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        超微粉碎對(duì)甘薯膳食纖維成分及物化特性影響

        2014-06-11 02:44:50木泰華陳學(xué)玲何建軍
        中國糧油學(xué)報(bào) 2014年2期
        關(guān)鍵詞:大豆

        梅 新 木泰華 陳學(xué)玲 關(guān) 健 何建軍

        (湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工與核農(nóng)技術(shù)研究所1,武漢 430064)(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所 食品化學(xué)與營養(yǎng)科學(xué)研究室2,北京 100193)

        中國是世界甘薯生產(chǎn)和消費(fèi)大國,據(jù)世界糧農(nóng)組織(FAO)統(tǒng)計(jì),2010年中國甘薯總產(chǎn)量8.12×107t,占世界甘薯總產(chǎn)量76.17%。在中國,甘薯加工以淀粉及淀粉類產(chǎn)品為主。甘薯渣是淀粉及淀粉類產(chǎn)品加工過程中副產(chǎn)物,薯渣干物質(zhì)中含淀粉44.74%、膳食纖維(Dietary Fiber,DF)27.40%[1]。通常情況下,甘薯渣被當(dāng)作廢棄物丟棄或作為飼料簡單加工利用,極大浪費(fèi)了薯渣中殘余淀粉和DF資源。

        膳食纖維是一類不能被人體小腸消化吸收,但能完全或部分完全在大腸中發(fā)酵的植物可食部分或類似的碳水化合物,具有多種有益健康的生理功效,如通便、降低血膽固醇、降低血糖。根據(jù)水溶性可以將膳食纖維分為可溶性膳食纖維(Soluble Dietary Fiber, SDF)、不溶性膳食纖維(Insoluble Dietary Fiber, IDF)[2],SDF主要包括果膠、葡聚糖、樹膠等,而IDF主要包括纖維素、部分半纖維素、木質(zhì)素、蠟質(zhì)等。

        在前人研究中,有關(guān)甘薯DF研究主要集中于DF制備工藝探討及相關(guān)物化特性研究。酶解法是制備甘薯DF常見方法[3-6],此外還有發(fā)酵法[7]、篩法[1]制備甘薯DF的報(bào)道。持水性(Water holding capacity,WHC)和吸水膨脹性(Swelling Capacity, SWC)等水合特性是甘薯DF物化特性常見研究內(nèi)容,而其持油性(Oil holding capacity,OHC)、葡萄糖吸收能力(Glucose Absorption Capacity, GAC)、α-淀粉酶活性抑制能力報(bào)道較少,膳食纖維這些物化特性直接影響到DF在食品工業(yè)及相關(guān)行業(yè)中的應(yīng)用[8]。超微粉碎可改變DF粒徑、改善其物化特性,為食品工業(yè)提供良好的DF資源,菱角、柑橘、楊桃等DF經(jīng)超微粉碎后粒徑減小,各項(xiàng)物化特性顯著增強(qiáng)[9-11]。李雁等[12]采用超高壓技術(shù)對(duì)甘薯DF改性進(jìn)行了研究,相比超高壓處理,超微粉碎技術(shù)對(duì)設(shè)備、工藝要求不高,成本較低。有關(guān)超微粉碎對(duì)甘薯DF成分、粒徑、顯微結(jié)構(gòu)及物化特性影響未見報(bào)道。

        本研究以薯渣為原料,采用篩法制備甘薯DF,并進(jìn)行超微粉碎處理,以大豆DF為對(duì)照,分析了DF成分、粒徑、比較了不同DF物化功能特性,旨在明晰超微粉碎對(duì)甘薯DF成分及物化功能特性影響,為拓展甘薯DF在食品工業(yè)中廣泛應(yīng)用提供一種技術(shù)途徑。

        1 材料與方法

        1.1 材料與試劑

        新鮮甘薯:市售,取其提取淀粉后的廢渣,水洗,60 ℃烘干,粉碎,過100目篩,4 ℃下密封放置備用。

        鼠李糖、阿拉伯糖、木糖、葡萄糖、半乳糖、半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸(色譜純)、α-淀粉酶、大豆DF(100目):Sigma公司;其他試劑為國產(chǎn)分析純:國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

        1.2 儀器與設(shè)備

        FW-100萬能粉碎機(jī):天津泰斯特儀器有限公司;TLFS100型氣流超微粉碎機(jī):昆山天龍粉碎設(shè)備有限公司;2800UV/Vis分光光度計(jì):美國尤尼科儀器有限公司;ICS3000多功能離子色譜(配脈沖安培檢測器):美國戴安公司;BT-9300激光粒度分布儀:丹東百特儀器有限公司;S-570型掃描電鏡:日本日立公司。

        1.3 方法

        1.3.1 甘薯膳食纖維樣品制備

        甘薯DF提取參照曹媛媛等[1]篩法提取工藝進(jìn)行。粉碎后薯渣加水懸浮,在水平振動(dòng)篩分過程中,懸濁液中能通過100目篩但被400目篩截留部分即為甘薯DF。甘薯DF烘干后,經(jīng)萬能粉碎機(jī)粉碎,過100目篩后,4 ℃貯存?zhèn)溆茫送?,上述粉碎過篩后甘薯DF經(jīng)氣流超微粉碎機(jī)粉碎(設(shè)備工作壓力0.7 MPa、系統(tǒng)風(fēng)量3 m3/min、分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)速2 400 r/min、加料速度12 kg/h),得超微粉碎甘薯DF,亦于4 ℃貯存?zhèn)溆谩?/p>

        1.3.2 甘薯膳食纖維基本成分分析

        以大豆DF為對(duì)照,測定DF中水分、灰分、脂肪、蛋白、淀粉和總膳食纖維(Total dietary fiber,TDF)、SDF、IDF含量。

        樣品于105 ℃放置4 h,待質(zhì)量恒定,前后質(zhì)量損失占樣品質(zhì)量比例即為水分含量?;曳趾繙y定參照AOAC 923.03方法;脂肪含量測定參照AOAC 960.39方法;蛋白含量測定參照AOAC 955.04方法,轉(zhuǎn)換系數(shù)6.25。淀粉測定參照AOAC 996.11方法;DF(TDF、SDF、IDF)含量測定參照AOAC 991.43方法。

        1.3.3 甘薯膳食纖維化學(xué)成分分析

        以市售大豆DF為對(duì)照,測定DF中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和果膠含量。膳食纖維中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、果膠含量測定參照Happi等[13]方法進(jìn)行。

        1.3.4 單糖組成分析

        以市售大豆DF為對(duì)照,測定DF單糖組成,測定前DF樣品先后經(jīng)酶解、醇洗純化處理,去除樣品中淀粉、蛋白及小分子可溶性糖。純化后DF樣品水解后,采用高效陰離子交換色譜-脈沖安培檢測法(HAPEC-PAD)測定其單糖構(gòu)成。膳食纖維水解參照Salvador等[14]方法進(jìn)行;單糖測定參照Garna等[15]方法進(jìn)行,中性糖采用等度洗脫,糖醛酸采用梯度洗脫。用濃度為0.1~10 ppm的標(biāo)準(zhǔn)溶液制作標(biāo)準(zhǔn)曲線,標(biāo)準(zhǔn)溶液中含有鼠李糖、阿拉伯糖、木糖、葡萄糖、半乳糖等中性糖以及糖醛酸(半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸)。

        1.3.5 粒徑測定

        以市售大豆DF為對(duì)照,測定DF的粒徑。膳食纖維粒徑測定采用激光粒度分布儀進(jìn)行,用體積平均粒徑D[4,3]表示。

        式中:ni為粒徑是di的顆粒數(shù)量。

        1.3.6 掃描電鏡觀察

        以市售大豆DF為對(duì)照,掃描電鏡分別觀察DF的顯微結(jié)構(gòu)。樣品經(jīng)過粘臺(tái)、噴金等步驟后,在加速電壓為12 kV的條件下進(jìn)行觀察。

        1.3.7 膳食纖維物化特性

        1.3.7.1 膳食纖維持水性

        膳食纖維WHC的測定參照Chau等[16]方法進(jìn)行,一定量DF樣品(g),記為W1,按1∶20(質(zhì)量體積比)比例加入去離子水,充分混勻,室溫下靜置24 h,2 000 r/min離心10 min,棄上清液,沉淀質(zhì)量記為W2(g),DF的WHC(g/g)計(jì)算公式如下:

        1.3.7.2 膳食纖維吸水膨脹性

        取一定量DF樣品(g),記為W,置于直徑為1.5 cm帶刻度的試管中,記錄DF體積(mL),并記為V1,后按1∶20(質(zhì)量體積比)比例加入去離子水,充分混勻,平衡后于室溫下放置16 h,記錄吸水后DF體積(mL),并記為V2,DF的SWC(mL/g)計(jì)算公式如下:

        1.3.7.3 膳食纖維持油性

        膳食纖維OHC的測定參照Chau等[16]方法進(jìn)行,取一定量DF樣品(g),記為W3,隨后按1∶10(質(zhì)量體積比)比例加入玉米油(購自超市),充分混勻,室溫下放置30 min,2 000 r/min離心10 min后棄上清,沉淀質(zhì)量記為W4(g),DF的OHC(g/g)計(jì)算公式如下:

        1.3.7.4 膳食纖維葡萄糖吸收能力

        葡萄糖吸收能力測定參照Chau等[17]方法進(jìn)行,1 g經(jīng)過醇洗的DF樣品與100 mL葡萄糖溶液充分混合后,于37 ℃下放置6 h,4 500 r/min離心15 min,上清液中葡萄糖含量測定采用葡萄糖氧化酶-過氧化物酶(GOD-POD)法,DF的GAC用每克DF吸收葡萄糖量(mmol)來表示,單位mmol/g。

        1.3.7.5 膳食纖維α-淀粉酶活性抑制能力

        α-淀粉酶活性抑制能力參照Chau等[16]的方法進(jìn)行,取1 g DF和4 mg α-淀粉酶加入到40 mL的馬鈴薯淀粉溶液(4% 質(zhì)量體積比)中,25 ℃條件下混合1 h,4 500 r/min離心15 min,測定上清液中葡萄糖含量,以不加DF為對(duì)照,將對(duì)照上清液中葡萄糖含量記為M0,不同處理葡萄糖含量記為M。DF的α-淀粉酶活性抑制能力(%)計(jì)算公式如下:

        1.4 統(tǒng)計(jì)方法

        所有試驗(yàn)均重復(fù)3次,試驗(yàn)數(shù)據(jù)用平均質(zhì)±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)表示,用DPS 7.55統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析,用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),以P<0.05為顯著性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果分析中,不同樣品或處理間,字母不同,表明樣品或處理間存在顯著差異。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 膳食纖維基本成分

        由表1可知,甘薯DF水分、灰分、脂肪、蛋白含量顯著低于大豆DF,而淀粉含量顯著高于大豆DF;甘薯DF中TDF含量略高于大豆DF,兩者無顯著差異,含量分別為81.21%、80.63%;甘薯DF中SDF為9.25%,顯著高于大豆DF中SDF含量8.03%;兩者IDF含量無顯著性差異(P<0.05)。甘薯DF經(jīng)超微粉碎后,水分、灰分、脂肪、蛋白質(zhì)含量沒有明顯變化,淀粉和DF含量顯著降低,分別只有5.94%和77.95%,但SDF含量顯著升高,達(dá)到12.81%(P<0.05)。Chau等[17]研究也證實(shí),胡蘿卜IDF經(jīng)超微粉碎后,其溶解性顯著升高,部分IDF轉(zhuǎn)化為SDF。有關(guān)超微粉碎過程中,新增SDF來源,Raghavendra等[18]認(rèn)為是機(jī)械剪切力使纖維素中糖苷鍵斷裂轉(zhuǎn)化為還原糖溶出,導(dǎo)致TDF含量下降,也使得部分IDF轉(zhuǎn)化為SDF,導(dǎo)致SDF含量上升;而李倫等[19]的研究表明,在各種強(qiáng)作用力下,部分不溶性阿拉伯木聚糖之類的半纖維素及不溶性果膠類化合物發(fā)生熔融現(xiàn)象或部分?jǐn)嗔?,轉(zhuǎn)化成水溶性聚合物成分。

        表1 膳食纖維基本成分/%

        2.2 膳食纖維化學(xué)成分

        由圖1可以看出,DF的化學(xué)成分主要包括果膠、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素,大豆DF、甘薯DF、超微粉碎后甘薯DF各化學(xué)組分間存在顯著性差異(P<0.05)。經(jīng)測定大豆DF中果膠、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量分別為12.63%、41.84%、11.87%和14.32%。相比大豆DF,甘薯DF中果膠、半纖維含量較高,分別達(dá)到15.13%和15.89%;而纖維素、木質(zhì)素含量較低,分別只有36.25%和13.94%。甘薯DF經(jīng)超微粉碎后,果膠含量上升,達(dá)18.92%,纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量下降,分別只有32.48%、13.87%和12.68%。這是因?yàn)樵诔⒎鬯檫^程中,通過共價(jià)鍵與纖維素和半纖維素鏈接的果膠類物質(zhì),在各種機(jī)械力的作用下,進(jìn)一步得到分離,使得超微粉碎后果膠含量上升[20]。

        圖1 膳食纖維化學(xué)成分組成情況

        2.3 膳食纖維粒徑分布

        圖2列出了甘薯DF粒徑分布情況,由圖2可以看出,大豆DF、甘薯DF、超微粉碎甘薯DF粒徑大小順序?yàn)榇蠖笵F>甘薯DF>超微粉碎甘薯DF,其粒徑大小分別為34.59、24.43、18.27 μm,大豆DF粒徑分布范圍廣,為1.31~145.1 μm,甘薯DF粒徑分布范圍為1.17~105.24 μm,粉碎后甘薯DF粒徑分布范圍最小,僅為0.5~68.58 μm,且95%以上分布于2~40 μm范圍內(nèi),由此可見,超微粉碎后,甘薯DF粒徑明顯下降。

        圖2 膳食纖維粒徑分布情況

        2.4 膳食纖維單糖組成分析

        采用HAPEC-PAD對(duì)DF單糖組成進(jìn)行測定(表2),結(jié)果表明,DF中主要單糖組分有鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖、甘露糖和糖醛酸。大豆DF中各單糖含量分別為4.55%、2.10%、10.54%、65.21%、7.29%、0.59%和9.32%。甘薯DF與大豆DF,單糖組成間存在顯著性差異(P<0.05)。相比大豆DF,甘薯DF中阿拉伯糖、甘露糖和糖醛酸含量較高,分別為3.68%、1.27%和22.95%;鼠李糖、葡萄糖、木糖含量較低,分別為2.01%、56.05%和3.33%。糖醛酸主要存在于果膠中,纖維素是由葡萄糖通過β-1,4糖苷鍵縮合而成的鏈狀大分子,甘薯DF中糖醛酸含量高,而葡萄糖含量低,與甘薯DF中果膠含量高、纖維素含量低的結(jié)果是一致的。甘薯DF經(jīng)超微粉碎后,各單糖含量均有所上升,糖醛酸含量高達(dá)25.27%,葡萄糖含量僅為50.12%,這是由于超微粉碎后,甘薯DF中果膠含量上升,而纖維素含量下降。

        表2 膳食纖維單糖組成/%

        2.5 膳食纖維掃描電鏡圖片

        圖3為DF電鏡掃描后,放大1 000倍的圖片,由圖3可以看出,DF在掃描電鏡下呈片狀多孔結(jié)構(gòu)。相比之下,大豆DF多孔結(jié)構(gòu)較為明顯,DF顆粒較大;甘薯DF片狀結(jié)構(gòu)較為明顯,顆粒較?。桓适鞤F經(jīng)過超微粉碎后,顆粒明顯減小,但其片狀多孔結(jié)構(gòu)沒有被完全破壞。劉成梅等[21]研究表明,超微粉碎只是通過剪切力改變了物料大小,并沒有完全改變其微觀結(jié)構(gòu)。黃晟等[22]采用X衍射對(duì)超微粉碎后麥麩膳食纖維進(jìn)行分析,結(jié)果表明,超微粉碎未改變膳食纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu),只是改變纖維的顆粒大小。

        圖3 膳食纖維電鏡掃描圖片

        2.6 膳食纖維物化特性

        超微粉碎可使物料粒度減小,比表面積增大,進(jìn)而使IDF分子中親水基團(tuán)暴露率增大,WHC、SWC等水結(jié)合能力提高[23]。在本研究中,分別比較了大豆DF、甘薯DF以及超微粉碎后甘薯DF物化功能特性,結(jié)果如圖4所示。經(jīng)測定大豆DF持水性、吸水膨脹性、持油性、葡萄糖吸收能力以及α-淀粉酶活性抑制能力分別為8.31 g/g、8.74 mL/g、1.97 g/g、10.22 mmol/g和4.85%。甘薯DF持水性、持油性以及葡萄糖吸收能力明顯高于大豆DF,分別達(dá)到10.73 g/g、3.35 g/g、14.98 g/g,但無顯著差異(P<0.05);甘薯DF吸水膨脹性顯著低于大豆DF,而α-淀粉酶活性抑制能力顯著高于大豆DF(P<0.05),分別為6.12 mL/g和15.16%。甘薯DF經(jīng)超微粉碎后,各項(xiàng)物化特性指標(biāo)均明顯上升,其中持油性、葡萄糖吸收能力和α-淀粉酶活性抑制能力與未超微粉碎前相比,呈顯著差異。超微粉碎后甘薯DF持水性、吸水膨脹性、持油性、葡萄糖吸收能力以及α-淀粉酶活性抑制能力分別為14.07 g/g、7.24 mL/g、6.11 g/g、32.43 mmol/g、31.64%。上述結(jié)果說明,甘薯DF各項(xiàng)物化特性指標(biāo)優(yōu)于大豆DF,超微粉碎能明顯改進(jìn)甘薯DF物化功能特性。柑橘DF經(jīng)超微粉碎后,WHC、SWC及OHC明顯增強(qiáng),GAC及α-淀粉酶抑制活性顯著增強(qiáng),分別升高至原來的1.7倍和6.4倍[10]。膳食纖維經(jīng)超微粉碎后,粒徑減小,同時(shí)粉碎過程中DF長鏈發(fā)生斷裂,使得羧基、羥基等基團(tuán)充分暴露出來,從而極大改善其物化特性[24]。

        圖4 膳食纖維物化特性

        3 結(jié)論

        本研究以甘薯渣為原料,采用篩法制備甘薯DF,DF純度達(dá)81.21%,略高于大豆DF純度80.63%。甘薯DF經(jīng)超微粉碎后,粒徑分布范圍減小,體積平均粒徑降低,成分發(fā)生明顯變化,SDF、果膠、鼠李糖含量顯著上升(P<0.05),IDF含量顯著下降(P<0.05),糖醛酸含量也有所上升、葡萄糖含量下降,但與超微粉碎前相比,沒有顯著差異(P<0.05)。超微粉碎后,DF粒徑分布范圍由原來的1.17~105.24 μm減小到0.5~68.58 μm,體積平均粒徑由24.43 μm降低到18.27 μm,TDF中SDF、果膠以及鼠李糖含量分別上升到12.81%、12.63%和3.76%,TDF中IDF含量下降至65.14%,糖醛酸和葡萄糖含量分別為25.27%和50.12%。

        膳食纖維物化功能特性與其粒徑大小、化學(xué)成分有一定相關(guān)性[25-26]。本研究結(jié)果表明,DF物化功能特性與粒徑大小,SDF、果膠含量相關(guān)。本研究3種DF中SDF、果膠含量大小順序?yàn)榇蠖笵F<甘薯DF<超微粉碎甘薯DF,且相互之間存在顯著性差異(P<0.05),物化功能特性分析結(jié)果表明,隨著粒徑減小,SDF和果膠含量升高,WHC、OHC、GAC以及α-淀粉酶活性抑制能力上升。SDF和果膠親水性強(qiáng),在溶液中帶一定量電荷,并且較為伸展,大量基團(tuán)暴露在溶液中,從而極大提升其物化功能特性。有關(guān)粒徑大小與SDF、果膠含量對(duì)甘薯DF物化特性影響程度以及在食品體系中甘薯DF對(duì)食品質(zhì)構(gòu)、貯藏性、口感等特性影響還有待進(jìn)一步研究。

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