黑小麥不溶性膳食纖維酶解產物組成分析及其對全谷物擠壓膨化產品品質的影響

孫元琳,儀 鑫,李云龍,劉 瑞，周素梅

(1.運城學院生命科學系,山西運城 044000;2.山西省農科院農產品加工研究所,山西太原 030031;3.中國農業科學院農產品加工研究所,北京 100193)

黑小麥是一種富含膳食纖維的黑籽粒小麥品種,屬于優質特色谷物資源。阿拉伯木聚糖(AX)是黑小麥膳食纖維的主要組成部分[1]。同時,黑小麥麩皮中含有豐富的酚酸類物質(98.5%),其主要以結合態的形式[2],與AX高度酯合。研究表明,阿魏酸是黑小麥麩皮部位主要的結合態酚酸[3]。作為天然的抗氧化劑,阿魏酸能夠有效清除過氧化物、羥自由基、超氧陰離子等自由基。Heinonen等[4]比較了阿魏酸、沒食子酸、咖啡酸、兒茶素、蘆丁、槲皮素等酚類物質在卵磷脂-脂質體系中的抗氧化活性,發現阿魏酸對過氧化物產生的抑制能力最強。

小麥麩皮不溶性膳食纖維通過木聚糖酶可控性酶解,能夠釋放出功能性阿魏酰低聚糖[5]。研究表明,功能性低聚糖不能被人體內源性消化酶分解,但可選擇性地促進腸道中有益菌(如雙歧桿菌、乳桿菌等)的增殖,通過改善腸道菌群結構調節人體腸道微生態平衡,增強機體免疫力,并能預防結腸癌的發生[6]。阿魏酰低聚糖由阿魏酸與阿拉伯低聚木糖通過酯鍵鍵合而成,故阿魏酰低聚糖兼具抗氧化和益生的雙重生理功效[7]。Gudipati等[8]通過模擬人體腸道環境,發現阿魏酰低聚糖對雙歧桿菌的增殖作用顯著高于低聚木糖。

功能性低聚糖作為新型食品添加劑和功能性甜味劑,被廣泛應用于乳制品、焙烤食品、谷物早餐、嬰兒食品。低聚木糖的甜度約為蔗糖的40%,除可發揮益生元的功能外,亦可作為甜味劑替代蔗糖應用于擠壓膨化型谷物早餐食品。在擠壓膨化過程中,低聚糖通過與淀粉糊競爭有限水分,從而對產品的組織結構、膨化率產生一定的促進作用[9]。

黑小麥麩皮麩皮作為黑小麥加工副產物,若對其進行充分利用,對黑小麥的綜合利用有重要意義。本研究采用木聚糖酶對黑小麥麩皮不溶性膳食纖維進行酶解,對酶解產物的組成及理化性質進行分析,并研究其對全谷物擠壓膨化產品品質的影響,以期為黑小麥特色谷物資源的綜合利用及開發提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

黑小麥 山西省農科院棉花研究所;燕麥、蕎麥 山西省農科院農產品加工研究所;木聚糖酶(EC 3.2.1.8,酶活 ≥60000 U/mg) 德國Ruibio公司;標準木糖、葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖(純度≥99.0%) 美國Sigma公司;標準阿魏酸(純度≥98.0%) 德國Ruibio公司;大豆蛋白、大豆卵磷酯、蔗糖等 市售。

ICS-1100型離子色譜儀 美國戴安(DIONEX)公司;LC1200型高效液相色譜儀 美國Agilent公司;Cary5000紫外-可見-近紅外分光光度計 美國Agilent公司;TENSOR27型傅里葉紅外光譜儀 德國布魯克(Bruker)公司;FMGM-36雙螺桿擠壓膨化機、流化床干燥機 湖南富馬科食品工程技術有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 黑小麥不溶性膳食纖維酶解產物的制備 以黑小麥麩皮為原料,參照文獻[10]制備黑小麥不溶性膳食纖維,并采用木聚糖酶處理獲得可溶性酶解液。酶解條件如下:5 g黑小麥不溶性膳食纖維加入100 mL醋酸-醋酸鈉緩沖液(pH4.8),木聚糖酶添加量為15.5 mg/L,46 ℃酶解22 h,酶解液經冷凍干燥得到黑小麥膳食纖維木聚糖酶酶解產物(BWXH)。

1.2.2 單糖組成分析 稱取樣品3～5 mg溶于2 mol/L三氟乙酸溶液,100 ℃水解2 h,去除過量的三氟乙酸后用蒸餾水定容至30 mL,進樣離子色譜。根據標準品的出峰時間判斷BWXH的單糖種類,根據峰面積的比值確定各單糖間的比例關系。采用的色譜柱為CarboPac PA20柱,檢測器為安培檢測器,柱溫30 ℃,10 mmol/L KOH等度洗脫,流速為0.4 mL/min,進樣量25 μL;樣品與標準品進樣前用0.45 μm微孔濾膜過濾[11]。

1.2.3 低聚糖組成分析 將待測樣品溶于水,采用離子色譜分析低聚糖組成。色譜柱為CarboPac PA200柱,柱溫保持在25 ℃,流動相流速為0.5 mL/min,用水、250 mmol/L NaOH、1 mol/L NaAc與100 mmol/L NaOH的混合液進行梯度洗脫[11]。

1.2.4 阿魏?；鶊F含量的測定 將樣品溶于70 mmol/L pH10.0的Gly-NaOH緩沖液中,于375 nm下測定吸光度(A);阿魏酸含量計算公式:A=C·ε·d,其中C為樣品中阿魏酸濃度(mol/L),ε375=31600 L· mol-1cm-1,d(光路距離)=1 cm,阿魏酸分子量為194.2[12]。

1.2.5 阿魏酰低聚糖(FOs)濃度的測定 利用雙波長法[13]進行測定。

1.2.6 紫外光譜掃描 以100 mmol/L pH6.0的MOPS緩沖液為溶劑,分別對標準品阿魏酸與BWXH進行溶解后,于190～400 nm波長范圍內進行紫外光譜掃描。

1.2.7 紅外光譜(FT-IR)分析 稱取2 mg左右樣品,采用KBr研磨壓片后,于4000～400 cm-1紅外區掃描,掃描32次,分辨率為4 cm-1。

1.2.8 穩定性測試 用滅菌鍋模擬高溫高壓環境,在121 ℃、0.15 MPa下分別處理BWXH樣品10、20、30 min,重復進行3次,測定經過高溫高壓處理前后FOs含量的變化。

1.2.9 擠壓膨化產品制備工藝流程 原輔料→計量→混合→螺旋喂料器→雙螺桿擠壓膨化→流化床干燥→成品。

操作要點:將黑小麥、燕麥、蕎麥全谷物粉以3∶1∶1的比例混合均勻,在食鹽添加量0.5%、CaCO30.3%、大豆蛋白3.3%、大豆卵磷酯0.4%、蔗糖8.3%的條件下,進行BWXH添加量為1%、3%、5%、7%、9%的擠壓膨化實驗,分別測定擠壓產品的膨化率、吸水性指數、水溶性指數,并進行感官評價,以觀察BWXH對擠壓膨化產品品質的影響。雙螺桿擠壓膨化機參數:喂料速度25 kg/h,加水量2.0 kg/h,螺桿轉速130 r/min,腔體溫度為60 ℃/90 ℃/130 ℃/160 ℃/170 ℃。

1.2.10 膨化率的測定 用游標卡尺測量產品的直徑,產品膨化率為產品直徑與模頭孔徑之比。每個因素測10個樣品,采用線性插值法將膨化率轉化為5分制:將所有產品中膨化率最大值Xmax設置為5.0分,最小值Xmin為1.0分,其他膨化率所對應的分值計算如下:

1.2.11 水溶性指數(WSI)和吸水性指數(WAI)的測定 稱取0.5 g樣品,于10 mL水(30 ℃)中,在30 ℃連續輕輕晃動30 min后,于3000 r/min 離心15 min,將上清液和沉淀物分離,沉淀物質量為X1,上清液于120 ℃下烘至恒重,烘干物質量為X2。

WAI=X1/M,WSI=X2/M,其中M為樣品質量。

1.2.12 感官評分 感官評價采用數學模糊綜合評價法[14]。以表觀(30%)、脆度(30%)、粗糙度(20%)、風味(20%)為因素集,以好(5分)、較好(4分)、中等(3分)、較差(2分)、差(1分)為評語集,通過模糊線性轉化得到各產品的感官評定分數。

1.3 數據處理

實驗重復進行3次,采用Excel軟件進行數據處理,計算平均值及標準差。差異顯著性分析采用SPSS 24進行分析;通過Origin 7.5軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 黑小麥膳食纖維木聚糖酶酶解產物(BWXH)的組成分析

BWXH的化學組成如表1所示。從表1可以看出,BWXH的總糖含量為88.73%,其中阿魏酰低聚糖(FOs)含量為0.104 mmol/g,阿魏酸含量為0.717 mg/g。此外,還含有5.20%的蛋白質。BWXH中的FOs主要由阿拉伯糖、木糖和葡萄糖組成,還含有微量半乳糖。各單糖的物質的量比為阿拉伯糖∶木糖∶葡萄糖∶半乳糖=1.70∶4.25∶1.00∶0.04,分支度(A/X)為0.40。

表1 BWXH的化學組成Table 1 Chemical Composition of BWXH

2.2 低聚糖組成分析

采用離子色譜測定了BWXH的低聚糖組成,結果如圖1所示。通過與標準低聚木糖的相對保留時間比較,發現BWXH中的低聚糖主要以DP2、DP3和DP4為主,即聚合度為2、3、4的阿魏酰低聚糖。

圖1 BWXH的離子色譜圖Fig.1 Ion chromatogram of BWXH

2.3 紫外光譜分析

對黑小麥膳食纖維酶解產物(BWXH)進行紫外光譜掃描,結果如圖2所示。比較BWXH與標準品阿魏酸的吸收波長可以看出,標準品阿魏酸在286、325 nm附近有強吸收,且286 nm為最大吸收波長。BWXH在286、325 nm附近同樣有強吸收,但325 nm是其最大吸收波長。有文獻報道,阿魏酸通過酯鍵與低聚糖連接,使得阿魏酰低聚糖在325 nm處的吸收增強[15],由此表明BWXH中存在酯化的阿魏?；鶊F。

圖2 FA標準品及BWXH的紫外光譜圖Fig.2 UV spectra of BWXH and FA standard

2.4 紅外光譜分析

圖3為BWXH的紅外光譜圖。3600～2500 cm-1出現的寬峰是分子內或分子間-OH伸縮振動的結果。2927 cm-1的吸收峰由C-H(CH、CH2和CH3)伸縮振動引起。1460～1370 cm-1附近的吸收峰屬于C-H的彎曲振動。1300～1000 cm-1間的吸收峰是由C-O伸縮振動所引起的,歸屬于糖環上的C-O-H和糖苷鍵C-O-C。1732、1253 cm-1處的吸收峰是酯鍵的特征吸收峰,進一步證明BWXH中阿魏酸酯的存在。

圖3 BWXH的FT-IR譜圖Fig.3 FT-IR spectra of BWXH

2.5 穩定性測試

黑小麥膳食纖維酶解產物(BWXH)經高壓處理前后FOs的含量變化如表2所示。表2顯示,BWXH經高壓處理10、20、30 min后,其FOs增加量(8.33%、9.79%、12.78%)隨著處理時間的延長而增加,且不同處理時間前后FOs含量變化有顯著性差異(p<0.05)。BWXH的低聚糖離子色譜結果(圖1)也表明BWXH中含有聚合度較高的多糖,多糖的糖苷鍵經高壓作用發生降解,從而向聚合度較低的FOs轉變。

表2 不同時間高壓處理BWXH中FOs的含量變化Table 2 Changes of FOs content with different time of high pressure treatment in BWXH

2.6 BWXH對擠壓膨化產品膨化率及感官評定的影響

黑小麥膳食纖維酶解產物(BWXH)添加量對全谷物擠壓膨化產品膨化率及感官評定的影響如圖4所示。圖4表明,產品膨化率隨BWXH添加量的增加呈現先增大后減小的趨勢。當添加量達到7%時,產品膨化率最大(2.64)。有研究報道[16],低濃度的糖可顯著提高產品的膨化度;這是由于糖的親水性可抑制淀粉的吸水糊化,這樣能夠降低擠壓物料的黏度,降低水蒸氣的膨脹阻力,使產品的膨化率提高。BWXH是聚合度不同的阿魏酰低聚糖的混合物,隨著BWXH添加量的增加(1%～7%),產品膨化率提高;但當添加量超過7%,物料在擠出?？跁r,水分急劇蒸發,形成的結構孔洞過大,產品擠出后孔洞不能維持而縮小導致膨化率降低。圖4中還顯示,隨著BWXH添加量的增加,通過數學模糊綜合評價產品的感官評分隨之升高,主要表現為產品表面由氣孔大、不均勻逐漸變得氣孔大小均勻,對膨化產品的脆度及風味等感官具有一定的促進作用。

圖4 BWXH添加量對擠壓膨化制品膨化率及感官評定的影響Fig.4 Effects of BWXH addition amount on expansion rate and sensory evaluation of extruded products

2.7 BWXH對擠壓膨化產品水溶性指數、吸水性指數的影響

吸水性指數(WAI)是判斷谷物早餐在牛奶或水中耐泡時間的重要指標,如果WAI越小,產品浸泡時保持不變成糊狀的時間就越長,這對提高谷物擠壓產品的品質是有益的[17]。水溶性指數(WSI)可以衡量谷物早餐產品中淀粉的降解程度,WSI升高意味著淀粉降解度升高,有利于產品消化吸收,但淀粉降解度過高會使產品產生粘牙感[14]。圖5表明,隨著BWXH添加量的增加,產品的WAI呈減少趨勢,7%的添加量時,WAI產生明顯下降。WSI值則隨著BWXH的添加呈現逐漸增加趨勢。有研究認為,在食品體系中,低聚糖會與淀粉爭奪有限水分抑制淀粉的糊化膨脹,影響淀粉的吸水速度,使得產品的WAI降低。而BWXH本身為水溶性物質,這可能是隨著BWXH添加量增加,產品的WSI值升高的主要原因。

圖5 BWXH添加量對擠壓膨化制品WAI和WSI的影響 Fig.5 Effects of BWXH addition amount on WAI and WSI of extruded products

3 結論

采用木聚糖酶酶解黑小麥麩皮不溶性膳食纖維,所得酶解產物(BWXH)中的阿魏酰低聚糖(FOs)含量為0.104 mmol/g,阿魏?；鶊F含量為0.717 mg/g。BWXH低聚糖以DP2、DP3和DP4為主,主要單糖組成為阿拉伯糖、木糖和葡萄糖,其摩爾比為1.70∶4.25∶1.00,分支度(A/X)為0.40。紅外光譜中1731、1253 cm-1處的酯鍵特征吸收峰,表明阿魏酸酯的存在。

高溫高壓(121 ℃,0.15 MPa)處理能夠促進BWXH中高聚合度膳食纖維向低聚合度FOs的轉變,使FOs含量增加。BWXH的添加能夠提高全谷物擠壓膨化產品的膨化率及感官評分,降低產品的吸水性指數,提高產品的耐泡性,對全谷物擠壓膨化產品的品質有一定改善作用?？傮w來看,7%的BWXH添加量對改善產品整體品質較為適宜。