生姜中水溶性膳食纤维的提取及功能性研究

生姜中水溶性膳食纤维的提取及功能性研究

食物纤维是指不能通过人体内源酶吸收的非淀粉、糖、木质素等高分子材料的总和。这里资源丰富，对人体具有多种生理功能，对预防疾病和保障人体健康起着重要作用。这是理想的功能食品原料。它被称为“七大养分”，是继碳、蛋白质、脂肪、维生素、矿物和水之后的“七大养分”。膳食纤维根据其溶解性分为水溶性膳食纤维(solubledietaryfiber,SDF)和水不溶性膳食纤维(insolubledietaryfiber,IDF)。水溶性膳食纤维指不能被人体消化酶消化分解,可溶于热水的非淀粉多糖,如果胶、部分半纤维素和植物胶等;水不溶性膳食纤维指不能被人体消化酶消化分解,且不溶于热水的非淀粉多糖,如纤维素、部分半纤维素和木质素等。研究表明,水溶性膳食纤维可预防和治疗心脑血管疾病、糖尿病、高血压、改善肠道内微生物菌群、清楚外源有害物质、清楚体内自由基、抗氧化防衰老、抗癌防癌、增强机体免疫力等生理功效。生姜不仅是人们日常饮食中常用调料,也是现代医药、食品工业的天然原料,其营养丰富,含精油、姜辣素、脂肪油、树脂、戊聚糖、蛋白质、微量矿物质等,且富含大量的膳食纤维。水溶性膳食纤维提取方法常用酸法、碱法、酶法和超声法,目前采用超声结合酶法尚未见报道。本实验以生姜为原料,采用超声结合酶法提取生姜中水溶性膳食纤维,探讨提取工艺条件,并对其功能性进行研究,为提高生姜的附加值和综合利用提供技术参考。1材料和方法1.1化学试剂的制备生姜徐州市矿大农贸市场。酸性纤维素酶(40000U/g)天津市诺奥科技发展有限公司;95%乙醇、盐酸、氢氧化钠、醋酸、醋酸钠、水杨酸、硫酸亚铁、邻苯三酚等为国产分析纯试剂;三(羟甲)胺基甲烷(Tris(hydroxymethyl)aminomethane,Tris)国药集团化学试剂有限公司;1,1-二苯基-2-苦味肼基自由基(DPPH)美国Sigma公司。1.2仪器和检测仪器F160型粉碎机北京中兴伟业仪器有限公司;THZ-82型数显式电热恒温水浴锅、GZX-DH-600型电热恒温干燥箱上海跃进医疗器械厂;FA2140N型电子天平、7230G型可见分光光度计上海精密科学仪器公司;PHS-3C精密pH计上海雷磁仪器厂;SHB-ⅢS循环水式多用真空泵郑州长城科工贸有限公司;756紫外-可见分光光度计上海成光仪器有限公司;DL-5低速大容量离心机上海安亭科学仪器厂。1.3方法1.3.1水溶性膳食纤维生姜洗净切片→干燥→粉碎,过60目→称取1g生姜样品→按一定固液比加去离子水→超声→离心→过滤,取滤液,加入4倍体积95%的乙醇沉淀(2h)→过滤→78%乙醇溶液洗涤滤渣→干燥,称量,即得水溶性膳食纤维。1.3.2水溶性膳食纤维的制备生姜洗净切片→干燥→粉碎,过60目筛→称取1g生姜样品→按一定固液比加加去离子水→加NaAc-HAc缓冲液调节pH值→加酸性纤维素酶溶液→超声→离心→过滤,取滤液,加入4倍体积95%乙醇沉淀(2h)→过滤→78%乙醇溶液洗涤滤渣→干燥,称量,即得水溶性膳食纤维。1.3.3料液比min称取样品1g左右5份,分别放入5个50mL小烧杯中,按1:30料液比,摇匀,超声时间15min,功率150W,超声提取,离心,过滤,取滤液,醇沉,过滤,干燥。单因素水平为:料液比1:20、1:25、1:30、1:35、1:40;超声时间5、10、15、20、25min;超声功率75、100、125、150、175W。1.3.4酶添加量的选择称取1g左右样品5份,分别放入5个50mL小烧杯中,料液比1:30,摇匀,加入NaAc-HAc缓冲液,调节pH4.5~5.5,50℃,加入酸性纤维素酶分别为3%,摇匀,超声时间20min,超声功率100W,超声提取,离心,过滤,取滤液,醇沉,过滤,干燥。单因素水平为:加酶量1%、2%、3%、4%、5%;料液比1:20、1:25、1:30、1:35、1:40;超声时间5、10、15、20、25min;超声功率75、100、125、150、175W。1.3.5超声水提取和正交试验考察料液比、超声时间、超声功率3因素综合效应对水溶性膳食纤维提取率的影响,确立三因素三水平的正交试验因素水平,见表1。1.3.6超声波和酶法的正交试验考察加酶量、料液比、超声时间、超声功率4因素的综合效应对水溶性膳食纤维提取率的影响,确立四因素三水平的正交试验因素水平,见表2。1.3.7高纯度纤维提取率的计算1.3.8生姜中含有脱水纤维的自由基实验1.3.8.不同浓度的生姜sdf清除oh自由基的能力参考Fenton反应体系模型,在反应体系中(水杨酸-乙醇溶液9mmoL/L,Fe2+9mmoL/L,H2O28.8mmoL/L)加入具有清除·OH能力的物质,便会与水杨酸竞争·OH,而使有色物质生成量减少。采用固定反应时间法,在相同体积的反应体系中加入不同浓度的生姜SDF溶液,并用蒸馏水作空白对照,在波长510nm处测量加入不同浓度生姜SDF溶液后的吸光度,代入清除率计算公式便可计算出不同浓度的生姜SDF溶液清除·OH自由基的能力。式中:A1为0.5mL水杨酸-乙醇+1.0mLSDF+0.5mLFe2++5.0mLH2O2;A2为0.5mL水杨酸-乙醇+1.0mLSDF+0.5mL蒸馏水+5.0mLH2O2;A3为0.5mL水杨酸-乙醇+1.0mL蒸馏水+0.5mLFe2++5.0mLH2O2。1.3.8.邻苯三酚用量的测定采用邻苯三酚自氧化法生成O2-·,取0.05mol/LTris-HCI缓冲液(pH8.2)4.0mL,置于25℃水浴中预热20min,分别加入1mL待测液和lmL25mmoL/L邻苯三酚溶液,混匀后于25℃水浴中反应5min,加入8%HCl溶液100μL终止反应,波长320nm处测定吸光度(A)。以1mL蒸馏水代替待测液做空白实验。式中:A1为4mLTris-HCI+1mLSDF+2mL邻苯三酚;A2为4mLTris-HCI+1mLSDF+2mL蒸馏水;A3为4mLTris-HCI+1mL蒸馏水+2mL邻苯三酚。1.3.8.sdf/dmhph自由基a的制备DPPH自由基在95%乙醇溶液中是一种稳定的自由基,在波长517nm处有吸收峰,呈紫色。当自由基清除剂存在时,DPPH的孤对电子被配对,颜色变浅,在最大吸收波长处吸光度变小,且颜色变化与配对电子数成化学计量关系,因此,可用来评价自由基的清除情况。将4mL待测液加入2mL0.2mmoL/LDPPH自由基溶液,于25℃水浴中反应20min后于517nm处测定吸光度(Ai)。以蒸馏水代替待测液作空白实验。式中:A1为4mLSDF+2mLDPPH自由基;A2为4mLSDF+2mL95%乙醇;A3为4mL蒸馏水+2mLDPPH自由基。1.3.9姜中水生纤维的物理和化学性质1.3.9.样品湿质量测定准确称取生姜水溶性膳食纤维1g放入烧杯中,加入50mL蒸馏水,于室温搅拌24h,在3000r/min条件离心30min,除去上清液,称量样品的湿质量。1.3.9.水处理和放置准确称取生姜水溶性膳食纤维1g置于量筒中,加入25mL水,振荡均匀后,室温放置24h。观察可溶性膳食纤维样品在试管中的自由膨胀体积(mL),换算成每克干物质的膨胀体积(mL)来表示。2结果与分析2.1超声水提取物的一个可再生原材料2.1.1料液比对提取率的影响由图1可看出,随着料液比减小,可溶性膳食纤维得率逐渐增加,当料液比为1:30时,提取率最大为7.54%,后随着料液比的减小,可能由于部分可溶性膳食纤维溶解损失,提取率逐渐降低,故料液比为1:30时为最佳。2.1.2超声时间对可溶性膳食纤维提取率的影响由图2可看出,随着超声时间延长,提取率提高,当时间为20min时,达到最高点,可溶性膳食纤维提取率为8.25%,后随时间延长,可能长时间的超声波机械剪切作用会打断可溶性膳食纤维的链结构,造成提取率逐渐降低,故超声时间在20min时为最佳。2.1.3超声功率对可溶性膳食纤维提取率的影响由图3可看出,随着功率增大,提取率逐渐提高,当功率为100W时,达到最高点,可溶性膳食纤维提取率为7.90%,后随着功率值增大,提取率逐渐降低,故以超声功率100W为最佳件。2.2超声和酶法提取可溶性食品纤维的单因素试验2.2.1酸性纤维素酶加酶量对提取率的影响由图4可看出,随着酸性纤维素酶加酶量增加,提取率逐渐提高,当酸性纤维素酶量为3%时,达到最高点,可溶性膳食纤维提取率为12.68%,后随着加酶量的增加提取率逐渐降低,故酸性纤维素酶加酶量在3%时为最佳。2.2.2料液比对可溶性膳食纤维提取率的影响由图5可看出,随着料液比减小,提取率逐渐提高,当料液比为1:30时,达到最高点,可溶性膳食纤维提取率为10.14%,后随着料液比的减小,提取率逐渐降低,故料液比在1:30时为最佳。2.2.3超声时间对可溶性膳食纤维提取率的影响由图6可知,随着超声时间延长,提取率逐渐提高,当时间为20min时,达到最高点,可溶性膳食纤维提取率为12.29%,后随时间延长,提取率逐渐降低,故超声时间在20min时为最佳。2.2.4超声功率对提取率的影响由图7可看出,随着功率增大,提取率逐渐提高,当功率为125W时,达到最高点,可溶性膳食纤维提取率为10.04%,后随着功率值增大,可能由于过高功率的超声波机械剪切作用会打断可溶性膳食纤维的链结构,造成提取率逐渐降低,故以超声功率125W为最佳。2.3各因素对提取率的影响采用正交试验,优化超声水提法提取生姜中水溶性膳食纤维工艺条件,结果见表3。由表3可知,各因素对提取率的影响顺序为B>C>A,即超声时间>超声功率>料液比。最佳水平组合是A2B3C2,即料液比1:30、超声时间25min、超声功率100W,按最佳水平组合进行验证实验,生姜中水溶性膳食纤维提取率为10.02%。2.4各影响因素的提取率测定采用正交试验,优化超声结合酶法提取生姜中水溶性膳食纤维工艺条件,结果见表4。由表4可知,各因素对提取率的影响顺序为C>A>D>B,即超声时间>加酶量>超声功率>料液比。最佳水平组合为A2B1C3D1,即加酶量3%、料液比1:25、时间25min、超声功率100W,按最佳进行验证实验,生姜中水溶性膳食纤维提取率为13.86%。2.5姜中水生纤维对自由基的去除效果2.5.1提取线性关系原理由图8可知,在质量浓度1~9mg/mL内,清除率与SDF质量浓度呈线性关系,其线性方程为y=15.046x+11.21(R2=0.9982),根据线性方程得IC50(清除50%自由基时膳食纤维的质量浓度)为2.58mg/mL。2.5.2sdf质量浓度与清除率的关系如图9所示,在质量浓度0.1~0.9mg/mL内,SDF质量浓度与清除率呈线性关系,其线性方程为y=109.25x+4.3629(R2=0.9911),则IC50对应的质量浓度为0.42mg/mL。2.5.3sdf的dpph自由基清除率随dpph自由基的变化由图10可知,质量浓度在0.10~0.60mg/mL内,SDF对DPPH自由基的清除率随质量浓度增加逐渐加强,当质量浓度0.60mg/mL时清除率为40.16%,之后清除率变化缓慢。2.6姜中水生纤维的物理特性2.6.1水生食品纤维的保水性测试由表5可知,生姜水溶性膳食纤维的持水力为359%,说明生姜水溶性膳食纤维的持水力较高,是一种较优良的食物纤维。2.6.2纤维保水性的作用由表6可知,生姜水溶性膳食纤维的膨胀力为2.86mL/g,说明生姜水溶性膳食纤维具有良好的保水能力,能增加人体内粪便的体积,有利于软化粪便,人体内粪便的含水量增多,使人体内毒素的浓度降低,促使人体内粪便排出,产生自然通便作用,能相应减轻毒素对人体的危害,缓解诸如膀胱炎、膀胱结石和肾结石这类泌尿系统疾病的症状。3最佳提取工艺及提取率3.1在单因素试验的基础上,通过正交试验,优化提取工艺条件,超声水提取最佳工艺条件为料液比1:30、超声时间25min、超声功率100W,生姜中水溶性膳食纤维提取率最高为10.02%;超声结合酶法提取最佳工艺条件为加酶量3%、料液比1:2