物理改性对燕麦麸皮不溶性膳食纤维理化特性的影响

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(佛山科学技术学院食品科学与工程学院,广东佛山 528231)

物理改性对燕麦麸皮不溶性膳食纤维理化特性的影响

钟先锋,黄伟志,黄桂东*,陈韵,梁舒妍,黄雯丽

(佛山科学技术学院食品科学与工程学院,广东佛山 528231)

通过分析物理改性对燕麦麸皮不溶性膳食纤维特性的影响,为进一步研究水不溶性燕麦麸皮膳食纤维的保健功能提供科学依据。采用以500 MPa 20 min 60 ℃超高压、1500 W 30 min超声波及其联合的方法处理不溶性膳食纤维,分析了物理改性对燕麦麸皮不溶性膳食纤维比面积和粒度、持油性、持水性、膨胀度、悬浮粘度、离子交换能力的影响。结果表明:超高压联合超声波处理比两者单独处理效果显著(p<0.05),以1%燕麦麸皮IDF为例,两者联合处理能显著(p<0.05)增加燕麦麸皮不溶性膳食纤维比面积13.49倍、持油性2.92倍、膨胀度、粘度值和阳离子交换能力,减少纤维粒度2.8倍,减少持水性2.25倍(持水性以16%燕麦麸皮IDF为例)。因此认为物理改性能加大燕麦麸皮不溶性膳食纤维的综合利用,提高农产品的附加值和食品资源的再利用程度。

物理改性,燕麦,麸皮,不溶性膳食纤维

膳食纤维(Dietary Fiber,DF)被称为继淀粉、蛋白质、脂肪、维生素、矿物质和水之后的第7种营养元素,是指植物类食品中不被人体胃肠道消化酶消化,但能被人体胃肠道系统内定殖的部分微生物酵解或利用的,特指非淀粉性多糖类和木质素的合称[1]。根据溶解性的不同,DF可分为可溶性膳食纤维(Soluble Dietary Fiber,SDF)和不溶性膳食纤维(Insoluble Dietary Fiber,IDF)[2]。燕麦麸皮是燕麦加工的副产物,是燕麦含有膳食纤维最多的部分,其DF含量高达36%以上,其中IDF约占三分之二[3]。

研究表明,IDF和SDF按照2∶1的比例摄取比较合适,在人体内具有不可替代的生理功能[4]。美国FDA推荐成人每日摄入DF 20～35 g/d,其中IDF要达到14～26 g/d,世界卫生组织(WHO)建议的最低日常IDF的摄入量为18 g/d[5]。但研究却发现,2013年全世界平均DF摄入量远低于推荐水平(中国城市居民,平均DF摄入量分别是11.8 g/日),而高血脂、糖尿病、心脑血管疾病、肥胖症、便秘、胃肠道病变等现代“文明病”与日常饮食结构中IDF摄入量的相对不足有关[6]。因此,食品中IDF的有效添加及利用已成为科学研究工作者及消费者密切关心的问题。

IDF专一性较差,未进行物理改性的IDF会影响食品感官品质。通过适当手段对IDF进行改性处理,改变其部分组成聚合物的化学结构与相对含量,新增或强化其生理功能特性,对有效利用IDF、更好地发挥其生理功能具有重要作用[7-8]。目前常见的IDF改性处理方法有化学法和物理法。化学处理法主要是采用酸、碱等化学试剂处理,改变膳食纤维结构,如羧甲基化,以期获得IDF,但存在转化率低、反应时间长、同时引入不必要的阴阳离子造成后期加工不变[9];物理改性方法是使纤维物质发生破碎、膨化,进而改变其理化性质,操作简单,主要有螺杆挤压技术、高温蒸煮技术、超高压技术(ultra high voltage,UHV)、超声波处理(ultrasonic wave,UW)和超微粉碎技术等[10-11]。这些物理的、化学的以及其联合处理的方法都可以用来制备IDF[12-13]。本文拟探讨UHV、UW及二者联合处理对燕麦麸皮IDF特性的影响,以期为燕麦麸皮IDF的综合利用及功能开发提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

燕麦麸皮IDF 实验室自制；α-淀粉酶 5000 U/g,上海士锋生物科技有限公司；糖化酶 10万U/g,南宁东恒华道生物科技有限公司；木瓜蛋白酶 60万U/g,南宁东恒华道生物科技有限公司。

S-FL-085-9-W超高压处理系统 英国STANSTED公司;PC1800N型超声波破碎机 上海皓庄仪器有限公司;HORIBA激光散射粒度分布分析仪 天津东方科捷科技有限公司;FlowSorb3 2310型比表面积分析仪 美国Micromeritics公司;JMS-240型胶体磨 廊坊通用机械制造有限公司;SSD型低速离心机 张家港市拓邦机械有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 燕麦麸皮IDF制备工艺 燕麦麸皮IDF提取工艺参照刘德讲等[14]工艺改进。燕麦麸皮→粉碎→浸泡洗涤→淀粉酶酶解→糖化→蛋白酶酶解→去除上清液→沉淀物(丙酮洗涤2～3次)→干燥→H2O2脱色→干燥→粉碎→燕麦麸皮IDF

1.2.2 燕麦麸皮IDF超高压改性 用去离子水将1.2.1制备得到的燕麦麸皮IDF,分别调配成1%、2%、4%、8%、16%(w/v)的悬浮液,用高速搅拌机分散均匀,装入超高压包装袋中。参考文献[15]方法,部分改进,超高压改性技术参数为:500 MPa,20 min,60 ℃。改性后的燕麦麸皮IDF,真空干燥,-4 ℃保存,测定改性前后IDF的理化性质。

1.2.3 燕麦麸皮IDF超声波改性 前期处理同1.2.2,配制梯度悬浮液,用高速搅拌机分散均匀,接着进行UW改性处理,参考文献[16]方法改进,超声波改性技术参数为:1500 W,30 min。改性后的燕麦麸皮IDF,真空干燥,-4 ℃保存,测定改性前后IDF的理化性质。

1.2.4 燕麦麸皮IDF的超高压和超声波联合处理改性 方法操作同1.2.2和1.2.3。制备得到燕麦麸皮IDF,先经UHV处理20 min,后经UW处理30 min。

1.2.5 燕麦麸皮IDF比表面积和粒度分析 用HORIBA激光散射粒度分布分析仪进行燕麦麸皮IDF分析,粒度采用体积平均粒径表示;比表面积采用FlowSorb3 2310型比表面积分析仪在60 ℃下脱气30 min,低温氮吸附法测定。

1.2.6 燕麦麸皮IDF持油性(Oil holding capacity,OHC)检测 分别称取0.10 g不同方法处理后的燕麦麸皮IDF,于50 mL离心管中,加入市售调和油10 mL,充分混匀,60 ℃下放置 1 h,2000 r/min 离心15 min,移除上层油,称重。计算每克燕麦麸皮IDF结合脂肪的重量(单位g油/g燕麦麸皮IDF)。

1.2.7 燕麦麸皮IDF持水性(Water holding capacity,WHC)检测 操作方法同1.2.6,离心后的样品,移除上层去离子水,称重。计算每克燕麦麸皮IDF结合水的重量(单位mL水/g燕麦麸皮IDF)。

1.2.8 燕麦麸皮IDF膨胀度(Swelling capacity,SWC)检测 分别称取0.10 g不同方式处理后的燕麦麸皮IDF,于10 mL的量筒中,加入10 mL的蒸馏水,轻轻的搅拌以除去其中残留的气泡。然后在量筒上方缠上保鲜膜(防止水分的挥发)置于室温下24 h让纤维素充分吸水。样品吸水后的体积(mL)即是其膨胀度,表示为mL/g干样品。

1.2.9 燕麦麸皮IDF悬浮液黏度检测 分别称取0.20 g不同处理方式下的燕麦麸皮IDF,于50 mL烧杯中,加入20 mL的蒸馏水,1000 r/min均质1 min,置于室温下0.5 h,用黏度计测定悬浮液表观黏度。

1.2.10 物理改性对燕麦麸皮IDF离子交换能力的影响 参考文献[17]方法,部分改进,分别称取0.20 g不同方式处理后的燕麦麸皮IDF,加入20 mL的0.1 mol/L的HCl,常温浸泡24 h后过滤,残渣用去离子水洗至洗脱液pH显中性(pH≥4),直到用10%的硝酸银滴定溶液检验不含氯离子后,置于60 ℃鼓风干燥箱中烘干至恒重。准确称取0.10 g干燥滤渣,加入质量分数为15% NaCl溶液100 mL,搅拌均匀,用0.01 mol/L的标准NaOH溶液滴定,记录相应的体积和pH,据得到的数据作VNaOH-pH关系图。

1.3 数据处理方法

采用统计分析软件SPSS 19.0,进行F检验,单项方差分析。采用SigmaPlot 12.0作图。

2 结果与分析

2.1 燕麦麸皮IDF比表面积和粒度分析

比表面积(specific surface area,SSA)是纤维特性的一个重要指标[18]。表1显示了UHV、UW和UHV+UW处理后燕麦麸皮IDF比表面积和粒度的变化。由表可知,经UHV+UW处理的燕麦麸皮IDF,粒度最小,比表面积最大,且呈浓度依赖关系。随着悬浮液浓度升高,比表面积显著降低、粒度显著增加(p<0.05)。悬浮液浓度为1%和16%时,其比表面积分别为3.159 m2·g-1和2.341 m2·g-1,平均粒度分别为74.6 μm和81.2 μm。经UHV和UW单独处理后的样品,其比表面积随悬浮液浓度的上升而减小,平均粒度随悬浮液浓度的上升而增大,又以单独UW处理的燕麦麸皮IDF粒度方面的影响最小。体外消化研究证明,植物纤维功能的发挥与其粒度和比表面积的大小有一定的关系,纤维粒度的减小能显著提高其生物有效性[19]。同时,限制植物纤维素被人体或胃肠道微生物利用的主要因素是,纤维细胞壁上有被纤维素酶作用的位点[20]。植物纤维粒度越小、比表面积越大、植物纤维可降解位点越多,意味着纤维越易被降解。

表1 物理改性对燕麦麸皮IDF比表面积和粒度的影响Table 1 Effects of physical modification on specific area and particle size of IDF from oat bran

注:a、b、c、d、e等字母表示相同改性方式处理,不同悬浮液浓度组间有显著性差异(p<0.05)。

2.2 物理改性对燕麦麸皮IDF持油性的影响

经物理改性处理的燕麦麸皮IDF,持油性上升。以1%、16%燕麦麸皮IDF组为例,在1%的浓度中,UHV、UW和UHV+UW处理后的燕麦麸皮IDF持油性分别是未改性前(2.63 g/g)的2.56倍(6.72 g/g)、1.80(4.74 g/g)和2.92(7.66 g/g)倍;在16%的浓度中,UHV、UW和UHV+UW处理后的燕麦麸皮IDF持油性分别是未改性前(2.00 g/g)的2.94倍(5.87 g/g)、1.98(3.95 g/g)和3.38(6.75 g/g)倍;表明经物理改性处理的燕麦麸皮IDF的持油性都能增加一倍多以上。由图1可知,UHV+UW联合处理对持油性影响最大,UHV处理比UW处理影响大。UHV+UW联合处理提高燕麦麸皮IDF持油性的主要原因,一方面与UHV和UW处理引起的燕麦麸皮IDF粒度减小有关,粒度的降低,提高了燕麦麸皮IDF的毛细管吸引力,从而提高了油类物质的物理截留[21]。另一方面,UHV处理使燕麦麸皮IDF产生大量疏松多孔的结构,大幅提高了持油性;UW对燕麦麸皮IDF表面的剥蚀和粒度的减小一定程度的提高了持油性。因此,从持油性方面来看,物理改性后的燕麦麸皮IDF可较好的应用到需要保持油吸收的食品中。

图1 物理改性对燕麦麸皮IDF持油性的影响Fig.1 Effect of physical modification on oil holing capacity of idf from oat bran注:a、b、c、d等字母表示相同改性方式处理, 不同燕麦麸皮IDF浓度组间有显著性差异(p<0.05)。

2.3 物理改性对燕麦麸皮IDF持水性的影响

与持油性结果类似,燕麦麸皮IDF经过物理方法处理后,持水性也有上升,其中UHV+UW处理上升幅度最大。以16%燕麦麸皮IDF组为例,UHV、UW和UHV+UW处理后的燕麦麸皮IDF持水性分别是未改性前持水性(4.06 mL/g)的1.80倍(7.29 mL/g)、1.42倍(5.77 mL/g)和2.25(9.12 mL/g)倍。结合表1和图2,可以发现持水性的升高与颗粒尺寸以及比表面积的降低趋势一致,原因可能是粒径的降低增加了燕麦麸皮IDF的孔隙度和毛细引力,也可能是微米级或纳米级的燕麦麸皮IDF可溶性部分所占的比例增加所致,此外,UHV和UW带来的物理结构和聚合形式的改变也影响燕麦麸皮IDF的持水特性[22]。

图2 物理改性对燕麦麸皮IDF持水性的影响Fig.2 Effect of physical modification on water holing capacity of IDF from oat bran注:a、b、c、d等字母表示相同改性方式处理,不同燕麦麸皮IDF浓度组间有显著性差异(p<0.05)。

2.4 物理改性对燕麦麸皮IDF膨胀度的影响

燕麦麸皮IDF的膨胀度与持水性,都是评估纤维类物质水结合能力的重要参数[13]。纤维的水结合能力与其结构、密度和水结合位点的性质和数量有关[6]。因UHV和UW等物理改性过程导致的微粉化,造成燕麦麸皮IDF纤维粒径减小,增加了比表面积,暴露了更多水结合位点(例如极性基团或糖醛酸基团),从而导致膨胀度和持水性的显著改善(p<0.05)[17]。另外,物理改性后,燕麦麸皮IDF经真空干燥,使IDF分散介质由于升华被除去,IDF相邻的纤维素分子之间的氢键相互接近,直到它们组装成细长的纤维,最后聚集成三维网络构造[24],这也会大大提高燕麦麸皮IDF膨胀度和持水性。

图3 物理改性对燕麦麸皮IDF膨胀度的影响Fig.3 Effect of physical modification on swelling degree of IDF from oat bran注:a、b、c等字母表示相同改性方式处理,不同燕麦麸皮IDF浓度组间有显著性差异(p<0.05)。

2.5 物理改性对燕麦麸皮IDF悬浮液黏度的影响

如图4所示,随着燕麦麸皮IDF悬浮液浓度的增大和粒径的减小,黏度值均有一定程度上升。对比未物理改性组、UHV处理组、UW处理组和UHV+UW处理组等四组数据比较发现,其燕麦麸皮IDF黏度值大小为:UHV+UW处理组>UHV处理组>UW处理组>未物理改性组,组间差异显著(p<0.05)。结合表1分析可知:燕麦麸皮IDF悬浮液粒度越小,比表面积越大,暴露的基团越多,导致其分子间力越大、结构越紧密,变形所需的剪切力越大,使得黏度变大[25]。

图4 物理改性对燕麦麸皮IDF悬浮液黏度的影响Fig.4 Effect of physical modification on suspension viscosity of IDF from oat bran

2.6 物理改性对燕麦麸皮IDF阳离子交换能力的影响

由图5可知,UHV、UW和UHV+UW与未物理改性组IDF对阳离子交换能力各不相同,其中UHV+UW处理组阳离子交换能力最强,UHV组对阳离子交换能力的影响强于UW处理组,未物理改性组最弱。当NaOH消耗量达到0.8 mL时,不同组燕麦麸皮IDF阳离子交换能力趋于稳定。阳离子交换能力随粒度的降低而增加,可以归因于糖醛酸或离子结合位点暴露的增加。纤维分子结构带有一些侧链基团,上面的羧基和氨基可以起到弱酸性阳离子交换作用,与阳离子实现可逆交换[26]。物理改性后,燕麦麸皮IDF的比表面积增大,粒度减小,使更多能进行有机阳离子交换的基团暴露出来,弱酸性表现更明显,阳离子交换能力越强。当IDF被摄入到机体内,可增强胆固醇运送能力,减少其在小肠中吸收的时间,同时也能起到维持机体胃肠道的pH,为渗透压和化学反应提供缓冲环境,可与Ca2+、Zn2+等阳离子结合,维持钾钠离子平衡,吸附Na+并使之随粪便排出体外,降低食盐摄入过多而引起的心脑血管等疾病的发病率[17]。

图5 物理改性对燕麦麸皮IDF阳离子交换能力的影响Fig.5 Effect of physical modification on cation exchange capacity of IDF from oat bran

3 结论

本研究结果表明:在500 MPa 20 min 60 ℃ UHV、1500 W 30 min UV的参数条件下,UHV和UW等物理改性方法可有效改善IDF理化特性(p<0.05),其效果:UHV+UW>UHV、UV>未改性,其中UHV和UW联合处理,能减少燕麦麸皮IDF粒度13.49倍(以1%燕麦麸皮IDF为例)、持油性2.92倍(以1%燕麦麸皮IDF为例)、粘度值和阳离子交换能力,减少纤维粒度2.8倍(以1%燕麦麸皮IDF为例),减少持水性2.25倍(以16%燕麦麸皮IDF为例),从而使改性的IDF更适合于纤维强化食品。此结果可为研究水不溶性燕麦麸皮膳食纤维的综合利用和保健功能提供科学依据。

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Effectsofphysicalmodificationonphysicochemicalpropertiesofinsolubledietaryfiberfromoatbran

ZHONGXian-feng,HUANGWei-zhi,HUANGGui-dong*,CHENYun,LIANGShu-yan,HUANGWen-li

(College of Food Science and Engineering,Foshan University,Foshan 528231,China)

The aim of the present study was to investigate the effect of physical modification on the properties of insoluble dietary fiber from oat bran,which might be theoretical basis for further research on the health function of insoluble oat bran dietary fiber. The physicochemical properties of oat bran insoluble dietary fibers,including specific area and particle size,oil holding capacity,water holding capacity,swelling degree,suspension viscosity and cation exchange capacity,were analyzed under the treatment of 500 MPa 20 min 60 ℃ultra high pressure,1500 W 30 min ultrasonic and ultra high pressure with ultrasonic. Results showed that the physical modification of ultra high pressure with ultrasonic was significantly more effective than the separate treatment of ultra high pressure or ultrasonic(p<0.05). Taking 1% oat bran IDF as an example,the both treatment of ultra high pressure with ultrasonic treatment can significantly(p<0.05)increase the specific area of 13.49 times,holding oil capacity 2.92 times,swelling degree,viscosity and cation exchange capacity of the oat bran insoluble dietary fiber,and reduce fiber size 2.8 times and water holding capacity 2.25 times(water holding capacity was taking 16% oat bran IDF as an example). Therefore,it was considered that the physical modification would increase the comprehensive utilization of oat bran insoluble dietary fiber,increase the added value of agricultural products and reuse the food resources.

physical modification;oat;wheat bran;insoluble dietary fiber

2017-05-02

钟先锋(1981-)，男，博士，副教授，研究方向：食品加工与安全控制，E-mail：zhongxf81@126.com。

*通讯作者:黄桂东(1979-)，女，博士，特聘教授，研究方向：发酵工程，E-mail：guidongh78@126.com。

国家自然科学基金(31660459，31501476)；江苏省自然科学基金(BK20150139)；佛山市科技局项目(2016AB000011，2016GA10155)；无锡市卫计委重点项目(YGZYZ1508)。

TS201.1

A

1002-0306(2017)23-0035-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.23.008