蒸煮對小米膳食纖維結構及功能特性的影響

徐曉琴，陳金鳳，尤鶯鴿，陳雪琴，李志程，張曉萌，張盛貴

(甘肅農業大學理學院1，蘭州 730070) (甘肅農業大學食品科學與工程學院2，蘭州 730070)

膳食纖維(DF)可以增加排便量、刺激胃腸運動、降低血糖和膽固醇水平等[1]，增加DF攝入量可以降低糖尿病、肥胖和心血管等慢性疾病的風險[2]。根據水中溶解度不同，DF可分為不溶性膳食纖維(IDP)和可溶性膳食纖維(SDF)，IDF和SDF在不同的原料中含量不同，并具有不同的性質[3]。DF主要來自谷物、水果、堅果和蔬菜。小米膳食纖維主要存在于種皮及少量的糊粉層中[4]。在天然植物細胞壁中，細胞壁的結構骨架是纖維素，半纖維素和木質素分散在纖維中，導致DF產率低、功能性差[5]。因此，通過合適的改性方法提高DF的提取率和功能特性，從而提高人體對DF的利用率，已經成為食品加工領域的研究熱點。

小米作為甘肅的主要雜糧作物，具有耐儲藏、耐旱、適應性強等優點，其營養均衡、消化率高，具有抗氧化、消炎、抗癌、抗菌等生理作用[9]。因此，本研究以“隴谷032”小米為原料，首先通過蒸煮處理對小米進行改性，再經過酶法處理提取DF，探討蒸煮處理對DF結構和功能特性的影響，以期為甘肅小米DF的開發和利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 實驗材料

“隴谷032”小米、蛋白酶(1 000 U/g，分析純)、糖化酶(100 000 U/mL，分析純)、高溫α-淀粉酶(20 000 U/mL，分析純)。

1.1.2 儀器與設備

X’Pert-Pro MPD多晶粉末X射線衍射儀，TGA50熱重分析儀和DSC25差示掃描量熱儀，JSM-6701F冷場發射型掃描電子顯微鏡，NEXUS670傅里葉紅外光譜儀，Bettersize 2600激光粒度分析儀。

1.2 方法

1.2.1 蒸煮小米制備

小米室溫浸泡3 h(1∶1，g/mL)，蒸鍋中平攤成2 cm薄層，常壓(98 ℃)蒸制1 h(水沸騰時計時)，手捻易碎且有完整顆粒時取出放入30 ℃烘箱中干燥12 h后磨粉，過40目篩。裝入密封袋儲存于4 ℃冰箱備用。以未蒸煮的小米作為對照。

1.2.2 小米膳食纖維提取

參考AOAC法和Liu等[10]的方法。小米粉用正己烷(1∶2.5，g/mL)脫脂，稱取10.0 g干燥的小米粉，加入250 mL的磷酸鹽緩沖液(pH 6)，500 μL高溫α-淀粉酶，95 ℃酶解30 min。冷卻后將pH調為7.5，加入1 mL堿性蛋白酶(5 mg/mL)，60 ℃水浴30 min。最后將pH調為4.5，加入3 mL糖化酶，60 ℃水浴30 min后離心(5 000 r/min，10 min)分離沉淀和上清液。沉淀依次用蒸餾水、95%乙醇和丙酮清洗3次后再次離心，所得的沉淀即為IDF。收集離心后的上清液，加入60 ℃，95%的乙醇(上清液∶乙醇的體積比1∶4)混勻后靜置12 h，得到的沉淀即為SDF。IDF和SDF經真空冷凍干燥后磨粉，過100目篩。

1.2.3 小米膳食纖維成分測定

在干質量的基礎上，參照GB/T 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》、淀粉測定參照淀粉含量檢測試劑盒、GB/T 5009.4—2016《食品安全國家標準 食品中灰分的測定》、GB/T 5009.5—2016《食品國家安全標準 食品中蛋白質的測定》、GB/T 5009.6—2016《食品安全國家標準 食品中脂肪的測定》分別測定提取的膳食纖維的水分、灰分、粗蛋白、脂肪含量測定。

1.2.4 小米膳食纖維結構性質測定

1.2.4.1 掃描電鏡測定

利用掃描電鏡對樣品結構進行表征，用雙面導電膠帶將樣品固定在樣品臺上，在1 000倍下觀察樣品顆粒形貌。

1.2.4.2 傅里葉紅外光譜測定

樣品與KBr粉末(1∶100)混勻研磨后壓片，在400～4 000 cm-1波數下掃描，分辨率為4 cm-1。

1.2.4.3 X射線衍射的測定

用X射線衍射儀對樣品的晶體結構進行分析，掃描速度為1(°)/min，衍射角(2θ)范圍為10°～80°。

1.2.4.4 粒徑測定

用激光粒度分析儀對樣品的粒徑進行分析。以蒸餾水作為分散劑，通過超聲輔助使樣品分散均勻，設定折射率1.460，粒徑測定范圍0.01～10 000 μm。

1.2.4.5 熱穩定性測定

參考李璐等[11]的方法，利用TGA和DSC對樣品熱特性進行分析，TGA測定參數：升溫范圍在25～800 ℃之間，升溫速率為10 ℃/min，N2流速35 mL/min。DSC測定參數：升溫范圍20～200 ℃，升溫速率10 ℃/min，N2流速50 mL/min。

1.2.5 小米膳食纖維功能性質測定

1.2.5.1 SC、WHC、OHC測定

參考Ma等[12]的方法，稱取0.5 g樣品于10 mL量筒中，加入5 mL蒸餾水，室溫放置24 h，記錄體積；用式(1)計算SC。

SC=(V1-V0)/W0

(1)

式中：V0為膨脹前的體積/mL；V1為膨脹后的體積/mL；W0為樣品質量/g。

參考Ma等[12]的方法，稱取0.5 g樣品于已知質量的離心管中，加入20 mL蒸餾水混勻，室溫振蕩12 h后，5 000 r/min離心10 min。棄去上清液，吸干離心管管壁殘留的水分，稱離心管和沉淀的總質量。用式(2)計算WHC。

WHC=m1/m0

(2)

式中：m1為離心后樣品質量/g；m0為樣品質量/g。

參考Ma等[12]的方法，稱取0.5 g樣品于已知質量的離心管中，加入20 mL菜籽油混勻，室溫振蕩12 h后，5 000 r/min離心10 min，棄去上清液，吸干離心管管壁殘留的菜籽油，用式(3)計算OHC。

OHC=m1/m0

(3)

式中：m1為離心后樣品質量/g；m0為樣品質量/g。

1.2.5.2 膽固醇吸附能力測定

參考Ma等[12]的方法，膽固醇用新鮮蛋黃代替，蛋黃與蒸餾水(體積比1∶9)充分攪拌呈乳液狀態。取0.5 g樣品加入15 mL的蛋黃乳液，調節pH至2.0(模擬胃)和7.0(模擬小腸)，37 ℃振蕩2 h，4 000 r/min離心20 min。用式(4)計算膽固醇吸附量。

膽固醇吸附量=(n1-n2)/m1

(4)

式中：n1為吸附前膽固醇的量/mg；n2為吸附后膽固醇的量/mg；m1為樣品質量/g。

1.2.5.3 亞硝酸鹽吸附能力測定

參考Luo等[13]的方法，取0.5 g樣品加入50 mL 100 μmol/L亞硝酸鈉溶液，調節pH至2.0(模擬胃)和7.0(模擬小腸)，37 ℃振蕩2 h，吸取2 mL上清液，測定吸光度，用式(5)計算亞硝酸鹽吸附量。

亞硝酸鹽吸附量=(n1-n2)/m1

(5)

式中：n1為吸附前亞硝酸鹽的量/μg；n2為吸附后亞硝酸鹽的量/μg；m1為樣品質量/g。

1.3 數據統計與分析

所有實驗平行測定3次。數據采用Excel 2010軟件計算平均值和標準差，通過SPSS 22.0軟件中t檢驗進行顯著性分析，P<0.05表示差異顯著，采用Origin 8.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 小米膳食纖維成分分析

脫脂后的小米經酶處理制備小米膳食纖維，得到的小米膳食纖維中水分、淀粉、灰分和蛋白質的質量分數分別為2.07%、0.12%、0.08%和0.03%，未檢測出脂肪。

2.2 小米膳食纖維結構性質分析

2.2.1 掃描電鏡分析

由圖1觀察可知，4種樣品結構存在明顯差異，IDF和C-IDF表面呈明顯片狀結構，碎片不規則，存有孔洞，C-IDF孔洞更多，表面褶皺明顯，結構更為松散；這與Wang等[14]通過酶法提取獼猴桃膳食纖維，觀察到不溶性膳食纖維孔較多，且結構更加松散、復雜的結果相似。SDF和C-SDF均呈現不規則的塊狀結構，表面有小團塊，C-SDF的表面出現較大的團聚體，相互堆積形成緊密相連的組織；這與Liu等[15]通過酶處理麥麩可溶性膳食纖維的結果類似。C-IDF和C-SDF結構存在差異，可能與蒸煮處理后IDF和SDF降解和聚集有關。蒸煮導致IDF中木質素、纖維素和半纖維素裂解成小分子物質[16]，使得C-IDF表面變得疏松、粗糙，微觀結構發生變化。此外，蒸煮處理增強了顆粒間的結合，使DF結構更有黏結性[17]，從而導致C-IDF和C-SDF顆粒形態的改變。由此可知，IDF和SDF微觀結構存在差異，蒸煮能改變DF的微觀結構。掃描電鏡結果為DF與膽固醇、亞硝酸鹽的結合提供了微觀結構基礎。

圖1 IDF、C-IDF、SDF和C-SDF的掃描電鏡圖(1 000倍)

2.2.2 傅里葉紅外光譜分析

如圖2所示，IDF、C-IDF、SDF和C-SDF在3 420 cm-1附近的寬吸收峰是O—H的伸縮振動，IDF和C-IDF的吸收峰主要是由木質素、纖維素和半纖維素分子內或分子間的O—H伸縮振動，SDF和C-SDF的吸收峰主要來自甘露糖、半乳糖和阿拉伯糖中的—OH基團；C-IDF在此處的峰面積變寬，強度增加，說明蒸煮處理使得纖維素、半纖維素中部分糖苷鍵斷裂，氫鍵增強，親水性增強[16]，符合C-IDF具有較高WHC的結果。2 927cm-1處的吸收峰是由糖類甲基和亞甲基上C—H的伸縮振動引起的，2 360 cm-1處的吸收峰是C—H的反伸縮振動，C-SDF在這兩處的峰強度增加，表明C-SDF中存在典型的糖類化合物。IDF、C-IDF、SDF和C-SDF在1 639 cm-1處的吸收峰主要來自—COOH伸縮振動，表明樣品中含有糖醛酸，這與Huang等[18]通過高溫蒸煮輔助酶法改性茶渣膳食纖維中的研究結果一致。另外，4種樣品在920 cm-1附近有β-糖苷鍵吸收峰，在860 cm-1附近有α-糖苷鍵吸收峰[17]。除此之外，IDF和C—IDF在900～1 200 cm-1之間的吸收峰是由半纖維素的酰基氧(CO—OR)伸縮振動和木質素酰基的C—O伸縮振動引起的[19]。SDF和C—SDF在1 000～1 200 cm-1區域內的強吸收峰是由C—O—C糖苷鍵，C—C和C—OH鍵伸縮振動引起的。C-SDF的吸收峰強度降低，可能是由于蒸煮處理使樣品中部分水溶性多糖發生降解。SDF和C—SDF在1 745～1 750 cm-1范圍內無振動信號峰，說明SDF和C-SDF中的果膠為低酯果膠[20]，低酯果膠具有良好的安全性和生物降解性，與金屬離子發生反應，形成網狀凝膠，有效去除重金屬離子[21]。IDF、C-IDF、SDF和C-SDF的紅外光譜相似，說明蒸煮沒有改變小米DF的主要官能團(如—OH、—COOH、—CHO等)。但其含量或結合程度不同，導致某些吸收峰強度不同。

圖2 IDF、C-IDF、SDF和C-SDF的紅外光譜圖

2.2.3 X射線衍射分析

IDF、C-IDF與SDF、C-SDF的組分、分子量不同，使其結晶衍射峰不同(圖3)。IDF在掃描角度2θ為20.02°處表現出強烈的結晶衍射峰，C-IDF結晶區被破壞，結晶強度減弱，衍射角變寬，可能因為蒸煮處理后木質素、纖維素、半纖維素之間發生了相互轉化[22]。SDF在2θ為29.20°處有明顯的結晶衍射峰，在16.30°、49.48°、56.33°處有較弱的衍射峰，而C-SDF僅在23.95°和28.43°處有明顯的特征峰。表明C-SDF的部分結晶區被破壞，晶體結構由有序向無序轉變。SDF主要是由半乳糖醛酸、阿拉伯糖、半乳糖等成分組成，在蒸煮過程中多糖和低聚糖在一定程度上被分解為單糖，使得C-SDF結晶區發生變化[17]。C-IDF和C-SDF分子之間的相互作用力變弱，組織變得疏松，不僅有助于降低DF的聚合度，還能有效提高其溶解性[23]，從而使其SC、WHC和OHC增強，進而改善DF的生理功能。

圖3 IDF、C-IDF、SDF和C-SDF的X射線衍射圖

2.2.4 粒徑分析

與IDF相比，C-IDF、SDF和C-SDF粒徑分布峰均發生左移，SDF和C-SDF粒徑分布峰高于IDF和C-IDF，峰跨度窄，表明SDF和C-SDF粒度分布相對集中，顆粒尺寸均勻。IDF粒徑分布峰較寬，有2個峰出現，說明其顆粒尺寸大小不一；C-IDF粒徑分布峰寬度變小，峰值升高，僅出現1個峰，表明蒸煮處理后顆粒大小越來越均勻(圖4)。IDF、C-IDF、SDF和C-SDF的體積平均粒徑大小依次為IDF >C-IDF > C-SDF > SDF(表1)。IDF的D(4,3)顯著高于C-IDF的D(4,3)(P<0.05)，蒸煮處理使得部分DF被破壞，質地變得松散[10]，從而使C-IDF顆粒粒徑減小；與SDF相比，C-SDF的D(4,3)增加，由掃描電鏡結果可印證，處理后C-SDF顆粒發生部分團聚，從而使粒徑增加。

圖4 IDF、C-IDF、SDF和C-SDF的粒徑分布圖

表1 IDF、C-IDF、SDF和C-SDF的粒徑參數

2.2.5 熱穩定性分析

如圖5所示，由于IDF和SDF組成成分不同，故IDF、C-IDF與SDF、C-SDF的質量損失及質量損失速率差異較大。IDF和C-IDF在200 ℃之前，主要是樣品內游離水及結合水的揮發，質量損失緩慢；從200 ℃開始是第二階段熱分解反應，此階段內IDF和C-IDF質量損失最多，質量損失分別為79%和65%。隨溫度的升高，IDF和C-IDF的質量損失速率分別在320 ℃和300 ℃左右達到最大，之后質量損失速率減小，IDF的溫度達到560 ℃后，其質量損失速率基本保持不變，而C-IDF的質量損失速率一直減小。蒸煮處理后，纖維素、半纖維素、木質素之間發生解聚反應[22]，使部分IDF轉化成SDF，使得C-IDF質量損失降低。SDF和C-SDF在420 ℃之前，一直處于TGA損失階段，質量損失分別為25%和24%，此階段主要涉及樣品內自由水、結合水的揮發，以及半乳聚糖、阿拉伯聚糖、阿拉伯半乳聚糖等的分解。圖5b中，SDF和C-SDF在70、190 ℃時出現2個質量損失速率峰，且C-SDF的峰值更高，可能是SDF和C-SDF的表面出現團聚體，結構變得緊密，水分不易從分子內蒸發，第2個峰的出現是因為SDF和C-SDF內多糖分子大小不一，受熱后碳鏈和氫鍵斷裂[24]。另外，IDF與SDF因組成、分子量不同，導致兩者的熱穩定性產生差異。在280 ℃后，熱穩定性大小依次為SDF>C-SDF>C-IDF>IDF，與DSC實驗結果一致。

圖5 IDF、C-IDF、SDF和C-SDF的質量損失及質量損失速率圖

為了進一步闡明IDF和SDF的熱轉變，進行DSC分析，如圖6所示，所有樣品在熔化過程均為吸熱反應。IDF僅在101 ℃處有1個吸熱峰，而C-IDF的第1個吸熱峰溫度為85 ℃，且向左偏移，第2個吸熱峰溫度為113 ℃。SDF和C-SDF分別在69、105 ℃和72、100 ℃出現2個吸熱峰。說明C-IDF、C-SDF的熱穩定性均發生不同程度的改變。圖中的吸熱涉及水的揮發過程，以及DF和其他多糖的脫甲氧基、脫羥基和脫羧作用[25]。C-IDF和C-SDF的熱流強度均低于對照，表明IDF和SDF的熱穩定性較低，這與熱重結果一致。C-SDF的2個熱焓值ΔH(66.51、135.52 J/g)均顯著高于對照SDF(39.25、74.22 J/g)(P<0.05)，可能是因為游離水和結合水的蒸發，多糖的相變需要更多的熱量來破壞氫鍵以釋放水[26]。

圖6 IDF、C-IDF、SDF和C-SDF的DSC圖

2.3 小米膳食纖維功能性質分析

2.3.1 SC、WHC、OHC分析

由表2可知，與IDF相比，C-IDF的SC增加了9.3%，與SDF相比，C-SDF的SC增加了53.3%；與IDF相比，C-IDF的WHC增加了17.2%，OHC增加了26.9%(P<0.05)。整體上，IDF和C-IDF的SC、WHC、OHC優于SDF和C-SDF，C-IDF的SC、WHC、OHC作用更明顯，蒸煮導致部分IDF降解，使IDF的結構發生改變，從而改變IDF的水化性能[27]。IDF和C-IDF的WHC的變化與Wen等[28]研究的酶和酶微化處理對米糠膳食纖維的結果(3.60 g/g)相比明顯增加了。DF的OHC對防止食物在烹飪過程中脂肪流失和保持食物風味有重要意義，IDF和SDF可吸收食物中的脂肪來抑制腸道吸收脂肪[29]。蒸煮也能提高IDF和SDF的OHC，該結果與QIAO等[30]的研究結果一致。優質DF具有更高的水化性能，有助于增加飽腹感，從而減少食物攝入量[31]。蒸煮可提高DF的吸附性能，進而提高了對水、油類物質的物理吸附，從而改善DF的SC、WHC、OHC[10]。

2.3.2 膽固醇吸附能力分析

DF可降低小腸對過多的膽固醇、膽酸鹽和甘油三酯的吸收和利用，從而降低膽固醇水平[32]。樣品與膽固醇(pH 2.0和pH 7.0)的結合能力如表2所示。標準曲線為y=8.377 3x-2.386 5，R2=0.998 8。與IDF相比，C-IDF對膽固醇的吸附量在pH 2.0(模擬胃)環境中增加了10.7%，C-IDF在胃消化階段對膽固醇吸附量優于腸消化(pH 7.0)階段，而C-SDF相反，由于在酸性條件下，過多的氫離子阻礙膽固醇攜帶正電荷[33]，導致C-SDF的膽固醇結合能力降低。這是由于蒸煮處理使DF暴露的極性基團增多，空間障礙減少，從而提高膽固醇吸附能力。在膽固醇吸附過程中，DF表面會通過分子間引力形成多分子吸附層，從而對膽固醇起到吸附效果[34]。此外，DF表面的活性基團也可以直接螯合膽固醇分子，進而對膽固醇起到吸附作用[23]。Xu等[35]通過微流化處理桃渣輔助纖維素酶法提取的SDF，顯著增強對膽固醇的結合能力。由此可知，DF具有平衡體內膽固醇含量的潛力。

2.3.3 亞硝酸鹽吸附能力分析

亞硝酸鹽是一種活性離子，可與仲胺和酰胺在酸性條件下反應形成N-亞硝基化合物，在動物體內具有致癌性[36]，因此，降低亞硝酸鹽含量對于人體具有重要意義。亞硝酸鹽吸附標準曲線y=0.839 2x-0.006 5，R2=0.992 9。由表2可知，不同模擬環境下，IDF、C-IDF、SDF、C-SDF對亞硝酸鹽的吸附不同，模擬胃中DF對亞硝酸鹽的吸附量均高于模擬腸道中的吸附量。這一結果與MOLLER等[37]的結果一致。這是由于蒸煮處理使物料粒徑減小，表面積增大，更多的多孔網絡結構和官能團暴露[38]。C-IDF吸附亞硝酸鹽量較IDF在同一條件下增加了2.8%(pH 2.0)和3.7%(pH 7.0)，C-SDF吸附亞硝酸鹽量較SDF在同一條件下增加了2.7%(pH 2.0)和10.3%(pH 7.0)(P<0.05)，這與蒸煮破壞顆粒完整性有關。DF對亞硝酸鹽的高清除能力對預防胃癌發生有重要作用，也作為預防胃癌的功能性食品提供了潛在的應用前景。

表2 IDF、C-IDF、SDF和C-SDF的功能特性參數

3 結論

采用蒸煮對小米進行改性，輔助酶法提取小米膳食纖維，比較了蒸煮前后DF的結構和功能特性。結構特性研究結果表明，蒸煮處理會破壞DF顆粒完整性，使得IDF孔洞變多、SDF出現團聚體；蒸煮處理不影響DF的紅外吸收峰，但會使部分水溶性多糖降解，導致晶體結構由有序向無序轉變。蒸煮處理還會使DF熱穩定性增大、顆粒粒徑減小且分布集中。功能特性結果表明蒸煮處理顯著提高了IDF的水化特性。模擬消化實驗表明蒸煮處理可以改善DF對亞硝酸的吸附能力，這對于預防胃癌發生積極的作用。