魏春紅， 曾明霞， 武云嬌， 趙姝婷， 劉德志， 王一飛 蘇有韜， 王維浩,2， 張東杰， 曹龍奎,2

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院1，大慶 163319) (黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)國(guó)家雜糧工程技術(shù)研究中心2，大慶 163319)

目前，我國(guó)的雜糧種類與產(chǎn)量處于世界首位，其中雜糧產(chǎn)量約占我國(guó)糧食總產(chǎn)量的10%[1]，約占世界雜糧總產(chǎn)量的17%。在藥用方面，食用小米制品有助于清熱除濕、健脾養(yǎng)胃，對(duì)缺鐵性貧血疾病具有預(yù)防作用[2]。美國(guó)谷物化學(xué)家協(xié)會(huì)將膳食纖維定義為“一種在人體小腸抗消化、吸收，在大腸完全或部分發(fā)酵的植物可食用組織或相似碳水化合物”[3]。小米中膳食纖維含量豐富，是大米中膳食纖維的2.3倍[4]。根據(jù)水溶解性情況將膳食纖維(DF)分為水溶性膳食纖維(SDF)和水不溶性膳食纖維(IDF)兩類。SDF對(duì)于腸道疾病[6]、調(diào)控血糖水平[5]和胰島素水平都具有良好作用。IDF由于本身口感較粗糙，不適合直接應(yīng)用于食品工業(yè)中[7]，因此IDF的生理功能低于SDF，但因天然膳食纖維中IDF的含量遠(yuǎn)高于SDF，所以可通過改性來提高SDF的含量與品質(zhì)。

目前主要采用化學(xué)法、生物法、物理法和聯(lián)合改性法等[8]對(duì)膳食纖維進(jìn)行改性。Su等[9]運(yùn)用高壓均質(zhì)技術(shù)對(duì)柑桔皮膳食纖維進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)改性后的膳食纖維理化性質(zhì)得到改善。汪楠等[10]運(yùn)用高溫蒸煮技術(shù)處理竹筍膳食纖維，發(fā)現(xiàn)水不溶性膳食纖維可以轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄陨攀忱w維，且改性后的膳食纖維持水力、膨脹力、持油力等方面均得到提高。超聲主要是利用產(chǎn)生的剪切力、湍流作用等[11]，使物料表層結(jié)構(gòu)受到一定程度的破壞。沈蒙等[12]運(yùn)用超聲-微波協(xié)同的方法提取黑豆皮當(dāng)中的SDF，發(fā)現(xiàn)改性后的SDF物理性質(zhì)得到改善與提高。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)于小米膳食纖維的研究主要集中于提取工藝的優(yōu)化和理化性質(zhì)的測(cè)定等方面[13，14]，將3種方法對(duì)小米SDF進(jìn)行改性并對(duì)比改性前后理化性質(zhì)及結(jié)構(gòu)鮮有報(bào)道。因此本研究利用高溫高壓技術(shù)、蒸煮技術(shù)、超聲技術(shù)對(duì)小米SDF進(jìn)行改性，探究改性前后小米SDF的理化性質(zhì)與結(jié)構(gòu)特性，為小米的功能性綜合利用提供了參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

大豆油、小米、中性蛋白酶、α-耐高溫淀粉酶、淀粉葡萄糖苷酶，95%乙醇(分析純)，溴化鉀(光譜級(jí))，其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

GDE-CSF6意大利VELP膳食纖維測(cè)定儀，DSC25型差示掃描量熱儀，Nicolet 6700傅里葉變換紅外光譜儀，SU8020掃描電子顯微鏡，MLS-3781L-PC高壓蒸汽滅菌鍋，JBT超聲波藥片處理機(jī)，Specord-200型紫外可見分光光度計(jì)。

1.3 方法

1.3.1 小米SDF的制備

取脫脂小米粉20 g，加入400 mL的蒸餾水、1 000 mL的磷酸鹽緩沖液，加入α-耐高溫淀粉酶，95 ℃水浴20 min，加入中性蛋白酶溶液，60 ℃水浴30 min，加入淀粉葡萄糖苷酶[15]，60 ℃水浴30 min，滅酶，按原液0.2倍進(jìn)行濃縮，按濃縮液體積1∶4比例添加95%乙醇，醇沉15 h，離心，冷凍干燥，在4 ℃下保存。

1.3.2 小米SDF的3種改性處理

1.3.2.1 高溫高壓處理。取小米SDF 2 g，1∶30的比例加入蒸餾水混勻，在0.1 MPa高壓滅菌鍋中處理，冷卻，離心，保留上層清液，按清液體積1∶4的比例加入95%乙醇，醇沉15 h，離心，干燥，得到高溫高壓小米SDF[16]。

1.3.2.2 蒸煮處理。取小米SDF 2 g，1∶30的比例加入蒸餾水混勻，在125 ℃下蒸煮50 min，離心15 h，保留上層清液，按清液體積1∶4的比例加入95%乙醇，醇沉15 h，離心、干燥得到蒸煮小米SDF[17]。

1.3.2.3 超聲處理。取小米SDF 2 g，1∶30的比例加入蒸餾水混勻，超聲功率100 W，處理1 h，離心15 h，保留上層清液，按清液體積1∶4的比例加入95%乙醇，醇沉15 h，離心、干燥得到超聲小米SDF[18]。

1.3.3 小米SDF表面微觀結(jié)構(gòu)的測(cè)定

參照涂宗財(cái)?shù)萚19]的方法進(jìn)行表面微觀結(jié)構(gòu)測(cè)定，將一定量的小米SDF粘貼、表層鍍金，進(jìn)行×20 000、×50 000倍放大觀察，選擇清晰圖像拍照。

1.3.4 小米SDF傅里葉紅外光譜的測(cè)定

參照張艷榮等[20]的方法進(jìn)行傅里葉紅外光譜測(cè)定：按1∶100的比例加入KBr粉末，混勻，研磨粉碎，壓片，最后放入傅里葉紅外光譜儀中進(jìn)行掃描。

1.3.5 小米SDF理化性質(zhì)的測(cè)定

持水力的測(cè)定：取樣品1 g，20 mL蒸餾水，靜置12 h，在4 000 r/min下離心25 min，倒液留渣，按照公式進(jìn)行計(jì)算[21]。

式中：W為持水力/g/g；m1為SDF吸水后樣品和離心管的質(zhì)量/g；m2為離心管的質(zhì)量/g；m3為樣品干質(zhì)量/g。

水膨脹力的測(cè)定：取樣品0.25 g，5 mL蒸餾水，攪拌去泡，靜置12 h，按照公式進(jìn)行計(jì)算[22]。

式中：E為膨脹力/mL/g；V1為樣品膨脹后的測(cè)定體積/mL；V2為樣品干樣的測(cè)定體積/mL；m為樣品干質(zhì)/g。

持油力的測(cè)定：取0.5 g樣品，加入4 g大豆油，密封靜置37 ℃水浴鍋中4 h，4 000 r/min下離心15 min，倒液留渣，按照公式進(jìn)行計(jì)算[23]。

式中：O為持油力/g/g；m1為殘?jiān)馁|(zhì)量/g；m2為樣品的質(zhì)量/g。

結(jié)合脂肪能力的測(cè)定：參照李娜等[24]的測(cè)定方法進(jìn)行，取4 g樣品，加入20 mL大豆油，攪拌30 min(每5 min攪拌1次)，在1 600 r/min下離心25 min。游離的脂肪通過離心被分離開，結(jié)合脂肪的能力可以被測(cè)出，即每g膳食纖維試樣結(jié)合脂肪的量。

1.3.6 小米SDF體外抗氧化活性的測(cè)定

采用總抗氧化能力(T)試劑盒進(jìn)行測(cè)定[25]。具體步驟按照說明書進(jìn)行，進(jìn)行3組重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

在波長(zhǎng)為520 nm處測(cè)定小米SDF的吸光度值，按照公式進(jìn)行計(jì)算。

式中：T為總抗氧化能力/U/mL；OD測(cè)定為樣品管中待測(cè)樣品吸光度值；OD對(duì)照為對(duì)照管中待測(cè)樣品吸光度值；V反為反應(yīng)液的總體積/mL；V為樣品取樣量體積/mL；A為樣品測(cè)試前稀釋倍數(shù)。

1.3.7 小米SDF熱特性的測(cè)定

參考王旭等[26]的測(cè)定方法并稍作修改：取3～5 mg樣品放入氧化鋁盤中，由0 ℃升溫至250 ℃，設(shè)定參數(shù)為：升溫速率10 ℃/min，氮?dú)猓魉?0 mL/min。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)進(jìn)行3次，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均取平均值并計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，運(yùn)用Microsoft Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與匯總，SPSS 22.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析，采用Origin 2019軟件進(jìn)行繪圖處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種改性前后小米SDF的表面微觀結(jié)構(gòu)

3種改性前后小米SDF的微觀形態(tài)結(jié)果如圖1。未改性小米SDF整體為不規(guī)則碎片狀，表面結(jié)構(gòu)較緊密，顆粒較聚集[25]。高溫高壓處理后的SDF表面出現(xiàn)裂痕、空隙率增加，整體為無定形分散狀，可能是由于高壓過程產(chǎn)生的剪切力與碰撞力等作用力導(dǎo)致顆粒尺寸減小造成[27]。蒸煮處理后的SDF表面出現(xiàn)很多空隙，且部分成球狀。超聲處理后的SDF表面出現(xiàn)褶皺，凹凸不平，可能是因結(jié)構(gòu)經(jīng)超聲作用被空氣泡破裂后產(chǎn)生的微射流撞擊，導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)空隙[28]。其中還有球狀物附著，可能是殘余的蛋白質(zhì)與酯類[29]。改性后的SDF表面出現(xiàn)許多裂痕，結(jié)構(gòu)疏松多孔，可能是因改性條件下交聯(lián)作用導(dǎo)致半纖維素和木質(zhì)素缺失，使孔隙率增加，孔隙大小增大，最終影響SDF的理化性質(zhì)[30]。

圖1 不同處理的小米SDF的掃描電子顯微鏡圖

2.2 3種改性前后小米SDF的傅里葉變換紅外光譜

3種改性前后小米SDF的紅外光譜結(jié)果如圖2。對(duì)比改性前后小米SDF的光譜圖發(fā)現(xiàn)四者具有類似的光譜分布，沒有出現(xiàn)新峰，說明物理改性沒有改變小米SDF的化學(xué)結(jié)構(gòu)，分析是因?yàn)楣倌軋F(tuán)含量或結(jié)合的方式改變所造成，使其在相應(yīng)的波數(shù)下峰的吸收強(qiáng)度發(fā)生改變，從而影響SDF的理化性質(zhì)[31]。3 398 cm-1處的吸收峰是典型的半纖維素和纖維素O—H伸縮振動(dòng)帶，經(jīng)改性后吸收峰的強(qiáng)度發(fā)生改變，分析原因可能是改性導(dǎo)致纖維素間的部分氫鍵斷裂，使SDF結(jié)構(gòu)疏松，空隙變大，與掃描電鏡的結(jié)果相符合。2 928 cm-1處較弱的峰是多糖甲基與亞甲基的C—H拉伸振動(dòng)帶，這部分峰經(jīng)改性后變?nèi)?，小米SDF的空隙變大，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致改性后的樣品持油力上升[27]。1 650 cm-1處的峰是木質(zhì)素中芳香苯基團(tuán)的伸縮振動(dòng)峰。1 150 cm-1處的峰是半纖維素、木質(zhì)素、纖維素的C—O拉伸帶與變形帶。869 cm-1處的峰表明SDF中可能含有甘露糖苷鍵[32]。整體上，改性后的小米SDF的紅外圖譜特征吸收峰的強(qiáng)度發(fā)生一定變化，但特征峰的峰形與位置沒有發(fā)生明顯變化，所以證明這3種物理改性對(duì)小米SDF的官能團(tuán)沒有突出影響[33]。

圖2 3種改性處理前后小米SDF紅外光譜圖

2.3 3種改性前后小米SDF的主要理化性質(zhì)

持水力、水膨脹力、持油力、結(jié)合脂肪能力是衡量膳食纖維理化性質(zhì)的重要指標(biāo)，指標(biāo)越大則表明該膳食纖維的生理活性越好[34]，對(duì)預(yù)防糖尿病有一定的作用[35]。由表1可知，改性前小米SDF的持水力為0.55 g/g、水膨脹力為1.2 mL/g、持油力為2.49 g/g、結(jié)合脂肪能力為2.625 g/mL，經(jīng)高溫高壓處理后，持油力得到顯著提高(P<0.05)，推測(cè)因SDF經(jīng)高溫高壓處理后粒徑變小，孔隙率變大，比表面積變大，導(dǎo)致儲(chǔ)存空間變大[9]。經(jīng)超聲處理后，4個(gè)指標(biāo)都得到顯著提高(P<0.05)，推測(cè)因超聲使SDF的親水基團(tuán)暴露出來，與水的結(jié)合點(diǎn)增多，水合面積增多[36]。所測(cè)定的結(jié)果與電子顯微鏡和傅里葉紅外光譜儀的結(jié)果相吻合。

表1 3種改性處理前后小米SDF理化性質(zhì)的測(cè)定

2.4 3種改性前后小米SDF的體外抗氧化活性

總抗氧化能力的高低是衡量樣品提供電子能力強(qiáng)弱的指標(biāo)[37]。由表2可見，改性處理后的小米SDF的總抗氧化能力都得到了提高，其中超聲和高溫高壓改性后的樣品抗氧化能力有顯著提高(P<0.05)，分析可能是因其中糖醛酸、羥基增加導(dǎo)致。膳食纖維屬于一種多糖類物質(zhì)，其抗氧化能力與物質(zhì)本身的分子量、物質(zhì)中含有的糖醛酸含量等有關(guān)[38]。由紅外光譜圖可知，在波長(zhǎng)為1 700 cm-1處出現(xiàn)了吸收峰，證明樣品可能有醛基或羧基的存在[26]，從而引起了抗氧化能力的提高。

表2 3種改性處理前后小米SDF的總抗氧化能力

2.5 3種改性前后小米SDF的熱特性

由圖3可見，改性后的小米SDF的吸收峰的位置發(fā)生不同程度的偏移，說明改性后小米SDF的熱穩(wěn)定性發(fā)生改變。膳食纖維的吸收峰峰值出現(xiàn)在170～210 ℃，屬于吸熱反應(yīng)過程。高溫高壓改性的小米SDF在205.11 ℃處出現(xiàn)吸熱失重，蒸煮改性的小米SDF在173.5 ℃處出現(xiàn)吸熱失重，超聲改性的小米SDF在178.5 ℃處出現(xiàn)吸熱失重，未改性的小米SDF在183.24 ℃處出現(xiàn)吸熱失重，分析可能是由于膳食纖維的氫鍵被破壞所導(dǎo)致，與電子顯微鏡和傅里葉紅外光譜儀測(cè)定的結(jié)果相吻合，部分的水分析出，出現(xiàn)吸熱失水現(xiàn)象[39]。經(jīng)過改性后樣品在250 ℃以下沒有出現(xiàn)顯著的放熱峰，說明其具有良好的熱穩(wěn)定性。

圖3 3種改性處理前后小米SDF的DSC熱分析圖

由表3可見，改性后小米SDF的ΔH都比未改性小米SDF的ΔH高，其中超聲處理后的樣品ΔH最大，為110.60 J/g，表明小米SDF的熱穩(wěn)定性都得到一定提高[40]。

表3 3種改性處理前后小米SDF的DSC熱力學(xué)參數(shù)

3 結(jié)論

高溫高壓、蒸煮、超聲處理手段有效改善了小米SDF的理化性質(zhì)與結(jié)構(gòu)特性。與未改性的比較，經(jīng)過高溫高壓、蒸煮、超聲的改性處理后，小米SDF的持油力、水膨脹力、持油力、結(jié)合脂肪能力、總抗氧化能力升高，其中超聲處理后的效果最佳。傅里葉紅外光譜、掃描電鏡、DSC熱分析圖結(jié)果顯示，改性處理后的小米SDF各吸收峰強(qiáng)度改變，但結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯變化，表面褶皺疏松，孔隙率增加，熱穩(wěn)定性被提高。