过热蒸汽处理对赤霉病小麦麸皮中脱氧雪腐镰刀菌烯醇降解效果研究

刘海波，李萌萌，关二旗，刘远晓，卞科

(河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州，450000)

我国是小麦种植、消费大国，据国家统计局数据显示，2019年我国小麦种植面积2 373万hm2，年产量1.3亿t。麸皮是小麦加工的主要副产物之一，产量约占小麦加工量的20%左右，每年产量高达3 200万t以上[1]。小麦麸皮中蛋白质含量约为12%～18%，且清蛋白、球蛋白、麦醇溶蛋白、麦谷蛋白分布较为均匀[2]，是一种物美价廉的植物蛋白质提取原料；小麦麸皮中还富含膳食纤维，常添加于保健食品中；此外，小麦麸皮中丰富的纤维素、半纤维素是制备低聚糖的优质资源。但是，由于小麦麸皮中酶活性、微生物含量较高，容易引起食品品质劣变，且口感粗糙、适口性差，长久以来主要被用于制作饲料，多数没有进行深加工和再利用，综合利用率不足20%[3]。随着社会的发展，消费者对健康饮食的需求日益增长，小麦麸皮因其丰富的膳食纤维、矿物质、维生素、酚类化合物等营养活性物质，以及可控制血糖指数[4]，降低癌症[5]、心血管疾病[6]的发病风险等功能越来越受到消费者的关注。

消费者在关注食品营养的同时也应该注重食品安全问题，食品安全始终是食品加工领域的热点问题。对于消费者而言，食品安全不仅要从表观判断，更要关注食品中是否含有肉眼无法判别的有害成分，脱氧雪腐镰刀菌烯醇(deoxynivalenol，DON)是小麦中常见的一种有害物质。DON又名呕吐毒素，以能够引起猪的呕吐而得名，是谷物中最常见的单端孢霉烯族毒素。DON污染谷物类食品的概率很高，如果使用含有DON的小麦、玉米等谷物作为食品加工原材料，可能会导致DON留存在食品内，危害人体健康。人或动物摄入DON后会出现腹痛腹泻、食欲不振、甚至拒食、血性腹泻和内毒素血症等[7-8]。DON已被国际癌症研究机构(International Agency for Research on Cancer，IARC)列为三类致癌物之一，我国国家标准中规定的谷物及其制品中DON含量最高限量为1 000 μg/kg。

有研究表明，赤霉病小麦籽粒中的 DON 大部分集中在麸皮中，这极大限制了麸皮在食品加工、饲料制备和活性成分提取中的应用。目前对小麦及其制品中DON削减的方法主要分为3种：物理、化学和生物削减法。物理分级是降低小麦中DON含量最直接有效的方法。使用色选机和比重分选机，通过调节仪器参数可以将DON含量较高的赤霉病粒与正常小麦分离，达到降低小麦中DON含量的目的[9]。化学法是利用DON在酸、碱、氧化剂等作用下转化成无毒物质对DON进行削减。邵慧丽[10]采用臭氧对污染了DON的小麦进行处理，粗麸、细麸中DON含量均显著下降。生物法根据微生物种类、作用机制不同可以分为生物吸附法、生物降解法等。梁含等[11]通过组合从土壤、淤泥、动物粪便中筛选出的菌种对DON进行降解，降解率最高可达71%。虽然这些方法都取得了一定的成果，但物理分选只能实现呕吐毒素的重新分配，并不能将其降解；化学法反应较为复杂，可能会破坏粮食的营养价值以及带来二次污染；生物法对反应条件要求较为苛刻，且成本较高，在实际应用中具有一定的局限性。过热蒸汽是对饱和蒸汽进行再加热而产生的，具有热效率利用率高[12]、节能环保[13]、安全性高等特点，近年来在食品干燥[14]、灭酶杀菌[15-16]、毒素削减[17]中得到了一定应用。本文以3种DON含量不同的小麦麸皮作为实验原料，通过调节过热蒸汽温度、处理时间、蒸汽流速和麸皮水分含量来研究过热蒸汽处理对DON降解率的影响，旨在为麦麸及其制品中呕吐毒素的削减提供新的理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

DON 标准品(纯度≥ 99%)，西格玛奥德里奇 (上海)贸易有限公司；甲醇(色谱级)，美国 Fisher 科技有限公司；实验用超纯水，使用美国Millipore公司生产的超纯水系统在实验室制备，样品分组如表1所示。

表1 试验材料Table 1 Experimental materials

1.2 仪器与设备

过热蒸汽处理装置，实验室自制(图1)；SBEQ-CC15002 CNW呕吐毒素免疫亲和柱、DC-12型氮吹仪，上海安谱实验科技股份有限公司；e2695 高效液相色谱仪，美国 Waters科技有限公司。样品分组如表1所示。

1-蒸汽发生器；2-加热器；3-温控器；4-干燥室；5-离心风机； 6-压力表；7、8、9-温度表；10-测风口图1 过热蒸汽干燥试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of superheated steam device

1.3 实验方法

1.3.1 麦麸水分含量的测定

参照GB 5009.3—2016 《食品安全国家标准 食品中水分的测定》中直接干燥法测定小麦麸皮中水分含量。

1.3.2 过热蒸汽处理

使用河南工业大学谷物加工理论与技术实验室自制的过热蒸汽处理系统对麦麸进行处理。如图1所示，首先开启蒸汽发生器为后续处理储备蒸汽。打开加热器、离心风机开关并设置所需蒸汽温度、蒸汽流速，待温度表8、9读数达到设置温度且温差<±5 ℃时通入蒸汽，保持压力表6压力为0.1 MPa。准确称取60 g小麦麸皮平铺于100目筛网上，使料层厚度<1 cm。将筛网放入样品室后开始计时，处理完成后自然冷却至室温，置于4 ℃保存备用。

1.3.3 DON标准溶液的制备

将1 mg DON标准品溶于10 mL乙腈溶液中，制得质量浓度为100 μg/mL的DON标准储备液，于4 ℃ 储存备用。使用前先将标准储备液恢复至室温，然后取0.5 mL标准储备液氮气吹干，使用流动相稀释为0.1、0.2、0.5、1、2、5、10 μg/mL的DON标准工作液，经0.45 μm有机滤膜过滤后，4 ℃避光保存备用。

1.3.4 DON的提取和净化

提取：参照GB 5009.111—2016《食品安全国家标准 食品中脱氧雪腐镰刀菌烯醇及其乙酰化衍生物的测定》中第二法免疫亲和层析净化高效液相色谱法的方法并稍作优化。称取粉碎并通过30目筛的麸皮样品 25 g(准确到0.1 g)于250 mL 具塞三角瓶中，加入 5 g 聚乙二醇，加100 mL水混匀，置于振荡器上振荡 20 min，静置5 min。提取液用Whatman 1.5 μm玻璃纤维滤纸过滤，收集滤液于离心管中，在10 000 r/min下离心5 min。

净化：使用特异性免疫亲和柱净化DON。吸取1 mL 离心后的上清液通过免疫亲和柱，样液流尽后吸取10 mL水以1滴/s的流速冲洗免疫亲和柱直至空气进入。然后加入1 mL色谱级甲醇缓慢洗脱，流速为2秒每滴。全部收集洗脱液于50 ℃下氮气吹干。使用1 mL流动相[V(甲醇)∶V(水)=20∶80]溶解DON，过0.45 μm有机滤膜备用。

1.3.5 DON含量的检测

使用配备紫外检测器的高效液相色谱检测DON含量。流动相V(甲醇)∶V(水)=20∶80；色谱柱Waters C18反相色谱柱(4.6 mm×250 mm，5 μm)；柱温35 ℃；流速0.8 mL/min；进样量10 μL；检测方法为紫外检测；检测波长218 nm。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2016、SPSS 20和Origin 2018进行数据统计、显著性分析(P<0.05)、图表绘制。

2 结果与分析

2.1 DON标准曲线的绘制

以峰面积为纵坐标，根据不同质量浓度的DON溶液绘制DON标准曲线(图2)。DON的质量浓度和峰面积具有良好的线性关系，标准曲线方程为Y=12 500x+33.8(R2=0.999 8)，相对标准偏差为1.36%，表明该检测方法在 DON 质量浓度为 0.1～10 μg/mL 具有良好线性关系且所得标准曲线可以对麸皮中的DON准确定量。

图2 DON标准曲线Fig.2 Schematic diagram of superheated steam device

2.2 蒸汽温度对DON降解率的影响

控制处理时间为6 min、蒸汽流速为3 m/s，麸皮水分含量为10%，探究蒸汽温度对DON降解率的影响。随着蒸汽温度的升高，3种样品H、M、L 中DON含量均显著降低(图3)。温度设置为180～220 ℃时，样品H的降解率最高可达35.10%，显著高于样品M、L的最高降解率21.18%。这表明在一定的温度范围内，过热蒸汽处理对DON含量较高的麸皮降解效果要优于DON含量较低的麸皮。提升蒸汽温度至260 ℃，DON降解率继续升高，样品H降解率最高为67%，样品M、L降解率均达70%以上。这表明高温蒸汽对DON含量不同的麸皮均具有良好的降解效果。由于DON的结构十分稳定[18]，因而温度的高低对降解率有显著的影响。有研究显示121 ℃高压下处理25 min，DON仅有少量被降解[19]。而将温度提升至125～250 ℃时，水相中的DON纯品降解率可达16%～100%[20]。随着温度的升高，DON结构的稳定性降低，化学结构被破坏，降解率显著升高[21]。但是170 ℃以上高温处理削减麸皮中DON含量的同时也会对麸皮品质造成负面的影响，最直观的体现是高温下麸皮中的淀粉和蛋白质发生美拉德反应，麸皮颜色加深，并生成不良风味。因此，应结合麸皮品质的变化选择合适的过热蒸汽温度对麸皮进行处理。

图3 蒸汽温度对降解效果的影响Fig.3 Effect of steam temperature on degradation efficiency

2.3 处理时间对DON降解率的影响

控制蒸汽温度为240 ℃、蒸汽流速为3 m/s、麸皮水分含量为10%，探究处理时间对DON降解率的影响。由图4可知，处理时间对过热蒸汽降解DON的效果具有显著影响，H、M、L这3种小麦麸皮中DON降解率随着处理时间的延长而升高。处理时间为10 min时，样品L的DON降解率为80.55%，样品H、S的DON降解率均达到90 %以上。以上数据表明，延长过热蒸汽处理时间能够显著提升过热蒸汽对麸皮中DON的降解效果。延长过热蒸汽处理时间有助于热量充分传递给物料，热是DON被破坏降解的主要因素[22]。但处理时间达到8 min以上时，麸皮颜色明显发暗，由麦黄色变为棕黑色，具有焦糊味，这表明高温长时间处理严重破坏麸皮的使用价值。

图4 处理时间对降解效果的影响Fig.4 Effect of treatment time on degradation efficiency

2.4 蒸汽流速对DON降解率的影响

控制蒸汽温度为240 ℃、处理时间为6 min、麸皮水分含量为10 %，探究蒸汽流速对DON降解率的影响,结果如图5所示。当蒸汽流速在1～5 m/s时，提升蒸汽流速后，3种样品H、M、L中DON含量均显著降低。蒸汽流速为5 m/s时，样品H、M中DON降解率均达到最高值，分别为61.39%、56.72%。而样品L在蒸汽流速为4 m/s时的DON降解率达到最高值59.13%，提高蒸汽流速至5 m/s时，DON降解率下降至56.04%，但二者间并无显著差异。这表明，对于样品L继续提高蒸汽流速无法显著改善DON降解率。在蒸汽温度、处理时间、水分含量相同的条件下，高蒸汽流速带来了更多热量，有助于过热蒸汽和麸皮间快速换热，将更多热量传递给麸皮。同时过热蒸汽在系统中快速循环，加速了水蒸气向外排放，降低了过热蒸汽含水量，过热蒸汽与麸皮间湿度差增大，传热系数随之增大[23]。更多的热量由蒸汽传递至麸皮中，这显著提高了DON的降解率。

图5 蒸汽流速对降解效果的影响Fig.5 Effect of steam velocity on degradation efficiency

2.5 麸皮水分含量对DON降解率的影响

控制蒸汽温度为240 ℃，处理时间为6 min，蒸汽流速为3 m/s，麸皮水分含量对DON降解率的影响如图6所示。对于样品H、M，随着麸皮水分含量的增加，DON降解率显著降低。麸皮水分含量为22%时，样品H的DON降解率较水分含量19%时显著升高。这可能是因为DON易溶于水，麸皮中水分含量较高时，一部分DON会随着水分的快速散发过程得到削减[19]。对于样品L，麸皮水分含量为10%、13%时，降解率无显著差异。麸皮水分含量>16%时，降解率较10%、13%时显著降低，但样品间无显著差异。这表明水分含量升高会抑制麸皮中DON的降解，且DON含量低的麸皮受水分影响更大。处理初始阶段，蒸汽与物料间温差较大，蒸汽遇冷会先在物料表面凝结一部分水，造成物料含水量短暂升高。处理过程中物料内部与外界环境蒸汽压差较大，水分易蒸发，因此水分脱除速率较大。麸皮初始水分含量越高，物料内部自由水越多，所需要蒸发的水分就越多，而水分的脱除过程需要吸收大量热量[24]，造成水分含量高的麸皮升温速率显著低于水分含量低的麸皮。随着处理进行，麸皮水分含量不断降低，过热蒸汽提供的热量大于水分蒸发消耗的热量并将多余热量传递到麸皮中，麸皮温度不断升高。因此在相同的时间段内，水分含量低的麸皮升温速率要高于水分含量高的麸皮，并最先升至蒸汽温度。

图6 水分含量对降解效果的影响Fig.6 Effect of water content on degradation efficiency

3 结论

本研究通过调节蒸汽温度、蒸汽流速、处理时间和麸皮水分含量，探究了过热蒸汽处理对麸皮中DON的降解效果。结果表明，蒸汽温度、蒸汽流速、处理时间和麸皮水分含量均对DON的降解率具有显著影响，其中提高蒸汽温度、蒸汽流速，延长处理时间后，H、M、L样品中 DON的降解率均显著升高。这是因为在过热蒸汽处理过程中，热效应是导致DON降解的主要因素，提高蒸汽温度、延长处理时间和增加蒸汽流速均有助于将更多的热量传递至麸皮。但是，随着麸皮水分含量的增加，DON降解率则显著降低，这是由于水分的脱除需要吸收大量热，水分含量低的麸皮升温速率较高且最先达到蒸汽温度，这对DON的降解具有显著影响。样品H在蒸汽温度为240 ℃、处理时间为10 min、蒸汽流速为3 m/s、麸皮水分含量为10%时，DON降解率达到最高值 91.12%。经计算，最高可将DON含量为11.26 mg/kg的赤霉病小麦麸皮中DON含量降低至国家标准限定含量范围内。高温长时间处理虽然能提高DON降解率，但会导致麸皮品质劣变严重。因此，在未来的研究中应结合过热蒸汽处理对麸皮品质的影响进一步探索更适宜的处理条件。