米糠膳食纖維對小麥淀粉糊老化性質的影響

周穎，朱玉杰，吳瓊英*，賈俊強

1. 江蘇科技大學生物技術學院（鎮江 212018）；2. 江蘇科技大學糧食學院（鎮江 212004）

淀粉是小麥籽粒中的主要組成物質，約占小麥籽粒干質量的70%；小麥淀粉包含約15%的直鏈淀粉和約85%的支鏈淀粉，其中支鏈淀粉對小麥面粉制品的表觀和食用品質有重要作用[1]。由于受環境溫度、儲藏時間和水分含量等因素影響，小麥制品在運輸、貯存過程中容易發生淀粉老化現象[2]，最終引起食品品質變化，如顏色、風味、口感和消化性等品質變差，因此進行小麥淀粉抗老化研究，對于小麥面粉制品品質的改良具有重要的意義[3]。研究發現非淀粉類多糖等能夠顯著延緩淀粉的老化。肖東等[2]通過分析瓜爾膠、卡拉膠、魔芋膠3種親水多糖對鮮濕面老化的鮮濕面老化動力學方程與分子結構模型，發現瓜爾多膠的添加量為0.4%時，抑制鮮濕面老化的效果最好，儲藏21 d后的鮮濕面老化度大大低于對照組。張春媛等[3]采用差示掃描量熱儀（DSC）、黏度儀（RVA）以及質構儀（TPA）3種方式評價了茶多糖對小麥淀粉老化的影響，結果發現茶多糖能夠延緩小麥淀粉的回生。常曉紅等[4]探究了聚葡萄糖對大米淀粉凝膠老化特性的影響，結果顯示聚葡萄糖可抑制大米淀粉凝膠的重結晶，進而說明聚葡萄糖能夠延緩大米淀粉的老化。

米糠是稻谷脫殼加工后的副產品，其產量大、價格低廉，大多被用作動物飼料或被丟棄，用途單一，不能使米糠得到充分的利用，導致資源的浪費[5]。米糠膳食纖維具有改善便秘、抗氧化、調節血糖和血脂水平等作用[6-10]，是米糠主要的組成成分之一。研究發現米糠膳食纖維對大米淀粉[5]和小麥淀粉[5]均具有延緩老化作用，因此在淀粉類食品中添加米糠膳食纖維既能賦予食品營養又能改良其食品品質，具有良好的應用前景。然而目前關于米糠膳食纖維抗淀粉老化的研究尚不夠深入，米糠膳食纖維對小麥直鏈淀粉、支鏈淀粉的老化作用尚鮮見報道。試驗通過提取不同相對分子質量的米糠膳食纖維，分別研究它們對小麥直鏈淀粉和支鏈淀粉在糊化后的質構、紅外光譜和X衍射等品質影響，以期為米糠膳食纖維在小麥淀粉制品品質改良中的進一步應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮米糠（含碳水化合物81.1%、蛋白質7.2%、脂肪0.7%、灰分4.6%），恒冠米業公司；高筋小麥粉，市售。

堿性蛋白酶，諾維信（中國）生物技術有限公司；a-淀粉酶，北京索萊寶科技有限公司；正丁醇、異戊醇、氫氧化鈉、石油醚、無水乙醇、氯化鈉，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

TMS-Pro型質構分析儀，美國FTC公司；CP153分析天平，常州奧豪斯儀器有限公司；DF-101S集熱式磁力加熱攪拌器，金壇市白塔新寶儀器廠；Lyo Quest型真空冷凍干燥機，西班牙Telstar公司；H-1600RW微型高速臺式冷凍離心機，上海利鑫堅離心機有限公司；HH·S21-6-S型電熱恒溫水浴鍋，上海精其儀器有限公司；PHS-3C型pH計，上海儀電科學儀器股份有限公司；FTS2000型傅里葉紅外光譜儀，美國安捷倫；XRD-6000型X射線衍射儀，日本島津公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 米糠膳食纖維的乙醇分級沉淀組分制備

1.3.1.1 米糠粗膳食纖維的制備

采用雙酶分步法制備米糠粗膳食纖維[11]。稱取10 g脫脂米糠，加入100 mL蒸餾水，用a-淀粉酶在pH 6.0、加酶量0.18%和酶解溫度75 ℃條件下酶解3.5 h，然后用堿性蛋白酶在pH 8.0、加酶量2.0%和酶解溫度60 ℃下酶解2.5 h，沸水浴滅酶10 min；冷卻后在5 000r/min下離心10 min，收集上清液，上清液經濃縮后加入4倍體積的無水乙醇，在4 ℃冰箱靜置過夜，在5 000 r/min離心10 min，收集沉淀，干燥后即為米糠粗膳食纖維。

1.3.1.2 分級沉淀分離及組分的相對分子質量確定

參考文獻[12]，采用分級醇沉法進行不同相對分子質量可溶性膳食纖維的分離。將得到的米糠粗膳食纖維用蒸餾水配制成1%溶液，加入無水乙醇使溶液的乙醇體積分數達到40%，在4 ℃靜置過夜后離心，收集沉淀，40 ℃烘干后記作SDF-40組分；將離心后的上清液繼續加入無水乙醇，使溶液乙醇體積分數達到60%，在4 ℃靜置過夜后離心，收集沉淀，40 ℃烘干后記作SDF-60組分，將離心后的上清液繼續加入無水乙醇，使溶液乙醇體積分數達到80%，在4 ℃靜置過夜后離心，收集沉淀，40 ℃烘干后記作SDF-80組分。

根據參考文獻[13]，利用Sephadex G-100柱層析法建立葡聚糖標準品分子質量對數（IgWM）和分配系數（Kd）之間的關系，確定了SDF-40組分、SDF-60組分和SDF-80組分的分子質量分別約為8.02×104，3.40×105和4.46×103Da。

1.3.2 小麥直鏈淀粉和支鏈淀粉的制備。

1.3.2.1 小麥淀粉的制備

稱取50 g小麥面粉，加入適量蒸餾水，邊加邊攪拌直至形成面團，靜置20 min后，將面團放入盛有蒸餾水的面盆中進行搓洗，再用紗布覆蓋燒杯口，將淀粉漿進行過濾，再離心取下層白色淀粉，40 ℃烘干，研磨后即為小麥淀粉[14]。然后所得的小麥淀粉用于下列直鏈淀粉和支鏈淀粉的制備。

1.3.2.2 直鏈淀粉和支鏈淀粉的制備

參考文獻[15]，采用正丁醇沉淀法分離制備。稱取10 g干燥的小麥淀粉，用少量無水乙醇潤濕，加入350 mL 0.5 mol/L的氫氧化鈉，沸水浴中攪拌20 min，至溶液由渾濁變澄清，待冷卻后離心，上清液用3 mol/L的鹽酸調至中性，然后加100 mL正丁醇-異戊醇（3∶1）混合液，置于沸水中并攪拌約10 min，冷卻至室溫后在4 ℃冰箱靜置48 h，離心后得到的沉淀為直鏈淀粉，上清液中的淀粉為支鏈淀粉，將所得的直鏈淀粉和支鏈淀粉分別在40 ℃烘干后備用。

1.3.3 直鏈淀粉和支鏈淀粉的糊化和老化

稱取20 g小麥直鏈淀粉或小麥支鏈淀粉，分別向其中添加0.5%的米糠膳食纖維組分（SDF-40、SDF-60或SDF-80），加入約40 mL蒸餾水，攪拌均勻后在沸水浴糊化20 min，冷卻至室溫，即可得到淀粉糊（直鏈淀粉糊或支鏈淀粉糊）[16]。

將上述直鏈淀粉糊或支鏈淀粉糊分別置于4 ℃冰箱1，3，5，7，9和11 d進行抗老化試驗，通過分析老化過程中淀粉糊質構品質變化，評價米糠膳食纖維組分對小麥淀粉糊抗老化的影響。

1.3.4 質構特性測定

將淀粉糊樣品切成3 cm×3 cm×3 cm的正方形小塊，采用TMS-Pro型質構分析儀進行質構特性的分析。測試探頭為直徑為2 cm的圓柱形探頭P/5，探頭測試速率為1.0 mm/s，形變量為60%，觸發力為0.15 N。由質地特征曲線得到淀粉糊質地參數：硬度、彈性和咀嚼度。使用SPSS 26.0軟件進行統計分析，每個處理設4個重復，結果用“平均值±標準偏差”表示。

1.3.5 紅外光譜分析

將不同添加量的SDF-40與小麥支鏈淀粉混合，糊化后于4 ℃儲存7 d，凍干。再將該樣的凍干粉與KBr以1∶100的質量比混合，研磨后壓片，置于FTS 2000傅里葉紅外光譜儀中得到樣品的紅外光譜，用OMNIC紅外分析軟件找到1 047 cm-1和1 022 cm-1處的峰，通過1 047 cm-1與1 022 cm-1的吸光度比值來判斷淀粉老化程度。

1.3.6 X射線衍射分析

將不同添加量的SDF-40與小麥支鏈淀粉混合，糊化后于4 ℃儲存7 d，凍干。使用X射線衍射儀測定凍干后支鏈淀粉的晶型。凍干樣經研磨過孔徑0.425 mm篩，將樣品倒于樣品板上至稍有凸起，在其上用玻璃板緊壓。衍射條件選擇X-衍射管為銅對陰極，Ni過濾器，電壓40 kV，電流200 mA，掃描速率為5 °/min，測量范圍為2θ=5°～80°。

2 結果分析

2.1 米糠膳食纖維分級組分對小麥淀粉糊老化過程中硬度的影響

硬度的大小是評價淀粉老化的重要指標之一。米糠膳食纖維對小麥淀粉糊老化過程中硬度的影響如圖1所示。從圖1可知，直鏈淀粉糊和支鏈淀粉糊的硬度均隨著貯存時間的延長而增加，這說明隨著貯存時間的延長，淀粉糊的老化程度加深。在貯存的前3 d，直鏈淀粉糊的硬度的增長速率較大，貯存3 d后其硬度的增長速率變緩（圖1（a））。對于支鏈淀粉糊來說，在貯存時間0～5 d范圍內其硬度的增長速率較大，隨后趨于平緩。在淀粉老化研究中，老化的第一階段主要歸因于直鏈淀粉的快速再結晶，這也稱為短期老化；第二階段主要歸因于支鏈淀粉外側短鏈的緩慢結晶，這也稱為長期老化[17-18]，說明直鏈淀粉比支鏈淀粉短時間內更易老化，這與研究結果一致。添加米糠膳食纖維組分（SDF-40、SDF-60和SDF-80）對小麥直鏈淀粉糊和支鏈淀粉糊的硬度均有明顯影響，其硬度基本低于對照組（未添加米糠膳食纖維組）的硬度，其中添加SDF-40組分的小麥淀粉糊的硬度最小；在貯存11 d時，與對照組相比，添加SDF-40的小麥直鏈淀粉糊的硬度降低了6.97%；而添加SDF-40的小麥支鏈淀粉糊的硬度則降低了24.27%。

2.2 米糠膳食纖維分級組分對小麥淀粉糊老化過程中彈性的影響

淀粉類食品在貯存過程中的彈性變化與淀粉老化有密切關系，米糠膳食纖維對小麥淀粉糊老化過程中彈性的影響見圖2。由圖2可知，隨著貯存時間的延長，直鏈淀粉糊的彈性快速增加，在1 d達到最大，隨后逐漸降低；支鏈淀粉糊的彈性在3 d達到最大，然后逐漸降低。這表明與支鏈淀粉相比，直鏈淀粉更易老化。從圖2（a）可以看出，米糠膳食纖維組分對小麥淀粉糊彈性有顯著影響，添加SDF-40能夠提高直鏈淀粉糊的彈性，而添加SDF-60和SDF-80則降低了直鏈淀粉糊的彈性。在貯存11 d時，添加SDF-40能使直鏈淀粉糊的彈性提高5.97%。從圖2（b）可以看出，SDF-40和SDF-60對小麥支鏈淀粉糊的彈性具有良好的改善作用；在貯存11 d時，添加SDF-40和SDF-60能使支鏈淀粉糊的彈性分別提高4.24%和8.37%。

圖1 米糠膳食纖維對小麥淀粉糊老化過程中硬度的影響

圖2 米糠膳食纖維對小麥淀粉糊老化過程中彈性的影響

2.3 米糠膳食纖維分級組分對小麥淀粉糊老化過程中咀嚼度的影響

咀嚼度作為評價饅頭品質的重要指標，也是評價淀粉糊化后老化程度的重要指標之一。在一定程度的范圍內，咀嚼度越小，凝膠越軟，淀粉凝膠的咀嚼度與硬度、黏聚性和彈性有關，其中硬度影響最大[19]。由圖3可知，貯存時間對小麥淀粉糊老化過程中咀嚼度有明顯影響。隨著貯存時間的延長，對照組、添加SDF-40組、添加SDF-60組的直鏈淀粉糊的咀嚼度呈先增加后快速降低趨勢，在1 d達到最大（圖3（a））；對于小麥支鏈淀粉來說，隨著貯存時間的延長，其淀粉糊（對照組、SDF-40、SDF-60和SDF-80）的咀嚼度隨著貯存時間的延長先增加后逐漸降低（圖3（b））。在貯存11 d時，添加SDF-40、SDF-60和SDF-80分別使直鏈淀粉的咀嚼度降低25.7%，25.4%和23.4%，分別使支鏈淀粉糊的咀嚼度降低41.9%，34.3%和25.5%，這與米糠膳食纖維分級組分對小麥淀粉糊老化過程中硬度的影響趨勢基本一致。

圖3 米糠膳食纖維對小麥淀粉糊老化過程中咀嚼度的影響

2.4 傅里葉紅外光譜結果分析

紅外光譜常用于化學物質的定性分析及確定分子結構，可以根據紅外光譜判斷淀粉結構是否發生變化或者在淀粉結構中是否引入了新的官能團，中紅外（4 000～200 cm-1）是研究和應用最多的區域。每一個官能團都對應一個特征吸收峰，根據這些特征吸收峰強弱和位置可以確定其官能團的結構[20]。淀粉的傅里葉紅外光譜特征吸收峰主要包括：在波數3 380 cm-1附近有一個極寬的O—H鍵伸縮振動導致的吸收峰；在波數2 930 cm-1附近有H—C—H鍵反對稱伸縮振動導致的吸收峰；在波數1 650 cm-1附近有H—O—H鍵彎曲振動導致的吸收峰；在波數1 350 cm-1附近有O—C—H鍵、C—C—H鍵和C—O—H鍵彎曲振動導致的吸收峰；在波數1 150 cm-1附近有C—O和C—C鍵的伸縮振動導致的吸收峰；在波數1 080 cm-1附近有C—H鍵的彎曲振動導致的吸收峰；在波數1 018 cm-1附近有C—O鍵的伸縮振動和C—O—C彎曲振動；996～1 000 cm-1處的吸收峰是C—OH的彎曲振動，對應于淀粉大分子羥基所形成的氫鍵結構[21-22]。其中波數1 047 cm-1和1 022 cm-1吸光度的比率可以反映淀粉顆粒表面有序性狀況，用1 047 cm-1/1 022 cm-1來表示淀粉的結晶區，用1 022 cm-1/998 cm-1來表示淀粉的非結晶區，1 047 cm-1/1 022 cm-1～1 022 cm-1/998 cm-1被稱作淀粉結構因子指數，來表示結晶區所占比例的大小[23]。圖4顯示的是不同添加量SDF-40的小麥支鏈淀粉老化后的紅外光譜圖。結果顯示，隨著SDF-40添加量的增加，各個峰振動基本沒有發生變化，沒有產生新的峰和新的基團，1 047 cm-1/1 022 cm-1的吸光度比值呈逐漸減小的趨勢，添加了SDF-40的支鏈淀粉的吸光度比值1 047 cm-1/1 022 cm-1均小于純支鏈淀粉，結晶含量少，說明老化程度較小，進而說明SDF-40具有抗支鏈淀粉的老化能力，且SDF-40的含量越多，抗老化作用越強（圖5）。

圖4 不同SDF-40添加量的小麥支鏈淀粉紅外光譜圖

圖5 不同SDF-40添加量對小麥支鏈淀粉紅外吸光度比值（1 047/1 022 cm-1）的影響

2.5 X衍射圖譜結果分析

圖6顯示的是不同添加量SDF-40的小麥支鏈淀粉老化后的X衍射圖。可以看出，沒有添加SDF-40時，小麥支鏈淀粉在2θ靠近17°時出現強峰，這是典型的B-型結晶結構，而B-型結構的形成原因為支鏈淀粉的長期回生[23]，隨著SDF-40添加量的不斷增加，在2θ靠近17°處的峰強度逐漸減弱，表明SDF-40可抑制支鏈淀粉的重結晶，具有一定的抗老化效果，在10%的SDF-40添加量時，在2θ靠近17°處的峰強度最弱，重晶體的含量最少。晶體的形成與否或多少代表了淀粉老化的程度，晶體含量越高，結構更有序的淀粉老化程度越高。添加了SDF-40的支鏈淀粉其結晶量均少于純支鏈淀粉，表明SDF-40的添加使支鏈淀粉老化程度更小，對支鏈淀粉具有抗老化的作用，這與質構分析結果一致。

圖6 不同SDF-40添加量的小麥支鏈淀粉X衍射圖譜

3 結論

從米糠膳食纖維中分離出SDF-40、SDF-60和SDF-80三個組分，分別研究這些組分對小麥淀粉糊質構品質和老化特性的影響。結果表明，SDF-40組分能夠明顯改善小麥直鏈淀粉糊和支鏈淀粉糊的質構品質；在經過長達11 d貯存后，添加SDF-40組分使小麥直鏈淀粉糊和支鏈淀粉糊的硬度分別降低6.97%和24.27%，使小麥直鏈淀粉糊和支鏈淀粉糊的彈性分別提高5.97%和4.24%，使小麥直鏈淀粉糊和支鏈淀粉糊的咀嚼度分別降低25.7%和41.9%。SDF-40組分在延緩小麥支鏈淀粉老化能力大于小麥直鏈淀粉，這可能與直支鏈淀粉老化的順序及性質有關。紅外光譜和X衍射圖表明，添加SDF-40組分的支鏈淀粉在1 047/1 022 cm-1的吸光度比值減小，在17°處的峰強度也降低。研究結果表明，SDF-40組分具有良好的延緩小麥淀粉老化的作用，抑制小麥支鏈淀粉的老化效果更明顯。