過熱蒸汽處理對赤霉病小麥麩皮中脫氧雪腐鐮刀菌烯醇降解效果研究

劉海波，李萌萌，關二旗，劉遠曉，卞科

(河南工業大學 糧油食品學院，河南 鄭州，450000)

我國是小麥種植、消費大國，據國家統計局數據顯示，2019年我國小麥種植面積2 373萬hm2，年產量1.3億t。麩皮是小麥加工的主要副產物之一，產量約占小麥加工量的20%左右，每年產量高達3 200萬t以上[1]。小麥麩皮中蛋白質含量約為12%～18%，且清蛋白、球蛋白、麥醇溶蛋白、麥谷蛋白分布較為均勻[2]，是一種物美價廉的植物蛋白質提取原料；小麥麩皮中還富含膳食纖維，常添加于保健食品中；此外，小麥麩皮中豐富的纖維素、半纖維素是制備低聚糖的優質資源。但是，由于小麥麩皮中酶活性、微生物含量較高，容易引起食品品質劣變，且口感粗糙、適口性差，長久以來主要被用于制作飼料，多數沒有進行深加工和再利用，綜合利用率不足20%[3]。隨著社會的發展，消費者對健康飲食的需求日益增長，小麥麩皮因其豐富的膳食纖維、礦物質、維生素、酚類化合物等營養活性物質，以及可控制血糖指數[4]，降低癌癥[5]、心血管疾病[6]的發病風險等功能越來越受到消費者的關注。

消費者在關注食品營養的同時也應該注重食品安全問題，食品安全始終是食品加工領域的熱點問題。對于消費者而言，食品安全不僅要從表觀判斷，更要關注食品中是否含有肉眼無法判別的有害成分，脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(deoxynivalenol，DON)是小麥中常見的一種有害物質。DON又名嘔吐毒素，以能夠引起豬的嘔吐而得名，是谷物中最常見的單端孢霉烯族毒素。DON污染谷物類食品的概率很高，如果使用含有DON的小麥、玉米等谷物作為食品加工原材料，可能會導致DON留存在食品內，危害人體健康。人或動物攝入DON后會出現腹痛腹瀉、食欲不振、甚至拒食、血性腹瀉和內毒素血癥等[7-8]。DON已被國際癌癥研究機構(International Agency for Research on Cancer，IARC)列為三類致癌物之一，我國國家標準中規定的谷物及其制品中DON含量最高限量為1 000 μg/kg。

有研究表明，赤霉病小麥籽粒中的 DON 大部分集中在麩皮中，這極大限制了麩皮在食品加工、飼料制備和活性成分提取中的應用。目前對小麥及其制品中DON削減的方法主要分為3種：物理、化學和生物削減法。物理分級是降低小麥中DON含量最直接有效的方法。使用色選機和比重分選機，通過調節儀器參數可以將DON含量較高的赤霉病粒與正常小麥分離，達到降低小麥中DON含量的目的[9]。化學法是利用DON在酸、堿、氧化劑等作用下轉化成無毒物質對DON進行削減。邵慧麗[10]采用臭氧對污染了DON的小麥進行處理，粗麩、細麩中DON含量均顯著下降。生物法根據微生物種類、作用機制不同可以分為生物吸附法、生物降解法等。梁含等[11]通過組合從土壤、淤泥、動物糞便中篩選出的菌種對DON進行降解，降解率最高可達71%。雖然這些方法都取得了一定的成果，但物理分選只能實現嘔吐毒素的重新分配，并不能將其降解；化學法反應較為復雜，可能會破壞糧食的營養價值以及帶來二次污染；生物法對反應條件要求較為苛刻，且成本較高，在實際應用中具有一定的局限性。過熱蒸汽是對飽和蒸汽進行再加熱而產生的，具有熱效率利用率高[12]、節能環保[13]、安全性高等特點，近年來在食品干燥[14]、滅酶殺菌[15-16]、毒素削減[17]中得到了一定應用。本文以3種DON含量不同的小麥麩皮作為實驗原料，通過調節過熱蒸汽溫度、處理時間、蒸汽流速和麩皮水分含量來研究過熱蒸汽處理對DON降解率的影響，旨在為麥麩及其制品中嘔吐毒素的削減提供新的理論依據和參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

DON 標準品(純度≥ 99%)，西格瑪奧德里奇 (上海)貿易有限公司；甲醇(色譜級)，美國 Fisher 科技有限公司；實驗用超純水，使用美國Millipore公司生產的超純水系統在實驗室制備，樣品分組如表1所示。

表1 試驗材料Table 1 Experimental materials

1.2 儀器與設備

過熱蒸汽處理裝置，實驗室自制(圖1)；SBEQ-CC15002 CNW嘔吐毒素免疫親和柱、DC-12型氮吹儀，上海安譜實驗科技股份有限公司；e2695 高效液相色譜儀，美國 Waters科技有限公司。樣品分組如表1所示。

1-蒸汽發生器；2-加熱器；3-溫控器；4-干燥室；5-離心風機； 6-壓力表；7、8、9-溫度表；10-測風口圖1 過熱蒸汽干燥試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of superheated steam device

1.3 實驗方法

1.3.1 麥麩水分含量的測定

參照GB 5009.3—2016 《食品安全國家標準 食品中水分的測定》中直接干燥法測定小麥麩皮中水分含量。

1.3.2 過熱蒸汽處理

使用河南工業大學谷物加工理論與技術實驗室自制的過熱蒸汽處理系統對麥麩進行處理。如圖1所示，首先開啟蒸汽發生器為后續處理儲備蒸汽。打開加熱器、離心風機開關并設置所需蒸汽溫度、蒸汽流速，待溫度表8、9讀數達到設置溫度且溫差<±5 ℃時通入蒸汽，保持壓力表6壓力為0.1 MPa。準確稱取60 g小麥麩皮平鋪于100目篩網上，使料層厚度<1 cm。將篩網放入樣品室后開始計時，處理完成后自然冷卻至室溫，置于4 ℃保存備用。

1.3.3 DON標準溶液的制備

將1 mg DON標準品溶于10 mL乙腈溶液中，制得質量濃度為100 μg/mL的DON標準儲備液，于4 ℃ 儲存備用。使用前先將標準儲備液恢復至室溫，然后取0.5 mL標準儲備液氮氣吹干，使用流動相稀釋為0.1、0.2、0.5、1、2、5、10 μg/mL的DON標準工作液，經0.45 μm有機濾膜過濾后，4 ℃避光保存備用。

1.3.4 DON的提取和凈化

提取：參照GB 5009.111—2016《食品安全國家標準 食品中脫氧雪腐鐮刀菌烯醇及其乙酰化衍生物的測定》中第二法免疫親和層析凈化高效液相色譜法的方法并稍作優化。稱取粉碎并通過30目篩的麩皮樣品 25 g(準確到0.1 g)于250 mL 具塞三角瓶中，加入 5 g 聚乙二醇，加100 mL水混勻，置于振蕩器上振蕩 20 min，靜置5 min。提取液用Whatman 1.5 μm玻璃纖維濾紙過濾，收集濾液于離心管中，在10 000 r/min下離心5 min。

凈化：使用特異性免疫親和柱凈化DON。吸取1 mL 離心后的上清液通過免疫親和柱，樣液流盡后吸取10 mL水以1滴/s的流速沖洗免疫親和柱直至空氣進入。然后加入1 mL色譜級甲醇緩慢洗脫，流速為2秒每滴。全部收集洗脫液于50 ℃下氮氣吹干。使用1 mL流動相[V(甲醇)∶V(水)=20∶80]溶解DON，過0.45 μm有機濾膜備用。

1.3.5 DON含量的檢測

使用配備紫外檢測器的高效液相色譜檢測DON含量。流動相V(甲醇)∶V(水)=20∶80；色譜柱Waters C18反相色譜柱(4.6 mm×250 mm，5 μm)；柱溫35 ℃；流速0.8 mL/min；進樣量10 μL；檢測方法為紫外檢測；檢測波長218 nm。

1.4 數據統計與分析

采用Excel 2016、SPSS 20和Origin 2018進行數據統計、顯著性分析(P<0.05)、圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 DON標準曲線的繪制

以峰面積為縱坐標，根據不同質量濃度的DON溶液繪制DON標準曲線(圖2)。DON的質量濃度和峰面積具有良好的線性關系，標準曲線方程為Y=12 500x+33.8(R2=0.999 8)，相對標準偏差為1.36%，表明該檢測方法在 DON 質量濃度為 0.1～10 μg/mL 具有良好線性關系且所得標準曲線可以對麩皮中的DON準確定量。

圖2 DON標準曲線Fig.2 Schematic diagram of superheated steam device

2.2 蒸汽溫度對DON降解率的影響

控制處理時間為6 min、蒸汽流速為3 m/s，麩皮水分含量為10%，探究蒸汽溫度對DON降解率的影響。隨著蒸汽溫度的升高，3種樣品H、M、L 中DON含量均顯著降低(圖3)。溫度設置為180～220 ℃時，樣品H的降解率最高可達35.10%，顯著高于樣品M、L的最高降解率21.18%。這表明在一定的溫度范圍內，過熱蒸汽處理對DON含量較高的麩皮降解效果要優于DON含量較低的麩皮。提升蒸汽溫度至260 ℃，DON降解率繼續升高，樣品H降解率最高為67%，樣品M、L降解率均達70%以上。這表明高溫蒸汽對DON含量不同的麩皮均具有良好的降解效果。由于DON的結構十分穩定[18]，因而溫度的高低對降解率有顯著的影響。有研究顯示121 ℃高壓下處理25 min，DON僅有少量被降解[19]。而將溫度提升至125～250 ℃時，水相中的DON純品降解率可達16%～100%[20]。隨著溫度的升高，DON結構的穩定性降低，化學結構被破壞，降解率顯著升高[21]。但是170 ℃以上高溫處理削減麩皮中DON含量的同時也會對麩皮品質造成負面的影響，最直觀的體現是高溫下麩皮中的淀粉和蛋白質發生美拉德反應，麩皮顏色加深，并生成不良風味。因此，應結合麩皮品質的變化選擇合適的過熱蒸汽溫度對麩皮進行處理。

圖3 蒸汽溫度對降解效果的影響Fig.3 Effect of steam temperature on degradation efficiency

2.3 處理時間對DON降解率的影響

控制蒸汽溫度為240 ℃、蒸汽流速為3 m/s、麩皮水分含量為10%，探究處理時間對DON降解率的影響。由圖4可知，處理時間對過熱蒸汽降解DON的效果具有顯著影響，H、M、L這3種小麥麩皮中DON降解率隨著處理時間的延長而升高。處理時間為10 min時，樣品L的DON降解率為80.55%，樣品H、S的DON降解率均達到90 %以上。以上數據表明，延長過熱蒸汽處理時間能夠顯著提升過熱蒸汽對麩皮中DON的降解效果。延長過熱蒸汽處理時間有助于熱量充分傳遞給物料，熱是DON被破壞降解的主要因素[22]。但處理時間達到8 min以上時，麩皮顏色明顯發暗，由麥黃色變為棕黑色，具有焦糊味，這表明高溫長時間處理嚴重破壞麩皮的使用價值。

圖4 處理時間對降解效果的影響Fig.4 Effect of treatment time on degradation efficiency

2.4 蒸汽流速對DON降解率的影響

控制蒸汽溫度為240 ℃、處理時間為6 min、麩皮水分含量為10 %，探究蒸汽流速對DON降解率的影響,結果如圖5所示。當蒸汽流速在1～5 m/s時，提升蒸汽流速后，3種樣品H、M、L中DON含量均顯著降低。蒸汽流速為5 m/s時，樣品H、M中DON降解率均達到最高值，分別為61.39%、56.72%。而樣品L在蒸汽流速為4 m/s時的DON降解率達到最高值59.13%，提高蒸汽流速至5 m/s時，DON降解率下降至56.04%，但二者間并無顯著差異。這表明，對于樣品L繼續提高蒸汽流速無法顯著改善DON降解率。在蒸汽溫度、處理時間、水分含量相同的條件下，高蒸汽流速帶來了更多熱量，有助于過熱蒸汽和麩皮間快速換熱，將更多熱量傳遞給麩皮。同時過熱蒸汽在系統中快速循環，加速了水蒸氣向外排放，降低了過熱蒸汽含水量，過熱蒸汽與麩皮間濕度差增大，傳熱系數隨之增大[23]。更多的熱量由蒸汽傳遞至麩皮中，這顯著提高了DON的降解率。

圖5 蒸汽流速對降解效果的影響Fig.5 Effect of steam velocity on degradation efficiency

2.5 麩皮水分含量對DON降解率的影響

控制蒸汽溫度為240 ℃，處理時間為6 min，蒸汽流速為3 m/s，麩皮水分含量對DON降解率的影響如圖6所示。對于樣品H、M，隨著麩皮水分含量的增加，DON降解率顯著降低。麩皮水分含量為22%時，樣品H的DON降解率較水分含量19%時顯著升高。這可能是因為DON易溶于水，麩皮中水分含量較高時，一部分DON會隨著水分的快速散發過程得到削減[19]。對于樣品L，麩皮水分含量為10%、13%時，降解率無顯著差異。麩皮水分含量>16%時，降解率較10%、13%時顯著降低，但樣品間無顯著差異。這表明水分含量升高會抑制麩皮中DON的降解，且DON含量低的麩皮受水分影響更大。處理初始階段，蒸汽與物料間溫差較大，蒸汽遇冷會先在物料表面凝結一部分水，造成物料含水量短暫升高。處理過程中物料內部與外界環境蒸汽壓差較大，水分易蒸發，因此水分脫除速率較大。麩皮初始水分含量越高，物料內部自由水越多，所需要蒸發的水分就越多，而水分的脫除過程需要吸收大量熱量[24]，造成水分含量高的麩皮升溫速率顯著低于水分含量低的麩皮。隨著處理進行，麩皮水分含量不斷降低，過熱蒸汽提供的熱量大于水分蒸發消耗的熱量并將多余熱量傳遞到麩皮中，麩皮溫度不斷升高。因此在相同的時間段內，水分含量低的麩皮升溫速率要高于水分含量高的麩皮，并最先升至蒸汽溫度。

圖6 水分含量對降解效果的影響Fig.6 Effect of water content on degradation efficiency

3 結論

本研究通過調節蒸汽溫度、蒸汽流速、處理時間和麩皮水分含量，探究了過熱蒸汽處理對麩皮中DON的降解效果。結果表明，蒸汽溫度、蒸汽流速、處理時間和麩皮水分含量均對DON的降解率具有顯著影響，其中提高蒸汽溫度、蒸汽流速，延長處理時間后，H、M、L樣品中 DON的降解率均顯著升高。這是因為在過熱蒸汽處理過程中，熱效應是導致DON降解的主要因素，提高蒸汽溫度、延長處理時間和增加蒸汽流速均有助于將更多的熱量傳遞至麩皮。但是，隨著麩皮水分含量的增加，DON降解率則顯著降低，這是由于水分的脫除需要吸收大量熱，水分含量低的麩皮升溫速率較高且最先達到蒸汽溫度，這對DON的降解具有顯著影響。樣品H在蒸汽溫度為240 ℃、處理時間為10 min、蒸汽流速為3 m/s、麩皮水分含量為10%時，DON降解率達到最高值 91.12%。經計算，最高可將DON含量為11.26 mg/kg的赤霉病小麥麩皮中DON含量降低至國家標準限定含量范圍內。高溫長時間處理雖然能提高DON降解率，但會導致麩皮品質劣變嚴重。因此，在未來的研究中應結合過熱蒸汽處理對麩皮品質的影響進一步探索更適宜的處理條件。