3种改性方法对小麦麸皮膳食纤维结构与性质的影响

张洪微 杨铭铎 樊祥富 崔素萍

(哈尔滨商业大学食品工程学院1，哈尔滨 150076)(黑龙江八一农垦大学食品学院2，大庆 163319)

3种改性方法对小麦麸皮膳食纤维结构与性质的影响

张洪微1,2杨铭铎1樊祥富1崔素萍2

(哈尔滨商业大学食品工程学院1，哈尔滨 150076)(黑龙江八一农垦大学食品学院2，大庆 163319)

为获得具有良好功能性质的小麦麸皮膳食纤维，分别对挤压膨化改性、纤维素酶解改性和挤压-酶法改性的小麦麸皮膳食纤维的结构及性质进行测定与比较分析。研究结果表明：3种改性方法都可改变膳食纤维的微观结构，挤压改性的膳食纤维呈块状，酶解改性膳食纤维表面凹凸不平，而挤压-酶解改性膳食纤维表面出现孔状结构；改性后膳食纤维的持水力、膨胀力、溶解性和黏度以及对脂肪、胆固醇、亚硝酸根离子的吸附能力都相应提高，且挤压-酶解改性后各物性指标更优于挤压改性和酶解改性。因此，挤压-酶解法是一种较好的小麦麸皮膳食纤维的改性方法。

小麦麸皮膳食纤维 改性 微观结构 物性

膳食纤维(dietary fiber，DF)，通常被认为是一类不能被人体消化酶消化，主要由可食性植物细胞壁残余物及与之缔合的相关物质组成的化合物[1]。根据膳食纤维的溶解性，可将膳食纤维分为水不溶性膳食纤维 (IDF)和可溶性膳食纤维(SDF)2大类[2]。水不溶性膳食纤维可作用于肠道，促进肠道产生机械蠕动，而可溶性膳食纤维则可促进代谢，影响碳水化合物和脂类代谢，降低血脂胆固醇等[3]。因此，膳食纤维中SDF组成比例是影响膳食纤维生理功能一个重要因素[4]。

小麦麸皮中含有约40%的膳食纤维，是生产膳食纤维的优质资源。小麦麸皮经酶解后制得的粗膳食纤维中可溶性成分相对较少，且口感和风味较差，不利于其在食品加工中的应用，因此很多学者致力于膳食纤维的改性研究，采用不同的技术手段改变天然膳食纤维部分成分的相对含量、增加SDF的含量以强化膳食纤维的功能性[5～10]。

本试验采用挤压膨化、纤维素酶解法及挤压-酶解法3种方法对小麦麸皮膳食纤维进行改性，分别对3种改性的膳食纤维的超微结构、物化特性和吸附特性进行测定，分析不同改性方法对性质的影响，为小麦麸皮膳食纤维在食品中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

小麦麸皮膳食纤维、挤压改性膳食纤维、纤维素酶解改性膳食纤维、挤压-酶解改性膳食纤维：实验室自制；花生油：上海金龙鱼有限公司；猪油：杭州世衡家庭农场；葡萄糖、果糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖：天津市科密欧化学有限公司；胆固醇：天津市天新精细化工开发中心。

1.2 仪器与设备

721-E型可见分光光度计：上海光谱仪器有限公司；ZDO-2型真空冷冻干燥箱：宁夏亚麻技术设备有限公司；R-205型旋转蒸发仪：上海申胜生物技术有限公司；FEI Sirion型扫描电子显微镜：飞利浦公司；NDJ-8S型数字显示黏度计：上海精密科学仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 小麦麸皮膳食纤维及其改性膳食纤维的制备

1.3.1.1 小麦麸皮膳食纤维的制备

取小麦麸皮配成料液比1∶12的混合液，调节pH 7.0加入耐高温α-淀粉酶50 U/g，在70 ℃下酶解反应90 min，再加入碱性蛋白酶1.5 AU/g，调节pH 8.0，在65 ℃条件下，反应90 min后灭酶，加入5倍质量的次氯酸钠和过氧化氢混合液中脱色30 min，再以3 000 r/min的速度常温离心10 min，并用水洗涤至液体澄清，置于60 ℃干燥箱内干燥，制得小麦麸皮膳食纤维。

1.3.1.2 挤压改性膳食纤维的制备

取小麦麸皮膳食纤维，在物料含水量45%、进料速度为25 r/min、螺杆转速200 r/min、挤压温度为70-90-110-130-150 ℃条件下反应，制得挤压改性膳食纤维。

1.3.1.3 酶解改性膳食纤维的制备

以小麦麸皮膳食纤维为原料，在料液比为1∶10、纤维素酶用量为30 U/g、在pH 5.0、50 ℃条件下酶解5 h后，灭酶终止反应，制得酶解改性膳食纤维。

1.3.1.4 挤压-酶解膳食纤维的制备

以挤压改性膳食纤维为原料，采用纤维素酶解改性制得挤压-酶解改性膳食纤维。

1.3.2 小麦麸皮膳食纤维超微结构的分析

对小麦麸皮膳食纤维、挤压改性膳食纤维、酶解改性膳食纤维、挤压-酶解改性膳食纤维等样品粉碎至100～120目。其中，可溶性膳食纤维用95%的乙醇沉淀8 h后离心，在50 ℃条件下真空干燥24 h再粉碎。将样品用离子溅射镀膜法进行表面镀金，然后置于扫描电镜下观察。

1.3.3 物化特性分析

1.3.3.1 持水力与膨胀力的测定

参照Esposito等[11]的方法测定持水力，按式(1)计算小麦麸皮膳食纤维的持水力。

(1)

式中：W1为离心后样品与离心管的质量和/g；W0为离心管质量/g；3.0为小麦麸皮膳食纤维质量/g。

参考Femenia等[12]的方法测定膨胀，按式(2)计算小麦麸皮膳食纤维的膨胀力。

(2)

式中：V1为量筒中样品干品体积/mL；V2为加水膨胀后体积/mL；0.3为取样质量/g。

1.3.3.2 溶解性的测定

准确称取5 g(m1，干基)样品，加入100 mL去离子水，用磁力搅拌器分散均匀，转入250 mL容量瓶并定容，将容量瓶置于恒温水浴锅中保温20 min，趁热抽滤，准确移取50 mL滤液于恒重的100 mL烧杯中，60 ℃干燥5 h后，再于105 ℃干燥至恒重得m2，按式(3)计算样品溶解性[13]。

(3)

式中：m1为样品干重/g；m2为溶解的样品干重/g。

1.3.3.3 膳食纤维黏度的测定

不同浓度的膳食纤维样品黏度的测定：取小麦麸皮膳食纤维样品，配制成质量浓度为1、5、10、15 mg/100 mL的溶液，在20 ℃置于黏度仪下测定其黏度，测定参数为：转子型号1.0，转速60 r/min。

不同温度的膳食纤维样品黏度的测定：取质量浓度为15 mg/100 mL的小麦麸皮膳食纤维样品，分别在温度为20、30、40、50、60 ℃条件下，测定其黏度。

1.3.4 吸附特性分析

1.3.4.1 吸附脂肪能力的分析

参照Sangnark等[14]的方法测定不饱和脂肪吸附能力，按式(4)计算。

(4)

参照Sangnark[14]的方法测定饱和脂肪的吸附能力，按式(5)计算。

(5)

1.3.4.2 吸附胆固醇能力的分析

胆固醇标准溶液的配制[15]，以总胆固醇量(μg)为横坐标，吸光度值为纵坐标绘制标准曲线。

吸附胆固醇的测定：取鲜鸡蛋的蛋黄并称重，用9倍质量蒸馏水充分搅打成乳液。准确称取1.0 g小麦麸皮膳食纤维于200 mL三角瓶中，加入50 g稀释蛋黄液，搅拌均匀，分别调节体系pH值为2.0(模拟人体胃液环境)和7.0(模拟人体小肠环境)，置摇床中，37 ℃振荡2 h，于4 000 r/min下离心20 min，吸取1 mL上清液，用90%的醋酸稀释5倍，取0.1 mL，采用邻苯二甲醛作显色剂，在550 nm下比色。对照标准曲线换算出原蛋液中胆固醇含量和吸附后上清液中胆固醇含量，按式(6)计算胆固醇的吸附量。

胆固醇吸附量/mg/g=吸附前原蛋液胆固醇含量-吸附后上清液胆固醇含量/膳食纤维质量

(6)

1.3.4.3 吸附NO2-能力的分析

标准曲线的绘制：准确称取0.100 0 g干燥后的亚硝酸钠，配制成浓度为 5 μg/mL的亚硝酸钠标准使用液。取9支编号的试管，按表1分别加入亚硝酸钠标准使用液，分别置于50 mL带塞比色管中。于标准管与试样管中分别加入2 mL对氨基苯磺酸溶液(4 g/L)，混匀，静置3～5 min后各加入1 mL盐酸萘乙二胺溶液(2 g/L)，加水至刻度，混匀，静置15 min，在波长538 nm处测吸光度，绘制标准曲线。

表1 亚硝酸盐标准曲线试剂添加量

清除NO2-能力的测定：按照欧仕益等[16]提出的方法进行。按式(7)计算。

亚硝酸根吸附量/mg/g=(吸附前亚硝酸根含量-吸附后亚硝酸根含量)/膳食纤维质量

(7)

1.4 统计分析

所有试验数据为3次重复测定，数据统计采用SPSS软件进行单因素方差分析、检验(P≤0.05)。

2 结果与讨论

2.1 小麦麸皮膳食纤维结构分析结果与讨论

图1为小麦麸皮膳食纤维的超微结构图，由图1可见膳食纤维表面呈现有层次的条纹状，这是因为去除了小麦麸皮中的淀粉和蛋白质后，膳食纤维分子显现出来，分子以有序的方式排列并聚集在一起而形成条纹状。图2为粗膳食纤维进行挤压膨化后的膳食纤维，此时有序的条状纹路不再清晰，而是呈现块状，这可能是由于受到剪切、熔融、挤压等一系列作用，使纤维素分子重新排布聚结成块状。

图1 小麦麸皮膳食纤维结构图

图2 挤压改性膳食纤维结构图

小麦麸皮膳食纤维经纤维素酶处理后，超微结构变化明显，从图3可见其表面变得凹凸不平，小麦麸皮膳食纤维的束状结构消失，表面形成明显的网格状结构，这是因为在纤维素酶的作用下部分纤维素被水解，纤维素分子间的部分氢键被打开，导致表面出现凹痕，结构变得松散。小麦麸皮膳食纤维经过挤压-酶解改性后，纤维表面出现明显的孔状结构，形成较多的空洞，说明挤压后再进行酶解处理，可以使酶作用更深入纤维分子内部，使原来排列紧密的纤维素分子结构变得更加疏松。

图3 酶解改性膳食纤维结构图

图4 挤压-酶解改性膳食纤维结构图

通过分析可知：3种改性方法对小麦麸皮膳食纤维的结构都有明显的影响。因为改性可能使纤维素分子的长链发生断裂，微晶纤维素结构被破坏，纤维素分子间的氢键被打开，使更多的羟基暴露出来，所以提高了膳食纤维的溶解性。挤压-酶解的改性方法与另外2种方法相比，对小麦麸皮膳食纤维的影响更加明显，因此其改性效果更优于另外2种改性方法。

2.2 物化特性分析

2.2.1 持水力和膨胀力的分析结果

从表2可以看出，改性的膳食纤维的持水力与膨胀力与小麦麸皮膳食纤维差异显著，这是因为小麦麸皮膳食纤维的结构致密，亲水基团多被包裹在结构内部，因此持水力与膨胀力较低；而粗膳食纤维经改性后，由于经挤压或酶解打开了纤维素分子间的某些氢键，使亲水基团暴露出来，而增加了水结合部位；挤压-酶法改性后的膳食纤维的持水力和膨胀力最高，这是因为挤压改性使原来聚集在一起的纤维素分子被打开分解成块状，使纤维素酶更容易作用于酶解位点，进而使膳食纤维结构变得更加疏松，因此提高了持水力和膨胀力。

表2 不同膳食纤维样品的持水力和膨胀力

注：小写字母不同表示同行数据间差异显著，(P≤0.05)。表7、表8、表9同。

2.2.2 溶解性分析结果

小麦麸皮膳食纤维已除去麸皮原料中的大部分淀粉和蛋白质，所以其溶解性变得较差。从表3可以看出，小麦麸皮膳食纤维经改性后，各改性产物的溶解性都有所提高，且均随着温度的升高而提高。改性可以释放更多的亲水基团，而增加膳食纤维的溶解性。不同的改性方法在不同温度下的溶解性有显著差异，挤压膨化-酶法改性的膳食纤维溶解性明显高于另外2种改性的膳食纤维，也说明挤压-酶法改性的效果更好，生成更多的可溶性膳食纤维也利于溶解性的提高。

表3 不同膳食纤维样品在不同温度下的溶解性/%

注：小写字母不同表示同列数据间差异显著，(P≤0.05)。表5、表6同。

2.2.3 黏度测定结果

2.2.3.1 不同浓度的膳食纤维样品黏度测定结果

从表4可以看出，不同浓度的膳食纤维的黏度也各不相同，其黏度值均随着各种膳食纤维的浓度的增大而增大，且低于15 mg/100 mL时，增幅逐渐增大；在相同浓度下，不同改性方法对黏度的影响有显著差异，但在10 mg/100 mL下，挤压改性和酶解改性膳食纤维黏度差异不显著。改性后的膳食纤维的黏度都有所提高，而挤压-酶解改性的膳食纤维的黏度提高显著，说明黏度也受膳食纤维的组成成分影响，经挤压-酶解改性的膳食纤维中可溶性膳食纤维含量增多，也是黏度增大的原因之一。

表4 不同浓度膳食纤维的黏度测定结果/mP·s

2.2.3.2 不同温度下膳食纤维样品黏度测定结果

从表5可以看出，相同温度下不同改性方法对膳食纤维的黏度的影响有显著差异，挤压-酶解改性的膳食纤维黏度升高明显，这可能是随着可溶性膳食纤维含量的增多黏度增大而引起。随着温度升高，各种膳食纤维样品的黏度逐渐降低，但这种降低的趋势总体上变缓。这是因为温度升高分子间的运动加剧，分子间摩擦力降低，所以黏度逐渐下降，直到分子间运动与分子间摩擦阻力达到平衡后，黏度才趋于稳定。

表5 不同温度下膳食纤维的黏度测定结果/mP·s

2.3 吸附特性分析结果

2.3.1 吸附脂肪能力的分析结果

从表6可以看出，改性后的膳食纤维产品无论对饱和脂肪还是不饱和脂肪的吸收都比改性前有所提高，改性后吸油力与改性前差异显著，说明改性后不仅亲水性基团暴露出来，一些非极性的基团也会暴露出来，进而增加了其吸油性，挤压-酶解改性对膳食纤维原有的致密结构破坏的更大，其非极性基团暴露的最多，吸附脂肪的能力最好。

表6 不同膳食纤维的吸油力比较表/g/g

2.3.2 吸附胆固醇能力的分析结果

根据胆固醇的标准曲线得线性回归方程为：Y=0.015 7X+0.001 7，相关系数为0.999 6。

从表7中可以看出，所有的样品在人体小肠环境下(pH 7)对胆固醇的吸附量均比在胃液环境下(pH 2)对胆固醇的吸附量要高。改性后的膳食纤维比小麦麸皮膳食纤维对胆固醇的吸附量都高，挤压-酶解改性膳食纤维对胆固醇的吸附效果最好，这可能和其具有较多较深的孔状结构有关，而pH 7时挤压改性与酶解改性对胆固醇的吸附量差异不显著，说明2种方法对膳食纤维结构的影响相似。

表7 不同pH下对胆固醇的吸附结果/mg/g

2.3.3 吸附亚硝酸根离子能力的分析结果

根据亚硝酸钠标准曲线，经计算得到相应的回归方程为：Y=0.762X，R2=0.998 3。

表8 不同pH下对亚硝酸根离子的吸附结果/mg/g

从表8中可见，不同改性的膳食纤维在人体胃环境(pH 2)下对来硝酸根离子的吸附量有显著差异，而在人体小肠环境(pH 7)下，挤压改性和酶解改性的膳食纤维与未改性前的吸附没有显著差异，但挤压-酶解改性方法明显优于前2种方法。膳食纤维在人体胃环境(pH 2)比在人体小肠环境(pH 7)对亚硝酸根离子吸附效果好的多，而且改性后的吸附效果都优于小麦麸皮膳食纤维，尤其是挤压-酶解改性后吸附效果更加明显。一般认为，膳食纤维清除亚硝酸根离子的有效成分是酚类物质，而小麦麸皮膳食纤维中主要的酚类物质以阿魏酸为主，酸性条件下阿魏酸清除亚硝酸根离子的效果更好。改性后的膳食纤维，分子间连接键断裂，可能使部分阿魏酸被释放出来，而起到了清除亚硝酸根离子的作用。

3 结论

3．1 小麦麸皮膳食纤维经3种方法改性后，其表面结构和微观结构都发生了相应变化。小麦麸皮膳食纤维表面呈现有层次的条纹状，结构较致密。改性后结构改变，挤压改性的膳食纤维呈块状，酶解改性膳食纤维表面凹凸不平，而挤压-酶解改性膳食纤维表面出现有一定深度的孔状结构，说明3种改性方法使小麦麸皮膳食纤维的结构越来越疏松。

3．2 改性后膳食纤维的持水力、膨胀力、溶解性和黏度都比改性前有所提高，且挤压-酶解改性后各物性指标提高都明显优于挤压改性和酶解改性。

3．3 改性后膳食纤维的吸附能力提高，挤压-酶解改性膳食纤维的吸附脂肪能力最强；pH 7比pH 2条件下对胆固醇的吸附量高；而对亚硝酸根离子的吸附效果则是pH 2条件下优于pH 7，挤压-酶解改性膳食纤维对胆固醇和亚硝酸根离子的吸附效果都好于另外两种改性方法。

3种改性方法小麦麸皮膳食纤维的微观结构和性质都有一定影响，而挤压-酶解改性对小麦麸皮膳食纤维影响最大，其物性和吸附能力改善明显，因此挤压-酶解改性不失为一种优良的改性方法。

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Effects of Three Modification Methods on the Structure and Characters of Wheat Bran Dietary Fiber

Zhang Hongwei1,2Yang Mingduo1Fan Xiangfu1Cui Suping2

(Institute of Food Engineering, Haerbin University of Commerce1, Haerbin 150076)(College of Food Science, Heilongjiang Bayi Agricultural University2, Daqing 163319)

In order to acquire good functional properties of wheat bran dietary, the structure and properties of wheat bran dietary were measured and analyzed comparatively after wheat bran dietary were modificated by extrusion,cellulose enzyme hydrolysis and extrusion-enzymatic methods, respectively. The results showed that the microstructures of dietary fiber were all changed by the three modification methods. The dietary fiber modified by extrusing displayed schistose structure. The surface of dietary fiber modified by enzyme became uneven, and there were some hole structures with certain depth on the surface of dietary fiber modified by extrusion-enzyme coaction. Moreover, after modification，the dietary fiber properties including water holding capacity, swelling power, solubility and viscosity of were increased to some extent, and as well as its adsorptivity to fat, cholesterol, nitrite ion .And in addition，extrusion-enzymatic modification testified about more significantly effects on the all physical properties than the other two modification methods mentioned in present paper. Therefore, extrusion-enzymatic hydrolysis method was proved to be one of the better modification method of wheat bran dietary fiber.

wheat bran dietary fiber, modification, microstructure, physical properties

TS235.2

A

1003-0174(2016)12-0012-06

黑龙江省自然科学基金(C201041)

2015-04-22

张洪微，女，1975年出生，讲师，食品科学

杨铭铎，男，1956年出生，教授，传统食品工业化