小麥麩皮生物加工及其在面制品中應用研究進展

劉　姣,汪麗萍,譚　斌,*,吳衛國

(1.國家糧食局科學研究院,北京 100037;2.湖南農業大學,湖南長沙 410128)

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小麥麩皮生物加工及其在面制品中應用研究進展

劉姣1,2,汪麗萍1,譚斌1,*,吳衛國2

(1.國家糧食局科學研究院,北京 100037;2.湖南農業大學,湖南長沙 410128)

麩皮是小麥加工主要副產物。麩皮中含有豐富的膳食纖維和生物活性物質,對人類健康產生有益影響。麩皮作為配料在食品中的應用會提高產品的營養品質,但大量麩皮的添加會使得產品的感官品質顯著下降。已有的研究表明,對麩皮進行適當的生物加工處理會明顯改善麩皮添加產品的感官品質,并大大提高營養價值。本文綜述了近年來麩皮的酶處理和發酵等生物加工技術及其在面制品中的應用研究進展,旨在指導進一步的科學研究,提高麩皮的食品加工應用價值。

麩皮,酶處理,發酵,應用

隨著人們生活水平的提高,消費者對天然營養健康食品越來越關注,全谷物作為一大類健康谷物食品,引起了消費者的極大興趣。近年來在國內外市場上已經出現了許多諸如全麥粉、全麥面包、糙米、糙米制品及雜糧類產品等全谷物產品,并且展開了相關研究。其中,全麥的研究較為廣泛,目前國際上全麥粉的生產主要分為兩種方式:一是整粒磨粉法,將小麥整粒研磨而成;二是麩皮回添法,將小麥麩皮如數回添到面粉中[1]。小麥麩皮具有重要的營養學特性,富含纖維素和半纖維素、蛋白質、脂肪、礦物質、維生素、低聚糖以及植酸酶、β-淀粉酶等成分,是人體植物雌激素的重要食物來源,具有抗癌、抗衰老、減肥、減少憩室病、膽結石和結腸癌發生等重要生理功能[2]。麩皮是小麥加工主要副產物,據2011年國家糧食局糧食加工業統計資料,小麥麩皮產量約為小麥加工年生產能力的14.8%,我國小麥麩皮產量多達2639萬噸,占小麥加工副產物產量的95.7%。在過去十年中,由于對麥麩的深度開發技術尚處于較低水平,絕大部分的麩皮僅用于釀酒、飼料等領域,極少有麥麩食品上市,食品和商品價值較低。然而,近些年越來越受到人們的關注,小麥麩皮加工利用方面的文獻報道逐漸增多,主要集中在麥麩膳食纖維的開發利用,阿拉伯木聚糖、戊聚糖、阿魏酸、植酸及對羥基肉桂酸的制備等[3-4],其中在食品中的應用主要集中于發酵焙烤制品。

由于一些技術缺陷,在食品應用中麩皮比精制谷物更具有挑戰性和有限性。例如,在面包中添加麩皮通常會弱化面團的結構和焙烤品質,減少面包的體積和面包瓤的彈性,降低面包的整體質量[5]。要得到性狀較好的麥麩產品,需要在工藝上進行改進。生物工藝目前被認為是提高麩皮營養和加工功能的一種有效工具。生物處理影響谷物的結構,通過改善其成分可以增強它們的促健康功能和加工性能。本文著重介紹了提高麩皮的營養和加工性能的最新的生物加工方法,主要包括酶處理和生物發酵,致力于開發高附加值的全麥食品。

1　酶工藝

麩皮中含有豐富的膳食纖維和許多不同的生物活性物質,對人體健康產生有益影響。在麩皮中,通過酶制劑來溶解膳食纖維和改善細胞壁的復雜結構是目前研究最多的一種提高麩皮營養和加工性能的方法。與傳統的改良劑相比,酶制劑具有顯著的優點:它不會殘留有害的物質;酶的催化反應具有高效性和高度專一性;酶反應條件溫和、能耗較低、易操作,營養成分損失少[6]。在酶加工工藝中,應用最多的酶制劑主要有木聚糖酶、纖維素酶、阿魏酸酯酶等,它們在改善麩皮營養和加工性能方面有相應的輔助作用。

1.1木聚糖酶

木聚糖酶是一種半纖維素酶,所謂半纖維素酶是指不能水解由β-葡萄糖構成的多糖(纖維素),而只能水解由戊糖或葡萄糖、果糖以外的己糖聚合而成的多糖(半纖維素)的一類酶,木聚糖酶分為內切型木聚糖酶和外切型木糖苷酶兩種。前者可從木聚糖分子內部任意切開β-1,4鍵,生成不同聚合度的低聚木糖,而后者則是從木聚糖鏈末端依次切下木糖分子[3]。木聚糖酶能夠降解水不溶性阿拉伯木聚糖(WUAX),從而導致其主鏈結構中的分裂,讓更多的水通過細胞壁物質得以吸收[7]。

小麥麩皮膳食纖維包含阿拉伯木聚糖(AX)、纖維素、木質素和β-D-葡聚糖[8]。AX是最主要的成分,它具有增強免疫力、抗腫瘤、降血脂、降血糖、清除自由基抗氧化、減肥、潤腸通便等生理活性[9],同時具有高分子量、高粘度性、高持水性和氧化凝膠等理化特性,對于小麥麩皮的功能性質有重要影響[5]。近年來在研究酶法改善麩皮性能的過程中,提高AX的溶解度是一個重要的目標。Figueroa[10]等人通過三種木聚糖酶對八種不同條件下擠壓處理的黑麥麩皮進行酶解來找到一種提高AX溶解度的物理方法,研究發現使用從枯草芽孢桿菌中提取出來的木聚糖酶處理高溫擠壓的麩皮能夠使AX更好的溶解,而用此酶酶解高剪切處理的麩皮并沒有提高AX的溶解性。此外,在木聚糖酶處理麩皮的過程中,水分含量也是影響AX溶解度的一個重要因素。Outi Santala[11]等人研究了20%～90%水分含量時木聚糖酶對麩皮的處理效率,結果顯示40%和90%水分含量時AX溶解度比50%～80%時的溶解度要高。40%水分含量時AX溶解度高可能是由于剪切力的物理作用打破麩皮細胞壁,從而提高了AX的溶解度。

1.2纖維素酶

纖維素酶是一類能夠將纖維素降解為葡萄糖的多組分酶系的總稱,它們協同作用,分解纖維素產生寡糖和纖維二糖,最終水解為葡萄糖。傳統上將其分為三類:內切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶[12]。

小麥麩皮常被用作動物飼料,但因含有較高的纖維素類物質而限制了其在動物飼料配方中的用量,利用纖維素酶酶解小麥麩皮中纖維素是解決這一問題的有效途徑之一。王在貴[13]等人采用還原糖法研究了不同酶解溫度、時間、pH及酶濃度條件對纖維素酶酶解小麥麩皮效果的影響。研究發現纖維素酶酶解小麥麩皮的最適條件為:酶解溫度37 ℃,時間15 min,pH6,最適酶濃度0.04 IU/mL。此外,由于纖維素酶可以水解纖維素,從而破壞植物細胞壁,有利于麩皮中活性物質的大量溶出,因此纖維素酶通常也用于麩皮中總黃酮的提取,纖維素酶法提取條件溫和,質量好,生產安全,能保證黃酮等物質的生物活性[14]。

1.3阿魏酸酯酶

阿魏酸酯酶(ferulie acid esterase,FAE)又稱肉桂酸酯酶,是羧酸酯水解酶的一個亞類,也是一種胞外酶。它的主要功能是水解植物細胞壁中多糖與阿魏酸連接的酯鍵,釋放出游離的單體阿魏酸或阿魏酸二聚體[15]。

麩皮是低分子量的酚類化合物的重要來源,其中,阿魏酸(FA)是含量最多和研究最多的一種酚類化合物,因為它是一種天然有效的抗氧化劑,具有清除氧自由基、降低膽固醇、抗血栓和動脈粥樣硬化、抗菌消炎、抗腫瘤、抗衰老、抗病毒、抗紫外輻射等生理功能[16]。并且FA毒性很低,在日本和美國,FA己被作為抗氧化劑應用于食品加工中[17]。然而,大多數的阿魏酸被酯化而制約了生物有效性和生物利用度,阿魏酸酯酶水解麩皮制備FA由于其反應條件溫和,專一性強,對環境友好已成為廣泛研究的熱點。在植物細胞壁上,FA連接于木聚糖側鏈,纖維素與木聚糖之間形成的空間阻礙是影響FAE作用的因素之一,單一使用FAE,并不能很好地滲入木聚糖分子內部,影響酶與底物的有效接觸,導致水解率低。已有報道表明,FAE可以協同木聚糖酶等半纖維素酶提高植物纖維質中FA的釋放量,在料液比8%,溫度40 ℃,時間24 h,pH4.4的最適酶解條件下,可以釋放出淀粉玉米麩皮中23.5%的阿魏酸[18]。另外在纖維素酶的協同作用下,阿魏酸酯酶水解釋放阿魏酸效率也有明顯提高,曾妍[19]等人研究在阿魏酸酯酶添加量30 U,纖維素酶添加量70 U,水解時間為10 h,水解溫度為40 ℃,水解pH為5.0,料液質量體積比為1∶30(g/mL)時,小麥麩皮中阿魏酸的釋放率為23.6%,而單獨使用阿魏酸酯酶30 U時阿魏酸的釋放率僅為4.1%。

1.4復合酶

麩皮結構較復雜,要使麩皮中的木聚糖完全降解需要多種特異性和作用模式的幾種水解酶復合物共同作用。

復合酶制劑通過幾種酶制劑之間的協同作用降解麩皮中的纖維素、木聚糖等成分能達到比單一酶更加顯著的效果。李玉忠[20]等人采用纖維素酶、半纖維素酶和木聚糖酶對小麥麩皮進行酶解,明顯改善了麩皮的性狀,由粗糙變為細膩,提高了其適口性、可食性;小麥麩皮經過復合酶解,營養成分如阿魏酸和煙酸也有顯著提高,分別比原有量提高了4.8倍和29倍。Karin Petersson[21]也用木聚糖酶、內切葡聚糖酶、β-葡聚糖酶、阿魏酸酯酶和α-阿拉伯糖苷酶酶解黑麥和小麥麩皮,麩皮的持水能力和水相的粘度沒有增加,而膳食纖維被大量溶解,不溶物含量降低。

2　生物發酵

從營養學的角度來看,最近幾年對麩皮生物加工的主要方向是增加其體內和體外酚酸和可溶性膳食纖維的生物有效性。發酵有利于麩皮活性的增強和增加葉酸、酚類化合物、FA和可溶性戊聚糖的濃度[22],并且同時使用微生物發酵法和酶水解會使這種效果更加明顯[23]。目前,國內外麩皮發酵主要有兩種方式:一是利用自然環境中的微生物進行發酵的過程;二是借助發酵菌對麩皮進行發酵的過程,這種方式是當前占主導地位的麩皮發酵方式。在非自然發酵方式中,應用最多的發酵菌主要有酵母菌、乳酸菌等,它們在改善麩皮營養和加工性能方面有相應的輔助作用。

2.1干酵母

干酵母是一種經某種方式干燥并保留其大部分的發酵能力,不含任何谷物或其他填充物的酵母產品,每克活性干酵母產品必須含有不少于150億個活酵母細胞。活性干酵母是美國FDA允許飼用的益生菌,也是中國批準使用的益生菌品種,是一種天然添加劑[24]。

王立克[25]等利用酵母在不同時間和溫度的條件下對小麥麩皮進行生物發酵,發現發酵后的麩皮營養成分較原樣均有極顯著的改變(p<0.01),當麩皮發酵時間為18 h、溫度為35 ℃、濕度為58%時,乙醚浸提物含量提高了73.68%,粗蛋白含量提高了119.59%,麩皮的營養價值得到明顯提高。此外,用高活性干酵母發酵麩皮能夠提高麩皮的抗氧化性能,李秀利[26]等人對大麥麩皮酵母發酵液的還原能力、DPPH自由基清除能力和羥基自由基清除能力進行測定,結果發現大麥麩皮發酵液中多酚含量隨著發酵時間的增加而增加,發酵6 d達到最大值,發酵6 d的發酵液還原能力和DPPH自由基清除能力要比300 μg/mL的抗壞血酸和BHT強。由此可見,利用干酵母發酵麩皮對于提高麩皮的利用價值有著無與倫比的優點和巨大的發展潛力。

2.2乳酸菌

乳酸菌(Lactic acid bacterium,LAB)是一類能發酵可利用碳水化合物(如葡萄糖或乳糖)產生乳酸的革蘭氏陽性細菌[27]。它可以在發酵過程中產生各種活性物質如有機酸、過氧化氫、雙乙酰、細菌素等,不僅對食品的風味有改善作用,而且可抑制腐敗菌及病原菌故有利于食品的保存[28]。

孫中超[29]等人以小麥麩皮為原料,添加植物乳桿菌液,調節料液比為1∶1.5,25～50 ℃發酵2～3 d,烘干粉碎得到固態發酵麩皮,經此方法發酵的麩皮呈金黃色,富含乳酸、大量益生菌及小肽,具有濃郁香氣,抗氧化能力較原料有大幅提升,經發酵后植酸及主要霉菌毒素均未檢測到。任科潤[30]等人采用麩皮等為原料,以植物乳桿菌L. casei Zhang p8為發酵菌種,在發酵溫度34 ℃、接種量12%、含水量50%、料量50 g條件下發酵60 h,植物乳桿菌L. casei Zhang p8菌落可以達到39.8×108cfu/g,在此條件下制備的益生菌制劑提高了麩皮等的附加值,降低了成本,提高了經濟效益。因此,利用麥麩獲得高營養價值和高經濟價值的深加工產品益生菌,對小麥麩皮進一步深加工具有重要意義。

2.3復合菌

復合菌發酵一般指兩種或三種以上的發酵菌共同發酵。在傳統的發酵方式中,發酵菌群除主要含有酵母菌外,還含有一定數量的其他微生物群,如乳酸菌、醋酸菌,它們共同發酵能夠產生出二氧化碳、乙醇、乳酸、醋酸等物質以及少量的風味輔助物質[31]。

曹香林[32]等人選用不同比例組合的枯草芽孢桿菌、酵母菌及乳酸菌發酵麩皮,粗蛋白質含量較發酵之前提高了56.56%,經離體消化研究發現,發酵麩皮的干物質和粗蛋白質消化率均較發酵前有明顯提高。楊旭[33]等人以普通麩皮為原料,以黑曲霉、納豆芽孢桿菌、釀酒酵母和糞鏈球菌(0.5∶2∶10∶4)進行混菌固態發酵,在37 ℃發酵48 h,發酵麩皮中有益菌總數達到109個/g干物料,粗蛋白含量(絕干)由16.1%提高為20.97%,粗纖維含量由10.5%降低為5.32%,產品有很濃郁的酸香味。

3　生物處理麩皮在面制品中的應用

在面制品加工方面,天然麩皮的添加對于產品品質的劣化較為顯著,例如它對面包的體積和結構有負面的影響,主要在于對面筋基質的改變,最終影響了面包的整體風味[34]。因此,為了解決這些問題,小麥麩皮的生物處理已經用于面制品中。目前生物處理麩皮在國內饅頭工業上的應用還在起步階段,在面條工業上的應用還是一個空白,但是在國內外烘焙領域已經得到了廣泛的應用,主要分為三種方式:酶處理、發酵處理以及兩者協同作用。

3.1酶處理麩皮

酶處理麩皮在國內外面制品中應用最多的是在面包工業中,其作用主要是增大產品的體積,改善產品的內部組織結構,增強面團的延展性和彈韌性,延長貨架期。例如,在面團揉制過程中,適量的木聚糖酶能夠促使部分的水不溶性阿拉伯木聚糖(WUAX)溶解,消除了WUAX對于面包品質的負面影響,另一方面水溶性阿拉伯木聚糖(WEAX)在醒發過程和焙烤初期的適當降解,使附著在面筋蛋白質膜表面的AX黏度下降,從而促使面筋蛋白質膜延伸性增加,但是面團的穩定性和面筋的網絡結構并未受到破壞,使得質構改善、面包芯的均勻性提高[35]。特別是,耐熱的木聚糖酶的使用能夠抵消當小麥麩皮添加到面包中而造成面包體積減小的負面影響[36]。此外,復配型酶制劑處理麩皮對面制品的改良效果更佳,嚴曉鵬[35]等人發現復配型酶制劑通過幾種酶制劑之間的協同作用可以降解麩皮中的纖維素、木聚糖,減少其對面團的劣化作用,并強化了面筋結構,提高了面團的柔軟度,并得出復配型酶制劑的最佳配比:纖維素酶30 mg/kg,木聚糖酶25 mg/kg,葡萄糖氧化酶35 mg/kg,真菌a-淀粉酶25 mg/kg,在此條件下對麩皮面包品質具有顯著的改善效果。

3.2發酵處理麩皮

發酵技術除了可以使蛋白質的消化率提高,也可以降低淀粉的消化率和血糖反應,目前已經應用于全麥和含有麩皮的發酵焙烤食品[37-38]。在烘烤之前用選擇性的乳酸菌和酵母來處理小麥和黑麥麩皮是能夠增大面包體積,改善面包瓤結構和口味,提高面包的保質期[39]。酵母發酵對麩皮的加工性能和營養功能產生積極的影響,它提高了全谷物和富含纖維產品的質地和適口性,特別是增加了產品的風味,與沒有發酵的麩皮相比,生物處理過的麩皮做成的面包沒有麩皮面包特有的粗糙的口感[23]。發酵在饅頭工業中的應用與在面包工業中類似,采用復合菌發酵(酵母、乳酸菌和甜酒曲),所得麩皮饅頭呈現淺咖啡色,氣孔細密均勻,表面光滑,感官品質為85.7分[40]。此外,不同的發酵方式對面制品的影響也有不同,用酵母或者同時用酵母和乳酸菌處理小麥麩皮比自然發酵處理麩皮做成的面包體積更大,口感更好,貨架期更長[41]。

3.3酶制劑協同生物發酵處理麩皮

為達到更加理想的效果,生物發酵往往結合酶工藝用于麩皮處理來生產麥麩食品。K Katina[42]等人研究了酵母和乳酸菌結合復合酶(a-淀粉酶、木聚糖酶和脂肪酶)對麥麩面包體積、老化和微觀結構的影響,結果表明麩皮發酵改善了面筋網絡結構,并可在貯藏過程中改變淀粉、蛋白質和麩皮顆粒間的水分遷移,而酶的作用是改善了儲藏過程中面包的體積和減少淀粉的結晶,兩者結合使面包品質達到最好。此外,麩皮的顆粒細度對麩皮生物處理也有影響,采用短乳桿菌和釀酒酵母菌結合復合水解酶處理麩皮的顆粒細度在160 μm的麩皮,所制的面包有最好的口感、體積和貨架期[43]。

4　展望

全谷物加工技術涉及產品口感、風味、色澤、質構等的變化與控制,營養與功能性組分的保留與生物有效性控制,產品穩定性與貨架期的控制,微生物污染與控制及產品的多元化開發等諸多問題。到目前為止,在考慮到全麥產品的加工技術和感官性能時,在食品中添加麩皮依然是一項艱巨的任務。生物工藝被認為是一種高效、環保的工具，能夠使麩皮的結構達到滿意的改變,最近的研究結果也都表明它是改善麩皮功能和可口性的先決條件,對特定結構有針對性的修改能夠有效提高麩皮的營養和加工性能。然而目前有關生物處理麩皮在面制品加工工藝及品質影響的研究,主要局限于以面包為代表的面團體系、加工方法和產品品質領域,以饅頭為代表的面團體系為對象的深入系統的科學研究還很薄弱,以面條為研究對象的應用更是未見報道。因此,一方面要繼續研發以面包為對象的生物處理麩皮添加新型產品,加大麩皮添加量,保證產品感官和營養品質同時得到提高。二是需要更加深入地開展以饅頭為對象的酶制劑和發酵菌的作用機理及其應用研究,根據特定的應用對象有針對性地創造最佳的反應條件,最大限度的發揮酶制劑和發酵菌的作用,提高產品質量,降低生產成本。三是要加強以面條為對象的生物處理麩皮的系統研究,探討生物加工技術在和面、醒發、壓片和干燥的過程中的作用和影響,以及對面條品質產生的影響,從一個新的視角了解面片及面條品質形成的科學機理,為研究開發全谷物或高膳食纖維面條提供理論參考。

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Research progress on biological processing of wheat bran and its application in flour product

LIU Jiao1,2,WANG Li-ping1,TAN Bin1,*,WU Wei-guo2

(1.Academy of State Administration of Grain,Beijing 100037,China;2.Agricultural University of Hunan,Changsha 410128,China)

Bran is the main by-product of wheat processing. Bran is rich in dietary fiber and many different bioactive substances,which has beneficial effects on human health. As an ingredient in food application,bran will improve the nutritional quality of products,but adding a lot of wheat bran will significantly decrease the sensory quality of the product.Some research showed that appropriate biological processing treatment on bran could significantly improve the sensory quailty of the wheat bran products,and greatly improved the nutritional value. The research progress on biological processing of wheat bran in the recent years such as enzyme treatment,fermentation and their application in flour products were reviewed.It will guide the future studies and improve the food processing applications of wheat bran.

wheat bran;enzyme treatment;fermentation;application

2015-10-26

劉姣(1991-)，女，碩士研究生，研究方向：谷物精深加工，E-mail:861201962@qq.com。

譚斌(1972-)，男，博士，研究員，研究方向：糧食加工，E-mail:tb@chinagrain.org。

中央級公益性科研院所基本科研業務費專項(ZX1506)。

TS201.1

A

1002-0306(2016)12-0375-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.12.063