麦麸及麦麸膳食纤维常规粉碎和超微粉碎物化特性比较

施建斌，隋勇，蔡沙，何建军，熊添，范传会，陈学玲，王少华，蔡芳，梅新

（湖北省农业科学院农产品加工与核农技术研究所，湖北武汉 430064）

小麦是我国第二大粮食作物，据FAO统计2018年我国小麦产量约1.31亿t，其中超过75%用于面粉加工。麦麸（wheat bran，WB）是小麦加工面粉过程中的主要副产物，约占小麦籽粒的20%，据此估算我国麦麸年产量约2600万t。麦麸主要由含有大量纤维的皮层组织和胚乳、麦胚组成，是膳食纤维的重要来源，其中膳食纤维含量约占45%，此外还含有大约40%的淀粉和蛋白[1]。麦麸膳食纤维主要由聚阿拉伯糖木糖（52%～70%）、纤维素（20%～24%）和β-(1,3)-(1,4)葡聚糖（约6%）组成[2]。膳食纤维（dietary fiber，DF）的概念自20世纪50年代提出后，前人对不同来源膳食纤维的制备工艺、物化特性、营养特性等方面进行了系统研究[3,4]。现在已明确膳食纤维具有多种生理功效，可有效防止便秘、降低肥胖及肠道癌症发病率、降低血清胆固醇、调节血糖和血脂、促进肠道益生菌生长[5-11]。

在前人研究中，依据麦麸中淀粉及蛋白质去除手段，可将麦麸膳食纤维制作工艺概括为物理法、化学法、生物酶法等几种，然而，因受到工艺繁复、成本高、效益低以及废液量大等问题困扰，严重阻碍了麦麸膳食纤维规模化生产，更影响到麦麸膳食纤维作为食品资源在食品工业中的推广和应用。近年来，随着人们生活水平提高和消费观念改变，全谷物食品越来越受到人们青睐，麦麸富含淀粉、蛋白质、膳食纤维等多种营养成分，可作为全谷物食品制作原料用于食品工业中，这也成为目前麦麸综合利用的一个主流方向。麦麸中膳食纤维含量较高，极大影响了麦麸及麦麸膳食纤维为主要原料的食品体系物化特性；其生产的产品口感粗糙，难以被消费者接受。超微粉碎可极大程度降低原料粒径，改变原料吸水性、比表面积、孔隙率等特性，进而改善产品口感。目前，有关超微粉碎对麦麸膳食纤维水合特性和吸附特性的影响研究较多，而比较普通粉碎和超微粉碎下麦麸及麦麸膳食纤维水合特性、吸附特性差异的研究尚未见报道。本研究拟采用普通粉碎和超微粉碎两种不同粉碎方式对麦麸及麦麸膳食纤维进行处理，比较不同粒度麦麸及麦麸膳食纤维特性差异，为麦麸及麦麸膳食纤维食品化利用及产品开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验原料

麦麸由湖北省潜江同光面粉有限责任公司提供；麦麸膳食纤维自制：麦麸粉碎后过40目筛，在一定料液比和pH条件下，先后经高温α-淀粉酶、中性蛋白酶酶解，去除酶解液，残渣经干燥即为麦麸膳食纤维；鸡蛋、花生油、猪油市售；其余试剂均为分析纯。

麦麸经普通粉碎、超微粉碎后分别过80目、400目筛，得样品分别记为WB1和WB2，粒径D[3,2]分别为135.78 μm和25.32 μm；麦麸膳食纤维经普通粉碎、超微粉碎后分别过80目、400目筛，得样品分别记为DF1和DF2，粒径D[3,2]分别为145.56 μm和24.35 μm。

经测定麦麸中膳食纤维、淀粉和蛋白质含量分别为：45.22、16.95、16.55（g/100 g，DW）；麦麸膳食纤维中膳食纤维、淀粉和蛋白质含量分别为：86.49、0.61、4.93（g/100 g，DW）。

1.2 主要仪器设备

万能粉碎机，FW-100，天津泰斯特仪器有限公司；气流型超微粉碎机，TLFS100，昆山天龙粉碎设备有限公司；紫外分光光度计，UV-2800，尤尼柯（上海）仪器有限公司；黏度计，DV2T，美国博勒飞；Winner 3003动态颗粒图像分析仪：济南微纳颗粒技术有限公司；其它常规实验室设备。

1.3 方法

1.3.1 超微粉碎操作

将麦麸和膳食纤维干燥水至分小于 8%，以 12 kg/h的进料速度加入气流粉碎机中，工作压力为 0.7 MPa，通气量为3 m3/min，收集粉碎后的样品并过400目筛网。

1.3.2 粒径测定

取样品分散在无水乙醇中，置于粒度仪中超声分散3 min，记录不同样品表面积平均粒径（μm），表面积平均粒径记为D[3,2]。

1.3.3 持水性

取一定量样品W1（g），按1:10（m/V）比例加入蒸馏水，室温下搅拌混匀30 min，2500 r/min离心20 min，弃上清液，沉淀称重W2（g），样品持水性（WHC）计算公式如下：

1.3.4 持油性

将定量滤纸置于花生油中浸泡20 min，取出悬挂30 min至无油滴出，恒重后称重W1（g）；称取0.2 g样品W（g），用定量已吸油恒重的滤纸包裹并在花生油浸泡20 min，取出悬挂3 h至恒重，称取质量为W2（g），样品持油性计算公式如下：

1.3.5 吸水膨胀性

取一定量样品 W（g）于刻度试管中，记录体积V1（mL），后按 1:10（m/V）比例加入蒸馏水，充分混匀后于室温下放置24 h，记录体积V2（mL），样品吸水膨胀性（SWC）计算公式如下：

1.3.6 黏度测定

取一定量样品，分别配制成浓度为2%、5%、10%、15%（m/V）的样品悬浊液，30 ℃下续搅拌1 h，采用旋转型黏度计30 ℃下测定黏度。

1.3.7 阳离子交换能力

麦麸及麦麸膳食纤维阳离子交换能力参照陆世广[12]的方法并做少许修改。取一定量样品，按1:10（m/V）比例加入0.1 mol/L的HCl溶液，混匀后于37 ℃下静置48 h，后于4000 r/min下离心15 min，弃上清液，以去离子水清洗沉淀至清洗液中不含氯离子，沉淀真空干燥后备用。准确称取0.25 g上述沉淀，与100 mL 5%（m/V）的氯化钠溶液混合，并搅拌均匀，以0.01 mol/L的NaOH溶液滴定，每消耗0.2 mL NaOH溶液记录1次样品悬浮液的pH值，制作pH值随NaOH溶液消耗量的变化曲线。在混合和滴定过程中，始终通过水浴保持待测样品混合液温度于 37 ℃，并不停搅拌。

1.3.8 胆固醇吸附能力

采用Bragado等的方法并做少许修改测定麦麸及麦麸膳食纤维胆固醇吸附能力（CAC）[13]。取市售鲜鸡蛋蛋黄，加入9倍体积蒸馏水充分搅打成乳液，采用邻苯二甲醛法测定乳液中胆固醇总量（标准曲线：Y=1.773X+0.101，R=0.9931），记为 P1。取一定量麦麸及麦麸膳食纤维样品W（g），按固液比1:20（m/V）加入上述稀释后蛋黄液，充分搅拌，分别调节pH值至2和7，室温振荡2 h，4000 r/min离心20 min，取上清液，稀释10倍后，再次测定上清液中胆固醇总量，记为P2，样品CAC计算公式为：

1.3.9 油脂吸附能力

参照郭增旺的方法测定样品对油脂的吸附能力[14]。取一定量的样品 W1（g），按一定质量体积百分比分别与花生油、猪油混合，充分搅拌后于 37 ℃放置2 h，5000 r/min下离心15 min，弃上层油脂，沉淀用滤纸吸去游离油脂并称重 W2（g），样品不饱和脂肪和饱和脂肪吸附能力计算公式如下：

1.3.10 胆酸钠吸附能力

采用糠醛比色法测定样品对胆酸钠的吸附能力[13]。以吸光值为纵坐标，以胆酸钠含量为横坐标，制得标准曲线为：Y=6.622X+0.0356（R=0.9995）。

取一定量胆酸钠W1（g），分别配置100 mL浓度为2 mg/mL、3 mg/mL的胆酸钠NaCl（0.15 mol/L）溶液，调节pH至7。取一定量样品W2（g）与上述不同浓度胆酸钠NaCl溶液混合，于37 ℃下水浴震荡2 h后于4000 r/min下离心20 min，测定上清液中胆酸钠含量 W3（g），样品对胆酸钠吸附能力计算公式如下：

1.3.11 葡萄糖吸附能力

参照Ou等[15]的方法测定麦麸及麦麸膳食纤维葡萄糖吸附能力（GAC）。取一定量样品W（g）分别与20 mL初始浓度为5、10、50、100 mmol/L（C0）葡萄糖混合，37 ℃下水浴搅拌6 h后于4000 r/min下离心20 min，采用DNS法测定上清液中葡萄糖浓度C1（mmol/L），样品GAC计算公式如下：

1.4 数据处理

所有试验重复3次，结果用x±s表示，采用origin 2018对所得数据进行处理。

2 结果与讨论

2.1 麦麸及麦麸膳食纤维的持水性、持油性和吸水膨胀性

麦麸及麦麸膳食纤维通过普通粉碎和超微粉碎后WHC、OHC、SWC如表1所示。从表可以看出，普通粉碎和超微粉碎下，麦麸膳食纤维的WHC和OHC均高于麦麸；超微粉碎处理麦麸膳食纤维WHC约为麦麸4倍、OHC约为麦麸1.9倍；普通粉碎下，麦麸膳食纤维SWC高于麦麸；而超微粉碎下，麦麸膳食纤维SWC低于麦麸。相比于普通粉碎，超微粉碎可提高麦麸的OHC和SWC，麦麸膳食纤维的WHC、OHC；超微粉碎后麦麸WHC无明显变化，麦麸膳食纤维SWC下降。超微粉碎处理后麦麸WHC、OHC、SWC分别为1.23 g/g、3.36 g/g、2.67 mL/g；麦麸膳食纤维WHC、OHC、SWC分别为4.99 g/g、6.30 g/g、2.40 mL/g。麦麸膳食纤维具有多孔网状结构，赋予其良好的WHC和OHC。超微粉碎处理后，麦麸及麦麸膳食纤维粒径减小、比表面积增大，单个颗粒与水、油接触面积增大，WHC和OHC提升。然而，超微粉碎过程中，膳食纤维网状结构被破坏导致SWC降低[16]，麦麸中淀粉、蛋白质亲水基团更多暴露出来，提升了其SWC[17]。

表1 麦麸及麦麸膳食纤维常规粉碎和超微粉碎后WHC、OHC和SWCTable 1 WHC、OHC and SWC of wheat bran and dietary fiber treated with conventional crushing and superfine grinding

2.2 麦麸及麦麸膳食纤维的黏度

图1 麦麸及麦麸膳食纤维通过常规粉碎和超微粉碎后黏度曲线Fig.1 Viscosity curve of wheat bran and dietary fiber treated with conventional crushing and superfine grinding

麦麸及麦麸膳食纤维通过常规粉碎和超微粉碎后黏度随浓度的变化曲线如图1所示。从图中可以看出，随着麦麸及麦麸膳食纤维浓度升高，普通粉碎及超微粉碎麦麸和麦麸膳食纤维黏度均呈上升趋势。在相同浓度条件下，普通粉碎麦麸膳食纤维黏度值最高；普通粉碎麦麸、超微粉碎麦麸及麦麸膳食纤维三个样品黏度值没有明显差异，黏度随浓度呈现线性增加趋势，具有牛顿立体特性。普通粉碎麦麸膳食纤维质量分数超过10%时，黏度上升幅度明显高于其他几种样品，在质量分数为 15%时黏度达到最大值，为 21.20 mPa·s，呈现胀塑性流体特性。有研究表明，样品比表面积越小、分子结构越紧密，其黏度随浓度上升幅度较小；比表面积越大、结构越疏松，其黏度随浓度上升幅度较大[18]。普通粉碎麦麸中淀粉和蛋白质含量高、结构紧密，超微粉碎麦麸及麦麸膳食纤维比表面积大但结构被破坏，故其黏度随浓度上升幅度较小；而通过普通粉碎的麦麸膳食纤维，虽然比表面积未极大增加，但是通过脱除淀粉和蛋白使其结构更加疏松，黏度随之升高。

2.3 麦麸及麦麸膳食纤维阳离子交换能力

图2 麦麸及麦麸膳食纤维通过常规粉碎和超微粉碎后阳离子交换能力Fig.2 Cation exchange capacity of wheat bran and dietary fiber treated with conventional crushing and superfine grinding

麦麸及麦麸膳食纤维中含有羧基、羟基、氨基等多种官能团，均可与阳离子尤其是有机阳离子进行可逆交换，如在人体消化道内可实现Na+与K+间的交换，吸附Na+使之随粪便排出，减少人体对Na+的吸收[19]。这一吸附阳离子过程瞬间改变了消化道内离子浓度，对消化道内pH及氧化还原电位产生了影响，呈现一种缓冲的环境[20]。阳离子交换能力与pH值成反比，pH值越大，阳离子交换能力越小，反之越大。麦麸及麦麸膳食纤维通过常规粉碎和超微粉碎后阳离子交换能力如图2所示。从图中可以看出，粉碎方式对麦麸及麦麸膳食纤维的阳离子交换能力无明显影响；相同粉碎方式下，麦麸及麦麸膳食纤维之间阳离子交换能力亦无明显差异。在未滴加NaOH时，溶液的pH值7.06～7.56；随着滴定所耗NaOH溶液体积升高，几种样品溶液pH值均呈先急剧上升后缓慢上升最终趋于稳定，滴定所耗NaOH溶液体积为2.8 mL时，样品溶液pH值趋于稳定，pH值大约为11.8。张国真等[19]研究发现，超微粉碎对麦麸阳离子交换能力无明显影响，而对超微粉碎后麦麸按粒径大小进行分级处理后发现，粒径越大、阳离子交换能力越强。李焕霞等[21]研究粒径对膳食纤维阳离子交换能力影响表明，120目时，膳食纤维阳离子交换能力达最大值。膳食纤维适度粉碎可将一些基团暴露于溶液中，提高其阳离子交换能力，而过度粉碎在暴露基团的同时也会造成结构破坏，或者由于结构上的空间位阻效应导致阳离子交换能力下降。

2.4 麦麸及麦麸膳食纤维胆固醇吸附能力

图3 麦麸及麦麸膳食纤维通过常规粉碎和超微粉碎后胆固醇吸附能力Fig.3 Cholesterol absorbing capacity of wheat bran and dietary fiber treated conventional crushing and superfine grinding

麦麸及麦麸膳食纤维通过常规粉碎和超微粉碎后对胆固醇吸附能力如图3所示。从图中可以看出，pH对麦麸及麦麸膳食纤维胆固醇吸附能力有明显的影响，麦麸及麦麸膳食纤维在pH 7条件下对胆固醇吸附能力明显高于pH 2条件下，由此推断在模拟小肠环境下麦麸及麦麸膳食纤维对胆固醇吸附能力强于在模拟胃的环境。在pH 7时，普通粉碎的麦麸胆固醇的吸附量为12.60 mg/g，而膳食纤维的吸附量为16.92 mg/g；通过粉碎后其对麦麸对胆固醇的吸附增加，而膳食纤维对胆固醇的吸附减小，分别为14.35 mg/g和11.95 mg/g。在pH为2时，普通粉碎的麦麸胆固醇的吸附量为4.58 mg/g，而膳食纤维的吸附量为6.21 mg/g；而通过超微粉碎后麦麸和膳食纤维对胆固醇吸附量下降，分别为3.27 mg/g和1.17 mg/g。有研究认为经超微粉碎处理后，膳食纤维比表面积增大、毛细血管作用更加明显，更容易形成凝胶和粘膜层，对胆固醇吸附量亦随之增加[14]，但是过度的粉碎会使其蜂窝状结构受到极大破坏，降低胆固醇的吸附。而在麦麸中含有较多的淀粉和蛋白质，通过普通粉碎和超微粉碎可以暴露不同的功能基团，进而影响其在不同pH下的对胆固醇的吸附能力。

2.5 麦麸及麦麸膳食纤维胆酸钠吸附能力

胆酸钠在肠道中快速吸收，可加快胆固醇分解，降低血清和肝脏中胆固醇含量，也防止和降低过量胆汁酸在肠道益生菌作用下产生致癌次生代谢产物[22,23]。麦麸及麦麸膳食纤维通过常规粉碎和超微粉碎后胆酸钠吸附能力如图4所示。从图中可以看出，麦麸和麦麸膳食纤维在不同胆酸钠浓度下吸附能力有明显差异。这表明麦麸和麦麸膳食纤维对胆酸钠吸附是一种动态平衡，在浓度高时有较高的吸附能力，在低浓度下吸附能力降低，进而维持脂肪的正常代谢。胆酸钠浓度为2 mg/mL时，麦麸通过超微粉碎处理后对胆酸钠的吸附能力几乎不变，而麦麸膳食纤维经超微粉碎后对胆酸钠的吸收从 8.50 mg/g增加到 14.86 mg/g；但当胆酸钠浓度为3 mg/mL时，相同处理下膳食纤维对胆酸钠的吸附高于麦麸，而且超微粉碎也可以增加麦麸和膳食纤维对胆酸钠的吸附能力，超微粉碎麦麸膳食纤维对胆酸钠的吸附量最高（46.08 mg/g）。

图4 麦麸及麦麸膳食纤维通过常规粉碎和超微粉碎后胆酸钠吸附能力Fig.4 Sodium bile acid absorbing capacity of wheat bran and dietary fiber treated with conventional crushing and superfine grinding

2.6 麦麸和麦麸膳食纤维不饱和脂肪和饱和脂肪吸附能力

麦麸及麦麸膳食纤维通过常规粉碎和超微粉碎后不饱和脂肪与饱和脂肪吸附量如图5所示。从图中可以看出，四个样品对饱和脂肪吸附量高于对不饱和脂肪吸附量。Lin等[24]研究也发现，麦麸膳食纤维对饱和脂肪吸附能力明显高于对不饱和脂肪吸附能力。这主要是因为相比饱和脂肪，不饱和脂肪内含双键结构，具有电子云空间位阻效应对其与膳食纤维吸附作用产生负面影响[25]。麦麸通过常规粉碎和超微粉碎，其对饱和脂肪及不饱和脂肪吸附量没有明显变化，其吸附量在0.9和0.4 g/g附近；而麦麸膳食纤维对饱和脂肪和不饱和脂肪吸附量均明显下降，饱和脂肪吸附量从1.56 g/g下降到0.86 g/g，而不和脂肪吸附量从1.13 g/g下降到0.51 g/g。相同粉碎方式下，普通粉碎麦麸对饱和脂肪和不饱和脂肪吸附量明显低于麦麸膳食纤维；超微粉碎麦麸与麦麸膳食纤维对饱和脂肪和不饱和脂肪吸附量没有明显差异。普通粉碎麦麸膳食纤维对饱和脂肪和不饱和脂肪吸附量均最高，分别达到 1.56 g/g、1.13 g/g。

图5 麦麸及麦麸膳食纤维通过常规粉碎和超微粉碎后脂肪吸附量Fig.5 Oil and fat absorbing capacity of wheat bran and dietary fiber treated with conventional crushing and superfine grinding

2.7 麦麸及麦麸膳食纤维葡萄糖吸附能力

图6 麦麸及麦麸膳食纤维通过常规粉碎和超微粉碎后葡萄糖吸附量Fig.6 Glucose absorbing capacity of wheat bran and dietary fiber treated with conventional crushing and superfine grinding

膳食纤维对葡萄糖的吸附可延迟或减少葡萄糖在胃肠道消化吸收，控制餐后血糖快速上升。麦麸及麦麸膳食纤维通过常规粉碎和超微粉碎后葡萄糖吸附能力如图6所示。从图中可以看出，葡萄糖浓度超过10 mmol/L时，葡萄糖浓度与麦麸及麦麸膳食纤维对葡萄糖吸附量呈明显正相关。葡萄糖浓度超过50 mmol/L时，相同粉碎处理下，麦麸对葡萄糖吸附量明显高于麦麸膳食纤维；且相比于普通粉碎，超微粉碎可明显提升麦麸及麦麸膳食纤维对葡萄糖吸附量。葡萄糖浓度为100 mmol/L时，超微粉碎麦麸对葡萄糖吸附量最大为1.57 mmol/g。Kurek等[26]研究认为，麦麸及麦麸膳食纤维对葡萄糖吸附量与其基本成分、黏度、气孔率和比表面积有极大相关性。麦麸中除了膳食纤维外，还含大量淀粉和蛋白质，其可与葡萄糖通过氢键、范德华力等方式键合，提高葡萄糖吸附量。此外，超微粉碎可增加麦麸或麦麸膳食纤维颗粒比表面积，进而提升其葡萄糖吸附能力。

3 结论

本研究比较了普通粉碎和超微粉碎麦麸及麦麸膳食纤维水合能力以及吸附能力。结果表明：相同粉碎条件下，麦麸膳食纤维具有较高WHC和OHC；而通过超微粉碎可进一步提升麦麸膳食纤维 WHC和OHC，分别为4.99 g/g和6.30 g/g。处理方式对麦麸及麦麸膳食纤维阳离子交换能力无明显影响。麦麸及麦麸膳食纤维在pH 7下对胆固醇的吸附能力明显高于pH 2；而在pH 7下，普通粉碎处理后麦麸胆固醇吸附能力低于麦麸膳食纤维，而超微粉碎处理后麦麸胆固醇吸附能力高于麦麸膳食纤维。麦麸及麦麸膳食纤维对胆酸钠的吸附是一个动态过程；胆酸钠浓度为 3 mg/mL时，相同处理下膳食纤维对胆酸钠的吸附能力高于麦麸，而且超微粉碎也可以增加麦麸和膳食纤维对胆酸钠的吸附能力，其吸附量分别为40.58 mg/g和46.08 mg/g。麦麸及麦麸膳食纤维对饱和脂肪的吸附量高于对不饱和脂肪吸附量；普通粉碎下麦麸膳食纤维对饱和脂肪和不饱和脂肪的吸附量最高，分别为1.56 g/g、1.13 g/g。高浓度（50～100 mmol/L）葡萄糖条件下，超微粉碎可明显提升麦麸及麦麸膳食纤维葡萄糖吸附量，且相同粉碎条件下，麦麸对葡萄糖吸附量高于麦麸膳食纤维。前人认为麦麸通过超微粉碎处理后麦麸WHC、OHC显著下降，而SWC和胆固醇吸收能力显著上升，阳离子交换能力不变化不明显[19]，而膳食纤维通过超微粉碎后水合和吸附特性均有明显改良作用[13]，本研究表明麦麸及麦麸膳食纤维通过常规粉碎和超微粉碎后特性呈不同的变化，因此需进一步的进行研究。