不同粒径胡萝卜膳食纤维的理化性质及其对淀粉糊化性质的影响

牛飞飞， 孟庆然， 张连富

（江南大学 食品学院，江苏 无锡214122）

关键字：胡萝卜膳食纤维；粒径；理化性质；糊化性质

我国是世界第一大胡萝卜生产国，种植面积接近世界胡萝卜总种植面积的40%，总产量则占世界总产量的1/3。胡萝卜加工产品的产量不断提高，但胡萝卜汁产量低，新鲜胡萝卜榨取果汁后约30%～50%[1]的原料变为果渣，这些胡萝卜果渣中含有大量膳食纤维[2]。胡萝卜渣多用于饲料或肥料，不仅浪费资源且造成环境污染。

膳食纤维可降血糖、减小心脑血管、肥胖症和结肠癌等疾病发病率[3-4]。食品加工中，常添加膳食纤维提高营养价值，但是添加的膳食纤维会影响食品的口感，外观及理化性质，膳食纤维加入到焙烤食品中，产生大量碎屑，降低食品的感官品质[5]；膳食纤维添加到液体饮料中，使饮料的稳定性变差而引起相分离，其中，膳食纤维的粒径对应用品质起重要作用，Rosa-Sibakov等人[6]研究得出湿法粉碎减小麦麸粒径，破坏其物理结构，粒径减小到10～16 μm可显著提高麦麸的悬浮稳定性，使其更适于液体食品的加工。

此外，淀粉作为食品中广泛应用的配料之一，具有凝胶、增稠、黏附、保水和保鲜等性质，有助于改善食品的理化性质。而膳食纤维的添加会影响其保水性、热力学性质、流变和质构等理化性质，对淀粉的糊化性质影响尤为显著[7]。研究膳食纤维添加对淀粉糊化性质的影响对其在淀粉类食品加工和质量控制方面有重要意义。

因此，本文通过球磨粉碎制备粒径范围332.5～2.04 μm的膳食纤维，研究不同粒径胡萝卜膳食纤维的理化性质及其对淀粉糊化性质的影响，有助于预测膳食纤维对食品品质的影响，为胡萝卜膳食纤维产品的开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

胡萝卜渣：山东金得利食品有限公司；氢氧化钠、马铃薯淀粉等试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

PM-100行星式球磨仪∶德国Retsch；S3500激光粒度分析仪：美国Microtrac公司；ASAP2020 MP全自动比表面积及微孔物理吸附仪：美国麦克仪器公司；LUMiSizer 65全功能稳定性分析仪：德国LUM公司；AR-G2流变仪：美国TA仪器公司；RVA4500快速黏度分析仪∶澳大利亚波通公司；热重分析仪TGA/SDTA851e、S40 pH计∶梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；冻干机∶德国Marin Christ公司；EBA20离心机∶德国Hettich公司；JS14S数显时间继电器：常安集团有限公司；ZKXF真空干燥箱∶天津亚兴实验仪器厂；TGL-16D冷冻高速离心机∶金坛市华龙实验仪器厂；501A型超级恒温器∶上海实验仪器厂有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 膳食纤维的制备 按照Kuan等人的方法，稍作改动，制备膳食纤维样品[8]。称取200 g，20目胡萝卜渣样品，分散于8 L蒸馏水中，浸泡20 min后调节pH至12.5，60℃恒温保持3 h，然后调节pH至中性，蒸馏水不断冲洗样品直至洗涤液澄清，残渣于60℃下干燥过夜，即得膳食纤维样品。

1.3.2 膳食纤维的超微粉碎 称取适量样品，置于球磨机中，球料比为1∶1，400 r/min下粉碎15 min，所得样品分别用425，150和75 μm筛子筛分，分别得到粒径为425～150和150～75 μm两个级别的样品，分别命名为G1和G2。取G2样品在500 r/min条件下继续粉碎，通过控制粉碎时间得到不同粒径级别的样品，分别命名为 G3、G4、G5和 G6。

1.3.3 粒径测定 取适量样品置于激光粒度测定仪内，干法测定。

1.3.4 比表面积及孔径分析 按照Sun-Waterhouse等人[9]的方法，样品真空干燥后，在-195.807℃液氮下，测定氮气的吸附和解吸曲线，Brunauer-Emmett-Teller （BET） 比表面积，Barrett-Joyner-Halenda（BJH）累积孔体积和BJH平均孔径作为实验指标。

1.3.5 热重分析 参考Rabetafika等人[10]的方法，热重分析在氮气环境下进行，坩埚加入4～5 mg样品，温度范围25～600℃，加热速率10℃/min。DTG曲线由失重率曲线微分得到。

1.3.6 分层稳定性分析 利用STEP®技术，实现样品不同位置的同时观测与分析，将膳食纤维样品溶于去离子水中，制备质量浓度为50 g/L的样品，取适量于样品管中，设置仪器转速为1 000 r/min，近红外光源865 nm下，每3 s抓取一条测试曲线（位置-透光率），通过内置软件分析分层界面的位置变化。

1.3.7 流变性质分析 按照Daou等人的方法[11]，制备质量浓度为50 g/L的浓度样品，室温下平衡24 h后测量，利用2°，60 mm 锥板，转速0.01到50 r/s，Gap值设定为1 000 μm，25℃下测定表观黏度的变化。

1.3.8 对淀粉糊化性质影响分析 按照Parra等人的方法[7]，根据实验要求在淀粉中分别加入不同粒径的膳食纤维。实验过程中，温度变化程序为∶50℃下保持1 min，随后温度上升到95℃，保持2.5 min；接着温度下降到 50℃，并保持2 min，搅拌桨初始10 s内转速为960 r/min，之后维持在160 r/min。RVA谱特征值主要取峰值黏度、衰减值、最终黏度、回生值、峰值时间和糊化温度。

2 结果与分析

2.1 粒径分布

本实验所制得的不同粒径范围的纤维用马尔文激光粒度仪测定，以D50作为实验指标，D（V，0.5）表示粒度累计分布曲线上50%的颗粒可以通过此直径，可以作为平均粒径。由图1可以看到粒径从G1到G6峰向左移，粒径逐渐变小，粒径分布峰形较窄，各级别纤维粒径较为均一。由表1可得出本实验所得的6个不同粒径级别的样品G1到G6平均粒径分别为 332.5，142.3，65.64，26.36，9.51 和 2.04 μm。

表1 胡萝卜纤维粒径分布Table 1 Particle-size distributions of different carrot fibers

2.2 比表面积及孔径分析

由表2可知，随着纤维粒径变小，样品的比表面积和累计孔体积逐渐增大，BET比表面积从0.024 5提高到5.862 7 m2/g，增加了239倍，BJH累计孔体积从0.002 568提高到0.028 544 m3/g，增加了11倍，比表面积的增大可能会引起更多活性基团的暴露，从而提高其生理活性。

2.3 热重分析

热重分析是为了研究超微粉碎过程中，纤维组成的组成，包括纤维素、半纤维素和木质素的含量变化。由Liu等人[12]的研究可知，纤维素在相对较低的温度下开始分解（200～327℃），接着是半纤维素（300～450 ℃），最后是木质素（550 ℃）。由图 2可知，G1～G6号样品在测试温度范围内均有两个峰，第一个在40～125℃，对应着水的蒸发，第二个峰较大，在125～600℃范围内，主要是由于纤维的分解，分别为纤维素、半纤维素和木质素，形状与Liu等[12]研究结果相似，纤维素、半纤维素和木质素的混合物的DTG峰为一个单峰和一个小肩峰。150～230℃范围内不存在小肩峰，说明碱法提取所得纤维较纯，可溶性物质如蛋白含量较少[10]。

图1 胡萝卜纤维粒径分布Fig.1 Particle size distribution of carrot fibers

表2 不同粒径胡萝卜纤维氮吸附数据Table 2 N2physisorption data for the different particle sized carrot fibres

图2 不同粒径纤维DTG曲线Fig.2 DTG curves of the different particle sized carrot fibers

2.4 分层稳定性分析

在1 g重力下，样品质量浓度为50 g/L时，G1和G2样品在20 s内沉降，时间分别为5和13 s，未放入仪器前已沉降完全，故G1和G2未得到仪器测量数据。G3～G6的悬浮稳定性由LUMiSizer稳定性分析仪在1 000 r/min条件下测得。从图3可以看出，G3～G6样品达到完全分层的时间变长，分别为99，522，540和 621 s。相比 G2组分的纤维悬浮稳定性，G3组分的悬浮稳定性有一次大幅提高，从肉眼可见的快速分层到仪器1 000 r/min条件下99 s沉降完全；G4组分的悬浮稳定性为G3的5倍多，G4到G6纤维悬浮稳定性逐渐提高，增幅减小，由此可得，随着纤维粒径的减小，悬浮稳定性提高。

膳食纤维的悬浮液可以看作是双相分散体系，去离子水是分散介质，分散相是由膳食纤维经过球磨粉碎而成的大小、形状不同的固体颗粒组成。悬浮体系中，颗粒受到重力、浮力和曳力的作用，沉降包括两个阶段，加速沉降和匀速沉降阶段。加速沉降过程中，重力大于浮力，颗粒沉降速度越来越快，而曳力与颗粒沉降速度平方正相关，即曳力增加，加速度越来越小，直至曳力与浮力之和与重力相等，加速度为零，颗粒达到最大速度，不再加速，并以此速度匀速沉降。最终沉降速度与分散介质、分散相密度和粒径大小有关，粒径越小，沉降速度越慢。而实际食品体系中成分复杂，如无机阳离子铁、钙等，蛋白质，淀粉，微生物等均会影响膳食纤维的沉降，如何影响有待进一步研究。

图3 不同粒径胡萝卜纤维样品沉降界面位置随时间变化Fig.3 Sedimentation（mm） as testing time（s） of different particle sized carrot fibres in dispersions（50 g/L）

2.5 流变分析

由于样品流变表现为剪切变稀的非牛顿流体，随着剪切速率的增加，样品表观黏度快速减小，后接近于水平，故表3中列出的是剪切速率为50 r/s时样品的表观黏度，随着纤维粒径减小，表观黏度下降，G1（332.5 μm）的表观黏度是 G2（142.3 μm）的8.83 倍，G4，G5的表观黏度相差较小，G6（2.04 μm）的表观黏度最小，基本和水的黏度相似。此研究与Mueller等[13]的结论相似，纤维粒径越大，越容易形成网络结构，颗粒间更易产生相互作用，表观黏度较大，而微粉碎会破坏纤维的结构，引起其表观黏度降低。

表3 不同粒径胡萝卜纤维样品表观黏度Table 3 Viscosity of different particle sized carrot fiber solutions

2.6 糊化性质

为研究纤维添加量对淀粉糊化过程的影响，在淀粉中分别添加质量分数为1%，3%，5%，10%，20%，30%，50%G1，结果如表4及图4所示。随着胡萝卜纤维的添加量增多，淀粉的衰减值下降，说明其抵抗剪切和高温的能力加强，淀粉的热稳定性升高[14]。峰值黏度与加热过程中颗粒的膨胀性有关，淀粉颗粒的膨胀性越高，峰值黏度越大[15]。峰值黏度随着纤维添加量的增多而下降，是因为纤维含量的增加降低了淀粉含量，糊化的淀粉变少，此外，由于纤维具有吸水性，使得体系中的水变少，淀粉糊化更难[16]。纤维含量低于10%时，纤维的黏度部分弥补了淀粉峰值黏度的变化，峰值黏度变化较少，添加量多于10%时，纤维的黏度不足以弥补淀粉糊化的减少量，峰值黏度急剧下降。回生值表示淀粉溶液在冷却过程中的回生黏度，即淀粉的老化程度，回生值越大，淀粉老化程度越高[17]，由于纤维吸水，限制了直链淀粉的溶出，回生值随着纤维的添加量增多而减小，说明加入纤维的淀粉不易老化，这与Sudha等人[18]研究将苹果渣加入小麦淀粉的结果相似。

表4 不同胡萝卜纤维添加量对淀粉黏度特性的影响Table 4 Effect of substitution with increasing percentages of carrot fibers on pasting characteristics of starch

图4 不同质量分数胡萝卜纤维糊化曲线Fig.4 Pasting curves of the different concentration carrot fibers

将不同粒径的纤维G1～G6按淀粉质量的30%加入其中，研究不同粒径的纤维对淀粉糊化性质的影响，结果如表5及图5所示。由图5可知，纤维粒径的不同，对淀粉的糊化影响较小，G2～G5的糊化过程相似，G1和G6的糊化性质变化相对明显。G1的峰值黏度和衰减值较大，回生值较小，说明添加粒径大的纤维，淀粉热稳定相对更好，而且更不易老化。

表5 不同粒径胡萝卜纤维对淀粉黏度特性的影响Table 5 Effect of substitution with different particle sizedcarrot fibers on pasting characteristics of starch

图5 不同粒径纤维糊化曲线Fig.5 Pasting curves of the different varieties

3 结 语

胡萝卜纤维经球磨粉碎处理，通过控制粉碎时间，可得到粒径范围为332.5～2.04 μm的膳食纤维。随着粒径的减小，胡萝卜纤维的比表面积和孔体积增加；悬浮稳定性显著提高，有助于其在液态食品中的应用；表观黏度变小，添加到食品中，口感更顺滑。此外，膳食纤维的添加会影响淀粉的糊化性质，随着其含量的增加，淀粉的热稳定性提高，更不易回生，但黏度降低；随着纤维粒径的减小，淀粉黏度降低。