第一章 緒論

1.1前言
1.1.1全谷物
早在 1 萬年前農(nóng)業(yè)出現(xiàn)時，全谷物就是人類飲食的組成部分[1]。直到 1873 年，輥式磨粉機出現(xiàn)，可有效地分離麩皮、胚芽和胚乳，人們才開始食用精制谷物食品[2]。精制谷物食品可以滿足人們對外觀、口感和風味的追求，卻損失了膳食纖維、維生素、礦物質(zhì)等營養(yǎng)元素，難以滿足人們對健康的需求，而常吃精制食品易患肥胖、心臟病、糖尿病等“現(xiàn)代文明病”。
流行病學和基礎性研究證明，經(jīng)常食用全谷物食品有利于控制血脂[3]、血壓和血糖[4-6]，降低患 II 型糖尿病的風險[7]，同時對避免肥胖[8]、中風[9]、冠狀動脈心臟[10]和某些胃腸道疾病[11]也具有積極的作用。隨著人們營養(yǎng)與健康意識的逐步深入，消費者的注意力開始轉(zhuǎn)移到全谷物上。2004 年 5 月，美國全谷物理事會(Whole Grain Council，WGC)對全谷物做出如下定義：“全谷物或從全谷物生產(chǎn)的食品應含有谷物種子中所具有的全部天然營養(yǎng)成分。如果谷物是經(jīng)過加工的，其產(chǎn)品必須含有與原始谷物種子中相當?shù)臓I養(yǎng)成分”[12]。根據(jù)美國谷物化學家協(xié)會（American Association of Cereal ChemistsInternational，AACCI）的定義：“完整、碾碎、破碎或壓片的谷物，基本的組成包括淀粉質(zhì)胚乳、胚芽與皮層，各組成部分的相對比例與完整穎果一樣”。2013 年 4 月，美國谷物化學家協(xié)會進一步規(guī)定：每 30 g 全谷物食品中必須含有 8 g 及以上的全谷物[13]。美國食品和藥物管理局（U.S. Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）采用了 AACCI 關于全谷物的定義，并指出食品總重量的 51%及以上為全谷物的食品才能標貼全谷物食品的基本標簽。
隨著人們對全谷物的重視，全谷物食品產(chǎn)業(yè)也日漸壯大。2005 年以后，全谷物食品的年增長率攀升至 17%[14]；2010 年，美國對全麥面包的消費首次超過了普通面包[15]。而在我國，全谷物的發(fā)展還較為滯后，如 2008 年糙米產(chǎn)量僅占大米的 1.3%，全麥粉產(chǎn)量僅占小麥的 0.9%。因此，為推動我國全谷物食品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，首先要以我國主要谷物種類如小麥為基礎，重點研究谷物的營養(yǎng)與健康的關系及其作用機理[16]。
1.1.2全麥粉

目前世界上主要的谷類有小麥、水稻和玉米，其次是燕麥、大麥、黑麥、小米、高粱等[17]。全世界共有 196 個國家和 55 個地區(qū)，其中 35%~40%的人口以小麥為主要口糧。2014 年 7 月 31 日，國際谷物理事會（International Grains Counci，IGC）在月度最新報告中稱，2014/15 年全球小麥產(chǎn)量預計將達到 7.02 億噸。根據(jù)中國國家統(tǒng)計局發(fā)布的數(shù)據(jù)，2014 年我國小麥產(chǎn)量達到 1.26 億噸，僅次于玉米（2.1567 億噸）和大米（2.064 億噸）。在我國，全麥粉生產(chǎn)占小麥粉生產(chǎn)的比重較小，發(fā)展相對滯后，但隨著消費者對全麥食品認識的逐漸加深和國家對全麥食品的重視，全麥粉產(chǎn)業(yè)仍具有極大的發(fā)展空間。我國糧食加工業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2011~2020 年）明確指出：“加大對普及科學用糧和營養(yǎng)健康知識社會公益宣傳的支持力度，引導消費者調(diào)整膳食結構，鼓勵增加全谷物營養(yǎng)健康食品的攝入，促進糧食科學健康消費�！币攸c“研究速食糙米、發(fā)芽糙米、蒸谷米、全麥粉及制品、全谷物健康食品、發(fā)酵米面制食品等關鍵技術”[18]。

......

1.2抗營養(yǎng)因子植酸鹽的研究進展
植酸是一種天然存在的有機化合物，主要儲藏在豆類和禾谷類籽粒的胚芽、豆類和糊粉層等組織中，是種子中磷元素的主要儲存形式[20]，通常與鈣、鎂、鋅、鐵、鉀等離子形成植酸鹽[21]。其中，豆粕中的植酸鹽主要存在形式是植酸鈣-鎂-鋅-鉀鹽[22]；米糠中主要是植酸-鈣或植酸-鎂；菜粕中和玉米胚芽粕主要是植酸鈣-鎂-鉀鹽[23, 24]；小麥中主要是植酸鈣鎂鹽[25]。小麥精粉大約含有 200~400 mg/100 g 的植酸鹽，全麥粉大約含有600~1000 mg/100 g 的植酸鹽，麥麩大約含有 3116~5839 mg/100 g 的植酸鹽[26]。自從 1921年 Mellanby 首次提出植酸鹽具有抗營養(yǎng)的效應、可降低食品中營養(yǎng)物質(zhì)的生物利用率，植酸鹽的抗營養(yǎng)作用引起了全世界科學家的廣泛關注。
1.2.1植酸鹽的抗營養(yǎng)作用

在生理條件下（pH 6~7），植酸鹽分子的 12 個羥基中有 8 個攜帶負電荷，如圖 1-1 所示。1.2.1.1 植酸鹽對礦物質(zhì)的影響

在生理條件下，植酸鹽可與食物中的多種金屬陽離子，如鈣、鐵、鋅等形成不溶性復合物，從而抑制它們在腸道中的吸收利用[28, 29]。在研究小麥麩和大麥麩對鈣吸收率的影響時，Kennefick 等[30]發(fā)現(xiàn)，抑制鈣吸收的主要物質(zhì)是麩皮中的植酸鹽而不是纖維。Hurrell 等[31]研究了植酸鹽降解對谷物粥中鐵吸收率的影響，結果表明除了單寧含量較高的高粱粥，植酸鹽的降解可明顯促進谷物粥中鐵的吸收。Fredlund 等[32]發(fā)現(xiàn)，在餐飲中加入 50 mg 植酸鹽即可顯著抑制鋅的吸收和保留。大鼠實驗表明，植酸鹽含量較高時，鈣鐵鋅的吸收率明顯下降（p < 0.05）[33]。因此，攝入大量的植酸鹽是導致或加劇鈣鐵鋅缺乏癥的原因之一。
1.2.1.2 植酸鹽對蛋白質(zhì)的影響
在環(huán)境 pH<蛋白質(zhì)等電點時，植酸鹽與蛋白質(zhì)結合生成植酸鹽-蛋白質(zhì)不溶性復合物；在環(huán)境 pH>蛋白質(zhì)等電點時，在金屬離子的橋梁作用下，植酸鹽可與蛋白質(zhì)形成不溶性植酸鹽-金屬離子-蛋白質(zhì)復合物。這些復合物溶解度較低，難以被生物體利用[34]。通過植酸酶將植酸鹽含量降低約 50%，可明顯提高蛋白質(zhì)/氨基酸的利用率，促進動物的生長[35]。在虹鱒魚的植物蛋白類飼料中添加微生物植酸酶，可顯著提高蛋白質(zhì)的表觀消化系數(shù)[36]。1.2.1.3 植酸鹽對酶的影響

酶也是一種蛋白質(zhì)，通過形成復合物，植酸鹽可以抑制多種酶的活性，，如蛋白酶、淀粉酶、胰蛋白酶，酸性磷酸酶和酪氨酸酶等[37]，進而影響蛋白質(zhì)[38-40]、淀粉[41, 42]和脂肪等的生物利用率[43]。比如，植酸鹽可通過螯合淀粉酶活性中心的鈣離子，導致淀粉酶失活，進而影響淀粉的酶解，引起人體低血糖[44]。

......

第二章 碾磨、刷麩及超聲輔助水洗降低植酸鹽含量的研究與優(yōu)化

2.1前言
小麥籽粒中通常含有 82.7~83.7%的淀粉性胚乳、13.1~14.3%的皮層（包括外皮層、中間層和糊粉層）和 3.0~3.2%的胚芽[78]�，F(xiàn)代的小麥制粉工藝，先通過去雜、表面清理、調(diào)質(zhì)等工序?qū)⒚溩兂筛蓛舻�、具有最佳制粉性質(zhì)的凈麥，再通過碾磨、篩分、清粉等工序，將凈麥的皮層和胚乳、胚芽分離，得到副產(chǎn)品麥麩，并將胚乳磨細，制成面粉。由于植酸鹽主要儲藏在麥麩的糊粉層細胞內(nèi)容物中，因此，小麥制粉的副產(chǎn)品，麥麩中的植酸鹽含量較高。傳統(tǒng)的小麥除植酸鹽方法主要有機械法、熱處理、浸泡、發(fā)芽、發(fā)酵和酶處理，然而機械法除去了麥麩，降低了小麥的營養(yǎng)價值；熱處理的植酸鹽降解率較低，通常只有50%左右[79]；而浸泡、發(fā)芽和發(fā)酵處理較為耗時，一般需要數(shù)天時間；酶處理可完全去除小麥中的植酸鹽，但成本較高，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。因此，需要尋找一種簡單易行、高效低廉的降低麥麩植酸鹽含量方法，以促進全麥粉和全麥食品的開發(fā)和工業(yè)化生產(chǎn)。

降低麥麩中植酸鹽含量最直接的方法是去除糊粉層細胞內(nèi)容物，而在這方面的研究卻鮮有報道。輥式磨粉機和刷麩機是面粉廠常見的設備，輥式磨粉機可根據(jù)需要對物料進行破碎、剝刮或磨細等處理，刷麩機則主要用于分離麥麩上粘連的胚乳。超聲波穿透力強、方向性好、易集中聲能，廣泛應用于食品加工、醫(yī)療衛(wèi)生輕工紡織、機械電子行業(yè)、印刷行業(yè)、橡膠行業(yè)、醫(yī)藥及家庭等領域。本章從機械角度出發(fā)，跟蹤麥麩在碾磨系統(tǒng)中植酸鹽含量的變化，并確定最適合進行降低植酸鹽含量處理的原料，在此基礎上，通過使用不同的工藝設備：輥式磨粉機、刷麩機和超聲清洗機，加強對麥麩的碾磨和清理，達到去除糊粉層細胞內(nèi)容物，降低植酸鹽含量的目的，為生產(chǎn)高膳食纖維的全麥粉提供一個新的思路。

......

2.2材料與方法
2.2.1試驗材料與試劑
麥麩（鄭麥 9023，硬麥；鄭麥 366，硬麥；西農(nóng) 979，硬麥；部分軟麥，均產(chǎn)于 2013年河南），鄭州金苑面業(yè)有限公司；植酸標品（植酸鈉水合物）、3,5-二羥基戊苯、3,4,5,-三甲氧基肉桂酸、對香豆酸等，美國西格瑪奧德里奇公司；蘇木伊紅染液，南京建成生物工程研究所有限公司；硫酸鐵銨、2,2-聯(lián)吡啶、巰基乙酸、丙酮、甲醇、固藍 RR 鹽、甲酸、乙腈、乙醚、碘化鉀、碘、鹽酸、甲基紅、五水硫酸銅、硫酸、酒石酸鉀鈉、氫氧化鈉、高錳酸鉀、硫酸鐵、淀粉酶等，國藥化學試劑有限公司。
2.2.2主要儀器
MDDK×2 型輥式磨粉機，無錫布勒機械有限公司；ISO 3310-1 振動篩分儀，德國RETSCH(萊馳)公司；FFR545 型刷麩機，安陽雙獅糧油機械有限責任公司；PL203 型電子分析天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；KH-250DB 型超聲波清洗儀，昆山合創(chuàng)超聲波科技有限公司；101 型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海躍進醫(yī)療器械廠；Spectramax M5 多功能酶標儀，美谷分子儀器(上海)有限公司；ZQTY-50 型臺式震蕩培養(yǎng)箱，上海知楚儀器有限公司；ASP 200S 型組織脫水機，德國徠卡公司；1150H 型石蠟包埋機，德國徠卡公司；PM 2245 型手動輪轉(zhuǎn)切片機，德國徠卡公司；BX41 型熒光顯微鏡，日本奧林巴斯公司；CR-400 型色彩色差計，日本柯尼卡·美能達公司。
2.2.3試驗方法
2.2.3.1 碾磨處理
先用不同磨輥類型（光輥、粗砂光輥和齒輥）的輥式磨粉機（磨輥參數(shù)設置見表 2-1）對麥麩樣品進行碾磨處理，將處理后的樣品用振動篩分儀分為小麩片（粒度<125 μm）、中麩片（粒度 125 μm~250 μm）和大麩片（粒度>250 μm）的三種，置于干燥器中。
2.2.3.2 刷麩機清理
將碾磨后的大麩片用刷麩機進行清理，并用孔徑為 125 μm 的篩子進行篩分，取篩上物。
2.2.3.3 超聲輔助水洗麥麩
精確稱取 10g 碾磨處理后的大麩片，加入 100 mL 蒸餾水，用 25 KHz 的超聲處理15 min。將處理后的樣品用多層細紗布過濾，棄去濾液。最后將樣品于 60 °C 電熱恒溫鼓風干燥箱中干燥 45 min 后，于-20 °C 保存。
2.2.3.4 雙吡啶比色法測定植酸鹽含量

植酸鹽含量的測定參考 Buddrick 等[80]的方法。精確稱取 1 g 樣品，加入 100 mL 0.2mol/L 鹽酸溶液，室溫下磁力攪拌提取 3 h。提取液在 5000×g 下離心 4 min，移取所得上清液 0.5 mL 于 2 mL 塑料離心管中，加入 1 mL 硫酸鐵銨溶液（0.02 g 硫酸鐵銨溶于1000 mL 0.2 mol/L 鹽酸溶液），混勻后沸水浴 30 min，然后置于冰水中冷卻。待冷卻至室溫后，于 5000×g 下離心 4 min。吸取 100 μL 上清液于 96 孔板中，加入 150 μL 雙吡啶溶液（1 g 2,2-聯(lián)吡啶和 1 mL 巰基乙酸定容 100 mL），振動混勻，以 250 μL 蒸餾水為空白調(diào)零，于 519 nm 處用酶標儀在 25 °C 測定吸光度。

......

第三章 激活內(nèi)源植酸酶法降低植酸鹽含量的工藝優(yōu)化及機理研究............21
3.1 前言..........................................................21
3.2 材料與方法.....................................................21
3.2.1 試驗材料與試劑 ............................................21
第四章 蒸汽爆破降低麥麩植酸鹽含量的工藝優(yōu)化及機理研究..........35
4.1 前言.........................................................35
4.2 材料與方法....................................................35
4.2.1 試驗材料與試劑 .......................................35
第五章 三種降低植酸鹽含量的方法對麥麩食用品質(zhì)的影響............51
5.1 前言...................................................51
5.2 材料與方法..............................................51
5.2.1 試驗材料與試劑 ....................................51

第六章 三種降低植酸鹽含量的方法對全麥粉加工品質(zhì)的影響

6.1前言
由于麥麩中含有較多的酶類、脂類和微生物等，全麥粉易發(fā)生褐變、酸敗、氧化變質(zhì)等現(xiàn)象，從而影響全麥粉儲藏穩(wěn)定性。此外，添加麥麩還會影響面團的筋力和持氣能力，改變面團的流變學性質(zhì)，使全麥食品質(zhì)構堅硬粗糙、感官品質(zhì)變差。申瑞玲等[168]的研究表明，隨著麥麩的增加，全麥粉面團的吸水率提高，形成時間基本不變，穩(wěn)定時間、拉伸曲線面積、延伸度、拉伸阻力和最大拉伸阻力下降，弱化度和粉質(zhì)指數(shù)變化范圍較大。對全麥面包的研究表明，儲存過程中，麩皮回添量越大，面包的體積、色澤及質(zhì)構等指標越差，面包越易變質(zhì)[169]。而通過 2000 W 40s 或 700 W 90 s 的微波處理，可顯著抑制全麥粉中微生物和多酚氧化酶的活性，提高其儲藏穩(wěn)定性[170]。擠壓處理也能控制全麥粉的脂肪酸敗，提高其儲藏穩(wěn)定性[171]。除此之外，擠壓處理也可改善全麥制品如全麥饅頭的口感[172]。

由前面幾章的研究內(nèi)容可知，TU、AEP 和 SFE 均可顯著降低麥麩植酸鹽含量，提高其鈣鐵鋅的生物利用率。然而，將處理后的麥麩回添到面粉中，對全麥粉及其制品的影響仍需經(jīng)一步探討。本章從全麥粉儲藏穩(wěn)定性、面團的流變學性質(zhì)及全麥饅頭的質(zhì)構特性和感官評價等三個方面探討降低麥麩植酸鹽含量對全麥粉加工品質(zhì)的影響。

......

6.3結果與討論
6.3.1對全麥粉儲藏穩(wěn)定性的影響
6.3.1.1 對全麥粉多酚氧化酶的影響

不同降低植酸鹽含量的處理對全麥粉 PPO 的影響如圖 6-1 所示，SFE 處理的全麥粉PPO 含量最低，TU 處理的全麥粉 PPO 含量略低于和 AEP 處理，而未處理的全麥粉 PPO活性最高。大部分 PPO 在 TU 處理過程中被直接去除，所以全麥粉的 PPO 含量較低。在 AEP 最后的烘干階段，長時間的烘烤使得 PPO 的活力被抑制，因此全麥粉的 PPO 含量低于未處理全麥粉。在 SFE 處理過程中，溫度可達 220 °C，糊粉層中的各種酶發(fā)生了不可逆失活，其中包括 PPO，因此 SFE 處理的全麥粉 PPO 含量最低。未儲藏的全麥粉PPO 活性均低于儲藏 90 d 后的全麥粉，這可能是因為進行全麥粉的麥麩儲藏在-20 °C 冰箱中，PPO 的活性未完全恢復。

......

主要結論與展望

主要結論
本論文從機械、生物和物理化學三個角度出發(fā)，提出了三條降低麥麩植酸鹽含量的新途徑。在此基礎上，深入研究分析了新途徑對降低麥麩植酸鹽含量的效果、工藝條件的影響和降低植酸鹽含量的機理。并系統(tǒng)研究了其對麥麩食品品質(zhì)和全麥粉加工品質(zhì)的影響。論文主要結論如下：
1. 從機械角度出發(fā)，利用齒輥碾磨結合超聲輔助水洗法直接去除麥麩的糊粉層內(nèi)容物，可使麥麩的植酸鹽含量降低 62.98%。其中，使用齒輥磨粉機破壞糊粉層上層的細胞壁，然后通過超聲輔助水洗將糊粉層內(nèi)容物溶解在水里，從而實現(xiàn)麥麩和糊粉層細胞內(nèi)容物的分離。
2. 從生物角度出發(fā)，通過誘發(fā)糊粉層細胞程序性死亡，促使其合成并分泌內(nèi)源植酸酶，進而酶解麥麩中的植酸鹽，在料液比 1:1，孵育溫度 55 °C 和孵育時間 80 min 的條件下，使之降解 70.09%。在本實驗條件下，添加酶激活劑（金屬離子、赤霉素和過氧化氫）反而抑制植酸鹽的酶解。微波加熱或儲藏時間過長均可抑制麥麩孵育過程中內(nèi)源植酸酶的激活和植酸鹽的酶解，說明激活內(nèi)源植酸酶法和糊粉層細胞的活力密切相關。對糊粉層細胞形態(tài)學的觀察，發(fā)現(xiàn)麥麩孵育后糊粉層細胞出現(xiàn)了細胞自溶現(xiàn)象，驗證了激活內(nèi)源植酸酶法和糊粉層細胞程序性死亡有關。
3. 從物理化學角度出發(fā)，研究蒸汽爆破法對麥麩植酸鹽含量的影響，結果表明，在麥麩粒度 14~20 目、蒸汽壓力 2.5 MPa、維壓時間 60 s 時，植酸鹽含量下降約 86.76%。通過分析植酸的熱穩(wěn)定性以及蒸汽爆破對麥麩 pH、多糖含量、無機磷含量、分子鍵、水解產(chǎn)物和組織結構的影響，確定蒸汽爆破降低麥麩植酸鹽含量的機理是，高溫高壓使半纖維素產(chǎn)生自水解、生成酸類物質(zhì)；同時破壞糊粉層細胞結構、使植酸鹽暴露出來，并通過打破 P-O-C 鍵使之在高溫下酸水解生成不具有抗營養(yǎng)效應的低磷酸肌醇酯。此外，在蒸汽爆破過程中，蒸汽壓力、維壓時間和麥麩的顏色變化(ΔE)呈正相關關系，其原因為麥麩中半纖維素的水解產(chǎn)物通過美拉德及焦糖化反應生成深色物質(zhì)，以及木質(zhì)素形成了紅色發(fā)色團。

4. 上述三種麥麩處理方式中，植酸鹽降低效果為蒸汽爆破處理>激活內(nèi)源植酸酶處理>齒輥碾磨結合超聲輔助水洗處理。Caco-2 細胞模型表明麥麩鈣鐵鋅生物利用率為蒸汽爆破處理>激活內(nèi)源植酸酶處理>未處理，其中，麥麩植酸鹽含量和鈣鐵鋅吸收、轉(zhuǎn)運和生物利用率呈顯著負相關。齒輥碾磨結合超聲輔助水洗處理的麥麩水解和游離氨基酸含量均有顯著降低，降低率分別為 46.15%和 58.20%，而可溶性膳食纖維略有下降（從4.47%下降到 3.25%），不溶性膳食纖維和總膳食纖維含量相對上升（分別為從 50.70%上升至 70.91%和從 55.17%上升至 74.17%）；激活內(nèi)源植酸酶處理可明顯降低麥麩水解和游離氨基酸含量，二者的降低率分別為 22.07%和 50.26%，可溶性膳食纖維（6.17%）略有上升，而不溶性膳食纖維和總膳食纖維（分別為 48.20%和 54.36%）沒有明顯變化；蒸汽爆破處理所得的麥麩水解和游離氨基酸降低率分別為 11.08%和 97.22%，可溶性膳食纖維含量增加至 7.55%，而不溶性膳食纖維和總膳食纖維均有不同程度的下降，分別為 32.72%和 40.27%。

......

參考文獻（略）

本文編號：43442