朱建宇,齊寶坤,李 楊,江連洲

(東北農(nóng)業(yè)大學食品學院,黑龍江哈爾濱 150030)

生物酶法是一種可同步從油料中提取油脂和蛋白質的新型制油方法[1]。目前,有關生物酶法制油技術的研究主要集中在提高油脂品質、提取率,開發(fā)高效破乳技術以及富集蛋白產(chǎn)品等方面[2-4]。然而,有研究表明生物酶法每生產(chǎn)1 L油脂約產(chǎn)生28 L水解液和4.4 kg豆渣[5]。生物酶法豆渣中含有豐富的可溶性膳食纖維、蛋白、維生素、異黃酮等多種營養(yǎng)成分[6-10],是一種良好的食用原材料,如何提高副產(chǎn)物的價值是當前的發(fā)展新思路。美國愛荷華州立大學Wang等[11]教授團隊首次將酶法制油過程形成的不溶性纖維和豆渣用于玉米發(fā)酵提取酒精,研究不溶性纖維與豆渣對乙醇生產(chǎn)的影響,對比傳統(tǒng)以玉米為基料進行發(fā)酵制取酒精,通過引入納濾技術以提高發(fā)酵率及酒精產(chǎn)量,該方法可提高酒精產(chǎn)量20%,酒精提取率提高3%,發(fā)酵時間降低38 h。Karki等[12]研究團隊將酶法制油得到的固體豆渣組分進行糖酵解后作為固體基質進行利用。近些年來,將豆渣經(jīng)過一定處理添加至食品中已成為研究熱潮[13-15]。不少國內外學者嘗試將普通豆渣添加到小麥制品用以開發(fā)高膳食纖維低碳水化合物產(chǎn)品,均得到較好的感官品質產(chǎn)品,但深入探討豆渣對小麥淀粉理化特性與消化特性影響的研究卻幾乎沒有,同時生物酶法豆渣在直接食用的研究領域仍是空白。

因此,本實驗將生物酶法提取豆渣直接作為一種膳食纖維來源,通過顯微鏡技術,針對小麥淀粉微觀結構的改變進行分析,深入探討了生物酶法豆渣與小麥淀粉間的相互作用,并建立生物酶法豆渣對豆渣餅干中淀粉消化特性影響的體外模擬消化模型,通過測定其水解率、快速消化淀粉、慢速消化淀粉及抗性淀粉含量,進一步從淀粉的微晶結構角度解釋膳食纖維對淀粉消化特性的影響,為酶法制油副產(chǎn)物的綜合利用以及一種新型高纖維慢消化的烘焙食品研發(fā)提供一定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

擠壓膨化大豆粉 山東省高唐藍山集團總公司提供;低筋小麥面粉(蛋白質含量為9%)、糖、鹽、黃油、脫脂奶粉、雞蛋 均為食用級，市售;Alcalase 2.4 L堿性蛋白酶(1.2×105U/mL)、胃蛋白酶(2500 U/mg)、豬胰蛋白酶(250 U/mg)、α-淀粉酶(45.5 U/mg)和糖化酶(36000 U/mL) 美國Sigma公司。

KC-701型超微粉碎機 北京開創(chuàng)同和科技發(fā)展有限公司;TG16-WS型臺式高速離心機 湖南湘儀離心機儀器有限公司;KN204P型烤箱 青島金貝克機械有限公司;UIS2/UIS系列顯微鏡 奧林巴斯(中國)有限公司;SHA-B型數(shù)顯恒溫水浴振蕩器 上海秋佐科學儀器有限公司;TU-1810型紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 生物酶法豆渣與普通豆制品豆渣的制備 生物酶法豆渣的提取是根據(jù)李楊等[10]的研究并進行一定修改。

擠壓膨化豆粉→水分調節(jié)(1∶6 w/v,g/mL)→酶解(2.4 L堿性蛋白酶,酶的添加量0.2% w/w,3 h,55 ℃)→離心分離(4500 r/min,至上層無游離油分離)→收集下層固體豆渣→烘干(60 ℃)→粉碎過篩(100 目)備用。

普通豆制品豆渣的提取:大豆去離子水浸泡(1∶6 w/v,g/mL,18 h)→磨漿(1∶9 w/w)→過濾→收集固體豆渣→烘干(60 ℃)→粉碎過篩(100 目)備用。

豆渣中水分、灰分、粗蛋白和粗脂肪測定根據(jù)AOAC方法[16],膳食纖維含量測定根據(jù)AACC方法[17]。

1.2.2 生物酶法豆渣/面粉混合物的制備 將生物酶法豆渣與小麥面粉以一定比例混合均勻,在預試驗的基礎上,當豆渣粉的添加量不超過總面粉的50%時,豆渣餅干的感官評分在可接受范圍內。因此將豆渣粉添加量分別設定為0%、10%、20%、30%、40%、50%,分別標號為樣品0～5。

1.2.3 微觀結構觀察 將上述1.2.2中樣品0～5溶于蒸餾水制備成10%(w/v)懸浮液,分別于常溫和95 ℃恒溫15 min后取出,取一滴于載玻片,并滴加0.1 mol/L碘液,附上蓋玻片,置于光學顯微鏡下觀察,并采集圖像[18]。

1.2.4 豆渣餅干的制備及體外模擬消化模型的建立 餅干制備:將10 g糖、30 g奶粉、0.5 g鹽、30 g黃油、60 g雞蛋液混合,電動攪拌機攪拌2 min使其混合均勻,然后加入100 g不同豆渣比例過篩混合粉,揉成面團,捆壓成型,180 ℃條件下烘烤15 min。烘烤結束后,將餅干冷卻至室溫,備用,分別標號為豆渣餅干樣品A～F。本實驗體外消化模型的建立包括胃部和腸部兩部分[19]。為保持每個消化體系中淀粉含量相同,分別取豆渣餅干樣品A～F 6種樣品質量為500、555.6、625、714.3、833.3、1000 mg。

胃部消化:將6種不同豆渣比例的餅干樣品A～F研磨過篩(40目)制備成粉,并將餅干粉分別均勻溶解于10 mL模擬胃液中(模擬胃液:0.9 mmol/L H3PO4、3 mmoo/L CaCl2、0.1 mol/L HCl、0.15 mol/L NaCl、16 mmol/L KCl,pH2.5),加入3.6%(w/v)胃蛋白酶,37 ℃水浴振蕩(170 r/min)模擬胃部消化60 min。

腸道消化:用已預熱至37 ℃的模擬腸液將胃部消化液pH調至6.5,從而進行下一步腸道消化模擬(模擬腸液:0.7 mmol/L Na2HPO4,0.49 mmol/L MgCl2,4.56 mmol/L KCl,1.5 mmol/L NaH2PO4,54.46 mmol/L NaCl,80.36 mmol/L NaHCO3),加入6 mg胰蛋白酶,65.9 mgα-淀粉酶和40 μL糖化酶,37 ℃水浴振蕩(170 r/min)分別處理0、10、20、30、60、90、120、150、180和240 min,加入10 mL 10%三氯乙酸(TCA)停止反應,將反應液離心(500 r/min)取上層清液測定葡萄糖值。

1.2.5 淀粉水解率及RDS、SDS、RS含量的測定 分別取0、10、20、30、60、90、120、150、180及240 min反應后腸道消化液0.5 mL測定還原糖濃度。采用3,5-二硝基水楊酸法(DNS)測定淀粉消化率。以葡萄糖做標準曲線,還原糖含量以葡萄糖計算。葡萄糖標準曲線為:y=0.508x-0.041

式中,y代表葡萄糖濃度(mg/mL),x代表吸光值(540 nm波長條件)。

淀粉水解率為淀粉水解量占淀粉總量(Total Starch,TS)的百分比。

根據(jù)測得的葡萄糖的質量濃度計算取樣點的水解率。其中葡萄糖淀粉轉換系數(shù)為0.9,可通過以下公式計算[20]:

TS=(G240-G0)×0.9

淀粉水解率(%)=(Gt×0.9/TS)×100

式中,TS為總淀粉質量,mg;G240為反應240 min時反應液中葡萄糖含量,mg;G0為反應0 min時反應液中葡萄糖含量,mg;Gt為取樣時間點反應液中葡萄糖含量,mg。

根據(jù)消化速率不同,消化淀粉通常分為快速消化淀粉(Rapidly Digestible Starch,RDS)、慢速消化淀粉(Slowly Digestible Starch,SDS)和抗性淀粉(Resistant Starch,RS)。RDS、SDS和RS含量可通過以下公式計算[21]:

式中,G0為反應0 min時反應液中葡萄糖含量,mg;G20為反應20 min時反應液中葡萄糖含量,mg;G120為反應120 min時反應液中葡萄糖含量,mg。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)軟件對數(shù)值進行差異顯著性分析(P≤0.01表示極顯著,P≤0.05表示顯著,P≥0.05表示不顯著)。每個試驗重復3次,采用Origin 8.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 豆渣及生物酶法豆渣/面粉混合物成分分析

注：表中不同大寫字母表示生物酶法豆渣與普通豆渣成分存在顯著性差異(P<0.05)，用A、B表示；不同小寫字母表示生物酶法豆渣/小麥面粉混合物成分存在顯著性差異(P<0.05)，用a、b、c、d、e、f表示。同一行中右上角標相同者無顯著性差異，不同者有顯著性差異(P<0.05)。

生物酶法豆渣的營養(yǎng)組成如表1所示,并將其與普通豆制品豆渣進行對比。雖然兩種豆渣的加工工藝存在差異,但灰分和蛋白質含量變化不顯著(P>0.05)。生物酶法豆渣中粗脂肪含量較普通豆渣明顯減少,粗纖維含量增加,特別是可溶性纖維的含量存在顯著不同(P>0.05)。生物酶法豆渣中可溶性膳食纖維含量約29.78%(干基),要高于普通豆渣的27.89%(干基)。這可能是原料經(jīng)生物酶法提油擠壓工藝可有效提高其水溶性膳食纖維含量。Lu等[15]發(fā)現(xiàn)普通豆渣中含有58.60%的總膳食纖維,其中僅有1.91%的可溶性膳食纖維,其余55.63%均為不溶性膳食纖維;Chen等[22]通過擠壓膨化將豆渣中水溶性膳食纖維含量從2.6%增加到30.1%。隨著生物酶法豆渣添加量從0增加到50%,生物酶法豆渣/小麥面粉混合物中的淀粉含量從63.06%顯著(P<0.05)降低到26.48%,這與Park等[23]研究的結果趨勢相同。隨著生物酶法豆渣添加量的不斷增多,小麥淀粉含量減少,生物酶法豆渣/小麥面粉混合物的灰分、蛋白質及纖維含量顯著增加(P<0.05),膳食纖維較高的親水性使得體系中自由水的含量有所減少[24],但水分含量逐漸降低。以上結果表明生物酶法豆渣不僅富含可溶性膳食纖維,同時還能有效降低生物酶法豆渣/面粉混合物中淀粉含量,因此將生物酶法豆渣作為一種新型餅干的原材料具有一定研究價值。

2.2 生物酶法豆渣對小麥淀粉微觀結構的影響

生物酶法豆渣與小麥面粉混合物加熱前后微觀結構變化如圖1所示。結果顯示,對比熱處理前后生物酶法豆渣、小麥面粉復合體系的形貌結構,常溫下小麥淀粉顆粒比較完整,單粒存在,但是熱處理的小麥淀粉的顆粒結構基本消失,這可能是由于淀粉糊化造成的顆粒膨脹破裂,顆粒結構消失。熱處理后淀粉顆粒糊化后崩解消失成糊狀結構,生物酶法豆渣依舊存在,這說明生物酶法豆渣可以存在于小麥淀粉糊中,但以物理混合為主,不能達到分子水平上的混合,淀粉糊包裹著豆渣可使豆渣在淀粉糊體系中均勻分散。這些結果與許維娜等[18]研究馬鈴薯淀粉與豆渣混合體系結果一致,其研究發(fā)現(xiàn)豆渣及膳食纖維與馬鈴薯淀粉混合體系在糊化前后共存的形貌狀態(tài),即糊化前后在共存體系中都能觀察到豆渣和膳食纖維的存在,說明主要是以物理混合為主。此外,在小麥面粉與生物酶法豆渣混合體系中,不同的聚合物會對彼此產(chǎn)生相互作用,豆渣會作為一種惰性填料打亂淀粉結構[25]。當加入的生物酶法豆渣濃度較低時,豆渣分散在淀粉網(wǎng)狀結構中,并保持其完整性;隨豆渣含量的增加,生物酶法豆渣會對小麥淀粉的網(wǎng)絡結構造成一定的破壞。

圖1 生物酶法豆渣與小麥面粉混合物加熱前后微觀結構Fig.1 The microstructures of residues and wheat flour before and after heating注:樣品0～5為常溫處理,樣品H0～H5為加熱處理,生物酶法豆渣添加量分別從0%增加至50%。

2.3 生物酶法豆渣對小麥淀粉水解率的影響

圖2描述了不同生物酶法豆渣添加量的餅干在體外模擬消化模型中淀粉水解率隨時間的變化。淀粉在0～90 min內水解速度迅速上升,餅干樣品A～F的淀粉水解率分別達到69.63%、60.56%、61.07%、60.65%、56.69%、51.75%,這是由于豆渣比例的增加,作為一種惰性填充劑,破壞淀粉網(wǎng)狀結構,阻礙淀粉的水解過程;之后水解率緩慢增加至平衡,這是由于淀粉經(jīng)過高溫糊化后,只有部分形成淀粉晶體結構,溶脹度降低,最終水解消化率趨于穩(wěn)定。結合葡萄糖釋放率以及淀粉的水解速率可以說明,生物酶法豆渣具有減緩消化速率,降低水解速率的特點,這是由于生物酶法豆渣可溶性膳食纖維在水解體系中形成粘性較好的液體,對淀粉顆粒的包埋作用導致消化酶不易接觸淀粉顆粒,從而降低淀粉的消化水解率。這一結果與Schuchardt等[26]的研究結果是一致的,他們發(fā)現(xiàn),加入適量膳食纖維的餅干在體內消化30、45和60 min后,血糖百分比分別為24.5、12.7和2.8 mg/dL,顯著低于對照的白面包(37.9、32.1 and 18.1 mg/dL)。Grundy等[27]認為食物的血糖效應取決于食品的質地和顆粒大小,如食品中的淀粉類型、食品加工過程和糖、脂肪、蛋白質、膳食纖維及抗營養(yǎng)因子等其他成分。

圖2 生物酶法豆渣添加量對淀粉水解率的影響Fig.2 Profile of in vitro starch hydrolysis in biscuits substituted with different levels of residues

2.4 RDS、SDS和RS含量的計算

RDS、SDS和RS的含量如圖3所示。由圖3可知,同一生物酶法豆渣添加量的餅干RDS含量均高于SDS含量,這是由于高溫烘烤使得淀粉的微觀結構幾乎被完全破壞,淀粉的超分子結構幾乎不存在,導致原生淀粉的SDS大幅度減少從而低于RDS[28]。隨著生物酶法豆渣添加量的增加,樣品A～F 6種生物酶法豆渣餅干中RDS含量顯著減少(P<0.05),SDS和RS含量顯著增加(P<0.05)。SDS和RS含量分別由13.74%、32.07%增加至28.68%、39.48%,RDS含量由54.32%降低至29.03%。這一結果的出現(xiàn)可能有以下幾個原因:生物酶法豆渣的存在使得食品組分體系更加復雜,高溫烘焙使餅干淀粉糊化后重結晶,淀粉顆粒陷入面筋蛋白-纖維-淀粉基質形成的致密網(wǎng)絡體系中,導致淀粉顆粒水解釋放葡萄糖緩慢,從而使SDS及RS含量增加[29];隨著生物酶法豆渣添加量的增加,餅干體系中水分含量相對減少,淀粉糊化不完全,原生淀粉的存在提高了SDS的含量[30]。

圖3 生物酶法豆渣添加量對餅干中RDS、SDS以及RS含量的影響Fig.3 Effect of addition of residues of enzyme-assisted aqueous extraction process on RDS SDS and RS content in biscuits注：字母不同表示不同濃度間的差異顯著P<0.05。

3 結論

綜上所述,生物酶法豆渣可溶性膳食纖維含量豐富,隨生物酶法豆渣添加量的增加,小麥淀粉含量減少,生物酶法豆渣/小麥面粉混合物的灰分、粗蛋白及纖維含量顯著增加(P<0.05),水分含量逐漸降低。當加入的生物酶法豆渣濃度較低時,豆渣分散在淀粉網(wǎng)狀結構中,并保持其完整性;隨豆渣含量的增加,生物酶法豆渣會對小麥淀粉的網(wǎng)絡結構造成一定的破壞。對比熱處理前后生物酶法豆渣、小麥面粉復合體系的形貌結構,常溫下小麥淀粉顆粒比較完整,單粒存在,但是熱處理的小麥淀粉的顆粒結構基本消失。同時隨著生物酶法豆渣添加量的增加,淀粉的水解率顯著減小(P<0.05),SDS和RS含量分別由13.74%、32.07%增加至28.68%、39.48%,快速消化淀粉含量由54.32%降低至29.03%。因此將生物酶法豆渣作為一種直接食用原材料用于餅干制作,可以生產(chǎn)一種健康的高膳食纖維餅干。