济麦系列品种（系）全麦粉水分吸附／解吸曲线的研究

摘要：本试验采用动态水分吸附测定仪，在温度为15-35℃、平衡相对湿度（ERH）为10％-90％范围内测定8个济麦系列品种（系）全麦粉的水分吸附／解吸等温线，结果它们均显示为S型曲线，解吸与吸附曲线之间存在滞后现象，以品种济麦20的滞后环最大。对供试样品全麦粉等温线拟合的8个方程进行优劣排序后，确定了较佳方程MGAB、MOE、MCPE、CAE、Poly，并求出了各方程的系数；采用解吸等温线分析样品全麦粉可知，8个品种（系）的全麦粉在25℃下的相对安全水分范围为13.24％-14.42％，平均值是13.72％。济麦4227全麦粉的单分子层含水率和固体颗粒表面积均高于其他样品。该研究结果可为济麦系列品种（系）全麦粉的安全贮存、后期加工提供科学指导和技术依据。

关键词：济麦系列；全麦粉；动态水分吸附／解析；平衡水分；单分子层含水率；固体颗粒表面积

中图分类号：S512.1+1 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2024）12-0129-10

纤维食品能够调节结肠的功能，是由于它们的一个能够结合水的物理特性，而微生物在基质中只能利用游离水，不能利用结合水。这种基质中水的可利用程度即水分活度，与食品品质及储藏稳定性的关系密切，常作为评价产品安全性和稳定性的重要指标之一。以食品材料中水分活度为横坐标，食品材料含水量为纵坐标，在恒定温度下绘制出的曲线称为水分吸附等温线，又称为吸湿等温线。水分吸附等温线是描述一种食品在一定的温度和压强下水分活度（在一定条件下可由平衡相对湿度ERH换算得到）与其平衡含水率（EMC）之间的关系，已经被广泛用于分析食品材料的水分结合特征，对食品材料的贮存条件、包装材料的选择等具有重要意义。

美国农业工程委员会每隔5年修订一次技术标准数据“植物来源的农产品的水分关系”（ASA-BE D245.5），这一标准收集了重要农产品及其加工品的平衡含水率／平衡相对湿度（EMC/ERH）数据和拟合方程，小麦籽粒、秸秆、麦麸和米糠、燕麦麸、大豆麸、玉米麸、玉米棒芯的EMC/ERH数据均有收录，但是缺乏全麦粉的EMC数据。Reddy等测定了稻谷生米糠和蒸煮米糠在温度为13、30、40℃和相对湿度（RH）为20％-80％范围的EMC数据。在过去10余年中，富有膳食纤维的食品材料如葡萄、苹果、茶叶、大豆、豌豆、木薯、胡椒粒及瓜尔豆的水分吸附等温线和热力学特性被大量报道。这些食材的EMC/ERH数据已被用于膳食材料的干燥、安全储藏和流通。

2010年之前，主要采用饱和盐水溶液产生平衡相对湿度的静态人工称重法测定食品平衡水分，该方法的优点是能够获得完整的S型曲线，不足之处是平衡时间长、劳动量大，而且ERH为10％以下的样品EMC值很难准确获得，ERH为85％以上的样品EMC值往往由于霉变问题只能采用估计值。近年来，水分活度仪厂家研发设计的动态水分吸附测定仪优化了氮气流方式和实验皿形状，使样品表面能够充分接触气流，达到真正的动态水蒸气吸附平衡，改善了上述技术难点。因此，本研究采用控温湿度精度高的动态水分吸附测定仪对8个济麦系列品种（系）全麦粉的EMC/ERH数据进行分析比较，以期为提高优质小麦的耐储藏和加工品质提供数据支持。

1材料与方法

1.1试验材料

供试材料为8个济麦系列品种（系）：济麦22、济麦44、济麦23、济麦4227、济麦20、济麦60、济南17和济紫麦1号，分别编号为JM1、JM2、JM3、JM4、JM5、JM6、JM7和JM8，全部由山东省农业科学院作物研究所提供，详细信息见表1。

1.2仪器设备及试剂

动态水分吸附测定仪SPS11-10u（德国普优米德有限两合公司产品）；水滴角测定仪V5[云帆（天津）仪器有限公司产品]；烘箱DHG-9070A（杭州蓝天化验仪器厂产品）；台式高速冷冻离心机3-30K（SIGMA公司产品）：分析天平MS104TS（梅特勒-托利多仪器有限公司产品）；大米外观品质检测仪JMWT12（北京东方孚德技术发展中心产品）；FW-200高速粉碎机（北京科伟永兴仪器有限公司产品），电机转速26 000 r/min。

1.3全麦粉水分吸附／解吸等温线测定

使用高速粉碎机将供试样品籽粒粉碎，采用动态水分吸附测定仪测定全麦粉的吸附和解吸等温线，每个样品每次进样约2g。等温线温度范围为15-35℃，平衡相对湿度（ERH）为10％-90％。采用去离子水调节相对湿度，高纯氮气作为保护气和样品干燥气体。根据预试验，参数设定为：称重循环间隔10 min，每个阶段小室温湿度设定时长最小为50 min，最大为50 h；省缺重量限量为+100％，平衡带宽度dm/dt为±0.01％/40min。采用的吸附和解吸等温线拟合方程见表2。

1.4水分吸附和解吸等温线数据分析

采用KaleidaGraph for Mac 4.1.3v软件对EMC/ERH试验数据作图，并采用表2中的方程对水分吸附和解吸数据进行拟合。用SPSS 17软件的非线性回归方法，经过一系列迭代步骤后，将测定值和理论值之间的残差平方和最小化。通过决定系数（R2）、残差平方和（RSS）、标准差（SE）及平均相对百分率误差（MRE）分析模型的拟合情况。R2是基本的判定标准，RSS和SE决定拟合的优劣，MRE小于10％时模型拟合度好。

1.5水分吸附／解吸速率分析

采用修正Page方程计算水分吸附、解吸速率：

1.6籽粒物理化学指标测定

使用大米外观品质测定仪JMWT12在自定义模式下扫描测得小麦全粒长平均值、全粒宽平均值，计算长宽比。每次扫描小麦籽粒500粒左右，重复3次。

全麦粉固体颗粒表面积测定按照Li等的方法进行。

1.7数据统计与分析

采用SPSS软件对数据进行统计和单因素方差分析，用Duncan's新复极差法确定差异显著性（Plt;0.05）。

2结果与分析

2.1全麦粉EMC/ERH数据分析

在15、20、25、30、35℃共5个温度和ERH10％-90％范围内，8个品种（系）全麦粉的吸附和解吸等温线均显示为S型曲线，其中JM5、JM6、JM7、JM8的如图1。EMC随着ERH的增加而增加，当ERH大于70％时，相同ERH下，EMC随着温度的升高而降低。

2.2全麦粉水分吸附／解吸拟合方程的拟合效果比较

全麦粉水分吸附／解吸等温线拟合方程的优劣排序见表3。根据残差平方和、标准差和平均百分率误差越小而决定系数越大则所选方程就较佳的原则，在M=f（ERH，T）形式下，各方程对全麦粉吸附过程拟合排序为BETgt;MGABgt;MOEgt;Po-lygt;MCPEgt;MHEgt;MHAE：对解吸过程拟合排序为MCPEgt;Polygt;BETgt;MGABgt;MHEgt;MOEgt;MHAE。在ERH=f（M，T）形式下，各方程对全麦粉吸附过程拟合排序为CAEgt;MGABgt;MOEgt;MCPEgt;MHEgt;MHAE；对解吸过程拟合排序为CAEgt;MCPEgt;MGABgt;MHEgt;MOEgt;MHAE。适合油料种子的MHAE对全麦粉等温线的拟合结果较差（MREgt;10％）。含有3个参数、互逆的MCPE、MGAB、MHE、MOE方程能较好地拟合全麦粉等温线。拟合全麦粉单分子层水吸附等温线的较佳方程为BET（ERHlt;50％）。7个参数的多项式（Poly）方程和4个参数的CAE方程也是全麦粉等温线很好的拟合方程。

BET和MCPE方程对8个品种（系）全麦粉水分吸附／解吸的拟合结果见表4。全麦粉水分吸附／解吸等温线拟合较佳方程的平均系数见表5，这些方程系数可用于描述其脱水和储藏过程中水分的物理调控。

2.3MCPE、MGAB、Poly拟合方程对全麦粉水分吸附和解吸等温线的预测

从图2看出，多项式（Poly）和MGAB方程预测的全麦粉吸附和解吸等温线的滞后环宽度大于MCPE，但是MCPE方程预测的滞后环长度最大。全麦粉4条吸附和解吸等温线的轮廓非常相似，说明这3个平衡水分方程均是拟合全麦粉水分吸着等温线的较佳模型。

2.4全麦粉的安全水分值

粮食及其加工产品储存环境的相对湿度一般在65％-70％范围内。25℃下，4个平衡水分方程通过解吸等温线预测的8个济麦系列品种（系）全麦粉的相对安全水分范围是13.23％-14.42％，平均值为13.72％（表6）。8个样品中，JM4（济麦4227）全麦粉的安全水分平均值最大，白粒小麦JM1（济麦22）的最小，紫粒小麦JM8（济紫麦1号）的也较小，进而比较两种不同种皮颜色样品（JM4、JM8）的平均吸附、解吸速率。由图3可知，它们均在60 h前后达到最大，JM4的最大吸附、解吸速率均大于JM8。

JM4（济麦4227）的籽粒水滴接触角和全麦粉安全水分值均较大，表明尽管济麦4227的籽粒表面亲水物质少，但其安全储存水分值仍较高。这可能是由于济麦4227全麦粉的单分子水层对应的固体颗粒表面积在15-35℃范围内均高于其他小麦品种（表7）。

3讨论与结论

发达国家每隔几年会对生产中推广的小麦品种进行EMC/ERH数据测定，用来指导小麦收获后的处理和贮存。目前，美国农业生物工程委员会标准数据库“植物来源的农产品的水分关系（ASABE D245.5）”仍然缺乏全麦粉的EMC数据。与小麦面粉相比，全麦粉因为麸皮中含有大量的多糖、酚酸、淀粉酶、氧化物酶、多酚氧化物酶等，以及胚芽中含有脂肪氧化酶、内源性脂肪酶和大量脂肪，具有更多的维生素、矿物质、抗氧化成分和其他营养物质。美国食品药品管理局（FDA）认为长时间摄入全麦粉可降低慢性流行病的发病率，并将全麦粉纳入居民膳食指南。然而在全麦粉的储藏和流通过程中，其含有的脂肪，酚类等营养物质极易发生水解酸败和氧化反应，生成醌类、氢过氧化物、酮、环氧醛、呋喃、内脂等物质，使食品变味、变色、变质，产生哈喇味，甚至还会影响全麦粉中淀粉的变化和面筋的形成。不耐储存、保质期较短成为制约全麦粉及其制品发展的主要因素。因此，对全麦粉水分吸附／解吸数据的测定与分析，对于提高全麦粉安全储存具有重要的指导意义。本研究结果表明，恒定温度下，8个小麦品种（系）全麦粉的平衡含水率随着平衡相对湿度的增加而增加，在恒定平衡相对湿度下，平衡含水率随温度增加而降低，这与武佳玉等的研究结果基本一致。因此，在储存过程中随着温度升高，全麦粉的相对安全水分含量（ERH=65％）也会出现一定程度的降低，若升温过程中没有对水分含量进行实时监控，可能会产生霉菌毒素污染，将对其贮藏产生一定的影响。

使用动态水分吸附测定仪测定微晶纤维素的水分吸附／解吸等温线，可呈现典型的多糖和蛋白质吸附现象，即吸附和脱附（解吸）曲线有一个明显的滞后环。本研究对8个济麦系列品种（系）全麦粉进行解吸与吸附等温线测定，分析单分子层含水率差异发现：8个济麦系列品种（系）全麦粉均显示为典型的多糖S型吸附曲线，其中济麦20的滞后环最大。由于全麦粉淀粉含量基本在58％-76％以上，Roman-Gutierrez等研究也发现，水分在小麦粉各组分间的分布是不均衡的，水分吸附过程中，淀粉是小麦粉中参与水合作用的主要成分。这从另一方面说明济麦20比其他参试材料具有较好的淀粉特性。

目前在硬粒小麦中已经有关于MOE方程系数的研究：Sun等报道了国外8个硬麦的MOE方程系数为14.489、-7.024E-02、3.034 6，Wu等报道了7个国产硬麦籽粒的MOE方程系数为10.347、-8.700E-02、3.035 12。而在全麦粉中未见相关研究。本研究通过分析得出8个济麦系列品种（系）全麦粉水分吸着较佳方程MOE的方程系数A、B、C依次为12.197、-9.050E-02、2.619。通过比较发现，与硬粒小麦MOE方程系数极其相似，这也表明MOE方程系数可用于全麦粉在储藏和加工环节的含水率调节。本研究发现，适合全麦粉的拟合方程还有BET、MCPE、MGAB、MHE、CAE及多项式（Ploy）。这些吸湿等温线的拟合模型各具特点，适用对象不一，拟合方式也是多种多样，可对全麦粉的吸湿性鉴定和评价起到重要作用。

此外，本研究发现，济麦4227全麦粉的单分子层含水率和固体颗粒表面积均高于济紫麦1号，分析原因可能是紫色小麦种皮的特异性使其与普通白皮小麦在吸湿性上产生较大差异。这也为今后彩色小麦的全麦粉研究提供了一个新的思路，可在后续研究中加大试验样本进一步验证。