過熱蒸汽處理對(duì)赤霉病小麥麩皮中脫氧雪腐鐮刀菌烯醇降解效果研究

劉海波，李萌萌，關(guān)二旗，劉遠(yuǎn)曉，卞科

(河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州，450000)

我國(guó)是小麥種植、消費(fèi)大國(guó)，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2019年我國(guó)小麥種植面積2 373萬(wàn)hm2，年產(chǎn)量1.3億t。麩皮是小麥加工的主要副產(chǎn)物之一，產(chǎn)量約占小麥加工量的20%左右，每年產(chǎn)量高達(dá)3 200萬(wàn)t以上[1]。小麥麩皮中蛋白質(zhì)含量約為12%～18%，且清蛋白、球蛋白、麥醇溶蛋白、麥谷蛋白分布較為均勻[2]，是一種物美價(jià)廉的植物蛋白質(zhì)提取原料；小麥麩皮中還富含膳食纖維，常添加于保健食品中；此外，小麥麩皮中豐富的纖維素、半纖維素是制備低聚糖的優(yōu)質(zhì)資源。但是，由于小麥麩皮中酶活性、微生物含量較高，容易引起食品品質(zhì)劣變，且口感粗糙、適口性差，長(zhǎng)久以來(lái)主要被用于制作飼料，多數(shù)沒有進(jìn)行深加工和再利用，綜合利用率不足20%[3]。隨著社會(huì)的發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)健康飲食的需求日益增長(zhǎng)，小麥麩皮因其豐富的膳食纖維、礦物質(zhì)、維生素、酚類化合物等營(yíng)養(yǎng)活性物質(zhì)，以及可控制血糖指數(shù)[4]，降低癌癥[5]、心血管疾病[6]的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)等功能越來(lái)越受到消費(fèi)者的關(guān)注。

消費(fèi)者在關(guān)注食品營(yíng)養(yǎng)的同時(shí)也應(yīng)該注重食品安全問題，食品安全始終是食品加工領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。對(duì)于消費(fèi)者而言，食品安全不僅要從表觀判斷，更要關(guān)注食品中是否含有肉眼無(wú)法判別的有害成分，脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(deoxynivalenol，DON)是小麥中常見的一種有害物質(zhì)。DON又名嘔吐毒素，以能夠引起豬的嘔吐而得名，是谷物中最常見的單端孢霉烯族毒素。DON污染谷物類食品的概率很高，如果使用含有DON的小麥、玉米等谷物作為食品加工原材料，可能會(huì)導(dǎo)致DON留存在食品內(nèi)，危害人體健康。人或動(dòng)物攝入DON后會(huì)出現(xiàn)腹痛腹瀉、食欲不振、甚至拒食、血性腹瀉和內(nèi)毒素血癥等[7-8]。DON已被國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)(International Agency for Research on Cancer，IARC)列為三類致癌物之一，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的谷物及其制品中DON含量最高限量為1 000 μg/kg。

有研究表明，赤霉病小麥籽粒中的 DON 大部分集中在麩皮中，這極大限制了麩皮在食品加工、飼料制備和活性成分提取中的應(yīng)用。目前對(duì)小麥及其制品中DON削減的方法主要分為3種：物理、化學(xué)和生物削減法。物理分級(jí)是降低小麥中DON含量最直接有效的方法。使用色選機(jī)和比重分選機(jī)，通過調(diào)節(jié)儀器參數(shù)可以將DON含量較高的赤霉病粒與正常小麥分離，達(dá)到降低小麥中DON含量的目的[9]?；瘜W(xué)法是利用DON在酸、堿、氧化劑等作用下轉(zhuǎn)化成無(wú)毒物質(zhì)對(duì)DON進(jìn)行削減。邵慧麗[10]采用臭氧對(duì)污染了DON的小麥進(jìn)行處理，粗麩、細(xì)麩中DON含量均顯著下降。生物法根據(jù)微生物種類、作用機(jī)制不同可以分為生物吸附法、生物降解法等。梁含等[11]通過組合從土壤、淤泥、動(dòng)物糞便中篩選出的菌種對(duì)DON進(jìn)行降解，降解率最高可達(dá)71%。雖然這些方法都取得了一定的成果，但物理分選只能實(shí)現(xiàn)嘔吐毒素的重新分配，并不能將其降解；化學(xué)法反應(yīng)較為復(fù)雜，可能會(huì)破壞糧食的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值以及帶來(lái)二次污染；生物法對(duì)反應(yīng)條件要求較為苛刻，且成本較高，在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的局限性。過熱蒸汽是對(duì)飽和蒸汽進(jìn)行再加熱而產(chǎn)生的，具有熱效率利用率高[12]、節(jié)能環(huán)保[13]、安全性高等特點(diǎn)，近年來(lái)在食品干燥[14]、滅酶殺菌[15-16]、毒素削減[17]中得到了一定應(yīng)用。本文以3種DON含量不同的小麥麩皮作為實(shí)驗(yàn)原料，通過調(diào)節(jié)過熱蒸汽溫度、處理時(shí)間、蒸汽流速和麩皮水分含量來(lái)研究過熱蒸汽處理對(duì)DON降解率的影響，旨在為麥麩及其制品中嘔吐毒素的削減提供新的理論依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

DON 標(biāo)準(zhǔn)品(純度≥ 99%)，西格瑪奧德里奇 (上海)貿(mào)易有限公司；甲醇(色譜級(jí))，美國(guó) Fisher 科技有限公司；實(shí)驗(yàn)用超純水，使用美國(guó)Millipore公司生產(chǎn)的超純水系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室制備，樣品分組如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料Table 1 Experimental materials

1.2 儀器與設(shè)備

過熱蒸汽處理裝置，實(shí)驗(yàn)室自制(圖1)；SBEQ-CC15002 CNW嘔吐毒素免疫親和柱、DC-12型氮吹儀，上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司；e2695 高效液相色譜儀，美國(guó) Waters科技有限公司。樣品分組如表1所示。

1-蒸汽發(fā)生器；2-加熱器；3-溫控器；4-干燥室；5-離心風(fēng)機(jī)； 6-壓力表；7、8、9-溫度表；10-測(cè)風(fēng)口圖1 過熱蒸汽干燥試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of superheated steam device

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 麥麩水分含量的測(cè)定

參照GB 5009.3—2016 《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》中直接干燥法測(cè)定小麥麩皮中水分含量。

1.3.2 過熱蒸汽處理

使用河南工業(yè)大學(xué)谷物加工理論與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室自制的過熱蒸汽處理系統(tǒng)對(duì)麥麩進(jìn)行處理。如圖1所示，首先開啟蒸汽發(fā)生器為后續(xù)處理儲(chǔ)備蒸汽。打開加熱器、離心風(fēng)機(jī)開關(guān)并設(shè)置所需蒸汽溫度、蒸汽流速，待溫度表8、9讀數(shù)達(dá)到設(shè)置溫度且溫差<±5 ℃時(shí)通入蒸汽，保持壓力表6壓力為0.1 MPa。準(zhǔn)確稱取60 g小麥麩皮平鋪于100目篩網(wǎng)上，使料層厚度<1 cm。將篩網(wǎng)放入樣品室后開始計(jì)時(shí)，處理完成后自然冷卻至室溫，置于4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.3 DON標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備

將1 mg DON標(biāo)準(zhǔn)品溶于10 mL乙腈溶液中，制得質(zhì)量濃度為100 μg/mL的DON標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，于4 ℃ 儲(chǔ)存?zhèn)溆?。使用前先將?biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液恢復(fù)至室溫，然后取0.5 mL標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液氮?dú)獯蹈?，使用流?dòng)相稀釋為0.1、0.2、0.5、1、2、5、10 μg/mL的DON標(biāo)準(zhǔn)工作液，經(jīng)0.45 μm有機(jī)濾膜過濾后，4 ℃避光保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.4 DON的提取和凈化

提?。簠⒄誈B 5009.111—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脫氧雪腐鐮刀菌烯醇及其乙?；苌锏臏y(cè)定》中第二法免疫親和層析凈化高效液相色譜法的方法并稍作優(yōu)化。稱取粉碎并通過30目篩的麩皮樣品 25 g(準(zhǔn)確到0.1 g)于250 mL 具塞三角瓶中，加入 5 g 聚乙二醇，加100 mL水混勻，置于振蕩器上振蕩 20 min，靜置5 min。提取液用Whatman 1.5 μm玻璃纖維濾紙過濾，收集濾液于離心管中，在10 000 r/min下離心5 min。

凈化：使用特異性免疫親和柱凈化DON。吸取1 mL 離心后的上清液通過免疫親和柱，樣液流盡后吸取10 mL水以1滴/s的流速?zèng)_洗免疫親和柱直至空氣進(jìn)入。然后加入1 mL色譜級(jí)甲醇緩慢洗脫，流速為2秒每滴。全部收集洗脫液于50 ℃下氮?dú)獯蹈?。使? mL流動(dòng)相[V(甲醇)∶V(水)=20∶80]溶解DON，過0.45 μm有機(jī)濾膜備用。

1.3.5 DON含量的檢測(cè)

使用配備紫外檢測(cè)器的高效液相色譜檢測(cè)DON含量。流動(dòng)相V(甲醇)∶V(水)=20∶80；色譜柱Waters C18反相色譜柱(4.6 mm×250 mm，5 μm)；柱溫35 ℃；流速0.8 mL/min；進(jìn)樣量10 μL；檢測(cè)方法為紫外檢測(cè)；檢測(cè)波長(zhǎng)218 nm。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel 2016、SPSS 20和Origin 2018進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、顯著性分析(P<0.05)、圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 DON標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

以峰面積為縱坐標(biāo)，根據(jù)不同質(zhì)量濃度的DON溶液繪制DON標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖2)。DON的質(zhì)量濃度和峰面積具有良好的線性關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為Y=12 500x+33.8(R2=0.999 8)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.36%，表明該檢測(cè)方法在 DON 質(zhì)量濃度為 0.1～10 μg/mL 具有良好線性關(guān)系且所得標(biāo)準(zhǔn)曲線可以對(duì)麩皮中的DON準(zhǔn)確定量。

圖2 DON標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.2 Schematic diagram of superheated steam device

2.2 蒸汽溫度對(duì)DON降解率的影響

控制處理時(shí)間為6 min、蒸汽流速為3 m/s，麩皮水分含量為10%，探究蒸汽溫度對(duì)DON降解率的影響。隨著蒸汽溫度的升高，3種樣品H、M、L 中DON含量均顯著降低(圖3)。溫度設(shè)置為180～220 ℃時(shí)，樣品H的降解率最高可達(dá)35.10%，顯著高于樣品M、L的最高降解率21.18%。這表明在一定的溫度范圍內(nèi)，過熱蒸汽處理對(duì)DON含量較高的麩皮降解效果要優(yōu)于DON含量較低的麩皮。提升蒸汽溫度至260 ℃，DON降解率繼續(xù)升高，樣品H降解率最高為67%，樣品M、L降解率均達(dá)70%以上。這表明高溫蒸汽對(duì)DON含量不同的麩皮均具有良好的降解效果。由于DON的結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定[18]，因而溫度的高低對(duì)降解率有顯著的影響。有研究顯示121 ℃高壓下處理25 min，DON僅有少量被降解[19]。而將溫度提升至125～250 ℃時(shí)，水相中的DON純品降解率可達(dá)16%～100%[20]。隨著溫度的升高，DON結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低，化學(xué)結(jié)構(gòu)被破壞，降解率顯著升高[21]。但是170 ℃以上高溫處理削減麩皮中DON含量的同時(shí)也會(huì)對(duì)麩皮品質(zhì)造成負(fù)面的影響，最直觀的體現(xiàn)是高溫下麩皮中的淀粉和蛋白質(zhì)發(fā)生美拉德反應(yīng)，麩皮顏色加深，并生成不良風(fēng)味。因此，應(yīng)結(jié)合麩皮品質(zhì)的變化選擇合適的過熱蒸汽溫度對(duì)麩皮進(jìn)行處理。

圖3 蒸汽溫度對(duì)降解效果的影響Fig.3 Effect of steam temperature on degradation efficiency

2.3 處理時(shí)間對(duì)DON降解率的影響

控制蒸汽溫度為240 ℃、蒸汽流速為3 m/s、麩皮水分含量為10%，探究處理時(shí)間對(duì)DON降解率的影響。由圖4可知，處理時(shí)間對(duì)過熱蒸汽降解DON的效果具有顯著影響，H、M、L這3種小麥麩皮中DON降解率隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)而升高。處理時(shí)間為10 min時(shí)，樣品L的DON降解率為80.55%，樣品H、S的DON降解率均達(dá)到90 %以上。以上數(shù)據(jù)表明，延長(zhǎng)過熱蒸汽處理時(shí)間能夠顯著提升過熱蒸汽對(duì)麩皮中DON的降解效果。延長(zhǎng)過熱蒸汽處理時(shí)間有助于熱量充分傳遞給物料，熱是DON被破壞降解的主要因素[22]。但處理時(shí)間達(dá)到8 min以上時(shí)，麩皮顏色明顯發(fā)暗，由麥黃色變?yōu)樽睾谏?，具有焦糊味，這表明高溫長(zhǎng)時(shí)間處理嚴(yán)重破壞麩皮的使用價(jià)值。

圖4 處理時(shí)間對(duì)降解效果的影響Fig.4 Effect of treatment time on degradation efficiency

2.4 蒸汽流速對(duì)DON降解率的影響

控制蒸汽溫度為240 ℃、處理時(shí)間為6 min、麩皮水分含量為10 %，探究蒸汽流速對(duì)DON降解率的影響,結(jié)果如圖5所示。當(dāng)蒸汽流速在1～5 m/s時(shí)，提升蒸汽流速后，3種樣品H、M、L中DON含量均顯著降低。蒸汽流速為5 m/s時(shí)，樣品H、M中DON降解率均達(dá)到最高值，分別為61.39%、56.72%。而樣品L在蒸汽流速為4 m/s時(shí)的DON降解率達(dá)到最高值59.13%，提高蒸汽流速至5 m/s時(shí)，DON降解率下降至56.04%，但二者間并無(wú)顯著差異。這表明，對(duì)于樣品L繼續(xù)提高蒸汽流速無(wú)法顯著改善DON降解率。在蒸汽溫度、處理時(shí)間、水分含量相同的條件下，高蒸汽流速帶來(lái)了更多熱量，有助于過熱蒸汽和麩皮間快速換熱，將更多熱量傳遞給麩皮。同時(shí)過熱蒸汽在系統(tǒng)中快速循環(huán)，加速了水蒸氣向外排放，降低了過熱蒸汽含水量，過熱蒸汽與麩皮間濕度差增大，傳熱系數(shù)隨之增大[23]。更多的熱量由蒸汽傳遞至麩皮中，這顯著提高了DON的降解率。

圖5 蒸汽流速對(duì)降解效果的影響Fig.5 Effect of steam velocity on degradation efficiency

2.5 麩皮水分含量對(duì)DON降解率的影響

控制蒸汽溫度為240 ℃，處理時(shí)間為6 min，蒸汽流速為3 m/s，麩皮水分含量對(duì)DON降解率的影響如圖6所示。對(duì)于樣品H、M，隨著麩皮水分含量的增加，DON降解率顯著降低。麩皮水分含量為22%時(shí)，樣品H的DON降解率較水分含量19%時(shí)顯著升高。這可能是因?yàn)镈ON易溶于水，麩皮中水分含量較高時(shí)，一部分DON會(huì)隨著水分的快速散發(fā)過程得到削減[19]。對(duì)于樣品L，麩皮水分含量為10%、13%時(shí)，降解率無(wú)顯著差異。麩皮水分含量>16%時(shí)，降解率較10%、13%時(shí)顯著降低，但樣品間無(wú)顯著差異。這表明水分含量升高會(huì)抑制麩皮中DON的降解，且DON含量低的麩皮受水分影響更大。處理初始階段，蒸汽與物料間溫差較大，蒸汽遇冷會(huì)先在物料表面凝結(jié)一部分水，造成物料含水量短暫升高。處理過程中物料內(nèi)部與外界環(huán)境蒸汽壓差較大，水分易蒸發(fā)，因此水分脫除速率較大。麩皮初始水分含量越高，物料內(nèi)部自由水越多，所需要蒸發(fā)的水分就越多，而水分的脫除過程需要吸收大量熱量[24]，造成水分含量高的麩皮升溫速率顯著低于水分含量低的麩皮。隨著處理進(jìn)行，麩皮水分含量不斷降低，過熱蒸汽提供的熱量大于水分蒸發(fā)消耗的熱量并將多余熱量傳遞到麩皮中，麩皮溫度不斷升高。因此在相同的時(shí)間段內(nèi)，水分含量低的麩皮升溫速率要高于水分含量高的麩皮，并最先升至蒸汽溫度。

圖6 水分含量對(duì)降解效果的影響Fig.6 Effect of water content on degradation efficiency

3 結(jié)論

本研究通過調(diào)節(jié)蒸汽溫度、蒸汽流速、處理時(shí)間和麩皮水分含量，探究了過熱蒸汽處理對(duì)麩皮中DON的降解效果。結(jié)果表明，蒸汽溫度、蒸汽流速、處理時(shí)間和麩皮水分含量均對(duì)DON的降解率具有顯著影響，其中提高蒸汽溫度、蒸汽流速，延長(zhǎng)處理時(shí)間后，H、M、L樣品中 DON的降解率均顯著升高。這是因?yàn)樵谶^熱蒸汽處理過程中，熱效應(yīng)是導(dǎo)致DON降解的主要因素，提高蒸汽溫度、延長(zhǎng)處理時(shí)間和增加蒸汽流速均有助于將更多的熱量傳遞至麩皮。但是，隨著麩皮水分含量的增加，DON降解率則顯著降低，這是由于水分的脫除需要吸收大量熱，水分含量低的麩皮升溫速率較高且最先達(dá)到蒸汽溫度，這對(duì)DON的降解具有顯著影響。樣品H在蒸汽溫度為240 ℃、處理時(shí)間為10 min、蒸汽流速為3 m/s、麩皮水分含量為10%時(shí)，DON降解率達(dá)到最高值 91.12%。經(jīng)計(jì)算，最高可將DON含量為11.26 mg/kg的赤霉病小麥麩皮中DON含量降低至國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限定含量范圍內(nèi)。高溫長(zhǎng)時(shí)間處理雖然能提高DON降解率，但會(huì)導(dǎo)致麩皮品質(zhì)劣變嚴(yán)重。因此，在未來(lái)的研究中應(yīng)結(jié)合過熱蒸汽處理對(duì)麩皮品質(zhì)的影響進(jìn)一步探索更適宜的處理?xiàng)l件。