天津科技大学周中凯教授等：油莎豆不溶性膳食纤维理化性质、结构特征和乳化特性研究

油莎豆是油莎草(Cyperus esculentus L.)的块茎,是一种优质的有益健康的作物,富含脂质、蛋白质、淀粉、维生素、矿物质和生物活性因子。油莎豆已被添加在牛奶、零食、饮料和无麸质面包等食品中^[1]。在西班牙,油莎豆主要用于制备乳饮料,而膳食纤维(DF)是其主要的副产品,其中不溶性膳食纤维(IDF)的质量分数高达99%^[2]。

DF是多糖及其组装体的复合物,可以抵抗胃和小肠中消化酶的水解,到达大肠后被微生物发酵,随后产生短链脂肪酸(SCFA)。SCFA参与宿主健康相关的代谢通路^[3],已被证明具有降低血液中的胆固醇和葡萄糖水平、通便,以及降低结肠癌、心脏病和肥胖症发病风险的效果。DF已被确定为生物体中第7种重大营养素^[5],根据其水溶性可分为可溶性膳食纤维(SDF)和不溶性膳食纤维(IDF)。SDF含有可溶性半纤维素、果胶等物质,一般认为在增加黏度、降低血糖、血浆胆固醇方面有突出的作用;而IDF含有木质素、纤维素、不溶性半纤维素等,一般被认为会增加粪便体积、促进排便。现有的研究主要集中在SDF中,关于IDF的研究相对较少。研究表明,在提取油脂后的油莎豆豆粕中DF质量分数高达25%,其中质量分数90%以上的DF为不溶性类型^[5],然而对IDF理化性质的系统性研究较少。

Pickering乳液是由固体颗粒(多糖、蛋白质等)代替传统的表面活性剂来稳定两相体系,在活性物质的传送上具有独特性能^[4]。考虑到油莎豆IDF的固态性,可能具有在Pickering乳液中发挥稳定作用的潜质,然而该领域的相关研究几乎为空白。为此,本研究拟以大豆IDF为参照,探究油莎豆IDF的理化性质和乳化性质,以期为油莎豆IDF在食品中的开发与利用提供理论依据。

1.1 材料与试剂

油莎豆粕,新疆三礼粮油有限公司;大豆IDF(总DF质量分数85.5%,其中IDF占产品总质量的76.7%)、大豆油,市售;耐高温α-淀粉酶、溴化钾、二甲基亚砜,上海阿拉丁生化科技有限公司;蛋白酶,诺维信生物有限公司;葡萄糖苷酶,天津市盛润科技有限公司。

1.2 仪器与设备

FA1004B型分析天平,德国Sartorius科学仪器公司;BJ-100型高速多功能粉碎机,上海拜杰实业有限公司;GZX-9146MBE型电热鼓风干燥箱,上海博讯实业有限公司;600C型低速离心机,北京白洋医疗器械有限公司;Bettersize 2600型粒度分析仪,丹东百特仪器有限公司;Micro MR-25型低场核磁,苏州纽迈分析仪器股份有限公司;Q50型热重分析仪,美国TA仪器沃特世科技(上海)有限公司;IS50型傅里叶红外光谱仪,美国Nicolet仪器公司;FSH-2A型可调高速均质机,常州越新仪器制造有限公司;LAB expert型分散体系稳定性分析仪,法国Turbiscan仪器公司;MARS 60型动态流变仪,德国哈克仪器公司。

1.3 实验方法

1.3.1 酶解法制备油莎豆IDF

油莎豆IDF提取工艺流程参照郭芸^[6]的方法,并稍加修改。称取100 g油莎豆粕,以1∶25(g/mL)的料液比加入石油醚,振荡、抽滤、烘干。将烘干的样品与磷酸缓冲溶液(pH值为6.0)混合,加入10 mL的耐高温α-淀粉酶,在95 ℃下反应1 h,冷却至60 ℃后调pH值为4.5,然后加入10 mL蛋白酶,60 ℃反应1 h,调节pH值为4.2,加入10 mL葡萄糖苷酶,60 ℃反应1 h后沸水浴灭酶30 min。4 000 r/min离心酶解物20 min,用体积分数为75%的乙醇和丙酮分别洗涤沉淀物2次,烘干得油莎豆IDF。

1.3.2 IDF理化指标的测定

1.3.2.1 持水力测定

称取0.05 g(精确至0.000 1 g)样品于10 mL离心管中,加入5 mL蒸馏水,混匀,室温静置24 h,离心去上清液,记录残渣质量。持水力按式(1)计算。

持水力=(m₁ - m₀)/m₀ 。

(1)

式(1)中,m₀为样品质量,g;m₁为残渣质量,g。

1.3.2.2 持油力测定

称取0.1 g(精确至0.000 1 g)样品于10 mL已称重的离心管中,加入2 mL大豆油,混匀,室温静置18 h,离心去上清液,至离心管内壁无油迹,记录样品与离心管总质量^[7]。持油力按式(2)计算。

持油力=(m₂-m₁)/m₀ 。

(2)

式(2)中,m₀为样品质量,g;m₁为离心管质量,g;m₂为样品与离心管的总质量,g。

1.3.2.3 膨胀力测定

称取1 g(精确至0.000 1 g)样品于10 mL离心管中,记录体积(V₀),加入8 mL蒸馏水,混匀,室温静置18 h,记录膨胀后的体积(V₁)^[7]。膨胀力按式(3)计算。

膨胀力=(V₁-V₀)/m 。

(3)

式(3)中,m为样品质量,g;V₀为样品体积,mL;V₁为静置18 h后样品体积,mL。

1.3.2.4 粒径测定

通过激光粒度分析仪在泵速为1 600 r/min和屏蔽范围为5%～10%的条件下测量IDF样品的粒度分布^[8]。

1.3.2.5 低场核磁共振光谱测定

样品称重并快速放入样品瓶中,磁体探头选择MicroMR-25 mm,所有测量均进行6.0 μs(P₁),2 000 ms(T_W)和12 μs(P₂),总共进行16次扫描,获得反演图像^[9]。

1.3.2.6 热稳定性分析

对干燥的样品(5.0 mg)进行热重分析(TGA)。温度程序以10 ℃/min的加热速率从25 ℃(室温)升至500 ℃,氮气流速为30 mL/min。

1.3.3 IDF基团测定

称取1 mg干燥的样品与150 mg溴化钾充分研磨混合,然后在0.5 MPa的压力下压成薄膜状。在400～4 000 cm^-1波长下由FTIR仪器(Nicolet IS50),通过32次扫描收集光谱^[8]。

1.3.4 IDF乳化性质的测定

1.3.4.1 乳液的制备

称取一定质量的样品,配置IDF质量分数分别为1.0%、2.5%、4.0%的悬浊液,加入大豆油,乳液中大豆油的体积分数为25%,用高速均质机在10 000 r/min条件下均质1 min,得到IDF乳液。

1.3.4.2 乳液粒径分布测定

方法同1.3.2.4节。

1.3.4.3 乳液稳定性测定

取20 mL新鲜IDF乳液加入样品瓶中进行测定,温度设定为25 ℃,扫描时间为6 h,每5 min扫描1次。

1.3.4.4 乳液流变学性质测定

吸取适量乳液置于60 mm的平板上,平板间隙为1 mm,测试温度设为25 ℃,用光学动态流变仪对乳液进行静态流变和动态流变的测定。

1.4 数据处理

实验重复3次,结果以平均值±标准偏差表示。采用单因素方差分析(ANOVA)和多重比较检验法进行数据分析。

2.1 油莎豆IDF的理化性质分析及结构表征

2.1.1 油莎豆和大豆IDF的理化性质比较

IDF的持水力、持油力和膨胀力影响了食品原料的加工特性。持水力和膨胀力是DF重要的水合特性,在食品和人体生理中发挥着重要的功能,其高持水力和高膨胀力可以增加肠道中IDF的体积,不仅可以促进肠道蠕动,还可以增加饱腹感和防止肥胖^[10]。具有高持水力的DF可以锁住食物的水分,减少因脱水而导致的食物收缩,从而提高产品的质量。高持油力的IDF可以使高脂肪食品更加稳定,延长其保质期,也可以作为乳化剂,在肠道中干扰肠道对膳食脂质的吸收,并可以促进脂质化合物(胆汁酸、胆固醇等)的排泄^[10]。

油莎豆和大豆IDF的理化性质见表1。由表1可知,油莎豆IDF的持水力、持油力和膨胀力均高于大豆IDF,分别是大豆IDF的1.60、2.22、1.75倍。可能是由于油莎豆IDF具有疏松多孔结构和较大的比表面积,更有利于水分子的渗透,增加水分的吸收能力,从而增加持水力和膨胀力。而油莎豆IDF高持油力是由于其粒径分布较小,总表面积较大导致的^[11]。

表1 油莎豆与大豆IDF的理化性质

Tab.1 Physicochemical properties of Cyperus esculentus and soybean IDF

不同字母表示同列数据差异显著(P<0.05)。

2.1.2 油莎豆和大豆IDF的粒径分布分析

D10、D50、D90分别表示样品的累计粒径分布达到质量分数10%、50%、90%时对应的粒径。D[3,2]表示样品的表面积平均粒径,D[4,3]表示样品的体积平均粒径,它们差值越大,粒度分布越宽。油莎豆和大豆IDF粒径分布见表2和图1。由表2和图1可知,油莎豆IDF的粒径整体分布小于大豆IDF,体现在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的粒径更小。颗粒大小的变化会导致IDF特性的相应变化,超细IDF表现出更高的持水力和膨胀力,在游离和结合酚类物质中表现出更高的可提取性、酚类物质的生物可及性和抗氧化性能^[12]。小粒径的IDF添加到面条中可以增加感官评分,减少蒸煮损失,降低对蛋白质网络结构的破坏程度^[13]。

图1 油莎豆与大豆IDF的粒径分布
Fig.1 Particle size distribution of Cyperus esculentusand soybean IDF

表2 油莎豆与大豆IDF的粒径分布

Tab.2 Particle size distribution of Cyperus esculentus and soybean IDF μm

不同字母表示同列数据差异显著(P<0.05)。

2.1.3 油莎豆和大豆IDF的水分分布特征分析

DF中的水分主要分为3种形态:结合水、不易流动水和自由水。质子所处的化学环境不同,其弛豫时间T₂的长短不同,水分的自由度也不同。弛豫时间T₂越短表明水与物质结合越紧密,越不容易排出,反之则质子自由度越高,越容易排出^[14],因此,通过弛豫时间T₂可以了解油莎豆IDF中水分的分布情况。

油莎豆和大豆IDF水分分布结果见图2。由图2可知,油莎豆IDF与大豆IDF各存在3个峰组,油莎豆IDF的峰集中在0.01～2 ms(T_2b)、2～10 ms(T₂₁)、10～100 ms(T₂₂),大豆IDF的峰集中在0.01～2 ms(T_2b)、10～50 ms(T₂₂)、100～500 ms(T₂₃)。其中弛豫时间最短的T_2b组分代表IDF中结合紧密的水组分,为结合水。弛豫时间T₂₁组分的水自由度介于结合水和自由水之间,容易发生转化,为不易流动水。弛豫时间T₂₂组分的水也是不易流动水,但是比T₂₁组分更易流动。最长弛豫时间T₂₃组分的水具有流动性,为自由水。与大豆IDF相比,油莎豆IDF具有更多的结合水和不易流动水,说明其持水能力更强,这可能与其特定的空间和分子结构有关。

图2 油莎豆与大豆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的热稳定性分析

油莎豆和大豆IDF热稳定性分析结果见图3。由图3可知,IDF的TGA结果显示了2个失重阶段,在第一个失重阶段,油莎豆IDF质量损失为5.255%,大豆IDF质量损失为9.156%,这个阶段是自由水和结合水的损失,油莎豆IDF损失更少的结合水;在第二个失重阶段,油莎豆IDF的失重是从269.07 ℃到348.04 ℃,质量损失为68.515%;大豆IDF的失重从238.98 ℃到344.67 ℃,质量损失为67.244%,这主要是因为IDF通过脱羟基、脱氧或脱羧降解^[15]。总体来看,油莎豆IDF的热稳定性较高,可能是由于油莎豆IDF具有更多的有序结构。

图3 油莎豆与大豆IDF的热稳定性分析
Fig.3 Thermogravimetric analysis of Cyperus esculentus and soybean IDF

2.1.5 油莎豆和大豆的红外光谱分析

油莎豆和大豆IDF的红外光谱见图4。由图4可知,油莎豆IDF与大豆IDF具有多头的特征吸收峰,两者的红外光谱相似,只是一些特征带的波数和峰强度发生了变化,表示油莎豆与大豆IDF的化学基团相同,结构相似。

图4 油莎豆与大豆IDF的红外光谱
Fig.4 FTIR spectra of Cyperus esculentusand soybean IDF

在3 421 cm^-1附近出现的吸收峰对应于O—H的伸缩振动,其主要来源于纤维素和半纤维素^[16],油莎豆IDF的峰强度明显大于大豆IDF,是由于油莎豆IDF中的纤维素和半纤维素含量高于大豆IDF。在2 857 cm^-1附近出现的吸收峰来自多糖的甲基和亚甲基基团的C—H伸缩振动^[17],油莎豆IDF的峰强度明显大于大豆IDF,油莎豆IDF中的多糖含量高。在1 736 cm^-1附近出现的吸收峰对应于CO拉伸,1 637 cm^-1附近出现的吸收峰对应于木质素芳香烃的特征弯曲或拉伸^[18]。1 200～1 400 cm^-1处的吸收峰可能是由于C—H的可变角度振动,而在1 000 cm^-1附近的峰是C—O伸缩振动,是典型的木聚糖吸收峰^[19],油莎豆IDF的木聚糖半纤维素含量高于大豆IDF。

2.2 油莎豆和大豆IDF制备的乳液粒径分布分析

乳液液滴的大小对配方乳液的特性和应用有很大影响。油莎豆和大豆IDF乳液粒径分布见表3和图5。由表3和图5可知,随着油莎豆IDF含量的增加,油莎豆IDF制备的乳液粒径D10、D50、D90、D[3,2]和D[4,3]也随之增加。在相同含量下,大豆IDF制备的乳液的粒径均高于油莎豆IDF制备的乳液,并且具有显著性差异。

图5 不同含量油莎豆和大豆IDF乳液的粒径分布
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乳液的粒径分布

Tab.3 Particle size distribution of emulsion made from Cyperus esculentus and soybean IDF μm

不同字母表示同列数据差异显著(P<0.05)。

2.3 油莎豆和大豆IDF制备的乳液稳定性分析

TSI(Turbiscan stability index)值用来判定乳液的稳定性,值越大,稳定性越差。油莎豆和大豆IDF乳液TSI值见图6。由图6可知,在短时间内,质量分数为2.5%油莎豆IDF制备的乳液TSI值迅速升高,稳定性最差。随着时间的延长,质量分数为4%大豆IDF乳液呈现出较高的稳定性。其中质量分数为2.5%油莎豆IDF乳液短时间和长时间的稳定性是最差的,可能是由于油莎豆IDF中的结合水含量较高,与其他成分之间的作用力较小,维持乳液稳定的能力较弱;而大豆IDF中含有较高的自由水,在其乳液相界面能发挥较好的平衡作用。

图6 不同含量油莎豆和大豆IDF乳液的TSI值变化
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制备的乳液流变学性质分析

油莎豆和大豆IDF乳液流变学性质见图7。由图7可知,质量分数为2.5%油莎豆IDF乳液的黏度随着剪切速率的增加呈现先增加后减小的趋势,这可能与乳液的不稳定性有关。而其余的油莎豆IDF和大豆IDF制备的乳液均随着剪切速率的增加而减小,呈现剪切稀化现象,符合非牛顿流体特性,其中4%大豆IDF乳液黏度高于其他乳液。黏度变化的原因可能是随着剪切速率的增加,乳液的内部结构被破坏,油水界面的相互作用力和范德华力减弱,增大了流体的流动性,进而使表观黏度降低。油莎豆IDF制备的乳液整体黏度较低,可能是由于其具有更多的结合水,而自由水含量少。

图7 不同含量油莎豆和大豆IDF乳液的流变学性质变化
Fig.7 Changes in rheological properties of emulsion made from Cyperus esculentus and soybean IDF at different concentrations

在低振荡频率下,乳液的储能模量缓慢降低,其变化很小,具有较高的抗变形能力,这是由于固体颗粒在2种不混溶液体的界面处的不可逆吸附。其中质量分数为4%油莎豆IDF乳液的储能模量最高。随着振荡频率的持续增加,各乳液的储能模量均升高。而各乳液的损耗模量随着振荡频率增加逐渐上升,且与低频率下储能模量样品间差异性相似。随着振荡频率的增加,油莎豆和大豆IDF制备的乳液的储能模量和损耗模量均有交叉的部分,说明其是由固体状态到液体状态的转化,随着振荡频率的增加,乳液的内部结构被破坏。

研究发现与大豆IDF相比,油莎豆IDF的持水力、持油力和膨胀力较高,粒径较小,结合水和不易流动水的比例更高,热稳定性更强。油莎豆IDF制备的乳液的粒径显著低于大豆IDF制备的乳液,但是乳液的稳定性和黏度较差,随着时间或者剪切速率的增加,维持乳液性能的能力较弱。随着振荡频率的增加,大豆IDF制备的乳液和油莎豆IDF制备的乳液的储能模量和损耗模量均有交叉的部分,说明其是由固体状态到液体状态的转化,其中质量分数4%的油莎豆IDF制备的乳液的储能模量和损耗模量最高。研究结果表明,油莎豆IDF具有较好的理化性质、结构特征和乳化特性,并体现出油莎豆IDF添加量和乳液特性量效依赖关系。本研究旨在为油莎豆IDF在食品中的开发利用提供一定的理论依据。

制作：路旭东

编辑：张逸群、李宁

审核：叶红波