旋風渦流剪切分離技術生產(chǎn)的小麥糊粉層粉營養(yǎng)價值和安全性研究

牛永武，紀晨雪，王海軍，胡浩杰，趙仁勇*

1.河南工業(yè)大學 糧油食品學院，河南 鄭州 450001

2.五得利面粉集團有限公司，河北 邯鄲 056900

新時代大健康背景下，以全麥食品為主的全谷物健康食品受到國內(nèi)外消費者的廣泛關注和追求[1-2]。然而，目前我國全麥粉消費量僅占小麥粉總產(chǎn)量的1.2%，受消費者歡迎的全麥食品少，主要原因：1)小麥籽粒的外果皮粗糙、硬，影響口感和食欲；2)全麥粉的儲存穩(wěn)定性差，貨架期短；3)全麥食品在色澤、風味、口感等方面存在缺陷，給消費者留下苦澀、難以下咽等負面印象；4)全麥粉及全麥食品在微生物、真菌毒素、重金屬、農(nóng)藥殘留等方面存在安全隱患等[3-4]。因此，亟須尋找營養(yǎng)價值高、更加安全的產(chǎn)品來解決這些問題。

小麥糊粉層(即外胚乳)是籽粒皮層的最內(nèi)層細胞，位于種皮和胚乳之間，占麥粒質(zhì)量的7%～9%[5]。小麥糊粉層粉膳食纖維含量高，蛋白質(zhì)含量豐富且含有人體所有必需氨基酸，富集K、P、Mg、Zn等大部分礦物質(zhì)和VB、VE等維生素，具有極高的食用價值，被稱為小麥中的“軟黃金”。相較于全麥粉食品，添加小麥糊粉層粉制作的食品具有營養(yǎng)價值相當、口感易被接受、安全性更高等優(yōu)點[6-7]。因此，小麥糊粉層粉的生產(chǎn)和應用逐步受到研究人員的關注。

多年來，小麥糊粉層粉的大規(guī)模生產(chǎn)一直受到分離制備技術的制約，主要原因是小麥糊粉層與外皮層結合得相當緊密，難以分離[8-9]。因此，多數(shù)國家當前對小麥糊粉層的開發(fā)、利用仍停留在實驗室階段。目前，分離糊粉層的原料主要包括小麥籽粒和麥麩。然而，以小麥籽粒為原料的傳統(tǒng)研磨制粉工藝將最大化獲取胚乳作為主要目的，難以對小麥糊粉層進行單獨剝離。若能以麥麩為原料，實現(xiàn)糊粉層的分離，其市場前景極其可觀[10]。旋風渦流剪切分離技術是中國科學院嘉興中俄科技轉化中心與河南工業(yè)大學等科研單位聯(lián)合研發(fā)的技術成果，率先將火箭技術中的旋風渦流原理應用于糊粉層的分離提取，采用機械化學的微納米分離技術原理，集粉碎、沖擊、振動、揉搓、分離于一體，實現(xiàn)了約3 t麩皮可分離1 t糊粉層的高效率。該技術具有原料來源極其廣泛、生產(chǎn)過程綠色化、耗能低、成本低等特點，可實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)[11]。

具有高營養(yǎng)價值和符合食品安全國家標準要求是小麥糊粉層粉大規(guī)模推向市場應用的必要條件。目前，國內(nèi)外有關小麥糊粉層粉的研究主要集中在營養(yǎng)價值方面，而對其安全性評價鮮有報道，且研究中所用糊粉層粉多數(shù)由實驗室小型設備或者手工剝離制備，難以實現(xiàn)糊粉層粉的規(guī)?；瘧?。結合小麥粉、全麥粉相關標準和對比研究[12]，作者以5個面粉加工廠采集的麩皮為原料，利用旋風渦流剪切分離技術大量制備糊粉層粉，測定灰分、水分含量和脂肪酸值(以濕基計)，膳食纖維、鐵和烷基間苯二酚含量，鉛、砷、鎘和鉻等重金屬含量，與同一批次小麥生產(chǎn)的面粉和全麥粉進行對比分析，明確該技術生產(chǎn)糊粉層粉的營養(yǎng)價值和食用安全性，為推動該技術在糊粉層粉生產(chǎn)中的應用和糊粉層粉在食品中的應用奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

面粉、通粉、次粉、麩皮和麥胚：在五得利面粉集團有限公司位于不同地區(qū)的5個面粉加工廠進行采集，其中，通粉是公司加工小麥的一種產(chǎn)品分類，主要是小麥加工系統(tǒng)的后路粉。全麥粉：同一批次小麥生產(chǎn)的面粉、通粉、次粉、麥胚、麩皮等樣品按產(chǎn)品出率復配獲得。糊粉層粉：將采集的麩皮樣品送至山東知食坊食品科技有限公司，利用旋風渦流剪切分離技術處理后獲得。一個工廠同一批次的面粉、全麥粉和糊粉層粉樣品為一組，5個面粉加工廠分別命名為HD、BX、XX、XY和DM，不同組的樣品出率見表1。

表1 各組分樣品出率Table 1 Yields of samples

乙酸乙酯、甲醇(色譜純)、冰乙酸、重氮鹽Fast blue B Zn(純度≥95%)、烷基間苯二酚同系物C15∶ 0標準品(純度≥98%)、95%乙醇、丙酮、石油醚(沸程30～60 ℃)、氫氧化鈉、重鉻酸鉀、三羥甲基氨基甲烷、2-(N-嗎啉代)乙烷磺酸、鹽酸、硫酸、高溫α-淀粉酶、蛋白酶液、淀粉葡萄糖苷酶液、硅藻土，以上試劑無特殊說明，均為分析純。

1.2 儀器與設備

101A-2電熱鼓風干燥箱：上海實驗儀器廠有限公司；GYROMAX929旋轉式水浴搖床、GYROMAX循環(huán)往復式水浴搖床：美國Amerex公司；Innova40氣浴恒溫搖床：美國New Brunswick Scientific公司；UV-2550紫外可見光分光光度計：日本Shimadzu公司；SX2-5-12馬弗爐：天津市中環(huán)實驗電爐有限公司；SCIENTZ-Ⅱ D超聲細胞破碎儀：寧波新芝生物科技股份有限公司；Kjeltec8400凱氏定氮儀：丹麥FOSS公司； SPARK酶標儀：澳大利亞Tecan公司。

1.3 方法

灰分測定參照GB 5009.4—2016；水分測定參照GB 5009.3—2016；脂肪酸值測定參照GB/T 15684—2015；膳食纖維測定參照GB 5009.88—2014；鐵含量測定參照GB 5009.90—2016第一法；烷基間苯二酚含量測定參照彭田園等[13]的方法；鉛含量測定參照GB 5009.12—2017第二法；鎘含量測定參照GB 5009.268—2016第一法；砷含量測定參照GB 5009.11—2014第一篇第一法；鉻含量測定參照GB 5009.268—2016第一法。

2 結果與分析

2.1 關鍵理化指標分析

在小麥加工行業(yè)中，灰分含量、水分含量、脂肪酸值(以濕基計)等理化指標是衡量小麥粉和全麥粉質(zhì)量是否達標的重要判斷標準[14]。以同一批次的小麥粉和全麥粉作為對照，測定旋風渦流剪切分離技術生產(chǎn)的小麥糊粉層粉的相關指標。

2.1.1 水分含量

水分含量是影響小麥粉儲藏穩(wěn)定性的關鍵指標之一。GB/T 1355—1986《小麥粉》中規(guī)定普通粉和標準粉的水分含量≤13.5%，LS/T 3244—2015《全麥粉》中規(guī)定全麥粉水分含量≤13.5%。

測定面粉、糊粉層粉和全麥粉樣品中的水分含量，結果見表2。所有面粉、全麥粉和糊粉層粉樣品中的水分含量最大值為13.16%，旋風渦流剪切分離技術制備糊粉層粉的水分含量為11.91%～12.88%，已經(jīng)達到面粉和全麥粉標準的限量要求，有利于糊粉層粉的穩(wěn)定儲藏。

表2 面粉、全麥粉和糊粉層粉的水分含量Table 2 Moisture content of pasta, whole wheat flour and aleurone layer flour

2.1.2 灰分含量

灰分含量是表征小麥粉加工精度的重要指標，小麥粉中的麩皮含量越高，灰分含量越高。GB/T 1355—1986《小麥粉》中規(guī)定普通粉的灰分含量≤1.4%，LS/T 3244—2015《全麥粉》中規(guī)定灰分含量≤2.2%。測定面粉、糊粉層粉和全麥粉樣品中的灰分含量，結果見表3。所有面粉和全麥粉樣品的灰分含量均滿足標準要求。5組樣品中，同一批次小麥生產(chǎn)的糊粉層粉灰分含量分別約為面粉的13～15倍和全麥粉的4倍，表明灰分物質(zhì)在小麥糊粉層中明顯聚集。

表3 面粉、全麥粉和糊粉層粉的灰分含量Table 3 Ash content of flour, whole wheat flour and aleurone layer flour

研究表明，灰分對面制品制作具有重要影響[14]。如饅頭制作中，灰分過高的面粉難以形成很好的面筋，在面團形成及發(fā)酵過程中不具有保氣能力，對體積的膨大沒有積極作用，造成成品饅頭體積小[15]。方便面制作中，高灰分直接影響面粉吸水的均勻性，不利于面筋網(wǎng)絡的形成，增加油炸方便面的耗油量[16]。因此，建議將糊粉層粉與面粉按一定比例復配獲得較低灰分含量的糊粉層小麥粉，用于制作食品。

2.1.3 脂肪酸值

脂肪酸值是衡量面粉中游離脂肪酸含量的主要指標。脂肪酸值的變化反映了谷物粉儲藏過程中脂類氧化酸敗的程度，常作為谷物儲藏的判定指標之一[17]。目前，GB/T 1355—1986《小麥粉》中規(guī)定普通粉的脂肪酸值(以濕基計)≤80 mg/100 g，LS/T 3244—2015《全麥粉》中規(guī)定脂肪酸值(以干基計)≤116 mg/100 g。

測定面粉、糊粉層粉和全麥粉樣品中的脂肪酸值(均以干基計)，結果見表4。糊粉層粉的脂肪酸值分別約為同一批次小麥生產(chǎn)的面粉的6～10倍和全麥粉的3～4倍，具有高脂肪酸值的小麥糊粉層粉不利于保存。為了明確糊粉層粉保存一定時間后的情況，將面粉、全麥粉和糊粉層粉樣品裝入不透氣的塑封袋中，室溫下儲存3個月后，再次測定所有樣品的脂肪酸值，結果見表4?？梢钥闯?，保存后的面粉脂肪酸值較低，僅為29.02～49.18 mg/100 g，全麥粉的脂肪酸值為111.90～150.84 mg/100 g，糊粉層粉的脂肪酸值為464.85～631.37 mg/100 g。與初始測定結果相比，室溫儲存3個月后的糊粉層粉樣品脂肪酸值有一定升高，但通過試驗人員的感官評定，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的酸敗味。說明該技術制備的純糊粉層粉在密閉條件下室溫儲藏時間可以達到3個月。

表4 面粉、全麥粉和糊粉層粉的脂肪酸值Table 4 Fatty acid value of flour, whole wheat flour and aleurone layer flour

2.2 營養(yǎng)指標對比

2.2.1 膳食纖維

膳食纖維在飲食中具有相當重要的生理作用，成為學術界和普通百姓關注的營養(yǎng)組分，被營養(yǎng)學界認定為第七大營養(yǎng)素，和傳統(tǒng)的六大營養(yǎng)素——蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、維生素、礦物質(zhì)和水并列[18]。美國FDA 推薦把膳食纖維含量作為評判全谷物食品的重要指標。LS/T 3244—2015《全麥粉》中規(guī)定總膳食纖維含量(以干基計)≥9.0%。

如表5所示，利用旋風渦流剪切分離技術生產(chǎn)小麥糊粉層粉中的膳食纖維含量分別約為面粉和全麥粉中的15倍和3倍，充分表明糊粉層粉富含膳食纖維。因此，膳食纖維含量有可能作為判斷面粉中是否添加糊粉層粉的重要判斷指標之一。

表5 面粉、全麥粉和糊粉層粉的膳食纖維含量Table 5 Dietary fiber content of flour, whole wheat flour and aleurone layer flour

2.2.2 烷基間苯二酚

烷基間苯二酚具有多種生物活性，大量研究表明，該物質(zhì)僅存在于小麥、黑麥等麥類作物籽粒的皮層中且含量極高[19-20]。因此，國內(nèi)外食品行業(yè)常將烷基間苯二酚作為攝食全麥食品的特殊生物標記[13]。LS/T 3244—2015《全麥粉》中將烷基間苯二酚作為一個限量指標和一種判別標記物，規(guī)定其含量(以干基計)≥200 μg/g。

測定面粉、全麥粉和糊粉層粉的烷基間苯二酚含量，結果見表6。糊粉層粉的烷基間苯二酚含量為1 417.77～1 719.48 μg/g，約為同一批次小麥生產(chǎn)的面粉、全麥粉樣品的160～230倍和4～6倍，表明旋風渦流剪切分離技術生產(chǎn)的小麥糊粉層粉富含生物活性物質(zhì)，具有較高的營養(yǎng)價值。

表6 面粉、全麥粉和糊粉層粉的烷基間苯二酚含量Table 6 Alkyl resorcinol content of flour, whole wheat flour and aleurone layer flour

2.2.3 鐵

鐵是人體必需微量元素之一，是體內(nèi)血紅素和鐵硫基團的成分與原料，參與體內(nèi)氧的運送和組織呼吸過程，維持正常的造血功能。缺鐵性貧血是世界衛(wèi)生組織確認的四大營養(yǎng)缺乏癥之一。以 18 歲以上成年男性為例，推薦攝入量為27.5 mg/d，實際攝入量均值為21.4 mg/d，缺鐵人群的平均鐵攝入量不足6.5 mg/d[21-22]。

如表7所示，面粉中鐵含量很低，僅為6.69～8.76 mg/kg，全麥粉的鐵含量為39.73～56.78 mg/kg，而糊粉層粉的鐵含量高達224.33～387.46 mg/kg。因此，鐵含量可以作為糊粉層粉的標志物，有可能成為糊粉層粉復配面粉的限制性指標。

表7 面粉、全麥粉和糊粉層粉的鐵含量Table 7 Iron content of flour, whole wheat flour and aleurone layer flour

2.3 安全性指標對比

食品安全直接影響人體健康，受到消費者的廣泛關注。已報道的糊粉層粉相關研究主要聚焦于其營養(yǎng)價值。本研究發(fā)現(xiàn)糊粉層粉的灰分含量較高，而鉛、砷、鎘、鉻等影響食品安全的化學元素常存在于灰分物質(zhì)中。為了解旋風渦流剪切分離技術生產(chǎn)小麥糊粉層粉食用品質(zhì)的安全性，結合食品安全國家標準，重點研究產(chǎn)品中的鉛、砷、鎘、鉻等重金屬含量。

2.3.1 鉻

鉻(Cr)廣泛存在于土壤等環(huán)境中，是人體必需的微量元素，但攝入過多會對人體產(chǎn)生危害[23-24]。GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》中規(guī)定，谷物碾磨加工品中鉻的限量≤1.0 mg/kg。測定面粉、全麥粉和糊粉層粉樣品中的鉻含量，結果見圖1。所有糊粉層粉的鉻含量顯著高于同一批次小麥生產(chǎn)的面粉和全麥粉，其中2個工廠采集麩皮制備的糊粉層粉樣品中鉻含量超過1.0 mg/kg，其余3個糊粉層粉樣品中的鉻含量也接近1.0 mg/kg。因此，糊粉層粉直接用于制作食品具有鉻超標的風險，需要和普通面粉進行復配使用，且需要控制糊粉層粉的添加比例。

圖1 面粉、全麥粉和糊粉層粉的鉻含量Fig.1 Chromium content of flour, whole wheat flour and aleurone layer flour

2.3.2 砷

2017年，世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機構將砷和無機砷化合物列在一類致癌物清單中[25]。小麥籽粒的不同部位砷含量也不相同，魏文忠等[26]對小麥籽粒中砷的分布進行研究，發(fā)現(xiàn)小麥中砷的濃度大小為胚>種皮>胚乳。GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》中規(guī)定，谷物碾磨加工品(大米、糙米除外)中砷的限量≤0.5 mg/kg。測定面粉、全麥粉和糊粉層粉的砷含量，結果見圖2。糊粉層粉中砷含量遠高于面粉和全麥粉，表明砷元素在小麥糊粉層部位具有富集特點。然而，本次制備所有糊粉層粉樣品中的砷含量均明顯低于國家標準規(guī)定的限量值，全部符合食品安全國家標準。

圖2 面粉、全麥粉和糊粉層粉的砷含量Fig.2 Arsenic content of flour, whole wheat flour and aleurone layer flour

2.3.3 鎘

鎘對動物具有強毒性，一旦進入土壤，難以徹底清除，并極易被植物吸收，在植株內(nèi)累積，危害人類和農(nóng)作物[27]。我國谷類作物中，稻谷受到鎘污染的現(xiàn)象較為嚴重[28]。GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》中規(guī)定，谷物碾磨加工品中鎘的限量≤0.1 mg/kg。從圖3可以看出，不同批次小麥制備的面粉、全麥粉和糊粉層粉樣品中鎘含量變化規(guī)律具有一致性，即面粉樣品中鎘含量較高，對應的全麥粉和糊粉層粉鎘含量也較高。對比同一批次小麥制備的樣品，鎘含量為糊粉層粉>全麥粉>面粉。XX糊粉層粉鎘含量最高，為0.08 mg/kg，也符合食品安全國家標準的限量要求，表明本次所有采集的面粉、全麥粉樣品和制備的糊粉層粉樣品中鎘含量具有安全性。

圖3 面粉、全麥粉和糊粉層粉的鎘含量Fig.3 Cadmium content of flour, whole wheat flour and aleurone layer flour

2.3.4 鉛

鉛是一種廣泛存在于自然界的人體非必需元素，進入人體會對多個系統(tǒng)造成損傷[29]。GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》中規(guī)定，谷物碾磨加工品中鉛的限量≤0.2 mg/kg。從圖4可以看出，糊粉層粉中鉛含量遠高于面粉和全麥粉，且BX、XX、DM采集麩皮制備的糊粉層粉中鉛含量均超過0.2 mg/kg，表明單一利用糊粉層粉制作食品存在鉛超標的風險。

圖4 面粉、全麥粉和糊粉層粉的鉛含量Fig.4 Lead content of flour, whole wheat flour and aleurone layer flour

3 結論

以5個不同面粉加工廠的小麥麩皮為原料，利用旋風渦流剪切分離技術大量生產(chǎn)糊粉層粉，以同一批小麥生產(chǎn)的面粉和全麥粉為對照，分別從理化指標、營養(yǎng)價值和安全性等方面進行對比研究。穩(wěn)定儲藏方面，小麥糊粉層粉的水分含量與面粉、全麥粉基本接近，有利于純糊粉層粉產(chǎn)品的儲藏，而糊粉層粉的脂肪酸值明顯高于面粉和全麥粉，采用塑封袋密封包裝并在室溫條件下儲存3個月后，其脂肪酸值進一步升高，但感官評價無明顯的酸敗味道。營養(yǎng)價值方面，小麥糊粉層粉具有膳食纖維、鐵元素和烷基間苯二酚等營養(yǎng)組分含量豐富的特點，在面制食品工業(yè)生產(chǎn)方面具有替代全麥粉的潛在應用價值。食品安全方面，小麥糊粉層粉具有灰分含量高，鉻、砷、鉛和鎘等元素含量偏高或者超標的現(xiàn)象，表明糊粉層粉不宜直接進行食品制作。

本研究表明旋風渦流剪切分離技術用于大規(guī)模生產(chǎn)糊粉層粉具有良好的應用前景，有助于推動小麥糊粉層粉產(chǎn)量的提升，對促進富含糊粉層粉食品的開發(fā)具有重要意義。然而，本研究僅提出糊粉層粉適宜與普通面粉進行復配應用，對復配比例以及復配粉的理化特性和在面制食品中的適用性尚未進行研究，這將是后續(xù)的主要研究內(nèi)容。