孫元琳,儀 鑫,李云龍,劉 瑞，周素梅

(1.運(yùn)城學(xué)院生命科學(xué)系,山西運(yùn)城 044000;2.山西省農(nóng)科院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,山西太原 030031;3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,北京 100193)

黑小麥?zhǔn)且环N富含膳食纖維的黑籽粒小麥品種,屬于優(yōu)質(zhì)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(shí),黑小麥麩皮中含有豐富的酚酸類物質(zhì)(98.5%),其主要以結(jié)合態(tài)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(jié)合態(tài)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(zhì)在卵磷脂-脂質(zhì)體系中的抗氧化活性,發(fā)現(xiàn)阿魏酸對(duì)過氧化物產(chǎn)生的抑制能力最強(qiáng)。

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(nèi)源性消化酶分解,但可選擇性地促進(jìn)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(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)人體腸道微生態(tài)平衡,增強(qiáng)機(jī)體免疫力,并能預(yù)防結(jié)腸癌的發(fā)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(huán)境,發(fā)現(xiàn)阿魏酰低聚糖對(duì)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(yīng)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(fā)揮益生元的功能外,亦可作為甜味劑替代蔗糖應(yīng)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(jìng)爭(zhēng)有限水分,從而對(duì)產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)、膨化率產(chǎn)生一定的促進(jìn)作用[9]。

黑小麥麩皮麩皮作為黑小麥加工副產(chǎn)物,若對(duì)其進(jìn)行充分利用,對(duì)黑小麥的綜合利用有重要意義。本研究采用木聚糖酶對(duì)黑小麥麩皮不溶性膳食纖維進(jìn)行酶解,對(duì)酶解產(chǎn)物的組成及理化性質(zhì)進(jìn)行分析,并研究其對(duì)全谷物擠壓膨化產(chǎn)品品質(zhì)的影響,以期為黑小麥特色谷物資源的綜合利用及開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

黑小麥 山西省農(nóng)科院棉花研究所;燕麥、蕎麥 山西省農(nóng)科院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所;木聚糖酶(EC 3.2.1.8,酶活 ≥60000 U/mg) 德國(guó)Ruibio公司;標(biāo)準(zhǔn)木糖、葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖(純度≥99.0%) 美國(guó)Sigma公司;標(biāo)準(zhǔn)阿魏酸(純度≥98.0%) 德國(guó)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(guó)戴安(DIONEX)公司;LC1200型高效液相色譜儀 美國(guó)Agilent公司;Cary5000紫外-可見-近紅外分光光度計(jì) 美國(guó)Agilent公司;TENSOR27型傅里葉紅外光譜儀 德國(guó)布魯克(Bruker)公司;FMGM-36雙螺桿擠壓膨化機(jī)、流化床干燥機(jī) 湖南富馬科食品工程技術(shù)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 黑小麥不溶性膳食纖維酶解產(chǎn)物的制備 以黑小麥麩皮為原料,參照文獻(xiàn)[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(jīng)冷凍干燥得到黑小麥膳食纖維木聚糖酶酶解產(chǎn)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(jìn)樣離子色譜。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)品的出峰時(shí)間判斷BWXH的單糖種類,根據(jù)峰面積的比值確定各單糖間的比例關(guān)系。采用的色譜柱為CarboPac PA20柱,檢測(cè)器為安培檢測(cè)器,柱溫30 ℃,10 mmol/L KOH等度洗脫,流速為0.4 mL/min,進(jìn)樣量25 μL;樣品與標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)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(cè)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(dòng)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(jìn)行梯度洗脫[11]。

1.2.4 阿魏?；鶊F(tuán)含量的測(cè)定 將樣品溶于70 mmol/L pH10.0的Gly-NaOH緩沖液中,于375 nm下測(cè)定吸光度(A);阿魏酸含量計(jì)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(cè)定 利用雙波長(zhǎng)法[13]進(jìn)行測(cè)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)品阿魏酸與BWXH進(jìn)行溶解后,于190～400 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)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(qū)掃描,掃描32次,分辨率為4 cm-1。

1.2.8 穩(wěn)定性測(cè)試 用滅菌鍋模擬高溫高壓環(huán)境,在121 ℃、0.15 MPa下分別處理BWXH樣品10、20、30 min,重復(fù)進(jìn)行3次,測(cè)定經(jīng)過高溫高壓處理前后FOs含量的變化。

1.2.9 擠壓膨化產(chǎn)品制備工藝流程 原輔料→計(jì)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(diǎn):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(jìn)行BWXH添加量為1%、3%、5%、7%、9%的擠壓膨化實(shí)驗(yàn),分別測(cè)定擠壓產(chǎn)品的膨化率、吸水性指數(shù)、水溶性指數(shù),并進(jìn)行感官評(píng)價(jià),以觀察BWXH對(duì)擠壓膨化產(chǎn)品品質(zhì)的影響。雙螺桿擠壓膨化機(jī)參數(shù):喂料速度25 kg/h,加水量2.0 kg/h,螺桿轉(zhuǎn)速130 r/min,腔體溫度為60 ℃/90 ℃/130 ℃/160 ℃/170 ℃。

1.2.10 膨化率的測(cè)定 用游標(biāo)卡尺測(cè)量產(chǎn)品的直徑,產(chǎn)品膨化率為產(chǎn)品直徑與模頭孔徑之比。每個(gè)因素測(cè)10個(gè)樣品,采用線性插值法將膨化率轉(zhuǎn)化為5分制:將所有產(chǎn)品中膨化率最大值Xmax設(shè)置為5.0分,最小值Xmin為1.0分,其他膨化率所對(duì)應(yīng)的分值計(jì)算如下:

1.2.11 水溶性指數(shù)(WSI)和吸水性指數(shù)(WAI)的測(cè)定 稱取0.5 g樣品,于10 mL水(30 ℃)中,在30 ℃連續(xù)輕輕晃動(dòng)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(zhì)量為X1,上清液于120 ℃下烘至恒重,烘干物質(zhì)量為X2。

WAI=X1/M,WSI=X2/M,其中M為樣品質(zhì)量。

1.2.12 感官評(píng)分 感官評(píng)價(jià)采用數(shù)學(xué)模糊綜合評(píng)價(jià)法[14]。以表觀(30%)、脆度(30%)、粗糙度(20%)、風(fēng)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(píng)語集,通過模糊線性轉(zhuǎn)化得到各產(chǎn)品的感官評(píng)定分?jǐn)?shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次,采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,計(jì)算平均值及標(biāo)準(zhǔn)差。差異顯著性分析采用SPSS 24進(jìn)行分析;通過Origin 7.5軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑小麥膳食纖維木聚糖酶酶解產(chǎn)物(BWXH)的組成分析

BWXH的化學(xué)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(zhì)。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(zhì)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(xué)組成Table 1 Chemical Composition of BWXH

2.2 低聚糖組成分析

采用離子色譜測(cè)定了BWXH的低聚糖組成,結(jié)果如圖1所示。通過與標(biāo)準(zhǔn)低聚木糖的相對(duì)保留時(shí)間比較,發(fā)現(xiàn)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(duì)黑小麥膳食纖維酶解產(chǎn)物(BWXH)進(jìn)行紫外光譜掃描,結(jié)果如圖2所示。比較BWXH與標(biāo)準(zhǔn)品阿魏酸的吸收波長(zhǎng)可以看出,標(biāo)準(zhǔn)品阿魏酸在286、325 nm附近有強(qiáng)吸收,且286 nm為最大吸收波長(zhǎng)。BWXH在286、325 nm附近同樣有強(qiáng)吸收,但325 nm是其最大吸收波長(zhǎng)。有文獻(xiàn)報(bào)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(qiáng)[15],由此表明BWXH中存在酯化的阿魏?；鶊F(tuán)。

圖2 FA標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)的寬峰是分子內(nèi)或分子間-OH伸縮振動(dòng)的結(jié)果。2927 cm-1的吸收峰由C-H(CH、CH2和CH3)伸縮振動(dòng)引起。1460～1370 cm-1附近的吸收峰屬于C-H的彎曲振動(dòng)。1300～1000 cm-1間的吸收峰是由C-O伸縮振動(dòng)所引起的,歸屬于糖環(huán)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(jìn)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(wěn)定性測(cè)試

黑小麥膳食纖維酶解產(chǎn)物(BWXH)經(jīng)高壓處理前后FOs的含量變化如表2所示。表2顯示,BWXH經(jīng)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(shí)間的延長(zhǎng)而增加,且不同處理時(shí)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(jié)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(jīng)高壓作用發(fā)生降解,從而向聚合度較低的FOs轉(zhuǎn)變。

表2 不同時(shí)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(duì)擠壓膨化產(chǎn)品膨化率及感官評(píng)定的影響

黑小麥膳食纖維酶解產(chǎn)物(BWXH)添加量對(duì)全谷物擠壓膨化產(chǎn)品膨化率及感官評(píng)定的影響如圖4所示。圖4表明,產(chǎn)品膨化率隨BWXH添加量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)添加量達(dá)到7%時(shí),產(chǎn)品膨化率最大(2.64)。有研究報(bào)道[16],低濃度的糖可顯著提高產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品膨化率提高;但當(dāng)添加量超過7%,物料在擠出?？跁r(shí),水分急劇蒸發(fā),形成的結(jié)構(gòu)孔洞過大,產(chǎn)品擠出后孔洞不能維持而縮小導(dǎo)致膨化率降低。圖4中還顯示,隨著BWXH添加量的增加,通過數(shù)學(xué)模糊綜合評(píng)價(jià)產(chǎn)品的感官評(píng)分隨之升高,主要表現(xiàn)為產(chǎn)品表面由氣孔大、不均勻逐漸變得氣孔大小均勻,對(duì)膨化產(chǎn)品的脆度及風(fēng)味等感官具有一定的促進(jìn)作用。

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

2.7 BWXH對(duì)擠壓膨化產(chǎn)品水溶性指數(shù)、吸水性指數(shù)的影響

吸水性指數(shù)(WAI)是判斷谷物早餐在牛奶或水中耐泡時(shí)間的重要指標(biāo),如果WAI越小,產(chǎn)品浸泡時(shí)保持不變成糊狀的時(shí)間就越長(zhǎng),這對(duì)提高谷物擠壓產(chǎn)品的品質(zhì)是有益的[17]。水溶性指數(shù)(WSI)可以衡量谷物早餐產(chǎn)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(chǎn)品消化吸收,但淀粉降解度過高會(huì)使產(chǎn)品產(chǎn)生粘牙感[14]。圖5表明,隨著BWXH添加量的增加,產(chǎn)品的WAI呈減少趨勢(shì),7%的添加量時(shí),WAI產(chǎn)生明顯下降。WSI值則隨著BWXH的添加呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)。有研究認(rèn)為,在食品體系中,低聚糖會(huì)與淀粉爭(zhēng)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(chǎn)品的WAI降低。而BWXH本身為水溶性物質(zhì),這可能是隨著BWXH添加量增加,產(chǎn)品的WSI值升高的主要原因。

圖5 BWXH添加量對(duì)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(jié)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(chǎn)物(BWXH)中的阿魏酰低聚糖(FOs)含量為0.104 mmol/g,阿魏?；鶊F(tuán)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(jìn)BWXH中高聚合度膳食纖維向低聚合度FOs的轉(zhuǎn)變,使FOs含量增加。BWXH的添加能夠提高全谷物擠壓膨化產(chǎn)品的膨化率及感官評(píng)分,降低產(chǎn)品的吸水性指數(shù),提高產(chǎn)品的耐泡性,對(duì)全谷物擠壓膨化產(chǎn)品的品質(zhì)有一定改善作用?？傮w來看,7%的BWXH添加量對(duì)改善產(chǎn)品整體品質(zhì)較為適宜。