響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化小米糠膳食纖維改性工藝及其結(jié)構(gòu)分析

康麗君，寇 芳，沈 蒙，王維浩，曹龍奎,,*

響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化小米糠膳食纖維改性工藝及其結(jié)構(gòu)分析

康麗君1，寇 芳1，沈 蒙1，王維浩2，曹龍奎1,2,*

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.國家雜糧工程技術(shù)研究中心，黑龍江 大慶 163319）

以小米糠為實(shí)驗(yàn)材料，對(duì)其進(jìn)行氣爆預(yù)處理，利用超聲-微波協(xié)同法對(duì)氣爆預(yù)處理的小米糠膳食纖維進(jìn)行改性，以提高小米糠水溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）的得率，并利用響應(yīng)面法優(yōu)化其工藝條件。同時(shí)借助凝膠色譜-示差-多角度激光光散射、紅外光譜和X射線衍射等分析方法對(duì)改性前后小米糠膳食纖維的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。結(jié)果表明：氣爆條件設(shè)定為壓力1.0 MPa、時(shí)間90 s，最優(yōu)工藝參數(shù)為微波功率535 W、料液比1∶50（g/mL）、超聲-微波協(xié)同時(shí)間57 min，SDF含量達(dá)到10.841%。凝膠色譜-示差-多角度激光光散射分析顯示改性小米糠SDF分子質(zhì)量變小，表明經(jīng)改性處理后小米糠SDF分子鏈變短且聚合度降低。紅外光譜分析表明，改性小米糠SDF和水不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）的化學(xué)官能團(tuán)變化不大，并且有明顯的糖類特征吸收峰。X射線衍射分析顯示改性小米糠IDF的結(jié)晶度上升，表明改性小米糠IDF中非結(jié)晶區(qū)有部分降解，并且轉(zhuǎn)化為SDF。掃描電子顯微鏡結(jié)果顯示改性小米糠SDF的顆粒表面變得粗糙，疏松多孔，由小顆粒聚集而成。

小米糠；超聲-微波協(xié)同；氣爆；水溶性膳食纖維；響應(yīng)面法；結(jié)構(gòu)

小米糠為谷子加工過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，是一種產(chǎn)量較大的可再生利用資源，但以往主要作為動(dòng)物的飼料，造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)[1]。小米糠不僅含有優(yōu)質(zhì)脂肪酸和γ-氨基丁酸，還含有豐富的膳食纖維。膳食纖維是一種不被人體消化酶所消化的碳水化合物，被稱為第七營養(yǎng)素。膳食纖維根據(jù)溶解性不同可分為水溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）[2]。SDF在調(diào)節(jié)血糖、血脂，控制肥胖等方面優(yōu)于IDF[3]。

許多天然膳食纖維中IDF含量在90%以上，而SDF含量無法達(dá)到優(yōu)質(zhì)膳食纖維（10% SDF）的標(biāo)準(zhǔn)，其功能受到一定的限制。如何采用簡(jiǎn)便有效的改性方法使膳食纖維中的大分子組分連接鍵斷裂成小分子成分，從而疏松其致密的纖維結(jié)構(gòu)，使部分IDF轉(zhuǎn)化為SDF，提高SDF所占比例，進(jìn)而提高其生理活性成為膳食纖維改性研究的熱點(diǎn)[4]。文獻(xiàn)已報(bào)道的膳食纖維改性方法主要有化學(xué)改性[5]、物理機(jī)械改性[6]、生物改性[7]和多種方法聯(lián)合處理。氣爆預(yù)處理[8-9]和超聲-微波協(xié)同作用[10-11]有利于提高目的物的含量。

目前有關(guān)小米糠膳食纖維的研究主要集中在功能性質(zhì)和提取工藝方面[12]，而在小米糠改性處理和改性方法對(duì)其結(jié)構(gòu)的影響方面研究較少。本研究以小米糠為實(shí)驗(yàn)材料，酶-質(zhì)量法[13]制備膳食纖維，采用超聲-微波協(xié)同法對(duì)氣爆預(yù)處理小米糠膳食纖維進(jìn)行改性處理，并利用響應(yīng)面法[14]優(yōu)化改性小米糠SDF的工藝條件，同時(shí)借助紅外光譜和X射線衍射等分析方法對(duì)改性前后小米糠膳食纖維的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。本實(shí)驗(yàn)旨在提高小米糠中SDF含量，確定改性小米糠SDF的工藝條件，初步探索改性方法對(duì)小米糠膳食纖維結(jié)構(gòu)的影響，為水溶性膳食纖維的開發(fā)利用提供更多的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅谷小米糠 黑龍江省大慶肇州托古小米廠；耐高溫α-淀粉酶、中性蛋白酶、淀粉葡萄糖苷酶 美國Sigma公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

GDE-CSF6意大利VELP膳食纖維測(cè)定儀 北京盈盛恒泰科技有限公司；CW-2000A超聲-微波協(xié)同萃取/反應(yīng)儀 上海新拓分析儀器科技有限公司；K-360全自動(dòng)凱氏定氮儀 瑞士Büchi公司；QBS-200B型氣爆工藝試驗(yàn)臺(tái) 鶴壁正道生物能源公司；6700傅里葉紅外光譜儀 美國Thermo Nicolet公司；D/MAX2500V型X射線衍射儀 日本理學(xué)制造公司；凝膠色譜-示差-多角度激光光散射儀 美國Wyatt公司；S-570掃描電子顯微鏡 日本日立公司。

1.3 方法

1.3.1 小米糠的預(yù)處理

1.3.1.1 脫脂小米糠

取適量小米糠粉碎，40 ℃烘干，水分含量控制在6%～8%范圍內(nèi)，過40 目篩，進(jìn)行脫脂處理[15]，備用。

1.3.1.2 氣爆小米糠

稱取500 g小米糠加入氣爆反應(yīng)器中進(jìn)行處理。設(shè)置不同的氣爆壓力和時(shí)間，小米糠經(jīng)氣爆預(yù)處理后烘干，粉碎，過篩，脫脂。

1.3.2 小米糠膳食纖維的制備

分別稱取1.0 g脫脂小米糠和氣爆小米糠，按照1∶50（g/mL）的料液比加入蒸餾水，調(diào)節(jié)pH值至6.0，加入100 μL耐高溫α-淀粉酶于GDE酶培養(yǎng)消化器中水浴培養(yǎng)20 min，樣品溫度保持在95～100 ℃。調(diào)節(jié)pH值至7.0，加入100 μL中性蛋白酶溶液（50 mg中性蛋白酶溶于1 mL蒸餾水中）于GDE酶培養(yǎng)器中60℃條件下培養(yǎng)30 min。調(diào)節(jié)pH 4.5，加入100 μL淀粉葡萄糖苷酶于GDE酶培養(yǎng)器中60℃條件下培養(yǎng)30 min。將酶解后反應(yīng)物轉(zhuǎn)移至CSF6過濾裝置中，濾液經(jīng)濃縮后用4 倍體積的95%乙醇溶液醇沉、離心、干燥得SDF，濾渣用熱水洗滌、干燥得IDF。同時(shí)去除空白、未消化蛋白質(zhì)、灰分的影響。

1.3.3 小米糠膳食纖維的超聲-微波協(xié)同處理

脫脂小米糠和氣爆小米糠經(jīng)酶解反應(yīng)后置于超聲-微波協(xié)同萃取儀中進(jìn)行改性處理，后續(xù)步驟如1.3.2節(jié)所述。

1.3.4 超聲-微波協(xié)同改性小米糠膳食纖維的單因素試驗(yàn)

1.3.4.1 微波功率對(duì)小米糠SDF含量的影響

每組試驗(yàn)分別稱取1.0 g脫脂小米糠和氣爆小米糠，在超聲功率50 W、料液比1∶50（g/mL）、時(shí)間50 min的條件下，研究微波功率分別在400、450、500、550、 600 W時(shí)對(duì)小米糠SDF含量的影響。

1.3.4.2 料液比對(duì)小米糠SDF含量的影響

每組試驗(yàn)分別稱取1.0 g脫脂小米糠和氣爆小米糠，在超聲功率50 W、微波功率550 W、時(shí)間50 min的條件下，研究料液比分別在1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60（g/mL）時(shí)對(duì)小米糠SDF含量的影響。

1.3.4.3 時(shí)間對(duì)小米糠SDF含量的影響

每組試驗(yàn)分別稱取1.0 g脫脂小米糠和氣爆小米糠，在超聲功率50 W、微波功率550 W、料液比1∶50（g/mL）的條件下，研究時(shí)間分別在20、30、40、50、60 min時(shí)對(duì)小米糠SDF含量的影響。

1.3.5 響應(yīng)面法優(yōu)化超聲-微波協(xié)同改性小米糠膳食纖維的工藝

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取氣爆小米糠進(jìn)行改性工藝優(yōu)化的研究，以微波功率、料液比、時(shí)間為響應(yīng)因素，改性小米糠SDF含量（Y）為響應(yīng)值，根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，采用三因素三水平的響應(yīng)面分析法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析及顯著性檢驗(yàn)，確定最優(yōu)工藝。每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)重復(fù)3 次，取平均值。試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平Table1 The actual and coded values of the independent variables used in response surface analysis

1.3.6 改性前后小米糠SDF、IDF的結(jié)構(gòu)測(cè)定

1.3.6.1 改性前后小米糠SDF分子質(zhì)量分布測(cè)定

樣品處理方法：取10 mg改性前后SDF樣品，加1.0 mL 0.1 mol/L NaNO3溶液，45 ℃孵育4 h，再稀釋4 倍，過0.22 μm濾膜，取100 μL上樣。

檢測(cè)條件：流動(dòng)相為0.1 mol/L NaNO3，流速為0.8 mL/min，柱溫為45 ℃，分析柱型號(hào)為Ohpak SB-804 HQ、Ohpak SB-803 HQ，上樣量100 μL。

1.3.6.2 改性前后小米糠SDF、IDF的紅外光譜測(cè)定

稱取改性前后制備的小米糠SDF和IDF，在紅外燈下將樣品與KBr粉末混勻并充分研磨，利用真空壓片機(jī)進(jìn)行壓片，置于紅外光譜儀中掃描，掃描范圍為4 000～400 cm－1，繪制紅外光譜圖[16]。

1.3.6.3 改性前后小米糠IDF的X射線衍射測(cè)試

將改性前后的小米糠IDF進(jìn)行干燥、粉碎，研磨至無顆粒感，隨后將樣品均勻?yàn)⑷肟騼?nèi)，略高于框板面，并用不銹鋼片壓實(shí)樣品，確保樣品緊密平整且表面光滑，與框緊密結(jié)合，將樣品框插在測(cè)角儀中心的底座上，進(jìn)行測(cè)試[17]。

1.3.6.4 改性前后小米糠SDF的超微結(jié)構(gòu)觀察

取適量樣品固定于觀察臺(tái)上，采用離子濺射方法鍍金，置于掃描電子顯微鏡下觀察、分析[18]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

利用Design-Expert V8.0.6軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用Origin 8.6對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形處理。

2 結(jié)果與分析

圖1 不同氣爆條件對(duì)改性小米糠SDF含量的影響Fig. 1 Effects of different steam explosion conditions on SDF content of modified millet bran

2.1 小米糠最佳氣爆條件的確定由圖1可知，6號(hào)氣爆條件，也就是壓力1.0 MPa、時(shí)間90 s時(shí)，小米糠SDF含量達(dá)到最高值7.22%。當(dāng)氣爆壓力為0.5 MPa時(shí)，隨著處理時(shí)間的延長，小米糠SDF含量變化不大，說明壓力過低氣爆效果不明顯。當(dāng)氣爆壓力為1.0 MPa時(shí)，小米糠SDF含量顯著增加。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)氣爆預(yù)處理的小米糠呈海綿狀，這可能是由于氣爆處理破壞了小米糠的某些結(jié)構(gòu)組織如等，更利于目的物的溶出[19]。而當(dāng)壓力高于1.0 MPa時(shí)，小米糠變色嚴(yán)重并造成了纖維素、半纖維素等物質(zhì)降解嚴(yán)重，成為小分子物質(zhì)，不能以醇析法醇沉，降低了小米糠SDF的得率。綜上所述，氣爆壓力1.0 MPa、時(shí)間90 s為小米糠最佳的氣爆條件。

2.2 超聲-微波協(xié)同改性小米糠膳食纖維的單因素試驗(yàn)結(jié)果

圖2 單因素試驗(yàn)結(jié)果Fig. 2 Results of one-factor-at-a-time experiments

如圖2a所示，在超聲波開啟狀態(tài)下，隨著微波功率的增大，小米糠中SDF含量逐漸增加，當(dāng)微波功率達(dá)到550 W，超聲-微波協(xié)同改性脫脂小米糠中SDF含量達(dá)到最高值4.464%，氣爆小米糠中SDF含量達(dá)到最高值10.768%，說明超聲-微波協(xié)同處理將超聲波的機(jī)械振動(dòng)作用和微波的熱效應(yīng)結(jié)合起來，有利于SDF與原料分離進(jìn)入溶劑中[20]。對(duì)小米糠進(jìn)行氣爆預(yù)處理，會(huì)不同程度破壞小米糠IDF中半纖維素和纖維素，當(dāng)超聲-微波協(xié)同作用于氣爆小米糠時(shí)，改性效果更明顯。當(dāng)微波功率大于550 W時(shí)，SDF含量降低，可能是由于較高的溫度破壞了SDF組分，部分SDF分解為小分子物質(zhì)，成為醇溶性物質(zhì)。

如圖2b所示，當(dāng)料液比為1∶50（g/mL）時(shí)，超聲-微波協(xié)同改性脫脂小米糠中SDF含量達(dá)到最高值4.465%，超聲-微波協(xié)同改性氣爆預(yù)處理小米糠中SDF含量達(dá)到最高值10.831%。當(dāng)溶劑用量繼續(xù)增大，SDF含量變化略呈下降趨勢(shì)，說明溶劑用量過大會(huì)導(dǎo)致單位體積底物含量偏低，而SDF在溶液中的質(zhì)量濃度變小，不易醇沉，同時(shí)造成醇沉過程中乙醇的浪費(fèi)[21]；另一方面溶劑用量過大使單位體積輸入的能量下降，也會(huì)降低SDF的得率。因此料液比1∶50（g/mL）為最適料液比。

如圖2c所示，隨著超聲-微波協(xié)同萃取時(shí)間的延長，小米糠中SDF含量呈上升趨勢(shì)。當(dāng)時(shí)間超過50 min，SDF含量變化幅度很小，說明此后時(shí)間的延長對(duì)于SDF含量的影響不顯著。而當(dāng)時(shí)間超過60 min，SDF含量變化出現(xiàn)下降趨勢(shì)，是由于時(shí)間過長，體系溫度升高，SDF組分中的部分果膠在水溶液中被氫離子分解而降低SDF的得率[22]。故反應(yīng)時(shí)間宜為50 min。

2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

結(jié)合單因素試驗(yàn)，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，選取氣爆小米糠，以微波功率、料液比、時(shí)間為自變量，小米糠中SDF含量為響應(yīng)值，改性小米糠膳食纖維的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。利用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到方差分析的結(jié)果如表3所示，二次回歸參數(shù)模型數(shù)據(jù)如表4所示。

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Table2 Experimental scheme and results of Box-Behnken design

表3 響應(yīng)面二次模型的方差分析Table3 Analysis of variance of quadratic response surface model

表4 回歸模型系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)Table4 Regression coefficients and their significance in regression model

由表3可見，整體模型P小于0.000 1，二次方程模型極顯著，且失擬項(xiàng)P為0.100 5不顯著，說明回歸模型擬合度較好，試驗(yàn)誤差小。R2為0.997 2，大于90%，相關(guān)性較好，說明此模型能夠反映響應(yīng)值的變化，可用該模型對(duì)改性小米糠膳食纖維的工藝進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。由表4可見，該模型的一次項(xiàng)達(dá)到極顯著水平，表明X1、X2、X3三因素對(duì)SDF含量的線性效應(yīng)極顯著，所有的二次項(xiàng)對(duì)SDF含量的曲面效應(yīng)極顯著，同時(shí)交互項(xiàng)X1X2、X1X3、X2X3也達(dá)到極顯著水平，表明各因素對(duì)SDF含量的影響作用不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。得到各因素與響應(yīng)值關(guān)系的三元二次回歸方程為：表4可得出三因素對(duì)SDF含量影響大小的順序?yàn)椋何⒉üβ剩玖弦罕龋緯r(shí)間。

2.3.2 交互效應(yīng)分析

在微波功率、料液比、時(shí)間某一因素條件固定不變（0水平）的情況下，考察交互項(xiàng)對(duì)SDF含量的影響，并對(duì)模型進(jìn)行降維分析。所得的響應(yīng)面和等高線如圖3所示。

圖3 各因素交互作用對(duì)SDF含量影響的響應(yīng)面圖Fig. 3 Response surface plots showing the effects of factors on the SDF content

由圖3可知，改性小米糠SDF含量隨各因素水平的增大先增大后減少，各因素交互作用的等高線呈橢圓形，說明交互作用顯著。微波功率對(duì)SDF含量影響的等高線相對(duì)密集，料液比和時(shí)間對(duì)SDF含量影響的等高線相對(duì)稀疏，說明微波功率對(duì)SDF含量的影響更顯著，這也與表4的分析一致。

通過對(duì)模型分析確定最優(yōu)工藝條件為微波功率534.97 W、料液比1∶51.55（g/mL）、時(shí)間57.47 min，在此條件下改性小米糠中SDF含量理論值為10.865%。為了驗(yàn)證模型分析的準(zhǔn)確性，選取微波功率535 W、料液比1∶50、時(shí)間57 min進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次取平均值，所得SDF含量為10.841%，與理論值相差0.024%。故響應(yīng)面法適用于改性小米糠工藝條件的研究。

脫脂小米糠SDF含量為2.157%，經(jīng)氣爆預(yù)處理，小米糠SDF含量為7.221%，在最優(yōu)工藝條件下，超聲微波協(xié)同改性氣爆預(yù)處理，小米糠SDF含量為10.841%。

2.4 改性前后小米糠SDF、IDF的結(jié)構(gòu)變化

2.4.1 改性前后小米糠SDF的相對(duì)分子質(zhì)量分布

圖4 改性前后小米糠SDF的相對(duì)分子質(zhì)量分析圖Fig. 4 Molecular weight analysis of millet bran SDF before and after modification

表5 改性前后小米糠SDF相對(duì)分子質(zhì)量的測(cè)定結(jié)果Table5 Molecular weights of millet bran SDF before and after modification

SDF的分子質(zhì)量測(cè)定是研究SDF性質(zhì)的一項(xiàng)較為重要的工作，SDF的性質(zhì)與其分子質(zhì)量的大小有關(guān)。圖4a、b分別為改性前后小米糠SDF的相對(duì)分子質(zhì)量分析圖，表5為改性前后小米糠SDF的分子質(zhì)量測(cè)定結(jié)果，從重均分子質(zhì)量（Mw）角度分析，未經(jīng)改性小米糠SDF的相對(duì)分子質(zhì)量大于改性小米糠SDF，說明改性小米糠SDF分子鏈變短和聚合度變低。一般情況下，相對(duì)分子質(zhì)量越小，分子聚合度越低，物質(zhì)的溶解性越好，相同條件下黏度越小。Mw與數(shù)均分子質(zhì)量（Mn）的比值為相對(duì)分子質(zhì)量分散系數(shù)，其大小可以作為判斷樣品分子質(zhì)量分布是否均一的指標(biāo)，分散系數(shù)越大，說明分子質(zhì)量越分散?？傮w來看，改性后小米糠SDF分子質(zhì)量的分散系數(shù)小于未經(jīng)改性小米糠SDF分子質(zhì)量的分散系數(shù)，說明改性后小米糠SDF分子鏈分布較均勻。

2.4.2 改性前后小米糠的紅外光譜分析

圖5 脫脂小米糠的紅外光譜圖Fig. 5 FTIR spectrum of defatted millet bran

物質(zhì)的紅外光譜吸收峰位移和吸收強(qiáng)度與其原子振動(dòng)頻率、化學(xué)組成和化學(xué)鍵的類型密切相關(guān)。圖5為脫脂小米糠的紅外光譜圖，形成氫鍵締合狀態(tài)OH在3 415 cm－1左右呈現(xiàn)一個(gè)又寬又強(qiáng)的吸收峰，因小米糠纖維素和半纖維分子中含有很多羥基基團(tuán)，2 927 cm－1處為糖類亞甲基C—H的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)，1 200～1 400 cm－1吸收峰是C—H的變角振動(dòng)所致，這些區(qū)域的吸收峰都為糖類的特征吸收峰[23]。1 155 cm－1是半纖維素和纖維素C—O—C伸縮振動(dòng)所致，1 049 cm－1處的吸收峰是由糖環(huán)中C—O—C的C—O伸縮振動(dòng)所引起的，是多糖類另一特征吸收峰。在1 649 cm－1處出現(xiàn)了酰胺Ⅰ帶的酰胺特征吸收峰，在1 540 cm－1左右處出現(xiàn)了仲酰胺基的酰胺Ⅱ吸收帶，說明脫脂小米糠含有少量蛋白質(zhì)，這也與凱氏定氮法測(cè)定蛋白質(zhì)的含量相符。此圖譜并未出現(xiàn)半纖維素（羰基C＝O）的特征吸收峰，由此可推斷蛋白質(zhì)與半纖維素以一定形式的結(jié)合態(tài)存在?？傮w分析，脫脂小米糠的紅外光譜具有纖維素類多糖的特征吸收峰。

圖6 改性前后小米糠SDF的紅外光譜圖Fig. 6 FTIR spectra of millet bran SDF before and after modification

在3 300～3 500 cm－1內(nèi)出現(xiàn)較強(qiáng)的寬展圓滑的吸收峰是O—H的伸縮振動(dòng)，脫脂小米糠SDF和超聲微波協(xié)同改性氣爆預(yù)處理小米糠SDF分別在3 415 cm－1和3 411 cm－1處出現(xiàn)吸收峰。改性前后小米糠SDF分別在2 963 cm－1和2 960 cm－1處出現(xiàn)弱吸收峰，是糖類甲基C—H的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)所致，1 200～1 400 cm－1內(nèi)是C—H的變角振動(dòng)吸收峰，在這些區(qū)域的吸收峰是糖類的特征吸收峰。改性前后小米糠SDF分別在1 103 cm－1和1 079 cm－1處出現(xiàn)較強(qiáng)吸收峰，是由C—O—C中C—O伸縮振動(dòng)和C—O—H的O—H變角振動(dòng)，也是多糖類的另一特征吸收峰。1 650 cm－1附近為羧基COO—的特征峰，峰強(qiáng)度較大，表明樣品中含有糖醛酸。1 405 cm－1處尖峰是C—H（—CH2）彎曲振動(dòng)峰，為木聚糖的特征峰。804 cm－1處的弱小尖峰是α-D-半乳吡喃糖的特征峰。改性小米糠SDF在880 cm－1處出現(xiàn)弱小尖峰為β-D-葡萄吡喃糖或β-D-甘露吡喃糖的特征峰，推測(cè)小米糠經(jīng)改性處理后，SDF的單糖組成與含量發(fā)生變化。改性小米糠SDF在3 442 cm－1附近出現(xiàn)的吸收峰更強(qiáng)，說明在制備改性小米糠SDF時(shí)，部分糖苷鍵斷裂，形成氫鍵OH增多。綜合分析得出改性前后小米糠SDF結(jié)構(gòu)很相似，由于含量或結(jié)合程度不同，導(dǎo)致它們?cè)谖諒?qiáng)度上存在差異。

圖7 改性前后小米糠IDF的紅外光譜圖Fig. 7 FTIR spectra of millet bran SDF before and after modification

與脫脂小米糠IDF相比，超聲-微波協(xié)同改性氣爆預(yù)處理小米糠IDF的特征吸收峰的峰形、位置未發(fā)生明顯變化，說明小米糠膳食纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯變化。改性前后小米糠IDF都在3 430 cm－1左右出現(xiàn)寬展圓滑的吸收峰，由O—H的伸縮振動(dòng)所致，在2 920 cm－1近的吸收峰為糖類亞甲基C—H的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)，1 200～1 400 cm－1范圍內(nèi)吸收峰是C—H的變角振動(dòng)所致，這些區(qū)域的吸收峰都為糖類的特征吸收峰。

2.4.3 改性前后IDF的X射線衍射分析

圖8 脫脂小米糠的X射線衍射圖Fig. 8 XRD spectrum of defatted millet bran

圖9 改性前后小米糠IDF的X射線衍射圖Fig. 9 XRD spectra of millet bran IDF before and after modification

脫脂小米糠的X射線衍射圖見圖8，改性前后小米糠IDF的X射線衍射圖見圖9，脫脂小米糠在掃描角度2θ為22.27°處有明顯的結(jié)晶衍射峰，脫脂小米糠IDF在掃描角度2θ為21.97°處有明顯的結(jié)晶衍射峰，同時(shí)在16.38°、34.55°兩處有較弱的衍射峰，這些峰均表明脫脂小米糠IDF具有纖維素Ⅰ型的X射線衍射曲線特征[24]，說明小米糠膳食纖維的晶型與其他植物源膳食纖維相同，并未引入新的晶型。經(jīng)氣爆預(yù)處理和超聲微波協(xié)同改性，改性小米糠IDF在掃描角度2θ為22.13°處有明顯的結(jié)晶衍射峰，同時(shí)在16.33°、34.51°兩處有較弱的衍射峰，說明改性小米糠IDF的晶體類型也是纖維素Ⅰ型，為結(jié)晶區(qū)與非結(jié)晶區(qū)兩相共存的狀態(tài)。改性小米糠IDF與脫脂小米糠IDF比較，結(jié)晶峰的2θ值相近，表明這種改性方法并沒有使小米糠IDF的晶型發(fā)生改變。改性小米糠IDF在2θ處的衍射峰強(qiáng)度明顯增大，結(jié)晶度由原來的22.89%

增大為25.55%，說明改性小米糠IDF表面結(jié)構(gòu)被破壞，致使纖維素結(jié)晶區(qū)暴露[25]。

2.4.4 改性前后小米糠SDF的超微結(jié)構(gòu)觀察

圖10 改性前后小米糠SDF的掃描電子顯微鏡圖Fig. 10 SEM images of millet bran SDF before and after modification

從圖10可看出，在相同放大倍數(shù)下，改性前后小米糠SDF具有不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)。脫脂小米糠SDF顆粒較大且顆粒大小不一，形狀為不規(guī)則碎片，表面較光滑，結(jié)構(gòu)較致密。改性小米糠SDF的顆粒表面變得粗糙，疏松多孔，呈蜂窩狀，是由小顆粒聚集在一起的。改性前后小米糠SDF微觀結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致了性質(zhì)差異。由于氣爆預(yù)處理和超聲-微波協(xié)同改性作用，改性小米糠SDF分子質(zhì)量較小，聚合度較低，這可能是改性小米糠SDF比脫脂小米糠SDF具有更好的溶解性和較小的黏度的內(nèi)在原因。此外低分子質(zhì)量的多糖類物質(zhì)一般都具有良好的生理活性，酶法制備條件比較溫和，活性物質(zhì)未受到破壞。

3 結(jié) 論

采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過響應(yīng)面分析結(jié)合實(shí)際值確定超聲-微波協(xié)同改性小米糠膳食纖維最優(yōu)的工藝條件為微波功率535 W、料液比1∶50（g/mL）、超聲-微波協(xié)同時(shí)間57 min，在此條件下，SDF含量達(dá)到10.841%，比未經(jīng)改性小米糠提高了8.684%。改性小米糠SDF相對(duì)分子質(zhì)量小于未經(jīng)改性小米糠SDF，說明改性小米糠SDF分子鏈變短和聚合度變低，這也可以解釋經(jīng)改性處理后SDF含量增加的原因。

通過紅外光譜和X射線衍射分析結(jié)果顯示，改性小米糠SDF的結(jié)構(gòu)具有明顯的糖類特征吸收峰，其化學(xué)官能團(tuán)基本不變，改性小米糠IDF的特征吸收峰的峰形、位置無明顯變化；改性小米糠IDF的結(jié)晶度上升，表明小米糠IDF表面結(jié)構(gòu)破壞，使纖維素結(jié)晶區(qū)暴露；改性小米糠SDF分子質(zhì)量較小，聚合度較低，這可能是改性小米糠SDF具有更好的溶解性和較小的黏度的原因，此外低分子質(zhì)量的多糖類物質(zhì)一般都具有良好的生理活性。

氣爆預(yù)處理和超聲-微波協(xié)同改性使小米糠IDF中半纖維素部分降解，并且轉(zhuǎn)化為SDF，說明這種改性方法能夠有效提高小米糠SDF的含量。

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Optimization of Modification Process for Millet Bran Dietary Fiber and Structural Elucidation

KANG Lijun1, KOU Fang1, SHEN Meng1, WANG Weihao2, CAO Longkui1,2,*
(1. College of Food Science, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China; 2. National Coarse Cereals Engineering Research Center, Daqing 163319, China)

Millet bran was pretreated by steam explosion and then subjected to combined ultrasonic-microwave treatment in order to modify millet bran dietary fiber (MBDF), namely to increase soluble dietary fiber (SDF) yield. The process conditions were optimized using response surface methodology. In addition, the structures of modified and unmodified MBDF were investigated by means of gel permeation chromatography-refractive index-multi-angle light scattering (GPCRI-MALS), infrared spectroscopy and X-ray diffraction. The steam explosion conditions were set as 1.0 MPa and 90 s for pressure and time, respectively. The optimal conditions for combined ultrasonic-microwave treatment were determined as microwave power of 535 W, solid-to-solvent ratio of 1:50 (g/mL) and time of 57 min, giving an SDF yield of as high as 10.841%. The results of GPC-RI-MALS showed that the molecular weight of modified millet bran SDF was smaller that of the unmodified one, due to the shorter molecular chain and the reduced degree of polymerization resulted from the modification. The infrared spectroscopic analysis illustrated that there were no significant changes in the chemical functional groups between the modified SDF and IDF, and both of them possessed the characteristic absorption peaks of carbohydrates. The X-ray diffraction analysis revealed that the crystallinity of the modified IDF increased, indicating that its non-crystalline region was partially degraded and converted to SDF. Scanning electron microscopic (SEM) observation showed that the surface of modified millet bran SDF became rough, loose and porous and was composed of aggregated small particles.

millet bran; combined ultrasonic-microwave treatment; steam explosion; soluble dietary fiber (SDF); response surface methodology; structure

10.7506/spkx1002-6630-201702038

Q539

A

1002-6630（2017）02-0240-08

2016-05-09

2013年度國家星火計(jì)劃項(xiàng)目（2013GA670001）

康麗君（1992—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)榧Z油食品及副產(chǎn)物加工。E-mail：klj1518668559@163.com

*通信作者：曹龍奎（1965—），男，教授，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)。E-mail：caolongkui2013@163.com

康麗君, 寇芳, 沈蒙, 等. 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化小米糠膳食纖維改性工藝及其結(jié)構(gòu)分析[J]. 食品科學(xué), 2017, 38(2): 240-247. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201702038. http://www.spkx.net.cn

KANG Lijun, KOU Fang, SHEN Meng, et al. Optimization of modification process for millet bran dietary fiber and structural elucidation[J]. Food Science, 2017, 38(2): 240-247. (in Chinese with English abstract)

10.7506/spkx1002-6630-201702038. http://www.spkx.net.cn