米糠不溶性膳食纖維和阿魏酸共同作用對秈米淀粉糊化過程的影響

許 檸，王遠輝，張國治，吳娜娜，李雪琴，譚 斌，曹佳興

1.河南工業大學 糧油食品學院，河南 鄭州 450001 2.國家糧食和物資儲備局科學研究院糧油加工研究所，北京 100037

近年來，隨著國民的主食精細化程度越來越高，導致由飲食引起的慢性病患者增多。米糠是糙米在碾白加工中被碾下的皮層、米胚以及碎米的混合物[1]，其質量占稻谷質量的6%左右[2]。雖然米糠總質量占稻谷的比例不足1/10，但是含有稻谷中約60%的營養成分以及90%以上的人體所需元素[1]。在我國，米糠多年來常被用作動物飼料，其營養價值的利用嚴重不足。米糠經過浸出或榨出油脂后為脫脂米糠[3]，其中膳食纖維總量占脫脂米糠質量的30%～50%[4]。脫脂米糠中的膳食纖維幾乎均為水不溶性膳食纖維[5]，主要組成為纖維素、半纖維素和木質素等[6]。此外，植物細胞壁結構中具有大量的膳食纖維，同時也是多酚類物質的來源。多酚屬于植物的次級代謝產物，多以游離態、可溶共價結合態和不溶共價結合態存在于植物體內,與蛋白質、單糖和有機酸等物質以酯鍵、糖苷鍵和醚苷鍵等形式結合[1]。多酚主要包括酚酸類、黃酮類、類黃酮類、花青素類等物質。米糠中含有多種酚酸類物質，其中最豐富的是阿魏酸[7]。

全谷物食品研究開發的“卡脖子”地方集中在處理全谷物皮層部分，特別是水不溶性膳食纖維。米糠中酚酸雖然相對含量較小，但對全谷物食品的加工特性和食用品質具有一定的影響。周艷青等[8]研究發現，在秈米粉、粳米粉和秈糯米粉中添加米糠膳食纖維會導致其糊化溫度顯著升高，糊化黏度、衰減值和回生值顯著降低。夏文等[9]研究發現，添加米糠膳食纖維于大米淀粉中可以提高其糊化溫度，并分析可能是由于水溶性膳食纖維和淀粉競爭水分抑制淀粉溶脹從而需要更高的糊化溫度。李安平等[3]研究發現，米糠膳食纖維的添加量(0%～15%)對秈米淀粉和粳米淀粉的糊化特性有較大的影響，通過相關性分析發現，米糠膳食纖維的添加量與兩種淀粉的糊化特性中的峰值黏度、崩解值和回生值呈顯著負相關(P<0.05)，與其最低黏度、峰值時間和糊化溫度呈顯著正相關(P<0.05)。吳躍等[10]研究發現當茶多酚添加量(基于淀粉質量)為16%時，秈米淀粉糊化起始溫度(To)、糊化峰值溫度(TP)、糊化終止溫度(TC)、糊化焓值(ΔH)均呈現降低趨勢，茶多酚對秈米淀粉回生有顯著抑制作用。鄒建[11]研究發現，在小麥粉中添加9%的豆渣膳食纖維會降低小麥粉的糊化焓值。作者通過建立不溶性膳食纖維-阿魏酸-淀粉模型體系，討論不溶性膳食纖維-阿魏酸共同作用對秈米淀粉的糊化性質、流變性質、溶脹性質以及熱特性的影響，為研究膳食纖維和酚類物質對淀粉基制品的品質提升提供基礎理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

米糠不溶性膳食纖維(rice bran insoluble dietary fiber，RBIDF)：水分含量7.69%、淀粉含量2.94%、粗蛋白含量12.40%、粗脂肪含量1.41%，實驗室自制；秈米淀粉(indica rice starch，IRS)：水分含量9.54%、淀粉含量86.95%(直鏈淀粉含量14.10%)、粗蛋白含量0.90%、粗脂肪含量0.24%，實驗室自制；阿魏酸(ferulic acid，FA；純度97%)、尿素(純度99%)、二甲基亞砜、碘化鉀(純度99%)、碘(純度99.8%)：上海麥克林生化科技有限公司；PMX-200二甲基硅油：美國道康寧公司；蒸餾水：實驗室自制。

1.2 儀器與設備

電子分析天平、UV5 Bio紫外可見光分光光度計：瑞士梅特勒托利多公司；RVA 4500快速黏度分析儀：波通瑞華科學儀器(北京)有限公司；AR-2000動態流變儀：美國TA儀器公司；SHZ-B水浴恒溫振蕩器：上海博訊醫療生物儀器股份有限公司；DSC 214 Polyma差示掃描量熱儀：德國耐馳儀器制造有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品制備

準確稱量(均以干基計)IRS、RBIDF、FA，分別配制2組混合粉：膳食纖維-淀粉組，以IRS質量為基準，分別添加6%、9%的RBIDF配制成混合粉，樣品依次命名為DF-6、DF-9；膳食纖維-阿魏酸-淀粉組，以IRS質量為基準，分別添加RBIDF、FA。各組混合粉均置于4 ℃冰箱存放待用。其中，RBIDF添加比例為6%、9%，RBIDF和FA的添加比例分別為10∶1、6∶1、3∶1，即配制成6組混合粉：a. 6%RBIDF+0.6%FA；b. 6% RBIDF+1% FA；c. 6% RBIDF+2% FA；d. 9% RBIDF+0.9% FA；e. 9% RBIDF+1.5% FA；f. 9% RBIDF+3% FA，樣品依次命名為DF+FA-6+0.6、DF+FA-6+1、DF+FA-6+2、DF+FA-9+0.9、DF+FA-9+1.5、DF+FA-9+3。以IRS作為空白組，樣品命名為RS。

1.3.2 糊化特性測定

準確稱取3.0 g樣品(以干基計)，參照GB/T 24852—2010測定糊化特性。

1.3.3 流變特性測定

參考李莎莎等[12]的方法，使用直徑40 mm的不銹鋼平板，平板間距1 mm，應變1%，頻率1 Hz。將1.3.1中樣品分別配制成質量分數10%的懸浮液，測試前將配制好的樣品懸浮液進行30 s渦旋，使懸浮液均勻分散，取1.5 mL溶液滴于控溫平板的中心位置，清理掉平板周圍多余的樣品，用二甲基硅油進行密封。測試程序：以2 ℃/min的速率從50 ℃升溫到95 ℃，平衡10 s，再以相同的速率從95 ℃降溫到50 ℃，測定樣品溶液在加熱過程中儲能模量(G′)和耗能模量(G″)的變化情況。

1.3.4 碘結合特性

參考Morrison等[13]的方法，稱取40 mg樣品分散于10 mL尿素-二甲基亞砜溶液，室溫下放置10 min，沸水浴加熱20 min，每5 min振蕩一次，使樣品完全溶解。待溶液冷卻至室溫，取1 mL溶液于100 mL棕色容量瓶中，加入95 mL蒸餾水，2 mL I2-KI 試劑(0.2 g/100 mL I2+2 g/100 mL KI)，定容后立即混勻。室溫下放置15 min后，在500～700 nm處掃描得到最大吸收波長，在520 nm和635 nm處測定吸光度，A635為碘藍值，A635/A520為碘結合力。

1.3.5 熱特性測定

參考高曉旭等[14]的方法，稱取3 mg(以干基計)樣品于坩堝內，按照1∶3(mg/μL)的比例加入蒸餾水，密封后在4 ℃冰箱中平衡24 h。通過DSC軟件分析圖譜得到樣品的T0、TP、TC、ΔH。

1.3.6 數據統計與分析

使用SPSS 22.0對數據進行分析，采用Ducan’s多重檢驗(P<0.05)進行顯著性分析；使用Origin 9.5進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 米糠不溶性膳食纖維和阿魏酸對秈米淀粉糊化特性的影響

峰值黏度是衡量糊化崩解前淀粉顆粒的自由膨脹能力的指標[15]。由表1可知，秈米淀粉中加入不溶性膳食纖維后，體系中的峰值黏度顯著降低；在秈米淀粉-不溶性膳食纖維體系中加入阿魏酸后，體系的峰值黏度進一步顯著降低。這可能是不溶性膳食纖維與淀粉在糊化過程中競爭性吸水[16]，阿魏酸在糊化過程中不斷溶解并與直鏈淀粉、支鏈淀粉相互作用。隨著阿魏酸添加量的增加，體系的峰值黏度呈下降趨勢，一方面可能是由于阿魏酸分子與淀粉分子爭奪水分子[17]，另一方面是由于部分未溶解的阿魏酸固體晶體稀釋淀粉基質，減少淀粉相互作用的頻率[18]。谷值黏度是衡量淀粉在高溫下耐剪切的能力[19]。秈米淀粉加入不溶性膳食纖維后會降低其高溫狀態下的耐剪切性能，阿魏酸的添加會顯著提升體系的谷值黏度。終值黏度是衡量淀粉糊化并冷卻后形成黏糊或凝膠的能力[20]。秈米淀粉加入不溶性膳食纖維后顯著降低體系冷卻后形成凝膠的能力，體系中再加入阿魏酸會進一步減弱?；厣悼珊饬康矸酆姆€定性[21]和短期老化程度[22]。秈米淀粉中加入不溶性膳食纖維后，顯著提升了體系的穩定性，延緩了體系的短期老化程度。這可能是由于不溶性膳食纖維在一定程度上限制了淀粉鏈的流動性，延緩了結晶體的形成[23]。阿魏酸的添加會進一步延緩體系的短期老化程度。引起這一現象的原因可能有幾個方面：阿魏酸分子具有的酚羥基通過氫鍵與支鏈淀粉分子的側鏈結合形成絡合物[24]；直鏈淀粉分子的葡萄糖殘基會形成螺旋形空腔結構[21]，阿魏酸分子作為客體分子經疏水作用力締合形成包合物[25]；阿魏酸溶解后會降低體系的pH值，使淀粉分子發生不可逆酸解[26]。淀粉與阿魏酸形成復合物時，不僅影響淀粉鏈長還會削弱淀粉顆粒中結晶區和無定形區的相互作用[27]。崩解值可衡量淀粉糊的熱穩定性[23]以及糊化過程中淀粉顆粒的破壞程度[28]。秈米淀粉中加入不溶性膳食纖維后可以顯著提升體系的熱穩定性。阿魏酸的加入會更顯著提升淀粉糊的熱穩定性，限制淀粉顆粒被破壞。糊化溫度是加熱使淀粉溶脹形成均勻糊狀物質、體系黏度迅速上升時對應的溫度[19]。對體系而言，加入不溶性膳食纖維對糊化溫度的影響較小，加入阿魏酸卻顯著提高糊化溫度。這可能是阿魏酸分子具有的酚羥基會改變體系的pH值，影響淀粉溶液的電負性以及體系的離子強度[21]。糊化時間是淀粉糊化完成所需的時間[29]。秈米淀粉中加入不溶性膳食纖維會延長糊化時間，阿魏酸的加入會顯著延長體系的糊化時間。

表1 米糠不溶性膳食纖維和阿魏酸對秈米淀粉糊化特性的影響Table 1 Effect of rice bran insoluble dietary fiber and ferulic acid on the gelatinization properties of indica rice starch

2.2 米糠不溶性膳食纖維和阿魏酸對秈米淀粉流變特性的影響

表2 米糠不溶性膳食纖維和阿魏酸對秈米淀粉流變特性的影響Table 2 Effects of rice bran insoluble dietary fiber and ferulic acid on rheological properties of indica rice starch

圖1 動態流變-溫度掃描曲線Fig.1 Dynamic rheological temperature scanning curve

儲能模量即儲存在流體系統彈性形變中的能量，用于表征樣品的彈性；耗能模量即流體系統受力時發生不可逆形變所消耗的能量，用于表征樣品的黏性[30-31]。在升溫階段中，所有體系的儲能模量曲線整體趨勢均隨著溫度逐漸升高而平穩增加，在某一個時間點發生突變而陡增，隨著溫度升高儲能模量繼續增加直至達到峰值后開始下降。在降溫過程中，所有體系的儲能模量曲線呈現一種較平穩的狀態。樣品的耗能模量曲線趨勢大致與儲能模量曲線相似，有所不同的是在降溫過程中耗能模量曲線趨勢更加平緩。升溫階段的儲能模量曲線和耗能模量曲線的趨勢主要反映了淀粉糊化過程中體系的黏彈性變化情況，隨著溫度不斷升高，淀粉顆粒吸水膨脹直至直鏈淀粉分子從淀粉顆粒中釋放出來，作為連續基質包裹淀粉顆粒、不溶性膳食纖維和阿魏酸分子形成三維凝膠網絡[30，32]。由圖1可知，升溫階段中75～90 ℃儲能模量和耗能模量不斷升高，表明凝膠網絡快速形成[32]。降溫階段的儲能模量曲線和耗能模量曲線的趨勢反映的是隨著溫度降低，體系中的直鏈淀粉分子、支鏈淀粉分子和阿魏酸分子之間通過氫鍵作用形成結合區，降低了體系中分子間碰撞作用的頻率，使得G′和G″均有所上升。

2.3 米糠不溶性膳食纖維和阿魏酸對秈米淀粉碘結合特性的影響

淀粉可以與碘發生相互作用[33]，直鏈淀粉分子的螺旋結構會固定較多的碘分子形成藍色復合物，支鏈淀粉分子的支鏈較多，會與碘分子形成紫紅色復合物[34]。碘藍值是衡量淀粉結合碘能力的一個指標[34]。由表3可知，DF組的碘藍值相較于RS組顯著增加，這可能是降溫過程中直鏈淀粉分子形成螺旋結構時受到不溶性膳食纖維的阻礙而暴露出更多的結合位點，使直鏈淀粉分子結合更多的碘分子。DF+FA組的碘藍值變化復雜，相較于添加同比例的DF組，隨著FA添加量的增加，碘藍值呈現明顯的下降趨勢。這可能是由于FA添加量較低時，FA會進一步導致降溫過程中直鏈淀粉分子的螺旋結構重新結合受到阻礙；FA添加量較高時，部分阿魏酸分子會進入直鏈淀粉分子的螺旋內腔，有效阻止碘離子與直鏈淀粉分子結合[33]。

表3 米糠不溶性膳食纖維和阿魏酸對秈米淀粉碘結合特性的影響Table 3 Effects of rice bran insoluble dietary fiber and ferulic acid on iodine binding properties of indica rice starch

碘結合力是直鏈淀粉-碘絡合物和支鏈淀粉-碘絡合物的吸光度的比值，能較為直觀反映2種絡合物的相對含量。由表3可知，DF組相較RS組具有更低的碘結合力，DF+FA組相較于添加同比例的DF組具有更高的碘結合力。這可能是由于淀粉糊化后，直鏈淀粉受到不溶性膳食纖維影響形成的三維凝膠網絡不能更好地包裹支鏈淀粉，使得支鏈淀粉分子和碘離子結合位點更多。而FA會結合在支鏈淀粉分子側鏈形成復合物，阻止碘離子與支鏈淀粉分子結合。

由表3可知，DF組相較RS組具有更低的最大吸收波長，DF+FA組相較于添加同比例的DF組具有更高的最大吸收波長。較低的吸收波長表明與碘絡合的葡萄糖聚合物的聚合度較低[35]，這可能是由于不溶性膳食纖維影響直鏈淀粉分子的鏈長，使得直鏈淀粉分子和碘離子形成的絡合物的分子量減小。DF+FA組樣品的最大吸收波長升高，可能是由于FA與直鏈淀粉側鏈結合增加了直鏈淀粉-碘絡合物的分子量。

2.4 米糠不溶性膳食纖維和阿魏酸對秈米淀粉熱特性的影響

由表4可知，DF組相較于RS組具有更高的T0、TP、TC和更低的ΔH，這與曹芳芳等[36-38]的試驗結果相符合。DF+FA組相較于同比例的DF組具有更高的T0、TP、TC和更低的ΔH，但DF+FA-9+3卻具有較DF-9更低的T0、TP、TC。

表4 米糠不溶性膳食纖維和阿魏酸對秈米淀粉熱特性的影響Table 4 Effects of rice bran insoluble dietary fiber and ferulic acid on thermal properties of indica rice starch

添加不溶性膳食纖維對淀粉熱特性的影響主要有以下幾個方面：添加不溶性膳食纖維會影響淀粉濃度，導致糊化溫度升高[39]；不溶性膳食纖維會對淀粉分子之間形成的網絡結構有物理阻礙作用，使得糊化溫度升高；不溶性膳食纖維具有很強吸水特性，會降低體系的水分活性，從而使淀粉可利用的自由水分降低[37]。阿魏酸對淀粉熱特性的影響主要是溶解的阿魏酸會作用于支鏈淀粉的側鏈，影響微晶區和無定形區之間的耦合力，使淀粉顆粒發生變化[40]。

3 結論

通過分析發現米糠不溶性膳食纖維和阿魏酸對秈米淀粉糊化過程影響的作用方式有所差別。不溶性膳食纖維對秈米淀粉糊化過程的影響主要體現在與淀粉分子競爭性發生水合作用，降低淀粉分子周圍的水分流動性和水分活度以及對淀粉凝膠的網絡結構具有一定的物理阻礙。阿魏酸對秈米淀粉糊化過程的影響較為復雜，主要有以下幾個方面：阿魏酸與淀粉競爭水分子；阿魏酸與支鏈淀粉形成絡合物；阿魏酸與直鏈淀粉形成包合物；阿魏酸使淀粉發生不可逆酸解以及改變體系的電負性、水分活度和離子強度。這一系列的復雜反應導致不溶性膳食纖維和阿魏酸在共同對秈米淀粉糊化過程的影響中既有“協同”作用，也有“拮抗”作用。作者著重從不溶性膳食纖維和阿魏酸對淀粉糊化過程的影響進行分析，但不溶性膳食纖維和阿魏酸之間是否發生反應以及這種反應是否會影響淀粉糊化過程還有待后續做進一步的研究。