小麥麩皮超高壓處理條件優化及其微觀結構觀察

李夢琴 王 躍 趙 楊 徐艷艷 周洪祿

（1.河南農業大學食品科學技術學院，河南 鄭州 450002；2.河南化工職業學院化學工程系，河南 鄭州 450002）

小麥麩皮超高壓處理條件優化及其微觀結構觀察

李夢琴1王 躍1趙 楊2徐艷艷1周洪祿1

（1.河南農業大學食品科學技術學院，河南 鄭州 450002；2.河南化工職業學院化學工程系，河南 鄭州 450002）

采用響應曲面中的Box－Behnken模式，對超高壓改性小麥麩皮的條件進行優化。以超高壓處理壓力﹑時間﹑料液比為因素，以小麥麩皮的持水力﹑膨脹力﹑可溶性膳食纖維的含量為響應值，進行響應曲面設計，建立持水性﹑膨脹性﹑可溶性膳食纖維含量的回歸模型，優化工藝參數。結果表明，最佳處理條件為處理壓力400MPa，時間20min，料水比17∶100（m∶V），該條件下小麥麩皮的持水力﹑膨脹力﹑可溶性膳食纖維含量分別為3.08g／g，1.49mL／g，3.12%。經超高處理的小麥麩皮樣品結構更加疏松，顆粒體積膨大，表面孔隙﹑層狀結構增多，其性能明顯改善。

小麥麩皮；UHP處理；響應曲面法優化；SEM結構觀察

小麥麩皮是面粉加工的主要副產品，年產2 000萬t左右。小麥麩皮中富含營養成分，膳食纖維含量高，其主要含有蛋白質12%～18%、脂肪3%～5%﹑淀粉10%～15%﹑無機鹽4%～6%﹑膳食纖維35%～50%［1］。膳食纖維按其溶解性主要分為可溶性膳食纖維（SDF）和不可溶性膳食纖維（IDF）。IDF主要作用于腸道產生機械蠕動作用，而SDF則更多的發揮代謝功能，因此膳食纖維中SDF含量是影響膳食纖維生理功能的重要因素。采用不同的方法對膳食纖維進行改性，使其SDF含量提高，具有更高的持水性、膨脹力和更強的吸附作用等成為研究的熱點［2，3］。

采用超高壓技術產生極高的靜壓，可以改變食品物料細胞的形態，破壞氫鍵之類弱結合鍵，使食品物料基本物性變異，出現淀粉糊化﹑蛋白質凝固及酶的失活等［4－8］。本試驗采用超高壓改性技術，通過響應曲面法優化超高壓改性小麥麩皮的條件，開發高活性的小麥麩皮膳食纖維，不僅可以提高小麥麩皮的應用價值，也為食品工業提供了一種優質膳食纖維產品。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

小麥麩皮：鄭州金苑面粉廠；

α－淀粉酶：酶活≥4 000U／g，上海滬峰生物科技有限公司；

糖化酶：酶活10萬U／g，上海滬峰生物科技有限公司；

木瓜蛋白酶：酶活≥50萬U／g，北京索萊寶科技有限公司；

磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、氫氧化鈉、丙酮、乙醇、鹽酸、碘等：均為分析純試劑；

超高壓設備：UHP900X2－Z，鄭州輕工業學院定制；

掃描電子顯微鏡：JSM－6490LV，日本電子株式會社；

離心機：TDL－5－A臺式，上海安亭科學儀器廠；

粉碎機：FDV氣引式，上海羅技機械設備有限公司。

1.2 方法

1.2.1 樣品的制備 將小麥麩皮以不同料水比浸潤，常溫下放置2h，真空包裝，然后分別在不同壓力條件下處理不同時間，干燥粉碎，備用。

1.2.2 小麥麩皮持水力測定 取未經處理的樣品和經不同改性條件處理的樣品各1g于100mL燒杯中，加入50mL蒸餾水，電磁攪拌30min，3 000r／min離心20min，除去上層水分后，稱重殘留物。按式（1）計算持水力：

1.2.3 小麥麩皮膨脹力測定 取未經處理的樣品和經不同改性條件處理的樣品各1g，加入帶有刻度的玻璃試管中記錄體積，加入10mL蒸餾水，震蕩均勻后，室溫下靜置24h，記錄濕基體積，按式（2）計算膨脹力［9，10］：

1.2.4 小麥麩皮SDF含量的測定 采用酶—重量法［11］。

1.2.5 響應曲面試驗設計 采用Box－Behnken方法，以超高壓處理壓力、處理時間、料液比為因素，分別以x1、x2、x3表示，并以＋1，0，－1表示自變量的高中低水平，按式（3）對自變量進行編碼，根據預試驗確定自變量的范圍，試驗因素編碼及水平見表1。

式中：

Xi——自變量編碼值；xi—— 自變量真實值；

x0——試驗中心點處自變量真實值；

△x——自變量的變化步長。

表1 試驗設計因素編碼和水平Table 1 Code and level of factors for the Response Surface experimental design

1.3 數據處理

響應曲面試驗的設計和分析用Design－Expert軟件，作圖用Excel軟件。

2 結果與分析

2.1 響應曲面試驗結果分析

利用Design Expert 6.0.5軟件，通過表2中試驗數據進行多元回歸擬合，獲得小麥麩皮持水力（WHC）﹑膨脹力（SC）﹑可溶性膳食纖維（SDF）含量對自變量處理壓力﹑料液比﹑處理時間的二次多項回歸方程，如下：

表2 響應曲面試驗安排與試驗分析Table 2 Test arrangements and analysis of Response surface experiment

2.2 回歸模型方差分析和各因素交互作用分析

由表3可知，本試驗所選用的二次多項模型（式（4））具有較顯著性（P＝0.034 1＜0.05），失擬項不顯著（P＝0.914 8＞0.05），其決定系數R2＝0.688 0，表明模型擬合度較好，可以用該模型對小麥麩皮持水力進行分析和預測。料水比對持水力影響是顯著的，壓力和時間影響不顯著。

X1、X2與X3之間的交互作用對持水力的影響見圖1和圖2。由圖1可知，料水比一定時，隨著壓力和時間的增大，小麥麩皮的持水力逐漸降低，在壓力300～350MPa﹑10～12.5min的范圍內，持水力值較大。由圖2可知，壓力一定時，隨著時間的增大，持水力變化趨勢不明顯。隨料液比的增大，持水力呈緩慢降低的趨勢。

表3 持水力二次多項模型方差分析表Table 3 Quadratic model varianc analysis of water holding capacity

圖1 壓力和時間對持水力影響的三維圖Figure 1 3Dgraph of the effects of pressure and time on WHC

由表4可知，本試驗所選用的二次多項模型（式（5））具有顯著性（P＝0.010 5＜0.05），失擬項不顯著（P＝0.479 4＞0.05），其決定系數R2＝0.894 6，表明模型擬合度較好，可以用該模型對小麥麩皮持水力進行分析和預測。一次項X1﹑X2極顯著，X3不顯著，交互項X1X2﹑X1X3﹑X2X3都不顯著，二次項﹑不顯著，極顯著。

圖2 料液比和時間對持水力影響的三維圖Figure 2 3Dgraph of the effects of time and ratio of solid to liquid on WHC

表4 膨脹力二次多項模型方差分析表Table 4 Quadratic model varianc analysis of swelling capacity

X2與X1﹑X3之間的交互作用對膨脹力的影響見圖3和圖4。由圖3可知，時間一定時，膨脹力值隨壓力的增大呈不斷增大的趨勢，在400MPa的壓力下，值最大。膨脹力隨著料水比的增大，變化趨勢不明顯。由圖4可知，壓力一定時，隨著時間的延長，膨脹力值呈先增大后降低的趨勢，在15min附近范圍內，值最大。

圖3 壓力和料水比對膨脹力影響的三維圖Figure 3 3Dgraph of the effects of pressure and ratio of solid to liquid on SC

圖4 料液比和時間對膨脹力影響的三維圖Figure 4 3Dgraph of the effects of time and ratio of solid to liquid on SC

由表5可知，本試驗所選用的二次多項模型（式（6））具有顯著性（P＝0.048 4＜0.05），失擬項不顯著（P＝0.373 5＞0.05），其決定系數R2＝0.827 4，表明模型擬合度較好，可以用該模型對小麥麩皮SDF含量進行分析和預測。一次項X1﹑X3不顯著，X2顯著，交互項都不顯著，二次項﹑不顯著，極顯著。

X2與X1﹑X3之間的交互作用對SDF含量的影響見圖5和圖6。由圖5可知，料水比一定時，隨著壓力和時間的增大，SDF含量呈逐漸降低的趨勢。由圖6可知，壓力一定時，隨著料水比的增大，SDF含量呈先增大后降低的趨勢，在1∶5～3∶10（m∶V）的范圍內，SDF含量值最大，SDF含量隨時間的變化趨勢不明顯。

表5 SDF百分含量二次多項模型方差分析表Table 5 Quadratic model varianc analysis of SDF content

圖5 壓力和時間對SDF含量影響的三維圖Figure 5 3Dgraph of the effects of pressure and time on SDF content

2.3 工藝條件的優化及驗證實驗

利用Design－Expert軟件，對3個回歸方程聯合求解，同時獲得超高壓處理后小麥麩皮的持水力（WHC）、膨脹力（SC）、可溶性膳食纖維（SDF）含量的最大值，分別為3.06g／g，1.52mL／g，3.04%，此時超高壓處理壓力為400MPa，時間19.73min，料水比17∶100（m∶V）。 采取上述最優條件進行驗證實驗，同時考慮到實際操作情況，將超高壓處理時間修正為20min，料水比為17∶100（m∶V），壓力為400MPa，在此條件下測得持水力（WHC）﹑膨脹力（SC）﹑可溶性膳食纖維（SDF）含量分別為3.08g／g，1.49mL／g，3.12%。

圖6 料液比和時間對SDF含量影響的三維圖Figure 6 3Dgraph of the effects of time and ratio of solid to liquid on SDFcontent

2.4 樣品掃描電子顯微鏡（SEM）觀察

將原料麩皮和經過優化工藝處理的麩皮分別在不同放大倍數的掃描電子顯微鏡下觀察，其結果見圖7和圖8。

圖7 處理前后小麥麩皮微粒結構SEM圖（放大500倍）Figure 7 SEM graph of particle structure of wheat bran before and after treatment（×500）

圖8 處理前后小麥麩皮微粒結構SEM圖（放大3 000倍）Figure 8 SEM graph of particle structure of wheat bran before and after treatment（×3 000）

由圖7可知，未經處理樣品微粒多呈圓球狀，表面光滑，經超高壓處理后的樣品微粒呈現不規則形狀，表面孔隙較多，微粒體積膨大。由圖8可知，未經處理樣品微粒表面光滑，經超高壓處理后的樣品微粒表面出現較多的片層狀結構。這與處理后小麥麩皮微粒的膨脹和表面出現片層﹑多孔結構與改性后小麥麩皮持水力﹑膨脹力增加的情況完全符合。

3 結論

本試驗利用Design Expert軟件，采用響應曲面法建立了超高壓處理后小麥麩皮持水力（WHC）﹑膨脹力（SC）﹑可溶性膳食纖維（SDF）含量的數學模型，同時利用模型優化了超高壓處理條件，最優條件為處理壓力400MPa，時間20min，料水比17∶100（m∶V），此時小麥麩皮各項指標最佳。經過掃描電鏡觀察處理后的小麥麩皮樣品，與處理后小麥麩皮性質的改善完全吻合。

將超高壓技術應用于小麥麩皮改性處理，是一個純物理操作過程，小麥麩皮經過超高壓處理，其性質得到了較大的改善。將小麥麩皮作為一個整體進行試驗，既可避免其中膳食纖維繁瑣的提取過程，又可最大限度保留小麥麩皮豐富的營養物質，若添加到食品中，還可為人類提供一種安全健康的高膳食纖維食品。

1 萬萍，尹莉.小麥麩皮膳食纖維提取工藝研究［J］.成都大學學報，2008，27（2）：92～95.

2 鄭曉杰，牟德華.膳食纖維改性的研究進展［J］.食品工程，2009（3）：5～8.

3 朱國君，趙國華.膳食纖維的改性研究進展［J］.糧食與油脂，2008（4）：40～42.

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5 張英，白杰，張海峰，等.超高壓技術在食品加工的應用與研究進展［J］.保鮮與加工，2008（5）：18～21.

6 邱偉芬，江漢湖.食品超高壓殺菌技術及其研究進展［J］.食品科學，2001，22（5）：81～84.

7 勵建榮，蔣家羚.高壓技術在食品工業中的應用研究［J］.食品與發酵工業，1997，23（6）：79～81.

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9 李鳳.UHP處理對小麥膳食纖維的改性研究［J］.食品科學，2007，28（9）：96～97.

10 劉偉，劉成梅，黎冬明，等.瞬時高壓作用對麥麩膳食纖維改性的研究［J］.食品科學，2006（11）：82～85.

11 楊曉麗，楊月欣.食品中總的﹑不溶性及可溶性膳食纖維的酶—重量測定法［J］.衛生研究，2001，30（6）：377～378.

Optimization on treatment by ultra－high－pressure to wheat bran and its microstructure observation with SEM

LI Meng－qin1WANG Yue1ZHAO Yang2XU Yan－yan1ZHOU Hong－lu1

（1.Food Science and Technology College of Henan Agricultural University，Zhengzhou，Henan450002，China；2.Department of Chemical Engineering of Henan Vocational College，Zhengzhou，Henan450042，China）

The effects of different treated pressure，time and ratios of solid to liquid on the water holding capacity，welling capacity and the soluble dietary fiber content of wheat bran were optimized with response surface methodology and the regression prediction models of the holding water capacity，swelling capacity，soluble dietary fiber content were established.The optimum process were the UHP pressure 400MPa，processing time 20min，ratio of solid to liquid 17∶100（m∶V），the response values were 3.08g／g，1.49mL／g，3.12%respectively.The treated wheat bran and the raw material were observed with SEM and showed that the particles of treated material were inflated and the surface of which were multihole and flake－like.

wheat bran；UHP treatment；RSM optimization；SEM structure analysis

10.3969／j.issn.1003－5788.2011.04.003

農業部綠色農業公益項目（編號：2007－05）

李夢琴（1965－），女，河南農業大學副教授。E－mail：LMQfood＠163.com

2011－04－15