米糠不溶性膳食纤维和阿魏酸共同作用对籼米淀粉糊化过程的影响

许 柠，王远辉，张国治，吴娜娜，李雪琴，谭 斌，曹佳兴

1.河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001 2.国家粮食和物资储备局科学研究院粮油加工研究所，北京 100037

近年来，随着国民的主食精细化程度越来越高，导致由饮食引起的慢性病患者增多。米糠是糙米在碾白加工中被碾下的皮层、米胚以及碎米的混合物[1]，其质量占稻谷质量的6%左右[2]。虽然米糠总质量占稻谷的比例不足1/10，但是含有稻谷中约60%的营养成分以及90%以上的人体所需元素[1]。在我国，米糠多年来常被用作动物饲料，其营养价值的利用严重不足。米糠经过浸出或榨出油脂后为脱脂米糠[3]，其中膳食纤维总量占脱脂米糠质量的30%～50%[4]。脱脂米糠中的膳食纤维几乎均为水不溶性膳食纤维[5]，主要组成为纤维素、半纤维素和木质素等[6]。此外，植物细胞壁结构中具有大量的膳食纤维，同时也是多酚类物质的来源。多酚属于植物的次级代谢产物，多以游离态、可溶共价结合态和不溶共价结合态存在于植物体内,与蛋白质、单糖和有机酸等物质以酯键、糖苷键和醚苷键等形式结合[1]。多酚主要包括酚酸类、黄酮类、类黄酮类、花青素类等物质。米糠中含有多种酚酸类物质，其中最丰富的是阿魏酸[7]。

全谷物食品研究开发的“卡脖子”地方集中在处理全谷物皮层部分，特别是水不溶性膳食纤维。米糠中酚酸虽然相对含量较小，但对全谷物食品的加工特性和食用品质具有一定的影响。周艳青等[8]研究发现，在籼米粉、粳米粉和籼糯米粉中添加米糠膳食纤维会导致其糊化温度显著升高，糊化黏度、衰减值和回生值显著降低。夏文等[9]研究发现，添加米糠膳食纤维于大米淀粉中可以提高其糊化温度，并分析可能是由于水溶性膳食纤维和淀粉竞争水分抑制淀粉溶胀从而需要更高的糊化温度。李安平等[3]研究发现，米糠膳食纤维的添加量(0%～15%)对籼米淀粉和粳米淀粉的糊化特性有较大的影响，通过相关性分析发现，米糠膳食纤维的添加量与两种淀粉的糊化特性中的峰值黏度、崩解值和回生值呈显著负相关(P<0.05)，与其最低黏度、峰值时间和糊化温度呈显著正相关(P<0.05)。吴跃等[10]研究发现当茶多酚添加量(基于淀粉质量)为16%时，籼米淀粉糊化起始温度(To)、糊化峰值温度(TP)、糊化终止温度(TC)、糊化焓值(ΔH)均呈现降低趋势，茶多酚对籼米淀粉回生有显著抑制作用。邹建[11]研究发现，在小麦粉中添加9%的豆渣膳食纤维会降低小麦粉的糊化焓值。作者通过建立不溶性膳食纤维-阿魏酸-淀粉模型体系，讨论不溶性膳食纤维-阿魏酸共同作用对籼米淀粉的糊化性质、流变性质、溶胀性质以及热特性的影响，为研究膳食纤维和酚类物质对淀粉基制品的品质提升提供基础理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

米糠不溶性膳食纤维(rice bran insoluble dietary fiber，RBIDF)：水分含量7.69%、淀粉含量2.94%、粗蛋白含量12.40%、粗脂肪含量1.41%，实验室自制；籼米淀粉(indica rice starch，IRS)：水分含量9.54%、淀粉含量86.95%(直链淀粉含量14.10%)、粗蛋白含量0.90%、粗脂肪含量0.24%，实验室自制；阿魏酸(ferulic acid，FA；纯度97%)、尿素(纯度99%)、二甲基亚砜、碘化钾(纯度99%)、碘(纯度99.8%)：上海麦克林生化科技有限公司；PMX-200二甲基硅油：美国道康宁公司；蒸馏水：实验室自制。

1.2 仪器与设备

电子分析天平、UV5 Bio紫外可见光分光光度计：瑞士梅特勒托利多公司；RVA 4500快速黏度分析仪：波通瑞华科学仪器(北京)有限公司；AR-2000动态流变仪：美国TA仪器公司；SHZ-B水浴恒温振荡器：上海博讯医疗生物仪器股份有限公司；DSC 214 Polyma差示扫描量热仪：德国耐驰仪器制造有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品制备

准确称量(均以干基计)IRS、RBIDF、FA，分别配制2组混合粉：膳食纤维-淀粉组，以IRS质量为基准，分别添加6%、9%的RBIDF配制成混合粉，样品依次命名为DF-6、DF-9；膳食纤维-阿魏酸-淀粉组，以IRS质量为基准，分别添加RBIDF、FA。各组混合粉均置于4 ℃冰箱存放待用。其中，RBIDF添加比例为6%、9%，RBIDF和FA的添加比例分别为10∶1、6∶1、3∶1，即配制成6组混合粉：a. 6%RBIDF+0.6%FA；b. 6% RBIDF+1% FA；c. 6% RBIDF+2% FA；d. 9% RBIDF+0.9% FA；e. 9% RBIDF+1.5% FA；f. 9% RBIDF+3% FA，样品依次命名为DF+FA-6+0.6、DF+FA-6+1、DF+FA-6+2、DF+FA-9+0.9、DF+FA-9+1.5、DF+FA-9+3。以IRS作为空白组，样品命名为RS。

1.3.2 糊化特性测定

准确称取3.0 g样品(以干基计)，参照GB/T 24852—2010测定糊化特性。

1.3.3 流变特性测定

参考李莎莎等[12]的方法，使用直径40 mm的不锈钢平板，平板间距1 mm，应变1%，频率1 Hz。将1.3.1中样品分别配制成质量分数10%的悬浮液，测试前将配制好的样品悬浮液进行30 s涡旋，使悬浮液均匀分散，取1.5 mL溶液滴于控温平板的中心位置，清理掉平板周围多余的样品，用二甲基硅油进行密封。测试程序：以2 ℃/min的速率从50 ℃升温到95 ℃，平衡10 s，再以相同的速率从95 ℃降温到50 ℃，测定样品溶液在加热过程中储能模量(G′)和耗能模量(G″)的变化情况。

1.3.4 碘结合特性

参考Morrison等[13]的方法，称取40 mg样品分散于10 mL尿素-二甲基亚砜溶液，室温下放置10 min，沸水浴加热20 min，每5 min振荡一次，使样品完全溶解。待溶液冷却至室温，取1 mL溶液于100 mL棕色容量瓶中，加入95 mL蒸馏水，2 mL I2-KI 试剂(0.2 g/100 mL I2+2 g/100 mL KI)，定容后立即混匀。室温下放置15 min后，在500～700 nm处扫描得到最大吸收波长，在520 nm和635 nm处测定吸光度，A635为碘蓝值，A635/A520为碘结合力。

1.3.5 热特性测定

参考高晓旭等[14]的方法，称取3 mg(以干基计)样品于坩埚内，按照1∶3(mg/μL)的比例加入蒸馏水，密封后在4 ℃冰箱中平衡24 h。通过DSC软件分析图谱得到样品的T0、TP、TC、ΔH。

1.3.6 数据统计与分析

使用SPSS 22.0对数据进行分析，采用Ducan’s多重检验(P<0.05)进行显著性分析；使用Origin 9.5进行绘图。

2 结果与分析

2.1 米糠不溶性膳食纤维和阿魏酸对籼米淀粉糊化特性的影响

峰值黏度是衡量糊化崩解前淀粉颗粒的自由膨胀能力的指标[15]。由表1可知，籼米淀粉中加入不溶性膳食纤维后，体系中的峰值黏度显著降低；在籼米淀粉-不溶性膳食纤维体系中加入阿魏酸后，体系的峰值黏度进一步显著降低。这可能是不溶性膳食纤维与淀粉在糊化过程中竞争性吸水[16]，阿魏酸在糊化过程中不断溶解并与直链淀粉、支链淀粉相互作用。随着阿魏酸添加量的增加，体系的峰值黏度呈下降趋势，一方面可能是由于阿魏酸分子与淀粉分子争夺水分子[17]，另一方面是由于部分未溶解的阿魏酸固体晶体稀释淀粉基质，减少淀粉相互作用的频率[18]。谷值黏度是衡量淀粉在高温下耐剪切的能力[19]。籼米淀粉加入不溶性膳食纤维后会降低其高温状态下的耐剪切性能，阿魏酸的添加会显著提升体系的谷值黏度。终值黏度是衡量淀粉糊化并冷却后形成黏糊或凝胶的能力[20]。籼米淀粉加入不溶性膳食纤维后显著降低体系冷却后形成凝胶的能力，体系中再加入阿魏酸会进一步减弱。回生值可衡量淀粉糊的稳定性[21]和短期老化程度[22]。籼米淀粉中加入不溶性膳食纤维后，显著提升了体系的稳定性，延缓了体系的短期老化程度。这可能是由于不溶性膳食纤维在一定程度上限制了淀粉链的流动性，延缓了结晶体的形成[23]。阿魏酸的添加会进一步延缓体系的短期老化程度。引起这一现象的原因可能有几个方面：阿魏酸分子具有的酚羟基通过氢键与支链淀粉分子的侧链结合形成络合物[24]；直链淀粉分子的葡萄糖残基会形成螺旋形空腔结构[21]，阿魏酸分子作为客体分子经疏水作用力缔合形成包合物[25]；阿魏酸溶解后会降低体系的pH值，使淀粉分子发生不可逆酸解[26]。淀粉与阿魏酸形成复合物时，不仅影响淀粉链长还会削弱淀粉颗粒中结晶区和无定形区的相互作用[27]。崩解值可衡量淀粉糊的热稳定性[23]以及糊化过程中淀粉颗粒的破坏程度[28]。籼米淀粉中加入不溶性膳食纤维后可以显著提升体系的热稳定性。阿魏酸的加入会更显著提升淀粉糊的热稳定性，限制淀粉颗粒被破坏。糊化温度是加热使淀粉溶胀形成均匀糊状物质、体系黏度迅速上升时对应的温度[19]。对体系而言，加入不溶性膳食纤维对糊化温度的影响较小，加入阿魏酸却显著提高糊化温度。这可能是阿魏酸分子具有的酚羟基会改变体系的pH值，影响淀粉溶液的电负性以及体系的离子强度[21]。糊化时间是淀粉糊化完成所需的时间[29]。籼米淀粉中加入不溶性膳食纤维会延长糊化时间，阿魏酸的加入会显著延长体系的糊化时间。

表1 米糠不溶性膳食纤维和阿魏酸对籼米淀粉糊化特性的影响Table 1 Effect of rice bran insoluble dietary fiber and ferulic acid on the gelatinization properties of indica rice starch

2.2 米糠不溶性膳食纤维和阿魏酸对籼米淀粉流变特性的影响

表2 米糠不溶性膳食纤维和阿魏酸对籼米淀粉流变特性的影响Table 2 Effects of rice bran insoluble dietary fiber and ferulic acid on rheological properties of indica rice starch

图1 动态流变-温度扫描曲线Fig.1 Dynamic rheological temperature scanning curve

储能模量即储存在流体系统弹性形变中的能量，用于表征样品的弹性；耗能模量即流体系统受力时发生不可逆形变所消耗的能量，用于表征样品的黏性[30-31]。在升温阶段中，所有体系的储能模量曲线整体趋势均随着温度逐渐升高而平稳增加，在某一个时间点发生突变而陡增，随着温度升高储能模量继续增加直至达到峰值后开始下降。在降温过程中，所有体系的储能模量曲线呈现一种较平稳的状态。样品的耗能模量曲线趋势大致与储能模量曲线相似，有所不同的是在降温过程中耗能模量曲线趋势更加平缓。升温阶段的储能模量曲线和耗能模量曲线的趋势主要反映了淀粉糊化过程中体系的黏弹性变化情况，随着温度不断升高，淀粉颗粒吸水膨胀直至直链淀粉分子从淀粉颗粒中释放出来，作为连续基质包裹淀粉颗粒、不溶性膳食纤维和阿魏酸分子形成三维凝胶网络[30，32]。由图1可知，升温阶段中75～90 ℃储能模量和耗能模量不断升高，表明凝胶网络快速形成[32]。降温阶段的储能模量曲线和耗能模量曲线的趋势反映的是随着温度降低，体系中的直链淀粉分子、支链淀粉分子和阿魏酸分子之间通过氢键作用形成结合区，降低了体系中分子间碰撞作用的频率，使得G′和G″均有所上升。

2.3 米糠不溶性膳食纤维和阿魏酸对籼米淀粉碘结合特性的影响

淀粉可以与碘发生相互作用[33]，直链淀粉分子的螺旋结构会固定较多的碘分子形成蓝色复合物，支链淀粉分子的支链较多，会与碘分子形成紫红色复合物[34]。碘蓝值是衡量淀粉结合碘能力的一个指标[34]。由表3可知，DF组的碘蓝值相较于RS组显著增加，这可能是降温过程中直链淀粉分子形成螺旋结构时受到不溶性膳食纤维的阻碍而暴露出更多的结合位点，使直链淀粉分子结合更多的碘分子。DF+FA组的碘蓝值变化复杂，相较于添加同比例的DF组，随着FA添加量的增加，碘蓝值呈现明显的下降趋势。这可能是由于FA添加量较低时，FA会进一步导致降温过程中直链淀粉分子的螺旋结构重新结合受到阻碍；FA添加量较高时，部分阿魏酸分子会进入直链淀粉分子的螺旋内腔，有效阻止碘离子与直链淀粉分子结合[33]。

表3 米糠不溶性膳食纤维和阿魏酸对籼米淀粉碘结合特性的影响Table 3 Effects of rice bran insoluble dietary fiber and ferulic acid on iodine binding properties of indica rice starch

碘结合力是直链淀粉-碘络合物和支链淀粉-碘络合物的吸光度的比值，能较为直观反映2种络合物的相对含量。由表3可知，DF组相较RS组具有更低的碘结合力，DF+FA组相较于添加同比例的DF组具有更高的碘结合力。这可能是由于淀粉糊化后，直链淀粉受到不溶性膳食纤维影响形成的三维凝胶网络不能更好地包裹支链淀粉，使得支链淀粉分子和碘离子结合位点更多。而FA会结合在支链淀粉分子侧链形成复合物，阻止碘离子与支链淀粉分子结合。

由表3可知，DF组相较RS组具有更低的最大吸收波长，DF+FA组相较于添加同比例的DF组具有更高的最大吸收波长。较低的吸收波长表明与碘络合的葡萄糖聚合物的聚合度较低[35]，这可能是由于不溶性膳食纤维影响直链淀粉分子的链长，使得直链淀粉分子和碘离子形成的络合物的分子量减小。DF+FA组样品的最大吸收波长升高，可能是由于FA与直链淀粉侧链结合增加了直链淀粉-碘络合物的分子量。

2.4 米糠不溶性膳食纤维和阿魏酸对籼米淀粉热特性的影响

由表4可知，DF组相较于RS组具有更高的T0、TP、TC和更低的ΔH，这与曹芳芳等[36-38]的试验结果相符合。DF+FA组相较于同比例的DF组具有更高的T0、TP、TC和更低的ΔH，但DF+FA-9+3却具有较DF-9更低的T0、TP、TC。

表4 米糠不溶性膳食纤维和阿魏酸对籼米淀粉热特性的影响Table 4 Effects of rice bran insoluble dietary fiber and ferulic acid on thermal properties of indica rice starch

添加不溶性膳食纤维对淀粉热特性的影响主要有以下几个方面：添加不溶性膳食纤维会影响淀粉浓度，导致糊化温度升高[39]；不溶性膳食纤维会对淀粉分子之间形成的网络结构有物理阻碍作用，使得糊化温度升高；不溶性膳食纤维具有很强吸水特性，会降低体系的水分活性，从而使淀粉可利用的自由水分降低[37]。阿魏酸对淀粉热特性的影响主要是溶解的阿魏酸会作用于支链淀粉的侧链，影响微晶区和无定形区之间的耦合力，使淀粉颗粒发生变化[40]。

3 结论

通过分析发现米糠不溶性膳食纤维和阿魏酸对籼米淀粉糊化过程影响的作用方式有所差别。不溶性膳食纤维对籼米淀粉糊化过程的影响主要体现在与淀粉分子竞争性发生水合作用，降低淀粉分子周围的水分流动性和水分活度以及对淀粉凝胶的网络结构具有一定的物理阻碍。阿魏酸对籼米淀粉糊化过程的影响较为复杂，主要有以下几个方面：阿魏酸与淀粉竞争水分子；阿魏酸与支链淀粉形成络合物；阿魏酸与直链淀粉形成包合物；阿魏酸使淀粉发生不可逆酸解以及改变体系的电负性、水分活度和离子强度。这一系列的复杂反应导致不溶性膳食纤维和阿魏酸在共同对籼米淀粉糊化过程的影响中既有“协同”作用，也有“拮抗”作用。作者着重从不溶性膳食纤维和阿魏酸对淀粉糊化过程的影响进行分析，但不溶性膳食纤维和阿魏酸之间是否发生反应以及这种反应是否会影响淀粉糊化过程还有待后续做进一步的研究。