旋风涡流剪切分离技术生产的小麦糊粉层粉营养价值和安全性研究

牛永武，纪晨雪，王海军，胡浩杰，赵仁勇*

1.河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001

2.五得利面粉集团有限公司，河北 邯郸 056900

新时代大健康背景下，以全麦食品为主的全谷物健康食品受到国内外消费者的广泛关注和追求[1-2]。然而，目前我国全麦粉消费量仅占小麦粉总产量的1.2%，受消费者欢迎的全麦食品少，主要原因：1)小麦籽粒的外果皮粗糙、硬，影响口感和食欲；2)全麦粉的储存稳定性差，货架期短；3)全麦食品在色泽、风味、口感等方面存在缺陷，给消费者留下苦涩、难以下咽等负面印象；4)全麦粉及全麦食品在微生物、真菌毒素、重金属、农药残留等方面存在安全隐患等[3-4]。因此，亟须寻找营养价值高、更加安全的产品来解决这些问题。

小麦糊粉层(即外胚乳)是籽粒皮层的最内层细胞，位于种皮和胚乳之间，占麦粒质量的7%～9%[5]。小麦糊粉层粉膳食纤维含量高，蛋白质含量丰富且含有人体所有必需氨基酸，富集K、P、Mg、Zn等大部分矿物质和VB、VE等维生素，具有极高的食用价值，被称为小麦中的“软黄金”。相较于全麦粉食品，添加小麦糊粉层粉制作的食品具有营养价值相当、口感易被接受、安全性更高等优点[6-7]。因此，小麦糊粉层粉的生产和应用逐步受到研究人员的关注。

多年来，小麦糊粉层粉的大规模生产一直受到分离制备技术的制约，主要原因是小麦糊粉层与外皮层结合得相当紧密，难以分离[8-9]。因此，多数国家当前对小麦糊粉层的开发、利用仍停留在实验室阶段。目前，分离糊粉层的原料主要包括小麦籽粒和麦麸。然而，以小麦籽粒为原料的传统研磨制粉工艺将最大化获取胚乳作为主要目的，难以对小麦糊粉层进行单独剥离。若能以麦麸为原料，实现糊粉层的分离，其市场前景极其可观[10]。旋风涡流剪切分离技术是中国科学院嘉兴中俄科技转化中心与河南工业大学等科研单位联合研发的技术成果，率先将火箭技术中的旋风涡流原理应用于糊粉层的分离提取，采用机械化学的微纳米分离技术原理，集粉碎、冲击、振动、揉搓、分离于一体，实现了约3 t麸皮可分离1 t糊粉层的高效率。该技术具有原料来源极其广泛、生产过程绿色化、耗能低、成本低等特点，可实现大规模生产[11]。

具有高营养价值和符合食品安全国家标准要求是小麦糊粉层粉大规模推向市场应用的必要条件。目前，国内外有关小麦糊粉层粉的研究主要集中在营养价值方面，而对其安全性评价鲜有报道，且研究中所用糊粉层粉多数由实验室小型设备或者手工剥离制备，难以实现糊粉层粉的规模化应用。结合小麦粉、全麦粉相关标准和对比研究[12]，作者以5个面粉加工厂采集的麸皮为原料，利用旋风涡流剪切分离技术大量制备糊粉层粉，测定灰分、水分含量和脂肪酸值(以湿基计)，膳食纤维、铁和烷基间苯二酚含量，铅、砷、镉和铬等重金属含量，与同一批次小麦生产的面粉和全麦粉进行对比分析，明确该技术生产糊粉层粉的营养价值和食用安全性，为推动该技术在糊粉层粉生产中的应用和糊粉层粉在食品中的应用奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

面粉、通粉、次粉、麸皮和麦胚：在五得利面粉集团有限公司位于不同地区的5个面粉加工厂进行采集，其中，通粉是公司加工小麦的一种产品分类，主要是小麦加工系统的后路粉。全麦粉：同一批次小麦生产的面粉、通粉、次粉、麦胚、麸皮等样品按产品出率复配获得。糊粉层粉：将采集的麸皮样品送至山东知食坊食品科技有限公司，利用旋风涡流剪切分离技术处理后获得。一个工厂同一批次的面粉、全麦粉和糊粉层粉样品为一组，5个面粉加工厂分别命名为HD、BX、XX、XY和DM，不同组的样品出率见表1。

表1 各组分样品出率Table 1 Yields of samples

乙酸乙酯、甲醇(色谱纯)、冰乙酸、重氮盐Fast blue B Zn(纯度≥95%)、烷基间苯二酚同系物C15∶ 0标准品(纯度≥98%)、95%乙醇、丙酮、石油醚(沸程30～60 ℃)、氢氧化钠、重铬酸钾、三羟甲基氨基甲烷、2-(N-吗啉代)乙烷磺酸、盐酸、硫酸、高温α-淀粉酶、蛋白酶液、淀粉葡萄糖苷酶液、硅藻土，以上试剂无特殊说明，均为分析纯。

1.2 仪器与设备

101A-2电热鼓风干燥箱：上海实验仪器厂有限公司；GYROMAX929旋转式水浴摇床、GYROMAX循环往复式水浴摇床：美国Amerex公司；Innova40气浴恒温摇床：美国New Brunswick Scientific公司；UV-2550紫外可见光分光光度计：日本Shimadzu公司；SX2-5-12马弗炉：天津市中环实验电炉有限公司；SCIENTZ-Ⅱ D超声细胞破碎仪：宁波新芝生物科技股份有限公司；Kjeltec8400凯氏定氮仪：丹麦FOSS公司； SPARK酶标仪：澳大利亚Tecan公司。

1.3 方法

灰分测定参照GB 5009.4—2016；水分测定参照GB 5009.3—2016；脂肪酸值测定参照GB/T 15684—2015；膳食纤维测定参照GB 5009.88—2014；铁含量测定参照GB 5009.90—2016第一法；烷基间苯二酚含量测定参照彭田园等[13]的方法；铅含量测定参照GB 5009.12—2017第二法；镉含量测定参照GB 5009.268—2016第一法；砷含量测定参照GB 5009.11—2014第一篇第一法；铬含量测定参照GB 5009.268—2016第一法。

2 结果与分析

2.1 关键理化指标分析

在小麦加工行业中，灰分含量、水分含量、脂肪酸值(以湿基计)等理化指标是衡量小麦粉和全麦粉质量是否达标的重要判断标准[14]。以同一批次的小麦粉和全麦粉作为对照，测定旋风涡流剪切分离技术生产的小麦糊粉层粉的相关指标。

2.1.1 水分含量

水分含量是影响小麦粉储藏稳定性的关键指标之一。GB/T 1355—1986《小麦粉》中规定普通粉和标准粉的水分含量≤13.5%，LS/T 3244—2015《全麦粉》中规定全麦粉水分含量≤13.5%。

测定面粉、糊粉层粉和全麦粉样品中的水分含量，结果见表2。所有面粉、全麦粉和糊粉层粉样品中的水分含量最大值为13.16%，旋风涡流剪切分离技术制备糊粉层粉的水分含量为11.91%～12.88%，已经达到面粉和全麦粉标准的限量要求，有利于糊粉层粉的稳定储藏。

表2 面粉、全麦粉和糊粉层粉的水分含量Table 2 Moisture content of pasta, whole wheat flour and aleurone layer flour

2.1.2 灰分含量

灰分含量是表征小麦粉加工精度的重要指标，小麦粉中的麸皮含量越高，灰分含量越高。GB/T 1355—1986《小麦粉》中规定普通粉的灰分含量≤1.4%，LS/T 3244—2015《全麦粉》中规定灰分含量≤2.2%。测定面粉、糊粉层粉和全麦粉样品中的灰分含量，结果见表3。所有面粉和全麦粉样品的灰分含量均满足标准要求。5组样品中，同一批次小麦生产的糊粉层粉灰分含量分别约为面粉的13～15倍和全麦粉的4倍，表明灰分物质在小麦糊粉层中明显聚集。

表3 面粉、全麦粉和糊粉层粉的灰分含量Table 3 Ash content of flour, whole wheat flour and aleurone layer flour

研究表明，灰分对面制品制作具有重要影响[14]。如馒头制作中，灰分过高的面粉难以形成很好的面筋，在面团形成及发酵过程中不具有保气能力，对体积的膨大没有积极作用，造成成品馒头体积小[15]。方便面制作中，高灰分直接影响面粉吸水的均匀性，不利于面筋网络的形成，增加油炸方便面的耗油量[16]。因此，建议将糊粉层粉与面粉按一定比例复配获得较低灰分含量的糊粉层小麦粉，用于制作食品。

2.1.3 脂肪酸值

脂肪酸值是衡量面粉中游离脂肪酸含量的主要指标。脂肪酸值的变化反映了谷物粉储藏过程中脂类氧化酸败的程度，常作为谷物储藏的判定指标之一[17]。目前，GB/T 1355—1986《小麦粉》中规定普通粉的脂肪酸值(以湿基计)≤80 mg/100 g，LS/T 3244—2015《全麦粉》中规定脂肪酸值(以干基计)≤116 mg/100 g。

测定面粉、糊粉层粉和全麦粉样品中的脂肪酸值(均以干基计)，结果见表4。糊粉层粉的脂肪酸值分别约为同一批次小麦生产的面粉的6～10倍和全麦粉的3～4倍，具有高脂肪酸值的小麦糊粉层粉不利于保存。为了明确糊粉层粉保存一定时间后的情况，将面粉、全麦粉和糊粉层粉样品装入不透气的塑封袋中，室温下储存3个月后，再次测定所有样品的脂肪酸值，结果见表4。可以看出，保存后的面粉脂肪酸值较低，仅为29.02～49.18 mg/100 g，全麦粉的脂肪酸值为111.90～150.84 mg/100 g，糊粉层粉的脂肪酸值为464.85～631.37 mg/100 g。与初始测定结果相比，室温储存3个月后的糊粉层粉样品脂肪酸值有一定升高，但通过试验人员的感官评定，没有发现明显的酸败味。说明该技术制备的纯糊粉层粉在密闭条件下室温储藏时间可以达到3个月。

表4 面粉、全麦粉和糊粉层粉的脂肪酸值Table 4 Fatty acid value of flour, whole wheat flour and aleurone layer flour

2.2 营养指标对比

2.2.1 膳食纤维

膳食纤维在饮食中具有相当重要的生理作用，成为学术界和普通百姓关注的营养组分，被营养学界认定为第七大营养素，和传统的六大营养素——蛋白质、脂肪、碳水化合物、维生素、矿物质和水并列[18]。美国FDA 推荐把膳食纤维含量作为评判全谷物食品的重要指标。LS/T 3244—2015《全麦粉》中规定总膳食纤维含量(以干基计)≥9.0%。

如表5所示，利用旋风涡流剪切分离技术生产小麦糊粉层粉中的膳食纤维含量分别约为面粉和全麦粉中的15倍和3倍，充分表明糊粉层粉富含膳食纤维。因此，膳食纤维含量有可能作为判断面粉中是否添加糊粉层粉的重要判断指标之一。

表5 面粉、全麦粉和糊粉层粉的膳食纤维含量Table 5 Dietary fiber content of flour, whole wheat flour and aleurone layer flour

2.2.2 烷基间苯二酚

烷基间苯二酚具有多种生物活性，大量研究表明，该物质仅存在于小麦、黑麦等麦类作物籽粒的皮层中且含量极高[19-20]。因此，国内外食品行业常将烷基间苯二酚作为摄食全麦食品的特殊生物标记[13]。LS/T 3244—2015《全麦粉》中将烷基间苯二酚作为一个限量指标和一种判别标记物，规定其含量(以干基计)≥200 μg/g。

测定面粉、全麦粉和糊粉层粉的烷基间苯二酚含量，结果见表6。糊粉层粉的烷基间苯二酚含量为1 417.77～1 719.48 μg/g，约为同一批次小麦生产的面粉、全麦粉样品的160～230倍和4～6倍，表明旋风涡流剪切分离技术生产的小麦糊粉层粉富含生物活性物质，具有较高的营养价值。

表6 面粉、全麦粉和糊粉层粉的烷基间苯二酚含量Table 6 Alkyl resorcinol content of flour, whole wheat flour and aleurone layer flour

2.2.3 铁

铁是人体必需微量元素之一，是体内血红素和铁硫基团的成分与原料，参与体内氧的运送和组织呼吸过程，维持正常的造血功能。缺铁性贫血是世界卫生组织确认的四大营养缺乏症之一。以 18 岁以上成年男性为例，推荐摄入量为27.5 mg/d，实际摄入量均值为21.4 mg/d，缺铁人群的平均铁摄入量不足6.5 mg/d[21-22]。

如表7所示，面粉中铁含量很低，仅为6.69～8.76 mg/kg，全麦粉的铁含量为39.73～56.78 mg/kg，而糊粉层粉的铁含量高达224.33～387.46 mg/kg。因此，铁含量可以作为糊粉层粉的标志物，有可能成为糊粉层粉复配面粉的限制性指标。

表7 面粉、全麦粉和糊粉层粉的铁含量Table 7 Iron content of flour, whole wheat flour and aleurone layer flour

2.3 安全性指标对比

食品安全直接影响人体健康，受到消费者的广泛关注。已报道的糊粉层粉相关研究主要聚焦于其营养价值。本研究发现糊粉层粉的灰分含量较高，而铅、砷、镉、铬等影响食品安全的化学元素常存在于灰分物质中。为了解旋风涡流剪切分离技术生产小麦糊粉层粉食用品质的安全性，结合食品安全国家标准，重点研究产品中的铅、砷、镉、铬等重金属含量。

2.3.1 铬

铬(Cr)广泛存在于土壤等环境中，是人体必需的微量元素，但摄入过多会对人体产生危害[23-24]。GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》中规定，谷物碾磨加工品中铬的限量≤1.0 mg/kg。测定面粉、全麦粉和糊粉层粉样品中的铬含量，结果见图1。所有糊粉层粉的铬含量显著高于同一批次小麦生产的面粉和全麦粉，其中2个工厂采集麸皮制备的糊粉层粉样品中铬含量超过1.0 mg/kg，其余3个糊粉层粉样品中的铬含量也接近1.0 mg/kg。因此，糊粉层粉直接用于制作食品具有铬超标的风险，需要和普通面粉进行复配使用，且需要控制糊粉层粉的添加比例。

图1 面粉、全麦粉和糊粉层粉的铬含量Fig.1 Chromium content of flour, whole wheat flour and aleurone layer flour

2.3.2 砷

2017年，世界卫生组织国际癌症研究机构将砷和无机砷化合物列在一类致癌物清单中[25]。小麦籽粒的不同部位砷含量也不相同，魏文忠等[26]对小麦籽粒中砷的分布进行研究，发现小麦中砷的浓度大小为胚>种皮>胚乳。GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》中规定，谷物碾磨加工品(大米、糙米除外)中砷的限量≤0.5 mg/kg。测定面粉、全麦粉和糊粉层粉的砷含量，结果见图2。糊粉层粉中砷含量远高于面粉和全麦粉，表明砷元素在小麦糊粉层部位具有富集特点。然而，本次制备所有糊粉层粉样品中的砷含量均明显低于国家标准规定的限量值，全部符合食品安全国家标准。

图2 面粉、全麦粉和糊粉层粉的砷含量Fig.2 Arsenic content of flour, whole wheat flour and aleurone layer flour

2.3.3 镉

镉对动物具有强毒性，一旦进入土壤，难以彻底清除，并极易被植物吸收，在植株内累积，危害人类和农作物[27]。我国谷类作物中，稻谷受到镉污染的现象较为严重[28]。GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》中规定，谷物碾磨加工品中镉的限量≤0.1 mg/kg。从图3可以看出，不同批次小麦制备的面粉、全麦粉和糊粉层粉样品中镉含量变化规律具有一致性，即面粉样品中镉含量较高，对应的全麦粉和糊粉层粉镉含量也较高。对比同一批次小麦制备的样品，镉含量为糊粉层粉>全麦粉>面粉。XX糊粉层粉镉含量最高，为0.08 mg/kg，也符合食品安全国家标准的限量要求，表明本次所有采集的面粉、全麦粉样品和制备的糊粉层粉样品中镉含量具有安全性。

图3 面粉、全麦粉和糊粉层粉的镉含量Fig.3 Cadmium content of flour, whole wheat flour and aleurone layer flour

2.3.4 铅

铅是一种广泛存在于自然界的人体非必需元素，进入人体会对多个系统造成损伤[29]。GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》中规定，谷物碾磨加工品中铅的限量≤0.2 mg/kg。从图4可以看出，糊粉层粉中铅含量远高于面粉和全麦粉，且BX、XX、DM采集麸皮制备的糊粉层粉中铅含量均超过0.2 mg/kg，表明单一利用糊粉层粉制作食品存在铅超标的风险。

图4 面粉、全麦粉和糊粉层粉的铅含量Fig.4 Lead content of flour, whole wheat flour and aleurone layer flour

3 结论

以5个不同面粉加工厂的小麦麸皮为原料，利用旋风涡流剪切分离技术大量生产糊粉层粉，以同一批小麦生产的面粉和全麦粉为对照，分别从理化指标、营养价值和安全性等方面进行对比研究。稳定储藏方面，小麦糊粉层粉的水分含量与面粉、全麦粉基本接近，有利于纯糊粉层粉产品的储藏，而糊粉层粉的脂肪酸值明显高于面粉和全麦粉，采用塑封袋密封包装并在室温条件下储存3个月后，其脂肪酸值进一步升高，但感官评价无明显的酸败味道。营养价值方面，小麦糊粉层粉具有膳食纤维、铁元素和烷基间苯二酚等营养组分含量丰富的特点，在面制食品工业生产方面具有替代全麦粉的潜在应用价值。食品安全方面，小麦糊粉层粉具有灰分含量高，铬、砷、铅和镉等元素含量偏高或者超标的现象，表明糊粉层粉不宜直接进行食品制作。

本研究表明旋风涡流剪切分离技术用于大规模生产糊粉层粉具有良好的应用前景，有助于推动小麦糊粉层粉产量的提升，对促进富含糊粉层粉食品的开发具有重要意义。然而，本研究仅提出糊粉层粉适宜与普通面粉进行复配应用，对复配比例以及复配粉的理化特性和在面制食品中的适用性尚未进行研究，这将是后续的主要研究内容。