蒸汽爆破对麦麸功能特性及美拉德反应程度的影响

王丹凤　祝梓淳　高珊　钟宇

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纖维，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，也證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。

3结论

汽爆对麦麸功能特性及美拉德反应程度的影响结果表明，汽爆后麦麸中可溶性膳食纤维含量增加，麦麸DPPH自由基清除率（%）、ABTS自由基清除率（μmol TE/g麦麸）较未处理组均呈现升高趋势，体外抗氧化能力随汽爆压力增大而升高，随着汽爆压力的增大，麦麸游离型酚酸含量显著上升，表明汽爆处理能够有效改善麦麸功能特性。汽爆后麦麸褐变度、5-HMF含量度随汽爆压力、保压时间增大而增大，说明美拉德反应程度随汽爆条件增强加深。中间产物糠氨酸含量总体呈现先增大后减小的趋势，表明汽爆处理能够降低美拉德反应中间产物含量。同时，通过综合分析，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。参考文献

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Effects of Steam Explosion Treatment on Functional Properties and

The Degree of Maillard Reaction of Wheat BranWANG Dan-feng1， ZHU Zi-chun1， GAO Shan1， ZHONG Yu1，2

（1School of Agriculture and Biology， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China;

2Sichuan Research Institute，Shanghai Jiao Tong University ，Chengdu 610213， China）Abstract：Objective To explore the effect of steam explosion treatment on the functional properties and the degree of Maillard reaction in wheat bran. Method Steam pressure and holding time were selected as two parameters including different pressures （0.75， 1.00， 1.25， 1.50 MPa） and different holding times （105， 120， 135， 150 s） formed 16 sets of experiments. The content of soluble dietary fiber and free phenolic acid in wheat bran， DPPH， and ABTS free radical scavenging rates of wheat bran， the browning degree， furosine and 5-hydroxymethylfurfural contents in wheat bran before and after treatment were analyzed. Then， the indexes were normalized by AHP， CRITIC， and AHP-CRITIC mixed weighting methods to optimize the process parameters. Result Wheat bran's soluble dietary fiber content increased after a steam explosion， the in vitro antioxidant capacity and the free phenolic acid content of steam-exploded wheat bran increased with the steam explosion pressure. Meanwhile， the changes in the degree of browning， furoline and 5-hydroxymethylfurfural contents indicated that steam explosion enhanced or promoted the degree of Maillard reaction. Conclusion The steam pressure of 1.50 MPa and the holding time of 135 s were the optimal process parameters. Taken together， the results demonstrate that the optimized steam explosion treatment could effectively improve the functional properties of wheat bran and reduce the content of Maillard reaction intermediates， which has a favorable application prospect.

Keywords：steam explosion; wheat bran; functional property; Maillard reaction; process optimization