濟麥系列品種（系）全麥粉水分吸附／解吸曲線的研究

摘要：本試驗采用動態水分吸附測定儀，在溫度為15-35℃、平衡相對濕度（ERH）為10％-90％范圍內測定8個濟麥系列品種（系）全麥粉的水分吸附／解吸等溫線，結果它們均顯示為S型曲線，解吸與吸附曲線之間存在滯后現象，以品種濟麥20的滯后環最大。對供試樣品全麥粉等溫線擬合的8個方程進行優劣排序后，確定了較佳方程MGAB、MOE、MCPE、CAE、Poly，并求出了各方程的系數；采用解吸等溫線分析樣品全麥粉可知，8個品種（系）的全麥粉在25℃下的相對安全水分范圍為13.24％-14.42％，平均值是13.72％。濟麥4227全麥粉的單分子層含水率和固體顆粒表面積均高于其他樣品。該研究結果可為濟麥系列品種（系）全麥粉的安全貯存、后期加工提供科學指導和技術依據。

關鍵詞：濟麥系列；全麥粉；動態水分吸附／解析；平衡水分；單分子層含水率；固體顆粒表面積

中圖分類號：S512.1+1 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2024）12-0129-10

纖維食品能夠調節結腸的功能，是由于它們的一個能夠結合水的物理特性，而微生物在基質中只能利用游離水，不能利用結合水。這種基質中水的可利用程度即水分活度，與食品品質及儲藏穩定性的關系密切，常作為評價產品安全性和穩定性的重要指標之一。以食品材料中水分活度為橫坐標，食品材料含水量為縱坐標，在恒定溫度下繪制出的曲線稱為水分吸附等溫線，又稱為吸濕等溫線。水分吸附等溫線是描述一種食品在一定的溫度和壓強下水分活度（在一定條件下可由平衡相對濕度ERH換算得到）與其平衡含水率（EMC）之間的關系，已經被廣泛用于分析食品材料的水分結合特征，對食品材料的貯存條件、包裝材料的選擇等具有重要意義。

美國農業工程委員會每隔5年修訂一次技術標準數據“植物來源的農產品的水分關系”（ASA-BE D245.5），這一標準收集了重要農產品及其加工品的平衡含水率／平衡相對濕度（EMC/ERH）數據和擬合方程，小麥籽粒、秸稈、麥麩和米糠、燕麥麩、大豆麩、玉米麩、玉米棒芯的EMC/ERH數據均有收錄，但是缺乏全麥粉的EMC數據。Reddy等測定了稻谷生米糠和蒸煮米糠在溫度為13、30、40℃和相對濕度（RH）為20％-80％范圍的EMC數據。在過去10余年中，富有膳食纖維的食品材料如葡萄、蘋果、茶葉、大豆、豌豆、木薯、胡椒粒及瓜爾豆的水分吸附等溫線和熱力學特性被大量報道。這些食材的EMC/ERH數據已被用于膳食材料的干燥、安全儲藏和流通。

2010年之前，主要采用飽和鹽水溶液產生平衡相對濕度的靜態人工稱重法測定食品平衡水分，該方法的優點是能夠獲得完整的S型曲線，不足之處是平衡時間長、勞動量大，而且ERH為10％以下的樣品EMC值很難準確獲得，ERH為85％以上的樣品EMC值往往由于霉變問題只能采用估計值。近年來，水分活度儀廠家研發設計的動態水分吸附測定儀優化了氮氣流方式和實驗皿形狀，使樣品表面能夠充分接觸氣流，達到真正的動態水蒸氣吸附平衡，改善了上述技術難點。因此，本研究采用控溫濕度精度高的動態水分吸附測定儀對8個濟麥系列品種（系）全麥粉的EMC/ERH數據進行分析比較，以期為提高優質小麥的耐儲藏和加工品質提供數據支持。

1材料與方法

1.1試驗材料

供試材料為8個濟麥系列品種（系）：濟麥22、濟麥44、濟麥23、濟麥4227、濟麥20、濟麥60、濟南17和濟紫麥1號，分別編號為JM1、JM2、JM3、JM4、JM5、JM6、JM7和JM8，全部由山東省農業科學院作物研究所提供，詳細信息見表1。

1.2儀器設備及試劑

動態水分吸附測定儀SPS11-10u（德國普優米德有限兩合公司產品）；水滴角測定儀V5[云帆（天津）儀器有限公司產品]；烘箱DHG-9070A（杭州藍天化驗儀器廠產品）；臺式高速冷凍離心機3-30K（SIGMA公司產品）：分析天平MS104TS（梅特勒-托利多儀器有限公司產品）；大米外觀品質檢測儀JMWT12（北京東方孚德技術發展中心產品）；FW-200高速粉碎機（北京科偉永興儀器有限公司產品），電機轉速26 000 r/min。

1.3全麥粉水分吸附／解吸等溫線測定

使用高速粉碎機將供試樣品籽粒粉碎，采用動態水分吸附測定儀測定全麥粉的吸附和解吸等溫線，每個樣品每次進樣約2g。等溫線溫度范圍為15-35℃，平衡相對濕度（ERH）為10％-90％。采用去離子水調節相對濕度，高純氮氣作為保護氣和樣品干燥氣體。根據預試驗，參數設定為：稱重循環間隔10 min，每個階段小室溫濕度設定時長最小為50 min，最大為50 h；省缺重量限量為+100％，平衡帶寬度dm/dt為±0.01％/40min。采用的吸附和解吸等溫線擬合方程見表2。

1.4水分吸附和解吸等溫線數據分析

采用KaleidaGraph for Mac 4.1.3v軟件對EMC/ERH試驗數據作圖，并采用表2中的方程對水分吸附和解吸數據進行擬合。用SPSS 17軟件的非線性回歸方法，經過一系列迭代步驟后，將測定值和理論值之間的殘差平方和最小化。通過決定系數（R2）、殘差平方和（RSS）、標準差（SE）及平均相對百分率誤差（MRE）分析模型的擬合情況。R2是基本的判定標準，RSS和SE決定擬合的優劣，MRE小于10％時模型擬合度好。

1.5水分吸附／解吸速率分析

采用修正Page方程計算水分吸附、解吸速率：

1.6籽粒物理化學指標測定

使用大米外觀品質測定儀JMWT12在自定義模式下掃描測得小麥全粒長平均值、全粒寬平均值，計算長寬比。每次掃描小麥籽粒500粒左右，重復3次。

全麥粉固體顆粒表面積測定按照Li等的方法進行。

1.7數據統計與分析

采用SPSS軟件對數據進行統計和單因素方差分析，用Duncan's新復極差法確定差異顯著性（Plt;0.05）。

2結果與分析

2.1全麥粉EMC/ERH數據分析

在15、20、25、30、35℃共5個溫度和ERH10％-90％范圍內，8個品種（系）全麥粉的吸附和解吸等溫線均顯示為S型曲線，其中JM5、JM6、JM7、JM8的如圖1。EMC隨著ERH的增加而增加，當ERH大于70％時，相同ERH下，EMC隨著溫度的升高而降低。

2.2全麥粉水分吸附／解吸擬合方程的擬合效果比較

全麥粉水分吸附／解吸等溫線擬合方程的優劣排序見表3。根據殘差平方和、標準差和平均百分率誤差越小而決定系數越大則所選方程就較佳的原則，在M=f（ERH，T）形式下，各方程對全麥粉吸附過程擬合排序為BETgt;MGABgt;MOEgt;Po-lygt;MCPEgt;MHEgt;MHAE：對解吸過程擬合排序為MCPEgt;Polygt;BETgt;MGABgt;MHEgt;MOEgt;MHAE。在ERH=f（M，T）形式下，各方程對全麥粉吸附過程擬合排序為CAEgt;MGABgt;MOEgt;MCPEgt;MHEgt;MHAE；對解吸過程擬合排序為CAEgt;MCPEgt;MGABgt;MHEgt;MOEgt;MHAE。適合油料種子的MHAE對全麥粉等溫線的擬合結果較差（MREgt;10％）。含有3個參數、互逆的MCPE、MGAB、MHE、MOE方程能較好地擬合全麥粉等溫線。擬合全麥粉單分子層水吸附等溫線的較佳方程為BET（ERHlt;50％）。7個參數的多項式（Poly）方程和4個參數的CAE方程也是全麥粉等溫線很好的擬合方程。

BET和MCPE方程對8個品種（系）全麥粉水分吸附／解吸的擬合結果見表4。全麥粉水分吸附／解吸等溫線擬合較佳方程的平均系數見表5，這些方程系數可用于描述其脫水和儲藏過程中水分的物理調控。

2.3MCPE、MGAB、Poly擬合方程對全麥粉水分吸附和解吸等溫線的預測

從圖2看出，多項式（Poly）和MGAB方程預測的全麥粉吸附和解吸等溫線的滯后環寬度大于MCPE，但是MCPE方程預測的滯后環長度最大。全麥粉4條吸附和解吸等溫線的輪廓非常相似，說明這3個平衡水分方程均是擬合全麥粉水分吸著等溫線的較佳模型。

2.4全麥粉的安全水分值

糧食及其加工產品儲存環境的相對濕度一般在65％-70％范圍內。25℃下，4個平衡水分方程通過解吸等溫線預測的8個濟麥系列品種（系）全麥粉的相對安全水分范圍是13.23％-14.42％，平均值為13.72％（表6）。8個樣品中，JM4（濟麥4227）全麥粉的安全水分平均值最大，白粒小麥JM1（濟麥22）的最小，紫粒小麥JM8（濟紫麥1號）的也較小，進而比較兩種不同種皮顏色樣品（JM4、JM8）的平均吸附、解吸速率。由圖3可知，它們均在60 h前后達到最大，JM4的最大吸附、解吸速率均大于JM8。

JM4（濟麥4227）的籽粒水滴接觸角和全麥粉安全水分值均較大，表明盡管濟麥4227的籽粒表面親水物質少，但其安全儲存水分值仍較高。這可能是由于濟麥4227全麥粉的單分子水層對應的固體顆粒表面積在15-35℃范圍內均高于其他小麥品種（表7）。

3討論與結論

發達國家每隔幾年會對生產中推廣的小麥品種進行EMC/ERH數據測定，用來指導小麥收獲后的處理和貯存。目前，美國農業生物工程委員會標準數據庫“植物來源的農產品的水分關系（ASABE D245.5）”仍然缺乏全麥粉的EMC數據。與小麥面粉相比，全麥粉因為麩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、內源性脂肪酶和大量脂肪，具有更多的維生素、礦物質、抗氧化成分和其他營養物質。美國食品藥品管理局（FDA）認為長時間攝入全麥粉可降低慢性流行病的發病率，并將全麥粉納入居民膳食指南。然而在全麥粉的儲藏和流通過程中，其含有的脂肪，酚類等營養物質極易發生水解酸敗和氧化反應，生成醌類、氫過氧化物、酮、環氧醛、呋喃、內脂等物質，使食品變味、變色、變質，產生哈喇味，甚至還會影響全麥粉中淀粉的變化和面筋的形成。不耐儲存、保質期較短成為制約全麥粉及其制品發展的主要因素。因此，對全麥粉水分吸附／解吸數據的測定與分析，對于提高全麥粉安全儲存具有重要的指導意義。本研究結果表明，恒定溫度下，8個小麥品種（系）全麥粉的平衡含水率隨著平衡相對濕度的增加而增加，在恒定平衡相對濕度下，平衡含水率隨溫度增加而降低，這與武佳玉等的研究結果基本一致。因此，在儲存過程中隨著溫度升高，全麥粉的相對安全水分含量（ERH=65％）也會出現一定程度的降低，若升溫過程中沒有對水分含量進行實時監控，可能會產生霉菌毒素污染，將對其貯藏產生一定的影響。

使用動態水分吸附測定儀測定微晶纖維素的水分吸附／解吸等溫線，可呈現典型的多糖和蛋白質吸附現象，即吸附和脫附（解吸）曲線有一個明顯的滯后環。本研究對8個濟麥系列品種（系）全麥粉進行解吸與吸附等溫線測定，分析單分子層含水率差異發現：8個濟麥系列品種（系）全麥粉均顯示為典型的多糖S型吸附曲線，其中濟麥20的滯后環最大。由于全麥粉淀粉含量基本在58％-76％以上，Roman-Gutierrez等研究也發現，水分在小麥粉各組分間的分布是不均衡的，水分吸附過程中，淀粉是小麥粉中參與水合作用的主要成分。這從另一方面說明濟麥20比其他參試材料具有較好的淀粉特性。

目前在硬粒小麥中已經有關于MOE方程系數的研究：Sun等報道了國外8個硬麥的MOE方程系數為14.489、-7.024E-02、3.034 6，Wu等報道了7個國產硬麥籽粒的MOE方程系數為10.347、-8.700E-02、3.035 12。而在全麥粉中未見相關研究。本研究通過分析得出8個濟麥系列品種（系）全麥粉水分吸著較佳方程MOE的方程系數A、B、C依次為12.197、-9.050E-02、2.619。通過比較發現，與硬粒小麥MOE方程系數極其相似，這也表明MOE方程系數可用于全麥粉在儲藏和加工環節的含水率調節。本研究發現，適合全麥粉的擬合方程還有BET、MCPE、MGAB、MHE、CAE及多項式（Ploy）。這些吸濕等溫線的擬合模型各具特點，適用對象不一，擬合方式也是多種多樣，可對全麥粉的吸濕性鑒定和評價起到重要作用。

此外，本研究發現，濟麥4227全麥粉的單分子層含水率和固體顆粒表面積均高于濟紫麥1號，分析原因可能是紫色小麥種皮的特異性使其與普通白皮小麥在吸濕性上產生較大差異。這也為今后彩色小麥的全麥粉研究提供了一個新的思路，可在后續研究中加大試驗樣本進一步驗證。