粒径对燕麦麸皮结构、物理特性及体外益生菌黏附力的影响

唐菡颀,朱红广,仇 菊,李再贵,王丽丽

1.中国农业大学 食品科学与营养工程学院,北京 100089

2.青岛大学 生命科学学院,山东 青岛 266071

3.中国农业大学 营养与健康研究院,北京 100089

4.中国农业科学院农产品加工研究所,北京 100089

燕麦作为一种传统谷物,其营养价值和健康功效越来越被关注,在西方国家的消费量不断增加[1]。近年来,随着燕麦精深加工技术的快速发展,燕麦麸皮的产量也不断增加。燕麦麸皮具有丰富的营养价值,含有约20%蛋白质和18%膳食纤维,尤其是可溶性膳食纤维含量占总膳食纤维含量的比例很高,使其具有独特的生理功效[2]。研究表明,与小麦和玉米麸皮相比,燕麦麸皮具有更高的消化效率,并能够产生更多的短链脂肪酸[3]。然而,谷物麸皮因其坚硬的质地、粗糙的口感尚未被广泛应用于食品加工领域,极大影响了营养与经济价值的发挥。研究发现,减小麸皮粒径能够在不影响麸皮强化产品口感的前提下提高麸皮的添加量,提高产品营养价值[4]。超微粉碎是改善麸皮质构及口感的一种常见和有效的技术,减小物料的颗粒粒径能够增加表面积、改变表面性质、打开复杂交联的麸皮基质,进而使其营养组成、理化性质发生显著变化[5]。另外,经超微粉碎后的粉体粒度小,营养成分和功能成分的提取率显著提高,更容易被人体吸收和利用[6]。

燕麦麸皮富含丰富的膳食纤维,是肠道微生物的良好食物来源,可起到促进肠道蠕动以及改善肠道菌群组成等作用[7-8]。动物双歧杆菌A6(Bifidobacteriumanimalissubsp.lactisA6)是人体肠道中常见的益生菌菌株。双歧杆菌已被成功地应用在谷物发酵领域,具有广泛通用的碳水化合物利用谱,能够有效利用谷物的纤维基质[9]。肠道益生菌生活在液体溶液中,以游离态或固着态存在,其对底物的有效利用不仅涉及微生物活性,而且与底物的黏附有重要关系[10]。因此,作者通过研磨获得不同粒径的燕麦麸皮样品,对其结构组成、理化性质以及体外微生物黏附行为进行研究,以期拓展燕麦麸皮的营养功能,更深入地了解肠道微生物降解纤维类物质的机制。

1 材料和方法

1.1 材料与试剂

燕麦麸皮:山西中意农业发展有限公司;动物双歧杆菌A6:中国农业大学食品科学与营养工程学院微生物实验室;TPY培养基:青岛海博生物技术有限公司;其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

SL-250A万能粉碎机:浙江省永康市松青五金厂;LNI-66A气流冲击磨:四川绵阳流能粉体设备有限公司;S-570扫描电镜:日本Hitachi公司;GTR16-2高速离心机:北京时代北利离心机有限公司;AR1500ex动态流变仪:美国TA公司;35HD高压灭菌锅:江阴滨江医疗设备有限责任公司;Mastersizer 3000激光粒径仪:英国马尔文仪器公司;Quadrasorb SI-MP比表面积测定仪:美国康塔仪器公司;BT-1000粉体综合特性测试仪:丹东百特仪器有限公司;V9620自动压汞仪:美国麦克公司;FL4600荧光分光光度计:日本岛津公司;T6紫外分光光度计:北京普析通用设备有限责任公司;K100表面张力仪:德国克吕士公司;SurPASS3电动力学仪:奥地利安东帕公司。

1.3 试验方法

1.3.1 不同粒径燕麦麸皮样品的制备

原料片状燕麦麸皮作为粗燕麦麸皮(COB)。称取约200 g COB,使用1 200 W万能粉碎机研磨10 s,用40目的筛网进行筛分。未过筛的粉体作为中等粒径的燕麦麸皮(MOB)。取部分MOB继续投入万能粉碎机研磨至能全部通过40目筛网,所得粉体作为细燕麦麸皮(FOB)。超细燕麦麸皮(UOB)由气流冲击磨制备,将原料燕麦麸皮以喂料速率0.5 kg/min投入气流冲击磨,研磨主机频率、分级机频率和引风机频率均设置为50 Hz。

1.3.2 粒径及比表面积测定

燕麦麸皮样品的粒度分布由激光粒径仪测定,配备Sirocco 3000干燥分散附件。燕麦麸皮样品的折射率1.52,颗粒密度1.05 kg/m3。用比表面积测定仪在液氮条件下测定氮气吸附和解吸曲线,计算麦麸样品的比表面积。

1.3.3 扫描电镜观察

参照文献[11]的方法进行扫描电镜观察。

1.3.4 燕麦麸皮组成测定

参照AOAC 991.43的方法测定燕麦麸皮样品的总膳食纤维(TDF)含量。参照AACC(2002)的方法测定蛋白质(46-10)、粗脂肪(30-25)、总淀粉(76-12)、受损淀粉(76-31-01)、灰分(08-01)和水分(44-15-A)含量。

1.3.5 燕麦麸皮及其食糜的ζ电位测定

ζ电位用电动力学仪测定,把0.1 g燕麦麸皮加入40 mL NaCl溶液中,沉淀30 min后,将上清液转移到一个微电泳室。同样地,将密度为107个/mL的细菌悬浮液也放在一个电压差为150 V的室中[12]。通过INFOGEST标准化协议模拟口腔、胃、小肠阶段的消化以获得燕麦麸皮食糜[13],测定ζ电位。

1.3.6 粉体特性测定

燕麦麸皮的粉体特性利用粉体综合特性测试仪进行测定。

1.3.7 孔隙特性测定

使用高性能的自动压汞仪进行汞侵入孔径测定,以量化不同粒径燕麦麸皮的孔隙特征和孔隙分布[5]。

1.3.8 燕麦麸皮食糜的流变特性

消化后的燕麦麸皮食糜的流变特性测定参照 Mäkelä等[14]的方法并稍做修改。测试前1 h将消化后的样品取出解冻,然后搅拌混匀,取1 mL食糜样品进行测定。

1.3.9 益生菌黏附试验

1.3.9.1 扫描电镜观察黏附情况

动物双歧杆菌A6最初在琼脂平板上生长,将单个菌落接种到10 mL TPY培养基中传代活化,接种(5%,V/V)到每管含有5.0 g/L的燕麦麸皮食糜作为唯一碳源的TPY培养基中,平行3次。接种后48 h检查微生物在燕麦麸皮食糜上的定殖。简而言之,将发酵后的残留物在室温下于2.5%戊二醛磷酸盐缓冲液(pH 7.4)中固定48 h,使用一系列乙醇批次脱水,金属涂层,并使用10 kV加速电压在高真空条件下进行扫描电镜测量。

1.3.9.2 益生菌黏附力测定

用共沉淀法测定益生菌的黏附力[15]。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2016进行数据统计处理。采用SPSS 25.0进行数据分析处理:用单因素方差分析ANOVA,以Duncans多重比较法检验数据显著性差异。采用Origin 2019b绘图。

2 结果与分析

2.1 燕麦麸皮的粒径

如表1所示:COB是未经处理的燕麦麸皮原样,片状,粒径0.8～1.5 mm,因粒径超过粒度仪测定范围,故采用手动方式测定;MOB是中等粒径的燕麦麸皮粉,即粗粉,中值粒径384.02 μm;FOB具有与商业细麦粉相似的粒径(95.51 μm);UOB为超微碾磨所得燕麦麸皮粉,具有最小的粒径(41.32 μm)。跨度值(span)也是衡量粉体粒径分布的重要指标,跨度值越小,则粒径越均匀,粒径分布越窄。MOB、FOB、UOB均具有较窄的粒径分布,说明样品是均一分布的。燕麦麸皮的体积-长度平均直径(D[4,3])和表面加权平均直径(D[3,2])随着粒径的减小而减小,意味着燕麦麸皮的颗粒形态在剧烈研磨过程中发生了巨大变化。此外,麸皮的粒度能够影响其表面积,颗粒表面积也是影响肠道微生物降解的一个重要因素[16]。随着粒径减小,麸皮比表面积显著增加,经超微粉碎处理的UOB的比表面积增加至169.10 m2/kg,约是MOB的2倍。

2.2 不同粒径燕麦麸皮的微观形态

4组燕麦麸皮样品的微观形态如图1所示。未处理的燕麦麸皮样品COB(图1(a))的表面较为光滑,有少许蛋白体(1～3 μm)嵌在表面,纤维基质中完整的细胞群清晰可见。MOB样品(图1(b))中颗粒大小不均匀,有未被剧烈破坏的纤维,可以观察到蛋白体和仍被蛋白体包裹的淀粉体(20～40 μm)。FOB样品(图1(c))中长条状的纤维基质被破坏,淀粉颗粒清晰可见,淀粉颗粒和蛋白体排列紧密。UOB样品(图1(d))中完整的纤维基质基本被破坏,可以观察到纤维碎片和大量破碎的淀粉颗粒,粉体的均匀性提高。

2.3 不同粒径燕麦麸皮的组成

如表2所示,燕麦麸皮基本组分为水分、总膳食纤维、蛋白质、总淀粉和脂肪,在不同粒径的麸皮中,蛋白质、淀粉和脂肪的含量没有明显变化,但是随着粒径的减小,总膳食纤维含量明显下降,不溶性膳食纤维(IDF)占比逐渐降低,可溶性膳食纤维(SDF)含量不断升高,SDF/IDF从0.29上升到1.79,表明粒径降低会导致IDF向SDF转化。原因是随着粒径的减小,纤维素和半纤维素分子间的化学作用被破坏,复杂的多糖逐渐被降解并转化为小分子化合物[17],致使其溶解度提升。此外,燕麦麸皮破损淀粉含量与粒径呈负相关(P<0.05),主要是因为气流冲击磨处理过程中的冲击力和颗粒之间的相互碰撞不可避免地导致淀粉受损。

表2 不同粒径燕麦麸皮的组成

2.4 不同粒径燕麦麸皮的粉体特性

由表3可知,燕麦麸皮的休止角、崩溃角、平板角和压缩度都随粒径减小而增加,尤其是UOB的休止角(57.89°)和崩溃角(57.03°)增加到COB(26.38°、26.01°)的2倍以上。分散度和流动性指数随粒径减小而减小,可能是因为粉体粒径减小后比表面积增大,粉末颗粒之间的摩擦力变大,从而增加颗粒间的黏着力和引力,颗粒不易分散。此外,燕麦麸皮含油量过高,超细粉末更易于团聚,倾向于以锥形排列。这与苦荞麸皮流动性随粒径减小而减小表现一致[18]。

表3 不同粒径燕麦麸皮的粉体特性

燕麦麸皮的松装密度和振实密度随着粒径减小先增加再减小,MOB具有最高的松装密度和振实密度。这是因为COB呈片状,不利于麸皮之间孔隙空间的减小,而MOB呈颗粒状,并且具有比FOB和UOB更宽的粒径分布范围,因此小颗粒能够更好地填补大颗粒之间的缝隙。而粒度进一步减小后,FOB和UOB表现出较MOB更低的密度,说明粒度降低后,粉末内部趋于松散疏松,粉体易于被压实。另外,更细的麸皮粉间的静电引力易使颗粒发生团聚形成大的基团,从而造成颗粒间空隙增大,堆积密度减小[19]。

喷流性是指物料在处理过程中,由于自动充气而流化,使物料产生粉尘或多组分体系产生离析[20]。燕麦麸皮均具有较低的喷流性指数,其中MOB最具有喷流的倾向,在储运和保存中需要采取更好的密封措施。

2.5 不同粒径燕麦麸皮的孔隙特性

孔隙率、孔面积和孔径分布等孔隙特性是表征食品材料质地、扩散和机械性能的重要指标,是粉末样品的重要物理特性[21]。图2(a)显示了不同粒径燕麦麸皮的汞吸附曲线,所有样品的进汞曲线形状均类似于Γ形。COB、MOB、FOB、UOB的最大累计进汞量分别为0.18、0.48、0.81、0.83 mL/g,说明随着粒径的减小,燕麦麸皮样品的孔隙率不断增加,即研磨有效地改变了麸皮结构。

图2 不同粒径燕麦麸皮的孔隙特性

图2(b)展示了不同粒径燕麦麸皮的孔径分布。微分孔体积指单位质量样品的孔隙体积随孔径大小的变化率,其值越大表明该孔径对应的孔隙数量越多[22]。随着粒径的减小,燕麦麸皮孔径分布图的峰所对应的孔径向小孔径方向移动。尤其是UOB,具有最高的峰值,说明在UOB中形成了最多更小的孔隙结构。

由图2(c)可知,COB中38.80%的孔隙分布在100 μm以上,表明COB中的孔隙以大孔(组织层之间的空腔)以及颗粒间隙为主,这与MOB类似,且MOB具有更多的100～300 μm的微孔。FOB和UOB具有相近比例的100～300 μm和50～100 μm的微孔,而主要差异是UOB形成了更多小于10 μm的微孔(47.40%),而FOB形成了更多10～50 μm的微孔(41.39%)。造成这些差异的主要原因包括颗粒间隙的减少和形态的变化,以及麸皮中原有的组织水平和细胞水平上的孔隙在机械力作用下进一步解体。

不同粒径的燕麦麸皮的孔结构分析见表4。随着粒径减小,燕麦麸皮的孔隙率增加,因为在研磨的过程中,强烈的冲击和摩擦作用使燕麦麸皮纤维原本具有的完整网络结构被破坏,这可能导致微孔和水分子之间的毛细管结合减弱[23]。COB相比于其他3组燕麦麸皮,各大小的孔隙所占表面积均是最低的,即研磨打开了燕麦麸皮的网络结构,产生了大量新的孔隙。随着研磨粒径的减小,也发生了原有孔径的破坏,如相比于MOB,FOB中100～300 μm孔隙减少;相比于FOB,UOB中50～100 μm和10～50 μm孔隙减少。

表4 不同粒径燕麦麸皮的孔结构分析

2.6 不同粒径燕麦麸皮的ζ电位

如图3所示,ζ电位表明动物双歧杆菌A6表面携带负电荷((-23.03±0.15) mV),而麸皮和麸皮食糜都带负电荷。随着粒径的减小,燕麦麸皮和燕麦麸皮食糜ζ电位绝对值不断减小,说明研磨使麸皮体系进入更无序的状态;而消化后的麸皮均具有比消化前更高的ζ电位绝对值,这可能是因为消化破坏了燕麦麸皮的蛋白质、淀粉等基质,暴露出更多极性基团及更多的带电SDF[24]。ζ电位绝对值更高的粉末颗粒之间具有更大的静电排斥力,因此团聚现象减少。当ζ电位的绝对值大于30 mV时,可以认为分散体系是稳定的,即COB食糜具有稳定的体系。

注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。图6同。

2.7 不同粒径燕麦麸皮食糜的流变特性

图4显示了燕麦麸皮食糜的表观黏度和剪切应力随剪切速率的变化。燕麦麸皮食糜是一种非牛顿流体,具有剪切稀化的特征,其表观黏度和剪切速率呈现出非线性关系,表观黏度随着剪切速率的增加而下降(图4(a))。由于剪切力破坏了麸皮的氢键和纤维结构,在低剪切速率下表观黏度迅速下降。随着剪切速率的增加,纤维在剪切方向上重新排列,导致表观黏度继续下降。在一个时间点(20 s-1)之后,纤维再次形成网络结构,表观黏度趋于稳定[25]。此外,表观黏度的下降速度与消化前麸皮的颗粒粒径有关。在相同的剪切速率下,MOB表现出最高的表观黏度,其次是COB、FOB和UOB。这是因为相比于其他试验组,MOB具有更为均衡的SDF/IDF。COB的纤维基质未被破坏,难以溶出内部可溶性组分,也难以形成粉末悬浊液,而FOB和UOB则可溶解成分增加。

图4 燕麦麸皮食糜的流变特性

上述结果可以通过剪切应力和剪切速率之间的关系来证明(图4(b))。当颗粒粒径减少到95.51 μm时,剪切应力和剪切速率呈现出线性关系,而且接近于牛顿流体的特性。此外,UOB表现出更加水平的曲线,接近于水溶液。

2.8 不同粒径燕麦麸皮食糜的对益生菌的黏附能力

2.8.1 扫描电镜观察黏附情况

SEM成像证实了动物双歧杆菌A6在燕麦麸皮上的定殖情况。由图5可知,动物双歧杆菌A6呈不规则的V形或Y形。图5(a)中,COB麸皮呈现被降解后光滑、黏稠的表面,A6紧密地附着其上;MOB(图5(b))呈大小不均一、分布不均匀的黏稠小块,A6部分附着表面上、部分嵌入纤维基质内;当粉碎到FOB(图5(c))的程度时,燕麦麸皮开始出现少许的孔洞;当麸皮被超微粉碎(<50 μm)为UOB时(图5(d)),孔洞均匀地分布在麸皮组织中,细菌则密集地包裹住UOB颗粒。上述结果表明,不同粒径的燕麦麸皮微观结构表现出差异性,益生菌对其黏附能力与微观结构形态相关。

注:(a)、(b)、(c)、(d)分别为COB、MOB、FOB、UOB。

2.8.2 益生菌黏附力测定

细菌对基质的黏附对其在基质上的增殖起着重要作用,微生物对底物的黏附能力与底物的结构与物理特性有紧密的联系[26]。如图6所示,当动物双歧杆菌A6分别黏附20 min和80 min时,黏附力表现出对粒度极高的特异性。相比于FOB和UOB,A6能够更好地黏附在COB和MOB上。这可能归因于:(1)COB和MOB具有更多的不可溶性膳食纤维,为益生菌的定殖提供了更多的基质场所,而FOB和UOB中的不可溶性膳食纤维更易被降解,这与电镜的观察结果一致,即在COB和MOB中呈长条状的纤维质在FOB和UOB中已被破碎成纤维碎片,而动物双歧杆菌A6被报道更擅长降解复杂的聚糖[27]。(2)相比于FOB和UOB,COB和MOB具有更稳定的体系;COB和MOB更高的ζ电位绝对值代表其更能够防止颗粒聚集,而FOB和UOB的粉末更倾向于团聚,因此会减小供微生物黏附的可用面积。这与FOB和UOB更低的振实密度一致,即粉末团聚形成了更大的基团[19]。(3)COB和MOB中的孔隙以大孔及颗粒间隙为主,而FOB和UOB完整的网络结构被破坏、颗粒间隙减小、形成更多微孔。这可能导致微孔和水分子之间的毛细管结合减弱,降低微生物接近的可能性。(4)随着粒径减小,燕麦麸皮的流动性也逐渐降低,但由于UOB和FOB更高的可溶性膳食纤维含量,其形成的食糜则具有相比COB和MOB更低的表观黏度。研究表明,不同微生物对不同的食糜黏度有差异性的响应机制[28]。因此可推测动物双歧杆菌A6更倾向于黏附在初始表观黏度更高的样品上。

图6 动物双歧杆菌A6对燕麦麸皮的黏附力

3 结论

燕麦皮麸的粒径对其结构与理化特性具有显著影响。随着粒度减小,燕麦麸皮的蛋白质、脂肪和淀粉的含量未发生显著变化,而膳食纤维含量逐渐降低,可溶和不可溶性膳食纤维的比例显著提高,流动性降低,微孔占比增加,ζ电位绝对值减小。中等粒度的燕麦麸皮食糜具有最高的表观黏度,而超细燕麦麸皮能形成最接近于水溶液的食糜。通过动物双歧杆菌A6在燕麦麸皮食糜上的生长试验可知,粒径能够有效调控动物双歧杆菌A6对燕麦麸皮的黏附。由于超微粉碎会促进纤维基质的破坏、复杂聚糖的降解、粉末的团聚和食糜的水化,动物双歧杆菌A6更倾向于黏附在COB和MOB的表面。从结构、物理和化学角度解析了动物双歧杆菌A6对于大颗粒麸皮的偏好,为进一步解析肠道微生物利用谷物的机制提供了理论基础。