改性麥麩膳食纖維功能和結(jié)構(gòu)特性研究

王磊 廖晨 孟哲 王建華 閆艷華 董李學(xué) 曹慧慧

摘要?以麥麩為原料，利用蒸汽爆破技術(shù)（SE）改性麥麩膳食纖維（DF），應(yīng)用X射線衍射儀（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）等儀器對DF的晶體結(jié)構(gòu)和顆粒形態(tài)等進行表征。結(jié)果表明，DF經(jīng)過蒸汽爆破改性后，溶解性、持水力、持油力和膨脹力分別為50.24%、3.89?g/g、2.58?g/g和5.47?mL/g，乳化活性、乳化穩(wěn)定性和最小凝膠濃度分別為465.8?mL/L，501.2?mL/L和9.24%;DPPH、ABTS、O2·-和·OH的清除率分別為90.57%、73.68%、55.42%和44.12%。改性后DF結(jié)晶結(jié)構(gòu)未受影響，顆粒更致密，表面有明顯的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果可為麥麩膳食纖維的功能改性及綜合利用提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞?麥麩;膳食纖維;蒸汽爆破;功能特性;結(jié)構(gòu)特性

中圖分類號?TS202.3文獻標識碼?A文章編號?0517-6611（2020）07-0179-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.07.051

Study?on?Functional?and?Structure?Property?of?Modified?Dietary?Fiber?from?Wheat?Bran

WANG?Lei1，2，?LIAO?Chen1，2，?MENG?Zhe1，2?et?al

（1.Tangshan?Food?and?Drug?Comprehensive?Testing?Center，?Tangshan，?Hebei?063000;2.?Hebei?Agricultural?Products?Quality?and?Safety?Testing?Innovation?Center，?Tangshan，?Hebei?063000）

Abstract?With?wheat?bran?as?raw?material，?the?modified?method?of?dietary?fiber?（DF）?by?steam?explosion?technology?（SE），?Xray?diffraction?and?scanning?electron?microscope?were?used?to?analyze?crystal?structure?and?particle?morphology?of?DF.?The?solubility，?water?holding?capacity，?oil?holding?capacity，?swelling?force，?emulsifying?activity，?emulsifying?stability?and?least?gelation?concentration?of?SEDF?were?50.24%，?3.89?g/g，?2.58?g/g，?5.47?mL/g，?465.8?mL/L，?501.2?mL/L?and?9.24%，?respectively;The?scavenging?rates?of?DPPH，?ABTS，?O2·-?and?·OH?were?90.57%，?73.68%，?55.42%?and?44.12%，?respectively.?The?morphology?of?Xray?diffraction?revealed?that?SE?could?not?change?the?crystal?structure?of?DF.?And?the?SEM?showed?that?there?was?porous?network?like?honeycomb?and?swelled?structure?of?SEDF.?The?research?can?provide?a?reference?for?functional?modifications?and?utilization?of?dietary?fiber?from?wheat?bran.

Key?words?Wheat?bran;Dietary?fiber;Steam?explosion;Functional?property;Structure?property

基金項目?河北省二期現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系創(chuàng)新團隊建設(shè)項目（HBCT2018120207）;河北省人才工程培養(yǎng)經(jīng)費資助科研項目（A201901128）。

作者簡介?王磊（1982—），男，河北唐山人，副研究員，從事功能配料與食品添加劑研究。通信作者，從事食品營養(yǎng)分析研究。

收稿日期?2019-12-09

膳食纖維（DF）是健康飲食不可缺少的，在保持消化系統(tǒng)健康上扮演著重要的角色，同時攝取足夠的膳食纖維也可以預(yù)防心血管疾病、癌癥、糖尿病以及其他疾病，可以清潔消化壁和增強消化功能，可稀釋和加速食物中的致癌物質(zhì)和有毒物質(zhì)的移除，保護脆弱的消化道和預(yù)防結(jié)腸癌，可減緩消化速度和最快速排泄膽固醇，可讓血液中的血糖和膽固醇控制在最理想的水平[1-6]。

植物細胞中的纖維為木質(zhì)素所粘結(jié)，在高溫、高壓蒸汽作用下，纖維素結(jié)晶度提高，聚合度下降，半纖維素部分降解，木質(zhì)素軟化，橫向連結(jié)強度下降，甚至軟化可塑，當(dāng)充滿壓力蒸汽的物料驟然減壓時，孔隙中的氣體膨脹從而產(chǎn)生的“爆破”效果，可部分剝離木質(zhì)素，并將原料撕裂為細小纖維[7]。

對蒸汽爆破改性麥麩膳食纖維的功能和結(jié)構(gòu)特性進行比較分析，提出改性麥麩膳食纖維作為一種功能食品配料，在我國具有廣泛的開發(fā)應(yīng)用前景。

1?材料與方法

1.1?材料、試劑與儀器

1.1.1?材料。

麥麩，唐山盛川農(nóng)產(chǎn)品股份有限公司提供。

Control-DF：稱取300?g麥麩，加入物料7倍蒸餾水，攪拌均勻，打漿機粉碎，離心分離（時間15?min，轉(zhuǎn)速5?000?r/min），收集濾渣;利用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將上清液濃縮至1/10，用70%乙醇沉淀4?h，離心，合并2次濾渣，于60?℃烘干，過60目篩備用。

SE-DF：稱取300?g麥麩，加入物料7倍蒸餾水，攪拌均勻，打漿機粉碎，選擇一定壓力下利用蒸汽爆破設(shè)備處理一定時間，離心分離（時間15?min，轉(zhuǎn)速5?000?r/min），收集濾渣;利用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將上清液濃縮至1/10，用70%乙醇沉淀4?h，離心，合并2次濾渣，于60?℃烘干，過60目篩備用。

1.1.2?試劑。

過氧化氫、DPPH、水楊酸等均為分析純，北京化學(xué)試劑公司。

1.1.3?儀器。ME54TE電子分析天平（METTLER?TOLEDO有限公司）;L400臺式離心機（湖南湘儀有限公司）;IKA?RV3旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（艾卡（廣州）儀器設(shè)備有限公司）;DHG-9023A-T電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海丙林科技有限公司）;JBQ-ZDX恒溫水浴振蕩器（常州首創(chuàng)儀器設(shè)備有限公司）;蒸汽爆破設(shè)備（北京化工大學(xué)自制）;S-4800掃描電子顯微鏡（日本日立公司）;Dmax-MSAL?12?kW高功率粉末衍射儀（北京北達燕園微構(gòu)有限公司）。

1.2?方法

1.2.1?指標測定?？扇芙庑裕╓S）、持油力（OHC）的測定參照唐曉青[8]的方法;

膨脹力（SC）、持水力（WHC）的測定參照李倫[9]的方法;

乳化特性（EA）、乳化穩(wěn)定性（ES）和最小凝膠濃度（LGC）的測定參照LAN等[10]的方法;

ABTS、·OH、O2·-、DPPH自由基清除率的測定參照曹慧慧等[11]的方法。

1.2.2?X-射線衍射。

取1～2?g樣品將其裝填在玻璃制的特定樣品版的凹槽內(nèi)，用平整光滑的玻璃板適當(dāng)壓緊，然后將高出樣品板表面的多余粉末刮去，如此重復(fù)1～2次，然后放入衍射儀，進行連續(xù)掃描。X-射線衍射條件：特征射線CuKα，衍射波長λ=0.154?mm，電壓40?kV，電流50?mA，掃描速率15?deg/min，發(fā)散狹縫1°，接受狹縫0.3?mm，防發(fā)散狹縫1°，測量范圍2θ=5°～60°。數(shù)據(jù)用OriginLab軟件進行分析處理。

1.2.3?電鏡掃描。

用雙面膠布將經(jīng)過粉碎的膳食纖維粘牢在鍍金臺上，鍍膜后，加速電壓12?kV的條件下用S-4800冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡進行觀察。

1.3?數(shù)據(jù)處理

采用Design-Expert?7.0?進行試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)處理。

2?結(jié)果與分析

2.1?麥麩DF理化特性分析

從表1可知，經(jīng)蒸汽爆破改性后的麥麩DF理化特性均有所提高。Control-DF的溶解性、持水力、持油力、膨脹力為38.71%、3.24?g/g、2.17?g/g、3.89?mL/g，SE-DF分別提高到50.24%、3.89?g/g、2.58?g/g、5.47?mL/g，分別增加了29.79%、20.06%、18.89%、40.62%。蒸汽爆破處理導(dǎo)致膳食纖維粒徑減小，不但會增加整體的比表面積，還會增加纖維表面的孔隙率，進而強化毛細作用。同時，纖維素、半纖維素等大分子物質(zhì)被截斷，產(chǎn)生了各種小分子片段，可能使得膳食纖維的一些親水性、親油性活性位點暴露出來，更有利于顆粒與水或油接觸，且分散性增強[12]。

Control-DF乳化活性和乳化穩(wěn)定性分別為322.6?mL/L和371.5?mL/L，SE-DF分別增加到465.8?mL/L和501.2?mL/L。與處理前DF相比，蒸汽爆破處理后的DF可作為一種良好的乳化劑[13]。而且擁有較高乳化活性的DF對維持人體健康非常有利，通過減少膳食中膽固醇的吸收、影響機體中膽固醇的代謝、促進膽固醇的排泄等降低血漿中膽固醇水平[10，14]。從表1可以看出，蒸汽爆破處理顯著降低了LGC，從未處理的15.87%減小到9.24%，說明蒸汽爆破處理增加了麥麩DF的黏度。

2.2?麥麩DF抗氧化能力分析

蒸汽爆破處理前后麥麩DF對DPPH、ABTS、O2·-和·OH清除率如表2所示。蒸汽爆破處理后DPPH、ABTS、O2·-和·OH的清除率均得到一定程度的增加。

蒸汽爆破處理后的麥麩DF對DPPH、ABTS、O2·-和·OH的清除率明顯高于未處理樣品，這可能由于在抗氧化物質(zhì)提取的過程中，DF中抗氧化成分與提取劑接觸表面積增大、接觸更充分，且經(jīng)過蒸汽爆破處理后物料細胞壁被破壞，不溶性活性成分變成小分子可溶性物質(zhì)，活性成分較易溶出，清除自由基的能力得到增強[15]。

2.3?X-射線衍射

由圖1可以看出，DF的衍射峰不是很突出，但是在膳食纖維的結(jié)構(gòu)中存在一定的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。蒸汽爆破基本未改變DF的結(jié)晶結(jié)構(gòu)屬性，纖維晶區(qū)基本未受影響，只是衍射強度略有升高。DF在衍射角2θ=26°左右時出現(xiàn)一特征峰，說明在2θ=26°左右時該物質(zhì)發(fā)生結(jié)晶作用。而經(jīng)蒸汽爆破處理后的DF分別在衍射角2θ=21°、2θ=23°左右時有2個特征峰，說明在2θ=21°、2θ=23°左右時該物質(zhì)都發(fā)生結(jié)晶作用，蒸汽爆破作用使其衍射角度發(fā)生了變化，還提高了其結(jié)晶強度。

2.4?DF的電鏡觀察

圖2是蒸汽爆破處理前后麥麩DF的掃描電鏡圖，放大倍數(shù)5?000。由圖2a可以看出，起初膳食纖維的顆粒較大，大小均勻，呈棒狀且表面平整。從圖2b可以看出，經(jīng)蒸汽爆破處理后DF結(jié)構(gòu)遭到較為嚴重的破壞，呈顆粒狀，表面結(jié)構(gòu)則變得粗糙且疏松。其原因可能是DF受到高速相撞被擊碎，同時由于瞬時失壓，產(chǎn)生一種類似膨化作用的結(jié)構(gòu)崩潰，使棒狀顆粒變小、表面結(jié)構(gòu)變粗糙，纖維顆粒的表面結(jié)構(gòu)被破壞，出現(xiàn)多層不規(guī)則片狀甚至孔狀結(jié)構(gòu)。

3?結(jié)論

（1）SE-DF的溶解性、持水力、持油力、膨脹力、乳化活性、乳化穩(wěn)定性和最小凝膠濃度分別為50.24%、3.89?g/g、2.58?g/g、5.47?mL/g、465.8?mL/L、501.2?mL/L和9.24%。經(jīng)蒸汽爆破處理后，麥麩DF的理化特性有所升高。

（2）蒸汽爆破處理后，麥麩DF對DPPH、ABTS、O2·-和·OH清除率明顯高于未處理樣品，對自由基清除能力有所增強。

（3）X-射線衍射圖譜表明，蒸汽爆破基本未改變DF的結(jié)晶結(jié)構(gòu)屬性，處理后纖維晶區(qū)基本未受影響，衍射強度略有升高。掃描電鏡觀察表明，蒸汽爆破處理可以使長條細桿狀纖維卷曲斷裂，膨化成絮狀結(jié)構(gòu)，且表面具有凹陷的小孔，從根本上改變了DF的形貌特征。

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