孫 強，黃紀念，蘆 鑫，王繼紅

(河南省農(nóng)科院農(nóng)副產(chǎn)品加工研究所，河南鄭州450002)

接枝化改性對麥麩膳食纖維持水力影響的研究

孫 強，黃紀念，蘆 鑫，王繼紅

(河南省農(nóng)科院農(nóng)副產(chǎn)品加工研究所，河南鄭州450002)

以不溶性麥麩膳食纖維為原料，持水力為指標，采用丙烯酸接枝化對麥麩膳食纖維進行改性。通過單因素及響應(yīng)面優(yōu)化實驗，確定了丙烯酸接枝化改性麥麩膳食纖維的最佳工藝條件:麥麩膳食纖維原料8.000g，液料比(m/m) 10.4，引發(fā)時間1.0h，引發(fā)劑用量0.150g，丙烯酸8.5mL，反應(yīng)溫度87℃，接枝時間2.6h，此條件下產(chǎn)品得率為89.01%，持水力達9.648g/g，與原料相比，提高了67.90%。

麥麩膳食纖維，持水力，接枝化改性

膳食纖維是一種天然有機高分子非淀粉類多糖。國內(nèi)外大量研究表明，膳食纖維與人體健康關(guān)系密切，如高血壓、高血脂、糖尿病、便秘、肥胖癥、冠心病等“現(xiàn)代文明病”都與膳食纖維的攝入量不足有關(guān)［1］，同其它“六大營養(yǎng)素”一樣成為人類不可缺少的營養(yǎng)成分，被稱為“第七營養(yǎng)素”［2］。隨著膳食纖維的生理作用及其在人體中的不可替代性逐漸被人們所認識，越來越多的富含膳食纖維的食品及其保健品被開發(fā)。如美、英、法、德等國家銷售的谷物食品中約有20%以上是富含膳食纖維的功能食品，而日本自80年代開始相繼有30多家植物纖維廠應(yīng)運而生［3］。然而在我國，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平的逐漸提高，膳食中缺乏膳食纖維的情況也日趨嚴重，研究開發(fā)適應(yīng)國際食品發(fā)展潮流的膳食纖維新產(chǎn)品，迅速發(fā)展我國的膳食纖維食品迫在眉睫［4］。持水力、膨脹力是評價膳食纖維生理性能的重要指標［5］。尤其是持水力，膳食纖維所具有的改善胃腸道、預(yù)防便秘和直腸癌、降低血清膽固醇、調(diào)節(jié)血糖水平、預(yù)防膽結(jié)石、降血壓、減肥和抗癌等生理功能，往往與膳食纖維的持水性有較大關(guān)系。此外，膳食纖維的高持水力還有利于產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)的形成，防止其脫水收縮，擴大膳食纖維在肉制品、面粉、面團、面包、飲料等產(chǎn)品中的應(yīng)用［6］。因此，在保留膳食纖維的全部性質(zhì)和生理作用的基礎(chǔ)上，提高膳食纖維的持水性等物化特性，增加膳食纖維的生理功能，進一步拓展膳食纖維在食品、醫(yī)藥等行業(yè)的應(yīng)用范圍，具有深遠的意義和影響。本文參照相關(guān)自由基反應(yīng)機理，在引發(fā)劑K2S2O8的存在下，將膳食纖維與單體丙烯酸反應(yīng)，制取具有較高持水力的改性產(chǎn)品。其反應(yīng)機理如下:形成自由基:S2→S;鏈引發(fā):S·+多糖－CH2－OH→多糖－C·H－OH+ ROH;鏈增長:多糖－C·H－OH+CH2=CH－COOH→多糖－CH(OH)－CH2－C·H－COOH;鏈終止:自由基+ 自由基→化合物。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

麥麩膳食纖維 自制(具體成分見表1);丙烯酸、過硫酸鉀、無水乙醇 天津市永大化學試劑有限公司，分析純。

Sh10A水分快速測量儀 上海民橋精密儀器科技公司;KS－600E(Ⅰ)超聲波清洗機 寧波海曙科生超聲設(shè)備有限公司;Anke DL－5－B低速大容量離心機 上海安亭科學儀器廠;XMTA－608電熱鼓風干燥箱 上海佳勝實驗設(shè)備有限公司;HH－S恒溫水浴鍋 上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;KL－UPIV－10艾柯純水機 成都康寧實驗專用純水設(shè)備廠。

表1 麥麩膳食纖維的組成成分

1.2 實驗方法

1.2.1 接枝化改性實驗操作過程 a.稱取麥麩膳食纖維原料8.000g，加入一定液料比的蒸餾水，在室溫下攪拌30min;b.將引發(fā)劑K2S2O8加入到反應(yīng)體系中，置于水浴鍋中恒溫攪拌，使反應(yīng)體系中形成大量的自由基;c.向反應(yīng)體系中逐滴加入丙烯酸，恒溫攪拌反應(yīng)一定時間后，結(jié)束反應(yīng);d.反應(yīng)體系冷卻后，用水洗至中性，再抽濾，殘渣用無水乙醇洗至無多余試劑殘留;e.置于電熱鼓風干燥箱隔板上50℃干燥12h，則得接枝化改性產(chǎn)品。

1.2.2 接枝化改性單因素實驗

1.2.2.1 液料比對接枝化麥麩膳食纖維持水力的影響 取麥麩膳食纖維原料8.000g，控制反應(yīng)體系為丙烯酸10mL，引發(fā)劑(K2S2O8)0.150g，引發(fā)時間1.0h，反應(yīng)溫度80℃，接枝時間2.5h的條件下，研究液料比對丙烯酸接枝化產(chǎn)品持水力的影響。

1.2.2.2 引發(fā)劑K2S2O8用量對接枝化麥麩膳食纖維持水力的影響 取麥麩膳食纖維原料8.000g，控制反應(yīng)體系液料比10，丙烯酸10mL，引發(fā)時間1.0h，反應(yīng)溫度80℃，接枝時間2.5h條件下，研究K2S2O8對丙烯酸接枝化產(chǎn)品持水力的影響。

1.2.2.3 丙烯酸用量對接枝化麥麩膳食纖維持水力的影響 取麥麩膳食纖維原料8.000g，控制反應(yīng)體系為液料比10，引發(fā)劑(K2S2O8)0.150g，引發(fā)時間1.0h，接枝溫度80℃，接枝時間2.5h的條件下，研究丙烯酸用量對接枝化產(chǎn)品持水力的影響。

1.2.2.4 引發(fā)時間對接枝化麥麩膳食纖維持水力的影響 取麥麩膳食纖維原料8.000g，控制反應(yīng)體系液料比10，丙烯酸8mL，K2S2O80.150g，反應(yīng)溫度80℃，反應(yīng)時間2.5h條件下，研究引發(fā)時間對丙烯酸接枝化產(chǎn)品持水力的影響。

1.2.2.5 反應(yīng)溫度對接枝化麥麩膳食纖維持水力的影響 取麥麩膳食纖維原料8.000g，控制反應(yīng)體系為液料比8，丙烯酸10mL，引發(fā)劑(K2S2O8)0.150g，引發(fā)時間1.0h，接枝時間2.5h的條件下，研究反應(yīng)溫度對丙烯酸接枝化產(chǎn)品持水力的影響。

1.2.2.6 接枝時間對接枝化麥麩膳食纖維持水力的影響 取麥麩膳食纖維原料8.000g，控制反應(yīng)體系為液料比10，丙烯酸8mL，引發(fā)劑(K2S2O8)0.150g，引發(fā)時間1.0h，反應(yīng)溫度85℃的條件下，研究接枝時間對丙烯酸接枝化產(chǎn)品持水力的影響。

1.2.3 接枝化改性響應(yīng)面優(yōu)化實驗 根據(jù)接枝化改性單因素實驗結(jié)果，取麥麩膳食纖維原料8.000g，固定引發(fā)時間為1.0h，引發(fā)劑用量為0.150g，以持水力為主要評價指標，利用Design－Expert軟件，采用中心組合實驗Box－Behnken設(shè)計方案，響應(yīng)面分析實驗水平(如表2所示)，考察其他4個因素之間的相互作用對改性產(chǎn)品持水力的影響。

表2 中心組合實驗因素水平表及其編碼值

1.2.4 膳食纖維持水力的測定 參考Esposito等的方法，稱取2.500g膳食纖維置于離心管中，加水30mL，室溫下放置0.5h，以2500r/min離心10min，棄去上清液，稱離心管重量，然后按下式計算持水力(g/g)［7］。

持水力(g/g)=［膳食纖維濕重(g)－膳食纖維干重(g)］/膳食纖維干重(g)

1.2.5 麥麩膳食纖維基本成分的測定 水分含量測定，直接干燥法(GB/T5009.3.2003);蛋白質(zhì)含量測定，凱氏定氮法(GB/T5009.5.2003);脂肪含量測定，索氏抽提法(GB/T5009.6.2003);灰分含量測定，直接灰化法(GB/T5009.4.2003);淀粉含量測定，酶水解法(GB/T5009.9.2003);膳食纖維含量測定，酶重量法(GB/T22224.2008)。

1.2.6 改性麥麩膳食纖維得率的計算 按照實驗方法1.2.1完成接枝化改性所得的接枝化改性產(chǎn)品質(zhì)量除以麥麩膳食纖維原料8.000g，再乘以100%，即為改性產(chǎn)品得率。

1.2.7 實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析 采用Design－Expert 7.0處理數(shù)據(jù)，P＜0.05為顯著，P＜0.01高度顯著。無特殊說明，所有實驗平行測定三次，結(jié)果均為平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 接枝化改性麥麩膳食纖維的單因素實驗

2.1.1 液料比對接枝化麥麩膳食纖維持水力的影響

從圖1可知，隨著液料比的增加，接枝化產(chǎn)品的持水力先升高后降低，當液料比為10時，產(chǎn)品的持水力最大。這可能是因為加水過少，麥麩膳食纖維在反應(yīng)體系中不能夠充分溶脹，接枝化反應(yīng)較難進行，產(chǎn)品持水力較低，隨著加水量的增加，麥麩膳食纖維在反應(yīng)體系中充分溶脹，加快反應(yīng)的進行;但當加水增多到一定比例，化學反應(yīng)體系濃度降低，反應(yīng)速率降低，產(chǎn)品持水力下降。

2.1.2 引發(fā)劑K2S2O8用量對接枝化麥麩膳食纖維持水力的影響 由圖2可知，隨著K2S2O8用量的增加，接枝化產(chǎn)品的持水力先升高后降低，當K2S2O8用量為0.150g時，產(chǎn)品持水力達到最大。這可能因為引發(fā)劑用量太少，則活性中心少，接枝速度慢，活性較強的丙烯酸可能會首先發(fā)生均聚，產(chǎn)物交聯(lián)程度不足，產(chǎn)品持水力降低;隨著引發(fā)劑用量的增加，引發(fā)劑與膳食纖維反應(yīng)所形成的接枝反應(yīng)活性中心也增加，接枝化反應(yīng)越容易進行，產(chǎn)物持水力增大;當引發(fā)劑用量超過某個值時，引發(fā)劑與膳食纖維自由基的終止反應(yīng)幾率及自由基引起的均聚反應(yīng)幾率都增大，從而導(dǎo)致了產(chǎn)物交聯(lián)密度增大，持水力降低。

圖1 液料比對接枝化產(chǎn)品持水力的影響

圖2 K2S2O8對接枝化產(chǎn)品持水力的影響

2.1.3 丙烯酸用量對接枝化麥麩膳食纖維持水力的影響 從圖3可知，產(chǎn)物的持水力隨著丙烯酸體積的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當丙烯酸體積為8mL時，接枝化產(chǎn)品的持水力最大。這可能是因為催化劑的催化效率是有限的，過量丙烯酸沒有得到充分利用，單體與單體間發(fā)生聚合，產(chǎn)生大量均聚物，使得產(chǎn)物持水力降低，同時，過量的丙烯酸造成的強酸環(huán)境，抑制了催化劑的催化效率。

圖3 丙烯酸用量對接枝化產(chǎn)品持水力的影響

2.1.4 引發(fā)時間對接枝化麥麩膳食纖維持水力的影響 從圖4可知，隨著引發(fā)時間的延長，產(chǎn)品持水力明顯的增加，當引發(fā)時間為1.0h后，再延長引發(fā)時間，產(chǎn)品的持水力變化不明顯。這可能因為過硫酸鉀在強酸性條件下能反應(yīng)生成硫酸根自由基，同時過硫酸鉀在強酸性條件下可以將膳食纖維多糖上的部分基團氧化成醛基或羧基，而這些基團有利于多糖分子與引發(fā)劑作用生成更多自由基;這些初始自由基進攻膳食纖維多糖大分子鏈形成接枝活性中心，隨著引發(fā)時間的延長，生成的初始自由基和接枝活性中心都增加，接枝化反應(yīng)的程度增大;但反應(yīng)體系達到平衡后再延長引發(fā)時間，產(chǎn)品的持水力變化不明顯。

圖4 引發(fā)時間對接枝化產(chǎn)品持水力的影響

2.1.5 反應(yīng)溫度對接枝化麥麩膳食纖維持水力的影響 由圖5可知，在70～90℃的范圍內(nèi)，隨著反應(yīng)溫度的升高，接枝化產(chǎn)品的持水力呈現(xiàn)出先快速增加，后緩慢增加趨勢，在90℃時產(chǎn)品的持水力達到最高。這可能是因為溫度較低時，不能滿足接枝化反應(yīng)所需的活化能，溫度升高，反應(yīng)的分子速度加快，分子間的有效碰撞增加，有利于接枝反應(yīng)，接枝化產(chǎn)品持水力增大。但從圖5還可知，當反應(yīng)溫度為90℃時，產(chǎn)品的得率急劇下降，且產(chǎn)品的顏色較深，這將對綜合效果非常不利，而當反應(yīng)溫度為85℃時，產(chǎn)品得率較高(86.19%)，且在該溫度下產(chǎn)品的持水力也比較大，綜合考慮持水力、產(chǎn)品得率等因素，以85℃為最佳。

圖5 反應(yīng)溫度對接枝化產(chǎn)品持水力及得率的影響

2.1.6 接枝時間對接枝化麥麩膳食纖維持水力的影響 從圖6可知，隨著反應(yīng)時間的延長，產(chǎn)品的持水力呈增大趨勢，反應(yīng)時間為2.5h后，再延長反應(yīng)時間，產(chǎn)品的持水力下降，這是因為反應(yīng)時間長短影響著產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。隨著接枝時間的延長，聚合物逐漸形成比較完全的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，持水力上升。但過于延長接枝時間，體系在高溫強堿作用下，接枝化產(chǎn)品的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)遭到破壞，持水力下降。

圖6 接枝時間對接枝化產(chǎn)品持水力的影響

2.2 接枝化改性響應(yīng)面優(yōu)化實驗

響應(yīng)面實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表3和表4所示。

表4 回歸方程的方差分析

表3 響應(yīng)面分析實驗結(jié)果表

利用Design－Expert軟件，對表3中的實驗結(jié)果進行多元回歸擬合，獲得接枝化產(chǎn)品持水力對液料比、丙烯酸、溫度、接枝時間的二次多項回歸方程:Y =9.54+0.14X1+0.23X2+0.29X3+0.11X4+ 0.069X1X2+3.500E－003X1X3+0.13X1X4+0.064X2X3+0.32X2X4－0.25X3X4－0.50－0.67－ 0.35－0.44

2.2.1 接枝化改性優(yōu)化實驗的響應(yīng)面圖 由Design－Expert統(tǒng)計分析軟件作響應(yīng)曲面及等高線圖，分析液料比、丙烯酸、反應(yīng)溫度、接枝時間對接枝化產(chǎn)品持水力的影響。各因素及其交互作用對響應(yīng)值的影響趨勢可通過這組圖直接反映出來，由圖7可知，各因素之間對模糊綜合評價值評價的影響有協(xié)同作用。反應(yīng)溫度X3對響應(yīng)值的影響最大，表現(xiàn)為曲線較陡;丙烯酸用量X2次之。因此選擇合適的反應(yīng)溫度和丙烯酸用量，可獲得較高持水力的接枝產(chǎn)品。在影響接枝化產(chǎn)品持水力的因素中，反應(yīng)溫度＞丙烯酸用量＞液料比，即反應(yīng)溫度對持水力的影響最為顯著。

圖7 液料比、丙烯酸和溫度的響應(yīng)面

2.2.2 丙烯酸接枝化改性麥麩膳食纖維最佳實驗條件確定 在所選各因素范圍內(nèi)，通過Design－expert 7.0軟件建立模型分析，得出丙烯酸接枝化改性麥麩膳食纖維的最佳工藝條件為液料比10.35，丙烯酸用量8.45mL，反應(yīng)溫度86.93℃，接枝時間2.56h，該條件下持水力預(yù)測值為9.638g/g。采用上述優(yōu)化條件做驗證實驗，將液料比修正為10.4，丙烯酸體積修正為8.5mL，溫度修正為87℃，接枝時間修正為2.6h，該條件下所得接枝化麥麩膳食纖維得率為89.01%，持水力為9.648g/g，而改性前麥麩膳食纖維持水力為5.746g/g，可見改性后，麥麩膳食纖維持水力提高了67.90%。

3 結(jié)論

3.1 稱取麥麩膳食纖維原料8.000g，采用丙烯酸對其進行接枝改性的適宜工藝參數(shù)為:液料比10.4，K2S2O8用量0.150g，丙烯酸8.5mL，反應(yīng)溫度87℃，接枝時間2.6h。

3.2 改性麥麩膳食纖維產(chǎn)品得率為89.01%，且與改性前相比，產(chǎn)品持水力提高了67.90%，達9.648g/g。

［1］Fugencio Saura－Calixto，et al.In Vitro Determination of the Indigestible Fraction in Foods:An Alternative to Dietary Fibre Analysis［J］.Agric Food Chem，2000，48:3342－3347.

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Study on effects of the graft modification method on the water－h(huán)olding capacity of dietary fibre from wheat bran

SUN Qiang，HUANG Ji－nian，LU Xin，WANG Ji－h(huán)ong
(Institute of Agricultural Products Processing，Henan Academy of Agriculture Sciences，Zhengzhou 450002，China)

With the water－h(huán)olding capacity for index，insoluble dietary fiber from wheat bran was modified through the acrylic graft modification method.According to results of single factor experiment and response surface methodology(RSM)，the optimum conditions of the acrylic graft modification method were as follows:raw material 8.000g，ratio of liquid to material(m/m)10.4，triggering time 1.0h，initiator 0.150g，acrylic 8.5mL，reaction temperature 87℃，grafting time 2.6h.On this condition，the yield was 89.01%.Compared with the raw material，the water－h(huán)olding capacity of modified sample was 9.648g/g，which was up 67.90%.

dietary fiber of wheat bran;water－h(huán)olding capacity;graft modification

TS210.1

A

1002－0306(2011)12－0168－05

2011－08－29

孫強(1973－)，男，碩士，助理研究員，研究方向:農(nóng)產(chǎn)品精深加工。

河南省重點科技攻關(guān)項目(082102110007)。