發芽對小麥營養和加工品質影響研究進展

劉可欣 楊潤強 顧振新 王 沛

(南京農業大學，南京 210095)

小麥是我國第二大糧食作物，種植面積占糧食作物總面積的25%，占糧食總產量的22%[1]，小麥的需求量在全世界范圍內逐年增加，小麥粉可以用來制作多種食物，為人體提供蛋白質和淀粉等基本營養物質。近年來，小麥發芽逐漸成為了一個全球性問題，在新西蘭[2]及加拿大[3]等地區均有發生。小麥發芽通常有兩方面的原因，一是在南方梅雨季節，由于天氣潮濕而使未收獲的田間小麥產生穗發芽；二是在小麥收獲后的儲藏期間，未及時進行干燥處理，造成糧堆發熱，導致小麥發芽。小麥在發芽過程中呼吸作用增強，激活了淀粉酶和蛋白酶的活性，使蛋白質和淀粉發生水解，小麥粉的加工品質發生劣變，主要表現為面團的拉伸特性、粉質特性及面粉的食用品質下降[4-5]。但發芽小麥中一些對人體有益的功能性成分會增加[6]，如多酚類物質、γ-氨基丁酸及阿拉伯木聚糖等，能對人體起到抗癌、抗衰老等保健功能。本文從發芽小麥功能性成分、加工組分及面粉加工品質等方面探索發芽小麥的應用前景，以期為發芽小麥的合理利用提供參考。

1 發芽小麥功能性成分變化

1.1 多酚類物質

多酚是一種對人體十分有益的功能性營養成分[7]，在植物性原料中分為水楊酸和羥基肉桂酸兩類衍生物。近幾年的研究中發現，小麥含有一定含量的多酚類物質，以結合酚的形式存在于小麥的麩皮中，如阿魏酸、香草酸、丁香酸、芥子酸、咖啡酸等[8]，它們可作為一種植物原料中的抗氧化劑，在小麥發芽過程中，多酚類的物質含量會有所增加。在Hung等[9]的研究中，在發芽36～48 h期間，游離酚含量明顯增加，結合酚的含量則先下降后增加，這是由于在發芽過程中酚酸處于不斷分解與合成的動態變化過程，兩者含量的變化會導致小麥抗氧化能力的變化，其他研究學者也得出了類似的結論[10]。在Dziki 等[11]的研究中，發現小麥中的對羥基苯甲酸、丁香酸和對香豆酸的含量在發芽期間明顯增加，相應的抗氧化能力及清除自由基能力也得到提高。

1.2 γ-氨基丁酸

γ-氨基丁酸(GABA)又稱4-氨基丁酸或氨酪酸，是一種廣泛存在于原核和真核生物體中的非蛋白質氨基酸，是哺乳動物腦和脊髓中的一種抑制性神經傳導物質，可以起到鎮靜安神、降低血壓及調節激素分泌等作用[12]。在高等植物中，GABA通過谷氨酸脫羧酶轉化L-谷氨酸形成[13]，植物組織中GABA的含量通常在0.3～32.5 μmol/g之間[14]，在發芽過程中GABA含量會顯著提高。在Hung等[6]研究發現，發芽48 h的小麥中的GABA含量從84 mg/kg增加到155 mg/kg，含量提高了1.84倍。在張鐘[15]等的研究中，GABA含量隨著發芽時間延長而升高，至發芽48 h 時達到最高，為71.1 mg/kg，是未發芽小麥的3.57倍。此外，植物在逆境發芽條件下，如低氧、低溫、干旱、高H+、高鹽濃度及機械損傷等，GABA會得到大量富集，這是由于植物細胞中的Ca2+在受到逆境脅迫后濃度增高，GAD酶活得到提高，促進GABA的積累。若植物長時間處于逆境條件下，細胞膜或液泡膜遭到破壞，細胞中H+增加，也同樣會增加GABA的含量[16]。在谷物發芽過程中，蛋白質的水解作用會使可溶性蛋白和游離氨基酸的含量增加，為GABA的積累提供充足的底物來源[17]。關于發芽糙米[16]、粟谷[17]、大豆[18]等GABA富集機理已有大量研究報道，但目前于發芽小麥GABA富集機理研究較少。

1.3 葉酸

葉酸是維生素B的一種，主要存在于小麥的糊粉層中，是機體細胞生長和繁殖所必需的物質[19]，在人體內主要以四氫葉酸的形式存在，對細胞的分裂生長及核酸、氨基酸、蛋白質的合成起著重要作用。Koehler等[20]的研究結果顯示，在發芽期間，葉酸含量會明顯增加。當控制發芽溫度為20 ℃，發芽時間為102 h時，葉酸的含量為200 μg/100g DW，是未發芽小麥葉酸含量的3.6倍。在植物生長過程中，5-甲基四氫葉酸會促進甲硫氨酸的生物合成，對植物細胞的增殖和生長起到關鍵作用。目前針對發芽小麥葉酸的研究較少，并且主要集中在含量變化方面，尚未深入探究葉酸的合成機理及代謝途徑。

1.4 阿拉伯木聚糖

阿拉伯木聚糖(AX)可分為水溶性阿拉伯木聚糖(WEAX)和水不溶性阿拉伯木聚糖(WUAX)，AX在谷物中的含量受品種和環境的影響，約占谷物的6.5%～12.2%。AX主要存在于小麥籽粒的糊粉層和胚乳細胞壁中，是一種親水性的非淀粉多糖[21]。面粉中AX的質量分數在2% 左右，其中WEAX質量分數約0.5～0.8%[22]。AX具有高黏度、高持水性等特征，可作為食品增稠劑、穩定劑；此外，WEAX還具有諸多生理活性，如降低血清膽固醇[23]、抗腫瘤[24]、增強免疫力[25]等。在Olarets等[26]的研究中發現，小麥發芽過程中的總AX含量沒有明顯變化，但WUAX含量明顯下降，WEAX含量明顯增加，說明WUAX在向WEAX進行轉化。一般而言，WUAX向WEAX的轉化對面粉品質的提升有促進作用，這是由于WEAX可增加面團與水結合時的黏度，增加面團吸水量，增加面團的穩定時間及延長焙烤時間等[27]。因此，發芽小麥中WEAX含量的增加，對面粉的品質的提高可能會有一定的促進作用。

2 發芽小麥基本營養組分的變化

2.1 淀粉

小麥發芽時會產生大量的α-淀粉酶，導致淀粉顆粒發生水解，產生損傷淀粉和可溶性糖類[28]。α-淀粉酶的活性與降落值成負相關，還與發芽條件有關，王若蘭等[29]研究指出，發芽溫度和發芽時間會對α-淀粉酶活性產生較為明顯的影響，在發芽時間相同的條件下，隨著發芽溫度的升高，α-淀粉酶活性先增大后減小。淀粉酶活性的變化，會直接導致小麥中淀粉含量的變化[4]。此外，芽麥中淀粉顆粒的結構會發生改變，發芽后小麥的淀粉顆粒表面不光滑，類似遭到侵蝕[30]，芽麥中B型淀粉的含量較發芽前有所增加，含量明顯高于A型淀粉，A型淀粉的表面則具有較明顯的“赤道”槽，說明在發芽過程中，淀粉顆粒會受到淀粉酶的水解，破壞了淀粉的表面結構[31]。

2.2 蛋白質

小麥發芽期間蛋白酶的活性亦會增強，水解蛋白質生成短肽鏈和游離氨基酸。在Hung等[6]的研究中，發芽小麥中游離氨基酸的含量明顯高于未發芽的小麥。發芽還會使蛋白質的結構發生變化，從而影響面粉品質特性。小麥面筋數量和質量的變化可通過SDS沉淀值來反映，蘇東民等[32]的研究指出，隨著發芽時間的延長，SDS沉淀值逐漸降低，說明在小麥發芽過程中，蛋白質發生降解。而強筋小麥在發芽過程中對蛋白酶的抵抗力較強。路茜玉等[33]的研究表明，小麥在發芽期間，粗蛋白含量及SDS沉降值均降低，說明面筋蛋白質數量和質量下降。從蛋白質分子量分布來看，小麥中的蛋白質可分為高分子量蛋白(HMW , Mw≈91 000～688 000)和低分子量蛋白(LMW，Mw<91 000)，小麥發芽后，LMW增加而HMW減少[26]，致使面團的黏彈性變差。

2.3 脂質

小麥中的脂質包括結合脂質和游離脂質，主要集中在胚和糊粉層中。在發芽過程中，胚乳中脂肪酶會水解脂肪形成脂肪酸和甘油，脂肪酸值上升，導致小麥品質劣變[34]，但另一方面，脂肪水解成易被人體吸收的短鏈脂肪酸后，小麥的營養價值會得到提高。根據Hung等[6]的研究結果，發芽48 h小麥中的結合脂質含量明顯下降，游離脂肪酸的含量無明顯變化，發芽過程不會影響游離脂肪酸和結合脂質的組成。張鐘等[15]的研究表明，粗脂肪的含量隨發芽時間的延長明顯下降，不同發芽時間之間均有顯著差異。脂質是影響面粉品質特性的重要因素，對面團形成過程中氣泡的透入、面筋蛋白質的相互作用、發酵和醒發期間氣泡的擴大都有很大影響。在面團形成的過程中，游離脂質會向結合脂質轉化，并與面筋蛋白結合，形成復雜的面團體系。目前關于發芽小麥中脂質對面團的影響機理及作用機制鮮有探究。

3 發芽小麥粉加工品質的變化

3.1 磨粉品質的變化

小麥的籽粒特性包括形態結構及一般物理特性，通常用容重、千粒重、角質率等指標表示[35]。發芽小麥的籽粒結構發生變化，胚乳結構也會發生變化，影響后續磨粉工藝[32]。Dariusz等[36]的研究指出，發芽處理會對小麥的磨粉工藝產生很大的影響，最明顯的變化是芽麥面粉中分布在200 μm以下的顆粒數目增加，這一變化會使小麥在磨粉過程中的研磨能量消耗減少，出粉率變低。隨著發芽時間的延長，小麥的千粒重和容重也會顯著下降，魏雪芹[30]在采取先浸泡后發芽的方式對小麥進行短時間發芽處理(6、11、16 h)后，發現發芽小麥的千粒重、容重及角質率明顯下降，小麥的胚乳中淀粉顆粒與基間蛋白的結合程度下降，淀粉顆粒排列疏松，糊粉層變薄。若淀粉顆粒和蛋白質之間的結合過于松散，會對面團在發酵過程中的持氣性產生不利的影響[37]。

3.2 面團特性的變化

3.2.1 黏彈性

小麥面筋蛋白中的醇溶蛋白屬于單體蛋白，分子呈球狀，分子量較小，通過分子內二硫鍵、氫鍵、范德華力等連接，具有緊密的三維結構，使面筋具有黏性；谷蛋白大多由非極性氨基酸組成，呈纖維狀，分子量較大，醇溶蛋白和谷蛋白的相互作用也賦予了小麥面筋獨特的黏彈性[38]。發芽小麥制作的面團會表現出較低的彈性和黏性，主要是由于在發芽過程中蛋白酶的活性增加，水解面筋蛋白中的肽鍵，并還原面筋蛋白和谷蛋白的二硫(SS)鍵，導致面筋軟化、難以成團[39]，Singh等[40]的研究表明，小麥發芽后蛋白酶的活性升高，產生了還原二硫鍵的酶，使面筋網絡變得松散，面團的彈性模量下降。不同類型小麥的面筋強度降低程度不同，隨著發芽程度加深，強筋小麥降低程度較低，弱筋小麥降低程度較高[32]。此外，在芽麥的胚乳結構中，淀粉顆粒與基內蛋白的結合程度降低，蛋白質分子之間連接松散，而淀粉顆粒的排列也變得疏松，這也是芽麥粉黏彈性降低的一個重要原因[30]。

3.2.2 粉質特性

通過粉質儀可以測定在面團和面過程中的粉質特性，主要指標包括面粉吸水率、面團形成時間、面團穩定時間、弱化度及粉質質量指數。面粉吸水率主要與蛋白質、損傷淀粉的含量有關，蛋白質和損傷淀粉的含量越高，面粉吸水率就越高，但損傷淀粉的含量過高會使面團品質劣變，不易成團。面團形成時間和面團穩定時間與面粉的筋力有關，面筋含量越高，筋力越強，則面團形成時間和穩定時間越長。弱化度表示面團在過渡攪拌后面筋變弱的程度，弱化度大，面團容易變軟變黏[41]。

隨著發芽程度的增加，芽麥粉的吸水率減少，面團形成時間、穩定時間縮短，弱化度上升，評價值降低，說明小麥中面筋蛋白質降解比例升高，物理特性發生了很大改變，從而影響了小麥品質[32]，Ding等[42]的研究也得到了類似結論，發芽時間延長會導致芽麥粉吸水率下降，這可能與淀粉或蛋白質在發芽期間的水解有關[43]。不同品種的小麥在發芽后，面團形成時間并非都會下降，Ding等[42]發現紅色硬質小麥在發芽8～10 h時，面團形成時間顯著增加，這對面筋網絡的形成有一定的積極意義。因此，可以考慮對適合的小麥品種進行控制性發芽，增加面團形成時間，進而改善面團的粉質性能。

3.2.3 拉伸特性

小麥粉的拉伸特性是評價面團在荷載情況下其延伸性和韌性的主要指標[41]，反映了面團的韌性和彈性。拉伸特性主要包括拉伸能量、延伸度、拉伸阻力、最大拉伸阻力、拉伸比和最大拉伸比等指標。在趙艷麗等[44]的研究中，選用強筋小麥進行控制性發芽，發現隨著發芽時間的延長，拉伸能量、拉伸阻力、最大拉伸阻力、拉伸比和最大拉伸比均呈降低趨勢，而延伸度變化趨勢不明顯。拉伸比例下降，會導致面團在醒發過程中變軟易流散，不能形成致密的面筋網絡結構。小麥發芽時間越長，其拉伸特性劣變程度越大。王麗娜[45]的研究表明，向原面粉中添加芽麥面粉(10%)后，面團的拉伸阻力和最大拉伸阻力均會下降，說明此時面團在變軟，這種混合粉更適合制作質地較軟的面包。

3.3 小麥粉食用品質的變化

3.3.1 烘焙特性

Lukow等[46]以加拿大強面筋小麥為材料，研究了發芽小麥的烘焙品質，認為較低程度發芽可改善小麥烘焙品質，深度發芽則造成烘焙品質下降，可能在小麥發芽期間，由于淀粉酶會水解淀粉生成大量的還原糖，在面包等制品的烘焙過程中促進了美拉德反應的發生[47]，而發芽時間過長則會導致干物質的大量損失。此外，烘焙品質也會受到小麥品種(強筋、中筋、弱筋)的影響。Finney[48]的研究發現，硬質小麥發芽時，由于淀粉水解，導致面團質地變黏，烘焙特性較差，并不適用于制作面包。在Marti等[49]的研究中，將少量芽麥粉(1.5%)添加到全麥粉中，可在一定程度上改善全麥面包的體積及質地。因此，可考慮使用芽麥粉制成餅干等低筋食物，或者采取將芽麥粉與全麥粉復配，改善全麥烘焙制品的食用品質。此外，芽麥烘焙品質的變差也與α-淀粉酶活性和蛋白質品質有關，蛋白質含量及結構的變化對烘焙品質的影響更大。

3.3.2 蒸制特性

饅頭是我國面制品中特有的蒸制發酵食品，是國民的重要主食。目前國內外的研究普遍認為由發芽小麥制成的饅頭食用品質較差，口感發黏，但在甘肅等地也有使用發芽處理的小麥磨粉制作芽面饅頭的工藝[30]。在面團醒發過程中能被酵母利用，產生較多的CO2氣體，使饅頭比容增大。但芽麥饅頭的咀嚼性和回復性下降，食用品質發生劣變。目前國內外關于使用芽麥粉制作饅頭的研究大多集中在小麥原料及面粉品質等表觀方面，包括籽粒特征、理化品質及面團特性等，而關于饅頭制作過程中主要加工組分(如蛋白質)等的交聯聚合行為、淀粉與蛋白質的相互作用及面筋蛋白品質變化機理方面研究較少，并未形成系統性的理論體系。

4 展望

目前關于發芽小麥的研究主要集中在基本營養成分變化、面團特性及改良方法等，對于功能性成分如GABA、葉酸、多酚等的合成機制及富集途徑等方面尚未深究。此外，關于發芽小麥加工品質變化的研究多數停留在面團流變學特性、粉質特性及拉伸特性等方面，并未深入到主要加工組分的作用機制方面，如在小麥發芽過程中淀粉與蛋白質的相互作用、發芽小麥加工過程中面筋蛋白的行為變化機制等。發芽小麥作為一種新型功能性植物原料，通過一定技術手段，如控制性發芽、添加面粉改良劑或與未發芽小麥粉復配等，可以將其開發成功能性芽麥面粉，不但可以提高小麥粉的營養價值，還能減少糧食資源浪費。因此，發芽小麥具有廣泛的應用前景及開發價值。

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