蒸汽爆破对麦麸功能特性及美拉德反应程度的影响

摘要：目的：探究蒸汽爆破（汽爆）对麦麸功能特性及美拉德反应程度的影响。方法：选取蒸汽压力和保压时间2个参数，分别选取不同压力（0.75、1.00、1.25、1.50 MPa）和不同保压时间（105、120、135、150 s）配对组成了16组试验，考察了汽爆处理前后麦麸可溶性膳食纤维含量、游离型酚酸含量、DPPH自由基清除率、ABTS自由基清除率、褐变度、糠氨酸含量和5-羟甲基糠醛含量的变化，采用AHP法、CRITIC法和AHP-CRITIC混合加权法对指标进行归一化处理以优化工艺参数。结果：汽爆后麦麸中可溶性膳食纤维含量增加，麦麸体外抗氧化能力、游离型酚酸含量随汽爆压力增大而升高。褐变度、糠氨酸含量和5-羟甲基糠醛含量的变化表明随汽爆条件增强，美拉德反应程度加深。结论：汽爆处理能够有效改善麦麸功能特性，降缓美拉德反应中间产物糠氨酸的产生，并且蒸汽压力1.50 MPa、保压时间135 s可作为一个较优的工艺条件用于汽爆对麦麸的加工处理。

关键词：蒸汽爆破；麦麸；功能特性；美拉德反应；工艺优化麦麸是小麦加工过程中的主要副产物，来源广泛且成本低廉，麦麸占小麦加工后副产物的1/5左右，含丰富的膳食纤维、维生素、矿物质、蛋白质和人体必需氨基酸[1]。然而麦麸口感粗糙、难以消化，有相当含量的活性物质被纤维结构束缚，限制了其在食品领域的应用[2-3]，亟需适宜的加工处理方式以发挥其潜在营养价值。汽爆是一种强效物理改性方法，其原理为通过高温（160～240 ℃）高压（0.7～4.8 MPa）蒸汽软化和水解物料，再经瞬间卸压使细胞孔隙间的高压蒸汽膨胀产生撕裂作用，能够瞬时软化降解木质素，破坏原有纤维结构以达到改性效果[4-5]。近年来，不断有研究人员探索利用汽爆对麦麸膳食纤维进行改性。LIU等[6]分析了汽爆对麦麸酚酸组成及其抗氧化活性的影响，发现2.5 MPa、30 s汽爆处理，麦麸中酚酸含量和抗氧化活性均较优。王磊等[7]利用汽爆改性麦麸膳食纤维，结果显示改性后膳食纤维的理化特性有所升高、对自由基清除能力有所增强。何晓琴等[8]对汽爆后苦荞麸皮膳食纤维进行分析，指出汽爆预处理有助于提高苦荞麸皮可溶性膳食纤维含量、改善其理化结构特性。

目前，汽爆改性麦麸的研究主要集中在纤维素释放、改善理化特性或增强抗氧化性方面，然而汽爆引起的美拉德反应产物的安全性同样值得探讨，且目前鲜见相关报道。以伴生物5-羟甲基糠醛（5-HMF）为例，含量较低时具有抗氧化和抗肿瘤等药理作用，但含量超过限值后具有基因毒性和潜在的遗传毒性[9-10]，半致死剂量为大鼠口服3 100 mg/kg mb[11]。基于上述原因，在分析汽爆处理前后麦麸功能特性变化的同时，着重探讨了美拉德反应程度随汽爆条件的改变。同时，基于功能及安全性指标优选了汽爆工艺，以期为进一步提高麦麸加工利用提供必要的数据及理论支持。

1材料与方法

1.1材料与试剂

麦麸，丰益（上海）生物技术研发中心有限公司；热稳定α-淀粉酶（40 000 U /g）、碱性蛋白酶（200 U/mg），上海源叶生物科技有限公司；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，西格玛奥德里奇贸易有限公司。

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；Multiskan Go酶标仪，美国赛默飞世尔科技公司；LabScan XE色度仪，HunterLab公司；Acquity UPLC/FLR/ SQD2超高效液相色谱-四极杆质谱仪、Acquity UPLC H-class / Xevo TQ-XS二维超高效液相色谱-三重四极杆质谱联用仪，美国沃特世（Waters）公司。

1.3方法

1.3.1汽爆处理的方法称取200 g麦麸置于汽爆缸内，之后通入高温饱和蒸汽，当缸内压力达到预设值时开始计时，保持一定时间后泄压并回收物料。将回收得到的麦麸置于60 ℃下热风干燥24 h（物料厚度1 cm），粉碎过60目筛后备用。

1.3.2功能性组分含量可溶性膳食纤维（SDF）依据国标GB 5009.88—2014进行含量测定；游离型酚酸含量采用福林酚法进行测定。

1.3.3抗氧化活性测定取5 g麦麸于250 mL 80%乙醇溶液中，900 W超声辅助提取30 min后10 000 r/min离心收集上清液，即为提取液。（1） DPPH自由基清除能力测定：参考杜小燕等[12]的方法。（2）ABTS自由基清除能力测定：参考WANG等[13]的方法。

1.3.4美拉德反应程度测定

（1）褐变度测定：取各处理组1 g麦麸加入20 mL去离子水，涡旋混匀后900 W超声处理10 min，再次涡旋，10 000 r/min下离心10 min，取上清液在420 nm处测定吸光度，未做任何处理的麦麸做相同处理，作为空白对照，褐变程度以处理组扣除空白对照后的吸光值表示。

（2） 色差测定：使用LabScan XE型色度计对汽爆后麦麸粉进行色度测定，分别得到L*、a*、b*值，总色差△E计算公式为式（1）：

（3） 糠氨酸含量测定：参考Delgado-Andrade等[14]的方法。

（4） 5-HMF含量测定：参考Delgado-Andrade等[14]的方法。

1.4数据处理

各试验均重复3次，结果以平均值±标准差表示。采用Origin 2017绘图、SPSSAU数据科学分析平台确定正交试验指标的权重系数、IBM SPSS 24对实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汽爆处理对麦麸活性物质SDF和游离型酚酸释放的影响由图1可知，汽爆麦麸的SDF含量均高于未汽爆麦麸，最高达18.08%，与对照相比提高了60%，表明汽爆对麦麸SDF的释放具有显著促进作用，与YAN等[15]的实验结果相似，这可能得益于汽爆对细胞壁的破坏作用。同时，因汽爆的极端条件能够造成半纤维素的降解、纤维素糖苷键的破坏以及木质素的软化。且随汽爆压力和时间的增加，膳食纤维结构变得疏松，原本与其结合的物质发生解聚，大分子多糖降解，这均能促使部分不溶性膳食纤维（IDF）转化为SDF[16]，改善麦麸的消化性及功能特性。此外，汽爆后麦麸游离型酚酸含量均显著提升，当处理压力为1.5 MPa、保压时间135 s时，游离型酚酸含量达6 706.02 μg/g麦麸，提升了近48倍，结果与LIU[17]结果相似。汽爆压力和保压时间均对游离型酚酸含量有明显促进作用，这主要归因于汽爆能够降解半纤维素与木质素，有利于释放原本束缚于纤维结构之间的阿魏酸等酚酸[15]。

2.2汽爆处理对麦麸体外抗氧化能力的影响

由图2可知，与常规麦麸相比，低汽爆压力处理下的麦麸体外抗氧化能力下降，或与具有抗氧化活性的活性肽变性[18]相关，孔峰[19]也指出汽爆处理比常规蒸汽对蛋白质变性更加有效。同时，汽爆麦麸体外抗氧化能力随汽爆压力增大而升高，汽爆压力为0.75 MPa时，DPPH自由基清除率（%）、ABTS自由基清除率（μmol TE/g麦麸）最高值分别为14.22、4.91，而当汽爆压力升高到1.50 MPa时，DPPH自由基清除率（%）、ABTS自由基清除率（μmol TE/g麦麸）最高值分别为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麦麸）升高了近2倍。

2.3汽爆处理对麦麸美拉德反应程度的影响

汽爆处理后麦麸的美拉德反应程度可由其色差△E、褐变度、5-HMF、糠氨酸含量来衡量。由图3可知，汽爆麦麸总色差△E随汽爆压力和保压时间增大而增大，变化趋势与秦晓洁等[20]的研究相符。汽爆对麦麸色泽影响普遍表现为亮度降低，红度和黄度增大，麦麸粉末由淡黄色转为褐色。麦麸初始亮度值L为68.81，随汽爆压力和保压时间的增大，L值逐渐减小，在汽爆压力为1.50 MPa、保压时间120 s时达到最低值40.25；红度值a初始值为5.98，随汽爆压力和保压时间的增大，a值逐渐增大，保压时间150 s时达到最高值10.35；黄度值b初始值为19.62，随汽爆压力和保压时间的增大，a值逐渐增大，保压时间150 s时达到最高值24.67。这是由于麦麸在汽爆过程中发生了美拉德反应，生成了黄色的糠醛、褐色的类黑精与其他显色可溶物。类黑精是由美拉德反应产物经过环化、脱水、重排、异构化等复杂反应生成的聚合产物和有色终产物[21]，在420 nm处有最大吸光度，可用此值表征褐变程度[14]。由图3可知，汽爆麦麸褐变度随汽爆压力、保压时间增大而增大，亦表明美拉德反应程度也随之加深。汽爆压力达到1.25 MPa时褐变度显著升高，提示该压力可能是麦麸美拉德反应程度变化的一个关键点。图3蒸汽压力和保压时间对麦麸美拉德反应程度的影响

糠氨酸是美拉德反应第一个稳定的中间产物[22]。LI等[23]毒理学研究表明，糠氨酸具有肝肾毒性，赵男[24]的试验得出糠氨酸对小鼠的半致死浓度（LD50）为1.6 g/kg。汽爆后麦麸糠氨酸处于89.96 ～336.25 mg/kg麦麸范围内，在蒸汽压力较低时，总体随保压时间增大而增大；而1.25 MPa之后糠氨酸含量随保压时间的增大而减小，推测美拉德反应程度加深促使糠氨酸降解生成后续产物如5-HMF等。5-HMF由美拉德反应程度加深导致的糠氨酸降解反应或焦糖化反应生成[21]，是美拉德反应中级和高级阶段的指标[14]。5-HMF具有抗氧化和抗肿瘤等活性，但研究也指出其具有肾毒性和潜在的遗传毒性[25]。汽爆麦麸中5-HMF含量处于2.06 ～ 489.72 mg/kg麦麸范围内，其含量与汽爆强度高度相关，也证明了美拉德反应程度随汽爆强度递增而加深，且参照我国药典对蜂蜜及某些含蜂蜜制剂对5-HMF限度控制的规定，目前的汽爆条件，5-HMF含量尚可控制在安全范围内，如果汽爆强度再增大，可能会产生潜在的安全隐患。

2.4汽爆处理最优工艺参数确定

2.4.1指标权重系数建立使用SPSSAU软件进行指标权重计算，通过CRITIC法对指标进行客观权重赋权[26]，对色差、褐变度、糠氨酸含量以及5-HMF含量取倒数后，对所有实验数据归一化处理，使用SPSSAU软件进行指标权重计算。使用AHP-CRITIC混合加权法将主客观相结合得到综合权重系数ω，计算方法如式（2）：

2.4.2最优工艺参数确定分别采用AHP法、CRITIC法和AHP-CRITIC混合加权法配置8个指标的权重。根据优先矩阵设置，使用SPSSAU进行AHP、CRITIC权重系数计算，得出权重系数（表1）。其中，CI值表示随机一致性比率，RI为平均随机一致性指标，二者比值为CR值，CR值小于0.1即通过检验。CRITIC法指标变异性采用标准差进行衡量，标准差越大则权重越大；指标冲突性则用指标之间的相关系数衡量，相关系数越大则权重越小[27]。利用式（2）计算得出AHP-CRITIC混合加权法的综合权重依次为9.89%、9.52%、9.50%、9.15%、6.88%、7.82%、24.13%、23.11%。采用上述3种方法得到的权重系数对实验结果8个指标数据归一化后进行综合评价，表2结果表明，3种方法具有一致性，以15组表现最优，即：蒸汽压力1.50 MPa、保压时间135 s。由表3可得，蒸汽压力对于各指标影响最大，综合考虑生产成本、绿色环保等因素，确定麦麸的最佳生产工艺组合为A4B3，即：蒸汽压力1.50 MPa、保压时间135 s。