黑小麦麸皮可溶性膳食纤维改性制备及性质研究

周丽媛 李宁阳 徐晶晶 蔡婧婧 唐晓珍

(山东农业大学,泰安 271018)

黑小麦因种皮含有丰富的天然花色苷而呈现与普通小麦不同的粒色，并且具有独特的保健功能[1]，近年来黑小麦在山东、河南、山西等省种植推广较多，但生产加工局限于面粉、面条、馒头等[2]，其大量加工副产物麸皮资源浪费严重，因口感粗糙食用品质差未得到充分利用。黑小麦麸皮膳食纤维含量及其丰富，可达普通小麦麸皮的一倍[1]，可溶性膳食纤维(SDF)相比于不溶性膳食纤维(IDF)有更为广泛的生理功能，如SDF水溶性好、黏度大，可被肠道内微生物菌群较好的发酵利用，在降低餐后血糖、防便秘、降低血清胆固醇等方面都具有良好功效[3，4]，但SDF占比较少，普通提取方式溶出量较低，因此提高SDF溶出量对提高黑小麦麸皮应用价值具有重要意义。

对物料进行改性处理可提高其SDF的溶出量，目前主要改性方式有物理、化学和生物法改性，物理改性主要是通过利用机械外力作用来改变物料结构，使其特性发生改变，该方法作用均匀、高效快速，并且能较好的保持物料天然营养成分，相较于其他两种方式更具有优越性[5]。已有学者采用超声波、超微粉碎、挤压膨化、超高压等物理改性方式来提高物料SDF的溶出[5，6]，而对于黑小麦麸皮SDF的物理改性提取研究较少，郭怡琳[1]罗磊等[7]分别采用气流膨化、超声辅助酶解提高黑小麦麸皮SDF的溶出量并对其理化特性有改善作用，因此本实验采用改性效果良好的超高压、超微粉碎、挤压膨化三种方式对黑小麦麸皮进行处理，以期提高SDF溶出量，并对比物理改性对SDF特性影响，以期为黑小麦麸皮加工利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

黑小麦麸皮：泰安肥城沣滢农业种植专业合作社提供。

高峰α-淀粉酶、碱性蛋白酶、糖化酶(生化试剂)，氢氧化钠、硫酸、三氯化铝、乙酸甲、甲醇、铁氢化钾、三氯乙酸、三氯化铁、水杨酸、高硫酸钾、胆固醇、胆酸钠、糠醛、福林酚(分析纯)。

1.2 仪器与设备

HMB-705高速粉碎机；HPP600/3-5L超高压食品处理装置；DS56-X双螺杆挤压膨化机；BO-150P1高速多功能粉碎机；UV-2450紫外可见分光光度计；MCR302模块化智能流变仪

1.3 实验方法

1.3.1 工艺流程

黑小麦麸皮→物理改性辅助处理(超高压、挤压膨化、超微粉碎)→加水搅拌→α-淀粉酶95 ℃酶解→碱性蛋白酶45 ℃酶解→糖化酶60 ℃酶解→灭酶→碱提料液比1∶20(2%)→上清液醇沉→离心→干燥→SDF

1.3.2 黑小麦麸皮基本成分测定

蛋白质、水分、灰分、脂肪、膳食纤维测定分别按照GB 5009.5—2016、GB 5009.3—2016、GB 5009.4—2016、GB 5009.6—2016、GB 5009.88—2014进行；总黄酮含量测定按NY/T 1295—2007进行，多酚含量测定采用福林酚比色法[8]。

1.3.3 物理改性单因素及优化实验

超高压改性处理：麸皮经粉碎机粉碎后过60目筛，以保压时间10 min，压力100 MPa为基数，考察料液比(g∶mL)1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30，保压时间5、10、15、20、25 min，保压压力100、200、300、400、500、600 MPa对麸皮SDF得率的影响，进行优化实验，确定超高压最优改性条件。

挤压膨化改性处理：麸皮经粉碎机粉碎后过60目筛，以挤压温度120 ℃，螺杆转速200 r/min为基数，分别考察物料含水量3%、5%、7%、9%、11%，螺杆转速200、250、300、350、400 r/min，挤压温度120、130、140、150、160 ℃，对麸皮SDF得率的影响，筛选出较优条件，以此设计正交实验，确定挤压膨化最优改性条件。

超微粉碎改性处理：麸皮经超微粉碎机粉碎后分别过80、100、200、300、400目筛，考察不同粉碎目数对彩麦麸皮SDF得率的影响，确定超微粉碎最优改性条件。

1.3.4 理化性质测定

1.3.4.1 持水力、持油力、膨胀性测定

参照文献[9]略有改动，称取各SDF样品0.1 g，于10 mL离心管中，加8 mL蒸馏水，充分摇匀，35 min后4 000 r/min离心15 min，弃去上层水分，称取沉淀质量，平行测定3次。

称取各SDF样品0.5 g，于25 mL离心管中，加10 g大豆油(猪油)，静置1 h，4 000 r/min离心15 min，去掉上层油脂，称重，平行测定3次[9]。

称取各SDF样品0.1 g，于试管中，加蒸馏水25 mL，读初始体积，静置4 h后记录体积，计算膨胀性[10]。

1.3.4.2 胆固醇吸附力

参照GB 5009.128—2016绘制标准曲线，采用邻苯二甲醛法在550 nm下测定SDF吸附前后胆固醇含量，按照公式计算其吸附力[11]。

胆固醇吸附力(mg/g)=

1.3.4.3 胆酸钠吸附力

参照郭增旺等[12]方法绘制标准曲线。准确称取样品0.5 g加入50 mL含0.1 g胆酸钠的0.15 mol/L NaCl溶液，调节pH为7，37 ℃恒温水浴振荡2 h，取出4 000 r/min离心10 min，吸取上清液1 mL加入45%硫酸，混匀加入1 mL 0.3%糠醛，于65 ℃恒温水浴30 min，冷却至室温后于620 nm处测吸光度，按公式计算胆酸钠吸附性。

胆酸钠吸附力(mg/g)=

1.3.5 流变学性质测定

将各SDF样品配制成5%浓度的溶液，采用模块化智能流变仪测定黏度随剪切速率的变化曲线，设定温度25 ℃，剪切速率0.1～100 s-1。

1.3.6 抗氧化活性测定

DPPH自由基清除力测定[13]：将各SDF样品配制成浓度为5、10、15、20、25、30 mg/mL，取0.5 mL于试管中，加DPPH溶液3.5 mL，于室温下避光30 min，在517 nm处测吸光度，测定3次。

清除率=1-[(A1-A2)/A0]×100%

式中：A1为DPPH加样品；A2为甲醇加样品；A0为DPPH加甲醇。

ABTS自由基清除力测定：参照文献[14]配制吸光度为0.70±0.02的ABTS应用液，向试管中加入0.2 mL应用液，5 mL不同浓度样品液，摇匀25 ℃避光反应6 min于734 nm下测定吸光度。

清除率=[1-(Ai-Aj)/A0]×100%

式中：Ai为样品液吸收值；Aj为只加样品液的背景吸收值；A0为蒸馏水代替样品吸收值。

羟自由基清除力测定：参照文献[15]，向试管中加入2 mL硫酸亚铁(1.8 mmol/L)、1.5 mL水杨酸-乙醇溶液(1.8 mmol/L)，不同浓度样品液1 mL、0.3%过氧化氢1 mL、静置30 min，测吸光度。

清除率=[1-(Ai-Aj)/A0]×100%

表1 黑小麦麸皮基本成分测定/%

式中：Ai为样品液吸收值；Aj为只加样品液的背景吸收值；A0为蒸馏水代替样品吸收值。

还原力测定：参照文献[16]，以吸光度值为指标，在700 nm处进行测定，吸光值与样品还原力成正比。

1.4 数据统计与分析

采用Excel、Origin软件进行数据计算和作图，采用SPSS Statistics20.0软件进行数据分析，采用Duncan法检验差异显著性，P<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 黑小麦麸皮基本成分分析

由表1可知，经物理改性处理后黑小麦麸皮中的水分、脂肪、灰分等均有所下降，蛋白质、多酚、黄酮含量均有所上升，其中超微粉碎麦麸黄酮、多酚溶出量最高，但灰分含量显著降低(P<0.05)，超高压麦麸蛋白质含量最高、脂肪含量最低，挤压膨化麦麸水分明显较少。高压、高速剪切、高温、挤压等物理作用，会损耗物料基本成分，如水分减少更利于物料的储存、灰分减少说明麦麸中的矿物元素有所损耗，并且可溶性活性成分及部分营养成分的溶出会随物料颗粒减小、膨胀疏松等变化而增加，这与王丹丹[5]和王旭[17]研究结果相似，超高压、超微粉碎、挤压膨化等作用会增加物料内部可溶性成分的溶出。

2.2 麦麸SDF提取优化实验

2.2.1 超高压提取SDF单因素实验

由图1可知，SDF得率随料液比增加先上升后缓慢降低，当料液比为1∶15时得率达最高，适当料液比会使麦麸与水分充分混合，增加水溶性膳食纤维的溶出，料液比继续增加得率下降，可能是目标物质与溶液的浓度差有关[17][18]。随保压时间增加，SDF得率先迅速升高后趋于平缓，15～25 min时，得率无显著性差异(P>0.05),出于节能考虑选取保压时间15 min。当压力为300 MPa时得率最高，当保压压力升至600 MPa时，得率有所下降，但仍然显著高于100～200 MPa，膳食纤维可通过物理手段提高其SDF含量[19]，适宜高压作用使得麦麸大分子聚合物断裂增加其得率，因此选取300 MPa为最优保压时间。

图1 超高压提取SDF单因素实验

2.2.2 超高压提取SDF正交优化实验

由表2b可知，极差C>B>A，因此各因素的影响顺序为：超高压压力>时间>料液比，压力对彩麦麸皮SDF得率具有显著性影响。料液比：k2>k1>k3，时间：k2>k3>k1，压力：k2>k3>k1，因此正交实验最优组合为：A2B2C2，而实验组最优组合为A1B2C2，因此对正交优化结果进行验证性实验，得出A2B2C2组合SDF得率为17.72%，因此确定最佳提取条件为料液比1∶15，时间15 min，压力300 MPa。由方差分析表可知压力对麦麸SDF得率影响显著。

表2-a 超高压正交实验结果及直观分析表

表2-b 超高压正交实验方差分析表

2.2.3 挤压膨化、超微粉碎提取SDF单因素实验

挤压膨化温度较高，物料需要一定润湿度，由图2可知，麦麸含水量为7%时，SDF得率最高，挤压膨化对物料含水量要求较严格，当物料达到润湿度适宜且无结块现象时，其输送性和形变特性达到最优，使纤维充分膨胀在机械力作用下断裂进行分子重组[20]，因此选择麸皮含水量为7%。在一定范围内，螺杆转速增加使物料受机械剪切力的作用提高，麦麸内部组织逐渐疏松，大分子物质裂解程度也随之增加，水溶性成分增多[21]，300～400 r/min时，SDF得率无显著性差异(P>0.05)，因此选取螺杆转速为300 r/min。随挤压温度升高，SDF得率先上升后下降，140 ℃达到最高12.03%，麦麸在高温作用下发生膨胀、熔融，可溶性成分开始溶出，温度过高使粉体粘结成块，甚至焦糊，可溶性成分不在溶出，因此挤压膨化温度不宜过高。

图2 挤压膨化提取SDF单因素实验

由图3可知，麦麸SDF得率随粉碎目数的增加先升高后降低，200目时得率最高，微粉化会破坏木质素和半纤维素分子间化学相互作用，从而导致不溶成分重新分布为可溶性[22]，并且麸皮在高速剪切力作用下会发生断裂，部分大分子物质发生熔融现象转化为水溶性成分，合适粉碎目数可提高麦麸SDF的溶出，粉体粒径过度微细，纤维结构可能会受到不同程度破坏使其SDF溶出减少[5]。因此选取200目为最优超微粉碎目数。

2.2.4 挤压膨化SDF提取正交优化实验

由表3-b可知，挤压膨化各因素对麦麸SDF得率影响顺序为：物料含水量>挤压温度>螺杆转速，物料含水量对麸皮SDF得率影响最大。正交实验最优组合为：A2B3C3，进行验证性实验，得最优组合SDF得率为16.17%，因此挤压膨化最佳条件为：含水量7%，螺杆转速350 r/min，温度150 ℃，由方差分析可知，物料含水量和挤压温度对SDF得率均具有显著性影响(P<0.05)。

表3-a 挤压膨化正交实验结果及直观分析表

表3-b 挤压膨化方差分析表

2.3 麦麸SDF理化性质测定

高持水力、持油力、膨胀度均可增加人体饱腹感，且SDF持水力高，可增加人体排便的速度与体积，从而降低肠道对有害物质的吸收[23]，良好持油力还可改善产品稳定性，经超高压和挤压膨化处理后的麦麸，组织结构疏松，与未经处理的麦麸相比更具有多孔性，会增加对水分油脂的束缚，超微粉碎对SDF粒径影响显著，比表面积增大可增加其与水分、油脂的结合，但由表4可知，超微提取的SDF持水、持油和膨胀性明显低于超高压和挤压膨化，说明疏松网络孔隙对其结合力更有利。从胆固醇、胆酸钠吸附性来看，超微粉碎辅助提取的SDF优势明显，超微粉碎使粉体聚合度提高，长链断裂、短链增加物理吸附能力增强[24]，膳食纤维可通过吸附胆汁酸，加速体内胆固醇分解，可降低人体肝和血清中胆固醇含量，物理作用提高黑小麦麸皮SDF溶出量，因此吸附力提高，且模拟肠道环境(pH7)胆固醇吸附力明显高于模拟胃环境(pH2)吸附力，酸性条件有大量氢离子存在，SDF和胆固醇均携带部分正电荷，两者间斥力使得SDF吸附性减弱[25]。综合分析可知，超微粉碎、超高压和挤压膨化的物理作用均对SDF理化性质具有明显改善作用，可提高SDF的加工品质。

表4 麦麸SDF理化性质测定表

2.4 SDF流变学性质

由图4可知，SDF黏度随剪切速率的增大而减小，有剪切变稀现象，属于假塑性流体，在较低剪切速率下，样品溶液分子内部具有较高的阻力，黏度较大，当剪切速率不断升高，分子间的相互交联度持续降低，因此黏度减小[26]。且从总体变化趋势来看，各SDF样品溶液黏度由大到小依次为：超高压>挤压膨化>超微粉碎>原样，有研究表明，高压作用会使分子内部更多的极性基团暴露，增加分子表明的电荷，使得分子间以及分子与溶液间的静电作用增强，挤压膨化使分子间氢键作用加强，因此SDF溶液的黏度增大[27]；在一定范围内，样品粒径减小，会使微粒间的相互作用增强，且易与水分子形成网络结构[28]，因此超微粉碎提取的SDF黏度较原样相比有所提高，但要低于其他两样品黏度，说明粒度也是影响黏度的一个重要因素，超微法所得SDF黏度较小，形成网络结构的能力要低于超高压和挤压膨化。由此可见，改性制备的SDF更适合做稳定剂、增稠剂。

图4 可溶性膳食纤维流体曲线

2.5 SDF抗氧化性质测定

由图5可知，三种物理辅助方式提取的黑小麦麸皮SDF抗氧化活性较普通碱提SDF均有所提高，由图5a可知，SDF对DPPH自由基清除力较弱，当浓度达到30 mg/mL时，最大清除率为34.65%，清除率由大到小为：超高压>超微粉碎>挤压膨化>原样，不同处理方式对样品抗氧化活力会有不同程度的影响[17]，如超高压和挤压膨化对米糠膳食纤维DPPH清除率有提高作用，可能是因为物理作用使纤维结构变得疏松多孔，活性物质得到充分释放。由图5b可知，各提取方式所得SDF对ABTS清除率均随浓度提高而升高，2～6 mg/mL时清除率迅速上升，大于6 mg时清除率趋于平缓，且超微粉碎清除率最强，但与超高压之间无显著性差异(P>0.05)，其次为挤压膨化和原样。羟自由基是最活跃的活性氧自由基[29]，由图5c可知，当SDF浓度为30 mg/mL时，清除率由高到低依次为：64.13%、62.32%、58.12%、48.77%，超微粉碎和超高压清除率优势较显著。样品还原能力与吸光度成正比，由图5d可知，当浓度大于30 mg/mL时，各SDF还原力具有显著性差异(P<0.05)，超微粉碎SDF还原力最高。综合来看，超微粉碎和超高压提取的SDF抗氧化活性要优于其他方式，适当的超微粉碎使粉体微细化，增加了抗氧化活性物质的溶出量，这一结果与张丽媛等[30]、蒋维等[31]的实验结果一致。由此可见物理处理不仅可增加SDF的提取量，而且对其功能活性也有一定改善作用。

图5 不同提取方式对SDF抗氧化活性影响

3 结论

确定了黑小麦麸皮SDF改性制备条件，得出超高压最佳条件为：料液比1∶15，时间15 min，压力300 MPa，SDF得率为17.72%；超微粉碎至200目时得率最高为17.54%；挤压膨化最佳条件为：含水量7%，螺杆转速350 r/min，温度150 ℃，SDF得率为16.17%。改性后SDF的理化特性、流变学特性和抗氧化活性均得到改善，超高压和挤压膨化主要改善其持水、持油力和膨胀性，超微粉碎主要改善SDF降脂及抗氧化活性，超高压改性SDF黏度最大。物理方式对提高物料可溶性成分的得率具有显著效果，并且物料组织结构与其性质变化具有一定关系，膨胀疏松多孔性及均匀微细粒度可增加其吸附特性，改善理化和功能特性，下一步可探索物理处理样品的微观结构与其特性变化的关系，为黑小麦麸皮等加工副产物的改性加工利用提供参考。