米糠可溶性膳食纤维提取工艺优化及物化特性分析

大米米糠是稻米加工的主要副产品,主要成分是碾米去掉的果皮、种皮、糊粉层和胚芽等[1]。米糠每年产量约为6 800万t[2],主要产于亚洲国家[3]。米糠不仅富含膳食纤维、蛋白质和脂肪等营养物质,还含有人体必需的不饱和脂肪酸和多种生物活性化合物,包括植物甾醇、生育酚和谷维素等[2, 4-7]。米糠也是可溶性和不溶性膳食纤维的良好来源,其含量为20%～51%[8]。这些物质具有抗炎、抗氧化、抗肿瘤、抗癌、增强免疫力、保护神经、调节脂质代谢和糖代谢等作用[9-14],其大分子营养物质还可作为化妆品中的皮肤调理剂、产品增黏剂[15]。但是目前国内外对米糠营养成分的研究主要集中在米糠蛋白、米糠油和生物活性化合物上,对米糠膳食纤维,尤其可溶性膳食纤维提取优化及其物化性质的研究较少。米糠一般用作动物饲料或者被当作废弃物丢掉,利用率极低,本试验探究了米糠可溶性膳食纤维的制备工艺、结构表征和物化特性等,目的是提高米糠的利用率,为米糠营养物质的开发提供理论依据和数据支持,同时提升其社会经济效益。

膳食纤维(dietary fiber,DF)根据溶解度分为可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber,SDF)和不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber,IDF)[16]。与IDF相比,摄入SDF可降低多种慢性病的患病风险,因此为提高产品价值,将IDF转变为SDF显得尤为重要[17]。方法包括物理方法、生物方法和化学方法,化学试剂可能会破坏分子结构,生物方法时间较长,相比之下物理方法简便又高效,超声即是物理方法的一种[18]。超声处理安全性高,改善其理化性质的同时保留营养成分,通过空化、剪切和湍流作用破坏细胞壁,释放化合物,有效提高SDF的含量[16, 19]。GU等[20]研究了超声辅助碱性提取的柑橘皮SDF,通过比较其处理前后的分子组成、分子质量、理化性质、抗氧化性质以及肠道调节能力,发现处理后的柑橘皮SDF总糖含量较高,分子质量>15 kDa,热稳定性更强,相同浓度下自由基清除能力更强,且调节了肠道微生物菌群的组成,增加了拟杆菌属的丰度,促进了短链脂肪酸丙酸的产生。李丹等[21]通过响应面试验,利用高温蒸煮结合超声波酶法提取菠萝蜜籽SDF,对处理前后SDF进行结构表征和物化特性,结果表明与处理前SDF相比,在最佳提取条件下,SDF提取率提高了7.46%,结构更加疏松多孔,结晶度增加,呈现出更好的热稳定性;其持水力、持油力、膨胀力、葡萄糖吸附力、胆固醇吸附力、胆酸盐吸附力、亚硝酸根离子吸附力均显著(P<0.05)优于处理前SDF。上述研究表明,超声处理能够有效增加SDF提取率,并改善其物化特性。

因此,本文通过超声处理优化米糠SDF提取工艺,分析SDF结构表征、理化性质和功能特性,为提升米糠的剩余价值提供参考,同时为促进米糠产品的开发、提高其附加值,提供借鉴意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

米糠,吉林省农业科学院水稻研究所提供;初萃东北玉米胚芽油,中粮悠采厨房食品(上海)有限公司;葡萄糖,天津市光复科技发展有限公司;胆固醇,生工生物工程(上海)股份有限公司;硫酸,北京化工厂;冰乙酸,天津市富宇精细化工有限公司;新鲜鸡蛋,市售;NaNO2,天津市大茂化学试剂厂;NaOH,北京化工厂;无水Na2CO3,国药集团化学试剂有限公司;盐酸萘乙二胺、对氨基苯磺酸,上海麦克林生化科技股份有限公司;无水乙醇,太仓新太酒精有限公司。

1.2 仪器与设备

KQ5200DV型数控超声波清洗器,昆山市超声仪器有限公司;TL8R立式低速冷冻离心机,湖南赫西仪器装备有限公司;HWS26型电热恒温水浴锅,上海一恒科学仪器有限公司;SCIENTZ-10 N/A冷冻干燥机,宁波新芝生物科技股份有限公司;电子天平,赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;SHZ-D(Ⅲ)(不锈钢)循环水真空泵,上海力辰邦西仪器科技有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 超声提取米糠SDF

参考GENG等[22]的方法,称取10.0 g脱脂米糠,超声处理后,3 000 r/min离心10 min,收集上清液,加入4倍体积60 ℃预热好的无水乙醇,沉淀4 h,3 000 r/min离心10 min,弃去上清液,沉淀40 ℃烘干即为SDF样品。SDF提取率计算如公式(1)所示:

式中:m,SDF质量,g;M,米糠质量,g。

1.3.1.1 单因素试验

液料比:在超声功率160 W、超声时间30 min条件下,分别添加10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1(mL∶g)液料比蒸馏水,探究液料比对SDF提取率的影响。

超声功率:在液料比20∶1(mL∶g)、超声时间30 min条件下,分别设定超声功率120、140、160、180、200 W,探究超声功率对SDF提取率的影响。

超声时间:在液料比20∶1(mL∶g)、超声功率160 W条件下,分别设定超声时间10、20、30、40、50 min,探究超声时间对SDF提取率的影响。

1.3.1.2 响应面优化试验设计

基于单因素试验结果,选取液料比、超声功率和超声时间,根据Box-Behnken试验原理作三因素三水平响应面分析,优化超声提取米糠可溶性膳食纤维工艺,响应面试验因素水平见表1。

1.3.2 米糠SDF结构测定

1.3.2.1 傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectrometer,FTIR)分析

参考XING等[23]方法,称取2 mg米糠SDF样品与200 mg KBr充分混匀,研磨均匀,压片,在4 000～400 cm-1波数范围内进行扫描。

1.3.2.2 X-射线衍射(X-ray diffraction,XRD)图分析

参考SANG等[24]方法,利用XRD仪进行测定,衍射角范围为5°～90°,扫射速度为10 °/min。

1.3.2.3 扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)分析

参考ZHOU等[25]的方法,喷金后,在3 000倍下观察米糠SDF形貌图像。

1.3.3 米糠SDF理化性质测定

1.3.3.1 持水力测定

参考ZHANG等[26]的方法,称取0.2 g米糠SDF样品与20 mL蒸馏水充分混匀,25 ℃静置2 h,5 000 r/min离心10 min,弃去上清液,收集沉淀物称重。持水力计算如公式(2)所示:

式中:m,样品干重,g;m1,样品吸水后湿重,g。

1.3.3.2 持油力测定

参考LIU等[27]的方法,称取0.1 g米糠SDF样品与5 g玉米油充分混匀,25 ℃静置2 h,8 000 r/min离心30 min,弃去上清液,收集沉淀物称重。持油力计算如公式(3)所示:

式中:m,样品干重,g;m1,样品吸油后湿重,g。

1.3.3.3 膨胀力测定

参考YANG等[28]的方法,称取0.1 g米糠SDF样品与5 mL蒸馏水充分混匀,记录体积,25 ℃静置24 h,记录膨胀后体积。膨胀力计算如公式(4)所示:

式中:m,样品质量,g;V,干样体积,mL;V1,样品膨胀后体积,mL。

1.3.3.4 溶解力测定

参考XIONG等[29]的方法,称取0.1 g米糠SDF样品与5 mL蒸馏水充分混匀,再于90 ℃水浴1 h,冷却,8 000 r/min离心10 min。上清液倒入蒸发皿中,105 ℃烘干至恒重。溶解力计算如公式(5)所示:

式中:m,样品质量,g;m0,蒸发皿质量,g;m1,蒸发皿与样品恒重之和,g。

1.3.4 米糠SDF功能特性测定

1.3.4.1 葡萄糖吸附力测定

参考LI等[30]的方法,称取0.1 g米糠SDF样品与25 mL的50 mmol/L的葡萄糖标准溶液充分混匀,分别将pH值调至2.0与7.0,模拟胃环境与肠道环境。37 ℃下水浴振荡反应2 h,吸附平衡后,4 800 r/min离心10 min,取上清液,采用DNS法测定上清液中的葡萄糖含量,另准备一组不加葡萄糖的样品作为空白对照,540 nm处测定吸光度。葡萄糖吸附能力以每克样品吸收的葡萄糖质量(mg)表示,按公式(6)计算:

式中:m,样品质量,g;m1,吸附前葡萄糖质量,mg;m2,吸附后葡萄糖质量,mg。

1.3.4.2 胆固醇吸附力测定

参考YANG等[31]的方法,取新鲜蛋黄与蒸馏水按1∶9的比例充分混匀。称取0.5 g米糠SDF样品加入25 mL搅打均匀的蛋黄乳液,分别将pH值调至2.0与7.0,模拟胃环境与肠道环境。37 ℃下水浴振荡反应2 h,吸附平衡后,4 800 r/min离心10 min,取上清液,采用邻苯二甲醛法测定上清液中胆固醇含量,550 nm处测定吸光度。胆固醇吸附力以每克样品吸收的胆固醇毫克数表示,计算如公式(7)所示:

式中:m,样品质量,g;m1,吸附前胆固醇质量,mg;m2,吸附后胆固醇质量,mg。

1.3.4.3 亚硝酸根离子吸附力测定

参考DU等[32]的方法,称取0.25 g米糠SDF样品与25 mL亚硝酸钠标准液充分混匀,分别将pH值调至2.0与7.0,模拟胃环境与肠道环境。37 ℃下水浴振荡反应2 h,吸附平衡后,4 800 r/min离心10 min,取上清液,538 nm处测定吸光度。亚硝酸根离子吸附力以每克样品吸收的亚硝酸根离子质量表示(mg/g),计算如公式(8)所示:

亚硝酸根离子吸附力

式中:m,样品质量,g;m1,吸附前亚硝酸根离子质量,mg;m2,吸附后亚硝酸根离子质量,mg。

1.4 数据处理与分析

实验进行3次重复,实验数据采用“平均值±标准差”表示;使用SPSS 26.0软件进行单因素方差分析,P<0.05为差异显著;采用Design Expert 13.0软件和Origin 10.1软件进行数据分析和绘图。

2 结果与分析

2.1 超声提取米糠SDF单因素试验

2.1.1 单因素试验结果

2.1.1.1 液料比对SDF提取率的影响

由图1可知,米糠SDF的提取率随着液料比的增加而升高,比例继续增大超过20∶1(mL∶g,下同)后,提取率开始下降,且SDF提取率在液料比为20∶1时达到最高为5.54%,显著高于其余处理的SDF提取率(P<0.05)。试验初始提取率提高是因为当液体体积增大时,米糠中的SDF与溶剂充分接触进而水解溶出,当液体体积过多时,超声效果被放大,破坏了米糠SDF的结构,提取率下降[33]。

2.1.1.2 超声功率对SDF提取率的影响

由图2可知,米糠SDF的提取率随着超声功率的增大而升高,功率超过160 W后,提取率开始下降,且SDF提取率在超声功率160 W时达到最高为4.23%,显著高于其余处理的SDF提取率(P<0.05)。试验初始,提取率提高是因为超声湍流、剪切等作用在一定功率范围内逐渐增强,SDF提取效果扩大,当超声功率超过临界值持续增大时,机械效应过强,破坏了SDF的结构,导致SDF提取率下降[34]。

2.1.1.3 超声时间对SDF提取率的影响

由图3可知,米糠SDF提取率随着超声时间的延长而增加,超过30 min后提取率开始下降,且SDF提取率在超声时间30 min时达到最高为5.32%,显著高于其余处理的SDF提取率(P <0.05)。试验初始提取率提高是因为超声的空化、剪切等累积作用加强,时间过长时米糠中其他杂质相继溶出,致使SDF提取率逐步下降[35]。

2.2 响应面优化超声提取米糠SDF工艺试验

2.2.1 响应面试验结果

对表2中数据进行二次回归分析,得到液料比(A)、超声功率(B)和超声时间(C)三因素对米糠SDF提取率(Y)影响的回归模型为Y=7.090 00+0.085 00A-0.001 20B-0.048 70C-0.210 00AB-0.010 00AC-0.142 50BC-0.726 30A2-0.333 80B2-0.658 70C2。

2.2.2 回归模型分析和显著性检验

由表3可知,该回归模型P<0.01,呈现极显著特征,失拟项P=0.625 4>0.05,不显著,因此模型可靠,可用于回归值的预测。确定系数

和C2作用达到极显著水平(P<0.01),A和BC作用达到显著水平(P<0.05),表明此回归模型拟合程度较好,可用于米糠SDF提取率工艺参数的预测和分析。对比F值,三因素对米糠SDF提取率的影响主次顺序为A>C>B,即液料比>超声时间>超声功率。

2.2.3 响应面分析各因素两两交互作用对SDF提取率的影响

根据回归方程,绘出响应面和等高线图,通过响应面图的坡度和等高线的陡峭程度,分析米糠SDF提取过程中液料比、超声功率和超声时间3个变量对响应值的影响情况。由图4可知,在液料比与超声功率交互图中,SDF提取率随着液料比的增加呈现先上升后下降的趋势,当液料比较小时,随着超声功率的加强,SDF提取率先大幅上升后下降;当液料比较大时,随着超声功率的加强,SDF提取率先缓慢上升后下降。这表明液料比与超声功率两因素之间存在明显的交互作用。如图5所示,在液料比和超声时间交互作用图中,SDF随着液料比和超声时间的增加呈现先上升后下降的趋势,存在明显的交互作用。如图6所示,在超声功率和超声时间交互作用图中,SDF随着超声功率和超声时间的增加呈现先上升后下降的趋势,存在交互作用。

2.2.4 超声处理最佳提取工艺条件的确定和验证试验

根据回归方程模拟分析,预测米糠SDF的最佳提取工艺为液料比20.305 5∶1(mL∶g)、超声功率159.730 0 W、超声时间29.641 3 min,在此条件下米糠SDF提取率的预测值为7.093 5%。考虑现实可操作性和便捷性要求,调整工艺参数为液料比20∶1(mL∶g)、超声功率160 W、超声时间30 min,在此条件下,进行验证实验,测得SDF提取率为(7.04±0.07)%,基本与预测值相合,表明调整后的参数准确可靠。处理前SDF提取率为(1.23±0.07)%,处理后含量提高了472.36%。

2.3 超声处理对米糠结构的影响

FTIR可以检测样品官能团的组成,反映出样品结构的变化。如图7所示,B-SDF与U-SDF的特征吸收峰的峰型类似,但强度存在差异。3 361 cm-1附近的宽而强的吸收峰主要是由于纤维素和半纤维素的—OH拉伸振动引起的,暴露的—OH有助于其亲水性[36-37]。2 930 cm-1和1 542 cm-1附近的弱吸收峰是甲基和亚甲基的C—H键伸缩振动产生的[38-39];1 600 cm-1处的吸收峰归因于SDF中羰基—COOH的伸缩振动[40];1 400～1 200 cm-1处的弱峰是典型的C—H键的变角振动峰[41];1 075 cm-1附近的较宽吸收峰可能与醚键的伸缩振动有关[42];844 cm-1处的峰对应于β-糖苷键的拉伸振荡[43]。以上都是多糖的特征峰,表明2种样品均具有典型膳食纤维结构,但超声处理对其官能团造成了一定程度的破坏,致使吸收峰的强度略有不同,U-SDF的结构也因此发生了改变。

由图8可知,B-SDF在21.42°有尖锐的衍射峰,表面其晶粒较大,分子排列有规律,结构有序;U-SDF与B-SDF相比,无明显尖锐衍射峰,衍射强度降低,在20°～30°有着较宽的衍射峰;但是二者峰型相似,表明两者都是由有序的纤维素结晶区域和无序的纤维素、半纤维素非晶区域共同构成[44-45]。SDF的结晶度与其物理和化学特性密切相关,在结晶区域,由于定向良好的分子链,纤维素分子表现出很强的分子间结合力、致密的结构和很高的密度;相反,在非结晶区域,由于分子间距离较大,纤维素分子链取向不良,分子排列无序,密度较低[46]。超声效应在一定程度上破坏了晶体结构,纤维素在结晶区降解,增加了非结晶区比例,降低了聚合度,使分子重排,结晶区从有序状态变为无序状态,显示出非晶态的特征。由于水无法进入天然纤维素的晶体中,结晶度的降低会相应地降低纤维的强度、硬度和稳定性等物理特性,水分子更易进入纤维素中,提高持水力和膨胀力等化学特性[47]。晶区和非晶区结构对功能特性的影响也不同,晶体区域有序结构的降低导致SDF的结构更加松散,从而改善其生理活性[48]。

由图9可知,B-SDF团块大,表面粗糙无孔洞,而U-SDF表面分布均匀、疏松多孔,这可能是因为超声的机械效应破坏了SDF结构的完整性,导致内部空隙增加,比表面积增大[49-50]。比表面积越大,吸附有机分子和离子的能力越强,与油性成分结合的能力也越强,有助于提升其功能特性[51-52],超声效应使SDF暴露出更多的极性基团,有助于更多物质更容易进入纤维素内部,提高SDF的吸附性能,改善了其物化性质[53]。

2.4 超声处理对米糠理化性质的影响

由图10可知,U-SDF的持水力由(0.37±0.13)g/g增加到(1.08±0.13)g/g,提高了195.45%;持油力由(1.43±0.40)g/g增加到(2.93±0.25)g/g,提高了104.65%;膨胀力由(0.17±0.06)mL/g增加到(0.90±0.36)mL/g,提高了439.99%;溶解力由(32.37±0.94)%增加到(55.23±5.52)%,提高了70.65%,且都呈现显著性差异(P<0.05)。超声的剪切、空化、湍流等作用使FTIR中U-SDF的特征峰发生偏移、XRD中U-SDF尖锐衍射峰的消失,改变了SDF结构,SEM微观结构图也证实了这一点,SDF结构的变化引起了相应理化特性的改变[54]。超声处理使FTIR特征峰发生偏移,产生具有多糖的特征吸收峰,化学键伸缩震动,暴露更多氢键和羟基,增加SDF的亲水性,提高SDF的持水力、膨胀力和溶解力[55]。超声处理调整了结晶区和非晶区之间的比例,使得水分子更容易进入SDF内部,提高持水力、膨胀力和溶解力[56]。SEM图中U-SDF结构松散多孔,使SDF暴露了更多的亲水性基团(如极性基团和醛酸基团),吸附更多的油脂和水分,有效结合胆固醇,有助于降低血液中胆固醇水平,并对健康产生积极作用[57]。

2.5 超声处理对米糠功能特性的影响

如图11所示,在体外模拟的胃环境(pH=2.0)、肠环境(pH=7.0)中,U-SDF具有更强的吸附力,葡萄糖吸附力由(14.71±2.58)、(34.27±0.92) mg/g增加到(19.71±2.08)、(47.65±1.76) mg/g,分别增强了25.38%、39.05%;胆固醇吸附力由(139.36±4.16)、(236.66±2.41) mg/g增加到(156.82±1.80)、(249.01±0.02) mg/g;分别增强了12.53%、5.22%;亚硝酸根离子吸附力由(42.64±0.33)、(19.36±0.24) mg/g增加到(47.03±1.01) mg/g、(21.99±0.22) mg/g,分别增强了1.04%、13.58%,均呈现显著性差异(P<0.05),表现了良好的体外降血糖、降血脂功能,降低了亚硝酸盐致癌的机率。超声处理改变了SDF的结构,使其变得松散多孔,提供更多的结合位点,使更多的活性基团与其他分子结合,增强吸附性[58-59]。葡萄糖吸附力增强与超声的物理作用有关,超声处理使SDF结构相对疏松多孔,从而增强了U-SDF的吸附作用,更有利于吸附葡萄糖分子,同时,超声处理后暴露出更多的极性和非极性基团,使葡萄糖更容易进入SDF内部,增强了与葡萄糖分子的相互作用,因此,U-SDF能有效吸附胃肠道中的葡萄糖分子,调节餐后血糖诱导的血糖波动[49,60]。超声处理使U-SDF的内部无序区增加,空间阻挡力下降,促进了SDF对胆固醇和亚硝酸根离子的物理和化学吸附[61]。酸度和碱度对U-SDF的吸附力有很大影响:对于葡萄糖和胆固醇的吸附,SDF在肠内环境(pH=7.0)的吸附力强于胃内(pH=2.0),这表明SDF对葡萄糖和胆固醇吸附作用主要发生的在肠内,原因在于在酸性条件下,葡萄糖、胆固醇和SDF表面都有一定数量的正电荷,它们相互排斥,削弱了SDF的吸附作用[62]。对于亚硝酸根离子的吸附,在酸性环境中,亚硝酸盐离子与氢离子反应产生HNO2并进一步产生氮氧化合物,这些化合物可以轻松快速地与SDF中的有机酸结合,例如糖醛酸和酚酸,因此,SDF对亚硝酸根离子的吸附作用主要发生在胃内[63]。

3 结论

本文探究了超声处理对米糠SDF提取率、结构表征、理化性质和功能特性的影响,结果表明,超声处理可以提高米糠可溶性膳食纤维含量,改善其物化特性和功能特性。当液料比20∶1(mL∶g)、超声功率160 W、超声时间30 min时,米糠SDF含量最高,为(7.04±0.07)%,提高了4.72倍。由于超声的机械效应,经过处理的SDF持水力、持油力、膨胀力和溶解力提高,葡萄糖吸附力、胆固醇吸附力和亚硝酸根离子吸附力增强。本研究通过对米糠进行超声处理,提高了米糠SDF的含量,改善了SDF的物化特性和功能性质,使米糠更易于开发利用,为相关食品加工提供了理论依据。

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