Effect of Particle Size on Structural, Physicochemical and Functional Properties of Highland Barley Bran
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摘要: 为研究粒径变化对青稞麸皮的结构、理化及功能特性的影响,本研究采用了不同强度的气流冲击磨(Airflow impact milling,AFIM)对粗青稞麸皮(Coarse highland barley bran,CHB)进行碾磨。获得了平均粒径为69.04 µm的中青稞麸皮(Medium highland barley bran,MHB)、58.85 µm的细青稞麸皮(Fine highland barley bran,FHB)和32.04 µm的超微青稞麸皮(Ultrafine highland barley bran,UHB)。从粒径分布、微观结构、理化组成、孔隙特征以及功能特性等方面对这四种样品进行了多重表征。结果表明:随着青稞麸皮的粒径减小,部分不溶性膳食纤维(Insoluble dietary fiber,IDF)转化为可溶性膳食纤维(Soluble dietary fiber,SDF),导致SDF在总膳食纤维中的比例由7.18%(CHB)增加到8.50%(UHB)。显微结果与孔隙特征研究显示,随着粒径减小,青稞麸皮的堆积状态变得更加紧密,50 nm~10 µm微孔在青稞麸皮孔隙中逐渐占据主导地位,从CHB组的31%提高至UHB组的69%。麸皮的组成和结构变化影响了其持水力、持油力等水合特性,相较于CHB,UHB的这两个指标分别降低了21%与7.64%。体外葡萄糖吸附实验表明,随着粒径减小,青稞麸皮对高浓度葡萄糖的吸附能力和抑制扩散的能力增强。综上所述,气流冲击磨通过物理改性有效降低了青稞麸皮的粒径分布,同时显著改变了麸皮的化学组成、微观结构、孔隙结构和颗粒间堆积状态,进而影响了其理化及功能特性的发挥。Abstract: In this study, airflow impact milling (AFIM) with different intensity was utilized to mill coarse highland barley bran (CHB) in order to investigate the effects of particle size on the structure, physicochemical, and functional characteristics of the bran. Medium highland barley bran (MHB) with an average particle size of 69.04 µm, fine highland barley bran (FHB) with a particle size of 58.85 µm, and ultrafine highland barley bran (UHB) with a particle size of 32.04 µm were obtained. These parameters of four samples were then analyzed in terms of particle size distribution, microstructure, physicochemical composition, pore characteristics, and functional properties. The results indicated that as the particle size of highland barley bran decreased, a portion of insoluble dietary fiber (IDF) transformed into soluble dietary fiber (SDF), leading to an increase in the proportion of SDF in the total dietary fiber from 7.18% (CHB) to 8.50% (UHB). Microscopic and pore characteristic studies revealed that with the reduction in particle size, the packing state of highland barley bran became more compact, and the micro-pores ranging from 50 nm to 10 µm gradually dominated the bran's pore structure, increasing from 31% in the CHB group to 69% in the UHB group. The changes in composition and structure of the bran influenced its water-holding capacity, oil-holding capacity, and other hydration properties. Compared to CHB, UHB exhibited a reduction of 21% in water-holding capacity and 7.64% in oil-holding capacity. In vitro glucose adsorption experiments demonstrated that as the particle size decreased, highland barley bran exhibited enhanced adsorption ability and inhibition of diffusion for high concentrations of glucose. In conclusion, airflow impact milling, a physical modification, effectively reduced the particle size distribution of highland barley bran and significantly altered its chemical composition, microstructure, pore structure, and particle packing state, thereby affecting its physicochemical and functional characteristics.
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青稞是我国青藏高原地区重要的经济作物,具有较高含量的β-葡聚糖、阿拉伯木聚糖、酚酸等功能性成分,这赋予青稞良好的功能特性,如低升糖、抗氧化等[1]。青稞麸皮是青稞加工中主要的副产物(占比约10%~30%)[2],是膳食纤维、多酚等功能性成分的富集部位。然而其组织结构致密,严重影响了营养成分的释放与产品的感官品质,这极大限制了其在食品行业的应用。目前,青稞麸皮大多被用做动物饲料或直接废弃[3],导致营养与经济价值的双重损失。因此,通过改进技术或工艺消除青稞麸皮对食品体系造成的消极影响,充分发挥营养健康的积极作用,对促进我国青稞产业的高质量发展和居民健康食品消费具有重要意义。
近年来,超微粉碎技术凭借环境友好、可大规模生产的优势成为热门的麸皮改性手段[4]。该技术主要通过产生强大的机械力,带动麸皮颗粒间的高速碰撞、颗粒与粉碎机机壁间的尖锐冲击、摩擦和剪切[5],降低物料的粒径。根据粉碎后麦麸的平均粒径,粉碎可以分为粗粉碎(>300 µm)、细粉碎(>50 µm)和超微粉碎(<50~30 µm)。研究表明降低麸皮粒径,不仅能够打开复杂交联的麸皮基质、增加比表面积、改变其表面性质,而且可以有效对谷物麸皮的结构、组成、理化及功能特性加以改性[6−7]。在营养与功能性质方面,随着粒径降低,麦麸组织结构和细胞壁的完整性不断被破坏,这极大增强了营养与功能成分的生物可及性。Bondt等[8]采用湿磨与低温磨降低麦麸粒径,发现当麦麸的中值粒径被降低至28~38 µm时,组织结构严重形变,几乎所有的细胞壁都被破坏,可溶性阿拉伯木聚糖、β-葡聚糖等物质得到高水平的释放。类似的,Brewer等[9]的研究中也发现降低粒径会促进麦麸中花青素、类胡萝卜素等植物化学物质的释放。Jiang等[10]的研究显示了玉米麸皮膳食纤维粒径由300 µm下降到50 µm,比表面积显著扩大,有效提高了对葡萄糖的吸附量,降低了淀粉消化程度。然而在产品品质方面,粒径降低可有效改善食品的粗糙口感,但对其他品质参数的影响并不是粒径越小越好。Li等[11]指出在面包生产中,添加中等粒径麦麸(315.3~395.9 μm)的面包比添加粗麸皮(>438.3 μm)与细麸皮(<273.7 μm)的面包更柔软、比体积更大。而Jin等[12]对比了添加不同粒径的麦麸对面条的影响,指出细麦麸面条(27.9 μm)具有最佳的感官质量。这可能与粒径大小引起麸皮的堆积状态和分布情况的不同有关,因此不同类型的产品对麸皮粒径有不同的需求。
当前研究多着眼于粒径降低引起的麸皮各方面的变化情况,有关粒径范围的控制与改性效果的变化规律仍缺乏阐释。此外,针对青稞麸皮的改性研究也相对较少,影响其进一步的综合利用。因此,本研究对青稞麸皮进行超微粉碎处理,获得四种不同粒径的青稞麸皮作为研究对象。依据谷物麸皮的平均细胞尺寸,进一步将四种麸皮划分为组织级粉碎样品与细胞级粉碎样品。通过分析样品间的结构和理化功能差异,了解粒径降低与青稞麸皮改性效果的变化规律,深入挖掘降低粒径对青稞麸皮孔隙结构的影响。这将有利于青稞麸皮的精细化加工与靶向利用,为充分发挥其功能特性提供理论依据,对于扩大青稞麸皮在食品体系中的应用,促进青稞资源精深加工与提质增效具有深远的产业意义。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
白色粗青稞麸皮(CHB) 拉萨林涛农业科技开发有限公司;淀粉葡萄糖苷酶(3260 U/mL)、总淀粉检测试剂盒 爱尔兰Megazyme公司;热稳定α-淀粉酶(20000 U/mL)、葡萄糖检测试剂盒 上海源叶生物科技有限公司;碱性蛋白酶 2.4 AU-A/g,诺维信生物科技有限公司;所有其他化学试剂均为国产分析纯 购自北京化学试剂公司。
LNI-66A气流冲击磨 北京协同创新研究院;Sync型激光粒度分析仪(配有干法粒径测试系统) 美国麦奇克莱驰公司;SU8010扫描电镜 日本日立公司;AutoPore V9620高性能全自动压汞仪 美国麦克公司;恒温水浴锅 北京陆希科技有限公司;LXJ-IIB离心机、SP-Max 2300A酶标仪 上海闪谱生物科技有限公司;DG-65Z04-10A真空冷冻干燥机 青岛海尔生物医疗股份有限公司;DSHZ-300A水浴恒温振荡器 苏州培英实验设备有限公司;TENSOR 27傅里叶红外光谱仪 德国布鲁克公司。
1.2 实验方法
1.2.1 不同粒径青稞麸皮的制备
采用LNI-66A气流冲击磨碾磨CHB以制备不同粒径的青稞麸皮。具体的机械参数设置如表1所示。
机械参数(Hz) MHB FHB UHB 主机频率 50 50 50 引风机频率 50 50 30 分级机频率 20 35 50 1.2.2 粒径特征参数与粒径分布
采用Sync型激光粒度分析仪的干法粒径测试系统进行测定。调整样品折射率为1.52,出口的压缩空气压力设置为25 psi。
1.2.3 微观结构观察
将不同粒径的青稞麸皮样品低温烘干,取适量样品分散均匀后将其粘于样品台后喷金导电。在SU8010扫描电镜上观察麸皮样品的微观结构,观察时的加速电压为10.0 kV,放大倍数为500倍与2000倍。
1.2.4 化学组成测定
采用AOAC法[13]测定4种青稞麸皮样品的水分(方法925.09)、蛋白质(方法955.04)、脂肪(方法920.39)和膳食纤维含量(方法991.43)。使用试剂盒及其方法测定总淀粉的含量。
1.2.5 傅里叶红外光谱(FT-IR)测定
将不同粒径的青稞麸皮样品低温烘干,取适量样品与经充分干燥的KBr粉末以1:100的比例充分研磨,压成薄片。以KBr为背景空白,于傅里叶红外光谱仪中进行光路扫描,扫描次数为64次,扫描范围为4000~400 cm−1,分辨率为4 cm−1。
1.2.6 孔隙特征参数与孔径分布
参考Li等[14]的方法并稍加修改。即采用压汞法对4种青稞麸皮进行测定,并在5 nm~360 µm范围内收集麸皮的孔隙数据。
1.2.7 水合特性
1.2.7.1 持水力
参考Zhang等[15]的方法并加以改动。对装有1.0 g样品(m,g)的离心管称重(m1,g),加入25 mL蒸馏水,于室温下磁力搅拌0.5 h,室温静置24 h后离心,对装有样品沉淀的离心管称重(m2,g)。持水力按下式计算:
持水力(g/g)=m2−m1m 1.2.7.2 持油力
参考Zhang等[15]的方法并加以改动。对装有0.5 g样品(n,g)的离心管称重(n1,g),加入10 mL葵花籽油,涡旋混匀后于室温下静置1.5 h后离心,对装有样品沉淀的离心管称重(n2,g)。持油力按下式计算:
持油力(g/g)=n2−n1n 1.2.7.3 水溶胀能力
参考Phat等[16]的方法并加以改动。于离心管中加入1.0 g样品(m,g),记录体积(V1,mL),加入10 mL蒸馏水,涡旋混匀后于室温静置24 h,记录将上清液除去后的麸皮体积(V2,mL)。水溶胀能力按下式计算:
水溶胀能力(mL/g)=V2−V1m 1.2.7.4 溶解度
参考Li等[14]与Phat等[16]的方法并加以改动。0.5 g样品(m1,g)与10 mL蒸馏水于室温下磁力搅拌0.5 h,置于80 ℃水浴中30 min(150 r/min),冷却后离心,将上清液冻干后称重(m2,g)。溶解度按下式计算:
溶解度(%)=m2m1×100 1.2.8 葡萄糖吸附能力
参考Zheng等[17]的方法并加以改动。用80%乙醇洗涤样品后低温烘干。取0.25 g样品与25 mL不同浓度的葡萄糖溶液混匀,置于37 ℃水浴中6 h(150 r/min)后离心,取上清液测葡萄糖含量。同时设置对照组为未加样品的葡萄糖溶液,样品空白组为样品和PBS溶液的混合体系,对照空白组为PBS溶液。葡萄糖吸附能力按下式计算:
葡萄糖吸附能力(µmol/g)=(c1−c2)×Vm 式中:c1表示对照组的葡萄糖浓度,µmol/mL;c2表示样品组的葡萄糖浓度,µmol/mL;V表示葡萄糖溶液体积,mL;m表示青稞麸皮取样量,g。
1.2.9 葡萄糖扩散延迟能力
参考Li等[18]的方法并加以改动:用80%乙醇洗涤样品3次后低温烘干。取0.25 g样品与25 mL 100 mmol/L的葡萄糖溶液混匀,混合物转移至透析袋(截留分子量12000~14000 Da)中,置于200 mL去离子水中。于37 ℃水浴3 h(150 r/min),并在特定时间检测透析液中的葡萄糖含量。同时设置对照组为未加样品的葡萄糖溶液(GLU),样品空白组为样品和PBS溶液的混合体系,对照空白组为PBS溶液。引入葡萄糖扩散延迟指数(Glucose diffusion retardation index,GDRI)进行表征,按下式计算:
GDRI(%)=(1−m1m2)×100 式中:m1表示样品组透析液中的葡萄糖含量,µmol;m2表示对照组透析液中的葡萄糖含量,µmol。
1.3 数据处理
所有实验至少重复3次。采用Microsoft Excel 2010进行数据整理,SPSS统计软件(25.0,IBM公司,美国芝加哥)对数据进行方差分析(ANOVA),估计平均数之间的差异显著性,检验水平为P<0.05。采用Ominic 8.2与Origin 2022进行分析绘图。
2. 结果与分析
2.1 AFIM处理对青稞麸皮粒径的影响
图1与表2展示了不同强度的AFIM处理所得到的4种青稞麸皮的粒径分布和粒径特征参数。由图可见四个样品的粒径分布均呈单峰状,说明AFIM处理能较好地保持麸皮粒径的集中度与均一化。随着碾磨强度的加大,青稞麸皮样品呈现向小粒径分布的趋势,结合表2结果可知,青稞麸皮的D50由CHB 组的150.33 µm分别降低至69.04 µm(MHB),58.85 µm(FHB)和32.04 µm(UHB),与未处理组相比,UHB组的粒径最小,D50降低了78.69%。
参数 CHB MHB FHB UHB D10(µm) 29.12±0.73a 20.22±0.40b 17.59±0.74c 11.08±0.21d D50(µm) 150.33±2.40a 69.04±2.10b 58.85±4.41c 32.04±0.38d D90(µm) 183.53±14.96a 138.80±6.26b 125.43±11.86b 69.26±0.45c D[4,3](µm) 122.97±5.40a 77.79±3.54b 66.49±5.51c 37.25±0.35d D[3,2](µm) 66.31±1.43a 43.92±1.19b 37.75±2.45c 22.27±0.47d 比表面积(m2/g) 0.09±0.00d 0.14±0.00c 0.16±0.01b 0.27±0.01a 注:表中D10、D50、D90、D[4,3]和D[3,2]分别表示样品的体积分数达到10%、50%和90%时所对应的粒径、样品的体积平均粒径与样品的表面积平均粒径。表中数值为平均值±标准偏差,同行不同小写字母表示差异显著(P<0.05),表3同。 表2中还给出了不同粒径青稞麸皮的D[4,3]与D[3,2],这两项指标通常被认为是描述颗粒形态的重要参数,二者差距越小意味着颗粒形态更加规则、均一[19]。随着麸皮粒径的减小,两项指标均显著下降(P<0.05),分别由CHB的122.97 µm和66.31 µm下降到UHB的37.25 µm和22.27 µm。两项指标间的差距逐渐由56.66 µm缩小至14.98 µm,这说明随着青稞麸皮粒径的降低,麸皮的形态也发生显著变化。比表面积随着粒径的减小显著升高(P<0.05),UHB的比表面积(0.27 m2/g)接近未经处理的CHB(0.09 m2/g)的3倍。此外,这种显著的粒径减小还可能导致麸皮基质结构的一些变化。之前的研究显示糊粉层是谷物麸皮的重要结构,糊粉层由巨大的细胞组成,其细胞大小在50 µm左右[20]。本研究结果表明当AFIM处理强度达到一定程度时,UHB样品的D50达到32.04 µm,低于糊粉层细胞尺寸的50 µm,这说明该强度的粉碎能够将青稞麸皮的组织层细胞破坏,达到超微粉碎或者细胞尺寸粉碎的水平。
2.2 不同粒径青稞麸皮微观形态观察
不同粒径青稞麸皮的微观结构如图2所示,未经处理的CHB呈片状多层的紧密结构,这主要是膳食纤维构成的结构基质,其上附着有小部分的蛋白质颗粒与淀粉颗粒。随着AFIM处理,粒径显著降低,引起大片状麸皮纤维基质的撕裂,且纤维具有机械碾磨过后的粗糙边缘(图2b,2c)。当加大AFIM处理的碾磨强度,青稞麸皮的粒径降低至细胞尺寸时,麸皮的结构与形态发生显著变化。大量的青稞麸皮膳食纤维基质发生碎片化,且麸皮表面在机械力打磨下变得不再粗糙,颗粒间的微观形态逐渐接近,具备相较于粗青稞麸皮更高的均一性。同时对比图2a与图2d可以看到AFIM处理对麸皮堆积状态的影响,在相同的观察尺度下,微小粒径的麸皮堆积的更加紧密,比表面积相对更大。这与2.1中对各组麸皮的比表面积的测定结果相一致。
2.3 粒径对青稞麸皮的化学组成的影响
表3中列出了4种不同粒径的青稞麸皮的化学组成。由表可知,麸皮粒径的减小略微提升了青稞麸皮中蛋白质(由13.38%提高至14.35%)、脂肪(由3.85%提高至4.26%)和淀粉(由11.05%提高至13.11%)含量。膳食纤维是青稞麸皮中占比最高的组分,不同粒径的青稞麸皮中总膳食纤维(Total dietary fiber,TDF)含量均达50%以上,远高于米糠(21.39%)[21]、燕麦麸(25.10%)等谷物麸皮[22],可作为食品中谷物膳食纤维的良好来源。其中不溶性膳食纤维占比达到95%以上,研究显示不溶性膳食纤维可以促进胃肠道蠕动,加快人体内营养素代谢与有毒物质的排出[23]。随着麸皮的粒径降低,膳食纤维总量下降,即由CHB的58.08%下降至UHB的53.81%,且主要是不溶性膳食纤维的含量下降。这主要是由于在气流冲击粉碎过程中,经过粉碎的麸皮被上升气流带入分级区,在离心力的作用下,粗细麸皮被分离。符合设定条件的细麸皮通过分级轮后被收集,粗麸皮则被继续粉碎。而部分过于坚硬致密的麸皮经过反复粉碎,始终无法通过分级区的筛选而被分级系统除去,导致TDF与IDF的含量降低。而SDF含量随着碾磨强度的增加而增加,同时随着粒径降低,SDF在TDF中的占比显著升高,由FHB组的7.77%提升至UHB组的8.50%,这可能是由于该过程的AFIM处理涉及到细胞壁的破坏,导致SDF易被提取与测定。研究表明SDF具有更强的生物活性,有助于降低胆固醇水平与调节血糖水平[24],本研究中降低青稞麸皮粒径有助于进一步提高麸皮的生理功能活性。
指标 CHB MHB FHB UHB 水分 7.70±0.05b 8.15±0.01a 8.30±0.24a 7.64±0.16b 蛋白质 13.87±0.05b 13.38±0.08d 13.69±0.03c 14.35±0.01a 脂肪 3.85±0.43c 4.16±0.13b 4.17±0.06ab 4.26±0.05a 总淀粉 11.05±0.22c 11.72±0.26b 12.86±0.14a 13.11±0.22a TDF 58.08±0.34a 57.13±0.45a 54.92±0.69b 53.81±0.64c SDF 4.17±0.04b 4.31±0.07ab 4.26±0.19b 4.57±0.16a IDF 53.91±0.37a 52.83±0.41a 50.66±0.75b 49.24±0.61c SDF/TDF 7.18±0.10c 7.53±0.10bc 7.77±0.38b 8.50±0.27a 2.4 粒径对青稞麸皮的FT-IR光谱的影响
傅里叶红外光谱可用于进一步判断粒径降低对青稞麸皮结构中基团与化学键的影响,不同粒径青稞麸皮样品的FT-IR光谱如图3所示。样品之间具有高度的谱图相似性,这说明降低麸皮粒径不会引起新的官能团的出现,这与Liang等[25]与赵萌萌等[26]的研究一致。随着AFIM处理碾磨强度的加大,麸皮在O-H振动特征峰(3500~3300 cm−1)位置有明显红移的现象(图3),这说明AFIM处理的机械力可能打破了麸皮的结构性多糖间的分子内或分子间氢键,导致麸皮组织中亲水基团受到影响,这一变化可能导致麸皮与水分的作用发生变化,影响麸皮的水合特性。在1652 cm−1位置与2926 cm−1位置附近的吸收峰分别是C=O键、C-H键等化学键的伸缩振动峰,这些化学键属于麸皮组分间的结构性化学键,在本研究中并未发现明显的变化。这说明利用物理碾磨降低麸皮粒径的过程中,机械所加注的能量可能仍无法达到破坏牢固的结构性化学键所需要的键能。
2.5 粒径对青稞麸皮的孔隙特征的影响
粉粒体物料的孔隙特征主要由孔径分布、孔隙形状和体积等参数综合表征。物料粒径变化将导致体系的堆积状态发生改变,从而引起孔隙特征的变化。然而目前尚未有研究对不同粒径青稞麸皮粉末的孔隙特征与堆积状态进行研究。图4A展示了不同粒径青稞麸皮粉的孔径分布,各组麸皮的孔径分布具有与粒径分布类似的单峰状。同时随着麸皮粒径的减小,麸皮粉的孔隙直径相应减小,峰形变窄说明孔隙范围更加集中。这与Cao等[27]对球磨米糠的研究一致。
图4B给出了不同粒径青稞麸皮的孔隙组成,随着粒径减小,青稞麸皮粉的孔隙结构发生显著改变。随着麸皮粒径降低,麸皮粉的孔隙组成出现由10 µm~50 µm的孔向50 nm~10 µm的孔进行分布的现象。50 nm~10 µm微孔逐渐成为超微青稞麸皮中占比最高的孔隙,且这样的变化主要发生在由FHB到UHB的粉碎过程中。UHB中50 nm~10 µm的孔隙占比相比于FHB提升了25%,是未经处理的CHB的2.2倍。谷物麸皮中的孔隙一般包括由粉体颗粒堆积而产生的颗粒间孔隙和麸皮组织层细胞内中空的颗粒内孔隙。随着粉碎强度的加大,青稞果皮、种皮、糊粉层等组织的细胞发生结构性崩解,大量的细胞尺寸水平下的颗粒内孔隙转变为更小的颗粒间孔隙,物料的孔隙数量的绝对值是呈上升趋势的,且孔径分布范围越小的孔隙的绝对数量越多[28]。尤其是UHB组,在粒径被处理至50 µm以下,大多数糊粉层细胞在该状态下呈破裂现象,10 µm以下孔隙的占比显著提高,物料在宏观上也呈现紧密的堆积状态。由图4B中还可看到,各样品组中100 µm~300 µm 的孔隙占比呈略微下降的趋势,50 µm~100 µm的孔隙占比变化不大。这主要是由于巨大的碾磨机械强度破坏了麸皮原料中坚硬耐磨的纤维基质,形成更多的小尺度范围的颗粒间孔隙,导致大孔径范围的孔隙绝对数量略有下降。但是同时,细胞间隙的破坏(如细胞间的连接被机械力断裂)[29],也使得颗粒间孔隙与细胞间隙连通,造成50 µm~100 µm的孔隙生成,因此占比维持在不变的水平。图2中不同粒径青稞麸皮的微观结构图,也可以对青稞麸皮粒径降低引起微小孔隙形成加以印证。
图4C结果显示随着青稞麸皮粒径的降低,麸皮粉的中值孔径由CHB组的18.16 μm降低至UHB组的6.97 μm,这表明超微粉碎技术显著改变了青稞麸皮粉体的孔隙大小。随着青稞麸皮粉粒径的降低,粉体中颗粒堆积形成的孔径也逐渐降低。与麸皮的中值孔径变化趋势不同,麸皮的总孔面积呈现出先下降后上升的趋势(见图4D)。这与Li等[14]对不同粒径麦麸的孔隙特征的研究结果相似。这可能是因为处于普通粉碎水平,随着粉碎强度的增加,麸皮粉中由堆积形成的颗粒间孔隙首先被破坏,小粒径麸皮粉的堆积状态变得紧密,可测定的孔隙变少,使得总孔面积下降。而随着粉碎强度的继续增加,麸皮基质中的组织层细胞如糊粉层被广泛破坏,颗粒粒径被降低至糊粉层细胞尺度(50 μm)以下。粉体颗粒的堆积状态发生了两方面改变:a.原有的颗粒孔隙被破坏,取而代之形成新的小粒径麸皮粉的颗粒间孔隙结构;b.随着麸皮基质细胞的破坏,细胞壁内的空腔不再具有完整的组织形态,细胞壁孔隙被破坏后形成新的、具备极微小孔径的孔隙(50 nm~10 μm),而引起总孔面积值的上升。
2.6 粒径对青稞麸皮的水合特性的影响
图5是不同粒径青稞麸皮的水合特性(溶解度、持水力、持油力和水溶胀能力)的测定结果。降低青稞麸皮的粒径将引起溶解度的上升,由CHB的20.59%逐渐提升至UHB的23.55%,这可能是由于粒径降低,组织层细胞中的蛋白质、可溶性膳食纤维等内容物溶出。青稞麸皮的持水力、持油力与水溶胀能力随着粒径降低而有所下降,持水力由CHB的4.67%下降至UHB的3.69%,持油力由CHB的2.88%下降至UHB的2.66%,水溶胀能力由CHB的4.77 mL/g下降至UHB的3.78 mL/g。特别是在FHB到UHB的粉碎过程中,持水力与持油力显著减弱(P<0.05)。在过往研究中,相关研究人员采用纳米球磨处理无壳大麦IDF,得到亚纳米级粉末物料,持水力与持油力分别降低了41.43%和33.84%[30]。此外,Raghavendra等[31]在对椰子渣的研究中指出,当椰子渣DF由1127 µm降低至550 µm时,水合特性升高,但进一步降低粒径到400 µm以下,会引起水合特性的减弱。这说明物料的水合特性变化在不同的粒径范围内具有不同的表现。
本研究在超微粉碎的粒径范围内处理青稞麸皮,其水合特性的减弱可能是由于:a.大粒径麸皮颗粒间堆积形成的孔隙逐渐被破坏,颗粒间空隙减小,麸皮的堆积状态变得更加紧密,影响了水分子与油分子的截留[14,32];b.加大粉碎强度,青稞麸皮的IDF结构被碾磨破坏,膳食纤维分子间的氢键作用力受损,膳食纤维对水、油分子的结合作用下降[33];c.继续加大AFIM处理强度,在颗粒粒径达到细胞粉碎水平时,组织层内空腔被破坏为功能性受损的孔隙,或是颗粒内孔隙与颗粒间孔隙连通,原本被颗粒内完整的孔隙牢固截留的水、油分子被释放。
2.7 粒径对青稞麸皮的体外降血糖活性的影响
以体外葡萄糖吸附能力和体外葡萄糖扩散延迟能力作为考察指标,图6展示了不同浓度的环境葡萄糖条件下,粒径对青稞麸皮的体外降糖能力的影响。由图6A可以看到在相同的葡萄糖浓度条件下,随着粒径的降低,青稞麸皮对葡萄糖分子的结合增加,即具有更高的吸附能力。当环境葡萄糖的浓度不同时,不同粒径的青稞麸皮也展现出吸附能力的差异。这与过往的相关研究结果一致[18,34]。葡萄糖吸附能力的显著提高发生在环境葡萄糖浓度达到100 mmol/L时,CHB、MHB、FHB与UHB的葡萄糖吸附能力相较于50 mmol/L时分别提高了137%、126%、131%和111%。与此同时,随着各处理组的环境葡萄糖浓度的提升,UHB组与CHB组的葡萄糖吸附能力的差值逐渐增大。当葡萄糖浓度在1 mmol/L时,UHB组的吸附能力高于CHB组,差值在103.31 μmol/g;而当葡萄糖浓度达到200 mmol/L时,UHB组的吸附能力同样高于CHB组,但差值达到648 μmol/g。上述结果表明,四种麸皮样品均能实现对葡萄糖分子的结合,且随着环境葡萄糖浓度的升高,青稞麸皮普遍具有更高的吸附能力。同时,青稞麸皮在葡萄糖浓度更高与麸皮粒径更小的条件下,具有更加良好的体外降血糖活性。
根据上述结果,实验进一步选用100 mmol/L葡萄糖溶液进行透析,模拟小肠吸收实验。样品组中透析液的葡萄糖含量始终低于对照组,这表明青稞麸皮具备抑制葡萄糖扩散的能力。同时由图6B可见,随着青稞麸皮粒径的降低,青稞麸皮在各个透析时间点的GDRI显著提高(P<0.05),UHB组的GDRI最高可达24.29%,比CHB组的GDRImax(15.97%)提升了52.10%。MHB组的GDRI变化趋势与CHB组近似,呈现先升高后下降的趋势,且在90 min时达到最高。图6B结果指出随着粉碎强度的加大,FHB组与UHB组的GDRI在透析的初始阶段就表现出较高水平,且可以保持较高的GDRI水平持续透析90 min。未添加麸皮样品的对照组与CHB组的透析在120 min时几乎达到稳定,而此时MHB组、FHB组与UHB组的扩散仍在继续,虽然相比于CHB组仍保持较高的GDRI水平,但也有所下降,直至150 min时达到稳定。
降低粒径能提高青稞麸皮的体外降血糖活性,同样与组成和结构密不可分。粒径更小的麸皮具有更大的比表面积、紧密的堆积状态与大量50 nm~10 µm的微孔,它们的存在使得葡萄糖溶液不断流动更新,同时暴露出大量曾被包裹于麸皮的纤维网络内部的葡萄糖分子结合位点[35]。同时,小粒径麸皮拥有更高的SDF/TDF,这引起青稞麸皮-葡萄糖溶液二元体系粘度的升高,而有利于增强纤维网络对葡萄糖分子的截留能力[36]。体系中的葡萄糖分子能长时间与纤维网络中的分子结合位点广泛接触,易于实现麸皮对葡萄糖分子的吸附,降低体系中葡萄糖的环境浓度,提高麸皮的体外降血糖活性。
3. 结论
随着粒径的降低,青稞麸皮结构、组成与理化功能特性发生显著变化。SEM图与孔隙特征的研究结果指出粒径降低会使麸皮的堆积状态更加紧密,孔隙结构因此发生显著变化,50 nm~10 µm的微孔逐渐在青稞麸皮孔隙中占据主导地位。此外粒径减小使得麸皮的IDF被逐步破坏为短链状,部分IDF转化为SDF,这种变化主要发生在由FHB到UHB的碾磨过程中。FT-IR谱图表明气流冲击磨的处理强度,仍无法达到多数结构性化学键断裂所需的键能,基本化学组成变化不大。紧密的堆积状态、微孔占比的提高、IDF结构短链化与SDF/TDF含量的上升,使得青稞麸皮的持水力、持油力显著下降(P<0.05),然而青稞麸皮的葡萄糖吸附能力与葡萄糖扩散延迟能力显著上升(P<0.05)。本研究为青稞麸皮的食品工业化提供了更深一步的理论依据,即根据不同的食品开发需求,选择适当粒径尺寸的青稞麸皮,以期得到更好的食品品质与营养价值。
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图 6 不同粒径青稞麸皮的体外降血糖能力
注:a. 葡萄糖吸附能力;b. 葡萄糖扩散延迟能力。图6B中的柱状图代表各处理组的透析液中的葡萄糖含量,折线图代表葡萄糖扩散延迟指数(GDRI)的变化情况。
Figure 6. Hypoglycemic activity of different particle size highland barley bran in vitro
表 1 不同粒径青稞麸皮的机械参数设置
Table 1 Mechanical parameters of highland barley bran with different grain sizes
机械参数(Hz) MHB FHB UHB 主机频率 50 50 50 引风机频率 50 50 30 分级机频率 20 35 50 表 2 不同粒径青稞麸皮的粒径特征参数
Table 2 Particle size characteristic parameters of highland barley bran with different particle sizes
参数 CHB MHB FHB UHB D10(µm) 29.12±0.73a 20.22±0.40b 17.59±0.74c 11.08±0.21d D50(µm) 150.33±2.40a 69.04±2.10b 58.85±4.41c 32.04±0.38d D90(µm) 183.53±14.96a 138.80±6.26b 125.43±11.86b 69.26±0.45c D[4,3](µm) 122.97±5.40a 77.79±3.54b 66.49±5.51c 37.25±0.35d D[3,2](µm) 66.31±1.43a 43.92±1.19b 37.75±2.45c 22.27±0.47d 比表面积(m2/g) 0.09±0.00d 0.14±0.00c 0.16±0.01b 0.27±0.01a 注:表中D10、D50、D90、D[4,3]和D[3,2]分别表示样品的体积分数达到10%、50%和90%时所对应的粒径、样品的体积平均粒径与样品的表面积平均粒径。表中数值为平均值±标准偏差,同行不同小写字母表示差异显著(P<0.05),表3同。 表 3 不同粒径青稞麸皮的化学组成(%)
Table 3 Chemical composition of highland barley bran with different grain sizes (%)
指标 CHB MHB FHB UHB 水分 7.70±0.05b 8.15±0.01a 8.30±0.24a 7.64±0.16b 蛋白质 13.87±0.05b 13.38±0.08d 13.69±0.03c 14.35±0.01a 脂肪 3.85±0.43c 4.16±0.13b 4.17±0.06ab 4.26±0.05a 总淀粉 11.05±0.22c 11.72±0.26b 12.86±0.14a 13.11±0.22a TDF 58.08±0.34a 57.13±0.45a 54.92±0.69b 53.81±0.64c SDF 4.17±0.04b 4.31±0.07ab 4.26±0.19b 4.57±0.16a IDF 53.91±0.37a 52.83±0.41a 50.66±0.75b 49.24±0.61c SDF/TDF 7.18±0.10c 7.53±0.10bc 7.77±0.38b 8.50±0.27a -
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