燕麦是禾本科燕麦属,一年生作物,全球种植的历史已经有2 000多年,是人类文明已知的最古老作物之一[1-2]。同时,燕麦是公认的高营养价值谷物,其中包含蛋白质、脂肪、β-葡聚糖、多酚、维生素和矿物质[3],具有降糖降脂、抗氧化抗炎、降血压及调节肠道菌群的功效[4]。随着大众对于饮食健康的关注提高,燕麦已逐步成为人们日常健康食物消费的一部分。
燕麦麸皮是燕麦加工过程中产生的副产物,约占整体的50%[5]。燕麦麸皮内含有大量的膳食纤维和酚类物质[6],其中可溶性膳食纤维β-葡聚糖含量最多,其含量在谷物中为第一位[7]。尽管燕麦麸皮营养丰富且具有很多益生作用,但由于其易氧化变质,极大地限制了其的应用[8]。蒸制、热风干燥、微波和炒制处理是常见的热加工处理方式。BAI等[9]研究表明,蒸制、热风干燥和微波处理能够降低燕麦麸皮贮藏过程中脂肪酸值、丙二醛的增加,从而延长燕麦麸皮的货架期。王佩瑶[10]研究发现,90 ℃下炒制燕麦粉降低了燕麦粉中过氧化氢酶和脂肪酶的活性,延长了货架期,且丰富了燕麦粉的风味。然而关于不同热加工后燕麦麸皮的消化特性及抗氧化特性的研究较少。
本文以燕麦麸皮为原料,考察了不同热处理方式蒸制、热风干燥、微波和炒制处理对其溶解性、傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)、淀粉体外消化率和抗氧化活性的影响。探究不同热处理方式对燕麦麸皮消化特性和抗氧化特性的影响,为燕麦麸皮的深加工利用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
燕麦麸皮,内蒙古西贝汇通农业科技发展有限公司;新鲜燕麦麸皮分装后于-80 ℃环境下冻藏。
没食子酸(纯度>98%),北京酷来博科技有限公司;、3,5-二硝基水杨酸(3,5-dinitrosalicylic acid,DNS),北京太阳生物科技有限公司;猪胰腺α-淀粉酶(13 U/mg),源叶生物有限公司;糖化酶(100 000 U/g),索莱宝生物科技有限公司;HCl、Na2CO3、葡萄糖、乙醇等,均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司。
1.2 仪器与设备
HK-08多功能粉碎机,广州市旭朗机械设备有限公司;GZX-9076MBE电热鼓风干燥箱,上海博讯实业有限公司医疗设备厂;G8023CTL-K3微波炉,格兰仕微波炉电器有限公司;Evolution220紫外可见分光光度计,日本INSENT公司;IR Affinity-IS红外光谱仪,日本岛津公司。
1.3 试验方法
1.3.1 样品处理
未热处理组燕麦麸皮样品(N):微粉碎后过100目筛。水分含量为(6.92±0.53) g/100 g。
蒸制处理燕麦麸皮样品(BSR):待水沸腾后,将燕麦麸皮放入蒸笼中1～2 cm厚蒸制20 min后微粉碎过100目筛。水分含量为(7.97±0.47) g/100 g。
热风干燥处理燕麦麸皮样品(BRF):将燕麦麸皮放入热风干燥箱内140 ℃下15 min后微粉碎过100目筛。水分含量为(5.83±0.13) g/100 g。
微波处理样品(BWB):将燕麦麸皮在微波功率800 W的条件下处理90 s后微粉碎过100目筛。水分含量为(6.34±0.56) g/100 g。
炒制处理样品(BCZ):将燕麦麸皮在90 ℃下炒制10 min后微粉碎过100目筛。水分含量为(5.73±0.25) g/100 g。
1.3.2 燕麦麸皮粉溶解性测定
参照王佩瑶[10]的方法,称取不同样品1.5 g,放入盛有15 mL蒸馏水的离心管中,振荡,使样品分散,30 ℃水浴30 min,每隔5 min振荡1次,在3 000 r/min下离心15 min后,将上清液和沉淀物分离,上清液于105 ℃烘干,并称取离心管和剩余沉淀的质量。吸水性指数和水溶性指数的计算如公式(1)和公式(2)所示:
吸水性指数
(1)
水溶性指数
(2)
1.3.3 FTIR分析
准确称量1.5 mg干燥后的燕麦麸皮与150 mg KBr粉末置于研钵中研磨,压片,抽真空,将薄片置于样品架上扫描,扫描波数为4 000～400 cm-1,分辨率为4 cm-1,扫描次数为64次,绘制红外光谱图。
1.3.4 淀粉含量测定
参照GB 5009.9—2023《食品安全国家标准 食品中淀粉的测定》中的酸水解法。
1.3.5 燕麦麸皮粉淀粉体外消化率测定
标准曲线绘制:根据汤旻玥[11]的方法,分别在试管中加入0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL的1 mg/mL的葡萄糖标准溶液,用蒸馏水定谷至1 mL。加入2 mL DNS溶液混匀,沸水浴7 min后转移至冰水浴迅速冷却,将溶液定容至15 mL,充分混匀后,于540 nm下测定吸光度,得到标准曲线:y=0.961 6x-0.000 6,R2=0.999 4。
参照张晶[12]的方法并稍作修改,称取200 mg样品于锥形瓶中,加入0.2 mol/L的pH 5.2的乙酸钠缓冲液15 mL,混合均匀。添加10 mL猪胰α-淀粉酶(290 U/mL)和糖化酶(15 U/mL)的混合酶液,置于37 ℃恒温水浴中搅拌,速度为200 r/min,分别于水解时间0、10、20、40、60、90、120、180 min时取0.5 mL样品液,加入4.5 mL无水乙醇灭酶活,加入2 mL DNS试剂,置于沸水浴7 min后转移至冰浴冷却,将溶液补足到15 mL,充分混匀后,于540 nm下测定其吸光度。根据标准曲线计算样品在不同消化时间点的葡萄糖含量(Gt),并计算其水解率、快消化淀粉(rapidly digestible starch, RDS)、慢消化淀粉(slowly digestible starch, SDS)及抗性淀粉(resistant starch, RS),其计算如公式(3)～公式(6)所示:
水解率
(3)
(4)
(5)
RS/%=100-RDS-SDS
(6)
式中:Gt,t时刻葡萄糖的含量,mg;FG,酶水解前淀粉中游离葡萄糖含量,mg;G20、G120,酶水解20 min 和120 min时的葡萄糖含量,mg;TS,样品中总淀粉的含量,mg。
1.3.6 总酚含量及抗氧化活性的测定
样液制备:参照卢宇[13]的方法,称取1 g样品于锥形瓶中,按料液比1∶26加入体积分数为49%乙醇,73 ℃下水浴提取62 min,待溶液冷却后在5 000 r/min下离心20 min后取上清液作为样品液。
总酚含量测定:取上述样品液1 mL加入1 mL福林酚,充分振荡后静置5 min,加入2 mL Na2CO3(10%,质量分数)溶液,蒸馏水定容至25 mL,室温放置1 h后测定OD765,并以没食子酸作为标准品绘制标准曲线:y=0.066x+0.008 5,R2=0.988 4,总酚含量的计算如公式(7)所示:
总酚含量
(7)
式中:C,没食子酸质量浓度,μg/mL;V,样品液体积,mL;K,稀释倍数;m,样品质量,g。
羟自由基(·OH)清除能力:根据高婷[14]的方法稍作修改,取样品液1 mL,分别加入2 mL 6 mmol/L的FeSO4和2 mL 0.1%(体积分数)的H2O2溶液,充分混匀后静置10 min,加入2 mL 6 mmol/L的水杨酸-乙醇溶液,置于37 ℃水浴30 min后,于4 000 r/min离心10 min,取样品上清液在510 nm下测定其吸光度值,并用相同体积的蒸馏水做空白对照,并以没食子酸溶液做阳性对照,·OH清除率的计算如公式(8)所示:
·OH清除率
(8)
式中:A0,加水杨酸-乙醇溶液未加样品液的吸光度;A1,加水杨酸-乙醇溶液和样品液的吸光度值;A2,未加水杨酸-乙醇溶液加样品液的吸光度值。
DPPH自由基清除能力:参照蔺瑞[15]的方法,将2 mL 0.1 mol/L的DPPH溶液、1 mL样品液和1 mL蒸馏水与2 mL无水乙醇充分混匀后加入试管中,充分混匀后置于暗箱避光静置30 min,在515 nm下测定吸光度值,对照组为相同体积的蒸馏水,并以没食子酸溶液替代样品液做对照实验,DPPH自由基清除率的计算如公式(9)所示:
DPPH自由基清除率
(9)
式中:A0,蒸馏水替代样品液和DPPH乙醇溶液的吸光度值;A1,加样品液的DPPH乙醇溶液的吸光度值;A2,无水乙醇和样品液混合后的吸光度值。
ABTS阳离子自由基清除能力测定:参考ZHU等[16]的方法,将100 mL(7 mmol/L)ABTS与100 mL过硫酸钾(2.45 mmol/L)混合均匀,在黑暗条件下,室温孵育14 h,制成ABTS储备液,用PBS缓冲液(0.05 mol/L,pH值为7.4)稀释到在734 nm下吸光度为0.7±0.02,制备成ABTS工作液。将2.85 mL工作液体与150 μL样品充分混均后置于暗箱,室温避光静置10 min,5 000 r/min离心5 min后,取样品上清液在734 nm下测定吸光度,用蒸馏水调零,同时测定以蒸馏水做对照组。ABTS阳离子自由基清除能力的计算如公式(10)所示:
ABTS阳离子自由基清除率
(10)
1.4 数据统计与分析
所有数据均为“平均值±标准差”表示,采用GraphPad Prism 8.2.0作图,SPSS 22.0进行差异显著性分析。
2 结果与分析
2.1 热处理对燕麦麸皮溶解性的影响
2.1.1 热处理对燕麦麸皮水溶性指数的影响
如图1所示,燕麦麸皮的水溶性指数大小为:BRF>BWB>BCZ>BSR>N,而水溶性指数反映了样品淀粉大分子的溶解能力[17],在热处理的作用下燕麦麸皮中淀粉等大分子物质被部分分解,产生水溶性的小分子物质[18]。张守文等[19]表明,淀粉在热处理的低温阶段溶解率提高,与本文结论一致。
图1 不同热处理对燕麦麸皮水溶性指数的影响
Fig.1 Effect of different thermal treatment on water solubility index of oat bran
注:组间不同字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
2.1.2 热处理对燕麦麸皮吸水性指数的影响
由图2可知,燕麦麸皮的吸水性指数大小为:N>BWB>BCZ>BSR>BRF,这是因为热处理使直链淀粉断裂且断裂后的直链淀粉在低温贮存下和支链淀粉重新排列成有序的微晶束,结构更为紧密,水分更难以进入[20],与IRAKLI等[21]表明米糠在经过蒸煮、干热、微波和红外辐射处理后,吸水性指数显著降低的结论相一致。
图2 不同热处理对燕麦麸皮吸水性指数的影响
Fig.2 Effect of different thermal treatment on water absorption index of oat bran
2.2 热处理燕麦麸皮红外光谱图分析
在4 000～400 cm-1处的燕麦麸皮红外光谱图中(图3),不同热处理后燕麦麸皮的红外光谱图相似。3 290 cm-1处为O—H伸缩振动峰、2 924 cm-1处为C—H伸缩振动峰、1 743 cm-1和1 645 cm-1均为C
O伸缩振动峰,1 743 cm-1处为酯羰基的特征峰,对应为淀粉-脂肪复合物[22]。波数在1 045 cm-1附近与淀粉的结晶结构有关,而在1 022 cm-1附近的峰与无定形结构有关,1 045 cm-1/1 022 cm-1比值越大,表示淀粉结构的有序性越高[23]。不同热处理后,1 045 cm-1/1 022 cm-1比值增大,表明燕麦麸皮淀粉重新排列成更为有序的结构。与BAO等[24]研究表明的热处理会增强板栗淀粉的短程有序结构的结论相一致。
图3 不同热处理对燕麦麸皮的FTIR光谱的影响
Fig.3 Effect of different thermal treatment on FTIR spectra of oat bran
2.3 热处理对燕麦麸皮中总淀粉含量的影响
如图4所示,燕麦麸皮中的总淀粉含量大小为:N>BSR>BRF>BWB>BCZ,经过热处理后均出现了显著降低(P<0.05),未经热处理的燕麦麸皮中总淀粉含量为(43.66±0.39) g/100 g,炒制下燕麦麸皮中总淀粉含量为(30.65±0.12) g/100 g,下降的最为显著,这是由于燕麦麸皮淀粉在炒制过程中经过高温作用被部分分解为还原糖,再与蛋白质热分解产生的氨基酸发生美拉德反应[25],与王佩瑶等[26]表明,炒制处理燕麦总淀粉含量由未炒制的(75.22±0.01)%下降至(43.85±0.01)%的结论一致。
图4 不同热处理对燕麦麸皮中总淀粉含量的影响
Fig.4 Effect of different thermal treatment on total starch content of oat bran
2.4 热处理对燕麦麸皮淀粉体外消化的影响
2.4.1 热处理对燕麦麸皮淀粉水解率的影响
如图5所示,热处理后燕麦麸皮淀粉的水解率的大小顺序为:BWB>BCZ>BRF>BSR,与未经热处理组对比,热处理后燕麦麸皮淀粉水解率均提高,这是由于热处理能够破坏淀粉的内部结构,使其内部生成松散的无定形或结晶区,促进淀粉水解酶与糖苷键进行结合,从而提高淀粉的水解率[27],这与魏敬[28]蒸煮、蒸制和烤制处理增加轧制燕麦淀粉的水解率的结果一致。
图5 不同热处理对燕麦麸皮的淀粉水解率的影响
Fig.5 Effect of different thermal treatment on starch hydrolysis percentage of oat bran
注:*表示差异显著(P<0.05)。
2.4.2 热处理对燕麦麸皮淀粉消化片段的影响
如图6所示,热处理的燕麦麸皮中RDS增加,BRF和BWB处理显著增加SDS(P<0.05),BRF、BWB和BCZ处理显著减少RS(P<0.05)。与N组对比,热处理破坏了淀粉结构,使更多的酶位点暴露,从而使RDS增加。SDS增加是由于加热过程中淀粉与燕麦麸皮中的脂质或蛋白质之间相互作用,使淀粉颗粒形成较小的淀粉-脂质类复合物,从而限制淀粉颗粒与酶的接触[29],与OVANDO-MART
NEZ等[30]表明燕麦籽粒经过蒸煮、蒸制、高压釜蒸制处理后,RDS和SDS含量增加,RS含量降低的结论一致。
图6 不同热处理对燕麦麸皮的RDS,SDS和RS含量的影响
Fig.6 Effect of different thermal treatment on RDS,SDS,and RS content of oat bran
2.5 热处理对燕麦麸皮总多酚含量的影响
由图7可知,燕麦麸皮中多酚的含量大小为:BCZ>BRF>BWB>N>BSR,BSR下燕麦麸皮中的总多酚含量显著降低(P<0.05),为(183.02±4.10) mg/100 g,这是因为在水环境下,水溶性的多酚伴随着水流失[31]。而BRF、BWB和BCZ处理下燕麦麸皮的总多酚含量显著增加(P<0.05),是因为BRF、BWB和BCZ处理过程中将结合在细胞壁中的多酚热释放[32]。BCZ处理燕麦麸皮中总多酚含量由(226.68±9.67) mg/100 g增加至(268.04±8.94) mg/100 g。
图7 不同热处理对燕麦麸皮总多酚含量的影响
Fig.7 Effect of different thermal treatment on total phenol content of oat bran
2.6 热处理对燕麦麸皮抗氧化特性的影响
如图8所示,热处理后燕麦麸皮提取液对·OH的清除能力,与N组的燕麦麸皮提取液对·OH的清除能力相比,热处理后BSR的燕麦麸皮提取液对·OH的清除率降低,降低了0.86%,BRF、BWB和BCZ处理增加了燕麦麸皮提取液对·OH的清除率,其中BCZ处理的燕麦麸皮提取液对·OH的清除率为(48.84±3.19)%,增加了7.16%,说明炒制处理能有效提升燕麦麸皮抑制·OH的能力;经过热处理后燕麦麸皮的提取液对DPPH自由基清除率与未经热处理的燕麦麸皮提取液对DPPH自由基清除率相比,BSR处理后的燕麦麸皮提取液对DPPH自由基的清除率降低,降低了1.33%,BRF、BWB和BCZ处理的燕麦麸皮提取液的DPPH自由基清除率增加,其中BCZ处理的燕麦麸皮提取液DPPH自由基清除率增加最多,增加了3.76%,说明BCZ处理能有效提升燕麦麸皮抑制DPPH自由基的能力;与未热处理的燕麦麸皮提取液相比,经过BSR处理的燕麦麸皮提取液对ABTS阳离子自由基的清除率增加,但不显著,而经过BRF、BWB和BCZ处理的燕麦麸皮提取液对ABTS阳离子自由基的清除率显著增加(P<0.05),BCZ处理的燕麦麸皮提取液对ABTS阳离子自由基的清除率高达(95.01±1.63)%,提升了10.44%,说明炒制处理能有效提升燕麦麸皮抑制ABTS阳离子自由基的能力。
图8 不同热处理对燕麦麸皮提取液抗氧化能力的影响
Fig.8 Effect of different thermal treatment on antioxidant capacity of oat bran extract
2.7 相关性分析
已有研究表明,麦麸的酚类化合物具有抗氧化和清除自由基的能力[33]。燕麦麸皮总多酚含量与抗氧化指标间的相关性分析见图9。总多酚含量与DPPH自由基清除率和ABTS阳离子自由基清除率呈显著正相关(P<0.05),相关系数分别为0.98和0.88,与·OH清除能力呈正相关,相关系数别为0.79,与张亚琨等[34]表明燕麦总多酚含量与DPPH自由基和ABTS阳离子自由基清除能力呈显著正相关(P<0.05),相关系数分别为0.71和0.85的结论一致。
图9 燕麦麸皮总多酚与抗氧化指标间的相关性分析
Fig.9 Correlation analysis between total phenol content and antioxidative indexes of oat bran
注:*表示差异显著(P≤0.05)。
3 结论
热处理可增加燕麦麸皮水溶性,并降低其吸水性;热处理能够增强燕麦麸皮淀粉的短程有序结构;热处理能够显著降低总淀粉含量,其中BCZ处理燕麦麸皮中总淀粉含量由(43.66±0.39) g/100 g降低至(30.65±0.12) g/100 g;同时,热处理下燕麦麸皮淀粉水解率提高,RS含量显著降低(P<0.05),RDS和SDS含量增加;未经热处理的燕麦麸皮中总多酚含量为(226.68±9.67) mg/100 g,BSR处理燕麦麸皮中总多酚含量降低至(183.02±4.10) mg/100 g,BRF、BWB和BCZ处理燕麦麸皮中总多酚含量显著增加(P<0.05),BCZ处理燕麦麸皮中总多酚含量增加至(268.04±8.94) mg/100 g,总多酚含量与抗氧化指标呈正相关,炒制处理能有效提高燕麦麸皮对·OH、DPPH自由基和ABTS阳离子自由基清除能力。
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