加工工藝對黑小麥麩皮戊聚糖組成與理化性質的影響

孫元琳， 田玉榮， 劉 瑞， 王晨星

(1.運城學院 生命科學系/特色農產品加工山西省重點實驗室， 山西 運城 044000；2.山西省食品研究所(有限公司)， 山西 太原 030024)

黑小麥是籽粒顏色呈紫色、藍色、藍紫色和紫黑色的特色麥類作物[1]。與普通小麥相比，黑小麥中膳食纖維、酚酸、花青素、B族維生素和微量元素等生物活性物質含量更高，并因其特殊的營養價值而備受關注。黑小麥麩皮是黑小麥加工的副產物，其膳食纖維含量豐富，其中，戊聚糖是黑小麥膳食纖維的主要組成部分[2]。研究表明，戊聚糖能夠增殖有益菌、改善腸道菌群結構，對糖尿病、肥胖、心血管疾病和結腸癌等慢性疾病具有預防作用[3-4]。

戊聚糖是以β-(1→4)-糖苷鍵連接的β-D-吡喃木糖為主鏈，α-L-呋喃阿拉伯糖為側鏈，主鏈的C2、C3位被阿拉伯糖基單取代或雙取代，某些阿拉伯糖的C5位上還存在以酯鍵相連的阿魏酸[5]。戊聚糖根據溶解度可分為水溶性和水不溶性戊聚糖。水溶性戊聚糖在水中溶解度較高；水不溶性戊聚糖以共價鍵或非共價鍵形式與細胞壁中的蛋白質、纖維素及木質素等成分相互作用，形成致密的組織結構而難溶于水[6]。采用Ba(OH)2、NaOH等堿性化學試劑，通過擠壓、微波等物理機械輔助預處理方式，能夠打斷戊聚糖與細胞壁組分之間的緊密結合，促進細胞壁溶脹，使水不溶性戊聚糖向水溶性戊聚糖轉換溶出，從而提高戊聚糖得率。目前，國內對黑小麥戊聚糖的研究主要集中在單一體系戊聚糖的制備，并未綜合考慮將加工技術手段與提取方法結合處理麥麩來提高戊聚糖得率。本研究擬采用擠壓、微波- 擠壓兩種加工工藝對黑小麥麩皮進行品質改良，促進不溶性戊聚糖向可溶性戊聚糖轉化，分析不同加工工藝對戊聚糖組成和理化性質的影響，以期為改善黑小麥膳食纖維的功能特性，推動黑小麥資源的開發利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黑小麥：運黑14207。黑小麥麩皮，采用石磨工藝磨粉制麩。

木糖、阿拉伯糖、葡萄糖、三氟乙酸、反式- 阿魏酸，美國Sigma公司；所用試劑均為分析純。

1.2 主要儀器與設備

ICS1100型離子色譜儀，美國DIONEX公司；TENSOR 27型傅里葉紅外光譜儀，德國布魯克公司；LC- SPD- 20A型全自動高效液相色譜儀，日本島津公司；MCR102型流變儀，奧地利安東帕有限公司；DS32- II型雙螺桿擠壓機，濟南賽信機械有限公司；LW- 20HMV- 4X型隧道式微波干燥殺菌設備，山東立威微波設備有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1原料加工工藝

1)雙螺桿擠壓膨化工藝。取適量黑小麥麩皮備用，計算調節水分所需的用水量，并將黑小麥麩皮放入攪拌器中攪拌2 min，同時加入蒸餾水調節水分。將調節水分后的黑小麥麩皮投入雙螺桿擠壓機中進行擠壓膨化。設定擠壓膨化的條件為：水分質量分數20%，螺桿Ⅰ區溫度25 ℃，Ⅱ區溫度100 ℃，Ⅲ區溫度110 ℃，主機頻率26.4 Hz，喂料頻率10.80 Hz，旋切頻率60 Hz。

2)微波- 擠壓工藝。將黑小麥麩皮放入攪拌器中攪拌2 min，同時加入蒸餾水調節水分質量分數至20%。按微波設定，以輸出功率40 kW，加熱溫度85 ℃，傳送速度2 m/min對黑小麥麩皮進行微波熱處理。微波處理結束后，繼續加水使黑小麥麩皮中水分質量分數維持在20%，之后投入雙螺桿擠壓機中處理。

1.3.2戊聚糖提取工藝

將未處理原料和經擠壓、微波- 擠壓的黑小麥麩皮用體積分數為70%的乙醇于70 ℃下高溫熱處理2次，抽濾并晾干，樣品干燥完全后稱重備用。

1)水法提取戊聚糖。取原料、擠壓和微波- 擠壓預處理后的黑小麥麩皮各100 g，分別以1∶10(g∶mL)料液比加水混勻，40 ℃攪拌1 h，離心(3 000 r/min)20 min，收集上清液(沉淀用于后續堿提)。將上清液60 ℃旋轉蒸發濃縮，加4倍95%乙醇沉淀，4 ℃過夜，抽濾，沉淀加水，復溶，透析48 h，冷凍干燥即得未處理水溶性戊聚糖(WEAX)、擠壓水溶性戊聚糖(E- WEAX)和微波- 擠壓水溶性戊聚糖(ME- WEAX)。

2)堿法提取戊聚糖。取水提離心后沉淀，以1∶10(g∶mL)料液比加入飽和Ba(OH)2溶液，常溫攪拌2 h，離心15 min(3 000 r/min)，取上清液。沉淀再次按上述方法處理，離心，合并兩次上清液。將收集到的上清液用0.1 mol/L的HCl溶液調節pH值至5.5，靜置30 min，離心(3 000 r/min)，收集上清液。將上清液60 ℃旋轉蒸發濃縮，加4倍95%乙醇沉淀，4 ℃過夜，抽濾，沉淀加水復溶，透析48 h，冷凍干燥即得未處理水不溶性戊聚糖(WUAX)、擠壓水不溶性戊聚糖(E- WUAX)和微波- 擠壓水不溶性戊聚糖(ME- WUAX)。

1.3.3戊聚糖得率的計算

戊聚糖得率計算方法見式(1)。

(1)

式(1)中：m1為戊聚糖質量，g；m2為原料質量，g。

1.3.4多糖含量的測定

采用苯酚- 硫酸法測定多糖含量[7]。以一定比例的葡萄糖、阿拉伯糖和木糖為標準制作標準曲線。

1.3.5戊聚糖含量的測定

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

1.3.6單糖組成的測定

準確稱取戊聚糖樣品3 mg溶于2 mol/L 三氟乙酸，121 ℃水解1 h，去除過量的三氟乙酸，采用離子色譜分析單糖組成。將各戊聚糖樣品的單糖組成圖譜與標準單糖離子色譜圖的出峰時間進行比較，確定單糖的種類，根據峰面積的比值確定各單糖間的比例關系。

檢測條件：CarboPacPA20型色譜柱，柱溫30 ℃，檢測器為電化學檢測器，用10 mmol/L KOH進行等度洗脫，進樣體積25 μL，樣品與標準品進樣前用0.45 μm微孔濾膜過濾。

1.3.7阿魏酸含量的測定

阿魏酸的提取[9]：精確稱量0.3 g樣品加入24 mL 2 mol/L NaOH溶液，密封，反應過夜。加6 mol/L鹽酸溶液調節pH值至2，利用等體積乙酸乙酯溶液萃取4次，合并上清液，并在45 ℃下旋轉蒸發至干，用甲醇定容至10 mL，放冰箱保存。

液相檢測條件：色譜柱(250 mm×4.6 mm，5 μm)，流動相為乙腈(溶劑A)和1%冰乙酸(溶劑B)，流速為0.8 mL/min，柱溫為40 ℃，檢測波長為320 nm，進樣量為10 μL。所有樣品進樣前均用0.45 μm濾膜過濾。梯度洗脫程序：0～4 min流動相B的體積分數由79%降至77%；4～8 min流動相B的體積分數由77%降至60%；8～11 min流動相B的體積分數由60%降至0；11～21 min流動相B的體積分數由0升至79%。

1.3.8戊聚糖相對分子質量分布

將戊聚糖樣品加水溶解成均一溶液，采用高效色譜儀檢測戊聚糖相對分子質量。

高效液相色譜條件[10]：檢測器為示差折光檢測器，色譜柱為Ultrahydrogel TMLinear (7.8 mm×300 mm，5 μm)，流動相為0.1 mol/L NaNO3，流速0.9 mL/min，柱溫45 ℃，進樣量為20 μL。

1.3.9戊聚糖紅外光譜分析

紅外光譜掃描范圍為400～4 000 cm-1，掃描次數為32次，分辨率為2 cm-1。

1.3.10戊聚糖黏度的測定

以超純水作為溶劑，將戊聚糖樣品配制成質量分數為4%的溶液。設定測試溫度為20 ℃，剪切速率為0～300 s-1，掃描時間為60 s，掃描模式為線性掃描。測定剪切速率變化時，不同加工工藝條件下戊聚糖溶液的黏度變化。

2 結果與分析

2.1 不同加工工藝對戊聚糖得率的影響

不同加工工藝條件下戊聚糖樣品得率變化情況如圖1。從圖1中可以看出，未處理、擠壓和微波- 擠壓處理黑小麥麩皮所得水溶性戊聚糖得率分別為1.13%、2.76%和7.14%，水不溶性戊聚糖得率分別為4.63%、3.67%和4.18%。與WEAX相比，E- WEAX、ME- WEAX得率分別提高了1.44倍和5.32倍；與WUAX相比，E- WUAX、ME- WUAX得率略微下降。這是由于在擠壓和微波- 擠壓作用下，水不溶性戊聚糖發生降解，一部分水不溶性戊聚糖轉化為水溶性戊聚糖，使水溶性戊聚糖得率提高。相比未處理組戊聚糖的總得率(5.76%)，擠壓、微波- 擠壓工藝組戊聚糖總得率(6.43%、11.32%)分別是未處理組的1.12倍和1.97倍。由結果可知，黑小麥麩皮經微波- 擠壓加工處理后，戊聚糖溶出率最高，且水溶性戊聚糖含量也增加最多，優于擠壓加工工藝。

圖1 不同加工工藝處理黑小麥麩皮所得戊聚糖得率Fig.1 Yields of pentosans from black-grained wheat bran by different processing techniques

2.2 不同加工工藝對戊聚糖組成的影響

不同加工工藝條件下所得戊聚糖樣品的組成分析結果如表1。由表1可知，與未處理組WEAX相比，E- WEAX和ME- WEAX的多糖含量升高，戊聚糖含量下降。這主要是由于以水為溶劑提取得到的水溶性戊聚糖主要含有蛋白質及少量淀粉，再加上擠壓、微波- 擠壓工藝處理會破壞麩皮致密的細胞壁組織結構，促進細胞內溶物的溶出，使可溶性物質含量增加[11]，相應戊聚糖含量占比減少。與未處理組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，各水不溶性戊聚糖組分的戊聚糖純度明顯高于水溶性戊聚糖組分，表明用飽和Ba(OH)2溶液提取黑小麥麩皮戊聚糖，Ba2+可以特異性地與Ara和Xyl等戊糖結合，使戊聚糖更易溶出[12]。

表1中單糖組成結果顯示，不同戊聚糖組分均由Ara、Xyl和Glc組成，并含有少量Gal。對于水溶性戊聚糖組分，WEAX、E- WEAX、ME- WEAX的分支度(Ara/Xyl)逐步降低，分別為0.74、0.66、0.59，表明黑小麥麩皮水溶性戊聚糖經擠壓、微波- 擠壓加工工藝處理后位于分支的Ara發生了降解。WEAX、E- WEAX、ME- WEAX的Glc與Ara的摩爾比分別為1.66∶1、4.28∶1、5.49∶1，表明黑小麥麩皮隨擠壓、微波- 擠壓加工工藝處理后，戊聚糖組分中的Glc含量持續增加。GLc含量變化的主要原因是由于擠壓、微波- 擠壓加工工藝破壞了麩皮細胞壁組織中戊聚糖、β-葡聚糖等半纖維素之間的共價結合，并加劇了麩皮中纖維素的降解，使Glc含量大幅提高。

對于水不溶性戊聚糖組分，WUAX組分主要由Ara和Xyl組成，僅含有少量Glc；而E- WUAX、ME- WUAX組分中Glc的含量相比WUAX有所增加，其變化趨勢與水溶性戊聚糖組分相似。WUAX、E- WUAX、ME- WUAX的分支度(Ara/Xyl)分別為0.70、0.77、0.79，表明黑小麥麩皮經擠壓、微波- 擠壓加工處理后所得水不溶性戊聚糖的分支度逐步增加。

表1 不同加工工藝處理黑小麥麩皮所得戊聚糖的組成Tab.1 Composition of pentosans from black-grained wheat bran by different processing techniques

2.3 不同加工工藝對戊聚糖理化性質的影響

2.3.1對戊聚糖中結合態阿魏酸含量的影響

采用高效液相色譜法分析了各戊聚糖樣品中結合阿魏酸的含量，分析結果見圖2。從圖2可見，未處理、擠壓和微波- 擠壓處理黑小麥麩皮所得水溶性戊聚糖結合態阿魏酸質量分數分別為1 760.73、2 094.51、1 951.88 μg/g，水不溶性戊聚糖結合態阿魏酸質量分數分別為601.24、1 331.58、1 813.35 μg/g。經比較可以看出，3組水不溶性戊聚糖樣品中的結合態阿魏酸含量均低于水溶性戊聚糖樣品，這是由于提取水不溶性戊聚糖所用堿性溶液會破壞阿魏酸與戊聚糖的酯鍵結合，使阿魏酸游離[13]。與未處理組水不溶性戊聚糖相比，擠壓和微波- 擠壓處理所得水不溶性戊聚糖中阿魏酸的含量逐漸增加，分別提高了1.44倍和5.32倍。擠壓和微波- 擠壓處理所得戊聚糖樣品中的阿魏酸總含量均高于未處理組，且微波- 擠壓組阿魏酸的總含量(3 765.23 μg/g)高于擠壓組(3 426.09 μg/g)。

圖2 不同加工工藝處理黑小麥麩皮所得戊聚糖中 結合阿魏酸的含量Fig.2 Content of conjugated ferulic acid obtained from pentosans by different processing techniques of black-grained wheat bran

2.3.2對戊聚糖相對分子質量的影響

不同加工工藝條件下各戊聚糖組分的相對分子質量參數如表2?？梢钥闯?，WEAX由Mw為6.72×105和2.93×103的兩部分組成，峰面積所占比例為70.53%、29.47%。黑小麥麩皮經擠壓工藝處理后，E- WEAX的高Mw組分所占比例由70.53%降低到40.71%，低Mw組分比例由29.47%增加到59.29%，表明擠壓工藝處理后E- WEAX組分的Mw有所下降。黑小麥麩皮經微波- 擠壓工藝處理后，ME- WEAX組分的Mw持續下降至3.15×105，且Mw分布由雙峰變成單峰，Mw分布較集中。

未處理組水不溶性戊聚糖WUAX由Mw為8.80×105和2.41×103的兩部分組成，峰面積所占比例分別為77.72%、22.28%；E- WUAX組分Mw由3部分組成，高低Mw所占比例為54.92%和45.08%(23.74%+21.34%)，表明擠壓工藝處理使不溶性戊聚糖Mw下降。與E- WUAX(9.79×105)組分相比，ME- WUAX的Mw下降更明顯，Mw為3.17×105。本實驗結果表明，擠壓、微波- 擠壓加工處理促使高Mw戊聚糖組分中部分糖苷鍵發生斷裂，降解為低Mw組分[14-15]，且微波- 擠壓工藝促使戊聚糖Mw下降的幅度高于擠壓工藝。

表2 不同加工工藝處理黑小麥麩皮所得戊聚糖的 相對分子質量Tab.2 Mw of pentosans obtained from black-grained wheat bran by different processing techniques

2.3.3對戊聚糖紅外光譜的影響

圖3 不同加工工藝處理黑小麥麩皮所得戊聚糖的 紅外光譜Fig.3 Infrared spectra of pentosans obtained from black-grained wheat bran by different processing techniques

2.3.4不同加工工藝對戊聚糖黏度的影響

不同加工工藝處理黑小麥麩皮所得戊聚糖溶液的黏度變化情況如圖4?？梢钥闯觯嗤羟兴俾氏拢煌庸すに噷谛←溛炀厶侨芤旱酿ざ扔绊懞艽蟆D4顯示，未處理組水不溶性戊聚糖WUAX的黏度最高，經擠壓、微波- 擠壓加工處理后，E- WUAX、ME- WUAX的黏度持續下降，這是由于不同加工工藝處理使戊聚糖Mw降低，黏度隨之降低。3種水溶性戊聚糖的黏度均較低，且微波- 擠壓加工處理后ME- WEAX的黏度均低于WEAX、E- WEAX。

圖4 不同加工工藝處理黑小麥麩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 結 論

1)采用擠壓、微波- 擠壓加工工藝處理黑小麥麩皮，促使水不溶性戊聚糖降解為水溶性戊聚糖，所得戊聚糖的總得率逐步增加，分別是未處理組的1.12倍、1.97倍。

2)黑小麥麩皮戊聚糖樣品主要由Ara、Xyl、Glc和少量Gal組成。麩皮經擠壓、微波- 擠壓加工處理后，各戊聚糖樣品中Glc含量增加，且水溶性戊聚糖分支度持續降低，水不溶性戊聚糖分支度持續增加。

3)擠壓、微波- 擠壓處理使戊聚糖的Mw和黏度逐步下降，結合態阿魏酸含量增加，且微波- 擠壓組結合阿魏酸的總含量(3 765.23 μg/g)高于擠壓組(3 426.09 μg/g)。采用擠壓、微波- 擠壓加工工藝處理黑小麥麩皮，有助于提高戊聚糖得率，增加水溶性戊聚糖的含量，可以進一步改善戊聚糖的理化性質。