脱蛋白结合超微粉碎对豆渣膳食纤维成分及功能特性影响

汤小明 卢坚雯 曾艳红

(宜春市农业农村局1，宜春 336000) (中共宜春市袁州区委党校2，宜春 336000)

膳食纤维(dietary fiber，DF)是人体必需的七种营养素之一，广泛应用于各种食品、保健品和医疗产品的加工。DF根据其水溶性分为不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber，IDF)和可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber，SDF)[1]。IDF可以减少消化物在肠道运动和运输时间。此外，它对腹泻和便秘有积极作用[2]。SDF可以帮助降低血液胆固醇水平[3]和调节血糖水平[4]，以及预防结直肠癌[5]。

中国每年生产约2千万吨豆渣，但豆渣未被充分利用，多用作饲料和肥料，甚至作为工业废弃物丢弃。事实上，豆渣是一种营养丰富，天然，低热量，低脂肪，低糖的原料食品，可以提高产品的附加值，具有很大的发展潜力。目前利用豆渣仍然存在两个问题。首先，豆渣含有丰富的蛋白质，使其易于微生物腐败，难以储存、运输。而且豆渣蛋白含有3种主要过敏原，分别是Gly m Bd 28K，Gly m Bd 30K，Gly m Bd 60K[6]。这些过敏原容易诱发人体消化不良，腹泻，特应性皮炎等不良反应。国内外用于豆渣脱蛋白的方法主要有化学法[3]和酶解法[6]。酶解法因条件温和、对环境污染小，应用前景广阔[6]。其次，豆渣DF组成不均衡，富含IDF但几乎不含SDF[7]，它不符合“理想膳食纤维”的要求[8]。事实证明，SDF在某些方面比IDF更能改善人的健康状况[9]。很多方法已经使用于增加植物残渣的SDF含量，例如化学或微生物发酵法[8]。但这些方法有很多缺点。例如，化学法耗时且会产生污染物[9], 而微生物发酵法非常昂贵[10]。

超微粉碎是近二十年来发展的技术，它可以将原料加工成微米或纳米粉末，并已广泛应用于各行各业。该技术具有高速低温破碎；粒径细，分布均匀；节约原材料，提高利用率，减少污染；有益于身体对食物营养吸收等优势。本实验研究脱蛋白结合超微粉碎改性方法对豆渣DF化学组成和功能特性的影响，为豆渣的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

豆渣碱性蛋白酶(4 000 u/g)、中性蛋白酶(4 000 u/g)、风味蛋白酶(4 000 u/g)；氢氧化钠、石油醚等试剂均为分析纯。Mastersizer2000粒径分布仪，Pulverisette 14超微粉碎仪，LXJ-IIB离心机。

1.2 试验方法

1.2.1 豆渣DF的制备

1.2.1.1 原料预处理

豆渣在60 ℃下烘干至恒重，将干燥的豆渣用锤磨机研磨并过500 μm筛网，然后用石油醚脱脂，在-20 ℃下储存直至使用。

1.2.1.2 原料脱蛋白

脱脂豆渣分别通过下面四种方法脱蛋白后，用纯净水反复洗涤，于60 ℃下烘干过夜，分别得到DF-A，DF-N，DF-F，DF-T四种样品。

DF-A：碱性蛋白酶(料液比1∶20、pH 9.0、温度60 ℃、酶解时间4 h)；

DF-N：中性蛋白酶(料液比1∶20、pH 7.0、温度50 ℃、酶解时间4 h)；

DF-F：风味蛋白酶(料液比1∶20、pH 3.0、温度45 ℃、酶解时间4 h)；

DF-T：碱提蛋白(第一步料液比1∶20、pH 10、温度60 ℃、提起时间90 min，第二步料液比1∶10、pH 10、温度60 ℃、提起时间60 min)

1.2.2 豆渣DF组分的测定

根据AOAC[11]方法测量豆渣DF的粗蛋白，TDF，IDF和SDF含量。粗蛋白根据使用Kjedahl方法(AOAC方法920.152)估算氮含量来测量粗蛋白质含量。根据酶重量法(AOAC方法991.43)测量TDF，IDF和SDF含量。

1.2.3 豆渣DF超微粉碎及粒径的测定

1.2.3.1 豆渣DF超微粉碎

先后取适量DF-A，DF-N，DF-F，DF-T四种样品，置于旋转研磨机，运行速度设定为20 000r/min，并分别粉碎通过装有的四个不同筛(40、60、100、250 μm)。最后，获得过40、60、100、250 μm筛的四种不同粒径豆渣DF粉末。

1.2.3.2 粒径的测定

将100 mg豆渣DF溶解于5 mL蒸馏水中，超声进行分散，分散剂为水，使DF颗粒分散均匀。采用Mastersizer 2000粒径分布仪测定，样品由Hydro 2000 MU (A)进样测定，得粒径体积分布。

1.2.4 豆渣DF功能性质的测定

根据陈存社等[12]的方法稍作修改，测定豆渣DF粉末的持水力，持油力和膨胀力。

1.2.4.1 持水力(water holding capacity，WHC)

取250 mg样品加入50 mL离心管，加15 mL蒸馏水，在室温下震荡均匀，静置24 h，离心(4 800r/min，20 min)去除上清液，根据质量差算出每克样品持水的重量，测量3次。

计算WHC如下：

式中：m0为离心管的质量/g；m1为去除上清液后离心管的质量/g；m为膳食纤维样品的质量/g。

1.2.4.2 持油力(holding capacity，OHC)

取250 mg样品加入50 mL离心管，加15 mL大豆油，在室温下震荡均匀，静置24 h后离心(4 800r/min，20 min)去除上清液，根据质量差算出每克样品持水的重量，测量3次。

计算OHC如下：

式中：m0为离心管的质量/g；m1为去除上清液后离心管的质量/g；m为膳食纤维样品的质量/g。

1.2.4.3 膨胀力(swelling capacity，SC)

取250 mg样品加入10 mL量筒中，加入5 mL含0.02%迭代化钠蒸馏水，立即震荡，消除气泡的影响，过夜，测量每克样品增加的体积，测量3次。

计算SC如下：

式中：V为干样品的体积/mL；V0为吸水膨胀后样品的体积/mL；m为膳食纤维样品的质量/g。

2 结果与分析

2.1 豆渣DF超微粉碎粒径分布

在不同的超微粉碎条件下处理得到的豆渣DF的粒度分布特征如图1所示。当豆渣DF超微粉碎通过装有250 μm筛的旋转研磨机时，其平均粒径从125.6 μm急剧减小到30.8 μm，属于亚微米级。结果表明，通过旋转研磨机粉碎可以有效地将豆渣DF颗粒的粒径减小到亚微米级。当豆渣DF粉碎分别通过带有筛子(100、60、40 μm)的旋转研磨机时，豆渣DF的粒度分布在2 μm至160 μm的范围内，表明豆渣DF粒径的一部分大于粉碎通过的筛孔，这种异常现象可能归因于超微粉碎后的豆渣DF颗粒发生了聚集。Rajkhowa等[13]研究发现旋转研磨后的丝绸品种获得了类似的结果。随着DF颗粒变得更小，抗断裂性逐渐增加，由于表面积的增加，聚集加速。因此，当豆渣DF粒径到了一定大小，超微粉碎不能再使其粒度变少。

图1 豆渣DF超微粉碎粒径分布图

2.2 豆渣DF的基本组分

本研究中使用的豆渣的化学组成见表1，其蛋白质含量与已报道的豆渣样品值一致[14]。O’Toole[15]总结报道豆渣的化学组成，其中蛋白质，SDF和IDF质量分数在24%～31%，12.6%～14.6%和40.2%～43.6%之间。与早期研究的豆渣组分相比，本研究豆渣的蛋白质和SDF含量明显较低，IDF含量较高。产生这种差异可能由于生产豆渣的方法和大豆栽培品种不一样[15]。

当豆渣样品进行酶处理或碱处理时(表1)，蛋白质含量显着降低。碱性蛋白酶脱蛋白效果最好，蛋白的去除率为78.8%。通过碱处理，豆渣蛋白的去除率为53.7%，低于之前的报道[16]。中性和风味酶处理分别去除蛋白率47.1%、39.4%。豆渣的IDF，TDF质量分数在去除蛋白后从59.4增加到79.9%，64.1增加到85.2%，然而，SDF含量没有明显增加。通过碱性蛋白酶处理制备的豆渣DF含量最高，这意味着碱性蛋白酶脱蛋白是生产高纯度DF的有效方法。

表1 豆渣DF组成成分及功能特性

如(表2)所示，随着粒径的减小，四种豆渣DF的TDF含量逐渐降低。超微粉碎后TDF含量的降低可能是由于半纤维素，纤维素和木质素断裂转化为一些可溶性小分子[17]。DF-A，DF-N，DF-F，DF-T的IDF质量分数分别从79.90%降至69.93%，73.13%降至64.85%，72.86降至64.64%，76.70降至65.87%。然而，DF-A，DF-N，DF-F，DF-T的SDF质量分数经超微粉碎后分别从5.31%增加到14.75%，4.60%到13.89%，3.16到11.98%，3.66到12.61%，表明超微粉碎导致部分膳食纤维组分从不溶性转换成可溶性。平衡的DF组分配比建议SDF含量高于10%[18]。因此，将IDF转换为SDF是一项很有意义的改方法性。本研究中豆渣DF的SDF质量分数高于10%，这意味着超粉碎是一种生产高质量DF的有效方法。

表2 超微粉碎对膳食纤维组成的影响

2.3 豆渣DF功能特性

2.3.1 前处理对豆渣DF功能特性影响

如(表1)所示，DF-A，DF-N，DF-F，DF-T的WHC，SC，OHC高于豆渣，这是由于酶处理或碱处理提高了豆渣中的DF含量，其具有高功能特性[19]。DF-A的WHC和SC高于其它前处理方法得到的样品，这可能与其含有更高IDF有关[20]。然而，与DF-N，DF-F相比，DF-T具有更高的IDF含量，它却具有更低的WHC和SC，这可能是由于强碱前处理破坏了膳食纤维的结构，导致其功能性质发生变化[21]。此外，诸如pH，离子强度，离子性质的环境条件会影响膳食纤维的功能特性[22]。前处理后的豆渣DF样品比豆渣(1.0 g/g)具有更高的OHC(1.9～2.7 g/g)。DF-A的OHC为2.7 g/g，高于其它前处理方法得到的豆渣DF。

2.3.2 粒径对豆渣DF功能特性影响

理论上，随着粒径减小，豆渣DF的比表面积增大，颗粒与水的接触更充分，可能使得其WHC，SC增大[20]，另一方面，强烈的机械剪切作用使得物料内部的多孔网状结构破坏，滞留水分的能力降低，导致WHC，SC降低。由图2、图3可知，此实验中超微粉碎后WHC，SC降低的原因可能是强烈的机械剪切作用使豆渣空间立体结构被破坏，豆渣对水分的束缚附能力降低的作用比表面积的增大带来的WHC，SC提高的作用更大的结果，同时粉碎后豆渣DF中不溶性膳食纤维含量降低也是导致其WHC，SC降低的原因之一，因为不溶性膳食纤维具有更强的功能特性[22]。Kethireddipalli等[22]指出，将DF超微粉碎后，其WHC和SC降低；产生这种现在不仅可归因于其粒径减小，而且还可归因于DF基质结构的改变。此外，功能特性降低的原因还可能是由于在粉碎过程中DF基质和孔隙发生破坏[23]。除了这项研究之外，还有一些报道[17, 24]得到类似的结果。

图2 粒径对持水力的影响

图3 粒径对膨胀力的影响

如图4所示，当豆渣DF超微粉碎通过配有(250、100 μm)筛子的研磨机时，DF-A，DF-N，DF-T的OHC均降低。这是由于超微粉碎后DF颗粒的厚度和疏水性减小。Sangnark[21]报道，甘蔗渣DF的粒径越小，OHC更低。然而，当这3种豆渣DF样品的粒度进一步减小，导致OHC增加，可能是由于部分豆渣DF粒径变小，暴露了亲脂性基团和增加了孔隙度，豆渣DF的毛细吸引力增强了油的物理截留。Raghavendra等[25]指出，超微粉碎后椰子DF的物理结构和表面积增加，从而导致随着椰子DF粒径减小，OHC增加。 随着粒径的减小，DF-F的OHC却从2.3降低到1.8g/g。有许多试验研究了粒径大小对DF的OHC的影响，但结果并不相同，产生差异可能是由于不同的前处理方法，原材料和粉碎仪器。

图4 粒径对持油力的影响

4 总结

豆渣是DF的重要来源，在食品工业中具有很大的发展潜力。酶处理或碱处理可以有效地增加DF含量，并且增加所得的DF的功能特性(WHC，SC和OHC)。超微粉碎可以将豆渣DF的粒径减小到亚微米级，并且显着增加其SDF含量，从而得到合理DF组成。此外，超微粉末更容易被人体吸收，从而提高食品的质量和安全性以及人体健康。因此，脱蛋白和超微粉碎相结合加工可能成为生产“理想膳食纤维”食品的新途径。