高压均质对小米糠不溶性膳食纤维及其水纤维分散体结构性质的影响.pdf
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1、第 29 卷 第 4 期2023 年 8 月(自然科学版)JOURNAL OF SHANGHAI UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION)Vol.29 No.4Aug.2023DOI:10.12066/j.issn.1007-2861.2527生物与食品科学高压均质对小米糠不溶性膳食纤维及其水纤维分散体结构性质的影响徐婵1,裴华2,王安1,陆兆新1,赵海珍1(1.南京农业大学 食品科学与技术学院,江苏 南京 210095;2.绿城农科检测技术有限公司,浙江 杭州 310052)摘摘摘要要要:探讨高压均质次数对小米糠不溶性膳食纤维(insoluble dietary
2、 fiber,IDF)的结构性质及水纤维分散体物理稳定性的影响.采用解淀粉芽孢杆菌液态发酵小米糠(30C,180 r/min,48 h)制备膳食纤维(dietary fiber,DF),并对其进行高压均质改性.测定 IDF 改性前后的理化性质,通过傅里叶变换红外光谱和 X 射线衍射分析样品结构,同时测定高压均质前后水纤维分散体的粒度分布、黏度值、Zeta 电位值及物理稳定性.解淀粉芽孢杆菌发酵小米糠得到的 IDF 在经过 0、5、10、15、20、25 次高压均质后,持水力和膨胀力明显提升,其中高压均质 25 次与未经高压均质的 IDF 相比,持水力和膨胀力分别提升了 80.5%和 81.84
3、%.通过傅里叶红外光谱图发现:高压均质并未使 IDF 产生新的化学官能团结构,但部分吸收峰的强度减弱;木质素及半纤维素发生降解与重排,晶体的有序度降低.结合 X 射线衍射结果分析,虽然小米糠 IDF 表现出天然 型纤维素的特征,但随着高压均质次数的增多,IDF 的结晶度下降.混合水纤维分散体中 IDF 的平均粒径随高压均质次数的增加而逐渐减小,Zeta 电位绝对值逐渐增大,当均质次数达到 20 次时,水纤维分散体具备良好的物理稳定性.随着高压均质次数的增多,水纤维分散体的表观黏度逐渐增大,均表现出剪切稀化的行为.高压均质可以改善小米糠 IDF 的结构及理化性质,提升水纤维分散体的稳定性.关关关
4、键键键词词词:高压均质;不溶性膳食纤维;发酵小米糠;水纤维分散体中中中图图图分分分类类类号号号:TS 209文文文献献献标标标志志志码码码:A文文文章章章编编编号号号:1007-2861(2023)04-0602-13Effect of high-pressure homogenization on the structureand properties of insoluble dietary fibres of millet branand fibre dispersion in waterXU Chan1,PEI Hua2,WANG An1,LU Zhaoxin1,ZHAO Haizhe
5、n1(1.College of Food Science and Technology,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,Jiangsu,China;2.Green City Agricultural Testing Technology Co.,Ltd.,Hangzhou 310052,Zhejiang,China)Abstract:This study investigated the effects of number of times of high-pressure homog-enization on the struct
6、ural properties of insoluble dietary fibres(IDFs)derived from millet收稿日期:2023-05-14基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(Y0202100226)通信作者:赵海珍(1975),女,教授,博士生导师,博士,研究方向为食品微生物与生物技术.E-mail:.第 4 期徐婵,等:高压均质对小米糠不溶性膳食纤维及其水纤维分散体结构性质的影响603bran fermented using Bacillus amylolyticus and the physical stability of aqueous IDF
7、 sus-pensions.Millet bran dietary fibres(DFs)were obtained through liquid-state fermentation(30C,180 r/min,48 h)using Bacillus amylolyticus and further modified via high-pressurehomogenization.The physicochemical properties of the homogenised IDFs were evaluatedusing various techniques,and their str
8、uctural characteristics were analysed through Fouriertransform infrared(FTIR)spectroscopy and X-ray diffraction(XRD).The particle size dis-tribution,viscosity,zeta potential,and physical stability of the IDF suspensions in waterwere evaluated before and after high-pressure homogenization.The water-h
9、olding capacityand swelling capacity of the IDFs obtained via millet bran fermentation using Bacillusamylolyticus increased significantly after 0,5,10,15,20,and 25 cycles of high-pressurehomogenization.In particular,the water-holding capacity and swelling capacity increasedby 80.5 and 81.84%,respect
10、ively,after 25 cycles of high-pressure homogenization comparedwith those of the untreated IDFs.FTIR spectra revealed that no new chemical functionalgroups were generated after high-pressure homogenization,but the intensities of certainFTIR peaks were weakened,indicating the partial degradation and r
11、earrangement of ligninand hemicellulose,and decreased ordering degree of the crystalline domains.Combinedwith the XRD results,it can be inferred that,although the millet bran IDFs exhibited thecharacteristics of natural type I cellulose,their crystallinity decreased with increasing cyclesof high-pre
12、ssure homogenization.The average particle size of the IDFs in aqueous suspen-sions gradually decreased with the increase in high-pressure homogenization recirculation,and the absolute zeta potential value increased gradually.When the homogenization recir-culation reached 20 times,the aqueous fibre s
13、uspension exhibited good physical stability.Moreover,as the cycle number of high-pressure homogenization recirculation increased,theapparent viscosity of the aqueous IDF suspension increased steadily,and all samples exhib-ited shear-thinning behaviour.High-pressure homogenization can improve the str
14、uctureand physicochemical properties of IDFs derived from fermented millet bran and enhancethe stability of aqueous IDF suspensions.Key words:high-pressure homogenization;insoluble dietary fiber(IDF);fermentedmillet bran;aqueous fiber dispersions近年来,膳食纤维(dietary fiber,DF)作为第七大营养素,具有丰富的营养价值并对一些慢性疾病的预
15、防和治疗有重要意义1.DF 按照溶解性分为可溶性膳食纤维(soluble dietaryfiber,SDF)和不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber,IDF),其中 SDF 的主要功能是预防心血管疾病、降低血脂等,而 IDF 主要促进人体内的废物快速通过肠道,减少有害物质的吸收2.小米糠是小米的副产物,主要由种皮、糊粉层、果皮、胚和淀粉质胚乳组成.目前,小米糠多被用作动物饲料或直接丢弃,利用率低,存在巨大的资源浪费.小米糠中富含纤维素、半纤维素及木质素等,是 DF 较好的来源之一.为了提高小米糠的利用率,杨多等3采用发酵法对小米糠进行处理,发现发酵法可以显著提高小米糠
16、SDF 的得率和纯度,同时小米糠 IDF 的得率和纯度也很高,但颗粒度相对较大,在食品加工中的使用场景受限.为了进一步拓宽 IDF 的开发利用,其改性研究受到了普遍关注.IDF 的改性方式主要有生物法、化学法及物理法,其中物理法工艺简单、效果显著,同时能够最大限度保留 IDF 的生物活性4.高压均质(high-pressure homogenization,HPH)是一种常见的物理改性方法,该方法通过高压使悬浊液状态的物料高速通过均质腔,物料在高速剪切、高频震荡、对流撞击等机械力的作用下粉碎细化,高压均质技术已经在食品、化妆品领域604(自然科学版)第 29 卷得到了广泛应用5.丁莎莎等6对油
17、橄榄果渣 IDF 进行高压均质改性,发现改性后的 IDF 结构疏松、平均粒径减小,与未处理的 IDF 相比,其持水力、膨胀力及持油力都明显提升,具有更好的理化性质和生理功能.Yin 等7对大豆 IDF 进行高压均质改性,改性后 IDF 粒径减小,形成的多孔状结构使其具有更高的水合能力,同时改性大豆 IDF 所制备的水分散体具有更高的乳化稳定性和悬浮稳定性.He 等8对金针菇 IDF 进行高压均质改性,均质化导致金针菇IDF 粒径减小,除具有更高的持水性和稳定性外,还具有改善界面稳定性的性质,表现出优异的乳化性能,该研究对于开发一种食品级纳米粒子作为优异的 Pickering 乳液稳定剂具有重要
18、意义.本研究利用解淀粉芽孢杆菌发酵小米糠得到高纯度小米糠 IDF,采用高压均质进行物理改性,比较改性前后小米糠 IDF 的理化性质、官能团组成及晶体结构,并对改性前后小米糠IDF 水纤维分散体的粒度分布、黏度及稳定性等进行探究,以拓宽小米糠 IDF 的开发利用,并为其他谷物 IDF 的改性利用提供新方法.1材料与方法1.1材料与试剂小米糠,产自中国河北省邢台市的内蒙黄金谷(Setaria italic)的副产物;解淀粉芽孢杆菌,南京农业大学酶工程实验室分离、保存;正己烷购自国药集团化学试剂有限公司;大豆油(三级、浸出、非转基因)购自山东鲁花集团有限公司.1.2仪器与设备离心机(Eppendor
19、f Centrifuge 5804R)购自德国 Eppendorf 公司;高压均质机(D-3L)购自美国 PhD-Tech 公司;红外光谱仪(NEXUS870)购自美国 NICOLET 公司;X 射线粉末衍射仪(D8)购自德国 Bruker 公司;Nano ZS90 纳米粒度及 Zeta 电位仪购自英国马尔文仪器有限公司;流变仪(Physica MCR301)购自澳大利亚 Anton Paar 公司;Turbiscan AGS 分析仪购自法国 Formulaction 公司.1.3试验方法1.3.1改性 IDF 的制备小米糠研磨后过筛(200 目),按料液比 1.02.5(g/mL)加入正己烷
20、,55C 水浴振荡 2 h,重复 3 次;将脱脂后的小米糠置于通风橱中,待正己烷完全挥发即得到脱脂小米糠.称取 10.0g 脱脂小米糠、0.1 g 葡萄糖、0.5 g 氯化钠,加入 100 mL 蒸馏水灭菌后为小米糠基础培养基.将解淀粉芽孢杆菌进行活化,挑取单菌落接入 100 mL 的 LB(Luria-Bertani)培养基,置于空气摇床扩培 24 h(30C,200 r/min)制备种子液.在小米糠基础培养基中接入种子液,接种量为(体积分数 3%),放入恒温摇床(30C,200 r/min)培养 48 h,发酵结束后将发酵产物灭菌(沸水浴 10 min).将发酵产物离心得到沉淀和上清液,沉
21、淀用 75C 热水洗涤 3 次,离心(8 000 r/min,8 min)后冷冻干燥记作 IDF.发酵小米糠 IDF 的纯度为 90.7%.将 IDF 进行高压均质改性,IDF 的质量分数为 1%,压力为 10 MPa,均质次数分别为 0、5、10、15、20、25,均质完成后离心(8 000 r/min,8 min)并冷冻干燥(260C,12 h),得到改性后 IDF 分别命名为 HPH-0、HPH-5、HPH-10、HPH-15、HPH-20、HPH-25,置于干燥器内待用.1.3.2水纤维分散体的制备制备 IDF 质量分数为 1%的水纤维分散体,将其进行高压均质改性,在 10 MPa 的
22、压力下循环均质 0、5、10、15、20、25 次,分别命名为 HPH-0t、HPH-5t、HPH-10t、HPH-15t、HPH-20t、HPH-25t.制备 IDF 质量分数分别为 0.8%、1.0%、1.2%、1.6%、2.0%的水纤维分散体,经第 4 期徐婵,等:高压均质对小米糠不溶性膳食纤维及其水纤维分散体结构性质的影响605高压均质(均质次数为20 次)后分别命名为0.8%IDF、1.0%IDF、1.2%IDF、1.6%IDF、2.0%IDF,放置于 4C 冰箱保存备用.1.3.3理化特性测定(1)持水性分析.取 HPH-0、HPH-5、HPH-10、HPH-15、HPH-20、H
23、PH-25 的 IDF 各0.5 g,加入 5 mL 蒸馏水在 37C 下浸润 2 h,8 000 r/min 离心 5 min,倒掉上清液称重;然后置于烘箱中烘干,称重;最后取出离心管中的样品残渣并称重.持水力(g g1)=样品和离心管吸水后湿重 样品和离心管烘干后质量样品残渣的质量.(1)(2)持油性分析.取 HPH-0、HPH-5、HPH-10、HPH-15、HPH-20、HPH-25 的 IDF 各0.5 g,加入 5 mL 大豆油,用涡旋仪混匀,37C 静置 2 h,8 000 r/min 离心 5 min 去除多余油样,最后称重离心后的沉淀.持油力(g g1)=样品吸油后质量 样品
24、吸油前质量样品吸油前质量.(2)(3)膨胀力分析.取 HPH-0、HPH-5、HPH-10、HPH-15、HPH-20、HPH-25 的 IDF 各0.5 g 放置到 10 mL 量筒中(封口),记录样品的干品体积;然后加入 5 mL 蒸馏水,室温下静置2 h,记录样品的膨胀体积.膨胀力(mL g1)=样品膨胀后体积 样品的干品体积样品的干品质量.(3)1.3.4傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)分析首先采用 KBr(溴化钾)片采集空白背景,再将 100 mg 的 KBr 与 1 mg 的改性 IDF 混匀,用玛瑙研钵
25、充分研磨,随后放入压片机中进行压片,用 NEXUS870 光谱仪拍摄试样的傅里叶变换及红外频谱曲线.设置扫描波长为 4004 000,分辨率为 4,平均扫描 64 次,通过 Origin软件进行图像处理.1.3.5X 射线衍射(X-rays diffraction,XRD)测量X 射线衍射仪被用于测试改性 IDF 的晶体情况,测量条件为9:测试电压为 40 kV,扫描范围为 570(2),测试电流为 40 mA,步长为 0.02,扫描速率为 2()/min,并计算其结晶度.Crl=I200 IamI200 100%,(4)式中:Crl为样品的结晶度;I200为 21.39(2)时衍射峰值;Ia
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