納豆芽胞桿菌發(fā)酵對小米糠膳食纖維結(jié)構(gòu)和理化特性的影響

楊多,王安,陸兆新,呂鳳霞,別小妹,孟凡強,趙海珍

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210095)

膳食纖維(dietary fiber,DF)是一組不能被人體內(nèi)源性酶消化,但可以被腸道菌群部分或完全發(fā)酵的碳水化合物聚合物或低聚物,根據(jù)其在水中的溶解度,DF分為可溶性膳食纖維(soluble dietary fiber,SDF)和不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber,IDF)[1]。近年來,豐富的物質(zhì)生活增加了人們罹患心腦血管病、肥胖癥和糖尿病等疾病的風(fēng)險。在對這些疾病的研究過程中,DF因具有降血脂、降血糖、預(yù)防肥胖和調(diào)節(jié)腸道菌群等作用受到了廣泛關(guān)注[2]。因此,改善DF的結(jié)構(gòu)和特性,進一步提高其預(yù)防和治療疾病的效果,是目前學(xué)者們研究的重點之一。

小米是亞洲、歐洲(主要是俄羅斯)和非洲部分地區(qū)的重要糧食作物,中國的小米年產(chǎn)量高達(dá)約450萬t,其副產(chǎn)物小米糠主要由種皮、糊粉層、果皮、胚和淀粉質(zhì)胚乳組成,年產(chǎn)量約40萬t[3]。小米糠含有豐富的木質(zhì)素、纖維素和半纖維素等,是DF的潛在優(yōu)質(zhì)來源之一[4]。然而,大量的小米糠主要用作動物飼料或直接被當(dāng)作廢料處理,造成了巨大的資源浪費。目前,關(guān)于谷物DF的研究以稻米糠、麥麩和豆粕等居多[5],而對小米糠DF的研究相對較少,且研究方法主要為物理法、酶法或兩者結(jié)合的方法。Wei等[6]研究了高溫、高壓和超聲波處理對小米糠SDF理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的影響,發(fā)現(xiàn)超聲波處理最顯著改善了小米糠SDF的理化性質(zhì)。姜龍波等[7]通過優(yōu)化纖維素酶和木聚糖酶復(fù)合改性制備小米糠SDF的條件,將小米糠SDF的得率提高到12.46%。丁彩云等[8]利用高溫-復(fù)合酶法有效改善了小米糠DF的結(jié)構(gòu)和特性,處理后SDF的得率達(dá)到17.27%。

近年來,微生物法越來越受到人們的關(guān)注,利用微生物發(fā)酵農(nóng)副產(chǎn)品制備DF具有成本低、產(chǎn)量高和環(huán)境污染小等優(yōu)勢,菌株發(fā)酵的過程還可以賦予DF獨特的風(fēng)味和營養(yǎng)活性成分。Jia等[9]優(yōu)化了綠色木霉發(fā)酵脫脂米糠制備SDF的條件,將米糠SDF的產(chǎn)量從10.5%提高到33.4%,并且使SDF的結(jié)構(gòu)變得更疏松,功能特性也得到不同程度的提高。納豆芽胞桿菌是枯草芽孢桿菌屬的一個亞種,從日本傳統(tǒng)食品納豆中分離出來,因其具有良好的益生作用而被廣泛應(yīng)用[10]。研究表明,納豆芽胞桿菌可以分泌酶活性較高的納豆激酶、淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶等水解酶[11],在利用底物的同時還能產(chǎn)生多種生物活性物質(zhì),進一步提高產(chǎn)品的營養(yǎng)價值(如抗氧化性)[12],因此可以被用作發(fā)酵改性和制備DF的優(yōu)選菌株。在食品行業(yè)中,納豆芽胞桿菌主要應(yīng)用于功能性飲料、食品添加劑、發(fā)酵豆制品和乳制品等的研發(fā)中,將其運用到DF的相關(guān)研究比較稀少。Chu等[13]通過納豆芽胞桿菌發(fā)酵小米糠增加了總膳食纖維中SDF的占比,并且改善了小米糠總膳食纖維的性質(zhì),但并未闡明其中SDF和IDF發(fā)生的具體變化。許多研究通常將總膳食纖維特性的改善歸功于其中SDF比例的提高,而忽視了IDF的作用。此外,鮮少有研究系統(tǒng)地同時關(guān)注處理前后SDF和IDF的差異變化,這些造成了SDF和IDF發(fā)展的不平衡以及資源的浪費。

因此,本文研究納豆芽胞桿菌發(fā)酵對小米糠SDF和IDF的組成、結(jié)構(gòu)和理化特性的影響,旨在推動我國小米糠資源的高值化開發(fā)利用,推進小米糠DF的研究進展,并為后續(xù)試驗提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小米糠為中國河北省邢臺市的黃金谷(Setariaitalic)的副產(chǎn)物;納豆芽胞桿菌由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)酶工程實驗室分離、保存。大豆油和雞蛋購自南京當(dāng)?shù)厥袌?淀粉葡萄糖苷酶(≥100 000 U·mL-1)、耐高溫α-淀粉酶(≥20 000 U·mL-1)、中性蛋白酶(≥100 U·mL-1)、堿性蛋白酶(≥200 U·mL-1)和3,5-二硝基水楊酸(DNS)購自上海源葉生物科技有限公司;膽固醇(≥99%)和膽酸鈉(≥98%)購自上海麥克林生化有限公司;正己烷、無水乙醇、鹽酸、氫氧化鈉和丙酮等購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司;1-苯基-3-甲基-5-吡唑啉酮(PMP)、單糖標(biāo)品購自上海晶純生化科技股份有限公司;其他化學(xué)品和試劑均為分析純,購自南京化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DF-101S數(shù)顯電動恒溫油水浴攪拌器購自河南豫華儀器科技有限公司;Mastersizer 3000激光粒度分析儀購自英國馬爾文公司;MCR301流變儀購自德國安東帕公司;Eppendorf 5804R臺式高速冷凍離心機購自德國Eppendorf公司;XL-30ESEM掃描電子顯微鏡購自荷蘭PHILIPS公司;UltiMate 3000高效液相色譜購自美國Thermo公司;NEXUS870光譜儀購自美國NICOLET公司;Smartlab 9kw X-射線衍射儀購自日本Rigaku公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 發(fā)酵前后膳食纖維樣品的制備和純化1)小米糠的脫脂處理。以1∶2.5的比例向小米糠中加入正己烷,攪拌2 h后棄去上清液,重復(fù)3次。脫脂后的小米糠置于通風(fēng)櫥中,干燥10 h后儲存在-20 ℃?zhèn)溆谩?/p>

2)脫脂小米糠膳食纖維的制備。采用朱玉[14]的方法進行:10 g脫脂小米糠中加入100 mL蒸餾水,在95～100 ℃加熱15 min后,將混合物在50 ℃攪拌30 min。將體系pH值調(diào)至6.2,加入耐高溫α-淀粉酶于95 ℃攪拌1 h,再加入淀粉葡萄糖苷酶(pH4.5)于60 ℃繼續(xù)反應(yīng)1 h。然后,pH值調(diào)至7.5,將混合物與中性蛋白酶混合,并在45 ℃孵育2 h。最后,在沸水中加熱15 min以滅酶?；旌衔锢鋮s后,8 000 r·min-1離心5 min,用75 ℃的蒸餾水洗滌沉淀3次,合并上清液。將沉淀冷凍干燥并標(biāo)記為小米糠不溶性膳食纖維(R-IDF)。向合并的上清液中加入4倍體積的95%乙醇,置于4 ℃醇沉12 h,8 000 r·min-1離心5 min,獲得沉淀并冷凍干燥,記為小米糠可溶性膳食纖維(R-SDF)。

3)脫脂小米糠的發(fā)酵及其膳食纖維的制備。采用Chu等[13]的方法進行:將活化的納豆芽胞桿菌單菌落接種到100 mL的種子培養(yǎng)基[蛋白胨1 g、NaCl 0.5 g、牛肉膏0.3 g、蒸餾水100 mL,pH(7.0～7.2)]中進行復(fù)蘇(37 ℃、180 r·min-1培養(yǎng)24 h)。用0.9%的生理鹽水將菌體密度調(diào)至107～108CFU·mL-1,然后以3%(體積分?jǐn)?shù))的接種量接種到滅菌后的發(fā)酵培養(yǎng)基中(脫脂小米糠10 g、葡萄糖0.1 g、NaCl 0.5 g、蒸餾水100 mL,pH8.0)。于37 ℃、180 r·min-1發(fā)酵48 h后,將發(fā)酵產(chǎn)物離心(8 000 r·min-1,5 min)。用75 ℃蒸餾水洗滌沉淀3次,合并上清液。將沉淀冷凍干燥,標(biāo)記為發(fā)酵不溶性膳食纖維(F-IDF)。合并的上清液加入4倍體積95%乙醇于4 ℃醇沉12 h,8 000 r·min-1離心5 min,得到沉淀并冷凍干燥,記為發(fā)酵可溶性膳食纖維(F-SDF)。

4)膳食纖維的純化。采用Sevag法[15]去除R-SDF和F-SDF中的蛋白質(zhì)以獲得脫蛋白的SDF。采用酶法對IDF進行脫蛋白。分別向10 g R-IDF和F-IDF中加入100 mL蒸餾水,并將pH值調(diào)至9.0。然后,加入堿性蛋白酶于55 ℃攪拌3 h。將混合物用中性蛋白酶(pH7.5)在 45 ℃酶解3 h后,8 000 r·min-1離心5 min。隨后,向沉淀中加入10倍體積的80%乙醇并在40 ℃攪拌30 min。最后,將混合物離心(8 000 r·min-1,5 min)凍干以獲得脫蛋白的IDF。在后續(xù)試驗中,均使用此純化的SDF和IDF。

1.3.2 基本成分測定1)SDF和IDF的得率根據(jù)下式計算:

SDF或IDF的得率=SDF或IDF的質(zhì)量/原料小米糠的質(zhì)量×100%

(1)

2)SDF和IDF的灰分、水分、脂肪和蛋白質(zhì)含量分別按《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中灰分的測定:GB 5009.4—2016》《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測定:GB 5009.3—2016》《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪的測定:GB 5009.6—2016》和《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測定:GB 5009.5—2016》進行測定,膳食纖維含量即純度的測定參照《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中膳食纖維的測定:GB 5009.88—2014》。

1.3.3 單糖組成分析采用王文秀[16]的方法測定SDF和IDF的單糖組成并對檢測條件稍做修改:單糖標(biāo)品為葡萄糖、鼠李糖、半乳糖、半乳糖酸酸、阿拉伯糖、木糖、葡萄糖醛酸、甘露糖、核糖和巖藻糖。使用配備紫外檢測器的UltiMate 3000高效液相色譜進行測定。檢測條件:Agilent ZORBAX SB-C18柱(4.6 mm×250 mm,5 μm);流動相為83%(體積分?jǐn)?shù))的磷酸鹽緩沖液(0.10 mol·L-1,pH6.7)和17%的乙腈;流速為0.70 mL·min-1;柱溫為30 ℃;檢測波長為245 nm。單糖的含量通過相應(yīng)標(biāo)品的標(biāo)準(zhǔn)曲線計算得到,最終計算出樣品中每種單糖組成的摩爾百分比。

1.3.4 掃描電子顯微鏡觀察用雙面導(dǎo)電膠帶分別將適量干燥至恒重的SDF和IDF固定在樣品臺上,放入離子濺射儀中鍍上10 nm金膜,并在XL-30ESEM掃描電子顯微鏡上觀察膳食纖維的表觀形態(tài)。在 5 000 倍放大倍數(shù)下拍攝各樣品的掃描電子顯微鏡照片。

1.3.5 粒徑分析分別將0.5 g的SDF和IDF分散在30 mL蒸餾水中,采用Mastersizer 3000激光粒度分析儀進行測量。試驗參數(shù):折射率為1.47;遮光度為5%～12%;分散劑折射率為1.33;粒徑范圍為0.02～2 000 μm。

1.3.6 傅里葉變換紅外光譜分析將2 mg的SDF和IDF分別與200 mg KBr混合并研磨均勻,進行壓片處理。采用NEXUS870光譜儀記錄4 000～400 cm-1范圍內(nèi)樣品的傅里葉變換紅外光譜。掃描64次,分辨率為4 cm-1。

1.3.7 X-射線衍射測量Smartlab 9kW X-射線衍射儀被用于測試SDF和IDF的結(jié)晶情況。測量條件:測試電壓為40 kV;測試電流為40 mA;掃描范圍為5～70°(2θ);步長為0.02°;掃描速率為2°·min-1。樣品的結(jié)晶度用Origin軟件計算,結(jié)晶度(degree of crystallinity,Dc)由下式得到:

Dc=結(jié)晶區(qū)面積/(結(jié)晶區(qū)面積+非晶區(qū)面積)×100%

(2)

1.3.8 黏度測定將SDF以1∶25的比例溶解在蒸餾水中。采用MCR301流變儀在25 ℃ 條件下測量SDF的黏度。條件:50 mm不銹鋼平板;板間距為1 mm;剪切速率為0.1～1 000 s-1;加樣量為1 mL。

1.3.9 持水力、持油力和膨脹力測定1)持水力測定。分別稱取0.5 g的SDF和IDF置于離心管中,加入5 mL蒸餾水在37 ℃浸泡2 h,8 000 r·min-1離心5 min,棄上清液后稱重,然后于烘箱中烘干再稱重,最后取出離心管中的樣品殘渣并稱重。按照如下公式計算持水力:

持水力=(樣品和離心管吸水后的濕重-樣品和離心管烘干后的質(zhì)量)/樣品殘渣的質(zhì)量

(3)

2)持油力測定。分別稱取0.5 g的SDF和IDF置于離心管中,加入5 mL大豆油在37 ℃靜置1.5 h,8 000 r·min-1離心5 min后,除去上層油樣,收集殘渣并稱重。按照如下公式計算持油力:

持油力=(樣品吸油后的質(zhì)量-樣品吸油前的質(zhì)量)/樣品吸油前的質(zhì)量

(4)

3)膨脹力測定。分別稱取0.5 g的SDF和IDF置于10 mL量筒中(封口),讀取干品體積,向其中加入5 mL蒸餾水,室溫條件下靜置2 h后,讀取膨脹體積。按照如下公式計算:

膨脹力=(樣品膨脹后的體積-樣品的干品體積)/樣品的干品質(zhì)量

(5)

1.3.10 乳化活性(EA)和乳化穩(wěn)定性(ES)測定向離心管中加入等體積的SDF溶液(20 mg·mL-1)和大豆油,均質(zhì)成乳液。將混合物1 200g離心5 min以獲得乳化層的高度。乳化活性(EA)計算公式如下:

EA=乳化層高度/離心管中液體的總高度×100%

(6)

將上述離心后的乳液在80 ℃加熱30 min,然后1 200g離心5 min。根據(jù)以下公式計算ES:

ES=加熱后乳化層的高度/加熱前乳化層的高度×100%

(7)

1.3.11 膽固醇和膽汁酸吸附能力測定1)膽固醇吸附能力(CAC)的測定采用朱玉[14]的方法。取新鮮蛋黃與蒸餾水(1∶9)混合打成蛋黃乳液,分別稱取1 g的SDF和IDF于離心管內(nèi),加入25 mL蛋黃乳液,分別將pH值調(diào)為2.0和7.0。于37 ℃振蕩2 h后取出,14 000 r·min-1離心5 min后,取上清液采用鄰苯二甲醛法測定膽固醇含量。CAC計算公式如下:

CAC=(吸附前上清液中膽固醇的含量-吸附后上清液中膽固醇的含量)/樣品的質(zhì)量

(8)

2)膽汁酸吸附能力(BAAC)測定。用磷酸鹽緩沖液(pH6.9)制備10 μmol·mL-1的標(biāo)準(zhǔn)膽酸鈉溶液。分別將0.5 g的SDF和IDF與20 mL的標(biāo)準(zhǔn)膽酸鈉溶液在37 ℃攪拌2 h,14 000 r·min-1離心5 min,取上清液,并采用糠醛比色法測定上清液中膽酸鈉的含量。BAAC的計算公式如下:

BAAC=(吸附前上清液中膽酸鈉的含量-吸附后上清液中膽酸鈉的含量)/樣品的質(zhì)量

(9)

1.3.12 葡萄糖吸附能力(GAC)和透析延遲指數(shù)(GDRI)測定1)GAC的測定采用黃六容等[17]的方法并略作修改。將0.1 g的SDF和IDF分別與20 mL 50 mmol·L-1的葡萄糖溶液在37 ℃振蕩 2 h,然后在 14 000 r·min-1離心10 min獲得上清液。使用DNS法檢測上清液中葡萄糖的含量,GAC 計算公式如下:

GAC=(吸附前上清液中葡萄糖的含量-吸附后上清液中葡萄糖的含量)/樣品的質(zhì)量

(10)

2)GDRI的測定。將0.5 g的SDF和IDF分別與25 mL葡萄糖溶液(50 mmol·L-1)在37 ℃攪拌1 h。將混合物放入透析袋中,在37 ℃對100 mL蒸餾水透析。分別于10、30、60 和 120 min取樣,采用DNS法測定透析液中葡萄糖的含量,以不添加DF的處理作為對照組。GDRI計算公式如下:

GDRI=1-樣品組透析液中葡萄糖的含量/對照組透析液中葡萄糖的含量×100%

(11)

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

2 結(jié)果與分析

2.1 納豆芽胞桿菌發(fā)酵對膳食纖維基本成分和單糖組成的影響

可溶性膳食纖維(SDF)和不溶性膳食纖維(IDF)的得率、純度和基本成分見表1。經(jīng)過納豆芽胞桿菌發(fā)酵,SDF得率由5.17%增加到19.36%,IDF的得率由42.13%下降到28.73%(P<0.05)。發(fā)酵可溶性膳食纖維(F-SDF)和發(fā)酵不溶性膳食纖維(F-IDF)的灰分、水分、脂肪和蛋白質(zhì)含量均顯著低于小米糠可溶性膳食纖維(R-SDF)和小米糠不溶性膳食纖維(R-IDF),這使F-SDF(82.44%)的膳食纖維含量即純度顯著高于R-SDF(76.12%),F-IDF(76.01%)的膳食纖維含量即純度顯著高于R-IDF(73.45%)。以上結(jié)果表明,納豆芽胞桿菌發(fā)酵可以提高小米糠SDF的得率和DF的純度。

如表1所示:在SDF和IDF中均檢測到葡萄糖、甘露糖、鼠李糖、葡萄糖醛酸、半乳糖、木糖和阿拉伯糖。在R-SDF和F-SDF中葡萄糖含量均最高,且F-SDF(91.36%)的葡萄糖含量顯著高于R-SDF(75.06%)。與R-SDF相比,F-SDF的葡萄糖醛酸含量沒有差異,其余單糖含量均顯著下降。此外,表中結(jié)果顯示木糖、阿拉伯糖和葡萄糖是IDF的主要成分。F-IDF的木糖和阿拉伯糖含量分別為34.97%和12.53%,顯著低于R-IDF的木糖(53.77%)和阿拉伯糖(16.83%)含量,半乳糖含量沒有顯著性差異,其余單糖含量均顯著高于R-IDF。

表1 可溶性膳食纖維(SDF)和不溶性膳食纖維(IDF)的基本成分和單糖組成Table 1 The basic components and monosaccharide composition of soluble dietary fiber(SDF) and insoluble dietary fiber(IDF) %

圖1 SDF和IDF的掃描電子顯微鏡圖片F(xiàn)ig.1 The scanning electronic micrograph for SDF and IDF

2.2 納豆芽胞桿菌發(fā)酵對膳食纖維表觀結(jié)構(gòu)的影響

掃描電子顯微鏡圖片顯示各樣品之間的表觀結(jié)構(gòu)完全不同(圖1)。R-SDF呈排列緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),有許多不規(guī)則的小空隙;F-SDF則呈蜂窩狀結(jié)構(gòu),表面有大而規(guī)則的孔洞,通過這些孔洞可以直接看到內(nèi)部的空巢結(jié)構(gòu)?？椎拇笮『蜕疃缺砻鱂-SDF的結(jié)構(gòu)更松散,并暴露出更多的表面積;R-IDF的表面呈片狀,空隙較少,結(jié)構(gòu)比較光滑致密。經(jīng)過納豆芽胞桿菌發(fā)酵,F-IDF的表面變得破碎而松散,并伴有較深的溝壑和層狀結(jié)構(gòu),松散的表面形態(tài)表明發(fā)酵使得IDF的結(jié)構(gòu)也變得疏松。

2.3 納豆芽胞桿菌發(fā)酵對膳食纖維粒徑的影響

由圖2-A可見:R-SDF的粒度分布曲線范圍較廣,在1～4 000 μm觀察到3個明顯的粒度峰。相比之下,F-SDF則顯示出非常窄的曲線范圍,在0.4～4 μm僅有1個峰。因此,納豆芽胞桿菌發(fā)酵使SDF的粒度變得小且均勻。R-IDF和F-IDF的粒度分布曲線均含有3個峰(圖2-B),但發(fā)酵減少了F-IDF在800～4 000 μm的顆粒數(shù),并提高了其在1～300 μm的顆粒數(shù),表明納豆芽胞桿菌發(fā)酵使得IDF的粒度也減小了。通過Mastersizer 3000激光粒度分析儀測得的數(shù)據(jù)可知,F-SDF和F-IDF因其粒徑的減小,比表面積分別由(251.60±20.91)和(135.57±2.05)m2·kg-1增加到(3 880.67±4.11)和(176.23±4.69)m2·kg-1。

圖2 SDF(A)和IDF(B)的粒度分布曲線Fig.2 The particle size distribution curve of SDF(A)and IDF(B)

圖4 SDF和IDF的X-射線衍射圖譜Fig.4 The X-ray diffraction patterns of SDF and IDF

圖3 SDF和IDF的傅里葉變換紅外光譜Fig.3 The Fourier-transformed infrared spectroscopy spectra of SDF and IDF

2.4 納豆芽胞桿菌發(fā)酵對膳食纖維官能團的影響

2.5 納豆芽胞桿菌發(fā)酵對膳食纖維結(jié)晶情況的影響

R-SDF和F-SDF的X-射線衍射圖譜(圖4)之間的較大差異表明發(fā)酵使得SDF的晶體特性發(fā)生了顯著變化。R-SDF在2θ=20°附近有少量結(jié)晶峰,同時在2θ=30～50°存在幾個強結(jié)晶峰。相比之下,F-SDF的X-射線衍射圖譜則變得平坦且無定形,表明發(fā)酵使SDF的晶體構(gòu)型被破壞。Origin軟件計算結(jié)果顯示,R-SDF和F-SDF的結(jié)晶度分別為(31.63±2.45)%和(19.79±2.20)%,表明納豆芽胞桿菌發(fā)酵使SDF的結(jié)晶度降低了11.84%。IDF的X-射線衍射圖譜峰形相似且峰位無明顯變化,但是與R-IDF相比,F-IDF的結(jié)晶度由(30.62±1.35)%增加到(35.55±0.98)%。

圖5 剪切速率對SDF黏度的影響Fig.5 The effect of shear rate on the viscosity of SDF

2.6 納豆芽胞桿菌發(fā)酵對可溶性膳食纖維黏度的影響

SDF的黏度隨剪切速率的變化如圖5所示。隨著剪切速率的升高,SDF的黏度逐漸降低并趨于平緩,表現(xiàn)出剪切稀化現(xiàn)象,顯示出假塑性流體的特性。F-SDF的初始黏度為0.43 Pa·s,是R-SDF初始黏度(0.12 Pa·s)的3.58倍,且F-SDF的黏度始終高于R-SDF,表明納豆芽胞桿菌發(fā)酵可以提高SDF的黏度。

2.7 納豆芽胞桿菌發(fā)酵對膳食纖維持水力、持油力、膨脹力和乳化性的影響

如表2所示:F-SDF的持水力和膨脹力分別為6.47 g·g-1和5.96 mL·g-1,分別是R-SDF的1.43和3.57倍。F-IDF的膨脹力為4.55 mL·g-1,是R-IDF(2.25 mL·g-1)的2.02倍,但兩者持水力之間沒有顯著性差異。F-SDF的乳化活性和乳化穩(wěn)定性分別為24.75%和92.95%,分別是R-SDF的2.35和1.70倍,可能是在納豆芽胞桿菌發(fā)酵的過程中使得一些纖維物質(zhì)中的疏水基團暴露出來,從而提高了乳化性。SDF和IDF的持油力均無顯著性差異。由此可知,納豆芽胞桿菌發(fā)酵改善了SDF和IDF的部分特性。

表2 SDF和IDF的持水力、膨脹力、持油力和乳化性Table 2 The water holding capacity,water swelling capacity,oil-binding capacity, and emulsifyingproperties of SDF and IDF

2.8 納豆芽胞桿菌發(fā)酵對膳食纖維膽固醇、膽汁酸和葡萄糖吸附能力的影響

由表3可見:pH值對DF的膽固醇吸附能力有很大影響,每個樣品在pH值為2(胃環(huán)境)時的膽固醇吸附能力均低于pH值為7(小腸環(huán)境)時,可能是強酸性環(huán)境影響了DF的結(jié)構(gòu)。當(dāng)pH值為7時,F-SDF的膽固醇吸附能力為7.61 mg·g-1,是R-SDF的1.82倍。F-IDF的膽固醇吸附能力為6.38 mg·g-1,是 R-IDF 的1.35倍。在膽汁酸吸附能力方面,F-SDF的膽汁酸吸附能力為95.13 μmol·g-1,顯著高于R-SDF。F-IDF的膽汁酸吸附能力為42.03 μmol·g-1,顯著低于R-IDF(57.99 μmol·g-1)。結(jié)果表明,納豆芽胞桿菌發(fā)酵可以提高SDF和IDF的膽固醇吸附能力和SDF的膽汁酸吸附能力。

表3 SDF和IDF的膽固醇、膽汁酸和葡萄糖吸附能力以及葡萄糖透析延遲指數(shù)Table 3 The cholesterol,bile acid and glucose absorption capacity and glucose dialysis retardation index of SDF and IDF

如表3所示:所有樣品均有一定程度的葡萄糖吸附能力,但彼此間并無顯著差異。R-SDF、F-SDF和 F-IDF 的葡萄糖透析延遲指數(shù)均逐漸減小并趨于平穩(wěn),而R-IDF的葡萄糖透析延遲指數(shù)則先增大后減小。F-SDF的葡萄糖透析延遲指數(shù)一直顯著高于R-SDF;F-IDF的葡萄糖透析延遲指數(shù)起初顯著高于R-IDF,但隨著時間的推移則不再存在顯著性差異。

3 討論與結(jié)論

本研究結(jié)果表明,納豆芽胞桿菌發(fā)酵顯著提高了SDF的得率和DF的純度。SDF得率的提高可能是納豆芽胞桿菌通過分泌β-葡萄糖苷酶(一種典型的纖維素分解酶)將IDF部分降解成了可溶性成分[18]。而DF純度的提高則得益于其他組分含量的降低。其中,水分的減少可能與DF結(jié)構(gòu)變得更加疏松有關(guān),而其余組分的減少是由于納豆芽胞桿菌在發(fā)酵過程中可以分泌一些水解酶,并利用小米糠中的蛋白質(zhì)和脂肪等物質(zhì)來維持自身生長[11]。發(fā)酵后SDF中單糖組成的變化可能與其中可溶性半纖維素的降解有關(guān),甘露糖、鼠李糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖等是植物細(xì)胞壁中半纖維素的主要成分[19],這些單糖含量的降低意味著F-SDF中的可溶性半纖維素含量下降。本研究還發(fā)現(xiàn),木糖和阿拉伯糖是R-IDF和F-IDF的主要成分。因為小米糠IDF很大一部分是由阿拉伯木聚糖組成的,阿拉伯木聚糖是一種半纖維素,可以被水解產(chǎn)生大量的木糖和阿拉伯糖[14]。IDF中木糖和阿拉伯糖含量的降低意味著納豆芽胞桿菌發(fā)酵過程中利用了其中部分的阿拉伯木聚糖。

在結(jié)構(gòu)方面,通過掃描電子顯微鏡和粒徑分析發(fā)現(xiàn)DF的結(jié)構(gòu)變得疏松,粒徑減小且比表面積變大。松散的結(jié)構(gòu)特征和較大的比表面積均與DF的理化性質(zhì)有很大關(guān)系,例如促進水分子的吸附和保留[20],這可以解釋SDF和IDF部分理化特性提高的原因。傅里葉紅外變換光譜和X-射線衍射的結(jié)果表明,發(fā)酵后DF的官能團和結(jié)晶情況也發(fā)生了改變。發(fā)酵前后SDF的傅里葉變換紅外光譜峰形有較大不同,表明SDF的官能團組成發(fā)生了變化。而IDF僅是發(fā)酵前后峰的吸收強度不同,這可能與IDF基本組成的變化有關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn),與R-SDF相比,F-SDF的X-射線衍射圖譜變得平坦且光滑,可能是由于納豆芽胞桿菌發(fā)酵使得SDF的粒徑減小且結(jié)構(gòu)變疏松,從而導(dǎo)致其晶體構(gòu)型變得無序,結(jié)晶度下降。對于IDF而言,發(fā)酵前后的X-射線衍射圖譜均為典型的纖維素I型,屬于結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)共存的狀態(tài)[21]。發(fā)酵后IDF結(jié)晶度的升高可能與半纖維素和纖維素有關(guān),Scheller等[22]發(fā)現(xiàn)半纖維素通常具有無組織和無定形的結(jié)構(gòu),很容易被酶水解。同時,纖維素的聚集可以形成結(jié)晶纖維素的核心[23]。F-IDF表面的半纖維素可能被納豆芽胞桿菌分泌的酶水解,暴露出了內(nèi)部的結(jié)晶纖維素核心,導(dǎo)致結(jié)晶度升高。

在理化特性方面,納豆芽胞桿菌發(fā)酵提高了SDF的黏度,這與其粒徑的減小有關(guān)[24]。黏度的升高可以增加DF對物質(zhì)的吸附能力,這可以解釋F-SDF較高的膽固醇吸附能力、膽汁酸吸附能力和葡萄糖透析延遲指數(shù)。據(jù)報道,高黏度的DF會減慢物質(zhì)在小腸中的轉(zhuǎn)運時間,降低葡萄糖和膽鹽的吸收率,從而使血糖和膽固醇濃度下降[25]。因此,納豆芽胞桿菌發(fā)酵提高了SDF作為功能性食品的潛力。發(fā)酵還提高了SDF的持水力(高于蒸汽爆破處理的苦蕎麩皮SDF的2.65 g·g-1[26])、膨脹力(高于酶法提取的谷子SDF的1.01 mL·g-1[27])、乳化活性和乳化穩(wěn)定性。據(jù)研究,擁有較高持水力和膨脹力的DF可以增強飽腹感、促進腸道蠕動和緩解便秘[28],高乳化活性和乳化穩(wěn)定性也有助于保持健康,可以吸附小腸中的膽汁酸,從而降低血液中的膽固醇含量[29]。DF吸附膽固醇可以降低人體血液中的膽固醇含量,預(yù)防心腦血管疾病的發(fā)生。本研究發(fā)現(xiàn),F-SDF(高于好食脈孢菌發(fā)酵的麥麩SDF的2.43 mg·g-1[30])和F-IDF的膽固醇吸附能力均顯著性提高。DF還可以吸附膽汁酸并阻止其重吸收,從而影響膽固醇的肝腸循環(huán)以降低血脂[14]。發(fā)酵使SDF的膽汁酸吸附能力提升,IDF的膽汁酸吸附能力下降。Cornfine等[31]認(rèn)為影響膽汁酸吸附能力的機制非常復(fù)雜,DF的結(jié)構(gòu)、組成和降解程度是其決定因素。因此,可能需要進一步的研究來闡明這一結(jié)果。在本研究中,各DF之間的葡萄糖吸附能力無顯著性差異,這與Dong等[32]的結(jié)果一致。為了進一步探究發(fā)酵前后DF對葡萄糖的作用,本研究測量了葡萄糖透析延遲指數(shù),它是有效反映胃腸道葡萄糖延遲吸收的體外指標(biāo)。結(jié)果表明,F-SDF具有較好的葡萄糖擴散抑制作用,這與其較高的黏度和較松散的結(jié)構(gòu)有關(guān)。據(jù)報道,DF對葡萄糖擴散的抑制作用可歸因于2個方面:DF利用黏性網(wǎng)絡(luò)阻止葡萄糖擴散;由于其結(jié)構(gòu)特征,DF對葡萄糖具有吸附結(jié)合作用[33-34]。此外本研究還發(fā)現(xiàn),F-IDF的葡萄糖透析延遲指數(shù)起初顯著高于R-IDF,但隨著時間的推移逐漸失去了顯著性差異。原因可能是隨著時間的推移,IDF的聚集和沉淀減小了其與葡萄糖的接觸面積,造成了上述變化。

綜上所述,本研究發(fā)現(xiàn)納豆芽胞桿菌發(fā)酵改善了小米糠SDF和IDF的結(jié)構(gòu)和理化特性。其中,發(fā)酵對SDF的改善作用更加顯著,F-SDF大部分的特性都得到了提高,顯示出了成為功能性食品成分的巨大潛力。納豆芽胞桿菌發(fā)酵也顯著性提高了小米糠IDF的部分特性,如膨脹力和膽固醇吸附能力,表明其具有較好的應(yīng)用前景。本研究推動了我國小米糠資源的高值化開發(fā)利用,并且推進了小米糠DF的研究進展,后續(xù)還需對發(fā)酵前后小米糠DF的具體功能展開進一步研究。