蕓豆渣膳食纖維超聲輔助酶法提取工藝優(yōu)化及特性研究

張艷莉 王 穎 王 迪 佐兆杭 劉淑婷

(1. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 大慶 163319； 2. 國家雜糧工程技術(shù)研究中心，黑龍江 大慶 163319)

奶白花蕓豆(light speckled kidney bean)是黑龍江省盛產(chǎn)的地標(biāo)性雜豆[1]，營養(yǎng)豐富，藥用價(jià)值高。富含皂甘、尿毒酶和多種球蛋白等特有功能因子，可促進(jìn)DNA合成，增強(qiáng)免疫力[2]。豆渣是雜豆制品的加工副產(chǎn)物，常被當(dāng)作農(nóng)產(chǎn)品廢棄物以飼料化、肥料化及能源化處理[3-4]。研究[5-6]表明，豆渣干物質(zhì)中富含膳食纖維、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)和其他甾醇類化合物等。現(xiàn)階段有關(guān)大豆豆渣的研究相對成熟，但對于蕓豆豆渣的研究[7]甚少且未見有關(guān)蕓豆渣膳食纖維的相關(guān)研究報(bào)道。

膳食纖維根據(jù)其溶解性分為水溶性膳食纖維(soluble dietary fiber，SDF)和水不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber，IDF)，豆渣膳食纖維因其獨(dú)特的膨脹性、發(fā)酵性等物化特性而呈現(xiàn)出不同的生理功能[8]。如控制體重，預(yù)防肥胖癥；降血脂，預(yù)防心血管疾病[9]；改變消化道的pH值、滲透壓，降血糖，預(yù)防糖尿病[10]；改善腸道菌群及其他物化特性和生理功能[11]。目前，常見的膳食纖維提取方法分五大類：化學(xué)提取[12]、物理提取[13]、酶法提取[14]、發(fā)酵法提取[15]及復(fù)合提取。張祖姣等[16]采用酶法輔助堿液的復(fù)合方法提取生姜?dú)堅(jiān)蠸DF，研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合的提取方法比單一提取方法得率高出4.7%。陸紅佳等[17]研究了超聲輔助堿法提取姜渣中IDF，最佳工藝條件下，IDF得率達(dá)54.14%，較前人單一堿法提取有所提高。試驗(yàn)擬以奶白花蕓豆豆渣為原料，參照前人[18-20]的成果采用超聲輔助堿性蛋白酶和耐高溫α-淀粉酶法提取膳食纖維，以期為蕓豆膳食纖維的功能性研究提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗(yàn)材料

奶白花蕓豆豆渣：黑龍江省漠河市新建村；

石油醚、乙醇、氫氧化鈉、鹽酸：分析純，大慶高新區(qū)錦晟鑫經(jīng)貿(mào)有限公司；

堿性蛋白酶(酶活2×105U/g)、耐高溫α-淀粉酶(酶活2×104U/mL)：上海通蔚實(shí)業(yè)有限公司。

1.1.2 儀器設(shè)備

數(shù)顯型實(shí)驗(yàn)室攪拌機(jī)：LABSJB-450型，常州勵(lì)岸寶機(jī)械設(shè)備科技有限公司；

超聲波清洗機(jī)：DL-360B型，上海之信儀器有限公司；

冷凍干燥機(jī)：FD-1A-50型，上海之信儀器有限公司；

高速超微粉碎機(jī)：YC-04B型，廣州金本機(jī)械設(shè)備有限公司；

電熱恒溫干燥箱：DGG-9140A型，上海貝侖儀器設(shè)備有限公司；

臺式多用途高速離心機(jī)：JIDI-18D型，廣州吉迪儀器有限公司；

傅里葉變換紅外光譜儀：FTIR-1500型，中世沃克(天津)科技發(fā)展股份有限公司。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程

1.2.2 操作要點(diǎn)

(1) 豆渣預(yù)處理：將豆渣烘干(50～60 ℃)至恒重，粉碎30 s左右后過40目篩備用。

(2) 脫脂：豆渣與石油醚按料液比1∶5(g/mL)混勻，攪拌脫脂4～6 h，按上述條件脫脂兩次。

(3) 脫蛋白：準(zhǔn)確稱取10 g脫脂后的豆渣粉，按料液比1∶10(g/mL)加入蒸餾水，用氫氧化鈉調(diào)pH至8～9，加入1.0%堿性蛋白酶[21]，在超聲輔助下酶解蛋白質(zhì)。

(4) 脫淀粉：用鹽酸調(diào)pH至5.5，加入20 μL耐高溫α-淀粉酶[22]，在超聲輔助下酶解淀粉。

(5) 滅酶：121 ℃,15 min。

(6) 離心：4 000 r/min,15 min。

(7) 分離IDF和SDF：用蒸餾水沖洗濾渣至中性，55 ℃ 干燥6～8 h得IDF；35～40 ℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮濾液至20 mL，5倍體積的乙醇醇沉12 h后抽濾，絮狀物清洗至中性后，冷凍干燥12 h得SDF。于冰箱4 ℃保存。

1.2.3 IDF和SDF提取率的計(jì)算 按式(1)計(jì)算IDF或SDF提取率。

(1)

式中：

c——IDF或SDF提取率，%；

m1——提取的IDF或SDF質(zhì)量，g；

m2——樣品質(zhì)量，g。

1.2.4 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1) 超聲溫度對SDF和IDF提取率的影響：控制超聲時(shí)間30 min，超聲功率200 W，考察超聲溫度(50，55，60，65，70 ℃)對SDF和IDF提取率的影響。

(2) 超聲時(shí)間對SDF和IDF提取率的影響：控制超聲溫度60 ℃，超聲功率200 W，考察超聲時(shí)間(20，25，30，35，40 min)對SDF和IDF提取率的影響。

(3) 超聲功率對SDF和IDF提取率的影響：控制超聲溫度60 ℃，超聲時(shí)間30 min，考察超聲功率(100，150，200，250，300 W)對SDF和IDF提取率的影響。

1.2.5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以超聲時(shí)間、溫度及功率3個(gè)因素為正交試驗(yàn)因素，設(shè)計(jì)L9(33)正交表，以IDF和SDF的提取率為考察指標(biāo)，通過正交試驗(yàn)進(jìn)行結(jié)果分析，確定最佳超聲提取工藝。

1.2.6 基本結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)的測定

(1) 傅里葉紅外光譜：稱約2 mg樣品，KBr壓片法樣品壓片，4 000～400 cm-1紅外光譜范圍內(nèi)掃描。將充分干燥膳食纖維粉末與KBr按質(zhì)量比1∶100混勻測定[21]。

(2) 持水力：準(zhǔn)確稱樣品1.000 g 溶解于100 mL離心管，(25±2) ℃下攪拌30 min，靜置1 h，4 000 r/min離心10 min，傾去上清液，甩干稱重，按式(2)計(jì)算持水力。

(2)

式中：

c——持水力，g/g；

m1——樣品濕重，g；

m2——樣品干重，g。

(3) 膨脹力：準(zhǔn)確稱取干燥樣品0.100 0 g，置于10 mL 量筒內(nèi)，移液管準(zhǔn)確移取5.00 mL蒸餾水加入其中，振蕩均勻，在(25±2) ℃下放置24 h，然后讀取量筒中不溶性膳食纖維的體積，按式(3)計(jì)算膨脹力。

(3)

式中：

c——膨脹力，mL/g；

v1——膨脹后樣品體積，mL；

v2——干品體積，mL；

m1——樣品干重，g。

(4) 持油力測定：精確稱取1.00 g樣品于50 mL離心管中，加入20 mL大豆油，混勻，每隔5 min攪拌一次，0.5 h后，將混合物在1 600 r/min下離心25 min，除上層油液，殘?jiān)Q重。按式(4)計(jì)算持油力。

(4)

式中：

c——持油力，g/g；

m1——樣品濕重，g；

m2——樣品干重，g。

1.2.7 數(shù)據(jù)處理 采用Excel處理原始數(shù)據(jù)，利用Origin 18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析。試驗(yàn)重復(fù)3次。

2 結(jié)果與討論

2.1 提取工藝優(yōu)化

2.1.1 超聲溫度對提取率的影響 超聲溫度對SDF和IDF提取率的影響如圖1所示。隨溫度升高，SDF和IDF的提取率遞增，達(dá)60 ℃時(shí)DF提取率達(dá)到最高，之后隨溫度升高提取率快速下降，其中SDF下降趨勢更明顯。推測適宜的溫度有利于打破纖維素與半纖維素間的氫鍵[22]，過高的溫度使大分子多糖不易溶出，導(dǎo)致提取率降低。

圖1 超聲溫度對膳食纖維提取率的影響

2.1.2 超聲功率對提取率的影響 超聲功率對SDF和IDF提取率的影響如圖2所示。隨著功率增加，IDF和SDF提取率呈上升趨勢，到達(dá)200 W時(shí)，提取率最大；隨功率繼續(xù)增加，提取率開始下降，SDF的下降速度較IDF更為明顯。推測超聲的共振作用和空化效應(yīng)會(huì)影響膳食纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，超聲波功率較高時(shí)機(jī)械剪切作用會(huì)破壞單糖的鏈，因此SDF提取率波動(dòng)更顯著。

2.1.3 超聲時(shí)間對提取率的影響 超聲時(shí)間對SDF和IDF提取率的影響如圖3所示。隨時(shí)間增加，提取率呈現(xiàn)緩慢增加趨勢，在25～30 min時(shí)提取率上升趨勢最明顯，30 min后提取率有所下降，可能是膳食纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)被打開，使果膠、低聚糖等單糖物質(zhì)溶出，時(shí)間增加，提取率緩慢下降。考慮成本因素，確定30 min為最佳超聲時(shí)間。

圖2 超聲功率對膳食纖維提取率的影響

圖3 超聲時(shí)間對膳食纖維提取率的影響

2.1.4 正交試驗(yàn) L9(33)正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1，正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。Rj值越大表明該因素水平對指標(biāo)影響越大，IDF和SDF提取率影響因素的主次順序都為A>B>C，最優(yōu)超聲提取工藝為A2B1C3，即超聲溫度60 ℃、超聲時(shí)間25 min、超聲功率250 W。按該條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，得到奶白花蕓豆IDF的平均提取率為60.11%，SDF的平均提取率為5.63%。

表1 L9(33)正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.2 膳食纖維的結(jié)構(gòu)表征

對最優(yōu)工藝提取的奶白花蕓豆膳食纖維進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征見圖4。由圖4可看出，IDF在3 421.26 cm-1處有特征吸收峰，是由O—H伸縮振動(dòng)產(chǎn)生；在2 925 cm-1處有明顯吸收峰，表明有C—H存在；在2 500～1 000 cm-1間有吸收峰，是由C═C伸縮振動(dòng)及C—H彎曲振動(dòng)引起，有研究[23-24]表明纖維素、半纖維素類物質(zhì)在3 500～1 000 cm-1間有吸收峰。SDF在3 420.55 cm-1處有特征吸收峰，表明有—OH存在；在3 000～1 300 cm-1間有明顯的吸收峰，是由C═O伸縮振動(dòng)產(chǎn)生；在1 300～1 000 cm-1間也有吸收峰，表明有—C—O—C的存在，半乳糖、鼠李糖等單糖在3 300～2 500 cm-1和1 700～650 cm-1間都有吸收峰，說明所提取的可溶性膳食纖維中有單糖類物質(zhì)的存在。

圖4 奶白花蕓豆SDF和 IDF的紅外光譜圖

2.3 膳食纖維的理化性質(zhì)

以最優(yōu)超聲條件提取的奶白花蕓豆膳食纖維為測定樣本，測得樣品的指標(biāo)如下：IDF的持水力為3.922 g/g，SDF的持水力為5.750 g/g；IDF的持油力0.68 g/g，SDF的持油力1.37 g/g；IDF的膨脹力為5 mL/g，SDF的膨脹力為2 mL/g。可見奶白花蕓豆水溶性膳食纖維的持水力和持油力明顯高于水不溶性膳食纖維，與Kaya等[25]對雜豆膳食纖維性質(zhì)的研究結(jié)果一致，因?yàn)樗苄陨攀忱w維中含有的果膠、多糖等物質(zhì)具有可以包裹水和油脂的三鍵和羰基等組分，使其具有更好的持水性和持油性。

3 結(jié)論

通過單因素試驗(yàn)選出最優(yōu)水平，由L9(33)正交試驗(yàn)得出最優(yōu)超聲工藝：超聲溫度60 ℃、時(shí)間25 min、功率250 W，此條件下所得膳食纖維提取率最高，奶白花蕓豆水不溶性膳食纖維提取率為60.11%，水溶性膳食纖維的提取率為5.43%。所得水溶性膳食纖維的持水力和持油力均高于水不溶性膳食纖維，分別為5.75，1.37 g/g，而水不溶性膳食纖維的膨脹力明顯優(yōu)于水溶性膳食纖維，為5 mL/g。紅外光譜表明，奶白花蕓豆水不溶性膳食纖維中含有纖維素和半纖維素類物質(zhì)，水溶性膳食纖維中含有半乳糖、鼠李糖等功能因子。膳食纖維中水溶性膳食纖維的含量高于10%為優(yōu)質(zhì)膳食纖維，因此后期可研究對豆渣進(jìn)行改性以提高其水溶性膳食纖維的含量。