蒸汽爆破對麥麩功能特性及美拉德反應程度的影響

王丹鳳　祝梓淳　高珊　鐘宇

摘要：目的：探究蒸汽爆破（汽爆）對麥麩功能特性及美拉德反應程度的影響。方法：選取蒸汽壓力和保壓時間2個參數(shù)，分別選取不同壓力（0.75、1.00、1.25、1.50 MPa）和不同保壓時間（105、120、135、150 s）配對組成了16組試驗，考察了汽爆處理前后麥麩可溶性膳食纖維含量、游離型酚酸含量、DPPH自由基清除率、ABTS自由基清除率、褐變度、糠氨酸含量和5-羥甲基糠醛含量的變化，采用AHP法、CRITIC法和AHP-CRITIC混合加權法對指標進行歸一化處理以優(yōu)化工藝參數(shù)。結果：汽爆后麥麩中可溶性膳食纖維含量增加，麥麩體外抗氧化能力、游離型酚酸含量隨汽爆壓力增大而升高。褐變度、糠氨酸含量和5-羥甲基糠醛含量的變化表明隨汽爆條件增強，美拉德反應程度加深。結論：汽爆處理能夠有效改善麥麩功能特性，降緩美拉德反應中間產(chǎn)物糠氨酸的產(chǎn)生，并且蒸汽壓力1.50 MPa、保壓時間135 s可作為一個較優(yōu)的工藝條件用于汽爆對麥麩的加工處理。

關鍵詞：蒸汽爆破；麥麩；功能特性；美拉德反應；工藝優(yōu)化麥麩是小麥加工過程中的主要副產(chǎn)物，來源廣泛且成本低廉，麥麩占小麥加工后副產(chǎn)物的1/5左右，含豐富的膳食纖維、維生素、礦物質、蛋白質和人體必需氨基酸[1]。然而麥麩口感粗糙、難以消化，有相當含量的活性物質被纖維結構束縛，限制了其在食品領域的應用[2-3]，亟需適宜的加工處理方式以發(fā)揮其潛在營養(yǎng)價值。汽爆是一種強效物理改性方法，其原理為通過高溫（160～240 ℃）高壓（0.7～4.8 MPa）蒸汽軟化和水解物料，再經(jīng)瞬間卸壓使細胞孔隙間的高壓蒸汽膨脹產(chǎn)生撕裂作用，能夠瞬時軟化降解木質素，破壞原有纖維結構以達到改性效果[4-5]。近年來，不斷有研究人員探索利用汽爆對麥麩膳食纖維進行改性。LIU等[6]分析了汽爆對麥麩酚酸組成及其抗氧化活性的影響，發(fā)現(xiàn)2.5 MPa、30 s汽爆處理，麥麩中酚酸含量和抗氧化活性均較優(yōu)。王磊等[7]利用汽爆改性麥麩膳食纖維，結果顯示改性后膳食纖維的理化特性有所升高、對自由基清除能力有所增強。何曉琴等[8]對汽爆后苦蕎麩皮膳食纖維進行分析，指出汽爆預處理有助于提高苦蕎麩皮可溶性膳食纖維含量、改善其理化結構特性。

目前，汽爆改性麥麩的研究主要集中在纖維素釋放、改善理化特性或增強抗氧化性方面，然而汽爆引起的美拉德反應產(chǎn)物的安全性同樣值得探討，且目前鮮見相關報道。以伴生物5-羥甲基糠醛（5-HMF）為例，含量較低時具有抗氧化和抗腫瘤等藥理作用，但含量超過限值后具有基因毒性和潛在的遺傳毒性[9-10]，半致死劑量為大鼠口服3 100 mg/kg mb[11]?；谏鲜鲈?，在分析汽爆處理前后麥麩功能特性變化的同時，著重探討了美拉德反應程度隨汽爆條件的改變。同時，基于功能及安全性指標優(yōu)選了汽爆工藝，以期為進一步提高麥麩加工利用提供必要的數(shù)據(jù)及理論支持。

1材料與方法

1.1材料與試劑

麥麩，豐益（上海）生物技術研發(fā)中心有限公司；熱穩(wěn)定α-淀粉酶（40 000 U /g）、堿性蛋白酶（200 U/mg），上海源葉生物科技有限公司；糖化酶（液化型，100 000 U /mL）、Trolox、ABTS，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；DPPH，西格瑪奧德里奇貿(mào)易有限公司。

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；Multiskan Go酶標儀，美國賽默飛世爾科技公司；LabScan XE色度儀，HunterLab公司；Acquity UPLC/FLR/ SQD2超高效液相色譜-四極桿質譜儀、Acquity UPLC H-class / Xevo TQ-XS二維超高效液相色譜-三重四極桿質譜聯(lián)用儀，美國沃特世（Waters）公司。

1.3方法

1.3.1汽爆處理的方法稱取200 g麥麩置于汽爆缸內(nèi)，之后通入高溫飽和蒸汽，當缸內(nèi)壓力達到預設值時開始計時，保持一定時間后泄壓并回收物料。將回收得到的麥麩置于60 ℃下熱風干燥24 h（物料厚度1 cm），粉碎過60目篩后備用。

1.3.2功能性組分含量可溶性膳食纖維（SDF）依據(jù)國標GB 5009.88—2014進行含量測定；游離型酚酸含量采用福林酚法進行測定。

1.3.3抗氧化活性測定取5 g麥麩于250 mL 80%乙醇溶液中，900 W超聲輔助提取30 min后10 000 r/min離心收集上清液，即為提取液。（1） DPPH自由基清除能力測定：參考杜小燕等[12]的方法。（2）ABTS自由基清除能力測定：參考WANG等[13]的方法。

1.3.4美拉德反應程度測定

（1）褐變度測定：取各處理組1 g麥麩加入20 mL去離子水，渦旋混勻后900 W超聲處理10 min，再次渦旋，10 000 r/min下離心10 min，取上清液在420 nm處測定吸光度，未做任何處理的麥麩做相同處理，作為空白對照，褐變程度以處理組扣除空白對照后的吸光值表示。

（2） 色差測定：使用LabScan XE型色度計對汽爆后麥麩粉進行色度測定，分別得到L*、a*、b*值，總色差△E計算公式為式（1）：

（3） 糠氨酸含量測定：參考Delgado-Andrade等[14]的方法。

（4） 5-HMF含量測定：參考Delgado-Andrade等[14]的方法。

1.4數(shù)據(jù)處理

各試驗均重復3次，結果以平均值±標準差表示。采用Origin 2017繪圖、SPSSAU數(shù)據(jù)科學分析平臺確定正交試驗指標的權重系數(shù)、IBM SPSS 24對實驗數(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汽爆處理對麥麩活性物質SDF和游離型酚酸釋放的影響由圖1可知，汽爆麥麩的SDF含量均高于未汽爆麥麩，最高達18.08%，與對照相比提高了60%，表明汽爆對麥麩SDF的釋放具有顯著促進作用，與YAN等[15]的實驗結果相似，這可能得益于汽爆對細胞壁的破壞作用。同時，因汽爆的極端條件能夠造成半纖維素的降解、纖維素糖苷鍵的破壞以及木質素的軟化。且隨汽爆壓力和時間的增加，膳食纖維結構變得疏松，原本與其結合的物質發(fā)生解聚，大分子多糖降解，這均能促使部分不溶性膳食纖維（IDF）轉化為SDF[16]，改善麥麩的消化性及功能特性。此外，汽爆后麥麩游離型酚酸含量均顯著提升，當處理壓力為1.5 MPa、保壓時間135 s時，游離型酚酸含量達6 706.02 μg/g麥麩，提升了近48倍，結果與LIU[17]結果相似。汽爆壓力和保壓時間均對游離型酚酸含量有明顯促進作用，這主要歸因于汽爆能夠降解半纖維素與木質素，有利于釋放原本束縛于纖維結構之間的阿魏酸等酚酸[15]。

2.2汽爆處理對麥麩體外抗氧化能力的影響

由圖2可知，與常規(guī)麥麩相比，低汽爆壓力處理下的麥麩體外抗氧化能力下降，或與具有抗氧化活性的活性肽變性[18]相關，孔峰[19]也指出汽爆處理比常規(guī)蒸汽對蛋白質變性更加有效。同時，汽爆麥麩體外抗氧化能力隨汽爆壓力增大而升高，汽爆壓力為0.75 MPa時，DPPH自由基清除率（%）、ABTS自由基清除率（μmol TE/g麥麩）最高值分別為14.22、4.91，而當汽爆壓力升高到1.50 MPa時，DPPH自由基清除率（%）、ABTS自由基清除率（μmol TE/g麥麩）最高值分別為55.80、13.33，DPPH自由基清除率（%）升高了近3倍，ABTS自由基清除率（μmol TE/g麥麩）升高了近2倍。

2.3汽爆處理對麥麩美拉德反應程度的影響

汽爆處理后麥麩的美拉德反應程度可由其色差△E、褐變度、5-HMF、糠氨酸含量來衡量。由圖3可知，汽爆麥麩總色差△E隨汽爆壓力和保壓時間增大而增大，變化趨勢與秦曉潔等[20]的研究相符。汽爆對麥麩色澤影響普遍表現(xiàn)為亮度降低，紅度和黃度增大，麥麩粉末由淡黃色轉為褐色。麥麩初始亮度值L為68.81，隨汽爆壓力和保壓時間的增大，L值逐漸減小，在汽爆壓力為1.50 MPa、保壓時間120 s時達到最低值40.25；紅度值a初始值為5.98，隨汽爆壓力和保壓時間的增大，a值逐漸增大，保壓時間150 s時達到最高值10.35；黃度值b初始值為19.62，隨汽爆壓力和保壓時間的增大，a值逐漸增大，保壓時間150 s時達到最高值24.67。這是由于麥麩在汽爆過程中發(fā)生了美拉德反應，生成了黃色的糠醛、褐色的類黑精與其他顯色可溶物。類黑精是由美拉德反應產(chǎn)物經(jīng)過環(huán)化、脫水、重排、異構化等復雜反應生成的聚合產(chǎn)物和有色終產(chǎn)物[21]，在420 nm處有最大吸光度，可用此值表征褐變程度[14]。由圖3可知，汽爆麥麩褐變度隨汽爆壓力、保壓時間增大而增大，亦表明美拉德反應程度也隨之加深。汽爆壓力達到1.25 MPa時褐變度顯著升高，提示該壓力可能是麥麩美拉德反應程度變化的一個關鍵點。圖3蒸汽壓力和保壓時間對麥麩美拉德反應程度的影響

糠氨酸是美拉德反應第一個穩(wěn)定的中間產(chǎn)物[22]。LI等[23]毒理學研究表明，糠氨酸具有肝腎毒性，趙男[24]的試驗得出糠氨酸對小鼠的半致死濃度（LD50）為1.6 g/kg。汽爆后麥麩糠氨酸處于89.96 ～336.25 mg/kg麥麩范圍內(nèi)，在蒸汽壓力較低時，總體隨保壓時間增大而增大；而1.25 MPa之后糠氨酸含量隨保壓時間的增大而減小，推測美拉德反應程度加深促使糠氨酸降解生成后續(xù)產(chǎn)物如5-HMF等。5-HMF由美拉德反應程度加深導致的糠氨酸降解反應或焦糖化反應生成[21]，是美拉德反應中級和高級階段的指標[14]。5-HMF具有抗氧化和抗腫瘤等活性，但研究也指出其具有腎毒性和潛在的遺傳毒性[25]。汽爆麥麩中5-HMF含量處于2.06 ～ 489.72 mg/kg麥麩范圍內(nèi)，其含量與汽爆強度高度相關，也證明了美拉德反應程度隨汽爆強度遞增而加深，且參照我國藥典對蜂蜜及某些含蜂蜜制劑對5-HMF限度控制的規(guī)定，目前的汽爆條件，5-HMF含量尚可控制在安全范圍內(nèi)，如果汽爆強度再增大，可能會產(chǎn)生潛在的安全隱患。

2.4汽爆處理最優(yōu)工藝參數(shù)確定

2.4.1指標權重系數(shù)建立使用SPSSAU軟件進行指標權重計算，通過CRITIC法對指標進行客觀權重賦權[26]，對色差、褐變度、糠氨酸含量以及5-HMF含量取倒數(shù)后，對所有實驗數(shù)據(jù)歸一化處理，使用SPSSAU軟件進行指標權重計算。使用AHP-CRITIC混合加權法將主客觀相結合得到綜合權重系數(shù)ω，計算方法如式（2）：

2.4.2最優(yōu)工藝參數(shù)確定分別采用AHP法、CRITIC法和AHP-CRITIC混合加權法配置8個指標的權重。根據(jù)優(yōu)先矩陣設置，使用SPSSAU進行AHP、CRITIC權重系數(shù)計算，得出權重系數(shù)（表1）。其中，CI值表示隨機一致性比率，RI為平均隨機一致性指標，二者比值為CR值，CR值小于0.1即通過檢驗。CRITIC法指標變異性采用標準差進行衡量，標準差越大則權重越大；指標沖突性則用指標之間的相關系數(shù)衡量，相關系數(shù)越大則權重越小[27]。利用式（2）計算得出AHP-CRITIC混合加權法的綜合權重依次為9.89%、9.52%、9.50%、9.15%、6.88%、7.82%、24.13%、23.11%。采用上述3種方法得到的權重系數(shù)對實驗結果8個指標數(shù)據(jù)歸一化后進行綜合評價，表2結果表明，3種方法具有一致性，以15組表現(xiàn)最優(yōu)，即：蒸汽壓力1.50 MPa、保壓時間135 s。由表3可得，蒸汽壓力對于各指標影響最大，綜合考慮生產(chǎn)成本、綠色環(huán)保等因素，確定麥麩的最佳生產(chǎn)工藝組合為A4B3，即：蒸汽壓力1.50 MPa、保壓時間135 s。

3結論

汽爆對麥麩功能特性及美拉德反應程度的影響結果表明，汽爆后麥麩中可溶性膳食纖維含量增加，麥麩DPPH自由基清除率（%）、ABTS自由基清除率（μmol TE/g麥麩）較未處理組均呈現(xiàn)升高趨勢，體外抗氧化能力隨汽爆壓力增大而升高，隨著汽爆壓力的增大，麥麩游離型酚酸含量顯著上升，表明汽爆處理能夠有效改善麥麩功能特性。汽爆后麥麩褐變度、5-HMF含量度隨汽爆壓力、保壓時間增大而增大，說明美拉德反應程度隨汽爆條件增強加深。中間產(chǎn)物糠氨酸含量總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，表明汽爆處理能夠降低美拉德反應中間產(chǎn)物含量。同時，通過綜合分析，蒸汽壓力1.50 MPa、保壓時間135 s可作為一個較優(yōu)的工藝條件用于汽爆對麥麩的加工處理。參考文獻

[1] 邢家溧，杜志紅，周靜，等.麥麩膳食纖維加工和利用研究進展[J].食品研究與開發(fā)，2019， 40（3）：195-199.

[2]ELISA A， XIN H， EMILIA N， et al. Biochemical characterization and technofunctional properties of bioprocessed wheat bran protein isolates[J].Food Chemistry， 2019，289：103-111.

[3]ALZUWAID T N， PLEMING D， FELLOWS M C， et al. Fortification of durum wheat spaghetti and common wheat bread with wheat bran protein concentrate-iMPacts on nutrition and technological properties[J].Food Chemistry， 2021，334： 127497.

[4] 張明， 馬超， 吳茂玉， 等. 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維品質及理化特性的影響[J].食品工業(yè)科技， 2020，41（2）：46-51，58.

[5]BHATIA R， WINTERS A， BRYANT D N， et al. Pilot-scale production of xylo-oligosaccharides and fermentable sugars from Miscanthus using steam explosion pretreatment[J]. Bioresource Technology， 2020，296： 122285.

[6]LIU C， ZHANG R T， LIU B G， et al. Effect of steam explosion treatment on phenolic acid composition of wheat bran and its antioxidant capacity[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2016，32（6）：308-314.

[7]王磊， 廖晨， 孟哲， 等. 改性麥麩膳食纖維功能和結構特性研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學， 2020，48（7）：179-181.

[8]何曉琴， 劉昕， 李葦舟， 等. 蒸汽爆破處理苦蕎麩皮膳食纖維改性分析[J]. 食品科學， 2021，42（9）：46-53.

[9]周康寧， 鄭潔，歐仕益， 等. 3-咖啡?？崴釋λ稍镞^程中5-羥甲基糠醛形成和色度的影響[J]. 食品與機械，2019，35（11）：129-135.

[10]薛瑞琪， 夏小樂. 褐色發(fā)酵乳中5-羥甲基糠醛相關性分析及應用[J]．食品與發(fā)酵工業(yè)，2021，47（19）： 79-83.

[11]王聰聰， 鄭振佳，盧曉明，等.黑蒜中5-羥甲基糠醛的生成規(guī)律及安全性評價[J]. 食品科學， 2022，43（3）：100-105.

[12]杜小燕， 吳暉， 唐語謙， 等. 麥麩發(fā)酵前后不同存在形態(tài)酚類物質中酚酸含量的變化及其抗氧化活性分析[J].中國糧油學報， 2016，31（6）：17-23.

[13]WANG Y Y， WANG C Y， WANG S T， et al. Physicochemical properties and antioxidant activities of tree peony （Paeonia suffruticosa Andr.） seed protein hydrolysates obtained with different proteases[J]. Food Chemistry， 2021，345：28765.

[14]DELGADO-ANDRADE C， SEIQUER I， HARO A， et al. Development of the Maillard reaction in foods cooked by different techniques. Intake of Maillard-derived compounds[J]. Food Chemistry， 2010，122（1）：145-153.

[15]YAN X， YE R， CHEN Y. Blasting extrusion processing： The increase of soluble dietary fiber content and extraction of soluble-fiber polysaccharides from wheat bran[J]. Food Chemistry， 2015，180：106-115.

[16]王田林.蒸汽爆破技術對甘薯渣膳食纖維改性研究[D].河南新鄉(xiāng)： 河南科技學院， 2017.

[17]LIU L ， ZHAO M ， LIU X ， et al. Effect of steam explosion-assisted extraction on phenolic acid profiles and antioxidant properties of wheat bran[J]. Journal of the Science of Food & Agriculture， 2016，96（10）：3484-3491.

[18]張墨楠.酶促水解大豆分離蛋白制備鐵螯合肽的研究[D].杭州：中國計量學院， 2013.

[19]孔峰.谷物汽爆處理及其加工工藝的研究[D].北京：中國科學院大學， 2020.

[20]秦曉潔，沈青山，張春暉，等.瞬時彈射式蒸汽爆破法制備速溶牦牛骨粉及其理化特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報， 2020，36（4）：307-315.

[21]MORALES J F， JIMNEZ-PREZ， S. Peroxyl radical scavenging activity of melanoidins in aqueous systems[J].European Food Research and Technology， 2004，218（6）：515-520.

[22]CRDOVA-RAMOS S J， GLORIO-PAULET P， CAMARENA F， et al. Andean lupin （Lupinus mutabilis Sweet）： Processing effects on chemical composition， heat damage， and in vitro protein digestibility[J]. Cereal Chemistry， 2020，97（4）：827-835.

[23]LI H， XING L， WANG J， et al. Toxicology studies of furosine in vitro/in vivo and exploration of the relatedmechanism[J]. Toxicology Letters， 2018，291：101-111.

[24]趙男. 采用小鼠模型評價糠氨酸的毒性作用[D]. 合肥： 安徽農(nóng)業(yè)大學， 2018.

[25]林琳. RBL-2H3細胞評價5-HMF及其二聚體OMBF的體外免疫毒性以及PLNA評價3種中藥注射液的免疫原性[D].北京：北京協(xié)和醫(yī)學院， 2018.

[26]趙婷婷， 何承輝， 譚梅娥， 等.基于多指標權重分析和單因素-正交實驗優(yōu)選前列爽顆粒醇提工藝[J].化學與生物工程， 2020（12）：45-50.

[27]王紅麗， 劉效栓， 李季文， 等.基于多指標權重分析與正交設計法優(yōu)選黃芪女貞方菌質提取工藝[J]. 遼寧中醫(yī)雜志， 2020，47（8）：147-150.

Effects of Steam Explosion Treatment on Functional Properties and

The Degree of Maillard Reaction of Wheat BranWANG Dan-feng1， ZHU Zi-chun1， GAO Shan1， ZHONG Yu1，2

（1School of Agriculture and Biology， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China;

2Sichuan Research Institute，Shanghai Jiao Tong University ，Chengdu 610213， China）Abstract：Objective To explore the effect of steam explosion treatment on the functional properties and the degree of Maillard reaction in wheat bran. Method Steam pressure and holding time were selected as two parameters including different pressures （0.75， 1.00， 1.25， 1.50 MPa） and different holding times （105， 120， 135， 150 s） formed 16 sets of experiments. The content of soluble dietary fiber and free phenolic acid in wheat bran， DPPH， and ABTS free radical scavenging rates of wheat bran， the browning degree， furosine and 5-hydroxymethylfurfural contents in wheat bran before and after treatment were analyzed. Then， the indexes were normalized by AHP， CRITIC， and AHP-CRITIC mixed weighting methods to optimize the process parameters. Result Wheat bran's soluble dietary fiber content increased after a steam explosion， the in vitro antioxidant capacity and the free phenolic acid content of steam-exploded wheat bran increased with the steam explosion pressure. Meanwhile， the changes in the degree of browning， furoline and 5-hydroxymethylfurfural contents indicated that steam explosion enhanced or promoted the degree of Maillard reaction. Conclusion The steam pressure of 1.50 MPa and the holding time of 135 s were the optimal process parameters. Taken together， the results demonstrate that the optimized steam explosion treatment could effectively improve the functional properties of wheat bran and reduce the content of Maillard reaction intermediates， which has a favorable application prospect.

Keywords：steam explosion; wheat bran; functional property; Maillard reaction; process optimization