高海飞1,2，王岚2*，高强1，陈洪章2
1(天津科技大学 生物工程学院,工业发酵微生物教育部重点实验室，省部共建食品营养与安全国家重点实验室，天津市微生物代谢与发酵过程控制技术工程中心，天津，300457)2(中国科学院过程工程研究所，生化工程国家重点实验室，北京，100190)
摘 要 研究汽爆(steam explosion，SE)耦合同步糖化发酵(simultaneous saccharification and fermentation，SSF)新工艺对麦麸粉理化指标及感官评价的影响。汽爆麦麸粉是以蒸汽为汽爆介质，条件为0.8 MPa维压时间5 min，处理后的麦麸与纤维素/淀粉酶和乳酸菌/酵母进行组合预处理，分别对不同工艺下麦麸的理化指标和感官品质进行分析。结果表明，经过SCL组合预处理后麦麸粉的苦味值最低(22.9±2.89)，酸度(0.52±0.046) mol/L，pH值4.64，酸味适中；∣△E∣值达到最小为(25.6±2.58)，色泽为深红棕色，接近咖啡色；感官总分达到最高，变异系数最低，其数值分别为8.62分和8.78%。SCL组合预处理后麦麸的理化指标和感官品质得到了显著提高和改善，该结果对于麦麸在食品行业的应用和开发具有一定的指导意义。
关键词 麦麸；汽爆；同步糖化发酵；感官评价
DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.018644
第一作者：硕士研究生(王岚研究员为通讯作者，E-mail：Wanglan@ipe.ac.cn)。
基金项目：国家自然科学基金项目(31370075，31471725)；2017年度北京创新基地培育与发展专项基金(Z171100002217003)
收稿日期：2018-08-30，改回日期：2018-11-23
研究表明，麦麸中富含膳食纤维、抗氧化物质等成分，能够预防多种疾病[1]。但天然麦麸粉在食品行业的应用仍存在许多问题，如口感较差、感官吸引力低等[2]。目前，酶处理和/或发酵处理的方式是比较常见的解决方法之一[3]。然而，天然麦麸的酶解或发酵由于物料接触面积小等原因，往往存在着处理时间较长、处理效果较差等缺陷。因此，急需一种预处理工艺来提高酶解或发酵效率，进而提高麦麸的理化指标和感官品质。
汽爆技术是一种能改变原料的物理结构和化学组成的新型食品预处理技术。该技术主要是在高温低压环境下使水分渗入原料内部，然后瞬间释压，渗入的水分立即变为气态，产生类似“爆炸”的效果，从而改变原料的化学成分和物理结构[4]。在物理结构方面，物料完整的细胞壁结构遭到破坏，形成了大量的多孔网状结构[5]，这些结构能够增大酶与物料的接触面积，提高酶解速率；在化学组成方面，汽爆能将一些多糖降解为单糖或双糖，如葡萄糖、麦芽糖等，这些糖类物质可为微生物的生长提供一定碳源，促进微生物生长[6]。因此，汽爆预处理对提高同步糖化发酵效率，改善麦麸口感品质有重要意义[7]。
本文主要通过研究不同酶与发酵菌的组合预处理，旨在筛选出理化指标最好、感官品质最高的组合工艺，为麦麸在食品行业的应用和开发提供一定参考。
食用小麦麸，廊坊承泰能食品有限公司；生香活性干酵母，安琪酵母股份有限公司；乳酸发酵粉，北京川秀科技有限公司；耐高温α-淀粉酶，上海麦克林生化科技有限公司；纤维素酶，宁夏夏盛实业集团有限公司。
汽爆装置(20.0 L)，实验室自制(如图1所示)。原泰奇气引式粉碎机，日本佑崎有限公司；H/T16MM台式高速离心机，湖南赫西仪器装备有限公司；YS-6060台式分光测色仪，深圳市三恩时科技有限公司。
图1 汽爆实验装置示意图
Fig.1 Schematic diagram of the experimental apparatus for steam explosion
1.3.1 汽爆麦麸制备
取一定量的食用麦麸加入20%(质量分数)的蒸馏水，混合均匀，室温下浸润1 h，将湿润后的麦麸分为两部分，一部分直接放入到汽爆罐中，通入饱和蒸汽，0.8 MPa维压5 min后瞬间释压，收集汽爆后的样品，备用；另一部分加入50%(质量分数)的蒸馏水，常温下润麦1 h后，收集样品，备用。
1.3.2 汽爆麦麸同步糖化发酵
SSF不同酶/微生物处理麦麸组合如图2所示。对照组为汽爆麦麸(steam exploded wheat bran，SEW)，实验组分别为汽爆+(纤维素酶/乳酸菌)组合预处理麦麸(steam explosion-assisted cellulase/lactic acid bacteria wheat bran，SCL)、汽爆+纤维素酶酵母组合预处理麦麸(steam explosion-assisted cellulase/yeast wheat bran，SCY)、汽爆+(淀粉酶/乳酸菌)组合预处理麦麸(steam explosion-assisted amylase/lactic acid bacteria wheat bran，SAL)和汽爆+(淀粉酶/酵母)组合预处理麦麸(steam explosion-assisted amylase/yeast wheat bran，SAY)，共计形成5组不同实验组合。SSF发酵结束之后，将不同实验处理后的样品置于60 ℃的电热鼓风干燥箱过夜烘干，粉碎，最后，对粉碎的样品分析。
图2 汽爆耦合SSF工艺流程图
Fig.2 Process flow chart of steam explosion-assisted SSF
1.3.3 苦味指数测定
本实验采用苦味值测定评价麦麸样品的苦味指标。样品测定参照POPESCU等[8]方法，稍作修改。简单来说，称取10 g麦麸粉于50 mL锥形瓶中，加入20 mL蒸馏水，混匀，3 000 r/min离心10 min，取10 mL 上清液于50 mL具塞试管，加入0.5 mL 6 mol/L的HCl和20 mL异辛烷，手动振荡5 min后，3 000 r/min离心10 min，取离心后上清液于1 mL石英比色皿中，以纯异辛烷为对照在275 nm处进行比色。
1.3.4 甜度指数测定
根据李文生等[9]的研究，样品中可溶性糖含量与甜度的相关性最大。因此，本实验采用可溶性总糖含量评价麦麸粉样品的甜度。
可溶性多糖含量测定采用苯酚—硫酸法，得到线性回归方程为：y=0.667 5x+0.227 5，R2=0.993 8；可溶性还原糖测定采用DNS法，得到线性回归方程为：y=1.359x-0.799，R2=0.999 2。可溶性总糖含量的计算如公式(1)：
ω1=ω2+ω3
(1)
式中，ω1为总糖含量，mg/mL；ω2为多糖含量，mg/mL； ω3为还原糖含量,mg/mL。
1.3.5 酸化指数测定
本实验采用酸度(acidity)和pH值评价麦麸样品的酸化(acidification)指标。酸度和pH值测定参照魏炳栋等[10]的方法，取5 g麦麸粉，加入45 mL 蒸馏水，放入摇床中以100 r/min摇晃30 min，测定pH值并记录；然后取30 mL混合液3 000 r/min离心10 min后，取上清液10 mL，加入2滴酚酞试剂，用0.1 mol/L的NaOH进行滴定，30 s颜色不褪色即为滴定终点，记录NaOH消耗体积，酸度计算见公式(2)。
酸度
(2)
式中，C为NaOH的浓度,mol/L；V为NaOH消耗体积,mL；10为样品体积,mL。
1.3.6 色泽指数测定
参考GUO等[12]方法稍作修改，将不同组合处理后的样品使用色差仪分别测定L*、a*和b*值，△L、△a、△b和△E计算公式如式(3)、式(4)、式(5)、式(6)。
(3)
(4)
(5)
(6)
式中，u代表汽爆麦麸，t指不同组合实验麦麸。
1.3.7 分散性分析
参照李黎等[12]方法稍作修改，分别称量1、2、3、4、5 g麦麸于装有50 mL蒸馏水的烧杯中，用磁力搅拌器以300 r/min搅拌，记录麦麸粉完全分散于蒸馏水的时间，该时间为分散时间(dispersion time)，分散时间越短，分散性越好。
1.3.8 冲调粉感官评价
参照GB/T18738—2006，建议冲调粉感官评价标准如表1所示。请至少10名感官评价员进行口感评价，感官总分计算如公式(7)：
感官总分=色泽和外观评分×20%+香味评分×10%+冲调性评分×30%+口感评分×10%+滋味评分×30%
(7)
表1 感官评价标准
Table 1 Sensory evaluation criteria
注：1分代表最差，10分代表最好。下表同。
1.3.9 统计分析
采用Origin 6.0软件进行图形处理。
2.1.1 苦味指数分析
不同组合预处理苦味值分析结果显示(图3)，结果显示，与对照组SEW相比，经过汽爆耦合SSF工艺处理后，麦麸样品的苦味值均有一定程度的下降，其中，苦味值下降最显著的SCL组达到了(22.9±2.89)，该结果说明SCL组麦麸的苦味较低，口感更好。分析原因可能是SSF发酵过程中由于酶的作用使一部分苦味物质被降解，同时，微生物的活动也可能包埋一部分苦味物质[14]。
图3 不同处理工艺对麦麸苦味指数的影响
Fig.3 Effect of different treatment processes on the bitterness index of wheat bran
2.1.2 甜度指数分析
不同处理工艺下麦麸粉可溶性总糖分析结果如图4所示，与对照组SEW相比，SCL组中可溶性总糖含量提高最显著，其含量由(26.18±3.44) mg/mL增加到了(29.89±3.42) mg/mL，该结果说明SCL组中对麦麸滋味的影响最为明显，分析原因可能是由于麦麸经过汽爆处理后，麦麸细胞壁中的纤维素、半纤维素被降解，形成了大量的多孔结构[15]，这些结构有利于纤维素酶与麦麸充分接触，从而加快了反应体系的酶促糖化过程。
图4 不同处理工艺对麦麸甜度指数的影响
Fig.4 Effect of different treatment processes on the Sweetness index of wheat bran
2.1.3 酸化指数分析
对酸化指标测定结果如图5所示，酸度值最大的是SCL组，酸度为(0.52±0.046) mol/L，相应的pH值也呈现出较强的酸性，达到了4.64。可能是由于乳酸菌的活动产生了大量的乳酸等酸性物质造成的。而SEW组，SAL组，SAY组，SCY组相应的pH值为6.39，6.01，6.21，6.11。
图5 不同处理工艺对麦麸酸化指数的影响
Fig.5 Effect of different treatment processes on the acidification index of wheat bran
根据相关报道指出，当食物的pH值在4.5左右时能够明显抑制微生物的生长繁殖，从而延长食品货架期，除此之外，经过感官分析，SCL组麦麸酸度适中，口感良好，无平味。
2.1.4 色泽指数分析
研究表明，当△E值在0～15时，麦麸粉色泽稍有加深；当△E值在15～25时，呈浅红棕色；当△E值在25～30时，呈深红棕色，近似咖啡色。多次感官评价结果显示，该范围内样品溶液色泽更容易被人接受；当△E值在30以上时，呈黑褐色，色泽暗黑，难以被人接受。如图6-A所示，SEW、SAL、SAY、SCL和SCY组的△E值均在25以上，分析原因可能是由于高温下物料发生了美拉德反应和焦糖化反应生成黑褐色物质[16]，从而使麦麸颜色加深；但是，与SEW组相比，其他各组经过新工艺处理后，麦麸粉颜色明显下降，其△E值均在25～30，麦麸粉色泽得到显著改善(如图6-B)。
图6 不同处理工艺对麦麸色泽指数的影响
Fig.6 Effect of different treatment processes on the color index of wheat bran
2.1.5 冲调分散性指数分析
麦麸粉冲调分散性结果如图7所示，与对照组SEW相比，经过新工艺处理后麦麸粉的分散时间均明显增加，冲调性下降，其中，冲调性最差的是SCL组，在质量浓度为20、40、60、80、100 mg/mL时，其分散时间分别为13.18、18.24、22.07、26.96、37.24 s，该结果表明，汽爆耦合SSF工艺对麦麸粉的冲调性会带来一定的不利影响。可能是汽爆使大量纤维素、半纤维素等物质被降解，再加上纤维素酶和乳酸菌的作用使得麦麸粉中可溶性糖含量显著提高，这些可溶性糖在与水接触后会形成黏度较高且不易透水的结构，在机械搅拌下，可以包容麦麸粉干粉从而造成麦麸粉结块[17]，使分散时间上升。
然后，又对SCL组不同浓度麦麸冲调粉进行了感官评定，感官总分结果显示(表2)，当冲调粉质量浓度在60 mg/mL时感官总分最高，达到了(9.15±1.12)分。
图7 不同处理工艺对麦麸冲调分散指数的影响
Fig.7 Effect of different treatment processes on the dispensed dispersion index of wheat bran
表2 不同浓度麦麸冲调粉感官总分
Table 2 Total sensory scores of different concentrations of wheat bran
注：1分代表最差，10分代表最好。
2.2.1 感官评定分析
根据2.1.5结果，分别取6 g麦麸粉样品加入到100 mL(质量浓度为60 mg/mL)的70 ℃饮用水中。感官评定结果如图8所示，色泽和外观的最佳评分是SCL组，其评分为9.24，感官评价描述为该组样品色泽为深红棕色(接近咖啡色)；香气和滋味最高评分是SCL组，其评分分别为9.14和9.08，感官描述显示该组麦麸样品香味浓郁，有明显乳酸菌发酵香味，同时，无后苦或刺激性味道；滋味评分最高的是SAL和SCL组，其分值分别为8.62和8.86，该结果可能是由汽爆与酶解和发酵的协同作用引起的；但是，汽爆后SCL组的冲调性却明显低于其他组，感官描述显示SCL组样品出现明显的结块现象，极大地影响了麦麸粉样品的冲调性，其结果与2.1.5一致；样品的砂砾感并没有显著差异，感官描述为麦麸粉样品均表现为口感细腻，无明显砂砾感，饮后杯底无颗粒沉淀，可能与超微粉碎后麦麸样品的粒径均发生明显下降有关[18]。
图8 不同处理工艺麦麸粉感官评定结果
Fig.8 Sensory profiling of wheat bran powders by obtained from different treatment processes
2.2.2 感官总分分析
感官评价总分结果显示如表3所示，感官评价总分平均值最高的是SCL组，为8.62，同时，SCL组的变异系数也是最低的，仅为8.78%，该结果说明SCL组普遍被感官评价员所接受，这可能与汽爆破坏麦麸物理结构和化学组成，以及纤维素酶和乳酸菌的作用有着密切关系。
表3 麦麸粉感官评价总分结果(n=10)
Table 3 Result of sensory evaluation total score of wheat bran powder (n=10)
本研究通过汽爆耦合不同酶/微生物对麦麸进行组合预处理，旨在筛选出理化指标最好、感官品质最佳的组合预处理工艺。麦麸粉经过SCL组合预处理后，其色泽、香味、滋味等均有了显著的提高和改善，感官总分达到最大，变异系数最低，该结果得到了绝大多数感官评价员的认可。因此，采用汽爆耦合纤维素酶/乳酸菌(SCL)组合处理新工艺对于提高麦麸理化指标、改善麦麸感官品质有着重要的意义。该结果对麦麸在食品行业的应用和开发具有一定指导价值。
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GAO Haifei1,2，WANG Lan2*，GAO Qiang1，CHEN Hongzhang2
1 (The Key Laboratory of Industrial Fermentation Microbiology of Ministry of Education, State Key Laboratory of Food Nutrition and Safety, Tianjin Engineering Research Center of Microbial Metabolism and Fermentation Process Control，College of Biotechnology, Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300457，China) 2 (State Key Laboratory of Biochemical Engineering，Institute of Process Engineering，Chinese Academy of Science，Beijing 100190，China)
ABSTRACT Wheat bran was firstly treated by steam explosion for 5 min at 0.8 MPa, followed by hydrolysis with cellulose or 
-amylase in combination with Lactobacillus or yeast fermentation. Physiochemical indexes and sensory quality of treated wheat bran powder were evaluated. The results showed that the wheat bran powder treated by steam explosion-assisted with cellulase/lactic acid bacteria (SCL) had the lowest bitterness value (22.9±2.89), and its acidity was (0.52±0.046) mol/L. Its pH value was 4.64 with moderate sourness. Its ∣△E∣ reached a minimum of (25.6±2.58), and its color was close to brownness. It had the highest sensory score with the lowest variable coefficient, which were 8.62 and 8.78%, respectively. In conclusion, the SCL pretreatment significantly improved the physiochemical indexes and sensory quality of wheat bran powder. The results have certain significance for applying and developing the use of wheat bran in food industries.
Key words wheat bran；steam explosion；simultaneous saccharification and fermentation (SSF)；sensory score