降低麦麸中植酸盐含量的途径及机理研究

发布时间：2016-05-10 06:32

第一章 绪论

1.1前言
1.1.1全谷物
早在 1 万年前农业出现时，全谷物就是人类饮食的组成部分[1]。直到 1873 年，辊式磨粉机出现，可有效地分离麸皮、胚芽和胚乳，人们才开始食用精制谷物食品[2]。精制谷物食品可以满足人们对外观、口感和风味的追求，却损失了膳食纤维、维生素、矿物质等营养元素，难以满足人们对健康的需求，而常吃精制食品易患肥胖、心脏病、糖尿病等“现代文明病”。
流行病学和基础性研究证明，经常食用全谷物食品有利于控制血脂[3]、血压和血糖[4-6]，降低患 II 型糖尿病的风险[7]，同时对避免肥胖[8]、中风[9]、冠状动脉心脏[10]和某些胃肠道疾病[11]也具有积极的作用。随着人们营养与健康意识的逐步深入，消费者的注意力开始转移到全谷物上。2004 年 5 月，美国全谷物理事会(Whole Grain Council，WGC)对全谷物做出如下定义：“全谷物或从全谷物生产的食品应含有谷物种子中所具有的全部天然营养成分。如果谷物是经过加工的，其产品必须含有与原始谷物种子中相当的营养成分”[12]。根据美国谷物化学家协会（American Association of Cereal ChemistsInternational，AACCI）的定义：“完整、碾碎、破碎或压片的谷物，基本的组成包括淀粉质胚乳、胚芽与皮层，各组成部分的相对比例与完整颖果一样”。2013 年 4 月，美国谷物化学家协会进一步规定：每 30 g 全谷物食品中必须含有 8 g 及以上的全谷物[13]。美国食品和药物管理局（U.S. Food and Drug Administration，FDA）采用了 AACCI 关于全谷物的定义，并指出食品总重量的 51%及以上为全谷物的食品才能标贴全谷物食品的基本标签。
随着人们对全谷物的重视，全谷物食品产业也日渐壮大。2005 年以后，全谷物食品的年增长率攀升至 17%[14]；2010 年，美国对全麦面包的消费首次超过了普通面包[15]。而在我国，全谷物的发展还较为滞后，如 2008 年糙米产量仅占大米的 1.3%，全麦粉产量仅占小麦的 0.9%。因此，为推动我国全谷物食品产业的发展，首先要以我国主要谷物种类如小麦为基础，重点研究谷物的营养与健康的关系及其作用机理[16]。
1.1.2全麦粉

目前世界上主要的谷类有小麦、水稻和玉米，其次是燕麦、大麦、黑麦、小米、高粱等[17]。全世界共有 196 个国家和 55 个地区，其中 35%~40%的人口以小麦为主要口粮。2014 年 7 月 31 日，国际谷物理事会（International Grains Counci，IGC）在月度最新报告中称，2014/15 年全球小麦产量预计将达到 7.02 亿吨。根据中国国家统计局发布的数据，2014 年我国小麦产量达到 1.26 亿吨，仅次于玉米（2.1567 亿吨）和大米（2.064 亿吨）。在我国，全麦粉生产占小麦粉生产的比重较小，发展相对滞后，但随着消费者对全麦食品认识的逐渐加深和国家对全麦食品的重视，全麦粉产业仍具有极大的发展空间。我国粮食加工业发展规划（2011~2020 年）明确指出：“加大对普及科学用粮和营养健康知识社会公益宣传的支持力度，引导消费者调整膳食结构，鼓励增加全谷物营养健康食品的摄入，促进粮食科学健康消费。”要重点“研究速食糙米、发芽糙米、蒸谷米、全麦粉及制品、全谷物健康食品、发酵米面制食品等关键技术”[18]。

......

1.2抗营养因子植酸盐的研究进展
植酸是一种天然存在的有机化合物，主要储藏在豆类和禾谷类籽粒的胚芽、豆类和糊粉层等组织中，是种子中磷元素的主要储存形式[20]，通常与钙、镁、锌、铁、钾等离子形成植酸盐[21]。其中，豆粕中的植酸盐主要存在形式是植酸钙-镁-锌-钾盐[22]；米糠中主要是植酸-钙或植酸-镁；菜粕中和玉米胚芽粕主要是植酸钙-镁-钾盐[23, 24]；小麦中主要是植酸钙镁盐[25]。小麦精粉大约含有 200~400 mg/100 g 的植酸盐，全麦粉大约含有600~1000 mg/100 g 的植酸盐，麦麸大约含有 3116~5839 mg/100 g 的植酸盐[26]。自从 1921年 Mellanby 首次提出植酸盐具有抗营养的效应、可降低食品中营养物质的生物利用率，植酸盐的抗营养作用引起了全世界科学家的广泛关注。
1.2.1植酸盐的抗营养作用

在生理条件下（pH 6~7），植酸盐分子的 12 个羟基中有 8 个携带负电荷，如图 1-1 所示。1.2.1.1 植酸盐对矿物质的影响

在生理条件下，植酸盐可与食物中的多种金属阳离子，如钙、铁、锌等形成不溶性复合物，从而抑制它们在肠道中的吸收利用[28, 29]。在研究小麦麸和大麦麸对钙吸收率的影响时，Kennefick 等[30]发现，抑制钙吸收的主要物质是麸皮中的植酸盐而不是纤维。Hurrell 等[31]研究了植酸盐降解对谷物粥中铁吸收率的影响，结果表明除了单宁含量较高的高粱粥，植酸盐的降解可明显促进谷物粥中铁的吸收。Fredlund 等[32]发现，在餐饮中加入 50 mg 植酸盐即可显著抑制锌的吸收和保留。大鼠实验表明，植酸盐含量较高时，钙铁锌的吸收率明显下降（p < 0.05）[33]。因此，摄入大量的植酸盐是导致或加剧钙铁锌缺乏症的原因之一。
1.2.1.2 植酸盐对蛋白质的影响
在环境 pH<蛋白质等电点时，植酸盐与蛋白质结合生成植酸盐-蛋白质不溶性复合物；在环境 pH>蛋白质等电点时，在金属离子的桥梁作用下，植酸盐可与蛋白质形成不溶性植酸盐-金属离子-蛋白质复合物。这些复合物溶解度较低，难以被生物体利用[34]。通过植酸酶将植酸盐含量降低约 50%，可明显提高蛋白质/氨基酸的利用率，促进动物的生长[35]。在虹鳟鱼的植物蛋白类饲料中添加微生物植酸酶，可显著提高蛋白质的表观消化系数[36]。1.2.1.3 植酸盐对酶的影响

酶也是一种蛋白质，通过形成复合物，植酸盐可以抑制多种酶的活性，，如蛋白酶、淀粉酶、胰蛋白酶，酸性磷酸酶和酪氨酸酶等[37]，进而影响蛋白质[38-40]、淀粉[41, 42]和脂肪等的生物利用率[43]。比如，植酸盐可通过螯合淀粉酶活性中心的钙离子，导致淀粉酶失活，进而影响淀粉的酶解，引起人体低血糖[44]。

......

第二章 碾磨、刷麸及超声辅助水洗降低植酸盐含量的研究与优化

2.1前言
小麦籽粒中通常含有 82.7~83.7%的淀粉性胚乳、13.1~14.3%的皮层（包括外皮层、中间层和糊粉层）和 3.0~3.2%的胚芽[78]。现代的小麦制粉工艺，先通过去杂、表面清理、调质等工序将毛麦变成干净的、具有最佳制粉性质的净麦，再通过碾磨、筛分、清粉等工序，将净麦的皮层和胚乳、胚芽分离，得到副产品麦麸，并将胚乳磨细，制成面粉。由于植酸盐主要储藏在麦麸的糊粉层细胞内容物中，因此，小麦制粉的副产品，麦麸中的植酸盐含量较高。传统的小麦除植酸盐方法主要有机械法、热处理、浸泡、发芽、发酵和酶处理，然而机械法除去了麦麸，降低了小麦的营养价值；热处理的植酸盐降解率较低，通常只有50%左右[79]；而浸泡、发芽和发酵处理较为耗时，一般需要数天时间；酶处理可完全去除小麦中的植酸盐，但成本较高，不利于工业化生产。因此，需要寻找一种简单易行、高效低廉的降低麦麸植酸盐含量方法，以促进全麦粉和全麦食品的开发和工业化生产。

降低麦麸中植酸盐含量最直接的方法是去除糊粉层细胞内容物，而在这方面的研究却鲜有报道。辊式磨粉机和刷麸机是面粉厂常见的设备，辊式磨粉机可根据需要对物料进行破碎、剥刮或磨细等处理，刷麸机则主要用于分离麦麸上粘连的胚乳。超声波穿透力强、方向性好、易集中声能，广泛应用于食品加工、医疗卫生轻工纺织、机械电子行业、印刷行业、橡胶行业、医药及家庭等领域。本章从机械角度出发，跟踪麦麸在碾磨系统中植酸盐含量的变化，并确定最适合进行降低植酸盐含量处理的原料，在此基础上，通过使用不同的工艺设备：辊式磨粉机、刷麸机和超声清洗机，加强对麦麸的碾磨和清理，达到去除糊粉层细胞内容物，降低植酸盐含量的目的，为生产高膳食纤维的全麦粉提供一个新的思路。

......

2.2材料与方法
2.2.1试验材料与试剂
麦麸（郑麦 9023，硬麦；郑麦 366，硬麦；西农 979，硬麦；部分软麦，均产于 2013年河南），郑州金苑面业有限公司；植酸标品（植酸钠水合物）、3,5-二羟基戊苯、3,4,5,-三甲氧基肉桂酸、对香豆酸等，美国西格玛奥德里奇公司；苏木伊红染液，南京建成生物工程研究所有限公司；硫酸铁铵、2,2-联吡啶、巯基乙酸、丙酮、甲醇、固蓝 RR 盐、甲酸、乙腈、乙醚、碘化钾、碘、盐酸、甲基红、五水硫酸铜、硫酸、酒石酸钾钠、氢氧化钠、高锰酸钾、硫酸铁、淀粉酶等，国药化学试剂有限公司。
2.2.2主要仪器
MDDK×2 型辊式磨粉机，无锡布勒机械有限公司；ISO 3310-1 振动筛分仪，德国RETSCH(莱驰)公司；FFR545 型刷麸机，安阳双狮粮油机械有限责任公司；PL203 型电子分析天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；KH-250DB 型超声波清洗仪，昆山合创超声波科技有限公司；101 型电热恒温鼓风干燥箱，上海跃进医疗器械厂；Spectramax M5 多功能酶标仪，美谷分子仪器(上海)有限公司；ZQTY-50 型台式震荡培养箱，上海知楚仪器有限公司；ASP 200S 型组织脱水机，德国徕卡公司；1150H 型石蜡包埋机，德国徕卡公司；PM 2245 型手动轮转切片机，德国徕卡公司；BX41 型荧光显微镜，日本奥林巴斯公司；CR-400 型色彩色差计，日本柯尼卡·美能达公司。
2.2.3试验方法
2.2.3.1 碾磨处理
先用不同磨辊类型（光辊、粗砂光辊和齿辊）的辊式磨粉机（磨辊参数设置见表 2-1）对麦麸样品进行碾磨处理，将处理后的样品用振动筛分仪分为小麸片（粒度<125 μm）、中麸片（粒度 125 μm~250 μm）和大麸片（粒度>250 μm）的三种，置于干燥器中。
2.2.3.2 刷麸机清理
将碾磨后的大麸片用刷麸机进行清理，并用孔径为 125 μm 的筛子进行筛分，取筛上物。
2.2.3.3 超声辅助水洗麦麸
精确称取 10g 碾磨处理后的大麸片，加入 100 mL 蒸馏水，用 25 KHz 的超声处理15 min。将处理后的样品用多层细纱布过滤，弃去滤液。最后将样品于 60 °C 电热恒温鼓风干燥箱中干燥 45 min 后，于-20 °C 保存。
2.2.3.4 双吡啶比色法测定植酸盐含量

植酸盐含量的测定参考 Buddrick 等[80]的方法。精确称取 1 g 样品，加入 100 mL 0.2mol/L 盐酸溶液，室温下磁力搅拌提取 3 h。提取液在 5000×g 下离心 4 min，移取所得上清液 0.5 mL 于 2 mL 塑料离心管中，加入 1 mL 硫酸铁铵溶液（0.02 g 硫酸铁铵溶于1000 mL 0.2 mol/L 盐酸溶液），混匀后沸水浴 30 min，然后置于冰水中冷却。待冷却至室温后，于 5000×g 下离心 4 min。吸取 100 μL 上清液于 96 孔板中，加入 150 μL 双吡啶溶液（1 g 2,2-联吡啶和 1 mL 巯基乙酸定容 100 mL），振动混匀，以 250 μL 蒸馏水为空白调零，于 519 nm 处用酶标仪在 25 °C 测定吸光度。

......

第三章 激活内源植酸酶法降低植酸盐含量的工艺优化及机理研究............21
3.1 前言..........................................................21
3.2 材料与方法.....................................................21
3.2.1 试验材料与试剂 ............................................21
第四章 蒸汽爆破降低麦麸植酸盐含量的工艺优化及机理研究..........35
4.1 前言.........................................................35
4.2 材料与方法....................................................35
4.2.1 试验材料与试剂 .......................................35
第五章 三种降低植酸盐含量的方法对麦麸食用品质的影响............51
5.1 前言...................................................51
5.2 材料与方法..............................................51
5.2.1 试验材料与试剂 ....................................51

第六章 三种降低植酸盐含量的方法对全麦粉加工品质的影响

6.1前言
由于麦麸中含有较多的酶类、脂类和微生物等，全麦粉易发生褐变、酸败、氧化变质等现象，从而影响全麦粉储藏稳定性。此外，添加麦麸还会影响面团的筋力和持气能力，改变面团的流变学性质，使全麦食品质构坚硬粗糙、感官品质变差。申瑞玲等[168]的研究表明，随着麦麸的增加，全麦粉面团的吸水率提高，形成时间基本不变，稳定时间、拉伸曲线面积、延伸度、拉伸阻力和最大拉伸阻力下降，弱化度和粉质指数变化范围较大。对全麦面包的研究表明，储存过程中，麸皮回添量越大，面包的体积、色泽及质构等指标越差，面包越易变质[169]。而通过 2000 W 40s 或 700 W 90 s 的微波处理，可显著抑制全麦粉中微生物和多酚氧化酶的活性，提高其储藏稳定性[170]。挤压处理也能控制全麦粉的脂肪酸败，提高其储藏稳定性[171]。除此之外，挤压处理也可改善全麦制品如全麦馒头的口感[172]。

由前面几章的研究内容可知，TU、AEP 和 SFE 均可显著降低麦麸植酸盐含量，提高其钙铁锌的生物利用率。然而，将处理后的麦麸回添到面粉中，对全麦粉及其制品的影响仍需经一步探讨。本章从全麦粉储藏稳定性、面团的流变学性质及全麦馒头的质构特性和感官评价等三个方面探讨降低麦麸植酸盐含量对全麦粉加工品质的影响。

......

6.3结果与讨论
6.3.1对全麦粉储藏稳定性的影响
6.3.1.1 对全麦粉多酚氧化酶的影响

不同降低植酸盐含量的处理对全麦粉 PPO 的影响如图 6-1 所示，SFE 处理的全麦粉PPO 含量最低，TU 处理的全麦粉 PPO 含量略低于和 AEP 处理，而未处理的全麦粉 PPO活性最高。大部分 PPO 在 TU 处理过程中被直接去除，所以全麦粉的 PPO 含量较低。在 AEP 最后的烘干阶段，长时间的烘烤使得 PPO 的活力被抑制，因此全麦粉的 PPO 含量低于未处理全麦粉。在 SFE 处理过程中，温度可达 220 °C，糊粉层中的各种酶发生了不可逆失活，其中包括 PPO，因此 SFE 处理的全麦粉 PPO 含量最低。未储藏的全麦粉PPO 活性均低于储藏 90 d 后的全麦粉，这可能是因为进行全麦粉的麦麸储藏在-20 °C 冰箱中，PPO 的活性未完全恢复。

......

主要结论与展望

主要结论
本论文从机械、生物和物理化学三个角度出发，提出了三条降低麦麸植酸盐含量的新途径。在此基础上，深入研究分析了新途径对降低麦麸植酸盐含量的效果、工艺条件的影响和降低植酸盐含量的机理。并系统研究了其对麦麸食品品质和全麦粉加工品质的影响。论文主要结论如下：
1. 从机械角度出发，利用齿辊碾磨结合超声辅助水洗法直接去除麦麸的糊粉层内容物，可使麦麸的植酸盐含量降低 62.98%。其中，使用齿辊磨粉机破坏糊粉层上层的细胞壁，然后通过超声辅助水洗将糊粉层内容物溶解在水里，从而实现麦麸和糊粉层细胞内容物的分离。
2. 从生物角度出发，通过诱发糊粉层细胞程序性死亡，促使其合成并分泌内源植酸酶，进而酶解麦麸中的植酸盐，在料液比 1:1，孵育温度 55 °C 和孵育时间 80 min 的条件下，使之降解 70.09%。在本实验条件下，添加酶激活剂（金属离子、赤霉素和过氧化氢）反而抑制植酸盐的酶解。微波加热或储藏时间过长均可抑制麦麸孵育过程中内源植酸酶的激活和植酸盐的酶解，说明激活内源植酸酶法和糊粉层细胞的活力密切相关。对糊粉层细胞形态学的观察，发现麦麸孵育后糊粉层细胞出现了细胞自溶现象，验证了激活内源植酸酶法和糊粉层细胞程序性死亡有关。
3. 从物理化学角度出发，研究蒸汽爆破法对麦麸植酸盐含量的影响，结果表明，在麦麸粒度 14~20 目、蒸汽压力 2.5 MPa、维压时间 60 s 时，植酸盐含量下降约 86.76%。通过分析植酸的热稳定性以及蒸汽爆破对麦麸 pH、多糖含量、无机磷含量、分子键、水解产物和组织结构的影响，确定蒸汽爆破降低麦麸植酸盐含量的机理是，高温高压使半纤维素产生自水解、生成酸类物质；同时破坏糊粉层细胞结构、使植酸盐暴露出来，并通过打破 P-O-C 键使之在高温下酸水解生成不具有抗营养效应的低磷酸肌醇酯。此外，在蒸汽爆破过程中，蒸汽压力、维压时间和麦麸的颜色变化(ΔE)呈正相关关系，其原因为麦麸中半纤维素的水解产物通过美拉德及焦糖化反应生成深色物质，以及木质素形成了红色发色团。

4. 上述三种麦麸处理方式中，植酸盐降低效果为蒸汽爆破处理>激活内源植酸酶处理>齿辊碾磨结合超声辅助水洗处理。Caco-2 细胞模型表明麦麸钙铁锌生物利用率为蒸汽爆破处理>激活内源植酸酶处理>未处理，其中，麦麸植酸盐含量和钙铁锌吸收、转运和生物利用率呈显著负相关。齿辊碾磨结合超声辅助水洗处理的麦麸水解和游离氨基酸含量均有显著降低，降低率分别为 46.15%和 58.20%，而可溶性膳食纤维略有下降（从4.47%下降到 3.25%），不溶性膳食纤维和总膳食纤维含量相对上升（分别为从 50.70%上升至 70.91%和从 55.17%上升至 74.17%）；激活内源植酸酶处理可明显降低麦麸水解和游离氨基酸含量，二者的降低率分别为 22.07%和 50.26%，可溶性膳食纤维（6.17%）略有上升，而不溶性膳食纤维和总膳食纤维（分别为 48.20%和 54.36%）没有明显变化；蒸汽爆破处理所得的麦麸水解和游离氨基酸降低率分别为 11.08%和 97.22%，可溶性膳食纤维含量增加至 7.55%，而不溶性膳食纤维和总膳食纤维均有不同程度的下降，分别为 32.72%和 40.27%。

......

参考文献（略）

本文编号：43442