高珊，祝梓淳，徐學(xué)兵，鄭妍，高霓思，殷寶茹，鐘宇*

（1.上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海200240；2.豐益（上海）生物技術(shù)研發(fā)中心有限公司，上海200137）

小麥?zhǔn)俏覈?guó)僅次于水稻的第二大糧食作物，麥麩是小麥加工過(guò)程中的主要副產(chǎn)物，約占籽實(shí)總重的10%，包括小麥麥粒果皮、外果皮、種皮、珠心層和部分糊粉層[1]。2018年我國(guó)小麥產(chǎn)量約為1.3億噸[2]，推算麥麩理論產(chǎn)量為1 300萬(wàn)噸，產(chǎn)量大，成本低，且具有良好的營(yíng)養(yǎng)和功能特性。麥麩中的可溶性戊聚糖具有降低血清膽固醇的作用[3]；低聚糖具有益生元活性，能夠選擇性增加糞便雙歧桿菌數(shù)量[4]，有效減少腸道感染；貯藏蛋白相較胚乳蛋白含有更多的必需氨基酸和條件必需氨基酸[5]；酚酸具有清除自由基、抑制單線態(tài)氧生成的作用[6]。近年來(lái)隨著消費(fèi)者對(duì)于健康飲食的重視，麥麩回添食品的需求顯著提升[7]。

然而，麥麩以細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)為主，可溶性物質(zhì)含量很低，麥麩中的蛋白、酚酸等物質(zhì)常與不溶性復(fù)合碳水化合物相結(jié)合，難以釋放利用，影響其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[8]；此外在面包的加工過(guò)程中，麥麩會(huì)干擾面筋形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致面團(tuán)彈性降低、烘焙質(zhì)量變差等[5]。這些問(wèn)題限制了麥麩在食品中的應(yīng)用。因此，物理處理、化學(xué)處理、生物加工等方法常被用于改善不溶成分對(duì)于麥麩感官、營(yíng)養(yǎng)、應(yīng)用等方面的不利影響[9-10]。蒸汽爆破（steam explosion，SE）是一種水熱加工方法，高壓（0.7 MPa～4.8 MPa）和高溫（160℃～240℃）下的蒸汽在幾分鐘內(nèi)充滿物料，然后對(duì)其進(jìn)行瞬間泄壓，通過(guò)高溫蒸煮階段的熱反應(yīng)和瞬時(shí)減壓階段的物理撕裂的共同作用，打破生物質(zhì)材料各組分的結(jié)合[11-12]。研究表明，SE是一種低成本、節(jié)能、耗時(shí)短、無(wú)溶劑殘留的處理技術(shù)，可以有效處理各種木質(zhì)纖維素原料，是半纖維素增溶的首選方法[13]。文獻(xiàn)指出，使用SE方法處理玉米秸稈，可以提高玉米秸稈的消化性[14]；經(jīng)SE處理的麥麩可以提高酚類化合物的得率，且具有較強(qiáng)的抗氧化性[15]；研究表明在2.5 MPa壓力下保壓60 s，可以破壞麥麩中的植酸，最佳工藝下植酸降解率可達(dá)87%[16]。

本文比較了SE前后麥麩的組分和微觀形貌變化，并采用單因素試驗(yàn)探究SE條件（蒸汽壓力、保壓時(shí)間、水添加量）對(duì)麥麩中可溶性成分（可溶性戊聚糖、可消化碳水化合物、可溶性蛋白）含量和總戊聚糖含量的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

麥麩：上海豐益國(guó)際公司；5-甲基間苯二酚（分析純）：東京化成工業(yè)株式會(huì)社；苯酚（分析純）：上海易恩化學(xué)技術(shù)有限公司；D（＋）葡萄糖（分析純）、牛免疫球蛋白G：上海源葉生物科技有限公司；考馬斯亮藍(lán)G-250蛋白染料：上海麥克林生化科技有限公司；木糖、鹽酸、濃硫酸、NaOH、丙酮（均為分析純）：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

QBS-80蒸汽爆破工藝試驗(yàn)臺(tái)：河南鶴壁正道重型機(jī)械廠；Triad冷凍干燥機(jī)：美國(guó)Labconoco公司；JP-500C型粉碎機(jī)：久品電器有限公司；Sirion 200高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡：美國(guó)FEI公司；Multiskan Go酶標(biāo)儀：美國(guó)賽默飛世爾科技公司；LabScan XE色度儀：HunterLab公司。

1.3 方法

1.3.1 麥麩基本成分測(cè)定

水分含量：直接干燥法，依據(jù)GB 5009.3—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測(cè)定》；灰分含量：馬弗爐高溫灼燒法，依據(jù)GB 5009.4—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中灰分的測(cè)定》；脂肪含量：索氏抽提法，依據(jù)GB5009.6—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中脂肪的測(cè)定》；蛋白質(zhì)含量：凱氏定氮法，依據(jù)GB 5009.5—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》。選取對(duì)照組樣品及SE處理后（蒸汽壓力1.5 MPa、保壓時(shí)間180 s、水添加量10%）樣品進(jìn)行上述成分測(cè)定，除水分含量外均由干物質(zhì)含量表示。

1.3.2 麥麩SE處理

稱取200 g麥麩，加入一定量水，通入高溫飽和蒸汽。待缸內(nèi)壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，保持一定時(shí)間后泄壓回收物料。麥麩經(jīng)過(guò)SE處理后，置于60℃下熱風(fēng)干燥24 h（物料厚度1 cm），粉碎過(guò)60目篩，備用。

探究蒸汽壓力影響時(shí)，固定保壓時(shí)間180 s，水添加量 30%，蒸汽壓力依次為 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 MPa；探究保壓時(shí)間影響時(shí)，固定蒸汽壓力1.5 MPa，水添加量30%，保壓時(shí)間依次為 90、120、150、180、210、240 s；探究水添加量影響時(shí)，固定蒸汽壓力1.5 MPa，保壓時(shí)間180 s，麥麩原料水添加量依次為10%、20%、30%、40%、50%、60%。未經(jīng)SE處理的麥麩作為對(duì)照組。

1.3.3 色度值

采用色度儀對(duì)粉碎后樣品進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定重復(fù)3次，取平均值。

1.3.4 可溶性戊聚糖含量測(cè)定

準(zhǔn)確稱取樣品0.3 g，加入蒸餾水200 mL，沸水浴加熱2 h，趁熱過(guò)濾，定容至250 mL。吸取水提液10 mL，加入10 mL 4 mol/L鹽酸溶液，沸水浴酸解2 h，過(guò)濾，采用地衣酚-鹽酸法測(cè)定可溶性戊聚糖含量（以木糖計(jì)）。

1.3.5 總戊聚糖含量測(cè)定

準(zhǔn)確稱取樣品0.1 g，加入20 mL 4 mol/L鹽酸溶液，沸水浴酸解2 h，過(guò)濾，取過(guò)濾后上清液5 mL，定容至50 mL。采用地衣酚-鹽酸法測(cè)定總戊聚糖含量（以木糖計(jì)）。

1.3.6 可消化碳水化合物含量測(cè)定

參考DEANS等[17]的方法，準(zhǔn)確稱取樣品20 mg，加入1 mL 0.1 mol/L H2SO4溶液，沸水浴加熱1 h后置于溫水浴中冷卻，15 000×g離心10 min。收集上清液，采用苯酚-硫酸法測(cè)定可消化碳水化合物含量。

1.3.7 可溶性蛋白含量測(cè)定

參考DEANS等[17]的方法，稱取樣品20 mg，加入500 μL 0.1 mol/L NaOH溶液，超聲處理30 min后沸水浴加熱15 min，離心10 min后轉(zhuǎn)移上清液，用300 μL 0.1 mol/L NaOH溶液洗滌沉淀并離心后，合并上清液。使用5.8 mol/L鹽酸溶液調(diào)節(jié)上清液pH值至7。加入90 μL 100%三氯乙酸溶液并在冰上孵育30 min，4℃離心10 min后除去上清液。使用100 μL 20℃丙酮快速洗滌沉淀后，放入通風(fēng)櫥中使丙酮蒸發(fā)。向管中加入1 mL 0.1 mol/L NaOH溶液，通過(guò)加熱、渦旋和超聲處理使其完全溶解。采用Bradford法測(cè)定可溶性蛋白含量。

1.3.8 微觀結(jié)構(gòu)表征—掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）法

選取對(duì)照組樣品，中度SE處理麥麩樣品（蒸汽壓力1.5 MPa、保壓時(shí)間180 s、水添加量10%）及重度SE處理麥麩樣品（蒸汽壓力2.5 MPa、保壓時(shí)間180 s、水添加量10%），使用掃描電子顯微鏡在5 kV下觀察樣品微觀結(jié)構(gòu)，放大倍數(shù)5 000倍。

1.4 數(shù)據(jù)處理

各試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用Origin 2016軟件繪圖，IBM SPSS 24軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并通過(guò)單因素ANOVA檢驗(yàn)下的Duncan’s test進(jìn)行顯著性差異比較，P<0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 SE處理前后麥麩基礎(chǔ)成分變化

選取對(duì)照組樣品及SE處理樣品（蒸汽壓力1.5 MPa）進(jìn)行基礎(chǔ)成分測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 SE前后麥麩基礎(chǔ)成分變化Table 1 Basic components contents of wheat bran before and after SE

由表1可知，對(duì)照組麥麩中碳水化合物含量最高，為74.23%干基。SE處理之后，麥麩的灰分、脂肪和蛋白質(zhì)含量顯著增加，碳水化合物含量顯著降低至70.70%干基，這與冉福等[18]得出的結(jié)果相似，這可能是由于SE過(guò)程中半纖維素等分解產(chǎn)物在高溫下?lián)]發(fā)，干物質(zhì)損失，從而間接造成其它組分含量增加[19]。

2.2 SE處理?xiàng)l件對(duì)麥麩色澤影響

SE處理前后麥麩粉末色度值測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同SE處理?xiàng)l件對(duì)于麥麩色度值影響Table 2 Effect of SE on the color values of wheat bran

SE對(duì)麥麩的影響普遍在于使麥麩亮度（L*）值降低，紅度（a*）值增大，黃度（b*）值增大，麥麩粉末顏色由棕黃色轉(zhuǎn)為黃褐色，這可能是由于麥麩在SE過(guò)程中發(fā)生美拉德反應(yīng)[20]，生成的羧甲基糠醛等物質(zhì)會(huì)進(jìn)一步縮合生成褐色可溶物乃至生成類黑精[21]。由表2可知，麥麩樣品亮度值整體上隨蒸汽壓力的增大而減小，當(dāng)蒸汽壓力為1.5 MPa時(shí)，亮度值較對(duì)照組下降了28.87%，當(dāng)蒸汽壓力進(jìn)一步增大時(shí)，亮度值迅速降低，蒸汽壓力到達(dá)2.5 MPa時(shí)亮度值為對(duì)照組的54.68%。秦曉潔等[11]在瞬時(shí)彈射式汽爆法制備速溶牦牛骨粉的研究中同樣發(fā)現(xiàn)牦牛骨隨蒸汽壓力增大色澤逐漸加深，當(dāng)蒸汽壓力大于1.5 MPa時(shí)，懸浮液呈黃褐色。

2.3 SE處理對(duì)麥麩總戊聚糖含量的影響

戊聚糖在麥麩中含量可達(dá)20%～25%，占總膳食纖維的60%以上，是麥麩膳食纖維的主要功能組分[22]。圖1為蒸汽壓力、保壓時(shí)間、水添加量對(duì)麥麩總戊聚糖含量的影響。

由圖1可知，與對(duì)照組相比，SE處理組麥麩總戊聚糖含量均降低，在SE處理的3個(gè)因素中，影響較大的是蒸汽壓力。隨著蒸汽壓力的上升，麥麩樣品總戊聚糖含量逐漸下降，對(duì)照組麥麩總戊聚糖含量為420.77 mg/g，2.5 MPa壓力時(shí)總戊聚糖含量降低至282.27 mg/g，相較對(duì)照組降低了約30%；保壓時(shí)間超過(guò)150 s后麥麩總戊聚糖含量與對(duì)照組存在顯著性差異，但各SE處理組之間沒(méi)有明顯差別；不同水添加量的SE處理組間的總戊聚糖含量變化不顯著，但均顯著低于對(duì)照組。經(jīng)過(guò)SE處理之后麥麩總戊聚糖含量下降，可能是在高溫高壓過(guò)程中，麥麩結(jié)構(gòu)被破壞，部分戊聚糖發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，例如戊聚糖脫水反應(yīng)產(chǎn)生糠醛，進(jìn)一步發(fā)生縮合、裂解反應(yīng)等[23]。

圖1 SE處理對(duì)麥麩總戊聚糖含量的影響Fig.1 Effect of SE on total pentosan content of wheat bran

2.4 SE處理對(duì)麥麩可溶物含量的影響

SE處理對(duì)麥麩可溶性戊聚糖含量的影響見(jiàn)表3。

表3 SE處理對(duì)麥麩可溶性戊聚糖含量的影響Table 3 Effect of SE on soluble pentosan content of wheat bran

由表3可得，對(duì)照組麥麩可溶性戊聚糖含量較少，為14.06 mg/g，SE處理對(duì)于可溶性戊聚糖含量有提升作用。在SE處理的3個(gè)因素中，蒸汽壓力對(duì)于可溶性戊聚糖含量的影響較明顯，其含量隨著蒸汽壓力的增大呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在1.5 MPa壓力下達(dá)到峰值172.55 mg/g，約為對(duì)照組的1 200%。在保壓時(shí)間150 s時(shí)麥麩可溶性戊聚糖含量增至對(duì)照組的1 400%左右，保壓時(shí)間180 s時(shí)，麥麩可溶性戊聚糖含量達(dá)到最大值，為209.53 mg/g。不同水添加量的SE處理組麥麩的可溶性戊聚糖含量無(wú)顯著性差異。

圖2為SE處理對(duì)麥麩可消化碳水化合物與可溶性蛋白比值的影響。

圖2 SE處理對(duì)麥麩可消化碳水化合物與可溶性蛋白比值的影響Fig.2 Effect of SE on the ratio of digestible carbohydrate to soluble protein of wheat bran

可消化碳水化合物經(jīng)過(guò)胃腸道的物理、化學(xué)消化，逐步降解成為葡萄糖、果糖、半乳糖等單糖及少量雙糖?？扇苄缘鞍字敢孕》肿訝顟B(tài)溶于水或其它溶劑的蛋白，其含量對(duì)生物體的消化吸收也有著重要的影響，是食品加工的重要指標(biāo)之一，兩者的比值可以反映食物的消化性。隨著蒸汽壓力的增加，該比值呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì)，蒸汽壓力為1.5 MPa時(shí)出現(xiàn)峰值，相較對(duì)照組增加約35%；而隨著保壓時(shí)間的延長(zhǎng)，該比值呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。不同水添加量對(duì)SE處理樣品的可消化碳水化合物與可溶性蛋白比值沒(méi)有顯著性影響。

2.5 SE處理對(duì)麥麩微觀形態(tài)的影響

本研究采用SEM對(duì)對(duì)照組麥麩、中度SE處理麥麩以及重度SE處理麥麩進(jìn)行了觀察，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 SE處理前后麥麩微觀結(jié)構(gòu)Fig.3 Microstructure of wheat bran before and after SE

從圖3中可以看出，對(duì)照組麥麩雖然經(jīng)過(guò)粉碎但顆粒仍比較完整，平均粒徑較大，表面光滑，邊緣整齊，其結(jié)構(gòu)沒(méi)有受到影響。而經(jīng)過(guò)SE處理后的兩個(gè)樣品，由于SE沖擊作用粒徑變小，同時(shí)由于半纖維素和木質(zhì)素的降解，纖維結(jié)構(gòu)不再緊密，出現(xiàn)不規(guī)則撕裂，導(dǎo)致表面呈蜂窩狀[16]。相較1.5 MPa蒸汽壓力下的中度SE處理的麥麩顆粒，2.5 MPa蒸汽壓力下的重度SE處理的麥麩結(jié)構(gòu)被完全破壞成碎片，表面褶皺狀更深，剝離感更強(qiáng)。樣品微觀形貌變化表明，蒸汽壓力與物料破壞程度呈正相關(guān)，蒸汽壓力越大，半纖維素與木質(zhì)素降解、纖維結(jié)構(gòu)破壞程度越深。

3 結(jié)論

本研究考察不同汽爆參數(shù)（蒸汽壓力、保壓時(shí)間、水添加量）對(duì)麥麩組分及微觀形貌的影響。麥麩經(jīng)SE處理后顏色改變較大，隨著蒸汽壓力增加，整體來(lái)看，樣品L*值減小，a*值增大，這與美拉德反應(yīng)有關(guān)?；A(chǔ)組分分析顯示SE處理后灰分、脂肪和蛋白質(zhì)含量增大，可能是麥麩SE分解產(chǎn)物在高溫下?lián)]發(fā)，干物質(zhì)損失，從而間接造成組分含量增加。微觀結(jié)構(gòu)顯示SE處理能夠破壞麥麩結(jié)構(gòu)，破壞程度與蒸汽壓力呈正相關(guān)，這促進(jìn)了麥麩中的可溶性物質(zhì)釋放，尤其是可溶性戊聚糖釋放量顯著增大，對(duì)于麥麩實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用具有一定現(xiàn)實(shí)意義。綜合微觀特征、可溶物含量和總戊聚糖含量，蒸汽壓力1.5 MPa、保壓時(shí)間180 s、水添加量10%時(shí)麥麩品質(zhì)較好，后續(xù)試驗(yàn)將在此條件下進(jìn)一步探究SE處理對(duì)麥麩功能特性及加工特性的影響。