接枝化改性对麦麸膳食纤维持水力影响的研究

孙 强，黄纪念，芦 鑫，王继红

(河南省农科院农副产品加工研究所，河南郑州450002)

接枝化改性对麦麸膳食纤维持水力影响的研究

孙 强，黄纪念，芦 鑫，王继红

(河南省农科院农副产品加工研究所，河南郑州450002)

以不溶性麦麸膳食纤维为原料，持水力为指标，采用丙烯酸接枝化对麦麸膳食纤维进行改性。通过单因素及响应面优化实验，确定了丙烯酸接枝化改性麦麸膳食纤维的最佳工艺条件:麦麸膳食纤维原料8.000g，液料比(m/m) 10.4，引发时间1.0h，引发剂用量0.150g，丙烯酸8.5mL，反应温度87℃，接枝时间2.6h，此条件下产品得率为89.01%，持水力达9.648g/g，与原料相比，提高了67.90%。

麦麸膳食纤维，持水力，接枝化改性

膳食纤维是一种天然有机高分子非淀粉类多糖。国内外大量研究表明，膳食纤维与人体健康关系密切，如高血压、高血脂、糖尿病、便秘、肥胖症、冠心病等“现代文明病”都与膳食纤维的摄入量不足有关［1］，同其它“六大营养素”一样成为人类不可缺少的营养成分，被称为“第七营养素”［2］。随着膳食纤维的生理作用及其在人体中的不可替代性逐渐被人们所认识，越来越多的富含膳食纤维的食品及其保健品被开发。如美、英、法、德等国家销售的谷物食品中约有20%以上是富含膳食纤维的功能食品，而日本自80年代开始相继有30多家植物纤维厂应运而生［3］。然而在我国，随着经济的发展，人民生活水平的逐渐提高，膳食中缺乏膳食纤维的情况也日趋严重，研究开发适应国际食品发展潮流的膳食纤维新产品，迅速发展我国的膳食纤维食品迫在眉睫［4］。持水力、膨胀力是评价膳食纤维生理性能的重要指标［5］。尤其是持水力，膳食纤维所具有的改善胃肠道、预防便秘和直肠癌、降低血清胆固醇、调节血糖水平、预防胆结石、降血压、减肥和抗癌等生理功能，往往与膳食纤维的持水性有较大关系。此外，膳食纤维的高持水力还有利于产品组织结构的形成，防止其脱水收缩，扩大膳食纤维在肉制品、面粉、面团、面包、饮料等产品中的应用［6］。因此，在保留膳食纤维的全部性质和生理作用的基础上，提高膳食纤维的持水性等物化特性，增加膳食纤维的生理功能，进一步拓展膳食纤维在食品、医药等行业的应用范围，具有深远的意义和影响。本文参照相关自由基反应机理，在引发剂K2S2O8的存在下，将膳食纤维与单体丙烯酸反应，制取具有较高持水力的改性产品。其反应机理如下:形成自由基:S2→S;链引发:S·+多糖－CH2－OH→多糖－C·H－OH+ ROH;链增长:多糖－C·H－OH+CH2=CH－COOH→多糖－CH(OH)－CH2－C·H－COOH;链终止:自由基+ 自由基→化合物。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

麦麸膳食纤维 自制(具体成分见表1);丙烯酸、过硫酸钾、无水乙醇 天津市永大化学试剂有限公司，分析纯。

Sh10A水分快速测量仪 上海民桥精密仪器科技公司;KS－600E(Ⅰ)超声波清洗机 宁波海曙科生超声设备有限公司;Anke DL－5－B低速大容量离心机 上海安亭科学仪器厂;XMTA－608电热鼓风干燥箱 上海佳胜实验设备有限公司;HH－S恒温水浴锅 上海博讯实业有限公司医疗设备厂;KL－UPIV－10艾柯纯水机 成都康宁实验专用纯水设备厂。

表1 麦麸膳食纤维的组成成分

1.2 实验方法

1.2.1 接枝化改性实验操作过程 a.称取麦麸膳食纤维原料8.000g，加入一定液料比的蒸馏水，在室温下搅拌30min;b.将引发剂K2S2O8加入到反应体系中，置于水浴锅中恒温搅拌，使反应体系中形成大量的自由基;c.向反应体系中逐滴加入丙烯酸，恒温搅拌反应一定时间后，结束反应;d.反应体系冷却后，用水洗至中性，再抽滤，残渣用无水乙醇洗至无多余试剂残留;e.置于电热鼓风干燥箱隔板上50℃干燥12h，则得接枝化改性产品。

1.2.2 接枝化改性单因素实验

1.2.2.1 液料比对接枝化麦麸膳食纤维持水力的影响 取麦麸膳食纤维原料8.000g，控制反应体系为丙烯酸10mL，引发剂(K2S2O8)0.150g，引发时间1.0h，反应温度80℃，接枝时间2.5h的条件下，研究液料比对丙烯酸接枝化产品持水力的影响。

1.2.2.2 引发剂K2S2O8用量对接枝化麦麸膳食纤维持水力的影响 取麦麸膳食纤维原料8.000g，控制反应体系液料比10，丙烯酸10mL，引发时间1.0h，反应温度80℃，接枝时间2.5h条件下，研究K2S2O8对丙烯酸接枝化产品持水力的影响。

1.2.2.3 丙烯酸用量对接枝化麦麸膳食纤维持水力的影响 取麦麸膳食纤维原料8.000g，控制反应体系为液料比10，引发剂(K2S2O8)0.150g，引发时间1.0h，接枝温度80℃，接枝时间2.5h的条件下，研究丙烯酸用量对接枝化产品持水力的影响。

1.2.2.4 引发时间对接枝化麦麸膳食纤维持水力的影响 取麦麸膳食纤维原料8.000g，控制反应体系液料比10，丙烯酸8mL，K2S2O80.150g，反应温度80℃，反应时间2.5h条件下，研究引发时间对丙烯酸接枝化产品持水力的影响。

1.2.2.5 反应温度对接枝化麦麸膳食纤维持水力的影响 取麦麸膳食纤维原料8.000g，控制反应体系为液料比8，丙烯酸10mL，引发剂(K2S2O8)0.150g，引发时间1.0h，接枝时间2.5h的条件下，研究反应温度对丙烯酸接枝化产品持水力的影响。

1.2.2.6 接枝时间对接枝化麦麸膳食纤维持水力的影响 取麦麸膳食纤维原料8.000g，控制反应体系为液料比10，丙烯酸8mL，引发剂(K2S2O8)0.150g，引发时间1.0h，反应温度85℃的条件下，研究接枝时间对丙烯酸接枝化产品持水力的影响。

1.2.3 接枝化改性响应面优化实验 根据接枝化改性单因素实验结果，取麦麸膳食纤维原料8.000g，固定引发时间为1.0h，引发剂用量为0.150g，以持水力为主要评价指标，利用Design－Expert软件，采用中心组合实验Box－Behnken设计方案，响应面分析实验水平(如表2所示)，考察其他4个因素之间的相互作用对改性产品持水力的影响。

表2 中心组合实验因素水平表及其编码值

1.2.4 膳食纤维持水力的测定 参考Esposito等的方法，称取2.500g膳食纤维置于离心管中，加水30mL，室温下放置0.5h，以2500r/min离心10min，弃去上清液，称离心管重量，然后按下式计算持水力(g/g)［7］。

持水力(g/g)=［膳食纤维湿重(g)－膳食纤维干重(g)］/膳食纤维干重(g)

1.2.5 麦麸膳食纤维基本成分的测定 水分含量测定，直接干燥法(GB/T5009.3.2003);蛋白质含量测定，凯氏定氮法(GB/T5009.5.2003);脂肪含量测定，索氏抽提法(GB/T5009.6.2003);灰分含量测定，直接灰化法(GB/T5009.4.2003);淀粉含量测定，酶水解法(GB/T5009.9.2003);膳食纤维含量测定，酶重量法(GB/T22224.2008)。

1.2.6 改性麦麸膳食纤维得率的计算 按照实验方法1.2.1完成接枝化改性所得的接枝化改性产品质量除以麦麸膳食纤维原料8.000g，再乘以100%，即为改性产品得率。

1.2.7 实验数据的统计与分析 采用Design－Expert 7.0处理数据，P＜0.05为显著，P＜0.01高度显著。无特殊说明，所有实验平行测定三次，结果均为平均值。

2 结果与讨论

2.1 接枝化改性麦麸膳食纤维的单因素实验

2.1.1 液料比对接枝化麦麸膳食纤维持水力的影响

从图1可知，随着液料比的增加，接枝化产品的持水力先升高后降低，当液料比为10时，产品的持水力最大。这可能是因为加水过少，麦麸膳食纤维在反应体系中不能够充分溶胀，接枝化反应较难进行，产品持水力较低，随着加水量的增加，麦麸膳食纤维在反应体系中充分溶胀，加快反应的进行;但当加水增多到一定比例，化学反应体系浓度降低，反应速率降低，产品持水力下降。

2.1.2 引发剂K2S2O8用量对接枝化麦麸膳食纤维持水力的影响 由图2可知，随着K2S2O8用量的增加，接枝化产品的持水力先升高后降低，当K2S2O8用量为0.150g时，产品持水力达到最大。这可能因为引发剂用量太少，则活性中心少，接枝速度慢，活性较强的丙烯酸可能会首先发生均聚，产物交联程度不足，产品持水力降低;随着引发剂用量的增加，引发剂与膳食纤维反应所形成的接枝反应活性中心也增加，接枝化反应越容易进行，产物持水力增大;当引发剂用量超过某个值时，引发剂与膳食纤维自由基的终止反应几率及自由基引起的均聚反应几率都增大，从而导致了产物交联密度增大，持水力降低。

图1 液料比对接枝化产品持水力的影响

图2 K2S2O8对接枝化产品持水力的影响

2.1.3 丙烯酸用量对接枝化麦麸膳食纤维持水力的影响 从图3可知，产物的持水力随着丙烯酸体积的增加呈现先增加后减小的趋势，当丙烯酸体积为8mL时，接枝化产品的持水力最大。这可能是因为催化剂的催化效率是有限的，过量丙烯酸没有得到充分利用，单体与单体间发生聚合，产生大量均聚物，使得产物持水力降低，同时，过量的丙烯酸造成的强酸环境，抑制了催化剂的催化效率。

图3 丙烯酸用量对接枝化产品持水力的影响

2.1.4 引发时间对接枝化麦麸膳食纤维持水力的影响 从图4可知，随着引发时间的延长，产品持水力明显的增加，当引发时间为1.0h后，再延长引发时间，产品的持水力变化不明显。这可能因为过硫酸钾在强酸性条件下能反应生成硫酸根自由基，同时过硫酸钾在强酸性条件下可以将膳食纤维多糖上的部分基团氧化成醛基或羧基，而这些基团有利于多糖分子与引发剂作用生成更多自由基;这些初始自由基进攻膳食纤维多糖大分子链形成接枝活性中心，随着引发时间的延长，生成的初始自由基和接枝活性中心都增加，接枝化反应的程度增大;但反应体系达到平衡后再延长引发时间，产品的持水力变化不明显。

图4 引发时间对接枝化产品持水力的影响

2.1.5 反应温度对接枝化麦麸膳食纤维持水力的影响 由图5可知，在70～90℃的范围内，随着反应温度的升高，接枝化产品的持水力呈现出先快速增加，后缓慢增加趋势，在90℃时产品的持水力达到最高。这可能是因为温度较低时，不能满足接枝化反应所需的活化能，温度升高，反应的分子速度加快，分子间的有效碰撞增加，有利于接枝反应，接枝化产品持水力增大。但从图5还可知，当反应温度为90℃时，产品的得率急剧下降，且产品的颜色较深，这将对综合效果非常不利，而当反应温度为85℃时，产品得率较高(86.19%)，且在该温度下产品的持水力也比较大，综合考虑持水力、产品得率等因素，以85℃为最佳。

图5 反应温度对接枝化产品持水力及得率的影响

2.1.6 接枝时间对接枝化麦麸膳食纤维持水力的影响 从图6可知，随着反应时间的延长，产品的持水力呈增大趋势，反应时间为2.5h后，再延长反应时间，产品的持水力下降，这是因为反应时间长短影响着产品的内部结构。随着接枝时间的延长，聚合物逐渐形成比较完全的三维网状结构，持水力上升。但过于延长接枝时间，体系在高温强碱作用下，接枝化产品的三维网状结构遭到破坏，持水力下降。

图6 接枝时间对接枝化产品持水力的影响

2.2 接枝化改性响应面优化实验

响应面实验数据分析结果如表3和表4所示。

表4 回归方程的方差分析

表3 响应面分析实验结果表

利用Design－Expert软件，对表3中的实验结果进行多元回归拟合，获得接枝化产品持水力对液料比、丙烯酸、温度、接枝时间的二次多项回归方程:Y =9.54+0.14X1+0.23X2+0.29X3+0.11X4+ 0.069X1X2+3.500E－003X1X3+0.13X1X4+0.064X2X3+0.32X2X4－0.25X3X4－0.50－0.67－ 0.35－0.44

2.2.1 接枝化改性优化实验的响应面图 由Design－Expert统计分析软件作响应曲面及等高线图，分析液料比、丙烯酸、反应温度、接枝时间对接枝化产品持水力的影响。各因素及其交互作用对响应值的影响趋势可通过这组图直接反映出来，由图7可知，各因素之间对模糊综合评价值评价的影响有协同作用。反应温度X3对响应值的影响最大，表现为曲线较陡;丙烯酸用量X2次之。因此选择合适的反应温度和丙烯酸用量，可获得较高持水力的接枝产品。在影响接枝化产品持水力的因素中，反应温度＞丙烯酸用量＞液料比，即反应温度对持水力的影响最为显著。

图7 液料比、丙烯酸和温度的响应面

2.2.2 丙烯酸接枝化改性麦麸膳食纤维最佳实验条件确定 在所选各因素范围内，通过Design－expert 7.0软件建立模型分析，得出丙烯酸接枝化改性麦麸膳食纤维的最佳工艺条件为液料比10.35，丙烯酸用量8.45mL，反应温度86.93℃，接枝时间2.56h，该条件下持水力预测值为9.638g/g。采用上述优化条件做验证实验，将液料比修正为10.4，丙烯酸体积修正为8.5mL，温度修正为87℃，接枝时间修正为2.6h，该条件下所得接枝化麦麸膳食纤维得率为89.01%，持水力为9.648g/g，而改性前麦麸膳食纤维持水力为5.746g/g，可见改性后，麦麸膳食纤维持水力提高了67.90%。

3 结论

3.1 称取麦麸膳食纤维原料8.000g，采用丙烯酸对其进行接枝改性的适宜工艺参数为:液料比10.4，K2S2O8用量0.150g，丙烯酸8.5mL，反应温度87℃，接枝时间2.6h。

3.2 改性麦麸膳食纤维产品得率为89.01%，且与改性前相比，产品持水力提高了67.90%，达9.648g/g。

［1］Fugencio Saura－Calixto，et al.In Vitro Determination of the Indigestible Fraction in Foods:An Alternative to Dietary Fibre Analysis［J］.Agric Food Chem，2000，48:3342－3347.

［2］辛馨.食物纤维的生理作用及其在食品中的应用［J］.食品工业科技，1989，10(5):52－59.

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［4］樊成亮.膳食纤维的功能及开发前景［J］.中国食物与营养，2000(3):43－44.

［5］陶颜娟.小麦麸皮膳食纤维的改性及应用研究［D］.无锡:江南大学，2008:13－14.

［6］申瑞玲，王英.膳食纤维的改性及其对功能特性的影响［J］.农产品加工·学刊，2009(3):3－17.

［7］Esposito F，Arlottib G，Bonifati AM，et al.Antioxidant activity and dietary fibre in durum wheat bran by－products［J］.Food Research International，2005，38:1167－1173.

Study on effects of the graft modification method on the water－holding capacity of dietary fibre from wheat bran

SUN Qiang，HUANG Ji－nian，LU Xin，WANG Ji－hong
(Institute of Agricultural Products Processing，Henan Academy of Agriculture Sciences，Zhengzhou 450002，China)

With the water－holding capacity for index，insoluble dietary fiber from wheat bran was modified through the acrylic graft modification method.According to results of single factor experiment and response surface methodology(RSM)，the optimum conditions of the acrylic graft modification method were as follows:raw material 8.000g，ratio of liquid to material(m/m)10.4，triggering time 1.0h，initiator 0.150g，acrylic 8.5mL，reaction temperature 87℃，grafting time 2.6h.On this condition，the yield was 89.01%.Compared with the raw material，the water－holding capacity of modified sample was 9.648g/g，which was up 67.90%.

dietary fiber of wheat bran;water－holding capacity;graft modification

TS210.1

A

1002－0306(2011)12－0168－05

2011－08－29

孙强(1973－)，男，硕士，助理研究员，研究方向:农产品精深加工。

河南省重点科技攻关项目(082102110007)。