藜麦(Chenopodium quinoa wild.)是原产于南美洲安第斯山脉的“类全谷物”,又名为南美藜、印第安麦、奎奴亚藜,是一种耐寒、耐瘠薄、耐盐碱的高海拔作物,种植历史已有5 000多年[1-2]。藜麦药食兼用,具有丰富的营养价值和药用价值,是目前已知的唯一一种能从单一植物中满足人体基本营养需求的食物,具有增强机体免疫力、抗炎、抗氧化等方面的功效,对肥胖、心血管疾病和糖尿病等有很好的预防和辅助治疗作用[3]。

藜麦中膳食纤维含量丰富,藜麦种子中膳食纤维含量高达13%,高于小麦和玉米[4]。藜麦膳食纤维包含不溶性膳食纤维(IDF)和可溶性膳食纤维(SDF),主要存在于麸皮中,其中SDF高达30%。藜麦可溶性膳食纤维(quinoa bran soluble dietary fiber,QBSDF)被认为是一种高品质的膳食纤维,具有良好的理化性质和功能活性,如良好的持水、持油能力和抗炎活性;能够促进肠道蠕动、通便排毒,且可以在大肠中发酵,产生短链脂肪酸,促进肠道健康[4-5]。研究发现,QBSDF虽然在持水力和持油力等理化性质方面显著优于稻壳等谷物膳食纤维[4],但其在流变黏度等性质方面不及小米糠等可溶性膳食纤维[6],故在加工与应用过程中存在一定的局限性,因此,有必要对藜麦膳食纤维进行改性,进一步改善其理化性质和生理功能,增加其利用率和应用价值。

目前对膳食纤维改性的方法有多种,如物理、化学和酶法改性[7-8]。化学改性方式虽制备成本较低,但在环保方面缺点明显,在化学改性过程中产生的有害气体或物质,以及改性完成后的废液或废渣,进入环境后会造成污染,危害人体健康;酶法改性方式虽有效率高、无污染等优点,但在控制方面较差,因为酶催化反应极易受温度、pH值、离子强度等多种因素的影响,不利于工业生产;物理改性方法具有成本低、简单、可持续性强等优点,常被用来对食物进行改性。超声波技术是一种绿色环保、操作简便、改性温和,可改善食品的理化性质、微观结构和功能特性的有效改性技术[9],现已广泛应用于食品工业中。牛希等[10]、王成祥等[11]和吴俊男等[12]利用超声波改性技术,提高了燕麦、青稞、小麦膳食纤维的理化和功能性质,如持水力、持油力和抗氧化力等。关于超声波改性QBSDF的研究和机理鲜有报道,本研究采用超声波技术对QBSDF进行改性处理,测定改性前后的持水力、持油力、葡萄糖吸附能力和流变性等理化性质,分析单糖组成、微观结构、孔隙率和比表面积等指标,探究QBSDF改性前后的理化性质与结构的构效关系,以期为提高藜麦膳食纤维的功能性质及应用价值提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

藜麦麸皮(贡扎8号),青海高远锦禾生态农牧科技有限公司;吗啉乙磺酸一水合物(MES),上海麦克林生化科技有限公司;三羟甲基氨基甲烷(Tris)、α-淀粉酶、淀粉葡萄糖苷酶,北京博奥拓达科技有限公司;乙醇、三氯乙酸,福晨化学试剂有限公司;中性蛋白酶,北京奥博星生物技术有限责任公司;氢氧化钠,天津市大茂化学试剂厂;BCA蛋白浓度测定试剂盒,北京索莱宝科技有限公司;橄榄油,中粮福临门食品营销有限公司;葡萄糖测定试剂盒,上海荣盛生物药业有限公司;磷酸、无水氯化钙,西陇化工股份有限公司。实验所用试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

ZEN3700型纳米粒度电位仪,英国马尔文仪器有限公司;NICOLET iS10型傅里叶变换红外光谱仪,赛默飞世尔科技公司;LET140K1BN型马弗炉,费舍罗热能技术有限公司;DHR-1型流变仪,美国TA仪器公司;BILON-1000CT型多用途恒温超声波提取机,上海比朗仪器制造有限公司;Gemini SEM 300型热场发射扫描电镜,德国蔡司公司;Sigma 3K15型高速冷冻离心机,日立(日本经营电子电气公司);BUCHI 1-300型旋转蒸发仪,瑞士Buchi(布奇)公司;ME104/02型电子天平,梅特勒-托利多仪器有限公司; V-Sorb 2800型全自动比表面积和孔隙度分析仪,国仪精测技术有限公司;Shodex SUGAR KS-805型凝胶过滤柱,昭和电工科学仪器有限公司;1260型高效液相色谱仪,安捷伦科技有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 QBSDF的制备与纯化

将藜麦麸皮干燥后用磨粉机碾碎并通过60目筛,然后向藜麦麸皮粉中加入足量的无水乙醇,混合液在室温下搅拌36 h以去除油脂和色素。静置4 h后,去除上清液,将藜麦麸皮风干以备后续使用。将预处理后的藜麦麸皮(40 g)与800 mL MES-Tris缓冲溶液(0.05 mol/L,pH值为6.9)混合,使用a-淀粉酶、中性蛋白酶和淀粉葡萄糖苷酶酶解除去淀粉和蛋白质,煮沸10 min灭酶。混合液中加入三氯乙酸调节pH值至2.3,静置过夜后,离心(5 000 r/min,10 min)去除残余蛋白得到上清液。上清液用4倍体积的95%乙醇沉淀3 h,离心(4 000 r/min,10 min)得到SDF。用不同体积分数的乙醇(80%,90%)洗涤粗制SDF,除去残留油脂等杂质,并使用3 kDa透析袋透析24 h,除去灰分等其他杂质。随后,对透析后的样品进行醇沉、浓缩,并在水浴条件下[(18±2)℃],使用不同超声功率(0、200、400、600、800、1 000 W)的超声波处理30 min (超声2 s,间隔4 s)。最后将超声后的样品冷冻干燥48 h,得到QBSDF样品。

1.3.2 改性前后QBSDF持水性测定

持水性(WHC)的测定参照Gu等[13]的方法,并稍加修改。将0.1 g QBSDF与2 mL蒸馏水混合,在4 ℃下平衡过夜。将混合物离心(4 500 r/min,10 min),去除上清液后称取沉淀质量(A1),随后将沉淀物干燥至恒重并称量质量(A0)。WHC采用式(1)计算。

WHC=(A1-A0) /A0×100% 。

(1)

式(1)中,A0为干样的质量,g;A1为离心后残留物的质量,g。

1.3.3 改性前后QBSDF持油性测定

持油性(OHC)的测定参照Liu等[4]的方法,并稍加修改。取50 mg QBSDF与10 mL橄榄油混合,37 ℃混合1 h,4 230 r/min离心10 min,去除油相,称量沉淀质量。持油力的计算方法见式(2)。

OHC=(B1-B0)/B0×100%。

(2)

式(2)中,B0为干样的质量,g;B1为离心后残留物的质量,g。

1.3.4 改性前后QBSDF葡萄糖吸附力测定

葡萄糖吸附能力的测定参照Liu等[4]的方法,并稍加修改。将QBSDF样品(100 mg)与10 mL葡萄糖溶液(80 mmol/L)和10 mL CaCl2溶液(500 mmol/L)混合,然后将混合物放入37 ℃的水浴中振荡8 h。葡萄糖含量使用葡萄糖测定试剂盒测定。葡萄糖吸附量表示为每克QBSDF中的保留葡萄糖量(g)。

1.3.5 改性前后QBSDF流变性测定

黏度的测定参照Gu等[13]的方法,并稍加修改。使用配备40 mm不锈钢板测量系统的DHR-1流变仪测试QBSDF的流变性质。将样品在25 ℃持续搅拌30 min,制备QBSDF溶液(10 mg/mL)。然后将QBSDF溶液在4 ℃条件下平衡12 h,除去残留空气,最后在室温条件下以0.1～400.0 s-1的剪切速率测试样品溶液的黏度。

储能模量(G′)和损耗模量(G″)的动态扫频测量是在受控应变模式下进行的。将QBSDF溶液(10 mg/mL)在室温下平衡2 min,将约1 mL的样品转移到流变板上进行测试。每个测试均在应变为45%,角频率为0.1～60.0 rad/s条件下进行。

1.3.6 改性前后QBSDF微观结构测定

样品在105 ℃的温度下干燥至恒重,采用扫描电子显微镜(SEM)观察样品的微观结构。研磨砂浆后,将适量的样品粘在观察平台上。采用离子溅射法对样品进行镀金,在3 kV的加速度电压和1 000倍的放大倍率条件下,观察超声改性前后的QBSDF的形貌,获得相应的SEM照片。

1.3.7 改性前后QBSDF分子质量测定

分子质量的测定参照Ma等[14]的方法,并稍加修改。使用配备凝胶过滤柱和折射率检测器的高效液相色谱仪测定QBSDF的分子质量。QBSDF溶液质量浓度为1.0 mg/mL,流动相为蒸馏水,流速为1.0 mL/min。QBSDF的分子质量是通过标准曲线计算的,用一系列不同分子质量的标准葡聚糖(0.18、2.70、5.25、9.75、13.05、36.80、64.65、135.35、300.60、2 000.00 kDa)制备标准曲线。

1.3.8 改性前后QBSDF Zeta-电位及粒径测定

Zeta-电位是表征分散体系稳定性的重要指标。使用纳米粒度电位仪测量未改性QBSDF和不同超声功率改性QBSDF的表面电荷。在室温条件下,将QBSDF溶液(2.0 mg/mL)置于毛细管参比池中,用两个塞子密封。将参比池放进仪器内,测定QBSDF分子的电位,电位实验重复4次。

QBSDF溶液质量浓度为1.0 mg/mL,测定前将QBSDF溶液在4 000 r/min 条件下离心3 min,取上清液,然后通过纳米粒度电位仪在室温条件下检测其粒径。

1.3.9 改性前后QBSDF单糖组成测定

单糖组成的测定参照Ma等[14]的方法,并稍加修改。采用配有Xultimate C18色谱柱(4.6 mm×200 mm, 5.0 um)的高效液相色谱仪(HPLC),并用1-苯基-3-甲基-5-吡唑酮(PMP)衍生法对QBSDF单糖组成进行测定。采用鼠李糖、甘露糖、核糖、木糖、葡萄糖、半乳糖、岩藻糖、阿拉伯糖、半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸等10种标准单糖分析QBSDF水解样品中的单糖。以0.05 mol/L磷酸钠缓冲液(pH值为6.7)和乙腈为流动相,并以二者体积比83∶17进行色谱分离,流速为1 mL/min,温度为30 ℃,检测波长为250 nm。

1.3.10 改性前后QBSDF红外光谱测定

样品的红外光谱检测波长范围为650～4 000 cm-1,分辨率为0.5 cm-1,扫描32次[14],采用红外光谱仪在室温下进行测定。

1.3.11 QBSDF孔隙率和比表面积测定

采用全自动比表面积和孔隙度分析仪测定样品的孔隙率和比表面积[15]。准确称量50 mg的膳食纤维样品,在一定压力与超低温条件下,通过测定出样品对氮气平衡吸附量,利用理论模型求出被测膳食纤维样品的孔隙率和比表面积有关的物理量。

1.4 数据处理与分析

所有实验均重复进行3次,结果以平均值±标准差(SD)表示。采用Graphpad prism软件绘图。采用单因素方差分析进行不同组间比较,并使用SPSS 22软件进行Duncan检验。P<0.05表示差异显著,具有统计学意义。

2 结果与分析

2.1 超声波改性对QBSDF理化性质的影响

膳食纤维具有多孔的结构,且化学结构中含有许多亲水基团,故具有较强的吸水作用[16]。超声波改性对QBSDF持水力和持油力以及葡萄糖吸附能力的影响,实验结果见图1。

2.1.1 超声波改性对QBSDF持水力、持油力的影响

由图1(a)可知,未改性QBSDF的持水力为695.33%,随着超声功率的增加,持水力整体呈显著上升趋势(P<0.05),分别为844.00%、868.00%、880.67%、895.33%、842.67%。持油力是评价膳食纤维在低脂食品中应用的重要指标。由图1(b)可知,未改性QBSDF的持油力为853.00%,随着超声功率的增加,QBSDF的持油力呈显著上升的趋势(P<0.05),分别为880.00%、933.33%、1 026.00%、996.00%、1 005.00%。研究表明,膳食纤维的持水力和持油力等理化性质提高,会促进肠道蠕动、通便排毒,有助于缓解便秘和改善便秘症状[4-5]。本研究结果表明,超声波改性可以显著提升QBSDF的持水力和持油力,使其具有更优的理化性质,且改性后QBSDF的持水力和持油力均高于燕麦和稻壳膳食纤维[4,10,17-19]。

2.1.2 超声波改性对QBSDF葡萄糖吸附能力的影响

膳食纤维与钙离子形成“蛋壳”状网络凝胶结构,可能是其捕获葡萄糖分子的物理屏障[20-21]。由图1(c)可知,在钙离子存在的条件下,QBSDF经超声波改性后的葡萄糖吸附能力显著高于未改性的QBSDF(P<0.05),表明超声波改性可以显著提升QBSDF的葡萄糖吸附能力,使其具有更强的凝胶性质[4,22-23]。膳食纤维葡萄糖吸附能力的提高,有助于增加血糖控制,降低机体血糖水平,预防和控制糖尿病等糖脂代谢类疾病的发生。

膳食纤维独特的结构特性与其理化及功能性质紧密相关[24]。超声波改性作为一种物理处理手段,其产生的机械作用和空化效应可产生瞬时强压、强剪切力和局部高温,打断膳食纤维长分子链,改变 QBSDF单糖含量、粒径和分子质量等,从而改变膳食纤维的空间结构及分子间作用力,影响 QBSDF的持水力、持油力和葡萄糖吸附能力等理化特性[25]。

2.2 超声波改性对QBSDF流变性质的影响

超声波改性对QBSDF流变性质的影响,实验结果见图2。

2.2.1 超声波改性对QBSDF黏度的影响

黏度是膳食纤维重要的物理性质,与膳食纤维吸水和凝胶能力密切相关[26]。由图2(a)可知,在低剪切速率区域(0～150 s-1),QBSDF的黏度随着剪切速率的增加急剧下降,表明所有的QBSDF样品均表现出非牛顿流体剪切稀化行为。在高剪切速率区域(150～300 s-1),不同超声处理组QBSDF溶液的黏度均无显著性下降,表现出牛顿流体状态。在整个实验过程中,经超声波改性的QBSDF黏度始终高于未超声波处理组,表明超声波改性处理,会提高QBSDF的黏度,有利于藜麦麸皮可溶性膳食纤维的加工与应用。

2.2.2 超声波改性对QBSDF黏弹性的影响

储能模量(G′)和损耗模量(G″)分别代表黏弹性材料的弹性特性和黏度特性[4]。当G′>G″时,溶液显示弹性特征,其特性更像凝胶;当G′<G″时,则溶液显示出黏性性质,更趋向于液体状态[4]。由图2(b)和图2(c)可知,所有样本中G′和G″的值随着振荡频率的增加均呈逐渐上升的趋势,而且,G′值均高于G″值,表明QBSDF样本表现出凝胶的弹性特征。经超声波改性处理后,不同QBSDF样品的储能模量G′呈升高趋势,损耗模量G″呈降低趋势,说明该样本更趋向于弹性性质,与未改性前相比特性更像凝胶。QBSDF经超声波改性后,可改变其流变特性,使其表现出更优的凝胶性质,有利于可溶性膳食纤维的加工与应用。

2.3 超声波改性对QBSDF微观结构的影响

通过SEM扫描电镜观察不同功率超声波处理条件下QBSDF样品的分子形态,分析结果见图3。由图3可知,未经超声波改性的QBSDF呈块状,表面光滑、纹理致密、无明显碎片,但经超声波(200、400、600、800、1 000 W)改性处理后,QBSDF表面结构发生明显变化。超声波改性后的QBSDF表面变粗糙,出现凸起结构,呈多孔状,并且纤维结构破碎程度随超声波功率的提高呈上升趋势,断裂为片状或堆叠结构。这种现象可能是超声波在纤维体系中产生强烈的搅拌和机械剪切作用,极大程度地破坏了纤维的糖苷键及多糖链内与链间的氢键作用,暴露出更多的活性基团,使纤维粒径减小,聚合度降低。进而使纤维结构变得疏松多孔,增加了膳食纤维的比表面积和孔隙率,改善了QBSDF的持水力、持油力和流变特性等性质[10,18]。

2.4 超声波改性对QBSDF分子质量、粒径的影响

超声波改性对QBSDF分子质量、粒径的影响,实验结果见图4。由图4(a)可知,与未改性QBSDF分子质量相比,超声波改性后QBSDF分子质量显著减小(P<0.05),且随着超声波功率的增加,分子质量呈逐渐减小的趋势。这种现象产生的原因可能为,随着超声波功率增大,其产生的机械和空化作用对纤维结构的破坏程度增大,造成了分子质量减少。由图4(b)可知,未改性的QBSDF的平均粒径为634.16 nm,显著高于超声波改性的QBSDF平均粒径(573.43、553.40、520.50、515.33、498.68 nm),并且随着超声功率的增加,平均粒径呈逐渐减小的趋势。本研究表明,超声波处理造成了纤维结构的降解,或是随着超声波强度增大,削弱了多糖分子间的相互作用,促进多糖聚集体的分散,纤维颗粒增多,进而使QBSDF的粒径减小,分子质量降低[17-19]。随着粒径和分子质量的减小,膳食纤维质地变得更为松散,提高了QBSDF的毛细管作用力,进而提高了对水、油和其他物质的物理吸附能力,使其持水力、持油力和葡萄糖吸附能力得到显著改善[27-29]。超声波处理使QBSDF粒径减小,纤维颗粒的数量增多,增加了体系的密度与纤维的比表面积,导致流动阻力增大,进而使流变黏度值增大[16,30],改善QBSDF的流变性质。

2.5 QBSDF单糖组成和结构分析

单糖组成与膳食纤维的理化、功能性质密切相关[3]。表1为不同功率超声波处理条件下QBSDF的单糖组成及含量变化情况。表1结果表明,超声波改性对QBSDF的单糖组成没有影响,不同功率超声波处理后,均检出10种单糖,但单糖含量发生改变,表明QBSDF为杂多糖。其中,半乳糖、阿拉伯糖、半乳糖醛酸和鼠李糖是果胶的典型成分,木糖、葡萄糖、甘露糖是半纤维素组成成分,表明果胶和半纤维素可能是QBSDF的主要成分[31]。在本实验中,不同QBSDF样品的主要单糖为半乳糖、阿拉伯糖、半乳糖醛酸和葡萄糖,且所有样品中含量最少的单糖为核糖。本研究结果显示,总体上看,随着超声波功率的增加,半乳糖醛酸、核糖和葡萄糖含量逐渐减少,而阿拉伯糖、木糖和半乳糖含量呈逐渐增加的趋势,这是由于超声波处理破坏了QBSDF中的化学键,导致果胶、半纤维素等成分降解,使单糖含量发生变化。

红外光谱可以阐明聚合物的官能团,以及这些官能团的成键信息[3]。不同功率超声波处理后QBSDF的红外光谱见图5。由图5可知,未改性QBSDF与超声波改性QBSDF的红外光谱分布相似,表明改性处理没有造成基团种类的变化,但峰强度有差异,表明超声波改性使部分基团强度发生改变。由图5可知,3 200 cm-1处较宽的吸收峰是—OH 的伸缩振动,表明果胶和半纤维素的存在,如阿拉伯糖、半乳糖和木糖等[32];2 945 cm-1处的弱谱带为C—H基团的伸缩振动,这是多糖基聚合物的典型特征。随着超声功率的增加,这些峰的强度降低,表明多糖羟基的氢键被破坏[33]。波数为1 644 cm-1的谱带为羰基CO的非对称伸缩振动特征峰,这与木质素中芳烃CC伸缩振动有关;1 416 cm-1处的峰值可能与O—H、C—H的弯曲振动有关;1 338 cm-1 处是吡喃糖环中的O—H面内弯曲振动吸收峰;1 159、1 081、1 007 cm-1处的谱带可能归因于C—O拉伸带和变形带的吸附作用。随着超声功率的增加,这些峰强度有明显降低现象,表明 QBSDF 可能在超声波作用下分解为低聚糖[8]。891 cm-1处的弱峰被认为是半纤维素主干的环振动峰,随着超声功率的增加,其强度逐渐降低,表明半纤维素含量降低。本研究结果表明,超声波处理破坏了半纤维素和纤维素的分子间氢键,使糖苷键断裂,降解了聚合物,破坏了QBSDF的无定形区域,导致QBSDF粒径减小,亲水基团和水结合位点增加[34],进而影响膳食纤维的理化、流变等性质。

2.6 超声波改性对 QBSDF Zeta-电位的影响

超声波改性对QBSDF Zeta-电位的影响,实验结果见图6。由图6可知,未改性QBSDF的Zeta-电位(ξ)为-25.63 mV,超声改性后QBSDF的Zeta-电位分别为-31.47、-31.27、-31.95、-30.60、-29.13 mV。与未改性QBSDF相比,超声改性 QBSDF 的Zeta-电位显著降低(P<0.05)。本研究结果显示,不同功率超声波处理后,QBSDF的Zeta-电位均显著降低,这可能与超声产生的空化作用有关。超声产生的瞬时强压、 强剪切力和局部高温使纤维结构受到破坏,QBSDF中的部分亲水性基团游离出来,增加悬浮液中的总电荷量,使电负性增加,使其结合阳离子的能力增大,形成更为稳定的凝胶状态[22-23],进而对其葡萄糖吸附能力和流变特性产生影响。 Feng等[35]将黑豆可溶性膳食纤维化学改性后,Zeta-电位显著降低,使其电负性增加,结合阳离子的能力增大,凝胶性能增强,该研究结果与本实验一致。

2.7 超声波改性对QBSDF孔隙率和比表面积的影响

膳食纤维的理化性质与其吸附作用密切相关,其吸附作用可分为物理吸附和化学吸附。由于膳食纤维的分子是一种多糖高分子聚合物,可以形成具有一定立体结构的网状物,其中的“网孔”结构可以吸附截留物质[34]。超声波改性对QBSDF孔隙率和比表面积的影响,实验结果见图7。 由图7可知,与未改性的QBSDF相比,超声波改性后QBSDF的孔隙率和比表面积显著增大(P<0.05),且随着超声波功率的增加,呈逐渐上升的趋势。这种现象产生的原因可能为,随着超声波功率增大,其产生的机械和空化作用对纤维结构的破坏程度增加,使QBSDF的粒径、分子质量减小,表面结构由致密变得疏松,出现更多的多孔结构,增加膳食纤维的比表面积与孔隙率,增大物质与膳食纤维的接触面积,进而使其物理吸附能力明显提升;QBSDF分子链上带有许多活性基团,随着其比表面积和孔隙率的增大,使其亲水和亲油等活性基团暴露增加,故其化学吸附能力增强,进而使其持水力、持油力和葡萄糖吸附能力等理化性质显著提高[10]。

3 结 论

QBSDF经超声波处理后,一方面,其粒径、分子质量减小,表面结构由致密变得疏松,出现多孔洞结构,增加了膳食纤维的比表面积与孔隙率,增大了物质与膳食纤维的接触面积,使其物理吸附能力明显提升;另一方面,QBSDF分子链上带有许多活性基团,随着其比表面积和孔隙率等的增大,其亲水和亲油等活性基团暴露增加,化学吸附能力增强,其持水力、持油力和葡萄糖吸附能力显著提高。在超声功率达到600 W时,QBSDF平均粒径减小至520.50 nm,持油力和高剪切速率区域的黏度值达到最大值,比表面积、孔隙率、持水力和葡萄糖吸附力与最大值无显著性差异,显著改善了流变性能和相关理化性质。综合考虑能源消耗和经济效益,在工业生产中制备具有良好性质的QBSDF可通过超声条件为600 W来实现。本研究旨在为改善藜麦膳食纤维功能性质及扩大其在食品领域中的应用提供理论参考。目前,本实验已研究单超声改性对藜麦麸皮可溶性膳食纤维的影响,但关于超声与其他方法复合改性对膳食纤维功能特性的影响与作用机制还需进一步探究。

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Effect of Ultrasonic Modification on Physicochemical
Properties and Structure of Quinoa Dietary Fiber

WANG Zongwei, YANG Zihui, HOU Xinyu, WANG Ziyuan, WANG Xingyu, YANG Haihong, LIU Jie*, WANG Jing*

(National Grain Industry (By-Products Edible Resources Development) Technology Innovation Centre, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048,China)

Abstract：The dietary fiber in quinoa has excellent physicochemical properties and functional activities, and is considered a high-quality dietary fiber. This study focused on the quinoa bran soluble dietary fiber (QBSDF), which was modified by ultrasonic treatment with different powers (0, 200, 400, 600, 800, 1 000 W). The particle size, molecular weight, porosity, specific surface area, Zeta-potential, monosaccharide composition, infrared spectrum, microstructure, water-holding capacity, oil-holding capacity, glucose adsorption capacity, and viscosity were determined before and after modification to explore the effect of ultrasonic treatment on the physicochemical and structural properties of QBSDF. The results showed that the water-holding capacity, oil-holding capacity, and glucose adsorption capacity of QBSDF were significantly improved after ultrasonic modification (P<0.05). The analysis of rheological properties showed that the viscosity value and storage modulus of QBSDF increased significantly and the loss modulus decreased after ultrasonic modification. After ultrasonic modification, the molecular weight and average particle size of QBSDF were significantly reduced (P<0.05), and the surface structure became looser and showed honeycomb-like porous characteristics. The porosity and specific surface area of QBSDF increased significantly (P<0.05), and showed an upward trend with the increase of ultrasonic power. No changes occurred in the monosaccharides and chemical group types, but the composition ratio of monosaccharides and the peak intensity of chemical groups changed significantly, indicating that ultrasonic modification disrupted the chemical bonds related to —OH, C—H and other groups in dietary fiber. Therefore, ultrasonic treatment could significantly change the microstructure of QBSDF, increase its contact area and binding sites with substances, and improve its physicochemical properties, such as water-holding capacity, oil-holding capacity and glucose adsorption capacity. In addition, it was also found that the water-holding capacity and oil-holding capacity of QBSDF were higher than those of oat dietary fiber after ultrasound modification. Therefore, ultrasonic treatment could be used as an excellent method to modify the physicochemical properties of QBSDF, providing a theoretical basis for improving the utilization of quinoa dietary fiber and further exploring its functional value.

Keywords：quinoa bran; ultrasonic modification; soluble dietary fiber; physicochemical properties; rheological properties

doi：10.12301/spxb202300420

文章编号：2095-6002(2025)05-0182-11

引用格式：王宗伟, 杨子慧, 侯欣雨, 等. 超声波改性对藜麦膳食纤维理化性质和结构的影响[J]. 食品科学技术学报,2025,43(5):182-192.

WANG Zongwei, YANG Zihui, HOU Xinyu, et al. Effect of ultrasonic modification on physicochemical properties and structure of quinoa dietary fiber[J]. Journal of Food Science and Technology, 2025,43(5):182-192.

中图分类号：TS210.4

文献标志码：A

收稿日期：2023-07-11

基金项目：北京市教委科研项目(KM202210011011)。

Foundation：Scientific Research Project of Beijing Municipal Education Commission (KM202210011011).

第一作者：王宗伟,男,博士研究生,研究方向为食品营养。

*通信作者：刘 洁,男,教授,博士,主要从事食品营养与健康方面的研究;王 静,女,教授,博士,主要从事食品营养与健康方面的研究。

(责任编辑：叶红波)