超声改性对燕麦膳食纤维理化性质及结构的影响

牛 希，史乾坤，赵城彬*，尹欢欢，许秀颖，吴玉柱，曹 勇，张 浩，刘景圣*

（吉林农业大学食品科学与工程学院，小麦和玉米深加工国家工程实验室，吉林 长春 130118）

燕麦（Avena sativaL.）为禾本科植物，又可称为莜麦、雀麦，属一年生草本作物，一般分为带稃型和裸粒型两大类。我国以种植裸燕麦为主，主要种植在华北、东北地区，种植面积达106多万公顷，而其他国家主要种植带稃型的燕麦，称为皮燕麦[1]。现代研究表明燕麦具有降血脂、降血糖、增强免疫等多种保健功能，是美国《时代》专刊推荐的现代人十大最健康的食品之一[2]，是世界上公认的营养和医疗保健价值最高的谷物作物之一[3]。

燕麦中膳食纤维约占其质量的13.6%～30.2%[4]，其中包含水不溶性膳食纤维（insoluable dietary fiber，IDF）和水溶性膳食纤维（soluable dietary fiber，SDF），燕麦IDF主要包括纤维素、半纤维素和木质素；燕麦SDF主要组成为β-葡聚糖。燕麦IDF具有很好的吸水性和水膨胀能力，能够促进肠道蠕动、减少肥胖、通便排毒[5]，而SDF具有较好的生理活性，被认为是高品质的膳食纤维，具有降糖降脂作用，且可以在大肠发酵，促进肠道健康[6]。SDF含量的高低通常是评价膳食纤维品质优劣的重要指标[7]，并且IDF在口感方面相对来说不适合用作食品配料，且天然膳食纤维中大部分为IDF，因此需要通过改性处理来提升SDF的含量，进而提升天然膳食纤维的品质。

目前针对膳食纤维的改性方法有生物法（如酶法）、化学法（如酸法、碱法）、物理法（如超微粉碎、挤压膨化法）、超高压等[8]。超声（ultrasound，US）技术是一种效率高、耗时短的物理改性方法，它具有空化效应、剪切作用以及湍流作用[9]，能够使膳食纤维中大分子的连接键断裂，转变成小分子组分；同时将部分水不溶性成分转变成水溶性成分，使致密的空间网状结构变得疏松[10]。Minjares-Fuentes等[11]采用超声波提升了葡萄渣中半纤维素的提取率，同时提高了其中木葡聚糖、甘露聚糖和木聚糖的含量。张雪绒等[12]利用超声改性香菇柄膳食纤维，改性后的香菇柄膳食纤维结合水的能力与抗氧化指标均比改性前增加。Huang Lirong等[13]发现超声处理能够改变大蒜秸秆中不溶性膳食纤维的孔隙率和表面积，增强了IDF的功能和理化性质。然而，关于超声波改性燕麦膳食纤维的研究鲜有报道。本实验利用超声波技术对燕麦膳食纤维进行改性处理，测定改性前后的持水力、水膨胀力、持油力等理化性质，分析傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）、X射线衍射、热特性及微观结构，以探究改性前后膳食纤维的结构与理化性质的构效关系，为提高燕麦膳食纤维的利用率及进一步挖掘其营养价值提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

燕麦膳食纤维 西安千叶草生物科技有限公司；一级大豆油 丰益贸易私人有限公司；溴化钾 美国Sigma公司；三羟甲基氨基甲烷（Tris） 美国Genview公司；热稳定α-淀粉酶液、蛋白酶液、淀粉葡萄糖苷酶液 上海阿拉丁生化科技股份有限公司；乙醇、丙酮、氢氧化钠、盐酸、乙酸镁、重铬酸钾等试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

SOP电子天平 赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；JY92-2D超声探头发生器 宁波Scientz生物科技股份有限公司；高速离心机 上海安亭科学仪器厂；Alpha1-4LDplus冷冻干燥机 德国Christ公司；L1100全自动凯氏定氮仪 济南海能仪器股份有限公司；Zeta plus粒度分析仪 美国布鲁克海文仪器公司；台式扫描电子显微镜 荷兰Phenom公司；VERTEX 70 FTIR仪德国Bruker公司；SmartLab X-射线粉末衍射仪 日本理学株式会社；Q2000差示扫描量热（differential scanning calorimetry，DSC）仪 美国TA公司。

1.3 方法

1.3.1 燕麦膳食纤维的超声处理

在燕麦膳食纤维中以料液比1∶10（m/V）加去离子水，磁力搅拌1.5 h。设置超声温度50 ℃，超声功率在240、300、360 W的条件下处理30 min，采用间歇式（超声2 s、间歇4 s）。真空冷冻干燥后即为超声改性膳食纤维，对应标记为US-240、US-300、US-360，以未超声的膳食纤维对照组，记为CON-DF。

1.3.2 超声改性膳食纤维的基本成分分析

总膳食纤维、IDF、SDF质量分数参照GB 5009.88—2014《食品安全国家标准 食品中膳食纤维的测定》中的酶质量法测定；水分质量分数参照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》中的称质量法测定；蛋白质量分数参照GB 5009.5—2016《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》中的凯氏定氮法测定；脂肪质量分数参照GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》中的索氏抽提法测定；总灰分质量分数参照GB 5009.4—2016《食品安全国家标准 食品中灰分的测定》中的直接灰化法测定。

1.3.3 理化性质测定

1.3.3.1 持水力测定

持水力的测定参考Xue Zihan等[14]的方法并加以调整，将离心管在烘箱中干燥后，记录质量（m0/g），将1 g（m1/g）样品置于20 mL蒸馏水中，在室温下静置24 h，并以4 000 r/min离心20 min除去上清液，用滤纸将管壁残余水分吸干，称试样和离心管的总质量（m2/g）。持水力按式（1）计算。

1.3.3.2 水膨胀力测定

水膨胀力的测定参考Yan Ling等[15]的方法，将0.2 g（m0/g）样品放入带刻度的试管中，测定体积（V0/mL）后，加20 mL蒸馏水，在室温下静置24 h，测定吸水后体积（V1/mL）。水膨胀力按式（2）计算。

1.3.3.3 持油力测定

持油力测定参考Chu Jiaxi等[16]的方法，将离心管在烘箱中干燥后，记录质量（m0/g），将1 g（m1/g）样品置于20 mL大豆油中，在室温下静置18 h，并以4 000 r/min离心20 min除去上层油，用滤纸将管壁残余油滴擦干，称试样和离心管质量（m2/g）。持油力按式（3）计算。

1.3.4 粒径测定

使用粒度分析仪测定膳食纤维颗粒的粒径分布状况，以蒸馏水为分散介质，采用湿法进样。取少量膳食纤维悬浮液于蒸馏水中制成质量分数0.1%的溶液，设置膳食纤维和水的折射率分别为1.470和1.330。

1.3.5 表面微观结构测定

参照Park等[17]的方法，采用扫描电子显微镜观察样品的微观结构，干燥的样品用双面导电胶固定在样品台上，用洗耳球轻吹样品表面使样品单层铺于样品表面，然后离子溅射喷金，置于扫描电子显微镜观察台上进行微观结构观察。设置加速电压为5 kV，放大倍数为3 000 倍。

1.3.6 FTIR光谱测定

将1 mg样品与0.1 g溴化钾用玛瑙研钵充分研磨成均匀粉末，使用手动压力机压制成薄片，然后进行全波段扫描（4 000～400 cm-1），扫描次数为64，分辨率为4 cm-1，测定温度为25 ℃，测定FTIR光谱曲线。

1.3.7 结晶构型测定

参照Chen Xu等[18]的方法，利用步进扫描法测定X射线衍射图。测定参数为：Cu-Kα靶；步宽0.02°；扫描速率6（°）/min；扫描范围：5°～60°。相对结晶度利用曲线下的峰面积按式（4）计算[19]。

式中：Dc为相对结晶度；Ac为结晶区域峰面积；Aa为非晶区域峰面积。

1.3.8 热特性测定

样品的热特性通过DSC仪测定，具体参考Zhang Mengyun等[20]的方法并加以修改。取3 mg样品于铝盘中，压片并以空铝盘为对照。以10 ℃/min的升温速率由20 ℃升至300 ℃，氮气流速为50 mL/min。记录此过程的起始温度（T0）、峰值温度（Tp）、终止温度（Te）和热焓变（ΔH）。使用Universal Analysis软件分析得到热曲线。

1.4 数据统计与处理

每组实验重复测定3 次，采用SPSS 25.0软件进行单因素方差分析，P＜0.05为显著性差异。用Origin 9.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 超声改性燕麦膳食纤维的基本成分

表1 不同超声条件改性燕麦膳食纤维前后的基本成分Table 1 Chemical components of raw and modified oat dietary fiber

由表1可知，经超声改性后总膳食纤维的质量分数没有显著变化，但SDF质量分数相较对照组显著增加（P＜0.05），相应的IDF质量分数显著降低，由此可以看出，一定功率的超声处理会使部分IDF向SDF转化。此外，经超声改性后，燕麦水分、蛋白质、脂肪、总灰分质量分数均未发生显著性变化。

2.2 超声改性燕麦膳食纤维的持水力、水膨胀力及持油力

图1 不同超声条件改性燕麦膳食纤维前后的功能性质Fig.1 Functional properties of raw and modified oat dietary fiber

由图1可知，未超声改性燕麦膳食纤维的持水力为（2.43±0.02）g/g、水膨胀力为（1.94±0.07）mL/g、持油力为（3.23±0.02）g/g，这与Zhang Min等[21]报道的结果吻合。经240 W功率超声处理后，膳食纤维的持水力、水膨胀力、持油力分别显著提高了8.0%、52.58%、6.8%（P＜0.05），其中水膨胀力提升幅度最大，可能由于经超声处理后，膳食纤维内在结构的部分亲水基团暴露，与水结合的位点增多，纤维质地变得疏松，增加了水合面积。随着超声功率的增大，持水力、水膨胀力、持油力也增加，在360 W时，相较对照组分别显著提高20.16%、155.57%、21.98%（P＜0.05）。由此推断，随超声功率的增大，超声处理对膳食纤维中的大分子组分破坏力增大，使其部分转变成小分子的可溶性组分，从而增加了水膨胀力，使得持水力、持油力提高[22]。梁志宏等[23]采用了碱法、酶法、发酵法和超声辅助酶法对残次裂枣进行处理，也得到了相似的结论，不同方式对枣进行处理，使枣膳食纤维的骨架结构遭到破坏，质地变得疏松更易于水分子渗入，导致持水力与水膨胀力提高，而亲水基团暴露的同时更多的亲油基团也裸露，使持油力增大。

2.3 超声改性燕麦膳食纤维的粒径分析结果

图2 不同超声条件改性燕麦膳食纤维前后的粒径分布Fig.2 Particle size distribution of raw and modified oat dietary fiber

由图2可以看出，超声改性后的燕麦膳食纤维粒径分布的主峰均发生左移，说明粒径减小。燕麦膳食纤维的粒径主要分布于100～2 000 nm。对于未超声处理的燕麦膳食纤维，其粒径分布有两个峰，最高峰处所对应的粒径为1 281.34 nm，微分分布为15.83%，相对来说粒径偏大，分布较均匀；经240 W超声处理的膳食纤维粒径明显向左偏移，在50～100 nm处出现小峰，主峰在300～800 nm之间，说明超声的空化、剪切等物理作用使得部分大粒径的燕麦膳食纤维被破坏，粒径减小，质地变得松散[24]，从而提高了膳食纤维的毛细管吸引力，进而提高了对水、油类物质的物理吸附，从而使其持水力、水膨胀力、持油力得到了显著改善。随着功率的增加，其对膳食纤维结构破坏程度增加，经360 W超声处理后出现3 个峰，最高峰对应的粒径分别为13.55、190.14 nm和955.41 nm，相较对照组粒径变小，膳食纤维组分发生变化；但主峰位置相较低功率超声向右偏移，可能由于小粒径的膳食纤维又发生重聚集现象，这与Luo Xianliang等[25]得到的结果相似。

2.4 超声改性燕麦膳食纤维表面的微观结构

由图3可知，未改性的燕麦膳食纤维表面结构致密，成块状蜷曲，表面有粗颗粒附着，可能为残余的蛋白[26]（图3a）；经240 W超声处理的燕麦膳食纤维表面结构发生轻微的疏松，出现蜂巢形的多孔性特征；随着超声功率的增大，孔洞增大且增多（图3c、d），原因可能是超声极大程度地破坏了纤维的糖苷键及多糖链内与链间的氢键作用，暴露出更多的活性基团，分子质量降低，聚合度变小，使其结构变得疏松，这为超声改性后的膳食纤维持水力、水膨胀力、持油力的增加提供了理论依据。Zhang Yue等[27]报道了经化学修饰后的柑橘膳食纤维，表面出现些许皱纹与孔洞。Yu Guoyong等[28]报道胡萝卜渣不溶性膳食纤维经不同方式处理后，粒径减小，比面积增大，结构松散，使得持水力增强。这些研究结果与本实验的结果相符。

图3 不同超声条件改性燕麦膳食纤维前后的扫描电子显微镜图Fig.3 Scanning electron microscope images of raw and modified oat dietary fiber

2.5 超声改性燕麦膳食纤维的FTIR分析结果

图4 不同超声条件改性燕麦膳食纤维前后的FTIR图Fig.4 Fourier transform infrared spectra of raw and modified oat dietary fiber

如图4所示，超声前后燕麦膳食纤维的FTIR光谱相似，只是相应的波数下吸收强度稍有变化。燕麦膳食纤维有典型的糖类特征吸收峰。3 414 cm-1处较宽的吸收峰是纤维素和半纤维素的O—H伸缩振动带，超声改性后吸收峰强度减弱，可能是超声处理导致纤维素分子之间的氢键断裂[29]，促使膳食纤维形成粗糙多孔的结构，增加了其与水之间的氢键，使得持水力增加。2 920 cm-1处的小尖峰是多糖甲基和亚甲基的C—H拉伸振动所致；1 640 cm-1处的吸收峰为酯类C＝O的非对称伸缩振动特征峰，1 247 cm-1处的吸收峰是木质素强组分的特征性弯曲或拉伸导致的，经超声改性后所对应的特征峰值均减小，说明改性后C＝O、木质素含量减少，与Zhao Xiaoyan等[30]的报道结果一致，可能超声技术导致部分木质素降解，进而转化为可溶性膳食纤维。1 078 cm-1处的吸收峰是半纤维素中醚键（C—O—C）的特征峰[31]。895 cm-1处的峰是糖单元中β-糖苷键的伸缩振动峰，经超声处理后该吸收峰轻微加强，说明超声处理使糖单元的连接键断裂，暴露出更多的β-糖苷键。612 cm-1处的峰是由α-吡喃糖环的对称环伸缩振动引起的。整体上，经超声处理燕麦膳食纤维的红外图谱特征吸收峰的强度有明显变化，且随超声功率的增强，特征峰强度变化更加明显，导致各纤维素组分重新分布，有些IDF向SDF转化[32]，这些发现与吴海波等[33]采用空化微射流处理豆渣膳食纤维得到的结果吻合。

2.6 超声改性燕麦膳食纤维的结晶构型分析结果

图5 不同超声条件改性燕麦膳食纤维前后的X射线衍射图Fig.5 X-ray patterns of raw and modified oat dietary fiber

固态下的纤维素有5 种结晶构型，分别为天然纤维素I和人造纤维素II、III、IV、X[33-34]。图5为不同超声条件下改性燕麦膳食纤维的X射线衍射图，可以看出，在2θ为16°和22°左右时有明显的结晶衍射峰，同时在34°处有一个弱衍射峰，呈现出典型的纤维素I晶体构型[35]，说明超声改性并未使燕麦膳食纤维的晶体构型发生明显改变。而随着超声功率的增强，峰型逐渐变得尖锐，说明相对结晶度提高，这是由于处于非结晶区的多糖类物质逐渐被水解去除，非结晶区占比降低，进而使得结晶区占比增加[36]。通过Jade 6.5软件拟合后发现，经240、300、360 W改性后燕麦膳食纤维的相对结晶度分别为12.05%、12.84%、13.14%，相比未超声处理的10.04%，相对结晶度分别提高了20.02%、27.89%、30.88%。由此可以看出，超声功率的增强破坏了纤维素I晶体中的无定形结构，并使得木质素、纤维素被水解去除[37]，从而导致持水力、水膨胀力、持油力等理化性质的变化。

2.7 超声改性燕麦膳食纤维的热特性分析结果

图6 不同超声条件改性燕麦膳食纤维前后的DSC热分析图Fig.6 DSC thermograms of raw and modified oat dietary fiber

如图6所示，与未经改性的膳食纤维相比，超声改性后的样品在第一个吸收峰位置向左偏移，随超声功率的增加偏移程度增大，第二个吸收峰位置相比对照组发生不同程度的向右偏移，说明燕麦膳食纤维热稳定性发生改变。DSC热力学参数见表2，当温度在80～120 ℃时，对照组和US-240、US-300、US-360处理组均出现一个吸收峰，分别为102.90、99.42、94.50、92.61 ℃，可能由于在此温度下纤维吸热出现水分蒸发，与Zhang Juan[38]、Slavov[39]等报道的结果吻合。而超声改性后的膳食纤维ΔH相比对照组（160.02 J/g）均显著提高（P＜0.05），US-240、US-300、US-360处理组分别为184.97、194.93、195.26 J/g，说明改性后膳食纤维需要更多的热量来破坏氢键以释放水[40]。当温度达到200 ℃以上时，出现了第二个吸热峰，此峰为木质素、半纤维素等的初始降解峰，需要吸收热量[41]。经超声处理后膳食纤维的峰值温度相较未处理组均显著升高，US-240、US-300、US-360处理组ΔH从对照组的38.61 J/g分别升高至39.55、40.72、44.72 J/g，表明随超声处理强度增加，燕麦膳食纤维的稳定性不断提高，这与其相对结晶度的增加结果相吻合。

表2 不同超声条件改性燕麦膳食纤维前后的DSC热力学参数Table 2 DSC thermodynamic parameters of raw and modified oat dietary fiber

3 结 论

燕麦膳食纤维经超声处理后粒径减小，表面结构由致密变得疏松，出现了多孔洞结构，使亲水及亲油基团暴露，导致持水力、水膨胀力、持油力显著提高，且随着超声功率的增大，孔洞变得多而密，出现深沟。在超声功率达到360 W时，持水力、水膨胀力、持油力达到最大，相较未处理组分别提高了20.16%、155.57%、21.98%。FTIR、X射线衍射图谱显示超声改性后的各峰强度发生改变，这是由于纤维素、木质素等非结晶区的物质被水解，非结晶区占比降低，进而使得结晶区占比增加，从而引起理化性质的改变。此外，经超声处理后燕麦膳食纤维ΔH显著增加，超声功率为360 W时，ΔH达到最大，显著改善了燕麦膳食纤维的热稳定性。本研究结果可为改善燕麦膳食纤维理化性质及其广泛应用于食品加工提供理论参考。