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改性麦麸膳食纤维功能和结构特性研究

范文

王磊廖晨孟哲王建华闫艳华董李学曹慧慧

摘要?以麦麸为原料，利用蒸汽爆破技术（SE）改性麦麸膳食纤维（DF），应用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等仪器对DF的晶体结构和颗粒形态等进行表征。结果表明，DF经过蒸汽爆破改性后，溶解性、持水力、持油力和膨胀力分别为50.24%、3.89?g/g、2.58?g/g和5.47?mL/g，乳化活性、乳化穩定性和最小凝胶浓度分别为465.8?mL/L，501.2?mL/L和9.24%;DPPH、ABTS、O2·-和·OH的清除率分别为90.57%、73.68%、55.42%和44.12%。改性后DF结晶结构未受影响，颗粒更致密，表面有明显的蜂窝状结构。研究结果可为麦麸膳食纤维的功能改性及综合利用提供理论依据。

关键词?麦麸;膳食纤维;蒸汽爆破;功能特性;结构特性

中图分类号?TS202.3文献标识码?A文章编号?0517-6611（2020）07-0179-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.07.051

Study?on?Functional?and?Structure?Property?of?Modified?Dietary?Fiber?from?Wheat?Bran

WANG?Lei1，2，?LIAO?Chen1，2，?MENG?Zhe1，2?et?al

（1.Tangshan?Food?and?Drug?Comprehensive?Testing?Center，?Tangshan，?Hebei?063000;2.?Hebei?Agricultural?Products?Quality?and?Safety?Testing?Innovation?Center，?Tangshan，?Hebei?063000）

Abstract?With?wheat?bran?as?raw?material，?the?modified?method?of?dietary?fiber?（DF）?by?steam?explosion?technology?（SE），?Xray?diffraction?and?scanning?electron?microscope?were?used?to?analyze?crystal?structure?and?particle?morphology?of?DF.?The?solubility，?water?holding?capacity，?oil?holding?capacity，?swelling?force，?emulsifying?activity，?emulsifying?stability?and?least?gelation?concentration?of?SEDF?were?50.24%，?3.89?g/g，?2.58?g/g，?5.47?mL/g，?465.8?mL/L，?501.2?mL/L?and?9.24%，?respectively;The?scavenging?rates?of?DPPH，?ABTS，?O2·-?and?·OH?were?90.57%，?73.68%，?55.42%?and?44.12%，?respectively.?The?morphology?of?Xray?diffraction?revealed?that?SE?could?not?change?the?crystal?structure?of?DF.?And?the?SEM?showed?that?there?was?porous?network?like?honeycomb?and?swelled?structure?of?SEDF.?The?research?can?provide?a?reference?for?functional?modifications?and?utilization?of?dietary?fiber?from?wheat?bran.

Key?words?Wheat?bran;Dietary?fiber;Steam?explosion;Functional?property;Structure?property

基金项目?河北省二期现代农业产业技术体系创新团队建设项目（HBCT2018120207）;河北省人才工程培養经费资助科研项目（A201901128）。

作者简介?王磊（1982—），男，河北唐山人，副研究员，从事功能配料与食品添加剂研究。通信作者，从事食品营养分析研究。

收稿日期?2019-12-09

膳食纤维（DF）是健康饮食不可缺少的，在保持消化系统健康上扮演着重要的角色，同时摄取足够的膳食纤维也可以预防心血管疾病、癌症、糖尿病以及其他疾病，可以清洁消化壁和增强消化功能，可稀释和加速食物中的致癌物质和有毒物质的移除，保护脆弱的消化道和预防结肠癌，可减缓消化速度和最快速排泄胆固醇，可让血液中的血糖和胆固醇控制在最理想的水平[1-6]。

植物细胞中的纤维为木质素所粘结，在高温、高压蒸汽作用下，纤维素结晶度提高，聚合度下降，半纤维素部分降解，木质素软化，横向连结强度下降，甚至软化可塑，当充满压力蒸汽的物料骤然减压时，孔隙中的气体膨胀从而产生的“爆破”效果，可部分剥离木质素，并将原料撕裂为细小纤维[7]。

对蒸汽爆破改性麦麸膳食纤维的功能和结构特性进行比较分析，提出改性麦麸膳食纤维作为一种功能食品配料，在我国具有广泛的开发应用前景。

1?材料与方法

1.1?材料、试剂与仪器

1.1.1?材料。

麦麸，唐山盛川农产品股份有限公司提供。

Control-DF：称取300?g麦麸，加入物料7倍蒸馏水，搅拌均匀，打浆机粉碎，离心分离（时间15?min，转速5?000?r/min），收集滤渣;利用旋转蒸发仪将上清液浓缩至1/10，用70%乙醇沉淀4?h，离心，合并2次滤渣，于60?℃烘干，过60目筛备用。

SE-DF：称取300?g麦麸，加入物料7倍蒸馏水，搅拌均匀，打浆机粉碎，选择一定压力下利用蒸汽爆破设备处理一定时间，离心分离（时间15?min，转速5?000?r/min），收集滤渣;利用旋转蒸发仪将上清液浓缩至1/10，用70%乙醇沉淀4?h，离心，合并2次滤渣，于60?℃烘干，过60目筛备用。

1.1.2?试剂。

过氧化氢、DPPH、水杨酸等均为分析纯，北京化学试剂公司。

1.1.3?仪器。ME54TE电子分析天平（METTLER?TOLEDO有限公司）;L400台式离心机（湖南湘仪有限公司）;IKA?RV3旋转蒸发仪（艾卡（广州）仪器设备有限公司）;DHG-9023A-T电热恒温鼓风干燥箱（上海丙林科技有限公司）;JBQ-ZDX恒温水浴振荡器（常州首创仪器设备有限公司）;蒸汽爆破设备（北京化工大学自制）;S-4800扫描电子显微镜（日本日立公司）;Dmax-MSAL?12?kW高功率粉末衍射仪（北京北达燕园微构有限公司）。

1.2?方法

1.2.1?指标测定。可溶解性（WS）、持油力（OHC）的测定参照唐晓青[8]的方法;

膨胀力（SC）、持水力（WHC）的测定参照李伦[9]的方法;

乳化特性（EA）、乳化稳定性（ES）和最小凝胶浓度（LGC）的测定参照LAN等[10]的方法;

ABTS、·OH、O2·-、DPPH自由基清除率的测定参照曹慧慧等[11]的方法。

1.2.2?X-射线衍射。

取1～2?g样品将其装填在玻璃制的特定样品版的凹槽内，用平整光滑的玻璃板适当压紧，然后将高出样品板表面的多余粉末刮去，如此重复1～2次，然后放入衍射仪，进行连续扫描。X-射线衍射条件：特征射线CuKα，衍射波长λ=0.154?mm，电压40?kV，电流50?mA，扫描速率15?deg/min，发散狭缝1°，接受狭缝0.3?mm，防发散狭缝1°，测量范围2θ=5°～60°。数据用OriginLab软件进行分析处理。

1.2.3?电镜扫描。

用双面胶布将经过粉碎的膳食纤维粘牢在镀金台上，镀膜后，加速电压12?kV的条件下用S-4800冷场发射扫描电子显微镜进行观察。

1.3?数据处理

采用Design-Expert?7.0?进行试验设计和数据处理。

2?结果与分析

2.1?麦麸DF理化特性分析

从表1可知，经蒸汽爆破改性后的麦麸DF理化特性均有所提高。Control-DF的溶解性、持水力、持油力、膨胀力为38.71%、3.24?g/g、2.17?g/g、3.89?mL/g，SE-DF分别提高到50.24%、3.89?g/g、2.58?g/g、5.47?mL/g，分别增加了29.79%、20.06%、18.89%、40.62%。蒸汽爆破处理导致膳食纤维粒径减小，不但会增加整体的比表面积，还会增加纤维表面的孔隙率，进而强化毛细作用。同时，纤维素、半纤维素等大分子物质被截断，产生了各种小分子片段，可能使得膳食纤维的一些亲水性、亲油性活性位点暴露出来，更有利于颗粒与水或油接触，且分散性增强[12]。

Control-DF乳化活性和乳化稳定性分别为322.6?mL/L和371.5?mL/L，SE-DF分别增加到465.8?mL/L和501.2?mL/L。与处理前DF相比，蒸汽爆破处理后的DF可作为一种良好的乳化剂[13]。而且拥有较高乳化活性的DF对维持人体健康非常有利，通过减少膳食中胆固醇的吸收、影响机体中胆固醇的代谢、促进胆固醇的排泄等降低血浆中胆固醇水平[10，14]。从表1可以看出，蒸汽爆破处理显著降低了LGC，从未处理的15.87%减小到9.24%，说明蒸汽爆破处理增加了麦麸DF的黏度。

2.2?麦麸DF抗氧化能力分析

蒸汽爆破处理前后麦麸DF对DPPH、ABTS、O2·-和·OH清除率如表2所示。蒸汽爆破处理后DPPH、ABTS、O2·-和·OH的清除率均得到一定程度的增加。

蒸汽爆破处理后的麦麸DF对DPPH、ABTS、O2·-和·OH的清除率明显高于未处理样品，这可能由于在抗氧化物质提取的过程中，DF中抗氧化成分与提取剂接触表面积增大、接触更充分，且经过蒸汽爆破处理后物料细胞壁被破坏，不溶性活性成分变成小分子可溶性物质，活性成分较易溶出，清除自由基的能力得到增强[15]。

2.3?X-射线衍射

由图1可以看出，DF的衍射峰不是很突出，但是在膳食纤维的结构中存在一定的结晶结构。蒸汽爆破基本未改变DF的结晶结构属性，纤维晶区基本未受影响，只是衍射强度略有升高。DF在衍射角2θ=26°左右时出现一特征峰，说明在2θ=26°左右时该物质发生结晶作用。而经蒸汽爆破处理后的DF分别在衍射角2θ=21°、2θ=23°左右时有2个特征峰，说明在2θ=21°、2θ=23°左右时该物质都发生结晶作用，蒸汽爆破作用使其衍射角度发生了变化，还提高了其结晶强度。

2.4?DF的电镜观察

图2是蒸汽爆破处理前后麦麸DF的扫描电镜图，放大倍数5?000。由图2a可以看出，起初膳食纤维的颗粒较大，大小均匀，呈棒状且表面平整。从图2b可以看出，经蒸汽爆破处理后DF结构遭到较为严重的破坏，呈颗粒状，表面结构则变得粗糙且疏松。其原因可能是DF受到高速相撞被击碎，同时由于瞬时失压，产生一种类似膨化作用的结构崩溃，使棒状颗粒变小、表面结构变粗糙，纤维颗粒的表面结构被破坏，出现多层不规则片状甚至孔状结构。

3?结论

（1）SE-DF的溶解性、持水力、持油力、膨脹力、乳化活性、乳化稳定性和最小凝胶浓度分别为50.24%、3.89?g/g、2.58?g/g、5.47?mL/g、465.8?mL/L、501.2?mL/L和9.24%。经蒸汽爆破处理后，麦麸DF的理化特性有所升高。

（2）蒸汽爆破处理后，麦麸DF对DPPH、ABTS、O2·-和·OH清除率明显高于未处理样品，对自由基清除能力有所增强。

（3）X-射线衍射图谱表明，蒸汽爆破基本未改变DF的结晶结构属性，处理后纤维晶区基本未受影响，衍射强度略有升高。扫描电镜观察表明，蒸汽爆破处理可以使长条细杆状纤维卷曲断裂，膨化成絮状结构，且表面具有凹陷的小孔，从根本上改变了DF的形貌特征。

参考文献

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