蒸汽爆破-超微粉碎对米糠膳食纤维结构和功能性质的影响

付晓康 苏 玉 黄 亮 徐田辉 贺 便

(特医食品加工湖南省重点实验室；中南林业科技大学1，长沙 410004) (中南林业科技大学食品科学与工程学院2，长沙 410004)

膳食纤维是人类饮食中必不可少的成分，可以降低冠心病、糖尿病和肥胖的风险，有助于减少便秘、憩室病和其他消化道疾病的发生率[1]。米糠是谷物加工业中的副产品，富含膳食纤维，可以用于改善人们的饮食结构。国内外对米糠膳食纤维研究和应用的重视程度不断增加，并在2018年发布了我国国家行业标准米糠开发系列产品标准。

米糠中的膳食纤维按其溶解性不同可分为可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维[2]。膳食纤维中可溶性膳食纤维的含量是评价膳食纤维生理功能的一个重要指标。然而，米糠中的膳食纤维多为不溶性膳食纤维，这就限制了其更好地发挥功能作用。因此，对米糠膳食纤维进行改性，以提高可溶性膳食纤维含量成为了国内外的研究热点。

利用蒸汽爆破法预处理膳食纤维，成本低、能耗少、无污染，是现今研究者比较青睐的技术，蒸汽爆破技术是先通过高压蒸汽进入材料表面的孔隙，细胞的环境变成热蒸汽和热液态水，其中半纤维素被分解，减小了纤维连接的强度，为爆破提供了选择性的机械分离。作为预处理方法，蒸汽爆炸逐渐应用于厌氧秸秆发酵、纤维素燃料乙醇发酵等技术领域。目前，蒸汽爆破在食品中的应用还很少，范丽等[3]将玉米芯汽爆处理后酶解制备低聚木糖，郭娜[4]将小麦麸皮纤维汽爆处理后进行酶解糖化，张燕鹏等[5]采用蒸汽爆破辅助提取高温豆粕中的蛋白质，马永强等[6]将高温变性米糠进行汽爆处理以提高蛋白提取率，均取得了一定的效果。Wang等[7]报道柑橘皮经蒸汽爆破和稀酸浸泡处理后，可溶性膳食纤维质量分数从8.04%上升到33.74%。

超微粉碎技术是一种高速度、少污染、原料高利用率的新型食品加工方法[8]，超微粉碎后的食物原料颗粒具有粒径细且均匀、易被发酵酶解、利于吸收的特点[9]。刘达玉等[10]利用超微粉碎技术结合挤压膨化技术对薯渣膳食纤维进行改性，提高了可溶性膳食纤维的比例和感官品质，成品中的总膳食纤维质量分数达80.70%、可溶性膳食纤维达8.13%，而未经改性的产品中可溶性膳食纤维仅有2.85%。高虹等[11]研究发现香菇柄中的膳食纤维经超微化处理之后物理性质发生改变，生理活性与处理前相比大大增强，总膳食纤维含量和可溶性膳食纤维含量均得到明显提高。

目前，从米糠中提取和分析膳食纤维的基础研究进展比较缓慢，加强对米糠纤维的基础研究，探究提高米糠膳食纤维理化性质合适的物理改性方法，将有助于开发更具针对性功能性食品。本实验以脱脂米糠为原料，通过最优的蒸汽爆破方案进行改性处理，再通过复合酶解法提取米糠膳食纤维，将提取的米糠膳食纤维用气流粉碎和纳米冲击磨进行超微化处理，研究复合改性对米糠膳食纤维 结构、理化性质、生理功能等方面的影响，为蒸汽爆破-超微粉碎预处理技术研究和工业化应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

脱脂米糠：实验室自制；糖化酶(100 U/mg)；α-淀粉酶(10 U/mg)、碱性蛋白酶(100 U/mg)；二水合磷酸二氢钠、十二水合磷酸氢二钠、无水乙醇、石油醚、氢氧化钠、盐酸、溴化钾、葡萄糖、氯化氢、硝酸银、氯化钠等试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

FW-400A万能粉碎机； s hA-C恒温震荡水浴锅；2.5-10马弗炉；K9840自动凯氏定氮仪；A-1000 s水流抽气机；QB s-80型蒸汽爆破工艺实验台；AO微型气流粉碎机；CJM-sY-B1型高能纳米冲击磨。JL-1178型激光粒度分析仪；IRTracer-100 傅里叶红外光谱仪；UV-1800紫外可见分析光度计； sU8000冷场发射扫描电镜；Ms400加热型磁力搅拌器。

1.3 方法

1.3.1 蒸汽爆破预处理脱脂米糠

称取100 g 脱脂米糠放入蒸汽爆破实验台的汽爆缸中，拧上活塞，设置一定的蒸汽爆破时间和压力，高温高压的气体从进气阀进入到气缸中，到达给定的时间后，进气阀门关闭，瞬间解压，完成物料的爆破，收集爆破后的脱脂米糠，于棕瓶内常温保存。

1.3.2 单因素实验设计

选取蒸汽爆破时的蒸汽压强、维压时间作为影响米糠膳食纤维可溶性膳食纤维含量大小变化的两个单因素，在原料质量一定，通过筛的目数一定，爆破时温度一定的前提下，蒸汽压力设置0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 MPa五个水平。维压时间设置120、180、240、300、360 s五个水平。

1.3.3 复合酶解法提取米糠膳食纤维

预处理后的脱脂米糠60 ℃烘干，粉碎过100目筛，调pH至4.5，于60 ℃水浴搅拌2 h，与蒸馏水以料液比1∶12(m∶V)混匀煮沸30 min，调节溶液pH 6.5加入0.3%α-淀粉酶，95 ℃酶解30 min，调节溶液 pH 7.5加入0.6%碱性蛋白酶，60 ℃酶解2 h后加入糖化酶继续60 ℃酶解30 min。取少量溶液测试，与碘液融合若不显蓝色表明已经糖化完全，再沸水浴10 min灭酶，冷却至室温；滤渣水洗至中性烘干即为不可溶性膳食纤维，滤液加4倍体积95%乙醇沉淀过夜，滤液经离心机8 000 r/ min离心10 min，收集沉淀物，60 ℃干燥后即为可溶性膳食纤维。

1.3.4 主要基本成分测定

基本成分：水分参照GB 5009.3—2016中的重量法测定；蛋白质参照GB 5009.5—2016通过自动凯氏定氮仪测定，折算系数5.95；脂肪参照GB 5009.6—2016中的索氏抽提法测定；灰分参照GB 5009.4—2016中的直接灰化法；DF (TDF、可溶性膳食纤维、不可溶性膳食纤维)的含量测定参照GB 5009.88-2014测定；淀粉参照GB 5009.9—2016中的酶水解法测定。

1.3.5 超微化处理

将经蒸汽爆破预处理的米糠膳食纤维制备的采用万能粉碎机粉碎10 min过100目筛得到的物料为C-米糠膳食纤维；气流粉碎机以粉碎压力1.15～1.25 MPa，研磨30 min，通过气流分级得到的物料为 s-M-米糠膳食纤维；取米糠膳食纤维置于高能纳米球磨机中干法粉碎6 h，不添加任何抗结块剂、助磨剂，在粉碎过程中通入循环冷却水使温度保持在30 ℃以下，粉碎选用强化不锈钢磨罐，氧化锆球为磨介，球料体积比2∶1，气流分级得到的物料为 s-N-米糠膳食纤维，处理后的米糠膳食纤维于棕色瓶中室温储藏备用。

1.3.6 粒径及比表面积的测定

采用激光粒度分析仪对米糠膳食纤维粉末粒径进行测定[12]。用空气作为分散剂，取适量的米糠膳食纤维，超声辅助使其分散均匀，设定折射率1.510，介质折射率1.33，粒径测定范围 0.01～2 000 μm。

1.3.7 傅里叶红外光谱

在充分干燥的环境中，取2 mg适当干燥的样品，加入200 mg充分干燥的溴化钾粉末于玛瑙研钵中，研磨直至完全研细混匀，将研磨好的粉末均匀加入压膜器内，压片5 min，然后迅速取出放入仪器中进行扫描，扫描波数400～4 000 cm-1，扫描次数32次，扫描分辨率4 cm-1。

1.3.8 扫描电镜

取适量干燥的样品用导电胶固定在样品台上，喷金 100 s，加速电压逐步从低到高升到5 kV，工作距离10 mm，在不同的放大倍数下观察样品颗粒的形貌，拍照分析样品形貌的变化。

1.3.9 水合性质

参考徐驱雾[13]的方法测定米糠膳食纤维的基本水合性质：持水力、膨胀力、结合水力、持油力。

1.3.10 葡萄糖吸收能力

参照阮传英[14]等的方法，准确称取1.00 g样品放入100 mL 100 mmol/L的葡萄糖溶液(pH 7.0)中。38 ℃下磁力搅拌7 h。然后3 000 r/min下离心25 min，在505 nm下测定上清液中葡萄糖含量，同时做空白实验。葡萄糖吸附量按式(1)计算：

吸附量/mg/g=

(1)

1.3.11 阳离子交换能力[15]

将样品浸入0.1 mol/L HCl溶液中，48 h后用蒸馏水去除过量的酸，用10%的AgNO3溶液鉴定不含有氯离子为止，冷冻干燥。准确称取0.250 g处理过的干燥样品分散于100 mL 5% NaCl溶液中，磁力搅拌器搅拌，用0.01 mol/L NaOH慢慢滴定，记录pH值。

1.4 数据处理与统计分析

所有实验平行3次，数据采用Excel 2016进行处理，结果均用平均值±标准差(x±s)表示。通过SPSS22.0 分析数据，采用方差分析和t检验，P<0.05有显著差异，P<0.01有极显著差异,采用Origin2017作图。

2 结果与分析

2.1 蒸汽爆破时蒸汽压力对可溶性膳食纤维含量变化的影响

由图1分析可知，在蒸汽压力为0.3～0.6 MPa时样品可溶性膳食纤维的得率明显上升，并在0.6 MPa时达到最高；而在0.6～1.5 MPa范围内时，样品的可溶性膳食纤维得率显著降低。由此可见，蒸汽爆破时蒸汽压力并非越高越好，在适宜的压力下进行处理，可溶性膳食纤维的含量才能达到最高值。脱脂米糠经蒸汽爆破处理后，由于汽爆处理使纤维紧密的结构变得疏松，部分不溶性的木葡聚糖和半乳甘露聚糖可能断裂某些连续键转变成可溶性的木葡聚糖和半乳甘露聚糖[16]，导致可溶性膳食纤维含量增多。汽爆强度过高时，蒸汽压强过大，突然减压时水蒸气急速膨胀作用力过强，焦糖化反应加剧，组成可溶性膳食纤维的半乳甘露聚糖和木葡聚糖发生降解，使得可溶性膳食纤维含量减少。

图1 蒸汽爆破时蒸汽压力对可溶性膳食纤维含量变化的影响

2.2 蒸汽爆破时维压时间对可溶性膳食纤维含量变化的影响

由图2分析可知，在维压时间为120～300 s时样品可溶性膳食纤维得率明显上升，并在300 s时达到最高；而在300～360 s时，样品的可溶性膳食纤维得率显著降低。维压时间的长短，影响到物料中半纤维素的降解和木质素的软化程度以及介质的渗透程度[17]，适宜的维压时间可以提高可溶性膳食纤维的得率，但时间过长可能会使纤维过度降解，使可溶性膳食纤维减少。

图2 蒸汽爆破时维压时间对可溶性膳食纤维含量变化的影响

2.3 响应面优化蒸汽爆破辅助提取米糠膳食纤维可溶性膳食纤维的工艺实验结果

在单因素实验的基础上，采用通用旋转组合设计进行二因素三水平的实验设计。以蒸汽爆破时的蒸汽压强、维压时间为自变量，以米糠膳食纤维中可溶性膳食纤维得率Y为响应值。实验结果见表1。

表1 响应面实验设计与结果

运用 Design Expert 10软件对9个实验点数据进行回归计算，建立二次响应面回归模型，由模型分析得到多项式回归方程：

Y=6.64+0.042A+0.013B-0.51AB-0.93A2-0.50B2。

表2 回归方程方差分析结果

注：**差异极显著(P<0.01)。

结合二次回归方程及表2可知，二次项AB具有显著的交互作用(P<0.05)。通过响应面立体图和等高线平面图可解释说明实验中自变量和因变量的关系，如图3所示。蒸汽爆破时的蒸汽压强和维压时间的交互作用影响了可溶性膳食纤维含量，曲面坡度陡峭。在其他条件均相同的情况下，二者的交互作用结果显示最优值分别为0.6 MPa和300 s，可溶性膳食纤维的质量分数达到最大值为6.97%。从图3可以看出，响应值对蒸汽压强的变化比对维压时间的变化更为敏感。

利用响应曲面设计实验，采用通用旋转组合设计原理，得到蒸汽爆破处理后可溶性膳食纤维得率的最佳组合条件为：蒸汽压力0.631 MPa，维压时间302.866 s，此条件下可溶性膳食纤维得率为6.987%。

图3 蒸汽压强和维压时间对可溶性膳食纤维得率的交互作用响应面模型

2.4 蒸汽爆破-超微粉碎前后米糠膳食纤维主要基本成分的变化

由表3可以看出，蒸汽爆破-超微粉碎处理前后米糠膳食纤维中的基本成分没有发生明显变化，不可溶性膳食纤维含量显著降低，而可溶性膳食纤维含量有一定程度的升高。可能是由于在超微粉碎机的各种强力作用下，不溶性果胶化合物如半纤维素和部分不溶的阿拉伯木聚糖发生熔融现象或连接键断裂，并将其转化成水溶性聚合物组分[18]。

表3 米糠膳食纤维的基本成分/g/100 g

注：同一列不同字母表示不同样品间差异显著(P<0.05)，余同。

2.5 蒸汽爆破-超微粉碎对米糠膳食纤维粒径及比表面积的影响

超微化处理前后米糠膳食纤维的粒径及比表面积数据见表4。由表4可知，其粒径大小顺序为： s-米糠膳食纤维>C-米糠膳食纤维>s-M-米糠膳食纤维> s-N-米糠膳食纤维，且分布范围不对称。分析可知，C-米糠膳食纤维、s-米糠膳食纤维、s-M-米糠膳食纤维、s-N-米糠膳食纤维的体积平均粒径分别为107.01、133.93、21.15、11.78 μm，与C-米糠膳食纤维相比， s-M-米糠膳食纤维和 s-N-米糠膳食纤维分别降低了80.2%和89%，比表面积增大了12.25倍和20.65倍。梅新等[19]研究表明膳食纤维经超微化改性后，其常见的物化特性会造成显著性的变化。

表4 米糠膳食纤维粒径分布及比表面积

2.6 米糠膳食纤维的红外光谱分析

图4 米糠膳食纤维傅里叶红外光谱图

2.7 米糠膳食纤维的扫描电镜分析

对米糠膳食纤维进行超微结构分析得到电镜扫描图如图5，微化处理前后米糠膳食纤维颗粒的表面形貌发生了较大的变化。图5a为C-米糠膳食纤维，未经处理过的米糠膳食纤维结构规律紧凑，表面光滑规整，内部则呈中空的多孔网状结构分布。图5b为经蒸汽爆破处理的米糠膳食纤维，在×10.0 k倍数下观察发现其纤维结构被裂解，呈碎块状，表面凹凸不整，结构松散。经气流粉碎处理的米糠膳食纤维见图5c，在×60倍数下可以看出其颗粒明显减小，表面的蜂窝状结构变得更加密集，这使其比表面积增大，分子内部更多的基团外露，进而改善其水合性质能。观察图5d1可知，在×60倍数下， s-N-米糠膳食纤维较其他3种样品颗粒显著减小，这与粒径的测定结果一致；从图5d2可以观察到，米糠膳食纤维由于纳米粉碎时的高速剪切力，结构分散，多为形状不规则的小片状物且颗粒较小，空间网状结构消失，呈片层状结构，其比表面积显著增加，可能是由于米糠膳食纤维经纳米粉碎处理后，分子链断裂，不可溶性膳食纤维分解成可溶性膳食纤维，分子量相对降低，聚合度减小，这与红外光谱测定结果相同。

注：a为C-米糠膳食纤维，b为 s-米糠膳食纤维，c为 s-M-米糠膳食纤维、d为 s-N-米糠膳食纤维；1为×60倍数，2为×1.0 k倍数,3为×10.0 k倍数。图5 米糠膳食纤维电镜扫描图

2.8 蒸汽爆破-超微粉碎对米糠膳食纤维水合性质的影响

米糠膳食纤维具有良好的持水性、持油性、膨胀力和结合水力等，与其结构组成密切相关，能进一步反映其生理功能。表5为蒸汽爆破-超微粉碎前后米糠膳食纤维的水合性质及持油力的变化。分析表5可知，经预处理过的米糠膳食纤维的膨胀力和持油力有明显提高，与C-米糠膳食纤维相比， s-N-米糠膳食纤维的膨胀力和持油力得到了显著的提升，这是因为膳食纤维大分子结构被破坏，影响了其整体的理化性质，反而使其对小分子的吸附性变强；但随着米糠膳食纤维的进一步细化得到了 s-N-米糠膳食纤维，其持水力和结合水力都显著下降，其原因可能是在粉碎过程中，在机械的作用下使米糠膳食纤维颗粒毛细结构部分和纤维基质被破坏和损坏，其致密的多孔网状结构遭到损坏，使原本通过氢键存留在多孔网状结构内部空隙间的水分被释放出来，造成米糠膳食纤维对水分的束缚减小，最终导致持水力和结合水力下降[23][24]。以上得出的米糠膳食纤维的理化性质与李伦等[25]、蓝海军等[26]、Raghavendra等[27]的研究结果基本一致。

表5 米糠膳食纤维的理化性质

2.9 蒸汽爆破-超微粉碎对米糠膳食纤维葡萄糖吸收能力的影响

由图6可以看出，经过预处理的米糠膳食纤维对葡萄糖吸附能力要远远高于未经处理的，其中 s-N-米糠膳食纤维的吸附量最高，为C-米糠膳食纤维的4.47倍。蒸汽爆破和超微粉碎的双重处理使米糠膳食纤维的内部结构变得疏松，比表面积增大，颗粒之间产生了孔缝和间隙，内部的溶质进入纤维内部相对更加容易，并且将网状结构打开，变成片层状结构，其中的功能集团暴露，使吸附葡萄糖的能力增强了，表明米糠膳食纤维能一定程度的降低小肠中的葡萄糖浓度；而C-米糠膳食纤维结构致密，许多功能基团被包围在内部，很难发挥其吸附作用，此结果与米糠膳食纤维扫描电镜分析结果一致。

图6 米糠膳食纤维的葡萄糖吸附量

2.10蒸汽爆破-超微粉碎对米糠膳食纤维阳离子交换能力的影响

阳离子交换能力是膳食纤维的重要物理性质。膳食纤维的阳离子交换能力受膳食纤维的粒径以及化学结构的影响[28]。经复合改性后的米糠膳食纤维较未改性相比，对阳离子交换能力增强，是因为膳食纤维经改性后，其结构暴露出更多的羟基和羧基等侧链基团，增强其阳离子交换能力；但刘静娜等[29]研究表明，曲线的斜率越大其阳离子交换能力越差，由图7可见 s-N-米糠膳食纤维的斜率最大，所以其阳离子交换能力与另外两种经预处理的样品相比相对较弱；李伦等[25]研究超微粉碎对米糠膳食纤维阳离子交换能力的影响，当粒径小于20 μm时，其阳离子交换能力逐渐下降，是由于过度的粉碎容易破坏其化学结构导致的，这与米糠膳食纤维粒径测定结果相同。

图7 米糠膳食纤维对阳离子交换的影响

3 结论

通过蒸汽爆破-超微粉碎处理后米糠膳食纤维的粒径明显减小，比表面积显著增加，持水性、持油性和阳离子交换能力提升，膨胀力和结合水力降低，可溶性膳食纤维占比和提取率显著增加；蒸汽爆破和超微粉碎处理前后米糠膳食纤维的化学成分没有明显改变，红外光谱中没有新的吸收峰出现，其特征吸收峰的峰型、位置及峰的数量均未有显著变化，最大限度的保留了生理活性成分；米糠膳食纤维通过复合改性处理后，吸收葡萄糖的能力显著增强，更有助于降低小肠中的葡萄糖浓度，对于糖尿病的治疗可能有帮助。