改性米糠不溶性膳食纖維對大米粉物化特性的影響

李文意，劉婷婷，張閃閃，陳玥彤，滕 旭

(吉林農業大學食品科學與工程學院1，長春 130118) (吉林省糧食精深加工與高效利用工程研究中心2，長春 130118) (農業農村部食用菌加工技術集成科研基地3，長春 130118) (吉林省糧食精深加工與副產物高效利用技術創新重點實驗室4，長春 130118)

米糠是稻谷加工的副產物，其膳食纖維質量分數為25%～35%[1]，米糠膳食纖維中主要成分為不溶性膳食纖維，目前對于米糠不溶性膳食纖維的研究集中在改性技術的探索及生物活性的增強方面。改性處理后的米糠不溶性膳食纖維的物性、結構及功能特性均發生變化。Jqi等[2]發現硫酸改性的米糠不溶性纖維對葡萄糖的擴散有更強的抑制作用；Zhang等[3]對比了3種改性方法對米糠不溶性膳食纖維理化性質、結構、功能特性的影響，證實了羧甲基化對米糠不溶性膳食纖維的影響最大。改性處理使不溶性膳食纖維在某種程度上能夠發揮可溶性膳食纖維的作用，增強其生理活性，擴大不溶性膳食纖維在食品基質中的應用范圍。

大米是加工各種特色米制品的主要原料，其粗淀粉質量分數高達80%，因此米制品屬于高碳水、高熱量、低膳食纖維的食物[4]，而且大米粉還存在保水能力低，易脫水老化等不良特性[5]，導致米制品在儲藏時間、可接受性和營養方面不能滿足人們的需求。近年來消費者更加注重米制品的感官品質及營養價值，如何改善大米粉的食用品質及營養特性成為本領域的研究熱點。Wang等[6]發現添加合適粒徑的高比例竹筍不溶性膳食纖維可使大米淀粉顆粒通過強烈的分子內和分子間氫鍵聚集，降低了大米淀粉的黏度和硬度；劉成梅等[7]發現大豆可溶性膳食纖維可提高大米淀粉凝膠的黏性，對大米淀粉短期老化的抑制效果更為顯著。目前，已有研究表明米糠膳食纖維對大米粉糊化[8]和老化[9]特性具有一定的作用，但有關改性處理后的米糠不溶性膳食纖維對大米粉理化性質的研究鮮有報道。

本研究以改性米糠不溶性膳食纖維為原料，對添加不同比例改性米糠不溶性膳食纖維的大米粉溶解度和膨脹度，糊化特性、流變特性、質構特性、熱特性以及微觀結構進行研究。此研究擴大了改性米糠不溶性膳食纖維在米制品中的潛在應用，為富含改性米糠不溶性膳食纖維的米制品開辟了新的可能性。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大米粉(140目)；米糠(60目)；耐高溫α淀粉酶(120 KNU/g)、堿性蛋白酶(2.4 AU/g)。

1.2 儀器與設備

QBS-80蒸汽爆破機，RST-CC多功能糊化黏度儀，TMS-Pro質構儀，DHR-3流變儀，DSC-250差示掃描量熱儀，Phenom-Word BV冷凍電子顯微鏡。

1.3 方法

1.3.1 改性米糠不溶性膳食纖維的制備

將米糠采用超臨界CO2萃取技術進行脫脂[10]處理，將脫脂后的米糠采用酶解法[11]提取米糠不溶性膳食纖維，提取的米糠不溶性膳食纖維以填料量100%、氣爆壓力2.5 MPa、保壓300 s條件進行蒸汽爆破處理[12]，處理好的改性米糠不溶性膳食纖維在60 ℃烘干至恒重，過120目篩后于干燥器保存備用。

1.3.2 改性米糠不溶性膳食纖維對大米粉溶解度和膨脹度的影響

參照顧玲等[13]的方法，稱取混合粉0.1 g(干基)，改性米糠不溶性膳食纖維的添加量按大米粉干質量的0%、2%、4%、6%、8%、10%比例進行稱取，裝于已知質量的離心管中，定容到5 mL，分別在溫度為50、60、70、80、90 ℃下的恒溫振蕩水浴鍋中振蕩35 min，在離心機中離心20 min，將上清液倒入已質量恒定的鋁盒中并于105 ℃下烘干至質量恒定并稱量，稱取此時的離心管的質量。計算溶解度和膨脹度公式為：

(1)

(2)

式中：P1為離心管的質量/g；P2為去除上清液后離心管的質量/g；W為樣品質量(干基)/g；A1為鋁盒的質量/g；A2為烘干后鋁盒的質量/g；S為樣品的溶解度。

1.3.3 改性米糠不溶性膳食纖維對大米粉糊化特性的影響

稱取14.4 g大米粉加入120 g蒸餾水配置成溶液，將改性米糠不溶性膳食纖維按大米粉干重的0%、2%、4%、6%、8%、10%比例加入到溶液中混合均勻。測量參數為：整個樣品分析時間為65 min，樣品在50 ℃保溫1 min，然后勻速升溫到97 ℃，時間為14 min。97 ℃下保持7.5 min，再以同樣的速率進行降溫至50 ℃并保持。攪拌槳轉速為200 r/min，測量點數為1 200個。

1.3.4 改性米糠不溶性膳食纖維對大米粉流變特性的影響[14]

1.3.4.1 靜態流變學

稱取1.3.3糊化后樣品，平板直徑選用40 mm，測量溫度25 ℃，剪切速率從0～100 s-1遞增，平衡1 min后再從100～0 s-1遞減，分析這一過程內剪切應力的變化。選用Power law模型擬合。

σ=kγn

(3)

式中：σ為剪切應力/Pa；k為稠度系數/Pa·sn；γ為剪切速率/s-1；n為流體行為指數(無因次)。

1.3.4.2 動態流變學

稱取1.3.3糊化后樣品，平板直徑選用40 mm，間隙1 mm，掃描應變1%，溫度25 ℃，頻率0.1～10 Hz，觀察儲能模量(G′)、損耗模量(G″)及損耗角正切值(tanδ=G″/G′)隨頻率的變化。

1.3.5 改性米糠不溶性膳食纖維對大米粉凝膠質構特性的影響

將糊化后樣品于4 ℃冰箱冷藏24 h形成凝膠，運行模式Texture Profile Analysis(TPA)，P-36R探頭，樣品壓縮2次，2次測定間隙時間為5 s。測量期間溫度為25 ℃。測前2.0 mm/s，測中1.0 mm/s，測后2.0 mm/s，距離為4 mm，目標模式為應變60%。

1.3.6 改性米糠不溶性膳食纖維對大米粉熱特性的影響

稱取大米粉 5 g(干基)，依次加入大米粉干基質量0%、2%、4%、6%、8%和10%的改性米糠不溶性膳食纖維置于10 mL的蒸餾水中攪拌30 min。稱取5 mg樣品于DSC坩堝中壓緊制成片狀在室溫下平衡24 h，將樣品以10 ℃/min的速率從30 ℃升溫至110 ℃進行 DSC熱掃描[15]。

1.3.7 改性米糠不溶性膳食纖維對大米粉微觀結構的影響

將1.3.3制得的樣品糊冷卻至室溫，于4 ℃冰箱冷藏24 h，取少量樣品置于化后樣品固定在釘形樣品臺上，用配套冷臺設置溫度，使樣品迅速冷凍至玻璃態，放在電子顯微鏡中成像觀察。

1.3.8 統計分析

所有實驗數據進行3次平行測試，用平均值±標準差表示，利用SPSS 20.0統計軟件對數據進行顯著性分析，Origin 8.0繪圖。

2 結果與分析

2.1 改性米糠不溶性膳食纖維對大米粉溶解度和膨脹度的影響

大米粉的溶解度和膨脹度可以反映出大米粉和水分子之間的相互作用強度，體現大米粉顆粒在水中受熱時自由膨脹分散的能力[16]。如圖1所示，大米粉的溶解度和膨脹度隨著改性米糠不溶性膳食纖維添加量的增加而不斷降低，這是因為改性米糠不溶性膳食纖維不僅包裹在大米粉顆粒表面，阻礙了大米粉顆粒的崩解，減弱了大米粉顆粒膨脹和浸出；而且與大米粉競爭水分子，阻礙了大米粉的水合與膨脹，抑制大米粉顆粒表面孔洞的擴張，減少了直鏈淀粉的滲出。直鏈淀粉含量越少，溶解度和膨脹度越低，糊化越不充分[17]。

注：不同字母表示顯著性差異(P<0.05)。圖1 改性米糠不溶性膳食纖維對大米粉溶解度和膨脹度的影響

表1 改性米糠不溶性膳食纖維對大米粉糊化特性參數的影響

圖2 改性米糠不溶性膳食纖維對大米粉糊化曲線的影響

2.2 改性米糠不溶性膳食纖維對大米粉糊化特性的影響

由圖2可知，隨著改性米糠不溶性膳食纖維添加量的增加，大米粉的糊化曲線逐漸下降，當改性米糠不溶性膳食纖維質量分數為6%時，下降幅度最大。由表1可知，添加改性米糠不溶性膳食纖維的大米粉糊化溫度顯著升高，且與改性米糠不溶性膳食纖維添加量呈正相關，說明大米粉糊化過程需要更高的溫度，糊化過程變慢。同時改性米糠不溶性膳食纖維的加入也引起大米粉(峰值、谷值、最終)黏度、崩解值和回生值的顯著降低。其中當改性米糠不溶性膳食纖維質量分數為6%時，大米粉黏度下降幅度最大。大米粉黏度的變化主要與大米粉的支鏈淀粉有關[18]。在糊化過程中改性米糠不溶性膳食纖維具有良好的水合能力，其親水基團與大米粉競爭水分子，改性米糠不溶性膳食纖維的水合能力高于大米粉，弱化了大米粉與水分子的相互作用，沒有足夠的水吸附到大米粉支鏈淀粉分子上，支鏈淀粉不會完全形成黏性物質，導致大米粉體系的黏度值降低。

在糊化過程中，崩解值是糊化曲線上峰值黏度與谷值黏度的差值，可以反映大米粉顆粒完整性和大米粉糊的熱穩定性[19]。加入改性米糠不溶性膳食纖維后，大米粉體系的崩解值隨其添加量的增加而降低，說明改性米糠不溶性膳食纖維能夠提高大米粉在高溫和高剪切力下的耐受性，增強大大米粉的穩定性。回生值與大米粉直鏈淀粉分子重排水平和重結晶有關，反映出大米粉在冷卻過程中黏度上升以及短期老化的程度，回生值越低，短期老化程度就越低[20]。大米粉的回生值隨改性米糠不溶性膳食纖維添加量的增加而降低，特別是在改性米糠不溶性膳食纖維質量分數為6%時，大米粉的回生值降低了50%。由于改性米糠不溶性膳食纖維加入，一方面可以抑制糊化過程中直鏈淀粉的滲漏；另一方面，改性米糠不溶性膳食纖維與糊化初期滲漏的淀粉中可溶性組分發生氫鍵作用，阻礙大米粉中淀粉分子的聚合，大米粉的抗老化能力增強[21]。

2.3 改性米糠不溶性膳食纖維對大米粉流變特性的影響

2.3.1 改性米糠不溶性膳食纖維對大米粉靜態流變特性的影響

由圖3可知，所有樣品的剪切應力隨剪切速率的增加而增加，表明大米粉具有假塑性流體特征。在同一剪切速率下，大米粉的剪切應力隨改性米糠不溶性膳食纖維添加量的增加而降低，且均比未添加大米粉的剪切應力小。上行曲線(0～100 s-1)和下行曲線(100～0 s-1)不重合，說明大米粉具有剪切稀化的性質。隨著剪切速率增大，上行曲線與下行曲線圍繞產生一個順時針的觸變環，表明大米粉具有觸變性[22]，該觸變環面積的大小可以表征凝膠網絡結構被破壞形成新網狀結構的難易程度。隨改性米糠不溶性膳食纖維添加量的增加，觸變環面積變小，說明大米粉凝膠網絡結構更穩定，剪切穩定性更強[23]。

圖3 改性米糠不溶性膳食纖維對大米粉靜態流變特性的影響

用Power law方程將數據擬合，結果見表2。每組樣品的決定系數R2均大于0.99，說明 Powerlaw方程和曲線之間有良好相關性。大米粉體系的流體行為指數(n)均小于1，說明體系為假塑性流體。同時，上行曲線的K值高于下行曲線的K值，說明大米粉具有剪切變稀的性質。隨著改性米糠不溶性膳食纖維添加量的增大，上行曲線和下行曲線的K值均降低，n值升高，說明添加改性米糠不溶性膳食纖維后，大米粉的黏稠性降低，流動性增強。這是因為改性米糠不溶性膳食纖維與大米粉分子間形成氫鍵，當受到高強度外部剪切作用時，氫鍵部分斷裂而發生解旋，內部結構遭到破壞，大米粉剪切應力降低[24]。這與糊化實驗結果保持一致。

表2 改性米糠不溶性膳食纖維的添加對大米粉靜態流變擬合參數影響

2.3.2 改性米糠不溶性膳食纖維對大米粉動態流變特性的影響

動態黏彈性能夠影響凝膠體系實際應用性能，G′表示儲存能量而可恢復的彈性性質，G″表示消散能量的黏性性質[25]。由圖4可知，所有樣品的G′和G″隨頻率的增加而不斷增大，G′始終大于G″，且兩者無交叉，表現為典型的弱凝膠行為[26]。大米粉樣品的G′和G″隨著改性米糠不溶性膳食纖維添加量的增加而降低,說明改性米糠不溶性膳食纖維改變了大米粉的動態模量，降低了大米粉的黏彈性。這是因為在大米粉中添加改性米糠不溶性膳食纖維，改性米糠不溶性膳食纖維的親水性使其在糊化的進程中與大米粉競爭水分子，影響大米粉顆粒的膨脹與破裂，導致滲漏的直鏈淀粉含量減少，分子間相互纏繞和交聯程度越低，形成凝膠網絡結構越弱。tanδ值均小于1，表明樣品具有彈性特征。tanδ值隨改性米糠不溶性膳食纖維的添加量的增加而不斷升高，說明大米粉體系彈性降低，黏性比例增加，流動性增強[27]。這與糊化結果相符合。

圖4 改性米糠不溶性膳食纖維對大米粉動態流變特性的影響

2.4 改性米糠不溶性膳食纖維對大米粉凝膠質構特性的影響

通常采用凝膠質構測量來模擬凝膠制品在口腔里的咀嚼過程。從表3中可以看出，隨著改性米糠不溶性膳食纖維添加量的增加，大米粉凝膠的硬度、彈性、黏性以及咀嚼性均下降，而回復性變化不大，說明大米粉影響了大米粉的質構特性。大米粉凝膠的硬度反映大米粉凝膠的回生程度，與大米粉中直鏈淀粉和支鏈淀粉密切相關。大米粉糊化過程中滲漏的直鏈淀粉越多，分子間相互纏繞和交連的作用越強，大米粉凝膠的強度就越大，硬度、黏性和咀嚼性就越大[28]；此外大米粉中支鏈淀粉分子間的相互纏繞使大米粉形成更為柔軟且不易被破壞的凝膠結構。添加改性米糠不溶性膳食纖維使得大米粉糊化過程不充分，未糊化的大米粉顆粒沒有被水溶脹破壞，抑制了直鏈淀粉分子間的聚合和重排，減弱了直鏈淀粉分子間的相互作用力，使大米粉凝膠的質地更為柔軟。

表3 改性米糠不溶性膳食纖維對大米粉凝膠質構特性影響

2.5 改性米糠不溶性膳食纖維對大米粉熱特性的影響

熱力學性質能夠反映大米粉在水溶液中加熱糊化的難易程度。隨著改性米糠不溶性膳食纖維添加量的增加，大米粉體系的To、Tp和Tc值有略微的升高，ΔH顯著下降。在糊化過程中ΔH可以體現大米粉直鏈淀粉雙螺旋結構的解聚和損失程度，當在改性米糠不溶性膳食纖維添加量為6%時，ΔH從2.28 J/g降低到1.39 J/g，降低幅度最大。這是因為改性米糠不溶性膳食纖維親水性較強，與大米粉競爭水分子，使大米粉體系中可用水或游離水較少，淀粉鏈活性受到限制。同時，改性米糠不溶性膳食纖維與滲漏的直鏈淀粉相互作用，產生空間位阻，阻礙了直鏈淀粉和支鏈淀粉的聚合，導致結晶區和非晶區之間的耦合力發生改變，熔化所需要的熱焓值降低，ΔH降低說明改性米糠不溶性膳食纖維對大米粉短期回生具有明顯的抑制作用。

2.6 改性米糠不溶性膳食纖維對大米粉微觀結構的影響

由圖5可見，大米粉凝膠表面是出無規則、粗糙的多孔結構，孔隙度較大。隨著改性米糠不溶性膳食纖維的加入，大米粉凝膠表面孔洞變小，結構更加光滑、緊密，特別是在改性米糠不溶性膳食纖維添加量為6%時，結構更為致密。改性米糠不溶性膳食纖維與大米粉競爭水分子，阻礙水分子進入大米粉顆粒內部，大米粉凝膠孔洞變小。此外改性米糠不溶性膳食纖維填充在大米粉顆粒的基質空間內，與滲漏的直鏈淀粉和支鏈淀粉相互作用，對大米粉的結構進行重新排列，限制再生過程中淀粉分子間氫鍵的形成，從而影響顆粒間的相互作用[29]，類似的觀察結果也在添加瓜爾膠的大米淀粉[30]和添加可溶性膳食纖維的玉米淀粉[31]中報道。大米粉形成緊密的結構，這有利于凝膠的柔軟性，可以降低大米粉的重結晶和老化程度，這與DSC結果保持一致。

表4 改性米糠不溶性膳食纖維對大米粉熱特性影響

3 結論

不同添加量的改性米糠不溶性膳食纖維對大米粉糊化特性、流變特性、凝膠質構特性、熱學特性及微觀結構有顯著影響。添加改性米糠不溶性膳食纖維降低了大米粉的溶解度和膨脹度；糊化過程中大米粉黏度降低，糊化溫度升高，糊化過程得到延緩；大米粉體系的假塑性及剪切稀化現象更明顯；動流變學特性表明添加改性米糠不溶性膳食纖維大米粉的黏性比例增大，流動性增強；同時大米粉凝膠硬度、彈性、黏性下降，質地更為柔軟；差示掃描量熱分析表明，隨著改性米糠不溶性膳食纖維添加量的增加，大米粉的To、Tp和Tc值略微升高，ΔH逐漸降低，說明改性米糠不溶性膳食纖維對大米粉體系的回生有抑制作用；添加改性米糠不溶性膳食纖維，大米粉凝膠孔洞變小，表面更加光滑、緊密，表明改性米糠不溶性膳食纖維降低了大米粉的重結晶和老化程度。本研究為改性米糠不溶性膳食纖維在食品中的應用提供了參考。