茶树菇膳食纤维改性及理化性质研究

刘学成,王文亮,弓志青,崔文甲,宋莎莎,张 剑,贾凤娟

(山东省农业科学院农产品研究所,农业部新食品资源加工重点实验室, 山东省农产品精深加工技术重点实验室,山东济南 250100)

膳食纤维(dietary fiber,DF)是一种多糖,被称为“第七大营养素”,主要存在于粗粮、蔬菜、水果以及菌菇中,它既不能被消化,也不能为人体提供能量,按照其是否溶于水可分为可溶性膳食纤维(SDF)和不可溶性膳食纤维(IDF)[1]。可溶性膳食纤维包括水果蔬菜中的果胶,海藻中的藻胶以及魔芋中葡甘聚糖,它能够改善肠道菌群结构,减少肠道对葡萄糖和脂类吸收,降低血液的血糖、血脂、胆固醇指标,减少心脑血管病、糖尿病和某些癌症的发病风险[2-4]。不溶性膳食纤维包括纤维素、木质素、半纤维素等,主要存在于谷物中,能够增加餐后饱腹感,吸收水分并促进胃肠蠕动,预防便秘并能起到减肥的功效[5]。茶树菇(Agrocybeaegerita),学名为柱状田头菇,是一种食药两用的真菌,属担子菌纲伞菌目田头菇属,其主要分布在亚热带和温带地区。茶树菇具有糖高脂低、热量低和盐量少等特点,是少有的“一高三低”的保健食品,因而有“中华神菇”之称[6]。茶树菇中的膳食纤维含量丰富,以β-葡聚糖为主,具有很强的保健功能,因此提取茶树菇的膳食纤维具有非常重要的意义。

胡晓倩等[7]采用热水浸提法提取茶树菇多糖,观察料液比、提取时间、pH等因素对茶树菇多糖提取率的影响。发现在高温弱碱性的条件下茶树菇多糖的提取率较高,达到30.56%。付桂明等[8]通过分离纯化得到5种茶树菇的可溶性多糖,并分析其中含量最大的多糖AP2的物理化学构成。发现AP2分子量高达122 460 Da,其结构是由D-葡萄糖、D-木糖、D-甘露糖和D-半乳糖组成的D型多糖。

目前仅对于茶树菇多糖有所研究,但对茶树菇膳食纤维研究较少,本实验以提取的茶树菇DF为原料(其中SDF含量为1.2%),对茶树菇DF进行改性,提高SDF的含量,改善膳食纤维的理化性质,为茶树菇的产品开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

茶树菇DF粉 实验提取获得,具体参数:茶树菇烘干粉碎→料液比1∶30溶解→调节pH为7→控温超声处理→加入复合蛋白酶→恒温水浴振荡酶解→高温灭酶→加入α-淀粉酶→恒温水浴振荡酶解→高温灭酶→加入4倍体积乙醇醇沉→沉淀用丙酮洗涤→抽滤冷冻干燥→茶树菇DF;纤维素酶(比活力50000 U/g) 上海源叶生物科技有限公司;压榨玉米油 山东鲁花集团有限公司;盐酸 分析纯,烟台莱阳市精细化工厂;氯化钠 分析纯,天津市申泰化学试剂有限公司;氢氧化钠 分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司;胆固醇、邻苯二甲醛 分析纯,国药集团化学试剂有限公司;95%乙醇 分析纯,天津富宇精细化工有限公司;丙酮 分析纯,烟台远东精细化工有限公司;无水葡萄糖 食品级,山东西王药业有限公司。

LDZ-50KB立式压力蒸汽灭菌锅 上海申安医疗器械厂;HH-S6恒温水浴锅 江苏金怡仪器科技有限公司;SHZ-A恒温水浴振荡器 上海博讯医疗生物仪器有限公司;SCIENTZ-10N冷冻干燥机 宁波新芝生物科技股份有限公司;天平 OHAUS公司;ZN-20L小型粉碎机 北京兴时利和科技发展有限公司;高速冷冻离心机 CR22DIII 日本日立公司。

1.2 实验方法

1.2.1 改性茶树菇膳食纤维的制备

1.2.1.1 纤维素酶改性茶树菇膳食纤维 纤维素酶法改性:取干燥的茶树菇DF粉2.0 g于锥形瓶中,按照一定的料液比加水混匀,加入一定量的纤维素酶,55 ℃水浴振荡一定时间,95 ℃高温灭酶5 min,冷却后5000 r/min离心15 min,保留上清液加入4倍体积的95%乙醇醇沉,将白色絮状物抽滤,并用丙酮洗涤,冷冻干燥得SDF产品[9]。

1.2.1.2 高温高压法改性茶树菇膳食纤维 取干燥的茶树菇DF粉2.0 g于锥形瓶中,按照一定的料液比加水混匀,放入高压灭菌锅(压力值0.1 MPa)中在一定温度下灭菌一段时间,冷却后5000 r/min离心15 min,保留上清液加入四倍体积的乙醇醇沉,将白色絮状物抽滤,并用丙酮洗涤,冷冻干燥得SDF产品[10]。

1.2.2 单因素实验

1.2.2.1 纤维素酶法改性单因素设计 准确称取2.0 g样品,保持固定参数不变,料液比1∶35、纤维素酶用量1.5%、纤维素酶解时间2 h,分别探究料液比(1∶25、1∶30、1∶35、1∶40、1∶45 g/mL)、纤维素酶用量(0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%)、纤维素酶酶解时间(0.5、1、1.5、2、2.5 h)对茶树菇SDF得率的影响。

1.2.2.2 高温高压法改性单因素设计 准确称取2.0 g样品,压力 0.1 MPa,保持固定参数不变,料液比1∶35、高温高压时间30 min、高温高压温度115 ℃分别探究料液比(1∶25、1∶30、1∶35、1∶40、1∶45 g/mL)、高温高压温度(105、110、115、120、125 ℃)、高温高压时间(20、30、40、50、60 min)对茶树菇SDF得率的影响。

1.2.3 正交试验 采用L9(34)正交实验优化茶树菇DF改性工艺条件,以可溶性膳食纤维(SDF)得率为评价指标,分别探究纤维素酶和高温高压两种方法对DF改性效果得影响,确定两种方法改性的最佳工艺参数,实验因素与水平设计见表1和表2。

表1 纤维素酶改性茶树菇膳食纤维正交试验因素与水平Table 1 Orthogonal experimental factors of DF modified by cellulase

表2 高温高压改性茶树菇 膳食纤维正交试验因素与水平Table 2 Orthogonal experimental factors of DF modified by high temperature-high pressure

1.2.4 分析与测定方法

1.2.4.1 持水力测定 取2.0 g干燥样品,记为质量m,置于50 mL离心管中,称量质量为m0,加入40 mL蒸馏水,室温下振荡30 min,静置12 h,5000 r/min离心10 min,弃掉上清液,称量质量为m1,持水力公式如下[11]:

1.2.4.2 膨胀力测定 取1.0 g干燥样品(m),置于20 mL刻度试管中,记录样品体积V0,准确加入10 mL蒸馏水,室温下振荡摇匀,静置12 h,记录其膨胀后体积V1,膨胀力计算公式如下[12]:

1.2.4.3 持油力测定 取2.0 g干燥样品,记为质量m,置于50 mL离心管中m0,加入玉米胚芽油40 mL混合均匀,室温静置12 h,5000 r/min离心10 min,弃掉上清液,称量质量m1,持油力计算公式如下[13]:

1.2.4.4 阳离子交换能力测定 取1.0 g干燥样品(m),将样品浸泡在0.1 mol/L的盐酸溶液中24 h,之后除去过量的酸,用蒸馏水多次洗涤残渣,保证溶液pH>4,用10% AgNO3滴定除去溶液中Cl-并将样品干燥,将残渣悬浮于50 mL氯化钠溶液(0.3 mol/L)中,同时用蒸馏水做一个空白试验,再连续搅拌24 h,离心(5000 r/min,10 min),上清液用0.01 mol/L氢氧化钠溶液滴定,直至pH等于7为止,测定消耗的氢氧化钠的量[14]。

1.2.4.5 葡萄糖吸附力测定 将1.0 g(m)样品加入浓度为100 mmol/L的100 mL葡萄糖溶液中(原始溶液葡萄糖物质的量记为n1),37 ℃水浴振荡6 h,5000 r/min离心15 min,取上清液,采用比色法在540 nm测定上清液中葡萄糖含量(n2),葡萄糖吸附力按下式计算[15]。

1.2.4.6 胆固醇吸附能力测定 取市售鲜鸡蛋蛋黄,加入9倍质量的蒸馏水搅打成乳液匀浆,利用邻苯二甲醛法测定并记录乳液中胆固醇含量,记为W1。准确称量1.0 g茶树菇膳食纤维样品,记为m,按料液比1∶25 (g/mL)加入上述稀释后蛋黄液,搅打均匀,室温振荡摇匀4 h,5000 r/min离心15 min,取上清液,记录上清液中胆固醇含量,记为W2,吸附力计算公式如下[16]:

1.2.4.7 扫描电子显微 将茶树菇DF粉过60目筛,取少量DF粉,将样品紧贴于导电碳膜双面胶上,放入离子溅射仪样品台上喷金30 s,使用扫描电子显微镜观察采图[17]。

1.3 数据处理

实验重复次数为2次,采用SPSS 24和Origin 9.5软件处理数据和绘图,正交数据采用正交软件助手2.0进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 纤维素酶料液比对茶树菇SDF得率的影响 在纤维素酶用量1.5%、酶解时间2 h的条件下,考察料液比对茶树菇SDF得率的影响,结果如图1所示。从图1可知,随着料液比的增加,SDF得率呈现先增加后缓慢减少的趋势。当料液比在1∶30时,茶树菇SDF得率最高为4.5%。当料液比过低时,溶质不能充分溶解在水中导致结果测量不准确。综合考虑选取料液比1∶25、1∶30、1∶35三个水平作为正交试验水平。

图1 料液比对茶树菇SDF得率的影响Fig.1 Effect of material and liquid ratio on yield of SDF

2.1.2 纤维素酶用量对茶树菇SDF得率的影响 在料液比1∶30、酶解时间2 h的条件下,考察纤维素酶用量对茶树菇SDF得率的影响,结果如图2所示。从图2可知,随着纤维素酶用量的增加,茶树菇SDF提取率呈现先增加后减少的趋势。当纤维素酶用量在1.0%时,茶树菇SDF得率最高为4.4%。当纤维素酶量过量,部分SDF也会被分解。综合考虑选取纤维素酶用量0.5%、1.0%、1.5%三个水平作为正交试验水平。

图2 纤维素酶添加量对茶树菇SDF得率的影响Fig.2 Effect of cellulose dosage on yield of SDF

2.1.3 纤维素酶酶解时间对茶树菇SDF得率的影响 在料液比1∶30、纤维素酶用量1.5%条件下,考察料液比对茶树菇SDF得率的影响,结果如图3所示。从图3可知,随着纤维素酶酶解时间的增加,茶树菇SDF提取率呈现先增加后减少的趋势。当纤维素酶酶解时间在1.5 h时,茶树菇SDF得率最高为4.5%。当酶解时间继续增加时,会造成纤维素酶的过度酶解,导致SDF得率减少。综合考虑选取酶解时间1.0、1.5、2.0 h三个水平作为正交试验水平。

图3 纤维素酶酶解时间对茶树菇SDF得率的影响Fig.3 Effect of cellulose hydrolysis time on yield of SDF

2.1.4 高压料液比对茶树菇SDF得率的影响 在高压温度120 ℃、高压时间40 min的条件下,考察料液比对茶树菇SDF得率的影响,结果如图4所示。从图4可知,随着料液比的增加,茶树菇SDF得率呈现先增加后减少的趋势。当料液比在1∶30时,茶树菇SDF得率最高为6.3%。当料液比过低(预实验结果证明,当料液比低于1∶25)时,同样会因为溶质不能充分溶解导致结果产生偏差。综合考虑选取料液比1∶25、1∶30、1∶35三个水平作为正交试验水平。

图4 料液比对茶树菇SDF得率影响Fig.4 Effect of material and liquid ratio on yield of SDF

2.1.5 高压温度对茶树菇SDF得率的影响 在料液比1∶30、高压时间40 min的条件下,考察高压温度对茶树菇SDF得率的影响,结果如图5所示。从图5可知,随着高压温度的增加,茶树菇SDF得率呈现先增加后减少的趋势,当高压温度在120 ℃时,茶树菇SDF得率最高为6.4%。当高压温度低于120 ℃时,高温破坏DF分子内氢键,部分结晶区遭到破坏,促使部分IDF转变为SDF,当高压温度高于120 ℃时,SDF得率开始降低[18]。综合考虑选取高压温度115、120、125 ℃三个水平作为正交试验水平。

图5 高压温度对茶树菇SDF得率的影响Fig.5 Effect of modified temperature on yield of SDF

2.1.6 高压时间对茶树菇SDF得率的影响 在料液比1∶30、高压温度120 ℃条件下,考察高压时间对茶树菇SDF得率的影响,结果如图6所示。从图6可知,随着蒸煮时间的增加,SDF得率呈现先增加后持平的趋势,当蒸煮时间在40 min时,茶树菇SDF得率最高为6.5%。当蒸煮时间小于40 min时,随着时间的增长,降低了部分DF分子量和聚合度,促使部分IDF转变为小分子的SDF,当蒸煮时间大于40 min时,SDF得率保持持平[19]。综合考虑选取蒸煮时间30、40、50 min三个水平作为正交试验水平。

图6 高压时间对茶树菇SDF得率的影响Fig.6 Effect of modified time on yield of SDF

2.2 工艺参数优化

2.2.1 纤维素酶改性工艺参数优化 表3为纤维素酶改性正交试验设计与结果,表4为高温高压改性正交试验设计与结果。从表3中的极差(R)分析得出各因素对茶树菇改性SDF得率影响的主次顺序是B>A>C,即纤维素酶用量>料液比>酶解时间。最佳工艺组合是A2B2C3,即料液比1∶30,纤维素酶用量1.5%,酶解时间2.0 h。按照最佳水平组合进行验证性实验,茶树菇SDF得率为4.9%。从表4中的极差(R)分析得出各因素对茶树菇改性SDF得率影响的主次顺序是C>B>A,即改性时间>改性温度>料液比。最佳工艺组合是A2B3C3,即料液比1∶30,改性温度125 ℃,改性时间50 min。按照最佳水平组合进行验证性实验,茶树菇SDF得率为6.8%,高温高压改性效果要优于纤维素酶改性效果。

表3 纤维素酶改性正交试验设计与结果Table 3 Orthogonal experimental design and results of cellulase modification

表4 高温高压改性正交试验设计与结果Table 4 Orthogonal experimental design and results of high temperature-high pressure modification

2.3 改性方法对茶树菇DF理化性质的影响

持水力、膨胀性、持油力是膳食纤维理化性质重要的衡量标准,三种物理性质指数越大,说明膳食纤维的生理活性越好[20],高持水力和持油力的膳食纤维对糖尿病的预防和治疗起到非常重要的作用[21]。图7～图12为改性方法对茶树菇DF持水能力、膨胀能力、持油能力、阳离子交换能力、葡萄糖吸收能力和胆固醇吸附能力的影响。

图7 改性方法对茶树菇DF持水能力的影响Fig.7 Comparison of modification methods of DF water holding capacity

图8 改性方法对茶树菇DF膨胀力的影响Fig.8 Comparison of modification methods of DF swelling power

图9 改性方法对茶树菇DF持油力的影响Fig.9 Comparison of modification methods of DF oil holding capacity

从图7可以看出,未改性的茶树菇DF持水力为5.4 g/g,两种改性方法使得茶树菇DF的持水力分别提高到7.7和8.8 g/g。因此高温高压改性的DF持水能力要高于纤维素酶改性的持水能力。从图8可以看出,未改性的茶树菇DF膨胀力为2.7 mL/g,两种改性方法使得茶树菇DF膨胀力分别提高到3.3和3.6 mL/g。因此高温高压改性的DF膨胀力要稍高于纤维素酶改性的膨胀力。从图9可以看出,未改性的茶树菇DF持油能力为3.7 g/g,两种改性方法使得茶树菇DF的持油能力分别提高到5.4和5.1 g/g。因此纤维素酶改性的DF持油力要稍高于高温高压改性的持油能力。

膳食纤维可以与阳离子进行可逆交换,这种性质取决于其化学结构中的一些羧基和羟基侧链基团[22]。从图10可以看出,在NaOH溶液消耗量为0～1 mL时,未改性与改性茶树菇DF溶液pH上升都较慢;在NaOH消耗量为1～3 mL时,未改性与改性茶树菇DF溶液pH上升较快,其中高温高压改性溶液pH上升最快,pH为7时消耗NaOH溶液为1.6 mL;纤维素酶改性溶液在pH为7时,消耗NaOH溶液为1.7 mL;未改性茶树菇DF溶液在pH为7时,消耗NaOH溶液为2 mL。在NaOH消耗量超过3 mL时,未改性与改性茶树菇DF溶液的pH上升缓慢,直至接近pH=11。在相同pH条件下,消耗的NaOH体积越小则阳离子交换能力越高。经过显著性差异分析,高温高压改性效果和纤维素酶改性优于未改性,但二者无显著性差异。

图10 改性方法对茶树菇DF阳离子交换能力的影响Fig.10 Comparison of two modification methods of DF cation exchange power

从图11中我们可以看出,两种改性方法都能显著提高膳食纤维的葡萄糖吸收力,葡萄糖吸附力从12.5 mmol/g分别提高到17.8和18.3 mmol/g,但纤维素改性和高压改性之间无显著性差异。葡萄糖吸收力主要受可溶性膳食纤维含量的影响,改性使茶树菇可溶性膳食纤维含量提高,通过改性使膳食纤维结构表面积增大,表面疏松多孔,对葡萄糖吸收力产生积极作用,产生良好的水合作用[23],与测得的持水力相对应。

图11 改性方法对茶树菇DF葡萄糖吸收能力的影响Fig.11 Comparison of two modification methods of DF glucose absorption

图12 改性方法对茶树菇DF胆固醇吸附能力的影响Fig.12 Comparison of modification methods of DF cholesterol adsorption

图13 未改性和改性茶树菇DF扫描电子显微镜照片(3000×)Fig.13 Two modification methods of DF electron microscope structure analysis(3000×)

体内胆固醇含量过高是诱发心脑血管疾病的主要病因之一,像果胶、β-葡聚糖等可溶性膳食纤维可以在胃肠中形成凝胶态,增加胃肠中食物粘稠度,增加对食物的胆固醇的吸收从而降低肠道对胆固醇的吸收[24]。从图12可以看出,两种改性方法同样都能显著(P<0.05)提高胆固醇吸附力,胆固醇吸附力从3.5 mg/g分别上升到7.8和7.4 mg/g,与测得的持油力相对应。

2.4 改性方法对茶树菇DF微观形态的影响

从图13中可以看出,未改性和改性茶树菇DF结构差别较大,未改性处理的DF结构较为紧密;经过纤维素酶改性处理的DF结构中孔状结构较多,茶树菇膳食纤维主要成分为纤维素,纤维素酶分解一部分纤维素转变为SDF,造成膳食纤维表面孔状结构增多;而高温高压改性的DF结构孔表面疏松多孔,且表面多呈现丝状结构,原因是高温迫使DF结构发生改变,使得相当一部分不溶性膳食纤维转换成可溶性膳食纤维溶解在水中,导致表面结构多孔疏松,由此可以看出，两种改性方法均可以使茶树菇膳食纤维结构具有更大的表面积和多孔结构,且高温高压改性的效果比纤维素酶改性效果更为显著。

3 结论

本研究采用两种改性方法对茶树菇DF进行改性,通过单因素试验和正交实验优化得到最佳工艺优化参数,发现高温高压改性效果(SDF得率为6.8%)要优于纤维素酶改性效果(SDF得率为4.9%),并对比改性前后理化性质的不同,发现两种方法均能提高膳食纤维的理化性质,高温高压改性的膳食纤维的理化指标更为优越,这是因为可溶性膳食纤维具有更好的理化性质,这与改性的结果相吻合。将改性后的茶树菇膳食纤维制作成功能性食品应用到饮料、面包、饼干等食品中,对于今后充分发挥茶树菇产品的附加值具有深远意义。