物理改性對燕麥麩皮不溶性膳食纖維理化特性的影響

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(佛山科學技術學院食品科學與工程學院,廣東佛山 528231)

物理改性對燕麥麩皮不溶性膳食纖維理化特性的影響

鐘先鋒,黃偉志,黃桂東*,陳韻,梁舒妍,黃雯麗

(佛山科學技術學院食品科學與工程學院,廣東佛山 528231)

通過分析物理改性對燕麥麩皮不溶性膳食纖維特性的影響,為進一步研究水不溶性燕麥麩皮膳食纖維的保健功能提供科學依據。采用以500 MPa 20 min 60 ℃超高壓、1500 W 30 min超聲波及其聯合的方法處理不溶性膳食纖維,分析了物理改性對燕麥麩皮不溶性膳食纖維比面積和粒度、持油性、持水性、膨脹度、懸浮粘度、離子交換能力的影響。結果表明:超高壓聯合超聲波處理比兩者單獨處理效果顯著(p<0.05),以1%燕麥麩皮IDF為例,兩者聯合處理能顯著(p<0.05)增加燕麥麩皮不溶性膳食纖維比面積13.49倍、持油性2.92倍、膨脹度、粘度值和陽離子交換能力,減少纖維粒度2.8倍,減少持水性2.25倍(持水性以16%燕麥麩皮IDF為例)。因此認為物理改性能加大燕麥麩皮不溶性膳食纖維的綜合利用,提高農產品的附加值和食品資源的再利用程度。

物理改性,燕麥,麩皮,不溶性膳食纖維

膳食纖維(Dietary Fiber,DF)被稱為繼淀粉、蛋白質、脂肪、維生素、礦物質和水之后的第7種營養元素,是指植物類食品中不被人體胃腸道消化酶消化,但能被人體胃腸道系統內定殖的部分微生物酵解或利用的,特指非淀粉性多糖類和木質素的合稱[1]。根據溶解性的不同,DF可分為可溶性膳食纖維(Soluble Dietary Fiber,SDF)和不溶性膳食纖維(Insoluble Dietary Fiber,IDF)[2]。燕麥麩皮是燕麥加工的副產物,是燕麥含有膳食纖維最多的部分,其DF含量高達36%以上,其中IDF約占三分之二[3]。

研究表明,IDF和SDF按照2∶1的比例攝取比較合適,在人體內具有不可替代的生理功能[4]。美國FDA推薦成人每日攝入DF 20～35 g/d,其中IDF要達到14～26 g/d,世界衛生組織(WHO)建議的最低日常IDF的攝入量為18 g/d[5]。但研究卻發現,2013年全世界平均DF攝入量遠低于推薦水平(中國城市居民,平均DF攝入量分別是11.8 g/日),而高血脂、糖尿病、心腦血管疾病、肥胖癥、便秘、胃腸道病變等現代“文明病”與日常飲食結構中IDF攝入量的相對不足有關[6]。因此,食品中IDF的有效添加及利用已成為科學研究工作者及消費者密切關心的問題。

IDF專一性較差,未進行物理改性的IDF會影響食品感官品質。通過適當手段對IDF進行改性處理,改變其部分組成聚合物的化學結構與相對含量,新增或強化其生理功能特性,對有效利用IDF、更好地發揮其生理功能具有重要作用[7-8]。目前常見的IDF改性處理方法有化學法和物理法?；瘜W處理法主要是采用酸、堿等化學試劑處理,改變膳食纖維結構,如羧甲基化,以期獲得IDF,但存在轉化率低、反應時間長、同時引入不必要的陰陽離子造成后期加工不變[9];物理改性方法是使纖維物質發生破碎、膨化,進而改變其理化性質,操作簡單,主要有螺桿擠壓技術、高溫蒸煮技術、超高壓技術(ultra high voltage,UHV)、超聲波處理(ultrasonic wave,UW)和超微粉碎技術等[10-11]。這些物理的、化學的以及其聯合處理的方法都可以用來制備IDF[12-13]。本文擬探討UHV、UW及二者聯合處理對燕麥麩皮IDF特性的影響,以期為燕麥麩皮IDF的綜合利用及功能開發提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

燕麥麩皮IDF 實驗室自制；α-淀粉酶 5000 U/g,上海士鋒生物科技有限公司；糖化酶 10萬U/g,南寧東恒華道生物科技有限公司；木瓜蛋白酶 60萬U/g,南寧東恒華道生物科技有限公司。

S-FL-085-9-W超高壓處理系統 英國STANSTED公司;PC1800N型超聲波破碎機 上海皓莊儀器有限公司;HORIBA激光散射粒度分布分析儀 天津東方科捷科技有限公司;FlowSorb3 2310型比表面積分析儀 美國Micromeritics公司;JMS-240型膠體磨 廊坊通用機械制造有限公司;SSD型低速離心機 張家港市拓邦機械有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 燕麥麩皮IDF制備工藝 燕麥麩皮IDF提取工藝參照劉德講等[14]工藝改進。燕麥麩皮→粉碎→浸泡洗滌→淀粉酶酶解→糖化→蛋白酶酶解→去除上清液→沉淀物(丙酮洗滌2～3次)→干燥→H2O2脫色→干燥→粉碎→燕麥麩皮IDF

1.2.2 燕麥麩皮IDF超高壓改性 用去離子水將1.2.1制備得到的燕麥麩皮IDF,分別調配成1%、2%、4%、8%、16%(w/v)的懸浮液,用高速攪拌機分散均勻,裝入超高壓包裝袋中。參考文獻[15]方法,部分改進,超高壓改性技術參數為:500 MPa,20 min,60 ℃。改性后的燕麥麩皮IDF,真空干燥,-4 ℃保存,測定改性前后IDF的理化性質。

1.2.3 燕麥麩皮IDF超聲波改性 前期處理同1.2.2,配制梯度懸浮液,用高速攪拌機分散均勻,接著進行UW改性處理,參考文獻[16]方法改進,超聲波改性技術參數為:1500 W,30 min。改性后的燕麥麩皮IDF,真空干燥,-4 ℃保存,測定改性前后IDF的理化性質。

1.2.4 燕麥麩皮IDF的超高壓和超聲波聯合處理改性 方法操作同1.2.2和1.2.3。制備得到燕麥麩皮IDF,先經UHV處理20 min,后經UW處理30 min。

1.2.5 燕麥麩皮IDF比表面積和粒度分析 用HORIBA激光散射粒度分布分析儀進行燕麥麩皮IDF分析,粒度采用體積平均粒徑表示;比表面積采用FlowSorb3 2310型比表面積分析儀在60 ℃下脫氣30 min,低溫氮吸附法測定。

1.2.6 燕麥麩皮IDF持油性(Oil holding capacity,OHC)檢測 分別稱取0.10 g不同方法處理后的燕麥麩皮IDF,于50 mL離心管中,加入市售調和油10 mL,充分混勻,60 ℃下放置 1 h,2000 r/min 離心15 min,移除上層油,稱重。計算每克燕麥麩皮IDF結合脂肪的重量(單位g油/g燕麥麩皮IDF)。

1.2.7 燕麥麩皮IDF持水性(Water holding capacity,WHC)檢測 操作方法同1.2.6,離心后的樣品,移除上層去離子水,稱重。計算每克燕麥麩皮IDF結合水的重量(單位mL水/g燕麥麩皮IDF)。

1.2.8 燕麥麩皮IDF膨脹度(Swelling capacity,SWC)檢測 分別稱取0.10 g不同方式處理后的燕麥麩皮IDF,于10 mL的量筒中,加入10 mL的蒸餾水,輕輕的攪拌以除去其中殘留的氣泡。然后在量筒上方纏上保鮮膜(防止水分的揮發)置于室溫下24 h讓纖維素充分吸水。樣品吸水后的體積(mL)即是其膨脹度,表示為mL/g干樣品。

1.2.9 燕麥麩皮IDF懸浮液黏度檢測 分別稱取0.20 g不同處理方式下的燕麥麩皮IDF,于50 mL燒杯中,加入20 mL的蒸餾水,1000 r/min均質1 min,置于室溫下0.5 h,用黏度計測定懸浮液表觀黏度。

1.2.10 物理改性對燕麥麩皮IDF離子交換能力的影響 參考文獻[17]方法,部分改進,分別稱取0.20 g不同方式處理后的燕麥麩皮IDF,加入20 mL的0.1 mol/L的HCl,常溫浸泡24 h后過濾,殘渣用去離子水洗至洗脫液pH顯中性(pH≥4),直到用10%的硝酸銀滴定溶液檢驗不含氯離子后,置于60 ℃鼓風干燥箱中烘干至恒重。準確稱取0.10 g干燥濾渣,加入質量分數為15% NaCl溶液100 mL,攪拌均勻,用0.01 mol/L的標準NaOH溶液滴定,記錄相應的體積和pH,據得到的數據作VNaOH-pH關系圖。

1.3 數據處理方法

采用統計分析軟件SPSS 19.0,進行F檢驗,單項方差分析。采用SigmaPlot 12.0作圖。

2 結果與分析

2.1 燕麥麩皮IDF比表面積和粒度分析

比表面積(specific surface area,SSA)是纖維特性的一個重要指標[18]。表1顯示了UHV、UW和UHV+UW處理后燕麥麩皮IDF比表面積和粒度的變化。由表可知,經UHV+UW處理的燕麥麩皮IDF,粒度最小,比表面積最大,且呈濃度依賴關系。隨著懸浮液濃度升高,比表面積顯著降低、粒度顯著增加(p<0.05)。懸浮液濃度為1%和16%時,其比表面積分別為3.159 m2·g-1和2.341 m2·g-1,平均粒度分別為74.6 μm和81.2 μm。經UHV和UW單獨處理后的樣品,其比表面積隨懸浮液濃度的上升而減小,平均粒度隨懸浮液濃度的上升而增大,又以單獨UW處理的燕麥麩皮IDF粒度方面的影響最小。體外消化研究證明,植物纖維功能的發揮與其粒度和比表面積的大小有一定的關系,纖維粒度的減小能顯著提高其生物有效性[19]。同時,限制植物纖維素被人體或胃腸道微生物利用的主要因素是,纖維細胞壁上有被纖維素酶作用的位點[20]。植物纖維粒度越小、比表面積越大、植物纖維可降解位點越多,意味著纖維越易被降解。

表1 物理改性對燕麥麩皮IDF比表面積和粒度的影響Table 1 Effects of physical modification on specific area and particle size of IDF from oat bran

注:a、b、c、d、e等字母表示相同改性方式處理,不同懸浮液濃度組間有顯著性差異(p<0.05)。

2.2 物理改性對燕麥麩皮IDF持油性的影響

經物理改性處理的燕麥麩皮IDF,持油性上升。以1%、16%燕麥麩皮IDF組為例,在1%的濃度中,UHV、UW和UHV+UW處理后的燕麥麩皮IDF持油性分別是未改性前(2.63 g/g)的2.56倍(6.72 g/g)、1.80(4.74 g/g)和2.92(7.66 g/g)倍;在16%的濃度中,UHV、UW和UHV+UW處理后的燕麥麩皮IDF持油性分別是未改性前(2.00 g/g)的2.94倍(5.87 g/g)、1.98(3.95 g/g)和3.38(6.75 g/g)倍;表明經物理改性處理的燕麥麩皮IDF的持油性都能增加一倍多以上。由圖1可知,UHV+UW聯合處理對持油性影響最大,UHV處理比UW處理影響大。UHV+UW聯合處理提高燕麥麩皮IDF持油性的主要原因,一方面與UHV和UW處理引起的燕麥麩皮IDF粒度減小有關,粒度的降低,提高了燕麥麩皮IDF的毛細管吸引力,從而提高了油類物質的物理截留[21]。另一方面,UHV處理使燕麥麩皮IDF產生大量疏松多孔的結構,大幅提高了持油性;UW對燕麥麩皮IDF表面的剝蝕和粒度的減小一定程度的提高了持油性。因此,從持油性方面來看,物理改性后的燕麥麩皮IDF可較好的應用到需要保持油吸收的食品中。

圖1 物理改性對燕麥麩皮IDF持油性的影響Fig.1 Effect of physical modification on oil holing capacity of idf from oat bran注:a、b、c、d等字母表示相同改性方式處理, 不同燕麥麩皮IDF濃度組間有顯著性差異(p<0.05)。

2.3 物理改性對燕麥麩皮IDF持水性的影響

與持油性結果類似,燕麥麩皮IDF經過物理方法處理后,持水性也有上升,其中UHV+UW處理上升幅度最大。以16%燕麥麩皮IDF組為例,UHV、UW和UHV+UW處理后的燕麥麩皮IDF持水性分別是未改性前持水性(4.06 mL/g)的1.80倍(7.29 mL/g)、1.42倍(5.77 mL/g)和2.25(9.12 mL/g)倍。結合表1和圖2,可以發現持水性的升高與顆粒尺寸以及比表面積的降低趨勢一致,原因可能是粒徑的降低增加了燕麥麩皮IDF的孔隙度和毛細引力,也可能是微米級或納米級的燕麥麩皮IDF可溶性部分所占的比例增加所致,此外,UHV和UW帶來的物理結構和聚合形式的改變也影響燕麥麩皮IDF的持水特性[22]。

圖2 物理改性對燕麥麩皮IDF持水性的影響Fig.2 Effect of physical modification on water holing capacity of IDF from oat bran注:a、b、c、d等字母表示相同改性方式處理,不同燕麥麩皮IDF濃度組間有顯著性差異(p<0.05)。

2.4 物理改性對燕麥麩皮IDF膨脹度的影響

燕麥麩皮IDF的膨脹度與持水性,都是評估纖維類物質水結合能力的重要參數[13]。纖維的水結合能力與其結構、密度和水結合位點的性質和數量有關[6]。因UHV和UW等物理改性過程導致的微粉化,造成燕麥麩皮IDF纖維粒徑減小,增加了比表面積,暴露了更多水結合位點(例如極性基團或糖醛酸基團),從而導致膨脹度和持水性的顯著改善(p<0.05)[17]。另外,物理改性后,燕麥麩皮IDF經真空干燥,使IDF分散介質由于升華被除去,IDF相鄰的纖維素分子之間的氫鍵相互接近,直到它們組裝成細長的纖維,最后聚集成三維網絡構造[24],這也會大大提高燕麥麩皮IDF膨脹度和持水性。

圖3 物理改性對燕麥麩皮IDF膨脹度的影響Fig.3 Effect of physical modification on swelling degree of IDF from oat bran注:a、b、c等字母表示相同改性方式處理,不同燕麥麩皮IDF濃度組間有顯著性差異(p<0.05)。

2.5 物理改性對燕麥麩皮IDF懸浮液黏度的影響

如圖4所示,隨著燕麥麩皮IDF懸浮液濃度的增大和粒徑的減小,黏度值均有一定程度上升。對比未物理改性組、UHV處理組、UW處理組和UHV+UW處理組等四組數據比較發現,其燕麥麩皮IDF黏度值大小為:UHV+UW處理組>UHV處理組>UW處理組>未物理改性組,組間差異顯著(p<0.05)。結合表1分析可知:燕麥麩皮IDF懸浮液粒度越小,比表面積越大,暴露的基團越多,導致其分子間力越大、結構越緊密,變形所需的剪切力越大,使得黏度變大[25]。

圖4 物理改性對燕麥麩皮IDF懸浮液黏度的影響Fig.4 Effect of physical modification on suspension viscosity of IDF from oat bran

2.6 物理改性對燕麥麩皮IDF陽離子交換能力的影響

由圖5可知,UHV、UW和UHV+UW與未物理改性組IDF對陽離子交換能力各不相同,其中UHV+UW處理組陽離子交換能力最強,UHV組對陽離子交換能力的影響強于UW處理組,未物理改性組最弱。當NaOH消耗量達到0.8 mL時,不同組燕麥麩皮IDF陽離子交換能力趨于穩定。陽離子交換能力隨粒度的降低而增加,可以歸因于糖醛酸或離子結合位點暴露的增加。纖維分子結構帶有一些側鏈基團,上面的羧基和氨基可以起到弱酸性陽離子交換作用,與陽離子實現可逆交換[26]。物理改性后,燕麥麩皮IDF的比表面積增大,粒度減小,使更多能進行有機陽離子交換的基團暴露出來,弱酸性表現更明顯,陽離子交換能力越強。當IDF被攝入到機體內,可增強膽固醇運送能力,減少其在小腸中吸收的時間,同時也能起到維持機體胃腸道的pH,為滲透壓和化學反應提供緩沖環境,可與Ca2+、Zn2+等陽離子結合,維持鉀鈉離子平衡,吸附Na+并使之隨糞便排出體外,降低食鹽攝入過多而引起的心腦血管等疾病的發病率[17]。

圖5 物理改性對燕麥麩皮IDF陽離子交換能力的影響Fig.5 Effect of physical modification on cation exchange capacity of IDF from oat bran

3 結論

本研究結果表明:在500 MPa 20 min 60 ℃ UHV、1500 W 30 min UV的參數條件下,UHV和UW等物理改性方法可有效改善IDF理化特性(p<0.05),其效果:UHV+UW>UHV、UV>未改性,其中UHV和UW聯合處理,能減少燕麥麩皮IDF粒度13.49倍(以1%燕麥麩皮IDF為例)、持油性2.92倍(以1%燕麥麩皮IDF為例)、粘度值和陽離子交換能力,減少纖維粒度2.8倍(以1%燕麥麩皮IDF為例),減少持水性2.25倍(以16%燕麥麩皮IDF為例),從而使改性的IDF更適合于纖維強化食品。此結果可為研究水不溶性燕麥麩皮膳食纖維的綜合利用和保健功能提供科學依據。

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Effectsofphysicalmodificationonphysicochemicalpropertiesofinsolubledietaryfiberfromoatbran

ZHONGXian-feng,HUANGWei-zhi,HUANGGui-dong*,CHENYun,LIANGShu-yan,HUANGWen-li

(College of Food Science and Engineering,Foshan University,Foshan 528231,China)

The aim of the present study was to investigate the effect of physical modification on the properties of insoluble dietary fiber from oat bran,which might be theoretical basis for further research on the health function of insoluble oat bran dietary fiber. The physicochemical properties of oat bran insoluble dietary fibers,including specific area and particle size,oil holding capacity,water holding capacity,swelling degree,suspension viscosity and cation exchange capacity,were analyzed under the treatment of 500 MPa 20 min 60 ℃ultra high pressure,1500 W 30 min ultrasonic and ultra high pressure with ultrasonic. Results showed that the physical modification of ultra high pressure with ultrasonic was significantly more effective than the separate treatment of ultra high pressure or ultrasonic(p<0.05). Taking 1% oat bran IDF as an example,the both treatment of ultra high pressure with ultrasonic treatment can significantly(p<0.05)increase the specific area of 13.49 times,holding oil capacity 2.92 times,swelling degree,viscosity and cation exchange capacity of the oat bran insoluble dietary fiber,and reduce fiber size 2.8 times and water holding capacity 2.25 times(water holding capacity was taking 16% oat bran IDF as an example). Therefore,it was considered that the physical modification would increase the comprehensive utilization of oat bran insoluble dietary fiber,increase the added value of agricultural products and reuse the food resources.

physical modification;oat;wheat bran;insoluble dietary fiber

2017-05-02

鐘先鋒(1981-)，男，博士，副教授，研究方向：食品加工與安全控制，E-mail：zhongxf81@126.com。

*通訊作者:黃桂東(1979-)，女，博士，特聘教授，研究方向：發酵工程，E-mail：guidongh78@126.com。

國家自然科學基金(31660459，31501476)；江蘇省自然科學基金(BK20150139)；佛山市科技局項目(2016AB000011，2016GA10155)；無錫市衛計委重點項目(YGZYZ1508)。

TS201.1

A

1002-0306(2017)23-0035-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.23.008