不同預處理方法對改善麥類麩皮營養特性的研究進展

王寶石，譚鳳玲，李林波，李志剛，孫海彥，張明霞

1(河南科技學院 生命科技學院，現代生物育種河南省協同創新中心, 河南 新鄉，453003) 2(中國熱帶農業科學院熱帶生物技術研究所，海南省熱帶微生物資源重點實驗室，海南 ?？?，570102)

小麥為多種食品使用的重要谷物，根據聯合國糧食及農業組織(FAO)數據顯示，2017年全球小麥產量約為7.72億t。麥麩是小麥制粉中主要副產品，約占小麥的15%，麩皮全球產量高達1.5億t，通常用作飼料，但附加值比較低。近年來的研究發現，全麥食品消耗與減少癌癥、2-型糖尿病和心血管疾病的發生存在密切關系[1]。麥麩富含健康成分如膳食纖維和植物化學活性物質，對食品加工越來越有價值[2]。從麥麩中提取活性成分用來增加食物活性成分含量，以滿足宿主和腸道菌群的營養需求。同時麥麩中木制纖維素為生物煉制的重要原料，可以通過不同預處理手段，提高麩皮附加值。本文從麩皮營養成分組成，面制品加工中麩皮改性以及生物煉制等方面綜述其研究進展，旨在為麩皮高附加值利用提供參考。

1 麥麩主要營養成分及其功能特性

麩皮為小麥加工副產物，由于制粉工藝不同，麩皮組成存在部分差異，通常由皮層、糊粉層和胚乳3部分組成。麩皮皮層和糊粉層細胞賦予了多種營養成分，如碳水化合物、蛋白質、粗纖維、微量元素如維生素和礦物質(P，K，Mg，Ca，Zn等)等。麩皮中還存在大量具有特殊生理功能的化學成分,如酚酸、木酚素、類黃酮、阿拉伯聚糖等，具有清除自由基、預防癌癥及心腦血管疾病，對于改善生理機能具有重要作用[3]。此外，小麥麩皮中含有豐富的纖維類物質，粗纖維(主要成分為半纖維素和纖維素)約占10.5%。其中膳食纖維為主要功能成分,約占30%～50%，基于溶解度的差異可分為水溶性和不溶性膳食纖維。膳食纖維集中在小麥籽粒外層(麩皮部分)，由纖維素、木質素和高度取代的不溶性阿拉伯木聚糖(arabinoxylan，AX)組成，而糊粉層的細胞壁主要由可溶性AX和β-葡聚糖組成。盡管AX在谷物整個穎果中為次要組分，但它仍占小麥粉可溶性和不溶性膳食纖維的主要部分[4]。阿拉伯木聚糖主要由木聚糖鏈組成，β-1,4-連接的D-吡喃吡喃糖基殘基(Xyl)，由α-L-阿拉伯呋喃糖單元(Ara)在O-2和O-3處連接木糖單元作為側鏈殘基[5]。GONG等[6]比較了不同品種來源的全麥和精制小麥體外發酵能力，與精制小麥粉相比，由全麥食品中麩皮為腸菌群提供的膳食纖維量為0.87～0.97倍，酚類化合物量為1.61～4.33倍。全麥對腸道形成獨特的調節作用通過刺激有益細菌(雙歧桿菌、乳桿菌)的生長來形成微生物群，抑制病原細菌(大腸桿菌、梭菌、鏈球菌)的生長[7](如圖1所示)。

圖1 小麥全谷物中營養因子的功能特性

麥麩中含有豐富的蛋白質，約占14.1%；在構成蛋白質的氨基酸中，主要以甘氨酸、精氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、亮氨酸為主；含有人體所需的必須氨基酸，甚至可以與大豆蛋白相媲美，具有重要的功能特性，如表1所示[8]。

表1 小麥麩皮中氨基酸含量(100 g，干基)

小麥麩皮中含有重要的非淀粉多糖為戊聚糖，主要由木糖和阿拉伯聚糖2種五碳糖聚合而成，是一種功能性多糖，在預防高血壓、高血脂等方面具有重要作用。小麥麩皮中存在的由木糖通過β-1,4糖苷鍵鏈接而成的木聚糖，是組成半纖維素的重要成分，它主要分為不溶性和水溶性木聚糖(僅占6%)。其中由2～7個木糖聚合成的低聚木糖(又稱木寡糖)，是一種功能性寡糖，具有較強的耐熱性和耐酸性，在體內不易被消化酶水解，可以在大腸中發揮生理功能，促進益生菌增殖。隨著人們對健康意識的增強，麥麩中生理活性物質越來越受到人們的重視，特別是植物來源的天然活性物質受到青睞，如何深度開發和合理利用麩皮中活性物質成為專家關注的焦點。

2 小麥麩皮功能性酚類及多糖活性物質釋放

谷物中存在各種對健康有益的植物化學物質，其中酚類化合物最為多樣化和復雜，在科學研究中引起了很大的關注[9]。流行病學研究表明,酚類藥物的消費與預防慢性疾病如癌癥、肥胖癥和糖尿病等存在密切關系。酚類物質在食物中以游離和不溶性結合形式存在，關于多酚研究絕大多數集中在游離酚上。不溶性酚類對健康潛在益處經常被忽視，因為與游離形式不同，不溶性酚類與細胞壁結構共價結合是由糖苷和酯鍵組成的，不能用水性有機溶劑萃取[10-11]。近年來，諸如堿、酸和酶促水解方法通常用于結合酚的提取。研究表明，與來自相同底物的游離酚相比，結合酚顯示出更強的抗氧化性、抗菌性能和抗腫瘤活性[12]。難消化的結合酚類與纖維一起被移入結腸中，微生物群落在結合酚類的釋放中起重要作用。從谷物中攝取結合酚類物質可能有助于預防結腸癌等疾病[13]。目前提取植物酚類化合物的傳統方法主要是溶劑萃取，或者借助物理輔助等方法來改變小麥麩皮的結構和組成，通過使用濕分餾方法，如酶處理[14]，或干分餾方法，如超細粉碎和靜電分離[15]，來提高酚酸的生物可利用性。由于傳統方法在成本和環保上的局限性，發酵法制備酚類物質逐漸被更多研究者采用。也有研究者采用液態發酵麩皮制備酚類物質，如李秀利等[16]以大麥麩皮發酵液為基質，經過干酵母發酵制備酚類物質。但液態發酵方式易產生大量廢水，對環境造成污染，此發酵方式的應用受到限制。

固態發酵技術(solid state fermentation, SSF)，可利用工農業廢料生產生物活性物質，具有節水、節能、環保等優點，已得到廣泛的應用[17]。絲狀類真菌如黑曲霉(Aspergillusniger)，米曲霉(Aspergillusoryzae)，米根霉(Rhizopusoryzae)等[18]，作為工業菌株具有諸多優勢，自身可以分泌豐富的酶系如淀粉酶、果膠酶、纖維素酶、蛋白酶等[19-20]，是優良的細胞工廠[21]。BHANJA[22]基于米根霉和泡盛曲霉(Aspergillusawamori)發酵法可以有效提高酚類物質的提取率，顯著提升了DPPH自由基和ABTS+清除能力。杜小燕等[23]研究發現泡盛曲霉發酵麩皮后，游離態阿魏酸含量及抗氧化性均有所增加。XIE等[24]分別采用食用菌菌絲(平菇、黑木耳、猴頭菇、蛹蟲草)接種麥麩發酵，發現其分泌多種酶系有效促進了麥麩中酚類化合物的釋放。尹志娜等[25]對黑曲霉和棒曲霉發酵小麥麩皮中酚類化合物釋放能力的研究，得出黑曲霉對麥麩的降解能力及對阿魏酸的釋放能力都顯著優于棒曲霉。李秀利等[16]采用高活性酵母對大麥麩皮進行發酵，發酵液中多酚含量顯著增加。SCHMIDT等[26]研究了米根霉固態發酵處理米糠，發現發酵后酚類物質含量提高了2倍，阿魏酸提高近20倍，采用固態發酵技術從麩皮中制備酚類物質已逐漸成為研究熱點。此外，麩皮中功能性多糖的研究也逐漸受到專家的關注，絲狀真菌如黑曲霉和米根霉發酵處理燕麥麩皮，β-葡聚糖提取率為發酵前的3倍,其分子質量分別從6.74×105Da降低到2.84×105Da和2.20×105Da。同時,發酵處理并不影響其結構和纖維二糖基/纖維四糖基比[27]。BEI等[28]采用纖維素酶水解并用紅曲霉發酵，纖維素酶可以促進不溶性酚類物質釋放，酶水解后發酵系統進一步提高了酚類物質的釋放，分別提高了24.38%和31.05%?？傊谖⑸锇l酵法可以提高麩皮中酚類化合物的種類及含量，烴類物質含量和種類顯著減少，有機酸、酯類等含量顯著升高，促進功能性多糖的釋放。適用于發酵麩皮的生產菌種基本為食品級菌種，因此發酵麩皮在食品和醫藥領域均有廣泛應用。

3 小麥麩皮改性及其在面制品加工中的應用

隨著麩皮營養特性及其特殊生理功能逐漸被人們認知，麩皮及其他谷物加工副產品逐漸被用于面制品加工過程中[29]。但麥麩直接作為食品原料適口性差，水結合能力與氣體面團保持力低，同時麩皮的加入會破壞面筋網絡結構，從而影響面制品品質。因此，需要對麥麩進行改性處理[30]。為充分利用麥麩中的功能成分，渠琛玲等[31]采用連續微波加熱對麥麩進行穩定化處理，回添制備全麥粉中，穩定化后全麥粉酶活下降92%，微波穩定化效果顯著。SPAGGIARI[32]采用鼠李糖乳桿菌發酵處理麥麩，發現植酸和阿拉伯聚糖含量增加3倍，且發酵麥麩香氣濃郁，并指出乳酸發酵處理是麩皮改性非常有價值的預處理方法。HORIE[33]采用米曲霉發酵處理谷物外殼米糠，其中麥角硫因(稀有的天然氨基酸)含量提高了45倍。CHU等[34]采用Bacillusnatto發酵處理米糠，發酵米糠形成了多孔松散結構，可溶性膳食纖維含量提高了10.9%，水和油保持能力也明顯改善，因此發酵處理米糠可用作面制制品加工中功能成分。ZHANG等[35]提出酵母菌和乳酸菌混合培養及其木聚糖酶水解處理小麥麩皮，發現處理后麩皮中多酚化合物和可溶性阿拉伯聚糖含量增加了，同時改性麥麩顯著增加了谷蛋白中二硫鍵含量(5.8%～13.9%)，可以阻止麥麩添加對面團和面筋聚合的破壞。此外，PRüCJKER等[36]也研究發現，酵母菌、植物乳桿菌和戊糖乳桿菌混合培養可以改善麩皮感官質量，而不引起麩皮基質嚴重變化。AKTAS-AKYILDIZ等[37]研究了蒸汽爆破后酶解處理麩皮對面包焙烤質量的影響，研究發現蒸汽爆破(150 ℃，10 min)添加20%麩皮，會降低面包焙烤質量，但爆破后再酶解處理麩皮會增加面包比容積并降低硬度。CODA等[38]研究了麩皮粒徑對麩皮發酵小麥面包的影響，麩皮粒徑降低會增加面包口感的光滑度，但會加重面包成品顏色，麩皮粒徑為160 mm時小麥面包具有淡淡的風味且具有最大的體積和保質期。

4 小麥麩皮中木制纖維素的生物煉制

麩皮含有豐富的碳水化合物，如戊糖和己糖，同時麥麩是木制纖維素原料之一。木質纖維素是最豐富且廉價的可再生資源，可作為生物煉制非常有效的基質資源。木制纖維素是纖維素、半纖維素和木質素的復雜混合物，同時還包括少量有機物和無機物，如蛋白質、脂肪和提取物。然而，麩皮中的木質素、纖維素結晶度以及木質纖維素粒徑等因素是成為木制纖維素酶促降解和生物發酵的最大障礙。發酵前，麩皮預處理技術是提升其產品附加值最重要的階段。WANG等[39]利用稀酸處理麥麩(100 ℃，30 min)后用于富馬酸發酵，結合菌絲球形態控制手段，富馬酸產量高達20.2 g/L，有效提高了麩皮利用效率。GERMEC等[40]確定了麩皮最佳預處理條件為固液比為1∶11.9，預處理溫度121 ℃，體積分數1.99%的稀酸處理1 min，麩皮充分水解，然后進行用于生產乙醇和乳酸的發酵，產量最高分別為3.85 g/L和9.09 g/L。WOOD等[41]采用蒸汽爆破結合纖維素酶處理方法，在中試規模實現了高底物濃度的乙醇轉化，乙醇濃度達到理論值的93%。GERMEC采用超臨界CO2、亞臨界和超臨界水技術方法，構建了六步法生物煉制麩皮的工藝(如圖2所示)。(1)超臨界CO2在30 MPa，70 ℃脫除脂肪；(2)超臨界CO2在40 MPa，80 ℃提取酚類脂[42]；(3)超聲波輔助淀粉酶在55 ℃水解7 min脫除淀粉；(4)在80 ℃，pH 7.3條件下提取蛋白質和木質素；(5)RuCl3/MCM-48在180 ℃條件下輔助壓縮液態水提取木糖和阿拉伯糖；(6)超臨界水快速水解纖維素。總之，上述預處理技術如稀酸預處理，堿預處理，蒸汽爆炸或超臨界CO2等方法存在一些局限性，包括需要專用儀器、高能耗或在特殊條件下(高壓、高溫等)運行。同時處理過程可能會產生抑制劑，將對后期生物加工過程產生負面影響。這些預處理方法大大增加了加工技術的成本，雖然幾種木質纖維素在實驗室和中試中對預處理過程進行了研究，只有少數被認為是有效和環保的。

圖2 六步法生物煉制麩皮的工藝

基于固態發酵技術手段煉制麩皮，仍然是科學家們研究的熱點。FARKAS[43]分別研究了青霉菌、根霉菌、毛霉菌和木霉菌單菌系及其混合菌系發酵處理麥麩并應用于乙醇發酵過程，發現混合菌種體系(黑曲霉、產黃青霉和里氏木霉接種比例為65∶25∶15，孢子總數為107時)預處理發酵麩皮，然后再將酵母菌和運動假單胞菌混合發酵，乙醇產量高達7.6%。WANZENB?CK等[44]以麩皮為發酵培養基質，固態發酵生產杏鮑菇，發現培養基中添加麩皮量為980 g/kg顯著提高了杏鮑菇產量與蛋白質含量，同時顯著降低了植酸及其基質粘度[44]。絲狀真菌黑曲霉和米曲霉是廣泛用于工業生產各種酶和有機酸生產中，BENOIT-GELBER等[45]混合共培養黑曲霉和米曲霉發現，2種菌株的分布均勻并形成了混合菌落，并能分泌大量的淀粉水解酶類，有效降解了麩皮。

麩皮生物煉制技術旨在充分開發植物基資源，在制備可發酵性糖之前，首先將麩皮進行預處理，可以有效提升麩皮生物煉制效率。許多預處理方法如物理法、化學法及其酶解方法用于轉化纖維素/半纖維素合成纖維二糖、單糖、木糖和阿拉伯聚糖等糖類物質，但同時會產生一些抑制物如有機酸(主要是乙酸、甲酸和乙酰丙酸)、糠醛類物質(5-羥甲基糠醛和2-糠醛)等，它們會抑制后續微生物發酵過程。而基于固態發酵技術的溫和預處理方法，結合混合菌種培養策略，可以有效減少糠醛等抑制物的釋放，顯著提升生物煉制效果。

5 展望

隨著人們對麩皮營養特性認知的加深，麩皮深加工仍將是未來的研究熱點?；诂F代固態發酵技術的生物煉制方法可以有效規避傳統提取方法中存在的成本高且易產生大量廢水等缺陷，麩皮發酵處理的研究也逐步由初始單一菌種逐步發展到現代混合菌種培養體系，但關于麩皮中活性物質釋放的規律缺乏系統研究，且相關釋放機制尚不清晰。未來麩皮的生物煉制，仍將采用現代固態發酵技術，結合混合菌系控制策略，深度解析菌系互作關系及其作用機制。另一方面，充分開發可應用于麩皮高效發酵的微生物資源，我國傳統釀造食品(如白酒、食醋、醬油、酵子等)蘊藏了豐富的微生物，且微生物被認為是安全的，要充分挖掘我國特有微生物資源，為麩皮高附加值利用以及相關功能性食品開發提供更多的理論基礎和依據。