蒸汽爆破-超微粉碎對米糠膳食纖維結構和功能性質的影響

付曉康 蘇 玉 黃 亮 徐田輝 賀 便

(特醫食品加工湖南省重點實驗室；中南林業科技大學1，長沙 410004) (中南林業科技大學食品科學與工程學院2，長沙 410004)

膳食纖維是人類飲食中必不可少的成分，可以降低冠心病、糖尿病和肥胖的風險，有助于減少便秘、憩室病和其他消化道疾病的發生率[1]。米糠是谷物加工業中的副產品，富含膳食纖維，可以用于改善人們的飲食結構。國內外對米糠膳食纖維研究和應用的重視程度不斷增加，并在2018年發布了我國國家行業標準米糠開發系列產品標準。

米糠中的膳食纖維按其溶解性不同可分為可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維[2]。膳食纖維中可溶性膳食纖維的含量是評價膳食纖維生理功能的一個重要指標。然而，米糠中的膳食纖維多為不溶性膳食纖維，這就限制了其更好地發揮功能作用。因此，對米糠膳食纖維進行改性，以提高可溶性膳食纖維含量成為了國內外的研究熱點。

利用蒸汽爆破法預處理膳食纖維，成本低、能耗少、無污染，是現今研究者比較青睞的技術，蒸汽爆破技術是先通過高壓蒸汽進入材料表面的孔隙，細胞的環境變成熱蒸汽和熱液態水，其中半纖維素被分解，減小了纖維連接的強度，為爆破提供了選擇性的機械分離。作為預處理方法，蒸汽爆炸逐漸應用于厭氧秸稈發酵、纖維素燃料乙醇發酵等技術領域。目前，蒸汽爆破在食品中的應用還很少，范麗等[3]將玉米芯汽爆處理后酶解制備低聚木糖，郭娜[4]將小麥麩皮纖維汽爆處理后進行酶解糖化，張燕鵬等[5]采用蒸汽爆破輔助提取高溫豆粕中的蛋白質，馬永強等[6]將高溫變性米糠進行汽爆處理以提高蛋白提取率，均取得了一定的效果。Wang等[7]報道柑橘皮經蒸汽爆破和稀酸浸泡處理后，可溶性膳食纖維質量分數從8.04%上升到33.74%。

超微粉碎技術是一種高速度、少污染、原料高利用率的新型食品加工方法[8]，超微粉碎后的食物原料顆粒具有粒徑細且均勻、易被發酵酶解、利于吸收的特點[9]。劉達玉等[10]利用超微粉碎技術結合擠壓膨化技術對薯渣膳食纖維進行改性，提高了可溶性膳食纖維的比例和感官品質，成品中的總膳食纖維質量分數達80.70%、可溶性膳食纖維達8.13%，而未經改性的產品中可溶性膳食纖維僅有2.85%。高虹等[11]研究發現香菇柄中的膳食纖維經超微化處理之后物理性質發生改變，生理活性與處理前相比大大增強，總膳食纖維含量和可溶性膳食纖維含量均得到明顯提高。

目前，從米糠中提取和分析膳食纖維的基礎研究進展比較緩慢，加強對米糠纖維的基礎研究，探究提高米糠膳食纖維理化性質合適的物理改性方法，將有助于開發更具針對性功能性食品。本實驗以脫脂米糠為原料，通過最優的蒸汽爆破方案進行改性處理，再通過復合酶解法提取米糠膳食纖維，將提取的米糠膳食纖維用氣流粉碎和納米沖擊磨進行超微化處理，研究復合改性對米糠膳食纖維 結構、理化性質、生理功能等方面的影響，為蒸汽爆破-超微粉碎預處理技術研究和工業化應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

脫脂米糠：實驗室自制；糖化酶(100 U/mg)；α-淀粉酶(10 U/mg)、堿性蛋白酶(100 U/mg)；二水合磷酸二氫鈉、十二水合磷酸氫二鈉、無水乙醇、石油醚、氫氧化鈉、鹽酸、溴化鉀、葡萄糖、氯化氫、硝酸銀、氯化鈉等試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

FW-400A萬能粉碎機； s hA-C恒溫震蕩水浴鍋；2.5-10馬弗爐；K9840自動凱氏定氮儀；A-1000 s水流抽氣機；QB s-80型蒸汽爆破工藝實驗臺；AO微型氣流粉碎機；CJM-sY-B1型高能納米沖擊磨。JL-1178型激光粒度分析儀；IRTracer-100 傅里葉紅外光譜儀；UV-1800紫外可見分析光度計； sU8000冷場發射掃描電鏡；Ms400加熱型磁力攪拌器。

1.3 方法

1.3.1 蒸汽爆破預處理脫脂米糠

稱取100 g 脫脂米糠放入蒸汽爆破實驗臺的汽爆缸中，擰上活塞，設置一定的蒸汽爆破時間和壓力，高溫高壓的氣體從進氣閥進入到氣缸中，到達給定的時間后，進氣閥門關閉，瞬間解壓，完成物料的爆破，收集爆破后的脫脂米糠，于棕瓶內常溫保存。

1.3.2 單因素實驗設計

選取蒸汽爆破時的蒸汽壓強、維壓時間作為影響米糠膳食纖維可溶性膳食纖維含量大小變化的兩個單因素，在原料質量一定，通過篩的目數一定，爆破時溫度一定的前提下，蒸汽壓力設置0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 MPa五個水平。維壓時間設置120、180、240、300、360 s五個水平。

1.3.3 復合酶解法提取米糠膳食纖維

預處理后的脫脂米糠60 ℃烘干，粉碎過100目篩，調pH至4.5，于60 ℃水浴攪拌2 h，與蒸餾水以料液比1∶12(m∶V)混勻煮沸30 min，調節溶液pH 6.5加入0.3%α-淀粉酶，95 ℃酶解30 min，調節溶液 pH 7.5加入0.6%堿性蛋白酶，60 ℃酶解2 h后加入糖化酶繼續60 ℃酶解30 min。取少量溶液測試，與碘液融合若不顯藍色表明已經糖化完全，再沸水浴10 min滅酶，冷卻至室溫；濾渣水洗至中性烘干即為不可溶性膳食纖維，濾液加4倍體積95%乙醇沉淀過夜，濾液經離心機8 000 r/ min離心10 min，收集沉淀物，60 ℃干燥后即為可溶性膳食纖維。

1.3.4 主要基本成分測定

基本成分：水分參照GB 5009.3—2016中的重量法測定；蛋白質參照GB 5009.5—2016通過自動凱氏定氮儀測定，折算系數5.95；脂肪參照GB 5009.6—2016中的索氏抽提法測定；灰分參照GB 5009.4—2016中的直接灰化法；DF (TDF、可溶性膳食纖維、不可溶性膳食纖維)的含量測定參照GB 5009.88-2014測定；淀粉參照GB 5009.9—2016中的酶水解法測定。

1.3.5 超微化處理

將經蒸汽爆破預處理的米糠膳食纖維制備的采用萬能粉碎機粉碎10 min過100目篩得到的物料為C-米糠膳食纖維；氣流粉碎機以粉碎壓力1.15～1.25 MPa，研磨30 min，通過氣流分級得到的物料為 s-M-米糠膳食纖維；取米糠膳食纖維置于高能納米球磨機中干法粉碎6 h，不添加任何抗結塊劑、助磨劑，在粉碎過程中通入循環冷卻水使溫度保持在30 ℃以下，粉碎選用強化不銹鋼磨罐，氧化鋯球為磨介，球料體積比2∶1，氣流分級得到的物料為 s-N-米糠膳食纖維，處理后的米糠膳食纖維于棕色瓶中室溫儲藏備用。

1.3.6 粒徑及比表面積的測定

采用激光粒度分析儀對米糠膳食纖維粉末粒徑進行測定[12]。用空氣作為分散劑，取適量的米糠膳食纖維，超聲輔助使其分散均勻，設定折射率1.510，介質折射率1.33，粒徑測定范圍 0.01～2 000 μm。

1.3.7 傅里葉紅外光譜

在充分干燥的環境中，取2 mg適當干燥的樣品，加入200 mg充分干燥的溴化鉀粉末于瑪瑙研缽中，研磨直至完全研細混勻，將研磨好的粉末均勻加入壓膜器內，壓片5 min，然后迅速取出放入儀器中進行掃描，掃描波數400～4 000 cm-1，掃描次數32次，掃描分辨率4 cm-1。

1.3.8 掃描電鏡

取適量干燥的樣品用導電膠固定在樣品臺上，噴金 100 s，加速電壓逐步從低到高升到5 kV，工作距離10 mm，在不同的放大倍數下觀察樣品顆粒的形貌，拍照分析樣品形貌的變化。

1.3.9 水合性質

參考徐驅霧[13]的方法測定米糠膳食纖維的基本水合性質：持水力、膨脹力、結合水力、持油力。

1.3.10 葡萄糖吸收能力

參照阮傳英[14]等的方法，準確稱取1.00 g樣品放入100 mL 100 mmol/L的葡萄糖溶液(pH 7.0)中。38 ℃下磁力攪拌7 h。然后3 000 r/min下離心25 min，在505 nm下測定上清液中葡萄糖含量，同時做空白實驗。葡萄糖吸附量按式(1)計算：

吸附量/mg/g=

(1)

1.3.11 陽離子交換能力[15]

將樣品浸入0.1 mol/L HCl溶液中，48 h后用蒸餾水去除過量的酸，用10%的AgNO3溶液鑒定不含有氯離子為止，冷凍干燥。準確稱取0.250 g處理過的干燥樣品分散于100 mL 5% NaCl溶液中，磁力攪拌器攪拌，用0.01 mol/L NaOH慢慢滴定，記錄pH值。

1.4 數據處理與統計分析

所有實驗平行3次，數據采用Excel 2016進行處理，結果均用平均值±標準差(x±s)表示。通過SPSS22.0 分析數據，采用方差分析和t檢驗，P<0.05有顯著差異，P<0.01有極顯著差異,采用Origin2017作圖。

2 結果與分析

2.1 蒸汽爆破時蒸汽壓力對可溶性膳食纖維含量變化的影響

由圖1分析可知，在蒸汽壓力為0.3～0.6 MPa時樣品可溶性膳食纖維的得率明顯上升，并在0.6 MPa時達到最高；而在0.6～1.5 MPa范圍內時，樣品的可溶性膳食纖維得率顯著降低。由此可見，蒸汽爆破時蒸汽壓力并非越高越好，在適宜的壓力下進行處理，可溶性膳食纖維的含量才能達到最高值。脫脂米糠經蒸汽爆破處理后，由于汽爆處理使纖維緊密的結構變得疏松，部分不溶性的木葡聚糖和半乳甘露聚糖可能斷裂某些連續鍵轉變成可溶性的木葡聚糖和半乳甘露聚糖[16]，導致可溶性膳食纖維含量增多。汽爆強度過高時，蒸汽壓強過大，突然減壓時水蒸氣急速膨脹作用力過強，焦糖化反應加劇，組成可溶性膳食纖維的半乳甘露聚糖和木葡聚糖發生降解，使得可溶性膳食纖維含量減少。

圖1 蒸汽爆破時蒸汽壓力對可溶性膳食纖維含量變化的影響

2.2 蒸汽爆破時維壓時間對可溶性膳食纖維含量變化的影響

由圖2分析可知，在維壓時間為120～300 s時樣品可溶性膳食纖維得率明顯上升，并在300 s時達到最高；而在300～360 s時，樣品的可溶性膳食纖維得率顯著降低。維壓時間的長短，影響到物料中半纖維素的降解和木質素的軟化程度以及介質的滲透程度[17]，適宜的維壓時間可以提高可溶性膳食纖維的得率，但時間過長可能會使纖維過度降解，使可溶性膳食纖維減少。

圖2 蒸汽爆破時維壓時間對可溶性膳食纖維含量變化的影響

2.3 響應面優化蒸汽爆破輔助提取米糠膳食纖維可溶性膳食纖維的工藝實驗結果

在單因素實驗的基礎上，采用通用旋轉組合設計進行二因素三水平的實驗設計。以蒸汽爆破時的蒸汽壓強、維壓時間為自變量，以米糠膳食纖維中可溶性膳食纖維得率Y為響應值。實驗結果見表1。

表1 響應面實驗設計與結果

運用 Design Expert 10軟件對9個實驗點數據進行回歸計算，建立二次響應面回歸模型，由模型分析得到多項式回歸方程：

Y=6.64+0.042A+0.013B-0.51AB-0.93A2-0.50B2。

表2 回歸方程方差分析結果

注：**差異極顯著(P<0.01)。

結合二次回歸方程及表2可知，二次項AB具有顯著的交互作用(P<0.05)。通過響應面立體圖和等高線平面圖可解釋說明實驗中自變量和因變量的關系，如圖3所示。蒸汽爆破時的蒸汽壓強和維壓時間的交互作用影響了可溶性膳食纖維含量，曲面坡度陡峭。在其他條件均相同的情況下，二者的交互作用結果顯示最優值分別為0.6 MPa和300 s，可溶性膳食纖維的質量分數達到最大值為6.97%。從圖3可以看出，響應值對蒸汽壓強的變化比對維壓時間的變化更為敏感。

利用響應曲面設計實驗，采用通用旋轉組合設計原理，得到蒸汽爆破處理后可溶性膳食纖維得率的最佳組合條件為：蒸汽壓力0.631 MPa，維壓時間302.866 s，此條件下可溶性膳食纖維得率為6.987%。

圖3 蒸汽壓強和維壓時間對可溶性膳食纖維得率的交互作用響應面模型

2.4 蒸汽爆破-超微粉碎前后米糠膳食纖維主要基本成分的變化

由表3可以看出，蒸汽爆破-超微粉碎處理前后米糠膳食纖維中的基本成分沒有發生明顯變化，不可溶性膳食纖維含量顯著降低，而可溶性膳食纖維含量有一定程度的升高。可能是由于在超微粉碎機的各種強力作用下，不溶性果膠化合物如半纖維素和部分不溶的阿拉伯木聚糖發生熔融現象或連接鍵斷裂，并將其轉化成水溶性聚合物組分[18]。

表3 米糠膳食纖維的基本成分/g/100 g

注：同一列不同字母表示不同樣品間差異顯著(P<0.05)，余同。

2.5 蒸汽爆破-超微粉碎對米糠膳食纖維粒徑及比表面積的影響

超微化處理前后米糠膳食纖維的粒徑及比表面積數據見表4。由表4可知，其粒徑大小順序為： s-米糠膳食纖維>C-米糠膳食纖維>s-M-米糠膳食纖維> s-N-米糠膳食纖維，且分布范圍不對稱。分析可知，C-米糠膳食纖維、s-米糠膳食纖維、s-M-米糠膳食纖維、s-N-米糠膳食纖維的體積平均粒徑分別為107.01、133.93、21.15、11.78 μm，與C-米糠膳食纖維相比， s-M-米糠膳食纖維和 s-N-米糠膳食纖維分別降低了80.2%和89%，比表面積增大了12.25倍和20.65倍。梅新等[19]研究表明膳食纖維經超微化改性后，其常見的物化特性會造成顯著性的變化。

表4 米糠膳食纖維粒徑分布及比表面積

2.6 米糠膳食纖維的紅外光譜分析

圖4 米糠膳食纖維傅里葉紅外光譜圖

2.7 米糠膳食纖維的掃描電鏡分析

對米糠膳食纖維進行超微結構分析得到電鏡掃描圖如圖5，微化處理前后米糠膳食纖維顆粒的表面形貌發生了較大的變化。圖5a為C-米糠膳食纖維，未經處理過的米糠膳食纖維結構規律緊湊，表面光滑規整，內部則呈中空的多孔網狀結構分布。圖5b為經蒸汽爆破處理的米糠膳食纖維，在×10.0 k倍數下觀察發現其纖維結構被裂解，呈碎塊狀，表面凹凸不整，結構松散。經氣流粉碎處理的米糠膳食纖維見圖5c，在×60倍數下可以看出其顆粒明顯減小，表面的蜂窩狀結構變得更加密集，這使其比表面積增大，分子內部更多的基團外露，進而改善其水合性質能。觀察圖5d1可知，在×60倍數下， s-N-米糠膳食纖維較其他3種樣品顆粒顯著減小，這與粒徑的測定結果一致；從圖5d2可以觀察到，米糠膳食纖維由于納米粉碎時的高速剪切力，結構分散，多為形狀不規則的小片狀物且顆粒較小，空間網狀結構消失，呈片層狀結構，其比表面積顯著增加，可能是由于米糠膳食纖維經納米粉碎處理后，分子鏈斷裂，不可溶性膳食纖維分解成可溶性膳食纖維，分子量相對降低，聚合度減小，這與紅外光譜測定結果相同。

注：a為C-米糠膳食纖維，b為 s-米糠膳食纖維，c為 s-M-米糠膳食纖維、d為 s-N-米糠膳食纖維；1為×60倍數，2為×1.0 k倍數,3為×10.0 k倍數。圖5 米糠膳食纖維電鏡掃描圖

2.8 蒸汽爆破-超微粉碎對米糠膳食纖維水合性質的影響

米糠膳食纖維具有良好的持水性、持油性、膨脹力和結合水力等，與其結構組成密切相關，能進一步反映其生理功能。表5為蒸汽爆破-超微粉碎前后米糠膳食纖維的水合性質及持油力的變化。分析表5可知，經預處理過的米糠膳食纖維的膨脹力和持油力有明顯提高，與C-米糠膳食纖維相比， s-N-米糠膳食纖維的膨脹力和持油力得到了顯著的提升，這是因為膳食纖維大分子結構被破壞，影響了其整體的理化性質，反而使其對小分子的吸附性變強；但隨著米糠膳食纖維的進一步細化得到了 s-N-米糠膳食纖維，其持水力和結合水力都顯著下降，其原因可能是在粉碎過程中，在機械的作用下使米糠膳食纖維顆粒毛細結構部分和纖維基質被破壞和損壞，其致密的多孔網狀結構遭到損壞，使原本通過氫鍵存留在多孔網狀結構內部空隙間的水分被釋放出來，造成米糠膳食纖維對水分的束縛減小，最終導致持水力和結合水力下降[23][24]。以上得出的米糠膳食纖維的理化性質與李倫等[25]、藍海軍等[26]、Raghavendra等[27]的研究結果基本一致。

表5 米糠膳食纖維的理化性質

2.9 蒸汽爆破-超微粉碎對米糠膳食纖維葡萄糖吸收能力的影響

由圖6可以看出，經過預處理的米糠膳食纖維對葡萄糖吸附能力要遠遠高于未經處理的，其中 s-N-米糠膳食纖維的吸附量最高，為C-米糠膳食纖維的4.47倍。蒸汽爆破和超微粉碎的雙重處理使米糠膳食纖維的內部結構變得疏松，比表面積增大，顆粒之間產生了孔縫和間隙，內部的溶質進入纖維內部相對更加容易，并且將網狀結構打開，變成片層狀結構，其中的功能集團暴露，使吸附葡萄糖的能力增強了，表明米糠膳食纖維能一定程度的降低小腸中的葡萄糖濃度；而C-米糠膳食纖維結構致密，許多功能基團被包圍在內部，很難發揮其吸附作用，此結果與米糠膳食纖維掃描電鏡分析結果一致。

圖6 米糠膳食纖維的葡萄糖吸附量

2.10蒸汽爆破-超微粉碎對米糠膳食纖維陽離子交換能力的影響

陽離子交換能力是膳食纖維的重要物理性質。膳食纖維的陽離子交換能力受膳食纖維的粒徑以及化學結構的影響[28]。經復合改性后的米糠膳食纖維較未改性相比，對陽離子交換能力增強，是因為膳食纖維經改性后，其結構暴露出更多的羥基和羧基等側鏈基團，增強其陽離子交換能力；但劉靜娜等[29]研究表明，曲線的斜率越大其陽離子交換能力越差，由圖7可見 s-N-米糠膳食纖維的斜率最大，所以其陽離子交換能力與另外兩種經預處理的樣品相比相對較弱；李倫等[25]研究超微粉碎對米糠膳食纖維陽離子交換能力的影響，當粒徑小于20 μm時，其陽離子交換能力逐漸下降，是由于過度的粉碎容易破壞其化學結構導致的，這與米糠膳食纖維粒徑測定結果相同。

圖7 米糠膳食纖維對陽離子交換的影響

3 結論

通過蒸汽爆破-超微粉碎處理后米糠膳食纖維的粒徑明顯減小，比表面積顯著增加，持水性、持油性和陽離子交換能力提升，膨脹力和結合水力降低，可溶性膳食纖維占比和提取率顯著增加；蒸汽爆破和超微粉碎處理前后米糠膳食纖維的化學成分沒有明顯改變，紅外光譜中沒有新的吸收峰出現，其特征吸收峰的峰型、位置及峰的數量均未有顯著變化，最大限度的保留了生理活性成分；米糠膳食纖維通過復合改性處理后，吸收葡萄糖的能力顯著增強，更有助于降低小腸中的葡萄糖濃度，對于糖尿病的治療可能有幫助。