朱思明 王文婷 于淑娟

(華南理工大學輕化工研究所，廣東廣州510640)

膳食纖維(DF)是21世紀最具開發(fā)潛力的人體“第七大營養(yǎng)素”.甜菜粕(絕干)含纖維約80%，包括可溶性膳食纖維(SDF，如果膠)和不溶性膳食纖維(IDF)［1］.甜菜粕分濕粕、壓粕和顆粒粕，其中濕粕是甜菜絲滲出提糖后得到的甜菜廢粕，濕粕壓榨擠出大部分水分后得壓粕，壓粕干燥造粒后得顆粒粕.目前，70%甜菜粕作為飼料廉價處理，約30%生產(chǎn)甜菜顆粒粕，附加值可提高20倍.若以甜菜粕為原料提取DF初級品，附加值是廢粕的280～420倍.甜菜果膠持水性好，成膠能力強，原料廉價易得，保健作用和生理療效明顯，可用作低熱量食品基料，是最好的DF之一.國內(nèi)外有關(guān)甜菜DF的研究［2－5］包括:(1)對人體生理機能的影響;(2)解毒能力和解毒機理;(3)化學結(jié)構(gòu)和抗癌能力的關(guān)系;(4)DF的工業(yè)化制備技術(shù);(5)DF的改性;(6)重金屬廢水治理.酸提醇沉法是常用的果膠提取方法［6］，Phatak和 Yapo等［7－8］分離了糖用甜菜渣中果膠，并對其結(jié)構(gòu)進行表征，但有關(guān)甜菜粕提果膠的預(yù)處理方法、甜菜粕種類和果膠分級沉淀對果膠品質(zhì)的影響無明確結(jié)論;酶法去蛋白是IDF的常用脫蛋白方法［2］，但鮮見有關(guān)IDF的去蛋白率對IDF的結(jié)構(gòu)和形貌影響的研究報道.

為獲悉甜菜粕預(yù)處理方法對所提取果膠的品質(zhì)和得率的影響，本研究比較了不同原料提取果膠的最佳工藝條件;分析了果膠提取液懸浮層和沉淀層不同相對分子質(zhì)量的級分組成和黏度特性;探討了去蛋白對IDF顯微結(jié)構(gòu)的影響.本研究可為甜菜DF品質(zhì)和應(yīng)用性能的提高、甜菜粕的高值化資源利用提供參考.

1 材料和方法

1.1 材料、儀器和設(shè)備

甜菜濕粕、壓粕和顆粒粕，含水量分別為94.2%、7%～8%和3%～5%，甜菜粕干物質(zhì)中含膳食纖維73%，主要成分是纖維素(20%)、半纖維素(25%)、果膠(28%)及少量蛋白質(zhì)、木質(zhì)素和灰分，新疆綠翔糖業(yè)有限責任公司生產(chǎn);木瓜蛋白酶，CAS#9001－73－4(酶活為100萬U/g)，上海藍季科技發(fā)展有限公司生產(chǎn);Waters600型高效液相色譜儀，美國Waters公司生產(chǎn);RS600型流變儀，德國HAKEE公司生產(chǎn);TM3000型掃描電子顯微鏡，日本株式會社日立制作所生產(chǎn).

1.2 實驗方法

1.2.1 甜菜果膠的酸溶醇析法提取

果膠提取采用酸溶醇析法:稱取經(jīng)挑揀、粉碎或絞碎、過60目篩的廢粕172g(其水分含量為94.2%)或壓粕10 g或顆粒粕10 g放入燒杯中，經(jīng)預(yù)處理后加入一定量鹽酸，置于恒溫水浴鍋中在一定溫度下提取若干時間，之后趁熱過濾，調(diào)節(jié)濾液pH值至4.5～5.0.待濾液冷卻到20～30℃時，加入95%乙醇溶液，使乙醇體積含量達到50%～55%.混合液靜置、沉淀1.0～1.5 h，過濾，沉淀物在低于60℃條件下烘干后稱重.

1.2.2 甜菜粕預(yù)處理方法的選擇

甜菜粕用于果膠提取時的預(yù)處理方法包括:(1)溫水漂洗法，即50℃溫水漂洗數(shù)次至水清;(2)稀酸浸泡法，即按液料比30∶1(每克料加30mL酸液，余下類推)加入0.02～0.06mol/L的鹽酸，浸泡30min，過濾，水洗至清;(3)無預(yù)處理.原料經(jīng)上述過程處理之后，按液料比30∶1(濕粕含水94.2%，計入料液體積)加入pH=1.5的鹽酸溶液，在提取溫度80℃和提取時間1 h的工藝條件下提取果膠，根據(jù)得率和顏色選擇預(yù)處理方法.

1.2.3 果膠提取工藝條件的優(yōu)化

在單因素預(yù)實驗基礎(chǔ)上，設(shè)計L9(34)正交試驗，優(yōu)化酸溶醇析法提取果膠的工藝條件.考察因素為:浸提溫度θ、液料比R和提取時間t.各因素水平因廢粕不同而略有差異，變化區(qū)間是:溫度70～90℃、液料比15∶1 ～35∶1、時間2.0 ～4.5h.

1.2.4 酶法去蛋白

稱取含蛋白13.7%的2g IDF置于燒杯中，加入26mL pH 6.0、0.20%的木瓜蛋白酶液(即液料比為13∶1)，在65℃保溫酶解60min，再在85～90℃滅酶10min，在4000 r/min條件下離心30 min，測定清液中蛋白溶出量(g)，去蛋白率等于溶出蛋白量除以0.274(0.274指IDF質(zhì)量和蛋白含量之積).在研究酶解時間、液料比、酶解溫度、酶含量和pH值對IDF結(jié)合蛋白水解的影響時，僅變化其中某一因素，其它因素不變.在單因素實驗中，酶解時間設(shè)為40、50、60、70 和80min，酶解溫度為 50、55、60、65 和 70℃，液料比設(shè)置為11∶1、12∶1、13∶1、14∶1 和15∶1，酶含量為0.16%、0.18%、0.20%、0.22%和0.24%，pH值為6.0、6.2、6.4、6.6、6.8 和7.0.

1.2.5 果膠的純度、相對分子質(zhì)量組成和流變性分析

果膠的純度采用咔唑比色法分析［9］;果膠的相對分子質(zhì)量組成采用液相色譜分析，色譜條件:Waters 600型高效液相色譜儀配2414型示差檢測器，色譜柱為葡聚糖凝膠柱(7.8 mm×300 mm)，柱溫30℃，進樣體積20μL，流動相為水，流速0.5mL/min;用HAKKE RS600型流變儀分析果膠流變性:使用PP35Ti平板，在測量單元間距1000 μm的條件下測定不同剪切速率下(0～100 s－1)1 mL樣品的黏度，掃描時間為3.00min，測定溫度為25℃.

1.2.6 蛋白質(zhì)含量的測定和甜菜膳食纖維的掃描電鏡分析

參照《食品中蛋白質(zhì)的測定》(GB5009.5—2010)，采用凱氏定氮法測定不溶性膳食纖維中總蛋白質(zhì)的含量.酶解液離心后采用考馬斯亮藍法測定可溶性蛋白含量［2，10］.用于掃描電鏡(SEM)分析的甜菜膳食纖維樣品包括甜菜壓粕、提果膠后壓粕IDF、滅活酶處理提果膠后壓粕IDF和去蛋白壓粕IDF，用雙面膠布將經(jīng)過粉碎的甜菜粕和IDF粘牢在鍍金臺上，鍍膜后進行2000倍掃描觀察.對于滅活酶處理提果膠后IDF，用木瓜蛋白酶在85～90℃滅活10min，再在65℃下對提果膠后壓粕作去蛋白處理1 h，之后過100目篩并洗凈殘留失活蛋白酶，最后將IDF干燥后用于SEM分析.去蛋白壓粕IDF的SEM分析與滅活酶處理提果膠后IDF類似，差別在于酶反應(yīng)1h后再對酶滅活.

2 結(jié)果與討論

2.1 甜菜粕的預(yù)處理對果膠色澤和得率的影響

用于甜菜果膠提取的原料有濕粕、壓粕和顆粒粕.有關(guān)甜菜粕果膠提取條件對果膠品質(zhì)影響的報道較多［8］，但有關(guān)甜菜粕原料和預(yù)處理方法對提取果膠品質(zhì)的影響報道較少.按1.2.1和1.2.2所述方法分析甜菜粕的預(yù)處理對果膠色澤和得率的影響.由表1可知，稀酸浸泡法提取果膠的得率偏低，顏色最淺，原因可能是稀酸既溶解了雜質(zhì)，也去掉了部分果膠;3種原料不經(jīng)預(yù)處理直接用于果膠提取，果膠得率最高，但顏色相對深;溫水漂洗法處理壓粕和顆粒粕時，其顏色和得率介于稀酸浸泡法和無預(yù)處理之間.由于3種預(yù)處理方法所得果膠顏色相差不大，但得率相差大，且殘留的少量制糖色素一般具有天然抗氧化活性［11］，故認為原料可不經(jīng)預(yù)處理，直接用于果膠提取.

表1 甜菜粕預(yù)處理對果膠色澤和得率的影響Table 1 Effect of pretreatment of beet pulp on the color and yield of beet pectins

2.2 不同甜菜粕原料提取果膠的工藝條件比較

3種甜菜粕都可用于果膠的提取，不同廢粕水分含量不同，品質(zhì)不同，提取果膠的工藝條件也不同.在預(yù)實驗基礎(chǔ)上，固定提取液pH值為1.0，按1.2.3方法探討不同原料果膠得率和純度隨浸提溫度、液料比、提取時間的變化規(guī)律，得出各甜菜粕原料提取果膠的最佳工藝條件.由表2可知，原料不同果膠提取工藝條件基本相同，其中甜菜濕粕干燥后液料比最大(30∶1)，而顆粒粕提取時間最長，這可能與其造粒后顆粒結(jié)構(gòu)致密有關(guān);就果膠得率和純度而言，甜菜濕粕果膠得率最高但純度最低，壓粕果膠得率最低但純度最高;就果膠得率和純度乘積而言，顆粒粕的最大，與甜菜濕粕差別不大，但遠大于壓粕，說明由濕粕加工為壓粕過程中存在果膠損失，即壓粕水中富含一定量果膠.

表2 不同甜菜粕原料提取果膠的最佳工藝條件Table 2 Optimal operational conditions of extracting pectins from various beet pulps

2.3 分級沉淀果膠的相對分子質(zhì)量與流變性

2.3.1 分級沉淀果膠的相對分子質(zhì)量組成

實驗過程中發(fā)現(xiàn)，酸溶醇析法提取甜菜顆粒粕果膠，果膠在醇中會分級為絮狀的懸浮層果膠和沉淀層果膠，且懸浮層果膠比沉淀層果膠顏色淺.甜菜粕中提取出來的總果膠，以及懸浮層、沉淀層果膠的液相色譜如圖1所示.從圖1中可看出，該果膠的相對分子質(zhì)量主要分布在3個范圍內(nèi)，且不同相對分子質(zhì)量的果膠所占比例互不相同.高效液相色譜圖中，相對分子質(zhì)量大的果膠分子先出峰，相對分子質(zhì)量小的分子后出峰.經(jīng)對比可知，懸浮層、沉淀層絮狀物都是果膠，懸浮層的相對分子質(zhì)量大的果膠較沉淀層多，而相對分子質(zhì)量小的果膠較少.果膠最重要的性質(zhì)就是膠凝化作用，同一凝膠條件下，果膠的相對分子質(zhì)量越大，其凝膠強度越大，形成凝膠越迅速，彈性也越好［12－14］.由此推斷，懸浮層果膠的品質(zhì)更好.果膠之所以分層析出，原因有二:一是乙醇奪水促使果膠析出;二是懸浮層果膠的密度較小，相對分子質(zhì)量大的果膠比例大、導致果膠分層得到兩種不同品質(zhì)的果膠產(chǎn)品.

圖1 顆粒粕的總果膠、懸浮層和沉淀層果膠色譜圖比較Fig.1 Chromatograph comparison of total pectin，the suspended and deposited pectin layer of grain pulp

2.3.2 甜菜果膠的黏度分析

圖2示出了25℃時，0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%的甜菜壓粕果膠溶液的表觀黏度與剪切速率的關(guān)系.從圖2可知，隨著剪切速率的增加，表觀黏度先急劇下降，然后逐漸趨向平緩，表現(xiàn)出剪切變稀的假塑性.此現(xiàn)象主要是由于果膠溶液中多糖大分子在濃度梯度場中的定向所致，而且剪切速率越大，定向作用越強，分子的流動方向越趨于一致，大分子之間的相互作用減弱［12－14］.

圖2 剪切速率和果膠含量對果膠黏度的影響Fig.2 Effect of shear rate and pectin content on the viscosiy of pectin

從圖2中還可看出，果膠溶液隨其濃度的增大表觀黏度也增大，大多數(shù)聚合物在濃度較稀時均符合此變化規(guī)律，因為隨著溶液濃度的增大，溶液中大分子數(shù)量增加，分子間聯(lián)結(jié)和纏結(jié)程度大大增加，果膠分子間分子作用力增大，流體流動阻力增大，溶液黏度增加.

在剪切速率為0～100 s－1的條件下，分別比較含量均為0.5%的顆粒粕總果膠、顆粒粕懸浮層果膠和顆粒粕沉淀層果膠的流變學特性，結(jié)果如圖3所示.從圖3中可看出，3種果膠均表現(xiàn)出表觀黏度隨剪切速率增大而減小、最后趨于平緩的趨勢.且懸浮層果膠的黏度值最大，總果膠的黏度值居中，沉淀層果膠的黏度值最小.通過對各果膠流變學特性分析可推測出，懸浮層果膠的品質(zhì)最好，沉淀層果膠的品質(zhì)最差.

圖3 剪切速率對不同顆粒粕果膠黏度的影響Fig.3 Effect of shear rate on the viscosities of different grain pulp pectins

2.4 不可溶性膳食纖維的去蛋白純化

甜菜粕提取果膠后剩余的殘渣為粗的IDF，其主要雜質(zhì)為蛋白質(zhì)，含量為13.7%.去蛋白質(zhì)是純化IDF的主要工序之一，主要目的是提高DF的純度，改善DF的生理功效，減少對食品品質(zhì)的影響，方便在食品加工中的應(yīng)用，增大DF在食品及醫(yī)藥行業(yè)的應(yīng)用范圍，以及便于儲藏［15］.本研究采用酶法去蛋白純化甜菜粕IDF，探討了酶解時間、酶解溫度、液料比、酶含量和酶液pH值對去蛋白率的影響.

由圖4可知:最佳酶解溫度和酶液pH值分別為65℃和6.8;隨著酶解時間、液料比和酶含量的增加，相應(yīng)的去蛋白率增加，在其分別大于60min、13∶1和0.22%后，相應(yīng)的去蛋白率保持穩(wěn)定或增加緩慢，所以選定60min、13∶1和0.22%為相應(yīng)量的最佳值.在上述最佳工藝條件下，IDF去蛋白率為67.42%，高于文獻［2］報道的一次酶法去蛋白率，這可能和酶來源及工藝條件等因素有關(guān).

2.5 不溶性膳食纖維的微觀結(jié)構(gòu)

由于所提取壓粕果膠的純度最高，為進一步比較壓粕提取DF的微觀結(jié)構(gòu)差異，用掃描電鏡對甜菜壓粕、提果膠后壓粕IDF、滅活酶處理提果膠后壓粕IDF、去蛋白壓粕IDF的微觀結(jié)構(gòu)進行觀察，所得結(jié)果分別如圖5所示.

由圖5可知，甜菜壓粕呈現(xiàn)孔狀骨架結(jié)構(gòu).壓粕提果膠前，骨架結(jié)構(gòu)的表面會覆蓋一些顆粒類物質(zhì)，孔內(nèi)也會充填一些小顆粒，見圖5(a).壓粕提果膠后，骨架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度受損但更為光潔，孔內(nèi)填充小顆粒消失，這說明孔狀骨架結(jié)構(gòu)表面覆蓋和孔內(nèi)填充顆粒物可能為果膠，類似“游離水”，與骨架結(jié)構(gòu)無結(jié)合或結(jié)合不緊密，見圖5(a)和(b);作為對照，用SEM分析滅活酶處理提果膠后壓粕IDF，發(fā)現(xiàn)IDF孔狀骨架結(jié)構(gòu)更完整，這說明蛋白類似“結(jié)合水”，失活酶蛋白和IDF存在相互作用，IDF結(jié)合更多蛋白有助于骨架結(jié)構(gòu)完整，見圖5(b)和(c);壓粕IDF去蛋白后，孔狀骨架結(jié)構(gòu)的空隙變寬，出現(xiàn)層狀骨架結(jié)構(gòu)，但沒有對照樣的骨架結(jié)構(gòu)完整，說明存在IDF去蛋白現(xiàn)象，見圖5(b)、(c)和(d).但部分蛋白與殘渣結(jié)合緊密不易脫除，蛋白部分與半纖維素結(jié)合，且酶法去蛋白反應(yīng)條件溫和，對纖維素結(jié)晶區(qū)滲透不充分，對半纖維素影響不大，因此IDF一次酶法去蛋白不完全［2］.

圖4 工藝條件對不溶性膳食纖維的酶法去蛋白率的影響Fig.4 Effect of operating conditions on the protein removal rate of insoluble dietary fibre

圖5 壓粕及其IDF的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM photos of pressed beet pulp and its IDFs

3 結(jié)論

(1)優(yōu)化了甜菜濕粕、壓粕和顆粒粕3種原料的酸溶醇析法提取果膠工藝條件，最佳條件下顆粒粕提取果膠得率和純度之積最大，濕粕果膠得率最高，其純度最低但與顆粒粕接近，壓粕果膠得率最低但純度最高;為保證果膠得率，保留部分功能性制糖色素，所用甜菜粕最好是濕粕，且可不經(jīng)過稀酸浸泡或溫水漂洗預(yù)處理，直接用于果膠提取.

(2)酸溶醇析法提取甜菜果膠時，果膠提取液分為懸浮層和沉淀層，均由3種相對分子質(zhì)量級分組成;相對沉淀層而言，懸浮層色澤淺，密度小，相對分子質(zhì)量大的級分比例大，黏度高.

(3)IDF酶法去蛋白的最佳工藝條件為:時間60min，液料比 13∶1，溫度 65℃，酶含量 0.22%，酶液pH6.8，此時IDF去蛋白率為67.42%.甜菜粕提取果膠后，壓粕孔狀骨架結(jié)構(gòu)更光潔，覆蓋骨架或填充孔隙的顆粒物消失;失活酶蛋白對IDF骨架結(jié)構(gòu)有穩(wěn)定作用，但脫蛋白處理使骨架結(jié)構(gòu)孔隙增大，呈現(xiàn)層狀骨架結(jié)構(gòu).

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