核磁共振技術研究膳食纖維對饅頭內部水分的影響

李秀玲 姜小苓 于紅彩 茹振鋼 王岸娜

1.河南科技學院小麥中心/河南省現代生物育種協(xié)同創(chuàng)新中心 河南新鄉(xiāng) 453003 2.河南工業(yè)大學糧油食品學院 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”。根據溶解性可分為不溶性、水溶性膳食纖維兩類，結構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、脂類代謝會產生一定的影響[2]。為充分發(fā)揮現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，進而改良其品質，活化其功能是目前亟需解決的主要問題。

擠壓改性技術是目前改變膳食纖維成分比例及結構的主要方法，與傳統(tǒng)的化學和生物改性技術相比，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]。纖維物料經擠壓改性后，可溶性膳食纖維含量提高，化學結構未被破壞，物化性質（持水能力、結合能力和膨脹能力）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和貨架期的重要因素之一。食品內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，導致食品原料穩(wěn)定性和品質下降，因此控制食品中水分遷移對提高產品穩(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（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]，該技術具有無損檢測的特點，廣泛應用于食品科學研究。

迄今，國內外研究者對于膳食纖維對面團特性、面制品理化特性、口感風味及儲藏性等影響進行了大量研究，得到很多具有指導意義的結論[13-17]。但有關膳食纖維對食品水分流動性及水分的結合狀態(tài)方面的研究較少。為此，本研究采用核磁共振技術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-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－淀粉凝膠體系內大分子物質之間的相互作用，旨在揭示相關機理。研究結果將為饅頭品質改良及安全貯藏提供理論支持和指導依據。

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，調節(jié)物料含水量為50%，進行擠壓處理（進料速度為25～30kg/h，螺桿轉速為120r/min，溫度150℃），烘干，粉碎得改性膳食纖維，標記為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，利用反轉恢復脈沖序列（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：采樣點數TD=1024，重復時間TR=2000 ms，重復掃描次數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：采樣點數TD=40020，重復時間TR=1000 ms，回波個數Co=1000，重復掃描次數NS=16，半回波時間TE=100 us。

MSE成像序列進行質子密度成像的實驗參數為：重復時間 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，于低真空噴鍍儀內鍍一層導電膜（未噴金），采用Quanta200環(huán)境掃描電鏡進行掃描，觀察其正面、斷面形貌及結構。

3 結果與分析

3.1 CDF對面粉制作饅頭質子信號幅度的影響

圖1 CDF1對饅頭的質子信號幅度

圖1 為添加不同量CDF1饅頭的質子信號幅度?？煽吹?部分流動性不同的水分，說明水與大分子的結合程度不同，表現出不同的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量，且水分子被結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（結合水分子的數量相對較多），T22值最?。ㄗ杂伤肿拥臄盗肯鄬^少），說明CDF1添加量為10%時，充分形成的面筋結構使得饅頭的持水性能力更強。

圖2為添加不同量CDF2饅頭的質子信號幅度。從圖中可看出2部分流動性不同的水分，表現出不相同的 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量，且水分子被結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結合而流動受到束縛的水分的T21相應的有所增加。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更有利于面筋網狀結構的充分形成、增強饅頭的持水能力。

圖2 CDF2對饅頭質子信號幅度的影響

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。不同的物理化學特性環(huán)境水質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可以促進質子的流動性。從圖3b可看出，當添加量大于4%時，添加CDF1可導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可以促進質子流動性、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絡結構孔徑較大，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對面團進行無破壞切層成像研究CDF添加量對饅頭內部水分分布及質子流動性的影響。從氫質子密度圖像中可以直觀地看到自旋質子的分布情況以及其數量。

由圖5和圖6可看出，饅頭樣品切層中質子分布比較均勻。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）質子信號強度較弱，說明CDF1和CDF2的添加可增加質子數量、改善質子可流動性、增強質子弛豫信號，從而增強饅頭的持水性。當添加量超出一定范圍時，CDF對面團網狀結構產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對質子流動性、饅頭持水性的增強作用更加顯著?？赡苁且驗榫咻^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、淀粉等）的結合，導致質子數量增多。這與CDF2比CDF1水合作用更強的研究結果相一致[24]。

由圖7和圖8可看出，添加CDF1饅頭樣品切層中質子分布不均勻，而添加CDF2饅頭樣品切層中質子分布比較均勻。CDF1和CDF2添加量為2%～6%時，質子數增加、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）中的質子信號強度較弱。說明一定量CDF有助于面團面筋蛋白網絡結構的形成和維持，且可包裹淀粉顆粒等小分子，增加質子數量、改善質子可流動性、增強弛豫信號。當添加量超出一定范圍時，膳食纖維對面團網狀結構產生惡化作用，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得到的結果一致。

綜上可知，添加CDF2饅頭切層中質子分布比添加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。

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狀，孔洞較大，且大小不均，結構疏松不致密；添加CDF后，微觀結構較為均勻、致密，孔洞較小且分布均勻?？梢姡攀忱w維對面筋蛋白-淀粉凝膠體系的內部結構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，與面筋蛋白結合可形成大分子網狀結構，對面筋蛋白-淀粉復合凝膠體系有一定充填作用，使面筋網絡結構更加穩(wěn)定。

圖9 面筋蛋白-淀粉凝膠的SEM圖

4 結論

添加CDF后，檢測到較強質子信號，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數量減少、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構，改變了面團的凝膠結構，形成的網狀結構更加均勻、致密，使面團的品質得以改善。