蒸汽爆破对麦麸组分及微观形貌的影响

高珊，祝梓淳，徐学兵，郑妍，高霓思，殷宝茹，钟宇*

（1.上海交通大学农业与生物学院，上海200240；2.丰益（上海）生物技术研发中心有限公司，上海200137）

小麦是我国仅次于水稻的第二大粮食作物，麦麸是小麦加工过程中的主要副产物，约占籽实总重的10%，包括小麦麦粒果皮、外果皮、种皮、珠心层和部分糊粉层[1]。2018年我国小麦产量约为1.3亿吨[2]，推算麦麸理论产量为1 300万吨，产量大，成本低，且具有良好的营养和功能特性。麦麸中的可溶性戊聚糖具有降低血清胆固醇的作用[3]；低聚糖具有益生元活性，能够选择性增加粪便双歧杆菌数量[4]，有效减少肠道感染；贮藏蛋白相较胚乳蛋白含有更多的必需氨基酸和条件必需氨基酸[5]；酚酸具有清除自由基、抑制单线态氧生成的作用[6]。近年来随着消费者对于健康饮食的重视，麦麸回添食品的需求显著提升[7]。

然而，麦麸以细胞壁结构为主，可溶性物质含量很低，麦麸中的蛋白、酚酸等物质常与不溶性复合碳水化合物相结合，难以释放利用，影响其营养价值[8]；此外在面包的加工过程中，麦麸会干扰面筋形成网络结构，导致面团弹性降低、烘焙质量变差等[5]。这些问题限制了麦麸在食品中的应用。因此，物理处理、化学处理、生物加工等方法常被用于改善不溶成分对于麦麸感官、营养、应用等方面的不利影响[9-10]。蒸汽爆破（steam explosion，SE）是一种水热加工方法，高压（0.7 MPa～4.8 MPa）和高温（160℃～240℃）下的蒸汽在几分钟内充满物料，然后对其进行瞬间泄压，通过高温蒸煮阶段的热反应和瞬时减压阶段的物理撕裂的共同作用，打破生物质材料各组分的结合[11-12]。研究表明，SE是一种低成本、节能、耗时短、无溶剂残留的处理技术，可以有效处理各种木质纤维素原料，是半纤维素增溶的首选方法[13]。文献指出，使用SE方法处理玉米秸秆，可以提高玉米秸秆的消化性[14]；经SE处理的麦麸可以提高酚类化合物的得率，且具有较强的抗氧化性[15]；研究表明在2.5 MPa压力下保压60 s，可以破坏麦麸中的植酸，最佳工艺下植酸降解率可达87%[16]。

本文比较了SE前后麦麸的组分和微观形貌变化，并采用单因素试验探究SE条件（蒸汽压力、保压时间、水添加量）对麦麸中可溶性成分（可溶性戊聚糖、可消化碳水化合物、可溶性蛋白）含量和总戊聚糖含量的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

麦麸：上海丰益国际公司；5-甲基间苯二酚（分析纯）：东京化成工业株式会社；苯酚（分析纯）：上海易恩化学技术有限公司；D（＋）葡萄糖（分析纯）、牛免疫球蛋白G：上海源叶生物科技有限公司；考马斯亮蓝G-250蛋白染料：上海麦克林生化科技有限公司；木糖、盐酸、浓硫酸、NaOH、丙酮（均为分析纯）：国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

QBS-80蒸汽爆破工艺试验台：河南鹤壁正道重型机械厂；Triad冷冻干燥机：美国Labconoco公司；JP-500C型粉碎机：久品电器有限公司；Sirion 200高分辨场发射扫描电子显微镜：美国FEI公司；Multiskan Go酶标仪：美国赛默飞世尔科技公司；LabScan XE色度仪：HunterLab公司。

1.3 方法

1.3.1 麦麸基本成分测定

水分含量：直接干燥法，依据GB 5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》；灰分含量：马弗炉高温灼烧法，依据GB 5009.4—2016《食品安全国家标准食品中灰分的测定》；脂肪含量：索氏抽提法，依据GB5009.6—2016《食品安全国家标准食品中脂肪的测定》；蛋白质含量：凯氏定氮法，依据GB 5009.5—2016《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》。选取对照组样品及SE处理后（蒸汽压力1.5 MPa、保压时间180 s、水添加量10%）样品进行上述成分测定，除水分含量外均由干物质含量表示。

1.3.2 麦麸SE处理

称取200 g麦麸，加入一定量水，通入高温饱和蒸汽。待缸内压力达到预设值时开始计时，保持一定时间后泄压回收物料。麦麸经过SE处理后，置于60℃下热风干燥24 h（物料厚度1 cm），粉碎过60目筛，备用。

探究蒸汽压力影响时，固定保压时间180 s，水添加量 30%，蒸汽压力依次为 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 MPa；探究保压时间影响时，固定蒸汽压力1.5 MPa，水添加量30%，保压时间依次为 90、120、150、180、210、240 s；探究水添加量影响时，固定蒸汽压力1.5 MPa，保压时间180 s，麦麸原料水添加量依次为10%、20%、30%、40%、50%、60%。未经SE处理的麦麸作为对照组。

1.3.3 色度值

采用色度仪对粉碎后样品进行测定，测定重复3次，取平均值。

1.3.4 可溶性戊聚糖含量测定

准确称取样品0.3 g，加入蒸馏水200 mL，沸水浴加热2 h，趁热过滤，定容至250 mL。吸取水提液10 mL，加入10 mL 4 mol/L盐酸溶液，沸水浴酸解2 h，过滤，采用地衣酚-盐酸法测定可溶性戊聚糖含量（以木糖计）。

1.3.5 总戊聚糖含量测定

准确称取样品0.1 g，加入20 mL 4 mol/L盐酸溶液，沸水浴酸解2 h，过滤，取过滤后上清液5 mL，定容至50 mL。采用地衣酚-盐酸法测定总戊聚糖含量（以木糖计）。

1.3.6 可消化碳水化合物含量测定

参考DEANS等[17]的方法，准确称取样品20 mg，加入1 mL 0.1 mol/L H2SO4溶液，沸水浴加热1 h后置于温水浴中冷却，15 000×g离心10 min。收集上清液，采用苯酚-硫酸法测定可消化碳水化合物含量。

1.3.7 可溶性蛋白含量测定

参考DEANS等[17]的方法，称取样品20 mg，加入500 μL 0.1 mol/L NaOH溶液，超声处理30 min后沸水浴加热15 min，离心10 min后转移上清液，用300 μL 0.1 mol/L NaOH溶液洗涤沉淀并离心后，合并上清液。使用5.8 mol/L盐酸溶液调节上清液pH值至7。加入90 μL 100%三氯乙酸溶液并在冰上孵育30 min，4℃离心10 min后除去上清液。使用100 μL 20℃丙酮快速洗涤沉淀后，放入通风橱中使丙酮蒸发。向管中加入1 mL 0.1 mol/L NaOH溶液，通过加热、涡旋和超声处理使其完全溶解。采用Bradford法测定可溶性蛋白含量。

1.3.8 微观结构表征—扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）法

选取对照组样品，中度SE处理麦麸样品（蒸汽压力1.5 MPa、保压时间180 s、水添加量10%）及重度SE处理麦麸样品（蒸汽压力2.5 MPa、保压时间180 s、水添加量10%），使用扫描电子显微镜在5 kV下观察样品微观结构，放大倍数5 000倍。

1.4 数据处理

各试验重复3次，结果以平均值±标准差表示。采用Origin 2016软件绘图，IBM SPSS 24软件对试验数据进行统计分析，并通过单因素ANOVA检验下的Duncan’s test进行显著性差异比较，P<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 SE处理前后麦麸基础成分变化

选取对照组样品及SE处理样品（蒸汽压力1.5 MPa）进行基础成分测定，结果见表1。

表1 SE前后麦麸基础成分变化Table 1 Basic components contents of wheat bran before and after SE

由表1可知，对照组麦麸中碳水化合物含量最高，为74.23%干基。SE处理之后，麦麸的灰分、脂肪和蛋白质含量显著增加，碳水化合物含量显著降低至70.70%干基，这与冉福等[18]得出的结果相似，这可能是由于SE过程中半纤维素等分解产物在高温下挥发，干物质损失，从而间接造成其它组分含量增加[19]。

2.2 SE处理条件对麦麸色泽影响

SE处理前后麦麸粉末色度值测定结果见表2。

表2 不同SE处理条件对于麦麸色度值影响Table 2 Effect of SE on the color values of wheat bran

SE对麦麸的影响普遍在于使麦麸亮度（L*）值降低，红度（a*）值增大，黄度（b*）值增大，麦麸粉末颜色由棕黄色转为黄褐色，这可能是由于麦麸在SE过程中发生美拉德反应[20]，生成的羧甲基糠醛等物质会进一步缩合生成褐色可溶物乃至生成类黑精[21]。由表2可知，麦麸样品亮度值整体上随蒸汽压力的增大而减小，当蒸汽压力为1.5 MPa时，亮度值较对照组下降了28.87%，当蒸汽压力进一步增大时，亮度值迅速降低，蒸汽压力到达2.5 MPa时亮度值为对照组的54.68%。秦晓洁等[11]在瞬时弹射式汽爆法制备速溶牦牛骨粉的研究中同样发现牦牛骨随蒸汽压力增大色泽逐渐加深，当蒸汽压力大于1.5 MPa时，悬浮液呈黄褐色。

2.3 SE处理对麦麸总戊聚糖含量的影响

戊聚糖在麦麸中含量可达20%～25%，占总膳食纤维的60%以上，是麦麸膳食纤维的主要功能组分[22]。图1为蒸汽压力、保压时间、水添加量对麦麸总戊聚糖含量的影响。

由图1可知，与对照组相比，SE处理组麦麸总戊聚糖含量均降低，在SE处理的3个因素中，影响较大的是蒸汽压力。随着蒸汽压力的上升，麦麸样品总戊聚糖含量逐渐下降，对照组麦麸总戊聚糖含量为420.77 mg/g，2.5 MPa压力时总戊聚糖含量降低至282.27 mg/g，相较对照组降低了约30%；保压时间超过150 s后麦麸总戊聚糖含量与对照组存在显著性差异，但各SE处理组之间没有明显差别；不同水添加量的SE处理组间的总戊聚糖含量变化不显著，但均显著低于对照组。经过SE处理之后麦麸总戊聚糖含量下降，可能是在高温高压过程中，麦麸结构被破坏，部分戊聚糖发生化学反应，例如戊聚糖脱水反应产生糠醛，进一步发生缩合、裂解反应等[23]。

图1 SE处理对麦麸总戊聚糖含量的影响Fig.1 Effect of SE on total pentosan content of wheat bran

2.4 SE处理对麦麸可溶物含量的影响

SE处理对麦麸可溶性戊聚糖含量的影响见表3。

表3 SE处理对麦麸可溶性戊聚糖含量的影响Table 3 Effect of SE on soluble pentosan content of wheat bran

由表3可得，对照组麦麸可溶性戊聚糖含量较少，为14.06 mg/g，SE处理对于可溶性戊聚糖含量有提升作用。在SE处理的3个因素中，蒸汽压力对于可溶性戊聚糖含量的影响较明显，其含量随着蒸汽压力的增大呈现先升高后降低的趋势，在1.5 MPa压力下达到峰值172.55 mg/g，约为对照组的1 200%。在保压时间150 s时麦麸可溶性戊聚糖含量增至对照组的1 400%左右，保压时间180 s时，麦麸可溶性戊聚糖含量达到最大值，为209.53 mg/g。不同水添加量的SE处理组麦麸的可溶性戊聚糖含量无显著性差异。

图2为SE处理对麦麸可消化碳水化合物与可溶性蛋白比值的影响。

图2 SE处理对麦麸可消化碳水化合物与可溶性蛋白比值的影响Fig.2 Effect of SE on the ratio of digestible carbohydrate to soluble protein of wheat bran

可消化碳水化合物经过胃肠道的物理、化学消化，逐步降解成为葡萄糖、果糖、半乳糖等单糖及少量双糖。可溶性蛋白指以小分子状态溶于水或其它溶剂的蛋白，其含量对生物体的消化吸收也有着重要的影响，是食品加工的重要指标之一，两者的比值可以反映食物的消化性。随着蒸汽压力的增加，该比值呈现先上升后下降的变化趋势，蒸汽压力为1.5 MPa时出现峰值，相较对照组增加约35%；而随着保压时间的延长，该比值呈现逐渐下降的趋势。不同水添加量对SE处理样品的可消化碳水化合物与可溶性蛋白比值没有显著性影响。

2.5 SE处理对麦麸微观形态的影响

本研究采用SEM对对照组麦麸、中度SE处理麦麸以及重度SE处理麦麸进行了观察，结果见图3。

图3 SE处理前后麦麸微观结构Fig.3 Microstructure of wheat bran before and after SE

从图3中可以看出，对照组麦麸虽然经过粉碎但颗粒仍比较完整，平均粒径较大，表面光滑，边缘整齐，其结构没有受到影响。而经过SE处理后的两个样品，由于SE冲击作用粒径变小，同时由于半纤维素和木质素的降解，纤维结构不再紧密，出现不规则撕裂，导致表面呈蜂窝状[16]。相较1.5 MPa蒸汽压力下的中度SE处理的麦麸颗粒，2.5 MPa蒸汽压力下的重度SE处理的麦麸结构被完全破坏成碎片，表面褶皱状更深，剥离感更强。样品微观形貌变化表明，蒸汽压力与物料破坏程度呈正相关，蒸汽压力越大，半纤维素与木质素降解、纤维结构破坏程度越深。

3 结论

本研究考察不同汽爆参数（蒸汽压力、保压时间、水添加量）对麦麸组分及微观形貌的影响。麦麸经SE处理后颜色改变较大，随着蒸汽压力增加，整体来看，样品L*值减小，a*值增大，这与美拉德反应有关。基础组分分析显示SE处理后灰分、脂肪和蛋白质含量增大，可能是麦麸SE分解产物在高温下挥发，干物质损失，从而间接造成组分含量增加。微观结构显示SE处理能够破坏麦麸结构，破坏程度与蒸汽压力呈正相关，这促进了麦麸中的可溶性物质释放，尤其是可溶性戊聚糖释放量显著增大，对于麦麸实际生产应用具有一定现实意义。综合微观特征、可溶物含量和总戊聚糖含量，蒸汽压力1.5 MPa、保压时间180 s、水添加量10%时麦麸品质较好，后续试验将在此条件下进一步探究SE处理对麦麸功能特性及加工特性的影响。