挤压膨化辅助提取米糠可溶性膳食纤维及其特性研究

王 旭 梁 栋 徐 杨 马世榜 施焕儒

(中国农业大学工学院1，北京 100083)(中国农业大学食品科学与营养工程学院2，北京 100083)(南阳师范学院机电工程学院3，南阳 473061)

挤压膨化辅助提取米糠可溶性膳食纤维及其特性研究

王 旭1梁 栋2徐 杨1马世榜3施焕儒1

(中国农业大学工学院1，北京 100083)(中国农业大学食品科学与营养工程学院2，北京 100083)(南阳师范学院机电工程学院3，南阳 473061)

以新鲜米糠为原料，在单因素和正交试验基础上，通过分析不同挤压工艺和酶解条件对米糠中可溶性膳食纤维提取率的影响，优化挤压膨化辅助酶水解技术提取可溶性膳食纤维。同时采用扫描电子显微镜、差示扫描热量法等表征可溶性膳食纤维的结构及物化特性。试验结果表明，在挤压温度130 ℃、螺杆速度200 r/min、物料含水量20%，酶用量2.0%、酶解温度75 ℃、酶解时间90 min、pH 6.0的条件下，可溶性膳食纤维提取率为30.35%。米糠可溶性膳食纤维表面形态疏松，呈蜂窝颗粒状，内部由纤维素类物质形成支撑主体，热力学相对稳定。与未经挤压膨化处理提取的可溶性膳食纤维相比，挤压辅助提取的可溶性膳食纤维具有更高的持水力、结合水力、溶胀力、结合脂肪能力及丰富的空间网状结构，结构及物化特性均得到明显改善。

米糠 可溶性膳食纤维 挤压膨化 酶水解 结构及物化特性

米糠是稻谷深加工中的高附加值副产品，含有人体必需的多种氨基酸、不饱和脂肪酸、膳食纤维及生理功能活性物质，对人体健康有很大的好处[1]。在我国，米糠年均产量约为1 000万t[2-3]。然而现阶段，米糠大多被用作饲料或被遗弃，资源有效利用率及产品附加值极低，资源未能得到充分利用[4]。

挤压膨化技术是一种新型食品加工技术[5]，与其他常见的传统处理方法相比，挤压膨化技术有着热动态效率高、生产成本低、营养损失小等优点。采用挤压膨化作为预处理方法，可以使米糠达到稳定化，便于后续生产和加工[6]。

膳食纤维作为一类含有植物碳水化合物聚合物的混合物，通常来自于谷物、豆类和蔬果中[7]。根据膳食纤维的溶解性，膳食纤维可以分为可溶性膳食纤维(Soluble dietary fiber, SDF)和不溶性膳食纤维(Insoluble dietary fiber, IDF)[8]。可溶性膳食纤维指的是不被人体消化道酶消化，但可以溶于热水且其水溶液能被4倍体积的乙醇再沉淀的膳食纤维。可溶性膳食纤维具有较强的持水、持油能力，能螯合消化道中的胆固醇、重金属，减少人体对有害物质的吸收[9]。同时，可以有效防治糖尿病、心血管疾病，预防肥胖、降压降血脂[10-11]。

我国现有提取米糠中可溶性膳食纤维的方法，如酸法、碱法、酶法、化学分离法、发酵法[12]等，存在提取膳食纤维量少，设备工序较繁琐，不便于大量生产提取等问题，且引入了化学制剂，成本较高。因此，为了提高可溶性膳食纤维提取率，本研究以米糠为原料，采用挤压膨化辅助酶水解技术提取可溶性膳食纤维，探究挤压膨化工艺和酶解条件对米糠可溶性膳食纤维提取率、结构及物化特性的影响，得到提取率高、工艺方法简单且结构性能优异的米糠可溶性膳食纤维。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 试验材料与试剂

新鲜米糠：中国农业大学上庄实验站，主要成分为10.2%水分、7.9%灰分、13.9%蛋白质、14.3%脂肪、28.9%膳食纤维；耐高温α-淀粉酶；其他试剂均为分析纯。

1.1.2 试验仪器与设备

DS32-II双螺杆挤压膨化机：山东济南赛信机械有限公司；DGG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱：中国上海森信实验仪器有限公司；CR21GⅢ型高速离心机：日本日立公司；Q10型差示扫描量热仪：美国TA公司。

1.2 试验方法

1.2.1 米糠挤压膨化预处理

新鲜米糠粉碎后过40目筛。采用DS32-II双螺杆挤压膨化机进行挤压膨化处理。针对物料含水量、挤压温度、螺杆转速，固定其他因素进行单因素挤压试验，考察各因素对SDF得率的影响。在螺杆转速为200 r/min、挤压温度130 ℃条件下，物料含水量变化值为10%、15%、20%、25%、30%；在物料含水量20%、挤压温度130 ℃条件下，螺杆转速变化值为150、175、200、225、250 r/min；在物料含水量20%、螺杆转速为200 r/min条件下，挤压温度变化值为110、120、130、140、150 ℃。同时测定未经预处理的米糠膳食纤维，与处理后的提取率进行对比。经过挤压处理后，将物料粉碎后备用。

1.2.2 米糠可溶性膳食纤维的提取工艺流程及优化

取2 g经挤压膨化处理的米糠粉，加入到100 mL蒸馏水中，在沸水浴中均匀搅拌40 min。冷却到室温后加入0.044 8 g耐高温α-淀粉酶，在80 ℃中性条件下进行酶解反应。105 ℃加热15 min灭酶，然后冷却到室温。加入1.12%(m/V)NaOH溶液50 mL，搅拌均匀后放入80 ℃恒温水浴锅中处理60 min。取出后冷却至室温，离心(4 000 r/min，20 min)后得到上清液，用4倍体积的无水乙醇沉淀，离心(4 000 r/min，10 min)，将沉淀物烘干后，即可得到可溶性膳食纤维。为后续进一步研究，将所得可溶性膳食纤维在0～4 ℃贮藏。最后，测定可溶性膳食纤维的提取率[13]。

在挤压处理后的米糠中加入耐高温α-淀粉酶，在适宜的酶用量、酶解时间、酶解温度及pH条件下进行单因素试验。在最佳挤压参数条件下获取的原料进行酶解，酶解温度、酶解时间、酶用量及pH在分别保持其他因素不变的情况下，在前步最优条件下进行单因素试验。在单因素试验的基础上，采用正交试验优化工艺条件[14]。

1.3 米糠SDF结构与物化特性的测定方法

1.3.1 成分分析

蛋白质含量测定：GB/T 5009.5—2003；脂肪含量测定：GB/T 5009.6—2003；水分含量测定：GB/T 5009.3—200；灰分含量测定：GB/T 5009.4—2003；膳食纤维含量测定：AOAC 991.4。

1.3.2 持水力的测定

准确称取250 mg过40目筛的SDF样品，放入离心管中，加入25 mL去离子水，振荡后在室温下静置60 min。离心(15 min，3 000 r/min)，除去上清液，称重。换算成每克干样品保持水的质量(g/g干物质)[15]。

1.3.3 膨胀力的测定

称取1.00 g过40目筛的SDF样品，放入20 mL的具塞刻度玻璃试管中，加入20 mL去离子水，振匀后在室温(20 ℃)下放置16 h，观察样品在试管中的自由膨胀体积 (mL)。按下面公式计算每克SDF样品的膨胀体积(mL/g)[16]。

1.3.4 结合水力测定

将100 mg米糠SDF样品浸泡于25 mL 4 ℃的蒸馏水中，在14 000 r/min条件下离心处理1 h，小心除去上清液，残留物置于G-2多孔玻璃上，静置1 h后称重，然后在120 ℃条件下干燥2 h后再次称重，两者差值即为所结合的水重量，换算成每克SDF结合水质量[17-18]。

1.3.5 结合脂肪能力测定

取4 g米糠SDF样品与20 mL玉米胚芽油在50 mL离心管中混合，每隔5 min搅拌1次，30 min后将混合物在1 600 r/min条件下离心25 min。游离脂肪通过离心分离，结合脂肪的量可被测出，结合脂肪的能力即1 g SDF样品所结合脂肪的量[19]。

1.3.6 可溶性膳食纤维表观结构分析

采用扫描电子显微镜，将SDF样品干燥恒重后，取适量于观察台，镀金属膜。利用高能电子束在试样上扫描，激发出各种物理信息，通过对这些信息的接受、放大和显示成像，获得测试试样表面形貌的观察。

1.3.7 热稳定性分析

采用示差扫描热量仪，以5 ℃/min升温速率升温，温度范围25～200 ℃，对SDF热稳定性进行测定。

1.4 数据统计分析

所有试验重复3次，试验结果为平均值。试验图形及数据的处理采用Origin 8.0及正交试验进行分析。

2 结果与分析

2.1 挤压膨化工艺对米糠SDF提取率的影响

挤压温度是影响挤压膨化工艺的一个重要因素。在挤压机腔体内，物料随着挤压机温度急剧上升，同时受到强烈的剪切力作用，使得纤维高聚物糖苷键断裂，降解为低分子质量的碳水化合物[18]。由图1可知，SDF提取率随着挤压温度的上升而增高，这是因为在适当的高温下可以促进不溶性大分子物质熔融、断裂，使立体微孔网状结构的亲水基团暴露数量增多，纤维素、木聚糖等不溶性纤维裂解为可溶性小分子的速度加快，可溶性成分增加。当温度高于130 ℃时，SDF提取率逐渐降低，这是因为挤压温度过高，物料发生焦糊现象，颜色加深，导致美拉德反应的发生。因此，挤压温度选在120～140 ℃比较合适。

如图1所示，SDF含量随着螺杆转速的增加而增加，这是因为螺杆转速越高，机筒内的压力越大，物料和物料之间、物料和机筒之间以及物料和螺杆之间的摩擦力和剪切力越大，在此条件下有利于大分子聚合物的裂解，使纤维物料分子裂解程度增大，转化为低分子质量的水溶性成分增多，表现为挤压产品中SDF含量的升高。当螺杆转速达到160 r/min后增加不明显，呈平稳趋势，螺杆转速对SDF提取率的影响降低，并从能源角度考虑，螺杆转速在175～225 r/min较合适。

图1 不同因素对米糠SDF提取率的影响

挤压膨化是一个高温高压的过程，因此适当的物料含水量能够调节物料的润湿度、以及形变特性，使纤维充分膨松、混合，有助于纤维束在外力作用下打开并断裂，进而分子重组[20]。物料含水量过高时，物料的湿润程度大，形变性和输送特性增强，受到机筒内部的压力、摩擦力和剪切力降低，在机筒内滞留时间缩短，以至于纤维物料分子裂解程度降低，SDF含量降低[21]。物料含水量过少时，物料挤出前润湿度较低，容易造成机筒内堵塞。挤出过程中蒸汽发生量过少，温度急剧升高，物料液化流动性差，输送滞缓，而且容易出现焦糊现象[22]。由图1可知，物料含水量为20%时挤出效果最好。因此选择含水量范围15%～25%。

综合考虑，选取挤压温度130 ℃，螺杆速度200 r/min、物料含水量20%为最优挤压膨化参数，在此条件下进行酶解处理。

2.2 酶水解对米糠SDF提取率的影响

如图2所示，当酶解温度从65 ℃升至90 ℃时，SDF提取率呈现先增加后下降的趋势。当酶解温度为85 ℃时，提取率增加缓慢；当温度高85 ℃时，提取率又缓慢下降。这是因为温度对酶活性有着很大的影响。温度过低导致酶促反应减弱，温度升高则加快酶促反应速度。在最适宜酶解温度下，酶的活性最强，此时得到最大的酶促反应速度。但若超过了最适的温度，反应的速度反而会下降，甚至使酶变性失活。因此，考虑到高温对米糠内部组织结构的影响，选择适宜的酶解温度范围为70～80 ℃[23]。

图2 不同因素对米糠SDF提取率的影响

当α-淀粉酶质量分数从0.5%～2.5%的过程中，SDF提取率逐渐增大。在某种程度上是因为酶解后淀粉类物质水解较高的α-淀粉酶含量促进了纤维素的水解，生成了单糖及可溶解的多糖，大分子变成小分子，此外，适当的酶用量使IDF转化为SDF。因此，适宜α-淀粉酶质量分数为1.0%～2.0%[24]。

如图2所示，随着反应时间的延长，米糠中SDF提取率逐渐增大，但是当达到90 min后增加幅度变缓。这是因为适当的酶解时间能够促进纤维素的水解，使不溶性成分转化为可溶性物质。但随着酶解反应的进行，底物浓度减小，产物浓度增加，竞争性抑制变强，导致酶活性降低。在经历了初始阶段积累后的中间复合物逐渐达到稳定，并趋于恒定。因此，适宜的酶解时间范围为70～80 min。

pH值5.5～8.0时，SDF提取率呈现先增加后下降的趋势，这是因为不同的酶有不同的最适pH作用范围，在最适范围内，酶的催化活性部位可解离的基团能够得到完全的解离，这样酶的活性中心与底物就能充分的结合，从而将底物最大程度的转变为水解产物，最终SDF提取率升高。pH过高或者过低都可能导致SDF提取率降低。因此，适宜pH范围是6.0～7.0。

2.3 正交试验

在单因素试验结果的基础上，采用正交试验对影响提取SDF的4个因素：α-淀粉酶酶用量、酶解温度、酶解时间、pH进行条件优化。正交试验因素和水平见表1，试验结果见表2。

表1 正交试验因素和水平设计

表2 正交试验结果

由表2可知，极差值A>C>B>D，故4个因素对试验的结果影响顺序为：酶用量>酶解温度>酶解时间>pH。对于酶用量，k3>k2>k1，对于酶解时间，k3>k1>k2，对于酶解温度，k2>k1>k3，对于pH，k1>k2=k3。由此得到各因素最佳组合为A3B3C2D1，即最佳工艺条件是：酶用量2.0%、酶解温度75 ℃、酶解时间90 min、pH 6.0。在此条件下，米糠SDF提取率最高。为了考察提取工艺稳定性，进行3次平行验证试验。验证试验结果表明，在最佳工艺条件下，得到米糠SDF提取率为31.59%，与预测值相吻合，说明此模型可行。

2.4挤压膨化工艺对米糠中可溶性膳食纤维结构及物化特性的影响

2.4.1 持水力、膨胀力、结合水力及结合脂肪能力

由于米糠SDF的物化特性直接影响其生理功能特性，因此通过研究挤压膨化对米糠SDF物化特性的影响，可得到挤压膨化处理对SDF生理功能特性的影响。采用1.3的方法测定挤压膨化前后持水力、膨胀力、结合水力及结合脂肪能力的变化，结果见表3。

表3 挤压处理前后米糠SDF的物化特性

由表3可知，米糠经过挤压膨化预处理后，SDF的物化特性得到显著改善。这是由于高温高剪切挤压力的作用，使不溶性大分子纤维断裂，转变为小分子的可溶性组分，从而增加了产品的持水力、膨胀力、结合水力及结合脂肪能力。结果表明，挤压膨化处理可增强米糠SDF的生理功能特性。

2.4.2 扫描电子显微镜分析

通过扫描电镜观察，进一步对挤压辅助酶解提取的米糠可溶性膳食纤维结构特性进行分析，确定其表面形态，如图3。

图3 挤压膨化处理前后米糠SDF扫描电镜图

由图3可见，未经挤压膨化处理的米糠SDF在500倍SEM图中呈团状结构，表面凹凸不平，挤压处理后有较明显的团状颗粒结构，表面结构呈无定形分散状，其内部由纤维素类物质形成支撑主体。未经处理的米糠SDF在2 000倍SEM图中表面呈不规则粗糙状，处理后有明显蜂窝纤维状结构，大多数体积较大的微粒表面粘结着小颗粒，表面形态疏松。这可能是由于米糠在挤压机高温高压、高剪切力的条件下发生淀粉糊化、降解，蛋白变性等变化，各成分间也经历了由原来结合态的机械分离，到挤压强制融合的历程。酶解将大分子分解为小分子物质，在此过程中，纤维多糖的糖苷键以及氢键作用力被破坏，导致纤维多糖降解，聚合度下降，同时增大了颗粒表面积，使SDF具有良好的持水性和溶解性。米糠中所含营养成分大多达到了熔融分离状态，有利于人体消化吸收和进一步综合利用。

2.4.3 差示扫描热量分析

采用差示扫描热量仪对挤压前后米糠SDF热性能进行研究，DSC曲线如图4。从DSC曲线中，一方面可以看出，SDF吸收峰峰值在70～85 ℃区间内，该反应在性质上是吸热的，这可能是由于纤维素中水分的挥发。另一方面，挤压处理前后米糠SDF在200 ℃以下是相对稳定的，没有表现出任何显著的放热峰，表明其结晶度低，同时说明挤压处理没有改变米糠可溶性膳食纤维的降解机理，有较好的热稳定性。

注：a为未经挤压膨化处理，b为挤压膨化处理。图4 挤压膨化处理前后米糠SDF的DSC曲线

3 结论

3.1 挤压膨化辅助酶解提取米糠中可溶性膳食纤维是一种绿色高效的新型提取方法，其最优工艺条件为：挤压温度130 ℃、螺杆速度200 r/min、物料含水量20%，酶用量2.0%、酶解温度75 ℃、酶解时间90 min、pH 6.0。在此条件下，可溶性膳食纤维提取率较高，可达30.35%。

3.2 与未经挤压膨化处理提取的可溶性膳食纤维相比，挤压膨化辅助提取的可溶性膳食纤维具有较高持水力、结合水力、溶胀力、结合脂肪能力及丰富的空间网状结构。

3.3 通过扫描电镜及差示扫描热量分析可知，采用挤压膨化工艺提取的米糠可溶性膳食纤维表面形态疏松，呈蜂窝颗粒状，其内部营养成分呈熔融状态，有利于膳食纤维的进一步加工和综合利用。同时，挤压膨化处理未改变米糠可溶性膳食纤维的降解机理，热力学相对稳定。

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Extrusion-Assisted Extraction Process of Rice Bran Soluble Dietary Fiber and Its Properties

Wang Xu1Liang Dong2Xu Yang1Ma Shibang3Shi Huanru1
(College of Engineering, China Agricultural University1, Beijing 100083) (College of Food Science & Nutritional Engineering, China Agricultural University2, Beijing 100083)(College of Mechatronic Engineering, Nanyang Normal University3, Nanyang 473061)

In this paper, the process of extrusion-assisted enzymatic hydrolysis to extract the soluble dietary fiber was optimized based on single factor and orthogonal experiments, with fresh rice bran as the material. In addition, the effect of different extruding processes and enzyme conditions on the soluble dietary fiber content was analyzed. At the same time, the physicochemical properties of soluble dietary fiber were presented by scanning electron microscope (SEM) and differential scanning calorimeter (DSC). The results showed that soluble dietary fiber had high productivity of 30.35% under the condition of extrusion temperature of 130 ℃, the screw speed of 200 r/min, material water content of 20%, enzyme dosage of 2.0%, enzymatic hydrolysis temperature of 75 ℃, hydrolysis time of 90 min, pH of 6.0. The surface morphology of rice bran soluble dietary fiber was loose and honeycomb. Inter body was composed of cellulose material, which made a relatively stable thermodynamics of soluble dietary fiber. Compared with the un-extrusion processing, the soluble dietary fiber extracted by the extrusion-assisted had higher retention ability, water binding ability, swelling ability, bound fat ability, and the structure characterization and physiological functional properties were improved.

rice bran, soluble dietary fiber, extrusion, enzymatic hydrolysis, structural and physicochemical properties

S188

A

1003-0174(2017)09-0153-07

863计划(2014AA021904)

2016-05-05

王旭，女，1990年出生，博士，农产品加工及贮藏工程

徐杨，女，1963年出生，教授，农产品加工及贮藏工程