酶制劑對全麥面包品質作用分析

陸云軍，陸利霞，姚麗麗，林麗軍，熊曉輝

(南京工業大學食品與輕工學院，江蘇南京211800)

在小麥精加工的過程中，小麥籽粒的胚乳、胚芽和麩皮在碾磨過程中被分離，導致了許多有益于健康的微量元素、礦物質和纖維等的流失，與精制面粉相比，全麥面粉中的膳食纖維、抗性淀粉、維生素、礦物質，以及類黃酮和類胡蘿卜素等營養物質含量更高，以其為原料制成的全麥面包相比于白面包具備更高的營養價值［1－3］。據流行病學研究報告，食用全谷物食品對人體健康有益，長期攝入全麥食品可以減少患糖尿病、心血管疾病和癌癥等幾種慢性疾病的患病風險［4］。然而，大眾對全麥面包等全谷物食品的接受程度并不高，與白面包相比，全麥面包由于全麥粉中所含的膳食纖維、纖維素等，導致質地粗糙、紋理和感官品質不佳等缺點［5］，為改善全麥面包的不足之處，研制新型的全麥面粉改良劑是目前的研究熱點。

近年來，隨著消費者對更加天然、綠色的面包產品的需求日益提升，酶制劑作為一種純天然的生物制品，在烘焙產業中的使用也進一步增加。可用作面粉改良劑的酶制劑有許多種類，且不同的酶制劑對面粉的作用機理也不同，所體現的對面團和面包的改良方向和效果也不盡相同，例如改善面團流變學特性、改善面團的發酵效果、延緩面包老化、改善面包體積和面包內部組織結構等，但少數酶制劑在單獨使用時會對面團產生部分劣變效果。因此，合理地使用各種酶制劑作為面粉改良劑，可以針對性地改善全麥面包的品質，而且由于酶制劑具有用量小、效果佳的特點，還可以有效地減少或取代許多化學改良劑。

本文分析了木聚糖酶、α－淀粉酶、植酸酶、淀粉葡萄糖苷酶、葡萄糖氧化酶、脂肪酶等及部分復合酶制劑對全麥面團和面包的改良效果及作用機理，為全麥面包及其品質改良復合酶制劑開發提供思路。

1 單一酶制劑

1.1 木聚糖酶

麩皮和胚芽中存在非淀粉多糖(主要是阿拉伯木聚糖)［6］。阿拉伯木聚糖可分為水溶性的和水不溶性的，水溶性阿拉伯木聚糖對面團的品質起積極作用，而水不溶性阿拉伯木聚糖對全麥面團品質具有負面影響。水不溶性阿拉伯木聚糖在面團制作過程中會與其中的面筋競爭水分，使面筋水化程度較低，干擾面筋網絡的形成，從而導致面包體積變小且質地、口感變差。木聚糖酶屬于一種半纖維素酶，可作用于水不溶性阿拉伯木聚糖骨架，降低其分子大小和吸水率，從而促進面筋交聯，對于改善面包品質具有重要作用［7－11］。

Ghoshal等［12－13］在 全 麥 面 包 中 添 加 木 聚 糖 酶(6 U/100 g全麥面粉)，結果表明，全麥面團的吸水率為64%，水分保持率為45.55%，而對應未添加酶的對照組的吸水率為70%，水分保持率為41.73%。這是因為木聚糖酶的加入釋放了游離水，使水從戊糖相轉移到面筋相，使面筋充分水化，促進面筋網絡交聯。同時，木聚糖酶水解作用獲得的戊糖等可供酵母菌發酵，提高了二氧化碳的含量，使面筋網絡充分膨脹，顯著增大了面包的體積，使面包變得更加柔軟，更具彈性。木聚糖酶的添加還延緩了全麥面包室溫儲藏時的老化速率，起到降低焓變、玻璃化轉變溫度的效果，降低了全麥面包的硬度，使孔隙更均一。Driss等［14］和Shah等［15］研究表明，在全麥面粉中添加木聚糖酶(分別為0.12 U/g面粉和12 U/g面粉)，可以使全麥面包芯色度的L*、b*值增加，改善了全麥面包的色澤。

Kumar等［8］研究發現，由于木聚糖酶(0.08 U/g面粉)水解作用，低聚木糖被釋放出來，這提高了全麥面包的消化率和咀嚼性，有益于人體健康。在室溫下，添加木聚糖酶的全麥面包的保質期提高到了4 d，而對照全麥面包的保質期為2.5 d，表明木聚糖酶具有延長全麥面包保質期的作用。

麩皮中含有的非淀粉多糖是降低全麥面包品質的主要原因之一。木聚糖酶針對阿拉伯木聚糖進行的水解作用，可使全麥面包的體積、硬度、外觀和保質期等品質都得到了明顯的改善。木聚糖酶在全麥面包中的改良表現要優于在白面包產品中，同時也常是用于改良全麥面包的復合酶制劑的一員。

1.2 α－淀粉酶

α－淀粉酶(AM)是一種廣泛應用于食品工業的內切酶，能夠催化淀粉中α－1，4－糖苷鍵水解，產生低分子量多糖和糊精。β－淀粉酶是小麥中的一種內源酶，本身就具有足夠的活性來將麥芽寡糖轉化為麥芽糖。添加AM可以改善面團中AM和β－淀粉酶的平衡，并在面團發酵過程中將受損淀粉顆粒分解成麥芽糖［16－18］。

Matsushita等［18］在全麥面粉與精制面粉的混合粉中加入0.025%α－淀粉酶(1500 U/g)后發現，與未添加組比較，添加了AM的面團持氣能力顯著增強，面包比容為5.08 cm3/g，而未添加酶的對照組為4.43 cm3/g，這是由于在AM的作用下生成的麥芽糖可供酵母菌發酵，提高了酵母菌的發酵活性，產生了更多的二氧化碳，從而增大了面包比容，降低了面包硬度［19］。此外，AM和β－淀粉酶在淀粉糊化過程中，改進了面團的持氣性并降低面團的黏度，起到了改善面包體積和柔軟性的作用［20］。另一方面，淀粉酶水解作用產生的還原糖也利于美拉德反應，改善了面包的口感和外殼顏色［16］。O’Shea等［19］在全麥面粉中添加AM(10μg/g，5000 FXU(W)/g)，同樣得到了比對照組感官更佳、體積更大、更軟的成品全麥面包。

此外，AM對提高全麥面包的保質期也具有較好的效果。Matsushita等［18］研究發現，添加了0.025%的AM(1500 U/g)的全麥面包經過3 d貯藏后，硬度(6 kPa)明顯低于未添加組面包(9 kPa)，表明AM的添加有利于減緩全麥面包老化，這與AM分解了破損淀粉有關。

AM對于全麥面包的改良效果主要來源于其水解所產生的寡糖，這些寡糖可以通過干擾淀粉結晶和凝膠形成、促進發酵及美拉德反應，來起到增大面包比容、改善感官風味、延緩面包老化過程中硬度增加的作用，所以其在多種用途的面粉中均有添加使用。目前，除了直接在全麥面粉中添加AM外，還可以通過添加麥芽粉等手段，間接地為全麥面粉補充AM。麥芽粉通常富含AM、麥芽糖、蛋白質及風味化合物，可以改變全麥面包的色澤、風味及持水力等品質，但由于麥芽粉本身品質的區別，在實際運用中對全麥面包的改良效果不穩定，在這一方面仍需要進一步研究。

1.3 植酸酶

小麥麩皮中含有大量的植酸，可影響人體對礦物質等營養物質的吸收;同時植酸可以結合鐵、面筋蛋白，從而減少面筋網絡結構的形成，導致面包體積縮小、面包芯硬度增加，而且由于鐵被結合，從而抑制了羥自由基的形成，影響面筋蛋白的氧化，限制了蛋白質網絡結構的形成［21］。植酸酶又稱肌醇六磷酸酶，能夠催化植酸鹽和植酸分解，釋放出無機磷，減弱植酸對礦物質的螯合能力，有利于腸道對于礦物質的吸收，進而提高全麥面包中礦物質的生物利用率［22－24］。Cizeikiene等［25］在模擬胃腸道介質pH的研究中發現，在全麥面包中添加由乳酸菌制備的生物制劑的植酸酶(11～54 U/mL)，隨著植酸酶添加量增加，全麥面包中鐵、鋅、錳、鈣等礦物質的生物利用度和磷的生物利用度也同比提高，顯著改善了全麥面包的營養價值。

另一方面，在制作全麥面包時添加植酸酶，可以加速面團的發酵，增加全麥面包的比容，使全麥面包更加柔軟。Haros等［24］研究發現，在全麥面團中添加2500μL/100 g的植酸酶(320 U/mL)，可以使全麥面團的發酵時間縮短24%，降低了面包片的寬度/高度比約5%，改善了全麥面包形狀，全麥面包比容相比于對照組提高了21%，同時全麥面包的硬度下降了28.3%。植酸酶在全麥面包中的改良效果與α－淀粉酶類似，是因為植酸酶的加入可以促進植酸水解，提高了游離鈣離子濃度，激活了谷物中的內源AM的活性［22］。

1.4 淀粉葡萄糖苷酶

淀粉葡萄糖苷酶，也稱糖化酶，它同時作用于1，4－α－糖苷鍵和1，6－α－糖苷鍵，并從淀粉及相關的寡糖和聚糖的非還原端釋放葡萄糖分子，產生的葡萄糖有助于美拉德反應和提高酵母發酵能力，改善面包的風味、色澤等感官品質［17，26］。淀粉葡萄糖苷酶對全麥面包的作用效果與AM一定程度上類似，但目前關于其應用于全麥面包的研究報道較少，具體的作用機制尚需進一步研究。

Altinel等［27］在富含麩皮的面團中添加0.000875%的淀粉葡萄糖苷酶(65000 AGI/g)后，發現制得的面包比容(1.57 cm3/g)顯著低于對照組(1.66 cm3/g);而將淀粉葡萄糖苷酶的添加量增加至0.001%時，所得面包比容(1.65 cm3/g)與對照組無顯著差異。Altinel等［28］報道在全麥面團中加入0.001%的淀粉葡萄糖苷酶(65000 AGI/g)，與對照相比，面團的抗拉伸阻力顯著提高，同時，在面團中添加0.001%或0.000875%淀粉葡萄糖苷酶，與對照組相比，可降低烘焙損耗。

1.5 葡萄糖氧化酶

葡萄糖氧化酶(GOD)在有氧條件下，能夠催化面粉中β－D－葡萄糖使其氧化生成β－D－葡萄糖內酯，后者進一步轉化為過氧化氫，過氧化氫促進半胱氨酸的巰基(－SH)氧化形成面筋中的二硫鍵(－S－S－)，從而起到改善面筋組織結構的作用［29－30］。GOD作為面包改良劑的報道主要集中于白面包上［31－32］，用于全麥面包的報道則較少。

Yang等［33］研究發現，在全麥面粉中加入GOD(5 U/g面粉)，利用GOD催化葡萄糖氧化生成的過氧化氫，可以使面團中的類胡蘿卜素含量下降40%，起到了漂白全麥面粉的作用。同時，GOD的加入還會對面團的流變特性產生影響，使全麥面團的彈性模量(G＇)和黏性模量(G″)增加，導致面團的硬度增加。相比于白面團，全麥面團的彈性更低，所以在全麥面團中添加GOD時應當注意添加劑量，避免面團的硬度過大。

Altinel等［27］在富含麩皮的面團中分別加入0.0003%和0.001%的GOD(1500 SRU/g)，實驗結果表明，添加了0.001%GOD的面包比容為1.82 cm3/g，顯著高于未添加組面包體積1.66 cm3/g;添加了0.0003%GOD的面包比容(1.74 cm3/g)與對照組相比無顯著差異，但仍高于未添加組。該結果表明，GOD在適量添加的情況下，可以增加面包的比容。

總的來說，GOD在運用于全麥面包時的改良效果并不顯著，它有利于全麥面團的漂白，但卻增加了面團的硬度，即使在適量添加的情況下，對全麥面包比容方面的增加也有限。GOD不適合單獨應用于全麥面包，在使用時應考慮其對面包硬度的效果而適量添加。

1.6 脂肪酶

脂肪酶(LIP)是一類水溶性酶，主要催化甘油三酯(酯鍵)水解，并生成單甘油酯或二甘油酯、甘油和游離脂肪酸［34－35］。Altinel等［27］在富含麩皮的面團中添加不同劑量的LIP(80000 PLI/g)后發現，LIP的單獨添加會降低面包的比容，0.0002%的LIP添加，使得面包比容相比于對照組(1.66 cm3/g)下降至1.58 cm3/g;當添加量提升至0.001%時，面包比容提高至1.65 cm3/g，雖然與對照組無顯著差異，但仍低于對照組。這種現象是由于面團中LIP作用產生的游離脂肪酸和其它脂質降解產物的破壞作用所引起的，導致了面包體積的降低。

Colakoglu等［36］研究表明，LIP(10～40 mg/kg面粉，酶活為25 KLU/g)以不同量添加入全麥面團，提高了全麥面團的強度，使全麥面團的軟化度平均下降了12%，硬度相比于對照增加，降低了面團粘稠度約13%，但對全麥面團的抗拉性能無顯著影響。LIP通過內源性脂質產生表面活性化合物來提高全麥面團強度，這些化合物通過結合面筋蛋白發揮作用，增強了蛋白質的聚集能力。另一方面，LIP還通過向小麥脂氧合酶提供更多底物(多不飽和脂肪酸)來增加氧化反應的強度，而氧化反應及表面活性化合物的乳化特性可以降低面筋蛋白的表面疏水性，使全麥面團強度有較大的提高。

LIP對面筋蛋白的作用不同于GOD直接促進面筋網絡結構形成，而是通過水解產物促進面筋蛋白的聚集，在添加到全麥面粉中時通常會增加面團的硬度和強度，然而更高的面團強度允許面團膨脹得更大，所以將LIP與其它利于面團發酵膨脹的酶制劑復合運用時，如木聚糖酶，可能利于生產出獨特風味質地的全麥面包。

2 復合酶制劑

木聚糖酶、GOD等酶制劑對面團和面包品質的改良具有局限性，有的還需要相對較大的添加量才能達到預期改良效果。而值得注意的是，根據酶的作用機制及效果，不同的酶之間存在著協同效應，將多種酶制劑復配組合，不僅能夠獲得對全麥面團和面包更加全面的改良效果，還能有效減少酶制劑的添加量并降低成本。除了已分析的幾種酶制劑，已經報道的可用于全麥面包制作的酶制劑還有半纖維素酶［31，37］、谷氨酰胺轉氨酶［38］、纖維素酶［39］、戊聚糖酶［40］、磷脂酶［27］、木瓜蛋白酶［20］等，其通過與木聚糖酶、AM、GOD等進行復合使用時，能一定程度上揚長避短，對全麥面包品質起到改良作用。

O’Shea等［19］將AM(5000 FXU(W)/g)和木聚糖酶(2500 FXU(W)/g)同時加入全麥面團中，相比于對照組面包比容(2.69 mL/g)和柔軟度(11.17 N)，顯著提高了全麥面包的比容(3.05 mL/g)和柔軟度(6.94 N)。木聚糖酶將水從戊聚糖相再分配到面筋相中，使得面筋更容易擴展，使得面包體積增大，烘焙得到的全麥面包也更軟;AM分解全麥面團中的受損淀粉為低分子量的葡聚糖，提供酵母發酵產生更多的二氧化碳，進一步增大全麥面包的體積并降低其硬度。木聚糖酶和AM對于全麥面包的作用方向不同且不沖突，二者結合所得到的全麥面包品質通常更加優異。

Matsushita等［18］在研究0.025%的AM(1500 U/g)和0.05%的半纖維素酶(14000 U/g)對全麥面團的影響時也得到了相似的結果。其發現，AM和半纖維素酶的復合使用使得面團中受損淀粉和水不溶性戊聚糖降解成水溶性低分子量糖類，在面團發酵過程中不再影響面筋網絡的形成。相比于對照組，AM或半纖維素酶單獨添加使用，均能增加面團的持氣性，增大面包的比容，但改良效果都不如AM和半纖維素酶復合使用。

Yang等［33］將木聚糖酶、木瓜蛋白酶和GOD結合，研制出了一種新型的酶褐變抑制劑，其通過正交試驗設計得到的最佳酶組合為0.010%木聚糖酶(30000 U/g)、0.005%木瓜蛋白酶(100000 U/g)和0.002%GOD(5000 U/g)。這種復合酶使得全麥面團的彈性模量(G＇)和黏性模量(G″)增加，且黏性模量的增加大于彈性模量的增加，有利于消除木聚糖酶和木瓜蛋白酶單獨作用所造成的對全麥面團流變特性的負面影響。該復合酶除了改善全麥面團的流變特性外，還能通過消耗多酚或酚醛底物來抑制面團的褐變，改善了全麥面包色澤。

Silva等［29］報道了木聚糖酶(1404 EDX/g)、GOD(331 SRU/g)和抗壞血酸對全麥面包的改良效果，研究發現，一定量的木聚糖酶(33～63 EDX/kg面粉)，與較高濃度的抗壞血酸(63 mg/kg面粉)和GOD(91 SRU/kg面粉)復合使用，可以使改良效果達到最佳水平。全麥面粉中的阿拉伯木聚糖含量高于精制小麥粉，木聚糖酶對阿拉伯木聚糖的水解作用降低了其分子大小和保水能力，而在較高濃度的GOD和抗壞血酸的氧化作用下，水溶性阿拉伯木聚糖之間產生了彈性凝膠作用，極大地提高了阿拉伯木聚糖的保水能力，使面包在儲藏過程中具有更高的水分含量，同時更加柔軟。

Park等［39］將纖維素酶(1～20 U/g麩皮)與木聚糖酶(7.7～154 U/g麩皮)復合后于55℃作用于麥麩90 min后加入白面粉中進而制作出富含麥麩的面包，發現經過酶解作用后的麩皮，可溶性糖及可溶性纖維素含量均顯著增加，且所制作的面包比容顯著增加，面包芯硬度降低。這是因為復合的纖維素酶和木聚糖酶共同促進了麩皮中阿拉伯木聚糖、纖維素及β－葡聚糖的分解，提高了其溶解性，促進吸水作用增加，其改良效果要優于單一酶的作用效果。

Johnston等［41］采用麥粒發芽后制備的全麥面粉發酵全麥面包，研究表明這種全麥面包中氨基酸、單糖、雙糖、氨基酸延衍生物等顯著增加，有機酸、糖醇、芳香族化合物等顯著減少;同時面包的甜味增加，苦味、顆粒感降低，說明麥粒發芽過程中產生的多種酶(蛋白酶、糖化酶、液化酶等)有利于蛋白質、淀粉的分解，這其中所含的各種酶及酶解產物的作用仍有待進一步研究。

目前，全麥面包的復合酶制劑研究仍較少，大多集中在木聚糖酶與其它一些常用酶制劑的搭配上［42－43］，而關于植酸酶、淀粉葡糖糖苷酶以及脂肪酶等酶參與復合使用的報道則較少［44］，對其與常用酶制劑木聚糖酶、AM之間相互作用效果及機制也有待進一步研究。相比于單一酶制劑，復合酶制劑可以從質構、感官風味、營養價值等更多方面發揮更好的改良效果，可以預見，復合酶制劑的開發將成為全麥面包品質改良方向上的研究重點。

3 問題與展望

基于人體健康的需要，全麥面包的需求量在不斷增加，通過添加酶制劑來對全麥面包的品質進行改良，在全麥面包產品的生產上將越來越重要，然而不同酶制劑的作用機制不同，產生的效果也并非都是正面的，如添加GOD可以改善全麥面包的色澤，但會導致面團硬度的增加。這就需要進一步探索酶制劑對面粉中大分子的作用，尤其是麩皮中纖維素、木質素的作用影響，為更有效地開發用于改善全麥面包的品質的酶制劑提供理論依據。除本文重點提到的幾種酶制劑外，還存在其它可用于改良全麥面包的酶制劑，例如戊聚糖酶［44］、過氧化氫酶［45］、轉谷氨酰胺酶［46］、漆酶等，其對全麥面包的改良效果及機制有待進一步深入研究。

目前的關于全麥面包復合酶制劑的研究主要集中在以木聚糖酶與其它常用酶制劑(如AM、GOD等)的復合上，為迎合消費者對全麥面包的喜好要求，復合酶制劑的開發應兼顧改善全麥面包的感官風味、質構及營養價值等多個方面，諸如脂肪酶、植酸酶等酶制劑，可以在研究其單一添加對全麥面包的作用影響的基礎上，讓其進一步參與復合酶制劑的研發，以豐富對全麥面包的改良范圍，以此來提高消費者對全麥面包的接受度，拓寬全麥面包的消費市場。