空化射流条件下豆渣不溶性膳食纤维结构与功能性研究

吴长玲 陈 鹏 李顺秀 江连洲 王中江 刘 军,3

(1.东北农业大学食品学院，哈尔滨 150030； 2.临邑禹王植物蛋白有限公司，德州 253000；3.山东禹王生态食业有限公司，德州 253000)

0 引言

近年来，膳食纤维的加工引入很多新型物理技术，如高静水压[1]、动态微流化[2]和爆破挤压[3]技术等。文献[1]利用高静水压技术联合酶解处理豆渣，其中可溶性膳食纤维含量增加74%。文献[2]在100 MPa下采用动态高压微流化技术处理豆渣膳食纤维溶液，用于制备快速溶解的可食用薄膜。文献[3]将麦麸经爆破挤压处理，促进了可溶性膳食纤维的溶出，还可避免其他营养素的损失。尽管关于豆渣的相关研究不断深入，但大多停留在加工工艺的优化方面，对其更为深入的结构功能研究相对较少，且生物酶法制油副产物组分中膳食纤维的理化及构效关系性质尚未明确，有待进一步研究[4]。

空化微射流技术是一种新颖的化学密集型技术，利用空泡破裂产生的强大冲击力来增强射流的冲蚀效果[5]，原料经高速剪切、挤压、空化等作用，导致其结构细化，进而影响其功能特性。空化微射流技术与高压均质原理相近，但能更有效控制物料在处理过程中的温度变化[6]，避免因机械能转化为热能而破坏原料的营养成分。文献[7]利用空化射流装置处理壳聚糖，壳聚糖单体降解，并且降解的壳聚糖的结构没有变化，分子间氢键断裂，结晶度降低。

本文基于前期生物酶法制油工艺，以废弃豆渣为原料，运用新型空化微射流技术处理生物酶法制油豆渣膳食纤维，分别考察处理时间对晶体结构、表观形貌、粒度、持水力、膨胀力、流变性质及吸附性质等的影响，以明确空化微射流对豆渣膳食纤维结构及功能特性的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大豆(粗纤维质量分数93%)，山东禹王生态食业有限公司；Alcalase碱性蛋白酶，酶活10 000 U/g以上，广州柏棠贸易有限公司；其它试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

空化射流气爆机，本实验室自组装；AR550型流变仪，美国Ta Instruments公司；Nano ZS90型激光衍射粒度分析仪，英国马尔文公司；K-436型快速消解仪、K-370型自动凯氏定氮仪，瑞士步琦有限公司；JJ-1/100W型精密电动搅拌器，常州丹瑞实验仪器设备有限公司；AL204型分析天平，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；PL303型电子天平，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；PHS-3C型雷磁pH计，上海精科仪器有限公司；TDL-408型台式离心机，上海安亭科学仪器厂；DHG-9146A型鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司；DC-500A型高速多功能粉碎机，浙江武义鼎盛藏日用金属制品厂；HH-4型数显恒温水浴锅，常州丹瑞实验仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1生物酶法制油豆渣制备

参照文献[8]的生物酶法制油进行豆渣制备，具体操作如下：大豆经粉碎机粉碎过60目筛，取200 g过筛后的粉体，按液料比为6 mL/g加入1.2 L蒸馏水，搅拌均匀后置于55℃水浴锅中，按生物酶法制油的过程进行酶解，酶解条件为：酶解温度55℃、持续搅拌2 h、pH值稳定在9.0、Alcalase碱性蛋白酶添加量为0.5%，酶解结束后，用1 mol/L HCl溶液将pH值调至7.0后在100℃沸水浴中灭酶5 min，冷却，将灭酶后的混合液离心20 min(4 500 r/min、4℃)，离心后将上层液体去除，仅保留下层固体豆渣，并在相同离心条件下按液料比为3 mL/g用去离子水将所得豆渣水洗3次后在托盘铺平后置入55℃鼓风干燥箱干燥6 h，待质量恒定后粉碎至颗粒均匀，即得到生物酶法制油豆渣。

1.3.2豆渣膳食纤维制备

根据文献[9]的方法制备豆渣膳食纤维。取50 g生物酶法制油豆渣粉，以液料比20 mL/g与1 L蒸馏水混合均匀，用1 mol/L的NaOH溶液将pH值调至9.0，搅拌器搅拌2 h，在9 000 r/min、4℃、30 min条件下离心后去除上层液体，保留下层固体，以液料比为3 mL/g加入去离子水，并在4 500 r/min、4℃、15 min离心条件下水洗3次，在托盘铺平后置入55℃鼓风干燥箱干燥6 h，得豆渣膳食纤维粉。每组取90 g豆渣膳食纤维粉，按液料比8 mL/g与蒸馏水溶解，将混合液进行空化微射流处理。处理参数如下：处理压力0.01 MPa，处理温度22.5℃，处理时间分别为5、10、15 min，样品经空化微射流后在4 500 r/min、4℃条件下离心15 min，并在55℃干燥至质量恒定，脱脂处理后即得本实验样品。

1.3.3粒径测定

参照文献[10]的方法，在25℃下分别测量豆渣膳食纤维样品的平均粒径。

1.3.4表观密度、比表面积、休止角测定

表观密度测定：准确称取1.5 g干燥的膳食纤维粉末于10 mL量筒中，在水平桌面上振荡量筒使纤维尽量在底部填充紧实，读取纤维所占的体积。表观密度计算方法为[11]

(1)

式中M——样品质量，gV——样品体积，mL

比表面积测定：参照文献[12]的方法测定，取0.5 g豆渣膳食纤维粉末，测定粉体比表面积。

休止角测定：参照文献[12]的方法测定，取一定质量豆渣膳食纤维粉末加入玻璃漏斗，作自由落体运动，落在水平实验台上，直至堆积成为最大半径圆锥体，测量圆锥体半径及高度，休止角计算公式为

(2)

式中h——圆锥体高度，cm

R——圆锥体半径，cm

1.3.5流变性质测定

配制质量浓度0.04 g/mL的样品混合液，测量时选取直径60 mm的平板夹具，间隙设置为50 μm，测定温度设定为(25±0.1)℃，考察纤维混合液在剪切速率0～200 s-1时的静态剪切流变特性[13]。

1.3.6扫描电子显微镜成像

将干燥的样品散落在金属样品平台上并用双面胶带固定，通过阴极喷涂系统涂覆金属离子层(约30 nm厚)。在高真空条件(10～40 Pa)下以5 kV的加速电压使用扫描电子显微镜观察，图像应用自动图像捕获软件拍摄，所得图像的放大倍率在100～3 000倍之间[14]。

1.3.7X-射线衍射测定

设定测试参数如下：发生器电压为40 kV，入射电流为150 mA，防扩散狭缝角度为发散狭缝的2/3，选取CuKa辐射，扫描范围为5°～60°，扫描速度为π/min，结晶度计算公式为[15-16]

(3)

式中Ic——聚合物结晶区面积

Ia——聚合物无定形区面积

1.3.8持水力及膨胀力测定

持水力测定：取1.0 g样品及70 mL蒸馏水加入离心管中。在20℃下充分搅拌2 h，以5 000 r/min转速离心10 min后，弃去上清液，称量残渣并计算每克干样品的水分质量。持水力计算公式为

(4)

式中m0——样品干质量，g

m1——样品吸水后的质量，g

膨胀力测定：将样品(250 mg)称量加入15 mL具塞试管(最小刻度0.1 mL)中，读取干样品体积，加入7.5 mL蒸馏水，摇匀，在室温(20℃)静置24 h后吸水膨胀，并读取膨胀后样品体积。膨胀力计算公式为[17]

(5)

式中V0——干样品体积，mL

V1——膨胀后样品体积，mL

1.3.9葡萄糖吸附能力测定

准确称取1.0 g豆渣膳食纤维置于250 mL的锥形瓶内，分别加入0.1 L浓度C0为50、100、150 mmol/L的葡萄糖溶液，在37℃水浴中振荡6 h，取出后在4 200 r/min 条件下离心20 min，弃沉淀取上清液测定葡萄糖浓度C1，葡萄糖吸附量计算公式为[18]

(6)

式中M0——膳食纤维质量，g

WG——葡萄糖吸附量，mmol/g

1.3.10胆固醇吸附能力测定

取1份新鲜鸡蛋蛋黄，加入9倍体积的蒸馏水，混合均匀得蛋黄乳液。分别取2.0 g豆渣膳食纤维粉末加入250 mL锥形瓶中，按质量比1∶25加入蛋黄乳液，搅拌均匀，调节pH值至2.0、7.0，37℃水浴恒温振荡2 h，在4 000 r/min的条件下离心20 min，取上清液，采用邻苯二甲醛法在550 nm下测定吸光度，根据标准曲线计算上清液中的胆固醇质量并计算吸附量，计算公式为[18]

(7)

式中M1——吸附前蛋黄乳液的胆固醇质量，mg

M2——吸附后上清液中胆固醇质量，mg

WC——胆固醇吸附量，mg/g

1.4 数据分析

本研究每个检测指标设定3组平行及3组重复实验，实验结果表示为平均值±标准偏差。采用SPSS 22.0软件对数据进行单因素(ANOVA)方差分析，其中p<0.05为差异显著。采用Origin 9.0软件进行数据分析、图表绘制及图谱处理。

2 结果与分析

2.1 粒度分析

由图1可知，未处理溶液中豆渣膳食纤维的体积平均粒径为(2.39±0.11) μm；随着空化射流处理时间的延长，膳食纤维体积平均粒径呈现逐步降低的趋势，这一结果表明纤维颗粒尺寸减小与空化射流时间有关。由于原料在处理过程中受空化、强烈震动作用，导致液体颗粒内部形成小空泡，小空泡伴随高速旋转卷入射流内部体积增大，直至空泡间或空泡与仪器内壁猛烈撞击阻滞空泡体积增大而引起破裂，破裂过程中，产生高压力和微射流，形成高能冲击波，使得膳食纤维被逐步破碎[19]，随着处理时间的延长，破碎程度加深，当空化射流处理达到18 min时，体积平均粒径缩减至1.81 μm。膳食纤维体积平均粒径减小，单个颗粒质量降低，重力减小，若将其添加到饮料中会提高悬浮液的稳定性，进一步改善不溶性膳食纤维在食品加工中的特性[15]。

2.2 流变性质分析

膳食纤维分散体的流变性质与连续相的粘度有关，添加到食品中显著影响其感官品质(如硬度、粘稠度、顺滑感、颗粒感和粘附性等)[12]。膳食纤维剪切速率与粘度变化关系如图2所示，随着剪切速率的增加，布朗运动愈发剧烈，而4种纤维悬浮液的表观粘度急剧下降，均表现为剪切变稀的现象[20-21]，这表明悬浮液为非牛顿流体。同一剪切速率下，空化射流18 min处理的样品表观粘度最小。这与不溶性膳食纤维结构有关，处理时间越长，纤维颗粒破碎程度越高，粒径越小，颗粒内部由于气蚀作用形成的网络结构被破坏，连续相中的膳食纤维排列从有序到无序，从而导致流动阻力降低[16]。在食品加工中应用，可大大降低产品的粘稠度，增强流动性，从而提升感官品质[22]。

2.3 物理性质分析

由表1可知，与未处理样品相比，随空化射流处理时间的延长，不溶性膳食纤维粉末粒度(D10表示粒径分布中占10%所对应的粒径；D50表示粒径分布中占50%所对应的粒径，又称中位径；D90表示粒径分布中占90%所对应的粒径)呈现逐渐降低的趋势。实验过程中纤维颗粒的表观密度及比表面积随着空化射流处理时间的延长呈现逐渐增加的趋势，休止角则呈现下降趋势。

表1 空化射流对豆渣不溶性膳食纤维粉末物理性质的影响Tab.1 Cavitation jets effect on physical properties of okara insoluble dietary fiber

这是由于膳食纤维悬浊液经空化射流作用，使液体内部形成空泡，瞬时爆发性生长，导致液体颗粒内部的不溶性膳食纤维颗粒激烈碰撞，从而大粒径纤维被空泡破裂产生的高能冲击波剪碎[12]，这与2.1节中膳食纤维溶液粒径减小相吻合，从而导致干燥后的粉体粒度(D10、D50、D90)降低。纤维颗粒尺寸(D10、D50、D90)逐步减小，此过程导致其暴露程度加深，单位质量纤维颗粒所占体积大大减少，使得其表观密度与比表面积显著增大，可能会导致更多的羟基结合位点暴露出来，从而改善不溶性膳食纤维的吸附能力[23]。此外，当处理时间超过12 min时，分子内部高速剪切、碰撞作用致使体系温度上升，分子发生一定程度的热聚集现象，也可导致纤维粒度(D10、D50、D90)一定程度上的增加。体止角(θ)是评价粉体流动性的重要指标，当θ<30°时，粉体流动性较好。贮藏期间粉体易受环境温度、湿度、压力、机械力等的影响，而流动性强的粉末稳定性较好。由于机械作用使纤维颗粒尺寸减小，纤维颗粒表面产生静电斥力，不易发生团簇，从而干燥后的粉体具有良好的流动性[24]，因此有利于生产过程中原料贮藏。

2.4 扫描电子显微镜分析

通过扫描电子显微镜研究了豆渣不溶性膳食纤维颗粒的微观结构。如图3所示，原始样品的形态结构呈现致密、规则、有序的排列状态，无沟槽断层，孔洞少[18]，结构较为完整，随着空化射流时间延长样品显示出紧密程度逐渐降低，表面逐渐出现较为明显的沟槽和孔洞，碎片体积减小、数量增加，结构变得愈发松散，从有序排列逐渐转向无序分布。这与上述实验结果相对应，样品在处理过程中，空化射流处理导致颗粒内部受到冲击波强烈影响，粒径降低，孔隙度增大，比表面积增加，原本紧凑的结构逐步断裂[14]，此过程可能暴露更多的羟基结合位点，产生毛细管作用力，有助于水分子渗入，促进纤维分子与水分子通过氢键结合，进而改善不溶性膳食纤维的功能性质[6]。

2.5 晶体结构分析

X-射线衍射可表征不溶性膳食纤维晶体结构类型和结晶度。结晶度表示聚合物中结晶区域所占的百分比，结晶度越高，熔点越高，分子链排列程度越有序[15]。由图4可知，不同空化射流时间的不溶性膳食纤维衍射角(2θ)为23.02°时表现出强烈的峰值，而弱峰衍射角(2θ)为34.89°，表明晶体结构为天然纤维素Ⅱ型，是晶体区与非晶区共存的一种状态，并且空化射流处理并未使样品变性[25]。随着空化射流处理时间的延长，样品的结晶度呈现下降趋势，由40.39%下降到32.54%。这表明空化射流处理会导致不溶性膳食纤维有序结构被破坏，液体微粒内部受空化、高速剪切、震动等作用，形成的空泡连续胀大闭合，产生冲击波使得物料致密完整的结构被瓦解。这与扫描电子显微镜的结果相一致，可能导致物料功能特性的提升[26]。

2.6 膨胀性及持水性分析

由表2可知，膳食纤维膨胀力、持水力均随空化射流时间延长呈现先增后减的趋势。这是由于处理过程中物料受空化的力学冲击，动能转换为破碎能，使纤维颗粒破碎，紧实致密的结构被打开，粒度减小，比表面积增大，此过程会暴露出来更多的亲水基团，增大毛细管吸引力，促进氢键形成[23]，从而导致持水力与膨胀力增加。空化射流处理12 min时，膨胀力、持水力分别达到最大值(13.92±0.78)mL/g、(2.83±0.13)g/g，随着处理时间的进一步增加，膨胀力与持水力均略有下降但不显著，可归因于空化程度过深，物料粉碎程度过大，内部形成的网状结构被破坏，颗粒极小的不溶性膳食纤维丧失捕获水的能力[17]，这与文献[24]中压榨马铃薯不溶性纤维持水力的结果类似。此外，如2.3节所述当空化射流达到一定程度，分子间的强剪切、碰撞作用会使得体系温度升高，从而导致性能降低。因此，空化射流12 min有助于豆渣不溶性膳食纤维持水力、膨胀力的提高。

表2 空化射流对豆渣膳食纤维膨胀力、持水力的影响Tab.2 Cavitation jets effect on swelling power and water retention capacity of okara insoluble dietary fiber

2.7 葡萄糖吸附能力分析

由图5(图中相同图例不同字母表示差异显著，下同)可知，样品对高浓度葡萄糖溶液的吸附能力优于低浓度溶液，且随着处理时间延长，豆渣不溶性膳食纤维粉末对同浓度葡萄糖溶液的吸附能力显著增强，是因为不溶性膳食纤维长链分子和β-葡萄糖苷键由于空化作用导致断裂[18,27]，颗粒表面形成疏松多孔的结构，粒度降低，比表面积和孔隙率增加，导致不溶性膳食纤维颗粒空隙对葡萄糖的固定能力增加。当空化射流时间达12 min时对葡萄糖的吸附力出现峰值，继续增加处理时间，吸附能力略有降低但无显著性差异。此过程中纤维颗粒由于处理过度，纤维颗粒过小，孔隙度过大，使膳食纤维形成的网状结构过于疏松，分子间作用力减弱，进而导致吸附力降低[4，28]。因此，空化射流处理12 min时较为适宜。

2.8 胆固醇吸附能力分析

胆固醇是心脑血管疾病重要的诱发因子，经研究表明膳食纤维具有良好的降低胆固醇功能。如图6所示，随处理时间延长样品对胆固醇的吸附能力不断增强，随着空化射流处理，液体微粒内持续形成空泡并连续膨胀破灭[9]，导致纤维颗粒孔隙度增加，比表面积增大，暴露更多的亲脂基团与胆固醇结合。当空化射流12 min时吸附力最大，而后略有下降但不显著，当过度处理后，根据扫描电子显微镜可观察到物料表面过于粗糙，结构相对疏松，导致其毛细管作用力受损致使胆固醇吸附力降低[20,29]。同时反应体系的酸碱程度显著影响物料对胆固醇的吸附力，在中性环境中吸附力明显优于酸性环境，由此可推测出，豆渣不溶性膳食纤维在肠消化阶段胆固醇吸收量显著高于胃消化阶段胆固醇吸收量。

3 结束语

探讨了空化射流处理时间对豆渣不溶性膳食纤维结构、功能和吸附特性的影响。结果表明：随着空化射流时间的延长，豆渣不溶性膳食纤维粉体积平均粒径、休止角显著降低，比表面积、表观密度增加，且溶液粘度降低；由扫描电子显微镜可知，样品经空化射流处理后表面出现较为明显的沟槽和孔洞，有助于吸附能力的提高；X-射线衍射结果显示，不溶性膳食纤维衍射角(2θ)为23.02°时出现特征峰值，样品并未变性，但结晶度降低至32.54%；空化射流处理12 min时，膳食纤维膨胀力、持水力均达到最大值；空化射流处理后，对葡萄糖及胆固醇的吸附能力显著提升，因此豆渣不溶性膳食纤维可有效降低血糖及胆固醇。通过分析表观及微观结构变化清晰阐明了空化射流处理对豆渣不溶性膳食纤维功能及吸附特性的影响，为将其作为功能性成分添加到食品中提供理论依据。