張艷莉 王 穎 王 迪 佐兆杭 劉淑婷

(1. 黑龍江八一農(nóng)墾大學食品學院，黑龍江 大慶 163319； 2. 國家雜糧工程技術(shù)研究中心，黑龍江 大慶 163319)

奶白花蕓豆(light speckled kidney bean)是黑龍江省盛產(chǎn)的地標性雜豆[1]，營養(yǎng)豐富，藥用價值高。富含皂甘、尿毒酶和多種球蛋白等特有功能因子，可促進DNA合成，增強免疫力[2]。豆渣是雜豆制品的加工副產(chǎn)物，常被當作農(nóng)產(chǎn)品廢棄物以飼料化、肥料化及能源化處理[3-4]。研究[5-6]表明，豆渣干物質(zhì)中富含膳食纖維、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)和其他甾醇類化合物等。現(xiàn)階段有關(guān)大豆豆渣的研究相對成熟，但對于蕓豆豆渣的研究[7]甚少且未見有關(guān)蕓豆渣膳食纖維的相關(guān)研究報道。

膳食纖維根據(jù)其溶解性分為水溶性膳食纖維(soluble dietary fiber，SDF)和水不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber，IDF)，豆渣膳食纖維因其獨特的膨脹性、發(fā)酵性等物化特性而呈現(xiàn)出不同的生理功能[8]。如控制體重，預防肥胖癥；降血脂，預防心血管疾病[9]；改變消化道的pH值、滲透壓，降血糖，預防糖尿病[10]；改善腸道菌群及其他物化特性和生理功能[11]。目前，常見的膳食纖維提取方法分五大類：化學提取[12]、物理提取[13]、酶法提取[14]、發(fā)酵法提取[15]及復合提取。張祖姣等[16]采用酶法輔助堿液的復合方法提取生姜殘渣中SDF，研究發(fā)現(xiàn)復合的提取方法比單一提取方法得率高出4.7%。陸紅佳等[17]研究了超聲輔助堿法提取姜渣中IDF，最佳工藝條件下，IDF得率達54.14%，較前人單一堿法提取有所提高。試驗擬以奶白花蕓豆豆渣為原料，參照前人[18-20]的成果采用超聲輔助堿性蛋白酶和耐高溫α-淀粉酶法提取膳食纖維，以期為蕓豆膳食纖維的功能性研究提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗材料

奶白花蕓豆豆渣：黑龍江省漠河市新建村；

石油醚、乙醇、氫氧化鈉、鹽酸：分析純，大慶高新區(qū)錦晟鑫經(jīng)貿(mào)有限公司；

堿性蛋白酶(酶活2×105U/g)、耐高溫α-淀粉酶(酶活2×104U/mL)：上海通蔚實業(yè)有限公司。

1.1.2 儀器設備

數(shù)顯型實驗室攪拌機：LABSJB-450型，常州勵岸寶機械設備科技有限公司；

超聲波清洗機：DL-360B型，上海之信儀器有限公司；

冷凍干燥機：FD-1A-50型，上海之信儀器有限公司；

高速超微粉碎機：YC-04B型，廣州金本機械設備有限公司；

電熱恒溫干燥箱：DGG-9140A型，上海貝侖儀器設備有限公司；

臺式多用途高速離心機：JIDI-18D型，廣州吉迪儀器有限公司；

傅里葉變換紅外光譜儀：FTIR-1500型，中世沃克(天津)科技發(fā)展股份有限公司。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程

1.2.2 操作要點

(1) 豆渣預處理：將豆渣烘干(50～60 ℃)至恒重，粉碎30 s左右后過40目篩備用。

(2) 脫脂：豆渣與石油醚按料液比1∶5(g/mL)混勻，攪拌脫脂4～6 h，按上述條件脫脂兩次。

(3) 脫蛋白：準確稱取10 g脫脂后的豆渣粉，按料液比1∶10(g/mL)加入蒸餾水，用氫氧化鈉調(diào)pH至8～9，加入1.0%堿性蛋白酶[21]，在超聲輔助下酶解蛋白質(zhì)。

(4) 脫淀粉：用鹽酸調(diào)pH至5.5，加入20 μL耐高溫α-淀粉酶[22]，在超聲輔助下酶解淀粉。

(5) 滅酶：121 ℃,15 min。

(6) 離心：4 000 r/min,15 min。

(7) 分離IDF和SDF：用蒸餾水沖洗濾渣至中性，55 ℃ 干燥6～8 h得IDF；35～40 ℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮濾液至20 mL，5倍體積的乙醇醇沉12 h后抽濾，絮狀物清洗至中性后，冷凍干燥12 h得SDF。于冰箱4 ℃保存。

1.2.3 IDF和SDF提取率的計算 按式(1)計算IDF或SDF提取率。

(1)

式中：

c——IDF或SDF提取率，%；

m1——提取的IDF或SDF質(zhì)量，g；

m2——樣品質(zhì)量，g。

1.2.4 單因素試驗設計

(1) 超聲溫度對SDF和IDF提取率的影響：控制超聲時間30 min，超聲功率200 W，考察超聲溫度(50，55，60，65，70 ℃)對SDF和IDF提取率的影響。

(2) 超聲時間對SDF和IDF提取率的影響：控制超聲溫度60 ℃，超聲功率200 W，考察超聲時間(20，25，30，35，40 min)對SDF和IDF提取率的影響。

(3) 超聲功率對SDF和IDF提取率的影響：控制超聲溫度60 ℃，超聲時間30 min，考察超聲功率(100，150，200，250，300 W)對SDF和IDF提取率的影響。

1.2.5 正交試驗設計 在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以超聲時間、溫度及功率3個因素為正交試驗因素，設計L9(33)正交表，以IDF和SDF的提取率為考察指標，通過正交試驗進行結(jié)果分析，確定最佳超聲提取工藝。

1.2.6 基本結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)的測定

(1) 傅里葉紅外光譜：稱約2 mg樣品，KBr壓片法樣品壓片，4 000～400 cm-1紅外光譜范圍內(nèi)掃描。將充分干燥膳食纖維粉末與KBr按質(zhì)量比1∶100混勻測定[21]。

(2) 持水力：準確稱樣品1.000 g 溶解于100 mL離心管，(25±2) ℃下攪拌30 min，靜置1 h，4 000 r/min離心10 min，傾去上清液，甩干稱重，按式(2)計算持水力。

(2)

式中：

c——持水力，g/g；

m1——樣品濕重，g；

m2——樣品干重，g。

(3) 膨脹力：準確稱取干燥樣品0.100 0 g，置于10 mL 量筒內(nèi)，移液管準確移取5.00 mL蒸餾水加入其中，振蕩均勻，在(25±2) ℃下放置24 h，然后讀取量筒中不溶性膳食纖維的體積，按式(3)計算膨脹力。

(3)

式中：

c——膨脹力，mL/g；

v1——膨脹后樣品體積，mL；

v2——干品體積，mL；

m1——樣品干重，g。

(4) 持油力測定：精確稱取1.00 g樣品于50 mL離心管中，加入20 mL大豆油，混勻，每隔5 min攪拌一次，0.5 h后，將混合物在1 600 r/min下離心25 min，除上層油液，殘渣稱重。按式(4)計算持油力。

(4)

式中：

c——持油力，g/g；

m1——樣品濕重，g；

m2——樣品干重，g。

1.2.7 數(shù)據(jù)處理 采用Excel處理原始數(shù)據(jù)，利用Origin 18.0進行數(shù)據(jù)處理及分析。試驗重復3次。

2 結(jié)果與討論

2.1 提取工藝優(yōu)化

2.1.1 超聲溫度對提取率的影響 超聲溫度對SDF和IDF提取率的影響如圖1所示。隨溫度升高，SDF和IDF的提取率遞增，達60 ℃時DF提取率達到最高，之后隨溫度升高提取率快速下降，其中SDF下降趨勢更明顯。推測適宜的溫度有利于打破纖維素與半纖維素間的氫鍵[22]，過高的溫度使大分子多糖不易溶出，導致提取率降低。

圖1 超聲溫度對膳食纖維提取率的影響

2.1.2 超聲功率對提取率的影響 超聲功率對SDF和IDF提取率的影響如圖2所示。隨著功率增加，IDF和SDF提取率呈上升趨勢，到達200 W時，提取率最大；隨功率繼續(xù)增加，提取率開始下降，SDF的下降速度較IDF更為明顯。推測超聲的共振作用和空化效應會影響膳食纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，超聲波功率較高時機械剪切作用會破壞單糖的鏈，因此SDF提取率波動更顯著。

2.1.3 超聲時間對提取率的影響 超聲時間對SDF和IDF提取率的影響如圖3所示。隨時間增加，提取率呈現(xiàn)緩慢增加趨勢，在25～30 min時提取率上升趨勢最明顯，30 min后提取率有所下降，可能是膳食纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)被打開，使果膠、低聚糖等單糖物質(zhì)溶出，時間增加，提取率緩慢下降?？紤]成本因素，確定30 min為最佳超聲時間。

圖2 超聲功率對膳食纖維提取率的影響

圖3 超聲時間對膳食纖維提取率的影響

2.1.4 正交試驗 L9(33)正交試驗因素與水平設計見表1，正交試驗結(jié)果見表2。Rj值越大表明該因素水平對指標影響越大，IDF和SDF提取率影響因素的主次順序都為A>B>C，最優(yōu)超聲提取工藝為A2B1C3，即超聲溫度60 ℃、超聲時間25 min、超聲功率250 W。按該條件進行驗證實驗重復3次，得到奶白花蕓豆IDF的平均提取率為60.11%，SDF的平均提取率為5.63%。

表1 L9(33)正交試驗因素與水平設計

表2 正交試驗結(jié)果

2.2 膳食纖維的結(jié)構(gòu)表征

對最優(yōu)工藝提取的奶白花蕓豆膳食纖維進行結(jié)構(gòu)表征見圖4。由圖4可看出，IDF在3 421.26 cm-1處有特征吸收峰，是由O—H伸縮振動產(chǎn)生；在2 925 cm-1處有明顯吸收峰，表明有C—H存在；在2 500～1 000 cm-1間有吸收峰，是由C═C伸縮振動及C—H彎曲振動引起，有研究[23-24]表明纖維素、半纖維素類物質(zhì)在3 500～1 000 cm-1間有吸收峰。SDF在3 420.55 cm-1處有特征吸收峰，表明有—OH存在；在3 000～1 300 cm-1間有明顯的吸收峰，是由C═O伸縮振動產(chǎn)生；在1 300～1 000 cm-1間也有吸收峰，表明有—C—O—C的存在，半乳糖、鼠李糖等單糖在3 300～2 500 cm-1和1 700～650 cm-1間都有吸收峰，說明所提取的可溶性膳食纖維中有單糖類物質(zhì)的存在。

圖4 奶白花蕓豆SDF和 IDF的紅外光譜圖

2.3 膳食纖維的理化性質(zhì)

以最優(yōu)超聲條件提取的奶白花蕓豆膳食纖維為測定樣本，測得樣品的指標如下：IDF的持水力為3.922 g/g，SDF的持水力為5.750 g/g；IDF的持油力0.68 g/g，SDF的持油力1.37 g/g；IDF的膨脹力為5 mL/g，SDF的膨脹力為2 mL/g?？梢娔贪谆ㄊ|豆水溶性膳食纖維的持水力和持油力明顯高于水不溶性膳食纖維，與Kaya等[25]對雜豆膳食纖維性質(zhì)的研究結(jié)果一致，因為水溶性膳食纖維中含有的果膠、多糖等物質(zhì)具有可以包裹水和油脂的三鍵和羰基等組分，使其具有更好的持水性和持油性。

3 結(jié)論

通過單因素試驗選出最優(yōu)水平，由L9(33)正交試驗得出最優(yōu)超聲工藝：超聲溫度60 ℃、時間25 min、功率250 W，此條件下所得膳食纖維提取率最高，奶白花蕓豆水不溶性膳食纖維提取率為60.11%，水溶性膳食纖維的提取率為5.43%。所得水溶性膳食纖維的持水力和持油力均高于水不溶性膳食纖維，分別為5.75，1.37 g/g，而水不溶性膳食纖維的膨脹力明顯優(yōu)于水溶性膳食纖維，為5 mL/g。紅外光譜表明，奶白花蕓豆水不溶性膳食纖維中含有纖維素和半纖維素類物質(zhì)，水溶性膳食纖維中含有半乳糖、鼠李糖等功能因子。膳食纖維中水溶性膳食纖維的含量高于10%為優(yōu)質(zhì)膳食纖維，因此后期可研究對豆渣進行改性以提高其水溶性膳食纖維的含量。