微波改性对燕麦麸膳食纤维结构及功能性质的影响

吴丽萍，董康珍，楚文靖，胡晓倩

（黄山学院生命与环境科学学院 安徽黄山245041）

膳食纤维（Dietary fiber，DF）作为“第七大营养素”因独特的生理功能而在食品领域备受关注。探究良好的膳食纤维原料来源并提升其品质及功能特性是业内的研究热点。燕麦麸是燕麦的麸皮，与燕麦相比，具有热量低、膳食纤维含量高等特点，资料表明，燕麦麸具有降低胆固醇、降血糖、降低胰岛素水平以及抗氧化、预防结肠癌等多种保健功能[1]。然而，燕麦麸食用口感不佳，未得到有效利用。采用安全、简便、有效的改性方法使不溶性膳食纤维（IDF）向可溶性膳食纤维（SDF）转化[2-3]，改善燕麦麸的口感，拓宽其应用途径，继而提高膳食纤维品质及生理功能，是燕麦麸产品实现功能化的重要途径。

目前，关于燕麦麸的研究主要集中在膳食纤维的提取方面。刘德讲等[4]以燕麦加工产品的剩余滤渣为原料，采用酶-碱结合法提取燕麦麸膳食纤维。郑旭[5]从燕麦麸中提取β-葡聚糖并制备脂肪模拟品。关于燕麦麸皮改性方面，刘静雪等[6]采用双螺杆挤压法对燕麦麸皮进行改性处理，使改性后燕麦麸膳食纤维比改性前SDF 提高了29.4%。微波作为膳食纤维物理改性的一种重要方法，可使物料中的极性分子在电磁波作用下产生剧烈振动和空化效应，随着物料温度的升高，分子间化学键断裂，造成分子间相互挤压，促使物料微孔隙的形成，比表面积增大，达到改善物料性能的作用[7]。任雨离等[8]研究了微波改性对方竹笋膳食纤维结构及性能的影响，得出微波改性可以提高其水合性及抗氧化性的结论。李明泽[9]研究结果表明微波功率的增大会提高青稞中β-葡聚糖含量，在功率640 W 时达到最大值，随后呈现下降趋势。马晓凤等[10]研究证实改性燕麦麸膳食纤维可以降低大鼠空腹血糖和调节血脂的作用。目前关于微波改性燕麦麸膳食纤维（OBDF）的研究尚未见报道。本文作者曾以提升燕麦麸皮SDF 含量为切入点，通过微波改性燕麦麸膳食纤维，SDF 含量由改性前的5.3%提高到12.6%，取得了良好的改性效果。在此基础上，本文针对微波改性对燕麦麸膳食纤维结构及功能性质方面的影响做进一步的探究，为燕麦麸的品质改良及应用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

燕麦麸、葡萄糖、玉米油，市售；淀粉酶（10 000 U/g）、木瓜蛋白酶（100 000 U/g），浙江一诺生物科技有限公司；1，1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基（DPPH），美国sigma 公司；硫酸亚铁、亚硝酸钠、95%乙醇等化学试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

FW135 中草药粉碎机，天津市泰斯特仪器有限公司；800 型离心分离机，北京医用离心机厂；WF-4000C 常压微波快速反应系统，上海屹尧微波化学技术有限公司；JEM-200CX 型高分辨透射电镜，日本JEOL 公司；XRD-7000 X-射线衍射分析仪，日本岛津公司；Spectrum100 傅里叶红外光谱仪，美国PerkinElmer 公司；XMTA-608 电热鼓风干燥箱，上海佳胜实验设备有限公司。

1.3 方法

1.3.1 OBDF 的制备 采用酶法制备OBDF。挑选无霉变、无虫蛀的新鲜燕麦麸皮，置60 ℃干燥箱内干燥24 h，粉碎，过80 目筛得到燕麦麸粉末。燕麦麸粉末按料液比1∶15（g/mL）加入0.5%淀粉酶，置50 ℃水浴锅内酶解1.5 h，灭酶，调节水浴锅温度至55 ℃，加入0.5%木瓜蛋白酶酶解1 h。加入4倍体积95%乙醇溶液，4 ℃冰箱冷藏条件下静置24 h，离心、过滤，置于60 ℃干燥箱内干燥24 h，得到OBDF，作为对照组。

1.3.2 微波改性OBDF 工艺 称取OBDF 5.000 g，与水按料液比1∶25 配成溶液，在微波功率600 W 条件下处理4 min，待冷却后加入4 倍体积的无水乙醇，4 ℃条件下静置过夜。用抽滤机抽滤后置60 ℃干燥箱内烘干，得到改性OBDF，装袋密封备用。另外称取5.000 g OBDF 按照上述相同的条件进行微波改性，抽滤后取其上清液，加入4 倍体积的无水乙醇，于冰箱4 ℃条件下静置12 h，置离心机内以5 000 r/min 转速离心25 min，将沉淀物在60 ℃干燥箱内烘干，得到改性SDF，作为功能性质试验的对照组。

1.3.3 结构分析

1.3.3.1 扫描电镜（SEM）将待扫描样品燕麦麸原料、OBDF、改性OBDF 经干燥处理后置于载物台上，表面喷金处理提高导电性。设定扫描电压为15 kV，放大倍数为2 000×，通过扫面电镜观察待测样品改性前后的微观形态。

1.3.3.2 X 衍射 参考杨开等[11]的方法进行操作。利用连续步进扫描法进行测定。扫描参数为：靶：Cu-Ka；步宽：0.02°；扫描速率：2°·min-1；扫描范围（2θ）为2°～40°。

1.3.3.3 红外光谱分析 分别称取2 mg 干燥的OBDF 和改性OBDF，与KBr 粉末于玛瑙研钵中，充分研磨均匀后置于压膜器内进行压片，压成薄片后取出，置于傅里叶变换红外光谱仪中扫描，扫描波长为500～4 000 cm-1，扫描25 次。

1.3.4 吸附性能的测定

1.3.4.1 葡萄糖吸附能力测定[12]分别称取0.500 g OBDF、改性OBDF、改性SDF，置于100 mL 葡萄糖溶液（0.15 mg/mL）中，在37 ℃条件下用磁力搅拌器搅拌4 h，将溶液放置离心机内以3 500 r/min 处理15 min。以葡萄糖溶液（0.10 mg/mL）为空白，取1 mL 离心后的上清液用于测定葡萄糖含量，按公式转换为吸收葡萄糖能力。

式中：C0——葡萄糖溶液质量浓度，mg/mL；C1——上清液中葡萄糖质量浓度，mg/mL；V——葡萄糖溶液体积，mL；M——DF 质量，mg。

1.3.4.2 胆固醇吸附能力测定 采用朱玉等[13]的方法对胆固醇吸附能力进行测定，略作修改。将新鲜蛋黄与纯净水按料液比1∶8（g/mL）混合，充分搅打成乳液状态。分别取1.000 g OBDF、改性OBDF 和改性SDF 与20.000 g 蛋黄乳液混合，将混合物分别调节至pH 2.0 和pH 7.0，然后置于37 ℃水浴摇床内摇动1.5 h，以3 500 r/min 离心15 min，取上清液，以蛋黄乳液混合物作为空白对照品，550 nm 处测定吸光度。

1.3.4.3 吸油力测定 参照黄萍等[14]的方法略作改进。分别称取1.000 g OBDF、改性OBDF 和改性SDF（M1），按料液比1∶10（g/mL）加入玉米油，混合后静置1.5 h。将混合物置于离心机内以4 000 r/min 离心处理35 min，去除上清液，用吸油纸将多余油脂吸干后称量残渣，质量记为M2，以每克干物质所带油脂质量表示持油力。持油力按照以下公式进行计算。

1.3.4.4 吸附亚硝酸钠能力测定 参考杨开等[11]的方法略作改动。分别称取1.000 g OBDF、改性OBDF 和改性SDF 样品按料液比1∶20 与0.1 mol/L 的NaNO2溶液混合均匀，将混合液体系分别调整为模拟胃环境（pH 2.0）和模拟小肠环境pH 7.0，置于37 ℃水浴摇床中于以100 r/min 摇动40 min，然后以4 000 r/min 离心20 min，收集上清液用于后续分析。亚硝酸盐含量按照Zhu 等[15]的方法测定。

1.3.5 溶解性能测定 参照刘锐雯[16]的方法略作改动。分别称取1.000 g OBDF、改性OBDF 和改性SDF 样品，按料液比1∶20（g/mL）加入蒸馏水，调节溶液体系为pH 2.0 和pH 7.0，置于磁力搅拌器内，设置温度为30，50，70，90 ℃，搅拌速度800 r/min，搅拌时间20 min。取出放置离心机内3 500 r/min 离心处理15 min，取其上清液冷冻干燥后称重。膳食纤维的溶解性能以溶解度进行表示，溶解度按以下公式进行计算。

式中：m——葡萄糖溶液质量，g；V——水的体积，mL。

1.3.6 改性前、后OBDF 对DPPH·和羟自由基的清除能力测定 DPPH 清除率测定参照DPPH 法，羟自由基清除率测定参照邻二氮菲法[17-18]。

1.3.7 数据处理 每组试验重复操作3 次，采用SPSS 18.0 统计软件进行单因素方差分析中的Duncan's 多重比较法分析数据间的显著差异，P<0.05 为差异显著。运用Origin 8.0 软件对数据进行处理绘图。

2 结果与分析

2.1 微观结构分析

图1 为2 000 倍的扫描电镜对OBDF 及改性OBDF 进行微观结构观察，可以看出改性前后OBDF 微观结构变化明显。经过酶法提取的OBDF因为去除了蛋白质和淀粉，表面结构较为疏松，微波改性后OBDF 表面结构更为松散，孔隙变多、变大，比表面积增大，呈现出复杂的网状结构，这是由于OBDF 在微波的空化物理作用下，发生不规则的破碎，质地变得蓬松，微观结构变得更加疏松。这与任雨离等[8]采用微波改性方竹笋膳食纤维导致其网络结构更明显，孔洞增大的结论相一致。结构疏松可以使更多的亲水基团外露[19]而增加膳食纤维的吸附、保水、吸油等理化特性，有利于改性后OBDF 溶解性能的提高。这个结论为后续的功能性质试验提供了依据。

图1 改性前后OBDF 的SEM 图（×2 000）Fig.1 The SEM photograph（×2 000）of OBDF before and after modification

2.2 X 射线衍射结果分析

图2 为OBDF 改性前后的X 射线衍射图，衍射角2θ 为15～25°范围内出现纤维素或半纤维素结晶衍射峰[8]。未经改性的OBDF 随着衍射强度的增加，衍射峰值发生一定的变化，在扫描角度2θ为15.96°、20.10°、23.72°处有明显的结晶衍射峰，31.2°处出现较弱的吸收峰，这些峰值符合纤维素I 型XRD 曲线特征[20]，为结晶区与非结晶区共存状态，这与小米糠[21]的晶型结构相同。改性后2θ为16.26°和18.74°处结晶衍射峰呈现微弱下降，可能是因为在微波的作用下，结晶区域纤维素大分子被降解，致使纤维素结晶区暴露[22]，非结晶区域变大。改性OBDF 在扫描角度2θ 为23.72°处结晶衍射峰强度增加，衍射角并未发生明显变化，说明结晶区占比增加[23]，非结晶区的部分多糖组分发生降解，推测是因为OBDF 中的IDF 部分向SDF 部分进行转化，致使更多的结晶区暴露，OBDF 表面结构被破坏，结构更为疏松，这与扫描电镜结果相吻合。因此，改性后OBDF 仍然保持纤维素I 型结构，晶型未发生改变，但是微波作用破坏了纤维素Ⅰ型晶体中的无定形结构以及使得木质素、纤维素被水解去除[24]，致使更多的IDF 被转化，说明微波改性可以有效提高SDF 含量，对OBDF 功能活性的提高有很好的促进作用。

图2 改性前后OBDF 的X 射线衍射图Fig.2 X-ray diffraction diagrams of OBDF before and after modification

2.3 红外光谱结果分析

图3 为微波改性处理对OBDF 产生的红外光谱变化分析图，用于测定OBDF 改性前后的官能团变化。如图所示，改性前后峰型基本保持一致，OBDF 具备糖的特征吸收峰。在3 200～3 500 cm-1内出现强而扩展的吸收峰源于O-H 的伸缩振动，说明在此区域范围内氢键数目较多。3 419 cm-1处出现的宽吸收峰为纤维素和半纤维素的O-H 伸缩振动带，改性后此处的吸收峰强度减弱，可能是因为微波改性导致纤维素分子间的氢键断裂[25]，致使O-H 数量增加。2 925 cm-1和2 854 cm-1处出现的吸收峰为多糖甲基基团的C-H 键的反对称伸缩振动所导致，改性后强度减弱，说明多糖的特征基团遭到损坏。1 744 cm-1附近出现的弱小尖峰，为半纤维素的吸收峰。1 651 cm-1附近出现强度较大的羧基-COOH 吸收峰，是半纤维素羰基C=O 非对称收缩振动产生，由半乳糖醛酸的存在引起[26]，改性后此处拉伸峰强度变大，说明存在更多的糖醛酸。1 294 cm-1是木质素强组分的特征性弯曲或拉伸导致[19]，改性后吸收峰强度减弱，可能在微波改性作用下部分木质素发生降解，向SDF转化，这也是改性后SDF 含量提高的一个主要原因。1 027 cm-1处呈现较强吸收峰，为纤维素或半纤维素C-O-C 键特征吸收峰[27]。改性前后在576 cm-1处均出现较弱吸收峰，为多糖分子中β-型的C-H 直立键的变角振动吸收。由此可见，改性后OBDF 红外图谱特征吸收峰的强度变化明显，但是整体峰型、位置并未发生明显改变，因此可以推断微波改性并未使OBDF 产生新的官能团，仍然保持多糖的特征官能团，吸收峰强度的变化说明OBDF 原有的理化性质及功能活性会在原有的基础上发生变化。

图3 改性前后OBDF 红外光谱图Fig.3 FT-IR spectra of OBDF before and after modification

2.4 改性对OBDF 吸附性能的影响

已有研究表明DF 中的多糖结构具有一定的吸附特性，能结合小肠和胃中的胆固醇，同时DF不能被人体消化吸收，因此可以降低血清胆固醇含量[28]。如表1所示，OBDF、改性OBDF 以及改性SDF 在模拟小肠环境下（pH 7.0），对胆固醇的吸附能力均高于模拟胃中环境下（pH 2.0）的吸附量，这与雷竹笋膳食纤维[28]所得到的结论相似。改性OBDF 和改性SDF 吸附胆固醇能力高于OBDF，这可能是因为改性处理后OBDF 的表面结构呈现疏松多孔状，增加了其吸附能力，此结果验证了扫描电镜结果的推断。

目前亚硝酸盐对人体的危害已经得到了科学的证实，而加工肉制品中亚硝酸盐含量较高，利用膳食纤维的吸附特性可以降低其对人体的伤害。由表1 可知，在pH 2.0 条件下，OBDF、改性OBDF 以及改性SDF 对亚硝酸钠的吸附能力差别显著（P<0.05），在pH 7.0 条件下吸附能力下降，说明胃环境下对亚硝酸钠的吸附能力高于小肠环境下的吸附能力。这是因为DF 中含有较多的阿魏酸，其特有的酚酸基团在酸性条件下能与NO2-反应，从而阻断强致癌物N-硝基化合物的生成。但在小肠的中性条件下促使阿魏酸的羧酸发生解离，从而影响了对NO2-的吸附效果[11]。改性OBDF及改性SDF 因为改性后形成网状结构，其吸附葡萄糖能力以及吸油力明显高于改性前（P<0.05），pH 7.0 环境下的吸附能力高于pH 2.0 环境下的吸附能力，因此改性后的OBDF 有利于降低小肠中葡萄糖浓度。改性OBDF 应用于焙烤食品、肉制品中有利于提高食品内部水、油的稳定性，对改善食品质构、贮藏稳定性会起到促进作用。

表1 吸附性能结果分析Table 1 The results analysis of absorption

2.5 改性对OBDF 溶解性能的影响

膳食纤维的溶解度对产品感官品质影响较大，而膳食纤维的溶解性基本取决于样品的分子组成和结构[29]，由表2 可知，不同的温度、pH 值条件对膳食纤维的溶解度影响较大，在50～70 ℃之间时，改性OBDF 和改性SDF 的溶解度上升明显，之后随着温度继续升高，溶解度变化不大，趋于饱和，这可能是因为热力作用破坏了纤维多糖分子侧链间的氢键和离子键[30]，致使溶解度提高。在pH 2.0 条件（模拟胃中环境）下膳食纤维的溶解度高于pH 7.0 条件（模拟小肠环境）下的溶解度，这可能是在酸性环境及加热条件下，促进OBDF 水解生成单糖葡萄糖，其中改性OBDF 在70 ℃以及胃中环境pH 2.0 条件下，溶解度达到（0.14±0.02）g/mL，改性SDF 溶解度在此条件下达到（0.18±0.03）g/mL，说明SDF 含量是提高膳食纤维溶解性的直接因素，适当提高温度可以促进膳食纤维的溶解，而胃中环境更有利于提升膳食纤维的溶解度，从而更好地发挥膳食纤维的生理功能。而未经改性OBDF 溶解度较低，这主要是因为SDF 含量较低的原因导致。因此，将燕麦麸应用于食品加工中可以通过调节温度和pH 值来提高其溶解性能，从而达到改善口感的目的。

表2 溶解性能结果分析Table 2 The results analysis of solution

2.6 改性对OBDF 清除DPPH·和羟自由基能力的影响

燕麦麸中已发现多种酚酸，如咖啡酸、阿魏酸、香豆酸等，具有一定的抗氧化作用[31-32]。不同质量浓度的OBDF、改性OBDF、改性SDF 对DPPH·自由基清除率的影响，如图4所示。随着质量浓度的增加，3 种样品对DPPH·自由基呈现不同的清除效果，其中改性SDF>改性OBDF>OBDF 。这是因为微波改性处理过程中产生了大量低分子多糖，抗氧化性增强，其中改性SDF 的抗氧化性能更加突出，这一结果与胡莹莹等[33]的香蕉花SDF的抗氧化活性结果相一致。样品质量浓度为0.8 mg/mL 时对DPPH·自由基的清除率呈现明显上升趋势，达到2.0 mg/mL 时趋于稳定，其中改性SDF对DPPH·自由基的清除率最高达到11.8%，改性OBDF 对DPPH·自由基的清除率达到10.1%。由图5 可知，随着质量浓度的增加，3 种不同样品对羟自由基的清除能力也随之升高（P<0.05）。其中样品质量浓度为0.4～1.6 mg/mL 时，对羟自由基的清除率呈现明显上升趋势，而后变化不明显。3 种样品对羟自由基清除能力的大小为改性SDF>改性OBDF>OBDF，改性OBDF 和改性SDF 对羟自由基的清除能力最高达到49.8%，62.1%。这是因为SDF 含量越高，其结构越为疏松，疏松的结构会暴露出更多的供氢体或电子供体[34]，从而提升其清除羟自由基能力。由此可见，改性后的燕麦麸膳食纤维对DPPH 自由基和羟自由基具有良好的清除能力。

图4 DPPH·自由基清除能力Fig.4 Scavenging ability of DPPH· free radical

图5 羟基自由基清除能力Fig.5 Scavenging ability of hydroxyl radical

3 结论

本文研究了微波改性对燕麦麸膳食纤维结构以及功能性质的影响。研究结果表明，通过扫描电镜、X-衍射及红外图谱分析，微波改性改变了OBDF 的微观结构，表面呈现复杂的网络结构，表面疏松多空隙。纤维素、木质素等非结晶区域发生部分降解，结晶区域扩大，仍保持纤维素Ⅰ型结构。改性后OBDF 的官能团并未发生明显变化，但是强度发生变化，原有的理化性质和功能活性也随之发生变化。改性处理由于结构和SDF 含量的提高，有效增强了OBDF 的功能性质，改性后OBDF 对胆固醇（pH 7.0 条件下）、亚硝酸钠、葡萄糖、油的吸附能力明显高于改性前，其中改性SDF的吸附性能更为显著（P<0.05）。改性后的OBDF对DPPH·和羟自由基具有较好的清除能力，其中改性SDF>改性OBDF>OBDF。因此，改性SDF 具备更强大的功能活性，通过微波改性提高SDF 含

量有利于提升燕麦麸膳食纤维产品的生理功能。

微波效应能够促使纤维素及木质素发生部分降解，聚合度下降，亲水活性基团暴露出来，提升了溶解度，有效提高了OBDF 的吸附特性及抗氧化活性。综上所述，微波改性法可有效改善OBDF的结构及功能性质，是一种有效的改性方式，可为燕麦麸产品的品质改良及深度应用提供参考依据。