非纤维成分对球磨后大豆膳食纤维物理性质的影响

尹志翔 王召君 曾茂茂 何志勇 秦昉 陈洁

摘要 利用行星式球磨儀制备了不同粒径的大豆豆粕、豆渣、水不溶性膳食纤维（S-IDF），以水合能力、溶解度、密度、比表面积、悬浮稳定性为指标，研究了非纤维成分对不同粒径大豆膳食纤维物理性质的影响。结果显示，在球磨过程中豆粕结构易被破坏，粒径迅速降低，可溶性成分快速释放，粉碎60  min后粒径达11.1 μm，而溶解度达56.19%，这与其高含量蛋白相关;而豆渣和S-IDF的粒径下降相对慢，粉碎60 min后粒径分别为13.9和10.0  μm，溶解度分别为35.2%和24.5%。不同粒径样品的比表面积、孔径和孔体积结果显示，在球磨初期，豆粕和豆渣比表面积的改变主要由粒径下降和表面蛋白与多糖降解所致，而球磨后期则是由内部蛋白和多糖降解以及粒径下降共同导致。S-IDF粒径和孔径变化模式与豆粕和豆渣正好相反。各种膳食纤维的水合能力与形貌性质关联相对较小，其中豆渣具有最佳的水合能力，这可能与其含有较多的酸可溶性大豆多糖（SSPS）相关;3种来源膳食纤维的悬浮稳定性都随着粒径变小而增加，与形貌特征的相关性分析显示，悬浮稳定性与粒径及孔径水平呈负相关，而与比表面积及孔体积水平呈正相关（P<0.05）。上述研究说明球磨后大豆膳食纤维的物理性质不仅与粒径、比表面积和孔径等形貌特征相关，而且与其非纤维成分相关。

关键词 大豆膳食纤维;粒径;非纤维成分;物理性质

中图分类号 TS214  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2020）20-0166-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.20.045

Effects of Non-fiber Components on Physical Properties of Soybean Dietary Fiber after Ball Milling

YIN Zhi-xiang，WANG Zhao-jun，ZENG Mao-mao et al （Key Laboratory of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi，Jiangsu 214122）

Abstract In the paper，soybean meal，soybean dregs and soybean insoluble dietary fiber （S-IDF） with different particle sizes were prepared by ball milling.Hydration capacity，solubility，density，surface area and suspension stability were measured to gain insights into the effect of non-fiber ingredients on physical properties of soybean dietary fiber with different particle sizes.The results showed that the structure of soybean meal was easily destroyed with the rapid reduction of particle size and release of soluble components during the ball milling process.The particle size reached 11.1  μm after 60  minutes of ball milling，and the solubility reached 56.19%，which was related to its high content of protein.The particle size of soybean dregs and S-IDF decreased relatively slowly.After ball milling for 60  minutes，the particle sizes were 13.9 and 10.0  μm，respectively，and the solubility was 35.2% and 24.5%，respectively.The results of surface area，pore width and pore volume of samples with different particle sizes showed that the changes in surface area of soybean meal and soybean dregs were mainly caused by the decrease in particle size and degradation of surface proteins and polysaccharides during the initial stage of ball milling，while internal protein and polysaccharides degradation and particle size reduction were responsible for these results in the later stage of ball milling.The change patterns of particle size and pore width of S-IDF were opposite to those of soybean meal and soybean dregs.The hydration ability of various dietary fibers had relatively little correlation with morphological properties.Soybean dregs had the best hydration ability，which may be related to more soluble soybean polysaccharides （SSPS）.The suspension stability of dietary fiber from all three sources increased as the particle size became smaller.Correlation analysis with morphological characteristics showed that the suspension stability was negatively related to particle size and pore width，but positively correlated with specific surface area and pore volume （P<0.05）.In summary，the physical properties of soybean dietary fiber after ball milling were not only related to the particle size，surface area and pore width，but also related to its non-fiber composition.

Key words Soybean dietary fiber;Particle size;Non-fiber composition;Physical properties

膳食纤维是指来源于植物且无法被人体消化吸收的碳水化合物，主要由纤维素、木质素、果胶、半纤维素和其他相关物质组成 [1]。根据水溶性可以将膳食纤维分为可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF） [2]。近年来，由于IDF的健康效应，如降低血液中胆固醇和血压水平 [3-4]，降低胆结石、便秘和肠癌的患病风险 [5-6]，促进肠道蠕动，有效降低血糖值 [7]等，对IDF性质及其改性的研究得到行业的重视。

目前IDF主要来源于禾谷类、豆类、薯类以及水果蔬菜等，如大豆膳食纤维、小麦膳食纤维以及柑橘膳食纤维等 [8]。各类粗加工的IDF通常质构和风味不佳，且各种加工性能包括悬浮性、稳定性、乳化性、持水性等都不佳，限制了其在加工食品中的大规模应用 [9]。为了拓宽IDF的应用途径，必须进行改性处理。目前，通常的改性方法包括超微粉碎、挤压、蒸汽爆破、超高压等物理方法 [10-13]，酶法、发酵等生物技术方法 [14-15]，碱处理和氧化处理等化学方法 [16-17]，或者上述方法的联用技术 [18]。降低粒径、增大比表面积以提高IDF的性能，是各种改性方法的核心目标之一。尽管大量研究结果显示，总体而言，随着IDF粒径的下降，各种性质，尤其是口感有很大程度的提高 [19-20]，但对比不同文献可以发现，IDF粒径与理化性质尤其是加工性质如持水性、悬浮性等之间的关系结论并不一致 [21-24]。Zhu等 [21]对青稞膳食纤维的研究表明，较小的粒径会显著提高IDF的持水力（WHC）;然而，另一项关于麦麸膳食纤维的研究 [24]报道，较小的颗粒尺寸导致WHC降低。上述不一致的结果说明，影响粉碎后IDF性质的要素，除了粒径以外，还有别的因素，如膳食纤维的来源及其非膳食纤维成分可能也有重要影响。

我国大豆膳食纤维原料丰富。作为油脂加工的副产物，豆粕、豆粕提取了大豆蛋白后的豆渣、豆渣提取了可溶性大豆多糖后的水不溶性纤维（S-IDF）都是良好的膳食纤维來源 [25-27]。但目前，不同来源膳食纤维之间的性质很少有数据可对比，也很少有同时对不同来源不同组成的膳食纤维进行对比研究，并探讨影响粉碎后IDF性质的原因和机制，使工业消费者很难理解不同膳食纤维型号之间的差异并导致应用困难。该研究利用球磨机分别处理豆粕、豆渣及S-IDF，得到不同粒径的样品，并测定产物理化性质，探讨原料中非膳食纤维成分对于粉碎加工的影响以及对产物性质的影响，为提高膳食纤维的改进技术和拓宽其应用途径提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

大豆豆粕、豆渣、水不溶性膳食纤维：河南平顶山金晶生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

PM-100行星式球磨仪（德国Retsch）;K375全自动凯氏定氮仪（瑞士Buchi公司）;TST-E804-60A电热鼓风干燥箱（青岛特斯特科技股份有限公司）;SX2-15-10马弗炉（宜兴市精益电炉有限公司）; S3500 激光粒度分析仪（美国Microtrac公司）; Autosorb-IQ比表面积及微孔物理吸附仪（美国康塔仪器公司）;3K15高速冷冻离心机（德国Sigma公司）;U-3900可见分光光度计（日本日立株式会社）;651 LUMISizer稳定性分析仪（德国LUM公司）。

1.3 方法

1.3.1 样品制备。

将适量样品放入球磨仪中，与氧化锆球混合，球料比为1∶10，并在400 r/min下粉碎。分别在不同时间点取样，以得到不同粒径的样品。将豆粕球磨0、0.75、1.5、5和60  min后的样品分别命名为D1、D2、D3、D4和D5;将豆渣球磨0、5、10、20和60  min后的样品分别命名为O1、O2、O3、O4和O5;将S-IDF球磨0、5和60  min后的样品分别命名为I1、I2和I3。

取球磨后的干粉1 g与99 g去离子水混合，充分摇匀，边搅拌边调pH至4.00±0.01，得到均匀的悬浮液，供后续悬浮稳定性试验使用。悬浮液现配现用。

1.3.2 基本成分的测定。蛋白质含量的测定：凯氏定氮法（GB T5009.5—2016）;

灰分含量的测定：灼烧称重法（GB 5009.4—2016）;

水分含量的测定：直接干燥法（GB 5009.3—2016）;

膳食纤维含量的测定：（GB 5009.88—2014）;多糖含量的测定：苯酚-硫酸法。

1.3.3 平均粒径与粒径分布。

取适量干粉置于激光粒度分析仪内，在干法模式下测定样品的平均粒径和粒径分布。试验结果由系统自带软件进行分析，将D 50作为平均粒径的指标。

1.3.4 比表面积及孔径分析。

Brunauer-Emmett-Teller（BET） 比表面积，Barrett-Joyner-Halenda （BJH） 累积孔体积和BJH孔径的测定参照牛飞飞等 [28]的方法。取适量干粉在60 ℃真空干燥4 h，在-195.807 ℃液氮下，测定氮气的吸附和解吸曲线，试验结果由系统自带软件进行分析。

1.3.5 可溶解性。

可溶解性通过Zhang等 [29]描述的方法测定。1 g干粉与50 g去离子水充分混匀，80 ℃加热30 min，立即冷却至室温，4 000 r/min离心30  min。小心收集上清液，将上清液在预先干燥并称重的烧杯中于（103±2）℃干燥。将残余物和烧杯一起称重，并根据下式计算溶解度。

式中，S1为干粉质量（g）;S2为烧杯质量（g）;S3为残余物和烧杯的总重（g）。

1.3.6 松装密度与振实密度。

松装密度与振实密度的测定参考Muttakin [30]的方法，将干粉小心放入已称重的25 mL具塞试管，至25 mL刻度线，松装密度为每毫升样品的体积。利用旋涡振荡器振荡具塞试管100 s，排除样品间的空隙，再放入样品至刻度线，重复多次，直至样品体积不再变化，振实密度为此时每毫升样品的体积。

1.3.7 持水力、持油力与膨胀力。称取0.2 g干粉置于恒重的10 mL离心管中，加入5 mL水（或油），振荡均匀。静置 1 h后，2 000 r/min离心10  min，然后小心除去上清液，称量沉淀物和离心管的总重 [31]。按下式计算持水（油）力（g/g）。

式中，M1为干粉质量（g）;M2为离心管质量（g）;M3为沉淀物和离心管总重（g）。

称取1.0 g干粉置于具塞试管中，读取干粉体积（mL），加入25 mL蒸馏水，振荡均匀，室温下放置24 h后再读取膨胀后样品的体积 [23]。按下式计算膨胀力（mL/g）。

式中，V1为干粉质量（g）;V2为干粉体积（mL）;V3为膨胀后体积（mL）。

1.3.8 悬浮稳定性。

采用直接观察法 [32]，取10 mL 1%悬浮液置于样品管中，分别在不同时间观察其分层结果，测量上清液层的高度。

2 结果与分析

2.1 原料膳食纤维组成

由表1可知，豆粕中蛋白质含量最高，占样品总重的43.68%，但是总膳食纤维（TDF）含量最低，仅为18.89%。豆渣与S-IDF的化学组成相近，主要成分都为TDF;总粗蛋白分别为19.26%和18.72%，显著低于豆粕。二者最主要的区别为S-IDF是豆渣提取酸可溶性大豆多糖（SSPS）后的产物。SSPS主要是由半乳糖醛酸聚糖和鼠李糖半乳糖醛酸聚糖组成的主链以及半乳聚糖和阿拉伯聚糖组成的支链构成的酸可溶多糖 [33]。

2.2 平均粒径及粒径分布

平均粒径用D 50表示，即50%的颗粒可以通过的孔隙大小。如图1（A）所示，随着球磨时间的增加，样品颗粒粒径不断降低。其中豆粕粒径下降速度最快，豆渣其次，S-IDF最慢。3种原料无论球磨多长时间，其粒径最终都集中在10～15 μm。豆粕粒径的下降速度最快，除了初始粒径较大的因素，還有可能是因为豆粕的蛋白质含量高且结构较弱，在剪切力的作用下容易断裂。同样，豆渣粒径下降居中，可能也是由于其中存在可溶性多糖的缘故，与β-1，4糖苷键组成的纤维素相比，可溶性多糖在高剪切力作用下，相对易断裂。

图1（B～D）分别为不同球磨时间下，豆粕、豆渣、S-IDF的粒径分布曲线，进一步说明了随着球磨时间的增加，3种膳食纤维原料粒径分布的降低情况。值得注意的是，豆粕的曲线，在5 min时是单峰，而到了60 min，出现了双峰，这可能是颗粒重新聚集的缘故。 该结果也暗示长时间碾磨的豆粕，平均粒径虽然不断下降，但粒径分布变宽，性质未必会不断 提升。

2.3 球磨对溶解性及产物比表面积和孔径的影响

如表2所示，3种样品的溶解度随着粒径的减小而显著增加，这与图1平均粒径及粒径分布结果是一致的。豆粕的溶解度最高，D5的溶解度为56.19%，远高于豆粕和豆渣球磨60 min后的样品，这是因为豆粕中的可溶性蛋白质含量高。其中D5是D1的2.0倍，O5是O1的6.2倍，I3是I1的2.1倍，豆渣经过粉碎后，溶解度提高得最多，这与可溶性膳食纤维占比 有关 [34]。

3种样品溶解物中，可溶性多糖及蛋白质含量的变化趋势与溶解度的变化趋势一致。其中豆粕D2的可溶性蛋白质含量是D1的169%，而D5仅是D2的110%。这说明豆粕中的可溶性蛋白质在球磨的作用下极易被破坏和释放，这也是豆粕粒径能够快速下降的原因之一。

值得注意的是，表2 中3种原料比表面积的变化趋势差别很大。豆粕和豆渣比表面积均随着碾磨时间的增加不断升高，而孔径变化比较复杂，前3个样品几乎无差别，后2个样品孔径显著变小，说明豆粕和豆渣比表面积的改变在球磨初期主要由粒径下降和表面蛋白与多糖降解所致，而球磨后期则是由内部蛋白和多糖降解以及粒径减少共同导致。而S-IDF球磨初期孔径略有下降，碾磨5 min后孔径不再变化，说明S-IDF的粒径和孔径变化模式与豆粕和豆渣正好相反。这种差异也暗示了3种原料的不同粒径产物性质可能有所不同。

2.4 松装密度与振实密度

随着豆粕、豆渣、S-IDF粒径的下降，3种原料不同粒径样品的松装密度与振实密度均显著降低（图2），这是因为样品的粒径下降，使得颗粒之间的空隙减少，堆积得更加紧密。3种样品球磨60  min后的松装密度集中在0.23～0.27 g/mL，振实密度集中在0.41～0.48 g/mL。

2.5 持水力、持油力及膨胀力

3种样品中，豆渣的水合能力（持水力及膨胀力）最大，这可能与其高含量的SSPS有关。豆粕、豆渣和S-IDF持水力、持油性和膨胀力随碾磨时间的变化趋势有着显著不同。由图3可知，豆粕及豆渣的水合能力随着球磨时间的增加，呈现出先下降后上升的趋势;而S-IDF的水合能力呈现出不断下降的趋势。豆粕D3～D5样品、豆渣O3～O5样品和豆渣I1～I3样品的粒径相似。3种样品

类似粒径下，水合能力的差别说明，膳食纤维的水合能力不

仅受粒径影响，而且受其组成的影响。该结果很好地解释了不同来源膳食纤维关于粒径对性质影响不一致的问题 [21-24]。

为了进一步探讨膳食纤维形貌以及组成等因素对其性质的影响，将图3结果与表1、表2和图1中球磨对产物溶解性、粒径及孔径比表面积的变化趋势关联分析，结果见表3。可以看出，各种样品水合能力的变化与其溶解度和不可溶的成分有关联，而与形貌性质关联相对较小。水合能力与溶解度水平呈负相关（r=-0.865，P<0.05）;与pH 7.0水不可溶多糖含量呈正相关（r=0.918，P<0.01）。表3中不溶性纤维主要包括SSPS和膳食纤维，结合图3结果，可以推测不同来源和不同粒径样品的水合能力可能与样品中的SSPS含量有更大的关联。3种样品的持油力随着粒径的改变无显著性变化，都集中在2.0～3.0 g/g。

2.6 悬浮稳定性

如果膳食纤维大量使用于饮料体系，其水溶液中的悬浮稳定性就非常重要。为此，将3种膳食纤维分别配制成1%浓度的悬浮液，分别在pH 7.0和4.0条件下静置观察其悬浮稳定性，结果如图4所示。豆粕中含有大量蛋白质，在pH 4.0的条件下产生絮状物，无法测定其悬浮稳定性。从图4可以看出，3种来源膳食纤维都随着粒径变小，悬浮稳定性增加。相同粒径的豆渣比S-IDF悬浮稳定性要好，且酸性条件优于中性条件，这是因为豆渣含有较多的SSPS。SSPS是一类酸性多糖，可以作为酸性饮料的稳定剂 [35]。3种样品中，豆粕的悬浮稳定性最差。

将5 min时，悬浮液总高度（10 cm）与上清液高度的差值作为悬浮稳定性的指标，与形貌特征及组成作相关性分析，结果见表3。可以看出，悬浮稳定性与粒径及孔径水平呈负相关（P<0.05），而与比表面积及孔体积水平呈正相关（P<0.05）。

3 结论

通过球磨粉碎处理，得到了粒径为11.1～447.3  μm的豆粕，13.9～193.0  μm的豆渣，10.0～39.5  μm的S-IDF。将3种纤维不同粒径样品的组成、水合能力、溶解度、比表面积、悬浮稳定性等性质进行对比分析，结果显示豆粕在球磨过程中结构易被破坏，粒径迅速降低，可溶性成分快速释放，其他2种相对缓慢。3种原料的组成与形貌特征关联分析结果显示，豆粕和豆渣比表面积的改变在球磨初期主要由粒径下降和表面蛋白与多糖降解所致，而球磨后期则是由内部蛋白和多糖降解以及粒径减小共同导致。而S-IDF粒径和孔径变化模式与豆粕和豆渣正好相反。豆粕和豆渣的水合能力随着粒径的下降，先降低后升高，而S-IDF则持续降低;3种来源膳食纤维的悬浮稳定性都随着粒径变小而增加。相关性分析结果显示，膳食纤维的水合能力可能与组成关联更大，与形貌关联相对较小;而悬浮稳定性与粒径及孔径水平呈负相关，与比表面积及孔体积水平呈正相关（P<0.05）。上述研究表明，非纤维成分与大豆膳食纤维粉碎后物理性质密切相关，这为大豆膳食纤维在食品工业中的开发与应用提供了一定的理论和依据。

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