改性條件對米糠不溶性纖維功能性質的影響

祁 靜， 李 玥， 鐘 芳

（江南大學 食品學院，江蘇 無錫 214122）

米糠含有25%～30%的膳食纖維，是一種較為理想的膳食纖維來源[1-4]，但其可溶性膳食纖維的質量分數較低，大約為2%～4%，不溶性纖維質量分數約為25%～27%[5-7]。為了充分利用米糠不溶性膳食纖維，需對其進行有效的提取。據報道，提取不溶性膳食纖維最常用的方法是酸堿法[8]。金建昌[9]采用酸堿法提取茭白殼中不溶性膳食纖維，研究了酸堿濃度和處理時間對茭白不溶性纖維得率及純度的影響。最終得出在最適酸堿濃度和溫度下，能夠使茭白不溶性纖維的得率達到59.26%，且純度達到91.35%，并證實了，酸堿法提取不溶性膳食纖維的過程主要是去除淀粉、蛋白質和脂肪的過程。但是對于酸堿處理程度與不溶性膳食纖維理化性質之間的相關性分析還未見有相關的報道，所以有必要探討酸堿處理的不同參數對不溶性纖維理化性質的影響。

據相關研究，不溶性膳食纖維調節血糖和血脂的功能主要通過吸附淀粉酶和脂肪酶，抑制酶的擴散，阻礙酶與底物的接觸，從而降低淀粉和脂肪的消化率以達到降低血糖和血脂水平的目的[10]。而可溶性膳食纖維主要通過增加消化體系的黏度來抑制葡萄糖或脂肪酸的擴散，降低小腸壁對這些物質的吸收率，從而達到降低血糖和血脂的目的。由于可溶性纖維被證實能更有效地降低血糖水平[11]，因此將不溶性膳食纖維改性，增加其可溶性和持水力是目前提高不溶性膳食纖維功能性質的發展方向。羧甲基化被認為是改善不溶性纖維素及其他天然高分子化合物水溶性的有效方法[12]。在已有的報道中，證實了大麥膳食纖維經羧甲基改性后，其可溶性、持水力和膨脹力均有所提高[13]。然而，目前未見有對米糠不溶性膳食纖維進行羧甲基改性及其功能性質研究的報道。

為了合理利用米糠膳食纖維，明確其成分和結構變化對其理化性質的影響，本文作者采用酸堿結合的方法提取米糠不溶性纖維，研究不同堿濃度對米糠不溶性纖維成分的影響，探討成分和結構的變化對其理化性質的影響。并采用羧甲基化方法對米糠不溶性纖維進行改性，以期提高米糠不溶性纖維的可溶性及親水性，從而提高其調節血糖和血脂的能力。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮米糠：購于江蘇省鹽城市大陽大米有限公司；α-淀粉酶（A3176，來源于豬胰臟）：購于 Sigma試劑公司；胰脂酶（L3126，來源于豬胰臟）：購于Sigma試劑公司；葡萄糖試劑盒（氧化酶-過氧化物酶法）：購于上海榮盛生物藥業有限公司；正己烷，聚乙烯醇，硫酸，氫氧化鉀，氫氧化鈉，95%乙醇，石油醚，無水乙醇，冰醋酸，氯乙酸，異丙醇，酚酞：均由廣州化學試劑廠生產。

1.2 儀器與設備

90-2型定時恒溫磁力攪拌器：上海滬西分析儀器廠有限公司產品；UV-1600紫外可見分光光度計：上海美譜達儀器有限公司產品；TDL-5-A型低速大容量離心機；上海安亭科學儀器廠制造；DFY-200高速萬能粉碎機：浙江溫嶺市林大機械有限公司產品；MP-501A超級恒溫槽：上海一恒科學儀器有限公司產品；IS10傅立葉紅外光譜儀：美國Nicolet公司產品。

1.3 方法

1.3.1 原料成分分析 淀粉含量測定：參照GB/T5009.9-2008；蛋白質含量測定：參照GB 5009.5-2010；半纖維素和纖維素含量測定：分別參照熊素敏等人[14]報道的2 mol/L鹽酸水解法和質量分數72%濃硫酸法。

1.3.2 米糠膳食纖維的制備 參照苗欣等[15]的方法，將新鮮干燥的米糠過40目篩，取篩上部分，采用正己烷，以料液比 1∶5（g/mL）的比例于室溫下浸提12 h進行脫脂，并重復2次。將脫脂后的米糠放于通風櫥中風干殘余正己烷，然后置于60℃干燥箱中干燥12 h。準確稱取400 g干燥的脫脂米糠于燒杯中，加入4 L煮沸的質量分數1.25%的H2SO4溶液，在微沸狀態下不斷攪拌反應30 min后，濾布過濾，用大約70℃熱水洗滌濾渣至中性。然后將濾渣置于燒杯中，繼續加4 L一定質量濃度的（0.2%，0.8%，1.25 g/dL）煮沸的KOH溶液，在微沸狀態下攪拌反應30 min，過濾，熱水洗滌濾渣至中性。最后分別用500 mL的體積分數95%乙醇和石油醚洗滌濾渣2次。將得到的濾渣置于60℃干燥箱中干燥12 h后，高速粉碎機粉碎，過40目和60目篩，得到粒徑比較均一的米糠不溶性纖維。

1.3.3 米糠膳食纖維的羧甲基化改性 將酸堿提取的米糠不溶性纖維進一步進行羧甲基化改性。準確稱取5.0 g米糠不溶性纖維置于250 mL的錐形瓶中，加入150 mL異丙醇，室溫下攪拌反應30 min后，緩慢加入6.3 mL 13 g/dL的NaOH（持續15 min），繼續攪拌反應90 min。然后逐滴加入質量分數15%的氯乙酸6.3 mL，50℃下磁力攪拌反應3 h。其后用冰乙酸調節溶液pH=7.0，過濾，棄去濾液。用無水乙醇洗滌濾渣3次，每次100 mL，最后將所得改性纖維先置于通風櫥中風干殘余有機試劑，再置于50℃干燥箱中烘干[13]。

1.3.4 羧甲基化前后的米糠膳食纖維紅外光譜分析 將制備的米糠不溶性纖維樣品置于60℃干燥箱中干燥至恒重，稱取約2 mg干燥的樣品于瑪瑙研缽中，加入約200 mg干燥的KBr粉末混勻，研細后進行壓片處理。將壓好的片放進紅外光譜（FTIR）分析儀的樣品槽中進行測定，掃描波長為400～4 000 cm-1。

1.3.5 持水力的測定 準確稱取0.5 g米糠不溶性纖維置于100 mL的燒杯中，加入蒸餾水35 mL，室溫下電磁攪拌12 h，用濾布過濾掉多余的水，收集殘渣至干燥恒質量的鋁盒中，稱質量（濕質量）。然后置于105℃干燥箱中干燥至恒質量（干質量），持水力以每克纖維所吸收水的克數表示[16]。其計算公式如下式（1）：

式（1）中，I為持水力，m1為濕質量，m0為干質量。

1.3.6 持油力的測定 準確稱取0.5 g米糠不溶性纖維與適量玉米油于50 mL的離心管中混勻，室溫下放置30 min，每隔5 min搖動1次。然后將混合物在3 500 r/min下離心20 min，棄去上層油脂，擦干離心管壁內外所附著的油脂和水分，稱沉淀質量[16]。持油力以每克纖維所持油的克數表示，其計算公式如下式（2）：

式（2）中，N為持油力，M1為沉淀質量，M0為干品質量。

1.3.7 膨脹力的測定 米糠不溶性纖維膨脹力的測定采用陳存社等人[17]的方法。準確稱取0.3 g樣品于10 mL量筒中，震蕩均勻后，讀取量筒中干品體積數。準確加入蒸餾水5 mL，振蕩均勻，室溫下放置5 h后讀取量筒中物料膨脹后的體積數。膨脹力以每克纖維吸水膨脹后的體積（mL）表示，其計算公式如下式（3）：

式（3）中，T 為膨脹力，W1為膨脹后體積，W2為干品體積，W0為干品質量。

1.3.8 對淀粉酶的抑制作用 準確稱取0.2 g米糠不溶性纖維置于酶反應器中，然后加入0.03 g/mL的α-淀粉酶溶液5 mL，在37℃水浴中磁力攪拌反應30 min后，加入20 mL 1 g/dL的淀粉溶液 （用0.05 mol/L pH=6.5的磷酸鹽緩沖液配置）混合均勻。37℃水浴中磁力攪拌反應60 min。最后加入20 mL 0.1 mol/L的NaOH滅酶，濾紙過濾，取濾液，采用葡萄糖試劑盒測定濾液中生成的葡萄糖含量。對照組不添加米糠纖維，其他操作同上[18]。米糠不溶性纖維對淀粉酶的抑制率表示如下（4）：

式（4）中，A為抑制率，A0為對照組葡萄糖生成量，A1為樣品組葡萄糖生成量。

1.3.9 對胰脂酶的抑制作用 根據Yang等[19]的方法來測定米糠不溶性纖維對胰脂酶的活性抑制率。準確稱取0.5 g米糠不溶性纖維置于酶反應器中，加入1 mL 0.2 mg/mL的胰脂酶液，8 mL橄欖油乳液 （4 g/dL的聚乙烯醇溶液150 mL加50 mL橄欖油，25 000 r/min高速均質6 min）和5 mL磷酸鹽緩沖液（0.1 mol/L，pH=7.2）混勻。在 37 ℃水浴中，磁力攪拌反應1 h后加入體積分數95%的乙醇15 mL終止酶反應。滴入2滴酚酞指示劑 （10 g/L），以0.01 mol/L的NaOH溶液滴定體系中的脂肪酸濃度。同時做陰性對照和陽性對照。陰性對照設不添加酶液，其余反應溶液和操作同上。陽性對照組不添加米糠不溶性纖維，其余反應溶液和操作同上。米糠不溶性纖維對胰脂酶的抑制率計算方法如下：

式（5）中，B為抑制率；B0為陽性對照組脂肪酸生成量（mol）；B1為樣品組脂肪酸生成量（mol）；B2為陰性對照組脂肪酸量（mol）。

2 結果與討論

2.1 堿質量濃度對米糠不溶性纖維組成成分的影響

米糠不溶性纖維的成分測定結果表明酸堿處理后，米糠纖維中的淀粉和蛋白質殘留質量分數顯著下降，見表1。在初步的酸處理后，淀粉和蛋白質去除率分別為78.79%和33.88%，在進一步的堿處理中，繼續被水解，且隨著堿質量濃度的增大，淀粉殘留質量分數由10.6%顯著降低至4.4%，蛋白質殘留質量分數則由15.3%顯著降低至4.2%。由此說明酸堿處理過程主要是去除淀粉、蛋白質等非纖維性物質的過程[20]。與此同時，部分半纖維素和纖維素也會被水解除去。由表1可知，與米糠原料相比，初步的酸處理使半纖維素與纖維素的質量分數均顯著升高，其原因在于隨著淀粉和蛋白質等雜質的去除，纖維的純度提高，半纖維素和纖維素在制備的米糠不溶性纖維樣品中所占比例升高，所以半纖維素和纖維素質量分數在初步的酸處理后質量分數均顯著增加。在進一步的堿處理過程中，半纖維素相對于纖維素較易被水解，所以隨著堿質量濃度增大，半纖維素的水解率逐漸增大，以致其質量分數逐漸降低。則使纖維素所占比重增大，因此半纖維素與纖維素的比例顯著下降。

表1 不同堿濃度處理的米糠不溶性纖維干基的化學組成Table 1 Composition of different rice bran insoluble fibers produced by a series of alkaline treatments %

通過對上述米糠不溶性纖維的成分組成進行分析得出，酸堿處理的參數不同，淀粉和蛋白質等雜質的去除率不同，半纖維素和纖維素被水解的程度不同，由此會不同程度地改變米糠不溶性纖維結構，從而影響纖維的持水力、持油力和膨脹力及其生理功能[21]。

2.2 堿質量濃度對米糠不溶性纖維物理性質的影響

在上述對米糠不溶性纖維成分隨堿處理程度的變化規律進行分析的基礎上，在此總結了米糠不溶性纖維的物理性質隨著與其成分變化之間的關系，見表2。

表2 不同堿質量濃度對米糠不溶性纖維物理性質的影響Table 2 Effects of different alkaline concentrations on the physical properties of rice bran insoluble fiber

米糠不溶性纖維的持水力隨著堿處理程度的增大，呈下降趨勢。這可能是由于堿處理強度增大，米糠纖維中具有吸水溶脹能力的半纖維素逐漸被水解，質量分數下降，纖維的親水基團逐漸減少，則持水力呈現下降趨勢。另外，高質量濃度的堿處理，使纖維完整的組織結構斷裂而變得太松散，以致其不能穩定地持留所吸收的水分，這也可能是纖維持水力下降的一個原因，但與其他研究中報道的麥麩膳食纖維的持水力（2.5～4.5 mL/g）[20]相比，米糠不溶性纖維仍表現出較高的持水能力。此外，反復浸泡沖洗和頻繁的熱處理，會使可溶性纖維質量分數降低，這也可能是導致膳食纖維的持水力和膨脹力明顯降低的原因[22-23]。

由表2可知，米糠不溶性纖維的持油力隨著堿質量濃度的增大而顯著提高，這可能與親水基團的減少和更多疏水區的暴露有關。因為較高質量濃度的堿處理，具有親水能力的部分半纖維素被水解，親水性基團減少，則纖維的疏水性增加，有利于吸附油脂。另外淀粉和蛋白質的去除使纖維緊實的結構變得松散，產生更多的毛細孔，有益于更多的油進入纖維的疏水區，從而使纖維表現出更高的持油力，這與黃冬云等[24]的研究結果相似。并且，與其他研究中報道的果蔬纖維的持油力相比，米糠不溶性纖維的持油力顯著高于果蔬纖維[25-28]，這使得米糠不溶性纖維呈現出更高的調節血脂的潛在能力。

米糠不溶性纖維的膨脹力隨著堿處理強度的增大，呈現出先升高后下降的趨勢。其升高的原因可能在于更多的淀粉和蛋白質被較高質量濃度的堿水解去除后，纖維的組織結構變得松散，孔隙率增加，從而有利于纖維溶脹[21]。但是過高質量濃度的堿處理導致半纖維素和纖維素水解過度，纖維組織結構被過度破壞，纖維斷裂成更小的片段以致沒有穩定的結構吸水膨脹，從而使纖維膨脹力降低。有關報道[29]證實了，對不溶性膳食纖維含量較高的物料進行適度的超微粉碎后，會使其孔隙率相對增大，則膨脹力隨之增大。但是，過度的超微粉碎會使纖維的網狀結構被破壞，從而致使纖維膨脹力有減小的趨勢。

總體而言，KOH質量濃度過低或過高均不能使米糠不溶性纖維的持水力、持油力和膨脹力達到比較平衡的水平。由結果可得0.8 g/dL的KOH處理制備的米糠不溶性纖維的綜合性質最佳，其持水力、持油力和膨脹力都達到了較理想的水平。

2.3 羧甲基化改性對米糠不溶性纖維結構的影響

纖維羧甲基化是將纖維表面的羥基進行醚化，引入羧甲基，從而增加纖維的親水性和可溶性。在對上述所得米糠不溶性纖維的物理性質進行分析總結的基礎上，為了顯著改善米糠不溶性纖維的親水性與可溶性，以此提高其功能性質，最終選擇了持水力最差的纖維樣品進行羧甲基化改性。

圖1 米糠不溶性纖維羧甲基化前后的紅外圖Fig.1 FTIR spectra of rice bran insoluble fiber before and after carboxymethylation

由于米糠不溶性纖維的功能性質與其結構有密切關系，因此本試驗中首先對羧甲基化前后的米糠不溶性纖維的微結構進行了紅外光譜分析。如圖1所示，在米糠纖維的紅外圖譜中，2 925 cm-1和2 854 cm-1處的特征峰表示C-H伸縮振動和彎曲振動的吸收峰。經過羧甲基化改性后，2 925 cm-1處的特征峰向低波數方向移動，而2 854 cm-1的特征峰幾乎消失，這表明羧甲基化使米糠纖維中亞甲基數量有所改變。與未經羧甲基改性的米糠纖維的紅外譜圖相比，在羧甲基化米糠纖維的圖譜中，代表羰基吸收峰的1 737 cm-1和1 640 cm-1處的特征峰[30]均未出現，而在1 608 cm-1處產生了新的代表羧基的特征峰[13]，表明米糠膳食纖維經過羧甲基化后，羧基數量有所增加，羧甲基化成功。

2.4 羧甲基化改性對米糠不溶性纖維理化性質的影響

持水力和膨脹力是評價膳食纖維功能性質的2個重要指標。很多研究表明，具有較高持水力的膳食纖維可以增加人體排便的體積和速度，使毒物迅速排出體外，減輕直腸內壓力，同時也減輕泌尿系統的壓力，從而緩解諸如膀胱炎、膀胱結石和腎結石這類泌尿系統疾病的癥狀[31]。膳食纖維的膨脹力大則會在機體腸道內產生較大的容積作用，引起飽腹感，起到防治肥胖癥的作用。此外，膳食纖維具有較高的持油力，可以有效吸附膳食中的油脂，降低人體熱量的攝入量，從而起到預防肥胖的作用。纖維的功能基團和結構的變化勢必會對其理化性質產生影響，由此，本試驗總結并分析了羧甲基化對米糠不溶性纖維的持水力、持油力和膨脹力的影響，見表3。

表3 羧甲基化改性對米糠不溶性纖維物理性質的影響Table 3 Effect of carboxymethylation on the physical properties of rice bran insoluble fiber

由表3可知，米糠不溶性纖維經羧甲基化后，持水力、持油力和膨脹力均有所提高，尤其持水力提高了約1倍，膨脹力提高了62.1%，持油力提高了11.8%。羧甲基化使米糠不溶性纖維持水力和膨脹力提高的原因在于纖維表面的某些羥基與羧甲基發生醚化反應后引入了羧基，羧基具有較強的親水性，從而有利于纖維結合更多的水而充分溶脹[13]。此外，亞甲基的引入，增加了纖維的疏水區，有利于更多的油滲入，因此羧甲基化的米糠不溶性纖維也表現出較高的持油力。

2.5 羧甲基化對米糠不溶性纖維抑制淀粉酶和胰脂酶活性的影響

糖尿病主要指身體失去了正常消化和使用來自食物的糖分以及淀粉的能力，而導致血液中出現異常數值的現象。因此控制葡萄糖和淀粉的攝入量或降低淀粉的消化率成為目前防治糖尿病的主要手段。同理，抑制脂肪酶的活性，最終降低脂肪的消化吸收率，可以有效控制肥胖癥的發病率。本文作者利用米糠不溶性纖維作為酶抑制因子，并采用羧甲基改性方法，改善米糠不溶性纖維的物理性質，以期提高其對淀粉酶和胰脂酶的抑制作用。

米糠不溶性纖維羧甲基化前后對淀粉酶和胰脂酶的作用結果如表4所示。米糠不溶性纖維經羧甲基化后，對淀粉酶活性的抑制率降低了66.66%，這與Park等[13]報道的羧甲基化前后的大麥膳食纖維對淀粉酶的作用結果類似。其可能原因在于羧甲基化使纖維的可溶性增加，作用于淀粉酶的不溶性膳食纖維總量減少，以致對淀粉酶的抑制作用減弱。由此說明，可溶性較高的纖維防治糖尿病的主要機理可能并不在于抑制淀粉酶的活性，而在于增加消化體系的黏度，阻礙淀粉與淀粉酶的接觸和葡萄糖的擴散。

表4 羧甲基化前后米糠不溶性纖維對淀粉酶和胰脂酶抑制作用的變化Table 4 Effect of carboxymethylation on the inhibiting capacities of rice bran insoluble fiber against αamylase and porcine pancrease lipase

由表4可知，米糠不溶性纖維經羧甲基化改性后，對胰脂酶的活性抑制率提高了255.45%。由此可知，羧甲基的引入可以使米糠不溶性纖維更加有效地抑制胰脂酶的活性，并且顯著高于Chau等[32]報道的采用超微粉碎法改性的胡蘿卜不溶性纖維。羧甲基改性提高米糠不溶性纖維對胰脂酶的抑制能力的可能機理有：羧基的引入使纖維容易酶發生靜電相互作用，增加纖維對酶的吸附作用，阻礙酶與底物的接觸，降低酶的作用能力。另外，靜電相互作用也會改變酶的天然構象，從而使酶的活性降低。此外，羧甲基化改性使纖維親水性增加，則纖維對油脂體系的吸附能力相對減弱，抑制了底物與酶的接觸，從而降低了酶對底物的水解率[33]。

3 結 語

本文作者采用酸堿處理方法，通過研究不同質量濃度的堿處理對米糠成分和物理性質的影響，發現隨著堿質量濃度的增大，米糠中的淀粉和蛋白質逐漸被水解去除，部分半纖維素被水解，米糠纖維的親水基團減少，從而使所得米糠不溶性纖維持水力逐漸降低。相反地，隨著淀粉和蛋白質的水解，纖維的結構變得疏松，有利于更多的油滲入纖維疏松的疏水區，從而使其持油力逐漸升高。米糠不溶性纖維經過羧甲基改性后，其較差的持水力和膨脹力得到了顯著提高，而且持油力也有所提高。并且由于羧基的引入，增強了米糠不溶性纖維與胰脂酶之間的靜電相互作用，增加了纖維對胰脂酶的吸附能力，抑制了酶與底物的接觸機幾率，并且酶的天然構象也被改變，從而使羧甲基化米糠不溶性纖維對胰脂酶的抑制作用更強。然而，羧甲基改性的米糠不溶性纖維對淀粉酶的抑制作用減弱，可能與作用于淀粉酶的膳食纖維總量減少有關。

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