超聲改性對燕麥膳食纖維理化性質(zhì)及結(jié)構(gòu)的影響

牛 希，史乾坤，趙城彬*，尹歡歡，許秀穎，吳玉柱，曹 勇，張 浩，劉景圣*

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，小麥和玉米深加工國家工程實驗室，吉林 長春 130118）

燕麥（Avena sativaL.）為禾本科植物，又可稱為莜麥、雀麥，屬一年生草本作物，一般分為帶稃型和裸粒型兩大類。我國以種植裸燕麥為主，主要種植在華北、東北地區(qū)，種植面積達106多萬公頃，而其他國家主要種植帶稃型的燕麥，稱為皮燕麥[1]。現(xiàn)代研究表明燕麥具有降血脂、降血糖、增強免疫等多種保健功能，是美國《時代》專刊推薦的現(xiàn)代人十大最健康的食品之一[2]，是世界上公認(rèn)的營養(yǎng)和醫(yī)療保健價值最高的谷物作物之一[3]。

燕麥中膳食纖維約占其質(zhì)量的13.6%～30.2%[4]，其中包含水不溶性膳食纖維（insoluable dietary fiber，IDF）和水溶性膳食纖維（soluable dietary fiber，SDF），燕麥IDF主要包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素；燕麥SDF主要組成為β-葡聚糖。燕麥IDF具有很好的吸水性和水膨脹能力，能夠促進腸道蠕動、減少肥胖、通便排毒[5]，而SDF具有較好的生理活性，被認(rèn)為是高品質(zhì)的膳食纖維，具有降糖降脂作用，且可以在大腸發(fā)酵，促進腸道健康[6]。SDF含量的高低通常是評價膳食纖維品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)[7]，并且IDF在口感方面相對來說不適合用作食品配料，且天然膳食纖維中大部分為IDF，因此需要通過改性處理來提升SDF的含量，進而提升天然膳食纖維的品質(zhì)。

目前針對膳食纖維的改性方法有生物法（如酶法）、化學(xué)法（如酸法、堿法）、物理法（如超微粉碎、擠壓膨化法）、超高壓等[8]。超聲（ultrasound，US）技術(shù)是一種效率高、耗時短的物理改性方法，它具有空化效應(yīng)、剪切作用以及湍流作用[9]，能夠使膳食纖維中大分子的連接鍵斷裂，轉(zhuǎn)變成小分子組分；同時將部分水不溶性成分轉(zhuǎn)變成水溶性成分，使致密的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變得疏松[10]。Minjares-Fuentes等[11]采用超聲波提升了葡萄渣中半纖維素的提取率，同時提高了其中木葡聚糖、甘露聚糖和木聚糖的含量。張雪絨等[12]利用超聲改性香菇柄膳食纖維，改性后的香菇柄膳食纖維結(jié)合水的能力與抗氧化指標(biāo)均比改性前增加。Huang Lirong等[13]發(fā)現(xiàn)超聲處理能夠改變大蒜秸稈中不溶性膳食纖維的孔隙率和表面積，增強了IDF的功能和理化性質(zhì)。然而，關(guān)于超聲波改性燕麥膳食纖維的研究鮮有報道。本實驗利用超聲波技術(shù)對燕麥膳食纖維進行改性處理，測定改性前后的持水力、水膨脹力、持油力等理化性質(zhì)，分析傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）、X射線衍射、熱特性及微觀結(jié)構(gòu)，以探究改性前后膳食纖維的結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)的構(gòu)效關(guān)系，為提高燕麥膳食纖維的利用率及進一步挖掘其營養(yǎng)價值提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

燕麥膳食纖維 西安千葉草生物科技有限公司；一級大豆油 豐益貿(mào)易私人有限公司；溴化鉀 美國Sigma公司；三羥甲基氨基甲烷（Tris） 美國Genview公司；熱穩(wěn)定α-淀粉酶液、蛋白酶液、淀粉葡萄糖苷酶液 上海阿拉丁生化科技股份有限公司；乙醇、丙酮、氫氧化鈉、鹽酸、乙酸鎂、重鉻酸鉀等試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

SOP電子天平 賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；JY92-2D超聲探頭發(fā)生器 寧波Scientz生物科技股份有限公司；高速離心機 上海安亭科學(xué)儀器廠；Alpha1-4LDplus冷凍干燥機 德國Christ公司；L1100全自動凱氏定氮儀 濟南海能儀器股份有限公司；Zeta plus粒度分析儀 美國布魯克海文儀器公司；臺式掃描電子顯微鏡 荷蘭Phenom公司；VERTEX 70 FTIR儀德國Bruker公司；SmartLab X-射線粉末衍射儀 日本理學(xué)株式會社；Q2000差示掃描量熱（differential scanning calorimetry，DSC）儀 美國TA公司。

1.3 方法

1.3.1 燕麥膳食纖維的超聲處理

在燕麥膳食纖維中以料液比1∶10（m/V）加去離子水，磁力攪拌1.5 h。設(shè)置超聲溫度50 ℃，超聲功率在240、300、360 W的條件下處理30 min，采用間歇式（超聲2 s、間歇4 s）。真空冷凍干燥后即為超聲改性膳食纖維，對應(yīng)標(biāo)記為US-240、US-300、US-360，以未超聲的膳食纖維對照組，記為CON-DF。

1.3.2 超聲改性膳食纖維的基本成分分析

總膳食纖維、IDF、SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)參照GB 5009.88—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中膳食纖維的測定》中的酶質(zhì)量法測定；水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測定》中的稱質(zhì)量法測定；蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中蛋白質(zhì)的測定》中的凱氏定氮法測定；脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)參照GB 5009.6—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪的測定》中的索氏抽提法測定；總灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)參照GB 5009.4—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中灰分的測定》中的直接灰化法測定。

1.3.3 理化性質(zhì)測定

1.3.3.1 持水力測定

持水力的測定參考Xue Zihan等[14]的方法并加以調(diào)整，將離心管在烘箱中干燥后，記錄質(zhì)量（m0/g），將1 g（m1/g）樣品置于20 mL蒸餾水中，在室溫下靜置24 h，并以4 000 r/min離心20 min除去上清液，用濾紙將管壁殘余水分吸干，稱試樣和離心管的總質(zhì)量（m2/g）。持水力按式（1）計算。

1.3.3.2 水膨脹力測定

水膨脹力的測定參考Yan Ling等[15]的方法，將0.2 g（m0/g）樣品放入帶刻度的試管中，測定體積（V0/mL）后，加20 mL蒸餾水，在室溫下靜置24 h，測定吸水后體積（V1/mL）。水膨脹力按式（2）計算。

1.3.3.3 持油力測定

持油力測定參考Chu Jiaxi等[16]的方法，將離心管在烘箱中干燥后，記錄質(zhì)量（m0/g），將1 g（m1/g）樣品置于20 mL大豆油中，在室溫下靜置18 h，并以4 000 r/min離心20 min除去上層油，用濾紙將管壁殘余油滴擦干，稱試樣和離心管質(zhì)量（m2/g）。持油力按式（3）計算。

1.3.4 粒徑測定

使用粒度分析儀測定膳食纖維顆粒的粒徑分布狀況，以蒸餾水為分散介質(zhì)，采用濕法進樣。取少量膳食纖維懸浮液于蒸餾水中制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的溶液，設(shè)置膳食纖維和水的折射率分別為1.470和1.330。

1.3.5 表面微觀結(jié)構(gòu)測定

參照Park等[17]的方法，采用掃描電子顯微鏡觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)，干燥的樣品用雙面導(dǎo)電膠固定在樣品臺上，用洗耳球輕吹樣品表面使樣品單層鋪于樣品表面，然后離子濺射噴金，置于掃描電子顯微鏡觀察臺上進行微觀結(jié)構(gòu)觀察。設(shè)置加速電壓為5 kV，放大倍數(shù)為3 000 倍。

1.3.6 FTIR光譜測定

將1 mg樣品與0.1 g溴化鉀用瑪瑙研缽充分研磨成均勻粉末，使用手動壓力機壓制成薄片，然后進行全波段掃描（4 000～400 cm-1），掃描次數(shù)為64，分辨率為4 cm-1，測定溫度為25 ℃，測定FTIR光譜曲線。

1.3.7 結(jié)晶構(gòu)型測定

參照Chen Xu等[18]的方法，利用步進掃描法測定X射線衍射圖。測定參數(shù)為：Cu-Kα靶；步寬0.02°；掃描速率6（°）/min；掃描范圍：5°～60°。相對結(jié)晶度利用曲線下的峰面積按式（4）計算[19]。

式中：Dc為相對結(jié)晶度；Ac為結(jié)晶區(qū)域峰面積；Aa為非晶區(qū)域峰面積。

1.3.8 熱特性測定

樣品的熱特性通過DSC儀測定，具體參考Zhang Mengyun等[20]的方法并加以修改。取3 mg樣品于鋁盤中，壓片并以空鋁盤為對照。以10 ℃/min的升溫速率由20 ℃升至300 ℃，氮氣流速為50 mL/min。記錄此過程的起始溫度（T0）、峰值溫度（Tp）、終止溫度（Te）和熱焓變（ΔH）。使用Universal Analysis軟件分析得到熱曲線。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理

每組實驗重復(fù)測定3 次，采用SPSS 25.0軟件進行單因素方差分析，P＜0.05為顯著性差異。用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲改性燕麥膳食纖維的基本成分

表1 不同超聲條件改性燕麥膳食纖維前后的基本成分Table 1 Chemical components of raw and modified oat dietary fiber

由表1可知，經(jīng)超聲改性后總膳食纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有顯著變化，但SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)相較對照組顯著增加（P＜0.05），相應(yīng)的IDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著降低，由此可以看出，一定功率的超聲處理會使部分IDF向SDF轉(zhuǎn)化。此外，經(jīng)超聲改性后，燕麥水分、蛋白質(zhì)、脂肪、總灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均未發(fā)生顯著性變化。

2.2 超聲改性燕麥膳食纖維的持水力、水膨脹力及持油力

圖1 不同超聲條件改性燕麥膳食纖維前后的功能性質(zhì)Fig.1 Functional properties of raw and modified oat dietary fiber

由圖1可知，未超聲改性燕麥膳食纖維的持水力為（2.43±0.02）g/g、水膨脹力為（1.94±0.07）mL/g、持油力為（3.23±0.02）g/g，這與Zhang Min等[21]報道的結(jié)果吻合。經(jīng)240 W功率超聲處理后，膳食纖維的持水力、水膨脹力、持油力分別顯著提高了8.0%、52.58%、6.8%（P＜0.05），其中水膨脹力提升幅度最大，可能由于經(jīng)超聲處理后，膳食纖維內(nèi)在結(jié)構(gòu)的部分親水基團暴露，與水結(jié)合的位點增多，纖維質(zhì)地變得疏松，增加了水合面積。隨著超聲功率的增大，持水力、水膨脹力、持油力也增加，在360 W時，相較對照組分別顯著提高20.16%、155.57%、21.98%（P＜0.05）。由此推斷，隨超聲功率的增大，超聲處理對膳食纖維中的大分子組分破壞力增大，使其部分轉(zhuǎn)變成小分子的可溶性組分，從而增加了水膨脹力，使得持水力、持油力提高[22]。梁志宏等[23]采用了堿法、酶法、發(fā)酵法和超聲輔助酶法對殘次裂棗進行處理，也得到了相似的結(jié)論，不同方式對棗進行處理，使棗膳食纖維的骨架結(jié)構(gòu)遭到破壞，質(zhì)地變得疏松更易于水分子滲入，導(dǎo)致持水力與水膨脹力提高，而親水基團暴露的同時更多的親油基團也裸露，使持油力增大。

2.3 超聲改性燕麥膳食纖維的粒徑分析結(jié)果

圖2 不同超聲條件改性燕麥膳食纖維前后的粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of raw and modified oat dietary fiber

由圖2可以看出，超聲改性后的燕麥膳食纖維粒徑分布的主峰均發(fā)生左移，說明粒徑減小。燕麥膳食纖維的粒徑主要分布于100～2 000 nm。對于未超聲處理的燕麥膳食纖維，其粒徑分布有兩個峰，最高峰處所對應(yīng)的粒徑為1 281.34 nm，微分分布為15.83%，相對來說粒徑偏大，分布較均勻；經(jīng)240 W超聲處理的膳食纖維粒徑明顯向左偏移，在50～100 nm處出現(xiàn)小峰，主峰在300～800 nm之間，說明超聲的空化、剪切等物理作用使得部分大粒徑的燕麥膳食纖維被破壞，粒徑減小，質(zhì)地變得松散[24]，從而提高了膳食纖維的毛細(xì)管吸引力，進而提高了對水、油類物質(zhì)的物理吸附，從而使其持水力、水膨脹力、持油力得到了顯著改善。隨著功率的增加，其對膳食纖維結(jié)構(gòu)破壞程度增加，經(jīng)360 W超聲處理后出現(xiàn)3 個峰，最高峰對應(yīng)的粒徑分別為13.55、190.14 nm和955.41 nm，相較對照組粒徑變小，膳食纖維組分發(fā)生變化；但主峰位置相較低功率超聲向右偏移，可能由于小粒徑的膳食纖維又發(fā)生重聚集現(xiàn)象，這與Luo Xianliang等[25]得到的結(jié)果相似。

2.4 超聲改性燕麥膳食纖維表面的微觀結(jié)構(gòu)

由圖3可知，未改性的燕麥膳食纖維表面結(jié)構(gòu)致密，成塊狀蜷曲，表面有粗顆粒附著，可能為殘余的蛋白[26]（圖3a）；經(jīng)240 W超聲處理的燕麥膳食纖維表面結(jié)構(gòu)發(fā)生輕微的疏松，出現(xiàn)蜂巢形的多孔性特征；隨著超聲功率的增大，孔洞增大且增多（圖3c、d），原因可能是超聲極大程度地破壞了纖維的糖苷鍵及多糖鏈內(nèi)與鏈間的氫鍵作用，暴露出更多的活性基團，分子質(zhì)量降低，聚合度變小，使其結(jié)構(gòu)變得疏松，這為超聲改性后的膳食纖維持水力、水膨脹力、持油力的增加提供了理論依據(jù)。Zhang Yue等[27]報道了經(jīng)化學(xué)修飾后的柑橘膳食纖維，表面出現(xiàn)些許皺紋與孔洞。Yu Guoyong等[28]報道胡蘿卜渣不溶性膳食纖維經(jīng)不同方式處理后，粒徑減小，比面積增大，結(jié)構(gòu)松散，使得持水力增強。這些研究結(jié)果與本實驗的結(jié)果相符。

圖3 不同超聲條件改性燕麥膳食纖維前后的掃描電子顯微鏡圖Fig.3 Scanning electron microscope images of raw and modified oat dietary fiber

2.5 超聲改性燕麥膳食纖維的FTIR分析結(jié)果

圖4 不同超聲條件改性燕麥膳食纖維前后的FTIR圖Fig.4 Fourier transform infrared spectra of raw and modified oat dietary fiber

如圖4所示，超聲前后燕麥膳食纖維的FTIR光譜相似，只是相應(yīng)的波數(shù)下吸收強度稍有變化。燕麥膳食纖維有典型的糖類特征吸收峰。3 414 cm-1處較寬的吸收峰是纖維素和半纖維素的O—H伸縮振動帶，超聲改性后吸收峰強度減弱，可能是超聲處理導(dǎo)致纖維素分子之間的氫鍵斷裂[29]，促使膳食纖維形成粗糙多孔的結(jié)構(gòu)，增加了其與水之間的氫鍵，使得持水力增加。2 920 cm-1處的小尖峰是多糖甲基和亞甲基的C—H拉伸振動所致；1 640 cm-1處的吸收峰為酯類C＝O的非對稱伸縮振動特征峰，1 247 cm-1處的吸收峰是木質(zhì)素強組分的特征性彎曲或拉伸導(dǎo)致的，經(jīng)超聲改性后所對應(yīng)的特征峰值均減小，說明改性后C＝O、木質(zhì)素含量減少，與Zhao Xiaoyan等[30]的報道結(jié)果一致，可能超聲技術(shù)導(dǎo)致部分木質(zhì)素降解，進而轉(zhuǎn)化為可溶性膳食纖維。1 078 cm-1處的吸收峰是半纖維素中醚鍵（C—O—C）的特征峰[31]。895 cm-1處的峰是糖單元中β-糖苷鍵的伸縮振動峰，經(jīng)超聲處理后該吸收峰輕微加強，說明超聲處理使糖單元的連接鍵斷裂，暴露出更多的β-糖苷鍵。612 cm-1處的峰是由α-吡喃糖環(huán)的對稱環(huán)伸縮振動引起的。整體上，經(jīng)超聲處理燕麥膳食纖維的紅外圖譜特征吸收峰的強度有明顯變化，且隨超聲功率的增強，特征峰強度變化更加明顯，導(dǎo)致各纖維素組分重新分布，有些IDF向SDF轉(zhuǎn)化[32]，這些發(fā)現(xiàn)與吳海波等[33]采用空化微射流處理豆渣膳食纖維得到的結(jié)果吻合。

2.6 超聲改性燕麥膳食纖維的結(jié)晶構(gòu)型分析結(jié)果

圖5 不同超聲條件改性燕麥膳食纖維前后的X射線衍射圖Fig.5 X-ray patterns of raw and modified oat dietary fiber

固態(tài)下的纖維素有5 種結(jié)晶構(gòu)型，分別為天然纖維素I和人造纖維素II、III、IV、X[33-34]。圖5為不同超聲條件下改性燕麥膳食纖維的X射線衍射圖，可以看出，在2θ為16°和22°左右時有明顯的結(jié)晶衍射峰，同時在34°處有一個弱衍射峰，呈現(xiàn)出典型的纖維素I晶體構(gòu)型[35]，說明超聲改性并未使燕麥膳食纖維的晶體構(gòu)型發(fā)生明顯改變。而隨著超聲功率的增強，峰型逐漸變得尖銳，說明相對結(jié)晶度提高，這是由于處于非結(jié)晶區(qū)的多糖類物質(zhì)逐漸被水解去除，非結(jié)晶區(qū)占比降低，進而使得結(jié)晶區(qū)占比增加[36]。通過Jade 6.5軟件擬合后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)240、300、360 W改性后燕麥膳食纖維的相對結(jié)晶度分別為12.05%、12.84%、13.14%，相比未超聲處理的10.04%，相對結(jié)晶度分別提高了20.02%、27.89%、30.88%。由此可以看出，超聲功率的增強破壞了纖維素I晶體中的無定形結(jié)構(gòu)，并使得木質(zhì)素、纖維素被水解去除[37]，從而導(dǎo)致持水力、水膨脹力、持油力等理化性質(zhì)的變化。

2.7 超聲改性燕麥膳食纖維的熱特性分析結(jié)果

圖6 不同超聲條件改性燕麥膳食纖維前后的DSC熱分析圖Fig.6 DSC thermograms of raw and modified oat dietary fiber

如圖6所示，與未經(jīng)改性的膳食纖維相比，超聲改性后的樣品在第一個吸收峰位置向左偏移，隨超聲功率的增加偏移程度增大，第二個吸收峰位置相比對照組發(fā)生不同程度的向右偏移，說明燕麥膳食纖維熱穩(wěn)定性發(fā)生改變。DSC熱力學(xué)參數(shù)見表2，當(dāng)溫度在80～120 ℃時，對照組和US-240、US-300、US-360處理組均出現(xiàn)一個吸收峰，分別為102.90、99.42、94.50、92.61 ℃，可能由于在此溫度下纖維吸熱出現(xiàn)水分蒸發(fā)，與Zhang Juan[38]、Slavov[39]等報道的結(jié)果吻合。而超聲改性后的膳食纖維ΔH相比對照組（160.02 J/g）均顯著提高（P＜0.05），US-240、US-300、US-360處理組分別為184.97、194.93、195.26 J/g，說明改性后膳食纖維需要更多的熱量來破壞氫鍵以釋放水[40]。當(dāng)溫度達到200 ℃以上時，出現(xiàn)了第二個吸熱峰，此峰為木質(zhì)素、半纖維素等的初始降解峰，需要吸收熱量[41]。經(jīng)超聲處理后膳食纖維的峰值溫度相較未處理組均顯著升高，US-240、US-300、US-360處理組ΔH從對照組的38.61 J/g分別升高至39.55、40.72、44.72 J/g，表明隨超聲處理強度增加，燕麥膳食纖維的穩(wěn)定性不斷提高，這與其相對結(jié)晶度的增加結(jié)果相吻合。

表2 不同超聲條件改性燕麥膳食纖維前后的DSC熱力學(xué)參數(shù)Table 2 DSC thermodynamic parameters of raw and modified oat dietary fiber

3 結(jié) 論

燕麥膳食纖維經(jīng)超聲處理后粒徑減小，表面結(jié)構(gòu)由致密變得疏松，出現(xiàn)了多孔洞結(jié)構(gòu)，使親水及親油基團暴露，導(dǎo)致持水力、水膨脹力、持油力顯著提高，且隨著超聲功率的增大，孔洞變得多而密，出現(xiàn)深溝。在超聲功率達到360 W時，持水力、水膨脹力、持油力達到最大，相較未處理組分別提高了20.16%、155.57%、21.98%。FTIR、X射線衍射圖譜顯示超聲改性后的各峰強度發(fā)生改變，這是由于纖維素、木質(zhì)素等非結(jié)晶區(qū)的物質(zhì)被水解，非結(jié)晶區(qū)占比降低，進而使得結(jié)晶區(qū)占比增加，從而引起理化性質(zhì)的改變。此外，經(jīng)超聲處理后燕麥膳食纖維ΔH顯著增加，超聲功率為360 W時，ΔH達到最大，顯著改善了燕麥膳食纖維的熱穩(wěn)定性。本研究結(jié)果可為改善燕麥膳食纖維理化性質(zhì)及其廣泛應(yīng)用于食品加工提供理論參考。