不同處理方法對豆渣膳食纖維結構和降血糖性質的影響

李菁,吳聰聰,葉沁,唐麒雯,孟祥河*,聶小華*

1(浙江工業(yè)大學 食品科學與工程學院,浙江 杭州,310014)2(浙江省農業(yè)科學院 食品科學研究所,浙江 杭州,310021)

糖尿病是由胰島素絕對缺乏或胰島素抵抗引起、以高血糖為特征的代謝性疾病[1]。長期高血糖與腎病、神經病、視網(wǎng)膜病變等密切相關,同時還會增加心血管疾病等并發(fā)癥的發(fā)生風險。因此,維持血糖穩(wěn)態(tài)是糖尿病患者營養(yǎng)治療的首要目標[2-3]。

豆渣是大豆生產過程中的副產物,但由于豆渣水分含量高且口感粗糙,因此不利于加工、貯藏和直接食用,多用做動物飼料,甚至直接丟棄,造成了資源的極大浪費和環(huán)境污染[4-5]。豆渣包括干重50%～60%的膳食纖維,其中主要為水不溶性膳食纖維[6]。膳食纖維具有多種健康功效,可用來抵抗肥胖,維持血糖穩(wěn)定,甚至能降低糖尿病并發(fā)癥的發(fā)病率[7]。研究表明,膳食纖維可以降低碳水化合物的吸收,其可能的作用機制主要包括3方面[8-10]：通過分子相互作用和物理阻礙抑制淀粉的消化,以此減少葡萄糖的形成和利用；通過顆粒的屏障阻礙作用或增加食物黏稠度來抑制葡萄糖在腸道內的自由擴散,以此減少機體對葡萄糖的吸收；通過直接吸附食物中的葡萄糖避免血糖水平的升高。

豆渣膳食纖維中,不溶性膳食纖維含量高、功能性較差,可利用物理法、化學法或酶法處理提高其溶解度并改善其功能特性[5,8]。物理法主要利用機械振動、超微粉碎、濕法研磨、超聲波、高靜水壓等[11]來提高水溶性膳食纖維含量,改善其功能特性。相比其他方法,物理法簡單快捷,不會破壞纖維結構,也不存在化學殘留,一定程度上提高了膳食纖維的開發(fā)效益[9],且可以改變膳食纖維的粒徑、孔隙率和比表面積,改善吸附性能,從而提高膳食纖維的功能特性,特別是降血糖作用[12]。超微粉碎是利用機械產生的高頻振動和高速氣流使得固體內部破碎的新型粉碎方法[13]超微粉碎不會造成局部溫度過高,可減少樣品活性成分的損失[14]。膠體磨是利用高速剪切和高頻振動來細化樣品的濕法粉碎方法,由于水的介導,更能促進樣品的細化,其操作簡單、能耗較低,運用在膳食纖維改性中,可促進膳食纖維可溶物的釋放[15]。

因此,本研究采用超微粉碎和膠體磨處理不同種類的豆渣膳食纖維,探究2種處理方法對豆渣膳食纖維結構、理化性質和體外降血糖特性的影響,旨在為提高豆渣膳食纖維降血糖性質和豆渣資源綜合開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

豆渣收集于杭州祖名豆制品廠,干燥后粉碎過50目篩,存放于干燥器中備用。

α-淀粉酶(5.0×104U/g),美國Sigma公司；淀粉、木瓜蛋白酶(8.0×105U/g),上海瑞永生物公司；葡萄糖、乙醇、濃鹽酸、NaOH等均為分析純,國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

XLF-30C超微粉碎機,廣州市旭朗機械設備有限公司；JTM-L50濕式膠體磨,溫州市龍灣永興張祥膠體磨廠；SU8010掃描電子顯微鏡、CRZIG II冷凍離心機,日本日立公司；S124S型電子分析天平,賽多利斯科學儀器(北京)有限公司；752型紫外分光光度計,上海光譜儀器有限公司；GZX—9070 MBE數(shù)顯鼓風干燥箱,上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠；DKS-24電熱恒溫水浴鍋,嘉興市中新醫(yī)療儀器有限公司；Brookhaven Omni動態(tài)光散射和電位分析儀,美國布魯克海文儀器公司；ASAP2050氣體吸附儀,美國麥克儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 豆渣膳食纖維的制備

豆渣堿-酸不溶性豆渣膳食纖維(acid-alkali insoluble dietary fiber,AAIDF)的制備根據(jù)ULLAH等[16]的方法。豆渣原料以料液比1∶15(g∶mL)分散在NaOH溶液(pH 11.0)中,50 ℃提取2 h,洗滌至中性；然后以1∶15(g∶mL)分散在HCl溶液(pH 2.0),60 ℃提取2 h,過濾后,用蒸餾水將殘渣洗至中性,60 ℃干燥48 h,粉碎過50目篩網(wǎng)后置于干燥器中保存。

豆渣水不溶性膳食纖維(water insoluble dietary fiber,WIDF)的制備參考湯小明[17]的方法。豆渣以料液比1∶10(g∶mL)分散在水中,60 ℃下用0.3 g木瓜蛋白酶處理90 min。過濾后,去離子水清洗殘渣以去除可溶性物質,獲得的殘渣在60 ℃干燥48 h,粉碎過50目篩網(wǎng)后置于干燥器中保存。

1.3.2 超微粉碎和膠體磨處理豆渣AAIDF和WIDF

將上述膳食纖維AAIDF和WIDF用超微粉碎機進行處理,所制得的膳食纖維分別命名為SG-WIDF和SG-AAIDF。

AAIDF和WIDF分別以1∶30(g∶mL)分散于水中,用膠體磨進行處理,循環(huán)100次后,料漿在60 ℃下干燥48 h,并分別命名為CM-WIDF和CM-AAIDF。

1.3.3 豆渣膳食纖維理化性質的測定

1.3.3.1 溶解度

參考ZHANG等[18]的方法并略作修改。10 g樣品于300 mL蒸餾水中分散30 min,4 500 r/min離心15 min,上清液用4倍體積體積分數(shù)為95%乙醇沉淀。沉淀被收集并在105 ℃下干燥至質量恒定,根據(jù)公式(1)計算其溶解度。

(1)

式中：m1,上清液干燥后的質量,g；m,樣品質量,g。

1.3.3.2 持水性

參考湯小明[17]的方法。1 g樣品分散于150 mL蒸餾水,37 ℃保持30 min,4 500 r/min離心15 min后,收集殘渣稱取質量,105 ℃下干燥至質量恒定,根據(jù)公式(2)計算其持水性(water holding capacity,WHC)。

(2)

式中：m2,樣品吸水后的濕質量,g；m0,樣品干質量,g。

1.3.3.3 持油性

參照WANG等[19]的方法。0.5 g樣品分散于5 mL玉米油,25 ℃連續(xù)混合30 min,4 500 r/min離心15 min,收集沉淀,稱取質量,根據(jù)公式(3)計算其持油性(oil holding capacity,OHC)。

(3)

式中：m3,樣品吸油后的濕質量,g；m4,樣品初始質量,g。

1.3.3.4 膨脹力

參考ZHANG等[18]的方法。1 g樣品放入量筒中記錄初始體積,25 ℃下用10 mL蒸餾水混勻后水合24 h,記錄水合樣品的體積,根據(jù)公式(4)計算其膨脹力(swell capacity,SC)。

(4)

式中：V1,初始樣品體積,mL；V2,水合后樣品體積,mL；m5,樣品初始質量,g。

1.3.4 豆渣膳食纖維顆粒結構表征

1.3.4.1 粒徑與zeta電位

采用動態(tài)光散射和電位分析儀測量樣品的平均粒徑,同時測定樣品懸浮液(50 g/L)在25 ℃下的zeta電位。

1.3.4.2 比表面積

采用氣體吸附儀分析不同樣品的比表面積,以氮氣為吸附氣體,設置如下參數(shù)：測試模型為介孔,脫氣時間6 h,脫氣溫度100 ℃。

1.3.4.3 掃描電鏡分析

將干燥至質量恒定的樣品放到真空噴涂機上噴涂碳金,使其具有導電性。在加速電壓為5.0 kV,放大倍數(shù)為900倍下,觀察樣品的微觀結構。

1.3.5 豆渣膳食纖維體外降血糖性質的測定

1.3.5.1 葡萄糖吸附能力

參考QI等[20]的方法測定。1.0 g樣品分散于100 mL葡萄糖溶液 (5、10、50、100 mmol/L)中,37 ℃攪拌2 h,4 500 r/min離心15 min,收集上清液,采用二硝基水楊酸(3,5-dinitrobenzoic acid,DNS)法[21]測定上清液葡萄糖濃度,根據(jù)公式(5)計算其葡萄糖吸附能力(glucose adsorption capacity,GAC)。

(5)

式中：c0,初始溶液中葡萄糖濃度,μmol/L；c,吸附飽和后上清液中葡萄糖濃度,μmol/L；V,溶液體積,mL；m,樣品質量,g。

1.3.5.2 葡萄糖透析延遲指數(shù)

參照OU等[22]的方法。將0.2 g樣品分散于10 mL葡萄糖溶液(100 mmol/L)中,隨后將其置于分子截流量為8 k～12 kDa的透析袋,于37 ℃在200 mL蒸餾水中透析。分別于10、20、30、60、90、120、180 min測定透析液中的葡萄糖含量,對照組設置為不含樣品。根據(jù)公式(6)計算其葡萄糖透析延遲指數(shù)(glucose dialysis retardation index,GDRI)。

(6)

式中：c1,對照組透析液中葡萄糖濃度,mmol/L；c,樣品組透析液中葡萄糖濃度,mmol/L。

1.3.5.3 α-淀粉酶抑制作用

采用MA等[23]的方法。將樣品和4 mg α-淀粉酶加入40 mL預糊化的質量分數(shù)4%的可溶性淀粉溶液,37 ℃下酶解反應30 min,100 ℃滅酶處理10 min,4 500 r/min離心15 min,測定上清液葡萄糖含量。對照組同樣處理,但不添加任何樣品。根據(jù)公式(7)計算其α-淀粉酶抑制率(α-amylase activity inhibition ration,α-AAIR)。

(7)

式中：c2,對照組上清液中葡萄糖濃度,mmol/L；c0,樣品組上清液中葡萄糖濃度,mmol/L。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010處理數(shù)據(jù),結果以平均值±標準差表示,試驗重復3次；采用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進行顯著性分析,利用單因素ANOVA和Duncan多重比較分析,P<0.05表示差異顯著；運用Origin 9和Prism 7進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 理化性質

2.1.1 溶解度

超微粉碎和膠體磨處理對豆渣AAIDF和WIDF溶解度的影響如圖1所示。超微粉碎和膠體磨處理均能顯著提高AAIDF和WIDF的溶解度,其中膠體磨處理效果最佳,AAIDF和WIDF的溶解度分別由2.34%和10.59%上升到5.50%和40.98%。超微粉碎主要會造成纖維基質的破裂,由于物理剪切作用和空穴效應,可溶性膳食纖維得到釋放,因而溶解度顯著提高[24],而膠體磨不僅可以細化纖維顆粒,還可以打破不溶性膳食纖維的糖苷鍵結構,從而顯著提高其在水中的溶解度[15]。此外,WIDF的溶解度高于AAIDF,推測可能是因為WIDF中還存在結合在纖維素上的可溶性膳食纖維,在超微粉碎和膠體磨處理過程中被釋放,而AAIDF的可溶性膳食纖維在酸堿的強作用下大大損失,因而溶解度提高不明顯。

圖1 超微粉碎和膠體磨處理對豆渣膳食纖維溶解度的影響

2.1.2 持水性、持油性、膨脹力

WHC和SC稱為膳食纖維的水合能力,可使膳食纖維在小腸內形成具有空間位阻的纖維層,減少碳水化合物與消化酶的接觸[25]。在食品中常添加高水合能力的膳食纖維,以改善其保水性能,延長保質期并降低生產成本[26]。如圖2所示,經超微粉碎和膠體磨處理后,AAIDF和WIDF的WHC和SC均有不同程度地提高,其中膠體磨處理效果優(yōu)于超微粉碎,AAIDF和WIDF的WHC從5.77、9.10 g/g分別提高到9.12、13.93 g/g。同時,膠體磨處理后AAIDF和WIDF的SC也從4.68、5.39 mL/g分別提高到7.12、7.67 mL/g。膠體磨處理效果更顯著的原因是：在水介質的介導下,膠體磨產生高剪切效應和高頻分散效果,使處理后的AAIDF和WIDF粒徑減小,顆粒結構被細化和破壞,比表面積增大,還會導致部分糖苷鍵或其他化學鍵發(fā)生斷裂,促進可溶物進一步釋放,因而可以結合更多的水分子[25]。WIDF由于存在較多的水溶性組分,可以暴露更多的親水結合位點,因此處理后WIDF的WHC和SC更佳。

膳食纖維具有的OHC使其發(fā)揮著重要的生理功能,可吸附食物和消化道中的油脂,減少高血脂的形成[27]。如圖2所示,膠體磨處理效果優(yōu)于超微粉碎,膠體磨處理后AAIDF和WIDF的OHC分別從1.59、1.22 g/g提高為2.21、1.82 g/g,且膠體磨處理的AAIDF的OHC最大,這是因為膠體磨對膳食纖維產生的空穴效應和剪切力,使得其顆粒變得松散和多孔,比表面積增大,更易結合油脂。AAIDF由于制備過程中經過酸堿的強作用力,呈現(xiàn)多孔粗糙結構,經處理后更易增大與油脂的接觸面積,因而OHC更佳。

圖2 超微粉碎和膠體磨處理對豆渣膳食纖維的持水性、持油性和膨脹力的影響

2.2 顆粒結構

2.2.1 比表面積、納米粒徑和zeta電位

超微粉碎和膠體磨處理對豆渣AAIDF和WIDF顆粒結構的影響如表1所示。超微粉碎和膠體磨處理后,AAIDF和WIDF的比表面積均有不同程度地提高,其中AAIDF更為明顯。超微粉碎和膠體磨處理的AAIDF比表面積由0.09 m2/g分別提高到1.21、和0.42 m2/g,說明這2種方法均可有效改善AAIDF的結構,增大比表面積的同時,也意味著可增強其功能性質。同時,2種處理方法均降低了AAIDF和WIDF的粒徑大小,其中膠體磨處理的AAIDF平均粒徑最低,為754.01 nm,推測可能是由于膠體磨處理過程中產生的強剪切力使得AAIDF中粒徑較大的顆粒進一步細化。Zeta電位是表征膳食纖維在溶液中穩(wěn)定性的一個重要指標,zeta電位絕對值越低越不穩(wěn)定。經超微粉碎和膠體磨后,AAIDF和WIDF的zeta電位均有明顯下降,其主要原因可能是羥基的大量暴露、大分子多聚體的降解、可溶性物質的形成[16]。

2.2.2 微觀結構

超微粉碎和膠體磨處理對豆渣AAIDF和WIDF微觀結構的影響如圖3所示。處理前,AAIDF和WIDF整體均呈絲狀或塊狀緊密排列,表現(xiàn)為致密的纖維結構(圖3-a、圖3-d)。超微粉碎后,AAIDF和WIDF組織疏松性增加,表面粗糙且出現(xiàn)裂損,顆粒的孔隙度明顯增大(圖3-b、圖3-e)；膠體磨處理后,AAIDF和WIDF結構更加不規(guī)則,纖維中出現(xiàn)了更多的裂紋和多孔結構(圖3-c,圖3-f)。這說明超微粉碎和膠體磨處理均會導致膳食纖維變得疏松,且膠體磨處理的效果更為明顯,為膳食纖維與葡萄糖、油脂、淀粉酶等的結合提供了微觀結構基礎,因而提高了膳食纖維的功能性質尤其是降血糖性質,這與何曉琴等[28]改性苦蕎麩皮不溶性膳食纖維的表征結構結果一致。

a-AAIDF;b-SG-AAIDF;c-CM-AAIDF;d-WIDF;e-SG-WIDF;f-CM-WIDF

2.3 降血糖性質

2.3.1 葡萄糖吸附能力

膳食纖維的體外降血糖特性主要體現(xiàn)在GAC,反映了其對葡萄糖擴散和吸收過程中的阻礙作用,對于控制糖尿病患者的餐后血糖升高有著重要的意義[29]。如表2所示,所有豆渣膳食纖維均表現(xiàn)出一定的葡萄糖吸附能力,且吸附能力隨葡萄糖濃度的升高而增大；2種處理方法均對AAIDF和WIDF的GAC有一定的提高作用,其中膠體磨效果更好；在100 mmol/L葡萄糖溶液中,膠體磨處理后AAIDF和WIDF的GAC分別從361.89、293.93 μmol/g提高至982.09、724.54 μmol/g,其中前者類似于燕麥水不溶性膳食纖維(910.2 μmol/g)[9],明顯高于柑橘膳食纖維(721 μmol/g)和纖維素(675 μmol/g)[10]。超微粉碎處理后膳食纖維的GAC增加,可能是由于顆粒粒徑減小,空隙和比表面積增加,纖維結構發(fā)生松散化,增強了毛細管效應,從而促進膳食纖維對葡萄糖分子的親和吸附和物理束縛,降低了葡萄糖分子的自由擴散[28]。而膠體磨處理則不僅會促進比表面積和孔隙的增大,還會促進水不溶性膳食纖維向水溶性膳食纖維的轉變,增加體系黏度,更有利于束縛葡萄糖的擴散運動[25]。

表2 超微粉碎和膠體磨處理對豆渣膳食纖維葡萄糖吸附能力的影響 單位：μmol/g

2.3.2 葡萄糖透析延遲指數(shù)

膳食纖維對葡萄糖透析延遲作用是減緩餐后血糖升高的另一重要因素。如圖4所示,所有豆渣膳食纖維GDRI在透析前20 min不斷增加,20 min時達到最大值,隨后逐漸降低,180 min時趨于平衡；經超微粉碎和膠體磨處理后,AAIDF和WIDF的GDRI最大值由14.30%和15.60%提高至20.73%～29.22%和23.15%～29.32%,且膠體磨處理優(yōu)于超微粉碎,原因是膠體磨處理會顯著細化膳食纖維顆粒,使其呈現(xiàn)更高的水合能力和更松散的纖維結構,進而加強其對葡萄糖的物理吸附和空間阻礙。同一方法處理后AAIDF和WIDF的GDRI并無顯著差異(P>0.05),這說明在透析延遲過程中,膳食纖維對葡萄糖的捕獲和束縛作用起主導作用,降低了葡萄糖的擴散速率[28]。結果表明,膠體磨處理后AAIDF和WIDF更能有效地抑制葡萄糖的擴散,減少餐后血糖上升。

圖4 超微粉碎和膠體磨處理對豆渣膳食纖維透析延遲指數(shù)的影響

2.3.3 α-淀粉酶抑制作用

膳食纖維可抑制α-淀粉酶對淀粉的消化,降低葡萄糖的生成速率,從而降低餐后血糖升高[30]。膳食纖維主要可以通過以下幾個方面抑制α-淀粉酶的水解作用[8]：通過其空間位阻效應抑制淀粉和水解產物的擴散；通過纖維網(wǎng)絡結構吸附淀粉和α-淀粉酶；降低α-淀粉酶對底物的親和力；直接作為α-淀粉酶的抑制劑。如圖5所示,隨著豆渣膳食纖維濃度的增加,其對α-淀粉酶的抑制作用增強。超微粉碎和膠體磨處理對WIDF抑制α-淀粉酶的影響更為明顯,當質量濃度為7 mg/mL時,α-AAIR從33.07%分別增加到35.24%和45.45%,這很大程度上是由于超微粉碎和膠體磨處理降低WIDF粒徑,增加了其比表面積和毛細管效應,促使其包埋和吸附更多的α-淀粉酶[9]。而質量濃度為5 mg/mL時,膠體磨處理的AAIDF對α-淀粉酶抑制作用顯著高于AAIDF(P<0.05),但隨膳食纖維濃度增加,差異則不明顯；超微粉碎的AAIDF在α-淀粉酶抑制作用上與AAIDF差異不顯著。此外,AAIDF的α-AAIR普遍高于WIDF,這是因為酸堿制備的AAIDF結構更加疏松,纖維網(wǎng)狀結構暴露增加,促進了其與α-淀粉酶的結合。結果表明,超微粉碎和膠體磨處理均不同程度地影響豆渣膳食纖維α-淀粉酶抑制作用,其中膠體磨處理后豆渣膳食纖維更能有效地抑制α-淀粉酶的活性,降低葡萄糖的釋放。

圖5 超微粉碎和膠體磨處理對豆渣膳食纖維α-淀粉酶抑制作用的影響

3 結論與討論

本文通過超微粉碎和膠體磨處理豆渣AAIDF和WIDF,分析了其處理后顆粒結構、理化性質和降血糖性質的變化。結果表明,2種處理方法均能有效地減小AAIDF和WIDF粒徑,增大其比表面積,同時使其纖維結構破壞,發(fā)生裂損并形成較大的孔隙,顆粒疏松性明顯增加,進而顯著提高溶解度、持水性、持油性和膨脹力。并且,2種處理方法均能提高AAIDF和WIDF的葡萄糖吸附能力、葡萄糖透析延遲指數(shù)和α-淀粉酶抑制作用,由于膠體磨處理更能細化纖維結構,因此其處理的AAIDF和WIDF體外降血糖效果更好；AAIDF由于酸堿預處理,暴露出更多的網(wǎng)狀結構,故體外降血糖效果優(yōu)于WIDF。綜上所述,膠體磨處理的豆渣AAIDF和WIDF可用作輔助降血糖的功能食品配料。