蒸汽爆破處理苦蕎麩皮膳食纖維改性分析

何曉琴，劉 昕，李葦舟，趙吉春，李富華，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）

苦蕎麥（Fagopyrum tataricumL. Gaertn.）是我國特有的藥食兼用作物，主要集中生長在海拔較高的高寒山區和高原山區，其制粉加工副產物——苦蕎麩皮含有極豐富的膳食纖維和酚類化合物，是抗氧化膳食纖維的良好來源[1-3]。谷物可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）具有良好的抗氧化活性、凝膠特性、發酵能力和黏度，可以有效預防和控制2型糖尿病的發生和發展，具有極大研究價值[4-5]。天然來源的苦蕎麩皮SDF含量較低，難以達到高品質膳食纖維比例要求，限制了其在食品領域中的應用[1]。此外，由于苦蕎麩皮層組織結構致密、口感粗糙帶有苦味、難以消化等原因[6-7]，導致其常被作為燃料、飼料進行低值化處理，不僅污染環境，還會造成膳食纖維資源的極大浪費[7]。因此尋求適當的破壁改性方法來提高苦蕎麩皮SDF含量，不僅可以提高機體膳食纖維的攝入量，還可以為推進苦蕎麩皮精深加工和促進山區經濟發展做出一定貢獻。

目前對苦蕎麩皮膳食纖維的研究主要集中于基本含量測定、提取工藝優化以及產品研發等，對改性處理的報道相對較少，且現有的改性研究主要集中于酶法[8]、超微粉碎法[9]等常見改性方法。蒸汽爆破技術是一種新興的高效綠色改性手段，原料在密閉容器內被高溫高壓蒸汽充分潤脹，再利用壓力的瞬間釋放造成細胞破裂，使生物大分子類物質發生機械斷裂和結構重排，達到生物大分子改性修飾的目的[9]。Wang Tianlin等[10]利用蒸汽爆破處理甘薯渣，發現其SDF含量、持水力、持油力和膨脹力均顯著提高；Wang Lei等[11]利用稀硫酸結合蒸汽爆破處理桔皮，結果發現SDF含量是未處理的4.20 倍；Chen Ye等[12]利用蒸汽爆破處理豆渣，發現該方法可使SDF含量提高27.5%，且SDF改性后表現出更好的降膽固醇作用。與傳統的生物、化學和物理改性方法相比，蒸汽爆破技術具有耗時短、綠色高效、能耗低的突出優勢，被認為是最有前景的生物質預處理方法[6]。

苦蕎麩皮作為一種優質的抗氧化膳食纖維來源，其提取利用還處于初級研究階段，許多研究已經表明蒸汽爆破處理可能是膳食纖維改性的有效新方法，但目前對于蒸汽爆破苦蕎麩皮膳食纖維改性的研究鮮少，也缺乏對于蒸汽爆破處理后膳食纖維具體成分變化及改性機制的研究。因此，本實驗引入蒸汽爆破技術對苦蕎麩皮進行預處理，通過比較不同蒸汽爆破條件對苦蕎麩皮中膳食纖維含量及麩皮基本成分的影響來確定最佳蒸汽爆破改性條件，并對該條件下的SDF和不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）的單糖組成、SDF體外降血糖活性及結構進行測定，以探究蒸汽爆破處理后麩皮膳食纖維的具體成分變化及可能機制，以期為苦蕎麩皮綜合開發利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

苦蕎麩皮（‘苦蕎3號’）由西昌市三匠蕎麥有限 公司提供，粉碎，過60 目篩，存放在聚乙烯袋中。

熱穩定α-淀粉酶、胃蛋白酶、胰酶 美國Sigma 公司；葡萄糖測定試劑盒（葡萄糖氧化酶-過氧化物 酶法） 上海榮生生物科技有限公司；纖維素、半纖維素、木質素測定試劑盒 蘇州科銘生物技術有限公司；D-半乳糖醛酸、D-葡萄糖、D-甘露糖、葡萄糖醛酸、D-半乳糖、木糖和L-鼠李糖標準品 北京索萊寶科技有限公司；無水乙醇、丙酮、濃鹽酸、濃硫酸、咔唑、蒽酮、葡萄糖（均為分析純） 成都科龍化工試劑廠。

1.2 儀器與設備

QBS-80蒸汽爆破實驗臺 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 上海亞榮公司；V-1000紫外-可見分光光度計 翱藝儀器（上海）有限公司；GC-2010氣相色譜儀、LC-20A液相色譜儀 日本島津公司；掃描電子顯微鏡 荷蘭Phenom Pro公司；Spectrun-100傅里葉變換紅外光譜儀 美國PerkinElmer公司；差示掃描量 熱儀 美國TA公司。

1.3 方法

1.3.1 苦蕎麩皮蒸汽爆破預處理

稱取100.0 g苦蕎麩皮原料，放入蒸汽爆破實驗臺的汽爆缸中，通入高溫飽和蒸汽，當缸內壓力達到爆破壓力（0.9、1.2、1.5 MPa）后開始計時，分別保壓一定時間（60、90、120 s）后，在距離爆破結束3 s時，立即打開氣動閥門泄壓，收集蒸汽爆破處理后的苦蕎麩皮[13]， 冷凍干燥后粉碎，過60 目篩，-4 ℃儲存備用。

1.3.2 蒸汽爆破前后苦蕎麩皮膳食纖維含量測定

參考Asp等[14]的方法并稍作修改。稱取1.0 g經過蒸汽爆破預處理的苦蕎麩皮，加入25 mL pH 6.0的磷酸鹽緩沖液，混合均勻后加入100 μL的熱穩定α-淀粉酶溶液，95～100 ℃水浴15 min，待溶液冷卻后用4 mol/L HCl溶液調節pH值至1.5，加入100 μL胃蛋白酶液于40 ℃水浴60 min，待溶液冷卻后用4 mol/L NaOH溶液調節pH值至6.8，加入100 μL胰酶繼續于40 ℃水浴60 min，待溶液冷卻后用4 mol/L HCl溶液調節pH值至4.5。將酶解液 4000 r/min離心10 min，過濾，并用蒸餾水洗滌沉淀物兩次，收集濾液備用（測定SDF），依次用15 mL體積分數78%乙醇溶液、15 mL體積分數95%乙醇溶液和15 mL無水丙酮洗滌濾渣兩次，將濾渣置于105 ℃烘箱中烘干至恒質量，得到苦蕎麩皮IDF。將上述收集的濾液與預熱至60 ℃的體積分數95%乙醇溶液按體積比1∶4混合，室溫靜置過夜，4000 r/min離心10 min，除去上清液，依次用15 mL體積分數78%乙醇溶液、15 mL體積分數95%乙醇溶液和15 mL無水丙酮洗滌濾渣兩次，將濾渣置于105 ℃烘箱中烘干至恒質量，得到苦蕎麩皮SDF。苦蕎麩皮IDF和SDF含量通過扣除各類膳食纖維中相應的蛋白質、灰分及試劑空白含量進行校正。

1.3.3 蒸汽爆破前后苦蕎麩皮基本成分含量測定

纖維素、半纖維素、木質素含量的測定參考試劑盒說明書。

果膠含量的測定參考Zhou Linya等[15]的方法，取4.0 g苦蕎麩皮樣品于50 mL玻璃試管中，加入35 mL約75 ℃的無水乙醇，在85 ℃恒溫水浴鍋中加熱10 min，冷卻后加入無水乙醇至50 mL，3500 r/min離心15 min，棄上清液，在85 ℃恒溫水浴中用體積分數67%的乙醇溶液洗滌沉淀，離心分離，棄上清液，如此反復洗滌5 次，將洗滌后的果膠沉淀用去離子水全部洗入100 mL容量瓶中，加入5 mL 1 mol/L的NaOH溶液后定容，搖勻并放置15 min，用于比色測定。分別取不同質量濃度（0、20、40、60、80、100 mg/L）的半乳糖醛酸標準溶液和待測液各1.0 mL于25 mL玻璃試管中，分別加入0.25 mL的咔唑-無水乙醇，混勻后迅速加入3.0 mL濃硫酸，在85 ℃水浴鍋中水浴20 min后迅速冷卻，40 min后在525 nm波長處測定吸光度，結果以半乳糖醛酸含量表示，單位為g/100 g。

可溶性糖含量的測定[16]：取0.5 g苦蕎麩皮樣品加入25 mL蒸餾水，100 ℃浸提4 h后過濾得到上清液，然后加入一定量的無水乙醇使乙醇體積分數為80%，在4 ℃冰箱中靜置12 h后離心（3500 r/min、15 min），收集沉淀，用50 mL蒸餾水溶解該沉淀得到可溶性糖待測液，采用苯酚-硫酸法測定該待測液中可溶性糖含量，結果以每一百克干基樣品中含有葡萄糖的質量表示。

總糖含量的測定[16]：取0.25 g苦蕎麩皮樣品于50 mL玻璃試管中，加入7.5 mL蒸餾水和5 mL 6 mol/L的HCl 溶液，在100 ℃條件下水解完全，冷卻后用2 mol/L的NaOH溶液中和至pH 7.0，離心（3500 r/min、15 min）得到上清液，并用蒸餾水定容到25 mL，采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定該待測液中總糖的含量，結果以每一百克干基樣品中含有葡萄糖的質量表示。

還原糖含量的測定[16]：取0.25 g苦蕎麩皮樣品于50 mL玻璃試管中，加入12 mL蒸餾水，在50 ℃恒溫水浴鍋中提取30 min，離心（3000 r/min、10 min）得到上清液，收集殘渣加入10 mL蒸餾水重提一次，過濾，合并兩次濾液并用蒸餾水定容到25 mL，采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定該待測液中總糖的含量，結果以每一百克干基樣品中含有葡萄糖的質量表示。

1.3.4 蒸汽爆破前后苦蕎麩皮膳食纖維單糖組成測定

參考Qi Jing等[17]的方法并稍作修改。分別稱取10 mg SDF和IDF樣品于安培瓶中，加入0.2 mL 12 mol/L 的H2SO4溶液，40 ℃水解1 h，然后加入2.4 mL超純水稀釋，使H2SO4濃度為1 mol/L，封口后于105 ℃烘箱中水解2 h，水解液用1 mol/L的KOH溶液中和至pH 7.0，過0.45 mm膜過濾后注入CarboPac PA20高效液相色譜柱（4 mm×250 mm，5 μm），檢測器：脈沖安培檢測器，流動相體積比V（H2O）∶V（NaOH）∶V（CH3COONa）＝ 78.2∶1.8∶20、流速0.5 mL/min、溫度25 ℃。表1為高效液相色譜法測定膳食纖維單糖的標準方程。

表 1 高效液相色譜法測定膳食纖維單糖的標準方程Table 1 Standard equations for the determination of dietary fiber monosaccharides by high performance liquid chromatography

1.3.5 蒸汽爆破前后苦蕎麩皮SDF理化性質測定

持水力參考Wang Lei等[11]的方法進行測定，取0.5 g苦蕎麩皮SDF于15 mL離心管中，加入10 mL去離子水充分混勻，37 ℃靜置12 h后離心（4200 r/min、10 min），棄上清液，按公式（1）計算持水力。

式中：m1為樣品吸水后的濕質量/g；m為樣品干質量/g。

持油力參考Wang Lei等[11]的方法進行測定，取0.5 g苦蕎麩皮SDF于15 mL離心管中，加入10 mL橄欖油充分混勻，在4 ℃下靜置1 h后離心（4200 r/min、10 min），棄去上層油層，按公式（2）計算持油力。

式中：m1為樣品吸油后的濕質量/g；m為樣品干質量/g。

膨脹力參考Chen Ye等[12]的方法進行測定。取1.0 g苦蕎麩皮SDF于20 mL量筒中，加入10 mL蒸餾水充分混勻，在25 ℃下靜置18 h，按公式（3）計算膨脹力。

式中：V0為初始樣品體積/mL；V1為水合樣品體 積/mL；m為樣品干質量/g。

α-淀粉酶活性抑制能力的測定參考Qi Jing等[17]的方法。取1.0 g苦蕎麩皮SDF樣品，加入4 mgα-淀粉酶和40 mL馬鈴薯淀粉溶液（40 g/L），37 ℃下混合30 min后離心（3500 r/min、15 min）。采用葡萄糖試劑盒測定上清液中的葡萄糖濃度c0。以不加SDF樣品為對照，將對照實驗上清液中葡萄糖濃度記為c1，按公式（4）計算α-淀粉酶活性抑制能力。

式中：c0為SDF組上清液中葡萄糖濃度/（mmol/L）；c1為對照組上清液中葡萄糖濃度/（mmol/L）。

葡萄糖吸收能力參考Qi Jing等[17]的方法并略作修改。取1.0 g苦蕎麩皮SDF分別置于100 mL不同濃度（50、100、200 mmol/L）的葡萄糖溶液中，37 ℃孵育6 h后離心（4000 r/min、20 min），得到上清液并記錄體積，參考葡萄糖試劑盒說明書，按公式（5）計算葡萄糖吸收能力。

式中：ci為初始溶液葡萄糖濃度/（mmol/L）；cs為上清液中葡萄糖濃度/（mmol/L）；Vi為離心后上清液的體積/mL；m為苦蕎麩皮SDF樣品質量/g。

1.3.6 蒸汽爆破前后苦蕎麩皮SDF結構特性分析

1.3.6.1 差示掃描量熱分析

參考Wang Lei等[11]的方法，取10 mg干燥的苦蕎麩皮SDF固體粉末密封于差示掃描量熱鋁盒中，在30～300 ℃溫度范圍內以50 ℃/min的速率進行升溫，氮氣的流速為50 mL/min，以空的固體盤作為對照，采用儀器自帶TRIOS軟件進行數據處理。

1.3.6.2 傅里葉變換紅外光譜分析

參考令博[18]的方法，稱取2 mg干燥苦蕎麩皮SDF樣品和100 mg干燥KBr粉末于瑪瑙研缽中研磨均勻，放入壓模器制成透明片后進行掃描，掃描波數500～4000 cm-1、 掃描次數32、分辨率4 cm-1，重復測定3 次，光譜數據使用OMNIC 8.2軟件進行處理。

1.3.6.3 掃描電子顯微鏡觀察

參考令博[18]的方法，取適量干燥至恒質量的苦蕎麩皮和苦蕎麩皮SDF樣品，表面鍍金后在10 kV加速電壓下掃描，觀察樣品微觀結構，放大500 倍和2000 倍。

1.4 數據處理與分析

除1.3.6節外，各實驗重復測定3 次，結果以平均值± 標準差表示。采用Origin 8.0軟件進行圖表繪制。采用SPSS 19.0軟件對數據進行差異顯著性分析，置信區間為95%，P＜0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 蒸汽爆破對苦蕎麩皮膳食纖維含量的影響

不同蒸汽爆破條件下苦蕎麩皮SDF、IDF含量變化見圖1，與未蒸汽爆破處理相比，蒸汽爆破處理（除1.5 MPa、120 s外）后苦蕎麩皮中SDF含量及SDF占總膳食纖維（total dietary fiber，TDF）含量的比例 （SDF/TDF）均顯著提高（P＜0.05），其中當蒸汽爆破條件由0.9 MPa、60 s改變至1.2 MPa、90 s時，苦蕎麩皮SDF含量從8.63 g/100 g提高至12.36 g/100 g，比未蒸汽爆破處理（8.02 g/100 g）顯著提高了54.11%，SDF/TDF達到22.38%，比未蒸汽爆破處理（15.08%）顯著提高了48.41%（P＜0.05），而后隨蒸汽爆破條件的改變，SDF含量及SDF/TDF均開始下降，在1.5 MPa、120 s時與未蒸汽爆破處理相當。此外，蒸汽爆破處理（除0.9 MPa、60 s外）后苦蕎麩皮IDF含量顯著降低（P＜0.05），當蒸汽爆破壓力和保壓時間由0.9 MPa、60 s改變至1.2 MPa、90 s時，苦蕎麩皮IDF含量從44.20 g/100 g降低至42.89 g/100 g，IDF含量比未蒸汽爆破苦蕎麩皮（45.66 g/100 g）顯著降低了6.01%。以上結果表明，蒸汽爆破可以改善苦蕎麩皮膳食纖維的組成，總體上能提高苦蕎麩皮SDF含量，降低IDF的含量。

圖 1 蒸汽爆破對苦蕎麩皮膳食纖維含量變化的影響Fig. 1 Effect of steam explosion on the content of dietary fiber in tartary buckwheat bran

2.2 蒸汽爆破對苦蕎麩皮基本成分的影響

不同蒸汽爆破條件處理后苦蕎麩皮纖維素、半纖維素、木質素、果膠、可溶性糖、還原糖及總糖含量見表2，與未蒸汽爆破處理相比，蒸汽爆破處理后（除0.9 MPa、60 s外）苦蕎麩皮纖維素、半纖維素、木質素含量及果膠含量均顯著降低（P＜0.05），且總體上隨著爆破壓力的增加降低程度越明顯，在1.5 MPa、120 s條件下各物質含量分別較未蒸汽爆破處理降低了42.73%、54.92%、34.05%和45.11%。而蒸汽爆破處理后苦蕎麩皮可溶性糖、還原糖、總糖含量總體上均較未蒸汽爆破處理顯著提高（P＜0.05），其中可溶性糖、還原糖含量均隨著蒸汽爆破壓力的增加呈先升高后降低趨勢，在1.2 MPa、120 s時達到最大值，分別較未蒸汽爆破處理提高了97.27%和32.26%，與1.2 MPa、90 s條件下無顯著差異（P＞0.05）；當蒸汽爆破條件在0.9 MPa、60 s， 0.9 MPa、90 s，0.9 MPa、120 s，1.2 MPa、60 s和1.2 MPa、90 s變化時，苦蕎麩皮總糖含量緩慢增加，在1.2 MPa、90 s時比未蒸汽爆破處理苦蕎麩皮總糖含量顯著提高了12.40%，而后隨著蒸汽爆破壓力的增加，總糖含量無顯著差異（P＞0.05）。基于此，選擇蒸汽爆破處理條件為1.2 MPa、90 s的苦蕎麩皮進行后續實驗。

表 2 不同蒸汽爆破條件下苦蕎麩皮的基本成分Table 2 Basic components of tartary buckwheat bran treated under different steam explosion intensity g/100 g

2.3 蒸汽爆破對苦蕎麩皮SDF及IDF單糖組成的影響

對1.2 MPa、90 s蒸汽爆破處理的苦蕎麩皮SDF、IDF及未蒸汽爆破苦蕎麩皮SDF、IDF的單糖組成進行測定，如表3所示，蒸汽爆破前后苦蕎麩皮的SDF均由D-甘露糖、L-鼠李糖、D-半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸、D-葡萄糖、D-半乳糖和木糖這7 種單糖組成，且D-半乳糖醛酸、D-甘露糖、L-鼠李糖和D-葡萄糖是苦蕎麩皮SDF最主要的單糖。蒸汽爆破處理后，苦蕎麩皮SDF中的D-半乳糖醛酸和葡萄糖醛酸糖質量分數顯著降低，分別較未爆破處理顯著降低了40.78%和15.07%，而D-甘露糖和D-葡萄糖質量分數分別較未爆破處理顯著提高了126.36%和59.23%（P＜0.05）。苦蕎麩皮IDF單糖組成與SDF一致，蒸汽爆破處理后IDF中的D-甘露糖、L-鼠李糖、D-葡萄糖及木糖質量分數較未爆破處理分別顯著降低了2.34%、23.21%、11.45%和18.02%，而D-半乳糖醛酸質量分數顯著提高38.54%（P＜0.05）。表明蒸汽爆破處理對苦蕎麩皮的SDF及IDF單糖組成均有明顯影響。

表 3 苦蕎麩皮SDF和IDF單糖組成Table 3 Monosaccharide compositions of SDF and IDF in tartary buckwheat bran

2.4 蒸汽爆破對苦蕎麩皮SDF理化性質的影響

對1.2 MPa、90 s蒸汽爆破處理和未蒸汽爆破的苦蕎麩皮SDF理化性質進行測定，如表4所示，蒸汽爆破處理后苦蕎麩皮SDF的持水力、持油力、膨脹力及α-淀粉酶活性抑制能力均顯著提高（P＜0.05），分別較未蒸汽爆破處理提高了74.34%、36.98%、36.23%和29.52%，此外SDF對不同濃度的葡萄糖吸收能力也較未蒸汽爆破處理顯著提高（P＜0.05），在50、100 mmol/L和200 mmol/L濃度下分別較未蒸汽爆破處理提高了12.50%、19.90%和16.37%，表明蒸汽爆破處理對苦蕎麩皮SDF的理化性質具有一定的改善作用。

表 4 蒸汽爆破對苦蕎麩皮SDF理化性質的影響Table 4 Effect of steam explosion on physicochemical properties of SDF from tartary buckwheat bran

2.5 蒸汽爆破前后苦蕎麩皮SDF結構特性分析結果

2.5.1 差示掃描量熱分析結果

圖 2 苦蕎麩皮SDF的差示掃描量熱分析曲線Fig. 2 Differential scanning calorimetry curves of SDF from tartary buckwheat bran

對1.2 MPa、90 s蒸汽爆破處理的苦蕎麩皮SDF與未蒸汽爆破處理苦蕎麩皮SDF的熱力學穩定性進行評估，如圖2所示，兩組樣品均呈現典型的吸熱峰，蒸汽爆破處理后苦蕎麩皮SDF的峰值溫度（205.38 ℃）比未蒸汽爆破處理苦蕎麩皮SDF的峰值溫度（197.85 ℃）提高了7.53 ℃，表明蒸汽爆破處理后苦蕎麩皮SDF的熱穩定性略有增強。

2.5.2 傅里葉變換紅外光譜分析結果

1.2 MPa、90 s蒸汽爆破處理的苦蕎麩皮SDF與未蒸汽爆破處理苦蕎麩皮SDF的傅里葉變換紅外光譜見圖3，3500～3200 cm-1范圍內的一組寬吸收峰是由O—H的伸縮振動引起的[19]，蒸汽爆破處理后苦蕎麩皮SDF的吸收峰峰形變窄，吸收強度提高，說明蒸汽爆破處理可能破壞了纖維素之間的氫鍵，使更多的羥基基團暴露[20]；在2365～2370 cm-1范圍內的吸收峰表示C—H的反對稱伸縮振動；1400～1200 cm-1范圍內出現的小吸收峰是由C—H的變角振動引起的，在1102 cm-1附近的較強吸收峰代表C—O—C中C＝O的伸縮振動，以上幾種吸收峰均為多糖的特征吸收峰，表明樣品的主要成分是糖類物質[19,21]；1649 cm-1附近的吸收峰為木質素中芳香烴化合物的—COOH伸縮振動所引起，表示樣品中含有糖 醛酸[19]。889 cm-1附近的吸收峰是由多糖分子的β-糖苷鍵伸縮振動引起的，蒸汽爆破處理后該處的吸收峰發生一定程度的紅移（由889 cm-1移至872 cm-1），吸收強度變弱，表明蒸汽爆破處理可能使苦蕎麩皮SDF中的部分糖苷鍵斷裂[21]。

圖 3 苦蕎麩皮SDF的傅里葉變換紅外光譜圖 Fig. 3 Fourier transform infrared spectrum of SDF from tartary buckwheat bran

2.5.3 掃描電子顯微鏡觀察結果

利用掃描電子顯微鏡對1.2 MPa、90 s蒸汽爆破處理前后的苦蕎麩皮原料及其SDF的微觀結構進行觀察，如圖4所示，未蒸汽爆破處理的苦蕎麩皮表面結構致密完整（圖4A1、A2）；而經蒸汽爆破處理后的苦蕎麩皮的致密結構被破壞，表皮出現解離斷裂，碎片尺寸減小，孔洞數量增多（圖4B1、B2）；未蒸汽爆破處理的苦蕎麩皮SDF整體呈塊狀，連接密實（圖4C1、C2）；蒸汽爆破處理后的苦蕎麩皮SDF呈現尺寸較為均勻的顆粒結構， 放大2000 倍后能夠清晰地看到疏松多層的蓬松結構，部分甚至出現類似蜂巢狀的多孔結構，內部比表面積和孔隙率明顯增大（圖4D1、D2），以上結果表明蒸汽爆破對苦蕎麩皮及其SDF的結構均有明顯影響。

圖 4 苦蕎麩皮及其SDF的掃描電子顯微鏡圖Fig. 4 Scanning electronic microscopic images of tartary buckwheat bran and its SDF

3 討 論

苦蕎麩皮層組織結構特殊，SDF含量較低，目前難以直接利用，會造成膳食資源的大量浪費，因此需要通過適當的預處理對其進行改性。蒸汽爆破技術是近年來出現的一種新興技術，它被證明是一種成本效益高、應用廣泛的木質纖維材料預處理技術，在膳食纖維熱機械改性方面也展現出良好的潛力[6]。膳食纖維主要由纖維素、半纖維素、木質素及果膠組成，在改性作用下可以通過不同程度地降解成小分子糖來提高SDF含量，由于SDF的親水特性和發酵特性，其通常被認為具有更重要的生理功能[6]，因此，本實驗引入蒸汽爆破技術對苦蕎麩皮進行預處理，以SDF含量為主要評價指標來優化蒸汽爆破條件，同時也對蒸汽爆破前后苦蕎麩皮IDF、纖維素、半纖維素、木質素、果膠、可溶性糖、還原糖及總糖的含量變化進行了測定，結果表明，蒸汽爆破處理后麩皮SDF含量顯著升高，在1.2 MPa、90 s時達到最大值12.36 g/100 g，比未蒸汽爆破處理的苦蕎麩皮SDF含量提高了54.11%，此時SDF/TDF達到22.38%，屬于高品質膳食纖維；IDF的含量變化整體與SDF的含量變化相反，在1.2 MPa、90 s時比未蒸汽爆破處理的苦蕎麩皮IDF含量顯著降低了6.01%，而此時TDF含量較未蒸汽爆破處理無顯著變化，推測在蒸汽爆破預處理過程中出現了部分IDF向SDF的轉變，這與其他麥麩蒸汽爆破改性研究結果[22]一致。蒸汽爆破處理過程的溫和酸性條件和高溫易引發一系列水熱反應，使木質素、纖維素、半纖維素及果膠被水解成單糖和低聚糖，可溶性糖及還原糖含量變化可以一定程度反映纖維素等大分子物質的水解程度[13,22]，在本實驗中，通過對纖維素及糖類物質含量的測定發現，蒸汽爆破處理后，纖維素、半纖維素、木質素含量及果膠含量均顯著降低，可溶性糖、還原糖含量及總糖含量隨著蒸汽爆破壓力的增大呈先升高后降低的趨勢，但整體仍高于未蒸汽爆破處理苦蕎麩皮，推測蒸汽爆破處理使纖維素、半纖維素、木質素及果膠發生了部分降解，一定程度上提高了小分子糖的含量。

苦蕎麩皮富含膳食纖維，主要由非淀粉多糖如葡聚糖、纖維素、阿拉伯木聚糖等構成，其維生素和礦物質含量高于胚乳，這些特性賦予了苦蕎麩皮膳食纖維寶貴的營養和功能特性，在高血脂、糖尿病等代謝性疾病的預防和控制中具有很好的作用[23-24]。對1.2 MPa、90 s蒸汽爆破處理和未蒸汽爆破處理的苦蕎麩皮及其SDF、IDF單糖組成進行測定，結果表明，苦蕎麩皮SDF主要由D-半乳糖醛酸、D-甘露糖、L-鼠李糖和D-葡萄糖組成，蒸汽爆破處理后，SDF中的D-半乳糖醛酸和葡萄糖醛酸糖質量分數顯著降低，表明蒸汽爆破處理可能使果膠發生了降解[25-26]，這與前文果膠含量測定結果一致。此外，蒸汽爆破處理后SDF中D-甘露糖和D-葡萄糖質量分數均顯著提高，可能是由于蒸汽爆破處理使皮渣纖維素分解為可溶性片段，還可能是通過糖苷化反應新合成了水溶性抗消化支化葡聚糖[24]。D-甘露糖、D-葡萄糖、木糖和D-半乳糖醛酸是苦蕎麩皮IDF中的主要單糖，也是大多數植物細胞壁中纖維素和半纖維素的典型成分[27]，蒸汽爆破處理后IDF中的D-甘露糖、L-鼠李糖、D-葡萄糖及木糖質量分數均顯著降低，推測蒸汽爆破處理可能使IDF中的半纖維素和纖維素發生降解[27]。蒸汽爆破處理過程中，存在酸性水解、熱降解、類機械斷裂、氫鍵破壞和結構 重排等協同作用，可以破壞原料內部的組織結構，降低傳質阻力，促進SDF溶出；還可以使某些纖維素、不溶性阿拉伯木聚糖等半纖維素及不溶性果膠類化合物發生熔融或部分斷裂，轉化成水溶性聚合物，從而提高SDF含量[6,28]。因此，蒸汽爆破處理后苦蕎麩皮SDF含量的升高可能來源于物料結構改變導致的SDF溶出增多和IDF的部分轉化[6]。

優良的改性技術不僅應提高物料的SDF含量，更應使其具有優良的品質，膳食纖維的持水力、膨脹力和持油力是評估其加工性能的重要指標[11]。良好的持水力和膨脹力有助于提高麩皮的水合能力，從而增加食物的黏度；此外，強親水性有助于排便，從而能夠有效預防便秘、憩室和結腸癌癥[29]，良好的持油力可以通過阻止食物中多余膽固醇的吸收來達到降血脂的效果，對于預防和控制糖脂代謝異常都具有重要作用[30]，在本實驗中，與未蒸汽爆破處理相比，蒸汽爆破處理后苦蕎麩皮SDF的持水力、膨脹力和持油力均顯著提高，這與Li Bo等[31]通過蒸汽爆破處理豆渣的研究結果一致。膳食纖維的水合性質與纖維來源、成分、孔隙度、比表面積及微觀結構等因素有關，其主要機理是通過表面張力作用將水分包裹在纖維微觀結構中，以及通過氫鍵來吸取水分[32]， 蒸汽爆破過程中高溫高壓處理和強烈的機械作用可以破壞纖維的細胞壁結構，增加比表面積和孔隙率，這有助于水分和油脂充分接觸和滲入纖維組織[6]，在本實驗中，苦蕎麩皮SDF比表面積和孔隙率的增大及親水基團的暴露數量增多可能是其理化性質提高的主導原因。

研究表明，谷物膳食纖維的攝入量與人體餐后血糖反應降低有關，富含膳食纖維的物質可以通過抑制α-淀粉酶的活性和吸附葡萄糖來降低葡萄糖的有效濃度，有助于預防和控制糖尿病[17]。本實驗結果表明，蒸汽爆破處理可以顯著提高苦蕎麩皮SDF對α-淀粉酶活性的抑制作用和葡萄糖吸收能力，這可能是由于SDF較適宜的黏度可以延緩α-淀粉酶及葡萄糖分子的擴散速率，因此具有較好的體外降血糖能力[33]。有研究認為，膳食纖維的體外降血糖能力主要與膳食纖維的多孔網絡、粒徑及比表面積有關[34]，蒸汽爆破處理可以破壞膳食纖維的細胞壁結構，使更多的網狀結構暴露出來，有助于吸附截留更多的α-淀粉酶和淀粉分子，降低α-淀粉酶和淀粉的接觸遷移速率，延緩淀粉中葡萄糖的釋放；此外，孔隙率和比表面積的增加也有助于增強纖維網絡對葡萄糖分子的捕獲和束縛能力，通過降低葡萄糖擴散速率從而提高對葡萄糖的吸收能力[35]。

膳食纖維理化特性的變化與蒸汽爆破后膳食纖維的化學組成和空間結構的改變密切相關，因此，為了更好地探究蒸汽爆破后膳食纖維結構性質的變化及可能改性機制，本實驗對最優蒸汽爆破條件（1.2 MPa、90 s）下的 苦蕎麩皮SDF樣品結構性質進行表征，差示掃描量熱結果表明，蒸汽爆破處理后苦蕎麩皮SDF熱穩定性增強，可能原因是蒸汽爆破處理使苦蕎麩皮SDF中的長鏈纖維斷裂，短鏈中SDF含量增多，暴露出更多的氫鍵，進而需要更高的能量來分解[11]；傅里葉變換紅外光譜結果表明，蒸汽爆破處理后苦蕎麩皮SDF中部分多糖分子糖苷鍵斷裂，更多的羥基基團被暴露，這對SDF的水合性質和熱穩定性產生積極的貢獻，與前文苦蕎麩皮SDF理化性質及熱力學穩定性研究結果一致；掃描電子顯微鏡結果表明，蒸汽爆破處理后苦蕎麩皮的完整結構明顯被破壞，而苦蕎麩皮SDF粒徑明顯變小，孔隙率明顯增大，甚至具有類似蜂巢狀的多孔結構，該結構可能為水分子、葡萄糖、α-淀粉酶和淀粉分子提供更大的空間，從而改善苦蕎麩皮SDF的理化性質及體外降血糖能力[36]。 有研究表明，強烈的爆破和剪切力容易破壞纖維素包裹的半纖維素和木質素，導致麩皮微表面出現熔融狀態，使麥麩的形態和結構發生膨脹和疏松，以增加植物對溶劑或酶的可及性[37]，這與本實驗的研究結果一致。

蒸汽爆破預處理是提高苦蕎麩皮SDF含量和理化特性的一種綠色方法，在最佳蒸汽爆破改性條件（1.2 MPa、90 s）下，苦蕎麩皮SDF的含量可以顯著提高到12.36 g/100 g，達到高品質膳食纖維含量（10 g/100 g）的要求；此外，蒸汽爆破使苦蕎麩皮SDF單糖組成發生明顯變化，熱穩定性也有所增強；傅里葉變換紅外光譜結果顯示，蒸汽爆破改性苦蕎麩皮SDF的羥基基團暴露增加，部分糖苷鍵可能斷裂；掃描電子顯微鏡觀察發現，蒸汽爆破處理后苦蕎麩皮原料表層明顯破裂，而苦蕎麩皮SDF表面孔隙結構明顯增多，推測蒸汽爆破改性機制可能與麩皮纖維素、半纖維素、木質素及果膠的降解、SDF溶出增加及部分IDF轉化成SDF有關；此外，蒸汽爆破改性苦蕎麩皮SDF具有較好的持水力、持油力、膨脹力、α-淀粉酶活性抑制能力和葡萄糖吸收能力，具有作為降血糖功能成分的潛力，可為苦蕎麩皮SDF的利用及保健食品的開發提供新思路。