黑小麥麩皮可溶性膳食纖維的提取及其功能性質研究

羅　磊　張　寬　王雅琪　馬麗蘋　朱文學

(河南科技大學食品與生物工程學院；河南省食品原料工程技術研究中心，洛陽　471023)

黑小麥(Black Wheat，BW)是一種呈藍、紫、紫黑、黑等顏色較深的新型作物[1]，含豐富的生物活性物質，以其特殊的營養價值而備受關注。 黑小麥麩皮(Black Wheat Bran，BWB)是黑小麥加工過程中的副產物，口感比較粗糙，極少應用于食品當中。目前國內外對黑小麥麩皮的研究較少，孫元琳等[2]對黑小麥麩皮酚酸物質進行定性與定量研究；李偉等[3]對黑小麥麩皮花色苷組分進行測定及功能性質研究；對黑小麥麩皮中可溶性膳食纖維的提取及功能性質研究鮮見報道。

根據膳食纖維(Dietary Fiber，DF)的溶解性可把DF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)。其多糖的組成結構賦予膳食纖維一些獨特的性質，直接影響人體的生理效應。 SDF能降低血清和肝中的膽固醇，防止高血壓降低血糖，這已被國內外大量的研究和流行病調查結果所證實。Othman等[4]研究發現β-葡聚糖可降低血漿總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇水平約 5%～10%。徐苗軍[5]的研究可證實SDF具有較強的吸附膽酸鈉作用，這種作用被認為是膳食纖維降血脂功能機理之一。

有研究表明，超聲可破壞植物細胞壁，提高SDF的得率[6]。劉顯波等[7]研究發現通過酶解得到的SDF呈多孔蜂窩狀，增加其可溶性。超微粉碎技術使顆粒超細化，比表面積增加，與酶解液充分接觸使得SDF更易溶出[8]。因此本實驗采取超聲輔助酶解提取黑小麥麩皮中的SDF，并對其組分、理化性質以及功能性質進行研究。為提高黑小麥麩皮的附加值和綜合利用提供參考。

1　材料與方法

1.1　材料與試劑

黑小麥麩皮：中普彩麥公司；普通小麥雞蛋、花生油、自制豬油(食品級)：市售；纖維素酶(20 000 U/g，食品級)：江蘇瑞陽生物科技有限公司；α-淀粉酶：北京奧博星生物技術有限責任公司；葡萄糖苷酶、中性蛋白酶、膽酸鈉：上海藍季生物科技發展有限公司；膽固醇(AR95%)：上海伯奧生物科技有限公司。

1.2　儀器與設備

KQ-500DE型數控超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；HC-1000Y型高速粉碎機：北京市永光明醫療儀器；UV2400紫外可見分光光度計：上海舜宇恒平科學儀器有限公司； PHS-3C pH計：上海越平科學儀器有限公司； QYC2102C全溫空氣搖床：上海福馬實驗設備有限公司；TENSPOR27傅里葉紅外變換光譜儀：德國BRUKER儀器公司。

1.3　方法

1.3.1BWB的預處理

取1 kg試樣經熱穩定的α-淀粉酶50 μL/g、中性蛋白酶[9]100 μL/g和葡萄糖苷酶100 μL/g酶解去除蛋白質和淀粉后，用溫水多次洗滌至水清澈。在121 ℃、30 min的高壓鍋中進行蒸煮滅酶，然后干燥至恒重。超微粉碎，過篩得到不同粒徑BWB超微粉末。

BWB-SDF的得率按照公式計算：

式中：TDF為總膳食纖維。

1.3.2工藝流程

黑小麥麩皮→濕蒸→干燥→超微粉碎→過篩→酶解→超聲→滅酶→離心→過濾→濃縮→醇沉→離心→過濾→脫色→干燥→SDF成品。

1.3.3單因素的實驗設計方案

在水浴溫度為60 ℃、超聲時間為25 min的條件下考察液料比(20∶1、25∶1、30∶1、35∶1、40∶1、45∶1V/m)，水浴時間(40、50、60、70、80、90 min)，酶底比(50、100、150、200、250、300 U/g)，超聲功率(200、250、300、350、400 W)四個因素對SDF得率的影響。

1.3.4通過單因素實驗確定最佳提取工藝參數

以液料比(X1)、水浴時間(X2)、酶底比(X3)、超聲功率(X4)為影響提取效果的工藝參數，進行四因素五水平的二次通用旋轉組合實驗設計。將BWB-SDF得率作為響應值，采用Design-Expert 8.0.6軟件對所得數據進行處理并分析，得出對BWB-SDF提取的最佳工藝條件。

1.4　抗氧化活性實驗

羥自由基清除能力的測定參考[10-13]的方法，并做一定的調整。還原力的測定采用鐵氰化鉀法[14]。

1.5　SDF的物化特性

參考梅新等[15]BWB-SDF的持水力和膨脹力，并按公式計算：

1.6　靜態體外實驗

1.6.1SDF對膽固醇吸附作用的測定

采用鄰苯二甲醛法在550 nm下比色測定膽固醇含量[16]。質量濃度范圍在0～0.4 mg/mL得到標準曲線y=0.011 32x+0.068 22，R2=0.998 69。

SDF對膽固醇的吸附量=

1.6.2SDF對不飽和脂肪與飽和脂肪吸附作用的測定

參照黃才歡等[17]的方法進行測定。

1.6.3SDF對膽酸鈉吸附作用的測定

用糠醛比色法繪制標準曲線且在620 nm下測定其吸光度值并繪制時間-吸光度折線圖，膽酸鈉的濃度范圍在0～1.2 mg/mL時，得到標準曲線y=0.047 68x+0.028 11，R2=0.999 34。

1.7　傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)分析

參考Yao等[18]的方法，測定紅外光譜曲線。

1.8　數據統計分析方法

實驗重復3次，利用Excel軟件處理實驗數據，利用Origin8.5軟件進行繪圖。采用DPS v7.05數據處理軟件設計了四因素五水平31個實驗點，利用Design8.06軟件建立模型并進行響應面分析。

2　結果與分析

2.1　超微粉碎后粒徑對BWB-SDF得率的影響

由圖1可知在50～400目(粉末粒徑270～38 μm)時隨著目數的增加BWB-SDF的含量也呈上增趨勢，這是因為超微粉碎之后粒徑變小，比表面積變大，與酶的接觸也就越充分，使得SDF更容易溶出，得率達到16.11%。400～500目(粒徑38～25 μm)得率下降是因為顆粒過細影響提取效果，這與陳銘等[19]的研究結果分析一致。過500目篩(粒徑小于25 μm)時，得率為15.72%，較400目變化較小，因此，選擇通過400目而未通過500目的BWB進行研究。

圖1　粒徑對SDF得率的影響

2.2　單因素的實驗結果

由圖2可知，液料比在20∶1～35∶1 mL/g范圍內SDF的含量隨液料比的增大而增加。這是因為在一定的底物濃度范圍內，酶的活性中心被飽和或趨于飽和時，反應速度達到最大值。而當液料比在35∶1 mL/g之后，SDF的含量隨液料比的增大反而減少。這是由于過量的底物不能被酶解，致使反應不均一而影響酶解率。因此，在研究中選擇液料比為35∶1 mL/g。

水浴40～60 min SDF得率隨著時間的延長逐漸增加，在60 min時得率達到一個最大值。但是超過60 min隨酶解時間的延長而略有降低，主要原因是隨著酶解時間的延長，纖維素酶已作用完成，但水解產物隨時間的延長開始聚集，從而導致SDF含量略有降低。這一結果與姜北國等[20]研究纖維素酶法制備SDF結果一致。因此，研究中最佳水浴時間選擇60 min。

當酶底比為200 U/g時得率達到一個最大值，這說明一定的酶底比可有效將不溶性纖維素轉變為可溶性的葡聚糖，提高SDF得率；當酶底比大于200 U/g 時，SDF的得率開始下降，可能是因為過多的酶使葡聚糖的聚合度降低[20]，SDF得率下降。所以，研究中最佳酶底比選取200 U/g。

200～350 W的范圍內SDF得率隨著超聲功率的增加而增加。當超聲功率達到350 W時SDF得率出現了最佳值19.287%；當功率大于350 W時得率下降，可能是因為物料內部溫度變得黏稠[21]，使得SDF不易被提取。所以，最佳超聲功率選擇350W。

圖2　液料比、水浴時間、酶底比、超聲功率對SDF得率的影響

2.3　二次通用旋轉組合設計實驗結果

表1　四元二次通用旋轉組合設計因素水平編碼表

表2　四元二次通用旋轉組合設計結果

2.3.1模型建立與顯著性檢驗

以BWB-SDF得率(Y)為指標，設計了四因素五水平的二次通用旋轉組合設計實驗，實驗方案及結果如表1和表2所示。對實驗結果進行多元回歸擬合，得SDF得率對液料比(X1)、水浴時間(X2)、酶底比(X3)、超聲功率(X4)的二次多項式回歸模型為：

由表3 可以看出，F2=53.71 ，P<0.000 1，表明模型顯著性極高，R2=0.979 2 ，說明該模型與實際的實驗數據相關性較好；失擬性檢驗F1=3.96 ，P>0.05不顯著，說明回歸方程的擬合性好。因此，該模型是適用的。影響SDF得率的主次因素依次為酶底比>液料比>超聲功率>水浴時間 。一次項X3、交互項X1X2、X1X4以及二次項X12、X22、X32、X42對SDF得率的影響極顯著，其余項對提取SDF影響不顯著。剔除不顯著項，建立得率對實驗因子的回歸方程為：Y=19.321 43+0.071 92X3-0.148 00X1X2-0.263 87X1X4-0.776 25X12-0.769 63X22-0.924 38X32-0.729 75X42。

表3　四元二次通用旋轉組合實驗結果方差分析表

注：**P<0.01，差異極顯著；*P<0.05，差異顯著。

2.3.2響應面交互作用分析

由圖3可看出響應面坡度都比較陡峭，說明液料比和水浴時間、液料比和超聲功率對BWB-SDF得率的影響均較大。由圖3a可知，液料比在33.5∶1～36.5∶1 mL/g、水浴時間在57～61 min；圖3b液料比在33.5∶1～36.5∶1 mL/g，超聲功率335～365 W范圍內BWB-SDF得率較高。

圖3　液料比(X1)與水浴時間(X2)(a)、超聲功率(X4)(b)的交互作用

2.3.3驗證實驗

通過二次通用旋轉組合設計優化得到的最佳工藝參數：液料比34.92∶1(mL/g)；水浴時間59.99 min；酶底比203.91(U/g)；超聲功率350.35 W。為驗證優化后得到的回歸模型的可靠性，實際操作中采用液料比35∶1(mL/g)，水浴時間60 min，酶底比200(U/g)，超聲功率350 W進行3次重復驗證實驗，測得BWB-SDF得率的均值為19.308%，與理論預測值19.346%偏差較小，重復性好，沒有顯著差異，說明通過二次通用旋轉組合設計優化得到的回歸方程參數準確可靠。BWB-SDF初始得率是15.65%，工藝優化后得率為19.308%，比原來提高了3.658%。這可能是由于超聲輔助酶解使得更多的SDF溢出，這與對小麥麩皮改性優化后SDF含量提高的報道一致[22]。

2.4　BWB-SDF體外抗氧化活性研究

2.4.1羥自由基(·OH)清除效果

從圖4可以看出羥自由基的清除率與SDF質量濃度成正比。以VC作對照，而BWB-SDF的羥自由基清除率在質量濃度為4 mg/mL時達到了81.43%，接近1，顯然BWB-SDF具有較強的羥自由基清除能力。

圖4　SDF對羥自由基的清除作用

2.4.2還原力

質量濃度范圍在0.062 5～4 mg/mL時，以VC的還原力作對照，在質量濃度為250 μg/mL時已達到了2.146。由圖5可知BWB-SDF的吸光度值與質量濃度呈正相關。當質量濃度為4 mg/mL時，還原力為1.688。

圖5　SDF的還原力

2.5　物化特性

從表4可以看出BWB-SDF的持水力是一般小麥麩皮[23]SDF的2.96倍，是因為其不僅具有一般小麥麩皮的特征，富含膳食纖維，且其中的戊聚糖具有高持水力[24]。有研究表明高持水力和膨脹力是衡量SDF品質的主要依據，能增加食物殘渣的體積，加劇胃腸道蠕動，減少有害物質與腸道接觸的時間，從而達到預防疾病的目的[25]。

表4　BWB-SDF物化特性結果

2.6　靜態體外吸附結果及分析

由表5可知BWB-SDF的吸附效果均優于一般小麥麩皮SDF，且在中性條件下(模擬腸道的pH環境)BWB-SDF對膽固醇的吸附能力大于酸性條件下(模擬胃的pH環境)的吸附能力，這與黃才歡等[26]的研究結果一致。由圖6可知膽酸鈉的濃度在0～120 min這一時間段隨著時間的延長不斷降低，尤其在前20 min內變化比較顯著，之后趨于平緩。呈現這種趨勢的原因可能是BWB溶液中SDF的含量是有限的，導致對膽酸鈉的吸附量也是有限的。120 min時測膽酸鈉濃度為1.54 mg/mL，比初始濃度降低了0.64 mg/mL，膽酸鈉的吸附率達到了29.36%。膽酸是形成膽固醇的前體物質，降低膽酸鈉可以有效降低機體對膽固醇的吸收。因此，BWB-SDF可能具有降血脂的生理功能。

表5　BWB-SDF與一般小麥麩皮SDF吸附效果差異

圖6　膽酸鈉溶液吸光度值隨時間變化圖

2.7　黑小麥麩皮SDF的紅外光譜 結果分析

由圖7可知，SDF組分在500～4 000 cm-1范圍具有明顯的糖類特征的吸收峰。3 600～2 200 cm-1出現的寬峰是分子內或分子間O—H伸縮振動的結果。3 000～2 800 cm-1的吸收峰由C—H(CH、CH2和CH3)伸縮振動引起，這個吸收峰常常被O—H伸縮振動引起的寬峰所掩蓋。1 460～1 370 cm-1以附近的吸收峰屬C—H的彎曲振動。1 643 cm-1的強吸收峰是糖的水化物樣品的吸收峰。 1 300～1 000 cm-1的吸收峰是由C—O伸縮振動所引起的，歸屬于不同糖殘基糖環上的C—O—H和不同的糖苷鍵C—O—C。990 cm-1處有一低強度的肩峰是阿拉伯糖基的特征吸收峰，這可能是由于酸性纖維素酶水解作用于半纖維素成分，產生了阿拉伯木聚糖。由單糖組成可知，膳食纖維主要由β-葡聚糖組成其紅外光譜中指紋區的吸收特征幾乎相同。由于923 cm-1有一吸收峰782 cm-1附近有微弱吸收峰，說明膳食纖維分子以β-糖苷鍵為主，并含有一定量的α-糖苷鍵。

圖7　SDF紅外光譜圖

3　結論

通過二次通用旋轉組合設計實驗優化后最佳工藝參數采用液料比35∶1(mL/g)，水浴時間為60 min，酶底比200 U/g，超聲功率350 W。體外抗氧化表明SDF具有很強的清除自由基的能力，實驗中羥自由基清除率為81.43%，還原力為1.688；體外吸附實驗SDF對花生油、豬油的吸附量分別為3.66、6.62，對pH=2、7時膽固醇的吸附量分別為3.96、5.02，對膽酸鈉的吸附率為29.36%。表明BWB-SDF可有效降低機體對膽固醇的吸收。

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