馬鈴薯膳食纖維的相對分子質(zhì)量和聚合度

馬鈴薯膳食纖維的相對分子質(zhì)量和聚合度

食物纖維通常是指通過可吞咽植物內(nèi)膜的殘留物和化合物組成的、人體腸道中難以吸收的化合物，主要包括植物木質(zhì)素、維生素、半養(yǎng)分、果膠、動物殼質(zhì)、膠原等。繼蛋白質(zhì)、糖、脂肪、礦物質(zhì)、水和維生素之后被列為人體必需的“第七營養(yǎng)素”。研究表明膳食纖維可以降低冠心病的發(fā)病率、降低血清膽固醇水平。膳食纖維包括不溶性膳食纖維和可溶性膳食纖維兩大類,其中可溶性膳食纖維具有較強(qiáng)的生理功能,而大多數(shù)天然膳食纖維其可溶性膳食纖維所占比例較小。但也有報(bào)道稱在對有害物質(zhì)的清除能力和調(diào)節(jié)腸道功能方面,不溶性膳食纖維的作用優(yōu)于可溶性膳食纖維。目前膳食纖維的分析方法包括酶-質(zhì)量法、酶-化學(xué)法、紅外光譜技術(shù)、尺寸排阻液相色譜法和高效陰離子交換色譜法等,其中紅外光譜技術(shù)具有方便、快捷、準(zhǔn)確、高效、不破壞樣品、節(jié)約能源、無污染、低成本等優(yōu)點(diǎn),在國內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用。如:陳雪峰等采用紅外分析和電鏡掃描對水溶性膳食纖維化學(xué)組成和表面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。潘利華等采用掃描電鏡和紅外光譜儀等對超聲輔助、酸溶堿沉、酶解輔助提取所獲得的水不溶性大豆膳食纖維的化學(xué)組成和表面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。馬鈴薯渣是馬鈴薯淀粉生產(chǎn)的副產(chǎn)物,其含水量在90%左右。由于馬鈴薯渣產(chǎn)量大、不易運(yùn)輸和貯存、易腐敗變質(zhì)產(chǎn)生惡臭,對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。馬鈴薯渣總膳食纖維含量高達(dá)80%左右,是極好的膳食纖維資源。在國內(nèi),馬鈴薯渣通常被用做飼料或直接廢棄,綜合利用程度較低。國外有將馬鈴薯渣添加到食品中作為纖維添加劑和脂肪替代物等。目前國內(nèi)有關(guān)馬鈴薯膳食纖維結(jié)構(gòu)成分的研究報(bào)道很少,呂金順等研究了水蒸汽爆破和氧化法對馬鈴薯膳食纖維結(jié)構(gòu)的影響,有關(guān)馬鈴薯膳食纖維平均相對分子質(zhì)量、聚合度的報(bào)導(dǎo)尚未見到。本研究以馬鈴薯渣為原料,制備馬鈴薯膳食纖維,對其平均相對分子質(zhì)量、聚合度及物性進(jìn)行測定,并利用紅外光譜技術(shù)分別對馬鈴薯膳食纖維中可溶性與不溶性膳食纖維的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)行分析,為馬鈴薯膳食纖維功能研究及在食品工業(yè)中應(yīng)用提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1水解蛋白酶、糖化酶及纖維素酶活力無霉變、無腐爛新鮮馬鈴薯市售;耐高溫α-淀粉酶(酶活力4×104U/g)、Alcalase2.4L水解蛋白酶(酶活力2.4AU/g)、糖化酶(酶活力為1.6×105U/g)諾維信(中國)生物技術(shù)有限責(zé)任公司;纖維素酶(酶活力為1.4×106U/g)湖州米純生物科技有限公司;硫酸銅、氯化鋇、氨水、溴化鉀、濃硫酸、無水乙醇、酒石酸鉀鈉、丙酮、無水乙醚、無水乙二胺等均為分析純。1.2儀器、試器和測試箱GB1302電子天平梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;KDC-1042型離心機(jī)安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司;HIS-HA型水浴振蕩器中國哈爾濱市東聯(lián)電子技術(shù)開發(fā)有限公司;BPG-9240A型精密鼓風(fēng)干燥箱、IT-09A-5型恒溫磁力攪拌器上海一恒科學(xué)儀器有限公司;PHS-3BW微機(jī)型精密酸度計(jì)上海理達(dá)儀器廠;DZF-6050型真空干燥箱上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;SX-8-10型箱式電阻爐天津市泰斯特儀器有限公司;RE2000A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上海亞榮生化儀器廠;TU-1901型雙光束紫外-可見分光光度計(jì)北京普析通用儀器有限公司;DY-40電動粉末壓片機(jī)天津市科器高新技術(shù)公司;IRPrestige傅里葉變換紅外光譜儀日本島津公司。1.3方法1.3.1馬鈴薯膳食纖維馬鈴薯清洗、去皮、切塊,加入馬鈴薯質(zhì)量50%的純凈水,用組織搗碎機(jī)進(jìn)行機(jī)械破碎,破碎粒度60目,將得到的渣漿混合物進(jìn)行篩分分離,篩上物即為馬鈴薯渣,將其干燥粉碎、篩分處理,得到可全部通過0.246mm孔徑篩的粉末,采用耐高溫α-淀粉酶進(jìn)行酶解脫除殘余淀粉,酶解條件為料水比1:15(m/m)、溫度90℃、加酶量240U/g(以馬鈴薯渣干燥樣計(jì))、酶解時間30min,酶解后煮沸、維持8min滅酶,冷卻至常溫,離心沉降,去除上清液,將沉淀物干燥即為馬鈴薯膳食纖維。1.3.2蛋白質(zhì)、淀粉的測定水分含量按照GB5009.3—2010《食品中水分的測定》規(guī)定方法進(jìn)行;脂肪含量按照GB/T14772—2008《食品中脂肪的測定》規(guī)定方法進(jìn)行;蛋白質(zhì)參照GB5009.5—2010《食品中蛋白質(zhì)的測定》采用分光光度法進(jìn)行;灰分參照GB5009.4—2010《食品中灰分的測定》采用灼燒重量法進(jìn)行;淀粉參照GB/T5009.9—2008《食品中淀粉的測定》采用酶水解進(jìn)行;總膳食纖維、不溶性膳食纖維、可溶性膳食纖維參照GB/T5009.88—2008《食品中膳食纖維的測定》采用酶質(zhì)量法進(jìn)行。1.3.3檢測甘薯食物纖維成分1.3.3.硫代硫酸鈉的提取準(zhǔn)確稱取0.1g原料于100mL三角瓶中,加入5mL混合酸(硝酸、乙酸體積比為1:10),封口,100℃水浴加熱25min;取出冷卻至室溫,用20mL蒸餾水沖洗三角瓶的瓶壁,與樣液一起移入離心管中在3800r/min離心15min,棄去上清液,用適量的蒸餾水沖洗沉淀,3800r/min離心15min,棄去上清液,反復(fù)操作3次,將沉淀物轉(zhuǎn)移至250mL具塞碘量瓶中,加入2.5mL濃硫酸和0.1mol/L重鉻酸鉀溶液10mL,混合均勻,封口,100℃水浴中加熱35min,取出冷卻后,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的碘化鉀溶液5mL,避光靜置5min,取出后加入100mL蒸餾水,用0.21mol/L硫代硫酸鈉溶液滴定,待溶液變?yōu)辄S色時,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%可溶性淀粉1mL,繼續(xù)滴定,直至溶液變?yōu)榱辆G色為止,記錄消耗硫代硫酸鈉溶液的體積,并做空白實(shí)驗(yàn)。按照式(1)計(jì)算纖維素含量。式中:X為纖維素含量/(g/100g);c為硫代硫酸鈉的濃度/(mol/L);V1為空白滴定消耗硫代硫酸鈉溶液的體積/mL;V2為樣液所消耗硫代硫酸鈉溶液體積/mL;m為稱取原料的質(zhì)量/g;6.75為纖維素的克當(dāng)量。1.3.3.半纖維素還原糖溶液ds-ms法準(zhǔn)確稱取0.1g原料于50mL燒杯中,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%的硝酸鈣溶液10mL,100℃水浴加熱5min,冷卻,3800r/min離心分離15min,棄去上清液,用60℃的蒸餾水沖洗沉淀,3800r/min離心分離15min,棄去上清液,反復(fù)操作3次;再用適量5mL丙酮沖洗沉淀,靜置5min,吸除上清液,反復(fù)3次,除去脂類物質(zhì)。向沉淀中加入2mol/L鹽酸10mL,100℃水浴加熱45min,使半纖維素水解,冷卻后3800r/min離心分離15min,收集上清液。用10mL蒸餾水沖洗沉淀3次,收集上清液,與之前上清液合并于100mL容量瓶中,加水定容至刻度,搖勻后用定性濾紙過濾,收集濾液,用3,5-二硝基水楊酸(DNS)法測定還原糖含量,吸取2mL樣液加入DNS試劑1.5mL,100℃水浴加熱5min,取出冷卻,在波長為540nm處測定其吸光度,對照葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行分析。同時做空白實(shí)驗(yàn)。葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線為:y=0.687x+0.017(R2=0.9985)。按照式(2)計(jì)算半纖維素含量。式中:X為半纖維素含量/(g/100g);C為從標(biāo)準(zhǔn)曲線中查得的葡萄糖的含量/mg;V1為提取液定容的體積/mL;V2為比色時吸取樣液的體積/mL;m為稱取原料的質(zhì)量/g;0.9為還原糖換算成半纖維素多糖的系數(shù)。1.3.3.硫代硫酸鈉的制備準(zhǔn)確稱取0.1g原料于50mL離心管中,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的醋酸10mL,搖勻后3800r/min離心分離15min,除去上清液,用5mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的醋酸再將沉淀洗滌一次,同樣條件下離心,向沉淀中加入3~4mL乙醇和乙醚混合液(體積比1:1),浸泡沉淀3min,棄去上清液,將沉淀在100℃水浴中蒸干,向沉淀中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)72%的硫酸3mL,攪拌均勻,室溫下靜置16h,加入10mL蒸餾水,攪拌均勻,100℃水浴加熱5min,冷卻后加入5mL蒸餾水和0.5mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的氯化鋇溶液,搖勻后3800r/min離心分離15min,沉淀用蒸餾水沖洗2次,然后向沉淀中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的硫酸和濃度為0.025mol/L重鉻酸鉀溶液各10mL,100℃水浴加熱15min,冷卻后,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的碘化鉀溶液5mL,避光靜置5min,加入100mL蒸餾水,用0.21mol/L硫代硫酸鈉溶液滴定,臨近終點(diǎn)時,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%可溶性淀粉1mL,繼續(xù)滴定,直至滴定終點(diǎn),記錄消耗硫代硫酸鈉溶液的體積,并做空白實(shí)驗(yàn)。按照式(3)計(jì)算木質(zhì)素含量。式中:X為木質(zhì)素含量/(g/100g);c為硫代硫酸鈉的濃度/(mol/L);V0為空白滴定消耗硫代硫酸鈉溶液的體積/mL;V為樣液所消耗硫代硫酸鈉溶液體積/mL;m為稱取原料的質(zhì)量/g;4.33為纖維素的克當(dāng)量。1.3.3.果膠酸鈉脫除甲氧基準(zhǔn)確稱取5g物料,置于250mL三角瓶中,加入15mL加熱至沸的濃度0.05mol/L鹽酸,加熱回流1h,冷卻至室溫后定容至250mL,搖勻后用定性濾紙過濾,收集濾液并記錄濾液容積數(shù);吸取25mL濾液置于1000mL燒杯中,加蒸餾水至300mL,再加入0.1mol/L氫氧化鈉溶液100mL,充分?jǐn)嚢?放置過夜皂化,脫除甲氧基,生成果膠酸鈉。加入1mol/L乙酸溶液50mL,攪拌均勻靜置5min,加入濃度0.1mol/L氯化鈣溶液25mL,然后邊攪拌邊滴加2mol/L氯化鈣溶液25mL,靜置1h后加熱5min,趁熱過濾,用50℃熱水洗滌至不含氯化物為止;用蒸餾水將濾紙上的沉淀沖洗至燒杯中,加熱煮沸5min,用G2砂芯漏斗抽濾,于105℃條件下干燥至恒質(zhì)量。按照式(4)計(jì)算果膠質(zhì)含量。式中:X為果膠酸的含量/(g/100g);V1為消耗提取液的體積/mL;V為提取液總體積/mL;m1為果膠酸鈣和砂芯漏斗的總質(zhì)量/g;m2為砂芯漏斗的質(zhì)量/g;m為稱取原料的質(zhì)量/g;0.9233為由果膠酸鈣換算成果膠酸的系數(shù)。1.3.4甘薯食物纖維的性能測定1.3.4.膳食纖維膨脹體積測定準(zhǔn)確稱取干燥物料0.20g(m),置于5mL量筒中,記錄樣品在自然堆積情況下的體積(V0),加入蒸餾水至5mL刻度,搖勻后用薄膜密封,室溫條件下放置24h,然后測定并記錄膳食纖維膨脹體積(V1)。按照式(5)計(jì)算馬鈴薯膳食纖維膨脹力。1.3.4.濕樣質(zhì)量的測定準(zhǔn)確稱取105℃條件下干燥至恒質(zhì)量的物料0.20g(m0),置于50mL燒杯中,向其中加入10mL蒸餾水,封口后室溫條件下浸泡12h,然后用濾紙濾除水分,稱量濕樣的質(zhì)量(m1)。按照式(6)計(jì)算馬鈴薯膳食纖維持水力。1.3.4.殘余渣液的制備準(zhǔn)確稱取干物料0.20g(m0),放入50mL離心管中,加入豆油10mL,使之混合均勻,密封后37℃條件下靜置1h,3900r/min條件下離心15min,棄去上層油脂,稱量剩余殘?jiān)臐褓|(zhì)量(m1)。按照式(7)計(jì)算馬鈴薯膳食纖維持油力。1.3.5通過測定甘薯纖維的平均相對分子質(zhì)量1.3.5.馬鈴薯膳食纖維的制備稱取2g馬鈴薯膳食纖維,置于105℃烘干箱中干燥30min,取出后放在干燥器中冷卻20min。準(zhǔn)確稱取0.040g干燥的馬鈴薯膳食纖維,置于100mL燒杯中,加入適量銅粒(銅粒在使用前依次用濃硝酸、無水乙二胺溶液浸泡1h,再用蒸餾水反復(fù)洗滌至中性)、再加入10mL銅乙二胺溶液、10mL蒸餾水,用300r/min磁力攪拌器攪拌60min,使其完全溶解,配成質(zhì)量濃度為0.2g/100mL的馬鈴薯膳食纖維-銅乙二胺溶液。1.3.5.高聚物溶液特性黏度計(jì)算方法準(zhǔn)確吸取10mL馬鈴薯膳食纖維-銅乙二胺溶液于經(jīng)潤洗處理的烏式黏度計(jì)中,置于恒溫水浴鍋中,垂直固定,25℃恒溫測定黏度。取3次平均值為最終結(jié)果,兩次測量值的差應(yīng)小于較小值的0.4%。對于非牛頓流體,黏滯阻力的變化影響?zhàn)枇εc速度梯度的比值,高聚物在稀溶液中的黏度值反映了液體流動時內(nèi)摩擦力的大小,將溶液無限稀釋可減弱或消除高聚物分子間的內(nèi)摩擦。當(dāng)液體在毛細(xì)管黏度計(jì)中因重力作用而流出時,相對黏度(ηr)、特性黏度([η]’)、聚合度(DP)之間關(guān)系可遵循文獻(xiàn),即式(8)、(9)、(10)。按式(8)計(jì)算相對黏度(ηr)。式中:t、t0為聚合物溶液及溶劑在毛細(xì)管內(nèi)的流出時間/s;K為黏度計(jì)的校正系數(shù)。由式(8)可得出ηr,從文獻(xiàn)中可查出ηr所對應(yīng)的[η]×c值,根據(jù)式(9),可計(jì)算出[η]’。式中:[η]’為高聚物溶液特性黏度;c’為馬鈴薯膳食纖維-銅乙二胺溶液的實(shí)際質(zhì)量濃度/(g/100mL)。高聚物平均聚合度Dp與[η]’之間的關(guān)系可用式(10)表示:平均分子質(zhì)量M與聚合度之間的關(guān)系為:1.3.6馬鈴薯可溶性膳食纖維的制備用纖維素酶對馬鈴薯膳食纖維進(jìn)行酶解,酶解條件為:料水比1:10(m/m)、溫度45℃、加酶量7000U/g(以馬鈴薯渣干燥樣計(jì))、調(diào)節(jié)pH4.5,酶解時間120min,酶解后煮沸、維持8min滅酶,冷卻至常溫,離心沉降,沉淀烘干粉碎得到馬鈴薯不溶性膳食纖維;上清液經(jīng)濃縮后加入其4倍體積的體積分?jǐn)?shù)為95%乙醇溶液進(jìn)行醇沉,在3500r/min的條件下離心10min,離心后將沉淀干燥粉碎,即得馬鈴薯可溶性膳食纖維。稱取干燥后的馬鈴薯可溶性與不溶性膳食纖維各2mg、分別與200mg溴化鉀粉末混合均勻,然后在壓力8MPa條件下進(jìn)行壓片。掃描范圍為400~4000cm-1。2結(jié)果與分析2.1甘薯渣和玉米皮總膳食纖維含量由表1可知,馬鈴薯膳食纖維中含有多種成分,其中總膳食纖維含量在80g/100g以上,可溶性膳食纖維含量為4.98g/100g。有研究報(bào)導(dǎo)木瓜渣的基本成分中總膳食纖維的含量為69.58g/100g可溶性膳食纖維含量6.97g/100g;甘薯渣中總膳食纖維27.40g/100g,可溶性膳食纖維含量2.66g/100g;大豆皮總膳食纖維含量為73.31g/100g;玉米皮總膳食纖維含量為60.00g/100g左右,玉米皮中可溶性膳食纖維含量為3.97g/100g,大豆皮中可溶性膳食纖維的含量為0.79g/100g。由此可以看出馬鈴薯膳食纖維中總膳食纖維和可溶性膳食纖維的含量均較高,是一種較好的膳食纖維資源。2.2馬鈴薯膳食纖維由表2可知,馬鈴薯膳食纖維中纖維素和半纖維素的含量均較高。半纖維素及果膠質(zhì)含量均高于文獻(xiàn)報(bào)道的甘薯膳食纖維及大豆皮膳食纖維,而木質(zhì)素含量低于甘薯及大豆膳食纖維。因此馬鈴薯膳食纖維具有更好的柔性及較低的相對分子質(zhì)量,將是生產(chǎn)高品質(zhì)膳食纖維的良好原料。纖維素及半纖維素具有預(yù)防便秘、調(diào)節(jié)血糖、降低膽固醇的作用;果膠質(zhì)可賦予被加工物料良好的膠凝和乳化穩(wěn)定性能,還具有抗菌、消腫、解毒、降血脂、抗輻射等作用。因而馬鈴薯膳食纖維更多的調(diào)節(jié)人體異常代謝功能還需進(jìn)一步研究。2.3米糠和甘薯纖維由表3可知,馬鈴薯膳食纖維具有較好的持水力和膨脹力,均高于玉米皮纖維、大豆皮纖維及脫脂米糠。膨脹力高于甘薯膳食纖維,但持水力及持油力略低于甘薯膳食纖維。馬鈴薯膳食纖維較好的持水力和膨脹力有利于其在抗便秘、改善腸道環(huán)境及預(yù)防肥胖等方面發(fā)揮作用。2.4膨脹能力的測定由表4可知,馬鈴薯膳食纖維聚合度和平均相對分子質(zhì)量較小,與其具有較高含量的可溶性膳食纖維及較強(qiáng)的吸水膨脹能力相符。有研究表明:豆渣水溶性膳食纖維的相對分子質(zhì)量高達(dá)546673,一般情況下,相對分子質(zhì)量越小,分子聚合度越低,物質(zhì)的溶解性越好,越容易功能化處理,因此馬鈴薯膳食纖維的功能化處理難度將低于玉米皮纖維及大豆皮纖維,其在高纖維食品生產(chǎn)中的應(yīng)用前景也更加廣闊。2.5羧酸二聚體和不溶性膳食纖維的結(jié)構(gòu)表征由圖1可知,馬鈴薯可溶性膳食纖維具有多糖的特征吸收峰。3528cm-1處為O-H的伸縮振動,2909cm-1處為糖類亞甲基上C-H的伸縮振動,1338、1259、1246cm-1處為C-H的變角振動,這些吸收峰都為糖類的特征吸收峰。1427cm-1處的吸收峰為O-H的變形振動引起的;1118cm-1和1053cm-1處的吸收峰是由兩種C-O伸縮振動所引起的,一種是屬于C-O-H的,另一種是糖環(huán)的C-O-C;1312cm-1處為羧酸的C-O伸縮振動,在924cm-1處為成鍵的O-H面外彎曲振動,證明馬鈴薯可溶性膳食纖維中存在羧酸二聚體;1659、1732、1760cm-1處的吸收峰是羰基的吸收峰,說明馬鈴薯可溶性膳食纖維中存在糖醛酸;1