CN114568709B

CN114568709B - 一种提高方竹笋水溶性膳食纤维含量的提取方法

Info

Publication number: CN114568709B
Application number: CN202210248058.2A
Authority: CN
Inventors: 郑炯; 汤彩碟; 吴良如; 张甫生; 阚建全
Original assignee: Southwest University
Current assignee: Southwest University
Priority date: 2022-03-14
Filing date: 2022-03-14
Publication date: 2023-09-01
Anticipated expiration: 2042-03-14
Also published as: CN114568709A

Abstract

本发明公开了一种提高方竹笋水溶性膳食纤维含量的提取方法，以方竹笋加工下脚料为原料，借助高压均质协同高温蒸煮预处理耦合两步酶解法，获得的方竹笋提取物外观细腻均匀，色泽亮丽，水溶性膳食纤维含量大大提高，具有优良的理化特性和降血糖活性，在农产品或食品加工领域具有很好的推广前景。

Description

一种提高方竹笋水溶性膳食纤维含量的提取方法

技术领域

本发明属于农产品加工技术领域，涉及一种提高方竹笋水溶性膳食纤维含量的提取方法。

背景技术

方竹笋因其形态方正，肉厚鲜美，营养丰富，被誉为“竹笋之冠”，其富含蛋白质、氨基酸、膳食纤维、维生素、矿物质等营养成分。然而，由于采后方竹笋易褐变和木质化，导致其纤维素、木质素等含量迅速增加，故有60％以上的方竹笋均被加工为笋干、清水笋、发酵笋等产品。加工过程中会产生大量副产物，造成原料浪费和环境污染。而纤维素、木质素、半纤维素等都是膳食纤维的主要成分，因此这也是一种较好的膳食纤维资源。竹笋膳食纤维(bamboo shoots dietary fiber，BSDF)不仅具有降低胆固醇、促进肠道益生及增强胰岛素敏感性等生理功效，还具有改善食品口感和促进食品体系稳定等作用。

不同的提取方法会影响BSDF的结构、功能和理化活性。目前，BSDF提取方法主要有化学法、酶解法和物理法。国内外主要采用化学法提取膳食纤维，此工艺成本低，操作简单，无需高端设备，已用于工业化生产。但化学法提取的BSDF色泽差、漂白难，且生产过程中会产生大量废水造成严重的污染。酶解法提取条件温和，无需进行高温、高压处理，节约能源，操作方便，有利于环境保护。但酶法处理时间较长，且其对提取条件要求严格，生产成本也相对较高。此外，传统方法提取的BSDF中不可溶性膳食纤维含量高达92％，其质地粗糙，作为食品功能性配料添加时可能会对食品的颜色、质地、口感等品质产生不利影响，限制了其在食品工业中的应用。因此，研究新型的提取方法来提高BSDF中的水溶性膳食纤维含量(soluble dietary fiber，SDF)进而获得高品质BSDF显得尤为重要。

新兴的辅助提取技术，如高压均质、高温蒸煮、剪切均质等，因其能在较短时间与较低温度下实现对物料纤维结构和细胞壁等的破坏，使得提取效率有效提高，在膳食纤维的提取方面具有良好的应用前景。其中，高压均质技术利用高速剪切、对流碰撞、空穴效应等物理作用，使物料大分子的连接键断裂，颗粒细化。高温蒸煮产生的高温条件使得DF晶体结构易受到水分子的攻击，破坏糖苷键，并释放的可溶性的半纤维素，导致SDF含量增加。两者的协同作用使得物料粒径减小、表面疏松，加快酶解速率，同时提高SDF含量。提取BSDF的酶解法主要分为单一酶解法、分步酶解法和复合酶法。其中，分步酶解法通过针对不同底物，采用两种及以上的酶进行分次加酶、分段控制，具有不同选择性与不同酶水解位点灵活性，以及实现深度水解且提高水解产物质量的特点。剪切均质通过强烈的剪切、分散、冲击和湍流作用，使物料在剪切缝中被剪切、压缩和折叠，具有处理时间短、应用范围广、操作简单的特点。利用剪切均质辅助酶解法提取BSDF，酶与底物接触面积增大，提高酶解效率。这些结果为制备高含量的水溶性膳食纤维的BSDF提供了可能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种提高方竹笋水溶性膳食纤维含量的提取方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种提高方竹笋水溶性膳食纤维含量的提取方法，具体步骤如下：

(1)先以方竹笋加工下脚料为原料，切成均匀薄片状，冷冻干燥，初步粉碎，得到方竹笋粗粉(130～152μm)，接着将方竹笋粗粉与水混合研磨，得到混合液；

(2)再将混合液进行高压均质处理、高温蒸煮处理，得到预处理混合液；

(3)然后在剪切均质条件下，将预处理混合液的pH调整为6～9，加入其2～5％重量的复合酶Ⅰ，第一次酶解，灭酶，得到第一次酶解液；

(4)再将第一次酶解液的pH调整为4～6，接着加入其1～5％重量的复合酶Ⅱ，第二次酶解，灭酶，自然冷却至室温，得到第二次酶解液；

(5)最后将第二次酶解液经醇沉、冷冻干燥、粉碎，即得方竹笋提取物。

优选的，步骤(1)中，冷冻干燥时间为24～34小时；研磨的具体方法为：将1重量份方竹笋粗粉加入40重量份去离子水中，设置齿轮间隙为10～40μm，胶体磨处理2～5次。

优选的，步骤(2)中，高压均质处理的工艺条件为：50～90MPa均质处理2～4次。

优选的，步骤(2)中，高温蒸煮处理的工艺条件为：115～130℃蒸煮处理15～30分钟。

优选的，步骤(3)中，剪切速率为1000～1800r/min。

优选的，步骤(3)中，复合酶Ⅰ是由风味蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶和沙雷肽酶按照质量比1：2：1混合而得。

优选的，步骤(3)中，第一次酶解的工艺条件为：40～60℃酶解1～2小时。

优选的，步骤(3)中，灭酶的具体方法为：95℃水浴加热10分钟灭酶。

优选的，步骤(4)中，复合酶Ⅱ是由虫漆酶、木聚糖酶和木质素过氧化物酶按照质量比2：3：1混合而得。

优选的，步骤(4)中，第二次酶解的工艺条件为：40～60℃酶解2～3小时。

优选的，步骤(4)中，灭酶的具体方法为：95℃水浴加热10分钟灭酶。

优选的，步骤(5)中，醇沉的具体方法为：向第二次酶解液中加入其4倍体积的体积浓度95％乙醇溶液，静置2小时，7000r/min离心15分钟，取沉淀。

申请人对方竹笋的提取过程进行了筛选，具体如下：

1、不同预处理方式对预处理混合液的粒径影响

表1不同预处理方式的方竹笋粉粒径分布

注：Dx(10)、Dx(50)、Dx(90)分别表示粉末粒径累计分布达到10％、50％和90％时对应的粒径值；D[4,3]、D[3,2]分别表示体积平均粒径和表面积平均粒径。

使用滴管吸取未处理、单独高压均质、单独高温蒸煮和高压均质协同高温蒸煮处理(均质+蒸煮)得到的方竹笋的悬浊液，缓慢加入到含有500mL蒸馏水的1000mL烧杯中，同时，烧杯中的蒸馏水以2500r/min转速搅拌；注意观察遮光度数值变化，当遮光度达到6％～20％时，停止加样，采用激光粒度仪测定样品的粒度分布，如表1所示。由表1可知，高压均质和高温蒸煮都处理能显著影响方竹笋粉的粒径分布和粒径大小，且高压均质协同高温蒸煮处理影响效果更明显(P<0.05)。与单独高压均质和单独高温蒸煮相比，高压均质协同高温蒸煮的方竹笋粉的Dx(10)减小了65.13％、91.30％，这说明两种技术协同预处理能够大幅度的减小方竹笋粉的粒径，这对于下一步方竹笋膳食纤维的高效提取具有重要的影响。

2、不同提取方法对方竹笋提取物的成分组成、理化性质的影响

表2不同方式提取的方竹笋膳食纤维的基本成分和理化性质

样品	总膳食纤维(％)	水溶性膳食纤维(％)	持水力/(g/g)	持油力/(g/g)	膨胀力/(mL/g)
						一次酶解	57.45±0.89^c	10.45±0.94^c	5.75±0.14^e	3.45±0.13^d	5.06±0.14^c
两步酶解1	65.23±0.97^b	16.36±0.89^b	6.45±0.14^d	5.87±0.03^c	7.56±0.16^b
						两步酶解2	64.23±0.67^b	15.36±0.99^b	6.05±0.64^d	5.76±0.17^c	7.06±0.36^b
两步酶解3	63.23±1.07^b	12.36±1.09^c	5.45±0.33^d	3.67±0.23^d	5.34±0.29^c
						SHAEE₁₀₀₀	77.58±1.03^b	21.54±0.84^b	8.01±0.02^c	8.47±0.34^b	8.61±0.06^b
SHAEE₁₄₀₀	79.08±1.89^a	22.78±0.67^a	8.27±0.16^b	8.90±0.26^a	8.80±0.11^a
						SHAEE₁₈₀₀	79.23±1.34^a	22.89±0.78^a	8.91±0.03^a	8.51±0.03^b	9.09±0.13^a
SHAEE₂₀₀₀	78.93±1.04^a	21.19±0.38^b	8.21±0.03^b	8.41±0.11^b	8.89±0.03^a

注：总膳食纤维及水溶性膳食纤维含量测定：参照GB 5009.88－2014《食品中膳食纤维的测定》。一次酶解表示木瓜蛋白酶、α-淀粉酶、纤维素酶复合酶一次性酶解，两步酶解1表示风味蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶和沙雷肽酶组成复合酶进行第一步酶解，由虫漆酶、木聚糖酶和木质素过氧化物酶组成复合酶进行第二步酶解，两步酶解2表示两步酶解所用酶顺序颠倒，两步酶解3表示用木瓜蛋白酶进行第一步酶解，第二步酶解过程不变。SHAEE₁₀₀₀、SHAEE₁₄₀₀、SHAEE₁₈₀₀、SHAEE₂₀₀₀分别表示剪切速率为1000r/min、1400r/min、1800r/min、2000r/min。

目前膳食纤维(DF)提取的文献多数采用木瓜蛋白酶、α-淀粉酶、淀粉葡萄糖酶或纤维素酶中的两种及以上复合酶一次性酶解。相比而言，本发明创新性地提出复合酶两步酶解法，即采用由风味蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶和沙雷肽酶组成复合酶进行第一步酶解，由虫漆酶、木聚糖酶和木质素过氧化物酶组成复合酶进行第二步酶解，该技术具有选择特异性与不同酶水解位点灵活性，以及实现深度水解且提高水解产物质量的优点。同时，本发明首次在DF提取中采用了风味蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶和沙雷肽酶组成的复合酶，这是目前公开的文献中未见报道的。由表2可知，与一次酶解(木瓜蛋白酶、α-淀粉酶和纤维素酶复合)相比，两步酶解法的总膳食纤维和水溶性膳食纤维提高了13.54％和56.56％。在此基础上，再采用剪切均质辅助酶解，可有效缩短酶解时间，提高酶解效率优点。1800r/min的剪切均质辅助两步酶解提取的方竹笋膳食纤维(BSDF)的持水力、持油力和膨胀力较两步酶解法分别提高了38.14％、44.97％和20.24％，与复合酶一次性酶解法提高更为显著，分别提高了54.96％、146.67％和79.51％。

由图1可知，复合酶解法提取的BSDF呈片状，颗粒较大、表面光滑，而两步酶解法提取的BSDF呈不规则片状，表面粗糙，组织疏松，孔隙率显著提高，这有利于改善BSDF的理化特性和降血糖活性。在此基础上，利用剪切均质辅助两步酶解法提取的BSDF的粒径显著减小，并且BSDF表面出现的蜂窝状结构、呈现出更为致密的网络状结构，显著提高了BSDF的孔隙率，这有利于更多的油脂、糖类填充其中，进而提高其吸附能力。

由图2可知，提取方法显著影响BSDF的α-淀粉酶活性抑制率和葡萄糖吸附能力(p<0.05)。两步酶解法的α-淀粉酶活性抑制率和葡萄糖吸附能力较一次酶解法分别提高了59.49％和70.18％。而且，在酶解的同时进行1800r/min的剪切均质处理，提取的BSDF的α-淀粉酶活性抑制率和葡萄糖吸附能力相比于两步酶解法分别提高了32.56％和56.07％，这说明本发明具有较强的应用前景。

由图3可知，采用本发明提取得到的方竹笋提取物细腻均匀，色泽亮丽，呈现淡黄色，再次表明本发明得到的提取物具有较强的实用价值和应用前景。

本发明的有益效果在于：

本发明以方竹笋加工下脚料为原料，借助高压均质协同高温蒸煮预处理耦合两步酶解法，获得的方竹笋提取物外观细腻均匀，色泽亮丽，水溶性膳食纤维含量大大提高(19.54～22.89％)，具有优良的理化特性和降血糖活性，在农产品或食品加工领域具有很好的推广前景。具体分析如下：

1、原料价格低廉，工艺简单，反应温和，产品质量高，为方竹笋加工废弃物的利用提供了一条新的思路；

2、发明了一种全新利用高压均质协同高温蒸煮预处理耦合两步酶解法来提取高水溶性膳食纤维含量的BSDF粉末的工艺，第一步利用高压均质协同高温蒸煮处理方竹笋粗粉得到方竹笋超微粉分散液，第二步将方竹笋超微粉分散液进行剪切均质辅助两步酶解以提取出高水溶性膳食纤维含量的BSDF。

3、本发明的产物总膳食纤维含量为69.58～76.08％，其中，水溶性膳食纤维含量为18.54～22.89％、持水力7.01～9.91(g/g)，持油力5.47～7.51(g/g)，膨胀力7.61～8.89(g/mL)，体外降血糖活性指标：α-淀粉酶活性抑制率17.23～21.09％，葡萄糖吸附能力12.45～17.73(mmoL/g)。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明。

图1为一次酶解法(A)、两步酶解法(B)和剪切均质辅助两步酶解法(C)提取的BSDF的SEM图。

图2为不同方法提取的BSDF的体外降血糖活性。

图3为采用本技术提取得到的BSDF。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1

取1kg方竹笋罐头的下脚料，将其切成均匀薄片状，真空冷冻干燥24h。将已干燥完全的方竹笋用普通粉碎机进行初步粉碎，得到约90g方竹笋粗粉。称取20g方竹笋粗粉于1000mL烧杯中，以1：40(w/w)的比例加入去离子水混合摇匀，设置齿轮间隙为10μm用胶体磨进行处理2次。在均质压力为50MPa，均质次数为2次条件下进行高压均质预处理。之后，在温度为115℃下进行高温蒸煮处理15min。将预处理得到溶液置于水浴锅中，在剪切速率为1000r/min的剪切均质辅助下，进行BSDF的提取。利用苹果酸和柠檬酸钠调节溶液pH为6，加入2％(w/w)由风味蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶和沙雷肽酶组成的复合酶(质量比为，风味蛋白酶：枯草杆菌蛋白酶：沙雷肽酶＝1：2：1)进行第一次酶解，在40℃温度下，酶解1h，之后在95℃水浴中加热10min灭酶。第一次酶解液冷却后调整温度为50℃，pH为5，加入1％(m/V)由虫漆酶、木聚糖酶和木质素过氧化物酶组成的复合酶(质量比为，虫漆酶：木聚糖酶：木质素过氧化物酶＝2：3：1)进行酶解2h。酶解完成后，在95℃水浴中加热10min灭酶，冷却至室温，再加入4倍体积的95％乙醇处理2h以沉淀水溶性膳食纤维。得到酶解液在7000r/min下离心15min，取出沉淀，冻干粉碎后即得淡黄色的BSDF粉末，其水溶性膳食纤维含量为18.54％。

实施例2

取方竹笋加工下脚料2kg，切成均匀薄片状，真空冷冻干燥29h。将已干燥完全的方竹笋置于高速万能粉碎机进行初步粉碎，得到方竹笋粗粉约190g。称取20g方竹笋粗粉于1000mL烧杯中，以1：40(w/w)的比例加入去离子水混合摇匀，用齿轮间隙为30μm胶体磨处理3次。在均质压力为70MPa，均质次数为3次条件下对胶体磨得到的混合溶液进行高压均质预处理。之后，将其置于高压灭菌锅中，在温度为121℃下进行高温蒸煮处理20min。之后在剪切速率为1000～1800r/min的剪切均质辅助下，进行两次酶解提取BSDF。利用苹果酸和柠檬酸钠调节溶液pH为7，在50℃下加入3％(m/V)由风味蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶和沙雷肽酶组成的复合酶(质量比为，风味蛋白酶：枯草杆菌蛋白酶：沙雷肽酶＝1：2：1)进行第一次酶解，酶解时间为2h，之后在95℃水浴中加热10min灭酶。酶解液冷却后调整温度为50℃，pH为5，加入3％(w/w)由虫漆酶、木聚糖酶和木质素过氧化物酶组成的复合酶(质量比为，虫漆酶：木聚糖酶：木质素过氧化物酶＝2：3：1)进行第二次酶解，酶解2h后在95℃水浴中加热10min灭酶。冷却至室温，再加入4倍体积的95％乙醇处理2h以沉淀水溶性膳食纤维。得到酶解液在7000r/min下离心15min，取出沉淀，冻干粉碎后即得淡黄色的BSDF粉末，其水溶性膳食纤维含量为20.03％。

实施例3

取方竹笋罐头、清水笋等生产加工的下脚料3kg，切成均匀薄片，真空冷冻干燥34h。之后用植物组织捣碎机将干燥的方竹笋粉碎，得到约300g方竹笋粗粉。称取20g方竹笋粗粉于1000mL烧杯中，以1：40(w/w)的比例加入去离子水混合摇匀，设置齿轮间隙为40μm，用胶体磨进行处理5次。将胶体磨得到的混合液进行高压均质预处理，均质压力为90MPa，均质次数为4次。之后，在温度为130℃下进行高温蒸煮处理30min。在剪切速率为1800r/min的剪切均质辅助下，将预处理得到溶液进行水浴加热，进行BSDF的提取。利用苹果酸和柠檬酸钠调节溶液pH为9，60℃下加入5％(m/V)由风味蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶和沙雷肽酶组成的复合酶(质量比为，风味蛋白酶：枯草杆菌蛋白酶：沙雷肽酶＝1：2：1)酶解2h，之后在95℃水浴中加热10min灭酶。冷却后调整温度为60℃，pH为6，加入5％(m/V)由虫漆酶、木聚糖酶和木质素过氧化物酶组成的复合酶(质量比为，虫漆酶：木聚糖酶：木质素过氧化物酶＝2：3：1)进行第二次酶解，酶解时间为3h。酶解完成后，在95℃水浴中加热10min灭酶，冷却至室温，再加入4倍体积的95％乙醇处理2h以沉淀水溶性膳食纤维。得到酶解液在7000r/min下离心15min，取出沉淀，冻干粉碎后即得淡黄色的BSDF粉末，其水溶性膳食纤维含量为22.89％。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种提高方竹笋水溶性膳食纤维含量的提取方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)先以方竹笋加工下脚料为原料，切成均匀薄片状，冷冻干燥，初步粉碎，得到方竹笋粗粉，接着将方竹笋粗粉与水混合研磨，得到混合液；

(5)最后将第二次酶解液经醇沉、冷冻干燥、粉碎，即得方竹笋提取物；

步骤(3)中，复合酶Ⅰ是由风味蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶和沙雷肽酶按照质量比1：2：1混合而得；

步骤(4)中，复合酶Ⅱ是由虫漆酶、木聚糖酶和木质素过氧化物酶按照质量比2：3：1混合而得。

2.根据权利要求1所述的提取方法，其特征在于，步骤(1)中，冷冻干燥时间为24～34小时；利用高速万能粉碎机进行初步粉碎；研磨的具体方法为：将1重量份方竹笋粗粉加入40重量份去离子水中，设置齿轮间隙为10～40μm，胶体磨处理2～5次。

3.根据权利要求1所述的提取方法，其特征在于，步骤(2)中，高压均质处理的工艺条件为：50～90MPa均质处理2～4次。

4.根据权利要求1所述的提取方法，其特征在于，步骤(2)中，高温蒸煮处理的工艺条件为：115～130℃蒸煮处理15～30分钟。

5.根据权利要求1所述的提取方法，其特征在于，步骤(3)中，第一次酶解的工艺条件为：40～60℃酶解1～2小时。

6.根据权利要求1所述的提取方法，其特征在于，步骤(4)中，第二次酶解的工艺条件为：40～60℃酶解2～3小时。

7.根据权利要求1所述的提取方法，其特征在于，步骤(5)中，醇沉的具体方法为：向第二次酶解液中加入其4倍体积的体积浓度95％乙醇溶液，静置2小时，7000r/min离心15分钟，取沉淀。