高壓蒸煮改性春筍皮膳食纖維工藝優化

吳 蕊,陶 芹,許芳芳,吳麗萍

(黃山學院 生命與環境科學學院,安徽 黃山 245041)

春筍的主要成分包括纖維素、半纖維素、抗性淀粉、果膠、木質素等[1]。春筍具有健脾開胃、通腸排便、增強機體免疫力、開膈消痰等功效[2]。春筍皮是在春筍加工過程中產生的下腳料,膳食纖維含量非常豐富,卻往往被丟棄而造成資源浪費和環境污染。研究表明,膳食纖維(DF)分為非水溶性膳食纖維(IDF)和水溶性膳食纖維(SDF)[3]。資料顯示,膳食纖維的水溶性成分含量應達到10%以上, 可以使產品有較好的膨脹性和持水性, 如此才具備較強的生理活性和保健作用[4]。然而,在天然的膳食纖維資源中SDF含量都很少,僅為3%～4%,遠低于高品質膳食纖維要求[5]。如何提高膳食纖維的SDF含量成為近年來的重點研究方向,而提高SDF含量的有效途徑之一是改性。高壓蒸煮改性可以使膳食纖維中部分不溶性成分轉變為可溶性的,空間網絡結構由致密變得疏松,更好地發揮理化性能。因此,本文通過高壓蒸煮改性春筍皮中的膳食纖維,旨在提高春筍皮中的SDF含量。

1 材料和方法

1.1 主要材料與試劑

春筍:市售;95%酒精:天津市大茂化學試劑廠;纖維素酶、木聚糖酶:北京格源天潤生物技術有限公司;α-淀粉酶:鄭州華安食品添加劑有限公司;NaOH固體粉末:上海江萊生物科技有限公司;乙醇:天津歐博凱化工有限公司。

1.2 主要設備與儀器

分析天平:梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;高速離心機:鹽城市凱特實驗儀器有限公司;WK-800A型高速藥用粉碎機:青州市精誠機械有限公司;HH-4型數顯恒溫水浴鍋:金壇市榮華儀器制造有限公司;實驗室真空抽濾裝置500 mL:鄭州興華玻璃儀器廠;高壓蒸汽滅菌鍋:濟南百合儀器有限公司;LD電子天平:沈陽龍騰電子有限公司;HG-9132A型電熱恒溫鼓風干燥箱:上海三發科學儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 原料預處理

選取市售的新鮮春筍,取筍皮沖洗干凈,在80 ℃的鼓風干燥箱中干燥 4 h,用小型高速藥用粉碎機粉碎至 1～2 mm 的粉末,將粉末過 60～70目篩,密封留用。

1.3.2 春筍皮DF的提取工藝流程

春筍皮膳食纖維提取流程如下:春筍皮粉末—加15倍蒸餾水—攪拌均勻—加0.5%體積的纖維素酶—調節pH至中性—65 ℃水浴2 h—滅酶—0.5%體積木聚糖酶—55 ℃水浴150 min—滅酶—0.5%體積α-淀粉酶—55 ℃水浴150 min—滅酶—離心—真空抽濾—殘渣60 ℃恒溫干燥—春筍皮膳食纖維。

1.3.3 改性春筍皮SDF工藝流程

改性流程如下:春筍皮DF—加入NaOH溶液—高壓蒸煮—離心—取上清液澄清—抽濾—無水乙醇沉淀—離心—干燥—水溶性膳食纖維(SDF)。

步驟1:研究NaOH濃度對SDF含量的影響

取春筍皮DF 5 g,將蒸煮時間定為20 min,蒸煮壓力為0.15 MPa,再按1 ∶45的料液比分別加入不同濃度的NaOH溶液，混合均勻后進行蒸煮,設定NaOH溶液的濃度為0.5%、0.7%、0.9%、1.1%、1.3%、1.5%,蒸煮后的料液以4800 r/min 離心10 min,取上清液[6]。將上清液離心澄清,再用真空抽濾機進行抽濾,得到水溶性膳食纖維的溶液,然后加入15倍體積的95%乙醇溶液[7],沉淀水溶性的膳食纖維,沉淀1 h后收集離心的沉淀物,將沉淀物在65 ℃條件下干燥,即得到SDF。

步驟2:研究料液比對SDF含量的影響

取春筍皮DF 5 g,NaOH 溶液的濃度設定為1.1%, 高壓蒸煮壓力為0.15 MPa,時間為20 min,料液比分別定為1∶25、1∶35、1∶45、1∶55、1∶65、1 ∶75。按照步驟1中的方法進行處理得到SDF。

步驟3:研究高壓蒸煮時間對SDF含量的影響

取春筍皮DF 5 g,按1∶45的料液比混勻,NaOH 溶液濃度設定為1.1%,固定蒸煮壓力為0.15 MPa,高壓蒸煮的時間定為16、18、20、22、24、26 min。按步驟1中蒸煮后的料液操作步驟進行相關處理即得到SDF。

步驟4:研究高壓蒸煮的壓力對SDF含量的影響

取春筍皮DF 5 g樣品,按 1∶45的料液比混合均勻,NaOH 溶液的濃度為1.1%,高壓蒸煮時間為20 min,蒸煮壓力設為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 MPa。高壓蒸煮后的料液按照步驟1中的方法操作,最后得到SDF。

1.3.4 正交試驗

在單因素實驗確定的范圍內,以NaOH溶液的濃度、料液比、高壓蒸煮時間、壓力等四個因素為考察指標,進行相關試驗設計,因素水平(正交試驗)見表1。以SDF得率為考察指標,進行L9(34)正交試驗設計。

表1 正交試驗因素水平表

1.3.5 SDF得率的測定

用酶-重量法測定DF的含量[8],根據 GB/T 5009.88—2008《食品中膳食纖維的測定》測定SDF含量[9]。則SDF的得率計算方法為:SDF得率=(SDF重量÷DF重量)×100%。

1.3.6 掃描電鏡分析

通過電鏡在15 kV下分別觀察春筍皮膳食纖維與改性后的SDF的表面和微結構。將兩組樣品在樣品架上用雙面導電膠帶裝載,表面噴金后進行掃描觀察[10],保存圖片進行分析。

2 結果與分析

2.1 NaOH的濃度對SDF含量的影響

圖1顯示：當NaOH溶液濃度低于1.1% 時,隨著溶液濃度的增大,SDF含量增多;當高于1.1%并且濃度繼續上升時,SDF含量則相對減少;當濃度為1.1%時,SDF含量最高,達到16.76%。因此,NaOH溶液的濃度對SDF含量影響較顯著。低濃度的NaOH 溶液會導致反應不徹底,提取的SDF含量就很低;而較高濃度NaOH 溶液使膳食纖維溶解,導致SDF含量減少。考慮到污水處理及成本等因素,確定選擇較適宜的堿液濃度為0.9%～1.3%。

圖1 NaOH濃度對春筍皮中SDF含量的影響

2.2 料液比對SDF含量的影響

圖2中的曲線變化趨勢為先逐漸提高后趨于平穩。當料液比低于1∶55時,隨著料液比升高,SDF得率也逐漸提高；料液比高于1∶55之后,SDF得率維持在15.98%左右。料液比在比較低的時候,DF干粉不能充分溶解,則改性的程度低,所得的水溶性膳食纖維的含量就少;隨著料液比的提高,DF干粉已經充分溶解,SDF得率雖然緩慢增加但基本穩定在一定范圍內。為了降低處理成本,選擇最佳料液比的范圍是1∶55～1∶65。

圖2 料液比對春筍皮中SDF含量的影響

2.3 高壓蒸煮時間對SDF含量的影響

圖3顯示了不同壓力條件下SDF得率的規律，可溶性膳食纖維的得率折線是先上后下。可以看出：高壓蒸煮的時間控制在18～24 min時，得率基本穩定；在20 min時得率最大，為11.11%。恒溫時間過短,會使反應不徹底,變性不完全,提取的SDF過少;時間過長,導致物料黏度增加[11],SDF含量反而降低。因此，控制高壓蒸煮的最佳時間范圍為18～22 min。

圖3 高壓蒸煮時間對春筍皮中SDF含量的影響

2.4 蒸煮壓力對SDF含量的影響

根據圖4可知,蒸煮時的壓力對SDF得率的影響很大。壓力在0.1 MPa之下,可溶性膳食纖維的含量隨壓力的增大而增多;在壓力大于0.1 MPa后,SDF含量隨其增大而減少;在0.1 MPa時,SDF含量最大,達到9.28%。因此,選擇最適壓力范圍為0.05～0.15 MPa。

圖4 壓力對春筍皮中SDF含量的影響

2.5 正交試驗結果分析

本文在大量實驗的基礎上確定了影響可溶性膳食纖維得率的若干因素及其適宜條件,正交試驗結果如表2所示,方差分析見表3。

表2 正交試驗結果分析表

表3 正交試驗結果方差分析

根據表2、表3中的結果,比較各因素的極差R,排出因素的主次順序,極差越大,表示該因素的水平變化對試驗的影響越大[12]。影響春筍皮膳食纖維改性程度主次順序為:D>C>B>A。根據正交試驗效應曲線圖,得出最佳方案是:A2B2C3D1,即NaOH 溶液的濃度為1.1%;料液比為1 ∶55;高壓蒸煮的時間是22 min;高壓蒸煮的壓力為0.05 MPa。這個組合在試驗中并未出現,因此本文針對此項組合進行了驗證試驗。結果表明,在此組合下SDF的得率是17.99%,高于正交試驗中的最優數據,因此,用高壓蒸煮法將春筍皮中的膳食纖維改性具有一定的可行性[13]。

2.6 掃描電鏡分析

圖5展示了春筍皮膳食纖維與高壓蒸煮改性后的SDF的微觀結構。通過觀察,發現未處理的春筍有纖維感。高壓蒸煮改性后提取的春筍皮SDF,表面較為疏松,呈皮膳食纖維組織較致密,為束狀結構,呈細長絮狀顆粒狀,有孔隙,體積膨大。原因是高壓蒸煮使得原來致密的結構遭到破壞,變得松散,這樣更有利于水分子進入,提高持水、膨脹、持油能力,繼而可改善膳食纖維的理化性能。

圖5 春筍皮DF(左)和高壓蒸煮改性后的SDF(右)的掃描電鏡圖

3 結論

本研究采用高壓蒸煮的方法對春筍皮DF進行改性,通過正交試驗設計優化了高壓蒸煮改性的工藝,得到的最佳反應條件組合如下:料液比為1 ∶55,高壓蒸煮的壓力為0.05 MPa,高壓蒸煮的時間為22 min,NaOH 溶液的濃度為1.1%。通過高壓蒸煮改性,SDF的得率可達17.99 %[14]。掃描電鏡結果顯示,高壓蒸煮改性改變了春筍皮DF的結構特征,使結構更加松散,有利于提高春筍皮膳食纖維的理化性能。然而,關于高壓蒸煮改性對春筍皮膳食纖維結構及理化性能的影響有待進一步研究。