空化射流條件下豆渣不溶性膳食纖維結構與功能性研究

吳長玲 陳 鵬 李順秀 江連洲 王中江 劉 軍,3

(1.東北農業大學食品學院，哈爾濱 150030； 2.臨邑禹王植物蛋白有限公司，德州 253000；3.山東禹王生態食業有限公司，德州 253000)

0 引言

近年來，膳食纖維的加工引入很多新型物理技術，如高靜水壓[1]、動態微流化[2]和爆破擠壓[3]技術等。文獻[1]利用高靜水壓技術聯合酶解處理豆渣，其中可溶性膳食纖維含量增加74%。文獻[2]在100 MPa下采用動態高壓微流化技術處理豆渣膳食纖維溶液，用于制備快速溶解的可食用薄膜。文獻[3]將麥麩經爆破擠壓處理，促進了可溶性膳食纖維的溶出，還可避免其他營養素的損失。盡管關于豆渣的相關研究不斷深入，但大多停留在加工工藝的優化方面，對其更為深入的結構功能研究相對較少，且生物酶法制油副產物組分中膳食纖維的理化及構效關系性質尚未明確，有待進一步研究[4]。

空化微射流技術是一種新穎的化學密集型技術，利用空泡破裂產生的強大沖擊力來增強射流的沖蝕效果[5]，原料經高速剪切、擠壓、空化等作用，導致其結構細化，進而影響其功能特性。空化微射流技術與高壓均質原理相近，但能更有效控制物料在處理過程中的溫度變化[6]，避免因機械能轉化為熱能而破壞原料的營養成分。文獻[7]利用空化射流裝置處理殼聚糖，殼聚糖單體降解，并且降解的殼聚糖的結構沒有變化，分子間氫鍵斷裂，結晶度降低。

本文基于前期生物酶法制油工藝，以廢棄豆渣為原料，運用新型空化微射流技術處理生物酶法制油豆渣膳食纖維，分別考察處理時間對晶體結構、表觀形貌、粒度、持水力、膨脹力、流變性質及吸附性質等的影響，以明確空化微射流對豆渣膳食纖維結構及功能特性的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆(粗纖維質量分數93%)，山東禹王生態食業有限公司；Alcalase堿性蛋白酶，酶活10 000 U/g以上，廣州柏棠貿易有限公司；其它試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

空化射流氣爆機，本實驗室自組裝；AR550型流變儀，美國Ta Instruments公司；Nano ZS90型激光衍射粒度分析儀，英國馬爾文公司；K-436型快速消解儀、K-370型自動凱氏定氮儀，瑞士步琦有限公司；JJ-1/100W型精密電動攪拌器，常州丹瑞實驗儀器設備有限公司；AL204型分析天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；PL303型電子天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；PHS-3C型雷磁pH計，上海精科儀器有限公司；TDL-408型臺式離心機，上海安亭科學儀器廠；DHG-9146A型鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司；DC-500A型高速多功能粉碎機，浙江武義鼎盛藏日用金屬制品廠；HH-4型數顯恒溫水浴鍋，常州丹瑞實驗儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1生物酶法制油豆渣制備

參照文獻[8]的生物酶法制油進行豆渣制備，具體操作如下：大豆經粉碎機粉碎過60目篩，取200 g過篩后的粉體，按液料比為6 mL/g加入1.2 L蒸餾水，攪拌均勻后置于55℃水浴鍋中，按生物酶法制油的過程進行酶解，酶解條件為：酶解溫度55℃、持續攪拌2 h、pH值穩定在9.0、Alcalase堿性蛋白酶添加量為0.5%，酶解結束后，用1 mol/L HCl溶液將pH值調至7.0后在100℃沸水浴中滅酶5 min，冷卻，將滅酶后的混合液離心20 min(4 500 r/min、4℃)，離心后將上層液體去除，僅保留下層固體豆渣，并在相同離心條件下按液料比為3 mL/g用去離子水將所得豆渣水洗3次后在托盤鋪平后置入55℃鼓風干燥箱干燥6 h，待質量恒定后粉碎至顆粒均勻，即得到生物酶法制油豆渣。

1.3.2豆渣膳食纖維制備

根據文獻[9]的方法制備豆渣膳食纖維。取50 g生物酶法制油豆渣粉，以液料比20 mL/g與1 L蒸餾水混合均勻，用1 mol/L的NaOH溶液將pH值調至9.0，攪拌器攪拌2 h，在9 000 r/min、4℃、30 min條件下離心后去除上層液體，保留下層固體，以液料比為3 mL/g加入去離子水，并在4 500 r/min、4℃、15 min離心條件下水洗3次，在托盤鋪平后置入55℃鼓風干燥箱干燥6 h，得豆渣膳食纖維粉。每組取90 g豆渣膳食纖維粉，按液料比8 mL/g與蒸餾水溶解，將混合液進行空化微射流處理。處理參數如下：處理壓力0.01 MPa，處理溫度22.5℃，處理時間分別為5、10、15 min，樣品經空化微射流后在4 500 r/min、4℃條件下離心15 min，并在55℃干燥至質量恒定，脫脂處理后即得本實驗樣品。

1.3.3粒徑測定

參照文獻[10]的方法，在25℃下分別測量豆渣膳食纖維樣品的平均粒徑。

1.3.4表觀密度、比表面積、休止角測定

表觀密度測定：準確稱取1.5 g干燥的膳食纖維粉末于10 mL量筒中，在水平桌面上振蕩量筒使纖維盡量在底部填充緊實，讀取纖維所占的體積。表觀密度計算方法為[11]

(1)

式中M——樣品質量，gV——樣品體積，mL

比表面積測定：參照文獻[12]的方法測定，取0.5 g豆渣膳食纖維粉末，測定粉體比表面積。

休止角測定：參照文獻[12]的方法測定，取一定質量豆渣膳食纖維粉末加入玻璃漏斗，作自由落體運動，落在水平實驗臺上，直至堆積成為最大半徑圓錐體，測量圓錐體半徑及高度，休止角計算公式為

(2)

式中h——圓錐體高度，cm

R——圓錐體半徑，cm

1.3.5流變性質測定

配制質量濃度0.04 g/mL的樣品混合液，測量時選取直徑60 mm的平板夾具，間隙設置為50 μm，測定溫度設定為(25±0.1)℃，考察纖維混合液在剪切速率0～200 s-1時的靜態剪切流變特性[13]。

1.3.6掃描電子顯微鏡成像

將干燥的樣品散落在金屬樣品平臺上并用雙面膠帶固定，通過陰極噴涂系統涂覆金屬離子層(約30 nm厚)。在高真空條件(10～40 Pa)下以5 kV的加速電壓使用掃描電子顯微鏡觀察，圖像應用自動圖像捕獲軟件拍攝，所得圖像的放大倍率在100～3 000倍之間[14]。

1.3.7X-射線衍射測定

設定測試參數如下：發生器電壓為40 kV，入射電流為150 mA，防擴散狹縫角度為發散狹縫的2/3，選取CuKa輻射，掃描范圍為5°～60°，掃描速度為π/min，結晶度計算公式為[15-16]

(3)

式中Ic——聚合物結晶區面積

Ia——聚合物無定形區面積

1.3.8持水力及膨脹力測定

持水力測定：取1.0 g樣品及70 mL蒸餾水加入離心管中。在20℃下充分攪拌2 h，以5 000 r/min轉速離心10 min后，棄去上清液，稱量殘渣并計算每克干樣品的水分質量。持水力計算公式為

(4)

式中m0——樣品干質量，g

m1——樣品吸水后的質量，g

膨脹力測定：將樣品(250 mg)稱量加入15 mL具塞試管(最小刻度0.1 mL)中，讀取干樣品體積，加入7.5 mL蒸餾水，搖勻，在室溫(20℃)靜置24 h后吸水膨脹，并讀取膨脹后樣品體積。膨脹力計算公式為[17]

(5)

式中V0——干樣品體積，mL

V1——膨脹后樣品體積，mL

1.3.9葡萄糖吸附能力測定

準確稱取1.0 g豆渣膳食纖維置于250 mL的錐形瓶內，分別加入0.1 L濃度C0為50、100、150 mmol/L的葡萄糖溶液，在37℃水浴中振蕩6 h，取出后在4 200 r/min 條件下離心20 min，棄沉淀取上清液測定葡萄糖濃度C1，葡萄糖吸附量計算公式為[18]

(6)

式中M0——膳食纖維質量，g

WG——葡萄糖吸附量，mmol/g

1.3.10膽固醇吸附能力測定

取1份新鮮雞蛋蛋黃，加入9倍體積的蒸餾水，混合均勻得蛋黃乳液。分別取2.0 g豆渣膳食纖維粉末加入250 mL錐形瓶中，按質量比1∶25加入蛋黃乳液，攪拌均勻，調節pH值至2.0、7.0，37℃水浴恒溫振蕩2 h，在4 000 r/min的條件下離心20 min，取上清液，采用鄰苯二甲醛法在550 nm下測定吸光度，根據標準曲線計算上清液中的膽固醇質量并計算吸附量，計算公式為[18]

(7)

式中M1——吸附前蛋黃乳液的膽固醇質量，mg

M2——吸附后上清液中膽固醇質量，mg

WC——膽固醇吸附量，mg/g

1.4 數據分析

本研究每個檢測指標設定3組平行及3組重復實驗，實驗結果表示為平均值±標準偏差。采用SPSS 22.0軟件對數據進行單因素(ANOVA)方差分析，其中p<0.05為差異顯著。采用Origin 9.0軟件進行數據分析、圖表繪制及圖譜處理。

2 結果與分析

2.1 粒度分析

由圖1可知，未處理溶液中豆渣膳食纖維的體積平均粒徑為(2.39±0.11) μm；隨著空化射流處理時間的延長，膳食纖維體積平均粒徑呈現逐步降低的趨勢，這一結果表明纖維顆粒尺寸減小與空化射流時間有關。由于原料在處理過程中受空化、強烈震動作用，導致液體顆粒內部形成小空泡，小空泡伴隨高速旋轉卷入射流內部體積增大，直至空泡間或空泡與儀器內壁猛烈撞擊阻滯空泡體積增大而引起破裂，破裂過程中，產生高壓力和微射流，形成高能沖擊波，使得膳食纖維被逐步破碎[19]，隨著處理時間的延長，破碎程度加深，當空化射流處理達到18 min時，體積平均粒徑縮減至1.81 μm。膳食纖維體積平均粒徑減小，單個顆粒質量降低，重力減小，若將其添加到飲料中會提高懸浮液的穩定性，進一步改善不溶性膳食纖維在食品加工中的特性[15]。

2.2 流變性質分析

膳食纖維分散體的流變性質與連續相的粘度有關，添加到食品中顯著影響其感官品質(如硬度、粘稠度、順滑感、顆粒感和粘附性等)[12]。膳食纖維剪切速率與粘度變化關系如圖2所示，隨著剪切速率的增加，布朗運動愈發劇烈，而4種纖維懸浮液的表觀粘度急劇下降，均表現為剪切變稀的現象[20-21]，這表明懸浮液為非牛頓流體。同一剪切速率下，空化射流18 min處理的樣品表觀粘度最小。這與不溶性膳食纖維結構有關，處理時間越長，纖維顆粒破碎程度越高，粒徑越小，顆粒內部由于氣蝕作用形成的網絡結構被破壞，連續相中的膳食纖維排列從有序到無序，從而導致流動阻力降低[16]。在食品加工中應用，可大大降低產品的粘稠度，增強流動性，從而提升感官品質[22]。

2.3 物理性質分析

由表1可知，與未處理樣品相比，隨空化射流處理時間的延長，不溶性膳食纖維粉末粒度(D10表示粒徑分布中占10%所對應的粒徑；D50表示粒徑分布中占50%所對應的粒徑，又稱中位徑；D90表示粒徑分布中占90%所對應的粒徑)呈現逐漸降低的趨勢。實驗過程中纖維顆粒的表觀密度及比表面積隨著空化射流處理時間的延長呈現逐漸增加的趨勢，休止角則呈現下降趨勢。

表1 空化射流對豆渣不溶性膳食纖維粉末物理性質的影響Tab.1 Cavitation jets effect on physical properties of okara insoluble dietary fiber

這是由于膳食纖維懸濁液經空化射流作用，使液體內部形成空泡，瞬時爆發性生長，導致液體顆粒內部的不溶性膳食纖維顆粒激烈碰撞，從而大粒徑纖維被空泡破裂產生的高能沖擊波剪碎[12]，這與2.1節中膳食纖維溶液粒徑減小相吻合，從而導致干燥后的粉體粒度(D10、D50、D90)降低。纖維顆粒尺寸(D10、D50、D90)逐步減小，此過程導致其暴露程度加深，單位質量纖維顆粒所占體積大大減少，使得其表觀密度與比表面積顯著增大，可能會導致更多的羥基結合位點暴露出來，從而改善不溶性膳食纖維的吸附能力[23]。此外，當處理時間超過12 min時，分子內部高速剪切、碰撞作用致使體系溫度上升，分子發生一定程度的熱聚集現象，也可導致纖維粒度(D10、D50、D90)一定程度上的增加。體止角(θ)是評價粉體流動性的重要指標，當θ<30°時，粉體流動性較好。貯藏期間粉體易受環境溫度、濕度、壓力、機械力等的影響，而流動性強的粉末穩定性較好。由于機械作用使纖維顆粒尺寸減小，纖維顆粒表面產生靜電斥力，不易發生團簇，從而干燥后的粉體具有良好的流動性[24]，因此有利于生產過程中原料貯藏。

2.4 掃描電子顯微鏡分析

通過掃描電子顯微鏡研究了豆渣不溶性膳食纖維顆粒的微觀結構。如圖3所示，原始樣品的形態結構呈現致密、規則、有序的排列狀態，無溝槽斷層，孔洞少[18]，結構較為完整，隨著空化射流時間延長樣品顯示出緊密程度逐漸降低，表面逐漸出現較為明顯的溝槽和孔洞，碎片體積減小、數量增加，結構變得愈發松散，從有序排列逐漸轉向無序分布。這與上述實驗結果相對應，樣品在處理過程中，空化射流處理導致顆粒內部受到沖擊波強烈影響，粒徑降低，孔隙度增大，比表面積增加，原本緊湊的結構逐步斷裂[14]，此過程可能暴露更多的羥基結合位點，產生毛細管作用力，有助于水分子滲入，促進纖維分子與水分子通過氫鍵結合，進而改善不溶性膳食纖維的功能性質[6]。

2.5 晶體結構分析

X-射線衍射可表征不溶性膳食纖維晶體結構類型和結晶度。結晶度表示聚合物中結晶區域所占的百分比，結晶度越高，熔點越高，分子鏈排列程度越有序[15]。由圖4可知，不同空化射流時間的不溶性膳食纖維衍射角(2θ)為23.02°時表現出強烈的峰值，而弱峰衍射角(2θ)為34.89°，表明晶體結構為天然纖維素Ⅱ型，是晶體區與非晶區共存的一種狀態，并且空化射流處理并未使樣品變性[25]。隨著空化射流處理時間的延長，樣品的結晶度呈現下降趨勢，由40.39%下降到32.54%。這表明空化射流處理會導致不溶性膳食纖維有序結構被破壞，液體微粒內部受空化、高速剪切、震動等作用，形成的空泡連續脹大閉合，產生沖擊波使得物料致密完整的結構被瓦解。這與掃描電子顯微鏡的結果相一致，可能導致物料功能特性的提升[26]。

2.6 膨脹性及持水性分析

由表2可知，膳食纖維膨脹力、持水力均隨空化射流時間延長呈現先增后減的趨勢。這是由于處理過程中物料受空化的力學沖擊，動能轉換為破碎能，使纖維顆粒破碎，緊實致密的結構被打開，粒度減小，比表面積增大，此過程會暴露出來更多的親水基團，增大毛細管吸引力，促進氫鍵形成[23]，從而導致持水力與膨脹力增加。空化射流處理12 min時，膨脹力、持水力分別達到最大值(13.92±0.78)mL/g、(2.83±0.13)g/g，隨著處理時間的進一步增加，膨脹力與持水力均略有下降但不顯著，可歸因于空化程度過深，物料粉碎程度過大，內部形成的網狀結構被破壞，顆粒極小的不溶性膳食纖維喪失捕獲水的能力[17]，這與文獻[24]中壓榨馬鈴薯不溶性纖維持水力的結果類似。此外，如2.3節所述當空化射流達到一定程度，分子間的強剪切、碰撞作用會使得體系溫度升高，從而導致性能降低。因此，空化射流12 min有助于豆渣不溶性膳食纖維持水力、膨脹力的提高。

表2 空化射流對豆渣膳食纖維膨脹力、持水力的影響Tab.2 Cavitation jets effect on swelling power and water retention capacity of okara insoluble dietary fiber

2.7 葡萄糖吸附能力分析

由圖5(圖中相同圖例不同字母表示差異顯著，下同)可知，樣品對高濃度葡萄糖溶液的吸附能力優于低濃度溶液，且隨著處理時間延長，豆渣不溶性膳食纖維粉末對同濃度葡萄糖溶液的吸附能力顯著增強，是因為不溶性膳食纖維長鏈分子和β-葡萄糖苷鍵由于空化作用導致斷裂[18,27]，顆粒表面形成疏松多孔的結構，粒度降低，比表面積和孔隙率增加，導致不溶性膳食纖維顆粒空隙對葡萄糖的固定能力增加。當空化射流時間達12 min時對葡萄糖的吸附力出現峰值，繼續增加處理時間，吸附能力略有降低但無顯著性差異。此過程中纖維顆粒由于處理過度，纖維顆粒過小，孔隙度過大，使膳食纖維形成的網狀結構過于疏松，分子間作用力減弱，進而導致吸附力降低[4，28]。因此，空化射流處理12 min時較為適宜。

2.8 膽固醇吸附能力分析

膽固醇是心腦血管疾病重要的誘發因子，經研究表明膳食纖維具有良好的降低膽固醇功能。如圖6所示，隨處理時間延長樣品對膽固醇的吸附能力不斷增強，隨著空化射流處理，液體微粒內持續形成空泡并連續膨脹破滅[9]，導致纖維顆粒孔隙度增加，比表面積增大，暴露更多的親脂基團與膽固醇結合。當空化射流12 min時吸附力最大，而后略有下降但不顯著，當過度處理后，根據掃描電子顯微鏡可觀察到物料表面過于粗糙，結構相對疏松，導致其毛細管作用力受損致使膽固醇吸附力降低[20,29]。同時反應體系的酸堿程度顯著影響物料對膽固醇的吸附力，在中性環境中吸附力明顯優于酸性環境，由此可推測出，豆渣不溶性膳食纖維在腸消化階段膽固醇吸收量顯著高于胃消化階段膽固醇吸收量。

3 結束語

探討了空化射流處理時間對豆渣不溶性膳食纖維結構、功能和吸附特性的影響。結果表明：隨著空化射流時間的延長，豆渣不溶性膳食纖維粉體積平均粒徑、休止角顯著降低，比表面積、表觀密度增加，且溶液粘度降低；由掃描電子顯微鏡可知，樣品經空化射流處理后表面出現較為明顯的溝槽和孔洞，有助于吸附能力的提高；X-射線衍射結果顯示，不溶性膳食纖維衍射角(2θ)為23.02°時出現特征峰值，樣品并未變性，但結晶度降低至32.54%；空化射流處理12 min時，膳食纖維膨脹力、持水力均達到最大值；空化射流處理后，對葡萄糖及膽固醇的吸附能力顯著提升，因此豆渣不溶性膳食纖維可有效降低血糖及膽固醇。通過分析表觀及微觀結構變化清晰闡明了空化射流處理對豆渣不溶性膳食纖維功能及吸附特性的影響，為將其作為功能性成分添加到食品中提供理論依據。