高能機械處理方法對大豆不溶性膳食纖維結(jié)構及理化特性的影響

陳秉彥,林曉姿,李維新,林曉婕,鄭寶東,何志剛,*

(1.福建省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)工程技術研究所,福建福州 350001;2.福建省農(nóng)產(chǎn)品(食品)加工重點實驗室,福建福州 350003;3.福建農(nóng)林大學食品科學學院,福建福州 350002)

豆渣作為大豆加工副產(chǎn)物,來源廣泛,價格低廉,富含不溶性膳食纖維。開發(fā)豆渣不溶性膳食纖維作為加工配料可以提高食品的營養(yǎng)價值,對促進人體腸道蠕動、降低膽固醇、增加飽腹感、減少熱量攝入具有積極作用[1-2]。然而,豆渣纖維質(zhì)地粗糙、與食品物料親和性差,口感不佳[3],嚴重限制其作為配料在食品加工中的應用。因此,降解不溶性膳食纖維結(jié)構形成個體粒徑為亞微米級或納米級的顆粒,對改善膳食纖維的加工特性至關重要。

近年來,采用硫酸或TEMPO氧化降解是制備微細化膳食纖維的主要方式[4-5]。有研究表明,長徑比小的膳食纖維通常具有較高的結(jié)晶度,適合作為聚合物基質(zhì)的填充顆粒,提高食品凝膠的機械強度[6];而長徑比高的膳食纖維具有大的比表面積,顯示出良好的表面吸附能力,在食品功能活性成分包埋方面極具潛力[7]。然而,化學法所產(chǎn)生的酸堿廢液處理成本高,易污染環(huán)境,生產(chǎn)過程中無法完全除盡等缺點,會影響到最終產(chǎn)品的色澤,風味以及安全性[8-9]。因此,通過物理加工破碎生產(chǎn)微細化膳食纖維是當前國內(nèi)外研究的新趨勢。

微射流均質(zhì)與振動球磨是兩種代表性的高能機械降解方法,具有高效、快速、無污染等特點,適合應用于微細化膳食纖維的工業(yè)化生產(chǎn)[10-11]。振動球磨通過鋼珠小球與震擊器表面摩擦產(chǎn)生的剪切力降低膳食纖維的粒徑,屬于機械干法降解。微射流均質(zhì)技術則是利用高壓射流攜帶膳食纖維通過特殊孔道,發(fā)生相互碰撞來實現(xiàn)細化過程,屬于機械濕法降解。不同種類的高能機械降解方式對膳食纖維的結(jié)構與理化特性可能會產(chǎn)生明顯差異。但目前,對于機械濕法降解與機械干法降解后大豆膳食纖維的結(jié)構及理化特性間的差異研究卻少有報道。本研究通過堿法提取大豆膳食纖維,分別利用高頻振動球磨與微射流高壓均質(zhì)技術細化大豆膳食纖維,研究了兩種不同類型的高能機械處理對大豆膳食纖維結(jié)構及理化特性的影響,其研究結(jié)果可為物理法改性并制備微細化大豆膳食纖維提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大豆渣(以干重記,淀粉含量為6.1%,蛋白含量為5.8%,脂肪含量為15.3%,膳食纖維含量為59.8%,灰分為5.2%) 市售大豆磨漿后所得;堿性蛋白酶 20萬 U/g,江蘇銳陽生物科技有限公司;耐高溫α-淀粉酶 2萬U/g,山東科隆特酶制劑有限公司;溴化鉀 光譜純,默克生物試劑公司;其他化學試劑 均為國產(chǎn)分析純。

GM-200德國萊馳刀式研磨儀 弗爾德儀器儀器有限公司;SPCH-35超高壓納米均質(zhì)機 英國STANSTED儀器公司;GT-200型振動球磨儀 北京格瑞德曼儀器設備有限公司;FD5-3型冷凍干燥機 美國SIM公司;Mastersizer 3000激光粒度儀 英國馬爾文儀器公司;G2 F20透射電鏡 美國Tecnai儀器公司;布魯克TENSOR II型傅里葉紅外光譜儀 德國布魯克儀器有限公司;D/MAX 2200PC型廣角X射線衍射儀 日本Rigaku儀器公司;MCR301型安東帕流變儀 奧地利安東帕儀器公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 大豆不溶性膳食纖維的提取 大豆不溶性膳食纖維(soybean insoluble dietary fiber,SIDF)的提取參考Ullah等[12]的提取方法,粉碎過篩的豆渣粉→石油醚脫脂(固液比50 g/L,50 ℃,振蕩過夜)→抽濾→除淀粉(淀粉酶添加量0.5 g/100 g,80 ℃,1 h)→抽濾→添加5%氫氧化鈉溶液(固液比為50 g/L)→除去半纖維素與木質(zhì)素(60 ℃,振蕩1.5 h)→離心,調(diào)節(jié)pH為9.5→酶解除蛋白(添加量為0.2 g/100 g,50 ℃,振蕩3 h)→離心,水洗,分離→冷凍干燥→得到不溶性膳食纖維。

1.2.2 微細化膳食纖維的制備 根據(jù)符群等[13]的方法,并略做修改,對大豆不溶性膳食纖維進行兩種高能機械方法降解。

微射流均質(zhì)處理:配制1.5%濃度的膳食纖維懸浮液,進行微射流均質(zhì)處理,處理壓力為200 MPa,循環(huán)次數(shù)為5次,處理后的樣品凍干,密封包裝,命名為均質(zhì)細化的大豆不溶性膳食纖維(homogenized soybean insoluble dietary fiber,H-SIDF)。

振動球磨處理:將膳食纖維置于球磨儀的不銹鋼容器中,放入振動磨球,進行球磨處理,處理頻率為1800 r/min,處理時間為3 min,研磨5次,處理后的樣品密封包裝,命名為球磨細化的大豆不溶性膳食纖維(milled soybean insoluble dietary fiber,M-SIDF)。

1.2.3 微細化膳食纖維的微觀形態(tài)觀察 采用場發(fā)射透射電鏡觀察H-SIDF與M-SIDF的微觀形態(tài),利用粒度儀測定粒徑大小。將濃度為0.05%的微細化膳食纖維懸浮液,滴入導電載物平臺上,自然風干后,置于場發(fā)射透射電鏡中,抽真空后進行觀察;之后,以水溶液為分散劑,將樣品完全分散于分散器達到遮光度后,進行粒度測試。

1.2.4 微細化膳食纖維的紅外光譜測試 采用紅外光譜對膳食纖維的指紋區(qū)進行掃描,分析了H-SIDF與M-SIDF表面基團差異。取50 mg纖維素粉末與已烘干的光譜純溴化鉀混合,混合比例為1∶20,快速攆磨后壓片放置于樣品室中進行掃描,掃描波數(shù)為800～2000 cm-1,掃描次數(shù)為32次,分辨率為4 cm-1。

1.2.5 微細化膳食纖維的晶體結(jié)構測試 采用廣角X射線衍射對H-SIDF與M-SIDF的晶體結(jié)構進行分析。測定參數(shù)為:特征射線Cu Kα(λ=1.5406 ?),管壓40 kV,電流200 mA,測量角度2θ=0～35 °,掃描速率為8 °/min。樣品的相對結(jié)晶度通過jade擬合峰面積進行計算。纖維素結(jié)晶度CI參考Segal等[14]的測試方法,計算公式如下:

其中,I200是指衍射角2θ=22 °對應的衍射峰強度;Iam表示衍射角在2θ=15～22 °之間的峰谷衍射強度(at 2θ=18 °)。

1.2.6 微細化膳食纖維的持水性及持油性測定 參考Luo等[15]的測定方法,并稍作修改。分別稱取1 g微細化膳食纖維分散于20 mL去離子水或花生油中,置于磁力攪拌器上攪拌12 h,之后離心(4500 r/min,15 min),棄去上層清液,稱量下層沉淀質(zhì)量。微細化膳食纖維的持水與持油性根據(jù)公式可得:

其中,M2指離心管與沉淀總質(zhì)量,g;M1指離心管質(zhì)量,g;M0為稱取的纖維素質(zhì)量,g

1.2.7 微細化膳食纖維的流變學特性 配制濃度為5%的微細化膳食纖維溶液,置于磁力攪拌器中攪拌12 h,使膳食纖維充分吸水凝膠。取少量凝膠于流變儀載物平板上進行振幅掃描測試。測試選用轉(zhuǎn)子為PP50,測試溫度為25 ℃,平板夾距為0.5 mm。實驗中的轉(zhuǎn)速設定如下:振動頻率1 Hz,應變量為0～10%,凝膠在振動過程中的模量(G′和G″)變化被記錄,其中損耗角正切值為tanδ=G″/G′。

1.3 數(shù)據(jù)處理

各組實驗數(shù)據(jù)均重復3次,P<0.05被認為數(shù)據(jù)之間具有顯著差異;另外,實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用DPS 9.05,實驗作圖采用Origin Pro 8.5。

2 結(jié)果與分析

2.1 微細化膳食纖維的粒徑與形態(tài)結(jié)構

不同高能機械處理的大豆膳食纖維的微觀形態(tài)與平均粒度如圖1所示。SIDF呈現(xiàn)致密的塊狀形態(tài),平均粒度為122.86 μm,比表面積為104 m2/kg。SIDF經(jīng)高能機械處理后致密的塊狀形態(tài)發(fā)生破碎,微觀形態(tài)呈現(xiàn)明顯變化。經(jīng)球磨粉碎后,M-SIDF呈現(xiàn)彌散狀形態(tài)同時帶有部分顆粒,平均粒徑下降為28.06 μm,比表面積為532 m2/kg;另一方面,經(jīng)微射流均質(zhì)后,H-SIDF呈現(xiàn)致密的纖維絲狀形態(tài),平均粒徑為7.34 μm,表面積增加到3341 m2/kg。這可能與H-SIDF呈現(xiàn)蓬松的絲狀纖維形態(tài),能夠顯示出更高的空間延展程度有關[16-17]。這些研究結(jié)果說明物理干法破碎與濕法破碎形成的微細化膳食纖維呈現(xiàn)不同的微觀形態(tài),有必要對其結(jié)構進行進一步研究。

圖1 不同高能機械處理的大豆不溶性膳食纖維的微觀形態(tài)與粒徑分布

2.2 微細化膳食纖維的表面基團與晶體結(jié)構

不同高能機械處理的大豆膳食纖維的表面基團及主要特征峰值變化分別如圖2A及表1所示。所有纖維素樣品在低頻指紋區(qū)域(800～1750 cm-1)與高頻特征區(qū)域(2800～3600cm-1)都顯示出明顯的吸收峰,吸收峰的強度越大,透光率越低。經(jīng)高能機械處理后,SIDF的分子間-OH的振動吸收峰[18](1645 cm-1)透光率下降,吸收強度增大。H-SIDF的羥基振動吸收強度上升明顯,透光率變化為SIDF的89.20%,這說明高能機械處理能夠破壞膳食纖維的分子結(jié)構,濕法微細化處理更有利于纖維素暴露出更多的親水基團。另一方面,纖維素樣品在指紋區(qū)890、1160、1430 cm-1處呈現(xiàn)明顯的β-糖苷鍵吸收峰[19],且H-SIDF顯示最強的非纖維素-CO彎曲振動,這說明高能機械處理并沒有破壞膳食纖維的基本糖單元,但會部分降解纖維素的分子鏈結(jié)構。另外,研究發(fā)現(xiàn)SIDF經(jīng)高能機械處理后高頻特征區(qū)的氫鍵締合峰強度(3500 cm-1)與分子間-OH的振動吸收峰強度變化一致。SIDF、M-SIDF以及H-SIDF的氫鍵締合峰透光率分別為0.669、0.604以及0.558,進一步推測微細化處理可能有利于纖維素持水能力的增強。

表1 大豆微細化膳食纖維的主要紅外特征峰參數(shù)及結(jié)晶度

圖2 不同高能機械處理的大豆不溶性膳食纖維的紅外光譜與X射線衍射圖

不同高能機械處理的大豆膳食纖維的晶體結(jié)構如圖2B所示。SIDF在衍射角15與22 °處呈現(xiàn)強烈的衍射峰,在34 °處顯示較弱的衍射峰,是典型的I型纖維素晶體結(jié)構[20],SIDF的結(jié)晶度為40.98%。經(jīng)過高頻振動球磨處理后,M-SIDF的衍射角沒有發(fā)生變化,但衍射峰強度明顯下降,結(jié)晶度為21.34%,這說明豆渣纖維素的晶體結(jié)構被部分破壞。

另一方面,H-SIDF呈現(xiàn)出彌散的衍射峰,結(jié)晶度進一步下降為3.16%,這說明微射流均質(zhì)幾乎完全破壞了纖維素的晶體結(jié)構,并轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定型結(jié)構。Kawee等[21]研究報道發(fā)現(xiàn),細菌纖維素(α-纖維素)經(jīng)207 MPa的超高壓作用下,纖維素的晶體類型并沒有發(fā)生明顯變化。因此,纖維素晶體結(jié)構的變化不僅與施加的壓力有關,同時也取決于纖維素的來源。

2.3 微細化膳食纖維的持水性與持油性

不同高能機械處理的大豆膳食纖維的持水率與持油率如圖3所示。SIDF的持水率與持油率分別為3.62、4.03 g/g。與SIDF相比,M-SIDF的持水率與持油率分別提高了1.18、0.51倍,為7.89、6.56 g/g;H-SIDF的持水率與持油率比較M-SIDF進一步提高,分別為未處理組的2.96、2.48倍,為10.72、9.99 g/g。此結(jié)果與微細化膳食纖維的紅外光譜測試結(jié)果一致,進一步證實了高能機械處理后膳食纖維暴露的分子間羥基數(shù)量越多,能夠促使纖維素的持水性能增強[22]。另一方面,研究發(fā)現(xiàn)微射流均質(zhì)形成的膳食纖維微纖絲具有很高的持油能力,這些豆渣微細化膳食纖維的持油能力高于高壓均質(zhì)處理后的柑橘膳食纖維(8.65 g/g)[23]、筍殼膳食纖維(8.16 g/g)[15]以及橄欖膳食纖維(2.57 g/g)[24]。這可能與微纖絲在空間上呈現(xiàn)較大的比表面積有關。這些微纖絲自身的碳鏈骨架常表現(xiàn)出疏水相互作用力,在空間上相互交錯具有廣闊的延展面積,能夠大量包裹吸附油滴[25-26],使其顯示出較高的持油率。

圖3 不同高能機械處理的大豆不溶性膳食纖維的持水與持油能力

2.4 微細化膳食纖維的流變學特性

為研究微細化大豆膳食纖維的流體行為,實驗采用振蕩模式對其流體行為進行描述。不同高能機械處理的大豆膳食纖維的應變-模量曲線如圖4A所示。所有纖維素樣品的初始儲存模量(G′)均大于初始損耗模量(G″),表現(xiàn)為剛性的凝膠網(wǎng)絡結(jié)構[27-28]。SIDF在所有樣品中顯示了最高的初始儲存模量,說明大豆膳食纖維分子鏈的剛性結(jié)構最強。此結(jié)果也與紅外光譜的測試結(jié)果一致,發(fā)現(xiàn)高能機械處理會部分降解纖維素的分子鏈結(jié)構。進一步研究發(fā)現(xiàn),隨著振蕩應變分別升高至1.5%、2.1%時,SIDF與M-SIDF的儲存模量開始下降,損耗模量上升。當振蕩應變值分別達到4.6%、6.8%時,兩者形成交點,之后損耗模量高于儲存模量,這說明隨著振蕩應變升高,纖維素凝膠網(wǎng)絡結(jié)構發(fā)生破裂。然而,H-SIDF的存儲模量隨振蕩應變升高而發(fā)生的變化明顯滯后,當振蕩應變值達到10%時,未觀察到交點形成。這些結(jié)果說明了微射流均質(zhì)形成的微細化大豆膳食纖維分子鏈剛性程度雖然有所下降,但形成的凝膠網(wǎng)絡卻可以耐受更高的應力變化,具有更好的振蕩穩(wěn)定性。這與損耗角正切值(tan δ)的測試結(jié)果(圖4B)一致。在高應變(10 Hz)條件下,H-SIDF凝膠的tan δ值為SIDF的20.73%,為0.45,遠小于1,說明經(jīng)振蕩后微纖維凝膠仍表現(xiàn)為剛性結(jié)構。有研究表明,凝膠溶液的剪切穩(wěn)定性主要取決于凝膠網(wǎng)絡分子鏈排列的密集程度[29-30]。因此,H-SIDF凝膠由于絲狀纖維結(jié)構在剪切過程中可能會發(fā)生相互纏繞形成較高的空間位阻,使其表現(xiàn)更好的振蕩穩(wěn)定性。

圖4 不同高能機械處理的大豆不溶性膳食纖維的振蕩穩(wěn)定性測試

3 結(jié)論

干法機械處理與濕法機械處理后的大豆膳食纖維形態(tài)及結(jié)構差異明顯,濕法微射流處理形成的微細化膳食纖維具有更加優(yōu)異的理化特性。干法球磨處理后大豆膳食纖維呈現(xiàn)彌散形態(tài),其顆粒粒徑減少,結(jié)晶度下降,但仍表現(xiàn)為β-I型纖維素晶體結(jié)構。與原膳食纖維相比,這類微細化膳食纖維的持水性明顯提高,但由于形成的凝膠網(wǎng)絡強度較弱,無法抵抗剪切及振蕩作用,從而在流變學特性上表現(xiàn)為較高的觸變面積及損耗角正切值。另一方面,濕法微射流均質(zhì)后的膳食纖維則呈現(xiàn)絲狀形態(tài),具有更小的粒徑分布與更大的比表面積。微射流均質(zhì)完全破壞了大豆膳食纖維的晶體結(jié)構,使其暴露出更多的分子間羥基及碳鏈骨架,這賦予了微細化膳食纖維更強的持水與持油能力。進一步研究發(fā)現(xiàn),這類纖維素微纖絲凝膠具有更強的振蕩穩(wěn)定性,這可能歸咎于微纖絲在應力作用下相互纏繞從而具有更高的空間位阻有關。