生物解离大豆膳食纤维对饼干质构及消化特性的影响

钟明明，齐宝坤，孙禹凡，曾 琪，李 红，朱建宇，胡 淼，王 欢，李 杨

（东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

生物解离是在机械破碎的基础上，通过对油料进行酶解处理，从而同时获得油脂与蛋白的新型提取工艺[1]。生物解离残渣是该工艺的主要副产物之一，据已有文献[2]报道，每提取1 L大豆油将产生约4.4 kg残渣。生物解离大豆残渣中膳食纤维含量丰富，且由于在提取过程中对物料进行的挤压膨化及酸碱调节等改性处理，其中膳食纤维的理化性质及功能特性会得到一定改善，若将其直接添加到食品中可简化膳食纤维改性工艺，改善食品品质，具有良好的应用前景。然而目前针对生物解离残渣的研究主要集中在固态发酵和营养成分的提取等方面[3-6]，关于生物解离膳食纤维在烘焙食品中应用的研究尚鲜见报道。

近几年膳食纤维在饼干中的研究较为广泛。饼干作为一类高糖高脂食品过多食用会使人体血糖指数快速上升，易导致肥胖症、糖尿病等多种疾病[7]。膳食纤维具有降低餐后血糖、预防肥胖症等多种生理功能，良好的持油持水等理化性质也可改善食品的风味及质构[8]，但过量的膳食纤维会稀释烘焙食品中面筋蛋白含量，与面筋蛋白产生吸水竞争，阻碍面团结构的形成并破坏食品感官品质[9]，故目前的纤维食品普遍存在膳食纤维添加量过低、难以达到标准摄入量，成品质量差、口感粗糙、难以被消费者接受等多种问题[10-11]。因此，减少膳食纤维对烘焙食品品质的破坏并尽量提高其在烘焙食品中的添加量是目前的研究热点。研究发现，豆渣膳食纤维添加量不高于15%时可改善面团及面制品的质构特性[12]；将大豆膳食纤维进行酸碱调节、超微粉碎等改性处理可提高其在面制品中的添加量，且面制品感官品质与膳食纤维粒度及可溶性膳食纤维含量有关[13-14]。

因此，本实验将生物解离大豆膳食纤维作为一种改性膳食纤维直接应用至饼干中，首先测定其可溶性膳食纤维含量、持水性、持油性、膨胀性等理化性质，及葡萄糖吸收能力、α-淀粉酶抑制能力等功能特性，以确定其应用价值；在面粉粉质特性及面团质构特性最佳添加量下制备饼干，对其质构特性及消化特性进行测定，并与市售纤维饼干及普通饼干进行比较，从而为生物解离大豆残渣中膳食纤维的增值利用提供新思路，为开发新型大豆膳食纤维烘焙食品提供一定理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

全脂大豆片 山东高唐蓝山集团；Alcalase 2.4L碱性内切蛋白酶 杰能科（中国）生物工程有限公司；胃蛋白酶（2 500 U/mg）、猪胰蛋白酶（250 U/mg）、α-淀粉酶（45.5 U/mg）、糖化酶（36 000 U/mL）美国Sigma公司；面粉（蛋白质量分数9%）、白糖、食盐、黄油、脱脂奶粉、鸡蛋、纤维饼干（均为食用级） 市售。

原味大豆膳食纤维饼干（主要成分为小麦粉、白砂糖、黄油、食用盐，该饼干膳食纤维来源为豆渣，每100 g饼干中约含有膳食纤维3 g、蛋白质9.1 g、脂肪28.8 g、碳水化合物54.4 g） 安徽平牧食品科技股份有限公司。

1.2 仪器与设备

TG16-WS台式高速离心机 湖南湘仪离心机仪器有限公司；KC-701超微粉碎机 北京开创同和科技发展有限公司；Farinograph-E型粉质仪 德国Brabender公司；TA.XTPlus物性测试仪 英国Stable Micro System公司；SU8000扫描电镜 日本日立公司；KN204P烤箱青岛金贝克机械有限公司；SHA-B数显恒温水浴振荡器金坛市双捷实验仪器厂；TU-1810紫外-可见分光光度计北京普析通用仪器有限责任公司。

1.3 方法

1.3.1 生物解离大豆膳食纤维的制备及性质测定

参考李杨等[15]方法，将大豆片粉碎后用挤压膨化机进行挤压膨化处理，所述大豆片含水量12%，挤压膨化机套筒温度60 ℃，螺杆转速120 r/min，模孔孔径30 mm，挤压膨化后的大豆片以料液比1∶6（m/m）与水混合，调节pH值至9.0，加入质量分数为0.2%的Alcalase 2.4L碱性内切蛋白酶酶解3 h，加热灭酶后反复离心至上层无游离油析出，收集下层残渣，调节水解液pH值至3.0，4 500 r/min离心分离，并对上层清液进行乙醇沉淀处理，再次离心后收集下层残渣，将两次收集的残渣混合后冻干备用，即获得生物解离大豆膳食纤维。

根据AACC方法[16]测定生物解离大豆膳食纤维中可溶性膳食纤维及不溶性膳食纤维含量。参照Robertson等[17]方法测定生物解离膳食纤维持水性、持油性及吸水膨胀力；参照Chau等[18]方法测定生物解离膳食纤维葡萄糖吸收能力；参照Ahmed等[19]方法测定生物解离大豆膳食纤维α-淀粉酶抑制能力。

1.3.2 生物解离大豆膳食纤维对面粉粉质特性影响的测定

预实验结果表明，当面粉中生物解离大豆膳食纤维质量分数超过50%时，面粉吸水率过大，且难以形成面团。为保证饼干品质基础上取得最大添加量，本实验每100 g面粉-膳食纤维复合粉中，生物解离大豆膳食纤维质量分数分别为0%、10%、20%、30%、40%、50%。参考GB/T 14614—2006《小麦粉面团的物理特性测定 粉质仪法》[20]方法对面粉的粉质特性进行测定。

1.3.3 生物解离大豆膳食纤维对面团质构影响的测定

参照芦菲等[21]方法，根据Farinograph-E电子型粉质仪各复合粉吸水率的结果将复合粉加水揉制成面团，将面团制成高4 cm、直径5 cm的圆柱形，采用物性测定仪进行质构特性分析（texture profile analysis，TPA）。选用P50探头，测试前、中、后速率分别为2、1、10 mm/s，应变位移为40 mm，引发类型为自动，数据采集速率为200 pps。

1.3.4 生物解离大豆膳食纤维对面团微观结构影响的测定

参照刘颖等[22]方法，取100 g复合粉揉成面团，面团醒发90 min后拉伸搓圆，从面团中取3～5 mm3左右的小面团作为测试样，立即浸泡于0.2 mol/L pH 7.2的3%戊二醛-磷酸缓冲液中，4 ℃固定24 h。然后用0.1 mol/L pH 7.2的磷酸缓冲液清洗3 次，每次5 min，再依次用体积分数为30%、50%、70%、90%、100%乙醇溶液脱水，每次20 min。样品冻干后，将其用双面胶带粘在样品台上，经IB-5离子溅射仪镀金100 A后用扫描电镜观察拍照，加速电压5 kV，照片放大倍数为2 000 倍。

1.3.5 生物解离大豆膳食纤维饼干的制备及质构特性的测定

将10 g白糖、30 g奶粉、0.5 g食盐混合均匀后，加入30 g室温融化的黄油，用电动搅拌机打2 min使其混合均匀，最后分别加入100 g过筛纯面粉，以及30%生物解离大豆膳食纤维复合粉，揉成面团捆压成型，180 ℃烘烤15 min。烘烤结束后，将饼干取出，冷却至室温备用，即获得普通饼干及生物解离大豆膳食纤维饼干。

参考李明娟等[23]方法测定3 种饼干TPA。采用CT3质构仪对饼干TPA进行测定，包括脆性、硬度、咀嚼性、弹性和内聚性。其中，饼干脆性测定条件为：压缩模式，选用TA7探头，距离3 mm，触发力5 g，测试速率0.5 mm/s；其他指标测定条件为：TPA模式，选用TA5圆柱形探头，距离0.5 mm，触发力5 g，测试速率0.5 mm/s，每块饼干测试3 个点取平均值，每个样品重复不少于3 次。

1.3.6 生物解离大豆膳食纤维饼干消化性能的测定

参考Frances等[24]方法，本实验体外消化模型的建立包括胃部和肠部两部分，分别取适量3 种饼干研磨过筛（40 目）制备成粉，取1 g饼干粉分别均匀溶解于10 mL模拟胃液中（模拟胃液：0.9 mmol/L H3PO4、3 mmol/L CaCl2、0.1 mol/L HCl、0.15 mol/L NaCl、16 mmol/L KCl，pH 2.5），加入3.6 g/100 mL胃蛋白酶，37 ℃水浴振荡（170 r/min）模拟胃部消化60 min；用已预热至37 ℃的模拟肠液将反应物pH值调到6.5（模拟肠液：0.7 mmol/L Na2HPO4，0.49 mmol/L MgCl2，4.56 mmol/L KCl，1.5 mmol/L NaH2PO4，54.46 mmol/L NaCl，80.36 mmol/L NaHCO3，pH 7.0），加入6 mg胰蛋白酶，65.9 mg α-淀粉酶和40 μL糖化酶，37 ℃水浴振荡（170 r/min），加入10 mL 10%三氯乙酸停止反应，分别取0、10、20、30、60、90、120、150、180 min及240 min反应后的肠道消化液0.5 mL，500 r/min离心10 min后，取上层清液采用3,5-二硝基水杨酸（DNS）法[25]测定葡萄糖浓度并计算淀粉水解率，淀粉水解率为已水解淀粉占淀粉总质量（total starch，TS）的百分比，葡萄糖标准曲线方程为y=0.528x－0.041，淀粉水解率计算见公式（1）：

参考Mardianaahamad[26]及Goňi[27]等方法计算快速消化淀粉（rapidly digestible starch，RDS）、慢速消化淀粉（slowly digestible starch，SDS）和抗性淀粉（resistant starch，RS）质量分数及饼干血糖指数，相应淀粉质量分数计算见公式（2）～（4）：

式中：G0为反应0 min时反应液中葡萄糖质量/mg；G20为反应20 min时反应液中葡萄糖质量/mg；G120为反应120 min时反应液中葡萄糖质量/mg；0.9为糖转化系数；TS为淀粉总质量/mg；RDS、SDS、RS为相应淀粉的质量分数/%。

血糖指数是指与参比样品（葡萄糖）摄入后血糖浓度的变化程度相比，进食后血糖上升的比率。本实验利用淀粉水解率曲线下面积计算水解指数，从而按式（5）、（6）计算血糖指数：

1.4 数据统计分析

本实验数据均为3 个平行样的平均值，结果采用SPSS 22.0分析软件和Origin 8.0进行处理，并对数据进行差异显著性分析（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 生物解离大豆膳食纤维成分、理化特性及功能特性的分析

表1 生物解离大豆膳食纤维成分及理化特性分析Table1 Composition and physicochemical properties of dietary fi ber

由表1可知，生物解离大豆膳食纤维纯度为81.34%，可溶性膳食纤维质量占总膳食纤维质量的50.83%。据研究报道[28]，工业提取的大豆膳食纤维纯度约为70%，其中可溶性膳食纤维质量分数仅约2%，对脱脂豆粉水溶液进行碱处理能够使其可溶性膳食纤维质量分数达到12%[29]，Chen等[30]通过爆破挤压技术改性处理使大豆膳食纤维中可溶性膳食纤维质量分数提高至30.1%。生物解离大豆膳食纤维中较高的可溶性膳食纤维含量可能是由于提取过程中挤压膨化及酸碱处理的结合，有效地破坏了物料组织，使其结构中的亲水活性位点暴露，可溶性膳食纤维含量增加，且在碱性条件下可溶性膳食纤维更易被提取。此外，生物解离大豆膳食纤维的持水性为6.87 g/g，持油性为5.48 g/g，吸水膨胀力为8.45 mL/g。据报道[31-32]，未经改性的豆渣膳食纤维持水性、持油性、吸水膨胀力分别约为4 g/g、3 g/g、6 mL/g；Ullah等[10]利用乳酸菌发酵结合动态高压微射流技术提高膳食纤维的持水性、持油性及吸水膨胀力分别为7.90 g/g、5.32 g/g、8.55 mL/g，可以看出改性后的膳食纤维与生物解离膳食纤维理化性质相近。生物解离大豆膳食纤维理化特性的提高可能与其可溶性膳食纤维含量丰富有关，研究表明可溶性膳食纤维在水溶液中可形成凝胶，自身吸收水分的同时产生的胶状物也可防止水分流失[33]，此外挤压膨化预处理，酸碱调节，加热离心等步骤会促使膳食纤维间连接键断裂，网状结构变得疏松，体积和比表面积增大，也会使膳食纤维的理化特性得到一定提高。同时测定生物解离大豆膳食纤维的α-淀粉酶抑制能力为18.42%，已有研究表明[35]豆渣膳食纤维的α-淀粉酶抑制能力约为12%。较高的α-淀粉酶抑制能力可能是由于较高的吸水膨胀性和持水力可降低体系流动性[36]，从而减少酶与底物发生碰撞的机会，降低α-淀粉酶的酶解效果。

表2 生物解离大豆膳食纤维功能特性分析Table2 Functional properties of dietary fi ber

由表2可知，生物解离大豆膳食纤维葡萄糖吸收能力为6.06～35.78 mmol/g。已有研究表明[34]豆渣膳食纤维的葡萄糖吸收能力约为4～15 mmol/g。生物解离大豆膳食纤维较强的葡萄糖吸收能力可能是由于丰富的可溶性膳食纤维与水接触后产生的凝胶状物体将葡萄糖分子包裹其中。上述结果表明，生物解离大豆膳食纤维理化及功能特性良好，可作为一种品质改良剂及慢消化食品添加剂应用在功能性食品中。

2.2 生物解离大豆膳食纤维对面粉粉质特性的影响

表3 生物解离大豆膳食纤维添加量对面粉粉质特性影响Table3 Effect of dietary fi ber addition on farinograph properties of wheat fl our

由表3可知，生物解离大豆膳食纤维添加量由0%增加至50%时，面团的吸水率由60.20%上升至134.50%，形成时间由7.53 min延长至21.10 min；弱化度由1 148.90 BU增大至2 026.13 BU；稳定时间及延展度呈现先增大后减小趋势，均在添加量为30%时达到最高值，分别为7.93 min、85.83 mm。面粉粉质特性与面制品的加工特性及质构特性存在一定相关性，可有效预测和控制饼干品质[37]。面粉吸水率较低会使面筋蛋白水合不充分，抑制面筋网络形成，制作的饼干酥松易碎、口感粗糙[38]。生物解离大豆膳食纤维可提高面粉的吸水率，这可能与其自身持水性较高有关。可溶性膳食纤维中的羟基可通过氢键与水发生水合作用，加强面粉对水的束缚，从而显著增加复合粉吸水率（P＜0.05）。但当添加量超过30%时，面筋蛋白网络结构的稳定时间及延展度出现降低的趋势，这可能是由于混合粉中面筋蛋白被稀释，膳食纤维对面筋网络产生填充作用，并与面筋蛋白产生吸水竞争。由此可知，生物解离大豆膳食纤维可改善面粉粉质特性，推测添加量在30%左右时可制作出感官品质易被接受的纤维饼干。

2.3 生物解离大豆膳食纤维对面团的影响

表4 生物解离大豆膳食纤维添加量对面团质构的影响Table4 Effect of dietary fi ber addition on texture properties of dough

由表4可知，随生物解离大豆膳食纤维添加量由0%增加至50%，面团的硬度由6.72 N增加至10.73 N，咀嚼性由10.77 mJ上升至14.43 mJ，弹性由3.44 MPa降低至2.87 MPa，内聚性及胶黏性呈现先增加后降低的趋势，均在添加量为30%时达到最大值（0.34、5.39 N）。Vangsøe等[25]研究发现适量的膳食纤维添加可以提高面团的质构特性，这是由于膳食纤维可依靠主链间非共价键形成具有一定黏弹性的凝胶网络结构，并且膳食纤维中的酚酸活性双键可与面筋蛋白结合成更大分子的网络结构，同时膳食纤维的高持水性也有利于面筋网络结构的维持。本实验结果表明，生物解离大豆膳食纤维可有效改善面团硬度、咀嚼性、弹性等质构特性，但当生物解离大豆膳食纤维在面粉中添加量高于30%时，内聚性与胶黏性的降低可能是由于过量的膳食纤维限制了面筋充分扩展，导致食品体系内部反应减弱。以上结果可以说明，当生物解离大豆膳食纤维添加量为30%时，膳食纤维对面团质构的影响达到平衡。

图1 生物解离膳食纤维添加量对面团微观结构的影响Fig.1 Effect of dietary fi ber addition on micro-structure of dough

由图1可知，纯面粉中面筋的网络结构具有连续性，并可完全包裹住淀粉颗粒。随生物解离大豆膳食纤维添加量的增加，面团面筋开始断裂，出现不连续性，淀粉颗粒暴露在面筋网络结构之外，与膳食纤维混合。当添加量超过40%时几乎看不到成片的面筋膜，面筋结构受到严重破坏，膳食纤维结构成为面团主体。

2.4 生物解离大豆膳食纤维对饼干质构的影响

表5 不同饼干的质构特性Table5 Texture prof i les of different biscuits

由表5可知，生物解离大豆膳食纤维饼干硬度及脆性较普通饼干分别下降22.45%、17.74%，但相比于市售纤维饼干，其分别提高3.9%、4.8%。此外，2 种纤维饼干咀嚼性相近且明显低于普通饼干（P＜0.05），3 种饼干弹性相差不大（P＞0.05）。以上结果可以说明，添加量为30%的生物解离大豆膳食纤维饼干质构特性虽与普通饼干存在一定差距，但其质构特性高于市售膳食纤维饼干，且膳食纤维添加量约为15%，明显高于市售纤维饼干3%的添加量。因此生物解离技术可有效降低膳食纤维对烘焙制备品质的破坏，提高膳食纤维在食品中的添加量，改善消费者的膳食平衡结构。

2.5 生物解离大豆膳食纤维对饼干消化特性影响

图2 不同饼干的消化特性Fig.2 Digestibility of different biscuits

由图2A可知，生物解离大豆膳食纤维具有减缓饼干消化速率，降低淀粉水解率的特点，这可能与生物解离膳食纤维较强的葡萄糖吸附能力及淀粉酶抑制能力等功能特性有关。此外，普通饼干最终淀粉水解率为81.73%，与Englyst等[39]测得的谷物不消化淀粉含量相近，说明本实验采取一级水解动力学模型拟合预测血糖指数具有可靠性。

由图2B可知，生物解离大豆膳食纤维饼干RDS、SDS和RS质量分数分别为30.68%、30.09%及39.23%，市售膳食纤维饼干RDS、SDS和RS质量分数分别为37.03%、24.07%及38.90%，而普通饼干分别为53.42%、14.31%及32.27%。生物解离大豆膳食纤维饼干RDS质量分数相比于市售纤维饼干及普通饼干分别降低17.14%、42.57%，SDS质量分数相比于市售纤维饼干及普通饼干分别提高24.93%、110.27%，RS质量分数分别提高了0.85%、21.57%。饼干中淀粉组成的改变可能是由于膳食纤维包裹住淀粉，导致淀粉颗粒水解缓慢[40]，从而SDS及RS质量分数增加，RDS质量分数减少。由图2C可知，普通饼干血糖指数为79.16，市售纤维饼干血糖指数为59.94，可达到中等血糖生成指数范围（55≤血糖指数≤70）[27]，生物解离膳食纤维饼干血糖指数仅为45.99，已达到低血糖生成指数范围（＜55），且相比于市售纤维饼干及普通饼干分别降低了41.90%、23.27%。因此生物解离大豆膳食纤维可有效改善饼干的消化特性，降低淀粉水解率，提高饼干中RS及SDS的含量，控制饼干血糖指数，可作为一种新型功能性食品原料进行开发。

3 结 论

本实验通过研究生物解离大豆膳食纤维理化特性及其对面团及饼干品质的影响可知，生物解离大豆膳食纤维纯度高达81.34%，将其添加到饼干制作可改善面粉粉质特性。添加量的不同又会对饼干的质构特性及消化特性产生不同的影响。以上结果表明，生物解离大豆膳食纤维提取工艺简单且改性效果显著，对饼干质构特性影响较小且可有效提高饼干消化特性，可作为一种新型大豆膳食纤维来源在烘焙食品中进行应用，以改善居民膳食平衡结构。