黄 萍，林亲录，朱凤霞，王玉倩，崔校基，梁 盈*
（中南林业科技大学 稻谷及副产物深加工国家工程实验室，湖南 长沙 410004）
摘 要：以超声辅助纤维素酶水解脱脂米糠提取得到的水溶性膳食纤维（water-soluble dietary fibre，SDF）为原料，研究其理化性质和功能特性，发现米糠SDF纯度较高，为（79.52±0.07）%，其蛋白质和灰分含量少，分别为（7.82±0.13）%、（5.71±0.11）%。优化提取的米糠SDF具有良好的理化性质：持水力为（3.16±0.15）g/g、持油力为（0.99±0.08）g/g、溶胀性为（1.39±0.12）mL/g、结合水力为（4.18±0.10）g/g。米糠SDF具有一定的阳离子交换能力，其溶解性与温度成正比。傅里叶变换红外光谱分析发现，米糠SDF中处于缔合状态的氢键较多；扫描电子显微镜分析超微结构结果表明其纯度较高。米糠SDF表现出较强的抗氧化能力，随质量浓度的升高呈明显上升趋势，10 mg/mL的SDF对1,1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基清除率为20.27%，对2’-联氨-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸自由基清除率达到58.97%。
关键词：米糠；水溶性膳食纤维；理化特性；抗氧化活性
膳食纤维从生理学的角度定义，主要是指不能被人体胃肠道中消化酶所消化并为人体吸收利用的碳水化合物，是维系人类健康所不可缺少的一类营养素。根据其在水中的溶解性差异，膳食纤维可分为水溶性膳食纤维（water-soluble dietary fi bre，SDF）和水不溶性膳食纤维（water-insoluble dietary fi bre，IDF）两大类[1]，包括常见的纤维素、半纤维素和木质素；以及存在于自然界的非纤维性物质中的果胶、树胶和葡聚糖等SDF，它们主要是细胞壁内的贮藏物质和分泌物。
SDF具有多种生理功效，除可预防和治疗心脑血管疾病[2]、抗癌防癌[3]等之外，还具有抗氧化防衰老、清除外源有害物质和体内自由基[4]以及调节肠道内微生物菌群[5]等作用。SDF在预防糖尿病、心血管疾病、降低胆固醇和清除外源有害物质等方面具有比IDF更强的生理功能[6-7]。
本实验以本课题组优化提取所得的米糠SDF为原料，对其进行物化特性及抗氧化能力分析测定，为米糠SDF的广泛开发及利用提供参考依据。
1.1 材料与试剂
米糠 湖南金健米业股份有限公司；米糠SDF稻谷及副产物深加工国家工程实验室自制。
纤维素酶（10 000 U/g） 美国Sigma公司；木瓜蛋白酶（800 000 U/g） 江苏锐阳生物科技有限公司；无水乙醇（分析纯） 天津市富宇精细化工有限公司；FeSO4·7H2O、KBr、NaOH、HCl（均为分析纯）国药集团（上海）化学试剂公司。
1.2 仪器与设备
SHB-ⅢA型循环水式多用真空泵 北京中兴伟业仪器有限公司；101C-4型电热恒温鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司；QE-200万能粉碎机 浙江屹立工贸有限公司；LE204E/02型电子分析天平 瑞士梅特勒-托利多仪器有限公司；ZNCL-DJG型多联磁力搅拌器河南爱博特科技发展有限公司；WP-25A型电热恒温培养箱 天津市意博高科实验仪器厂；HH-S24s型数显恒温水浴锅 金坛市大地自动化仪器厂；KA-1000型高速离心机 上海安亭科学仪器厂。
1.3 方法
1.3.1 米糠预处理
参考本课题组前期优化得到的方法[8]对米糠进行预处理，具体步骤：取同批次的米糠于60 ℃烘干后粉碎过60 目筛，将筛下部分加入4 倍体积的石油醚，于室温下浸泡30 min，真空抽滤收集残渣，重复脱脂3 次，再用4 倍体积的80%乙醇清洗残留石油醚，干燥后粉碎得脱脂米糠。
1.3.2 超声辅助酶法提取SDF
参考本课题组前期响应面优化提取方法[8]得到SDF提取的最优工艺，具体步骤：称取一定质量的脱脂米糠，按照1∶24（m/V）的料液比加入纯水，用醋酸-醋酸钠缓冲液调pH值至5.0，添加6%的木瓜蛋白酶于60 ℃下酶解1 h后，按质量分数5.3%添加量加入纤维素酶，在功率为415 W条件下超声5 min。酶解结束后抽滤浓缩，加入4 倍体积无水乙醇沉淀，过滤后烘干粉碎滤渣，即得SDF。
1.3.3 米糠SDF常规成分分析
灰分含量的测定参考GB/T 5009.4—2003《食品中灰分的测定》；蛋白质含量的测定参考GB/T 5009.5—2003《食品中蛋白质的测定》；膳食纤维含量的测定参考GB/T 5009.88—2008《食品中膳食纤维的测定》。
1.3.4 米糠SDF理化特性测定
1.3.4.1 膨胀力的测定
膨胀力（swelling，SW）的测定参照文献[9]，称取米糠SDF 100 mg放入盛有纯水并带有刻度体积为15 mL的玻璃试管中，加纯水5 mL，振匀后在室温下放置24 h，观察膳食纤维样品在试管中的自由膨胀体积，即读取液体中膳食纤维的体积。膨胀力用每克干物质的膨胀体积来表示，计算如式（1）所示。
1.3.4.2 持水力的测定
持水力（water holding capacity，WHC）的测定参照Sangnark等[10]的方法，称取米糠SDF 1 g样品放入100 mL烧杯中，加入20 ℃纯水20 mL，常温下浸泡1 h后，在定量滤纸上沥干样品水分，并将其迅速转入表面皿中称质量。按式（2）计算持水力。
1.3.4.3 结合水力的测定
结合水力的测定参照文献[11]，将0.1 g米糠SDF样品浸泡于25 mL 4 ℃的纯水中，4 000 r/min离心1 h，除去上清液，残留物于G-2砂芯坩埚中静置1 h，称取该残留物质量m1，然后在120 ℃下干燥2 h后，再次称质量m2，两者差值即为所结合水的质量。结合水力计算公式如式（3）所示。
1.3.4.4 持油力的测定
持油力（oil holding capability，OHC）的测定按照于济洋[12]的方法略作改进。准确称取1 g米糠SDF置于15 mL的离心管中，加入10 mL食用花生油，静置1 h，搅拌均匀，然后将混合物3 500 r/min离心30 min，弃去上清液并用滤纸将离心管内壁多余油脂吸干，静置5 min，最后称量剩余残渣的质量，以每克干物质所带油脂质量量表示持油力，重复3 次实验。持油力的计算如式（4）所示。
1.3.5 阳离子交换能力的测定
阳离子交换能力的测定参照文献[13]，准确称取米糠SDF样品300 mg，溶解于30 mL 0.01 mol/L HCl溶液中，在4 ℃下过夜，用0.1 mol/L NaOH溶液滴定，记录NaOH溶液消耗体积和pH值变化，作NaOH溶液体积和pH值关系图。以不加样品的30 mL 0.01 mol/L HCl溶液为空白对照。
1.3.6 溶解性的测定
溶解性的测定参照文献[14]方法，称取200 mg米糠SDF样品于离心管中，加入5 mL纯水，分别在20、40、60、80、100 ℃下搅拌30 min，3 000 r/min离心20 min后将上清液倒入玻璃皿中，冷冻干燥后称质量。溶解度以加入每毫升纯水搅拌后离心所得上清液中固形物的质量表示。以温度为横坐标，溶解度为纵坐标作图。溶解度的计算如式（5）所示。
1.3.7 傅里叶变换红外光谱分析
傅里叶变换红外光谱分析参照文献[15]方法，精确称取干燥的米糠SDF样品1 mg于玛瑙研钵中，加入100 mg干燥的KBr晶体，在红外灯照射下轻轻研磨至极细混匀，用压片机压片，制成一定直径和厚度的透明片，用红外分光光度计于400～4 000 cm-1中红外区扫描，测定傅里叶变换红外光谱曲线。
1.3.8 扫描电子显微镜分析
扫描电子显微镜分析参照文献[16]，将经真空冷冻干燥后的米糠SDF粉碎后，采用离子溅射方法对样品进行表面镀金，置于JSM-6380LV型扫描电子显微镜下观察，加速电压为15 kV，分别放大100 、1 000、5 000 倍以观察米糠SDF的形貌。
1.3.9 抗氧化活性的测定
1.3.9.1 DPPH自由基清除率的测定
1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）自由基清除率的测定参照文献[17]方法。准确称取DPPH 0.002 6 g，用无水甲醇稀释后使其在517 nm波长处吸光度为0.600±0.020，以此作为对照，记为A对照。测定时，按照样液∶DPPH工作液为1∶39（V/V）配制反应液，避光孵育30 min后测定吸光度，记为A样品。按式（6）计算其DPPH自由基清除率。
1.3.9.2 ABTS+·清除能力测定
参照肖越[18]的方法并略作改进，将等量的7 mmol/L 2,2’-联氮-二（3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸）二铵盐（2,2’-azinobis-(3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonate)，ABTS）溶液与2.45 mmol/L过硫酸钾混合，于室温下避光反应静置过夜，以制备ABTS储备液。用纯水将ABTS溶液稀释直至其在734 nm波长处吸光度为0.700±0.020[19]，取试管分别加入50 μL不同质量浓度的米糠SDF样品液，再加入4 mL ABTS溶液，摇匀反应6 min后测定其在734 nm波长处的吸光度A1，再分别用纯水代替样品液和ABTS溶液测得吸光度A2和A3。按式（7）计算其ABTS+·清除率。
式中：A1为4 mL ABTS溶液+50 μL SDF溶液的吸光度；A2为50 μL SDF溶液+4 mL纯水的吸光度；A3为4 mL ABTS溶液+50 μL纯水的吸光度。
1.3.9.3 FRAP法测米糠SDF总抗氧化活性
采用铁离子还原能力（ferric reducing antioxidant power，FRAP）分析法评估米糠SDF的总抗氧化活性。参考Benzie等[20]的研究方法并略进行改进。分别配制质量浓度为4、5、6、7、8、9、10 mg/mL的米糠SDF溶液作为FRAP工作液。分别移取样品液0.1 mL，加入3 mL FRAP工作液，混匀后使用超纯水作空白，在593 nm波长处测定其在37 ℃下反应不同时间的吸光度，由FeSO4标准曲线可查得相对应的FeSO4浓度，对不同质量浓度的样品对Fe3+的还原能力随时间的变化关系进行比较研究，以FeSO4的当量浓度来反映样品的FRAP。样品的FeSO4当量浓度越大表示其还原能力越强。
2.1 米糠SDF常规成分分析结果
对超声辅助酶法优化提取条件下所得的米糠SDF产品进行常规成分分析，其中水溶性纤维含量为（79.52±0.07）%，纯度较高。在米糠SDF的提取过程中，脂肪、淀粉等物质经过脱脂、加热、酶解、乙醇沉淀后被清除，蛋白质和灰分残余量较少，分别为（7.82±0.13）%、（5.71±0.11）%。
2.2 米糠SDF理化特性分析结果
对优化提取的米糠SDF进行理化特性指标测定，米糠SDF的持水力为（3.16±0.15）g/g，高于苦荞麸皮膳食纤维的持水力[21]，与豆渣SDF相近[22]；持油力为（0.99±0.08） g/g、溶胀性为（1.39±0.12）mL/g；结合水力为（4.18±0.10）g/g，远高于花生壳膳食纤维[23]。所以优化提取的米糠SDF具有较好的持水性、持油性、溶胀性和结合水力。
2.3 阳离子交换能力分析结果
膳食纤维的化学结构中含有的羧基、羟基和氨基等侧链基团，可产生类似的弱酸性阳离子交换树脂的作用，可以与Ca2+、Zn2+、Cu2+、Pb2+等离子进行可逆交换。这种可逆的交换作用，并不是单纯的结合从而减少机体对离子的吸收，而是改变离子的瞬时浓度，一般是通过稀释并延长它们的转换时间，从而影响消化道的pH值、渗透压及氧化还原电位等，并提供一个缓冲体系更强环境以利于消化[24]。由图1可知，空白溶液初始pH值为1.5，米糠SDF的初始pH值为2.98，溶液滴定至滴定终点所消耗NaOH溶液的体积分别为5.04 mL和9.45 mL，已知曲线的斜率越大其阳离子交换能力越差[25]，两曲线对比可看出米糠SDF具有较强的阳离子交换能力，对液体环境中pH值的改变能起到一定稀释缓冲的作用。
图1 米糠水溶性膳食纤维的阳离子交换能力
Fig. 1 Cation exchange capability of SDF from rice bran
2.4 溶解性分析结果
膳食纤维的溶解性对其生理活性的发挥有重要影响，SDF更易被肠道内的细菌所发酵。膳食纤维的溶解性基本取决于样品的分子组成和结构[26]，米糠SDF作为一种可溶性成分，溶解度直接决定它的品质，本实验测定了不同温度对米糠SDF溶解度的影响。
图2 温度对米糠SDF溶解度的影响
Fig. 2 Effect of temperature on the solubility of SDF from rice bran
如图2所示，米糠SDF的溶解度随着温度的升高而逐渐上升，在20～40 ℃之间时，其溶解度随温度的升高上升明显，而温度高于40 ℃后，米糠SDF的溶解度随温度升高而缓慢上升，并逐渐趋于饱和，最高达到（0.12±0.02）g/mL。分析溶解度随温度升高的原因可能是热力作用破坏了纤维多糖分子侧链间的氢键和离子键[27]，分子链被切断，使分子质量降低，溶解度提高。因此当米糠SDF作为营养强化剂或功能添加剂应用在食品加工生产中时，可通过适当地加热工艺来提高其溶解度，从而使其得到更有效、合理的利用。
2.5 傅里叶变换红外光谱分析结果
为分析优化提取方法对米糠SDF纤维结构的影响，对米糠原料和提取所得的米糠SDF进行了红外光谱实验。由图3b可知，经优化提取得到的米糠SDF其特征吸收峰的位置和峰形与原料米糠相比大体相似。进一步分析图3a可知，米糠SDF在1 078.21 cm-1存在较大吸收峰，是由两种C—O伸缩振动引起的，分别为C—O—H和糖环C—O—C，或者由一级醇的O—H变角振动引起，因此分子存在C—O—H和糖环C—O—C结构[28]。1 670.53 cm-1波数处为C＝O的伸缩振动区，出现的吸收峰是糖分子中羰基的吸收峰，说明米糠SDF中存在糖醛酸。894.84 cm-1处出现了β-吡喃糖C—H变角振动的特征吸收峰；在848.68 cm-1波数处出现的弱小尖峰，说明SDF中存在α-型吡喃糖[29]。600 cm-1波数处是糖分子中β-型的C—H直立键的变角振动吸收。米糠SDF在3 300.2 cm-1左右的吸收峰变的更宽更强，是由O—H伸缩振动引起的，说明米糠SDF中处于缔合状态的氢键较多。
图3 米糠SDF的傅里叶变换红外光谱图
Fig. 3 Fourier transform infrared spectra of SDF from rice bran
2.6 扫描电子显微镜分析结果
对米糠SDF进行超微结构分析，分别在不同放大倍数下扫描米糠原料和米糠SDF样品，得到扫描电子显微镜图如图4所示。
图 4 脱脂米糠和米糠SDF的扫描电子显微镜图
Fig. 4 SEM micrographs of defatted rice bran and SDF
其中图4a、c、e为粉碎后的脱脂米糠原料，从图中可看出，脱脂米糠原料结构紧凑，含有大小不一的片状物以及粒状颗粒和光滑球状物，可见脱脂米糠原料中除了膳食纤维外，还含有大量淀粉和蛋白质。图4b、d、f为真空冷冻干燥的米糠SDF，图中米糠SDF结构分散，多为形状不规则的小片状物且颗粒较小，可能由于米糠原料经超声辅助酶解处理后，分子链断裂，IDF分解成SDF，分子质量降低，聚合度也随之下降。除片状纤维外还间杂少许颗粒物，几乎没有球状淀粉，可见膳食纤维含量高，经优化提取已去除淀粉和大部分蛋白，且在高倍数扫描电子显微镜下可观察到SDF表面有许多蜂窝状小孔，可能是由于米糠SDF产品易溶于水，在提取过程中与空气中的水分相结合形成交联的状态，导致超微结构中出现小孔[30]。从超微结构分析可推测，超声辅助酶法所得的米糠SDF纯度高，溶解性较好。
2.7 米糠SDF抗氧化性分析
2.7.1 米糠SDF对DPPH自由基和ABTS+·的清除作用
图5 米糠SDF对DPPH自由基（A）和ABTS＋·（B）的清除作用
Fig. 5 Free radical scavenging effect of SDF
图5 A是不同质量浓度的米糠SDF对DPPH自由基清除率的影响，阳性对照2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚（2,6-di-tert-butyl-4-methylphenol，BHT）在4～10 mg/mL范围内对DPPH自由基清除率明显比米糠SDF强。而随着样品的质量浓度增加，米糠SDF对DPPH自由基清除率逐渐提高。从8 mg/mL开始，米糠SDF对DPPH自由基的清除率开始趋于稳定。10 mg/mL的米糠SDF对DPPH自由基清除率为20.27%。
图5B是米糠SDF对ABTS+·清除率的分析，抗氧化剂VC为纯品，当其质量浓度为4～10 mg/mL时，对ABTS+·的清除率高达98%左右，明显优于米糠SDF，且随质量浓度变化不明显；而米糠SDF的ABTS+·清除率随质量浓度的升高而具有明显上升趋势，当米糠SDF质量浓度为10 mg/mL时，ABTS+·清除率达到58.97%。
2.7.2 米糠SDF总抗氧化活性分析结果
米糠SDF的FRAP可按标准曲线换算成FeSO4当量浓度来反映。对不同质量浓度的米糠SDF的总抗氧化能力进行测定，结果如图6所示，随着米糠SDF的质量浓度升高，其FRAP逐渐增大，米糠SDF的质量浓度在10 mg/mL时，其FRAP与0.719 mmol/L的FeSO4相当。
图6 米糠SDF的抗氧化能力
Fig. 6 FRAP of SDF from rice bran
我国对米糠的利用多限于制油和用作饲料，有效利用率很低，经济效益不高。因此研究开发米糠深加工产品，对提高我国稻谷加工企业经济效益和资源利用率都具有重要意义。而脱脂米糠中膳食纤维含量高，是加工膳食纤维的良好来源。因此米糠SDF的研究具有广阔的开发空间和市场前景。
本实验研究优化提取得到的米糠SDF纯度较高，蛋白质和灰分含量少，可作为营养强化剂和添加剂，应用于面包、饼干、乳粉、乳制品等产品中。对优化提取的米糠SDF进行理化特性分析和抗氧化活性分析，结果表明米糠SDF具有较好的持水性、持油性、溶胀性和结合水力。水在食品加工中起着重要的作用，米糠SDF的高持水性可增加人体排便的体积与速度，减轻直肠压力，使有毒物质及时排出体外[16]；而溶胀性的提高，使得复水之后体积变大，可引起饱腹感，并影响机体对食物成分可利用碳水化合物等的消化吸收，对预防肥胖症大有益处[24]；较高的结合水力有利于食品加工过程产品形成组织结构，以防食品脱水收缩，减少食品水分和香味的散失；而良好的持油力可以改善食品口感、风味和稳定性，并且能防止食品中的油脂氧化酸败，延长其货架期。本课题组的研究结果除发现米糠SDF具有一定的抗氧化性外，还发现了米糠SDF有良好的抗炎功效[31]，这无疑极大地增强加了其在保健品和功能性食品中的应用价值。这样不仅可以利用米糠SDF来改善人们的膳食结构，提高人们的健康水平，还可以减少资源浪费，大大提高了米糠的利用价值。此外，有关米糠SDF的抗氧化机理及体内的抗氧化活性还有待进一步研究。
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Physicochemical Properties and Antioxidant Activity of Water-Soluble Dietary Fiber from Rice Bran
HUANG Ping, LIN Qinlu, ZHU Fengxia, WANG Yuqian, CUI Xiaoji, LIANG Ying*
(National Engineering Laboratory for Rice and By-Product Deep Processing, Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004, China)
Abstract:This study evaluated the physicochemical and functional properties of water-soluble dietary fi ber (SDF) prepared by ultrasonic-assisted cellulase hydrolysis of defatted rice bran. The SDF, with a high purity of (79.52 ± 0.07)%, had low protein and ash contents of (7.82 ± 0.13)% and (5.71 ± 0.11)%, respectively. The SDF had good physical and chemical properties; its water-holding capacity was (3.16 ± 0.15) g/g, oil-holding capacity (0.99 ± 0.08) g/g, swelling capacity (1.39± 0.12) mL/g, and water-binding capacity (4.18 ± 0.10) g/g. It was also found that the SDF had cation exchange capacity,and its solubility was positively proportional to temperature. Fourier transform infrared spectral analysis indicated the presence of some associated hydrogen bond in the SDF. Scanning electron microscopic analysis conf i rmed its high purity.Furthermore, the SDF exhibited strong antioxidant capacity in a concentration-dependent manner, which was determined to be 20.27% and 58.97% in the scavenging of 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl and 2,2’-azinobis-(3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonate) radicals at 10 mg/mL, respectively.
Key words:rice bran; water-soluble dietary fi ber; physicochemical properties; antioxidant activity
DOI:10.7506/spkx1002-6630-201723003
中图分类号：TS201.2
文献标志码：A
文章编号：1002-6630（2017）23-0014-06
引文格式：
黄萍, 林亲录, 朱凤霞, 等. 米糠水溶性膳食纤维理化特性及抗氧化性[J]. 食品科学, 2017, 38(23): 14-19.
DOI:10.7506/spkx1002-6630-201723003. http://www.spkx.net.cn
HUANG Ping, LIN Qinlu, ZHU Fengxia, et al. Physicochemical properties and antioxidant activity of water-soluble dietary fi ber from rice bran[J]. Food Science, 2017, 38(23): 14-19. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201723003. http://www.spkx.net.cn
收稿日期：2017-04-20
基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（31201348）；国家自然科学基金面上项目（31571874）；
湖南省自然科学基金面上项目（2017JJ2410）；2016湖湘青年科技创新人才项目（2016RS3033）；
粮油深加工与品质控制2011湖南省协同创新项目；中南林业科技大学研究生教材建设项目（2015JC03）
作者简介：黄萍（1992—），女，硕士研究生，研究方向为分子营养学。E-mail：532130421@qq.com
*通信作者：梁盈（1981—），女，副教授，博士，研究方向为分子营养学。E-mail：liangying498@163.com