谷麸是制备膳食纤维的优质原料，但统计数据显示目前谷麸质利用率不足20%[1]。小米麸皮（millet bran，MB）为小米加工的主要副产物，目前主要用作禽类饲料或直接废弃，造成了资源的浪费。小米麸皮膳食纤维（millet bran total dietary fiber，MBTDF）的含量高[2-3]，但其中可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）含量较低，为2%～3%，只有SDF 含量在10%以上才能称为高品质膳食纤维，反之只能被称作填充型膳食纤维[4-5]，后者的降血糖、降胆固醇等功能性比较有限。
酶法改性技术现常用于提高可溶性膳食纤维含量，该法条件温和、可控、无溶剂残留问题[6]。周小理等[7]采用纤维素酶对苦荞麸皮进行改性处理，水溶性膳食纤维含量提高了17.41%，持水力、膨胀力均显著提高。朱玉等[8]采用纤维素酶改性小米糠，以体外胆固醇吸附活性为指标对改性工艺进行优化，改性后膳食纤维体外吸附胆固醇量为14.21 mg/g，提高了1.4 倍。张梦云[9]采用复合酶法对麦麸膳食纤维进行改性，改性后麦麸膳食纤维的持油力、葡萄糖吸附能力、亚硝酸根离子吸附能力及阳离子交换能力均显著提高。陈闯等[10]使用复合酶处理玉米皮渣，可溶性膳食纤维得率为2.996%。本文对小米麸皮膳食纤维采用纤维素酶进行改性处理，以提高可溶性膳食纤维的得率，通过正交试验优化改性工艺，并对改性处理前后小米麸皮的理化特性进行研究，以期为小米麸皮的开发利用及优质膳食纤维的制备提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
小米麸皮：内蒙古赤峰市阿鲁科尔沁金丰米业有限责任公司；α-淀粉酶（4 000 U/g）、糖化酶（10 万U/g）、纤维素酶（30 U/g）：上海源叶生物科技有限公司；氢氧化钠、胆固醇：国药集团化学试剂有限公司；无水乙醇：西陇科学股份有限公司；柠檬酸钠：天津市众联化学试剂有限公司。以上试剂均为分析纯。
1.2 仪器与设备
HH-601 恒温水浴锅：常州市金坛区环宇科学仪器厂；SHZ-D（Ш）循环水真空泵：金坛市金祥龙电子有限公司；CLF-308 超微粉碎机：浙江省温岭市创力药材器械厂；BSA224S 电子天平：赛多利斯科学仪器有限公司；DZF-1ASB 真空干燥箱：北京科伟永兴仪器有限公司；TG16-WS 台式离心机：湖南沪康离心机有限公司；DF-101S 恒温磁力搅拌器：上海力辰邦西仪器科技有限公司。
1.3 方法
1.3.1 工艺流程
小米麸皮→清洗、55 ℃烘干→粉碎过60 目筛→混合酶水解淀粉（α-淀粉酶、糖化酶）→沸水浴中灭酶→NaOH 溶液水解蛋白质、脂肪→抽滤水解至中性→干燥→粉碎过60 目筛→小米麸皮膳食纤维→纤维素酶处理→沸水浴中灭酶→醇沉→离心→干燥→改性小米麸皮膳食纤维。
1.3.2 小米麸皮膳食纤维的制备
准确称取5 g 过筛后的小米麸皮，料液比固定为1∶10（g/mL），加入4.0%混合酶（α-淀粉酶∶糖化酶质量比为1∶6），置于72 ℃水浴中恒温加热110 min，取出放入沸水浴中灭酶5 min，加入5% NaOH 溶液于沸水浴中加热50 min，然后抽滤水洗至中性，干燥至恒重后过60 目筛，即为小米麸皮膳食纤维。
1.3.3 小米麸皮膳食纤维改性处理单因素试验
准确称取5g 过筛后的MBTDF，加入50mL0.05mol/L pH4.6 的柠檬酸缓冲液，以纤维素酶添加量、反应温度、反应时间为研究对象进行单因素试验，分别考察纤维素酶添加量（1.5%、2.5%、3.5%、4.5%、5.5%）、反应温度（50、55、60、65、70 ℃）、反应时间（5、6、7、8、9 h）对可溶性膳食纤维（SDF）得率的影响。可溶性膳食纤维得率的计算公式如下。
式中：X 为可溶性膳食纤维得率，%；A 为可溶性膳食纤维质量，g；B 为小米麸皮质量，g。
1.3.4 正交试验设计
根据单因素试验得出的较优水平设计正交试验，因素水平如表1 所示。
表1 L（934）正交因素水平
Table 1 Factors and levels of L（934）orthogonal
水平因素A 反应时间/hB 酶添加量/%C 反应温度/℃1 7 2.555 2 8 3.560 3 9 4.565
1.3.5 指标测定方法
1.3.5.1 持水力测定
分别准确称取MB、MBTDF、改性后小米麸皮膳食纤维（cellulase modified-millet bran total dietary fiber，CM-MBTDF）3 g 样品于50 mL 离心管中，加入25 mL去离子水，室温搅打30 min，2 500 r/min 离心10 min，弃去上清液，并用滤纸吸干离心管壁残留水分，称重[11-13]。持水力计算公式如下。
式中：X1 为持水力，g/g；w0 为样品湿重，g；w1 为样品干重，g。
1.3.5.2 持油力的测定
分别准确称取MB、MBTDF、CM-MBTDF 1.0 g 于离心管中，加入玉米油20 g，分别在25、37 ℃静置1 h，3 000 r/min 离心30 min，去掉上层油，用滤纸吸干游离油，将结合了油的膳食纤维转移到表面皿上称重[11]。持油力的计算公式如下。
式中：X2 为持油力，g/g；m0 为样品湿重，g；m1 为样品干重，g。
1.3.5.3 膨胀力的测定
分别准确称取MB、MBTDF、CM-MBTDF 0.3 g，置于10 mL 量筒中，移液管准确移取5.00 mL 蒸馏水，振荡均匀后室温放置24 h，读取膳食纤维的体积[14]。膨胀力计算公式如下。
式中：X3 为膨胀力，mL/g；V0 为膨胀后体积，mL；V1为干品体积，mL；m 为样品干重，g。
1.3.6 吸附亚硝酸盐能力的测定
在250 mL 锥形瓶中加入pH 值分别为2.0、7.0 的22 μmol/L NaNO2 溶液100 mL，分别准确称取MB、MBTDF、CM-MBTDF 0.5 g 加入锥形瓶中，分别放置于磁力搅拌器上，37 ℃搅拌5、15、30、60、120、180、240 min，取出1.0 mL 样液测定NO2-浓度[11，15]。
1.3.7 吸附胆固醇能力的测定
取市售鸡蛋的蛋黄，用9 倍量蒸馏水搅打成乳液，分别准确称取MB、MBTDF、CM-MBTDF 2.0 g 于250 mL锥形瓶中，加入50 g 蛋黄乳液，搅拌均匀，调整pH 值至2.0 和7.0，在37 ℃恒温振荡150 min，4 000 r/min 下离心25 min，吸取0.04 mL 上清液，采用硫酸铁铵法在560 nm 下比色测定胆固醇含量[3，11，15]。胆固醇吸附量计算公式如下。
式中：X4 为胆固醇吸附量，g；M0 为吸附前蛋黄液中胆固醇含量，g；M1 为吸附后上清液中胆固醇含量，g。
1.3.8 总膳食纤维、水溶性膳食纤维、不溶性膳食纤维含量测定
参照GB 5009.88—2014《食品安全国家标准食品中膳食纤维的测定》，测定总膳食纤维、水溶性膳食纤维、不溶性膳食纤维含量[16]。
1.4 数据处理
每个测定指标进行3 次平行试验，使用Excel 进行数据计算，Origin 2020 绘图软件进行数据处理。
2 结果与分析
2.1 小米麸皮膳食纤维改性工艺条件优化
2.1.1 单因素试验结果
2.1.1.1 反应时间对可溶性膳食纤维（SDF）得率的影响
反应时间对可溶性膳食纤维（SDF）得率的影响见图1。
图1 反应时间对SDF 得率的影响
Fig.1 Effect of enzyme action time on yield of SDF
由图1 可知，随着反应时间的延长，SDF 得率逐渐升高，5～7 h 时上升较快，这一时间段MBTDF 酶解条件适宜，SDF 产生速度较快。7～9 h SDF 得率趋于平缓，9 h 时SDF 得率达到最大值17.7%，随着反应时间延长，酶解反应趋于相对饱和的状态，因此SDF 得率没有明显变化。综合考虑后选择反应时间为7、8、9 h 进行后续试验。
2.1.1.2 酶添加量对可溶性膳食纤维（SDF）得率的影响
当反应时间为7 h，反应温度为55 ℃时，酶添加量对可溶性膳食纤维（SDF）得率的影响如图2 所示。
图2 酶添加量对SDF 得率的影响
Fig.2 Effect of enzyme addition level on yield of SDF
由图2 可知，在酶添加量1.5%～4.5%时，酶添加量越大，SDF 得率越高，在酶添加量为4.5%时，SDF 得率最高，为22.86%，酶添加量为5.5%时，SDF 得率明显降低，为17.11%，这可能是由于SDF 发生降解，生成小分子的单糖或低聚糖等在醇沉时无法沉淀析出导致。综合考虑后确定酶添加量为2.5%、3.5%、4.5%进行后续试验。
2.1.1.3 反应温度对可溶性膳食纤维（SDF）得率的影响
当反应时间7 h，酶添加量4.5%时，反应温度对可溶性膳食纤维（SDF）得率的影响如图3 所示。
图3 反应温度对SDF 得率的影响
Fig.3 Effect of reaction temperature on yield of SDF
由图3 可知，在50～65 ℃范围内，随着反应温度的上升，SDF 得率逐渐提高，酶解能力较强，在65 ℃时达到最大值23.98%，在70 ℃时SDF 得率显著降低，为15.6%。SDF 得率的降低可能是温度升高使酶活性受到抑制或部分失活引起。综合考虑后确定反应温度为55、60、65 ℃进行后续试验。
2.1.2 正交试验
正交试验结果见表2。
表2 L（93）4正交试验结果与极差分析
Table 2 Results and range analysis of L（93）4orthogonal
序号A 反应时间B 酶添加量C 反应温度D 空列SDF 得率/%1111117.71 2122219.80 3133324.10 4212317.88 5223123.11 6231223.22 7313218.65 8321322.64 9332124.80 k120.5318.0821.1921.87 k221.3821.8520.8320.56 k322.0324.0421.9521.54 R1.505.961.131.32
对表2 中正交试验结果进行极差分析，由极差值R（B）＞R（A）＞R（D）＞R（C）可知，影响可溶性膳食纤维得率的4 个因素顺序依次为酶添加量＞反应时间＞反应温度。由k 值分析最佳组合为A3B3C3，正交试验最优组合为A3B3C2，将两个组合进行比较试验后，确定A3B3C2 组合SDF 得率最高，为24.77%，因此确定A3B3C2为最佳条件，即纤维素酶添加量4.5%、反应时间9 h、反应温度60 ℃。
2.2 物化特性分析
2.2.1 持油力、持水力、膨胀力分析
小米麸皮膳食纤维改性前后持油力、持水力、膨胀力的影响如图4、图5 所示。
图4 小米麸皮膳食纤维改性前后持油力的影响
Fig.4 Oil holding capacity of millet bran dietary fiber before and after modification
不同小写字母表示差异显著，P＜0.05。
图5 小米麸皮膳食纤维改性前后持水力、膨胀力的影响
Fig.5 Water holding capacity and expansion of millet bran dietary fiber before and after modification
不同小写字母表示差异显著，P＜0.05。
如图4、图5 所示，经改性处理得到的CM-MBTDF在25、37 ℃下持油力分别为2.750、3.440 g/g，是MBTDF持油力的2.3 倍和2.9 倍，显著高于MBTDF。这可能是可溶性膳食纤维含量提高，使小米麸皮膳食纤维的组成发生变化，有更多的非极性基团暴露出来，提高了持油力[8，17]。
持水力是指潮湿的膳食纤维在外部离心力作用下保持水分的能力，膨胀力则表示膳食纤维在吸水时体积的膨胀程度[18]，从图5 中可以看出MBTDF 的持水力为3.585 g/g，显著高于MB（2.763 g/g）、CM-MBTDF（2.313 g/g），MB 的膨胀力为3.2 mL/g， 显著高于MBTDF（2.08 mL/g）、CM-MBTDF（1.79 mL/g），持水力、膨胀力的变化可能是由膳食纤维的组成、空间结构均发生改变引起的。
2.2.2 胆固醇吸附能力
通过体外模拟胃酸环境pH2.0、小肠环境pH7.0，研究小米麸皮膳食纤维改性前后的体外胆固醇吸附能力，结果如图6 所示。
图6 小米麸皮膳食纤维改性前后胆固醇吸附能力
Fig.6 Cholesterol adsorption capacity of millet bran dietary fiber before and after modification
不同小写字母表示差异显著，P＜0.05。
如图6 所示，改性处理后的小米麸皮膳食纤维CM-MBTDF 在pH2.0、pH7.0 时体外胆固醇吸附量分别为23.68、22.28 μmol/L，显著高于MBTDF 及MB，分别为MBTDF 的1.31、1.96 倍，MB 的1.37、2.52 倍。这可能是改性处理使膳食纤维表面结构变得疏松，毛细管吸附能力加强，提高了胆固醇吸附能力[19-20]。
2.2.3 体外亚硝酸盐吸附能力
通过体外模拟胃酸环境pH2.0、小肠环境pH7.0，对小米麸皮膳食纤维改性前后亚硝酸盐吸附能力进行研究，结果如图7 所示。
图7 小米麸皮膳食纤维改性前后亚硝酸盐根离子清除率
Fig.7 The nitrite ion clearance of millet bran dietary fiber before and after modification
如图7 所示，随着时间的延长，小米麸皮膳食纤维亚硝酸根离子的清除率均呈上升趋势。在pH2.0 时，CM-MBTDF 在5 min 时亚硝酸根离子清除率就达到了87.3%，吸吸附作用强烈，随后缓慢增加，在240 min时达到92.5%；MBTDF 在5 min 时亚硝酸根离子清除率为21.3%，随后在60 min 内快速升高达至93.3%，之后缓慢增加，在240 min 时达到98.5%；MB 亚硝酸根离子清除率随时间延长缓慢升高，在240 min 时为71.2%，明显低于MBTDF、CM-MBTDF；可见pH2.0 时，改性处理能够加快亚硝酸根离子的清除速度，但对最终清除率的影响不明显。在pH7.0 时，CM-MBTDF 在5～30 min 快速上升，30 min 时亚硝酸根离子清除率达到94.9%，吸附作用强烈，然后缓慢增加，在240 min 时为97.5%；MBTDF、MB 则缓慢上升，在240 min 亚硝酸根离子清除率分别为62.4%、38.9%，可见pH7.0 时改性处理能够明显提高亚硝酸根离子清除率。
3 结论
纤维素酶改性小米麸皮膳食纤维的最优工艺为纤维素酶添加量4.5%、反应时间9 h、反应温度60 ℃，此时可溶性膳食纤维得率24.77%；改性后的小米麸皮膳食纤维CM-MBTDF 持油力显著上升，在25、37 ℃分别为2.750、3.440 g/g，是改性前的小米麸皮膳食纤维MBTDF 持油力的2.3 倍和2.9 倍，而持水力和膨胀力显著下降。CM-MBTDF 体外清除胆固醇能力显著升高，在pH2.0、pH7.0 时体外胆固醇吸附量分别为23.68、22.28 μmol/L，是MBTDF 体外胆固醇吸附量的1.31、1.96 倍，MB 的1.37、2.52 倍。在pH2.0 时MBTDF、CM-MBTDF 均表现出较高的亚硝酸根离子清除率，其中CM-MBTDF 能够加快亚硝酸根离子清除速度，在pH7.0 时CM-MBTDF 亚硝酸根离子清除率明显提高。
本研究中酶法改性处理提高了小米麸皮可溶性膳食纤维的含量，为制备优质小米麸皮可溶性膳食纤维提供了一定的理论依据。改性后的小米麸皮膳食纤维其功能性质如持油力、体外胆固醇吸附能力及亚硝酸根离子清除率得到显著提高，表明改性小米麸皮膳食纤维有较好的功能特性，可广泛应用于功能性食品、饮料、乳制品、糖果、烘烤等食品领域。
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