蒸汽爆破對麥麩組分及微觀形貌的影響

高珊，祝梓淳，徐學兵，鄭妍，高霓思，殷寶茹，鐘宇*

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

小麥是我國僅次于水稻的第二大糧食作物，麥麩是小麥加工過程中的主要副產(chǎn)物，約占籽實總重的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1 300萬噸，產(chǎn)量大，成本低，且具有良好的營養(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]。近年來隨著消費者對于健康飲食的重視，麥麩回添食品的需求顯著提升[7]。

然而，麥麩以細胞壁結構為主，可溶性物質含量很低，麥麩中的蛋白、酚酸等物質常與不溶性復合碳水化合物相結合，難以釋放利用，影響其營養(yǎng)價值[8]；此外在面包的加工過程中，麥麩會干擾面筋形成網(wǎng)絡結構，導致面團彈性降低、烘焙質量變差等[5]。這些問題限制了麥麩在食品中的應用。因此，物理處理、化學處理、生物加工等方法常被用于改善不溶成分對于麥麩感官、營養(yǎng)、應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，然后對其進行瞬間泄壓，通過高溫蒸煮階段的熱反應和瞬時減壓階段的物理撕裂的共同作用，打破生物質材料各組分的結合[11-12]。研究表明，SE是一種低成本、節(jié)能、耗時短、無溶劑殘留的處理技術，可以有效處理各種木質纖維素原料，是半纖維素增溶的首選方法[13]。文獻指出，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，并采用單因素試驗探究SE條件（蒸汽壓力、保壓時間、水添加量）對麥麩中可溶性成分（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：上海豐益國際公司；5-甲基間苯二酚（分析純）：東京化成工業(yè)株式會社；苯酚（分析純）：上海易恩化學技術有限公司；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）：國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

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

1.3 方法

1.3.1 麥麩基本成分測定

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

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)壓力達到預設值時開始計時，保持一定時間后泄壓回收物料。麥麩經(jīng)過SE處理后，置于60℃下熱風干燥24 h（物料厚度1 cm），粉碎過60目篩，備用。

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

1.3.3 色度值

采用色度儀對粉碎后樣品進行測定，測定重復3次，取平均值。

1.3.4 可溶性戊聚糖含量測定

準確稱取樣品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，過濾，采用地衣酚-鹽酸法測定可溶性戊聚糖含量（以木糖計）。

1.3.5 總戊聚糖含量測定

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

1.3.6 可消化碳水化合物含量測定

參考DEANS等[17]的方法，準確稱取樣品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-硫酸法測定可消化碳水化合物含量。

1.3.7 可溶性蛋白含量測定

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，放入通風櫥中使丙酮蒸發(fā)。向管中加入1 mL 0.1 mol/L NaOH溶液，通過加熱、渦旋和超聲處理使其完全溶解。采用Bradford法測定可溶性蛋白含量。

1.3.8 微觀結構表征—掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）法

選取對照組樣品，中度SE處理麥麩樣品（蒸汽壓力1.5 MPa、保壓時間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下觀察樣品微觀結構，放大倍數(shù)5 000倍。

1.4 數(shù)據(jù)處理

各試驗重復3次，結果以平均值±標準差表示。采用Origin 2016軟件繪圖，IBM SPSS 24軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并通過單因素ANOVA檢驗下的Duncan’s test進行顯著性差異比較，P<0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 SE處理前后麥麩基礎成分變化

選取對照組樣品及SE處理樣品（蒸汽壓力1.5 MPa）進行基礎成分測定，結果見表1。

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

由表1可知，對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]得出的結果相似，這可能是由于SE過程中半纖維素等分解產(chǎn)物在高溫下?lián)]發(fā)，干物質損失，從而間接造成其它組分含量增加[19]。

2.2 SE處理條件對麥麩色澤影響

SE處理前后麥麩粉末色度值測定結果見表2。

表2 不同SE處理條件對于麥麩色度值影響Table 2 Effect of SE on the color values of wheat bran

SE對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為黃褐色，這可能是由于麥麩在SE過程中發(fā)生美拉德反應[20]，生成的羧甲基糠醛等物質會進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，當蒸汽壓力為1.5 MPa時，亮度值較對照組下降了28.87%，當蒸汽壓力進一步增大時，亮度值迅速降低，蒸汽壓力到達2.5 MPa時亮度值為對照組的54.68%。秦曉潔等[11]在瞬時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，當蒸汽壓力大于1.5 MPa時，懸浮液呈黃褐色。

2.3 SE處理對麥麩總戊聚糖含量的影響

戊聚糖在麥麩中含量可達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、保壓時間、水添加量對麥麩總戊聚糖含量的影響。

由圖1可知，與對照組相比，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，對照組麥麩總戊聚糖含量為420.77 mg/g，2.5 MPa壓力時總戊聚糖含量降低至282.27 mg/g，相較對照組降低了約30%；保壓時間超過150 s后麥麩總戊聚糖含量與對照組存在顯著性差異，但各SE處理組之間沒有明顯差別；不同水添加量的SE處理組間的總戊聚糖含量變化不顯著，但均顯著低于對照組。經(jīng)過SE處理之后麥麩總戊聚糖含量下降，可能是在高溫高壓過程中，麥麩結構被破壞，部分戊聚糖發(fā)生化學反應，例如戊聚糖脫水反應產(chǎn)生糠醛，進一步發(fā)生縮合、裂解反應等[23]。

圖1 SE處理對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處理對麥麩可溶物含量的影響

SE處理對麥麩可溶性戊聚糖含量的影響見表3。

表3 SE處理對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，對照組麥麩可溶性戊聚糖含量較少，為14.06 mg/g，SE處理對于可溶性戊聚糖含量有提升作用。在SE處理的3個因素中，蒸汽壓力對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，在1.5 MPa壓力下達到峰值172.55 mg/g，約為對照組的1 200%。在保壓時間150 s時麥麩可溶性戊聚糖含量增至對照組的1 400%左右，保壓時間180 s時，麥麩可溶性戊聚糖含量達到最大值，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顯著性差異。

圖2為SE處理對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)過胃腸道的物理、化學消化，逐步降解成為葡萄糖、果糖、半乳糖等單糖及少量雙糖。可溶性蛋白指以小分子狀態(tài)溶于水或其它溶劑的蛋白，其含量對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，蒸汽壓力為1.5 MPa時出現(xiàn)峰值，相較對照組增加約35%；而隨著保壓時間的延長，該比值呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。不同水添加量對SE處理樣品的可消化碳水化合物與可溶性蛋白比值沒有顯著性影響。

2.5 SE處理對麥麩微觀形態(tài)的影響

本研究采用SEM對對照組麥麩、中度SE處理麥麩以及重度SE處理麥麩進行了觀察，結果見圖3。

圖3 SE處理前后麥麩微觀結構Fig.3 Microstructure of wheat bran before and after SE

從圖3中可以看出，對照組麥麩雖然經(jīng)過粉碎但顆粒仍比較完整，平均粒徑較大，表面光滑，邊緣整齊，其結構沒有受到影響。而經(jīng)過SE處理后的兩個樣品，由于SE沖擊作用粒徑變小，同時由于半纖維素和木質素的降解，纖維結構不再緊密，出現(xiàn)不規(guī)則撕裂，導致表面呈蜂窩狀[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處理的麥麩結構被完全破壞成碎片，表面褶皺狀更深，剝離感更強。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，蒸汽壓力越大，半纖維素與木質素降解、纖維結構破壞程度越深。

3 結論

本研究考察不同汽爆參數(shù)（蒸汽壓力、保壓時間、水添加量）對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，整體來看，樣品L*值減小，a*值增大，這與美拉德反應有關?；A組分分析顯示SE處理后灰分、脂肪和蛋白質含量增大，可能是麥麩SE分解產(chǎn)物在高溫下?lián)]發(fā)，干物質損失，從而間接造成組分含量增加。微觀結構顯示SE處理能夠破壞麥麩結構，破壞程度與蒸汽壓力呈正相關，這促進了麥麩中的可溶性物質釋放，尤其是可溶性戊聚糖釋放量顯著增大，對于麥麩實際生產(chǎn)應用具有一定現(xiàn)實意義。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、保壓時間180 s、水添加量10%時麥麩品質較好，后續(xù)試驗將在此條件下進一步探究SE處理對麥麩功能特性及加工特性的影響。