油莎豆不溶性膳食纖維理化性質、結構特征和乳化特性研究

王玲玉, 趙雪玲, 王安琪, 陳 誠, 汪軒羽, 王新濤,李秀荷, 王慧芳, 戴福宏, 高鐵成, 周中凱,*, 李 寧,*

(1.天津科技大學 食品科學與工程學院, 天津 300457; 2.江南大學 食品科學與技術國家重點實驗室,江蘇 無錫 214122; 3.新疆三禮糧油有限公司, 新疆 圖木舒克 843900;4.廣州焙樂道食品有限公司, 廣東 廣州 511400)

油莎豆是油莎草(CyperusesculentusL.)的塊莖,是一種優質的有益健康的作物,富含脂質、蛋白質、淀粉、維生素、礦物質和生物活性因子。油莎豆已被添加在牛奶、零食、飲料和無麩質面包等食品中[1]。在西班牙,油莎豆主要用于制備乳飲料,而膳食纖維(DF)是其主要的副產品,其中不溶性膳食纖維(IDF)的質量分數高達99%[2]。

DF是多糖及其組裝體的復合物,可以抵抗胃和小腸中消化酶的水解,到達大腸后被微生物發酵,隨后產生短鏈脂肪酸(SCFA)。SCFA參與宿主健康相關的代謝通路[3],已被證明具有降低血液中的膽固醇和葡萄糖水平、通便,以及降低結腸癌、心臟病和肥胖癥發病風險的效果。DF已被確定為生物體中第7種重大營養素[5],根據其水溶性可分為可溶性膳食纖維(SDF)和不溶性膳食纖維(IDF)。SDF含有可溶性半纖維素、果膠等物質,一般認為在增加黏度、降低血糖、血漿膽固醇方面有突出的作用;而IDF含有木質素、纖維素、不溶性半纖維素等,一般被認為會增加糞便體積、促進排便?，F有的研究主要集中在SDF中,關于IDF的研究相對較少。研究表明,在提取油脂后的油莎豆豆粕中DF質量分數高達25%,其中質量分數90%以上的DF為不溶性類型[5],然而對IDF理化性質的系統性研究較少。

Pickering乳液是由固體顆粒(多糖、蛋白質等)代替傳統的表面活性劑來穩定兩相體系,在活性物質的傳送上具有獨特性能[4]?？紤]到油莎豆IDF的固態性,可能具有在Pickering乳液中發揮穩定作用的潛質,然而該領域的相關研究幾乎為空白。為此,本研究擬以大豆IDF為參照,探究油莎豆IDF的理化性質和乳化性質,以期為油莎豆IDF在食品中的開發與利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

油莎豆粕,新疆三禮糧油有限公司;大豆IDF(總DF質量分數85.5%,其中IDF占產品總質量的76.7%)、大豆油,市售;耐高溫α-淀粉酶、溴化鉀、二甲基亞砜,上海阿拉丁生化科技有限公司;蛋白酶,諾維信生物有限公司;葡萄糖苷酶,天津市盛潤科技有限公司。

1.2 儀器與設備

FA1004B型分析天平,德國Sartorius科學儀器公司;BJ-100型高速多功能粉碎機,上海拜杰實業有限公司;GZX-9146MBE型電熱鼓風干燥箱,上海博訊實業有限公司;600C型低速離心機,北京白洋醫療器械有限公司;Bettersize 2600型粒度分析儀,丹東百特儀器有限公司;Micro MR-25型低場核磁,蘇州紐邁分析儀器股份有限公司;Q50型熱重分析儀,美國TA儀器沃特世科技(上海)有限公司;IS50型傅里葉紅外光譜儀,美國Nicolet儀器公司;FSH-2A型可調高速均質機,常州越新儀器制造有限公司;LAB expert型分散體系穩定性分析儀,法國Turbiscan儀器公司;MARS 60型動態流變儀,德國哈克儀器公司。

1.3 實驗方法

1.3.1酶解法制備油莎豆IDF

油莎豆IDF提取工藝流程參照郭蕓[6]的方法,并稍加修改。稱取100 g油莎豆粕,以1∶25(g/mL)的料液比加入石油醚,振蕩、抽濾、烘干。將烘干的樣品與磷酸緩沖溶液(pH值為6.0)混合,加入10 mL的耐高溫α-淀粉酶,在95 ℃下反應1 h,冷卻至60 ℃后調pH值為4.5,然后加入10 mL蛋白酶,60 ℃反應1 h,調節pH值為4.2,加入10 mL葡萄糖苷酶,60 ℃反應1 h后沸水浴滅酶30 min。4 000 r/min離心酶解物20 min,用體積分數為75%的乙醇和丙酮分別洗滌沉淀物2次,烘干得油莎豆IDF。

1.3.2IDF理化指標的測定

1.3.2.1 持水力測定

稱取0.05 g(精確至0.000 1 g)樣品于10 mL離心管中,加入5 mL蒸餾水,混勻,室溫靜置24 h,離心去上清液,記錄殘渣質量。持水力按式(1)計算。

持水力=(m1-m0)/m0。

(1)

式(1)中,m0為樣品質量,g;m1為殘渣質量,g。

1.3.2.2 持油力測定

稱取0.1 g(精確至0.000 1 g)樣品于10 mL已稱重的離心管中,加入2 mL大豆油,混勻,室溫靜置18 h,離心去上清液,至離心管內壁無油跡,記錄樣品與離心管總質量[7]。持油力按式(2)計算。

持油力=(m2-m1)/m0。

(2)

式(2)中,m0為樣品質量,g;m1為離心管質量,g;m2為樣品與離心管的總質量,g。

1.3.2.3 膨脹力測定

稱取1 g(精確至0.000 1 g)樣品于10 mL離心管中,記錄體積(V0),加入8 mL蒸餾水,混勻,室溫靜置18 h,記錄膨脹后的體積(V1)[7]。膨脹力按式(3)計算。

膨脹力=(V1-V0)/m。

(3)

式(3)中,m為樣品質量,g;V0為樣品體積,mL;V1為靜置18 h后樣品體積,mL。

1.3.2.4 粒徑測定

通過激光粒度分析儀在泵速為1 600 r/min和屏蔽范圍為5%～10%的條件下測量IDF樣品的粒度分布[8]。

1.3.2.5 低場核磁共振光譜測定

樣品稱重并快速放入樣品瓶中,磁體探頭選擇MicroMR-25 mm,所有測量均進行6.0 μs(P1),2 000 ms(TW)和12 μs(P2),總共進行16次掃描,獲得反演圖像[9]。

1.3.2.6 熱穩定性分析

對干燥的樣品(5.0 mg)進行熱重分析(TGA)。溫度程序以10 ℃/min的加熱速率從25 ℃(室溫)升至500 ℃,氮氣流速為30 mL/min。

1.3.3IDF基團測定

稱取1 mg干燥的樣品與150 mg溴化鉀充分研磨混合,然后在0.5 MPa的壓力下壓成薄膜狀。在400～4 000 cm-1波長下由FTIR儀器(Nicolet IS50),通過32次掃描收集光譜[8]。

1.3.4IDF乳化性質的測定

1.3.4.1 乳液的制備

稱取一定質量的樣品,配置IDF質量分數分別為1.0%、2.5%、4.0%的懸濁液,加入大豆油,乳液中大豆油的體積分數為25%,用高速均質機在10 000 r/min條件下均質1 min,得到IDF乳液。

1.3.4.2 乳液粒徑分布測定

方法同1.3.2.4節。

1.3.4.3 乳液穩定性測定

取20 mL新鮮IDF乳液加入樣品瓶中進行測定,溫度設定為25 ℃,掃描時間為6 h,每5 min掃描1次。

1.3.4.4 乳液流變學性質測定

吸取適量乳液置于60 mm的平板上,平板間隙為1 mm,測試溫度設為25 ℃,用光學動態流變儀對乳液進行靜態流變和動態流變的測定。

1.4 數據處理

實驗重復3次,結果以平均值±標準偏差表示。采用單因素方差分析(ANOVA)和多重比較檢驗法進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 油莎豆IDF的理化性質分析及結構表征

2.1.1油莎豆和大豆IDF的理化性質比較

IDF的持水力、持油力和膨脹力影響了食品原料的加工特性。持水力和膨脹力是DF重要的水合特性,在食品和人體生理中發揮著重要的功能,其高持水力和高膨脹力可以增加腸道中IDF的體積,不僅可以促進腸道蠕動,還可以增加飽腹感和防止肥胖[10]。具有高持水力的DF可以鎖住食物的水分,減少因脫水而導致的食物收縮,從而提高產品的質量。高持油力的IDF可以使高脂肪食品更加穩定,延長其保質期,也可以作為乳化劑,在腸道中干擾腸道對膳食脂質的吸收,并可以促進脂質化合物(膽汁酸、膽固醇等)的排泄[10]。

油莎豆和大豆IDF的理化性質見表1。由表1可知,油莎豆IDF的持水力、持油力和膨脹力均高于大豆IDF,分別是大豆IDF的1.60、2.22、1.75倍?？赡苁怯捎谟蜕笽DF具有疏松多孔結構和較大的比表面積,更有利于水分子的滲透,增加水分的吸收能力,從而增加持水力和膨脹力。而油莎豆IDF高持油力是由于其粒徑分布較小,總表面積較大導致的[11]。

表1 油莎豆與大豆IDF的理化性質

2.1.2油莎豆和大豆IDF的粒徑分布分析

D10、D50、D90分別表示樣品的累計粒徑分布達到質量分數10%、50%、90%時對應的粒徑。D[3,2]表示樣品的表面積平均粒徑,D[4,3]表示樣品的體積平均粒徑,它們差值越大,粒度分布越寬。油莎豆和大豆IDF粒徑分布見表2和圖1。由表2和圖1可知,油莎豆IDF的粒徑整體分布小于大豆IDF,體現在D10、D50、D90、D[3,2]和D[4,3]均是大豆IDF的50%左右,酶解法提取IDF的粒徑更小。顆粒大小的變化會導致IDF特性的相應變化,超細IDF表現出更高的持水力和膨脹力,在游離和結合酚類物質中表現出更高的可提取性、酚類物質的生物可及性和抗氧化性能[12]。小粒徑的IDF添加到面條中可以增加感官評分,減少蒸煮損失,降低對蛋白質網絡結構的破壞程度[13]。

圖1 油莎豆與大豆IDF的粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of Cyperus esculentusand soybean IDF

表2 油莎豆與大豆IDF的粒徑分布

2.1.3油莎豆和大豆IDF的水分分布特征分析

DF中的水分主要分為3種形態:結合水、不易流動水和自由水。質子所處的化學環境不同,其弛豫時間T2的長短不同,水分的自由度也不同。弛豫時間T2越短表明水與物質結合越緊密,越不容易排出,反之則質子自由度越高,越容易排出[14],因此,通過弛豫時間T2可以了解油莎豆IDF中水分的分布情況。

油莎豆和大豆IDF水分分布結果見圖2。由圖2可知,油莎豆IDF與大豆IDF各存在3個峰組,油莎豆IDF的峰集中在0.01～2 ms(T2b)、2～10 ms(T21)、10～100 ms(T22),大豆IDF的峰集中在0.01～2 ms(T2b)、10～50 ms(T22)、100～500 ms(T23)。其中弛豫時間最短的T2b組分代表IDF中結合緊密的水組分,為結合水。弛豫時間T21組分的水自由度介于結合水和自由水之間,容易發生轉化,為不易流動水。弛豫時間T22組分的水也是不易流動水,但是比T21組分更易流動。最長弛豫時間T23組分的水具有流動性,為自由水。與大豆IDF相比,油莎豆IDF具有更多的結合水和不易流動水,說明其持水能力更強,這可能與其特定的空間和分子結構有關。

圖2 油莎豆與大豆IDF的水分分布Fig.2 Moisture distribution of Cyperus esculentusand soybean IDF

2.1.4油莎豆和大豆IDF的熱穩定性分析

油莎豆和大豆IDF熱穩定性分析結果見圖3。由圖3可知,IDF的TGA結果顯示了2個失重階段,在第一個失重階段,油莎豆IDF質量損失為5.255%,大豆IDF質量損失為9.156%,這個階段是自由水和結合水的損失,油莎豆IDF損失更少的結合水;在第二個失重階段,油莎豆IDF的失重是從269.07 ℃到348.04 ℃,質量損失為68.515%;大豆IDF的失重從238.98 ℃到344.67 ℃,質量損失為67.244%,這主要是因為IDF通過脫羥基、脫氧或脫羧降解[15]?？傮w來看,油莎豆IDF的熱穩定性較高,可能是由于油莎豆IDF具有更多的有序結構。

圖3 油莎豆與大豆IDF的熱穩定性分析Fig.3 Thermogravimetric analysis of Cyperus esculentus and soybean IDF

2.1.5油莎豆和大豆的紅外光譜分析

油莎豆和大豆IDF的紅外光譜見圖4。由圖4可知,油莎豆IDF與大豆IDF具有多頭的特征吸收峰,兩者的紅外光譜相似,只是一些特征帶的波數和峰強度發生了變化,表示油莎豆與大豆IDF的化學基團相同,結構相似。

圖4 油莎豆與大豆IDF的紅外光譜Fig.4 FTIR spectra of Cyperus esculentusand soybean IDF

2.2 油莎豆和大豆IDF制備的乳液粒徑分布分析

乳液液滴的大小對配方乳液的特性和應用有很大影響。油莎豆和大豆IDF乳液粒徑分布見表3和圖5。由表3和圖5可知,隨著油莎豆IDF含量的增加,油莎豆IDF制備的乳液粒徑D10、D50、D90、D[3,2]和D[4,3]也隨之增加。在相同含量下,大豆IDF制備的乳液的粒徑均高于油莎豆IDF制備的乳液,并且具有顯著性差異。

圖5 不同含量油莎豆和大豆IDF乳液的粒徑分布Fig.5 Particle size distribution of emulsion made from Cyperus esculentus and soybean IDF at different concentrations

表3 油莎豆和大豆IDF乳液的粒徑分布

2.3 油莎豆和大豆IDF制備的乳液穩定性分析

TSI(Turbiscan stability index)值用來判定乳液的穩定性,值越大,穩定性越差。油莎豆和大豆IDF乳液TSI值見圖6。由圖6可知,在短時間內,質量分數為2.5%油莎豆IDF制備的乳液TSI值迅速升高,穩定性最差。隨著時間的延長,質量分數為4%大豆IDF乳液呈現出較高的穩定性。其中質量分數為2.5%油莎豆IDF乳液短時間和長時間的穩定性是最差的,可能是由于油莎豆IDF中的結合水含量較高,與其他成分之間的作用力較小,維持乳液穩定的能力較弱;而大豆IDF中含有較高的自由水,在其乳液相界面能發揮較好的平衡作用。

圖6 不同含量油莎豆和大豆IDF乳液的TSI值變化Fig.6 Changes in TSI of emulsion made from Cyperus esculentus and soybean IDF at different concentrations

2.4 油莎豆和大豆IDF制備的乳液流變學性質分析

油莎豆和大豆IDF乳液流變學性質見圖7。由圖7可知,質量分數為2.5%油莎豆IDF乳液的黏度隨著剪切速率的增加呈現先增加后減小的趨勢,這可能與乳液的不穩定性有關。而其余的油莎豆IDF和大豆IDF制備的乳液均隨著剪切速率的增加而減小,呈現剪切稀化現象,符合非牛頓流體特性,其中4%大豆IDF乳液黏度高于其他乳液。黏度變化的原因可能是隨著剪切速率的增加,乳液的內部結構被破壞,油水界面的相互作用力和范德華力減弱,增大了流體的流動性,進而使表觀黏度降低。油莎豆IDF制備的乳液整體黏度較低,可能是由于其具有更多的結合水,而自由水含量少。

圖7 不同含量油莎豆和大豆IDF乳液的流變學性質變化Fig.7 Changes in rheological properties of emulsion made from Cyperus esculentus and soybean IDF at different concentrations

在低振蕩頻率下,乳液的儲能模量緩慢降低,其變化很小,具有較高的抗變形能力,這是由于固體顆粒在2種不混溶液體的界面處的不可逆吸附。其中質量分數為4%油莎豆IDF乳液的儲能模量最高。隨著振蕩頻率的持續增加,各乳液的儲能模量均升高。而各乳液的損耗模量隨著振蕩頻率增加逐漸上升,且與低頻率下儲能模量樣品間差異性相似。隨著振蕩頻率的增加,油莎豆和大豆IDF制備的乳液的儲能模量和損耗模量均有交叉的部分,說明其是由固體狀態到液體狀態的轉化,隨著振蕩頻率的增加,乳液的內部結構被破壞。

3 結 論

研究發現與大豆IDF相比,油莎豆IDF的持水力、持油力和膨脹力較高,粒徑較小,結合水和不易流動水的比例更高,熱穩定性更強。油莎豆IDF制備的乳液的粒徑顯著低于大豆IDF制備的乳液,但是乳液的穩定性和黏度較差,隨著時間或者剪切速率的增加,維持乳液性能的能力較弱。隨著振蕩頻率的增加,大豆IDF制備的乳液和油莎豆IDF制備的乳液的儲能模量和損耗模量均有交叉的部分,說明其是由固體狀態到液體狀態的轉化,其中質量分數4%的油莎豆IDF制備的乳液的儲能模量和損耗模量最高。研究結果表明,油莎豆IDF具有較好的理化性質、結構特征和乳化特性,并體現出油莎豆IDF添加量和乳液特性量效依賴關系。本研究旨在為油莎豆IDF在食品中的開發利用提供一定的理論依據。