米糠膳食纤维对小麦淀粉糊老化性质的影响

周颖，朱玉杰，吴琼英*，贾俊强

1. 江苏科技大学生物技术学院（镇江 212018）；2. 江苏科技大学粮食学院（镇江 212004）

淀粉是小麦籽粒中的主要组成物质，约占小麦籽粒干质量的70%；小麦淀粉包含约15%的直链淀粉和约85%的支链淀粉，其中支链淀粉对小麦面粉制品的表观和食用品质有重要作用[1]。由于受环境温度、储藏时间和水分含量等因素影响，小麦制品在运输、贮存过程中容易发生淀粉老化现象[2]，最终引起食品品质变化，如颜色、风味、口感和消化性等品质变差，因此进行小麦淀粉抗老化研究，对于小麦面粉制品品质的改良具有重要的意义[3]。研究发现非淀粉类多糖等能够显著延缓淀粉的老化。肖东等[2]通过分析瓜尔胶、卡拉胶、魔芋胶3种亲水多糖对鲜湿面老化的鲜湿面老化动力学方程与分子结构模型，发现瓜尔多胶的添加量为0.4%时，抑制鲜湿面老化的效果最好，储藏21 d后的鲜湿面老化度大大低于对照组。张春媛等[3]采用差示扫描量热仪（DSC）、黏度仪（RVA）以及质构仪（TPA）3种方式评价了茶多糖对小麦淀粉老化的影响，结果发现茶多糖能够延缓小麦淀粉的回生。常晓红等[4]探究了聚葡萄糖对大米淀粉凝胶老化特性的影响，结果显示聚葡萄糖可抑制大米淀粉凝胶的重结晶，进而说明聚葡萄糖能够延缓大米淀粉的老化。

米糠是稻谷脱壳加工后的副产品，其产量大、价格低廉，大多被用作动物饲料或被丢弃，用途单一，不能使米糠得到充分的利用，导致资源的浪费[5]。米糠膳食纤维具有改善便秘、抗氧化、调节血糖和血脂水平等作用[6-10]，是米糠主要的组成成分之一。研究发现米糠膳食纤维对大米淀粉[5]和小麦淀粉[5]均具有延缓老化作用，因此在淀粉类食品中添加米糠膳食纤维既能赋予食品营养又能改良其食品品质，具有良好的应用前景。然而目前关于米糠膳食纤维抗淀粉老化的研究尚不够深入，米糠膳食纤维对小麦直链淀粉、支链淀粉的老化作用尚鲜见报道。试验通过提取不同相对分子质量的米糠膳食纤维，分别研究它们对小麦直链淀粉和支链淀粉在糊化后的质构、红外光谱和X衍射等品质影响，以期为米糠膳食纤维在小麦淀粉制品品质改良中的进一步应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜米糠（含碳水化合物81.1%、蛋白质7.2%、脂肪0.7%、灰分4.6%），恒冠米业公司；高筋小麦粉，市售。

碱性蛋白酶，诺维信（中国）生物技术有限公司；a-淀粉酶，北京索莱宝科技有限公司；正丁醇、异戊醇、氢氧化钠、石油醚、无水乙醇、氯化钠，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

TMS-Pro型质构分析仪，美国FTC公司；CP153分析天平，常州奥豪斯仪器有限公司；DF-101S集热式磁力加热搅拌器，金坛市白塔新宝仪器厂；Lyo Quest型真空冷冻干燥机，西班牙Telstar公司；H-1600RW微型高速台式冷冻离心机，上海利鑫坚离心机有限公司；HH·S21-6-S型电热恒温水浴锅，上海精其仪器有限公司；PHS-3C型pH计，上海仪电科学仪器股份有限公司；FTS2000型傅里叶红外光谱仪，美国安捷伦；XRD-6000型X射线衍射仪，日本岛津公司。

1.3 试验方法

1.3.1 米糠膳食纤维的乙醇分级沉淀组分制备

1.3.1.1 米糠粗膳食纤维的制备

采用双酶分步法制备米糠粗膳食纤维[11]。称取10 g脱脂米糠，加入100 mL蒸馏水，用a-淀粉酶在pH 6.0、加酶量0.18%和酶解温度75 ℃条件下酶解3.5 h，然后用碱性蛋白酶在pH 8.0、加酶量2.0%和酶解温度60 ℃下酶解2.5 h，沸水浴灭酶10 min；冷却后在5 000r/min下离心10 min，收集上清液，上清液经浓缩后加入4倍体积的无水乙醇，在4 ℃冰箱静置过夜，在5 000 r/min离心10 min，收集沉淀，干燥后即为米糠粗膳食纤维。

1.3.1.2 分级沉淀分离及组分的相对分子质量确定

参考文献[12]，采用分级醇沉法进行不同相对分子质量可溶性膳食纤维的分离。将得到的米糠粗膳食纤维用蒸馏水配制成1%溶液，加入无水乙醇使溶液的乙醇体积分数达到40%，在4 ℃静置过夜后离心，收集沉淀，40 ℃烘干后记作SDF-40组分；将离心后的上清液继续加入无水乙醇，使溶液乙醇体积分数达到60%，在4 ℃静置过夜后离心，收集沉淀，40 ℃烘干后记作SDF-60组分，将离心后的上清液继续加入无水乙醇，使溶液乙醇体积分数达到80%，在4 ℃静置过夜后离心，收集沉淀，40 ℃烘干后记作SDF-80组分。

根据参考文献[13]，利用Sephadex G-100柱层析法建立葡聚糖标准品分子质量对数（IgWM）和分配系数（Kd）之间的关系，确定了SDF-40组分、SDF-60组分和SDF-80组分的分子质量分别约为8.02×104，3.40×105和4.46×103Da。

1.3.2 小麦直链淀粉和支链淀粉的制备。

1.3.2.1 小麦淀粉的制备

称取50 g小麦面粉，加入适量蒸馏水，边加边搅拌直至形成面团，静置20 min后，将面团放入盛有蒸馏水的面盆中进行搓洗，再用纱布覆盖烧杯口，将淀粉浆进行过滤，再离心取下层白色淀粉，40 ℃烘干，研磨后即为小麦淀粉[14]。然后所得的小麦淀粉用于下列直链淀粉和支链淀粉的制备。

1.3.2.2 直链淀粉和支链淀粉的制备

参考文献[15]，采用正丁醇沉淀法分离制备。称取10 g干燥的小麦淀粉，用少量无水乙醇润湿，加入350 mL 0.5 mol/L的氢氧化钠，沸水浴中搅拌20 min，至溶液由浑浊变澄清，待冷却后离心，上清液用3 mol/L的盐酸调至中性，然后加100 mL正丁醇-异戊醇（3∶1）混合液，置于沸水中并搅拌约10 min，冷却至室温后在4 ℃冰箱静置48 h，离心后得到的沉淀为直链淀粉，上清液中的淀粉为支链淀粉，将所得的直链淀粉和支链淀粉分别在40 ℃烘干后备用。

1.3.3 直链淀粉和支链淀粉的糊化和老化

称取20 g小麦直链淀粉或小麦支链淀粉，分别向其中添加0.5%的米糠膳食纤维组分（SDF-40、SDF-60或SDF-80），加入约40 mL蒸馏水，搅拌均匀后在沸水浴糊化20 min，冷却至室温，即可得到淀粉糊（直链淀粉糊或支链淀粉糊）[16]。

将上述直链淀粉糊或支链淀粉糊分别置于4 ℃冰箱1，3，5，7，9和11 d进行抗老化试验，通过分析老化过程中淀粉糊质构品质变化，评价米糠膳食纤维组分对小麦淀粉糊抗老化的影响。

1.3.4 质构特性测定

将淀粉糊样品切成3 cm×3 cm×3 cm的正方形小块，采用TMS-Pro型质构分析仪进行质构特性的分析。测试探头为直径为2 cm的圆柱形探头P/5，探头测试速率为1.0 mm/s，形变量为60%，触发力为0.15 N。由质地特征曲线得到淀粉糊质地参数：硬度、弹性和咀嚼度。使用SPSS 26.0软件进行统计分析，每个处理设4个重复，结果用“平均值±标准偏差”表示。

1.3.5 红外光谱分析

将不同添加量的SDF-40与小麦支链淀粉混合，糊化后于4 ℃储存7 d，冻干。再将该样的冻干粉与KBr以1∶100的质量比混合，研磨后压片，置于FTS 2000傅里叶红外光谱仪中得到样品的红外光谱，用OMNIC红外分析软件找到1 047 cm-1和1 022 cm-1处的峰，通过1 047 cm-1与1 022 cm-1的吸光度比值来判断淀粉老化程度。

1.3.6 X射线衍射分析

将不同添加量的SDF-40与小麦支链淀粉混合，糊化后于4 ℃储存7 d，冻干。使用X射线衍射仪测定冻干后支链淀粉的晶型。冻干样经研磨过孔径0.425 mm筛，将样品倒于样品板上至稍有凸起，在其上用玻璃板紧压。衍射条件选择X-衍射管为铜对阴极，Ni过滤器，电压40 kV，电流200 mA，扫描速率为5 °/min，测量范围为2θ=5°～80°。

2 结果分析

2.1 米糠膳食纤维分级组分对小麦淀粉糊老化过程中硬度的影响

硬度的大小是评价淀粉老化的重要指标之一。米糠膳食纤维对小麦淀粉糊老化过程中硬度的影响如图1所示。从图1可知，直链淀粉糊和支链淀粉糊的硬度均随着贮存时间的延长而增加，这说明随着贮存时间的延长，淀粉糊的老化程度加深。在贮存的前3 d，直链淀粉糊的硬度的增长速率较大，贮存3 d后其硬度的增长速率变缓（图1（a））。对于支链淀粉糊来说，在贮存时间0～5 d范围内其硬度的增长速率较大，随后趋于平缓。在淀粉老化研究中，老化的第一阶段主要归因于直链淀粉的快速再结晶，这也称为短期老化；第二阶段主要归因于支链淀粉外侧短链的缓慢结晶，这也称为长期老化[17-18]，说明直链淀粉比支链淀粉短时间内更易老化，这与研究结果一致。添加米糠膳食纤维组分（SDF-40、SDF-60和SDF-80）对小麦直链淀粉糊和支链淀粉糊的硬度均有明显影响，其硬度基本低于对照组（未添加米糠膳食纤维组）的硬度，其中添加SDF-40组分的小麦淀粉糊的硬度最小；在贮存11 d时，与对照组相比，添加SDF-40的小麦直链淀粉糊的硬度降低了6.97%；而添加SDF-40的小麦支链淀粉糊的硬度则降低了24.27%。

2.2 米糠膳食纤维分级组分对小麦淀粉糊老化过程中弹性的影响

淀粉类食品在贮存过程中的弹性变化与淀粉老化有密切关系，米糠膳食纤维对小麦淀粉糊老化过程中弹性的影响见图2。由图2可知，随着贮存时间的延长，直链淀粉糊的弹性快速增加，在1 d达到最大，随后逐渐降低；支链淀粉糊的弹性在3 d达到最大，然后逐渐降低。这表明与支链淀粉相比，直链淀粉更易老化。从图2（a）可以看出，米糠膳食纤维组分对小麦淀粉糊弹性有显著影响，添加SDF-40能够提高直链淀粉糊的弹性，而添加SDF-60和SDF-80则降低了直链淀粉糊的弹性。在贮存11 d时，添加SDF-40能使直链淀粉糊的弹性提高5.97%。从图2（b）可以看出，SDF-40和SDF-60对小麦支链淀粉糊的弹性具有良好的改善作用；在贮存11 d时，添加SDF-40和SDF-60能使支链淀粉糊的弹性分别提高4.24%和8.37%。

图1 米糠膳食纤维对小麦淀粉糊老化过程中硬度的影响

图2 米糠膳食纤维对小麦淀粉糊老化过程中弹性的影响

2.3 米糠膳食纤维分级组分对小麦淀粉糊老化过程中咀嚼度的影响

咀嚼度作为评价馒头品质的重要指标，也是评价淀粉糊化后老化程度的重要指标之一。在一定程度的范围内，咀嚼度越小，凝胶越软，淀粉凝胶的咀嚼度与硬度、黏聚性和弹性有关，其中硬度影响最大[19]。由图3可知，贮存时间对小麦淀粉糊老化过程中咀嚼度有明显影响。随着贮存时间的延长，对照组、添加SDF-40组、添加SDF-60组的直链淀粉糊的咀嚼度呈先增加后快速降低趋势，在1 d达到最大（图3（a））；对于小麦支链淀粉来说，随着贮存时间的延长，其淀粉糊（对照组、SDF-40、SDF-60和SDF-80）的咀嚼度随着贮存时间的延长先增加后逐渐降低（图3（b））。在贮存11 d时，添加SDF-40、SDF-60和SDF-80分别使直链淀粉的咀嚼度降低25.7%，25.4%和23.4%，分别使支链淀粉糊的咀嚼度降低41.9%，34.3%和25.5%，这与米糠膳食纤维分级组分对小麦淀粉糊老化过程中硬度的影响趋势基本一致。

图3 米糠膳食纤维对小麦淀粉糊老化过程中咀嚼度的影响

2.4 傅里叶红外光谱结果分析

红外光谱常用于化学物质的定性分析及确定分子结构，可以根据红外光谱判断淀粉结构是否发生变化或者在淀粉结构中是否引入了新的官能团，中红外（4 000～200 cm-1）是研究和应用最多的区域。每一个官能团都对应一个特征吸收峰，根据这些特征吸收峰强弱和位置可以确定其官能团的结构[20]。淀粉的傅里叶红外光谱特征吸收峰主要包括：在波数3 380 cm-1附近有一个极宽的O—H键伸缩振动导致的吸收峰；在波数2 930 cm-1附近有H—C—H键反对称伸缩振动导致的吸收峰；在波数1 650 cm-1附近有H—O—H键弯曲振动导致的吸收峰；在波数1 350 cm-1附近有O—C—H键、C—C—H键和C—O—H键弯曲振动导致的吸收峰；在波数1 150 cm-1附近有C—O和C—C键的伸缩振动导致的吸收峰；在波数1 080 cm-1附近有C—H键的弯曲振动导致的吸收峰；在波数1 018 cm-1附近有C—O键的伸缩振动和C—O—C弯曲振动；996～1 000 cm-1处的吸收峰是C—OH的弯曲振动，对应于淀粉大分子羟基所形成的氢键结构[21-22]。其中波数1 047 cm-1和1 022 cm-1吸光度的比率可以反映淀粉颗粒表面有序性状况，用1 047 cm-1/1 022 cm-1来表示淀粉的结晶区，用1 022 cm-1/998 cm-1来表示淀粉的非结晶区，1 047 cm-1/1 022 cm-1～1 022 cm-1/998 cm-1被称作淀粉结构因子指数，来表示结晶区所占比例的大小[23]。图4显示的是不同添加量SDF-40的小麦支链淀粉老化后的红外光谱图。结果显示，随着SDF-40添加量的增加，各个峰振动基本没有发生变化，没有产生新的峰和新的基团，1 047 cm-1/1 022 cm-1的吸光度比值呈逐渐减小的趋势，添加了SDF-40的支链淀粉的吸光度比值1 047 cm-1/1 022 cm-1均小于纯支链淀粉，结晶含量少，说明老化程度较小，进而说明SDF-40具有抗支链淀粉的老化能力，且SDF-40的含量越多，抗老化作用越强（图5）。

图4 不同SDF-40添加量的小麦支链淀粉红外光谱图

图5 不同SDF-40添加量对小麦支链淀粉红外吸光度比值（1 047/1 022 cm-1）的影响

2.5 X衍射图谱结果分析

图6显示的是不同添加量SDF-40的小麦支链淀粉老化后的X衍射图。可以看出，没有添加SDF-40时，小麦支链淀粉在2θ靠近17°时出现强峰，这是典型的B-型结晶结构，而B-型结构的形成原因为支链淀粉的长期回生[23]，随着SDF-40添加量的不断增加，在2θ靠近17°处的峰强度逐渐减弱，表明SDF-40可抑制支链淀粉的重结晶，具有一定的抗老化效果，在10%的SDF-40添加量时，在2θ靠近17°处的峰强度最弱，重晶体的含量最少。晶体的形成与否或多少代表了淀粉老化的程度，晶体含量越高，结构更有序的淀粉老化程度越高。添加了SDF-40的支链淀粉其结晶量均少于纯支链淀粉，表明SDF-40的添加使支链淀粉老化程度更小，对支链淀粉具有抗老化的作用，这与质构分析结果一致。

图6 不同SDF-40添加量的小麦支链淀粉X衍射图谱

3 结论

从米糠膳食纤维中分离出SDF-40、SDF-60和SDF-80三个组分，分别研究这些组分对小麦淀粉糊质构品质和老化特性的影响。结果表明，SDF-40组分能够明显改善小麦直链淀粉糊和支链淀粉糊的质构品质；在经过长达11 d贮存后，添加SDF-40组分使小麦直链淀粉糊和支链淀粉糊的硬度分别降低6.97%和24.27%，使小麦直链淀粉糊和支链淀粉糊的弹性分别提高5.97%和4.24%，使小麦直链淀粉糊和支链淀粉糊的咀嚼度分别降低25.7%和41.9%。SDF-40组分在延缓小麦支链淀粉老化能力大于小麦直链淀粉，这可能与直支链淀粉老化的顺序及性质有关。红外光谱和X衍射图表明，添加SDF-40组分的支链淀粉在1 047/1 022 cm-1的吸光度比值减小，在17°处的峰强度也降低。研究结果表明，SDF-40组分具有良好的延缓小麦淀粉老化的作用，抑制小麦支链淀粉的老化效果更明显。