张 引,刘 嘉,钱贵明,樊虹霞,赵国华,2,*

(1.西南大学食品科学学院,重庆 400715；2.重庆市农产品加工技术重点实验室,重庆 400715)



离子液体EMImCl处理提高豆渣中水溶性膳食纤维的研究

张 引1,刘 嘉1,钱贵明1,樊虹霞1,赵国华1,2,*

(1.西南大学食品科学学院,重庆 400715；2.重庆市农产品加工技术重点实验室,重庆 400715)

离子液体在食品物料的分离提取、分析及改性中的作用越来越得到重视和利用。本文利用纤维素在离子液体中解聚而促溶的原理,以富含水不溶性膳食纤维的食物残渣豆渣为原料,在单因素实验研究的基础上,依据Box Behnken Design(BBD)设计的响应曲面实验,以处理温度、处理时间、料液比为考察因素,以豆渣中水溶性膳食纤维的含量为响应值,优化了氯化1-乙基-3-甲基咪唑(EMImCl)离子液体处理的工艺参数。结果表明,当处理温度为76.4℃、处理时间为12h、料液比为1∶15g/mL时,处理效果最佳,豆渣中水溶性膳食纤维的含量可提高到11.6g/100g,远高于原始豆渣中的6.0g/100g。方差分析表明,处理温度和处理时间对SDF的含量影响极显著,而料液比的影响不显著。实测数据与预测数据之间差异不显著表明建立的回归模型准确可靠。

豆渣,水溶性膳食纤维,离子液体,促溶,响应曲面

膳食纤维(Dietary Fiber,DF)是一类能抵抗小肠消化吸收,而在大肠部分或全部发酵的可食用植物性成分、碳水化合物及其类似物的总称[1]。按溶解性又可将其分为水不溶性膳食纤维(Insoluble Dietary Fiber,IDF)和水溶性膳食纤维(Soluble Dietary Fiber,SDF)[2]。我国是豆制品(豆腐、豆乳、豆干等)加工大国,每年有大量的豆渣产生。据估计,每加工1kg大豆能产生豆渣约1.1kg,我国鲜豆渣的年产量约2000万吨[3]。目前我国豆渣的综合利用程度很低,不到20%,除少部分作为饲料外,大部分都被直接丢弃。豆渣的高效利用问题也一直困扰着我国的豆制品企业。研究表明,干豆渣中含有近60%的膳食纤维,但其绝大部分为IDF[4],严重限制了豆渣在食品中的应用。

有大量研究有关提高豆渣中膳食纤维水溶性的研究,诸如物理处理[5-6],化学处理[7],酶降解和生物发酵[8-9]。离子液体(Ionic Liquids)又称为常温离子液体,它具有生物可降解、低毒、高热稳定性和可回收利用等优点[10],已被广泛用于食品物料的分离提取、分析及充当改性反应溶剂[11-13]。自2002年Rogers等人[14]研究发现纤维素能够溶解在离子液体中之后,利用各种离子液体促溶纤维素的研究快速发展。目前,用于纤维促溶的阴离子体对包括氯化盐和醋酸盐,而阳离子对包括乙基、丁基、烯丙基、己基。其中,氯化1-乙基-3-甲基咪唑(EMImCl)是一种常用的离子液体。本文以富含水不溶性膳食纤维的豆渣为原料,研究利用EMImCl促溶其膳食纤维,以期为开发高品质豆渣、新型的食品物料改性方法与技术以及推进离子液体在食品工业中的应用提供参考。

1 材料和方法

1.1 材料与仪器

鲜豆渣 由重庆原磨豆浆生产厂家提供(水溶性膳食纤维含量为(6.0 ± 0.2)g/100g,均已干基表示);氯化1-乙基-3-甲基咪唑 上海成捷化学有限公司;蛋白酶和胰酶 美国Sigma公司;所用其它试剂均为分析纯。

RE-52AA 旋转蒸发器 上海亚荣生化仪器厂;DHG-9140电热恒温鼓风干燥箱 上海齐欣科学仪器有限公司;FA2004电子天平 上海恒平科学仪器有限公司;85-2A数显恒温磁力搅拌器 金坛市科析仪器有限公司;HH-2数显恒温水浴锅 金坛市富华仪器有限公司;L535-1离心机 湖南湘仪离心机仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 豆渣前处理 将鲜豆渣用单层纱布包裹后离心(3000r/min,10min)去除大部分水分后置于50℃烘箱中干燥过夜。干燥后的豆渣简单粉碎后用石油醚脱脂(豆渣/石油醚=1g∶4.5mL)后粉碎过60目筛,用塑料袋密闭包装备用。

1.2.2 离子液体处理豆渣 取豆渣(0.4～2.0g)置于烧杯中,加入氯化1-乙基-3甲基咪唑10mL,在带加热套磁力搅拌器上加热并搅拌(处理温度设置20～100℃,处理时间设置3～48h)。处理结束后,向烧杯中加入40mL无水乙醇,并置于60℃水浴中沉淀1h。离心(3000r/min,10min)获得沉淀并用无水乙醇洗至无色后,置于烘箱中在50℃下干燥过夜,而后粉碎过60目筛,用塑料袋密闭包装待测。

1.2.3 水溶性膳食纤维(SDF)测定 SDF测定按照《食品中膳食纤维的测定》(GB/T 22224-2008)中酶重量法进行。考虑到豆渣中淀粉的含量非常低,因此省去耐热淀粉酶酶解的步骤[15]。

1.2.4 响应面实验设计 结合单因素实验结果,以离子液体处理温度、处理时间和料液比为变量,以豆渣中SDF含量为因变量,采用BBD原理设计响应曲面优化实验。处理温度(X1)的实验水平(-1、0、+1)分别为40、60、80℃;处理时间(X2)的实验水平(-1、0、+1)分别为3、7.5、12 h;料液比(X3)的实验水平(-1、0、+1)分别为1∶5、1∶10、1∶15g/mL。

表1 BBD实验设计因素水平表Table 1 Independent variables and coded levels inBox-Behnken experimental design

1.3 数据处理

所有测定重复3次,数据以平均值±标准误表示。采用SPSS16.0和Design Expert 7.0对实验数据进行分析。用Tukey’s HSD进行方差分析(p<0.01为极显著差异;p<0.05为显著差异)。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 料液比对离子液体提高豆渣水溶性膳食纤维的影响 研究表明离子液体促进超分子结晶纤维素解聚而溶解的原理是纤维素分子羟基的O原子和H原子作为电子供体与电子受体与离子液体分子中的电子受体(阳离子)和电子供体(阴离子)形成电子对,从而使纤维素分子中羟基上的O原子和H原子分离,使维持纤维素超分子结晶结构的氢键被打开导致纤维素分子解聚而溶解[16-17]。如图1所示,随着料液比从1∶5g/mL增加到1∶10g/mL,豆渣中水溶性膳食纤维的含量显著得以提高。主要原因可能是随离子液体用量的增加,纤维素与离子液体的接触更为容易,离子液体与纤维素分子之间的作用力得以加强,从而水溶性膳食纤维的含量得到提高[18]。当料液比从1∶10g/mL再增加到1∶25g/mL时,豆渣中水溶性膳食纤维的含量并没有随离子液体的用量增加而再提升。由图1可知,料液比在1∶10g/mL以后,对于SDF的增加无显著提高(p>0.05),故进一步优化的区间选择1∶5～1∶15g/mL。

图1 料液比对离子液体提高豆渣水溶性膳食纤维的影响Fig.1 Effect of ratio of Okara/IL on the SDF content in Okara

2.1.2 处理温度对离子液体提高豆渣水溶性膳食纤维的影响 如图2所示,随着处理温度的增加(25℃到100℃),豆渣中水溶性膳食纤维的含量呈现显著性提高。这主要源于以下原因:首先,温度升高使离子液体阴阳离子之间的作用力减弱,这同时使得离子液体与纤维素分子羟基之间的作用力得以增强;其次,在高温下,超分子结构纤维素中的纤维素分子的移动能力增强,这能够促进分子链的断裂,即纤维素中分子内和分子间氢键更易断裂[10]。但实验研究发现,当温度超过80℃以后,豆渣的色泽变深,且在醇沉时难于与离子液体分开,造成回收困难。究其原因主要是在温度较高时,豆渣发生较严重的褐变反应,产生的褐变产物一方面导致产品变色,另一方面难于与离子液体分离。另外,Zhao等人[10]的研究发现,较高的温度(70～90℃)会引起纤维素的降解,而更高的温度(>100℃)会引起纤维素的严重降解。这与豆渣在高温离子液体中变色也有一定的关系。豆渣在高温处理后会产物褐变且难回收,故单因数优化区间选择40～80℃。

图2 处理温度对离子液体提高豆渣水溶性膳食纤维的影响Fig.2 Effect of IL-treating temperature on the SDF content in Okara

2.1.3 处理时间对离子液体提高豆渣水溶性膳食纤维的影响 如图3所示,当处理时间从3h延长到12h,豆渣中膳食纤维的水溶性得到明显提升,而再增加时间(至50h)对提升豆渣中膳食纤维水溶性并无帮助(p>0.05)。因此可以得知,离子液体与纤维素分子之间形成电子对的过程在10h之内已全部完成。这与Nguyen等人的研究趋势相似[19]。从图3可知当处理时间超过12h后,对于SDF的增加无显著提高(p>0.05),故进一步优化的区间选择3～12h。

图3 处理时间对离子液体提高豆渣水溶性膳食纤维的影响Fig.3 Effect of IL-treating time on the SDF content in Okara

2.2 模型建立及方差分析

按照BBD实验设计,设定不同料液比、时间处理以及温度处理的实验结果见表2。利用表2数据多元回归拟合获得可用于离子液体处理膳食纤维条件控制与结果预测的二次多项回归方程为:Y=10.22+1.250X1+0.563X2+0.063X3-0.250X1X2+0.050X1X3-0.025X2X3-0.948X12-0.022X22+0.028X32。式中Y为SDF含量(g/100g),X1、X2和X3分别为处理温度(℃)、处理时间(h)和料液比(g/mL)。

表2 (BBD)实验设计与结果Table 2 Box-Behnken experimental design and surface analysis

由方差分析可知(表2),模型的p值极显著。拟合不足(Lack of Fit)检验的p=0.2844(p>0.05),模型失拟不显著,未知因素对实验结果干扰小。且R2=0.9917说明模型拟合程度良好,实验误差小,模型选择合适。由此可用该模型来预测不同反应条件下EMImCl处理豆渣中水溶性膳食纤维的含量。由表2的p值可知,模型中X1、X2、X12对水溶性膳食纤维的含量影响极显著(p<0.01)。X1X2对水溶性膳食纤维的含量影响显著(p<0.05),说明各具体实验因素对响应值的影响不是简单的线性关系。

表3 回归模型方差分析结果Table 3 Analysis of variance for the established regression model

注:**为差异极显著(p<0.01);*为差异显著(p<0.05)。

2.3 交互项解析

如图4A所示,随着处理温度的提高,豆渣中水溶性膳食纤维的含量有较大幅度的增加,而后稍趋于平缓;在低温时,延长处理时间,对于提升水溶性膳食纤维的含量没有显著帮助。但在高温时,随着处理时间的延长,豆渣中水溶性膳食纤维的含量一直增加,可见二者交互作用明显(p<0.05)。图4B所示,随着处理温度的的提高,豆渣中水溶性膳食纤维的含量有较大幅度的增加,而后稍趋于平缓;随着料液比的提高,豆渣中水溶性膳食纤维的含量变化小。如图4C所示,随着处理时间的延长,豆渣中水溶性膳食纤维的含量一直增加,曲线陡度大;而加大料液比,豆渣中水溶性膳食纤维的含量变化不明显。Cheng等人[20]的研究表明,通过离子液体处理后纤维素的结晶结构从I型转化到了II型或无定型。

图4 处理时间、处理温度以及料液比响应面图 Fig.4 Response surface plots showing the interactive effects of IL-treating time,IL-treating temperature and ratio/Okara to IL

2.4 工艺最优化条件及模型验证

利用Design Expert 7.0软件进行工艺参数的优化,并平行实施3次对其进行验证。所得水溶性膳食纤维含量最大值对应的相关参数、预测值、验证结果。在优化条件(处理温度为76.4℃,处理时间为12h,料液比为1∶15g/mL)下对此优化结果进行验证,测定豆渣中的水溶性膳食纤维为11.6%±0.3%。结果表明,实验值为与预测值(11.5g/100g)差异不显著(p>0.05),再次验证了回归方程的准确可靠性。

3 结论

利用离子液体处理可使豆渣中的SDF从原豆渣中的6.0g/100g提升到11.6g/100g,提高了接近200%。就处理条件对豆渣中SDF含量的影响来看,处理温度与处理时间的影响达到了极显著水平,而料液比对SDF含量的影响不显著。交互项中处理温度与处理时间影响显著,二次项中处理温度影响显著。经最优条件下实测值检验,与预测值相对误差仅为0.9%,差异不显著,说明预测模型切实可用。本研究探索了一种能大幅度提升豆渣中水溶性膳食纤维的方法。

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Study on the increase of soluble dietary fiber inokara by ionic liquid EMImCl treatment

ZHANG Yin1,LIU Jia1,QIAN Gui-ming1,FAN Hong-xia1,ZHAO Guo-hua1,2,*

(1.College of Food Science,Southwest University,Chongqing 400715,China；2.Chongqing Key Laboratory of Agricultural Product Processing,Chongqing 400715,China)

The application of ionic liquids(IL)in separation,extraction,analysis and modification of food ingredients has gained considerable attention recently. Ionic liquid(1-Ethyl-3-methylimidazolium Chloride,EMImCl)treatment was applied to increase soluble dietary fiber(SDF)in Okara. The effect of IL-treating temperature,IL-treating time and the ratio of okara/EMImCl on the increasing SDF in Okara were also investigated. The IL-treatment on increasing SDF in Okara was optimized by response surface methodology experiment design(Box Behnken Design). The maximum SDF content(11.6g/100g),which was much higher than that in the original Okara(6.0g/100g),could be achieved when okara was treated at 76.4℃ for 12h with a ratio of okara/EMImCl of 1∶15g/mL. The variance analysis revealed that the effect of IL-treating temperature and IL-treating time on SDF content were very significant,while the ratio of okara to EMImCl presented limited effects. The resulted regression model from response surface methodology was very significant in variance analysis. No significant differences(p>0.05)between the experimental and predicted values confirmed the adequacy of the regression model.

okara;soluble dietary fiber;ionic liquid;solubilization;response surface methodology

2014-03-20

张引(1991-)，女，本科，研究方向：食品化学。

*通讯作者:赵国华(1971-)，男，博士，教授，研究方向：食品化学。

国家863项目(2011AA100805-2);国家级大学生创新创业训练计划项目(201210635028)。

TS255.4

A

1002-0306(2015)05-0082-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.05.008