核磁共振技术研究膳食纤维对馒头内部水分的影响

李秀玲 姜小苓 于红彩 茹振钢 王岸娜

1.河南科技学院小麦中心/河南省现代生物育种协同创新中心 河南新乡 453003 2.河南工业大学粮油食品学院 郑州 450001

膳食纤维（Dietary Fiber，DF）能抗人体小肠消化吸收，具有良好的理化特性和生理功能[1]，可预防肠道疾病、肥胖、糖尿病及心血管等疾病，被称为“第七营养素”。根据溶解性可分为不溶性、水溶性膳食纤维两类，结构的差异使两者的生理功能有所不同。其中不溶性膳食纤维主要参与机械蠕动，而可溶性膳食纤维主要发挥代谢功能，如对糖类、脂类代谢会产生一定的影响[2]。为充分发挥现有膳食纤维资源的最大生理功效，通过一定方法处理膳食纤维，进而改良其品质，活化其功能是目前亟需解决的主要问题。

挤压改性技术是目前改变膳食纤维成分比例及结构的主要方法，与传统的化学和生物改性技术相比，具有作用时间短，耗能少，不破坏原料特性，改性效果好等优点[3]。纤维物料经挤压改性后，可溶性膳食纤维含量提高，化学结构未被破坏，物化性质（持水能力、结合能力和膨胀能力）有不同程度的变化[4-6]，膳食纤维食品的口感改善、功能特性提高[7]。

水分是影响食品品质和货架期的重要因素之一。食品内部水分含量和分布状态在加工、储藏和运输过程中会发生变化，导致食品原料稳定性和品质下降，因此控制食品中水分迁移对提高产品稳定性和货架期有重要意义[8]。核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR） 及其成像技术（Magnetic Resonance Imaging，MRI）可用于食品和生物体系中含水量、水分分布及其流动性的研究[9-12]，该技术具有无损检测的特点，广泛应用于食品科学研究。

迄今，国内外研究者对于膳食纤维对面团特性、面制品理化特性、口感风味及储藏性等影响进行了大量研究，得到很多具有指导意义的结论[13-17]。但有关膳食纤维对食品水分流动性及水分的结合状态方面的研究较少。为此，本研究采用核磁共振技术分析探讨了玉米种皮膳食纤维（Corn Bran Dietary Fiber，CDF）改性前后对面粉制作的馒头和蛋白质-淀粉凝胶体系中水分迁移行为的影响，并通过扫描电镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）观察膳食纤维与蛋白质－淀粉凝胶体系内大分子物质之间的相互作用，旨在揭示相关机理。研究结果将为馒头品质改良及安全贮藏提供理论支持和指导依据。

1 试验材料及仪器

1.1 试验材料

玉米种皮：河南获嘉县宗兴玉米加工厂；玉米种皮膳食纤维：实验室自制，标记为CDF1；面粉：郑州金苑面业有限公司；燕山即发干酵母：河北马力食品有限公司。

1.2 主要仪器

BS－30KA电子天平：上海友声衡器有限公司；RRH－250型万能高速粉碎机：北京中兴伟业仪器有限公司；DS32型双螺杆挤压改性机：济南赛信膨化机械有限公司；B10三功能搅拌机：上海宝珠机械科技发展有限公司；DMT－5型压面机：山东龙口复兴机械制造厂；高级发酵箱：广州市美天厨具电器厂；真空冷冻干燥机：Labconco Corporation，US；核磁共振成像系统：上海纽迈电子科技有限公司；Quanta200环境扫描：美国FEI。

2 试验方法

2.1 玉米种皮膳食纤维的挤压改性处理

参考李秀玲[18]和王大为[19]等方法，将超声波提取制得的玉米种皮膳食纤维（CDF1）粉碎过80目筛，调节物料含水量为50%，进行挤压处理（进料速度为25～30kg/h，螺杆转速为120r/min，温度150℃），烘干，粉碎得改性膳食纤维，标记为CDF2。

2.2 面筋蛋白及淀粉提取

参考李永强等[20]和MacRitchie[21]的方法，从基础面粉中分离出面筋蛋白和淀粉，并计算各自含量。面粉中面筋蛋白含量为10.78%，淀粉含量为65.37%，面筋蛋白与淀粉的比值为1∶6.06。

2.3 CDF 与面粉的组配

分别将 CDF1、CDF2按 2%、4%、6%、8%、10%比例添加到面粉中，混匀，备用。

2.4 馒头制作

称取面粉200 g，加1%酵母和48%水于搅拌机中搅拌和面8 min，取出分割成50 g的馒头坯，揉制成型，于38℃、相对湿度75%的条件下醒发20min，大火气蒸20 min。

制作面粉、面筋蛋白－淀粉（1∶6.06 取量）中分别添加CDF1、CDF2（添加量参照2.3）的馒头。

2.5 IR、CPMG 和 MRI成像

将样品置于磁场中射频线圈的中心，利用反转恢复脉冲序列（Inversion Recovery，IR）和 CPMG（Carr－Purcell－Meiboom－Gill） 脉冲序列扫描并测定自旋－晶格弛豫时间（Tl）和自旋－自旋弛豫时间（T2）。

IR实验参数：采样点数TD=1024，重复时间TR=2000 ms，重复扫描次数NS=16，半回波时间TE=500 us。

在电渡中，阳极上提供电子的金属（Ag）也正是在阴极上获得电子后所析出的金属（Ag），就好像电流使金属搬了家，从阳极搬阴极上。

CPMG实验参数：采样点数TD=40020，重复时间TR=1000 ms，回波个数Co=1000，重复扫描次数NS=16，半回波时间TE=100 us。

MSE成像序列进行质子密度成像的实验参数为：重复时间 TR=500 ms，回波时间 TE=8.4 ms，矩阵200×128，层厚 4 mm，视野 40 mm×40 mm，扫描次数NS=l6；图像大小 512×512。

2.6 扫描电镜分析

将分离得到的面筋蛋白和淀粉（1∶6.06取量）按照2.3中的组配比例添加CDF混均制成凝胶，切片，冷冻干燥。将样品粘着于样品台上，于低真空喷镀仪内镀一层导电膜（未喷金），采用Quanta200环境扫描电镜进行扫描，观察其正面、断面形貌及结构。

3 结果与分析

3.1 CDF对面粉制作馒头质子信号幅度的影响

图1 CDF1对馒头的质子信号幅度

图1 为添加不同量CDF1馒头的质子信号幅度。可看到2部分流动性不同的水分，说明水与大分子的结合程度不同，表现出不同的T2：T21=0.04ms～1.32 ms，T22=2.66 ms～14.17 ms。CDF1添加量为 8%～10%时，馒头中自由水流动性减弱，CDF1的亲水作用减少了自由水分子的数量，且水分子被结合的能力随着添加量的增加而增强。此时，反映体系中因与CDF1结合而流动受到束缚水分的T22有所增加。CDF1添加量为10%时，馒头的T21值较大（结合水分子的数量相对较多），T22值最小（自由水分子的数量相对较少），说明CDF1添加量为10%时，充分形成的面筋结构使得馒头的持水性能力更强。

图2为添加不同量CDF2馒头的质子信号幅度。从图中可看出2部分流动性不同的水分，表现出不相同的 T2：T21=0.04 ms～1.15 ms，T22=2.66 ms～14.17 ms。CDF2添加量为 4%～8%时，随添加量的增加，馒头中自由水的流动性减弱，说明CDF2的亲水作用减少了馒头中自由水分子的数量，且水分子被结合的能力随着添加量的增加而增强。此时，反映体系中因与CDF2结合而流动受到束缚的水分的T21相应的有所增加。在CDF2添加量为8%时，馒头的T22值最大，可能是与CDF2结合的部分水分子在停止射频脉冲激励后重新取向，流动性增大[23]。综上可知，CDF2比CDF1更有利于面筋网状结构的充分形成、增强馒头的持水能力。

图2 CDF2对馒头质子信号幅度的影响

3.2 CDF 对自旋－晶格弛豫时间（T1）的影响

图3 为添加不同量CDF1和CDF2馒头弛豫时间T1的变化情况。不同的物理化学特性环境水质子的弛豫时间会有所不同[23]，体系中T1的变化从分子角度揭示了质子所处环境的变化。由图3a可知，添加CDF后面团体系中T1升高，说明CDF可以促进质子的流动性。从图3b可看出，当添加量大于4%时，添加CDF1可导致面筋蛋白和淀粉制作馒头的T1增大，说明水分流动性增大；而添加CDF2却呈相反趋势，可能是由于体系中CDF2具有较高的持水能力，使自由水含量下降。

图3 CDF1和CDF2添加量对馒头T1的影响

3.3 CDF 对自旋－自旋弛豫时间（T2）的影响

图4 CDF1和CDF2添加量对馒头T2的影响

图4为添加不同量CDF1和CDF2馒头弛豫时间T2的变化情况。从图4a可看出，面团中添加一定量的CDF后，T2升高，说明一定量的CDF可以促进质子流动性、提高水分可利用率、增强馒头持水性。从图4b可看出，在CDF添加量为2%～6%时，面筋蛋白－淀粉凝胶体系表现出与面团体系相似的弛豫特性；而添加量大于6%时，面筋蛋白和淀粉制作馒头添加CDF1的T2较大，即自由水含量较高，可能是由于体系中CDF2具有更强的吸水能力和持水能力；也可能是由于面筋蛋白和淀粉形成的网络结构孔径较大，馒头在蒸煮过程中水分蒸发散失，使自由水含量下降。

3.4 馒头MRI图像

通过NMR/MRI对面团进行无破坏切层成像研究CDF添加量对馒头内部水分分布及质子流动性的影响。从氢质子密度图像中可以直观地看到自旋质子的分布情况以及其数量。

由图5和图6可看出，馒头样品切层中质子分布比较均匀。添加2%～8%CDF1时，图像信号强度逐渐增强；添加10%时，图像信号强度减弱。图像信号强度随CDF2添加量的增加而逐渐增强。另外，空白样（不添加CDF1、CDF2）质子信号强度较弱，说明CDF1和CDF2的添加可增加质子数量、改善质子可流动性、增强质子弛豫信号，从而增强馒头的持水性。当添加量超出一定范围时，CDF对面团网状结构产生的恶化作用可使馒头体系中自由水含量增多，持水力下降，在蒸制过程中水分易散失。

图5 面粉制作馒头中添加不同量CDF1的MRI图像

图6 面粉制作馒头中添加不同量CDF2的MRI图像

在添加量相同的情况下，添加CDF2馒头样品的MRI图像信号强度更强，说明CDF2较CDF1对质子流动性、馒头持水性的增强作用更加显著。可能是因为具较强亲水作用的CDF2可减弱部分水分与体系中大分子（如蛋白质、淀粉等）的结合，导致质子数量增多。这与CDF2比CDF1水合作用更强的研究结果相一致[24]。

由图7和图8可看出，添加CDF1馒头样品切层中质子分布不均匀，而添加CDF2馒头样品切层中质子分布比较均匀。CDF1和CDF2添加量为2%～6%时，质子数增加、图像信号强度增强；添加量为8%时，图像信号强度减弱。对照（不添加CDF1、CDF2）中的质子信号强度较弱。说明一定量CDF有助于面团面筋蛋白网络结构的形成和维持，且可包裹淀粉颗粒等小分子，增加质子数量、改善质子可流动性、增强弛豫信号。当添加量超出一定范围时，膳食纤维对面团网状结构产生恶化作用，体系持水力下降、自由水含量增加，馒头蒸制的过程中水分易蒸发散失，这与T2得到的结果一致。

综上可知，添加CDF2馒头切层中质子分布比添加CDF1更加均匀。且在添加量相同的情况下，添加CDF2的MRI图像信号强度更强，说明CDF2较CDF1对质子流动性、馒头持水性的增强作用更加显著。这可能与挤压改性膳食纤维具有更强持水能力 有关。

图7 面筋蛋白和淀粉制作馒头中添加CDF1的MRI图像

3.5 SEM分析

图8 面筋蛋白和淀粉制作馒头中添加CDF2的MRI图像

由图9可看出，面筋蛋白和淀粉形成的凝胶微观组织呈一定的网状，孔洞较大，且大小不均，结构疏松不致密；添加CDF后，微观结构较为均匀、致密，孔洞较小且分布均匀。可见，膳食纤维对面筋蛋白-淀粉凝胶体系的内部结构起到了明显的改善作用。膳食纤维吸水后形成黏性较强的胶体对淀粉颗粒和面筋蛋白会产生类似乳化剂的作用；另外，膳食纤维吸水后自身体积增大，与面筋蛋白结合可形成大分子网状结构，对面筋蛋白-淀粉复合凝胶体系有一定充填作用，使面筋网络结构更加稳定。

图9 面筋蛋白-淀粉凝胶的SEM图

4 结论

添加CDF后，检测到较强质子信号，且馒头MRI图像的信号强度随添加量的增加而逐渐增强，说明馒头体系中自由水数量减少、流动性减弱，且添加量越大，自由水分越少。

在CDF添加量相同的情况下，面团体系和面筋蛋白-淀粉凝胶体系表现出不同的自旋-自旋弛豫特性；在面筋蛋白-淀粉凝胶体系中，添加CDF2的馒头T2值比添加CDF1的T2值大，且样品MRI图像的信号强度更强，对体系中质子流动性和样品持水性的增强作用更加显著。

添加CDF2的馒头样品切层中质子分布较添加CDF1的均匀。CDF的添加改变了面筋蛋白和淀粉的凝胶结构，改变了面团的凝胶结构，形成的网状结构更加均匀、致密，使面团的品质得以改善。