芸豆渣膳食纤维超声辅助酶法提取工艺优化及特性研究

张艳莉 王 颖1,2 王 迪1 佐兆杭1 刘淑婷1

(1. 黑龙江八一农垦大学食品学院,黑龙江 大庆 163319; 2. 国家杂粮工程技术研究中心,黑龙江 大庆 163319)

摘要:超声波辅助复合酶(1.0%碱性蛋白酶和0.2%耐高温α-淀粉酶)酶解脱脂后的奶白花芸豆豆渣,提取其中的膳食纤维。研究了超声条件对水不溶性膳食纤维(IDF)和水溶性膳食纤维(SDF)提取率的影响,优化了提取工艺条件,并研究了芸豆渣膳食纤维的结构及理化性质。试验结果表明:超声时间25 min、功率250 W、温度60 ℃时,IDF提取率达到60.11%,SDF提取率为5.63%;两种膳食纤维的红外光谱中有特征吸收峰;SDF持水力比IDF高出1.828 g/g,持油力高出0.69 g/g。

关键词:超声辅助酶法;芸豆;豆渣;膳食纤维;结构表征;理化性质

奶白花芸豆(light speckled kidney bean)是黑龙江省盛产的地标性杂豆[1],营养丰富,药用价值高。富含皂甘、尿毒酶和多种球蛋白等特有功能因子,可促进DNA合成,增强免疫力[2]。豆渣是杂豆制品的加工副产物,常被当作农产品废弃物以饲料化、肥料化及能源化处理[3-4]。研究[5-6]表明,豆渣干物质中富含膳食纤维、蛋白质、矿物质和其他甾醇类化合物等。现阶段有关大豆豆渣的研究相对成熟,但对于芸豆豆渣的研究[7]甚少且未见有关芸豆渣膳食纤维的相关研究报道。

膳食纤维根据其溶解性分为水溶性膳食纤维(soluble dietary fiber,SDF)和水不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber,IDF),豆渣膳食纤维因其独特的膨胀性、发酵性等物化特性而呈现出不同的生理功能[8]。如控制体重,预防肥胖症;降血脂,预防心血管疾病[9];改变消化道的pH值、渗透压,降血糖,预防糖尿病[10];改善肠道菌群及其他物化特性和生理功能[11]。目前,常见的膳食纤维提取方法分五大类:化学提取[12]、物理提取[13]、酶法提取[14]、发酵法提取[15]及复合提取。张祖姣等[16]采用酶法辅助碱液的复合方法提取生姜残渣中SDF,研究发现复合的提取方法比单一提取方法得率高出4.7%。陆红佳等[17]研究了超声辅助碱法提取姜渣中IDF,最佳工艺条件下,IDF得率达54.14%,较前人单一碱法提取有所提高。试验拟以奶白花芸豆豆渣为原料,参照前人[18-20]的成果采用超声辅助碱性蛋白酶和耐高温α-淀粉酶法提取膳食纤维,以期为芸豆膳食纤维的功能性研究提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验材料

奶白花芸豆豆渣:黑龙江省漠河市新建村;

石油醚、乙醇、氢氧化钠、盐酸:分析纯,大庆高新区锦晟鑫经贸有限公司;

碱性蛋白酶(酶活2×105 U/g)、耐高温α-淀粉酶(酶活2×104 U/mL):上海通蔚实业有限公司。

1.1.2 仪器设备

数显型实验室搅拌机:LABSJB-450型,常州励岸宝机械设备科技有限公司;

超声波清洗机:DL-360B型,上海之信仪器有限公司;

冷冻干燥机:FD-1A-50型,上海之信仪器有限公司;

高速超微粉碎机:YC-04B型,广州金本机械设备有限公司;

电热恒温干燥箱:DGG-9140A型,上海贝仑仪器设备有限公司;

台式多用途高速离心机:JIDI-18D型,广州吉迪仪器有限公司;

傅里叶变换红外光谱仪:FTIR-1500型,中世沃克(天津)科技发展股份有限公司。

1.2 方法

1.2.1 工艺流程

豆渣→预处理→脱脂→脱蛋白→灭酶→脱淀粉→灭酶→离心

1.2.2 操作要点

(1) 豆渣预处理:将豆渣烘干(50~60 ℃)至恒重,粉碎30 s左右后过40目筛备用。

(2) 脱脂:豆渣与石油醚按料液比1∶5(g/mL)混匀,搅拌脱脂4~6 h,按上述条件脱脂两次。

(3) 脱蛋白:准确称取10 g脱脂后的豆渣粉,按料液比1∶10(g/mL)加入蒸馏水,用氢氧化钠调pH至8~9,加入1.0%碱性蛋白酶[21],在超声辅助下酶解蛋白质。

(4) 脱淀粉:用盐酸调pH至5.5,加入20 μL耐高温α-淀粉酶[22],在超声辅助下酶解淀粉。

(5) 灭酶:121 ℃,15 min。

(6) 离心:4 000 r/min,15 min。

(7) 分离IDF和SDF:用蒸馏水冲洗滤渣至中性,55 ℃ 干燥6~8 h得IDF;35~40 ℃旋转蒸发仪浓缩滤液至20 mL,5倍体积的乙醇醇沉12 h后抽滤,絮状物清洗至中性后,冷冻干燥12 h得SDF。于冰箱4 ℃保存。

1.2.3 IDF和SDF提取率的计算 按式(1)计算IDF或SDF提取率。

(1)

式中:

c——IDF或SDF提取率,%;

m1——提取的IDF或SDF质量,g;

m2——样品质量,g。

1.2.4 单因素试验设计

(1) 超声温度对SDF和IDF提取率的影响:控制超声时间30 min,超声功率200 W,考察超声温度(50,55,60,65,70 ℃)对SDF和IDF提取率的影响。

(2) 超声时间对SDF和IDF提取率的影响:控制超声温度60 ℃,超声功率200 W,考察超声时间(20,25,30,35,40 min)对SDF和IDF提取率的影响。

(3) 超声功率对SDF和IDF提取率的影响:控制超声温度60 ℃,超声时间30 min,考察超声功率(100,150,200,250,300 W)对SDF和IDF提取率的影响。

1.2.5 正交试验设计 在单因素试验的基础上,以超声时间、温度及功率3个因素为正交试验因素,设计L9(33)正交表,以IDF和SDF的提取率为考察指标,通过正交试验进行结果分析,确定最佳超声提取工艺。

1.2.6 基本结构及理化性质的测定

(1) 傅里叶红外光谱:称约2 mg样品,KBr压片法样品压片,4 000~400 cm-1红外光谱范围内扫描。将充分干燥膳食纤维粉末与KBr按质量比1∶100混匀测定[21]

(2) 持水力:准确称样品1.000 g 溶解于100 mL离心管,(25±2) ℃下搅拌30 min,静置1 h,4 000 r/min离心10 min,倾去上清液,甩干称重,按式(2)计算持水力。

(2)

式中:

c——持水力,g/g;

m1——样品湿重,g;

m2——样品干重,g。

(3) 膨胀力:准确称取干燥样品0.100 0 g,置于10 mL 量筒内,移液管准确移取5.00 mL蒸馏水加入其中,振荡均匀,在(25±2) ℃下放置24 h,然后读取量筒中不溶性膳食纤维的体积,按式(3)计算膨胀力。

(3)

式中:

c——膨胀力,mL/g;

v1——膨胀后样品体积,mL;

v2——干品体积,mL;

m1——样品干重,g。

(4) 持油力测定:精确称取1.00 g样品于50 mL离心管中,加入20 mL大豆油,混匀,每隔5 min搅拌一次,0.5 h后,将混合物在1 600 r/min下离心25 min,除上层油液,残渣称重。按式(4)计算持油力。

(4)

式中:

c——持油力,g/g;

m1——样品湿重,g;

m2——样品干重,g。

1.2.7 数据处理 采用Excel处理原始数据,利用Origin 18.0进行数据处理及分析。试验重复3次。

2 结果与讨论

2.1 提取工艺优化

2.1.1 超声温度对提取率的影响 超声温度对SDF和IDF提取率的影响如图1所示。随温度升高,SDF和IDF的提取率递增,达60 ℃时DF提取率达到最高,之后随温度升高提取率快速下降,其中SDF下降趋势更明显。推测适宜的温度有利于打破纤维素与半纤维素间的氢键[22],过高的温度使大分子多糖不易溶出,导致提取率降低。

图1 超声温度对膳食纤维提取率的影响

Figure 1 Ultrasonic temperature on the influence of dietary fiber extraction yield

2.1.2 超声功率对提取率的影响 超声功率对SDF和IDF提取率的影响如图2所示。随着功率增加,IDF和SDF提取率呈上升趋势,到达200 W时,提取率最大;随功率继续增加,提取率开始下降,SDF的下降速度较IDF更为明显。推测超声的共振作用和空化效应会影响膳食纤维的内部结构,超声波功率较高时机械剪切作用会破坏单糖的链,因此SDF提取率波动更显著。

2.1.3 超声时间对提取率的影响 超声时间对SDF和IDF提取率的影响如图3所示。随时间增加,提取率呈现缓慢增加趋势,在25~30 min时提取率上升趋势最明显,30 min后提取率有所下降,可能是膳食纤维内部结构被打开,使果胶、低聚糖等单糖物质溶出,时间增加,提取率缓慢下降。考虑成本因素,确定30 min为最佳超声时间。

图2 超声功率对膳食纤维提取率的影响

Figure 2 Ultrasonic power on the influence of dietary fiber extraction yield

图3 超声时间对膳食纤维提取率的影响

Figure 3 Ultrasonic time on the influence of dietary fiber extraction yield

2.1.4 正交试验 L9(33)正交试验因素与水平设计见表1,正交试验结果见表2。Rj值越大表明该因素水平对指标影响越大,IDF和SDF提取率影响因素的主次顺序都为A>B>C,最优超声提取工艺为A2B1C3,即超声温度60 ℃、超声时间25 min、超声功率250 W。按该条件进行验证实验重复3次,得到奶白花芸豆IDF的平均提取率为60.11%,SDF的平均提取率为5.63%。

1 L9(33)正交试验因素与水平设计

Table 1 L9(33) Orthogonal test factors and horizontal design

水平A超声温度/℃B超声时间/minC超声功率/W155251502603020036535250

2 正交试验结果

Table 2 Orthogonal test result

试验号ABC提取率/%IDFSDF111150.363.87212246.322.97313347.893.24421259.075.45522357.145.11623153.063.98731351.342.95832149.793.02933247.292.57IDFk148.1953.5951.07k256.4251.0850.89k349.4749.4152.12Rj8.234.181.23最优组合A2B1C3SDFk13.364.093.62k24.853.703.66k32.853.263.76Rj2.000.830.15最优组合A2B1C3

2.2 膳食纤维的结构表征

对最优工艺提取的奶白花芸豆膳食纤维进行结构表征见图4。由图4可看出,IDF在3 421.26 cm-1处有特征吸收峰,是由O—H伸缩振动产生;在2 925 cm-1处有明显吸收峰,表明有C—H存在;在2 500~1 000 cm-1间有吸收峰,是由C═C伸缩振动及C—H弯曲振动引起,有研究[23-24]表明纤维素、半纤维素类物质在3 500~1 000 cm-1 间有吸收峰。SDF在3 420.55 cm-1处有特征吸收峰,表明有—OH存在;在3 000~1 300 cm-1间有明显的吸收峰,是由C═O伸缩振动产生;在1 300~1 000 cm-1 间也有吸收峰,表明有—C—O—C的存在,半乳糖、鼠李糖等单糖在3 300~2 500 cm-1和1 700~650 cm-1间都有吸收峰,说明所提取的可溶性膳食纤维中有单糖类物质的存在。

图4 奶白花芸豆SDF和 IDF的红外光谱图

Figure 4 Infrared spectra of SDF and IDF of light speckled kidney bean

2.3 膳食纤维的理化性质

以最优超声条件提取的奶白花芸豆膳食纤维为测定样本,测得样品的指标如下:IDF的持水力为3.922 g/g,SDF的持水力为5.750 g/g;IDF的持油力0.68 g/g,SDF的持油力1.37 g/g;IDF的膨胀力为5 mL/g,SDF的膨胀力为2 mL/g。可见奶白花芸豆水溶性膳食纤维的持水力和持油力明显高于水不溶性膳食纤维,与Kaya等[25]对杂豆膳食纤维性质的研究结果一致,因为水溶性膳食纤维中含有的果胶、多糖等物质具有可以包裹水和油脂的三键和羰基等组分,使其具有更好的持水性和持油性。

3 结论

通过单因素试验选出最优水平,由L9(33)正交试验得出最优超声工艺:超声温度60 ℃、时间25 min、功率250 W,此条件下所得膳食纤维提取率最高,奶白花芸豆水不溶性膳食纤维提取率为60.11%,水溶性膳食纤维的提取率为5.43%。所得水溶性膳食纤维的持水力和持油力均高于水不溶性膳食纤维,分别为5.75,1.37 g/g,而水不溶性膳食纤维的膨胀力明显优于水溶性膳食纤维,为5 mL/g。红外光谱表明,奶白花芸豆水不溶性膳食纤维中含有纤维素和半纤维素类物质,水溶性膳食纤维中含有半乳糖、鼠李糖等功能因子。膳食纤维中水溶性膳食纤维的含量高于10%为优质膳食纤维,因此后期可研究对豆渣进行改性以提高其水溶性膳食纤维的含量。

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Optimization of ultrasonic assisted enzymatic extraction of dietary fiber from light speckled kidney bean

WANG Ying1,2 WANG Di1 ZUO Zhao-hang1 LIU Shu-ting1

(1. College of Food Science, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing, Heilongjiang 163319, China; 2. National Coarse Cereals Engineering Research Center, Daqing, Heilongjiang 163319, China)

Abstract Ultrasonic assisted complex enzyme (1.0% alkaline protease and 0.2% high temperature resistant alpha-amylase) was used to extract dietary fiber from milk white colored kidney bean residue after enzymolysis.The effect of ultrasonic conditions on the extraction rate of water-insoluble dietary fiber (IDF) and water-soluble dietary fiber (SDF) was studied.The results showed that the extraction rate of IDF and SDF reached 60.11% and 5.63% respectively, when extracted with 250 W of ultrasonic at 60 ℃ 25 min. There were characteristic absorption peaks in the infrared spectra of DF. The water holding capacity of SDF was 1.828 g/g higher than that of IDF, and the oil holding capacity

was 0.69 g/g higher than that of IDF.

Keywords ultrasound-assisted enzymatic method; kidney bean; bean dregs; dietary fiber; structural characterization; physicochemical property

基金项目:国家科技部重点研发计划(编号:2017YFD0401203);黑龙江省科技厅项目(编号:TDJH201806);黑龙江省特色杂粮学科项目(编号:201705);黑龙江省农垦总局科技项目(编号:HNK135-05-02)

作者简介:张艳莉,女,黑龙江八一农垦大学在读硕士研究生。

通信作者:王颖(1979—),女,黑龙江八一农垦大学教授,博士。E-mail:wychen156@163.com

收稿日期:2019-05-08

DOI10.13652/j.issn.1003-5788.2019.10.041