近年来，患有慢性疾病的人数日趋增多。膳食纤维已被证明对预防慢性疾病有积极作用，但市场上富含膳食纤维的产品相对较少，开发富膳食纤维的产品已成为一种趋势[1]。传统的米制品是膳食纤维产品的主选载体之一。米糠作为一种潜在的食用资源，具有较高的营养价值和生理功效，是膳食纤维的重要来源[2-3]。膳食纤维根据溶解性不同可分为不溶性膳食纤维（IDF）和可溶性膳食纤维（SDF），SDF比IDF具有更好的生理特性[4]，IDF含量较高会导致口感粗糙，而米糠膳食纤维中IDF含量高达90%以上[5]，因此需要通过改性方法将米糠中的IDF转化为SDF，这有利于改善糙米制品的营养品质和食用品质，也有利于增加米糠作为食品配料的附加值。
目前，膳食纤维改性方法主要分为以下三大类：物理法、化学法和生物法。研究发现，加压蒸煮可使大麦SDF含量增加68.08%而IDF含量减少15.48%[6]。挤压蒸煮能显著增加小麦麸皮、燕麦麸皮、米糠、豆渣的SDF含量，且提高了燕麦麸皮、豆渣膳食纤维的持水力和膨胀力[7-9]。Zhu等将荞麦皮IDF超微粉碎到微米范围，显著提高了其水化性能，SDF含量增加[10]。酸碱处理使大麦、小麦、高粱的SDF含量分别提高了771.46%、768.2%、952.38%[11-12]。Feng等使用碱性过氧化氢来提高黑豆皮中SDF的含量[13]。此外，木聚糖酶处理可以使水洗米糠的SDF含量提高50%以上[7]。虽然各类改性方法都能将IDF转化为SDF，但生物法需要纯化酶和菌株，成本很高，且发酵条件不易控制[14]，而化学法的反应条件有限，耗时长，SDF转化率低，并可能引入有害的化学基团，不利于环境保护[15]。与之相比，挤压加工等物理法具有工艺简单、成本低、可持续性强等优点[16]。
目前，米糠膳食纤维的改性研究多集中于加工改性方式及其对功能性质的影响，例如，徐树来等研究了挤压加工对脱脂米糠中可溶性膳食纤维增加及膳食纤维持水力和膨胀力的影响[17]，而目前的研究关于加工改性方式对膳食纤维结构性质的影响却鲜有报道。笔者前期已经采用挤压蒸煮加工技术处理全脂米糠，研究了米糠可溶性膳食纤维理化和结构性质变化[18]，为以全脂米糠挤压加工后膳食纤维的应用奠定了基础。但对挤压蒸煮加工脱脂米糠膳食纤维未有研究，挤压蒸煮加工后脱脂米糠膳食纤维结构性质尚不明确。
本研究以脱脂米糠为实验原料，通过挤压蒸煮加工技术对脱脂米糠进行改性处理，以SDF含量为指标，由单因素实验确定米糠最适挤压蒸煮加工条件，再分别对挤压蒸煮改性后的米糠SDF、IDF的持水力、持油力、膨胀力、红外光谱性质、结晶性质和微观结构的变化进行分析，以期为脱脂米糠改性膳食纤维在膳食纤维产品开发和功能性食品中应用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 实验材料
脱脂米糠（SDF含量为4.34%，干基）：沈阳万家红饲料有限公司；食用油：嘉里粮油（天津）有限公司；膳食纤维检测试剂盒：爱尔兰Megazyme公司；α-淀粉酶、碱性蛋白酶、糖化酶：Beijing Biotopped Science &Technology CO. Ltd；氢氧化钠、丙酮、无水磷酸氢二钠、二水合磷酸二氢钠、溴化钾（光谱纯）：国药集团化学试剂有限公司；盐酸、无水乙醇、95%乙醇：北京化工厂。实验所用试剂（除标注之外）均为分析纯，实验所用水均为蒸馏水。
1.2 仪器与设备
SYSLG30-IV实验双螺杆挤压机（螺杆直径为30 mm，螺杆中心距为26 mm，螺杆转速范围为 0～500 r/min，螺杆形式为积木组合式）：济南赛百诺科技开发有限公司；SHJ-6ABS磁力搅拌水浴锅：常州金坛良友仪器有限公司；MS 3 basic漩涡混匀器：德国IKA公司；FOSS膳食纤维测定仪 Fibertec E：瑞典 FOSS分析有限公司；PYRAMID TX马弗炉：北京皮尔美特科技有限公司；rapid N cube氮分析仪：德国 Elementar Analysensysteme GmbH公司；JJ-1大功率电动搅拌器：常州国华电器有限公司；L 580卢湘仪离心机：上海卢湘仪离心机仪器有限公司；S 220多参数测试仪、ML 204电子分析天平（最小称重10 mg）：梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；BGZ-140电热鼓风干燥箱：上海博讯实业有限公司医疗设备厂；FW80、FW100高速万能粉碎机：天津市泰斯特仪器有限公司； HY-12压片机：天津天光光学仪器有限公司；Nicolet iN10-iZ10傅里叶变换显微红外光谱仪：赛默飞世尔科技公司；D8 advance X-射线衍射仪：德国 Bruker公司；S-3000N扫描电子显微镜：日本Hitachi公司。
1.3 实验方法
1.3.1 米糠最适挤压蒸煮加工条件的确定
在米糠挤压蒸煮加工过程中，分别选择水分含量为20%、25%、30%、35%（挤压蒸煮温度为140 ℃、螺杆转速为 200 r/min）、挤压蒸煮温度为 120、140、160、180 ℃（水分含量为 30%、螺杆转速为200 r/min）、螺杆转速为150、200、250、300 r/min（水分含量为30%、挤压蒸煮温度为140 ℃）进行单因素实验，利用FOSS膳食纤维测定仪测定米糠中膳食纤维含量，以米糠中SDF含量为指标，得出最适挤压蒸煮加工条件。SDF含量计算公式如下（以干基计）[17]：
1.3.2 挤压蒸煮加工米糠膳食纤维的提取
根据 1.3.1中得出的米糠最适挤压条件对米糠进行挤压蒸煮处理，得到挤压蒸煮米糠。提取挤压蒸煮米糠中的 SDF、IDF，提取方法如下（未挤压蒸煮米糠SDF、IDF提取方法与此法相同）[19-20]：
取挤压蒸煮米糠50 g于搅拌烧杯中，加500 mL蒸馏水（料液比为1∶10），50 ℃水浴100 min，搅拌器搅拌，95 ℃糊化15 min，待提取液温度冷却至60 ℃，加入1.5 g α-淀粉酶，反应45 min，加1 mol/L NaOH溶液调节pH至9.5左右，加1.2 g碱性蛋白酶，45 ℃反应30 min，加1 mol/L HCl溶液调节pH至4.0左右，加1.5 g糖化酶，60 ℃反应30 min，95 ℃水浴灭酶15 min，静置冷却，4 000 r/min离心30 min。
1.3.2.1 SDF制备 上清液用4倍体积无水乙醇沉淀，4 000 r/min离心15 min，沉淀物置于烘箱中45 ℃烘干，粉碎过100目筛，得SDF。
1.3.2.2 IDF制备 沉淀物置于烘箱中 45 ℃烘干，粉碎过100目筛，得IDF。
1.3.3 持水力/持油力的测定
取M1（0.5 g）干燥膳食纤维样品与30 mL蒸馏水/食用油混合（离心管重量，M2），密封，室温放置24 h，随后在2 000 r/min下离心20 min，弃去上清液，对沉淀和离心管称重（M3）[21]。数据取3个平行实验的平均值。
1.3.4 膨胀力的测定
取M（0.5 g）干燥膳食纤维样品于10 mL量筒中，读取体积为V1，加10 mL蒸馏水，轻轻搅拌除去泡沫，密封，室温下水平放置24 h，读取样品体积为V2[21]。数据取3个平行实验的平均值。
1.3.5 傅里叶变换红外光谱
将2 mg膳食纤维样品与100 mg干燥KBr研磨混匀，用压片法制得薄片，利用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）进行红外扫描，扫描次数为32次，扫描范围 4 000～400 cm-1，分辨率为 4 cm-1[16]。
1.3.6 X-射线衍射
采用Bruker D8型X-射线衍射法测定膳食纤维样品的结晶性质。衍射条件：靶型为 Cu Kα（λ=0.154 06 nm），探测器类型为闪烁计数器，管电压为40 KV，管电流为40 mA，扫描范围为3.5～60°（2θ），扫描速度为 2 °/min[16]。利用 Jade5.0软件对数据进行处理，以结晶区面积与总面积之比计算样品的相对结晶度。
1.3.7 扫描电镜
将干燥的膳食纤维样品用导电胶粘在样品台座上，镀金，在15 kV电压下[19]，使用扫描电子显微镜对样品进行观察拍照。
1.4 数据分析
利用Microsoft Excel 2007对数据进行统计，采用SPSS17.0对数据进行差异显著性分析，采用Origin2017作图。
2 结果与分析
2.1 挤压蒸煮条件对脱脂米糠SDF含量的影响
2.1.1 水分含量对脱脂米糠SDF含量的影响
水分含量显著影响挤压蒸煮改性效果，水分的多少影响物料的受热程度、膨化程度等，从而影响淀粉糊化、蛋白质的变性等。本实验设计水分含量分别为20%、25%、30%、35%。当挤压蒸煮温度为140 ℃、螺杆转速为200 r/min时，研究不同水分含量对米糠SDF含量的影响，其结果如图1所示。由图1可以看出，随着水分含量的增加，挤压蒸煮米糠的SDF含量逐渐增大，在挤压物料水分含量为35%时，挤压蒸煮改性后米糠SDF含量达到最大值。在挤压蒸煮过程中，水分起着运输物料的作用，也是生物化学反应的介质。水分含量过低，虽然可以增加物料与物料、物料与管道之间的压力、摩擦力，但也会堵塞管道，不利于挤压。高水分则有利于物料的挤出，也使淀粉、蛋白质等大分子物质能充分水解，从而增加了SDF含量[22-23]。挤压蒸煮时物料水分含量决定了挤压蒸煮对物料（米糠）的剪切、高压、高温程度，也就决定了膳食纤维中糖苷键的断裂程度，这样就造成了米糠经挤压蒸煮后，SDF含量增加，有利于改善米糠膳食纤维的口感。
图1 不同水分含量对脱脂米糠SDF含量的影响
Fig.1 Effect of different moisture content on the SDF contents of defatted rice bran
注：不同字母的数据表示差异显著（P＜0.05）。
Note: The data with different letters show significant differences(P ＜ 0.05).
2.1.2 挤压蒸煮温度对脱脂米糠SDF含量的影响
挤压蒸煮温度也是影响挤压蒸煮改性效果的重要因素之一。本实验设计挤压蒸煮温度分别为120、140、160、180 ℃。当水分含量为30%、螺杆转速为200 r/min时，研究不同挤压蒸煮温度对米糠SDF含量的影响，其结果如图2所示。由图2可知，挤压蒸煮米糠的SDF含量随着温度的增加而呈现先增加后降低的趋势，在挤压蒸煮温度为160 ℃时，SDF含量达到最大。温度升高，加速了多糖分子中糖苷键的断裂，释放寡糖，从而提高了膳食纤维的溶解度[24]，使SDF含量增加。经过高温、高压的挤压蒸煮加工处理，米糠膳食纤维的 1,4-碳氧糖苷键断裂，将部分不溶大分子物质转化为 SDF[5]。但温度过高，可能会使物料在挤压机中结块或过度糊化，破坏物料原有特性，不利于挤压蒸煮且降低了SDF含量。
图2 不同挤压蒸煮温度对脱脂米糠SDF含量的影响
Fig.2 Effect of different extrusion cooking temperatures on the SDF content of defatted rice bran
注：不同字母的数据表示差异显著（P＜0.05）。
Note: The data with different letters show significant differences(P ＜ 0.05).
2.1.3 螺杆转速对脱脂米糠SDF含量的影响
本实验设计螺杆转速分别为150、200、250、300 r/min。当水分含量为30%、挤压蒸煮温度为140 ℃时，研究不同螺杆转速对米糠SDF含量的影响，其结果如图3所示。由图3可知，SDF含量随着螺杆转速的增大而增加，但达到250 r/min后，再增大螺杆转速，SDF含量显著降低。螺杆转速的不断增大，会使挤压机内的压力持续增加，同时也增加了物料与物料、物料与管道之间的压力，这有利于大分子破裂，加大了纤维分子的分解度，使其转化为可溶性的小分子物质。但螺杆转速过大时，物料在管道内停留的时间很短，糊化程度小，导致挤出物中仍存在一些小颗粒，使SDF含量显著降低。
图3 不同螺杆转速对脱脂米糠SDF含量的影响
Fig.3 Effect of different screw speeds on the SDF content of defatted rice bran
注：不同字母的数据表示差异显著（P＜0.05）。
Note: The data with different letters show significant differences(P ＜ 0.05).
综合2.1.1～2.1.3结果，确定米糠最适挤压条件为：水分含量为35%、挤压温度为160 ℃、螺杆转速为250 r/min。在此条件下对米糠进行挤压蒸煮，并提取挤压蒸煮米糠中SDF、IDF进行膳食纤维性质研究。
2.2 挤压蒸煮加工对脱脂米糠膳食纤维持水力、持油力、膨胀力的影响
挤压蒸煮加工前后，米糠膳食纤维的持水力、持油力、膨胀力如表1所示。由表1可以看出，与未挤压蒸煮加工相比，挤压蒸煮后米糠SDF的持水力、膨胀力显著增加，而持油力显著降低，这可能是由于挤压蒸煮加工使得膳食纤维的内部结构遭到破坏，原有的毛细孔出现裂缝，从而降低了膳食纤维滞留油的能力[5]。而未挤压蒸煮全脂米糠SDF的持油力为1.52 g/g、持水力为0.75 g/g，挤压蒸煮全脂米糠SDF的持油力为1.01～1.82 g/g、持水力为0.57～0.94 g/g[18]，这说明脱脂米糠SDF的持油力和持水力均比全脂米糠SDF的高。对于米糠 IDF，挤压蒸煮加工也能显著提高膳食纤维的膨胀力，而降低其持油力，对其持水力无明显影响。经过挤压蒸煮加工后，部分不溶性纤维等不溶性成分发生熔融现象或连接键断裂，转化为水溶性成分，因而膳食纤维的膨胀力发生明显变化[25]。此外，在挤压蒸煮加工过程中，米糠膳食纤维经高剪切作用、挤压膨化作用可能会增加其比表面积，并可能使更多的亲水基团暴露在水中，增大了溶胀体积，从而提高了其膨胀力。
表1 挤压蒸煮加工对脱脂米糠膳食纤维持水力、持油力、膨胀力的影响
Table 1 Effect of extrusion cooking on water holding capacity, oil holding capacity and swelling capacity of dietary fiber in defatted rice bran
注：（1）NSDF、NIDF：未挤压蒸煮米糠可溶性、不溶性膳食纤维；ESDF、EIDF：挤压蒸煮米糠可溶性、不溶性膳食纤维（下同）；（2）数据的形式是均值±标准差，同列不同字母的数据表示差异显著（P＜0.05）。
Note: (1) NSDF and NIDF represent soluble and insoluble dietary fiber from rice bran without extrusion cooking, respectively;ESDF and EIDF represent soluble and insoluble dietary fiber from rice bran with extrusion cooking, respectively; (2) The data are expressed in the form of mean ± standard deviation, and data with different letters in the same column show significant differences (P ＜ 0.05).
样品 持水力/（g/g） 持油力/（g/g） 膨胀力/（mL/g）NSDF 1.62±0.09c 4.94±0.17a -0.94±0.04d ESDF 2.19±0.15b 3.98±0.21b 0.63±0.04c NIDF 5.43±0.16a 4.90±0.05a 3.44±0.01b EIDF 5.35±0.23a 4.36±0.07b 3.93±0.04a
2.3 挤压蒸煮加工对脱脂米糠膳食纤维红外光谱性质的影响
通过 FTIR分析可以反映膳食纤维的化学结构特征和官能团的变化情况。挤压蒸煮加工后米糠膳食纤维的FTIR图谱如图4所示。从图4可以看出，所有样品均可在3 700～3 000 cm-1处观察到一个强且宽的吸收峰，这是由多糖亚甲基中的O—H的伸缩振动形成的，而米糠IDF样品在2 927 cm-1附近的吸收峰是多糖亚甲基中的 C—H伸缩振动，这两个峰的出现表明纤维素和半纤维素具有典型的结构[26]。在米糠IDF样品中，1 737 cm-1处观察到的峰是由于半纤维素的乙酰基和糖醛酸酯基的振动，或者是由于木质素或半纤维素的阿魏酸和p-香豆酸的羧酸酯键的振动；1 650 cm-1附近处的吸收峰可能是 H—O—H的弯曲振动；1 374 cm-1附近处的吸收峰是C—H的弯曲振动；1 246 cm-1附近处的吸收峰是羧酸的C—O伸缩振动；1 054 cm-1附近处的吸收峰可能是木质素或半纤维素的C—O—C振动引起的[26-27]。经挤压蒸煮加工后，米糠IDF样品仍有基本的吸收峰，说明挤压蒸煮加工没有显著破坏IDF的化学结构，但吸收强度略有差异。在米糠SDF样品中，1 663 cm-1和1 400 cm-1附近处的吸收峰可能分别是 C—O键不对称伸缩振动和对称伸缩振动引起的，1 300～ 1 000 cm-1处形成的宽峰可能是由于伯醇的混合振动或糖环的 C—O—C和 C—O—H振动[28]。经挤压蒸煮加工后，米糠SDF的吸收峰的位置整体向长波数方向移动，吸收峰的强度也明显降低，这可能是由于挤压蒸煮加工破坏了膳食纤维的分子结构。
图4 挤压蒸煮加工脱脂米糠膳食纤维FTIR图谱
Fig.4 FTIR spectra of dietary fiber from defatted rice bran with extrusion cooking
2.4 挤压蒸煮加工对脱脂米糠膳食纤维结晶性质的影响
利用X-射线衍射法研究挤压蒸煮加工对米糠膳食纤维结晶性质的影响，结果如图5所示。从图中可以看出，挤压蒸煮前后米糠SDF的主衍射峰的位置没有发生明显的变化，但相对结晶度由5.96%降至5.56%。未挤压米糠IDF在21.8°处有明显的衍射峰，挤压蒸煮加工后米糠 IDF的在21.8°处附近的峰高明显降低，相对结晶度由10.56%显著降至7.60%，说明挤压蒸煮加工也对米糠 IDF的结晶性质具有显著的影响作用。2θ在15～25°范围为纤维素和半纤维素的衍射峰[21]，由图可知，无论是未挤压还是挤压蒸煮后，米糠IDF中都存在纤维素和半纤维素，而挤压蒸煮后此处的衍射峰的峰面积明显减小，说明该挤压蒸煮加工能够破坏纤维素和半纤维素的结晶结构。由于晶体结构的破坏而降低了米糠IDF的相对结晶度[29]。
图5 挤压蒸煮加工脱脂米糠膳食纤维的X-射线衍射图谱
Fig.5 X-ray diffraction patterns of dietary fiber from defatted rice bran with extrusion cooking
2.5 挤压蒸煮加工对脱脂米糠膳食纤维表面微观结构的影响
挤压蒸煮米糠膳食纤维的微观结构如图6所示。从图中可以看到，未挤压蒸煮的SDF、IDF成团或成块。而经挤压蒸煮后，米糠SDF出现较多的小片段，IDF也呈现较多的粘连在一起的片段，这种微观结构的变化导致其更大的比表面积。米糠膳食纤维在挤压机内受到高温、高压、高摩擦、高剪切作用，使其结构受到破坏，团块打开，并在挤出时瞬间膨胀，疏松了其表面结构，增加了表面孔隙率，影响米糠膳食纤维的水化性能。
图6 挤压蒸煮加工对脱脂米糠膳食纤维扫描电镜图微观结构的影响（×500）
Fig.6 Effect of extrusion cooking on SEM microstructure of dietary fiber in defatted rice bran (× 500)
注：a-未挤压蒸煮可溶性膳食纤维（NSDF）；b-挤压蒸煮可溶性膳食纤维（ESDF）；c-未挤压蒸煮不溶性膳食纤维（NIDF）；d-挤压蒸煮不溶性膳食纤维（EIDF）。
Note: a, soluble dietary fiber from rice bran without extrusion cooking (NSDF); b, soluble dietary fiber from rice bran with extrusion cooking (ESDF); c, insoluble dietary fiber from rice bran without extrusion cooking (NIDF); d, insoluble dietary fiber from rice bran with extrusion cooking (EIDF).
3 结论
以SDF含量为指标，通过单因素实验确定米糠最适挤压蒸煮条件为：水分含量为35%、挤压温度为160 ℃、螺杆转速为250 r/min。挤压蒸煮加工使米糠SDF含量从4.34%增至14.34%，并使米糠 SDF、IDF的性质均发生一定的变化，其中米糠 SDF、IDF的微观结构受到破坏，膨胀力显著增加，而持油力显著降低，相对结晶度有所降低，挤压蒸煮加工后米糠IDF中仍存在纤维素和半纤维素。
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