黑小麥麩皮可溶性膳食纖維改性制備及性質(zhì)研究

周麗媛 李寧陽 徐晶晶 蔡婧婧 唐曉珍

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué),泰安 271018)

黑小麥因種皮含有豐富的天然花色苷而呈現(xiàn)與普通小麥不同的粒色，并且具有獨特的保健功能[1]，近年來黑小麥在山東、河南、山西等省種植推廣較多，但生產(chǎn)加工局限于面粉、面條、饅頭等[2]，其大量加工副產(chǎn)物麩皮資源浪費嚴(yán)重，因口感粗糙食用品質(zhì)差未得到充分利用。黑小麥麩皮膳食纖維含量及其豐富，可達(dá)普通小麥麩皮的一倍[1]，可溶性膳食纖維(SDF)相比于不溶性膳食纖維(IDF)有更為廣泛的生理功能，如SDF水溶性好、黏度大，可被腸道內(nèi)微生物菌群較好的發(fā)酵利用，在降低餐后血糖、防便秘、降低血清膽固醇等方面都具有良好功效[3，4]，但SDF占比較少，普通提取方式溶出量較低，因此提高SDF溶出量對提高黑小麥麩皮應(yīng)用價值具有重要意義。

對物料進(jìn)行改性處理可提高其SDF的溶出量，目前主要改性方式有物理、化學(xué)和生物法改性，物理改性主要是通過利用機械外力作用來改變物料結(jié)構(gòu)，使其特性發(fā)生改變，該方法作用均勻、高效快速，并且能較好的保持物料天然營養(yǎng)成分，相較于其他兩種方式更具有優(yōu)越性[5]。已有學(xué)者采用超聲波、超微粉碎、擠壓膨化、超高壓等物理改性方式來提高物料SDF的溶出[5，6]，而對于黑小麥麩皮SDF的物理改性提取研究較少，郭怡琳[1]羅磊等[7]分別采用氣流膨化、超聲輔助酶解提高黑小麥麩皮SDF的溶出量并對其理化特性有改善作用，因此本實驗采用改性效果良好的超高壓、超微粉碎、擠壓膨化三種方式對黑小麥麩皮進(jìn)行處理，以期提高SDF溶出量，并對比物理改性對SDF特性影響，以期為黑小麥麩皮加工利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黑小麥麩皮：泰安肥城灃瀅農(nóng)業(yè)種植專業(yè)合作社提供。

高峰α-淀粉酶、堿性蛋白酶、糖化酶(生化試劑)，氫氧化鈉、硫酸、三氯化鋁、乙酸甲、甲醇、鐵氫化鉀、三氯乙酸、三氯化鐵、水楊酸、高硫酸鉀、膽固醇、膽酸鈉、糠醛、福林酚(分析純)。

1.2 儀器與設(shè)備

HMB-705高速粉碎機；HPP600/3-5L超高壓食品處理裝置；DS56-X雙螺桿擠壓膨化機；BO-150P1高速多功能粉碎機；UV-2450紫外可見分光光度計；MCR302模塊化智能流變儀

1.3 實驗方法

1.3.1 工藝流程

黑小麥麩皮→物理改性輔助處理(超高壓、擠壓膨化、超微粉碎)→加水?dāng)嚢琛?淀粉酶95 ℃酶解→堿性蛋白酶45 ℃酶解→糖化酶60 ℃酶解→滅酶→堿提料液比1∶20(2%)→上清液醇沉→離心→干燥→SDF

1.3.2 黑小麥麩皮基本成分測定

蛋白質(zhì)、水分、灰分、脂肪、膳食纖維測定分別按照GB 5009.5—2016、GB 5009.3—2016、GB 5009.4—2016、GB 5009.6—2016、GB 5009.88—2014進(jìn)行；總黃酮含量測定按NY/T 1295—2007進(jìn)行，多酚含量測定采用福林酚比色法[8]。

1.3.3 物理改性單因素及優(yōu)化實驗

超高壓改性處理：麩皮經(jīng)粉碎機粉碎后過60目篩，以保壓時間10 min，壓力100 MPa為基數(shù)，考察料液比(g∶mL)1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30，保壓時間5、10、15、20、25 min，保壓壓力100、200、300、400、500、600 MPa對麩皮SDF得率的影響，進(jìn)行優(yōu)化實驗，確定超高壓最優(yōu)改性條件。

擠壓膨化改性處理：麩皮經(jīng)粉碎機粉碎后過60目篩，以擠壓溫度120 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速200 r/min為基數(shù)，分別考察物料含水量3%、5%、7%、9%、11%，螺桿轉(zhuǎn)速200、250、300、350、400 r/min，擠壓溫度120、130、140、150、160 ℃，對麩皮SDF得率的影響，篩選出較優(yōu)條件，以此設(shè)計正交實驗，確定擠壓膨化最優(yōu)改性條件。

超微粉碎改性處理：麩皮經(jīng)超微粉碎機粉碎后分別過80、100、200、300、400目篩，考察不同粉碎目數(shù)對彩麥麩皮SDF得率的影響，確定超微粉碎最優(yōu)改性條件。

1.3.4 理化性質(zhì)測定

1.3.4.1 持水力、持油力、膨脹性測定

參照文獻(xiàn)[9]略有改動，稱取各SDF樣品0.1 g，于10 mL離心管中，加8 mL蒸餾水，充分搖勻，35 min后4 000 r/min離心15 min，棄去上層水分，稱取沉淀質(zhì)量，平行測定3次。

稱取各SDF樣品0.5 g，于25 mL離心管中，加10 g大豆油(豬油)，靜置1 h，4 000 r/min離心15 min，去掉上層油脂，稱重，平行測定3次[9]。

稱取各SDF樣品0.1 g，于試管中，加蒸餾水25 mL，讀初始體積，靜置4 h后記錄體積，計算膨脹性[10]。

1.3.4.2 膽固醇吸附力

參照GB 5009.128—2016繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，采用鄰苯二甲醛法在550 nm下測定SDF吸附前后膽固醇含量，按照公式計算其吸附力[11]。

膽固醇吸附力(mg/g)=

1.3.4.3 膽酸鈉吸附力

參照郭增旺等[12]方法繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。準(zhǔn)確稱取樣品0.5 g加入50 mL含0.1 g膽酸鈉的0.15 mol/L NaCl溶液，調(diào)節(jié)pH為7，37 ℃恒溫水浴振蕩2 h，取出4 000 r/min離心10 min，吸取上清液1 mL加入45%硫酸，混勻加入1 mL 0.3%糠醛，于65 ℃恒溫水浴30 min，冷卻至室溫后于620 nm處測吸光度，按公式計算膽酸鈉吸附性。

膽酸鈉吸附力(mg/g)=

1.3.5 流變學(xué)性質(zhì)測定

將各SDF樣品配制成5%濃度的溶液，采用模塊化智能流變儀測定黏度隨剪切速率的變化曲線，設(shè)定溫度25 ℃，剪切速率0.1～100 s-1。

1.3.6 抗氧化活性測定

DPPH自由基清除力測定[13]：將各SDF樣品配制成濃度為5、10、15、20、25、30 mg/mL，取0.5 mL于試管中，加DPPH溶液3.5 mL，于室溫下避光30 min，在517 nm處測吸光度，測定3次。

清除率=1-[(A1-A2)/A0]×100%

式中：A1為DPPH加樣品；A2為甲醇加樣品；A0為DPPH加甲醇。

ABTS自由基清除力測定：參照文獻(xiàn)[14]配制吸光度為0.70±0.02的ABTS應(yīng)用液，向試管中加入0.2 mL應(yīng)用液，5 mL不同濃度樣品液，搖勻25 ℃避光反應(yīng)6 min于734 nm下測定吸光度。

清除率=[1-(Ai-Aj)/A0]×100%

式中：Ai為樣品液吸收值；Aj為只加樣品液的背景吸收值；A0為蒸餾水代替樣品吸收值。

羥自由基清除力測定：參照文獻(xiàn)[15]，向試管中加入2 mL硫酸亞鐵(1.8 mmol/L)、1.5 mL水楊酸-乙醇溶液(1.8 mmol/L)，不同濃度樣品液1 mL、0.3%過氧化氫1 mL、靜置30 min，測吸光度。

清除率=[1-(Ai-Aj)/A0]×100%

表1 黑小麥麩皮基本成分測定/%

式中：Ai為樣品液吸收值；Aj為只加樣品液的背景吸收值；A0為蒸餾水代替樣品吸收值。

還原力測定：參照文獻(xiàn)[16]，以吸光度值為指標(biāo)，在700 nm處進(jìn)行測定，吸光值與樣品還原力成正比。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel、Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計算和作圖，采用SPSS Statistics20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用Duncan法檢驗差異顯著性，P<0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑小麥麩皮基本成分分析

由表1可知，經(jīng)物理改性處理后黑小麥麩皮中的水分、脂肪、灰分等均有所下降，蛋白質(zhì)、多酚、黃酮含量均有所上升，其中超微粉碎麥麩黃酮、多酚溶出量最高，但灰分含量顯著降低(P<0.05)，超高壓麥麩蛋白質(zhì)含量最高、脂肪含量最低，擠壓膨化麥麩水分明顯較少。高壓、高速剪切、高溫、擠壓等物理作用，會損耗物料基本成分，如水分減少更利于物料的儲存、灰分減少說明麥麩中的礦物元素有所損耗，并且可溶性活性成分及部分營養(yǎng)成分的溶出會隨物料顆粒減小、膨脹疏松等變化而增加，這與王丹丹[5]和王旭[17]研究結(jié)果相似，超高壓、超微粉碎、擠壓膨化等作用會增加物料內(nèi)部可溶性成分的溶出。

2.2 麥麩SDF提取優(yōu)化實驗

2.2.1 超高壓提取SDF單因素實驗

由圖1可知，SDF得率隨料液比增加先上升后緩慢降低，當(dāng)料液比為1∶15時得率達(dá)最高，適當(dāng)料液比會使麥麩與水分充分混合，增加水溶性膳食纖維的溶出，料液比繼續(xù)增加得率下降，可能是目標(biāo)物質(zhì)與溶液的濃度差有關(guān)[17][18]。隨保壓時間增加，SDF得率先迅速升高后趨于平緩，15～25 min時，得率無顯著性差異(P>0.05),出于節(jié)能考慮選取保壓時間15 min。當(dāng)壓力為300 MPa時得率最高，當(dāng)保壓壓力升至600 MPa時，得率有所下降，但仍然顯著高于100～200 MPa，膳食纖維可通過物理手段提高其SDF含量[19]，適宜高壓作用使得麥麩大分子聚合物斷裂增加其得率，因此選取300 MPa為最優(yōu)保壓時間。

圖1 超高壓提取SDF單因素實驗

2.2.2 超高壓提取SDF正交優(yōu)化實驗

由表2b可知，極差C>B>A，因此各因素的影響順序為：超高壓壓力>時間>料液比，壓力對彩麥麩皮SDF得率具有顯著性影響。料液比：k2>k1>k3，時間：k2>k3>k1，壓力：k2>k3>k1，因此正交實驗最優(yōu)組合為：A2B2C2，而實驗組最優(yōu)組合為A1B2C2，因此對正交優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗證性實驗，得出A2B2C2組合SDF得率為17.72%，因此確定最佳提取條件為料液比1∶15，時間15 min，壓力300 MPa。由方差分析表可知壓力對麥麩SDF得率影響顯著。

表2-a 超高壓正交實驗結(jié)果及直觀分析表

表2-b 超高壓正交實驗方差分析表

2.2.3 擠壓膨化、超微粉碎提取SDF單因素實驗

擠壓膨化溫度較高，物料需要一定潤濕度，由圖2可知，麥麩含水量為7%時，SDF得率最高，擠壓膨化對物料含水量要求較嚴(yán)格，當(dāng)物料達(dá)到潤濕度適宜且無結(jié)塊現(xiàn)象時，其輸送性和形變特性達(dá)到最優(yōu)，使纖維充分膨脹在機械力作用下斷裂進(jìn)行分子重組[20]，因此選擇麩皮含水量為7%。在一定范圍內(nèi)，螺桿轉(zhuǎn)速增加使物料受機械剪切力的作用提高，麥麩內(nèi)部組織逐漸疏松，大分子物質(zhì)裂解程度也隨之增加，水溶性成分增多[21]，300～400 r/min時，SDF得率無顯著性差異(P>0.05)，因此選取螺桿轉(zhuǎn)速為300 r/min。隨擠壓溫度升高，SDF得率先上升后下降，140 ℃達(dá)到最高12.03%，麥麩在高溫作用下發(fā)生膨脹、熔融，可溶性成分開始溶出，溫度過高使粉體粘結(jié)成塊，甚至焦糊，可溶性成分不在溶出，因此擠壓膨化溫度不宜過高。

圖2 擠壓膨化提取SDF單因素實驗

由圖3可知，麥麩SDF得率隨粉碎目數(shù)的增加先升高后降低，200目時得率最高，微粉化會破壞木質(zhì)素和半纖維素分子間化學(xué)相互作用，從而導(dǎo)致不溶成分重新分布為可溶性[22]，并且麩皮在高速剪切力作用下會發(fā)生斷裂，部分大分子物質(zhì)發(fā)生熔融現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為水溶性成分，合適粉碎目數(shù)可提高麥麩SDF的溶出，粉體粒徑過度微細(xì)，纖維結(jié)構(gòu)可能會受到不同程度破壞使其SDF溶出減少[5]。因此選取200目為最優(yōu)超微粉碎目數(shù)。

2.2.4 擠壓膨化SDF提取正交優(yōu)化實驗

由表3-b可知，擠壓膨化各因素對麥麩SDF得率影響順序為：物料含水量>擠壓溫度>螺桿轉(zhuǎn)速，物料含水量對麩皮SDF得率影響最大。正交實驗最優(yōu)組合為：A2B3C3，進(jìn)行驗證性實驗，得最優(yōu)組合SDF得率為16.17%，因此擠壓膨化最佳條件為：含水量7%，螺桿轉(zhuǎn)速350 r/min，溫度150 ℃，由方差分析可知，物料含水量和擠壓溫度對SDF得率均具有顯著性影響(P<0.05)。

表3-a 擠壓膨化正交實驗結(jié)果及直觀分析表

表3-b 擠壓膨化方差分析表

2.3 麥麩SDF理化性質(zhì)測定

高持水力、持油力、膨脹度均可增加人體飽腹感，且SDF持水力高，可增加人體排便的速度與體積，從而降低腸道對有害物質(zhì)的吸收[23]，良好持油力還可改善產(chǎn)品穩(wěn)定性，經(jīng)超高壓和擠壓膨化處理后的麥麩，組織結(jié)構(gòu)疏松，與未經(jīng)處理的麥麩相比更具有多孔性，會增加對水分油脂的束縛，超微粉碎對SDF粒徑影響顯著，比表面積增大可增加其與水分、油脂的結(jié)合，但由表4可知，超微提取的SDF持水、持油和膨脹性明顯低于超高壓和擠壓膨化，說明疏松網(wǎng)絡(luò)孔隙對其結(jié)合力更有利。從膽固醇、膽酸鈉吸附性來看，超微粉碎輔助提取的SDF優(yōu)勢明顯，超微粉碎使粉體聚合度提高，長鏈斷裂、短鏈增加物理吸附能力增強[24]，膳食纖維可通過吸附膽汁酸，加速體內(nèi)膽固醇分解，可降低人體肝和血清中膽固醇含量，物理作用提高黑小麥麩皮SDF溶出量，因此吸附力提高，且模擬腸道環(huán)境(pH7)膽固醇吸附力明顯高于模擬胃環(huán)境(pH2)吸附力，酸性條件有大量氫離子存在，SDF和膽固醇均攜帶部分正電荷，兩者間斥力使得SDF吸附性減弱[25]。綜合分析可知，超微粉碎、超高壓和擠壓膨化的物理作用均對SDF理化性質(zhì)具有明顯改善作用，可提高SDF的加工品質(zhì)。

表4 麥麩SDF理化性質(zhì)測定表

2.4 SDF流變學(xué)性質(zhì)

由圖4可知，SDF黏度隨剪切速率的增大而減小，有剪切變稀現(xiàn)象，屬于假塑性流體，在較低剪切速率下，樣品溶液分子內(nèi)部具有較高的阻力，黏度較大，當(dāng)剪切速率不斷升高，分子間的相互交聯(lián)度持續(xù)降低，因此黏度減小[26]。且從總體變化趨勢來看，各SDF樣品溶液黏度由大到小依次為：超高壓>擠壓膨化>超微粉碎>原樣，有研究表明，高壓作用會使分子內(nèi)部更多的極性基團(tuán)暴露，增加分子表明的電荷，使得分子間以及分子與溶液間的靜電作用增強，擠壓膨化使分子間氫鍵作用加強，因此SDF溶液的黏度增大[27]；在一定范圍內(nèi)，樣品粒徑減小，會使微粒間的相互作用增強，且易與水分子形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[28]，因此超微粉碎提取的SDF黏度較原樣相比有所提高，但要低于其他兩樣品黏度，說明粒度也是影響?zhàn)ざ鹊囊粋€重要因素，超微法所得SDF黏度較小，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的能力要低于超高壓和擠壓膨化。由此可見，改性制備的SDF更適合做穩(wěn)定劑、增稠劑。

圖4 可溶性膳食纖維流體曲線

2.5 SDF抗氧化性質(zhì)測定

由圖5可知，三種物理輔助方式提取的黑小麥麩皮SDF抗氧化活性較普通堿提SDF均有所提高，由圖5a可知，SDF對DPPH自由基清除力較弱，當(dāng)濃度達(dá)到30 mg/mL時，最大清除率為34.65%，清除率由大到小為：超高壓>超微粉碎>擠壓膨化>原樣，不同處理方式對樣品抗氧化活力會有不同程度的影響[17]，如超高壓和擠壓膨化對米糠膳食纖維DPPH清除率有提高作用，可能是因為物理作用使纖維結(jié)構(gòu)變得疏松多孔，活性物質(zhì)得到充分釋放。由圖5b可知，各提取方式所得SDF對ABTS清除率均隨濃度提高而升高，2～6 mg/mL時清除率迅速上升，大于6 mg時清除率趨于平緩，且超微粉碎清除率最強，但與超高壓之間無顯著性差異(P>0.05)，其次為擠壓膨化和原樣。羥自由基是最活躍的活性氧自由基[29]，由圖5c可知，當(dāng)SDF濃度為30 mg/mL時，清除率由高到低依次為：64.13%、62.32%、58.12%、48.77%，超微粉碎和超高壓清除率優(yōu)勢較顯著。樣品還原能力與吸光度成正比，由圖5d可知，當(dāng)濃度大于30 mg/mL時，各SDF還原力具有顯著性差異(P<0.05)，超微粉碎SDF還原力最高。綜合來看，超微粉碎和超高壓提取的SDF抗氧化活性要優(yōu)于其他方式，適當(dāng)?shù)某⒎鬯槭狗垠w微細(xì)化，增加了抗氧化活性物質(zhì)的溶出量，這一結(jié)果與張麗媛等[30]、蔣維等[31]的實驗結(jié)果一致。由此可見物理處理不僅可增加SDF的提取量，而且對其功能活性也有一定改善作用。

圖5 不同提取方式對SDF抗氧化活性影響

3 結(jié)論

確定了黑小麥麩皮SDF改性制備條件，得出超高壓最佳條件為：料液比1∶15，時間15 min，壓力300 MPa，SDF得率為17.72%；超微粉碎至200目時得率最高為17.54%；擠壓膨化最佳條件為：含水量7%，螺桿轉(zhuǎn)速350 r/min，溫度150 ℃，SDF得率為16.17%。改性后SDF的理化特性、流變學(xué)特性和抗氧化活性均得到改善，超高壓和擠壓膨化主要改善其持水、持油力和膨脹性，超微粉碎主要改善SDF降脂及抗氧化活性，超高壓改性SDF黏度最大。物理方式對提高物料可溶性成分的得率具有顯著效果，并且物料組織結(jié)構(gòu)與其性質(zhì)變化具有一定關(guān)系，膨脹疏松多孔性及均勻微細(xì)粒度可增加其吸附特性，改善理化和功能特性，下一步可探索物理處理樣品的微觀結(jié)構(gòu)與其特性變化的關(guān)系，為黑小麥麩皮等加工副產(chǎn)物的改性加工利用提供參考。