李文意，刘婷婷，张闪闪，陈玥彤，滕 旭

(吉林农业大学食品科学与工程学院1，长春 130118) (吉林省粮食精深加工与高效利用工程研究中心2，长春 130118) (农业农村部食用菌加工技术集成科研基地3，长春 130118) (吉林省粮食精深加工与副产物高效利用技术创新重点实验室4，长春 130118)

米糠是稻谷加工的副产物，其膳食纤维质量分数为25%～35%[1]，米糠膳食纤维中主要成分为不溶性膳食纤维，目前对于米糠不溶性膳食纤维的研究集中在改性技术的探索及生物活性的增强方面。改性处理后的米糠不溶性膳食纤维的物性、结构及功能特性均发生变化。Jqi等[2]发现硫酸改性的米糠不溶性纤维对葡萄糖的扩散有更强的抑制作用；
Zhang等[3]对比了3种改性方法对米糠不溶性膳食纤维理化性质、结构、功能特性的影响，证实了羧甲基化对米糠不溶性膳食纤维的影响最大。改性处理使不溶性膳食纤维在某种程度上能够发挥可溶性膳食纤维的作用，增强其生理活性，扩大不溶性膳食纤维在食品基质中的应用范围。

大米是加工各种特色米制品的主要原料，其粗淀粉质量分数高达80%，因此米制品属于高碳水、高热量、低膳食纤维的食物[4]，而且大米粉还存在保水能力低，易脱水老化等不良特性[5]，导致米制品在储藏时间、可接受性和营养方面不能满足人们的需求。近年来消费者更加注重米制品的感官品质及营养价值，如何改善大米粉的食用品质及营养特性成为本领域的研究热点。Wang等[6]发现添加合适粒径的高比例竹笋不溶性膳食纤维可使大米淀粉颗粒通过强烈的分子内和分子间氢键聚集，降低了大米淀粉的黏度和硬度；
刘成梅等[7]发现大豆可溶性膳食纤维可提高大米淀粉凝胶的黏性，对大米淀粉短期老化的抑制效果更为显著。目前，已有研究表明米糠膳食纤维对大米粉糊化[8]和老化[9]特性具有一定的作用，但有关改性处理后的米糠不溶性膳食纤维对大米粉理化性质的研究鲜有报道。

本研究以改性米糠不溶性膳食纤维为原料，对添加不同比例改性米糠不溶性膳食纤维的大米粉溶解度和膨胀度，糊化特性、流变特性、质构特性、热特性以及微观结构进行研究。此研究扩大了改性米糠不溶性膳食纤维在米制品中的潜在应用，为富含改性米糠不溶性膳食纤维的米制品开辟了新的可能性。

1.1 材料与试剂

大米粉(140目)；
米糠(60目)；
耐高温α淀粉酶(120 KNU/g)、碱性蛋白酶(2.4 AU/g)。

1.2 仪器与设备

QBS-80蒸汽爆破机，RST-CC多功能糊化黏度仪，TMS-Pro质构仪，DHR-3流变仪，DSC-250差示扫描量热仪，Phenom-Word BV冷冻电子显微镜。

1.3 方法

1.3.1 改性米糠不溶性膳食纤维的制备

将米糠采用超临界CO2萃取技术进行脱脂[10]处理，将脱脂后的米糠采用酶解法[11]提取米糠不溶性膳食纤维，提取的米糠不溶性膳食纤维以填料量100%、气爆压力2.5 MPa、保压300 s条件进行蒸汽爆破处理[12]，处理好的改性米糠不溶性膳食纤维在60 ℃烘干至恒重，过120目筛后于干燥器保存备用。

1.3.2 改性米糠不溶性膳食纤维对大米粉溶解度和膨胀度的影响

参照顾玲等[13]的方法，称取混合粉0.1 g(干基)，改性米糠不溶性膳食纤维的添加量按大米粉干质量的0%、2%、4%、6%、8%、10%比例进行称取，装于已知质量的离心管中，定容到5 mL，分别在温度为50、60、70、80、90 ℃下的恒温振荡水浴锅中振荡35 min，在离心机中离心20 min，将上清液倒入已质量恒定的铝盒中并于105 ℃下烘干至质量恒定并称量，称取此时的离心管的质量。计算溶解度和膨胀度公式为：

(1)

(2)

式中：P1为离心管的质量/g；
P2为去除上清液后离心管的质量/g；
W为样品质量(干基)/g；
A1为铝盒的质量/g；
A2为烘干后铝盒的质量/g；
S为样品的溶解度。

1.3.3 改性米糠不溶性膳食纤维对大米粉糊化特性的影响

称取14.4 g大米粉加入120 g蒸馏水配置成溶液，将改性米糠不溶性膳食纤维按大米粉干重的0%、2%、4%、6%、8%、10%比例加入到溶液中混合均匀。测量参数为：整个样品分析时间为65 min，样品在50 ℃保温1 min，然后匀速升温到97 ℃，时间为14 min。97 ℃下保持7.5 min，再以同样的速率进行降温至50 ℃并保持。搅拌桨转速为200 r/min，测量点数为1 200个。

1.3.4 改性米糠不溶性膳食纤维对大米粉流变特性的影响[14]

1.3.4.1 静态流变学

称取1.3.3糊化后样品，平板直径选用40 mm，测量温度25 ℃，剪切速率从0～100 s-1递增，平衡1 min后再从100～0 s-1递减，分析这一过程内剪切应力的变化。选用Power law模型拟合。

σ=kγn

(3)

式中：σ为剪切应力/Pa；
k为稠度系数/Pa·sn；
γ为剪切速率/s-1；
n为流体行为指数(无因次)。

1.3.4.2 动态流变学

称取1.3.3糊化后样品，平板直径选用40 mm，间隙1 mm，扫描应变1%，温度25 ℃，频率0.1～10 Hz，观察储能模量(G′)、损耗模量(G″)及损耗角正切值(tanδ=G″/G′)随频率的变化。

1.3.5 改性米糠不溶性膳食纤维对大米粉凝胶质构特性的影响

将糊化后样品于4 ℃冰箱冷藏24 h形成凝胶，运行模式Texture Profile Analysis(TPA)，P-36R探头，样品压缩2次，2次测定间隙时间为5 s。测量期间温度为25 ℃。测前2.0 mm/s，测中1.0 mm/s，测后2.0 mm/s，距离为4 mm，目标模式为应变60%。

1.3.6 改性米糠不溶性膳食纤维对大米粉热特性的影响

称取大米粉 5 g(干基)，依次加入大米粉干基质量0%、2%、4%、6%、8%和10%的改性米糠不溶性膳食纤维置于10 mL的蒸馏水中搅拌30 min。称取5 mg样品于DSC坩埚中压紧制成片状在室温下平衡24 h，将样品以10 ℃/min的速率从30 ℃升温至110 ℃进行 DSC热扫描[15]。

1.3.7 改性米糠不溶性膳食纤维对大米粉微观结构的影响

将1.3.3制得的样品糊冷却至室温，于4 ℃冰箱冷藏24 h，取少量样品置于化后样品固定在钉形样品台上，用配套冷台设置温度，使样品迅速冷冻至玻璃态，放在电子显微镜中成像观察。

1.3.8 统计分析

所有实验数据进行3次平行测试，用平均值±标准差表示，利用SPSS 20.0统计软件对数据进行显著性分析，Origin 8.0绘图。

2.1 改性米糠不溶性膳食纤维对大米粉溶解度和膨胀度的影响

大米粉的溶解度和膨胀度可以反映出大米粉和水分子之间的相互作用强度，体现大米粉颗粒在水中受热时自由膨胀分散的能力[16]。如图1所示，大米粉的溶解度和膨胀度随着改性米糠不溶性膳食纤维添加量的增加而不断降低，这是因为改性米糠不溶性膳食纤维不仅包裹在大米粉颗粒表面，阻碍了大米粉颗粒的崩解，减弱了大米粉颗粒膨胀和浸出；
而且与大米粉竞争水分子，阻碍了大米粉的水合与膨胀，抑制大米粉颗粒表面孔洞的扩张，减少了直链淀粉的渗出。直链淀粉含量越少，溶解度和膨胀度越低，糊化越不充分[17]。

注：不同字母表示显著性差异(P<0.05)。图1 改性米糠不溶性膳食纤维对大米粉溶解度和膨胀度的影响

表1 改性米糠不溶性膳食纤维对大米粉糊化特性参数的影响

图2 改性米糠不溶性膳食纤维对大米粉糊化曲线的影响

2.2 改性米糠不溶性膳食纤维对大米粉糊化特性的影响

由图2可知，随着改性米糠不溶性膳食纤维添加量的增加，大米粉的糊化曲线逐渐下降，当改性米糠不溶性膳食纤维质量分数为6%时，下降幅度最大。由表1可知，添加改性米糠不溶性膳食纤维的大米粉糊化温度显著升高，且与改性米糠不溶性膳食纤维添加量呈正相关，说明大米粉糊化过程需要更高的温度，糊化过程变慢。同时改性米糠不溶性膳食纤维的加入也引起大米粉(峰值、谷值、最终)黏度、崩解值和回生值的显著降低。其中当改性米糠不溶性膳食纤维质量分数为6%时，大米粉黏度下降幅度最大。大米粉黏度的变化主要与大米粉的支链淀粉有关[18]。在糊化过程中改性米糠不溶性膳食纤维具有良好的水合能力，其亲水基团与大米粉竞争水分子，改性米糠不溶性膳食纤维的水合能力高于大米粉，弱化了大米粉与水分子的相互作用，没有足够的水吸附到大米粉支链淀粉分子上，支链淀粉不会完全形成黏性物质，导致大米粉体系的黏度值降低。

在糊化过程中，崩解值是糊化曲线上峰值黏度与谷值黏度的差值，可以反映大米粉颗粒完整性和大米粉糊的热稳定性[19]。加入改性米糠不溶性膳食纤维后，大米粉体系的崩解值随其添加量的增加而降低，说明改性米糠不溶性膳食纤维能够提高大米粉在高温和高剪切力下的耐受性，增强大大米粉的稳定性。回生值与大米粉直链淀粉分子重排水平和重结晶有关，反映出大米粉在冷却过程中黏度上升以及短期老化的程度，回生值越低，短期老化程度就越低[20]。大米粉的回生值随改性米糠不溶性膳食纤维添加量的增加而降低，特别是在改性米糠不溶性膳食纤维质量分数为6%时，大米粉的回生值降低了50%。由于改性米糠不溶性膳食纤维加入，一方面可以抑制糊化过程中直链淀粉的渗漏；
另一方面，改性米糠不溶性膳食纤维与糊化初期渗漏的淀粉中可溶性组分发生氢键作用，阻碍大米粉中淀粉分子的聚合，大米粉的抗老化能力增强[21]。

2.3 改性米糠不溶性膳食纤维对大米粉流变特性的影响

2.3.1 改性米糠不溶性膳食纤维对大米粉静态流变特性的影响

由图3可知，所有样品的剪切应力随剪切速率的增加而增加，表明大米粉具有假塑性流体特征。在同一剪切速率下，大米粉的剪切应力随改性米糠不溶性膳食纤维添加量的增加而降低，且均比未添加大米粉的剪切应力小。上行曲线(0～100 s-1)和下行曲线(100～0 s-1)不重合，说明大米粉具有剪切稀化的性质。随着剪切速率增大，上行曲线与下行曲线围绕产生一个顺时针的触变环，表明大米粉具有触变性[22]，该触变环面积的大小可以表征凝胶网络结构被破坏形成新网状结构的难易程度。随改性米糠不溶性膳食纤维添加量的增加，触变环面积变小，说明大米粉凝胶网络结构更稳定，剪切稳定性更强[23]。

图3 改性米糠不溶性膳食纤维对大米粉静态流变特性的影响

用Power law方程将数据拟合，结果见表2。每组样品的决定系数R2均大于0.99，说明 Powerlaw方程和曲线之间有良好相关性。大米粉体系的流体行为指数(n)均小于1，说明体系为假塑性流体。同时，上行曲线的K值高于下行曲线的K值，说明大米粉具有剪切变稀的性质。随着改性米糠不溶性膳食纤维添加量的增大，上行曲线和下行曲线的K值均降低，n值升高，说明添加改性米糠不溶性膳食纤维后，大米粉的黏稠性降低，流动性增强。这是因为改性米糠不溶性膳食纤维与大米粉分子间形成氢键，当受到高强度外部剪切作用时，氢键部分断裂而发生解旋，内部结构遭到破坏，大米粉剪切应力降低[24]。这与糊化实验结果保持一致。

表2 改性米糠不溶性膳食纤维的添加对大米粉静态流变拟合参数影响

2.3.2 改性米糠不溶性膳食纤维对大米粉动态流变特性的影响

动态黏弹性能够影响凝胶体系实际应用性能，G′表示储存能量而可恢复的弹性性质，G″表示消散能量的黏性性质[25]。由图4可知，所有样品的G′和G″随频率的增加而不断增大，G′始终大于G″，且两者无交叉，表现为典型的弱凝胶行为[26]。大米粉样品的G′和G″随着改性米糠不溶性膳食纤维添加量的增加而降低,说明改性米糠不溶性膳食纤维改变了大米粉的动态模量，降低了大米粉的黏弹性。这是因为在大米粉中添加改性米糠不溶性膳食纤维，改性米糠不溶性膳食纤维的亲水性使其在糊化的进程中与大米粉竞争水分子，影响大米粉颗粒的膨胀与破裂，导致渗漏的直链淀粉含量减少，分子间相互缠绕和交联程度越低，形成凝胶网络结构越弱。tanδ值均小于1，表明样品具有弹性特征。tanδ值随改性米糠不溶性膳食纤维的添加量的增加而不断升高，说明大米粉体系弹性降低，黏性比例增加，流动性增强[27]。这与糊化结果相符合。

图4 改性米糠不溶性膳食纤维对大米粉动态流变特性的影响

2.4 改性米糠不溶性膳食纤维对大米粉凝胶质构特性的影响

通常采用凝胶质构测量来模拟凝胶制品在口腔里的咀嚼过程。从表3中可以看出，随着改性米糠不溶性膳食纤维添加量的增加，大米粉凝胶的硬度、弹性、黏性以及咀嚼性均下降，而回复性变化不大，说明大米粉影响了大米粉的质构特性。大米粉凝胶的硬度反映大米粉凝胶的回生程度，与大米粉中直链淀粉和支链淀粉密切相关。大米粉糊化过程中渗漏的直链淀粉越多，分子间相互缠绕和交连的作用越强，大米粉凝胶的强度就越大，硬度、黏性和咀嚼性就越大[28]；
此外大米粉中支链淀粉分子间的相互缠绕使大米粉形成更为柔软且不易被破坏的凝胶结构。添加改性米糠不溶性膳食纤维使得大米粉糊化过程不充分，未糊化的大米粉颗粒没有被水溶胀破坏，抑制了直链淀粉分子间的聚合和重排，减弱了直链淀粉分子间的相互作用力，使大米粉凝胶的质地更为柔软。

表3 改性米糠不溶性膳食纤维对大米粉凝胶质构特性影响

2.5 改性米糠不溶性膳食纤维对大米粉热特性的影响

热力学性质能够反映大米粉在水溶液中加热糊化的难易程度。随着改性米糠不溶性膳食纤维添加量的增加，大米粉体系的To、Tp和Tc值有略微的升高，ΔH显著下降。在糊化过程中ΔH可以体现大米粉直链淀粉双螺旋结构的解聚和损失程度，当在改性米糠不溶性膳食纤维添加量为6%时，ΔH从2.28 J/g降低到1.39 J/g，降低幅度最大。这是因为改性米糠不溶性膳食纤维亲水性较强，与大米粉竞争水分子，使大米粉体系中可用水或游离水较少，淀粉链活性受到限制。同时，改性米糠不溶性膳食纤维与渗漏的直链淀粉相互作用，产生空间位阻，阻碍了直链淀粉和支链淀粉的聚合，导致结晶区和非晶区之间的耦合力发生改变，熔化所需要的热焓值降低，ΔH降低说明改性米糠不溶性膳食纤维对大米粉短期回生具有明显的抑制作用。

2.6 改性米糠不溶性膳食纤维对大米粉微观结构的影响

由图5可见，大米粉凝胶表面是出无规则、粗糙的多孔结构，孔隙度较大。随着改性米糠不溶性膳食纤维的加入，大米粉凝胶表面孔洞变小，结构更加光滑、紧密，特别是在改性米糠不溶性膳食纤维添加量为6%时，结构更为致密。改性米糠不溶性膳食纤维与大米粉竞争水分子，阻碍水分子进入大米粉颗粒内部，大米粉凝胶孔洞变小。此外改性米糠不溶性膳食纤维填充在大米粉颗粒的基质空间内，与渗漏的直链淀粉和支链淀粉相互作用，对大米粉的结构进行重新排列，限制再生过程中淀粉分子间氢键的形成，从而影响颗粒间的相互作用[29]，类似的观察结果也在添加瓜尔胶的大米淀粉[30]和添加可溶性膳食纤维的玉米淀粉[31]中报道。大米粉形成紧密的结构，这有利于凝胶的柔软性，可以降低大米粉的重结晶和老化程度，这与DSC结果保持一致。

表4 改性米糠不溶性膳食纤维对大米粉热特性影响

不同添加量的改性米糠不溶性膳食纤维对大米粉糊化特性、流变特性、凝胶质构特性、热学特性及微观结构有显著影响。添加改性米糠不溶性膳食纤维降低了大米粉的溶解度和膨胀度；
糊化过程中大米粉黏度降低，糊化温度升高，糊化过程得到延缓；
大米粉体系的假塑性及剪切稀化现象更明显；
动流变学特性表明添加改性米糠不溶性膳食纤维大米粉的黏性比例增大，流动性增强；
同时大米粉凝胶硬度、弹性、黏性下降，质地更为柔软；
差示扫描量热分析表明，随着改性米糠不溶性膳食纤维添加量的增加，大米粉的To、Tp和Tc值略微升高，ΔH逐渐降低，说明改性米糠不溶性膳食纤维对大米粉体系的回生有抑制作用；
添加改性米糠不溶性膳食纤维，大米粉凝胶孔洞变小，表面更加光滑、紧密，表明改性米糠不溶性膳食纤维降低了大米粉的重结晶和老化程度。本研究为改性米糠不溶性膳食纤维在食品中的应用提供了参考。

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