高温蒸煮结合超声酶法改性菠萝蜜籽膳食纤维工艺优化及结构表征.pdf
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1、李丹,汪秀妹,梁杰,等.高温蒸煮结合超声酶法改性菠萝蜜籽膳食纤维工艺优化及结构表征 J.食品工业科技,2023,44(23):203212.doi:10.13386/j.issn1002-0306.2023020210LI Dan,WANG Xiumei,LIANG Jie,et al.Process Optimization and Structure Characterization of Jackfruit Seed Dietary FiberModifiedbyHighTemperatureCookingCombinedwithUltrasonicEnzymaticMethodJ.Sc
2、ienceandTechnologyofFoodIndustry,2023,44(23):203212.(inChinesewithEnglishabstract).doi:10.13386/j.issn1002-0306.2023020210 工艺技术 高温蒸煮结合超声酶法改性菠萝蜜籽膳食高温蒸煮结合超声酶法改性菠萝蜜籽膳食纤维工艺优化及结构表征纤维工艺优化及结构表征李丹,汪秀妹,梁杰,刘涛,林国荣*,王丽霞,郑心怡(莆田学院环境与生物工程学院,福建省新型污染物生态毒理效应与控制重点实验室,生态环境及其信息图谱福建省高等学校重点实验室,福建莆田351100)摘要:通过高温蒸煮结合超声波酶法对
3、菠萝蜜籽膳食纤维进行改性,结合单因素实验和响应面试验优化改性工艺条件,再利用扫描电镜(SEM)、X 射线衍射仪(XRD)、热重分析仪(TGA)、傅立叶红外光谱仪(FTIR)对改性前后可溶性膳食纤维(SolubleDietaryFibre,SDF)的结构进行对比,以持水力、膨胀力、保油力和对亚硝酸盐离子、葡萄糖、胆酸盐、胆固醇的吸附能力为指标,比较改性前后 SDF 的功能性质。结果表明:膳食纤维的最佳改性条件为料液比 1:21g/mL,高温蒸煮 121、43min,纤维素酶添加量 8%,酶解的超声波条件 360W、40、52min。此条件下改性后菠萝蜜籽 SDF 得率为(24.39%0.03%)
4、,未改性 SDF 得率为(16.93%0.60%)。与未改性 SDF 相比,FTIR 显示菠萝蜜籽纤维素组分重新分布,SEM 显示结构更加疏松多孔,X 射线衍射结果显示结晶度增加,热重分析结果显示热稳定性更好;改性后 SDF 的持水力、膨胀力、保油力、亚硝酸盐离子吸附能力、葡萄糖吸附能力、胆酸盐吸附能力、胆固醇吸附能力均显著(P0.05)优于未改性 SDF。结果表明高温蒸煮结合超声酶法能够改善菠萝蜜籽 SDF 的功能特性,为改性菠萝蜜籽膳食纤维提供一定理论基础。关键词:菠萝蜜籽,膳食纤维,高温蒸煮,超声波,纤维素酶,改性本文网刊:中图分类号:TS201.1文献标识码:B文章编号:1002030
5、6(2023)23020310DOI:10.13386/j.issn1002-0306.2023020210ProcessOptimizationandStructureCharacterizationofJackfruitSeedDietaryFiberModifiedbyHighTemperatureCookingCombinedwithUltrasonicEnzymaticMethodLIDan,WANGXiumei,LIANGJie,LIUTao,LINGuorong*,WANGLixia,ZHENGXinyi(CollegeofEnvironmentalandBiologicalEn
6、gineering,PutianUniversity,FujianProvincialKeyLaboratoryofEcology-ToxicologicalEffects&ControlforEmergingContaminants,KeyLaboratoryofEcologicalEnvironmentandInformationAtlasFujianProvincialUniversity,Putian351100,China)Abstract:Thejackfruitseeddietaryfiberwasmodifiedbyhightemperaturecookingcombinedw
7、ithultrasonicenzymaticmethod.Singlefactorcombinedwithresponsesurfacemethodwasappliedtooptimizethemodificationprocessconditions.Thestructureofsolubledietaryfiber(SDF)beforeandaftermodificationwascomparedandanalyzedbyscanningelectronmicroscope(SEM),X-raydiffraction(XRD),thermogravimetry(TGA)andFourier
8、transforminfraredspectrometer(FTIR).ThefunctionalpropertiesofSDFbeforeandaftermodificationweredeterminedwithwaterholdingcapacity,expansioncapacity,oilholdingcapacityandadsorptioncapacityfornitriteion,glucose,bilesaltandcholesterolasindicators.TheresultsshowedthattheoptimummodificationconditionsofDFw
9、ereasfollows:Theratioofmaterialtoliquid1:21g/mL,收稿日期:20230222基金项目:福建省自然科学基金项目(2021J011107,2020J05211);福建省教育厅中青年教师教育科研项目(JAT200521)。作者简介:李丹(1990),女,硕士,实验师,研究方向:食品生物技术,E-mail:。*通信作者:林国荣(1969),男,硕士,教授,研究方向:食品营养与功能,E-mail:。第44卷第23期食品工业科技Vol.44No.232023年12月ScienceandTechnologyofFoodIndustryDec.2023cookin
10、g temperature 121,cooking time 43 min,cellulase amount 8%,ultrasonic-assisted enzymatic(UAE)power360W,UAEtemperature40,UAEtime52min.Undertheseconditions,theyieldofSDFwas24.39%0.03%,theyieldof unmodified SDF was 16.93%0.60%.Compared with unmodified SDF,FTIR results showed that the cellulosecomponents
11、ofjackfruitseedswereredistributed.SEMindicatedamoreporousstructure.XRDresultsshowedanincreasein crystallinity,and TGA results showed better thermal stability.The water holding capacity,expansion capacity,oilretentioncapacity,nitriteionadsorptioncapacity,glucoseadsorptioncapacity,bilesaltadsorptionca
12、pacity,andcholesteroladsorptioncapacityofmodifiedSDFweresignificantlybetterthanthoseofunmodifiedSDF(P0.05).Therefore,hightemperaturecookingcombinedwithultrasonicenzymaticmethodcouldimprovethefunctionalcharacteristicsofSDFinjackfruitseedsandprovideatheoreticalbasisforthemodificationofjackfruitseeddie
13、taryfiber.Keywords:jackfruitseed;dietaryfiber;hightemperaturecooking;ultrasonic;cellulase;modification菠萝蜜是目前市面上可见最大的树生热带水果,其果肉及种子皆可食用,果肉柔软、汁多,具有芳香味道1。菠萝蜜的果实最多可以有约 500 颗种子(23cm 长,直径 12cm),种子质量占水果总重量的 10%15%,由于新鲜的种子不能长期储存,因此常被当作废弃物丢弃,大量的菠萝蜜籽资源仍未被充分开发2,对副产品进行生态化利用,可以减少生物资源的浪费,增加果农的经济收入3。菠萝蜜籽富含氮、磷、钾、钙、镁
14、、硫、锌、铜等多种矿物质和木酚素、皂苷、异黄酮等植物营养素4,还具有高淀粉(约46%)、高膳食纤维(约 20%)和低脂肪(约 0.77%)的特点,膳食纤维(DietaryFiber,DF)可用以预防代谢综合症及与生活习惯有关的疾病,因此菠萝蜜籽可视为新的膳食纤维来源5。DF 可分为可溶性膳食纤维(SDF)和不溶性膳食纤维(IDF)6。膳食纤维中 SDF的含量应达到 10%以上,才能被认为是具有很强生理活性和保健功能的优质膳食纤维7,然而天然膳食纤维含量大多低于 10%8,因此有必要探究对菠萝蜜籽 DF 进行改性的方法,以提取出更多的 SDF。目前广泛采用生物法(主要是酶法和发酵法)、化学法(主
15、要是酸碱法)和物理法(主要是挤压法、高温蒸煮法和高压均质法)对膳食纤维进行改性7。高温蒸煮法是在高温高压下对膳食纤维进行改性,导致其中的分子链断裂,把 IDF 转化为 SDF,以此增加SDF 的含量。这种改性办法对仪器要求较高,因此常受到条件的限制,无法得到较好的结果7。酶法是一种对样品内部破坏强度较低的方法,对膳食纤维损伤小,其缺点为实验耗时较久,难以在短期获得较快的提取成果,但超声波处理方式能够有效提高实验速率9。将物理法与生物法结合起来,可以降低实验成本,弥补单一实验方法的不足。丁彩云等10采用高温-复合木聚糖酶和纤维素酶改性脱脂小米糠膳食纤维,结果表明高温-复合酶法可以有效改性膳食纤维
16、,提高其结构和功能特性。汪楠等11分别采用纤维素酶酶解、高温蒸煮、高温蒸煮协同纤维素酶处理竹笋膳食纤维,结果表明,高温蒸煮协同酶法较单独高温蒸煮和纤维素酶解有效地提高了竹笋可溶性膳食纤维的理化性质。Li 等12采用超声波辅助酶法对荔枝膳食纤维进行改性,结果表明经过超声波酶改性后,SDF 含量提高了 6.32%。Oladunjoye 等13采用微波辅助碱处理甘蔗渣,结果表明,改性处理后其持水力等功能性质提高,微波辅助处理减少了反应时间。目前,对菠萝蜜籽的研究集中在对其蛋白及淀粉的提取或性质研究上13,未见从菠萝蜜籽中提取膳食纤维的研究,且目前多采用两种方法相结合对膳食纤维进行改性,关于高温蒸煮、
17、超声波、酶法三种方法结合对膳食纤维进行改性报道较少。为了减少菠萝蜜籽资源的浪费,增加膳食纤维的新来源,通过对菠萝蜜籽膳食纤维进行改性,提高菠萝蜜籽 SDF的含量与功能性质,将有助于将其作为合适的功能性食品原料。因此,本实验以菠萝蜜籽为主要原料,采用高温蒸煮结合超声波酶法改性膳食纤维,并对改性工艺方法进行优化。通过单因素实验分析料液比、高温蒸煮时间、纤维素酶添加量、超声波酶解的温度、功率和时间对菠萝蜜籽 SDF 得率的影响,并在单因素实验的基础上结合响应面优化试验对菠萝蜜籽 SDF 的改性工艺进行优化。最后测定最优工艺条件下制备所得到 SDF 结构和功能性质,以期对菠萝蜜籽综合利用,为开发菠萝蜜
18、籽膳食纤维功能性食品提供理论基础。1材料与方法1.1材料与仪器菠萝蜜籽产地海南,采收时间为 23 月份的马来西亚一号菠萝蜜,郑州然翎商贸有限公司;玉米油益海嘉里金龙鱼粮油食品股份有限公司;鸡蛋市售;纤维素酶(10000U/g)食品级,多美姿生物科技有限公司;耐高温 淀粉酶(20000U/g)食品级,邢台万达生物有限公司;中性蛋白酶(50000U/g)食品级,沃佳生物科技有限公司;甘氨酸钠食品级,郑州安安康食品原料有限公司;亚硝酸钠、对氨基苯磺酸、盐酸萘乙二胺、DNS 试剂、糠醛、邻苯二甲醛等均为分析纯,国药化学试剂有限公司。CS-700 中草药粉碎机永康市天祺盛世工贸有限公司;LDZM-60L
19、-立式高压蒸汽灭菌锅上海申安医疗器械厂;TENSOR傅立叶红外光谱仪德国布鲁克公司;SU8010 场发射扫描电子显微镜日本日立公司;XRD-6100X 射线衍射仪日本岛津公司;SDT650 热重分析仪美国沃特斯公司;KQ-600KDE 高功率超声波清洗器昆山市超声仪器有限公司。204食品工业科技2023 年12月1.2实验方法1.2.1菠萝蜜籽 SDF 的制备方法清洗菠萝蜜籽,以清除所有异物和上层白色层。将菠萝蜜籽切成厚度约 5mm 的片状,置于 60 烘箱中 12h,中草药粉碎机粉碎,粉碎后的粉末再次于 60 中放置 12h,过 40 目筛子,装入密封袋中,保持干燥,备用。改性工艺:参考 H
20、uang 等7和 Yang 等14的方法并略作修改。称取 5.00g 样品于锥形瓶中,加入一定比例的蒸馏水,放入立式高压灭菌锅中 121高温蒸煮一定时间。用 2mol/LNaOH 调节混合液pH 至 6.0。加入耐高温-淀粉酶 0.4g 以去除淀粉,并在 95 下水解 30min,每隔 5min 轻轻搅拌烧杯,用 3mol/L 醋酸调节 pH 至 3.0 灭酶。冷却至 40,用 2mol/LNaOH 调节混合液 pH 至 7.5,加入 0.25g中性蛋白酶后 40 水解 30min,沸水浴 10min 灭酶。冷却后用 3mol/L 醋酸调节混合液 pH 至 5.0,加入纤维素酶于一定的温度、功
21、率、时间条件下超声处理。沸水浴加热 10min 灭酶后冷却至 20,12000g 离心 15min。取上清液,以 1:4(v/v)的比例 置 于 95%乙 醇 进 行 醇 沉。醇 沉 2.5 h 后 以4000r/min 离心 10min 取沉淀,于 65 烘干 24h得到 SDF。未改性 SDF 的制备:采用传统水提法提取 SDF,不经过高压灭菌锅蒸煮和超声波酶解1415,其他步骤同改性的工艺。1.2.2单因素实验固定蒸煮时间为 20min,纤维素酶添加量为 0.4g(物质质量的 8%),超声酶解时间为 10min、超声酶解温度为 30、超声酶解功率为300W,改变料液比为 1:15、1:2
22、0、1:25、1:30、1:35、1:40g/mL,研究料液比对菠萝蜜籽 SDF 得率的影响。固定料液比 1:20g/mL,纤维素酶添加量为 0.4g(物质质量的 8%)、超声酶解时间为 30min、超声酶解温度为 30、超声酶解功率 300W,改变高温蒸煮时间为 20、30、40、50、60、70min,研究蒸煮时间对菠萝蜜籽 SDF 得率的影响。固定蒸煮时间为 40min,料液比 1:20g/mL,超声酶解时间为 30min、超声酶解温度为 30、超声酶解功率为 300W,纤维素酶添加量为 5%、6%、7%、8%、9%和 10%(物质质量的百分数),研究纤维素酶添加量对 SDF 得率的影响
23、。固定蒸煮时间为 40min,料液比 1:20g/mL,纤维素酶添加量为 0.4g(物质质量的 8%),超声酶解温度为 30、超声功率为 300W,改变超声酶解时间为 10、20、30、40、50、60min,研究超声酶解时间对 SDF 得率的影响。固定蒸煮时间为 40min,料液比 1:20g/mL,纤维素酶添加量为 0.4g(物质质量的 8%),超声酶解时间为 50min、超声酶解功率为 300W,改变超声酶解温度为 30、35、40、45、50 和 55,研究超声酶解温度对 SDF 得率的影响。固定蒸煮时间为 40min,料液比 1:20g/mL,纤维素酶添加量为 0.4g(物质质量的
24、8%),超声酶解时间为 50min、超声酶解温度为 40,改变超声酶解功率为 240、300、360、420、480、540W,研究超声酶解功率对 SDF 得率的影响。SDF 得率按照下式计算。SDF 得率(%)=(SDF 质量/菠萝蜜籽粉质量)1001.2.3响应面试验优化根据 6 种单因素实验结果,选取对 SDF 得率有显著影响的四个因素进行 Box-behnken 试验。之后对模型进行验证,进行 3 次验证实验。响应面的因素水平表见表 1。表1响应面试验因素水平Table1Levelofresponsesurfacetestfactors水平因素A蒸煮时间(min)B料液比(g/mL)C
25、超声酶解温度()D超声酶解时间(min)1301:1535400401:2040501501:2545601.2.4结构表征1.2.4.1傅里叶红外光谱仪分析参考汪楠等11的方法,并略作修改。分别取 1.00mg 的改性前后 SDF样品放置在样品台上,在 4004000cm1范围内扫描 32 次,分辨率为 16cm1。1.2.4.2扫描电子显微镜观察样品粉末用导电胶固定于载物台上。样品经过离子溅射仪处理后,放入仪器中,加速电压为 15kV,于 500、1000、2000、5000、10000 倍下观察不同样品的结构16。1.2.4.3X 射线衍射分析分别取菠萝蜜籽原料粉、改性前后 SDF 样品
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