李 楊 鐘明明 齊寶坤 曾 琪 李 紅 王 歡

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，哈爾濱 150030)

0 引言

生物解離技術(shù)是一種利用機(jī)械和酶解手段同步提取油脂和蛋白的綠色加工方式[1]。據(jù)報(bào)道，該工藝生產(chǎn)1 L油脂會同時產(chǎn)生約28 L水解液及4.4 kg的殘?jiān)黐2]，經(jīng)研究表明擠壓膨化、酸度調(diào)節(jié)等處理方式使得生物解離豆粕顆粒細(xì)膩，可溶性膳食纖維含量較豐富[3]，且在蛋白酶酶解油脂體表面蛋白膜促進(jìn)油脂釋放的同時，大豆蛋白被水解為多肽游離于水解液中，故生物解離大豆所產(chǎn)生的殘?jiān)鼰o需進(jìn)一步改性和提取即可作為高品質(zhì)膳食纖維粉直接利用。目前，脫脂豆粉及大豆膳食纖維在面制品中應(yīng)用廣泛，研究表明，膳食纖維具有較高的持水性，且其自身凝膠性也對面制品品質(zhì)起到一定改良作用，但過量添加會稀釋面筋蛋白、破壞面團(tuán)結(jié)構(gòu)[4-6]。國內(nèi)外關(guān)于膳食纖維在面制品中應(yīng)用的研究主要集中于對膳食纖維進(jìn)行改性處理，提高水溶性膳食纖維含量，并分析其對面粉的功能特性及面制品感官品質(zhì)的影響[7-14]。

超微粉碎技術(shù)近幾年在膳食纖維改性方面應(yīng)用廣泛。本文以生物解離大豆膳食纖維為原料，通過單因素分析及響應(yīng)面優(yōu)化確定不同膳食纖維粒度及添加量對面團(tuán)質(zhì)構(gòu)特性的影響，得到制備生物解離膳食纖維面團(tuán)的最優(yōu)工藝。測定面團(tuán)中巰基/二硫鍵含量，判斷膳食纖維對面團(tuán)面筋結(jié)構(gòu)形成的影響，并通過掃描電鏡觀察生物解離膳食纖維在面團(tuán)中的存在形式及其對面筋結(jié)構(gòu)的影響，為生物解離大豆膳食纖維在面制品中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆片、低筋面粉(蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)9%)，市售；2.4 L堿性蛋白酶(1.2×105U/mL)，美國Sigma公司。其他常用化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

TG16-WS型臺式高速離心機(jī)，湖南湘儀離心機(jī)儀器有限公司；KC-701型超微粉碎機(jī)，北京開創(chuàng)同和科技發(fā)展有限公司；Farinograph-E型粉質(zhì)儀，德國Brabender公司；KN204P型烤箱，青島金貝克機(jī)械有限公司； SHA-B型數(shù)顯恒溫水浴振蕩器，金壇市雙捷實(shí)驗(yàn)儀器廠；TU-1810型紫外-可見分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1生物解離大豆膳食纖維的制備

將大豆片粉碎后進(jìn)行擠壓膨化處理[15]，大豆片含水率12%，擠壓膨化機(jī)套筒溫度60℃，螺桿轉(zhuǎn)速120 r/min，?？卓讖?0 mm，擠壓膨化后的物料加水調(diào)節(jié)，液料比為6 mL/g，加入0.2% 2.4 L堿性蛋白酶，酶解3 h后用1 mol/L NaOH調(diào)節(jié)pH值至9，沸水浴20 min滅酶，4 500 r/min 離心分離至上層無游離油析出[16]，收集下層固體殘?jiān)?，冷凍干燥后獲得生物解離大豆膳食纖維粉(Enzyme-assisted aqueous extraction processing Okara, EO)；將膳食纖維粉進(jìn)行不同條件超微粉碎處理，超微粉碎后的物料(Enzyme-assisted aqueous extraction processing with ultrafine grinding Okara, EUGO)分別過100、200、300、500目篩備用。

1.3.2膳食纖維成分及功能性測定

膳食纖維粉中水分、灰分、粗蛋白和粗脂肪含量的測定根據(jù)AOAC方法[17]，膳食纖維含量的測定根據(jù)AACC方法[18]。持水力、持油力和膨脹力的測定與李安平等[19]研究方法相同。

1.3.3大豆生物解離膳食纖維面團(tuán)制備工藝單因素試驗(yàn)

利用大豆生物解離膳食纖維與面粉混合制成面團(tuán)，單因素試驗(yàn)按照表1進(jìn)行(纖維添加量和水分添加量為纖維和水占面粉質(zhì)量的百分比)，利用面團(tuán)質(zhì)構(gòu)的各項(xiàng)指標(biāo)作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價(jià)。所有試驗(yàn)進(jìn)行3次，試驗(yàn)結(jié)果取3次平均值。面團(tuán)質(zhì)構(gòu)的測定采用物性測定儀，將面團(tuán)制成高4 cm、直徑5 cm的圓柱形，選用P50型探頭，測試前、中、后速度分別為2、1、10 mm/s，應(yīng)變位移40 mm，引發(fā)類型為自動，數(shù)據(jù)采集速率200 p/s。將對照和各混合粉平均分成5份，每份樣品200 g，在恒溫條件下，將每份樣品加入適量水進(jìn)行揉和，將揉好的光滑、不黏手的面團(tuán)以相同的揉和次數(shù)及揉和力度揉成圓形后，進(jìn)行TPA(質(zhì)構(gòu)分析)測試。從TPA試驗(yàn)曲線上可得到3個參數(shù)：硬度、彈性和膠黏性[15]。

表1 制備大豆生物解離膳食纖維面團(tuán)單因素水平Tab.1 Single factor experiment levels of EAEP residue dough

1.3.4生物解離纖維面團(tuán)制備工藝響應(yīng)面優(yōu)化

根據(jù)單因素測定結(jié)果，應(yīng)用Box-Behnken設(shè)計(jì)原理，以纖維粒度、纖維添加量、水分添加量3因素作為影響因素，以生物解離膳食纖維面團(tuán)延展率作為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)三因素三編碼的響應(yīng)面試驗(yàn)，優(yōu)化生物解離膳食纖維面團(tuán)制備條件。

1.3.5面團(tuán)巰基/二硫鍵測定

由響應(yīng)面結(jié)果可知，膳食纖維添加量對面團(tuán)質(zhì)構(gòu)影響較大，故以下試驗(yàn)將TPA測試后的面團(tuán)經(jīng)過真空冷凍干燥，用研缽粉碎并過100目篩，分別準(zhǔn)確稱取150 mg面團(tuán)粉，與1 mL Tris-Gly(0.086 mol/L Tris(氨基丁三醇)，0.09 mol/L Gly(氨基乙醇)，0.04 mol/L EDTA(乙二胺四乙酸)，pH值8.0)緩沖溶液混勻后加4.7 g鹽酸胍，用緩沖溶液定容至10 mL，室溫(20℃)下攪拌30 min。吸取1 mL樣品液加入5 mL 8mol/L Urea(尿素)溶液，再加入0.04 mL Ellman’s (DTNB，即5，5-二硫基雙2-硝基苯甲酸溶于Tris-Gly緩沖液，4 mg/mL)試劑，迅速混合后在25℃下保溫反應(yīng)30 min，測定在412 nm下吸光度A412；同時測定空白值(以蒸餾水代替樣品測定)。每組樣品測定3次取平均值，游離巰基摩爾質(zhì)量濃度計(jì)算式為

Sh=73.53A412D/C

(1)

式中D——稀釋系數(shù)，取5.02

C——樣品蛋白質(zhì)最終質(zhì)量濃度，mg/mL

測定總巰基含量時，吸取0.4 mL樣品液加入2.0 mL 10 mol/L Urea及0.04 mL β-巰基乙醇，25℃保溫60 min后加入10 mL 12%三氯乙酸(TCA)，保溫60 min后3 000 r/min離心分離15 min，用5 mL 12%三氯乙酸洗滌沉淀后繼續(xù)離心，反復(fù)兩次，將沉淀物溶于6 mL 8 mol/L Urea中，加入0.06 mL Ellman’s試劑，迅速混合后在25℃下保溫反應(yīng)30 min后于412 nm處測定吸光度?？値€基摩爾質(zhì)量濃度的計(jì)算式為

Sh+SS=73.53A412D/C

(2)

式中SS——被還原的巰基摩爾質(zhì)量濃度

D——稀釋系數(shù)，取10

1.3.6掃描電鏡

每100 g面粉中分別添加0、10%、20%、30%、40%、50%生物解離大豆膳食纖維混勻后揉和成面團(tuán)，面團(tuán)醒發(fā)90 min后拉伸搓圓，從面團(tuán)中取3～5 mm3的小面團(tuán)作為測試樣，立即浸泡于0.2 mol/L pH值 7.2的磷酸緩沖液配置的3%戊二醛中，在4℃下固定24 h。然后用0.1 mol/L pH值 7.2的磷酸緩沖液清洗3次，每次5 min，再依次用30%、50%、70%、90%、100%的乙醇脫水，每次20 min。樣品凍干后，將其用雙面膠帶粘在樣品臺上，經(jīng)IB-5型離子濺射儀鍍金后用JEOL-JSM-6360LV型掃描電鏡觀察拍照，加速電壓15 kV，照片放大倍數(shù)為1 000倍[20]。

1.3.7數(shù)據(jù)分析

本試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為3個平行樣的平均值，結(jié)果采用SPSS分析軟件和Origin 8.0進(jìn)行處理分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物解離大豆膳食纖維成分及功能特性結(jié)果分析

表2所示為不同粒度膳食纖維(表中纖維類別字母后的數(shù)字表示纖維粒度)中可溶性纖維含量及膳食纖維粉的功能特性。膳食纖維粉中可溶性膳食纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著粒度的減小由60.31%(100目)增加至69.07%(500目)，這可能是由于大豆膳食纖維長鏈斷裂、親水基團(tuán)暴露，從而使得水溶性物質(zhì)的含量增加。此外生物解離膳食纖維粉的持水力、持油力及膨脹力隨目數(shù)的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，最大值分別達(dá)到7.62 g/g、8.24 g/g、12.02 mL/g。膳食纖維粉在小于300目時，其功能特性隨目數(shù)增大而增大，這可能是由于在超微粉碎強(qiáng)力作用下，水溶性膳食纖維增多的同時比表面積增大，從而使持水力、膨脹力有所增大[21]；但當(dāng)膳食纖維粉大于300目后，超微粉碎破壞了豆渣粉中膳食纖維的組織結(jié)構(gòu)，雖然豆渣粉與水分的接觸面積增大但對水分的束縛能力減小[22]，故功能特性呈平緩趨勢。因此，超微粉碎可以改善生物解離大豆膳食纖維的功能特性。

表2 不同粒度膳食纖維成分及功能特性分析Tab.2 Composition and characteristics analysis of dietary fiber with different particle sizes

注：同一行中上角標(biāo)相同者表示無顯著性差異，不同者表示有顯著性差異(P<0.05)。

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1纖維粒度

在纖維添加量30%、水分添加量為5%條件下，膳食纖維粒度對面團(tuán)質(zhì)構(gòu)特性的影響如圖1所示。隨著膳食纖維粒度從60目增加至500目，面團(tuán)硬度逐漸減小，彈性逐漸增大，這與王帥陽[12]研究結(jié)果一致。這可能是由于隨著豆渣粒度的減小，小粒度膳食纖維粉與水的接觸面積增大，且超微粉碎過程中大量的羥基暴露增大了與水結(jié)合的機(jī)率，導(dǎo)致面團(tuán)的吸水率增大，面團(tuán)硬度減小，但同時黏度增高，彈性降低。但當(dāng)纖維粒度為500目時，雖然與水接觸面積進(jìn)一步增大，但膳食纖維結(jié)構(gòu)遭到破壞對水的束縛能力降低，從而導(dǎo)致吸水率的降低，這一結(jié)果與不同粒度膳食纖維功能特性的結(jié)果相一致，且面團(tuán)硬度、彈性、黏度的變化趨勢相吻合。從差異顯著性角度分析，硬度隨著目數(shù)的增加逐漸降低，在60目到100目之間變化不顯著，直到增加到500目硬度有明顯降低；彈性隨目數(shù)的增加而增加，顯著性變化與硬度相似；膠黏性隨目數(shù)的增加而升高，但變化趨勢不顯著。綜合考慮膳食纖維粒度對面團(tuán)質(zhì)構(gòu)特性的影響，故在優(yōu)化膳食纖維粒度時選擇300目作為中心點(diǎn)。

圖1 膳食纖維粒度對面團(tuán)質(zhì)構(gòu)特性的影響Fig.1 Influence of dietary fiber size on texture properties of dough

2.2.2纖維添加量

圖2 膳食纖維添加量對面團(tuán)質(zhì)構(gòu)特性的影響Fig.2 Influence of dietary fiber addition amount on texture properties of dough

在纖維粒度為300目，水分添加量5%的條件下，纖維添加量對面團(tuán)質(zhì)構(gòu)的影響如圖2所示。由圖2可知，隨纖維添加量的不斷增多，面團(tuán)硬度逐漸增大，彈性不斷減小，膠黏性呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢。從差異顯著性角度分析，硬度隨著膳食纖維添加量的增加而增強(qiáng)，在添加量10%～40%之間硬度增強(qiáng)較顯著，當(dāng)添加量到達(dá)50%時，硬度增強(qiáng)不再顯著；彈性隨著膳食纖維添加量的增加不斷減小，但變化趨勢并不顯著；而膠黏性呈先增加后降低的趨勢，在添加量為30%時達(dá)到最高。硬度的結(jié)果可能是由于膳食纖維添加量的增加，面團(tuán)結(jié)合效果會受到影響，隨著添加量的不斷增加，會使面團(tuán)失去原有的彈性，從而也導(dǎo)致彈性的不斷降低。膠黏性的結(jié)果可能是由于膳食纖維自身的粘度會在添加初期使得面團(tuán)粘度出現(xiàn)上升趨勢，當(dāng)添加量達(dá)到一定程度時，膳食纖維自身的粘度已不能彌補(bǔ)對面團(tuán)的破壞，故呈現(xiàn)降低趨勢。綜合面團(tuán)質(zhì)構(gòu)特性考慮，選擇纖維添加量為30%作為試驗(yàn)中心點(diǎn)。

2.2.3水分添加量

圖3 水分添加量對面團(tuán)質(zhì)構(gòu)特性的影響Fig.3 Influence of water addition amount on texture properties of dough

水分添加量是影響面團(tuán)質(zhì)構(gòu)的一個重要因素，在纖維粒度為300目，纖維添加量為30%的條件下，水分添加量對面團(tuán)質(zhì)構(gòu)的影響如圖3所示。由圖3可知，硬度隨水分添加量的增加呈先增大后降低的趨勢，水分添加量過低會影響面團(tuán)結(jié)合度，硬度也會相對較高，但水分過多面粉則會容易溶解在水中不易成團(tuán)，也會影響面團(tuán)的質(zhì)量，所以5%水分添加量效果最佳。從差異顯著性角度分析，硬度隨水分添加量的增加先增加后降低，水分添加量1%～3%時硬度呈不顯著增加趨勢，3%～9%時呈顯著降低趨勢；彈性隨水分添加量的增加先增強(qiáng)后降低，水分添加量1%～7%時彈性增強(qiáng)，1%～3%時增強(qiáng)不顯著，5%～7%時顯著增強(qiáng)，添加量9%時彈性開始降低；膠黏性隨著水分添加量的增加不斷增強(qiáng)，添加量在7%時，增強(qiáng)較為顯著。彈性與硬度的變化呈負(fù)相關(guān)，硬度越大彈性越小，所以從圖中可以看出彈性隨著水分添加量的增加也呈先增大后降低的效果。膠黏性則隨水分的增加不斷增大，淀粉溶于水會呈現(xiàn)一種膠黏狀態(tài)，水分增多，黏性增強(qiáng)。綜合考慮，在優(yōu)化水分添加量時選擇5%作為中心點(diǎn)。

2.3 生物酶法大豆膳食纖維面團(tuán)制備參數(shù)響應(yīng)面分析

延展率是判斷面團(tuán)質(zhì)構(gòu)的綜合指標(biāo)，在實(shí)際應(yīng)用中起著重要作用。因此，本試驗(yàn)選擇纖維粒度、纖維添加量、水分添加量3因素，采用Box-Behnken設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行響應(yīng)面法優(yōu)化分析。響應(yīng)面試驗(yàn)因素與編碼見表3，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果見表4，表4中X1、X2、X3為x1、x2、x3的編碼值。

表3 大豆生物解離膳食纖維面團(tuán)響應(yīng)面試驗(yàn)因素和編碼Tab.3 Factors and levels for response surface analysis

表4 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.4 Experimental design and corresponding results of Box-Behnken

利用Design-Expert軟件，對表4中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元擬合，得到延展率對纖維粒度、纖維添加量、水分添加量二次多項(xiàng)回歸方程為

(3)

表5 延展率的方差分析Tab.5 Analysis of variance of extension rate

通過響應(yīng)面試驗(yàn)(圖4)分析生物解離大豆膳食纖維面團(tuán)制備參數(shù)，發(fā)現(xiàn)纖維粒度在單因素試驗(yàn)中確定的300目處比276目處面團(tuán)各項(xiàng)指標(biāo)略有降低，但總體影響不大。纖維添加量也略有差值，模型預(yù)測最佳添加量為30.52%，與單因素的30%相差甚微。水分添加量方面，模型結(jié)果將單因素試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)一步細(xì)化，精確至4.36%。在此條件下制備的面團(tuán)具有最佳的延展率，而在實(shí)際試驗(yàn)中也進(jìn)一步得到證實(shí)。

最終結(jié)果表明，利用回歸方程預(yù)測，得到生物解離膳食纖維可食膜的最佳工藝參數(shù)為：纖維粒度為276目，纖維添加量為30.52%，水分添加量為4.36%，在此條件下制備的面團(tuán)延展率為10.73?？紤]實(shí)際操作可行性，將上述條件修正為：纖維粒度為300目、纖維添加量為30%、水分添加量為4.5%，在此條件下進(jìn)行試驗(yàn)，得到面團(tuán)延展率為10.61，與模型預(yù)測值較為接近，說明該模型預(yù)測結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果接近，具有一定參考價(jià)值，可用于實(shí)際生產(chǎn)加工中。

圖4 面團(tuán)參數(shù)對面團(tuán)延展率影響的響應(yīng)曲面Fig.4 Response surfaces exhibiting effects of film formation parameters on water vapor permeability of edible films

圖6 生物解離大豆膳食纖維對面粉微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.6 Effect of EAEP soybean dietary fiber on microstructure of wheat flour

2.4 生物解離大豆膳食纖維對面團(tuán)二硫鍵/巰基含量的影響

根據(jù)圖5可知，隨著生物解離大豆膳食纖維添加量的增加，混合粉中總巰基及二硫鍵含量呈整體波動下降趨勢，該變化主要是由小麥面筋蛋白中半胱氨酸殘基的巰基變化引起，其中麥醇溶蛋白只含有分子內(nèi)二硫鍵，水化之后賦予面團(tuán)流變性，麥谷蛋白是大分子復(fù)合體，含有大量分子間二硫鍵，水化后使面團(tuán)具有良好的彈性和延伸性，在面團(tuán)形成過程中，蛋白質(zhì)分子間以及分子內(nèi)二硫鍵的形成受到面筋蛋白含量的影響，且膳食纖維的強(qiáng)親水性使得面團(tuán)中小麥面筋蛋白二硫鍵(—S—S—)部分?jǐn)嗔?，面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)受到一定程度的破壞，面團(tuán)筋力下降，多肽鏈形成多肽和小分子短鏈物質(zhì)，從而引起總巰基、游離巰基含量以及二硫鍵含量的降低。此外，面粉的穩(wěn)定時間越長說明面粉筋力越強(qiáng)韌性越好，麥谷蛋白的二硫鍵結(jié)合牢固不易斷裂或處在恰當(dāng)?shù)奈恢?，二硫鍵測定結(jié)果與小麥粉質(zhì)特性結(jié)果相一致。小麥粉中麥谷蛋白和醇溶蛋白共同形成面筋，麥谷蛋白靠分子內(nèi)和分子間二硫鍵連接，賦予面團(tuán)彈性，醇溶蛋白主要為面團(tuán)提供延展性。

圖5 生物解離大豆膳食纖維對面團(tuán)中二硫鍵含量的影響Fig.5 Effect of EAEP residues on content of disulfide bond in dough

2.5 生物解離大豆膳食纖維對面團(tuán)微觀結(jié)構(gòu)影響

各樣品面團(tuán)的電鏡掃描結(jié)果見圖6。在未添加大豆生物解離膳食纖維的空白對照中，面筋的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連續(xù)，可以清晰地觀察到面團(tuán)中筋狀、片狀的面筋蛋白。隨著生物解離大豆膳食纖維添加量的增加，面團(tuán)面筋開始斷裂，出現(xiàn)不連續(xù)性，淀粉顆粒暴露在面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之外，當(dāng)添加量為40%和50%時幾乎看不到成片的面筋膜，面筋結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞[23]。這一現(xiàn)象能夠更直觀地說明生物解離大豆膳食纖維的添加破壞了面筋的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致了上述面團(tuán)質(zhì)構(gòu)特性的變化[24]。但適量的大豆生物解離膳食纖維可以作為改良劑添加至面制品中，改善面制品的營養(yǎng)價(jià)值。

3 結(jié)論

(1)大豆生物解離膳食纖維面團(tuán)的制備單因素試驗(yàn)表明，纖維粒度、纖維添加量及水分添加量3因素均對面團(tuán)質(zhì)構(gòu)有較顯著影響，其中面團(tuán)的膠黏性隨著纖維粒度的增加緩慢增加，隨纖維添加量的增多呈先升高后降低的趨勢，隨水分添加量的增加不斷增加。

(2)在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面法建立了纖維粒度、纖維添加量及水分添加量3因素對面團(tuán)延展率影響的模型。3因素對面團(tuán)延展率的影響程度由大到小排序?yàn)椋豪w維添加量、水分添加量、纖維粒度。經(jīng)優(yōu)化得到的最佳工藝條件為纖維粒度300目、纖維添加量30%、水分添加量4.5%，在此條件下進(jìn)行試驗(yàn)，得到面團(tuán)延展率為10.61。

(3)通過二硫鍵測定結(jié)果可以看出，在最優(yōu)工藝條件下制備的膳食纖維面團(tuán)中仍存在較多的面筋結(jié)構(gòu)。隨生物解離大豆膳食纖維添加量的增加，面團(tuán)面筋開始斷裂，出現(xiàn)不連續(xù)性，淀粉顆粒暴露在面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之外，當(dāng)添加量為40%和50%時幾乎看不到成片的面筋膜，面筋結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞，且隨著生物解離大豆膳食纖維添加量的增加，混合粉中總巰基及二硫鍵含量呈整體波動下降趨勢。