小麦麸皮生物加工及其在面制品中应用研究进展

刘　姣,汪丽萍,谭　斌,*,吴卫国

(1.国家粮食局科学研究院,北京 100037;2.湖南农业大学,湖南长沙 410128)



小麦麸皮生物加工及其在面制品中应用研究进展

刘姣1,2,汪丽萍1,谭斌1,*,吴卫国2

(1.国家粮食局科学研究院,北京 100037;2.湖南农业大学,湖南长沙 410128)

麸皮是小麦加工主要副产物。麸皮中含有丰富的膳食纤维和生物活性物质,对人类健康产生有益影响。麸皮作为配料在食品中的应用会提高产品的营养品质,但大量麸皮的添加会使得产品的感官品质显著下降。已有的研究表明,对麸皮进行适当的生物加工处理会明显改善麸皮添加产品的感官品质,并大大提高营养价值。本文综述了近年来麸皮的酶处理和发酵等生物加工技术及其在面制品中的应用研究进展,旨在指导进一步的科学研究,提高麸皮的食品加工应用价值。

麸皮,酶处理,发酵,应用

随着人们生活水平的提高,消费者对天然营养健康食品越来越关注,全谷物作为一大类健康谷物食品,引起了消费者的极大兴趣。近年来在国内外市场上已经出现了许多诸如全麦粉、全麦面包、糙米、糙米制品及杂粮类产品等全谷物产品,并且展开了相关研究。其中,全麦的研究较为广泛,目前国际上全麦粉的生产主要分为两种方式:一是整粒磨粉法,将小麦整粒研磨而成;二是麸皮回添法,将小麦麸皮如数回添到面粉中[1]。小麦麸皮具有重要的营养学特性,富含纤维素和半纤维素、蛋白质、脂肪、矿物质、维生素、低聚糖以及植酸酶、β-淀粉酶等成分,是人体植物雌激素的重要食物来源,具有抗癌、抗衰老、减肥、减少憩室病、胆结石和结肠癌发生等重要生理功能[2]。麸皮是小麦加工主要副产物,据2011年国家粮食局粮食加工业统计资料,小麦麸皮产量约为小麦加工年生产能力的14.8%,我国小麦麸皮产量多达2639万吨,占小麦加工副产物产量的95.7%。在过去十年中,由于对麦麸的深度开发技术尚处于较低水平,绝大部分的麸皮仅用于酿酒、饲料等领域,极少有麦麸食品上市,食品和商品价值较低。然而,近些年越来越受到人们的关注,小麦麸皮加工利用方面的文献报道逐渐增多,主要集中在麦麸膳食纤维的开发利用,阿拉伯木聚糖、戊聚糖、阿魏酸、植酸及对羟基肉桂酸的制备等[3-4],其中在食品中的应用主要集中于发酵焙烤制品。

由于一些技术缺陷,在食品应用中麸皮比精制谷物更具有挑战性和有限性。例如,在面包中添加麸皮通常会弱化面团的结构和焙烤品质,减少面包的体积和面包瓤的弹性,降低面包的整体质量[5]。要得到性状较好的麦麸产品,需要在工艺上进行改进。生物工艺目前被认为是提高麸皮营养和加工功能的一种有效工具。生物处理影响谷物的结构,通过改善其成分可以增强它们的促健康功能和加工性能。本文着重介绍了提高麸皮的营养和加工性能的最新的生物加工方法,主要包括酶处理和生物发酵,致力于开发高附加值的全麦食品。

1　酶工艺

麸皮中含有丰富的膳食纤维和许多不同的生物活性物质,对人体健康产生有益影响。在麸皮中,通过酶制剂来溶解膳食纤维和改善细胞壁的复杂结构是目前研究最多的一种提高麸皮营养和加工性能的方法。与传统的改良剂相比,酶制剂具有显著的优点:它不会残留有害的物质;酶的催化反应具有高效性和高度专一性;酶反应条件温和、能耗较低、易操作,营养成分损失少[6]。在酶加工工艺中,应用最多的酶制剂主要有木聚糖酶、纤维素酶、阿魏酸酯酶等,它们在改善麸皮营养和加工性能方面有相应的辅助作用。

1.1木聚糖酶

木聚糖酶是一种半纤维素酶,所谓半纤维素酶是指不能水解由β-葡萄糖构成的多糖(纤维素),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(半纤维素)的一类酶,木聚糖酶分为内切型木聚糖酶和外切型木糖苷酶两种。前者可从木聚糖分子内部任意切开β-1,4键,生成不同聚合度的低聚木糖,而后者则是从木聚糖链末端依次切下木糖分子[3]。木聚糖酶能够降解水不溶性阿拉伯木聚糖(WUAX),从而导致其主链结构中的分裂,让更多的水通过细胞壁物质得以吸收[7]。

小麦麸皮膳食纤维包含阿拉伯木聚糖(AX)、纤维素、木质素和β-D-葡聚糖[8]。AX是最主要的成分,它具有增强免疫力、抗肿瘤、降血脂、降血糖、清除自由基抗氧化、减肥、润肠通便等生理活性[9],同时具有高分子量、高粘度性、高持水性和氧化凝胶等理化特性,对于小麦麸皮的功能性质有重要影响[5]。近年来在研究酶法改善麸皮性能的过程中,提高AX的溶解度是一个重要的目标。Figueroa[10]等人通过三种木聚糖酶对八种不同条件下挤压处理的黑麦麸皮进行酶解来找到一种提高AX溶解度的物理方法,研究发现使用从枯草芽孢杆菌中提取出来的木聚糖酶处理高温挤压的麸皮能够使AX更好的溶解,而用此酶酶解高剪切处理的麸皮并没有提高AX的溶解性。此外,在木聚糖酶处理麸皮的过程中,水分含量也是影响AX溶解度的一个重要因素。Outi Santala[11]等人研究了20%～90%水分含量时木聚糖酶对麸皮的处理效率,结果显示40%和90%水分含量时AX溶解度比50%～80%时的溶解度要高。40%水分含量时AX溶解度高可能是由于剪切力的物理作用打破麸皮细胞壁,从而提高了AX的溶解度。

1.2纤维素酶

纤维素酶是一类能够将纤维素降解为葡萄糖的多组分酶系的总称,它们协同作用,分解纤维素产生寡糖和纤维二糖,最终水解为葡萄糖。传统上将其分为三类:内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶[12]。

小麦麸皮常被用作动物饲料,但因含有较高的纤维素类物质而限制了其在动物饲料配方中的用量,利用纤维素酶酶解小麦麸皮中纤维素是解决这一问题的有效途径之一。王在贵[13]等人采用还原糖法研究了不同酶解温度、时间、pH及酶浓度条件对纤维素酶酶解小麦麸皮效果的影响。研究发现纤维素酶酶解小麦麸皮的最适条件为:酶解温度37 ℃,时间15 min,pH6,最适酶浓度0.04 IU/mL。此外,由于纤维素酶可以水解纤维素,从而破坏植物细胞壁,有利于麸皮中活性物质的大量溶出,因此纤维素酶通常也用于麸皮中总黄酮的提取,纤维素酶法提取条件温和,质量好,生产安全,能保证黄酮等物质的生物活性[14]。

1.3阿魏酸酯酶

阿魏酸酯酶(ferulie acid esterase,FAE)又称肉桂酸酯酶,是羧酸酯水解酶的一个亚类,也是一种胞外酶。它的主要功能是水解植物细胞壁中多糖与阿魏酸连接的酯键,释放出游离的单体阿魏酸或阿魏酸二聚体[15]。

麸皮是低分子量的酚类化合物的重要来源,其中,阿魏酸(FA)是含量最多和研究最多的一种酚类化合物,因为它是一种天然有效的抗氧化剂,具有清除氧自由基、降低胆固醇、抗血栓和动脉粥样硬化、抗菌消炎、抗肿瘤、抗衰老、抗病毒、抗紫外辐射等生理功能[16]。并且FA毒性很低,在日本和美国,FA己被作为抗氧化剂应用于食品加工中[17]。然而,大多数的阿魏酸被酯化而制约了生物有效性和生物利用度,阿魏酸酯酶水解麸皮制备FA由于其反应条件温和,专一性强,对环境友好已成为广泛研究的热点。在植物细胞壁上,FA连接于木聚糖侧链,纤维素与木聚糖之间形成的空间阻碍是影响FAE作用的因素之一,单一使用FAE,并不能很好地渗入木聚糖分子内部,影响酶与底物的有效接触,导致水解率低。已有报道表明,FAE可以协同木聚糖酶等半纤维素酶提高植物纤维质中FA的释放量,在料液比8%,温度40 ℃,时间24 h,pH4.4的最适酶解条件下,可以释放出淀粉玉米麸皮中23.5%的阿魏酸[18]。另外在纤维素酶的协同作用下,阿魏酸酯酶水解释放阿魏酸效率也有明显提高,曾妍[19]等人研究在阿魏酸酯酶添加量30 U,纤维素酶添加量70 U,水解时间为10 h,水解温度为40 ℃,水解pH为5.0,料液质量体积比为1∶30(g/mL)时,小麦麸皮中阿魏酸的释放率为23.6%,而单独使用阿魏酸酯酶30 U时阿魏酸的释放率仅为4.1%。

1.4复合酶

麸皮结构较复杂,要使麸皮中的木聚糖完全降解需要多种特异性和作用模式的几种水解酶复合物共同作用。

复合酶制剂通过几种酶制剂之间的协同作用降解麸皮中的纤维素、木聚糖等成分能达到比单一酶更加显著的效果。李玉忠[20]等人采用纤维素酶、半纤维素酶和木聚糖酶对小麦麸皮进行酶解,明显改善了麸皮的性状,由粗糙变为细腻,提高了其适口性、可食性;小麦麸皮经过复合酶解,营养成分如阿魏酸和烟酸也有显著提高,分别比原有量提高了4.8倍和29倍。Karin Petersson[21]也用木聚糖酶、内切葡聚糖酶、β-葡聚糖酶、阿魏酸酯酶和α-阿拉伯糖苷酶酶解黑麦和小麦麸皮,麸皮的持水能力和水相的粘度没有增加,而膳食纤维被大量溶解,不溶物含量降低。

2　生物发酵

从营养学的角度来看,最近几年对麸皮生物加工的主要方向是增加其体内和体外酚酸和可溶性膳食纤维的生物有效性。发酵有利于麸皮活性的增强和增加叶酸、酚类化合物、FA和可溶性戊聚糖的浓度[22],并且同时使用微生物发酵法和酶水解会使这种效果更加明显[23]。目前,国内外麸皮发酵主要有两种方式:一是利用自然环境中的微生物进行发酵的过程;二是借助发酵菌对麸皮进行发酵的过程,这种方式是当前占主导地位的麸皮发酵方式。在非自然发酵方式中,应用最多的发酵菌主要有酵母菌、乳酸菌等,它们在改善麸皮营养和加工性能方面有相应的辅助作用。

2.1干酵母

干酵母是一种经某种方式干燥并保留其大部分的发酵能力,不含任何谷物或其他填充物的酵母产品,每克活性干酵母产品必须含有不少于150亿个活酵母细胞。活性干酵母是美国FDA允许饲用的益生菌,也是中国批准使用的益生菌品种,是一种天然添加剂[24]。

王立克[25]等利用酵母在不同时间和温度的条件下对小麦麸皮进行生物发酵,发现发酵后的麸皮营养成分较原样均有极显著的改变(p<0.01),当麸皮发酵时间为18 h、温度为35 ℃、湿度为58%时,乙醚浸提物含量提高了73.68%,粗蛋白含量提高了119.59%,麸皮的营养价值得到明显提高。此外,用高活性干酵母发酵麸皮能够提高麸皮的抗氧化性能,李秀利[26]等人对大麦麸皮酵母发酵液的还原能力、DPPH自由基清除能力和羟基自由基清除能力进行测定,结果发现大麦麸皮发酵液中多酚含量随着发酵时间的增加而增加,发酵6 d达到最大值,发酵6 d的发酵液还原能力和DPPH自由基清除能力要比300 μg/mL的抗坏血酸和BHT强。由此可见,利用干酵母发酵麸皮对于提高麸皮的利用价值有着无与伦比的优点和巨大的发展潜力。

2.2乳酸菌

乳酸菌(Lactic acid bacterium,LAB)是一类能发酵可利用碳水化合物(如葡萄糖或乳糖)产生乳酸的革兰氏阳性细菌[27]。它可以在发酵过程中产生各种活性物质如有机酸、过氧化氢、双乙酰、细菌素等,不仅对食品的风味有改善作用,而且可抑制腐败菌及病原菌故有利于食品的保存[28]。

孙中超[29]等人以小麦麸皮为原料,添加植物乳杆菌液,调节料液比为1∶1.5,25～50 ℃发酵2～3 d,烘干粉碎得到固态发酵麸皮,经此方法发酵的麸皮呈金黄色,富含乳酸、大量益生菌及小肽,具有浓郁香气,抗氧化能力较原料有大幅提升,经发酵后植酸及主要霉菌毒素均未检测到。任科润[30]等人采用麸皮等为原料,以植物乳杆菌L. casei Zhang p8为发酵菌种,在发酵温度34 ℃、接种量12%、含水量50%、料量50 g条件下发酵60 h,植物乳杆菌L. casei Zhang p8菌落可以达到39.8×108cfu/g,在此条件下制备的益生菌制剂提高了麸皮等的附加值,降低了成本,提高了经济效益。因此,利用麦麸获得高营养价值和高经济价值的深加工产品益生菌,对小麦麸皮进一步深加工具有重要意义。

2.3复合菌

复合菌发酵一般指两种或三种以上的发酵菌共同发酵。在传统的发酵方式中,发酵菌群除主要含有酵母菌外,还含有一定数量的其他微生物群,如乳酸菌、醋酸菌,它们共同发酵能够产生出二氧化碳、乙醇、乳酸、醋酸等物质以及少量的风味辅助物质[31]。

曹香林[32]等人选用不同比例组合的枯草芽孢杆菌、酵母菌及乳酸菌发酵麸皮,粗蛋白质含量较发酵之前提高了56.56%,经离体消化研究发现,发酵麸皮的干物质和粗蛋白质消化率均较发酵前有明显提高。杨旭[33]等人以普通麸皮为原料,以黑曲霉、纳豆芽孢杆菌、酿酒酵母和粪链球菌(0.5∶2∶10∶4)进行混菌固态发酵,在37 ℃发酵48 h,发酵麸皮中有益菌总数达到109个/g干物料,粗蛋白含量(绝干)由16.1%提高为20.97%,粗纤维含量由10.5%降低为5.32%,产品有很浓郁的酸香味。

3　生物处理麸皮在面制品中的应用

在面制品加工方面,天然麸皮的添加对于产品品质的劣化较为显著,例如它对面包的体积和结构有负面的影响,主要在于对面筋基质的改变,最终影响了面包的整体风味[34]。因此,为了解决这些问题,小麦麸皮的生物处理已经用于面制品中。目前生物处理麸皮在国内馒头工业上的应用还在起步阶段,在面条工业上的应用还是一个空白,但是在国内外烘焙领域已经得到了广泛的应用,主要分为三种方式:酶处理、发酵处理以及两者协同作用。

3.1酶处理麸皮

酶处理麸皮在国内外面制品中应用最多的是在面包工业中,其作用主要是增大产品的体积,改善产品的内部组织结构,增强面团的延展性和弹韧性,延长货架期。例如,在面团揉制过程中,适量的木聚糖酶能够促使部分的水不溶性阿拉伯木聚糖(WUAX)溶解,消除了WUAX对于面包品质的负面影响,另一方面水溶性阿拉伯木聚糖(WEAX)在醒发过程和焙烤初期的适当降解,使附着在面筋蛋白质膜表面的AX黏度下降,从而促使面筋蛋白质膜延伸性增加,但是面团的稳定性和面筋的网络结构并未受到破坏,使得质构改善、面包芯的均匀性提高[35]。特别是,耐热的木聚糖酶的使用能够抵消当小麦麸皮添加到面包中而造成面包体积减小的负面影响[36]。此外,复配型酶制剂处理麸皮对面制品的改良效果更佳,严晓鹏[35]等人发现复配型酶制剂通过几种酶制剂之间的协同作用可以降解麸皮中的纤维素、木聚糖,减少其对面团的劣化作用,并强化了面筋结构,提高了面团的柔软度,并得出复配型酶制剂的最佳配比:纤维素酶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,在此条件下对麸皮面包品质具有显著的改善效果。

3.2发酵处理麸皮

发酵技术除了可以使蛋白质的消化率提高,也可以降低淀粉的消化率和血糖反应,目前已经应用于全麦和含有麸皮的发酵焙烤食品[37-38]。在烘烤之前用选择性的乳酸菌和酵母来处理小麦和黑麦麸皮是能够增大面包体积,改善面包瓤结构和口味,提高面包的保质期[39]。酵母发酵对麸皮的加工性能和营养功能产生积极的影响,它提高了全谷物和富含纤维产品的质地和适口性,特别是增加了产品的风味,与没有发酵的麸皮相比,生物处理过的麸皮做成的面包没有麸皮面包特有的粗糙的口感[23]。发酵在馒头工业中的应用与在面包工业中类似,采用复合菌发酵(酵母、乳酸菌和甜酒曲),所得麸皮馒头呈现浅咖啡色,气孔细密均匀,表面光滑,感官品质为85.7分[40]。此外,不同的发酵方式对面制品的影响也有不同,用酵母或者同时用酵母和乳酸菌处理小麦麸皮比自然发酵处理麸皮做成的面包体积更大,口感更好,货架期更长[41]。

3.3酶制剂协同生物发酵处理麸皮

为达到更加理想的效果,生物发酵往往结合酶工艺用于麸皮处理来生产麦麸食品。K Katina[42]等人研究了酵母和乳酸菌结合复合酶(a-淀粉酶、木聚糖酶和脂肪酶)对麦麸面包体积、老化和微观结构的影响,结果表明麸皮发酵改善了面筋网络结构,并可在贮藏过程中改变淀粉、蛋白质和麸皮颗粒间的水分迁移,而酶的作用是改善了储藏过程中面包的体积和减少淀粉的结晶,两者结合使面包品质达到最好。此外,麸皮的颗粒细度对麸皮生物处理也有影响,采用短乳杆菌和酿酒酵母菌结合复合水解酶处理麸皮的颗粒细度在160 μm的麸皮,所制的面包有最好的口感、体积和货架期[43]。

4　展望

全谷物加工技术涉及产品口感、风味、色泽、质构等的变化与控制,营养与功能性组分的保留与生物有效性控制,产品稳定性与货架期的控制,微生物污染与控制及产品的多元化开发等诸多问题。到目前为止,在考虑到全麦产品的加工技术和感官性能时,在食品中添加麸皮依然是一项艰巨的任务。生物工艺被认为是一种高效、环保的工具，能够使麸皮的结构达到满意的改变,最近的研究结果也都表明它是改善麸皮功能和可口性的先决条件,对特定结构有针对性的修改能够有效提高麸皮的营养和加工性能。然而目前有关生物处理麸皮在面制品加工工艺及品质影响的研究,主要局限于以面包为代表的面团体系、加工方法和产品品质领域,以馒头为代表的面团体系为对象的深入系统的科学研究还很薄弱,以面条为研究对象的应用更是未见报道。因此,一方面要继续研发以面包为对象的生物处理麸皮添加新型产品,加大麸皮添加量,保证产品感官和营养品质同时得到提高。二是需要更加深入地开展以馒头为对象的酶制剂和发酵菌的作用机理及其应用研究,根据特定的应用对象有针对性地创造最佳的反应条件,最大限度的发挥酶制剂和发酵菌的作用,提高产品质量,降低生产成本。三是要加强以面条为对象的生物处理麸皮的系统研究,探讨生物加工技术在和面、醒发、压片和干燥的过程中的作用和影响,以及对面条品质产生的影响,从一个新的视角了解面片及面条品质形成的科学机理,为研究开发全谷物或高膳食纤维面条提供理论参考。

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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

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

谭斌(1972-)，男，博士，研究员，研究方向：粮食加工，E-mail:tb@chinagrain.org。

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(ZX1506)。

TS201.1

A

1002-0306(2016)12-0375-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.12.063