物理改性处理对小米水溶性膳食纤维理化性质及结构的影响

魏春红， 曾明霞， 武云娇， 赵姝婷， 刘德志， 王一飞 苏有韬， 王维浩,2， 张东杰， 曹龙奎,2

(黑龙江八一农垦大学食品学院1，大庆 163319) (黑龙江八一农垦大学国家杂粮工程技术研究中心2，大庆 163319)

目前，我国的杂粮种类与产量处于世界首位，其中杂粮产量约占我国粮食总产量的10%[1]，约占世界杂粮总产量的17%。在药用方面，食用小米制品有助于清热除湿、健脾养胃，对缺铁性贫血疾病具有预防作用[2]。美国谷物化学家协会将膳食纤维定义为“一种在人体小肠抗消化、吸收，在大肠完全或部分发酵的植物可食用组织或相似碳水化合物”[3]。小米中膳食纤维含量丰富，是大米中膳食纤维的2.3倍[4]。根据水溶解性情况将膳食纤维(DF)分为水溶性膳食纤维(SDF)和水不溶性膳食纤维(IDF)两类。SDF对于肠道疾病[6]、调控血糖水平[5]和胰岛素水平都具有良好作用。IDF由于本身口感较粗糙，不适合直接应用于食品工业中[7]，因此IDF的生理功能低于SDF，但因天然膳食纤维中IDF的含量远高于SDF，所以可通过改性来提高SDF的含量与品质。

目前主要采用化学法、生物法、物理法和联合改性法等[8]对膳食纤维进行改性。Su等[9]运用高压均质技术对柑桔皮膳食纤维进行改性，发现改性后的膳食纤维理化性质得到改善。汪楠等[10]运用高温蒸煮技术处理竹笋膳食纤维，发现水不溶性膳食纤维可以转变为水溶性膳食纤维，且改性后的膳食纤维持水力、膨胀力、持油力等方面均得到提高。超声主要是利用产生的剪切力、湍流作用等[11]，使物料表层结构受到一定程度的破坏。沈蒙等[12]运用超声-微波协同的方法提取黑豆皮当中的SDF，发现改性后的SDF物理性质得到改善与提高。

国内外针对于小米膳食纤维的研究主要集中于提取工艺的优化和理化性质的测定等方面[13，14]，将3种方法对小米SDF进行改性并对比改性前后理化性质及结构鲜有报道。因此本研究利用高温高压技术、蒸煮技术、超声技术对小米SDF进行改性，探究改性前后小米SDF的理化性质与结构特性，为小米的功能性综合利用提供了参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

大豆油、小米、中性蛋白酶、α-耐高温淀粉酶、淀粉葡萄糖苷酶，95%乙醇(分析纯)，溴化钾(光谱级)，其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

GDE-CSF6意大利VELP膳食纤维测定仪，DSC25型差示扫描量热仪，Nicolet 6700傅里叶变换红外光谱仪，SU8020扫描电子显微镜，MLS-3781L-PC高压蒸汽灭菌锅，JBT超声波药片处理机，Specord-200型紫外可见分光光度计。

1.3 方法

1.3.1 小米SDF的制备

取脱脂小米粉20 g，加入400 mL的蒸馏水、1 000 mL的磷酸盐缓冲液，加入α-耐高温淀粉酶，95 ℃水浴20 min，加入中性蛋白酶溶液，60 ℃水浴30 min，加入淀粉葡萄糖苷酶[15]，60 ℃水浴30 min，灭酶，按原液0.2倍进行浓缩，按浓缩液体积1∶4比例添加95%乙醇，醇沉15 h，离心，冷冻干燥，在4 ℃下保存。

1.3.2 小米SDF的3种改性处理

1.3.2.1 高温高压处理。取小米SDF 2 g，1∶30的比例加入蒸馏水混匀，在0.1 MPa高压灭菌锅中处理，冷却，离心，保留上层清液，按清液体积1∶4的比例加入95%乙醇，醇沉15 h，离心，干燥，得到高温高压小米SDF[16]。

1.3.2.2 蒸煮处理。取小米SDF 2 g，1∶30的比例加入蒸馏水混匀，在125 ℃下蒸煮50 min，离心15 h，保留上层清液，按清液体积1∶4的比例加入95%乙醇，醇沉15 h，离心、干燥得到蒸煮小米SDF[17]。

1.3.2.3 超声处理。取小米SDF 2 g，1∶30的比例加入蒸馏水混匀，超声功率100 W，处理1 h，离心15 h，保留上层清液，按清液体积1∶4的比例加入95%乙醇，醇沉15 h，离心、干燥得到超声小米SDF[18]。

1.3.3 小米SDF表面微观结构的测定

参照涂宗财等[19]的方法进行表面微观结构测定，将一定量的小米SDF粘贴、表层镀金，进行×20 000、×50 000倍放大观察，选择清晰图像拍照。

1.3.4 小米SDF傅里叶红外光谱的测定

参照张艳荣等[20]的方法进行傅里叶红外光谱测定：按1∶100的比例加入KBr粉末，混匀，研磨粉碎，压片，最后放入傅里叶红外光谱仪中进行扫描。

1.3.5 小米SDF理化性质的测定

持水力的测定：取样品1 g，20 mL蒸馏水，静置12 h，在4 000 r/min下离心25 min，倒液留渣，按照公式进行计算[21]。

式中：W为持水力/g/g；m1为SDF吸水后样品和离心管的质量/g；m2为离心管的质量/g；m3为样品干质量/g。

水膨胀力的测定：取样品0.25 g，5 mL蒸馏水，搅拌去泡，静置12 h，按照公式进行计算[22]。

式中：E为膨胀力/mL/g；V1为样品膨胀后的测定体积/mL；V2为样品干样的测定体积/mL；m为样品干质/g。

持油力的测定：取0.5 g样品，加入4 g大豆油，密封静置37 ℃水浴锅中4 h，4 000 r/min下离心15 min，倒液留渣，按照公式进行计算[23]。

式中：O为持油力/g/g；m1为残渣的质量/g；m2为样品的质量/g。

结合脂肪能力的测定：参照李娜等[24]的测定方法进行，取4 g样品，加入20 mL大豆油，搅拌30 min(每5 min搅拌1次)，在1 600 r/min下离心25 min。游离的脂肪通过离心被分离开，结合脂肪的能力可以被测出，即每g膳食纤维试样结合脂肪的量。

1.3.6 小米SDF体外抗氧化活性的测定

采用总抗氧化能力(T)试剂盒进行测定[25]。具体步骤按照说明书进行，进行3组重复实验。

在波长为520 nm处测定小米SDF的吸光度值，按照公式进行计算。

式中：T为总抗氧化能力/U/mL；OD测定为样品管中待测样品吸光度值；OD对照为对照管中待测样品吸光度值；V反为反应液的总体积/mL；V为样品取样量体积/mL；A为样品测试前稀释倍数。

1.3.7 小米SDF热特性的测定

参考王旭等[26]的测定方法并稍作修改：取3～5 mg样品放入氧化铝盘中，由0 ℃升温至250 ℃，设定参数为：升温速率10 ℃/min，氮气，流速50 mL/min。

1.4 数据统计与分析

所有实验均重复进行3次，实验数据均取平均值并计算相对标准偏差，运用Microsoft Excel 2010对数据进行整理与汇总，SPSS 22.0对数据进行差异显著性分析，采用Origin 2019软件进行绘图处理。

2 结果与分析

2.1 3种改性前后小米SDF的表面微观结构

3种改性前后小米SDF的微观形态结果如图1。未改性小米SDF整体为不规则碎片状，表面结构较紧密，颗粒较聚集[25]。高温高压处理后的SDF表面出现裂痕、空隙率增加，整体为无定形分散状，可能是由于高压过程产生的剪切力与碰撞力等作用力导致颗粒尺寸减小造成[27]。蒸煮处理后的SDF表面出现很多空隙，且部分成球状。超声处理后的SDF表面出现褶皱，凹凸不平，可能是因结构经超声作用被空气泡破裂后产生的微射流撞击，导致表面结构出现空隙[28]。其中还有球状物附着，可能是残余的蛋白质与酯类[29]。改性后的SDF表面出现许多裂痕，结构疏松多孔，可能是因改性条件下交联作用导致半纤维素和木质素缺失，使孔隙率增加，孔隙大小增大，最终影响SDF的理化性质[30]。

图1 不同处理的小米SDF的扫描电子显微镜图

2.2 3种改性前后小米SDF的傅里叶变换红外光谱

3种改性前后小米SDF的红外光谱结果如图2。对比改性前后小米SDF的光谱图发现四者具有类似的光谱分布，没有出现新峰，说明物理改性没有改变小米SDF的化学结构，分析是因为官能团含量或结合的方式改变所造成，使其在相应的波数下峰的吸收强度发生改变，从而影响SDF的理化性质[31]。3 398 cm-1处的吸收峰是典型的半纤维素和纤维素O—H伸缩振动带，经改性后吸收峰的强度发生改变，分析原因可能是改性导致纤维素间的部分氢键断裂，使SDF结构疏松，空隙变大，与扫描电镜的结果相符合。2 928 cm-1处较弱的峰是多糖甲基与亚甲基的C—H拉伸振动带，这部分峰经改性后变弱，小米SDF的空隙变大，同时会导致改性后的样品持油力上升[27]。1 650 cm-1处的峰是木质素中芳香苯基团的伸缩振动峰。1 150 cm-1处的峰是半纤维素、木质素、纤维素的C—O拉伸带与变形带。869 cm-1处的峰表明SDF中可能含有甘露糖苷键[32]。整体上，改性后的小米SDF的红外图谱特征吸收峰的强度发生一定变化，但特征峰的峰形与位置没有发生明显变化，所以证明这3种物理改性对小米SDF的官能团没有突出影响[33]。

图2 3种改性处理前后小米SDF红外光谱图

2.3 3种改性前后小米SDF的主要理化性质

持水力、水膨胀力、持油力、结合脂肪能力是衡量膳食纤维理化性质的重要指标，指标越大则表明该膳食纤维的生理活性越好[34]，对预防糖尿病有一定的作用[35]。由表1可知，改性前小米SDF的持水力为0.55 g/g、水膨胀力为1.2 mL/g、持油力为2.49 g/g、结合脂肪能力为2.625 g/mL，经高温高压处理后，持油力得到显著提高(P<0.05)，推测因SDF经高温高压处理后粒径变小，孔隙率变大，比表面积变大，导致储存空间变大[9]。经超声处理后，4个指标都得到显著提高(P<0.05)，推测因超声使SDF的亲水基团暴露出来，与水的结合点增多，水合面积增多[36]。所测定的结果与电子显微镜和傅里叶红外光谱仪的结果相吻合。

表1 3种改性处理前后小米SDF理化性质的测定

2.4 3种改性前后小米SDF的体外抗氧化活性

总抗氧化能力的高低是衡量样品提供电子能力强弱的指标[37]。由表2可见，改性处理后的小米SDF的总抗氧化能力都得到了提高，其中超声和高温高压改性后的样品抗氧化能力有显著提高(P<0.05)，分析可能是因其中糖醛酸、羟基增加导致。膳食纤维属于一种多糖类物质，其抗氧化能力与物质本身的分子量、物质中含有的糖醛酸含量等有关[38]。由红外光谱图可知，在波长为1 700 cm-1处出现了吸收峰，证明样品可能有醛基或羧基的存在[26]，从而引起了抗氧化能力的提高。

表2 3种改性处理前后小米SDF的总抗氧化能力

2.5 3种改性前后小米SDF的热特性

由图3可见，改性后的小米SDF的吸收峰的位置发生不同程度的偏移，说明改性后小米SDF的热稳定性发生改变。膳食纤维的吸收峰峰值出现在170～210 ℃，属于吸热反应过程。高温高压改性的小米SDF在205.11 ℃处出现吸热失重，蒸煮改性的小米SDF在173.5 ℃处出现吸热失重，超声改性的小米SDF在178.5 ℃处出现吸热失重，未改性的小米SDF在183.24 ℃处出现吸热失重，分析可能是由于膳食纤维的氢键被破坏所导致，与电子显微镜和傅里叶红外光谱仪测定的结果相吻合，部分的水分析出，出现吸热失水现象[39]。经过改性后样品在250 ℃以下没有出现显著的放热峰，说明其具有良好的热稳定性。

图3 3种改性处理前后小米SDF的DSC热分析图

由表3可见，改性后小米SDF的ΔH都比未改性小米SDF的ΔH高，其中超声处理后的样品ΔH最大，为110.60 J/g，表明小米SDF的热稳定性都得到一定提高[40]。

表3 3种改性处理前后小米SDF的DSC热力学参数

3 结论

高温高压、蒸煮、超声处理手段有效改善了小米SDF的理化性质与结构特性。与未改性的比较，经过高温高压、蒸煮、超声的改性处理后，小米SDF的持油力、水膨胀力、持油力、结合脂肪能力、总抗氧化能力升高，其中超声处理后的效果最佳。傅里叶红外光谱、扫描电镜、DSC热分析图结果显示，改性处理后的小米SDF各吸收峰强度改变，但结构没有发生明显变化，表面褶皱疏松，孔隙率增加，热稳定性被提高。