不同粒徑胡蘿卜膳食纖維的理化性質(zhì)及其對(duì)淀粉糊化性質(zhì)的影響

牛飛飛， 孟慶然， 張連富

（江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無(wú)錫214122）

關(guān)鍵字：胡蘿卜膳食纖維；粒徑；理化性質(zhì)；糊化性質(zhì)

我國(guó)是世界第一大胡蘿卜生產(chǎn)國(guó)，種植面積接近世界胡蘿卜總種植面積的40%，總產(chǎn)量則占世界總產(chǎn)量的1/3。胡蘿卜加工產(chǎn)品的產(chǎn)量不斷提高，但胡蘿卜汁產(chǎn)量低，新鮮胡蘿卜榨取果汁后約30%～50%[1]的原料變?yōu)楣@些胡蘿卜果渣中含有大量膳食纖維[2]。胡蘿卜渣多用于飼料或肥料，不僅浪費(fèi)資源且造成環(huán)境污染。

膳食纖維可降血糖、減小心腦血管、肥胖癥和結(jié)腸癌等疾病發(fā)病率[3-4]。食品加工中，常添加膳食纖維提高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，但是添加的膳食纖維會(huì)影響食品的口感，外觀及理化性質(zhì)，膳食纖維加入到焙烤食品中，產(chǎn)生大量碎屑，降低食品的感官品質(zhì)[5]；膳食纖維添加到液體飲料中，使飲料的穩(wěn)定性變差而引起相分離，其中，膳食纖維的粒徑對(duì)應(yīng)用品質(zhì)起重要作用，Rosa-Sibakov等人[6]研究得出濕法粉碎減小麥麩粒徑，破壞其物理結(jié)構(gòu)，粒徑減小到10～16 μm可顯著提高麥麩的懸浮穩(wěn)定性，使其更適于液體食品的加工。

此外，淀粉作為食品中廣泛應(yīng)用的配料之一，具有凝膠、增稠、黏附、保水和保鮮等性質(zhì)，有助于改善食品的理化性質(zhì)。而膳食纖維的添加會(huì)影響其保水性、熱力學(xué)性質(zhì)、流變和質(zhì)構(gòu)等理化性質(zhì)，對(duì)淀粉的糊化性質(zhì)影響尤為顯著[7]。研究膳食纖維添加對(duì)淀粉糊化性質(zhì)的影響對(duì)其在淀粉類食品加工和質(zhì)量控制方面有重要意義。

因此，本文通過(guò)球磨粉碎制備粒徑范圍332.5～2.04 μm的膳食纖維，研究不同粒徑胡蘿卜膳食纖維的理化性質(zhì)及其對(duì)淀粉糊化性質(zhì)的影響，有助于預(yù)測(cè)膳食纖維對(duì)食品品質(zhì)的影響，為胡蘿卜膳食纖維產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

胡蘿卜渣：山東金得利食品有限公司；氫氧化鈉、馬鈴薯淀粉等試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

PM-100行星式球磨儀∶德國(guó)Retsch；S3500激光粒度分析儀：美國(guó)Microtrac公司；ASAP2020 MP全自動(dòng)比表面積及微孔物理吸附儀：美國(guó)麥克儀器公司；LUMiSizer 65全功能穩(wěn)定性分析儀：德國(guó)LUM公司；AR-G2流變儀：美國(guó)TA儀器公司；RVA4500快速黏度分析儀∶澳大利亞波通公司；熱重分析儀TGA/SDTA851e、S40 pH計(jì)∶梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；凍干機(jī)∶德國(guó)Marin Christ公司；EBA20離心機(jī)∶德國(guó)Hettich公司；JS14S數(shù)顯時(shí)間繼電器：常安集團(tuán)有限公司；ZKXF真空干燥箱∶天津亞興實(shí)驗(yàn)儀器廠；TGL-16D冷凍高速離心機(jī)∶金壇市華龍實(shí)驗(yàn)儀器廠；501A型超級(jí)恒溫器∶上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 膳食纖維的制備 按照Kuan等人的方法，稍作改動(dòng)，制備膳食纖維樣品[8]。稱取200 g，20目胡蘿卜渣樣品，分散于8 L蒸餾水中，浸泡20 min后調(diào)節(jié)pH至12.5，60℃恒溫保持3 h，然后調(diào)節(jié)pH至中性，蒸餾水不斷沖洗樣品直至洗滌液澄清，殘?jiān)?0℃下干燥過(guò)夜，即得膳食纖維樣品。

1.3.2 膳食纖維的超微粉碎 稱取適量樣品，置于球磨機(jī)中，球料比為1∶1，400 r/min下粉碎15 min，所得樣品分別用425，150和75 μm篩子篩分，分別得到粒徑為425～150和150～75 μm兩個(gè)級(jí)別的樣品，分別命名為G1和G2。取G2樣品在500 r/min條件下繼續(xù)粉碎，通過(guò)控制粉碎時(shí)間得到不同粒徑級(jí)別的樣品，分別命名為 G3、G4、G5和 G6。

1.3.3 粒徑測(cè)定 取適量樣品置于激光粒度測(cè)定儀內(nèi)，干法測(cè)定。

1.3.4 比表面積及孔徑分析 按照Sun-Waterhouse等人[9]的方法，樣品真空干燥后，在-195.807℃液氮下，測(cè)定氮?dú)獾奈胶徒馕€，Brunauer-Emmett-Teller （BET） 比表面積，Barrett-Joyner-Halenda（BJH）累積孔體積和BJH平均孔徑作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。

1.3.5 熱重分析 參考Rabetafika等人[10]的方法，熱重分析在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行，坩堝加入4～5 mg樣品，溫度范圍25～600℃，加熱速率10℃/min。DTG曲線由失重率曲線微分得到。

1.3.6 分層穩(wěn)定性分析 利用STEP?技術(shù)，實(shí)現(xiàn)樣品不同位置的同時(shí)觀測(cè)與分析，將膳食纖維樣品溶于去離子水中，制備質(zhì)量濃度為50 g/L的樣品，取適量于樣品管中，設(shè)置儀器轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，近紅外光源865 nm下，每3 s抓取一條測(cè)試曲線（位置-透光率），通過(guò)內(nèi)置軟件分析分層界面的位置變化。

1.3.7 流變性質(zhì)分析 按照Daou等人的方法[11]，制備質(zhì)量濃度為50 g/L的濃度樣品，室溫下平衡24 h后測(cè)量，利用2°，60 mm 錐板，轉(zhuǎn)速0.01到50 r/s，Gap值設(shè)定為1 000 μm，25℃下測(cè)定表觀黏度的變化。

1.3.8 對(duì)淀粉糊化性質(zhì)影響分析 按照Parra等人的方法[7]，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求在淀粉中分別加入不同粒徑的膳食纖維。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，溫度變化程序?yàn)椤?0℃下保持1 min，隨后溫度上升到95℃，保持2.5 min；接著溫度下降到 50℃，并保持2 min，攪拌槳初始10 s內(nèi)轉(zhuǎn)速為960 r/min，之后維持在160 r/min。RVA譜特征值主要取峰值黏度、衰減值、最終黏度、回生值、峰值時(shí)間和糊化溫度。

2 結(jié)果與分析

2.1 粒徑分布

本實(shí)驗(yàn)所制得的不同粒徑范圍的纖維用馬爾文激光粒度儀測(cè)定，以D50作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，D（V，0.5）表示粒度累計(jì)分布曲線上50%的顆?？梢酝ㄟ^(guò)此直徑，可以作為平均粒徑。由圖1可以看到粒徑從G1到G6峰向左移，粒徑逐漸變小，粒徑分布峰形較窄，各級(jí)別纖維粒徑較為均一。由表1可得出本實(shí)驗(yàn)所得的6個(gè)不同粒徑級(jí)別的樣品G1到G6平均粒徑分別為 332.5，142.3，65.64，26.36，9.51 和 2.04 μm。

表1 胡蘿卜纖維粒徑分布Table 1 Particle-size distributions of different carrot fibers

2.2 比表面積及孔徑分析

由表2可知，隨著纖維粒徑變小，樣品的比表面積和累計(jì)孔體積逐漸增大，BET比表面積從0.024 5提高到5.862 7 m2/g，增加了239倍，BJH累計(jì)孔體積從0.002 568提高到0.028 544 m3/g，增加了11倍，比表面積的增大可能會(huì)引起更多活性基團(tuán)的暴露，從而提高其生理活性。

2.3 熱重分析

熱重分析是為了研究超微粉碎過(guò)程中，纖維組成的組成，包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量變化。由Liu等人[12]的研究可知，纖維素在相對(duì)較低的溫度下開(kāi)始分解（200～327℃），接著是半纖維素（300～450 ℃），最后是木質(zhì)素（550 ℃）。由圖 2可知，G1～G6號(hào)樣品在測(cè)試溫度范圍內(nèi)均有兩個(gè)峰，第一個(gè)在40～125℃，對(duì)應(yīng)著水的蒸發(fā)，第二個(gè)峰較大，在125～600℃范圍內(nèi)，主要是由于纖維的分解，分別為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，形狀與Liu等[12]研究結(jié)果相似，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的混合物的DTG峰為一個(gè)單峰和一個(gè)小肩峰。150～230℃范圍內(nèi)不存在小肩峰，說(shuō)明堿法提取所得纖維較純，可溶性物質(zhì)如蛋白含量較少[10]。

圖1 胡蘿卜纖維粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of carrot fibers

表2 不同粒徑胡蘿卜纖維氮吸附數(shù)據(jù)Table 2 N2physisorption data for the different particle sized carrot fibres

圖2 不同粒徑纖維DTG曲線Fig.2 DTG curves of the different particle sized carrot fibers

2.4 分層穩(wěn)定性分析

在1 g重力下，樣品質(zhì)量濃度為50 g/L時(shí)，G1和G2樣品在20 s內(nèi)沉降，時(shí)間分別為5和13 s，未放入儀器前已沉降完全，故G1和G2未得到儀器測(cè)量數(shù)據(jù)。G3～G6的懸浮穩(wěn)定性由LUMiSizer穩(wěn)定性分析儀在1 000 r/min條件下測(cè)得。從圖3可以看出，G3～G6樣品達(dá)到完全分層的時(shí)間變長(zhǎng)，分別為99，522，540和 621 s。相比 G2組分的纖維懸浮穩(wěn)定性，G3組分的懸浮穩(wěn)定性有一次大幅提高，從肉眼可見(jiàn)的快速分層到儀器1 000 r/min條件下99 s沉降完全；G4組分的懸浮穩(wěn)定性為G3的5倍多，G4到G6纖維懸浮穩(wěn)定性逐漸提高，增幅減小，由此可得，隨著纖維粒徑的減小，懸浮穩(wěn)定性提高。

膳食纖維的懸浮液可以看作是雙相分散體系，去離子水是分散介質(zhì)，分散相是由膳食纖維經(jīng)過(guò)球磨粉碎而成的大小、形狀不同的固體顆粒組成。懸浮體系中，顆粒受到重力、浮力和曳力的作用，沉降包括兩個(gè)階段，加速沉降和勻速沉降階段。加速沉降過(guò)程中，重力大于浮力，顆粒沉降速度越來(lái)越快，而曳力與顆粒沉降速度平方正相關(guān)，即曳力增加，加速度越來(lái)越小，直至曳力與浮力之和與重力相等，加速度為零，顆粒達(dá)到最大速度，不再加速，并以此速度勻速沉降。最終沉降速度與分散介質(zhì)、分散相密度和粒徑大小有關(guān)，粒徑越小，沉降速度越慢。而實(shí)際食品體系中成分復(fù)雜，如無(wú)機(jī)陽(yáng)離子鐵、鈣等，蛋白質(zhì)，淀粉，微生物等均會(huì)影響膳食纖維的沉降，如何影響有待進(jìn)一步研究。

圖3 不同粒徑胡蘿卜纖維樣品沉降界面位置隨時(shí)間變化Fig.3 Sedimentation（mm） as testing time（s） of different particle sized carrot fibres in dispersions（50 g/L）

2.5 流變分析

由于樣品流變表現(xiàn)為剪切變稀的非牛頓流體，隨著剪切速率的增加，樣品表觀黏度快速減小，后接近于水平，故表3中列出的是剪切速率為50 r/s時(shí)樣品的表觀黏度，隨著纖維粒徑減小，表觀黏度下降，G1（332.5 μm）的表觀黏度是 G2（142.3 μm）的8.83 倍，G4，G5的表觀黏度相差較小，G6（2.04 μm）的表觀黏度最小，基本和水的黏度相似。此研究與Mueller等[13]的結(jié)論相似，纖維粒徑越大，越容易形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，顆粒間更易產(chǎn)生相互作用，表觀黏度較大，而微粉碎會(huì)破壞纖維的結(jié)構(gòu)，引起其表觀黏度降低。

表3 不同粒徑胡蘿卜纖維樣品表觀黏度Table 3 Viscosity of different particle sized carrot fiber solutions

2.6 糊化性質(zhì)

為研究纖維添加量對(duì)淀粉糊化過(guò)程的影響，在淀粉中分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，3%，5%，10%，20%，30%，50%G1，結(jié)果如表4及圖4所示。隨著胡蘿卜纖維的添加量增多，淀粉的衰減值下降，說(shuō)明其抵抗剪切和高溫的能力加強(qiáng)，淀粉的熱穩(wěn)定性升高[14]。峰值黏度與加熱過(guò)程中顆粒的膨脹性有關(guān)，淀粉顆粒的膨脹性越高，峰值黏度越大[15]。峰值黏度隨著纖維添加量的增多而下降，是因?yàn)槔w維含量的增加降低了淀粉含量，糊化的淀粉變少，此外，由于纖維具有吸水性，使得體系中的水變少，淀粉糊化更難[16]。纖維含量低于10%時(shí)，纖維的黏度部分彌補(bǔ)了淀粉峰值黏度的變化，峰值黏度變化較少，添加量多于10%時(shí)，纖維的黏度不足以彌補(bǔ)淀粉糊化的減少量，峰值黏度急劇下降。回生值表示淀粉溶液在冷卻過(guò)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]，由于纖維吸水，限制了直鏈淀粉的溶出，回生值隨著纖維的添加量增多而減小，說(shuō)明加入纖維的淀粉不易老化，這與Sudha等人[18]研究將蘋(píng)果渣加入小麥淀粉的結(jié)果相似。

表4 不同胡蘿卜纖維添加量對(duì)淀粉黏度特性的影響Table 4 Effect of substitution with increasing percentages of carrot fibers on pasting characteristics of starch

圖4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)胡蘿卜纖維糊化曲線Fig.4 Pasting curves of the different concentration carrot fibers

將不同粒徑的纖維G1～G6按淀粉質(zhì)量的30%加入其中，研究不同粒徑的纖維對(duì)淀粉糊化性質(zhì)的影響，結(jié)果如表5及圖5所示。由圖5可知，纖維粒徑的不同，對(duì)淀粉的糊化影響較小，G2～G5的糊化過(guò)程相似，G1和G6的糊化性質(zhì)變化相對(duì)明顯。G1的峰值黏度和衰減值較大，回生值較小，說(shuō)明添加粒徑大的纖維，淀粉熱穩(wěn)定相對(duì)更好，而且更不易老化。

表5 不同粒徑胡蘿卜纖維對(duì)淀粉黏度特性的影響Table 5 Effect of substitution with different particle sizedcarrot fibers on pasting characteristics of starch

圖5 不同粒徑纖維糊化曲線Fig.5 Pasting curves of the different varieties

3 結(jié) 語(yǔ)

胡蘿卜纖維經(jīng)球磨粉碎處理，通過(guò)控制粉碎時(shí)間，可得到粒徑范圍為332.5～2.04 μm的膳食纖維。隨著粒徑的減小，胡蘿卜纖維的比表面積和孔體積增加；懸浮穩(wěn)定性顯著提高，有助于其在液態(tài)食品中的應(yīng)用；表觀黏度變小，添加到食品中，口感更順滑。此外，膳食纖維的添加會(huì)影響淀粉的糊化性質(zhì)，隨著其含量的增加，淀粉的熱穩(wěn)定性提高，更不易回生，但黏度降低；隨著纖維粒徑的減小，淀粉黏度降低。