栗俊廣 姜 茜 望運滔 馬旭陽 白艷紅

(1. 鄭州輕工業(yè)大學食品與生物工程學院，河南 鄭州 450000；2. 河南省冷鏈食品質(zhì)量安全控制重點實驗室，河南 鄭州 450000；3. 河南省食品生產(chǎn)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450000)

膳食纖維是指不能被人體消化酶消化的碳水化合物，也被稱“第七營養(yǎng)素”。食用膳食纖維對人體健康有多種益處，例如控制餐后血糖反應、降低血脂和膽固醇、有助于腸道運輸?shù)萚1-2]。膳食纖維分為可溶性膳食纖維(SDF)和不溶性膳食纖維(IDF)。SDF主要包含樹膠、粘膠和果膠等，IDF主要包含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等[3-4]。Galisteo等[5]報道了IDF具有較高的保水性和水脹能力，食用可提高飽腹感，增加糞便排泄量；SDF可以調(diào)節(jié)和改善腸道菌群，并防止糖尿病和其他心血管疾病。另外，在飲食中添加膳食纖維(DF)不僅可減少冠心病的得病幾率，還能減輕長期大量飲酒對胰臟的傷害[6-8]。

適量攝入膳食纖維對人體健康有積極作用，這些積極作用主要與DF的理化性質(zhì)密切相關(guān)[9-10]。DF的結(jié)構(gòu)中含有較多的親水性基團，如羥基等，因此具有較高的持水力和膨脹力[11]，被攝入人體后，可以加快排便速度，使體內(nèi)毒物迅速排出體外。DF表面有疏水基團，結(jié)構(gòu)為孔狀結(jié)構(gòu)，可以通過疏水作用和毛細吸附作用吸附油類、香氣成分等有機物質(zhì)，并賦予食品一定的香氣和風味[12]。DF的溶解性、黏性對其生理功能有重要影響，可延緩和降低葡萄糖、膽汁酸和膽固醇等物質(zhì)的吸收[13]。由于DF具有一定的持水性和持油性，可以作為食品功能性添加成分：例如，具有高持油性的DF可以穩(wěn)定高脂肪食品和乳液；具有高持水性的膳食纖維可用作營養(yǎng)增強劑和天然添加劑，改變食品的風味與質(zhì)構(gòu)[14]。但是高膳食纖維類食品的開發(fā)和利用在中國仍然比較缺乏，在食品行業(yè)中有巨大的發(fā)展空間。

不同來源的膳食纖維，其理化特性、結(jié)構(gòu)均有所差異，而農(nóng)產(chǎn)品加工的各種廢料廢渣是膳食纖維的良好來源，如豆渣、米糠、麥麩及其他各種蔬菜果皮渣等。大豆和鷹嘴豆是世界上栽培面積較大的食用豆類作物，產(chǎn)量分別居于第一和第二。鷹嘴豆是一種高營養(yǎng)價值食用豆，能有效控制血糖、降低膽固醇等；每年大豆、麥麩產(chǎn)量豐富，合理加工利用，能提高其附加值；葡萄皮渣中富含膳食纖維，是一種優(yōu)質(zhì)的膳食纖維資源。研究擬選用鷹嘴豆DF、葡萄DF、大豆DF和麥麩DF為原料，從4種膳食纖維的理化特性和結(jié)構(gòu)進行比較，為DF的開發(fā)及利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

鷹嘴豆DF、葡萄DF、大豆DF和麥麩DF：西安優(yōu)碩生物科技有限公司；

非轉(zhuǎn)基因大豆油：鄭州市丹尼斯超市；

溴化鉀(KBr)：分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

分析天平：AB265-S型，梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司；

高速冷凍離心機：Avanti J-26s XPI型，美國Beakman公司；

激光粒度儀：LS13320/ULM2型，美國貝克曼庫爾特公司；

傅里葉變換紅外光譜儀：Vertex70型，美國Bruker光學公司；

差示量熱掃描儀：DSC Q20型，美國TA儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 持水力的測定 根據(jù)文獻[15]修改如下：分別稱取4種DF樣品1.000 g，加入30 mL蒸餾水震蕩均勻，在室溫下放置18 h，4 000×g離心20 min，倒掉上清液，稱樣品重量(濕重)，在105 ℃下干燥2 h，記錄樣品干重。按式(1)計算持水力。

CWH=(m2-m1)/m1，

(1)

式中：

CWH——持水力，g/g；

m1——樣品干重，g；

m2——樣品濕重，g。

1.2.2 持油力的測定 根據(jù)文獻[16]修改如下：分別稱取4種DF樣品1.000 g于干燥離心管中，加入20 mL植物油震蕩均勻，在室溫下靜置18 h，4 000×g離心20 min，倒掉上清液至離心管內(nèi)壁無油跡，稱重。按式(2) 計算持水油力。

COH=(m2-m1)/m0，

(2)

式中：

COH——持油力，g/g；

m2——樣品和離心管的重量，g；

m1——干燥離心管的重量，g；

m0——樣品的重量，g。

1.2.3 膨脹力的測定 根據(jù)文獻[15]的方法：分別稱取4種 DF樣品1.000 g于干燥的10 mL量筒中，記錄此時刻度V0，加入8 mL蒸餾水，混合均勻后室溫靜置18 h，記錄膨脹后的膳食纖維體積V1。按式(3)計算膨脹力。

CSW=(V1-V0)/m，

(3)

式中：

CSW——膨脹力，mL/g；

V1——膨脹后的膳食纖維體積，mL；

V0——膳食纖維初始體積，mL；

m——樣品的重量，g。

1.2.4 溶解度的測定 根據(jù)文獻[17]修改如下：分別稱取4種DF樣品200 mg于離心管中，加入5 mL純水，在不同溫度下(20，40，60，80，100 ℃)攪拌30 min，4 000×g離心20 min，將上清液倒入已知質(zhì)量的離心管中，在105 ℃ 烘箱中干燥至恒重后稱質(zhì)量。溶解度以加入每毫升純水攪拌后離心所得上清液中固形物的質(zhì)量表示。以溫度為橫坐標，溶解度為縱坐標作圖。按式(4)計算DF溶解度。

C=m/V，

(4)

式中：

C——溶解度，g/mL；

m——定量上清液干燥后的固形物含量，g；

V——所取水體積，mL。

1.2.5 粒徑的測定 分別稱取4種DF樣品1.0 g，加入蒸餾水配置成一定濃度的溶液，采用LS13320/ULM2激光粒度儀分析DF的粒徑，結(jié)果用中位徑D50表示，每個樣品重復3次。

1.2.6 傅里葉變換紅外光譜分析 精確稱取干燥的4種DF樣品1.000 mg于瑪瑙研缽中，加入100 mg干燥的KBr晶體，輕輕研磨混勻，用壓片機壓片，制成一定直徑和厚度的透明片，用紅外分光光度計于4 000～400 cm-1中紅外區(qū)掃描，得到傅里葉變換紅外光譜曲線。

1.2.7 掃描電子顯微鏡分析 樣品干燥后過100目篩，將樣品平鋪在貼好導電膠的樣品臺上，用洗耳球吹去沒有在導電膠固定的粉末，噴金處理120 s。置于JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡下觀察，加速電壓20 kV，觀察各樣品顆粒的形貌。

1.2.8 熱特性分析 根據(jù)文獻[18]修改如下：采用Q20差示掃描量熱儀(DSC)進行測定，精確稱取4種DF樣品5.000 mg，置于固體鋁坩堝當中密封，空白固體坩堝作為參照。測試溫度范圍為25～360 ℃，升溫速率為10 ℃/min，載氣為氮氣，流速為50 mL/min，觀察樣品和參比物之間的熱流差隨溫度的變化。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

試驗重復3次，結(jié)果表示為平均數(shù)±標準差。采用SPSS Statistics 19.0分析軟件進行統(tǒng)計分析，使用單因素方差分析(ANOVA)，采用Duncan’s多重比較檢驗法進行顯著性分析(P<0.05)；采用Origin 9.0進行數(shù)據(jù)繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 膳食纖維理化特性分析結(jié)果

對膳食纖維進行理化指標測定，結(jié)果顯示不同來源的DF理化性質(zhì)有顯著差異，測定結(jié)果見表1。鷹嘴豆DF的持水力、持油力最高，分別為2.45，1.97 g/g。DF的高持水力可以加快排便速度，促進人體消化；而DF保留油脂的能力在食品應用中可能很重要，例如，在烹飪方面可以防止脂肪流失[19]；在營養(yǎng)方面，可以增強吸收或結(jié)合膽汁酸及其排泄的能力[20]。Akhtar等[21]研究了鷹嘴豆殼多糖的物理化學、功能、結(jié)構(gòu)等性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其持水力、持油力分別為(0.37±0.25)，(3.46±0.31) g/g。麥麩膳食纖維的膨脹力為(3.18±0.06) mL/g，顯著高于葡萄DF和大豆DF，而鷹嘴豆膳食纖維溶解性較高，不具有膨脹性。王崇隊等[22]研究了不同來源膳食纖維品質(zhì)分析，發(fā)現(xiàn)麥麩膳食纖維膨脹力為2.0 mL/g左右。DF的持水力、持油力和膨脹力的差異可能與粒徑、孔隙率、電荷密度、比表面積和空間結(jié)構(gòu)有關(guān)[23]。

表1 不同來源膳食纖維的理化特性?Table 1 Physicochemical properties of different types of dietary fiber

2.2 溶解性分析結(jié)果

溶解性是評價膳食纖維的重要指標之一，其溶解性基本取決于樣品的分子組成和結(jié)構(gòu)[24]，不同來源的膳食纖維其溶解性有一定的差異。試驗測定了在不同溫度下的溶解度，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，不同來源的DF溶解度隨溫度的升高而增加。當溫度為20 ℃時，鷹嘴豆DF、葡萄DF、麥麩DF和大豆DF的溶解度分別為0.032，0.028，0.028，0.011 g/mL。當溫度為20～60 ℃時鷹嘴豆DF和大豆DF的溶解度升高趨勢相對緩慢，在60～100 ℃ 范圍內(nèi)溶解度升高趨勢相對增加；而葡萄DF、麥麩DF升高趨勢與之相反。當溫度為100 ℃時，鷹嘴豆DF、麥麩DF、葡萄DF和大豆DF的溶解度分別為0.054，0.037，0.036，0.023 g/mL。朱鳳霞[25]通過測定米糠膳食纖維的理化性質(zhì)，得到米糠DF在20，100 ℃的溶解度分別為0.014，0.026 g/mL，隨著溫度的升高，溶解度趨勢與葡萄DF、麥麩DF相一致。溶解度隨溫度升高而增加的原因可能是熱作用力破壞了纖維素多糖分子側(cè)鏈間的氫鍵和離子鍵，造成部分分子鏈斷裂，使分子質(zhì)量降低，溶解度提高[26]。

圖1 溫度對不同來源膳食纖維溶解度的影響Figure 1 Effect of temperature on the solubility of dietary fiber from different sources

2.3 粒徑分析結(jié)果

采用LS13320/ULM2激光粒度儀測定膳食纖維的粒徑，以中位徑D50為試驗指標。由表2和圖2可知，不同來源的DF粒徑大小及分布有顯著性差異，可能與物質(zhì)本身和提取方法有關(guān)。鷹嘴豆DF的粒徑為2.56 μm，顯著低于其他3種DF，但粒徑分布峰形較寬。麥麩DF與大豆DF的粒徑分布情況基本一致。粒徑的大小會影響DF的理化特性和功能特性，粒徑減小，DF親水基團暴露較多，比表面積增大，使持水力、膨脹力均表現(xiàn)出增加的趨勢；但若粒徑進一步減小，則DF孔洞坍塌，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞，導致DF的持水力、膨脹力降低[27]。

表2 不同來源膳食纖維粒徑分布?Table 2 Particle size distributions of dietary fiber from different sources

圖2 不同來源膳食纖維粒徑分布情況Figure 2 Particle size distributions of dietary fiber from different sources

2.4 傅里葉變換紅外光譜分析結(jié)果

圖3 不同來源膳食纖維的紅外光譜圖Figure 3 Fourier transform infrared of dietary fiber from different sources

2.5 掃描電子顯微鏡分析結(jié)果

如圖4所示，通過掃描電鏡觀察4種不同來源膳食纖維放大500倍的微觀形貌圖，發(fā)現(xiàn)不同來源的DF具有不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)。鷹嘴豆DF和葡萄DF多為形狀不規(guī)則塊狀結(jié)構(gòu)，顆粒不均一，且顆粒表面凹凸不平整，帶有褶皺，褶皺是無規(guī)則的，鷹嘴豆DF顆粒表面凹凸程度比葡萄DF的大。大豆DF顆粒呈一定的片狀、層狀結(jié)構(gòu)，顆粒表面的褶皺是無規(guī)則的，呈蜂窩狀小孔，除纖維外還間雜少許顆粒物。麥麩DF顆粒聚集成一團，結(jié)構(gòu)疏松，不規(guī)則形狀。由于褶皺和蜂窩狀小孔的存在使膳食纖維表面積更大，從而表現(xiàn)出更高的持水力和持油力。

圖4 不同來源膳食纖維的掃描電鏡Figure 4 SEM images of dietary fiber from different sources

2.6 熱特性分析結(jié)果

差式掃描量熱儀(DSC)根據(jù)物質(zhì)熱變性過程的溫度和能量的變化來研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和構(gòu)象的變化[30]。DSC常常用來測蛋白的變形、淀粉的糊化和老化等研究，主要是基于溫度變化產(chǎn)生的熱效應。主要研究物質(zhì)在吸熱或放熱變化過程中溫度和焓值(ΔH)等，其能夠使聚合物質(zhì)從有序的結(jié)晶或部分有序的半結(jié)晶狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆珶o序的無定形狀態(tài)，克服分子間力需要吸收的能量或者破壞在交界區(qū)域氫鍵所需的能量[31]。

從圖5可以看出，根據(jù)起始溫度(T0)、最終溫度(Tc)和峰值(Tp)判斷這幾種不同的膳食纖維具有不同的特征參數(shù)，通過峰面積的大小確定焓值(ΔH)，焓值越大，表示這種物質(zhì)的熱穩(wěn)定性越好。A譜圖顯示的是鷹嘴豆DF的DSC曲線，只有一個吸收峰，峰值表示了變性溫度，從譜圖上得到鷹嘴豆DF的變性溫度為207.64 ℃，焓值為42.63 J/g。麥麩DF、大豆DF、葡萄DF的變性溫度分別為203.74，209.25，165.18 ℃；焓值分別為118.60，75.89，51.73 J/g。峰值的差異可能與DF的氫鍵數(shù)量與類型有關(guān)，峰值越高，說明DF內(nèi)的氫鍵數(shù)量更多，需要更多的能量來破壞DF中的晶體結(jié)構(gòu)。鷹嘴豆DF、麥麩DF和大豆DF的峰值差異并沒有顯著性差異，而C譜圖上DSC的吸收峰峰形與其他DF峰形差異很大，可能是由葡萄DF的內(nèi)部氫鍵數(shù)量較少和氫鍵種類的差異造成的。

圖5 不同來源膳食纖維的差式掃描量熱譜圖Figure 5 The thermal characteristic analysis of dietary fiber from different sources

3 結(jié)論

不同來源的膳食纖維在性質(zhì)上有顯著差別。通過對4種膳食纖維理化性質(zhì)進行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鷹嘴豆膳食纖維有較好的持水性、持油性、溶解度和粒徑，這些良好的特性使鷹嘴豆膳食纖維可以添加到肉制品、烘焙食品和酸奶制品中等。添加到肉制品中以增加保水、提高持水能力；有較好的溶解度，可以添加到酸奶中改善產(chǎn)品風味和質(zhì)地；粒徑小，表面積增加，添加到面包中，通過羥基與水的作用提高面包吸水性，使之松軟可口，不易干硬。通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)不同來源的膳食纖維具有不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)，而微觀結(jié)構(gòu)密切影響其性質(zhì)。若膳食纖維存在褶皺或蜂窩狀小孔，這就使膳食纖維表面積增大，從而表現(xiàn)出更高的持水力和持油力。雖然膳食纖維的添加能更好地改善食品的風味、質(zhì)地和營養(yǎng)價值，但其理化特性和功能特性對食品的質(zhì)地和營養(yǎng)價值有何影響還有待進一步的研究。