黑小麦不溶性膳食纤维酶解产物组成分析及其对全谷物挤压膨化产品品质的影响

孙元琳,仪 鑫,李云龙,刘 瑞，周素梅

(1.运城学院生命科学系,山西运城 044000;2.山西省农科院农产品加工研究所,山西太原 030031;3.中国农业科学院农产品加工研究所,北京 100193)

黑小麦是一种富含膳食纤维的黑籽粒小麦品种,属于优质特色谷物资源。阿拉伯木聚糖(AX)是黑小麦膳食纤维的主要组成部分[1]。同时,黑小麦麸皮中含有丰富的酚酸类物质(98.5%),其主要以结合态的形式[2],与AX高度酯合。研究表明,阿魏酸是黑小麦麸皮部位主要的结合态酚酸[3]。作为天然的抗氧化剂,阿魏酸能够有效清除过氧化物、羟自由基、超氧阴离子等自由基。Heinonen等[4]比较了阿魏酸、没食子酸、咖啡酸、儿茶素、芦丁、槲皮素等酚类物质在卵磷脂-脂质体系中的抗氧化活性,发现阿魏酸对过氧化物产生的抑制能力最强。

小麦麸皮不溶性膳食纤维通过木聚糖酶可控性酶解,能够释放出功能性阿魏酰低聚糖[5]。研究表明,功能性低聚糖不能被人体内源性消化酶分解,但可选择性地促进肠道中有益菌(如双歧杆菌、乳杆菌等)的增殖,通过改善肠道菌群结构调节人体肠道微生态平衡,增强机体免疫力,并能预防结肠癌的发生[6]。阿魏酰低聚糖由阿魏酸与阿拉伯低聚木糖通过酯键键合而成,故阿魏酰低聚糖兼具抗氧化和益生的双重生理功效[7]。Gudipati等[8]通过模拟人体肠道环境,发现阿魏酰低聚糖对双歧杆菌的增殖作用显著高于低聚木糖。

功能性低聚糖作为新型食品添加剂和功能性甜味剂,被广泛应用于乳制品、焙烤食品、谷物早餐、婴儿食品。低聚木糖的甜度约为蔗糖的40%,除可发挥益生元的功能外,亦可作为甜味剂替代蔗糖应用于挤压膨化型谷物早餐食品。在挤压膨化过程中,低聚糖通过与淀粉糊竞争有限水分,从而对产品的组织结构、膨化率产生一定的促进作用[9]。

黑小麦麸皮麸皮作为黑小麦加工副产物,若对其进行充分利用,对黑小麦的综合利用有重要意义。本研究采用木聚糖酶对黑小麦麸皮不溶性膳食纤维进行酶解,对酶解产物的组成及理化性质进行分析,并研究其对全谷物挤压膨化产品品质的影响,以期为黑小麦特色谷物资源的综合利用及开发提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

黑小麦 山西省农科院棉花研究所;燕麦、荞麦 山西省农科院农产品加工研究所;木聚糖酶(EC 3.2.1.8,酶活 ≥60000 U/mg) 德国Ruibio公司;标准木糖、葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖(纯度≥99.0%) 美国Sigma公司;标准阿魏酸(纯度≥98.0%) 德国Ruibio公司;大豆蛋白、大豆卵磷酯、蔗糖等 市售。

ICS-1100型离子色谱仪 美国戴安(DIONEX)公司;LC1200型高效液相色谱仪 美国Agilent公司;Cary5000紫外-可见-近红外分光光度计 美国Agilent公司;TENSOR27型傅里叶红外光谱仪 德国布鲁克(Bruker)公司;FMGM-36双螺杆挤压膨化机、流化床干燥机 湖南富马科食品工程技术有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 黑小麦不溶性膳食纤维酶解产物的制备 以黑小麦麸皮为原料,参照文献[10]制备黑小麦不溶性膳食纤维,并采用木聚糖酶处理获得可溶性酶解液。酶解条件如下:5 g黑小麦不溶性膳食纤维加入100 mL醋酸-醋酸钠缓冲液(pH4.8),木聚糖酶添加量为15.5 mg/L,46 ℃酶解22 h,酶解液经冷冻干燥得到黑小麦膳食纤维木聚糖酶酶解产物(BWXH)。

1.2.2 单糖组成分析 称取样品3～5 mg溶于2 mol/L三氟乙酸溶液,100 ℃水解2 h,去除过量的三氟乙酸后用蒸馏水定容至30 mL,进样离子色谱。根据标准品的出峰时间判断BWXH的单糖种类,根据峰面积的比值确定各单糖间的比例关系。采用的色谱柱为CarboPac PA20柱,检测器为安培检测器,柱温30 ℃,10 mmol/L KOH等度洗脱,流速为0.4 mL/min,进样量25 μL;样品与标准品进样前用0.45 μm微孔滤膜过滤[11]。

1.2.3 低聚糖组成分析 将待测样品溶于水,采用离子色谱分析低聚糖组成。色谱柱为CarboPac PA200柱,柱温保持在25 ℃,流动相流速为0.5 mL/min,用水、250 mmol/L NaOH、1 mol/L NaAc与100 mmol/L NaOH的混合液进行梯度洗脱[11]。

1.2.4 阿魏酰基团含量的测定 将样品溶于70 mmol/L pH10.0的Gly-NaOH缓冲液中,于375 nm下测定吸光度(A);阿魏酸含量计算公式:A=C·ε·d,其中C为样品中阿魏酸浓度(mol/L),ε375=31600 L· mol-1cm-1,d(光路距离)=1 cm,阿魏酸分子量为194.2[12]。

1.2.5 阿魏酰低聚糖(FOs)浓度的测定 利用双波长法[13]进行测定。

1.2.6 紫外光谱扫描 以100 mmol/L pH6.0的MOPS缓冲液为溶剂,分别对标准品阿魏酸与BWXH进行溶解后,于190～400 nm波长范围内进行紫外光谱扫描。

1.2.7 红外光谱(FT-IR)分析 称取2 mg左右样品,采用KBr研磨压片后,于4000～400 cm-1红外区扫描,扫描32次,分辨率为4 cm-1。

1.2.8 稳定性测试 用灭菌锅模拟高温高压环境,在121 ℃、0.15 MPa下分别处理BWXH样品10、20、30 min,重复进行3次,测定经过高温高压处理前后FOs含量的变化。

1.2.9 挤压膨化产品制备工艺流程 原辅料→计量→混合→螺旋喂料器→双螺杆挤压膨化→流化床干燥→成品。

操作要点:将黑小麦、燕麦、荞麦全谷物粉以3∶1∶1的比例混合均匀,在食盐添加量0.5%、CaCO30.3%、大豆蛋白3.3%、大豆卵磷酯0.4%、蔗糖8.3%的条件下,进行BWXH添加量为1%、3%、5%、7%、9%的挤压膨化实验,分别测定挤压产品的膨化率、吸水性指数、水溶性指数,并进行感官评价,以观察BWXH对挤压膨化产品品质的影响。双螺杆挤压膨化机参数:喂料速度25 kg/h,加水量2.0 kg/h,螺杆转速130 r/min,腔体温度为60 ℃/90 ℃/130 ℃/160 ℃/170 ℃。

1.2.10 膨化率的测定 用游标卡尺测量产品的直径,产品膨化率为产品直径与模头孔径之比。每个因素测10个样品,采用线性插值法将膨化率转化为5分制:将所有产品中膨化率最大值Xmax设置为5.0分,最小值Xmin为1.0分,其他膨化率所对应的分值计算如下:

1.2.11 水溶性指数(WSI)和吸水性指数(WAI)的测定 称取0.5 g样品,于10 mL水(30 ℃)中,在30 ℃连续轻轻晃动30 min后,于3000 r/min 离心15 min,将上清液和沉淀物分离,沉淀物质量为X1,上清液于120 ℃下烘至恒重,烘干物质量为X2。

WAI=X1/M,WSI=X2/M,其中M为样品质量。

1.2.12 感官评分 感官评价采用数学模糊综合评价法[14]。以表观(30%)、脆度(30%)、粗糙度(20%)、风味(20%)为因素集,以好(5分)、较好(4分)、中等(3分)、较差(2分)、差(1分)为评语集,通过模糊线性转化得到各产品的感官评定分数。

1.3 数据处理

实验重复进行3次,采用Excel软件进行数据处理,计算平均值及标准差。差异显著性分析采用SPSS 24进行分析;通过Origin 7.5软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 黑小麦膳食纤维木聚糖酶酶解产物(BWXH)的组成分析

BWXH的化学组成如表1所示。从表1可以看出,BWXH的总糖含量为88.73%,其中阿魏酰低聚糖(FOs)含量为0.104 mmol/g,阿魏酸含量为0.717 mg/g。此外,还含有5.20%的蛋白质。BWXH中的FOs主要由阿拉伯糖、木糖和葡萄糖组成,还含有微量半乳糖。各单糖的物质的量比为阿拉伯糖∶木糖∶葡萄糖∶半乳糖=1.70∶4.25∶1.00∶0.04,分支度(A/X)为0.40。

表1 BWXH的化学组成Table 1 Chemical Composition of BWXH

2.2 低聚糖组成分析

采用离子色谱测定了BWXH的低聚糖组成,结果如图1所示。通过与标准低聚木糖的相对保留时间比较,发现BWXH中的低聚糖主要以DP2、DP3和DP4为主,即聚合度为2、3、4的阿魏酰低聚糖。

图1 BWXH的离子色谱图Fig.1 Ion chromatogram of BWXH

2.3 紫外光谱分析

对黑小麦膳食纤维酶解产物(BWXH)进行紫外光谱扫描,结果如图2所示。比较BWXH与标准品阿魏酸的吸收波长可以看出,标准品阿魏酸在286、325 nm附近有强吸收,且286 nm为最大吸收波长。BWXH在286、325 nm附近同样有强吸收,但325 nm是其最大吸收波长。有文献报道,阿魏酸通过酯键与低聚糖连接,使得阿魏酰低聚糖在325 nm处的吸收增强[15],由此表明BWXH中存在酯化的阿魏酰基团。

图2 FA标准品及BWXH的紫外光谱图Fig.2 UV spectra of BWXH and FA standard

2.4 红外光谱分析

图3为BWXH的红外光谱图。3600～2500 cm-1出现的宽峰是分子内或分子间-OH伸缩振动的结果。2927 cm-1的吸收峰由C-H(CH、CH2和CH3)伸缩振动引起。1460～1370 cm-1附近的吸收峰属于C-H的弯曲振动。1300～1000 cm-1间的吸收峰是由C-O伸缩振动所引起的,归属于糖环上的C-O-H和糖苷键C-O-C。1732、1253 cm-1处的吸收峰是酯键的特征吸收峰,进一步证明BWXH中阿魏酸酯的存在。

图3 BWXH的FT-IR谱图Fig.3 FT-IR spectra of BWXH

2.5 稳定性测试

黑小麦膳食纤维酶解产物(BWXH)经高压处理前后FOs的含量变化如表2所示。表2显示,BWXH经高压处理10、20、30 min后,其FOs增加量(8.33%、9.79%、12.78%)随着处理时间的延长而增加,且不同处理时间前后FOs含量变化有显著性差异(p<0.05)。BWXH的低聚糖离子色谱结果(图1)也表明BWXH中含有聚合度较高的多糖,多糖的糖苷键经高压作用发生降解,从而向聚合度较低的FOs转变。

表2 不同时间高压处理BWXH中FOs的含量变化Table 2 Changes of FOs content with different time of high pressure treatment in BWXH

2.6 BWXH对挤压膨化产品膨化率及感官评定的影响

黑小麦膳食纤维酶解产物(BWXH)添加量对全谷物挤压膨化产品膨化率及感官评定的影响如图4所示。图4表明,产品膨化率随BWXH添加量的增加呈现先增大后减小的趋势。当添加量达到7%时,产品膨化率最大(2.64)。有研究报道[16],低浓度的糖可显著提高产品的膨化度;这是由于糖的亲水性可抑制淀粉的吸水糊化,这样能够降低挤压物料的黏度,降低水蒸气的膨胀阻力,使产品的膨化率提高。BWXH是聚合度不同的阿魏酰低聚糖的混合物,随着BWXH添加量的增加(1%～7%),产品膨化率提高;但当添加量超过7%,物料在挤出模口时,水分急剧蒸发,形成的结构孔洞过大,产品挤出后孔洞不能维持而缩小导致膨化率降低。图4中还显示,随着BWXH添加量的增加,通过数学模糊综合评价产品的感官评分随之升高,主要表现为产品表面由气孔大、不均匀逐渐变得气孔大小均匀,对膨化产品的脆度及风味等感官具有一定的促进作用。

图4 BWXH添加量对挤压膨化制品膨化率及感官评定的影响Fig.4 Effects of BWXH addition amount on expansion rate and sensory evaluation of extruded products

2.7 BWXH对挤压膨化产品水溶性指数、吸水性指数的影响

吸水性指数(WAI)是判断谷物早餐在牛奶或水中耐泡时间的重要指标,如果WAI越小,产品浸泡时保持不变成糊状的时间就越长,这对提高谷物挤压产品的品质是有益的[17]。水溶性指数(WSI)可以衡量谷物早餐产品中淀粉的降解程度,WSI升高意味着淀粉降解度升高,有利于产品消化吸收,但淀粉降解度过高会使产品产生粘牙感[14]。图5表明,随着BWXH添加量的增加,产品的WAI呈减少趋势,7%的添加量时,WAI产生明显下降。WSI值则随着BWXH的添加呈现逐渐增加趋势。有研究认为,在食品体系中,低聚糖会与淀粉争夺有限水分抑制淀粉的糊化膨胀,影响淀粉的吸水速度,使得产品的WAI降低。而BWXH本身为水溶性物质,这可能是随着BWXH添加量增加,产品的WSI值升高的主要原因。

图5 BWXH添加量对挤压膨化制品WAI和WSI的影响 Fig.5 Effects of BWXH addition amount on WAI and WSI of extruded products

3 结论

采用木聚糖酶酶解黑小麦麸皮不溶性膳食纤维,所得酶解产物(BWXH)中的阿魏酰低聚糖(FOs)含量为0.104 mmol/g,阿魏酰基团含量为0.717 mg/g。BWXH低聚糖以DP2、DP3和DP4为主,主要单糖组成为阿拉伯糖、木糖和葡萄糖,其摩尔比为1.70∶4.25∶1.00,分支度(A/X)为0.40。红外光谱中1731、1253 cm-1处的酯键特征吸收峰,表明阿魏酸酯的存在。

高温高压(121 ℃,0.15 MPa)处理能够促进BWXH中高聚合度膳食纤维向低聚合度FOs的转变,使FOs含量增加。BWXH的添加能够提高全谷物挤压膨化产品的膨化率及感官评分,降低产品的吸水性指数,提高产品的耐泡性,对全谷物挤压膨化产品的品质有一定改善作用。总体来看,7%的BWXH添加量对改善产品整体品质较为适宜。