加酶挤压膨化对小米膳食纤维的影响

岐 婉，张轶轲，李涌泉，陈树俊，张丽珍

(山西大学生命科学学院，太原 030000)

膳食纤维是植物性食物中抵抗人类消化酶消化的部分，包括多糖和木质素[1]，分为可溶性(SDF)和不溶性(IDF)的膳食纤维[2]。研究表明，高膳食纤维饮食具有预防冠心病、心血管疾病、糖尿病和结肠癌等疾病的作用，在抗肿瘤方面、降血脂方面等有较好的效果[3]。小米膳食纤维主要存在于种皮及少量的糊粉层中[4]。小米含有1.2%～2.8%的膳食纤维，粗纤维含量达到0.8～1.6 g/100 g，是大米的2.6倍。

挤压膨化处理是一种集高温、高压和高剪切力的食品加工技术[5]。原料在挤压过程中处于高压下，通过模头排出时突然下降到正常压力[6]，由于压力急剧下降，原料被膨化成多孔结构，有利于粉末快速吸收水分[7]，淀粉、蛋白质、脂肪、粗纤维等大分子物质被切断成小分子物质[8]，可有效提高全谷物小米的食用性。利用挤压膨化技术生产小米速食粉、代餐粉等是小米加工的重要方式。糊粉类食品一直面临着结块率高、冲调性差的弊端，不易被消费者接受。研究发现，挤压膨化过程中添加α-淀粉酶可以提高产品水溶性、降低冲调黏度、提高淀粉消化率[9，10]。提高小米膳食纤维功能特性和人体对膳食纤维的利用率，已经成为食品加工领域的研究热点。张光等[11]通过挤压膨化处理，使米糠膳食纤维功能性随着结构的变化发生改变。孟晶岩等[12]通过挤压膨化处理小米膳食纤维，其持水力、膨胀力、吸油力显著改善。目前鲜有关于加酶挤压膨化小米粉对膳食纤维影响的报道。

本研究通过加酶挤压膨化处理改善小米粉冲调性，进而提取膳食纤维，比较其结构和性质的变化，深入了解加酶挤压对小米膳食纤维的影响，为小米新产品的开发以及在食品工业中的应用提供参考。

1.1 材料与试剂

小米：晋谷21号；
大豆油。高温α-淀粉酶(40 000 U/g)、中性蛋白酶(50 000 U/g)、糖化酶(100 000 U/g)，石油醚、氢氧化钠、氯化钠、无水乙醇、盐酸、对氨基苯磺酸、浓硫酸、酚酞、胆固醇、亚硝酸钠、冰乙酸、邻苯二甲醛、盐酸萘乙二胺，分析纯。

1.2 仪器与设备

YXQ-SⅡ立式压力蒸汽灭菌锅，DS32-ⅡA实验双螺杆膨化机，HH-4数显恒温水浴锅，Sigma2-16PK高速冷冻离心机，HX2002T电子天平，MultiDrive IKA研磨机，KDY-9820全自动凯氏定氮仪，WG9070BE电热鼓风干燥机，ifinite 200 Pro多功能微孔板检测仪。

1.3 方法

1.3.1 加酶挤压膨化处理工艺

小米粉碎过60目筛，量取高温α-淀粉酶(750 U/g)溶解，与原料混匀后密封，100 ℃加热30 min酶解后流水冷却。酶解处理后的物料用双螺杆膨化机处理。挤压机前中后段温度分别为70、170、190 ℃，螺杆转速30 Hz，喂料初期为20 Hz，陆续出料后逐渐加快进料速度，待出料稳定后收集挤出样品，将样品干燥粉碎密封保存备用。在上述条件不变的情况下进行对照处理，实验分为4组：小米粉不加酶不挤压(小米生粉)、小米粉加酶不挤压(加酶小米粉)、小米粉挤压不加酶(挤压小米粉)、小米粉加酶挤压(加酶挤压粉)。

1.3.2 营养成分的测定

水分测定按照GB 5009.3—2016，蛋白质测定按照GB 5009.5—2016，脂肪测定按照GB 5009.5—2003，灰分测定按照GB 5009.3—2016。

1.3.3 冲调性的测定1.3.3.1 水溶性和吸水性测定

参照Benhur等[13]方法测定小米粉的吸水性指数(WAI)和水溶性指数(WSI)。称取样品1.5 g，加入20 mL蒸馏水混匀，30 ℃水浴锅加热30 min，每隔5 min振荡30 s，4 000 g离心12 min，分离上清液和沉淀物，计算公式见式(1)和式(2)。

(1)

(2)

1.3.3.2 结块率测定

称取10 g样品置于500 mL的烧杯中，加入60 ℃的蒸馏水150 mL，搅拌均匀后，静置10 min，过20目筛，沥干后带筛网烘干至恒重，结块率公式见式(3)。

(3)

1.3.3.3 色度测定

用色差仪测量小米粉的L*、a*、b*值。以小米生粉颜色L0*、a0*、b0*为对照组，见式(4)和式(5)。

(4)

色差=

(5)

1.3.4 膳食纤维的提取

参照Zhu等[14]方法，小米粉石油醚脱脂后提取膳食纤维。按料液比1∶10加入蒸馏水搅拌均匀，加入高温α-淀粉酶(200 U/g)，于95～100 ℃水浴糊化30 min，降温冷却后用NaOH调节pH至7.0，加中性蛋白酶(250 U/g)，55 ℃下酶解30 min，用HCl调pH至4.2，加入糖化酶60 ℃酶解30 min，沸水浴灭酶15 min，冷却，用体积分数95%的乙醇溶液醇沉过夜，将溶液在8 000 g离心10 min，并用蒸馏水多次洗涤沉淀物，收集沉淀，沉淀物干燥至恒重，粉碎过筛制得膳食纤维。分别为小米生粉DFs，加酶小米粉DFs，挤压小米粉DFs，加酶挤压小米粉DFs。

1.3.4.1 小米膳食纤维持水性、持油性测定

参照Luo等[15]方法，称取小米膳食纤维0.1 g，加入10 mL的蒸馏水(大豆油)，充分混匀，静置20 min后于4 000 g下离心20 min，倒掉上清液后称质量，计算公式为：

(6)

式中：W0为小米膳食纤维样品的质量/g；
W1为离心后小米膳食纤维样品的总质量/g；
W2为离心后沉淀的总质量/g。

1.3.4.2 小米膳食纤维溶解度测定

参照Li等[16]方法，取0.2 g样品加入5 mL蒸馏水，75 ℃水浴搅拌30 min，4 000 g离心10 min，取上清液烘干至恒重。计算公式为：

(7)

式中：m1为铝盒质量/g；
m2为上清液质量/g。

1.3.4.3 小米膳食纤维胆固醇吸附能力测定

胆固醇标准曲线的绘制：采用邻苯二甲醛法，以胆固醇为标准品，标准曲线方程为y=0.408 0x+0.030 6(R2=0.993 4)。

胆固醇吸附能力测定：根据Jia等[17]的方法修改为：取鸡蛋蛋黄，搅打均匀，加入9倍体积的蒸馏水，取稀释蛋黄液15 mL，用0.1 mol/L NaOH将溶液pH调整为7(模拟小肠环境)，加入0.5 g样品，37 ℃水浴2 h，每隔20 min振荡30 s，4 000 r/min离心20 min，吸取1 mL上清液测定吸光度值。计算公式为：

(8)

式中：m为恒重样品质量/g；
n1为吸附前蛋黄乳液胆固醇质量浓度/mg/mL；
n2为离心后上清液中胆固醇质量浓度/mg/mL。

1.3.4.4 小米膳食纤维亚硝酸根离子吸附力测定

亚硝酸根离子标准曲线的绘制：用盐酸萘乙二胺法测定亚硝酸根离子，标准曲线为y=0.088 7x+0.017 3(R2=0.999 4)。

对亚硝酸根离子吸附力的测定：参考张洪微等[18]方法并稍作修改。取pH为7的NaNO2溶液(5μg/mL)20 mL，加入0.5 g小米膳食纤维，37 ℃水浴2 h，4 000 r/min离心15 min，取1 mL上清液测吸光度值，代入标准曲线，亚硝酸根离子吸附力计算公式为：

(9)

式中：m1为吸附前亚硝酸根离子质量/μg；
m2为吸附后亚硝酸根离子质量/μg；
m0为膳食纤维质量/g。

1.3.4.5 小米膳食纤维红外光谱测定

用Nicolet iS50红外光谱仪测定小米膳食纤维的二级结构，取干燥后的样品，记录300～4 000 cm-1范围内的光谱变化，用32次扫描和4 cm-1分辨率记录FTIR光谱。

1.3.4.6 小米膳食纤维扫描电子显微镜测定

取小米膳食纤维样品，分别对样品进行5 000倍和10 000倍扫描电子显微镜分析，观察膳食纤维形貌特征。

1.3.5 数据统计与分析

所有实验均进行3次重复，用SPSS26软件进行Duncan显著性分析，P<0.05表示差异显著。用Origin2019制图，相同字母表示相同处理差异不显著，不同字母表示差异显著。

2.1 加酶挤压膨化处理对小米粉营养成分的影响

小米粉营养成分见表1。挤压小米粉和加酶挤压粉较小米生粉含水量下降，可能是因为在挤压膨化过程中，机筒温度高达190 ℃，在机筒内停留10 s以上，水分瞬间蒸发，并且当物料冲出模头时，温度和压力瞬间急剧下降，水分子体积气化，导致水分含量下降[19]。蛋白质含量在加酶挤压过程中无显著变化。加酶挤压处理使小米粉脂肪含量下降，挤压及加酶挤压联合处理的脂肪含量降幅最大，原因可能是脂肪与直链淀粉、蛋白质形成了复合物[20]。灰分含量下降，因为在高温高压和高剪切力的作用下，挥发性矿物质如碘、硒等少量损失。加酶挤压膨化处理使基本营养成分的含量降低。

表1 小米粉主要化学成分含量/g/100 g

2.2 加酶挤压膨化处理对小米粉冲调性的影响

小米粉冲调性见表2。加酶小米粉、挤压小米粉、加酶挤压粉与小米生粉相比，水溶性指数分别提高了5.99倍、14.07倍、19.07倍(P<0.05)；
加酶小米粉、挤压小米粉、加酶挤压粉与小米生粉相比，吸水性指数分别降低了16.39%、16.89%、21.43%；
加酶小米粉、挤压小米粉、加酶挤压粉与小米生粉相比，结块率下降了36.43%、81.25%、92.76%(P<0.05)。在高温α-淀粉酶和挤压膨化共同作用下，部分高分子物质的结构键断裂变成低分子产物[21]，小分子可溶性物质增加，亲水性增强，水溶性指数升高，同时大分子结构被破坏，与水作用后吸水性能下降，表现为水溶性指数上升而吸水性指数下降，也使得加酶挤压粉的结块现象明显减少，从而结块率降低，小米粉的冲调效果越好。

表2 加酶挤压膨化处理对原料冲调性的影响

小米粉的颜色变化见表3。加酶挤压粉L*值最大，亮度最高，b*值最小，感官接受度最高。挤压和加酶挤压处理，使色度变小，颜色变浅。挤压后颜色色差变化最大，加酶挤压处理色差变化最小。综合来看，加酶挤压膨化处理能显著提高小米粉的冲调性。

表3 加酶挤压膨化处理对原料色度的影响

2.3 加酶挤压膨化处理对小米膳食纤维的影响

2.3.1 小米膳食纤维持水性、持油性和溶解度的分析

小米膳食纤维持水性、持油性和溶解度见图1。小米膳食纤维的持水、持油能力和溶解度提高。加酶小米粉DFs、挤压小米粉DFs、加酶挤压粉DFs与小米生粉DFs相比，持水性分别提高了3.36%、41.8%、54.7%；
加酶小米粉DFs、挤压小米粉DFs、加酶挤压粉DFs与小米生粉DFs相比，持油性分别提高了13.09%、32.3%、38.7%；
加酶小米粉DFs、挤压小米粉DFs、加酶挤压粉DFs与小米生粉DFs相比，溶解度分别提高了26.67%、74.1%、100%。挤压膨化处理后的小米膳食纤维具有较好的持水力、持油力和溶解度。良好的持水力可防止食品脱水收缩，而高持油力可以降低脂质在肠道内的吸收[22]。

注：标有相同字母表示相同处理差异不显著(P>0.05)，不同字母表示差异显著(P<0.05)，下同。

2.3.2 对小米膳食纤维吸附力的影响

小米膳食纤维吸附能力见图2，胆固醇吸附能力、亚硝酸根离子吸附力存在相同的趋势，挤压小米粉DFs吸附力大于其他组分，加酶小米粉DFs与小米生粉DFs相比，吸附力降低，加酶挤压粉DFs与挤压小米粉DFs相比，吸附力显著降低。挤压膨化粉DFs胆固醇吸附力提高，这可能是由于挤压膨化处理使小米粉中的不溶性膳食纤维得到降解，进而增加了可溶性膳食纤维含量。冠心病的发生与血液中胆固醇含量有直接的关系，因此改善膳食纤维吸附胆固醇的能力具有重大意义[23]。当可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维占总膳食纤维一定比例时，能够充分发挥各自优势，起到协同增效作用，因此其胆固醇吸附能力有所增强[24]。

图2 小米膳食纤维吸附力

亚硝酸根离子吸附能力的改善主要是由于挤压膨化处理使物料粒径减小，表面积增大，更多的多孔网络结构和官能团暴露，从而增强小米膳食纤维对亚硝酸根离子的吸附和保留能力。膳食纤维结构在酸性条件下的糖醛酸、氨基酸，特别是酚酸等活性基团对亚硝基有较强的吸附作用[25]。

2.3.3 对小米膳食纤维红外光谱结构的影响

小米膳食纤维的红外光谱图见图3，加酶挤压前后膳食纤维各特征吸收峰强度变化显著，吸收峰位置基本不变。3 400～3 300 cm-1处代表的是由纤维素和半纤维素—OH羟基的伸缩振动引起的，可能存在羟基及结合水分子。通过比较可以看出加酶挤压粉DFs吸收峰强度有所减弱，这可能是由于加酶挤压处理导致纤维素分子之间的氢键发生断裂。2 925 cm-1处的小尖峰是多糖甲基和亚甲基的C—H拉伸振动所致，1 747 cm-1处为木质素中的苯环特征吸收峰，表明糖醛酸存在于木质素中，在1 026 cm-1附近为吡喃糖苷键伸缩振动，有研究表明加酶挤压膨化处理后谷物中的糖苷键数量升高，说明处理后糖苷键发生断裂，膳食纤维分子变小，表面积增大，结构中的糖苷键明显暴露出来，出现更多的多孔网状结构，表面积增加，从而影响其体外吸附能力[26]，加酶挤压处理可以通过改变小米粉的结构来提高其亚硝酸根离子和胆固醇的吸附力，与亚硝酸根离子和胆固醇吸附力结果一致。小米膳食纤维红外光谱相似，说明加酶挤压没有改变小米膳食纤维的主要官能团，但其含量或结合程度不同，导致某些吸收峰强度不同。

图3 不同处理小米膳食纤维红外光谱图

2.2.4 对小米膳食纤维扫描电镜的影响

小米膳食纤维扫描电镜图见图4，在相同放大倍数下(5 000×、10 000×)，小米生粉DFs表面呈不规则块状结构，颗粒不均匀，带有褶皱，内部结构致密；
加酶生粉DFs与小米生粉DFs扫描电镜图类似；
加酶挤压粉DFs结构呈一定的片状和层状结构，疏松多孔，附着有小颗粒物质，结构疏松。在挤压膨化过程中，其颗粒结构被破坏后重组，小米天然结构消失，而呈现不规则的大块或片状结构，粒径的增大可能有助于提高粉末的下沉性和分散性，从而提高其润湿性[27]。

图4 不同处理小米膳食纤维扫描电镜图(5 000×)

加酶挤压膨化小米粉在加工过程中蛋白含量无显著变化，加酶挤压膨化小米熟粉的WSI显著提高，结块率和WAI下降，冲调性得到极大改善。加酶挤压小米粉DFs的持水性、持油性和溶解度均显著提高，挤压小米粉DFs的胆固醇吸附能力、亚硝酸根离子吸附力最好。加酶挤压粉DFs结构呈一定的片状、层状结构，颗粒表面的褶皱是无规则的，疏松多孔，表明结构疏松。小米膳食纤维红外光谱相似，说明加酶挤压没有改变小米膳食纤维的主要官能团，但其含量或结合程度不同，导致吸收峰强度不同。本研究可为进一步开发利用小米膳食纤维资源提供参考。

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