加酶擠壓膨化對小米膳食纖維的影響

岐 婉，張軼軻，李涌泉，陳樹俊，張麗珍

(山西大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，太原 030000)

膳食纖維是植物性食物中抵抗人類消化酶消化的部分，包括多糖和木質(zhì)素[1]，分為可溶性(SDF)和不溶性(IDF)的膳食纖維[2]。研究表明，高膳食纖維飲食具有預(yù)防冠心病、心血管疾病、糖尿病和結(jié)腸癌等疾病的作用，在抗腫瘤方面、降血脂方面等有較好的效果[3]。小米膳食纖維主要存在于種皮及少量的糊粉層中[4]。小米含有1.2%～2.8%的膳食纖維，粗纖維含量達(dá)到0.8～1.6 g/100 g，是大米的2.6倍。

擠壓膨化處理是一種集高溫、高壓和高剪切力的食品加工技術(shù)[5]。原料在擠壓過程中處于高壓下，通過模頭排出時突然下降到正常壓力[6]，由于壓力急劇下降，原料被膨化成多孔結(jié)構(gòu)，有利于粉末快速吸收水分[7]，淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪、粗纖維等大分子物質(zhì)被切斷成小分子物質(zhì)[8]，可有效提高全谷物小米的食用性。利用擠壓膨化技術(shù)生產(chǎn)小米速食粉、代餐粉等是小米加工的重要方式。糊粉類食品一直面臨著結(jié)塊率高、沖調(diào)性差的弊端，不易被消費者接受。研究發(fā)現(xiàn)，擠壓膨化過程中添加α-淀粉酶可以提高產(chǎn)品水溶性、降低沖調(diào)黏度、提高淀粉消化率[9，10]。提高小米膳食纖維功能特性和人體對膳食纖維的利用率，已經(jīng)成為食品加工領(lǐng)域的研究熱點。張光等[11]通過擠壓膨化處理，使米糠膳食纖維功能性隨著結(jié)構(gòu)的變化發(fā)生改變。孟晶巖等[12]通過擠壓膨化處理小米膳食纖維，其持水力、膨脹力、吸油力顯著改善。目前鮮有關(guān)于加酶擠壓膨化小米粉對膳食纖維影響的報道。

本研究通過加酶擠壓膨化處理改善小米粉沖調(diào)性，進(jìn)而提取膳食纖維，比較其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的變化，深入了解加酶擠壓對小米膳食纖維的影響，為小米新產(chǎn)品的開發(fā)以及在食品工業(yè)中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小米：晉谷21號；大豆油。高溫α-淀粉酶(40 000 U/g)、中性蛋白酶(50 000 U/g)、糖化酶(100 000 U/g)，石油醚、氫氧化鈉、氯化鈉、無水乙醇、鹽酸、對氨基苯磺酸、濃硫酸、酚酞、膽固醇、亞硝酸鈉、冰乙酸、鄰苯二甲醛、鹽酸萘乙二胺，分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

YXQ-SⅡ立式壓力蒸汽滅菌鍋，DS32-ⅡA實驗雙螺桿膨化機(jī)，HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋，Sigma2-16PK高速冷凍離心機(jī)，HX2002T電子天平，MultiDrive IKA研磨機(jī)，KDY-9820全自動凱氏定氮儀，WG9070BE電熱鼓風(fēng)干燥機(jī)，ifinite 200 Pro多功能微孔板檢測儀。

1.3 方法

1.3.1 加酶擠壓膨化處理工藝

小米粉碎過60目篩，量取高溫α-淀粉酶(750 U/g)溶解，與原料混勻后密封，100 ℃加熱30 min酶解后流水冷卻。酶解處理后的物料用雙螺桿膨化機(jī)處理。擠壓機(jī)前中后段溫度分別為70、170、190 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速30 Hz，喂料初期為20 Hz，陸續(xù)出料后逐漸加快進(jìn)料速度，待出料穩(wěn)定后收集擠出樣品，將樣品干燥粉碎密封保存?zhèn)溆?。在上述條件不變的情況下進(jìn)行對照處理，實驗分為4組：小米粉不加酶不擠壓(小米生粉)、小米粉加酶不擠壓(加酶小米粉)、小米粉擠壓不加酶(擠壓小米粉)、小米粉加酶擠壓(加酶擠壓粉)。

1.3.2 營養(yǎng)成分的測定

水分測定按照GB 5009.3—2016，蛋白質(zhì)測定按照GB 5009.5—2016，脂肪測定按照GB 5009.5—2003，灰分測定按照GB 5009.3—2016。

1.3.3 沖調(diào)性的測定1.3.3.1 水溶性和吸水性測定

參照Benhur等[13]方法測定小米粉的吸水性指數(shù)(WAI)和水溶性指數(shù)(WSI)。稱取樣品1.5 g，加入20 mL蒸餾水混勻，30 ℃水浴鍋加熱30 min，每隔5 min振蕩30 s，4 000 g離心12 min，分離上清液和沉淀物，計算公式見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

1.3.3.2 結(jié)塊率測定

稱取10 g樣品置于500 mL的燒杯中，加入60 ℃的蒸餾水150 mL，攪拌均勻后，靜置10 min，過20目篩，瀝干后帶篩網(wǎng)烘干至恒重，結(jié)塊率公式見式(3)。

(3)

1.3.3.3 色度測定

用色差儀測量小米粉的L*、a*、b*值。以小米生粉顏色L0*、a0*、b0*為對照組，見式(4)和式(5)。

(4)

色差=

(5)

1.3.4 膳食纖維的提取

參照Zhu等[14]方法，小米粉石油醚脫脂后提取膳食纖維。按料液比1∶10加入蒸餾水?dāng)嚢杈鶆颍尤敫邷卅?淀粉酶(200 U/g)，于95～100 ℃水浴糊化30 min，降溫冷卻后用NaOH調(diào)節(jié)pH至7.0，加中性蛋白酶(250 U/g)，55 ℃下酶解30 min，用HCl調(diào)pH至4.2，加入糖化酶60 ℃酶解30 min，沸水浴滅酶15 min，冷卻，用體積分?jǐn)?shù)95%的乙醇溶液醇沉過夜，將溶液在8 000 g離心10 min，并用蒸餾水多次洗滌沉淀物，收集沉淀，沉淀物干燥至恒重，粉碎過篩制得膳食纖維。分別為小米生粉DFs，加酶小米粉DFs，擠壓小米粉DFs，加酶擠壓小米粉DFs。

1.3.4.1 小米膳食纖維持水性、持油性測定

參照Luo等[15]方法，稱取小米膳食纖維0.1 g，加入10 mL的蒸餾水(大豆油)，充分混勻，靜置20 min后于4 000 g下離心20 min，倒掉上清液后稱質(zhì)量，計算公式為：

(6)

式中：W0為小米膳食纖維樣品的質(zhì)量/g；W1為離心后小米膳食纖維樣品的總質(zhì)量/g；W2為離心后沉淀的總質(zhì)量/g。

1.3.4.2 小米膳食纖維溶解度測定

參照Li等[16]方法，取0.2 g樣品加入5 mL蒸餾水，75 ℃水浴攪拌30 min，4 000 g離心10 min，取上清液烘干至恒重。計算公式為：

(7)

式中：m1為鋁盒質(zhì)量/g；m2為上清液質(zhì)量/g。

1.3.4.3 小米膳食纖維膽固醇吸附能力測定

膽固醇標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制：采用鄰苯二甲醛法，以膽固醇為標(biāo)準(zhǔn)品，標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=0.408 0x+0.030 6(R2=0.993 4)。

膽固醇吸附能力測定：根據(jù)Jia等[17]的方法修改為：取雞蛋蛋黃，攪打均勻，加入9倍體積的蒸餾水，取稀釋蛋黃液15 mL，用0.1 mol/L NaOH將溶液pH調(diào)整為7(模擬小腸環(huán)境)，加入0.5 g樣品，37 ℃水浴2 h，每隔20 min振蕩30 s，4 000 r/min離心20 min，吸取1 mL上清液測定吸光度值。計算公式為：

(8)

式中：m為恒重樣品質(zhì)量/g；n1為吸附前蛋黃乳液膽固醇質(zhì)量濃度/mg/mL；n2為離心后上清液中膽固醇質(zhì)量濃度/mg/mL。

1.3.4.4 小米膳食纖維亞硝酸根離子吸附力測定

亞硝酸根離子標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制：用鹽酸萘乙二胺法測定亞硝酸根離子，標(biāo)準(zhǔn)曲線為y=0.088 7x+0.017 3(R2=0.999 4)。

對亞硝酸根離子吸附力的測定：參考張洪微等[18]方法并稍作修改。取pH為7的NaNO2溶液(5μg/mL)20 mL，加入0.5 g小米膳食纖維，37 ℃水浴2 h，4 000 r/min離心15 min，取1 mL上清液測吸光度值，代入標(biāo)準(zhǔn)曲線，亞硝酸根離子吸附力計算公式為：

(9)

式中：m1為吸附前亞硝酸根離子質(zhì)量/μg；m2為吸附后亞硝酸根離子質(zhì)量/μg；m0為膳食纖維質(zhì)量/g。

1.3.4.5 小米膳食纖維紅外光譜測定

用Nicolet iS50紅外光譜儀測定小米膳食纖維的二級結(jié)構(gòu)，取干燥后的樣品，記錄300～4 000 cm-1范圍內(nèi)的光譜變化，用32次掃描和4 cm-1分辨率記錄FTIR光譜。

1.3.4.6 小米膳食纖維掃描電子顯微鏡測定

取小米膳食纖維樣品，分別對樣品進(jìn)行5 000倍和10 000倍掃描電子顯微鏡分析，觀察膳食纖維形貌特征。

1.3.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

所有實驗均進(jìn)行3次重復(fù)，用SPSS26軟件進(jìn)行Duncan顯著性分析，P<0.05表示差異顯著。用Origin2019制圖，相同字母表示相同處理差異不顯著，不同字母表示差異顯著。

2 結(jié)果分析

2.1 加酶擠壓膨化處理對小米粉營養(yǎng)成分的影響

小米粉營養(yǎng)成分見表1。擠壓小米粉和加酶擠壓粉較小米生粉含水量下降，可能是因為在擠壓膨化過程中，機(jī)筒溫度高達(dá)190 ℃，在機(jī)筒內(nèi)停留10 s以上，水分瞬間蒸發(fā)，并且當(dāng)物料沖出模頭時，溫度和壓力瞬間急劇下降，水分子體積氣化，導(dǎo)致水分含量下降[19]。蛋白質(zhì)含量在加酶擠壓過程中無顯著變化。加酶擠壓處理使小米粉脂肪含量下降，擠壓及加酶擠壓聯(lián)合處理的脂肪含量降幅最大，原因可能是脂肪與直鏈淀粉、蛋白質(zhì)形成了復(fù)合物[20]?；曳趾肯陆担驗樵诟邷馗邏汉透呒羟辛Φ淖饔孟?，揮發(fā)性礦物質(zhì)如碘、硒等少量損失。加酶擠壓膨化處理使基本營養(yǎng)成分的含量降低。

表1 小米粉主要化學(xué)成分含量/g/100 g

2.2 加酶擠壓膨化處理對小米粉沖調(diào)性的影響

小米粉沖調(diào)性見表2。加酶小米粉、擠壓小米粉、加酶擠壓粉與小米生粉相比，水溶性指數(shù)分別提高了5.99倍、14.07倍、19.07倍(P<0.05)；加酶小米粉、擠壓小米粉、加酶擠壓粉與小米生粉相比，吸水性指數(shù)分別降低了16.39%、16.89%、21.43%；加酶小米粉、擠壓小米粉、加酶擠壓粉與小米生粉相比，結(jié)塊率下降了36.43%、81.25%、92.76%(P<0.05)。在高溫α-淀粉酶和擠壓膨化共同作用下，部分高分子物質(zhì)的結(jié)構(gòu)鍵斷裂變成低分子產(chǎn)物[21]，小分子可溶性物質(zhì)增加，親水性增強(qiáng)，水溶性指數(shù)升高，同時大分子結(jié)構(gòu)被破壞，與水作用后吸水性能下降，表現(xiàn)為水溶性指數(shù)上升而吸水性指數(shù)下降，也使得加酶擠壓粉的結(jié)塊現(xiàn)象明顯減少，從而結(jié)塊率降低，小米粉的沖調(diào)效果越好。

表2 加酶擠壓膨化處理對原料沖調(diào)性的影響

小米粉的顏色變化見表3。加酶擠壓粉L*值最大，亮度最高，b*值最小，感官接受度最高。擠壓和加酶擠壓處理，使色度變小，顏色變淺。擠壓后顏色色差變化最大，加酶擠壓處理色差變化最小。綜合來看，加酶擠壓膨化處理能顯著提高小米粉的沖調(diào)性。

表3 加酶擠壓膨化處理對原料色度的影響

2.3 加酶擠壓膨化處理對小米膳食纖維的影響

2.3.1 小米膳食纖維持水性、持油性和溶解度的分析

小米膳食纖維持水性、持油性和溶解度見圖1。小米膳食纖維的持水、持油能力和溶解度提高。加酶小米粉DFs、擠壓小米粉DFs、加酶擠壓粉DFs與小米生粉DFs相比，持水性分別提高了3.36%、41.8%、54.7%；加酶小米粉DFs、擠壓小米粉DFs、加酶擠壓粉DFs與小米生粉DFs相比，持油性分別提高了13.09%、32.3%、38.7%；加酶小米粉DFs、擠壓小米粉DFs、加酶擠壓粉DFs與小米生粉DFs相比，溶解度分別提高了26.67%、74.1%、100%。擠壓膨化處理后的小米膳食纖維具有較好的持水力、持油力和溶解度。良好的持水力可防止食品脫水收縮，而高持油力可以降低脂質(zhì)在腸道內(nèi)的吸收[22]。

注：標(biāo)有相同字母表示相同處理差異不顯著(P>0.05)，不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

2.3.2 對小米膳食纖維吸附力的影響

小米膳食纖維吸附能力見圖2，膽固醇吸附能力、亞硝酸根離子吸附力存在相同的趨勢，擠壓小米粉DFs吸附力大于其他組分，加酶小米粉DFs與小米生粉DFs相比，吸附力降低，加酶擠壓粉DFs與擠壓小米粉DFs相比，吸附力顯著降低。擠壓膨化粉DFs膽固醇吸附力提高，這可能是由于擠壓膨化處理使小米粉中的不溶性膳食纖維得到降解，進(jìn)而增加了可溶性膳食纖維含量。冠心病的發(fā)生與血液中膽固醇含量有直接的關(guān)系，因此改善膳食纖維吸附膽固醇的能力具有重大意義[23]。當(dāng)可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維占總膳食纖維一定比例時，能夠充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，起到協(xié)同增效作用，因此其膽固醇吸附能力有所增強(qiáng)[24]。

圖2 小米膳食纖維吸附力

亞硝酸根離子吸附能力的改善主要是由于擠壓膨化處理使物料粒徑減小，表面積增大，更多的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)暴露，從而增強(qiáng)小米膳食纖維對亞硝酸根離子的吸附和保留能力。膳食纖維結(jié)構(gòu)在酸性條件下的糖醛酸、氨基酸，特別是酚酸等活性基團(tuán)對亞硝基有較強(qiáng)的吸附作用[25]。

2.3.3 對小米膳食纖維紅外光譜結(jié)構(gòu)的影響

小米膳食纖維的紅外光譜圖見圖3，加酶擠壓前后膳食纖維各特征吸收峰強(qiáng)度變化顯著，吸收峰位置基本不變。3 400～3 300 cm-1處代表的是由纖維素和半纖維素—OH羥基的伸縮振動引起的，可能存在羥基及結(jié)合水分子。通過比較可以看出加酶擠壓粉DFs吸收峰強(qiáng)度有所減弱，這可能是由于加酶擠壓處理導(dǎo)致纖維素分子之間的氫鍵發(fā)生斷裂。2 925 cm-1處的小尖峰是多糖甲基和亞甲基的C—H拉伸振動所致，1 747 cm-1處為木質(zhì)素中的苯環(huán)特征吸收峰，表明糖醛酸存在于木質(zhì)素中，在1 026 cm-1附近為吡喃糖苷鍵伸縮振動，有研究表明加酶擠壓膨化處理后谷物中的糖苷鍵數(shù)量升高，說明處理后糖苷鍵發(fā)生斷裂，膳食纖維分子變小，表面積增大，結(jié)構(gòu)中的糖苷鍵明顯暴露出來，出現(xiàn)更多的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，表面積增加，從而影響其體外吸附能力[26]，加酶擠壓處理可以通過改變小米粉的結(jié)構(gòu)來提高其亞硝酸根離子和膽固醇的吸附力，與亞硝酸根離子和膽固醇吸附力結(jié)果一致。小米膳食纖維紅外光譜相似，說明加酶擠壓沒有改變小米膳食纖維的主要官能團(tuán)，但其含量或結(jié)合程度不同，導(dǎo)致某些吸收峰強(qiáng)度不同。

圖3 不同處理小米膳食纖維紅外光譜圖

2.2.4 對小米膳食纖維掃描電鏡的影響

小米膳食纖維掃描電鏡圖見圖4，在相同放大倍數(shù)下(5 000×、10 000×)，小米生粉DFs表面呈不規(guī)則塊狀結(jié)構(gòu)，顆粒不均勻，帶有褶皺，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密；加酶生粉DFs與小米生粉DFs掃描電鏡圖類似；加酶擠壓粉DFs結(jié)構(gòu)呈一定的片狀和層狀結(jié)構(gòu)，疏松多孔，附著有小顆粒物質(zhì)，結(jié)構(gòu)疏松。在擠壓膨化過程中，其顆粒結(jié)構(gòu)被破壞后重組，小米天然結(jié)構(gòu)消失，而呈現(xiàn)不規(guī)則的大塊或片狀結(jié)構(gòu)，粒徑的增大可能有助于提高粉末的下沉性和分散性，從而提高其潤濕性[27]。

圖4 不同處理小米膳食纖維掃描電鏡圖(5 000×)

3 結(jié)論

加酶擠壓膨化小米粉在加工過程中蛋白含量無顯著變化，加酶擠壓膨化小米熟粉的WSI顯著提高，結(jié)塊率和WAI下降，沖調(diào)性得到極大改善。加酶擠壓小米粉DFs的持水性、持油性和溶解度均顯著提高，擠壓小米粉DFs的膽固醇吸附能力、亞硝酸根離子吸附力最好。加酶擠壓粉DFs結(jié)構(gòu)呈一定的片狀、層狀結(jié)構(gòu)，顆粒表面的褶皺是無規(guī)則的，疏松多孔，表明結(jié)構(gòu)疏松。小米膳食纖維紅外光譜相似，說明加酶擠壓沒有改變小米膳食纖維的主要官能團(tuán)，但其含量或結(jié)合程度不同，導(dǎo)致吸收峰強(qiáng)度不同。本研究可為進(jìn)一步開發(fā)利用小米膳食纖維資源提供參考。