李秀玲 姜小苓 于紅彩 茹振鋼 王岸娜

1.河南科技學(xué)院小麥中心/河南省現(xiàn)代生物育種協(xié)同創(chuàng)新中心 河南新鄉(xiāng) 453003 2.河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院 鄭州 450001

膳食纖維（Dietary Fiber，DF）能抗人體小腸消化吸收，具有良好的理化特性和生理功能[1]，可預(yù)防腸道疾病、肥胖、糖尿病及心血管等疾病，被稱為“第七營養(yǎng)素”。根據(jù)溶解性可分為不溶性、水溶性膳食纖維兩類，結(jié)構(gòu)的差異使兩者的生理功能有所不同。其中不溶性膳食纖維主要參與機械蠕動，而可溶性膳食纖維主要發(fā)揮代謝功能，如對糖類、脂類代謝會產(chǎn)生一定的影響[2]。為充分發(fā)揮現(xiàn)有膳食纖維資源的最大生理功效，通過一定方法處理膳食纖維，進(jìn)而改良其品質(zhì)，活化其功能是目前亟需解決的主要問題。

擠壓改性技術(shù)是目前改變膳食纖維成分比例及結(jié)構(gòu)的主要方法，與傳統(tǒng)的化學(xué)和生物改性技術(shù)相比，具有作用時間短，耗能少，不破壞原料特性，改性效果好等優(yōu)點[3]。纖維物料經(jīng)擠壓改性后，可溶性膳食纖維含量提高，化學(xué)結(jié)構(gòu)未被破壞，物化性質(zhì)（持水能力、結(jié)合能力和膨脹能力）有不同程度的變化[4-6]，膳食纖維食品的口感改善、功能特性提高[7]。

水分是影響食品品質(zhì)和貨架期的重要因素之一。食品內(nèi)部水分含量和分布狀態(tài)在加工、儲藏和運輸過程中會發(fā)生變化，導(dǎo)致食品原料穩(wěn)定性和品質(zhì)下降，因此控制食品中水分遷移對提高產(chǎn)品穩(wěn)定性和貨架期有重要意義[8]。核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR） 及其成像技術(shù)（Magnetic Resonance Imaging，MRI）可用于食品和生物體系中含水量、水分分布及其流動性的研究[9-12]，該技術(shù)具有無損檢測的特點，廣泛應(yīng)用于食品科學(xué)研究。

迄今，國內(nèi)外研究者對于膳食纖維對面團特性、面制品理化特性、口感風(fēng)味及儲藏性等影響進(jìn)行了大量研究，得到很多具有指導(dǎo)意義的結(jié)論[13-17]。但有關(guān)膳食纖維對食品水分流動性及水分的結(jié)合狀態(tài)方面的研究較少。為此，本研究采用核磁共振技術(shù)分析探討了玉米種皮膳食纖維（Corn Bran Dietary Fiber，CDF）改性前后對面粉制作的饅頭和蛋白質(zhì)-淀粉凝膠體系中水分遷移行為的影響，并通過掃描電鏡（Scanning Electron Microscopy，SEM）觀察膳食纖維與蛋白質(zhì)－淀粉凝膠體系內(nèi)大分子物質(zhì)之間的相互作用，旨在揭示相關(guān)機理。研究結(jié)果將為饅頭品質(zhì)改良及安全貯藏提供理論支持和指導(dǎo)依據(jù)。

1 試驗材料及儀器

1.1 試驗材料

玉米種皮：河南獲嘉縣宗興玉米加工廠；玉米種皮膳食纖維：實驗室自制，標(biāo)記為CDF1；面粉：鄭州金苑面業(yè)有限公司；燕山即發(fā)干酵母：河北馬力食品有限公司。

1.2 主要儀器

BS－30KA電子天平：上海友聲衡器有限公司；RRH－250型萬能高速粉碎機：北京中興偉業(yè)儀器有限公司；DS32型雙螺桿擠壓改性機：濟南賽信膨化機械有限公司；B10三功能攪拌機：上海寶珠機械科技發(fā)展有限公司；DMT－5型壓面機：山東龍口復(fù)興機械制造廠；高級發(fā)酵箱：廣州市美天廚具電器廠；真空冷凍干燥機：Labconco Corporation，US；核磁共振成像系統(tǒng)：上海紐邁電子科技有限公司；Quanta200環(huán)境掃描：美國FEI。

2 試驗方法

2.1 玉米種皮膳食纖維的擠壓改性處理

參考李秀玲[18]和王大為[19]等方法，將超聲波提取制得的玉米種皮膳食纖維（CDF1）粉碎過80目篩，調(diào)節(jié)物料含水量為50%，進(jìn)行擠壓處理（進(jìn)料速度為25～30kg/h，螺桿轉(zhuǎn)速為120r/min，溫度150℃），烘干，粉碎得改性膳食纖維，標(biāo)記為CDF2。

2.2 面筋蛋白及淀粉提取

參考李永強等[20]和MacRitchie[21]的方法，從基礎(chǔ)面粉中分離出面筋蛋白和淀粉，并計算各自含量。面粉中面筋蛋白含量為10.78%，淀粉含量為65.37%，面筋蛋白與淀粉的比值為1∶6.06。

2.3 CDF 與面粉的組配

分別將 CDF1、CDF2按 2%、4%、6%、8%、10%比例添加到面粉中，混勻，備用。

2.4 饅頭制作

稱取面粉200 g，加1%酵母和48%水于攪拌機中攪拌和面8 min，取出分割成50 g的饅頭坯，揉制成型，于38℃、相對濕度75%的條件下醒發(fā)20min，大火氣蒸20 min。

制作面粉、面筋蛋白－淀粉（1∶6.06 取量）中分別添加CDF1、CDF2（添加量參照2.3）的饅頭。

2.5 IR、CPMG 和 MRI成像

將樣品置于磁場中射頻線圈的中心，利用反轉(zhuǎn)恢復(fù)脈沖序列（Inversion Recovery，IR）和 CPMG（Carr－Purcell－Meiboom－Gill） 脈沖序列掃描并測定自旋－晶格弛豫時間（Tl）和自旋－自旋弛豫時間（T2）。

IR實驗參數(shù)：采樣點數(shù)TD=1024，重復(fù)時間TR=2000 ms，重復(fù)掃描次數(shù)NS=16，半回波時間TE=500 us。

在電渡中，陽極上提供電子的金屬（Ag）也正是在陰極上獲得電子后所析出的金屬（Ag），就好像電流使金屬搬了家，從陽極搬陰極上。

CPMG實驗參數(shù)：采樣點數(shù)TD=40020，重復(fù)時間TR=1000 ms，回波個數(shù)Co=1000，重復(fù)掃描次數(shù)NS=16，半回波時間TE=100 us。

MSE成像序列進(jìn)行質(zhì)子密度成像的實驗參數(shù)為：重復(fù)時間 TR=500 ms，回波時間 TE=8.4 ms，矩陣200×128，層厚 4 mm，視野 40 mm×40 mm，掃描次數(shù)NS=l6；圖像大小 512×512。

2.6 掃描電鏡分析

將分離得到的面筋蛋白和淀粉（1∶6.06取量）按照2.3中的組配比例添加CDF混均制成凝膠，切片，冷凍干燥。將樣品粘著于樣品臺上，于低真空噴鍍儀內(nèi)鍍一層導(dǎo)電膜（未噴金），采用Quanta200環(huán)境掃描電鏡進(jìn)行掃描，觀察其正面、斷面形貌及結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)果與分析

3.1 CDF對面粉制作饅頭質(zhì)子信號幅度的影響

圖1 CDF1對饅頭的質(zhì)子信號幅度

圖1 為添加不同量CDF1饅頭的質(zhì)子信號幅度。可看到2部分流動性不同的水分，說明水與大分子的結(jié)合程度不同，表現(xiàn)出不同的T2：T21=0.04ms～1.32 ms，T22=2.66 ms～14.17 ms。CDF1添加量為 8%～10%時，饅頭中自由水流動性減弱，CDF1的親水作用減少了自由水分子的數(shù)量，且水分子被結(jié)合的能力隨著添加量的增加而增強。此時，反映體系中因與CDF1結(jié)合而流動受到束縛水分的T22有所增加。CDF1添加量為10%時，饅頭的T21值較大（結(jié)合水分子的數(shù)量相對較多），T22值最小（自由水分子的數(shù)量相對較少），說明CDF1添加量為10%時，充分形成的面筋結(jié)構(gòu)使得饅頭的持水性能力更強。

圖2為添加不同量CDF2饅頭的質(zhì)子信號幅度。從圖中可看出2部分流動性不同的水分，表現(xiàn)出不相同的 T2：T21=0.04 ms～1.15 ms，T22=2.66 ms～14.17 ms。CDF2添加量為 4%～8%時，隨添加量的增加，饅頭中自由水的流動性減弱，說明CDF2的親水作用減少了饅頭中自由水分子的數(shù)量，且水分子被結(jié)合的能力隨著添加量的增加而增強。此時，反映體系中因與CDF2結(jié)合而流動受到束縛的水分的T21相應(yīng)的有所增加。在CDF2添加量為8%時，饅頭的T22值最大，可能是與CDF2結(jié)合的部分水分子在停止射頻脈沖激勵后重新取向，流動性增大[23]。綜上可知，CDF2比CDF1更有利于面筋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的充分形成、增強饅頭的持水能力。

圖2 CDF2對饅頭質(zhì)子信號幅度的影響

3.2 CDF 對自旋－晶格弛豫時間（T1）的影響

圖3 為添加不同量CDF1和CDF2饅頭弛豫時間T1的變化情況。不同的物理化學(xué)特性環(huán)境水質(zhì)子的弛豫時間會有所不同[23]，體系中T1的變化從分子角度揭示了質(zhì)子所處環(huán)境的變化。由圖3a可知，添加CDF后面團體系中T1升高，說明CDF可以促進(jìn)質(zhì)子的流動性。從圖3b可看出，當(dāng)添加量大于4%時，添加CDF1可導(dǎo)致面筋蛋白和淀粉制作饅頭的T1增大，說明水分流動性增大；而添加CDF2卻呈相反趨勢，可能是由于體系中CDF2具有較高的持水能力，使自由水含量下降。

圖3 CDF1和CDF2添加量對饅頭T1的影響

3.3 CDF 對自旋－自旋弛豫時間（T2）的影響

圖4 CDF1和CDF2添加量對饅頭T2的影響

圖4為添加不同量CDF1和CDF2饅頭弛豫時間T2的變化情況。從圖4a可看出，面團中添加一定量的CDF后，T2升高，說明一定量的CDF可以促進(jìn)質(zhì)子流動性、提高水分可利用率、增強饅頭持水性。從圖4b可看出，在CDF添加量為2%～6%時，面筋蛋白－淀粉凝膠體系表現(xiàn)出與面團體系相似的弛豫特性；而添加量大于6%時，面筋蛋白和淀粉制作饅頭添加CDF1的T2較大，即自由水含量較高，可能是由于體系中CDF2具有更強的吸水能力和持水能力；也可能是由于面筋蛋白和淀粉形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)孔徑較大，饅頭在蒸煮過程中水分蒸發(fā)散失，使自由水含量下降。

3.4 饅頭MRI圖像

通過NMR/MRI對面團進(jìn)行無破壞切層成像研究CDF添加量對饅頭內(nèi)部水分分布及質(zhì)子流動性的影響。從氫質(zhì)子密度圖像中可以直觀地看到自旋質(zhì)子的分布情況以及其數(shù)量。

由圖5和圖6可看出，饅頭樣品切層中質(zhì)子分布比較均勻。添加2%～8%CDF1時，圖像信號強度逐漸增強；添加10%時，圖像信號強度減弱。圖像信號強度隨CDF2添加量的增加而逐漸增強。另外，空白樣（不添加CDF1、CDF2）質(zhì)子信號強度較弱，說明CDF1和CDF2的添加可增加質(zhì)子數(shù)量、改善質(zhì)子可流動性、增強質(zhì)子弛豫信號，從而增強饅頭的持水性。當(dāng)添加量超出一定范圍時，CDF對面團網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的惡化作用可使饅頭體系中自由水含量增多，持水力下降，在蒸制過程中水分易散失。

圖5 面粉制作饅頭中添加不同量CDF1的MRI圖像

圖6 面粉制作饅頭中添加不同量CDF2的MRI圖像

在添加量相同的情況下，添加CDF2饅頭樣品的MRI圖像信號強度更強，說明CDF2較CDF1對質(zhì)子流動性、饅頭持水性的增強作用更加顯著。可能是因為具較強親水作用的CDF2可減弱部分水分與體系中大分子（如蛋白質(zhì)、淀粉等）的結(jié)合，導(dǎo)致質(zhì)子數(shù)量增多。這與CDF2比CDF1水合作用更強的研究結(jié)果相一致[24]。

由圖7和圖8可看出，添加CDF1饅頭樣品切層中質(zhì)子分布不均勻，而添加CDF2饅頭樣品切層中質(zhì)子分布比較均勻。CDF1和CDF2添加量為2%～6%時，質(zhì)子數(shù)增加、圖像信號強度增強；添加量為8%時，圖像信號強度減弱。對照（不添加CDF1、CDF2）中的質(zhì)子信號強度較弱。說明一定量CDF有助于面團面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成和維持，且可包裹淀粉顆粒等小分子，增加質(zhì)子數(shù)量、改善質(zhì)子可流動性、增強弛豫信號。當(dāng)添加量超出一定范圍時，膳食纖維對面團網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生惡化作用，體系持水力下降、自由水含量增加，饅頭蒸制的過程中水分易蒸發(fā)散失，這與T2得到的結(jié)果一致。

綜上可知，添加CDF2饅頭切層中質(zhì)子分布比添加CDF1更加均勻。且在添加量相同的情況下，添加CDF2的MRI圖像信號強度更強，說明CDF2較CDF1對質(zhì)子流動性、饅頭持水性的增強作用更加顯著。這可能與擠壓改性膳食纖維具有更強持水能力 有關(guān)。

圖7 面筋蛋白和淀粉制作饅頭中添加CDF1的MRI圖像

3.5 SEM分析

圖8 面筋蛋白和淀粉制作饅頭中添加CDF2的MRI圖像

由圖9可看出，面筋蛋白和淀粉形成的凝膠微觀組織呈一定的網(wǎng)狀，孔洞較大，且大小不均，結(jié)構(gòu)疏松不致密；添加CDF后，微觀結(jié)構(gòu)較為均勻、致密，孔洞較小且分布均勻?？梢?，膳食纖維對面筋蛋白-淀粉凝膠體系的內(nèi)部結(jié)構(gòu)起到了明顯的改善作用。膳食纖維吸水后形成黏性較強的膠體對淀粉顆粒和面筋蛋白會產(chǎn)生類似乳化劑的作用；另外，膳食纖維吸水后自身體積增大，與面筋蛋白結(jié)合可形成大分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對面筋蛋白-淀粉復(fù)合凝膠體系有一定充填作用，使面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

圖9 面筋蛋白-淀粉凝膠的SEM圖

4 結(jié)論

添加CDF后，檢測到較強質(zhì)子信號，且饅頭MRI圖像的信號強度隨添加量的增加而逐漸增強，說明饅頭體系中自由水?dāng)?shù)量減少、流動性減弱，且添加量越大，自由水分越少。

在CDF添加量相同的情況下，面團體系和面筋蛋白-淀粉凝膠體系表現(xiàn)出不同的自旋-自旋弛豫特性；在面筋蛋白-淀粉凝膠體系中，添加CDF2的饅頭T2值比添加CDF1的T2值大，且樣品MRI圖像的信號強度更強，對體系中質(zhì)子流動性和樣品持水性的增強作用更加顯著。

添加CDF2的饅頭樣品切層中質(zhì)子分布較添加CDF1的均勻。CDF的添加改變了面筋蛋白和淀粉的凝膠結(jié)構(gòu)，改變了面團的凝膠結(jié)構(gòu)，形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加均勻、致密，使面團的品質(zhì)得以改善。