加工工艺对黑小麦麸皮戊聚糖组成与理化性质的影响

孙元琳， 田玉荣， 刘 瑞， 王晨星

(1.运城学院 生命科学系/特色农产品加工山西省重点实验室， 山西 运城 044000；2.山西省食品研究所(有限公司)， 山西 太原 030024)

黑小麦是籽粒颜色呈紫色、蓝色、蓝紫色和紫黑色的特色麦类作物[1]。与普通小麦相比，黑小麦中膳食纤维、酚酸、花青素、B族维生素和微量元素等生物活性物质含量更高，并因其特殊的营养价值而备受关注。黑小麦麸皮是黑小麦加工的副产物，其膳食纤维含量丰富，其中，戊聚糖是黑小麦膳食纤维的主要组成部分[2]。研究表明，戊聚糖能够增殖有益菌、改善肠道菌群结构，对糖尿病、肥胖、心血管疾病和结肠癌等慢性疾病具有预防作用[3-4]。

戊聚糖是以β-(1→4)-糖苷键连接的β-D-吡喃木糖为主链，α-L-呋喃阿拉伯糖为侧链，主链的C2、C3位被阿拉伯糖基单取代或双取代，某些阿拉伯糖的C5位上还存在以酯键相连的阿魏酸[5]。戊聚糖根据溶解度可分为水溶性和水不溶性戊聚糖。水溶性戊聚糖在水中溶解度较高；水不溶性戊聚糖以共价键或非共价键形式与细胞壁中的蛋白质、纤维素及木质素等成分相互作用，形成致密的组织结构而难溶于水[6]。采用Ba(OH)2、NaOH等碱性化学试剂，通过挤压、微波等物理机械辅助预处理方式，能够打断戊聚糖与细胞壁组分之间的紧密结合，促进细胞壁溶胀，使水不溶性戊聚糖向水溶性戊聚糖转换溶出，从而提高戊聚糖得率。目前，国内对黑小麦戊聚糖的研究主要集中在单一体系戊聚糖的制备，并未综合考虑将加工技术手段与提取方法结合处理麦麸来提高戊聚糖得率。本研究拟采用挤压、微波- 挤压两种加工工艺对黑小麦麸皮进行品质改良，促进不溶性戊聚糖向可溶性戊聚糖转化，分析不同加工工艺对戊聚糖组成和理化性质的影响，以期为改善黑小麦膳食纤维的功能特性，推动黑小麦资源的开发利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

黑小麦：运黑14207。黑小麦麸皮，采用石磨工艺磨粉制麸。

木糖、阿拉伯糖、葡萄糖、三氟乙酸、反式- 阿魏酸，美国Sigma公司；所用试剂均为分析纯。

1.2 主要仪器与设备

ICS1100型离子色谱仪，美国DIONEX公司；TENSOR 27型傅里叶红外光谱仪，德国布鲁克公司；LC- SPD- 20A型全自动高效液相色谱仪，日本岛津公司；MCR102型流变仪，奥地利安东帕有限公司；DS32- II型双螺杆挤压机，济南赛信机械有限公司；LW- 20HMV- 4X型隧道式微波干燥杀菌设备，山东立威微波设备有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1原料加工工艺

1)双螺杆挤压膨化工艺。取适量黑小麦麸皮备用，计算调节水分所需的用水量，并将黑小麦麸皮放入搅拌器中搅拌2 min，同时加入蒸馏水调节水分。将调节水分后的黑小麦麸皮投入双螺杆挤压机中进行挤压膨化。设定挤压膨化的条件为：水分质量分数20%，螺杆Ⅰ区温度25 ℃，Ⅱ区温度100 ℃，Ⅲ区温度110 ℃，主机频率26.4 Hz，喂料频率10.80 Hz，旋切频率60 Hz。

2)微波- 挤压工艺。将黑小麦麸皮放入搅拌器中搅拌2 min，同时加入蒸馏水调节水分质量分数至20%。按微波设定，以输出功率40 kW，加热温度85 ℃，传送速度2 m/min对黑小麦麸皮进行微波热处理。微波处理结束后，继续加水使黑小麦麸皮中水分质量分数维持在20%，之后投入双螺杆挤压机中处理。

1.3.2戊聚糖提取工艺

将未处理原料和经挤压、微波- 挤压的黑小麦麸皮用体积分数为70%的乙醇于70 ℃下高温热处理2次，抽滤并晾干，样品干燥完全后称重备用。

1)水法提取戊聚糖。取原料、挤压和微波- 挤压预处理后的黑小麦麸皮各100 g，分别以1∶10(g∶mL)料液比加水混匀，40 ℃搅拌1 h，离心(3 000 r/min)20 min，收集上清液(沉淀用于后续碱提)。将上清液60 ℃旋转蒸发浓缩，加4倍95%乙醇沉淀，4 ℃过夜，抽滤，沉淀加水，复溶，透析48 h，冷冻干燥即得未处理水溶性戊聚糖(WEAX)、挤压水溶性戊聚糖(E- WEAX)和微波- 挤压水溶性戊聚糖(ME- WEAX)。

2)碱法提取戊聚糖。取水提离心后沉淀，以1∶10(g∶mL)料液比加入饱和Ba(OH)2溶液，常温搅拌2 h，离心15 min(3 000 r/min)，取上清液。沉淀再次按上述方法处理，离心，合并两次上清液。将收集到的上清液用0.1 mol/L的HCl溶液调节pH值至5.5，静置30 min，离心(3 000 r/min)，收集上清液。将上清液60 ℃旋转蒸发浓缩，加4倍95%乙醇沉淀，4 ℃过夜，抽滤，沉淀加水复溶，透析48 h，冷冻干燥即得未处理水不溶性戊聚糖(WUAX)、挤压水不溶性戊聚糖(E- WUAX)和微波- 挤压水不溶性戊聚糖(ME- WUAX)。

1.3.3戊聚糖得率的计算

戊聚糖得率计算方法见式(1)。

(1)

式(1)中：m1为戊聚糖质量，g；m2为原料质量，g。

1.3.4多糖含量的测定

采用苯酚- 硫酸法测定多糖含量[7]。以一定比例的葡萄糖、阿拉伯糖和木糖为标准制作标准曲线。

1.3.5戊聚糖含量的测定

参照NY/T 2335—2013《谷物中戊聚糖含量的测定 分光光度法》[8]测定戊聚糖含量。

1.3.6单糖组成的测定

准确称取戊聚糖样品3 mg溶于2 mol/L 三氟乙酸，121 ℃水解1 h，去除过量的三氟乙酸，采用离子色谱分析单糖组成。将各戊聚糖样品的单糖组成图谱与标准单糖离子色谱图的出峰时间进行比较，确定单糖的种类，根据峰面积的比值确定各单糖间的比例关系。

检测条件：CarboPacPA20型色谱柱，柱温30 ℃，检测器为电化学检测器，用10 mmol/L KOH进行等度洗脱，进样体积25 μL，样品与标准品进样前用0.45 μm微孔滤膜过滤。

1.3.7阿魏酸含量的测定

阿魏酸的提取[9]：精确称量0.3 g样品加入24 mL 2 mol/L NaOH溶液，密封，反应过夜。加6 mol/L盐酸溶液调节pH值至2，利用等体积乙酸乙酯溶液萃取4次，合并上清液，并在45 ℃下旋转蒸发至干，用甲醇定容至10 mL，放冰箱保存。

液相检测条件：色谱柱(250 mm×4.6 mm，5 μm)，流动相为乙腈(溶剂A)和1%冰乙酸(溶剂B)，流速为0.8 mL/min，柱温为40 ℃，检测波长为320 nm，进样量为10 μL。所有样品进样前均用0.45 μm滤膜过滤。梯度洗脱程序：0～4 min流动相B的体积分数由79%降至77%；4～8 min流动相B的体积分数由77%降至60%；8～11 min流动相B的体积分数由60%降至0；11～21 min流动相B的体积分数由0升至79%。

1.3.8戊聚糖相对分子质量分布

将戊聚糖样品加水溶解成均一溶液，采用高效色谱仪检测戊聚糖相对分子质量。

高效液相色谱条件[10]：检测器为示差折光检测器，色谱柱为Ultrahydrogel TMLinear (7.8 mm×300 mm，5 μm)，流动相为0.1 mol/L NaNO3，流速0.9 mL/min，柱温45 ℃，进样量为20 μL。

1.3.9戊聚糖红外光谱分析

红外光谱扫描范围为400～4 000 cm-1，扫描次数为32次，分辨率为2 cm-1。

1.3.10戊聚糖黏度的测定

以超纯水作为溶剂，将戊聚糖样品配制成质量分数为4%的溶液。设定测试温度为20 ℃，剪切速率为0～300 s-1，扫描时间为60 s，扫描模式为线性扫描。测定剪切速率变化时，不同加工工艺条件下戊聚糖溶液的黏度变化。

2 结果与分析

2.1 不同加工工艺对戊聚糖得率的影响

不同加工工艺条件下戊聚糖样品得率变化情况如图1。从图1中可以看出，未处理、挤压和微波- 挤压处理黑小麦麸皮所得水溶性戊聚糖得率分别为1.13%、2.76%和7.14%，水不溶性戊聚糖得率分别为4.63%、3.67%和4.18%。与WEAX相比，E- WEAX、ME- WEAX得率分别提高了1.44倍和5.32倍；与WUAX相比，E- WUAX、ME- WUAX得率略微下降。这是由于在挤压和微波- 挤压作用下，水不溶性戊聚糖发生降解，一部分水不溶性戊聚糖转化为水溶性戊聚糖，使水溶性戊聚糖得率提高。相比未处理组戊聚糖的总得率(5.76%)，挤压、微波- 挤压工艺组戊聚糖总得率(6.43%、11.32%)分别是未处理组的1.12倍和1.97倍。由结果可知，黑小麦麸皮经微波- 挤压加工处理后，戊聚糖溶出率最高，且水溶性戊聚糖含量也增加最多，优于挤压加工工艺。

图1 不同加工工艺处理黑小麦麸皮所得戊聚糖得率Fig.1 Yields of pentosans from black-grained wheat bran by different processing techniques

2.2 不同加工工艺对戊聚糖组成的影响

不同加工工艺条件下所得戊聚糖样品的组成分析结果如表1。由表1可知，与未处理组WEAX相比，E- WEAX和ME- WEAX的多糖含量升高，戊聚糖含量下降。这主要是由于以水为溶剂提取得到的水溶性戊聚糖主要含有蛋白质及少量淀粉，再加上挤压、微波- 挤压工艺处理会破坏麸皮致密的细胞壁组织结构，促进细胞内溶物的溶出，使可溶性物质含量增加[11]，相应戊聚糖含量占比减少。与未处理组WUAX相比，E- WUAX和ME- WUAX多糖和戊聚糖含量均略有下降，且ME- WUAX中多糖和戊聚糖含量均高于E- WUAX。由表1可以看出，各水不溶性戊聚糖组分的戊聚糖纯度明显高于水溶性戊聚糖组分，表明用饱和Ba(OH)2溶液提取黑小麦麸皮戊聚糖，Ba2+可以特异性地与Ara和Xyl等戊糖结合，使戊聚糖更易溶出[12]。

表1中单糖组成结果显示，不同戊聚糖组分均由Ara、Xyl和Glc组成，并含有少量Gal。对于水溶性戊聚糖组分，WEAX、E- WEAX、ME- WEAX的分支度(Ara/Xyl)逐步降低，分别为0.74、0.66、0.59，表明黑小麦麸皮水溶性戊聚糖经挤压、微波- 挤压加工工艺处理后位于分支的Ara发生了降解。WEAX、E- WEAX、ME- WEAX的Glc与Ara的摩尔比分别为1.66∶1、4.28∶1、5.49∶1，表明黑小麦麸皮随挤压、微波- 挤压加工工艺处理后，戊聚糖组分中的Glc含量持续增加。GLc含量变化的主要原因是由于挤压、微波- 挤压加工工艺破坏了麸皮细胞壁组织中戊聚糖、β-葡聚糖等半纤维素之间的共价结合，并加剧了麸皮中纤维素的降解，使Glc含量大幅提高。

对于水不溶性戊聚糖组分，WUAX组分主要由Ara和Xyl组成，仅含有少量Glc；而E- WUAX、ME- WUAX组分中Glc的含量相比WUAX有所增加，其变化趋势与水溶性戊聚糖组分相似。WUAX、E- WUAX、ME- WUAX的分支度(Ara/Xyl)分别为0.70、0.77、0.79，表明黑小麦麸皮经挤压、微波- 挤压加工处理后所得水不溶性戊聚糖的分支度逐步增加。

表1 不同加工工艺处理黑小麦麸皮所得戊聚糖的组成Tab.1 Composition of pentosans from black-grained wheat bran by different processing techniques

2.3 不同加工工艺对戊聚糖理化性质的影响

2.3.1对戊聚糖中结合态阿魏酸含量的影响

采用高效液相色谱法分析了各戊聚糖样品中结合阿魏酸的含量，分析结果见图2。从图2可见，未处理、挤压和微波- 挤压处理黑小麦麸皮所得水溶性戊聚糖结合态阿魏酸质量分数分别为1 760.73、2 094.51、1 951.88 μg/g，水不溶性戊聚糖结合态阿魏酸质量分数分别为601.24、1 331.58、1 813.35 μg/g。经比较可以看出，3组水不溶性戊聚糖样品中的结合态阿魏酸含量均低于水溶性戊聚糖样品，这是由于提取水不溶性戊聚糖所用碱性溶液会破坏阿魏酸与戊聚糖的酯键结合，使阿魏酸游离[13]。与未处理组水不溶性戊聚糖相比，挤压和微波- 挤压处理所得水不溶性戊聚糖中阿魏酸的含量逐渐增加，分别提高了1.44倍和5.32倍。挤压和微波- 挤压处理所得戊聚糖样品中的阿魏酸总含量均高于未处理组，且微波- 挤压组阿魏酸的总含量(3 765.23 μg/g)高于挤压组(3 426.09 μg/g)。

图2 不同加工工艺处理黑小麦麸皮所得戊聚糖中 结合阿魏酸的含量Fig.2 Content of conjugated ferulic acid obtained from pentosans by different processing techniques of black-grained wheat bran

2.3.2对戊聚糖相对分子质量的影响

不同加工工艺条件下各戊聚糖组分的相对分子质量参数如表2。可以看出，WEAX由Mw为6.72×105和2.93×103的两部分组成，峰面积所占比例为70.53%、29.47%。黑小麦麸皮经挤压工艺处理后，E- WEAX的高Mw组分所占比例由70.53%降低到40.71%，低Mw组分比例由29.47%增加到59.29%，表明挤压工艺处理后E- WEAX组分的Mw有所下降。黑小麦麸皮经微波- 挤压工艺处理后，ME- WEAX组分的Mw持续下降至3.15×105，且Mw分布由双峰变成单峰，Mw分布较集中。

未处理组水不溶性戊聚糖WUAX由Mw为8.80×105和2.41×103的两部分组成，峰面积所占比例分别为77.72%、22.28%；E- WUAX组分Mw由3部分组成，高低Mw所占比例为54.92%和45.08%(23.74%+21.34%)，表明挤压工艺处理使不溶性戊聚糖Mw下降。与E- WUAX(9.79×105)组分相比，ME- WUAX的Mw下降更明显，Mw为3.17×105。本实验结果表明，挤压、微波- 挤压加工处理促使高Mw戊聚糖组分中部分糖苷键发生断裂，降解为低Mw组分[14-15]，且微波- 挤压工艺促使戊聚糖Mw下降的幅度高于挤压工艺。

表2 不同加工工艺处理黑小麦麸皮所得戊聚糖的 相对分子质量Tab.2 Mw of pentosans obtained from black-grained wheat bran by different processing techniques

2.3.3对戊聚糖红外光谱的影响

图3 不同加工工艺处理黑小麦麸皮所得戊聚糖的 红外光谱Fig.3 Infrared spectra of pentosans obtained from black-grained wheat bran by different processing techniques

2.3.4不同加工工艺对戊聚糖黏度的影响

不同加工工艺处理黑小麦麸皮所得戊聚糖溶液的黏度变化情况如图4。可以看出，相同剪切速率下，不同加工工艺对黑小麦戊聚糖溶液的黏度影响很大。图4显示，未处理组水不溶性戊聚糖WUAX的黏度最高，经挤压、微波- 挤压加工处理后，E- WUAX、ME- WUAX的黏度持续下降，这是由于不同加工工艺处理使戊聚糖Mw降低，黏度随之降低。3种水溶性戊聚糖的黏度均较低，且微波- 挤压加工处理后ME- WEAX的黏度均低于WEAX、E- WEAX。

图4 不同加工工艺处理黑小麦麸皮所得戊聚糖的黏度Fig.4 Viscosity of pentosans obtained from black-grained wheat bran by different processing techniques

3 结 论

1)采用挤压、微波- 挤压加工工艺处理黑小麦麸皮，促使水不溶性戊聚糖降解为水溶性戊聚糖，所得戊聚糖的总得率逐步增加，分别是未处理组的1.12倍、1.97倍。

2)黑小麦麸皮戊聚糖样品主要由Ara、Xyl、Glc和少量Gal组成。麸皮经挤压、微波- 挤压加工处理后，各戊聚糖样品中Glc含量增加，且水溶性戊聚糖分支度持续降低，水不溶性戊聚糖分支度持续增加。

3)挤压、微波- 挤压处理使戊聚糖的Mw和黏度逐步下降，结合态阿魏酸含量增加，且微波- 挤压组结合阿魏酸的总含量(3 765.23 μg/g)高于挤压组(3 426.09 μg/g)。采用挤压、微波- 挤压加工工艺处理黑小麦麸皮，有助于提高戊聚糖得率，增加水溶性戊聚糖的含量，可以进一步改善戊聚糖的理化性质。