改性麦麸膳食纤维功能和结构特性研究

王磊 廖晨 孟哲 王建华 闫艳华 董李学 曹慧慧

摘要 以麦麸为原料，利用蒸汽爆破技术（SE）改性麦麸膳食纤维（DF），应用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等仪器对DF的晶体结构和颗粒形态等进行表征。结果表明，DF经过蒸汽爆破改性后，溶解性、持水力、持油力和膨胀力分别为50.24%、3.89 g/g、2.58 g/g和5.47 mL/g，乳化活性、乳化穩定性和最小凝胶浓度分别为465.8 mL/L，501.2 mL/L和9.24%;DPPH、ABTS、O2·-和·OH的清除率分别为90.57%、73.68%、55.42%和44.12%。改性后DF结晶结构未受影响，颗粒更致密，表面有明显的蜂窝状结构。研究结果可为麦麸膳食纤维的功能改性及综合利用提供理论依据。

关键词 麦麸;膳食纤维;蒸汽爆破;功能特性;结构特性

中图分类号 TS202.3文献标识码 A文章编号 0517-6611（2020）07-0179-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.07.051

Study on Functional and Structure Property of Modified Dietary Fiber from Wheat Bran

WANG Lei1，2， LIAO Chen1，2， MENG Zhe1，2 et al

（1.Tangshan Food and Drug Comprehensive Testing Center， Tangshan， Hebei 063000;2. Hebei Agricultural Products Quality and Safety Testing Innovation Center， Tangshan， Hebei 063000）

Abstract With wheat bran as raw material， the modified method of dietary fiber （DF） by steam explosion technology （SE）， Xray diffraction and scanning electron microscope were used to analyze crystal structure and particle morphology of DF. The solubility， water holding capacity， oil holding capacity， swelling force， emulsifying activity， emulsifying stability and least gelation concentration of SEDF were 50.24%， 3.89 g/g， 2.58 g/g， 5.47 mL/g， 465.8 mL/L， 501.2 mL/L and 9.24%， respectively;The scavenging rates of DPPH， ABTS， O2·- and ·OH were 90.57%， 73.68%， 55.42% and 44.12%， respectively. The morphology of Xray diffraction revealed that SE could not change the crystal structure of DF. And the SEM showed that there was porous network like honeycomb and swelled structure of SEDF. The research can provide a reference for functional modifications and utilization of dietary fiber from wheat bran.

Key words Wheat bran;Dietary fiber;Steam explosion;Functional property;Structure property

基金项目 河北省二期现代农业产业技术体系创新团队建设项目（HBCT2018120207）;河北省人才工程培養经费资助科研项目（A201901128）。

作者简介 王磊（1982—），男，河北唐山人，副研究员，从事功能配料与食品添加剂研究。通信作者，从事食品营养分析研究。

收稿日期 2019-12-09

膳食纤维（DF）是健康饮食不可缺少的，在保持消化系统健康上扮演着重要的角色，同时摄取足够的膳食纤维也可以预防心血管疾病、癌症、糖尿病以及其他疾病，可以清洁消化壁和增强消化功能，可稀释和加速食物中的致癌物质和有毒物质的移除，保护脆弱的消化道和预防结肠癌，可减缓消化速度和最快速排泄胆固醇，可让血液中的血糖和胆固醇控制在最理想的水平[1-6]。

植物细胞中的纤维为木质素所粘结，在高温、高压蒸汽作用下，纤维素结晶度提高，聚合度下降，半纤维素部分降解，木质素软化，横向连结强度下降，甚至软化可塑，当充满压力蒸汽的物料骤然减压时，孔隙中的气体膨胀从而产生的“爆破”效果，可部分剥离木质素，并将原料撕裂为细小纤维[7]。

对蒸汽爆破改性麦麸膳食纤维的功能和结构特性进行比较分析，提出改性麦麸膳食纤维作为一种功能食品配料，在我国具有广泛的开发应用前景。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

1.1.1 材料。

麦麸，唐山盛川农产品股份有限公司提供。

Control-DF：称取300 g麦麸，加入物料7倍蒸馏水，搅拌均匀，打浆机粉碎，离心分离（时间15 min，转速5 000 r/min），收集滤渣;利用旋转蒸发仪将上清液浓缩至1/10，用70%乙醇沉淀4 h，离心，合并2次滤渣，于60 ℃烘干，过60目筛备用。

SE-DF：称取300 g麦麸，加入物料7倍蒸馏水，搅拌均匀，打浆机粉碎，选择一定压力下利用蒸汽爆破设备处理一定时间，离心分离（时间15 min，转速5 000 r/min），收集滤渣;利用旋转蒸发仪将上清液浓缩至1/10，用70%乙醇沉淀4 h，离心，合并2次滤渣，于60 ℃烘干，过60目筛备用。

1.1.2 试剂。

过氧化氢、DPPH、水杨酸等均为分析纯，北京化学试剂公司。

1.1.3 仪器。ME54TE电子分析天平（METTLER TOLEDO有限公司）;L400台式离心机（湖南湘仪有限公司）;IKA RV3旋转蒸发仪（艾卡（广州）仪器设备有限公司）;DHG-9023A-T电热恒温鼓风干燥箱（上海丙林科技有限公司）;JBQ-ZDX恒温水浴振荡器（常州首创仪器设备有限公司）;蒸汽爆破设备（北京化工大学自制）;S-4800扫描电子显微镜（日本日立公司）;Dmax-MSAL 12 kW高功率粉末衍射仪（北京北达燕园微构有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 指标测定。可溶解性（WS）、持油力（OHC）的测定参照唐晓青[8]的方法;

膨胀力（SC）、持水力（WHC）的测定参照李伦[9]的方法;

乳化特性（EA）、乳化稳定性（ES）和最小凝胶浓度（LGC）的测定参照LAN等[10]的方法;

ABTS、·OH、O2·-、DPPH自由基清除率的测定参照曹慧慧等[11]的方法。

1.2.2 X-射线衍射。

取1～2 g样品将其装填在玻璃制的特定样品版的凹槽内，用平整光滑的玻璃板适当压紧，然后将高出样品板表面的多余粉末刮去，如此重复1～2次，然后放入衍射仪，进行连续扫描。X-射线衍射条件：特征射线CuKα，衍射波长λ=0.154 mm，电压40 kV，电流50 mA，扫描速率15 deg/min，发散狭缝1°，接受狭缝0.3 mm，防发散狭缝1°，测量范围2θ=5°～60°。数据用OriginLab软件进行分析处理。

1.2.3 电镜扫描。

用双面胶布将经过粉碎的膳食纤维粘牢在镀金台上，镀膜后，加速电压12 kV的条件下用S-4800冷场发射扫描电子显微镜进行观察。

1.3 数据处理

采用Design-Expert 7.0 进行试验设计和数据处理。

2 结果与分析

2.1 麦麸DF理化特性分析

从表1可知，经蒸汽爆破改性后的麦麸DF理化特性均有所提高。Control-DF的溶解性、持水力、持油力、膨胀力为38.71%、3.24 g/g、2.17 g/g、3.89 mL/g，SE-DF分别提高到50.24%、3.89 g/g、2.58 g/g、5.47 mL/g，分别增加了29.79%、20.06%、18.89%、40.62%。蒸汽爆破处理导致膳食纤维粒径减小，不但会增加整体的比表面积，还会增加纤维表面的孔隙率，进而强化毛细作用。同时，纤维素、半纤维素等大分子物质被截断，产生了各种小分子片段，可能使得膳食纤维的一些亲水性、亲油性活性位点暴露出来，更有利于颗粒与水或油接触，且分散性增强[12]。

Control-DF乳化活性和乳化稳定性分别为322.6 mL/L和371.5 mL/L，SE-DF分别增加到465.8 mL/L和501.2 mL/L。与处理前DF相比，蒸汽爆破处理后的DF可作为一种良好的乳化剂[13]。而且拥有较高乳化活性的DF对维持人体健康非常有利，通过减少膳食中胆固醇的吸收、影响机体中胆固醇的代谢、促进胆固醇的排泄等降低血浆中胆固醇水平[10，14]。从表1可以看出，蒸汽爆破处理显著降低了LGC，从未处理的15.87%减小到9.24%，说明蒸汽爆破处理增加了麦麸DF的黏度。

2.2 麦麸DF抗氧化能力分析

蒸汽爆破处理前后麦麸DF对DPPH、ABTS、O2·-和·OH清除率如表2所示。蒸汽爆破处理后DPPH、ABTS、O2·-和·OH的清除率均得到一定程度的增加。

蒸汽爆破处理后的麦麸DF对DPPH、ABTS、O2·-和·OH的清除率明显高于未处理样品，这可能由于在抗氧化物质提取的过程中，DF中抗氧化成分与提取剂接触表面积增大、接触更充分，且经过蒸汽爆破处理后物料细胞壁被破坏，不溶性活性成分变成小分子可溶性物质，活性成分较易溶出，清除自由基的能力得到增强[15]。

2.3 X-射线衍射

由图1可以看出，DF的衍射峰不是很突出，但是在膳食纤维的结构中存在一定的结晶结构。蒸汽爆破基本未改变DF的结晶结构属性，纤维晶区基本未受影响，只是衍射强度略有升高。DF在衍射角2θ=26°左右时出现一特征峰，说明在2θ=26°左右时该物质发生结晶作用。而经蒸汽爆破处理后的DF分别在衍射角2θ=21°、2θ=23°左右时有2个特征峰，说明在2θ=21°、2θ=23°左右时该物质都发生结晶作用，蒸汽爆破作用使其衍射角度发生了变化，还提高了其结晶强度。

2.4 DF的电镜观察

图2是蒸汽爆破处理前后麦麸DF的扫描电镜图，放大倍数5 000。由图2a可以看出，起初膳食纤维的颗粒较大，大小均匀，呈棒状且表面平整。从图2b可以看出，经蒸汽爆破处理后DF结构遭到较为严重的破坏，呈颗粒状，表面结构则变得粗糙且疏松。其原因可能是DF受到高速相撞被击碎，同时由于瞬时失压，产生一种类似膨化作用的结构崩溃，使棒状颗粒变小、表面结构变粗糙，纤维颗粒的表面结构被破坏，出现多层不规则片状甚至孔状结构。

3 结论

（1）SE-DF的溶解性、持水力、持油力、膨脹力、乳化活性、乳化稳定性和最小凝胶浓度分别为50.24%、3.89 g/g、2.58 g/g、5.47 mL/g、465.8 mL/L、501.2 mL/L和9.24%。经蒸汽爆破处理后，麦麸DF的理化特性有所升高。

（2）蒸汽爆破处理后，麦麸DF对DPPH、ABTS、O2·-和·OH清除率明显高于未处理样品，对自由基清除能力有所增强。

（3）X-射线衍射图谱表明，蒸汽爆破基本未改变DF的结晶结构属性，处理后纤维晶区基本未受影响，衍射强度略有升高。扫描电镜观察表明，蒸汽爆破处理可以使长条细杆状纤维卷曲断裂，膨化成絮状结构，且表面具有凹陷的小孔，从根本上改变了DF的形貌特征。

参考文献

[1] 王磊，袁芳，向俊，等.椪柑渣可溶性膳食纤维的功能特性及流变性[J].中国食品学报，2015，15（3）：24-31.

[2] CHAWLA R，PATIL G R.Soluble dietary fiber[J].Comprehensive reviews in food science and food safery，2010，9（2）：178-196.

[3] 石秀梅，雷激，梁爱华，等.3种来源膳食纤维抗氧化特性比较[J].食品科技，2013，38（1）：71-75.

[4] 王磊，袁芳，高彦祥，等.响应面法优化高压均质提取椪柑渣中可溶性膳食纤维及抗氧化活性研究[J].中国食品学报，2015，15（5）：83-89.

[5] 孙平，刘可志，赵丰.枸杞多糖的提取及其残渣处理的研究[J].食品工业，2013，4（1）：48-50.

[6] LI S M，YAO Y W.Effect of thermal stabilizers composed of zinc barbiturate and calcium stearate for rigid poly（vinyl chloride）[J].Polym Degrad Stab，2011，96（4）：637-641.

[7] CHEN H Z，LIU L Y.Unpolluted fractionation of wheat straw by steam explosion and ethanol extraction[J].Bioresource technology，2007，98：666-676.

[8] 唐晓青.梨渣膳食纤维的制备及功能性的研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2010.

[9] 李倫.脱脂米糠膳食纤维的研究[D].无锡：江南大学，2009.

[10] LAN G S，CHEN H X，CHEN S H，et al.Chemical composition and physicochemical properties of dietary fiber from Polygonatum odoratum as affected by different processing methods[J].Food research international，2012，49（1）：406-410.

[11] 曹慧慧，王磊，赵海涛，等.动态高压微射流制备玉米芯可溶性膳食纤维工艺及功能特性研究[J].安徽农业科学，2019，47（7）：175-178.

[12] CHAU C F，HUANG Y L.Comparison of the chemical composition and physicochemical properties of different fibers prepared from the peel of Citrus sinensis L.Cv.Liucheng[J].Journal of agricultural and food chemistry，2003，51（9）：2615-2618.

[13] PRAJAPATI V D，JAIN G K，MORADIYA N G.Pharmaceutical applications of various natural gums，mucilages and their modified forms[J].Carbohydrate polymers，2013，92（2）：1685-1699.

[14] LPEZ G，ROS G，RINCN F，et al.Functional properties of dietary fiber.Mechanism of actions in gastrointestinal tract[J].Archivos latinoamericanos de nutricion，1997，47（3）：203-207.

[15] ZHU K X，HUANG S，PENG X，et al.Effect of ultrafine grinding on hydration and antioxidant properties of wheat bran dietary fiber[J].Food research international，2010，43（4）：943-948.