表1 响应面试验因素与水平
Table1 The actual and coded values of the independent variables used in response surface analysis
因素水平－101 X 1微波功率/W450500550 X 2料液比（g/mL）1∶401∶501∶60 X 3时间/min405060
康丽君 1，寇 芳 1，沈 蒙 1，王维浩 2，曹龙奎 1,2,*
（1.黑龙江八一农垦大学食品学院，黑龙江 大庆 163319；2.国家杂粮工程技术研究中心，黑龙江 大庆 163319）
摘 要：以小米糠为实验材料，对其进行气爆预处理，利用超声-微波协同法对气爆预处理的小米糠膳食纤维进行改性，以提高小米糠水溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）的得率，并利用响应面法优化其工艺条件。同时借助凝胶色谱-示差-多角度激光光散射、红外光谱和X射线衍射等分析方法对改性前后小米糠膳食纤维的结构进行研究。结果表明：气爆条件设定为压力1.0 MPa、时间90 s，最优工艺参数为微波功率535 W、料液比1∶50（g/mL）、超声-微波协同时间57 min，SDF含量达到10.841%。凝胶色谱-示差-多角度激光光散射分析显示改性小米糠SDF分子质量变小，表明经改性处理后小米糠SDF分子链变短且聚合度降低。红外光谱分析表明，改性小米糠SDF和水不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF）的化学官能团变化不大，并且有明显的糖类特征吸收峰。X射线衍射分析显示改性小米糠IDF的结晶度上升，表明改性小米糠IDF中非结晶区有部分降解，并且转化为SDF。扫描电子显微镜结果显示改性小米糠SDF的颗粒表面变得粗糙，疏松多孔，由小颗粒聚集而成。
关键词：小米糠；超声-微波协同；气爆；水溶性膳食纤维；响应面法；结构
小米糠为谷子加工过程中产生的副产物，是一种产量较大的可再生利用资源，但以往主要作为动物的饲料，造成了资源的严重浪费 [1]。小米糠不仅含有优质脂肪酸和γ-氨基丁酸，还含有丰富的膳食纤维。膳食纤维是一种不被人体消化酶所消化的碳水化合物，被称为第七营养素。膳食纤维根据溶解性不同可分为水溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF） [2]。SDF在调节血糖、血脂，控制肥胖等方面优于IDF [3]。
许多天然膳食纤维中IDF含量在90%以上，而SDF含量无法达到优质膳食纤维（10% SDF）的标准，其功能受到一定的限制。如何采用简便有效的改性方法使膳食纤维中的大分子组分连接键断裂成小分子成分，从而疏松其致密的纤维结构，使部分IDF转化为SDF，提高SDF所占比例，进而提高其生理活性成为膳食纤维改性研究的热点 [4]。文献已报道的膳食纤维改性方法主要有化学改性 [5]、物理机械改性 [6]、生物改性 [7]和多种方法联合处理。气爆预处理 [8-9]和超声-微波协同作用 [10-11]有利于提高目的物的含量。
目前有关小米糠膳食纤维的研究主要集中在功能性质和提取工艺方面 [12]，而在小米糠改性处理和改性方法对其结构的影响方面研究较少。本研究以小米糠为实验材料，酶-质量法 [13]制备膳食纤维，采用超声-微波协同法对气爆预处理小米糠膳食纤维进行改性处理，并利用响应面法 [14]优化改性小米糠SDF的工艺条件，同时借助红外光谱和X射线衍射等分析方法对改性前后小米糠膳食纤维的微观结构进行研究。本实验旨在提高小米糠中SDF含量，确定改性小米糠SDF的工艺条件，初步探索改性方法对小米糠膳食纤维结构的影响，为水溶性膳食纤维的开发利用提供更多的理论依据。
1.1 材料与试剂
红谷小米糠 黑龙江省大庆肇州托古小米厂；耐高温α-淀粉酶、中性蛋白酶、淀粉葡萄糖苷酶 美国Sigma公司；其他试剂均为分析纯。
1.2 仪器与设备
GDE-CSF6意大利VELP膳食纤维测定仪 北京盈盛恒泰科技有限公司；CW-2000A超声-微波协同萃取/反应仪 上海新拓分析仪器科技有限公司；K-360全自动凯氏定氮仪 瑞士Büchi公司；QBS-200B型气爆工艺试验台 鹤壁正道生物能源公司；6700傅里叶红外光谱仪 美国Thermo Nicolet公司；D/MAX2500V型X射线衍射仪 日本理学制造公司；凝胶色谱-示差-多角度激光光散射仪 美国Wyatt公司；S-570扫描电子显微镜 日本日立公司。
1.3 方法
1.3.1 小米糠的预处理
1.3.1.1 脱脂小米糠
取适量小米糠粉碎，40 ℃烘干，水分含量控制在6%～8%范围内，过40 目筛，进行脱脂处理 [15]，备用。
1.3.1.2 气爆小米糠
称取500 g小米糠加入气爆反应器中进行处理。设置不同的气爆压力和时间，小米糠经气爆预处理后烘干，粉碎，过筛，脱脂。
1.3.2 小米糠膳食纤维的制备
分别称取1.0 g脱脂小米糠和气爆小米糠，按照1∶50（g/mL）的料液比加入蒸馏水，调节pH值至6.0，加入100 μL耐高温α-淀粉酶于GDE酶培养消化器中水浴培养20 min，样品温度保持在95～100 ℃。调节pH值至7.0，加入100 μL中性蛋白酶溶液（50 mg中性蛋白酶溶于1 mL蒸馏水中）于GDE酶培养器中60℃条件下培养30 min。调节pH 4.5，加入100 μL淀粉葡萄糖苷酶于GDE酶培养器中60℃条件下培养30 min。将酶解后反应物转移至CSF6过滤装置中，滤液经浓缩后用4 倍体积的95%乙醇溶液醇沉、离心、干燥得SDF，滤渣用热水洗涤、干燥得IDF。同时去除空白、未消化蛋白质、灰分的影响。
1.3.3 小米糠膳食纤维的超声-微波协同处理
脱脂小米糠和气爆小米糠经酶解反应后置于超声-微波协同萃取仪中进行改性处理，后续步骤如1.3.2节所述。
1.3.4 超声-微波协同改性小米糠膳食纤维的单因素试验
1.3.4.1 微波功率对小米糠SDF含量的影响
每组试验分别称取1.0 g脱脂小米糠和气爆小米糠，在超声功率50 W、料液比1∶50（g/mL）、时间50 min的条件下，研究微波功率分别在400、450、500、550、 600 W时对小米糠SDF含量的影响。
1.3.4.2 料液比对小米糠SDF含量的影响
每组试验分别称取1.0 g脱脂小米糠和气爆小米糠，在超声功率50 W、微波功率550 W、时间50 min的条件下，研究料液比分别在1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60（g/mL）时对小米糠SDF含量的影响。
1.3.4.3 时间对小米糠SDF含量的影响
每组试验分别称取1.0 g脱脂小米糠和气爆小米糠，在超声功率50 W、微波功率550 W、料液比1∶50（g/mL）的条件下，研究时间分别在20、30、40、50、60 min时对小米糠SDF含量的影响。
1.3.5 响应面法优化超声-微波协同改性小米糠膳食纤维的工艺
在单因素试验的基础上，选取气爆小米糠进行改性工艺优化的研究，以微波功率、料液比、时间为响应因素，改性小米糠SDF含量（Y）为响应值，根据Box-Behnken试验设计原理，采用三因素三水平的响应面分析法，对数据进行回归分析及显著性检验，确定最优工艺。每个试验点重复3 次，取平均值。试验因素水平设计如表1所示。
表1 响应面试验因素与水平
Table1 The actual and coded values of the independent variables used in response surface analysis
因素水平－101 X 1微波功率/W450500550 X 2料液比（g/mL）1∶401∶501∶60 X 3时间/min405060
1.3.6 改性前后小米糠SDF、IDF的结构测定
1.3.6.1 改性前后小米糠SDF分子质量分布测定
样品处理方法：取10 mg改性前后SDF样品，加1.0 mL 0.1 mol/L NaNO 3溶液，45 ℃孵育4 h，再稀释4 倍，过0.22 μm滤膜，取100 μL上样。
检测条件：流动相为0.1 mol/L NaNO 3，流速为0.8 mL/min，柱温为45 ℃，分析柱型号为Ohpak SB-804 HQ、Ohpak SB-803 HQ，上样量100 μL。
1.3.6.2 改性前后小米糠SDF、IDF的红外光谱测定
称取改性前后制备的小米糠SDF和IDF，在红外灯下将样品与KBr粉末混匀并充分研磨，利用真空压片机进行压片，置于红外光谱仪中扫描，扫描范围为4 000～400 cm －1，绘制红外光谱图 [16]。
1.3.6.3 改性前后小米糠IDF的X射线衍射测试
将改性前后的小米糠IDF进行干燥、粉碎，研磨至无颗粒感，随后将样品均匀洒入框内，略高于框板面，并用不锈钢片压实样品，确保样品紧密平整且表面光滑，与框紧密结合，将样品框插在测角仪中心的底座上，进行测试 [17]。
1.3.6.4 改性前后小米糠SDF的超微结构观察
取适量样品固定于观察台上，采用离子溅射方法镀金，置于扫描电子显微镜下观察、分析 [18]。
1.4 数据统计
利用Design-Expert V8.0.6软件进行数据分析，采用Origin 8.6对实验数据进行图形处理。
图1 不同气爆条件对改性小米糠SDF含量的影响
Fig. 1 Effects of different steam explosion conditions on SDF content of modified millet bran
2.1 小米糠最佳气爆条件的确定由图1可知，6号气爆条件，也就是压力1.0 MPa、时间90 s时，小米糠SDF含量达到最高值7.22%。当气爆压力为0.5 MPa时，随着处理时间的延长，小米糠SDF含量变化不大，说明压力过低气爆效果不明显。当气爆压力为1.0 MPa时，小米糠SDF含量显著增加。实验中发现气爆预处理的小米糠呈海绵状，这可能是由于气爆处理破坏了小米糠的某些结构组织如等，更利于目的物的溶出 [19]。而当压力高于1.0 MPa时，小米糠变色严重并造成了纤维素、半纤维素等物质降解严重，成为小分子物质，不能以醇析法醇沉，降低了小米糠SDF的得率。综上所述，气爆压力1.0 MPa、时间90 s为小米糠最佳的气爆条件。
2.2 超声-微波协同改性小米糠膳食纤维的单因素试验结果
图2 单因素试验结果
Fig. 2 Results of one-factor-at-a-time experiments
如图2a所示，在超声波开启状态下，随着微波功率的增大，小米糠中SDF含量逐渐增加，当微波功率达到550 W，超声-微波协同改性脱脂小米糠中SDF含量达到最高值4.464%，气爆小米糠中SDF含量达到最高值10.768%，说明超声-微波协同处理将超声波的机械振动作用和微波的热效应结合起来，有利于SDF与原料分离进入溶剂中 [20]。对小米糠进行气爆预处理，会不同程度破坏小米糠IDF中半纤维素和纤维素，当超声-微波协同作用于气爆小米糠时，改性效果更明显。当微波功率大于550 W时，SDF含量降低，可能是由于较高的温度破坏了SDF组分，部分SDF分解为小分子物质，成为醇溶性物质。
如图2b所示，当料液比为1∶50（g/mL）时，超声-微波协同改性脱脂小米糠中SDF含量达到最高值4.465%，超声-微波协同改性气爆预处理小米糠中SDF含量达到最高值10.831%。当溶剂用量继续增大，SDF含量变化略呈下降趋势，说明溶剂用量过大会导致单位体积底物含量偏低，而SDF在溶液中的质量浓度变小，不易醇沉，同时造成醇沉过程中乙醇的浪费 [21]；另一方面溶剂用量过大使单位体积输入的能量下降，也会降低SDF的得率。因此料液比1∶50（g/mL）为最适料液比。
如图2c所示，随着超声-微波协同萃取时间的延长，小米糠中SDF含量呈上升趋势。当时间超过50 min，SDF含量变化幅度很小，说明此后时间的延长对于SDF含量的影响不显著。而当时间超过60 min，SDF含量变化出现下降趋势，是由于时间过长，体系温度升高，SDF组分中的部分果胶在水溶液中被氢离子分解而降低SDF的得率 [22]。故反应时间宜为50 min。
2.3 响应面试验结果
2.3.1 响应面试验设计与结果
结合单因素试验，采用Box-Behnken试验设计原理，选取气爆小米糠，以微波功率、料液比、时间为自变量，小米糠中SDF含量为响应值，改性小米糠膳食纤维的试验设计及结果见表2。利用Design-Expert 8.0.6软件对表2中的数据进行分析，得到方差分析的结果如表3所示，二次回归参数模型数据如表4所示。
表2 Box-Behnken试验设计方案及结果
Table2 Experimental scheme and results of Box-Behnken design
试验号X 1微波功率X 2料液比X 3时间SDF含量/% 1－1－108.208 2 1－109.088 3－1108.569 4 1 1 0 10.439 5－10－18.399 6 1 0－19.231 7－1018.778 8 1 0 110.837－1－18.338 1001－18.791 110－118.631 1201110.065 1300010.321 1400010.319 1500010.235 1600010.332 1700010.241 9 0
表3 响应面二次模型的方差分析
Table3 Analysis of variance of quadratic response surface model
注：P＜0.05，影响显著；P＜0.01，影响极显著。
来源平方和自由度均方F值P值模型13.1791.46275.77＜0.000 1残差0.03775.306×10 －3失拟项0.02839.385×10 －34.180.100 5误差8.991×10 －342.248×10 －3和13.2116 R 2=0.997 2
表4 回归模型系数的显著性检验
Table4 Regression coefficients and their significance in regression model
注：**. P＜0.01，影响极显著；*. P＜0.05，影响显著。
模型系数系数估计自由度标准误差F值P值显著性常数项10.2910.033 X 1微波功率0.7110.026749.58＜0.000 1** X 2料液比0.4510.026305.12＜0.000 1** X 3时间0.4410.026297.2＜0.000 1** X 1X 20.2510.03646.180.000 3** X 1X 30.3110.03670.93＜0.000 1** X 2X 30.2510.03645.340.000 3** X1－0.5510.036239.2＜0.000 1**－0.4310.036146.24＜0.000 1** X 2 2－0.7810.036488.09＜0.000 1** X3 2 2
由表3可见，整体模型P小于0.000 1，二次方程模型极显著，且失拟项P为0.100 5不显著，说明回归模型拟合度较好，试验误差小。R
2为0.997 2，大于90%，相关性较好，说明此模型能够反映响应值的变化，可用该模型对改性小米糠膳食纤维的工艺进行分析和预测。由表4可见，该模型的一次项达到极显著水平，表明X
1、X
2、X
3三因素对SDF含量的线性效应极显著，所有的二次项对SDF含量的曲面效应极显著，同时交互项X
1X
2、X
1X
3、X
2X
3也达到极显著水平，表明各因素对SDF含量的影响作用不是简单的线性关系。得到各因素与响应值关系的三元二次回归方程为：
表4可得出三因素对SDF含量影响大小的顺序为：微波功率＞料液比＞时间。
2.3.2 交互效应分析
在微波功率、料液比、时间某一因素条件固定不变（0水平）的情况下，考察交互项对SDF含量的影响，并对模型进行降维分析。所得的响应面和等高线如图3所示。
图3 各因素交互作用对SDF含量影响的响应面图
Fig. 3 Response surface plots showing the effects of factors on the SDF content
由图3可知，改性小米糠SDF含量随各因素水平的增大先增大后减少，各因素交互作用的等高线呈椭圆形，说明交互作用显著。微波功率对SDF含量影响的等高线相对密集，料液比和时间对SDF含量影响的等高线相对稀疏，说明微波功率对SDF含量的影响更显著，这也与表4的分析一致。
通过对模型分析确定最优工艺条件为微波功率534.97 W、料液比1∶51.55（g/mL）、时间57.47 min，在此条件下改性小米糠中SDF含量理论值为10.865%。为了验证模型分析的准确性，选取微波功率535 W、料液比1∶50、时间57 min进行验证，实验重复3 次取平均值，所得SDF含量为10.841%，与理论值相差0.024%。故响应面法适用于改性小米糠工艺条件的研究。
脱脂小米糠SDF含量为2.157%，经气爆预处理，小米糠SDF含量为7.221%，在最优工艺条件下，超声微波协同改性气爆预处理，小米糠SDF含量为10.841%。
2.4 改性前后小米糠SDF、IDF的结构变化
2.4.1 改性前后小米糠SDF的相对分子质量分布
图4 改性前后小米糠SDF的相对分子质量分析图
Fig. 4 Molecular weight analysis of millet bran SDF before and after modification
表5 改性前后小米糠SDF相对分子质量的测定结果
Table5 Molecular weights of millet bran SDF before and after modification
注：数据后括号内为信号噪音、小分子质量产生的信号波动所造成的误差。
脱脂小米糠SDFPeak 1Peak 2Peak 3Peak 4 M n6.806×10 6（±6.098%）6.493×10 6（±36.886%）1.711×10 4（±16.895%）4.162×10 5（±2.915%）M w3.993×10 7（±28.413%）9.222×10 6（±64.781%）1.547×10 5（±9.052%）8.244×10 5（±3.003%）M w/M n5.867（±29.060%）1.420（±74.546%）9.042（±19.167%）1.981（±4.185%）改性后气爆小米糠SDFPeak 1Peak 2Peak 3Peak 4 M n2.562×10 6（±2.723%）5.447×10 5（±3.048%）3.837×10 5（±3.163%）8.496×10 4（±4.844%）M w1.460×10 7（±20.82%）5.858×10 5（±2.897%）4.513×10 5（±3.218%）2.002×10 5（±4.797%）M w/M n5.698（±21.003%）1.075（±4.206%）1.176（±4.512%）2.356（±6.818%）
SDF的分子质量测定是研究SDF性质的一项较为重要的工作，SDF的性质与其分子质量的大小有关。图4a、b分别为改性前后小米糠SDF的相对分子质量分析图，表5为改性前后小米糠SDF的分子质量测定结果，从重均分子质量（M w）角度分析，未经改性小米糠SDF的相对分子质量大于改性小米糠SDF，说明改性小米糠SDF分子链变短和聚合度变低。一般情况下，相对分子质量越小，分子聚合度越低，物质的溶解性越好，相同条件下黏度越小。M w与数均分子质量（M n）的比值为相对分子质量分散系数，其大小可以作为判断样品分子质量分布是否均一的指标，分散系数越大，说明分子质量越分散。总体来看，改性后小米糠SDF分子质量的分散系数小于未经改性小米糠SDF分子质量的分散系数，说明改性后小米糠SDF分子链分布较均匀。
2.4.2 改性前后小米糠的红外光谱分析
图5 脱脂小米糠的红外光谱图
Fig. 5 FTIR spectrum of defatted millet bran
物质的红外光谱吸收峰位移和吸收强度与其原子振动频率、化学组成和化学键的类型密切相关。图5为脱脂小米糠的红外光谱图，形成氢键缔合状态OH在3 415 cm －1左右呈现一个又宽又强的吸收峰，因小米糠纤维素和半纤维分子中含有很多羟基基团，2 927 cm －1处为糖类亚甲基C—H的反对称伸缩振动，1 200～1 400 cm －1吸收峰是C—H的变角振动所致，这些区域的吸收峰都为糖类的特征吸收峰 [23]。1 155 cm －1是半纤维素和纤维素C—O—C伸缩振动所致，1 049 cm －1处的吸收峰是由糖环中C—O—C的C—O伸缩振动所引起的，是多糖类另一特征吸收峰。在1 649 cm －1处出现了酰胺Ⅰ带的酰胺特征吸收峰，在1 540 cm －1左右处出现了仲酰胺基的酰胺Ⅱ吸收带，说明脱脂小米糠含有少量蛋白质，这也与凯氏定氮法测定蛋白质的含量相符。此图谱并未出现半纤维素（羰基C＝O）的特征吸收峰，由此可推断蛋白质与半纤维素以一定形式的结合态存在。总体分析，脱脂小米糠的红外光谱具有纤维素类多糖的特征吸收峰。
图6 改性前后小米糠SDF的红外光谱图
Fig. 6 FTIR spectra of millet bran SDF before and after modification
在3 300～3 500 cm －1内出现较强的宽展圆滑的吸收峰是O—H的伸缩振动，脱脂小米糠SDF和超声微波协同改性气爆预处理小米糠SDF分别在3 415 cm －1和3 411 cm －1处出现吸收峰。改性前后小米糠SDF分别在2 963 cm －1和2 960 cm －1处出现弱吸收峰，是糖类甲基C—H的反对称伸缩振动所致，1 200～1 400 cm －1内是C—H的变角振动吸收峰，在这些区域的吸收峰是糖类的特征吸收峰。改性前后小米糠SDF分别在1 103 cm －1和1 079 cm －1处出现较强吸收峰，是由C—O—C中C—O伸缩振动和C—O—H的O—H变角振动，也是多糖类的另一特征吸收峰。1 650 cm －1附近为羧基COO—的特征峰，峰强度较大，表明样品中含有糖醛酸。1 405 cm －1处尖峰是C—H（—CH 2）弯曲振动峰，为木聚糖的特征峰。804 cm －1处的弱小尖峰是α-D-半乳吡喃糖的特征峰。改性小米糠SDF在880 cm －1处出现弱小尖峰为β-D-葡萄吡喃糖或β-D-甘露吡喃糖的特征峰，推测小米糠经改性处理后，SDF的单糖组成与含量发生变化。改性小米糠SDF在3 442 cm －1附近出现的吸收峰更强，说明在制备改性小米糠SDF时，部分糖苷键断裂，形成氢键OH增多。综合分析得出改性前后小米糠SDF结构很相似，由于含量或结合程度不同，导致它们在吸收强度上存在差异。
图7 改性前后小米糠IDF的红外光谱图
Fig. 7 FTIR spectra of millet bran SDF before and after modification
与脱脂小米糠IDF相比，超声-微波协同改性气爆预处理小米糠IDF的特征吸收峰的峰形、位置未发生明显变化，说明小米糠膳食纤维的化学结构没有发生明显变化。改性前后小米糠IDF都在3 430 cm －1左右出现宽展圆滑的吸收峰，由O—H的伸缩振动所致，在2 920 cm －1近的吸收峰为糖类亚甲基C—H的反对称伸缩振动，1 200～1 400 cm －1范围内吸收峰是C—H的变角振动所致，这些区域的吸收峰都为糖类的特征吸收峰。
2.4.3 改性前后IDF的X射线衍射分析
图8 脱脂小米糠的X射线衍射图
Fig. 8 XRD spectrum of defatted millet bran
图9 改性前后小米糠IDF的X射线衍射图
Fig. 9 XRD spectra of millet bran IDF before and after modification
脱脂小米糠的X射线衍射图见图8，改性前后小米糠IDF的X射线衍射图见图9，脱脂小米糠在扫描角度2θ为22.27°处有明显的结晶衍射峰，脱脂小米糠IDF在扫描角度2θ为21.97°处有明显的结晶衍射峰，同时在16.38°、34.55°两处有较弱的衍射峰，这些峰均表明脱脂小米糠IDF具有纤维素Ⅰ型的X射线衍射曲线特征 [24]，说明小米糠膳食纤维的晶型与其他植物源膳食纤维相同，并未引入新的晶型。经气爆预处理和超声微波协同改性，改性小米糠IDF在扫描角度2θ为22.13°处有明显的结晶衍射峰，同时在16.33°、34.51°两处有较弱的衍射峰，说明改性小米糠IDF的晶体类型也是纤维素Ⅰ型，为结晶区与非结晶区两相共存的状态。改性小米糠IDF与脱脂小米糠IDF比较，结晶峰的2θ值相近，表明这种改性方法并没有使小米糠IDF的晶型发生改变。改性小米糠IDF在2θ处的衍射峰强度明显增大，结晶度由原来的22.89%
增大为25.55%，说明改性小米糠IDF表面结构被破坏，致使纤维素结晶区暴露 [25]。
2.4.4 改性前后小米糠SDF的超微结构观察
图10 改性前后小米糠SDF的扫描电子显微镜图
Fig. 10 SEM images of millet bran SDF before and after modification
从图10可看出，在相同放大倍数下，改性前后小米糠SDF具有不同的形态结构。脱脂小米糠SDF颗粒较大且颗粒大小不一，形状为不规则碎片，表面较光滑，结构较致密。改性小米糠SDF的颗粒表面变得粗糙，疏松多孔，呈蜂窝状，是由小颗粒聚集在一起的。改性前后小米糠SDF微观结构的不同导致了性质差异。由于气爆预处理和超声-微波协同改性作用，改性小米糠SDF分子质量较小，聚合度较低，这可能是改性小米糠SDF比脱脂小米糠SDF具有更好的溶解性和较小的黏度的内在原因。此外低分子质量的多糖类物质一般都具有良好的生理活性，酶法制备条件比较温和，活性物质未受到破坏。
采用Box-Behnken试验设计，通过响应面分析结合实际值确定超声-微波协同改性小米糠膳食纤维最优的工艺条件为微波功率535 W、料液比1∶50（g/mL）、超声-微波协同时间57 min，在此条件下，SDF含量达到10.841%，比未经改性小米糠提高了8.684%。改性小米糠SDF相对分子质量小于未经改性小米糠SDF，说明改性小米糠SDF分子链变短和聚合度变低，这也可以解释经改性处理后SDF含量增加的原因。
通过红外光谱和X射线衍射分析结果显示，改性小米糠SDF的结构具有明显的糖类特征吸收峰，其化学官能团基本不变，改性小米糠IDF的特征吸收峰的峰形、位置无明显变化；改性小米糠IDF的结晶度上升，表明小米糠IDF表面结构破坏，使纤维素结晶区暴露；改性小米糠SDF分子质量较小，聚合度较低，这可能是改性小米糠SDF具有更好的溶解性和较小的黏度的原因，此外低分子质量的多糖类物质一般都具有良好的生理活性。
气爆预处理和超声-微波协同改性使小米糠IDF中半纤维素部分降解，并且转化为SDF，说明这种改性方法能够有效提高小米糠SDF的含量。
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Optimization of Modification Process for Millet Bran Dietary Fiber and Structural Elucidation
KANG Lijun
1, KOU Fang
1, SHEN Meng
1, WANG Weihao
2, CAO Longkui
1,2,*
(1. College of Food Science, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China; 2. National Coarse Cereals Engineering Research Center, Daqing 163319, China)
Abstract：Millet bran was pretreated by steam explosion and then subjected to combined ultrasonic-microwave treatment in order to modify millet bran dietary fiber (MBDF), namely to increase soluble dietary fiber (SDF) yield. The process conditions were optimized using response surface methodology. In addition, the structures of modified and unmodified MBDF were investigated by means of gel permeation chromatography-refractive index-multi-angle light scattering (GPCRI-MALS), infrared spectroscopy and X-ray diffraction. The steam explosion conditions were set as 1.0 MPa and 90 s for pressure and time, respectively. The optimal conditions for combined ultrasonic-microwave treatment were determined as microwave power of 535 W, solid-to-solvent ratio of 1:50 (g/mL) and time of 57 min, giving an SDF yield of as high as 10.841%. The results of GPC-RI-MALS showed that the molecular weight of modified millet bran SDF was smaller that of the unmodified one, due to the shorter molecular chain and the reduced degree of polymerization resulted from the modification. The infrared spectroscopic analysis illustrated that there were no significant changes in the chemical functional groups between the modified SDF and IDF, and both of them possessed the characteristic absorption peaks of carbohydrates. The X-ray diffraction analysis revealed that the crystallinity of the modified IDF increased, indicating that its non-crystalline region was partially degraded and converted to SDF. Scanning electron microscopic (SEM) observation showed that the surface of modified millet bran SDF became rough, loose and porous and was composed of aggregated small particles.
Key words：millet bran; combined ultrasonic-microwave treatment; steam explosion; soluble dietary fiber (SDF); response surface methodology; structure
DOI：10.7506/spkx1002-6630-201702038
中图分类号：Q539
文献标志码：A
文章编号：1002-6630（2017）02-0240-08
收稿日期：2016-05-09
基金项目：2013年度国家星火计划项目（2013GA670001）
作者简介：康丽君（1992—），女，硕士研究生，研究方向为粮油食品及副产物加工。E-mail：klj1518668559@163.com
*通信作者：曹龙奎（1965—），男，教授，博士，研究方向为农产品加工技术。E-mail：caolongkui2013@163.com
引文格式：
康丽君, 寇芳, 沈蒙, 等. 响应面试验优化小米糠膳食纤维改性工艺及其结构分析[J]. 食品科学, 2017, 38(2): 240-247. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201702038. http://www.spkx.net.cn
KANG Lijun, KOU Fang, SHEN Meng, et al. Optimization of modification process for millet bran dietary fiber and structural elucidation[J]. Food Science, 2017, 38(2): 240-247. (in Chinese with English abstract)
DOI：10.7506/spkx1002-6630-201702038. http://www.spkx.net.cn