通过蒸汽爆炸改善小麦麸皮的功能特性：来自结构特征、生物活性和代谢组学分析的见解

《Food Chemistry》：Improving functional properties of wheat bran by steam explosion: Insights from structural characteristics, biological activities and metabolomics analyses

小麦麸皮经蒸汽爆破预处理后显著提升酚类、黄酮类化合物含量及抗氧化活性，同时改善结晶指数和热稳定性，代谢组学分析显示1938种差异代谢物富集于辅酶合成和色氨酸/酪氨酸代谢通路。

　　

冯孔|岳丽|卢红润

山东药学院与食品工程学院，山东省蛋白质和肽类药物应用技术重点实验室，聊城市，252000，中国。

摘要

本研究探讨了烘烤、高压灭菌、微波处理和蒸汽爆破（SE）对小麦麸皮粉末的结构特性、化学组成和生物活性的影响。与其他处理方法相比，蒸汽爆破显著提高了总酚类和总黄酮的含量，分别增加了44.08%–75.58%和21.04%–74.77%。这导致DPPH和ABTS自由基清除活性分别提高了21.62%–113.53%和35.27%–38.61%，同时酪氨酸酶抑制活性也提高了59.78%–225.64%。此外，蒸汽爆破处理还改善了小麦麸皮的总结晶度指数、氢键强度和热稳定性。非靶向LC-MS代谢组学分析显示了广泛的代谢重编程，有1938种差异表达的代谢物（1120种上调，818种下调）。富集分析突出了辅因子生物合成以及色氨酸和酪氨酸代谢的显著变化。这些发现表明，蒸汽爆破诱导了有益的结构和代谢变化，共同增强了小麦麸皮的功能特性，为其作为增值功能性食品成分的应用提供了坚实的科学基础。

引言

小麦是全球重要的谷物作物，为大量人口提供主要的大量营养素和微量营养素（Gupta等人，2025；Zhu等人，2022）。作为小麦加工的主要副产品，小麦麸皮因其丰富的营养成分和有益的生理作用而受到广泛关注（Kong等人，2020）。它含有大约14–25%的淀粉、13–18%的蛋白质、11%的纤维素、11–26%的半纤维素和5%的木质素（Apprich等人，2014；Shang等人，2021），以及抗氧化剂、维生素和矿物质等其他健康促进成分（Deng等人，2025）。麸皮能够调节食欲信号通路，改变餐后葡萄糖代谢，并通过清除自由基发挥益生元和抗氧化剂的作用（Prückler等人，2014）。然而，天然小麦麸皮往往不符合高级食品制造应用的具体营养和物理化学要求。由于其高含量的膳食纤维（主要由细胞壁成分组成），这些纤维成为结构屏障，限制了细胞壁结合或细胞内生物活性化合物的释放，从而限制了小麦麸皮的生物效力。

为了提高生物活性化合物的释放并改善麸皮的功能特性，人们探索了多种预处理方法，包括高压灭菌（Li等人，2024）、烘烤（Chen等人，2019）、微波处理（Xu等人，2025）和蒸汽爆破（Kong等人，2022）。高压灭菌通过热水解酚酸和多糖之间的酯键，增加游离酚酸的含量（Rico等人，2020）并增强麸皮的抗氧化活性（B. ?zkaya等人，2017）。烘烤通过物理化学和结构变化改变食品基质，将大分子（如聚合物）分解为更简单的形式（如糖），从而提高消化率和生物利用度（Sruthi等人，2021）。Saroj等人（2024）的先前研究表明，应用微波技术处理小麦麸皮显著改变了其组成，特别是提高了可溶性膳食纤维和生物活性化合物的水平，同时减少了不溶性膳食纤维的比例并提高了结晶度，这归因于从非晶区域有效去除了半纤维素。蒸汽爆破是一种环保高效的预处理技术，利用高压饱和蒸汽在一定时间内处理材料，然后通过高温蒸汽烹饪过程中的热反应和快速减压过程中的物理撕裂作用进行改性（Zeng等人，2022）。这一过程在谷物加工领域引起了广泛关注（Dang等人，2022；Gong等人，2012；Hu等人，2020）。蒸汽爆破过程引发了多种化学和物理反应，包括纤维改性、淀粉糊化、蛋白质变性和美拉德反应（Kong等人，2021；Kong、Li、Xue、Ding等人，2022；Kong、Zeng、Li、Guo等人，2022；Sui等人，2018）。先前的研究表明，蒸汽爆破是一种有效的预处理方法，可以改善小麦麸皮的储存性能和营养价值。它选择性地将不溶性膳食纤维转化为可溶性形式，同时保持总膳食纤维含量，从而提高了材料的生物利用度和研磨效率（Kong、Wang、Chen和Zhao，2021；Kong、Wang、Gao和Chen，2020）。将小麦麸皮研磨成细粉或添加到食品中可以更好地利用其价值。此外，这一过程显著提高了可溶性膳食纤维和酚类化合物的含量，从而增强了其抗氧化和抗增殖特性（Chen等人，2016；Kong等人，2020；Sui等人，2018）。此外，蒸汽爆破的高温可靠地灭活了脂肪酶和过氧化物酶等酶，提高了储存稳定性（Kong等人，2021），并显著降低了植酸含量（Guo等人，2015）。此外，该技术还对小麦麸皮制成的非酶促褐化产品的风味特性有重要影响（Zhao等人，2021）。鉴于这些综合优势，蒸汽爆破成为小麦麸皮工业应用的重要预处理工艺，可生产出适合用于丰富面粉基食品的功能性成分。然而，目前尚缺乏关于蒸汽爆破、烘烤、高压灭菌和微波处理对小麦麸皮质量特性影响的比较研究。

代谢组学作为一种强大的组学技术，在食品加工和转化研究中得到广泛应用。食品材料中的许多化合物在加工过程中会发生物理化学变化，这些变化最终决定了最终产品的质量特性（Utpott等人，2022）。这种方法已被用于评估各种食品加工方法的影响，包括加热（Teegarden等人，2019）、干燥（Sun等人，2018）、发酵（Lee等人，2011）、挤压（Y.-L. Guo等人，2020）和烘烤（Salem等人，2022；Zhou等人，2019）。代谢组学分析已被用于评估加工参数（如挤压温度）对白藜麦质量的影响（Song & Tang，2023）、确定超声波-微波干预对柑橘粉中黄酮含量的影响（F. Wang等人，2024），以及分析Okara发酵过程中功能性化合物的变化（Zhan等人，2023）。此外，还使用代谢组学技术对谷物中的特定代谢物进行了全面分析（Zhu等人，2022）。在谷物的外壳、麸皮、面粉和全谷物中鉴定出了许多次级代谢物，包括酚酸、黄酮类、脂肪酰基和有机酸（Ribeiro da Silva Lima等人，2024）。鉴于食品加工方法可以改变小麦麸皮的化学组成和生物活性，使用代谢组学方法阐明加工过程中化学化合物的具体变化至关重要。现有证据表明，蒸汽爆破在提高小麦麸皮的营养成分和功能特性方面具有有效性。然而，系统地阐明其背后的代谢组学变化对于全面理解这种加工方法对麸皮质量的影响仍然十分重要。据我们所知，尚未有研究探讨蒸汽爆破过程中的代谢物变化及其对小麦麸皮整体代谢途径的影响。

因此，本研究旨在比较蒸汽爆破、高压灭菌、微波处理和烘烤对小麦麸皮的颜色参数、结构特性、抗氧化化合物和生物活性的影响。在这些处理方法中，蒸汽爆破在抗氧化化合物和生物活性方面的增强效果最为显著。我们假设蒸汽爆破主要通过破坏细胞壁结构来改善小麦麸皮的功能特性，从而促进结合态酚类和黄酮类化合物的释放，并进一步诱导代谢重编程。为了验证这一假设，我们还采用了基于LC-MS的非靶向代谢组学方法来研究蒸汽爆破对小麦麸皮代谢谱的影响，并将这些代谢物与其生化途径联系起来，以阐明蒸汽爆破激活的代谢过程。这项研究增强了人们对蒸汽爆破对小麦麸皮粉末功能特性和代谢物影响的理解，为相关食品加工应用的质量改进提供了有价值的参考。

材料

本研究中使用的所有试剂均为商业购买的产品。具体来说，小麦麸皮购自中国安徽的陈西有机饲料事业部。未对其进行任何预处理，以确保其处于原始状态。自由基清除剂2,2-二苯基-1-吡啶肼（DPPH）、酪氨酸酶（目录号T828256，活性≥500 U/mg）和2,2′-偶氮双（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）的二铵盐（ABTS）由上海Macklin生化有限公司提供。

小麦麸皮粉末的颜色参数

图1显示了经过不同处理的小麦麸皮粉末的颜色参数。SWB与其他样品相比表现出明显的颜色变化，其L*值显著降低（表明颜色更深），褐变指数更高。这些变化可能是由于蒸汽爆破的水热条件促进了焦糖化和美拉德反应（Kong等人，2022）。SWB的a*值明显较低，表明其绿色成分减少

结论

本研究评估了多种预处理方法——特别是蒸汽爆破、高压灭菌、微波处理和烘烤——对小麦麸皮的结构特性、抗氧化成分和活性以及酪氨酸酶抑制潜力的影响。虽然所有处理方法都在不同程度上改变了小麦麸皮，但蒸汽爆破被证明是提高其生物活性潜力的最有效策略。

CRediT作者贡献声明

冯孔：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，研究，资金获取，概念构思。岳丽：研究。卢红润：研究。

未引用的参考文献

Barros Santos, P. Gomes, Fernández-Ochoa 和 Sim?es Larraz Ferreira, 2024

Guo等人，2020

Guo等人，2020

Kong, Li, Zhang, Zeng 和 Guo, 2022

Kong, Zeng, Li, Zhao 和 Guo, 2022

Li等人，2025

Li等人，2025

Liu等人，2021

Liu, Zhang, Wang 和 Hou, 2021

?zkaya, Turksoy, ?zkaya 和 Duman, 2017

?zkaya, ?zkaya, Duman 和 Turksoy, 2017

Wang等人，2024

Wang等人，2012

Wang等人，2012

Wang等人，2024

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

以下项目为本研究提供了财务支持：山东省自然科学基金（ZR2022QC242）、山东省科技中小企业创新能力提升项目（2023TSGC0377）、聊城科技中小企业提升计划（2023PDJH22）、山东省企业技术创新项目计划（2025537150000182）、聊城大学畜牧学科开放项目（31946220714）等。