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低温超微粉碎机对豆渣纤维结构的影响


基于中国大豆产业的蓬勃发展,国内大豆食品行业每年可产生上千万吨湿豆渣,其中生物酶法制油产生的残渣可达70%。豆渣膳食纤维主要由纤维素、半纤维素(干重含量40~60 g/100 g)和木质素组成。豆渣多糖中的单体主要是葡萄糖、糖醛酸、半乳糖、阿拉伯糖、木糖、岩藻糖、鼠李糖和甘露糖。但目前它主要用于动物饲料或作为废弃物直接焚烧,造成一定的经济损失。另外,目前豆渣深加工生产的膳食纤维产品具有含水高、口感差、易腐败变质、可溶膳食纤维低等缺点,限制了生物酶解过程副产物加工工业的进步,尽管豆渣的研究在不断深入,但大多只停留在粗加工,对其更为精细的深加工研究相对较少。现今微粉化技术的进一步加工能有效提高豆渣膳食纤维的功能特性,既提高了大豆资源的利用率(availability)又保护了环境。不同的改性方法,如化学、酶学和物理方法已被用于改善豆渣膳食纤维的物理化学性质。物理方法与其他方法相比具有优势(解释:能压倒对方的有利形势),如技术简单、成本低和可持续性好。高压均质、微流化及超细研磨等物理方法主要通过降低豆渣、燕麦、桃和小麦粒度改变膳食纤维的物理化学及功能特性。超微粉碎是指利用机械力或流体动力的方法克服固体内部凝聚力,使之破碎,从而将3 mm以上的物料颗粒粉碎至10 μm的操作技术,是一种物料加工高新技术。超微细粉末是超微粉碎的最终产品,具有一般颗粒所没有的特殊理化性质,如良好的溶解性、分散性、吸附性、化学反应活性等。超微细粉末已广泛应用于食品、化工、医药、化妆品农药、染料、涂料、电子及航空航天等许多领域。基于生物酶法制油工艺研究,运用超微粉碎-复合酶法对生物酶法制油残渣中膳食纤维改性处理,采用红外光谱、X-衍射分析(Analyse)不同处理条件下豆渣膳食纤维的结构变化,并通过豆渣膳食纤维持水性、持油性、膨胀性及粒度分析对其功能性进行表征,通过低温超微粉碎机这种简单处理方式提高豆渣品质,促进生物酶法副产物二次利用,并填补该领域研究空缺,为豆渣的开发应用提供技术支持。
  一、材料与方法
  1. 材料、仪器与设备
大豆生物酶法制油豆渣(实验室自制);α-淀粉酶(DA4251,酶活≥10 000 U/g);纤维素酶(酶活≥10 000 U/g);Lowry法测溶解度试剂盒。
S 22-2型恒温磁力搅拌器;AL 204型分析天平;PHS-3 C雷磁pH计;WZJ-100超微粉碎机(公司);TDL-408台式离心机;HH-4数显搅拌水浴锅;鼓风干燥箱;S-3400 N电子扫描显微镜;激光粒度仪。超微粉碎机利用空气分离、重压研磨、剪切的形式来实现干性物料超微粉碎的设备。它由柱形粉碎室、研磨轮、研磨轨、风机、物料收集系统等组成。物料通过投料口进入柱形粉碎室,被沿着研磨轨做圆周运动的研磨轮碾压、剪切而实现粉碎。
  2. 低酶体系酶法制油豆渣膳食纤维制备
将市售大豆粉碎,过60目筛,取200 g过筛后的粉体,按料液比1︰6(g/mL)加入蒸馏水,待搅拌均匀(jūn yún)后放入55 ℃水浴锅内进行酶解,酶解条件为:酶解温度55 ℃、酶解时间2
  H、pH维持在9.0、碱性蛋白酶Protex6L(8 900 U/mL)添加量0.5%,边搅拌边酶解,酶解结束后,取出并用1 mol/L HCl溶液调节水溶液pH 7,之后在100 ℃沸水中灭酶5 min,将灭酶后的溶液在4 500 r/min,20 min条件下离心操作,豆渣在平板铺平后置入55 ℃鼓风烘箱,待恒重后取出研磨即得所需酶法制油豆渣。由于豆渣中的脂肪氧化(oxidation)后会产生异味并影响提取率,因此在提取豆渣膳食纤维前按照杨梦曦等的处理方法除去脂肪。采用超微粉碎机在-4 ℃下超微粉碎酶法制油豆渣(水分≤4%),粉碎时间30 s,出料粒度分别为100,200和300目,烘干至质量恒定。
  3. 粒度测定
测定豆渣IDF的粒度大小。采用激光粒度分析仪对样品颗粒的粒度进行分析。进样器为Hydro 2000 MU(A),颗粒折射率1.460,颗粒吸收率0.1,以去离子水作为分散剂,分散剂折射率1.33,粒径范围0.02~2 000 μm。
  4. 膨胀能力(SC)
将样品(250 mg)称重放入10 mL量筒(0.1 mL刻度)和5 mL蒸馏(still)水中,加入0.02%叠氮化钠。轻轻搅拌以消除截留的气泡,并在室温下放置在水平表面上过夜以使样品沉降。测量样品占据的体积(mL)。膨胀(inflate)率(mL/g)=(膨胀后样品体积-干样品体积)/样品干质量
  5. 保水能力(WRC)
将250 mg样品及15 mL蒸馏水加入到50 mL离心管中。充分搅拌后在室温下放置1 h。在3 000×g离心20 min后,弃去上清液,称残留物质量,并计算每克干样品的水分质量(g)。保水力(g/g)=(残留物质量-样品干质量)/样品干质量
  6. 扫描电镜观测
将豆渣膳食纤维样品干燥、粉碎和筛分,采用离子溅射的方法镀金,通过扫描电子显微镜对制备好的样品进行1 000倍放大观察、分析,得到相应的扫描电镜图片。超细粉碎机一种细粉及超细粉的粉碎加工设备,此设备主要适用于中、低硬度,湿度小于6%,莫氏硬度在9级以下的非易燃易爆的非金属物料。对于任何纤维状、高韧性、高硬度或有一定含水率的物料均可适应。对花粉及其它孢子植物等要求打破细胞壁的物料,其破壁率高于95%。同时适应干式和湿式粉碎。湿式粉碎时可加入水、酒精或其它液体。
  7. 傅里叶变换红外光谱(FTIR)
将不同处理下的豆渣膳食纤维冷冻干燥后使用FTIR光谱仪测量分子结构的变化,波数范围400~4 000 cm-1,每个样品扫描32次。
  8. X射线衍射(XRD)
通过X-射线衍射仪分析(Analyse)样品晶体结构。设定发生器电压40 kV,入射电流(Electron flow)150 mA,防发散狭缝2/3,使用CuKa辐射(1 μ=0.15 nm),在衍射角5°~60°以1 π/min的扫描速度记录数据。通过计算曲线的面积来计算X射线衍射图上的结晶度。 Dc=Ac/(Ac+Aa)×100% 式中:Ac为结晶面积;Aa为无定形面积。
  9. 数据统计及分析
所有试验至少进行3次重复(repeat),利用软件对数据(data)进行ANOVA差异显著性分析,p<0.05为显著性差异。
  二、 结果与讨论
  1. 酶法制油豆渣基本成分
表为不同粉碎条件下豆渣基本成分及所占百分含量,其中,样品
  A、
  B、
  C、D分别表示未处理、低温超微粉碎处理100,200和300目的豆渣样品。
  2. 粒度分布分析(Analyse)
图为不同粉碎条件下豆渣膳食纤维的粒径分布情况。超细粉碎机工作时,将需要粉碎的物料从机罩壳侧面的进料斗加入机内,依靠悬挂在主机梅花架上的磨辊装置,绕着垂直轴线公转,同时本身自转,由于旋转时离心力的作用,磨辊向外摆动,紧压于磨环,使铲刀铲起物料送到磨辊与磨环之间,因磨辊的滚动碾压而达到粉碎物料的目的。对比发现,低温超微粉碎有效降低豆渣膳食纤维的粒径分布,而未处理豆渣膳食纤维粒径分布较广,表明低温粉碎处理下豆渣膳食纤维溶液体系更加稳定。原因可能是超微粉碎的高剪切作用使豆渣膳食纤维粒径显著减小。另外,在低温超微处理条件下,随着粉碎程度的不断增加,粒径分布减小,但当粉碎程度为300目时,膳食纤维粒径反而增加。这可能是在粉碎过程产生的微细颗粒表面的范德华力和静电(是一种处于静止状态的电荷)吸引增加,促进膳食纤维颗粒聚集。
  3. 理化性质分析
图表示不同粉碎条件对膳食纤维持水力及膨胀性的影响。豆渣膳食纤维持水性、膨胀性随粉碎程度的加深而增加,说明超微粉碎处理豆渣能有效改善豆渣膳食纤维的持水性、膨胀性。这可能是由于超微粉碎处理后机械作用使豆渣结构变小且更加疏松多孔。
而豆渣比表面积也随之增大,使其持水能力增强。同时,随着豆渣的颗粒破坏程度加强,导致更多的亲水基团和部位暴露,颗粒粒径逐渐减小,使豆渣在液体浸泡条件下径向延展得更加充分,从而膨胀(inflate)力增加。经处理后具有更大比表面积的水溶性膳食纤维通过氢键或偶极形成的空间来储存水分子,这种效果提高水溶性、保水能力和溶胀能力。
  4. 红外光谱分析(Analyse)
不同粉碎程度下豆渣膳食纤维的FT-IR光谱如图所示。3 000~3 650 cm-1及2 922 cm-1范围内可观测到分别由多羟基亚甲基上的O—H及C—H中的氢伸缩(伸出和缩进 比喻在一定限度内的变通)震动峰带,证实有纤维素和半纤维素典型结构的存在[17];1 738 cm-1和1 592 cm-1附近观察到糖醛酸和多酚中COOH及CO伸缩振动峰带[20];1 370 cm-1表示CH伸缩振动;1 147 cm-1和1 052 cm-1之间的显著宽吸收带是由脂肪族醚C—O—C和芳香族中的官能团C—O的伸缩引起的,表明豆渣膳食纤维经超微粉碎后分解为寡糖。通过对比发现,部分峰的波数和强度(strength)随粉碎程度的加深而改变,这可能(maybe)是由于纤维素和半纤维素的分子间氢键受剪切作用影响而重新分布并形成无定形及可溶性多糖引起的变化。另外,经超微粉碎处理后豆渣膳食纤维谱带透射率增大,表明纤维基质中有水分吸附。
  5. X-衍射分析
不同超微粉碎条件对生物酶(Enzyme)法制油豆渣膳食纤维晶体结构变化情况如图所示,不同条件下豆渣膳食纤维在22°处显示出强烈的2θ衍射角峰值,同时在34°处也有较弱的2θ衍射角峰值,其中主衍射峰2θ在22°左右处,说明豆渣膳食纤维的结晶区域存在且晶体结构为纤维素Ⅰ型,并为结晶区与非结晶区两相共存的状态。随着粉碎程度的不断加大,X-衍射峰的位置不变,然而衍射峰的强度随粉碎程度的减小而减小且衍射峰宽增加。说明低温超微粉碎使部分结晶区遭到破坏,随着粉碎程度的加深,晶体结构的破坏程度加大,通过结晶强度的变化也能证实晶体结构的这种变化。另外,未处理豆渣膳食纤维结晶度指数35.2%在粉碎200目下降到26.1%,在粉碎300目显著降低到21.5%。说明豆渣膳食纤维的结晶度指数(%)随粉碎程度的加深而显著下降(p<0.05)。结果表明,膳食纤维的结晶区域的晶体结构在高速剪切作用下,较大晶体结构转变成小晶体,豆渣中纤维素结晶区的有序结构受低温超微粉碎影响部分结晶区域晶体结构改变。高湿介质研磨能降低
多糖的结晶度,证明物理改性未改变纤维多糖的晶体结构,但其结晶区域在一定程度有所破坏,这与试验结果变化趋势一致。
  6. 扫描电镜显微观测
由图可观测豆渣膳食纤维处理前后结构变化显著,未处理样品表面光滑,结构致密,微粒多块状,表面孔隙较少;处理后的样品粒径减小,比表面积显著增大,表面棱角明显,形成较多群落,颗粒间黏性显著降低,结构疏松,棱角分明。这说明超微粉碎联合复合酶解改性处理酶法制油残渣能明显改善豆渣中膳食纤维微观结构,大分子纤维断裂,并提高膳食纤维的功能特性。这些变化与处理后豆渣膳食纤维持水力﹑膨胀力的变化情况相符。
  三、 结论
试验以生物酶法(酶制剂含量≤0.5%)制油残渣为原料,采用低温超微粉碎机的技术处理豆渣,通过X-衍射分析发现豆渣膳食纤维结晶区存在且为纤维素Ⅰ型,结晶区与非结晶区是两相共存的状态;红外光谱分析证实有纤维素和半纤维素典型结构的存在,谱带伸缩振动表明豆渣膳食纤维经超微粉碎后分解为寡糖;超微粉碎200目下豆渣膳食纤维持水性、膨胀(inflate)性最佳,分别为1 520%,18.3 mL/g;通过扫描电镜观测发现低温超微粉碎能明显改善豆渣中膳食纤维微观结构。
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