挤压蒸煮加工米糠可溶和不溶膳食纤维对米淀粉性质的影响及其相互作用分析

王磊鑫，吴娜娜，吕莹果，谭 斌,*

（1.国家粮食和物资储备局科学研究院，北京 100037；2.河南工业大学粮油食品学院，河南 郑州 450001）

天然淀粉存在易回生、稳定性差等缺陷。研究发现，添加一定量膳食纤维能够有效弥补淀粉的这些缺陷。Kohyama等发现，水溶性甲基纤维素可以抑制甘薯淀粉的回生。菊粉、分支界限糊精能分别延缓小麦淀粉和玉米淀粉回生。细菌纤维素、魔芋葡甘聚糖能有效提高大米淀粉凝胶的冻融稳定性。流变学结果表明黄原胶能提高绿豆淀粉和莲藕淀粉的稳定性。

谷物麸皮中富含膳食纤维，其中以米糠的品质最优，因此选择它作为膳食纤维的来源。膳食纤维可分为可溶膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）和不溶膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF）。在生理功能和加工效能方面，SDF比IDF更有益，且在淀粉基食品中添加IDF会使食品的口感粗糙，但米糠中含有的SDF较少，所以需要进行改性，使IDF向SDF转化。挤压蒸煮技术是最为理想的膳食纤维改性技术之一。挤压是一个高温、高压和高剪切的处理过程，物料在挤压机模具口会瞬间膨化，使得纤维素等不溶性成分微粒化，并且引起一些分子的降解及其结构的变化，转化为可溶性成分，从而使其水溶性增强，口感得到改善。

目前，已有关于挤压改性膳食纤维的研究报道，如徐树来对脱脂米糠进行挤压改性，发现挤压改性后的米糠粉中SDF含量提高了6.8 倍，也提高了其水化性能；Zhang Min等研究发现挤压使燕麦麸皮中的SDF含量从8.9%增至14.2%，并改善了燕麦麸皮SDF的一些功能；刘婷婷等优化了人参渣的挤压工艺条件，发现在最佳工艺条件下SDF的得率为24.94%；叶发银等发现经挤压处理后番茄皮的SDF含量从（3.40±0.23）g/100 g上升到（5.86±0.29）g/100 g。但这些研究多集中于挤压工艺优化及其结构、功能性质变化等方面，而对淀粉性质的影响及其相互作用的研究却鲜有报道。

大米是世界上大约一半人口的主食，其中亚洲地区的大米消费量约占全世界的91%，我国是其最大生产国、消费国。选择米制品作为载体，能够满足人们对膳食纤维摄入量的需求，这有利于提高我国居民的健康水平。因此，本研究以籼米和脱脂米糠为原料，研究挤压蒸煮加工米糠SDF、IDF对籼米淀粉的糊化性质、热性质、回生性质、结晶性质及凝胶微观结构等理化性质的影响，并采用质构分析、核磁共振及傅里叶变换红外光谱等方法探究挤压米糠膳食纤维与米淀粉之间的相互作用，以期为米制品加工品质和食用品质的改善提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

脱脂米糠 辽宁省沈阳万家红饲料有限公司；籼米江西省抚州市临川区东馆镇。

碱性蛋白酶 丹麦诺维信公司；溴化钾（光谱纯）国药集团化学试剂有限公司；除溴化钾外，其余试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

SYSLG30-IV实验双螺杆挤压机 济南赛百诺科技开发有限公司；S220多参数测试仪 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；RVA 4500快速黏度分析仪波通瑞华科学仪器（北京）有限公司；DSC214 Polyma差示扫描量热仪 德国耐驰公司；D8 advance X-射线衍射仪 德国Bruker公司；S-3000N扫描电子显微镜日本Hitachi公司；TA.XT plus质构仪 英国Stable Micro Systems公司；NIUSTEL-2核磁共振成像分析仪 纽迈科技有限公司；HY-12压片机 天津天光光学仪器有限公司；Nicolet iN10-iZ10傅里叶变换显微红外光谱仪赛默飞世尔科技（中国）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 挤压蒸煮处理米糠

将米糠粉碎过100 目标准筛，一部分米糠作为未挤压蒸煮样品，另一部分米糠使用实验双螺杆挤压机（螺杆直径30 mm；螺杆中心距26 mm；螺杆转速范围0～500 r/min；螺杆形式为积木组合式）进行挤压蒸煮处理。挤压蒸煮条件：水分含量35%；挤压温度160 ℃；螺杆转速250 r/min。

1.3.2 米糠膳食纤维的提取

参考Qiao Congcong等的方法从1.3.1节的米糠中提取未挤压蒸煮SDF（un-extrusion cooking SDF，USDF）、挤压蒸煮SDF（extrusion cooking SDF，ESDF）、未挤压蒸煮IDF（un-extrusion cooking IDF，UIDF）、挤压蒸煮IDF（extrusion cooking IDF，EIDF）。

1.3.3 籼米淀粉的提取

《太原县志》中记载，明清时期风峪沟内水患严重，明洪武、嘉靖年间、清乾隆元年、十七年、三十三年、四十年均爆发过大规模的洪灾，对人畜、建筑、交通要道有较大的损害。在清乾隆四十一年完成对沙堰的修建之后，“工竣，而城北等村可永免山水冲突之患矣”[11]。从现存周家庄古村建筑建造手法及建筑材料可以看出，村中建筑呈现由高向低，由东向西发展的趋势，就是村民为防止水患危害，而采用的布局形式（图2）。

参照李欢欢的方法提取籼米淀粉。

1.3.4 膳食纤维-米淀粉混合粉的制备

将占淀粉干基质量比为12%的ESDF、EIDF分别与米淀粉混匀，作为实验组混合粉（RS-ESDF、RSEIDF），以USDF、UIDF为对照，按上述步骤制备对照组混合粉（RS-USDF、RS-UIDF）。

1.3.5 糊化性质测定

用快速黏度分析仪测定米淀粉及混合粉的糊化性质。在仪器测试软件的样品重量计算器中，选取标准样品质量3.0 g、标准水体积25.0 mL、水分基14%，输入待测样品含水率，根据样品重量计算器提示的修正后样品质量和水体积称量样品、加蒸馏水见表1。测试程序：50 ℃平衡1 min；经过7.5 min温度上升至95 ℃，保持5 min；经过7.5 min冷却至50 ℃，保持2 min。测试完成后记录数据。

按照此方法制备膳食纤维-米淀粉糊，用于后续质构性质、凝胶微观结构、X-射线衍射、核磁共振和傅里叶变换红外光谱实验。

表1 糊化性质测定中的加样质量和加水体积Table 1 Sample mass and water volume used for the determination of pasting properties

1.3.6 热性质及回生性质测定

取混合粉3 mg于铝盘中，加水6 μL，加盖密封，4 ℃平衡24 h，采用差示扫描量热仪进行测定，测定时温度以10 ℃/min从10 ℃上升至100 ℃。以空盘为对照。记录起始温度、峰值温度、终止温度和糊化焓值。

再将测试过的样品4 ℃保存5 d，每隔1 d以同样的条件测定1 次，记录回生焓值。用回生焓值与糊化焓值的比率表示回生率。

1.3.7 X-射线衍射测定

将DF-RS糊倒入60 mm的一次性培养皿中，使糊体中无气泡且上端平整，密封，4 ℃保存5 d后冷冻干燥，粉碎过120 目筛。采用X-射线衍射仪测定凝胶冻干样品的结晶性质。衍射条件：靶型Cu Kα（＝0.154 06 nm）；探测器类型为闪烁计数器；管电压40 kV；管电流40 mA；扫描范围（2）3.5°～60°；扫描速率2°/min。利用Jade 5.0软件对数据进行处理，以结晶区面积与总面积之比计算样品的相对结晶度。

1.3.8 凝胶微观结构测定

将膳食纤维-米淀粉糊倒入60 mm的一次性培养皿中，使糊体中无气泡且上端平整，密封，4 ℃保存5 d后冷冻干燥，制样镀金。在电压15.0 kV和放大50 倍条件下，使用扫描电子显微镜观察凝胶冻干样品形貌。

1.3.9 质构性质测定

将膳食纤维-米淀粉糊倒入60 mm的一次性培养皿中，使糊体中无气泡且上端平整，密封，4 ℃保存5 d。采用质构仪进行测定。测试类型：TPA；测试条件：使用直径100 mm的圆柱形探头；测前、测试和测后速度均设为1.0 mm/s；两次压缩时间间隔5 s；形变量40%；感应力5.0 g。

1.3.10 核磁共振成像分析

将膳食纤维-米淀粉糊用一次性针管移入样品瓶中，用手振荡以排气泡，密封，4 ℃放置5 d。将样品瓶轻轻放入测试管中，参考Zheng Yanyan和于晓磊等的方法，利用核磁共振成像分析仪对样品进行测定。参数设置如下：采样点数200 042；累加次数32；谱仪频率500.13 MHz；采样频率200 kHz；温度25 ℃。反演参数：选取数据数量200；迭代次数1 000 000。

1.3.11 傅里叶变换红外光谱分析

将膳食纤维-米淀粉糊倒入60 mm的一次性培养皿中，使糊体中无气泡且上端平整，密封，4 ℃保存5 d后冷冻干燥，粉碎过120 目筛。称取2 mg样品和100 mg干燥KBr进行研磨，用压片法制得薄片，利用傅里叶变换红外光谱测定凝胶冻干样品的红外光谱，光谱范围4 000～400 cm，分辨率4 cm，扫描32 次。

1.4 数据处理

2 结果与分析

2.1 挤压蒸煮加工米糠SDF、IDF对米淀粉糊化性质的影响

表2 米淀粉、米糠膳食纤维-米淀粉复合物的糊化性质Table 2 Pasting properties of rice starch and rice bran dietary fiberrice starch complexes

从表2可以看出，米糠膳食纤维能够显著降低米淀粉的峰值黏度。与未挤压蒸煮加工相比，挤压蒸煮加工分别使添加米糠SDF、IDF的米淀粉的峰值黏度从1 873.67、2 087.00 cP分别降至1 025.00、1 599.00 cP。峰值黏度与加热过程中淀粉颗粒的膨胀力有关，具有较高膨胀力的淀粉颗粒会表现较大的峰值黏度。膳食纤维的添加会相应减少淀粉的比例，且膳食纤维会与淀粉分子竞争混合体系中的水，导致淀粉的膨胀力降低，峰值黏度减小。与未挤压蒸煮加工相比，挤压蒸煮加工米糠也显著降低米糠膳食纤维-米淀粉的谷值黏度、终值黏度。

由表2还可得知挤压蒸煮米糠膳食纤维与米淀粉复合物的崩解值、回生值、峰值时间、糊化温度的变化趋势。崩解值与淀粉的破裂程度有关，破裂程度越大，崩解值越高。未挤压、挤压蒸煮米糠膳食纤维均能显著降低淀粉的崩解值。而与未挤压蒸煮加工相比，ESDF、EIDF分别使米淀粉的崩解值显著增加了74.09%和128.36%，这表明挤压蒸煮米糠膳食纤维增加了淀粉颗粒的破裂程度。米糠经挤压蒸煮加工后，膳食纤维微粒化，更容易嵌入淀粉分子的内部，破坏其原有结构。未挤压、挤压蒸煮米糠膳食纤维均大大降低米淀粉的回生值。与未挤压蒸煮加工相比，挤压蒸煮加工米糠SDF和IDF分别使米淀粉的回生值降低了62.59%和44.81%。低回生值意味着淀粉的回生程度较低，回生值的结果表明挤压蒸煮加工米糠可使米糠膳食纤维-米淀粉体系具有更高的抗回生能力，添加挤压蒸煮米糠膳食纤维能延缓淀粉的短期回生，且ESDF比EIDF效果好。糊化温度和峰值时间皆能反映糊化的难易程度。未挤压、挤压蒸煮米糠膳食纤维均显著增加米淀粉的峰值时间和糊化温度。与未挤压蒸煮加工相比，ESDF、EIDF均使米淀粉的峰值时间、糊化温度显著降低，说明ESDF、EIDF使淀粉更易糊化。

2.2 挤压蒸煮加工米糠SDF、IDF对米淀粉热性质的影响

表3 米淀粉、米糠膳食纤维-米淀粉复合物的热性质参数Table 3 Thermal properties of rice starch and rice bran dietary fiber-rice starch complexes

由表3可知，米糠膳食纤维显著提高米淀粉的起始温度、峰值温度，降低米淀粉的糊化焓值。对于终止温度，只有USDF使其显著升高，其他样品均无显著变化。与未挤压蒸煮加工相比，ESDF显著影响峰值温度、终止温度，分别使其降低1.00、1.34 ℃；使糊化焓值显著增加0.44 J/g。而与未挤压蒸煮加工相比，EIDF仅使米淀粉的糊化焓值发生显著变化，从10.85 J/g降至10.44 J/g；对起始温度、峰值温度、终止温度均无显著影响。

2.3 挤压蒸煮加工米糠SDF、IDF对米淀粉回生性质的影响

表4 米淀粉、米糠膳食纤维-米淀粉复合物的回生性质Table 4 Retrogradation properties of rice starch and rice bran dietary fiber-rice starch complexes

如表4所示，米糠膳食纤维显著降低米淀粉的回生焓值。无论挤压蒸煮加工与否，随着回生时间的延长，多数添加米糠膳食纤维的米淀粉样品的回生率呈逐渐增大的趋势。挤压蒸煮加工前后，除回生3 d的RS-USDF与RS-ESDF外，添加米糠SDF、IDF的米淀粉样品在1～5 d内的回生焓值都无显著变化。在1～5 d内，与未挤压蒸煮加工相比，挤压蒸煮米糠膳食纤维均降低了米淀粉的回生率；且在回生5 d，添加ESDF后，淀粉的回生率比加入EIDF低，说明米糠经过挤压蒸煮加工后提高了米糠膳食纤维对米淀粉回生的抑制效果，且ESDF比EIDF效果好。

2.4 挤压蒸煮加工米糠SDF、IDF对米淀粉结晶性质的影响

根据X-射线衍射图谱，植物淀粉颗粒的晶型可归纳为以下4 种晶型：衍射峰在15°、17°、18°、20°、23°附近为A型晶体；衍射峰在5.5°、17°、22°、24°附近为B型晶体；衍射峰在7.8°、13.5°、20.7°附近为V型晶体；A型和B型的混合物为C型晶体。如图1所示，米淀粉在16.9°、19.7°处有衍射峰，为A型晶体。添加未挤压、挤压蒸煮米糠膳食纤维后米淀粉衍射峰的位置均没有发生明显变化，说明米糠膳食纤维对米淀粉的晶型没有影响。但从相对结晶度的数据来看，添加米糠膳食纤维能阻碍无序的淀粉分子重新结晶，降低淀粉的相对结晶度，抑制淀粉回生。与未挤压蒸煮加工相比，挤压蒸煮米糠SDF、IDF分别使米淀粉的相对结晶度从5.45%、5.26%减小到4.56%、4.65%，表明米糠经过挤压蒸煮加工后提高了米糠膳食纤维对米淀粉回生的抑制效果，且ESDF比EIDF效果较好。

图1 米淀粉、米糠膳食纤维-米淀粉复合物的X-射线衍射图谱Fig. 1 X-ray diffraction patterns of rice starch and rice bran dietary fiber-rice starch complexes

2.5 挤压蒸煮加工米糠SDF、IDF对米淀粉凝胶微观结构的影响

图2 米淀粉、米糠膳食纤维-米淀粉凝胶的微观结构Fig. 2 Microstructure of rice starch and rice bran dietary fiber-rice starch gels

从图2a可以看到，米淀粉凝胶呈现连续的基质结构，结构紧密，表面光滑，部分区域有小空洞。添加米糠膳食纤维后，淀粉凝胶结构出现裂缝，缝隙较大，说明米糠膳食纤维影响了淀粉的重新排列，进一步说明米糠膳食纤维能抑制淀粉回生。对比图2b与图2c、图2d与图2e可知，未挤压蒸煮膳食纤维-淀粉凝胶边缘处有许多絮状结构，添加ESDF、EIDF的淀粉凝胶表面则较光滑，这可能是因为米糠经过挤压蒸煮加工后，未挤压蒸煮米糠IDF中的半纤维素、纤维素等发生降解，转化为挤压蒸煮米糠SDF中的可溶性小分子，更易镶嵌在淀粉凝胶基质中。有研究表明，挤压蒸煮米糠SDF糖类组成中的木糖和葡萄糖是从半纤维素和纤维素降解而来。此外，由图2可知，挤压蒸煮加工米糠膳食纤维也能使淀粉凝胶出现裂缝，延缓淀粉回生。

2.6 挤压蒸煮加工米糠SDF、IDF对米淀粉凝胶质构性质的影响

表5 米淀粉、米糠膳食纤维-米淀粉凝胶的质构性质Table 5 Texture properties of rice starch and rice bran dietary fiberrice starch complexes

由表5可以看出，添加米糠SDF能够显著降低米淀粉凝胶的硬度；而未挤压蒸煮加工米糠IDF的添加产生了相反的影响，挤压蒸煮加工米糠IDF也显著降低米淀粉凝胶的硬度。其中，挤压蒸煮加工米糠SDF使凝胶的硬度显著降低，且比挤压蒸煮加工米糠IDF的降低程度大，说明挤压蒸煮米糠膳食纤维破坏了淀粉凝胶的结构，分子间作用力减小，延缓了淀粉回生，且ESDF比EIDF效果好。内聚性可以反映打破凝胶内部结构的难易程度。米糠SDF、IDF的添加使米淀粉凝胶的内聚性显著减小，且挤压蒸煮加工使其进一步减小，说明淀粉凝胶的内部结构可能比添加米糠膳食纤维的样品更难以打破。米糠膳食纤维能使米淀粉凝胶的弹性、回复性显著降低。挤压蒸煮加工米糠能进一步增加米糠SDF、IDF对凝胶回复性的降低程度；EIDF能使凝胶的弹性进一步减小，而ESDF对凝胶弹性的影响与USDF相比无明显变化。凝胶弹性、回复性的降低可能是由于膳食纤维与水之间的相互作用抑制了淀粉颗粒的膨胀，从而影响了淀粉网络结构的形成。米糠膳食纤维能使米淀粉凝胶黏附性显著降低，ESDF的这种影响作用更为明显。米糠膳食纤维也能降低米淀粉凝胶的胶黏性和咀嚼性，米糠经过挤压蒸煮加工后，凝胶的胶黏性和咀嚼性进一步减小。咀嚼性越低，滋味特性越好。

以上结果表明，添加挤压蒸煮米糠膳食纤维可以改变米淀粉的凝胶性质，使其由硬变软，这对调控米淀粉基食品的质构特性具有重大意义。

2.7 米淀粉、米糠膳食纤维-米淀粉凝胶的核磁共振分析

表6 米淀粉、米糠膳食纤维-米淀粉凝胶中3 种状态水的相对含量Table 6 Relative contents of three water states in rice starch and rice bran dietary fiber-rice starch gels

通过核磁共振测定得到横向弛豫时间谱图，从谱图中得到峰比例（）。表示对应水分状态的水所占总水分的比例，越大，则该状态水占比越多。由表6可知，米淀粉和凝胶中存在3 种状态水：强结合水（，0.03%～0.66%）、弱结合水（，1.68%～2.84%）、自由水（，96.53%～98.31%）。

从表6可以看出，米糠SDF降低体系中强结合水、弱结合水的比例，增加自由水的比例；而米糠IDF的作用恰恰相反。与未挤压蒸煮加工相比，经过挤压蒸煮加工后，米糠SDF显著增加强结合水的比例，但降低自由水的比例，对弱结合水没有明显影响；而米糠IDF显著增加弱结合水的比例，降低自由水的比例，对强结合水没有显著影响，这可能是因为米糠经过挤压蒸煮加工后能显著提高米糠SDF的持水性。

2.8 米淀粉、米糠膳食纤维-米淀粉凝胶的傅里叶变换红外光谱分析

图3 米淀粉、米糠膳食纤维-米淀粉凝胶的红外光谱图Fig. 3 Infrared spectra of rice starch and rice bran dietary fiber-rice starch gels

如图3所示，添加米糠膳食纤维后，米淀粉凝胶在4 000～400 cm光谱范围内均未出现新的吸收峰，表明膳食纤维与淀粉之间的相互作用并没有产生新的共价键，所以挤压蒸煮米糠膳食纤维与米淀粉之间是通过非共价键来缔合的。米淀粉凝胶及米糠膳食纤维-米淀粉凝胶的特征吸收峰主要为：在3 400 cm左右有一个宽而强的O—H键伸缩振动引起的吸收峰；在2 929 cm左右有一个—CH键反对称伸缩振动引起的吸收峰；在1 646 cm左右有一个H—O—H键弯曲振动引起的吸收峰；在1 373 cm左右有一个CH弯曲振动引起的吸收峰；在1 156 cm左右有一个C—O和C—C键伸缩振动引起的吸收峰；在1 080 cm左右有一个C—H键弯曲振动引起的吸收峰；在1 020 cm左右有一个C—O键伸缩振动及C—OH弯曲振动引起的吸收峰。

研究表明，1 047 cm处的吸收峰可以代表淀粉结晶区的结构特征，1 022 cm处的吸收峰可以代表淀粉非结晶区的结构特征，可以通过1 047 cm与1 022 cm处吸收峰的峰高比反映米淀粉的回生程度，峰高比越小，回生程度越小。由图3可知，添加未挤压蒸煮米糠SDF、IDF后，米淀粉的1 047 cm与1 022 cm处吸收峰的峰高比减小，说明米糠膳食纤维可以抑制米淀粉回生。米糠经过挤压蒸煮加工后，米糠SDF、IDF与米淀粉的复合物的峰高比减小，且添加ESDF比添加EIDF小，说明米糠经过挤压蒸煮加工后提高了米糠膳食纤维对米淀粉回生的抑制效果，且ESDF比EIDF效果好。

3 结 论

添加挤压蒸煮加工膳食纤维降低膳食纤维-米淀粉的峰值黏度、谷值黏度、终值黏度，使其更易糊化。与未挤压蒸煮加工相比，ESDF显著降低米淀粉的峰值温度，提高其糊化焓值；EIDF显著降低米淀粉的糊化焓值，对峰值温度无显著影响。米糠经过挤压蒸煮加工后降低了米糠SDF、IDF与米淀粉复合物的回生值、回生率、相对结晶度、硬度、1 047 cm与1 022 cm处的峰高比，使结构紧密的淀粉凝胶结构出现较大的裂缝，表明米糠经过挤压蒸煮加工后提高了米糠膳食纤维对米淀粉回生的抑制效果，且ESDF比EIDF效果好。