蒸汽爆破对不同品种米糠可溶性膳食纤维结构及特性的影响

2024-05-12李素芬田心怡

食品工业科技 2024年10期

李素芬，田心怡

（1.天津商业大学机械工程学院，天津 300134；2.天津商业大学生物技术与食品科学学院，天津 300134）

稻谷是世界上重要的粮食作物之一，主要分布在亚洲、非洲、美洲。我国是稻谷种植大国，据国家统计局统计，2023 年我国稻谷产量约2.066×108t，约占谷物总产量的32.2%[1]。米糠是稻谷加工的副产物，其约占稻谷质量的10%[2]，主要由种皮、果皮、胚芽、糊粉层和少量胚乳等组成，约含有14.5%的蛋白质、20.5%的脂肪、29.0%的膳食纤维[2]，以及酚类化合物、植物甾醇等活性物质[3-4]。米糠因口感粗糙、适口性差、脂肪易氧化变质，绝大部分被用作饲料或废弃，造成膳食纤维的资源浪费。根据在水中溶解度的不同，膳食纤维可分为可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF）。SDF 具有降低血糖、降低血清胆固醇以及预防心血管疾病和提高机体免疫力等生理功能[5]，SDF 对人体健康作用与其含量、结构和特性等相关[6]。米糠中SDF 含量较低[7]，其生理功能作用相对较弱。因此，寻求适当的改性处理方法以提高米糠SDF 的含量，改变其结构，进而提升其功能特性，对于提高米糠膳食纤维的健康功能具有重要价值。

蒸汽爆破（steam explosion，SE）即汽爆，被认为是最有前景的膳食纤维处理方法[8]，通过汽爆处理可使纤维的紧密结构松散，一些与纤维结合的材料解聚，高分子量多糖被部分降解，SDF 含量增加及特性发生改变[9]。付晓康等[10]的实验表明汽爆处理使米糠SDF 的提取率高达6.987%，SDF 的膨胀力、持油力和葡萄糖吸附力显著增加；何晓琴等[8]对苦荞麸皮进行汽爆处理，使SDF 的含量提高了54.11%，SDF的持水性、α-淀粉酶活性抑制能力及葡萄糖吸附能力均得到提升；MA 等[11]的研究结果也表明汽爆处理降低了荞麦麸皮SDF 的结晶度，提高了SDF 的热稳定性、抗氧化性和抗菌性能。稻谷品种繁多，不同品种稻谷米糠膳食纤维的总量、细胞壁组成与结构存在差异性。然而，汽爆处理对不同品种米糠膳食纤维结构变化与功能特性变化的差异性影响尚不明确。

本实验以我国3 个重要的稻谷品种（稻花香、长粒香和赣晚籼40 号）为实验材料，在前期实验（已分别筛选出3 种米糠SDF 含量高的最佳汽爆条件）的基础上，以最佳汽爆条件对3 种米糠进行汽爆处理，探究汽爆前后3 种米糠SDF 的含量、结构和功能特性的差异性，为阐明米糠SDF 的营养健康功效提供理论参考，以提高米糠SDF 在食品中的利用率。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

稻花香稻谷米糠、长粒香稻谷米糠黑龙江省哈尔滨市五常金禾米业有限公司；赣晚籼40 号稻谷米糠江西省抚州市永庆米业有限公司；糖化酶（100 U/mg）、α-淀粉酶（10 U/mg）、碱性蛋白酶（100 U/mg）上海源叶生物科技有限公司；总胆固醇含量检测试剂盒、ABTS 自由基检测试剂盒、DPPH 自由基检测试剂盒、OH 自由基检测试剂盒、总抗氧化能力试剂盒北京市索莱宝科技有限公司；D-葡萄糖北京奥博星生物技术有限责任公司；溴化钾（光谱纯）、正己烷国药集团化学试剂有限公司。

QBS-80 蒸汽爆破工艺实验台河南正道环启宝有限公司；TGL-16M 台式高速冷冻离心机上海卢湘仪离心机仪器有限公司；S-3000N 扫描电子显微镜日本HITACHI 公司；D8 ADVANCE X-射线衍射仪德国BRUKER 公司；Nicolet iN10-iZ10 傅里叶变换显微红外光谱仪赛默飞世尔科技公司；UV5 Bio 紫外可见分光光度计上海梅特勒托利多仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 脱脂米糠的制备 3 种米糠分别与正己烷以1:5 的质量比于具塞锥形瓶中混合均匀，25 ℃下静置8 h，抽滤，重复上述操作，直到上清液澄清为止；将滤渣置于通风橱内自然风干，干燥脱脂的米糠粉碎后过60 目筛，装袋密封于-18 ℃储存。

1.2.2 蒸汽爆破米糠的制备称取过60 目筛的脱脂稻花香米糠（daohuaxiang rice bran，DRB）、长粒香米糠（changlixiang rice bran，CRB）、赣晚籼40 号米糠（ganwanxian NO.40 rice bran，GRB）各200 g，分别于1.2、0.4、1.2 MPa 的蒸汽压力及100、200、300 s的维压时间条件下制备汽爆米糠，经45 ℃烘干（水分含量5.0%）、粉碎、过100 目筛，得到汽爆稻花香米糠（steam explosion daohuaxiang rice bran，SEDRB）、汽爆长粒香米糠（steam explosion changlixiang rice bran，SECRB）、汽爆赣晚籼40 号米糠（steam explosion ganwanxian No.40 rice bran，SEGRB），装袋密封，4 ℃下贮存备用。3 种汽爆米糠分别以其未汽爆脱脂米糠为对照。

1.2.3 米糠膳食纤维含量的测定及水溶性膳食纤维的提取参考GB 5009.88-2014《食品中膳食纤维的测定》的方法进行SDF 的测定。参考付晓康等[10]的方法提取米糠膳食纤维。将一定质量（M2）的脱脂米糠粉与蒸馏水以质量比1:10 的比例于烧杯中混合，在50 ℃下水浴搅拌100 min 后再于95 ℃下保持15 min，待温度降至60 ℃后，加入米糠质量0.3%的α-淀粉酶，60 ℃下反应45 min 后调节pH 至10.5，加入米糠质量0.6%的碱性蛋白酶，45 ℃下反应30 min 后调节pH 至4.1，59 ℃水浴下加入米糠质量0.3%的糖化酶，反应30 min（取1 mL 溶液并加入1 滴碘液，不显示蓝色表明已糖化完全）后于95 ℃下水浴15 min 灭酶，冷却后离心（4000 r/min、30 min），将上清液中加入4 倍体积无水乙醇沉淀过夜，离心（4000 r/min、15 min），将沉淀物于45 ℃烘干至水分含量为5.0%，称重（M1）、粉碎过100 目筛即得SDF 待测样品。依照公式（1）计算SDF 的提取率。

式中：M1表示干沉淀物的质量，g；M2表示脱脂米糠粉的质量，g。

1.2.4 米糠SDF 的红外光谱测试参考LIU 等[12]的方法测试膳食纤维的傅里叶变换红外光谱（fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR）。称取可溶性膳食纤维2 mg，分别与100 mg 干燥的KBr 粉末于研钵中混合并研磨均匀，压片后进行扫描，扫描次数：32，分辨率：4 cm-1，波数扫描范围：400～4000 cm-1，应用OMNIC 8.2 软件进行光谱数据处理。

1.2.5 米糠SDF 的X-射线衍射和结晶度的测定参考MA 等[13]的方法，使用X-射线衍射仪测定样品的衍射图谱，应用MDI Jade 5.0 软件处理数据，采用面积比法计算纤维的结晶度。参数设置：铜靶管压管流40 kv/40 mA，步长0.02°，衍射角2θ，扫描速度2°/min，扫描范围3.5°～60°。

1.2.6 米糠SDF 超微结构的观察取少量SDF 样品均匀粘在导电胶上，用离子溅射镀膜法进行表面喷金，置于扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）下观察样品并拍照。

1.2.7 米糠SDF 持水力、持油力及胆固醇吸附能力、葡萄糖吸附能力的测定参考ZHANG 等[14]的方法测定SDF 的持水力和持油力。参考QIAO 等[15]方法测定SDF 吸附胆固醇能力，取0.2 g 米糠SDF与15 mL 蛋黄稀释液混匀，分别调节溶液pH 为7.0 和2.0，以模拟小肠和胃环境条件，测定胆固醇的吸附能力。依照公式（2）计算SDF 吸附胆固醇能力（cholesterol adsorption capacity，CAC）。

式中：D1表示上清液中胆固醇的含量，μmol/L；D2表示蛋黄溶液中胆固醇含量，μmol/L；V 表示蛋黄溶液的体积，L；M 表示SDF 的质量，g。

参考LI 等[16]的方法测定SDF 吸附葡萄糖能力，略有修改。将0.1 g SDF（mol/L）和50 mL（V）葡萄糖溶液（2 mg/mL）置于离心管中混合均匀，在37 ℃的条件下水浴振荡6 h，待吸附达到平衡后，离心（2500 r/min、30 min），在可见分光光度计505 nm 下测定上清液中葡萄糖的浓度。依照公式（3）计算吸附葡萄糖能力（glucose adsorption capacity，GAC）。

式中：C1表示葡萄糖溶液的浓度，mg/mL；C2表示上清液中葡萄糖的浓度，mg/mL；V 表示葡萄糖溶液的体积，mL；M 表示SDF 的质量，g。

1.2.8 米糠SDF 对α-淀粉酶活性抑制能力的测定参考何晓琴等[8]的方法测定SDF 对α-淀粉酶活性的抑制能力（α-amylase activity inhibition ratio，α-AAIR）。取0.1 g 米糠SDF 与25 mL 马铃薯淀粉溶液（浓度40 g/L、pH6.5）混合，加入0.1 g 的α-淀粉酶，37 ℃下水浴振荡2 h 后，离心（3000 r/min，15 min），利用可见分光光度计测定上清液中的葡萄糖浓度和对照组葡萄糖浓度，依照公式（4）计算α-淀粉酶活性的抑制能力。

式中：C1表示SDF 组上清液中葡萄糖浓度，mg/mL；C2表示对照组上清液中葡萄糖浓度，mg/mL。

1.2.9 米糠SDF 抗氧化能力的测定由于单一方法不能代表复杂体系中的抗氧化活性，因此通过ABTS+·、DPPH·、·OH 清除率和总抗氧化能力来测定SDF 的抗氧化活性。测定方法按照试剂盒说明书进行操作。

称取0.05 g 的SDF 与1 mL 提取液混合，水浴（40 ℃）浸提30 min，25 ℃下离心（10000 r/min、10 min），取25 μL 上清液、975 μL 的工作液混匀，25 ℃避光静置30 min，测定515 nm 处的吸光度，以无水乙醇作为空白对照，按照公式（5）计算DPPH·的清除率。

式中：Am为样液与工作液的吸光值；Ac为样液与无水乙醇的吸光值；Ab为无水乙醇与工作液的吸光值。

取50 μL 上清液（测定DPPH·清除率时已制备）、850 μL 的工作液和100 μL 缓冲液涡旋混匀，25 ℃避光静置6 min，测定405 nm 处的吸光度，以蒸馏水作为空白对照，参考公式（5）计算ABTS+·的清除率。

称取约0.1 g 的SDF，加入1 mL 提取液冰浴匀浆，4 ℃下离心（10000 r/min、10 min），混合液于37 ℃下反应60 min，20 ℃下离心（10000 r/min、10 min），取上清液测定536 nm 处的吸光度，以蒸馏水作为空白对照，按照公式（6）计算·OH 的清除率。

式中：Ac为样液与工作液的吸光值；Ad为样液与蒸馏水的吸光值；Ak为蒸馏水与工作液的吸光值。

总抗氧化能力的测定应用铁离子还原抗氧化能力测定法。以不同浓度的FeSO4溶液绘制出标准曲线，取30 μL 上清液（测定·OH 清除率时已制备）、90 μL 蒸馏水和900 μL 混合液混合均匀，20 ℃反应10 min 后，测定593 nm 处的吸光度，按照公式（7）计算总抗氧化能力。

式中：X 为根据线性回归方程求得的样品浓度值，μmol/mL；V 为提取液体积，mL；W 为样品的质量，g。

1.3 数据处理

除1.2.4、1.2.5 和1.2.6 步骤外，各实验重复测定3 次，结果以平均值±标准差表示；分别使用SPSS 22 和Origin 2015 软件对数据进行分析和作图处理。

2 结果与分析

2.1 蒸汽爆破对米糠SDF 含量的影响

图1 为汽爆前后米糠SDF 含量的变化情况。由图1 可知，稻花香、长粒香及赣晚籼40 号脱脂米糠的SDF 含量分别为3.52%、3.22%和3.20%，经汽爆处理后其分别增加到6.59%、6.27%和5.45%。推测汽爆处理过程中，在热降解、氢键破坏、结构重排等的共同作用下，米糠纤维内部的组织结构被破坏[8]，与纤维素结合的部分物质发生了解聚[17]，不溶性半纤维素和纤维素水解为低聚糖、单糖等可溶性成分，因而导致SDF 含量增多[18]。

图1 蒸汽爆破对米糠SDF 含量的影响Fig.1 Effects of steam-exploded on the SDF content of rice bran注：同一特性标注字母不同，表示各样品间差异显著（P＜0.05）；图5～图8 同。

2.2 蒸汽爆破前后米糠SDF 的红外光谱分析

图2 为汽爆前后米糠SDF 的FT-IR 图谱。由图2 可知，3 种米糠的SDF 在汽爆前后的特征吸收峰相似，汽爆前后SDF 特征吸收峰的峰型、位置、数量均未发生显著变化，表明汽爆未改变米糠SDF 的化学成分。图2 中，在3390 cm-1附近的强宽峰是纤维素和半纤维素中O-H 的伸缩振动引起的，汽爆处理导致3 种米糠SDF 的吸收峰峰形变窄，吸收强度较其对照均有不同程度的显著增加，表明汽爆处理破坏了纤维素之间的氢键，使更多的羟基基团暴露[8]，从而改变其吸收峰强度；2930 cm-1附近的特征峰是纤维素和半纤维素中C-H 的伸缩振动引起的[19]；1050 cm-1附近的峰是半纤维素糖环中C-O-C 的C=O 基团的特征峰[20]；以上这几种峰为多糖的特征吸收峰，表明米糠SDF 的主要成分是糖类物质[8]。1650 cm-1附近的尖峰与木质素中芳香环的C-C 拉伸振动有关[21],3 种汽爆米糠SDF 在1650 cm-1附近的吸收峰较其对照略有减弱；1590 cm-1处吸收峰的出现是由于C=O 键的存在，表明SDF 汽爆过程中产生了糖醛酸[22]。

图2 米糠SDF 的傅里叶红外光谱图Fig.2 FT-IR spectra of rice bran SDF

2.3 蒸汽爆破前后米糠SDF 的晶体结构分析

米糠SDF 的X 射线衍射图谱如图3 所示。由图3 可知，汽爆处理前后3 种米糠SDF 的衍射峰位置无显著差异，表明汽爆处理没有改变米糠SDF 的晶型，其均为纤维素I 型结晶结构，是结晶区与非结晶区共存的状态[23]。稻花香米糠、长粒香米糠、赣晚籼40 号米糠的相对结晶度分别由汽爆前的11.42%、7.41%、9.35%降至汽爆后的4.91%、3.34%和7.56%，这可能是由于汽爆处理使纤维素适度降解和半纤维素部分溶解，结晶区聚合度下降，结构变得疏松多孔所导致[24]。汽爆米糠SDF 结晶度的下降表明其分子间的作用力有所减弱，结构疏松，有利于其持水力、持油力的改善[25]。

图3 米糠SDF 的X-射线衍射图谱Fig.3 X-ray diffractograms of rice bran SDF

2.4 蒸汽爆破前后米糠膳食纤维结构的变化

米糠SDF 的电镜扫描结果如图4 所示。由图4可知，未汽爆处理米糠SDF 呈较大的团块状、细胞壁较厚、表面较光滑、结构致密完整（图4A1、图4B1、图4C1）；汽爆处理后米糠SDF 呈现小碎片或不规则片状结构、细胞壁明显变薄、完整致密的表面变得松散破裂，纤维的有序性被破坏（图4A2、图4B2、图4C2），这可能是由于汽爆过程中瞬时强大的压力差导致米糠膳食纤维中的半纤维素和木质素被软化和水解，聚合度减小。何晓琴等[8]发现汽爆改性处理使得苦荞麸皮SDF 呈现疏松多层的蓬松结构，内部比表面积和孔隙率明显增大，这与本文的实验结果一致。米糠SDF 的多孔疏松结构使其吸附位点增加，因而能够结合更多的水分子、葡萄糖、α-淀粉酶等分子，从而改变米糠SDF 的理化性质及降血糖能力[26]，有利于其在食品工业中的应用。

图4 米糠SDF 的电镜扫描图（1000×）Fig.4 Scanning electron microscopy image of rice bran SDF(1000×)

2.5 蒸汽爆破对米糠SDF 持水力和持油力的影响

SDF 良好的持水力有利于其在肠道内吸水膨胀，促进肠道蠕动[27]，防止食品水分流失，减少食品干耗[7]；良好的持油力可通过阻止食物中多余胆固醇的吸收从而起到降血脂的作用[28]，防止食品加工中的脂质损失[7]。图5 为汽爆处理对米糠SDF 持水力和持油力变化的影响。由图5 可知，与对照相比，汽爆米糠SDF 的持水力和持油力显著增加（P＜0.05）。SEDRB、SECRB、SEGRB 的持水力较其对照分别提高了103.8%、48.8%和65.34%，持油力分别提高了119.88%、106.15%和40.70%。这是由于汽爆过程中巨大压差作用使纤维素、半纤维素大分子物质被截断，形成各种小分子片段，导致膳食纤维的一些亲水性、亲油性活性位点暴露出来，更有利于颗粒与水或油接触，且分散性增强[29]。何晓琴等[8]的实验也表明汽爆处理增加了米糠的持水力和持油力。不同品种汽爆米糠间SDF 持水力和持油力的差异可能与其SDF 的结构特性、表面暴露的化学基团的种类与数量等有关[7]。

图5 米糠SDF 的持水力和持油力Fig.5 Water and oil holding capacity of rice bran SDF

2.6 蒸汽爆破米糠SDF 对胆固醇和葡萄糖吸附能力的影响

汽爆米糠SDF 对胆固醇和葡萄糖吸附能力的影响如图6 所示。由图6 可知，汽爆前后米糠SDF 在人体小肠环境下对胆固醇的吸附量均高于胃液环境下，这是由于酸性环境中的H+与SDF 和胆固醇携带的正电荷之间相互排斥，随着pH 的升高，SDF 中羧基发生解离，与胆固醇结合更加紧密，从而表现出更强的胆固醇结合能力[30]；pH2 时，3 种汽爆米糠SDF的胆固醇吸附能力较其对照均显著（P＜0.05）提高，这是由于汽爆米糠SDF 内部的无序结构被破坏，暴露出更多的极性基团，有利于吸附胆固醇，其中，SEDRB 的SDF 吸附胆固醇的能力最强，可能是其结构更加疏松多孔；而pH7 时，3 种汽爆米糠SDF 的胆固醇吸附能力较其对照均有一定程度的下降，可能是SDF 对胆固醇的吸附已达到饱和状态，或者是汽爆处理的高强度破坏了SDF 的多孔结构，不利于胆固醇的吸附。

图6 米糠SDF 的胆固醇和葡萄糖吸附能力Fig.6 Adsorption capacity of rice bran SDF for cholesterol and glucose

3 种汽爆米糠SDF 的GAC 显著（P＜0.05）高于其对照，SEDRB、SECRB、SEGRB 的SDF 的GAC较处理前分别增加了8.81、3.53 倍和5.71 倍，而SEGRB 的GAC 最强。汽爆处理使SDF 的内部结构变得疏松，比表面积增大，孔隙数量增加，从而增强了GAC；而片层状结构的形成使更多的功能基团暴露，进一步增强了SDF 与葡萄糖分子之间的相互作用[31]，这与付晓康等[10]、何晓琴等[8]的实验结果相一致。

2.7 蒸汽爆破米糠SDF 对α-淀粉酶活性抑制能力的影响

汽爆处理破坏了SDF 的网状结构，纤维网络多孔性增加，更多的α-淀粉酶的极性基团与纤维表面相互作用产生界面诱导的酶失活，从而降低α-淀粉酶的活性[32]。汽爆米糠SDF 对α-AAIR 的影响如图7 所示。由图7 可知，SECRB、SEGRB 较其对照分别增加了7.60%和21.72%，而SEDRB 中的SDF对α-淀粉酶抑制能力较对照反而降低了17.09%。汽爆处理对3 种米糠SDF 网状结构的破坏程度不同，导致其对α-淀粉酶活性的抑制能力产生差异；另外，米糠中的酚类化合物对α-淀粉酶的活性具有一定的抑制作用[33]，3 种米糠不同的汽爆条件对米糠酚类物质的破坏程度不同[34]，或者不同稻谷品种麸皮中游离和结合形式的酚类成分和含量存在差异性[33]，这些因素导致3 种汽爆米糠SDF 对α-淀粉酶活性抑制能力的不同。

图7 米糠SDF 对α-淀粉酶活性的抑制能力Fig.7 Inhibitory ability on α-amylase activity of rice bran SDF

2.8 蒸汽爆破米糠SDF 的抗氧化能力分析

汽爆米糠SDF 对ABTS+·、DPPH·、·OH 清除率和总抗氧化能力的影响如图8 所示。由图8 可知，3 种汽爆米糠SDF 对ABTS+·、·OH 清除率和总抗氧化能力较其对照均显著提高，这可能是汽爆处理使物料细胞壁被破坏，一些酚类化合物释放或暴露，清除自由基的能力得到增强[35]，或者是汽爆处理改变了酚类物质与纤维素、半纤维素的结合形式，促进了结合态酚类物质向游离态转变，使抗氧化活性增强[35]；SEDRB、SECRB 中SDF 对DPPH·的清除能力较其对照则不同程度降低，而SEGRB 的SDF 对DPPH·的清除能力较其对照略有增加，但差异不显著，这可能是不同汽爆处理条件使DRB、CRB 和GRB 米糠中具有抗氧化能力的物质如多酚、黄酮等流失或分解有关[34,36]。郑佳欣[36]的实验表明汽爆处理使刺梨渣SDF 对DPPH·的清除能力略有下降，这与本实验SEDRB、SECRB 中SDF 对DPPH·的清除能力的结果相符。3 种汽爆米糠中，SEDRB 中SDF 对ABTS+·和DPPH·的清除率最强，而SECRB中SDF 的总抗氧化能力最高，SEGRB 中SDF 对ABTS+·、·OH 清除率较强。

图8 米糠SDF 的抗氧化能力Fig.8 Antioxidant capacities of rice bran SDF

3 结论

汽爆处理使稻花香、长粒香、赣晚籼40 号稻谷米糠中SDF 的含量显著增加（P＜0.05），分别达到6.59%、6.27%和5.45%。汽爆处理使SDF 红外光谱波长吸收峰的吸收强度增加，表明纤维素之间的氢键受到了破坏。稻花香、长粒香、赣晚籼40 号稻谷米糠SDF 的相对结晶度由汽爆前的11.42%、7.41%、9.35%分别降至汽爆后的4.91%、3.34%和7.56%。汽爆处理导致稻谷米糠的完整致密结构变得松散破裂，纤维的有序性被破坏，3 种汽爆米糠SDF 的含量、持水性、持油性、在人体胃液环境下吸附胆固醇能力、吸附葡萄糖能力以及对ABTS+·、·OH 清除率和总抗氧化能力较其对照均显著增加（P＜0.05），但其SDF 表现出的这些功能特性也具有一定的差异性。汽爆米糠SDF 具有的α-淀粉酶活性抑制能力、胆固醇吸附能力和抗氧化能力，为开发具有降血糖、降血脂、抗氧化等营养健康食品提供了新思路。汽爆处理米糠SDF 功能特性变化的机制，及其在米线、面包、饼干等食品中的应用有待进一步探究。