莲蓬膳食纤维的高温改性及其理化和应用特性研究

孙 杰,韩苗苗,龚 超,王宏勋,2,侯温甫,2,易 阳,2,*

(1.武汉轻工大学食品科学与工程学院,湖北武汉 430023;2.湖北省生鲜食品工程技术研究中心,湖北武汉 430023)

莲蓬膳食纤维的高温改性及其理化和应用特性研究

孙 杰1,韩苗苗1,龚 超1,王宏勋1,2,侯温甫1,2,易 阳1,2,*

(1.武汉轻工大学食品科学与工程学院,湖北武汉 430023;2.湖北省生鲜食品工程技术研究中心,湖北武汉 430023)

采用响应面法优化莲蓬不溶性膳食纤维(LIDF)的高温改性工艺,分析改性对其理化和应用特性的影响。以可溶性膳食纤维(SDF)含量为指标,优化LIDF高温改性的最佳工艺参数为:料液比1∶6.75(g/mL)、处理温度115 ℃、处理时间40 min,在此条件下改性所得产品中SDF含量达4.33%。通过理化分析和扫描电镜观察发现,改性后膳食纤维的溶胀率、持水性和胆酸钠吸附能力显著增强(p<0.05),持油力明显降低(p<0.05),并呈现为剥落分散片层状。LIDF的添加仅显著影响挂面的硬度和凝聚力(p<0.05),而对酥性饼干的硬度和酥性均无显著影响(p>0.05)。LIDF经改性后,在挂面中添加量由3%增加至5%以及在饼干中添加量由6%增加至8%均未显著改变产品的质构特征(p>0.05)。LIDF添加能增强产品的苦味、涩味和回味-B,而改性能减弱其对产品滋味的影响。高温改性能有效改善LIDF在挂面和酥性饼干中的应用品质。

莲蓬,膳食纤维,高温改性,挂面,饼干

膳食纤维作为一种多糖具有相当重要的生理作用,摄取不足将增加肥胖、糖尿病、心脏病等慢性疾病发病率[1-2]。近年来,主食及休闲食品中膳食纤维的补充添加成为重要的消费诉求。麸皮膳食纤维、大豆膳食纤维、马铃薯膳食纤维在面制品中的添加应用已有报道[3-6],其含量成为衡量产品营养品质的重要指标之一。此外,膳食纤维添加对食品感官及物性品质的影响也备受研究关注。适量的膳食纤维添加能显著改良面团的粉质特性,并改善其加工性能,如延缓面包的陈化速率[3]、增强面条的弹性和咀嚼性[3]、改善饼干的硬度和口感[5]。膳食纤维在食品中的添加量及其对产品品质的改良作用较大程度取决于自身的理化特性[7-8],通过改性提高膳食纤维的应用品质已被广泛认可。目前,膳食纤维的改性方法主要包括化学法、生物法和物理法,其中安全且简便的物理法颇受青睐[9]。膳食纤维的物理改性研究以超微粉碎、超高压和挤压为主[10-11],而高温处理对膳食纤维品质的影响尚鲜见报道。

作为籽莲加工的主要副产物,莲蓬尚缺乏有效的加工利用途径。莲蓬中的化学成分主要包括多酚、生物碱、蛋白质、脂肪、糖类、纤维、胡萝卜素、维生素等,其中仅原花青素因特异的生物功效引起广泛关注[12]。莲蓬中粗膳食纤维含量达84.16%(干重)[13],而涉及膳食纤维的研究开发尚鲜见报道。本研究采用双酶法制备莲蓬膳食纤维[13],通过响应面法优化其高温改性工艺,评价改性对膳食纤维理化及应用特性的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

干莲蓬壳 由湖北万荷堂莲业发展有限公司提供；高筋和中筋小麦面粉 河南金龙面业有限公司;细砂糖 广东福正东海食品有限公司;精致碘盐 湖北盐业集团有限公司;玉米油 中国粮油食品(集团)有限公司;碳酸氢钠、碳酸氢铵及其他辅料 食品级,国药集团化学试剂有限公司;α-淀粉酶 上海阿拉丁生化科技股份有限公司;木瓜蛋白酶 上海Kayon公司;盐酸、氢氧化钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾和无水乙醇 分析纯,国药集团化学试剂有限公司。

YB-1000A型高速多功能粉碎机 永康市速锋工贸有限公司;V-1100D型可见光光度计 上海美谱达仪器有限公司;Scout SE电子天平 奥豪斯仪器(常州)有限公司;QM-430家用面条机 常州市墅乐厨具有限公司;BO-K35电烤箱 佛山市贝奥电器有限公司;S-3000N扫描电镜 日本HATACHI公司;TS-5000Z型电子舌 日本INSENT公司;TAXTPlus型质构仪 英国SMSTA公司;LS-30型立式压力蒸汽灭菌锅 上海博迅实业有限公司医疗设备厂。

1.2 实验方法

1.2.1 莲蓬不溶性膳食纤维的改性工艺 采用复合酶法制备莲蓬不溶性膳食纤维(LIDF)[13]。称取适量的LIDF粉末置于锥形瓶中,加入一定比例的蒸馏水湿润后以硅胶塞密封。将锥形瓶置于灭菌锅内高温处理一段时间后,测定可溶性膳食纤维(SDF)含量;或高温高压处理后过滤分离滤渣,75 ℃下热风干燥获得改性莲蓬膳食纤维(MLDF)。

1.2.2 单因素实验设计

1.2.2.1 料液比 在改性温度115 ℃和时间30 min的条件下,考察料液比(1∶3、1∶6、1∶9、1∶12、1∶15 g/mL)对SDF生成的影响。

1.2.2.2 改性温度 在料液比1∶9 g/mL和改性时间30 min的条件下,考察改性温度(105、110、115、120、125 ℃)对SDF生成的影响。

1.2.2.3 改性时间 在料液比1∶9 g/mL和改性温度115 ℃的条件下,考察改性时间(10、20、30、40、50 min)对SDF生成的影响。

1.2.3 响应面实验设计 在单因素实验的基础上,采用 Box-Benhnken中心组合设计响应面实验,实验因素及水平见表1。

表1 实验因素与水平表Table 1 Experimental factors and levels table

1.2.4 膳食纤维的理化特征分析 参考国标方法测定可溶性膳食纤维含量[14];参考王亚伟等[15]的方法测定膳食纤维的溶胀性;参考高荫榆等[16]的方法测定吸附胆酸钠能力;参考刘倍毓等[17]的方法测定持水力和持油力;参考梅新等[18]的方法测定电镜扫描。

1.2.5 莲蓬膳食纤维产品的制作工艺 莲蓬膳食纤维挂面参考商业标准[19]制作,其中膳食纤维添加量为3%、4%、5%,盐添加量为1.5%、水分添加量为35.5%。

莲蓬膳食纤维酥性饼干参考文献[5]制作,其中膳食纤维添加量为6%、8%、10%,食用油添加量为27.5%,疏松剂添加量为1%(碳酸氢钠与碳酸氢铵质量比为2∶1),烘烤底火和面火温度均为180 ℃,烘烤至饼干色泽变深且无焦黑色。

1.2.6 产品质构分析 随机选取烹调后的挂面(约8 cm长)进行TPA测试[20]。选取探头P/50,测试速度1 mm/s,应变位移70%,感应力5 g,每秒获得点数400 pps,间隔时间3 s。测定挂面的硬度、粘附性、弹性、内聚性、回复性和咀嚼性,平行重复三次。

酥性饼干质构特征采用物性测试仪HDP/3PB探头进行三点弯曲实验[21]。测试模式为压缩,测前速度5.00 mm/s,测中速度1.7 mm/s,测后速度10.0 mm/s,目标模式为应变40%,触发力为5.0 g。每组样品平行测定3次。取信号曲线的最大值为样品的硬度(g),取曲线起点到最大峰值的线性距离为酥性(g·s)。

1.2.7 产品滋味分析 称取约2.0 g样品,加入100 mL的去离子水后匀浆,离心(5000 r/min,10 min),取上清液过滤。设置采样时间120 s和清洗时间10 s,采用电子舌分析产品的滋味,平行测定三次。

1.3 数据处理

响应面实验采用SAS(V8)软件进行设计和回归分析。采用SPSS17.0软件进行方差分析,采用S-N-K检验组间数据差异,显著性水平为α=0.05,图(表)中不同小写字母及*表示0.05水平显著性差异。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 料液比对SDF生成的影响 由图1可见,SDF含量随着料液比的增加呈下降的趋势。料液比为1∶3 g/mL时的SDF含量显著高于其他实验组(p<0.05)。料液比为1∶6和1∶9(g/mL)时的SDF含量无显著差异(p>0.05),而料液比的进一步增加导致SDF含量显著降低(p<0.05),原因可能是:随着料液比增加非SDF杂质溶出增多,致使SDF含量降低。故最佳料液比为1∶3 g/mL。

图1 料液比对SDF生成的影响Fig.1 Effect of solid-liquid ratio on the production of soluble dietary fiber 注:不同小写字母表示可溶性膳食纤维含量在0.05水平的显著性差异,图2和图3同。

2.1.2 改性温度对SDF生成的影响 由图2可见,在105～125 ℃范围内,随着处理温度的升高,SDF含量呈现显著增加的趋势(p<0.05)。温度越高,可能对膳食纤维分子键破坏程度越大,导致一定程度的SDF降解[22]。故最佳处理温度为125 ℃。

图2 改性温度对SDF生成的影响Fig. 2 Effect of processing temperature on the production of soluble dietary fiber

2.1.3 改性时间对SDF生成的影响 由图3可见,改性时间由10 min延长至30 min的过程中,SDF含量呈显著增加趋势(p<0.05),进一步延长时间至40 min并未显著增加SDF含量(p>0.05)。但当处理时间超过40 min后,SDF含量发生显著下降(p<0.05),SDF含量由4.20%降低至3.94%,可能由于长时高温作用导致部分SDF降解[22]。故最佳处理时间为30 min。

图3 改性时间对SDF生成的影响Fig.3 Effect of the processing time on the production of soluble dietary fiber

2.2 响应面实验结果

方差分析结果表明(表3),Y的决定系数R2值为91.09%。逐项显著性检验结果显示:线性项X1和X2对Y有显著影响(p<0.05)。交互项对Y影响均不显著(p>0.05)。

表2 响应面实验结果Table 2 Results of response surface methodology experiment

表3 回归模型方差分析Table 3 Regression analysis of variance

表4 LIDF和MLDF的理化特性比较Table 4 Comparison on the physicochemicalproperties between LIDF and MLDF

注:*表示MLDF与LIDF相比相应理化指标在0.05水平上的显著性差异(p<0.05)。

通过回归模型方差分析发现,各因素对SDF含量的影响为反应温度>料液比>反应时间。采用RSREG Procedure分析加权值回归模型得到一个稳定点,该点各因子的编码值为:X1=0.26、X2=-1.03、X3=1.04,即为料液比1∶6.78 g/mL、处理温度114.85 ℃、处理时间40.40 min,预测值为4.32%。为便于实际应用,优化高温法改性LIDF工艺条件为:料液比1∶6.75 g/mL、处理温度115 ℃、处理时间40 min,在此条件下其可溶性膳食纤维含量达4.33%。

2.3 改性对LIDF理化特性的影响

由表4可以看出,改性后的MLDF的溶胀率、持水力和吸附胆酸钠能力均显著高于LIDF(p<0.05),原因可能是:改性后膳食纤维的表面结构疏松,具有更大的比表面积,在与胆酸盐或其他物质和溶剂相接触时也能形成更多的毛细管,且更多的亲水基团暴露到表面,于是表现出更大的吸附容量[23]。

在2000倍的放大倍数下通过电镜扫描观察发现(图4),LIDF和MLDF的表观形态呈现明显差异,前者的表面粗糙且呈无规则卷曲块状,而后者呈分散的剥落片层状。

图4 LIDF和MLDF的SEM图比较(2000×)Fig.4 Comparison on the SEM images of LIDF and MLDF(2000×)

2.4 改性对LIDF添加产品质构特征的影响

表5 LIDF和MLDF对挂面质构品质的影响Table 5 Effects of LIDF and MLDF on the textural properties of noodle

注:不同小写字母表示不同实验组的同一质构品质在0.05水平的显著性差异,表6同。

由表5可知,添加LIDF及MLDF的挂面的硬度显著高于空白组(p<0.05),而其凝聚力显著低于空白组(p<0.05),其余质构指标均与空白组无显著差异(p>0.05)。添加等量LIDF和MLDF的挂面的质构品质均无显著差异(p>0.05)。添加3%～5% MLDF的挂面的质构指标亦无显著差异(p>0.05),说明改性处理MLDF的应用品质有效提升,从而在产品中的添加量也可适度增加。

由表6可知,添加6%LIDF和6%～8%MLDF并未显著改变酥性饼干的硬度和酥性,改性能适度增加MLDF在饼干中的添加量。但当其添加量增大至10%时,饼干的硬度和酥性亦随之显著增大(p<0.05),其原因可能在于:随着添加量的增加,面团中的面筋含量被稀释,影响面筋网络的形成,降低面团的韧性,使饼干空隙增大,水分很难被保留下来,导致饼干变干,使酥性、硬度增大[24]。

表6 LIDF和MLDF对酥性饼干质构品质的影响Table 6 Effects of LIDF and MLDF on the textural properties of biscuit

2.5 改性对LIDF添加产品滋味特征的影响

由图5可知，3% LIDF添加挂面的苦味、涩味、回味-B及咸味均强于空白组;3%MLDF添加挂面的苦味、涩味、回味-B及咸味均弱于LIDF添加挂面;随着MLDF添加量的增加,挂面的苦味及回味-B明显增强。改性后LIDF对挂面的滋味影响减弱,过量的MLDF添加主要导致挂面苦味和回味-B增加,原因可能是:莲蓬膳食纤维中某些导致苦味的物质在挂面中累积所致。

图5 挂面电子舌雷达图Fig. 5 Radar map of the noodle by electronic tongue

由图6可知，6% LIDF添加能明显增强酥性饼干的苦味、涩味、回味-B及咸味,并显著降低其酸味;6%MLDF添加酥性饼干的苦味和回味-B均弱于LIDF添加饼干,但涩味及咸味相对较强;随着MLDF添加量的增大,饼干的苦味和回味-B随之增强。改性能减弱LIDF引入的苦味和回味-B,并明显降低饼干的酸味,过量的MLDF添加主要导致饼干苦味和回味-B增加。

图6 酥性饼干电子舌雷达图 Fig. 6 Radar map of the biscuit by electronic tongue

3 结论

3.1 在单因素的基础上,采用响应面法优化莲蓬不溶性膳食纤维(LIDF)的高温改性工艺参数为:料液比1∶6.75 g/mL、处理温度115 ℃、处理时间40 min,在此条件下可溶性膳食纤维含量达4.33%。

3.2 相比LIDF,高温改性所得MLDF的溶胀率、持水力和吸附胆酸钠能力显著增加,而持油力显著降低,且表观形态发生明显变化。

3.3 添加粗膳食纤维的挂面硬度显著增大,而凝聚力显著减小,添加高温改性膳食纤维添加量为10%时,酥性饼干的硬度与酥性均显著增加。

3.4 挂面和饼干中添加粗膳食纤维其苦味、涩味、回味-B及咸味升高,添加3%的改性膳食纤维有明显降低挂面滋味的作用,过量的MLDF添加主要导致挂面和饼干苦味及回味-B的增加。

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Modification of dietary fiber from lotus seedpod using high-temperature:physicochemical property and application research

SUN Jie1,HAN Miao-miao1,GONG Chao1,WANG Hong-xun1,2,HOU Wen-fu1,2,YI Yang1,2,*

(1.College of Food Science and Engineering,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China;2.Hubei Engineering Research Center for Fresh Food,Wuhan 430023,China)

High-temperature modification of insoluble dietary fiber from lotus seedpod(LIDF)was optimized by response surface methodology. Effects of modification on the physicochemical properties and application of LIDF were analyzed. The content of soluble dietary fiber(SDF)was used as the evaluation index for technology optimization. The optimized technological parameters were as follows:ratio of material to liquid 1∶6.75(g/mL),processing temperature 115 ℃,and processing time 40 min. Under this condition,the modified LIDF contains 4.33% SDF. Physicochemical analysis confirmed that high temperature modification could significantly enhance the swelling rate,eater binding capacity and adsorption capacity on sodium cholate of LIDF(p<0.05),but the oil-holding capacity were obviously decreased(p<0.05). In addition,the microstructure of LIDF was changed to be peeled layers. The addition of LIDF could significantly improve the hardness and cohesion of noodles(p<0.05),but showed insignificant effect on the hardness and brittleness of biscuit(p>0.05). Adding 3%～5% modified LIDF in noodles,or 6%～8% in biscuit did not significantly change the texture of products(p>0.05). The adding of LIDF could enhance the bitterness,astringency,and aftertaste-B of product,but the modification was on the contrary. The results indicated that high-temperature modification could increase the application value of LIDF as nutrient supplement in noodle and biscuit.

lotus seedpod;dietary fiber;high-temperature modification;noodle;biscuit

2016-05-06

孙杰(1986-)，男，在读硕士研究生，研究方向：农产品加工，E-mail：sunjsz0710@163.com。

*通讯作者:易阳(1986-)，男，博士，副教授，研究方向：农产品加工，E-mail：yiy86@whpu.edu.cn。

湖北省重点新产品新工艺研究开发项目(YJNO136)。

TS255.3

A

1002-0306(2017)02-0141-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.02.018