蒸汽爆破預處理的苦蕎麩皮不溶性膳食纖維理化特性及結構研究

何曉琴，李葦舟，夏曉霞，雷琳，趙吉春，明建,2*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)2(西南大學 食品貯藏與物流研究中心，重慶，400715)

StudyonphysicochemicalpropertiesandstructureofinsolubledietaryfiberfromTartarybuckwheatbranpretreatedbysteamexplosion

HE Xiaoqin1,LI Weizhou1,XIA Xiaoxia1,LEI Lin1,ZHAO Jichun1,MING Jian1,2*

1(College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China)2(Research Center of Food Storage & Logistics, Southwest University, Chongqing 400715, China)

ABSTRACTThe steam explosion technology was introduced to pretreat theTartarybuckwheatbran, and the physicochemical properties and structural changes of insoluble dietary fiber pretreated with different steam explosion intensity (SE-IDF) were studied. The results showed that the water holding capacity, oil holding capacity and swelling capacity of SE-IDF were significantly lower than those of the non-explosion treatment (P<0.05), and the decrease was slower when the explosion strength was lower than 1.2 MPa and 90 s. However, the inhibition capacity of α-amylase activity, glucose absorption capacity andinvitrofermentation capacity of SE-IDF were significantly increased (P<0.05). And with the increase of steam explosion intensity, it showed a trend of increasing first and then decreasing, and the optimum condition was found at 1.2 MPa and 90 s. Under this condition, thermodynamic parameters suggested that the peak temperature of SE-IDF was increased by 9.26 ℃, and the thermal stability was enhanced. Infrared spectrum showed that the position of hydroxyl group and other functional groups of SE-IDF had a small red shift, which suggested that the cellulose, hemicellulose and lignin components might be partially degraded. Furthermore, the SEM observation showed that the surface of SE-IDF was obviously broken and loose, the particle size was decreased and the relative surface area was increased. Therefore, steam explosion could effectively improve the physicochemical properties and structure ofTartarybuckwheatbran IDF under the optimal condition of 1.2 MPa and 90 s. This study provided a theoretical reference for the development and utilization ofTartarybuckwheatbran IDF and the development of health food.

Keywordssteam explosion;Tartarybuckwheatbran; insoluble dietary fiber; physicochemical properties; structure

苦蕎,蓼科蕎麥屬植物，具有抗氧化、降血壓和降血糖等多種生理功能，是FAO公認的優秀藥食兼用作物[1]。苦蕎麩皮是苦蕎麥加工制粉的副產物，含有40%～55%的膳食纖維(dietary fiber, DF)，其中90%～95%是水不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber, IDF)，水溶性膳食纖維(soluble dietary fiber, SDF)僅為5%～10%[2]。一般認為SDF具有較好的生理活性，可以更好的發揮調節代謝作用，因此國內外學者致力于研究SDF的生理活性和DF的改性，而對IDF的研究鮮有報道。但流行病學研究表明，谷物IDF攝入量與人體血糖反應降低有關，富含IDF物質可以通過抑制α-淀粉酶的作用降低血糖生成指數，可以通過吸附葡萄糖來降低葡萄糖的有效濃度[3]，還可以通過促進結腸微生物酵解生成短鏈脂肪酸(short-chain fatty acid, SCFA)來提高外周胰島素的敏感性[4]，對糖尿病的發生具有很好的控制作用。因此，苦蕎麩皮IDF也是一種有價值的膳食纖維來源，受到越來越多的關注。

由于麩皮IDF質地粗糙，口感不佳，與食品物料親和性較差，嚴重限制了其在食品工業中的應用，造成大量的膳食纖維資源浪費[5]，許多研究者通過提升IDF的處理條件來改善其生理功能和化學結構，以提高其加工性能，更好地回添于強化食品中。常用的方法有化學法、酶法、超聲波處理、高壓均質處理[6]和擠壓處理[7]等。蒸汽爆破技術(簡稱汽爆，steam explosion, SE)是一種新型的食品加工技術，可以通過高溫高壓蒸汽的瞬間釋放破壞細胞壁復雜基質，改變生物大分子的理化特征，以改善物料的傳質速率和化學試劑可及性[8]，具有熱動力效率高、對熱敏性營養成分的保留率高、操作成本低、經濟環保等優點[9]。近年來汽爆技術逐漸被應用到麥麩、豆粕、薯渣等農產品加工副產物的生物活性成分提取和綜合利用中[10]，但還沒有關于苦蕎麩皮IDF的應用報道。因此，本研究以苦蕎麩皮為原料，引入蒸汽爆破技術對其進行預處理，研究不同汽爆壓力和維壓時間對IDF理化功能特性和結構特征的影響，以期為IDF的功能改性和苦蕎麩皮的綜合利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

苦蕎麩皮購自四川西昌，粉碎過60目篩，存放在聚乙烯袋中直至使用。

熱穩定α-淀粉酶、胃蛋白酶及胰酶，購于美國Sigma公司；葡萄糖試劑盒(氧化酶-過氧化物酶試劑盒)，上海榮生生物；乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸及二乙基丁酸，色譜純，購于美國Sigma公司；無水乙醇、丙酮、濃HCl、蒽酮及葡萄糖等均為分析純，購于成都科龍化工試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

QBS-80蒸汽爆破工藝試驗臺，河南鶴壁正道重型機械廠；LGJ-10冷凍干燥機，北京松源華興科技發展有限公司；5810臺式高速離心機，德國Eppendorf公司；RE-52AA旋轉蒸發儀，上海亞榮生化儀器廠；V-1000可見分光光度計，翱藝儀器(上海)有限公司；GC-2010氣相色譜儀，日本島津；JSM-5900LV掃描電子顯微鏡；Spectrun-100傅里葉紅外光譜儀，美國perkin Elmer公司；差示量熱掃描儀，美國TA公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 苦蕎麩皮蒸汽爆破處理

稱取100.00 g苦蕎麩皮，待設備預熱后放入汽爆缸中，合蓋后通入高溫飽和蒸汽，使缸內壓力達到設定值(0.9、1.2、1.5 MPa)后開始計時，維持一定時間(60、90、120 s)，在距離爆破終點還有3 s時，打開氣動閥門瞬間泄壓，在物料回收窗收集汽爆處理后的苦蕎麩皮[11]，冷凍干燥后粉碎過60目篩，得到0.9 MPa/60 s，0.9 MPa/90 s，0.9 MPa/120 s，1.2 MPa/60 s，1.2 MPa/90 s，1.2 MPa/120 s，1.5 MPa/60 s，1.5 MPa/90 s，1.5 MPa/120 s等9組SE-IDF樣品，在4 ℃儲存備用。

1.3.2 苦蕎麩皮IDF的制備

參考ASP等[12]的方法并根據實驗室情況略作修改，具體為：取6.00 g苦蕎麩皮原料粉，加150 mL pH 6.0的磷酸鹽緩沖液，混合均勻后加入600 μL的熱穩定α-淀粉酶溶液，在95～100 ℃的磁力攪拌水浴鍋中水浴35 min，待溶液冷卻后用4 mol/L HCl調節溶液pH至1.5，添加600 μL胃蛋白酶液繼續40 ℃水浴攪拌60 min，待溶液冷卻后用4 mol/L NaOH調節溶液pH至6.8，加600 μL的胰酶繼續40 ℃水浴攪拌60 min，待溶液冷卻后用4 mol/L HCl調節溶液pH至4.5。酶解結束后將酶解液離心過濾(4 000 r/min，10 min)，并用蒸餾水洗滌沉淀物2次，依次用90 mL 78%(體積分數)乙醇，90 mL 95%(體積分數)乙醇和90 mL丙酮洗滌濾渣2次，濾渣凍干制得苦蕎麩皮IDF。

1.3.3 苦蕎麩皮IDF理化性質測定

1.3.3.1 持水力

參考文獻[13]方法并根據實驗室情況稍微改動，取0.50 g苦蕎麩皮IDF樣品于15 mL干燥離心管中，按1∶20(g∶L)加入10 mL去離子水，充分混勻密封，室溫下靜置12 h，4 200 r/min離心10 min，棄去上清液，稱量并計算出濕試樣的質量(W1)，持水力計算如公式(1)所示：

(1)

式中：W1，樣品吸水后的濕質量，g；W，樣品的干質量，g。

1.3.3.2 持油力

參考文獻[13]方法并根據實驗室情況稍微改動，稱取0.50 g苦蕎麩皮IDF樣品于干燥離心管中，加入10 mL橄欖油，在4 ℃混合1 h，4 200 r/min離心15 min，棄掉上層油，用濾紙吸干游離的油，收集沉淀物的質量(W1)，持油力計算如公式(2)所示：

(2)

式中：W1，樣品吸油后的濕質量，g；W，樣品的質量，g。

1.3.3.3 膨脹力

參考文獻[14]方法，準確稱取0.50 g苦蕎麩皮IDF樣品于10 mL量筒中，記錄干樣品體積(V0)后加蒸餾水至刻度，輕輕搖勻以除去溶液中的氣泡，靜置18 h后記錄量筒中樣品膨脹后的體積數(V1)，膨脹力計算如公式(3)所示：

(3)

式中：V1，樣品吸水膨脹后的體積，mL；V0，干樣體積，mL；W，樣品的質量，g。

1.3.4 苦蕎麩皮IDF功能性質測定

1.3.4.1 葡萄糖吸收能力

參考PEERAJIT等[15]的方法，取1.00 g苦蕎麩皮IDF樣品置于100 mL不同濃度的葡萄糖溶液(50、100和200 mmol/L)中，于37 ℃孵育6 h，4 000 r/min離心20 min得到上清液。采用葡萄糖試劑盒測定上清液中的葡萄糖濃度(Cs)，葡萄糖吸收能力計算如公式(4)所示：

(4)

式中；Ci，溶液初始葡萄糖濃度，mmol/L；Cs，葡萄糖吸收飽和后上清液中的葡萄糖濃度，mmol/L；Vi，離心后上清液的體積，mL；m，膳食纖維粉的質量，g。

1.3.4.2 α-淀粉酶活性抑制能力

參考QI等[3]的方法，準確稱取1.00 g苦蕎麩皮IDF樣品，加入4 mg α-淀粉酶和40 mL 40 g/L馬鈴薯淀粉溶液，將其在37 ℃下混合30 min后，3 500 r/min離心15 min。采用葡萄糖試劑盒測定上清液中的葡萄糖濃度N1。以不加IDF為對照試驗，將對照試驗中上清液中葡萄糖含量記為N2，α-淀粉酶活性抑制能力計算公式如式(5)所示：

(5)

式中：N2，空白組葡萄糖濃度，mmol/L；N1，實驗組葡萄糖濃度，mmol/L。

1.3.4.3 體外發酵能力

參考SHIMOTOYODOME等[16]的方法進行體外發酵，培養24 h后發酵液中SCFA含量測定參考ZHAO等[17]的方法，氣相色譜測定條件：色譜柱：DB-FFAP 125型石英毛細管柱(30 m×0.53 mm, 0.50 μm)；升溫程序：初溫100 ℃，保持0.5 min，然后以8 ℃/min的速度升至180 ℃，保持1 min，最后以20 ℃/min升至200 ℃，保持5 min；FID和進樣口溫度分別為240 ℃和200 ℃，氫氣、空氣和氮氣的流速分別為30、300和20 mL/min；進樣量為1 μL，每個樣品運行時間為17.5 min。數據處理在HP ChemStation氣相色譜工作站中進行。

1.3.5 苦蕎麩皮IDF結構表征

參考文獻[18]方法對最優汽爆條件下的苦蕎麩皮IDF和未汽爆苦蕎麩皮IDF樣品結構性質進行表征：差示掃描量熱(differential scanning calorimetry, DSC)分析，分析溫度從30～300 ℃，升溫速率為50 ℃/min，氮氣的流速為50 mL/min；傅里葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)分析，分別稱取約2 mg干燥苦蕎麩皮IDF樣品于瑪瑙研缽中加入100 mg干燥KBr粉末，研細混勻后加入壓模器制成透明片，放入儀器光路中進行掃描，掃描波數為500～4 000 cm-1，掃描次數32次，分辨率4 cm-1；用掃描電鏡(scanning electronic microscopy, SEM)微觀結構觀察，將苦蕎麩皮IDF樣品干燥至恒重后用戊二醛將其固定，表面鍍金后于掃描電鏡下進行觀察，放大倍數為500倍和2 000倍。

1.4 數據處理

采用Origin 8.0和SPSS 19.0軟件整理分析數據，結果以平均值±標準差表示，試驗重復3次，P<0.05表示顯著性差異，采用單因素ANOVA和Duncan多重比較分析。

2 結果與分析

2.1 蒸汽爆破預處理苦蕎麩皮的IDF理化性質變化

IDF在消化道內吸水膨脹，發揮填充、吸附、刺激腸道蠕動等重要作用，可以有效延緩或阻礙餐后血糖的升高，良好的持油力可以有效吸收膽酸汁，對于預防和控制糖脂代謝具有重要作用[19]。不同強度汽爆預處理后的苦蕎麩皮的IDF持水力、持油力和膨脹力變化如表1所示，汽爆處理后苦蕎麩皮IDF持水力、持油力和膨脹力顯著降低(P<0.05)，當汽爆強度在0.9 MPa，60 s～1.2 MPa，90 s時，SE-IDF的持水力、持油力和膨脹力隨著汽爆強度的增大而緩慢降低，分別由(5.38±0.06) g/g，(5.30±0.02) g/g和(4.24±0.11) mL/g下降至(5.25±0.02) g/g，(4.94±0.02) g/g和(4.07±0.08) mL/g，其中持水力和膨脹力仍高于西方國家常用麩皮膳食纖維標準(持水力4.00 g/g，膨脹力4.00 mL/g)[20]，表明在此汽爆強度范圍內的汽爆預處理苦蕎麩皮的水不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber fromTartarybuckwheatbran pretreated by steam explosion, SE-IDF)仍具有較高活性；但當汽爆強度高于1.2 MPa/90s時，SE-IDF的持水力、持油力和膨脹力急劇下降，這與姜永超等[21]汽爆處理菠蘿皮渣研究結果一致。可能是由于汽爆處理破壞了纖維基質和主導水合性質的顆粒毛細結構，形成大的裂縫和空洞，纖維顆粒和顆粒間的空隙減小，導致對水和油的吸附、保留能力相應減弱，導致理化性質降低[22]。

表1 蒸汽爆破預處理苦蕎麩皮的IDF理化性質變化Table 1 Changes of IDF physical and chemical properties of Tartary buckwheat bran pretreated by SE

2.2 蒸汽爆破預處理苦蕎麩皮的IDF功能性質變化

2.2.1 α-淀粉酶抑制能力

膳食纖維可以一定程度上抑制α-淀粉酶的活性，有利于降低腸液葡萄糖釋放速率，這是不可消化食物殘渣和麥麩IDF降血糖作用的主要機理[23]。不同強度汽爆預處理后的苦蕎麩皮的IDF的α-淀粉酶活性抑制能力變化如圖1所示，汽爆預處理可以顯著提高苦蕎麩皮的IDF對α-淀粉酶活性的抑制作用(P<0.05)，在0.9 MPa/60 s～1.2 MPa/90 s汽爆強度范圍時，SE-IDF對α-淀粉酶活的抑制能力隨著汽爆強度的增大而顯著增高(P<0.05)，在1.2 MPa/90 s條件時達到最大值28.27%，比未汽爆處理提高了38.38%，然后α-淀粉酶活性抑制能力隨汽爆強度的增加而逐漸降低。研究認為膳食纖維抑制α-淀粉酶活性的能力可能是由于其對淀粉和酶的包埋作用，這與膳食纖維的多孔纖維網絡微觀結構變化、粒度變化和表面積等因素有關[24]。汽爆處理后，膳食纖維顆粒減小，比表面積和孔隙率增大，更多的網狀結構暴露出來，可以吸附截留更多的α-淀粉酶和淀粉分子，降低了α-淀粉酶和淀粉的接觸遷移速率，從而抑制α-淀粉酶活性，有助于延緩淀粉中葡萄糖的釋放[25]。

圖1 蒸汽爆破預處理苦蕎麩皮的IDF α-淀粉酶活性抑制能力變化Fig.1 Changes of IDF α-amylase inhibitory activity of Tartary buckwheat bran pretreated by SE注：小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.2.2 葡萄糖吸收能力

膳食纖維對葡萄糖的吸收能力可以從體外衡量腸道消化過程中膳食纖維對葡萄糖抑制和轉運能力的大小。汽爆預處理前后苦蕎麩皮的IDF對3種不同濃度葡萄糖(50、100和200 mmol/L)的吸收能力如表2所示，汽爆預處理前后苦蕎麩皮的IDF對葡萄糖都具有一定的吸收能力，且吸收能力與葡萄糖濃度成正比；SE-IDF葡萄糖吸收能力均顯著高于原苦蕎麩皮IDF組(P<0.05)，且在1.2 MPa/90 s條件達到最大值，而后隨著汽爆強度的增加而降低，但總體仍高于桃IDF(0.72～1.95 mmol/L)和燕麥IDF(0.43～0.91 mmol/L)對葡萄糖的吸收能力[3]。汽爆處理后IDF對葡萄糖的吸收能力增強可能是由于其孔隙率和比表面積增加，增強了纖維網絡對葡萄糖分子的捕獲和束縛能力，降低葡萄糖擴散速率[25]，而當汽爆強度過大時，纖維顆粒度減小到一定程度，分子間作用力受到影響形成氫鍵，孔隙結構被破壞，導致IDF對葡萄糖的吸附能力相應減弱[26]。以上結果表明，SE-IDF可以有效吸附葡萄糖，延緩葡萄糖的擴散，這可能有利于延緩葡萄糖在胃腸道的吸收和抑制餐后血糖的升高[27]。

表2 蒸汽爆破預處理苦蕎麩皮的IDF對不同濃度葡萄糖的吸收能力 單位：mmol/g

2.2.3 體外發酵能力

膳食纖維不能被人體消化酶系統所利用，但在結腸可以作為發酵底物被腸道細菌選擇性發酵代謝產生SCFA，對體內的糖脂代謝和胰島素分泌具有重要的調節作用[28]，尤其是丙酸和丁酸可以提高外周胰島素的敏感性，激活腸道糖異生，積極調節血糖和能量內穩態，從而預防和控制糖尿病[4]。不同強度汽爆預處理后的苦蕎麩皮的IDF體外發酵24 h產生SCFA的情況如表3所示，與原苦蕎麩皮IDF相比，SE-IDF體外發酵產生SCFA含量顯著升高(P<0.05)，且在所有SCFA中乙酸占有最大比例；其中在1.2 MPa下，處理60、 90和120 s汽爆條件下的SE-IDF發酵產乙酸、丙酸、丁酸及總短鏈脂肪酸的含量顯著高于其他處理組(P<0.05)，表明該條件下的SE-IDF可能具有更好的發酵性能。IDF的來源和物理結構顯著影響IDF的生物利用度和微生物活性，主要與其化學成分、鍵的類型、取代度、分支結構、顆粒大小等因素有關[29]。據報道，高支化大分子糖對后腸發酵的敏感性較低，汽爆處理的熱效應及剪切作用可以破壞大分子纖維素、半纖維素間的糖苷鍵，使小分子物質增加，這可能部分解釋了汽爆處理后IDF發酵能力的提高[30]。

表3 蒸汽爆破預處理對苦蕎麩皮的IDF體外發酵能力的影響 單位：mmol/g

2.3 蒸汽爆破預處理苦蕎麩皮的IDF結構性質變化

2.3.1 DSC分析

利用差示掃描量熱法對最優汽爆條件(1.2 MPa/90 s)的SE-IDF和未汽爆處理的苦蕎麩皮IDF(original insoluble dietary fiber, O-IDF)樣品進行熱力學穩定性評估，結果如圖2所示，2組樣品均呈現典型吸熱峰，SE-IDF的峰值溫度(236.38 ℃)比O-IDF的峰值溫度(227.12 ℃)提高了9.26 ℃。上述結果

A-O-IDF;B-SE-IDF圖2 苦蕎麩皮IDF的DSC分析曲線Fig.2 DSC analytical curve of IDF from Tartary buckwheat bran

表明，經過蒸汽爆破處理后苦蕎麩皮IDF的熱穩定性增強，可能原因是汽爆處理使IDF中長鏈膳食纖維含量減少，而短鏈膳食纖維增多，含有更多的氫鍵鏈接，從而需要更高的能量來分解[13]。

2.3.2 FTIR分析

A-O-IDF;B-SE-IDF圖3 苦蕎麩皮IDF的傅里葉紅外光譜圖Fig.3 Fourier transform infrared spectra of IDF from Tartary buckwheat bran

2.3.3 SEM分析

利用掃描電子顯微鏡對汽爆預處理前后苦蕎麩皮的IDF的微觀結構進行觀察，結果如圖4所示。與O—IDF結構相比，SE-IDF結構發生明顯的變化。O—IDF表面完整，整體呈現塊狀，組織結構緊密，而SE-IDF表面層次增加，組織疏松多孔，顆粒變小，內部比表面積和孔隙率明顯增大，該結構可能為葡萄糖、α-淀粉酶和淀粉分子的結合提供了更大的空間，可以部分解釋汽爆后IDF功能性質的提高[36]。先前的研究證實，蒸汽爆破處理過程中，存在著類酸性水解、熱降解、類機械斷裂、氫鍵破壞和結構重排等協同作用，強烈的爆破和剪切力很容易破壞纖維素包裹的半纖維素和木質素，導致麩皮微表面的熔融狀態及多孔破碎結構，有助于改善物料顆粒大小及結構[37]，這與本文的研究結果一致。

A-O-IDF，B-SE-IDF圖4 苦蕎麩皮IDF的掃描電鏡圖Fig.4 Scanning electron microscope of Tartary buckwheat bran IDF

3 結論

蒸汽爆破預處理苦蕎麩皮后，苦蕎麩皮IDF的持水力、持油力和膨脹力隨著汽爆強度的增加而降低，在汽爆強度為0.9 MPa/60 s～1.2 MPa/90 s時下降較慢，但當汽爆強度為高于1.2 MPa/90 s時下降明顯；苦蕎麩皮IDF的α-淀粉酶活性抑制能力、葡萄糖吸收能力和體外發酵產生短鏈脂肪酸能力隨著汽爆強度的增加而呈先增加后降低的趨勢，在1.2 MPa，90 s條件下整體達到最優，對該汽爆條件下的苦蕎麩皮IDF結構性質進行表征，DSC結果表明SE-IDF的峰值溫度提高了9.26 ℃，熱穩定性增強；FTIR分析顯示SE-IDF的羥基等官能團位置發生小范圍紅移，推測纖維素、半纖維素及木質素可能發生部分降解；SEM觀察發現SE-IDF表面明顯破裂疏松，孔隙結構增多，相對表面積增大，這些特征可能有助于其功能特性的提高。綜上所述，在1.2 MPa/90 s汽爆條件下預處理苦蕎麩皮，可以較好的保持苦蕎麩皮IDF的理化性質，顯著提高苦蕎麩皮IDF的功能特性及熱力學穩定性，一定程度改變苦蕎麩皮IDF的微觀結構，得到的汽爆苦蕎麩皮IDF具有一定的作為纖維強化食品及降血糖功能性食品配料的潛力，這為苦蕎麩皮預處理及深加工綜合利用提供了新的思路。