黑小麦麸皮可溶性膳食纤维的提取及其功能性质研究

罗　磊　张　宽　王雅琪　马丽苹　朱文学

(河南科技大学食品与生物工程学院；河南省食品原料工程技术研究中心，洛阳　471023)

黑小麦(Black Wheat，BW)是一种呈蓝、紫、紫黑、黑等颜色较深的新型作物[1]，含丰富的生物活性物质，以其特殊的营养价值而备受关注。 黑小麦麸皮(Black Wheat Bran，BWB)是黑小麦加工过程中的副产物，口感比较粗糙，极少应用于食品当中。目前国内外对黑小麦麸皮的研究较少，孙元琳等[2]对黑小麦麸皮酚酸物质进行定性与定量研究；李伟等[3]对黑小麦麸皮花色苷组分进行测定及功能性质研究；对黑小麦麸皮中可溶性膳食纤维的提取及功能性质研究鲜见报道。

根据膳食纤维(Dietary Fiber，DF)的溶解性可把DF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)。其多糖的组成结构赋予膳食纤维一些独特的性质，直接影响人体的生理效应。 SDF能降低血清和肝中的胆固醇，防止高血压降低血糖，这已被国内外大量的研究和流行病调查结果所证实。Othman等[4]研究发现β-葡聚糖可降低血浆总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇水平约 5%～10%。徐苗军[5]的研究可证实SDF具有较强的吸附胆酸钠作用，这种作用被认为是膳食纤维降血脂功能机理之一。

有研究表明，超声可破坏植物细胞壁，提高SDF的得率[6]。刘显波等[7]研究发现通过酶解得到的SDF呈多孔蜂窝状，增加其可溶性。超微粉碎技术使颗粒超细化，比表面积增加，与酶解液充分接触使得SDF更易溶出[8]。因此本实验采取超声辅助酶解提取黑小麦麸皮中的SDF，并对其组分、理化性质以及功能性质进行研究。为提高黑小麦麸皮的附加值和综合利用提供参考。

1　材料与方法

1.1　材料与试剂

黑小麦麸皮：中普彩麦公司；普通小麦鸡蛋、花生油、自制猪油(食品级)：市售；纤维素酶(20 000 U/g，食品级)：江苏瑞阳生物科技有限公司；α-淀粉酶：北京奥博星生物技术有限责任公司；葡萄糖苷酶、中性蛋白酶、胆酸钠：上海蓝季生物科技发展有限公司；胆固醇(AR95%)：上海伯奥生物科技有限公司。

1.2　仪器与设备

KQ-500DE型数控超声波清洗器：昆山市超声仪器有限公司；HC-1000Y型高速粉碎机：北京市永光明医疗仪器；UV2400紫外可见分光光度计：上海舜宇恒平科学仪器有限公司； PHS-3C pH计：上海越平科学仪器有限公司； QYC2102C全温空气摇床：上海福马实验设备有限公司；TENSPOR27傅里叶红外变换光谱仪：德国BRUKER仪器公司。

1.3　方法

1.3.1BWB的预处理

取1 kg试样经热稳定的α-淀粉酶50 μL/g、中性蛋白酶[9]100 μL/g和葡萄糖苷酶100 μL/g酶解去除蛋白质和淀粉后，用温水多次洗涤至水清澈。在121 ℃、30 min的高压锅中进行蒸煮灭酶，然后干燥至恒重。超微粉碎，过筛得到不同粒径BWB超微粉末。

BWB-SDF的得率按照公式计算：

式中：TDF为总膳食纤维。

1.3.2工艺流程

黑小麦麸皮→湿蒸→干燥→超微粉碎→过筛→酶解→超声→灭酶→离心→过滤→浓缩→醇沉→离心→过滤→脱色→干燥→SDF成品。

1.3.3单因素的实验设计方案

在水浴温度为60 ℃、超声时间为25 min的条件下考察液料比(20∶1、25∶1、30∶1、35∶1、40∶1、45∶1V/m)，水浴时间(40、50、60、70、80、90 min)，酶底比(50、100、150、200、250、300 U/g)，超声功率(200、250、300、350、400 W)四个因素对SDF得率的影响。

1.3.4通过单因素实验确定最佳提取工艺参数

以液料比(X1)、水浴时间(X2)、酶底比(X3)、超声功率(X4)为影响提取效果的工艺参数，进行四因素五水平的二次通用旋转组合实验设计。将BWB-SDF得率作为响应值，采用Design-Expert 8.0.6软件对所得数据进行处理并分析，得出对BWB-SDF提取的最佳工艺条件。

1.4　抗氧化活性实验

羟自由基清除能力的测定参考[10-13]的方法，并做一定的调整。还原力的测定采用铁氰化钾法[14]。

1.5　SDF的物化特性

参考梅新等[15]BWB-SDF的持水力和膨胀力，并按公式计算：

1.6　静态体外实验

1.6.1SDF对胆固醇吸附作用的测定

采用邻苯二甲醛法在550 nm下比色测定胆固醇含量[16]。质量浓度范围在0～0.4 mg/mL得到标准曲线y=0.011 32x+0.068 22，R2=0.998 69。

SDF对胆固醇的吸附量=

1.6.2SDF对不饱和脂肪与饱和脂肪吸附作用的测定

参照黄才欢等[17]的方法进行测定。

1.6.3SDF对胆酸钠吸附作用的测定

用糠醛比色法绘制标准曲线且在620 nm下测定其吸光度值并绘制时间-吸光度折线图，胆酸钠的浓度范围在0～1.2 mg/mL时，得到标准曲线y=0.047 68x+0.028 11，R2=0.999 34。

1.7　傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析

参考Yao等[18]的方法，测定红外光谱曲线。

1.8　数据统计分析方法

实验重复3次，利用Excel软件处理实验数据，利用Origin8.5软件进行绘图。采用DPS v7.05数据处理软件设计了四因素五水平31个实验点，利用Design8.06软件建立模型并进行响应面分析。

2　结果与分析

2.1　超微粉碎后粒径对BWB-SDF得率的影响

由图1可知在50～400目(粉末粒径270～38 μm)时随着目数的增加BWB-SDF的含量也呈上增趋势，这是因为超微粉碎之后粒径变小，比表面积变大，与酶的接触也就越充分，使得SDF更容易溶出，得率达到16.11%。400～500目(粒径38～25 μm)得率下降是因为颗粒过细影响提取效果，这与陈铭等[19]的研究结果分析一致。过500目筛(粒径小于25 μm)时，得率为15.72%，较400目变化较小，因此，选择通过400目而未通过500目的BWB进行研究。

图1　粒径对SDF得率的影响

2.2　单因素的实验结果

由图2可知，液料比在20∶1～35∶1 mL/g范围内SDF的含量随液料比的增大而增加。这是因为在一定的底物浓度范围内，酶的活性中心被饱和或趋于饱和时，反应速度达到最大值。而当液料比在35∶1 mL/g之后，SDF的含量随液料比的增大反而减少。这是由于过量的底物不能被酶解，致使反应不均一而影响酶解率。因此，在研究中选择液料比为35∶1 mL/g。

水浴40～60 min SDF得率随着时间的延长逐渐增加，在60 min时得率达到一个最大值。但是超过60 min随酶解时间的延长而略有降低，主要原因是随着酶解时间的延长，纤维素酶已作用完成，但水解产物随时间的延长开始聚集，从而导致SDF含量略有降低。这一结果与姜北国等[20]研究纤维素酶法制备SDF结果一致。因此，研究中最佳水浴时间选择60 min。

当酶底比为200 U/g时得率达到一个最大值，这说明一定的酶底比可有效将不溶性纤维素转变为可溶性的葡聚糖，提高SDF得率；当酶底比大于200 U/g 时，SDF的得率开始下降，可能是因为过多的酶使葡聚糖的聚合度降低[20]，SDF得率下降。所以，研究中最佳酶底比选取200 U/g。

200～350 W的范围内SDF得率随着超声功率的增加而增加。当超声功率达到350 W时SDF得率出现了最佳值19.287%；当功率大于350 W时得率下降，可能是因为物料内部温度变得黏稠[21]，使得SDF不易被提取。所以，最佳超声功率选择350W。

图2　液料比、水浴时间、酶底比、超声功率对SDF得率的影响

2.3　二次通用旋转组合设计实验结果

表1　四元二次通用旋转组合设计因素水平编码表

表2　四元二次通用旋转组合设计结果

2.3.1模型建立与显著性检验

以BWB-SDF得率(Y)为指标，设计了四因素五水平的二次通用旋转组合设计实验，实验方案及结果如表1和表2所示。对实验结果进行多元回归拟合，得SDF得率对液料比(X1)、水浴时间(X2)、酶底比(X3)、超声功率(X4)的二次多项式回归模型为：

由表3 可以看出，F2=53.71 ，P<0.000 1，表明模型显著性极高，R2=0.979 2 ，说明该模型与实际的实验数据相关性较好；失拟性检验F1=3.96 ，P>0.05不显著，说明回归方程的拟合性好。因此，该模型是适用的。影响SDF得率的主次因素依次为酶底比>液料比>超声功率>水浴时间 。一次项X3、交互项X1X2、X1X4以及二次项X12、X22、X32、X42对SDF得率的影响极显著，其余项对提取SDF影响不显著。剔除不显著项，建立得率对实验因子的回归方程为：Y=19.321 43+0.071 92X3-0.148 00X1X2-0.263 87X1X4-0.776 25X12-0.769 63X22-0.924 38X32-0.729 75X42。

表3　四元二次通用旋转组合实验结果方差分析表

注：**P<0.01，差异极显著；*P<0.05，差异显著。

2.3.2响应面交互作用分析

由图3可看出响应面坡度都比较陡峭，说明液料比和水浴时间、液料比和超声功率对BWB-SDF得率的影响均较大。由图3a可知，液料比在33.5∶1～36.5∶1 mL/g、水浴时间在57～61 min；图3b液料比在33.5∶1～36.5∶1 mL/g，超声功率335～365 W范围内BWB-SDF得率较高。

图3　液料比(X1)与水浴时间(X2)(a)、超声功率(X4)(b)的交互作用

2.3.3验证实验

通过二次通用旋转组合设计优化得到的最佳工艺参数：液料比34.92∶1(mL/g)；水浴时间59.99 min；酶底比203.91(U/g)；超声功率350.35 W。为验证优化后得到的回归模型的可靠性，实际操作中采用液料比35∶1(mL/g)，水浴时间60 min，酶底比200(U/g)，超声功率350 W进行3次重复验证实验，测得BWB-SDF得率的均值为19.308%，与理论预测值19.346%偏差较小，重复性好，没有显著差异，说明通过二次通用旋转组合设计优化得到的回归方程参数准确可靠。BWB-SDF初始得率是15.65%，工艺优化后得率为19.308%，比原来提高了3.658%。这可能是由于超声辅助酶解使得更多的SDF溢出，这与对小麦麸皮改性优化后SDF含量提高的报道一致[22]。

2.4　BWB-SDF体外抗氧化活性研究

2.4.1羟自由基(·OH)清除效果

从图4可以看出羟自由基的清除率与SDF质量浓度成正比。以VC作对照，而BWB-SDF的羟自由基清除率在质量浓度为4 mg/mL时达到了81.43%，接近1，显然BWB-SDF具有较强的羟自由基清除能力。

图4　SDF对羟自由基的清除作用

2.4.2还原力

质量浓度范围在0.062 5～4 mg/mL时，以VC的还原力作对照，在质量浓度为250 μg/mL时已达到了2.146。由图5可知BWB-SDF的吸光度值与质量浓度呈正相关。当质量浓度为4 mg/mL时，还原力为1.688。

图5　SDF的还原力

2.5　物化特性

从表4可以看出BWB-SDF的持水力是一般小麦麸皮[23]SDF的2.96倍，是因为其不仅具有一般小麦麸皮的特征，富含膳食纤维，且其中的戊聚糖具有高持水力[24]。有研究表明高持水力和膨胀力是衡量SDF品质的主要依据，能增加食物残渣的体积，加剧胃肠道蠕动，减少有害物质与肠道接触的时间，从而达到预防疾病的目的[25]。

表4　BWB-SDF物化特性结果

2.6　静态体外吸附结果及分析

由表5可知BWB-SDF的吸附效果均优于一般小麦麸皮SDF，且在中性条件下(模拟肠道的pH环境)BWB-SDF对胆固醇的吸附能力大于酸性条件下(模拟胃的pH环境)的吸附能力，这与黄才欢等[26]的研究结果一致。由图6可知胆酸钠的浓度在0～120 min这一时间段随着时间的延长不断降低，尤其在前20 min内变化比较显著，之后趋于平缓。呈现这种趋势的原因可能是BWB溶液中SDF的含量是有限的，导致对胆酸钠的吸附量也是有限的。120 min时测胆酸钠浓度为1.54 mg/mL，比初始浓度降低了0.64 mg/mL，胆酸钠的吸附率达到了29.36%。胆酸是形成胆固醇的前体物质，降低胆酸钠可以有效降低机体对胆固醇的吸收。因此，BWB-SDF可能具有降血脂的生理功能。

表5　BWB-SDF与一般小麦麸皮SDF吸附效果差异

图6　胆酸钠溶液吸光度值随时间变化图

2.7　黑小麦麸皮SDF的红外光谱 结果分析

由图7可知，SDF组分在500～4 000 cm-1范围具有明显的糖类特征的吸收峰。3 600～2 200 cm-1出现的宽峰是分子内或分子间O—H伸缩振动的结果。3 000～2 800 cm-1的吸收峰由C—H(CH、CH2和CH3)伸缩振动引起，这个吸收峰常常被O—H伸缩振动引起的宽峰所掩盖。1 460～1 370 cm-1以附近的吸收峰属C—H的弯曲振动。1 643 cm-1的强吸收峰是糖的水化物样品的吸收峰。 1 300～1 000 cm-1的吸收峰是由C—O伸缩振动所引起的，归属于不同糖残基糖环上的C—O—H和不同的糖苷键C—O—C。990 cm-1处有一低强度的肩峰是阿拉伯糖基的特征吸收峰，这可能是由于酸性纤维素酶水解作用于半纤维素成分，产生了阿拉伯木聚糖。由单糖组成可知，膳食纤维主要由β-葡聚糖组成其红外光谱中指纹区的吸收特征几乎相同。由于923 cm-1有一吸收峰782 cm-1附近有微弱吸收峰，说明膳食纤维分子以β-糖苷键为主，并含有一定量的α-糖苷键。

图7　SDF红外光谱图

3　结论

通过二次通用旋转组合设计实验优化后最佳工艺参数采用液料比35∶1(mL/g)，水浴时间为60 min，酶底比200 U/g，超声功率350 W。体外抗氧化表明SDF具有很强的清除自由基的能力，实验中羟自由基清除率为81.43%，还原力为1.688；体外吸附实验SDF对花生油、猪油的吸附量分别为3.66、6.62，对pH=2、7时胆固醇的吸附量分别为3.96、5.02，对胆酸钠的吸附率为29.36%。表明BWB-SDF可有效降低机体对胆固醇的吸收。

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