CN107981364A - 一种从竹笋下脚料中制备高活性膳食纤维的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种从竹笋下脚料中制备高活性膳食纤维的方法，属于保健食品及其加工领域。通过以竹笋加工中的废弃物为原料，运用多种现代食品高新技术，经复合酶解工艺制备出高活性的竹笋膳食纤维，属于保健食品及其加工领域。由下列混合酶酶解条件制备而成：纤维素酶和木聚糖酶复合酶配比占竹笋干重的5％；复合酶比例1：1；pH＝5；反应温度60℃，反应时间2h。该制备方法使可溶性膳食纤维含量得到显著提升。该竹笋膳食纤维具有良好的持水性、持油性、溶胀性、葡萄糖吸附能力和亚硝酸根离子吸附能力。竹笋膳食纤维具有清肠道治疗便秘、预防糖尿病、降血压降血脂、抗肿瘤、排除体内有毒物质等功效。
Description
技术领域
本发明涉及一种高活性竹笋膳食纤维的制备方法，属于保健食品及其加工领域。
背景技术
竹子(Bamboo)，属禾本科竹亚科(Bambusoideae)的总称，其幼芽即竹笋(Bambooshoots)在中国作为一种传统的森林蔬菜，食用的历史已经超过2500年。竹笋不仅味道鲜美，营养丰富，还具有不容忽视的药用价值。早在明代时期李时珍便在《本草纲目》中记载了竹笋“化热、消痰、爽胃”的功效。竹笋作为营养食品、天然药物，吸引着越来越多的科学家和健康倡导者的注意。
随着食品加工业的不断发展，竹笋加工产品种类和数量不断增多。然而，约占竹笋质量60％以上的笋头、笋壳、笋根、笋衣等在加工过程中作为废弃物被丢弃。这些废弃物如不经过妥善处理，不仅造成物料浪费还会对环境造成污染。研究表明这些废弃物中含有大量的营养元素以及活性物质，因此将竹笋加工废弃物变废为宝就愈发重要。
膳食纤维(Dietary fiber，DF)根据其溶解性进行分类，包括可溶性膳食纤维(Soluble dietary fiber，SDF)和不可溶性膳食纤维(Insoluble dietary fiber，IDF)两类。SDF主要指植物细胞内的分泌物和储存物质，主要有果胶、植物胶、黏胶等。IDF主要包括木质素、纤维素和半纤维素。膳食纤维是健康饮食不可缺少的物质，其在保持消化系统健康上扮演重要角色，摄取足够的膳食纤维也可以预防心血管疾病、糖尿病、癌症以及其它疾病。具体来说膳食纤维可以清洁消化壁，稀释和加速食物中致癌物质和有毒物质的移除，保护脆弱的消化道和预防结肠癌。膳食纤维可减缓消化速度，加快胆固醇排泄，因此有利于控制血液中血糖和胆固醇的水平。我国竹笋资源丰富,笋中膳食纤维干重含量达到60％-70％,不仅是一种很有开发前景的新型纤维资源,而且可为山区农民脱贫致富开创一条新途径同时推进竹笋加工废弃物的综合利用，提高竹笋的经济效益，并降低浪费和环境污染。
发明内容
本发明采用的技术方案:
本发明的目的是提供一种高活性竹笋膳食纤维的制备方法。使用该方法制备的膳食纤维中可溶性膳食纤维含量高且其膨胀力、持水力、持油力、葡萄糖吸附能力和亚硝酸根离子的吸附能力均有显著改善。该改性膳食纤维制备方法中主要以水煮笋加工副产物中的笋根为原料，笋根廉价易得且生产成本低。该方法中采用纤维素酶和木聚糖酶两种混合酶制备竹笋膳食纤维，混合酶反应条件温和、安全且高效。
竹笋改性膳食纤维,包含以下步骤的方法制备获得：在竹笋加工下脚料中加入纤维素酶和木聚糖酶进行复合酶解改性，将酶解所得竹笋改性膳食纤维进行冷冻干燥。竹笋加工下脚料是指竹笋加工过程中所产生的笋根部分的固体废弃物，本发明中所提及的竹笋膳食纤维是指从竹笋加工下脚料中提取的改性膳食纤维，其可通过商业化途径获得。为了将竹笋膳食纤维的功能特性发挥到最大化，本申请将通过酶法改性来提高对竹笋加工下脚料的利用。
为了实现发明目的,本发明提供了以下技术方案：一种从竹笋下脚料中制备高活性膳食纤维的方法，按照下述步骤进行：
(1)将竹笋下脚料放入组织捣碎机中，粉碎过后的笋渣于45℃烘箱中烘干至水分含量6％以下。烘干以后，用粉碎机粉碎，过40目筛得到竹笋粉末备用。
(2)将竹笋粉末按照1：30的料液比(g/mL)溶于水中，利用高剪切分散乳化机进行分散，分散时间为10min，转速为15000r/min。
(3)将分散处理后的竹笋粉末悬浮液在纤维素酶和木聚糖酶的混合酶解体系中进行酶解，纤维素酶和木聚糖酶的混合酶质量为底物质量的1％-6％，优选为5％。
酶配比以纤维素酶含量占混合酶含量的百分比为30％-60％，优选为50％。
所选酶活为纤维素酶7000U/g，木聚糖酶70000U/g。
所述酶解的条件为在30-70℃、pH4-7的条件下酶解1.5-3.5h,优选在60℃、pH＝5的条件下酶解2h。
(4)酶解所得上清液加入乙醇静置沉淀，优选加入四倍体积的95％的无水乙醇静置洗涤，此部分得到可溶性膳食纤维；酶解所得沉淀加入乙醇洗涤，优选加入78％的乙醇静置洗涤，此部分得到不可溶性膳食纤维。
冻干后的竹笋膳食纤维(包括可溶性膳食纤维和不可溶溶膳食纤维)应过100目筛。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
以笋根为主的竹笋加工下脚料是即本申请中所述竹笋膳食纤维的提取原料,将其经过纤维素酶和木聚糖酶的复合水解进行改性获得的功能性加工副产物,其原材料廉价易得、环保绿色，并且竹笋下脚料中的膳食纤维干重含量可高达70％左右。本发明酶解改性竹笋膳食纤维时使用的纤维素酶和木聚糖酶专一性强且高效温和酶解改性的方法工艺简单省时、操作安全、设备投资少，十分适合工业化生产，具有良好的经济效益和应用前景。
改性后可溶性膳食纤维含量显著提升。其膨胀力、持水力、持油力、葡萄糖吸附能力和亚硝酸根离子吸附能力，显著高于未改性的竹笋加工下脚料粉末。
所得竹笋下脚料来源改性膳食纤维具有好的降血糖和吸附有毒物质的效果，竹笋膳食纤维的持水性是其改性前的1.86倍，持油性是其改性前的2.21倍，溶胀性是其改性前的2.47倍，葡萄糖吸附能力是其改性前的1.80倍，亚硝酸根离子吸附能力是其改性前的2.19倍。经扫描电镜观察,竹笋下脚料来源改性膳食纤维样品结构上孔隙增多,整体变得疏松多孔,有利于葡萄糖及胆固醇的吸附,降低血液中胆固醇水平。
所得竹笋下脚料来源改性膳食纤维中的可溶性膳食纤维含量高，吸附与清除从体外进入和体内制造出的有害物质,优化消化系统内的环境,具有抗衰老作用促进了肠道蠕动从而缩短了食物在肠道内的停留时间,促进排便,预防便秘,减少诱发肠癌的危险性抑制胆固醇与三有感知在淋巴中的吸收,降低血液中胆固醇水平,达到预防动脉硬化与冠心病的发生的作用。
综上所述,竹笋下脚料来源改性膳食纤维在食品加工领域的应用研究不仅能为消费者提供更多营养健康的新型食品,而且还有助于推动竹笋下脚料副产物综合利用的发展。
附图说明
图1-图5为响应曲面图：在控制其他因素不变的情况下，响应值先随着每个因素的增大而增大；增大到极值后，又随着因素的增大逐渐减小；在交互项中混合酶用量和时间AD(p＜0.05)、混合酶配比和温度BC(p＜0.05)对还原糖浓度影响比较显著。
图6为扫描电镜图，其中A-无处理竹笋粉末，B-复合酶解改性膳食纤维，C-高剪切分散乳化结合复合酶解改性膳食纤维，通过扫描电镜在在放大3000倍下观察竹笋膳食纤维的表面微观结构。结果发现未处理的竹笋粉末颗粒多为细长片状，表面较光滑。复合酶解改性膳食纤维表面附着了大量的碎片和片状结构，有很多沟壑，其表面积很大。高剪切分散乳化结合复合酶解改性膳食纤维颗粒的表面比其他颗粒更不规则和粗糙，并且还充满了蜂窝状的孔隙。结构的变化可以显着影响膳食纤维的物理和化学性质。表面积增大，可以提高吸附有毒物质的能力。
图7为竹笋膳食纤维成品图：将制备得到的竹笋膳食纤维(包括可溶性膳食纤维和不可溶溶膳食纤维)冻干后过100目筛。得到如图所示的成品，可以将竹笋膳食纤维粉末作为添加剂加入到功能性食品中，如饼干、面包、酸奶、豆腐等。
具体实施方式：
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述,但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
实验例1、响应面实验
(1)将竹笋下脚料放入组织捣碎机中，粉碎过后的笋渣于45℃烘箱中烘干至水分含量6％以下。烘干以后，用粉碎机粉碎，过40目筛得到竹笋粉末备用。
(2)准确称取20g竹笋粉末，将竹笋粉末按照1：30的料液比(g/mL)溶于水中，在15000r/min，10min的条件下，利用高剪切分散乳化机进行分散。
(3)将步骤(2)中所述的混合液，按照表1所述条件加入一定量的纤维素酶和木聚糖酶，置于60℃振荡水浴一段时间。酶解完成后，将离心所得上清液加入4倍体积乙醇，室温下静置，减压过滤，用乙醇转移杯壁上残存的滤渣，然后将滤渣冷冻干燥，保存在干燥器中。
根据中心组合实验设计原理，在单因素实验结果的基础上，以酶用量、酶配比、温度、时间为主要因素，得到的可溶性膳食纤维含量为响应值，设计四因素三水平的响应面分析实验。(注：A酶用量为纤维素酶和木聚糖酶混合酶质量占底物竹笋粉末质量的百分比；B酶配比中的百分比指纤维素酶占混合酶质量的百分比；C温度指酶解反应中所需的温度；D时间指酶解反应的时间。)
表1响应面实验因素水平表
表2响应面实验设计和实验结果
表3响应面方差分析二次模型方差分析表
由表3可知，此模型的Prob＞F的值小于0.0001，表明此模型的回归方程极显著。失拟项p＞0.05，不显著，表明此模型的实验误差较小，故可用来对竹笋中膳食纤维的提取工艺进行分析和预测。由表3的显著性分析可知，各因素对可溶性膳食纤维含量的影响从大到小为：B＞D＞A＞C，即混合酶配比＞酶解时间＞混合酶用量＞酶解温度。利用DesignExpert软件，综合考虑实验可操作性和经济成本等因素，得到最优的酶解条件为混合酶添加的质量百分数为5.0％，混合酶配比为1:1(即纤维素酶和木聚糖酶各占50％)，酶解温度为60℃，酶解时间为2h。在该条件下，可溶性膳食纤维得率预测值为2.12g。根据上述最优酶解条件进行实验验证，并重复3次以降低反应误差，得到的最终测定值为反应体系中还原糖浓度为2.01g，与预测值较为接近，说明该最优酶解条件是准确可靠的。
实验例2、复合酶改性后膳食纤维性质的测定
①持水力(WRC)测定：
准确称取0.5g膳食纤维样品，记为W1，与20mL蒸溜水混合加入50mL的离心管，振荡均匀，然后于室温下放置24h，4000r/min离心10min，弃去上清液，滤纸吸干管壁残留水分称重，记为W2，最后于105℃烘干之恒重，精确称重并记为W3，持水力的计算公式：
②持油力(OBC)的测定：
确称取1.0g膳食纤维样品记为W1，放在50mL的离心管中，量取20mL的食用玉米油加入其中，在37℃下浸泡1h，每隔10min搅拌一次，然后4000r/min，离心15min，弃去上面的油和其它物质，滤纸吸去管壁悬浮的油，最后称其重量并记作W2，持油力计算公式：
③溶胀力(WSC)测定：
准确称取1.0g膳食纤维样品，记为W1，置于100mL的量筒中，其体积记为V1，然后量取50.00mL蒸馏水加入其中。经充分振荡，室温静置24h，读取液体中样品的体积V2，溶胀力的计算公式：
④测定亚硝酸根离子的吸附能力：
NO2-标准曲线的制作方法，参考GB/T5009.33－2010精准确量取0.00、0.25、0.50、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00及10.00mL的100μmol/L NaNO2溶液，将它们放入8支25mL的比色管中，然后分别添加2mL的0.4％对氨基苯磺酸溶液，待充分混合后，静置5min，再分别加入1mL0.2％盐酸萘乙二胺溶液，用纯净水定容至刻度后，再次充分混匀，静置15min，用零管作为对照，在538nm波长处测定它们的吸光度OD。
在100mL的干燥锥形瓶中，加入25mL的100μmol/L NaNO2溶液，模拟胃酸环境将溶液pH设置为2，加入1g样品测定其吸光值记为A1，控制在恒温37℃。磁力搅拌2min后，立即过滤，吸取5mL样品上清液，按上面所述的方法测定NO2-浓度，最后计算NO2-吸附量，其中，吸附前NO2-量记为B1，吸附后NO2-含量记为C1，亚硝酸根离子的吸附能力计算公式为：
⑤葡萄糖吸附能力：
将DF(0.25g)与25mL葡萄糖溶液(200mmol/L)混合，并在37℃在水浴6小时以达到平衡。将混合溶液以4000r/min离心20分钟。使用葡萄糖试剂盒测量上清液的葡萄糖含量。用下列公式计算GAC
其中C1是原始溶液的葡萄糖浓度(mmol/L)，C2是当吸附达到平衡(mmol/L)时上清液的葡萄糖浓度，W2是DF(g)的重量，V1是体积的葡萄糖溶液(mL)。
实验例3、复合酶改性对竹笋膳食纤维性质的影响
表4不同处理下竹笋膳食纤维的功能性质
由表4可知，加入复合酶处理后，膳食纤维的持水力、持油力、溶胀力、葡萄糖吸附能力和NO2 -吸附能力各方面理化性质均优于改性处理前的膳食纤维。持水力由4.86g/g增加到9.03g/g，是其改性前的1.86倍，持油力由3.36g/g增加到7.44g/g，其改性前的2.21倍，溶胀力由3.42g/mL增加到8.46g/mL，是其改性前的2.47倍，葡萄糖吸附能力由10.12mmol/g增加到18.18mmol/g，是其改性前的1.80倍，亚硝酸根离子吸附能力由238.57μg/g增加到523.14μg/g，是其改性前的2.19倍。由测定结果可知，高剪切分散乳化辅助酶解处理该方法处理可使竹笋膳食纤维理化性质得到一定的改良，持水力、持油力、溶胀力、阳离子交换力得到显著改善。
前述的实验实例是对本发明的具体实施方案进行详细描述。对实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及阐述其特性，从而使得本领域的技术人员能够实现和利用本发明实验例并作出不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
响应面实验中各交互项对应的响应曲面、扫描电镜图以及来自竹笋下脚料中高活性膳食纤维的成品图附于文件说明书附图中。
图1-图5为响应曲面图：在控制其他因素不变的情况下，响应值先随着每个因素的增大而增大；增大到极值后，又随着因素的增大逐渐减小；在交互项中混合酶用量和时间AD(p＜0.05)、混合酶配比和温度BC(p＜0.05)对还原糖浓度影响比较显著。
图6为扫描电镜图，其中A-无处理竹笋粉末，B-复合酶解改性膳食纤维，C-高剪切分散乳化结合复合酶解改性膳食纤维，通过扫描电镜在在放大3000倍下观察竹笋膳食纤维的表面微观结构。结果发现未处理的竹笋粉末颗粒多为细长片状，表面较光滑。复合酶解改性膳食纤维表面附着了大量的碎片和片状结构，有很多沟壑，其表面积很大。高剪切分散乳化结合复合酶解改性膳食纤维颗粒的表面比其他颗粒更不规则和粗糙，并且还充满了蜂窝状的孔隙。结构的变化可以显着影响膳食纤维的物理和化学性质。表面积增大，可以提高吸附有毒物质的能力。
图7为竹笋膳食纤维成品图：将制备得到的竹笋膳食纤维(包括可溶性膳食纤维和不可溶溶膳食纤维)冻干后过100目筛。得到如图所示的成品，可以将竹笋膳食纤维粉末作为添加剂加入到功能性食品中，如饼干、面包、酸奶、豆腐等。
Claims (6)
1.一种从竹笋下脚料中制备高活性膳食纤维的方法，其特征在于按照下述步骤进行：
(1)将竹笋下脚料放入组织捣碎机中，粉碎过后的笋渣于45℃烘箱中烘干至水分含量6％以下；烘干以后，用粉碎机粉碎，过40目筛得到竹笋粉末备用；
(2)将竹笋粉末按照1：30的料液比(g/mL)溶于水中，利用高剪切分散乳化机进行分散，分散时间为10min，转速为15000r/min；
(3)将分散处理后的竹笋粉末悬浮液在纤维素酶和木聚糖酶的混合酶解体系中进行酶解，纤维素酶和木聚糖酶的混合酶质量为底物质量的1％-6％，优选为5％；所述酶解的条件为在30-70℃、pH4-7的条件下酶解1.5-3.5h；
(4)酶解所得上清液加入乙醇静置沉淀，优选加入四倍体积的95％的无水乙醇静置洗涤，此部分得到可溶性膳食纤维；酶解所得沉淀加入乙醇洗涤，优选加入78％的乙醇静置洗涤，此部分得到不可溶性膳食纤维。
2.根据权利要求1所述的一种从竹笋下脚料中制备高活性膳食纤维的方法，其特征在于步骤(3)中酶配比以纤维素酶含量占混合酶含量的百分比为30％-60％，优选为50％。
3.根据权利要求1所述的一种从竹笋下脚料中制备高活性膳食纤维的方法，其特征在于步骤(3)中所选酶活为纤维素酶7000U/g，木聚糖酶70000U/g。
4.根据权利要求1所述的一种从竹笋下脚料中制备高活性膳食纤维的方法，其特征在于步骤(3)中所述酶解的条件为在60℃、pH＝5的条件下酶解2h。
5.根据权利要求1所述的一种从竹笋下脚料中制备高活性膳食纤维的方法，其特征在于步骤(3)中纤维素酶和木聚糖酶的混合酶质量为底物质量的为5％。
6.根据权利要求1所述的一种从竹笋下脚料中制备高活性膳食纤维的方法，其特征在于冻干后的竹笋膳食纤维(包括可溶性膳食纤维和不可溶溶膳食纤维)应过100目筛。
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