高壓蒸煮改性春筍皮膳食纖維工藝優(yōu)化

吳 蕊,陶 芹,許芳芳,吳麗萍

(黃山學(xué)院 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)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(zhì)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(chǎn)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(huán)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(yīng)達到10%以上, 可以使產(chǎn)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(zhì)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(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄缘?空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由致密變得疏松,更好地發(fā)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(xué)試劑廠;纖維素酶、木聚糖酶:北京格源天潤生物技術(shù)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(shè)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(shù)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(fēng)干燥箱:上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 原料預(yù)處理

選取市售的新鮮春筍,取筍皮沖洗干凈,在80 ℃的鼓風(fēng)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(diào)節(jié)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(shè)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(shè)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(shè)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(guān)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(shè)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(nèi),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(biāo),進行相關(guān)試驗設(shè)計,因素水平(正交試驗)見表1。以SDF得率為考察指標(biāo),進行L9(34)正交試驗設(shè)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(jù) 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(jié)構(gòu)。將兩組樣品在樣品架上用雙面導(dǎo)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(jié)果與分析

2.1 NaOH的濃度對SDF含量的影響

圖1顯示：當(dāng)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(dāng)高于1.1%并且濃度繼續(xù)上升時,SDF含量則相對減少;當(dāng)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(dǎo)致反應(yīng)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(dǎo)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(wěn)。當(dāng)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(jīng)充分溶解,SDF得率雖然緩慢增加但基本穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。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(guī)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(wěn)定；在20 min時得率最大，為11.11%。恒溫時間過短,會使反應(yīng)不徹底,變性不完全,提取的SDF過少;時間過長,導(dǎo)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(jù)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(jié)果分析

本文在大量實驗的基礎(chǔ)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(jié)果如表2所示,方差分析見表3。

表2 正交試驗結(jié)果分析表

表3 正交試驗結(jié)果方差分析

根據(jù)表2、表3中的結(jié)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(jù)正交試驗效應(yīng)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(xiàn),因此本文針對此項組合進行了驗證試驗。結(jié)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(yōu)數(shù)據(jù),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(jié)構(gòu)。通過觀察,發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)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(jié)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(shè)計優(yōu)化了高壓蒸煮改性的工藝,得到的最佳反應(yīng)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(jié)果顯示,高壓蒸煮改性改變了春筍皮DF的結(jié)構(gòu)特征,使結(jié)構(gòu)更加松散,有利于提高春筍皮膳食纖維的理化性能。然而,關(guān)于高壓蒸煮改性對春筍皮膳食纖維結(jié)構(gòu)及理化性能的影響有待進一步研究。