(p<0.05),說明各具體實驗因素對響應值的影響不是簡單的線性關系。

表3 回歸模型方差分析結果Table 3 Analysis of variance for the established regression model

注:**為差異極顯著(p<0.01);*為差異顯著(p<0.05)。

2.3 交互項解析

如圖4A所示,隨著處理溫度的提高,豆渣中水溶性膳食纖維的含量有較大幅度的增加,而后稍趨于平緩;在低溫時,延長處理時間,對于提升水溶性膳食纖維的含量沒有顯著幫助。但在高溫時,隨著處理時間的延長,豆渣中水溶性膳食纖維的含量一直增加,可見二者交互作用明顯(p<0.05)。圖4B所示,隨著處理溫度的的提高,豆渣中水溶性膳食纖維的含量有較大幅度的增加,而后稍趨于平緩;隨著料液比的提高,豆渣中水溶性膳食纖維的含量變化小。如圖4C所示,隨著處理時間的延長,豆渣中水溶性膳食纖維的含量一直增加,曲線陡度大;而加大料液比,豆渣中水溶性膳食纖維的含量變化不明顯。Cheng等人[20]的研究表明,通過離子液體處理后纖維素的結晶結構從I型轉化到了II型或無定型。

圖4 處理時間、處理溫度以及料液比響應面圖 Fig.4 Response surface plots showing the interactive effects of IL-treating time,IL-treating temperature and ratio/Okara to IL

2.4 工藝最優化條件及模型驗證

利用Design Expert 7.0軟件進行工藝參數的優化,并平行實施3次對其進行驗證。所得水溶性膳食纖維含量最大值對應的相關參數、預測值、驗證結果。在優化條件(處理溫度為76.4℃,處理時間為12h,料液比為1∶15g/mL)下對此優化結果進行驗證,測定豆渣中的水溶性膳食纖維為11.6%±0.3%。結果表明,實驗值為與預測值(11.5g/100g)差異不顯著(p>0.05),再次驗證了回歸方程的準確可靠性。

3 結論

利用離子液體處理可使豆渣中的SDF從原豆渣中的6.0g/100g提升到11.6g/100g,提高了接近200%。就處理條件對豆渣中SDF含量的影響來看,處理溫度與處理時間的影響達到了極顯著水平,而料液比對SDF含量的影響不顯著。交互項中處理溫度與處理時間影響顯著,二次項中處理溫度影響顯著。經最優條件下實測值檢驗,與預測值相對誤差僅為0.9%,差異不顯著,說明預測模型切實可用。本研究探索了一種能大幅度提升豆渣中水溶性膳食纖維的方法。

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Study on the increase of soluble dietary fiber inokara by ionic liquid EMImCl treatment

ZHANG Yin1,LIU Jia1,QIAN Gui-ming1,FAN Hong-xia1,ZHAO Guo-hua1,2,*

(1.College of Food Science,Southwest University,Chongqing 400715,China；2.Chongqing Key Laboratory of Agricultural Product Processing,Chongqing 400715,China)

The application of ionic liquids(IL)in separation,extraction,analysis and modification of food ingredients has gained considerable attention recently. Ionic liquid(1-Ethyl-3-methylimidazolium Chloride,EMImCl)treatment was applied to increase soluble dietary fiber(SDF)in Okara. The effect of IL-treating temperature,IL-treating time and the ratio of okara/EMImCl on the increasing SDF in Okara were also investigated. The IL-treatment on increasing SDF in Okara was optimized by response surface methodology experiment design(Box Behnken Design). The maximum SDF content(11.6g/100g),which was much higher than that in the original Okara(6.0g/100g),could be achieved when okara was treated at 76.4℃ for 12h with a ratio of okara/EMImCl of 1∶15g/mL. The variance analysis revealed that the effect of IL-treating temperature and IL-treating time on SDF content were very significant,while the ratio of okara to EMImCl presented limited effects. The resulted regression model from response surface methodology was very significant in variance analysis. No significant differences(p>0.05)between the experimental and predicted values confirmed the adequacy of the regression model.

okara;soluble dietary fiber;ionic liquid;solubilization;response surface methodology

2014-03-20

張引(1991-)，女，本科，研究方向：食品化學。

*通訊作者:趙國華(1971-)，男，博士，教授，研究方向：食品化學。

國家863項目(2011AA100805-2);國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201210635028)。

TS255.4

A

1002-0306(2015)05-0082-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.05.008