酶制剂对全麦面包品质作用分析

陆云军，陆利霞，姚丽丽，林丽军，熊晓辉

(南京工业大学食品与轻工学院，江苏南京211800)

在小麦精加工的过程中，小麦籽粒的胚乳、胚芽和麸皮在碾磨过程中被分离，导致了许多有益于健康的微量元素、矿物质和纤维等的流失，与精制面粉相比，全麦面粉中的膳食纤维、抗性淀粉、维生素、矿物质，以及类黄酮和类胡萝卜素等营养物质含量更高，以其为原料制成的全麦面包相比于白面包具备更高的营养价值［1－3］。据流行病学研究报告，食用全谷物食品对人体健康有益，长期摄入全麦食品可以减少患糖尿病、心血管疾病和癌症等几种慢性疾病的患病风险［4］。然而，大众对全麦面包等全谷物食品的接受程度并不高，与白面包相比，全麦面包由于全麦粉中所含的膳食纤维、纤维素等，导致质地粗糙、纹理和感官品质不佳等缺点［5］，为改善全麦面包的不足之处，研制新型的全麦面粉改良剂是目前的研究热点。

近年来，随着消费者对更加天然、绿色的面包产品的需求日益提升，酶制剂作为一种纯天然的生物制品，在烘焙产业中的使用也进一步增加。可用作面粉改良剂的酶制剂有许多种类，且不同的酶制剂对面粉的作用机理也不同，所体现的对面团和面包的改良方向和效果也不尽相同，例如改善面团流变学特性、改善面团的发酵效果、延缓面包老化、改善面包体积和面包内部组织结构等，但少数酶制剂在单独使用时会对面团产生部分劣变效果。因此，合理地使用各种酶制剂作为面粉改良剂，可以针对性地改善全麦面包的品质，而且由于酶制剂具有用量小、效果佳的特点，还可以有效地减少或取代许多化学改良剂。

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、脂肪酶等及部分复合酶制剂对全麦面团和面包的改良效果及作用机理，为全麦面包及其品质改良复合酶制剂开发提供思路。

1 单一酶制剂

1.1 木聚糖酶

麸皮和胚芽中存在非淀粉多糖(主要是阿拉伯木聚糖)［6］。阿拉伯木聚糖可分为水溶性的和水不溶性的，水溶性阿拉伯木聚糖对面团的品质起积极作用，而水不溶性阿拉伯木聚糖对全麦面团品质具有负面影响。水不溶性阿拉伯木聚糖在面团制作过程中会与其中的面筋竞争水分，使面筋水化程度较低，干扰面筋网络的形成，从而导致面包体积变小且质地、口感变差。木聚糖酶属于一种半纤维素酶，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，从而促进面筋交联，对于改善面包品质具有重要作用［7－11］。

Ghoshal等［12－13］在 全 麦 面 包 中 添 加 木 聚 糖 酶(6 U/100 g全麦面粉)，结果表明，全麦面团的吸水率为64%，水分保持率为45.55%，而对应未添加酶的对照组的吸水率为70%，水分保持率为41.73%。这是因为木聚糖酶的加入释放了游离水，使水从戊糖相转移到面筋相，使面筋充分水化，促进面筋网络交联。同时，木聚糖酶水解作用获得的戊糖等可供酵母菌发酵，提高了二氧化碳的含量，使面筋网络充分膨胀，显著增大了面包的体积，使面包变得更加柔软，更具弹性。木聚糖酶的添加还延缓了全麦面包室温储藏时的老化速率，起到降低焓变、玻璃化转变温度的效果，降低了全麦面包的硬度，使孔隙更均一。Driss等［14］和Shah等［15］研究表明，在全麦面粉中添加木聚糖酶(分别为0.12 U/g面粉和12 U/g面粉)，可以使全麦面包芯色度的L*、b*值增加，改善了全麦面包的色泽。

Kumar等［8］研究发现，由于木聚糖酶(0.08 U/g面粉)水解作用，低聚木糖被释放出来，这提高了全麦面包的消化率和咀嚼性，有益于人体健康。在室温下，添加木聚糖酶的全麦面包的保质期提高到了4 d，而对照全麦面包的保质期为2.5 d，表明木聚糖酶具有延长全麦面包保质期的作用。

麸皮中含有的非淀粉多糖是降低全麦面包品质的主要原因之一。木聚糖酶针对阿拉伯木聚糖进行的水解作用，可使全麦面包的体积、硬度、外观和保质期等品质都得到了明显的改善。木聚糖酶在全麦面包中的改良表现要优于在白面包产品中，同时也常是用于改良全麦面包的复合酶制剂的一员。

1.2 α－淀粉酶

α－淀粉酶(AM)是一种广泛应用于食品工业的内切酶，能够催化淀粉中α－1，4－糖苷键水解，产生低分子量多糖和糊精。β－淀粉酶是小麦中的一种内源酶，本身就具有足够的活性来将麦芽寡糖转化为麦芽糖。添加AM可以改善面团中AM和β－淀粉酶的平衡，并在面团发酵过程中将受损淀粉颗粒分解成麦芽糖［16－18］。

Matsushita等［18］在全麦面粉与精制面粉的混合粉中加入0.025%α－淀粉酶(1500 U/g)后发现，与未添加组比较，添加了AM的面团持气能力显著增强，面包比容为5.08 cm3/g，而未添加酶的对照组为4.43 cm3/g，这是由于在AM的作用下生成的麦芽糖可供酵母菌发酵，提高了酵母菌的发酵活性，产生了更多的二氧化碳，从而增大了面包比容，降低了面包硬度［19］。此外，AM和β－淀粉酶在淀粉糊化过程中，改进了面团的持气性并降低面团的黏度，起到了改善面包体积和柔软性的作用［20］。另一方面，淀粉酶水解作用产生的还原糖也利于美拉德反应，改善了面包的口感和外壳颜色［16］。O’Shea等［19］在全麦面粉中添加AM(10μg/g，5000 FXU(W)/g)，同样得到了比对照组感官更佳、体积更大、更软的成品全麦面包。

此外，AM对提高全麦面包的保质期也具有较好的效果。Matsushita等［18］研究发现，添加了0.025%的AM(1500 U/g)的全麦面包经过3 d贮藏后，硬度(6 kPa)明显低于未添加组面包(9 kPa)，表明AM的添加有利于减缓全麦面包老化，这与AM分解了破损淀粉有关。

AM对于全麦面包的改良效果主要来源于其水解所产生的寡糖，这些寡糖可以通过干扰淀粉结晶和凝胶形成、促进发酵及美拉德反应，来起到增大面包比容、改善感官风味、延缓面包老化过程中硬度增加的作用，所以其在多种用途的面粉中均有添加使用。目前，除了直接在全麦面粉中添加AM外，还可以通过添加麦芽粉等手段，间接地为全麦面粉补充AM。麦芽粉通常富含AM、麦芽糖、蛋白质及风味化合物，可以改变全麦面包的色泽、风味及持水力等品质，但由于麦芽粉本身品质的区别，在实际运用中对全麦面包的改良效果不稳定，在这一方面仍需要进一步研究。

1.3 植酸酶

小麦麸皮中含有大量的植酸，可影响人体对矿物质等营养物质的吸收;同时植酸可以结合铁、面筋蛋白，从而减少面筋网络结构的形成，导致面包体积缩小、面包芯硬度增加，而且由于铁被结合，从而抑制了羟自由基的形成，影响面筋蛋白的氧化，限制了蛋白质网络结构的形成［21］。植酸酶又称肌醇六磷酸酶，能够催化植酸盐和植酸分解，释放出无机磷，减弱植酸对矿物质的螯合能力，有利于肠道对于矿物质的吸收，进而提高全麦面包中矿物质的生物利用率［22－24］。Cizeikiene等［25］在模拟胃肠道介质pH的研究中发现，在全麦面包中添加由乳酸菌制备的生物制剂的植酸酶(11～54 U/mL)，随着植酸酶添加量增加，全麦面包中铁、锌、锰、钙等矿物质的生物利用度和磷的生物利用度也同比提高，显著改善了全麦面包的营养价值。

另一方面，在制作全麦面包时添加植酸酶，可以加速面团的发酵，增加全麦面包的比容，使全麦面包更加柔软。Haros等［24］研究发现，在全麦面团中添加2500μL/100 g的植酸酶(320 U/mL)，可以使全麦面团的发酵时间缩短24%，降低了面包片的宽度/高度比约5%，改善了全麦面包形状，全麦面包比容相比于对照组提高了21%，同时全麦面包的硬度下降了28.3%。植酸酶在全麦面包中的改良效果与α－淀粉酶类似，是因为植酸酶的加入可以促进植酸水解，提高了游离钙离子浓度，激活了谷物中的内源AM的活性［22］。

1.4 淀粉葡萄糖苷酶

淀粉葡萄糖苷酶，也称糖化酶，它同时作用于1，4－α－糖苷键和1，6－α－糖苷键，并从淀粉及相关的寡糖和聚糖的非还原端释放葡萄糖分子，产生的葡萄糖有助于美拉德反应和提高酵母发酵能力，改善面包的风味、色泽等感官品质［17，26］。淀粉葡萄糖苷酶对全麦面包的作用效果与AM一定程度上类似，但目前关于其应用于全麦面包的研究报道较少，具体的作用机制尚需进一步研究。

Altinel等［27］在富含麸皮的面团中添加0.000875%的淀粉葡萄糖苷酶(65000 AGI/g)后，发现制得的面包比容(1.57 cm3/g)显著低于对照组(1.66 cm3/g);而将淀粉葡萄糖苷酶的添加量增加至0.001%时，所得面包比容(1.65 cm3/g)与对照组无显著差异。Altinel等［28］报道在全麦面团中加入0.001%的淀粉葡萄糖苷酶(65000 AGI/g)，与对照相比，面团的抗拉伸阻力显著提高，同时，在面团中添加0.001%或0.000875%淀粉葡萄糖苷酶，与对照组相比，可降低烘焙损耗。

1.5 葡萄糖氧化酶

葡萄糖氧化酶(GOD)在有氧条件下，能够催化面粉中β－D－葡萄糖使其氧化生成β－D－葡萄糖内酯，后者进一步转化为过氧化氢，过氧化氢促进半胱氨酸的巯基(－SH)氧化形成面筋中的二硫键(－S－S－)，从而起到改善面筋组织结构的作用［29－30］。GOD作为面包改良剂的报道主要集中于白面包上［31－32］，用于全麦面包的报道则较少。

Yang等［33］研究发现，在全麦面粉中加入GOD(5 U/g面粉)，利用GOD催化葡萄糖氧化生成的过氧化氢，可以使面团中的类胡萝卜素含量下降40%，起到了漂白全麦面粉的作用。同时，GOD的加入还会对面团的流变特性产生影响，使全麦面团的弹性模量(G＇)和黏性模量(G″)增加，导致面团的硬度增加。相比于白面团，全麦面团的弹性更低，所以在全麦面团中添加GOD时应当注意添加剂量，避免面团的硬度过大。

Altinel等［27］在富含麸皮的面团中分别加入0.0003%和0.001%的GOD(1500 SRU/g)，实验结果表明，添加了0.001%GOD的面包比容为1.82 cm3/g，显著高于未添加组面包体积1.66 cm3/g;添加了0.0003%GOD的面包比容(1.74 cm3/g)与对照组相比无显著差异，但仍高于未添加组。该结果表明，GOD在适量添加的情况下，可以增加面包的比容。

总的来说，GOD在运用于全麦面包时的改良效果并不显著，它有利于全麦面团的漂白，但却增加了面团的硬度，即使在适量添加的情况下，对全麦面包比容方面的增加也有限。GOD不适合单独应用于全麦面包，在使用时应考虑其对面包硬度的效果而适量添加。

1.6 脂肪酶

脂肪酶(LIP)是一类水溶性酶，主要催化甘油三酯(酯键)水解，并生成单甘油酯或二甘油酯、甘油和游离脂肪酸［34－35］。Altinel等［27］在富含麸皮的面团中添加不同剂量的LIP(80000 PLI/g)后发现，LIP的单独添加会降低面包的比容，0.0002%的LIP添加，使得面包比容相比于对照组(1.66 cm3/g)下降至1.58 cm3/g;当添加量提升至0.001%时，面包比容提高至1.65 cm3/g，虽然与对照组无显著差异，但仍低于对照组。这种现象是由于面团中LIP作用产生的游离脂肪酸和其它脂质降解产物的破坏作用所引起的，导致了面包体积的降低。

Colakoglu等［36］研究表明，LIP(10～40 mg/kg面粉，酶活为25 KLU/g)以不同量添加入全麦面团，提高了全麦面团的强度，使全麦面团的软化度平均下降了12%，硬度相比于对照增加，降低了面团粘稠度约13%，但对全麦面团的抗拉性能无显著影响。LIP通过内源性脂质产生表面活性化合物来提高全麦面团强度，这些化合物通过结合面筋蛋白发挥作用，增强了蛋白质的聚集能力。另一方面，LIP还通过向小麦脂氧合酶提供更多底物(多不饱和脂肪酸)来增加氧化反应的强度，而氧化反应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，使全麦面团强度有较大的提高。

LIP对面筋蛋白的作用不同于GOD直接促进面筋网络结构形成，而是通过水解产物促进面筋蛋白的聚集，在添加到全麦面粉中时通常会增加面团的硬度和强度，然而更高的面团强度允许面团膨胀得更大，所以将LIP与其它利于面团发酵膨胀的酶制剂复合运用时，如木聚糖酶，可能利于生产出独特风味质地的全麦面包。

2 复合酶制剂

木聚糖酶、GOD等酶制剂对面团和面包品质的改良具有局限性，有的还需要相对较大的添加量才能达到预期改良效果。而值得注意的是，根据酶的作用机制及效果，不同的酶之间存在着协同效应，将多种酶制剂复配组合，不仅能够获得对全麦面团和面包更加全面的改良效果，还能有效减少酶制剂的添加量并降低成本。除了已分析的几种酶制剂，已经报道的可用于全麦面包制作的酶制剂还有半纤维素酶［31，37］、谷氨酰胺转氨酶［38］、纤维素酶［39］、戊聚糖酶［40］、磷脂酶［27］、木瓜蛋白酶［20］等，其通过与木聚糖酶、AM、GOD等进行复合使用时，能一定程度上扬长避短，对全麦面包品质起到改良作用。

O’Shea等［19］将AM(5000 FXU(W)/g)和木聚糖酶(2500 FXU(W)/g)同时加入全麦面团中，相比于对照组面包比容(2.69 mL/g)和柔软度(11.17 N)，显著提高了全麦面包的比容(3.05 mL/g)和柔软度(6.94 N)。木聚糖酶将水从戊聚糖相再分配到面筋相中，使得面筋更容易扩展，使得面包体积增大，烘焙得到的全麦面包也更软;AM分解全麦面团中的受损淀粉为低分子量的葡聚糖，提供酵母发酵产生更多的二氧化碳，进一步增大全麦面包的体积并降低其硬度。木聚糖酶和AM对于全麦面包的作用方向不同且不冲突，二者结合所得到的全麦面包品质通常更加优异。

Matsushita等［18］在研究0.025%的AM(1500 U/g)和0.05%的半纤维素酶(14000 U/g)对全麦面团的影响时也得到了相似的结果。其发现，AM和半纤维素酶的复合使用使得面团中受损淀粉和水不溶性戊聚糖降解成水溶性低分子量糖类，在面团发酵过程中不再影响面筋网络的形成。相比于对照组，AM或半纤维素酶单独添加使用，均能增加面团的持气性，增大面包的比容，但改良效果都不如AM和半纤维素酶复合使用。

Yang等［33］将木聚糖酶、木瓜蛋白酶和GOD结合，研制出了一种新型的酶褐变抑制剂，其通过正交试验设计得到的最佳酶组合为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)。这种复合酶使得全麦面团的弹性模量(G＇)和黏性模量(G″)增加，且黏性模量的增加大于弹性模量的增加，有利于消除木聚糖酶和木瓜蛋白酶单独作用所造成的对全麦面团流变特性的负面影响。该复合酶除了改善全麦面团的流变特性外，还能通过消耗多酚或酚醛底物来抑制面团的褐变，改善了全麦面包色泽。

Silva等［29］报道了木聚糖酶(1404 EDX/g)、GOD(331 SRU/g)和抗坏血酸对全麦面包的改良效果，研究发现，一定量的木聚糖酶(33～63 EDX/kg面粉)，与较高浓度的抗坏血酸(63 mg/kg面粉)和GOD(91 SRU/kg面粉)复合使用，可以使改良效果达到最佳水平。全麦面粉中的阿拉伯木聚糖含量高于精制小麦粉，木聚糖酶对阿拉伯木聚糖的水解作用降低了其分子大小和保水能力，而在较高浓度的GOD和抗坏血酸的氧化作用下，水溶性阿拉伯木聚糖之间产生了弹性凝胶作用，极大地提高了阿拉伯木聚糖的保水能力，使面包在储藏过程中具有更高的水分含量，同时更加柔软。

Park等［39］将纤维素酶(1～20 U/g麸皮)与木聚糖酶(7.7～154 U/g麸皮)复合后于55℃作用于麦麸90 min后加入白面粉中进而制作出富含麦麸的面包，发现经过酶解作用后的麸皮，可溶性糖及可溶性纤维素含量均显著增加，且所制作的面包比容显著增加，面包芯硬度降低。这是因为复合的纤维素酶和木聚糖酶共同促进了麸皮中阿拉伯木聚糖、纤维素及β－葡聚糖的分解，提高了其溶解性，促进吸水作用增加，其改良效果要优于单一酶的作用效果。

Johnston等［41］采用麦粒发芽后制备的全麦面粉发酵全麦面包，研究表明这种全麦面包中氨基酸、单糖、双糖、氨基酸延衍生物等显著增加，有机酸、糖醇、芳香族化合物等显著减少;同时面包的甜味增加，苦味、颗粒感降低，说明麦粒发芽过程中产生的多种酶(蛋白酶、糖化酶、液化酶等)有利于蛋白质、淀粉的分解，这其中所含的各种酶及酶解产物的作用仍有待进一步研究。

目前，全麦面包的复合酶制剂研究仍较少，大多集中在木聚糖酶与其它一些常用酶制剂的搭配上［42－43］，而关于植酸酶、淀粉葡糖糖苷酶以及脂肪酶等酶参与复合使用的报道则较少［44］，对其与常用酶制剂木聚糖酶、AM之间相互作用效果及机制也有待进一步研究。相比于单一酶制剂，复合酶制剂可以从质构、感官风味、营养价值等更多方面发挥更好的改良效果，可以预见，复合酶制剂的开发将成为全麦面包品质改良方向上的研究重点。

3 问题与展望

基于人体健康的需要，全麦面包的需求量在不断增加，通过添加酶制剂来对全麦面包的品质进行改良，在全麦面包产品的生产上将越来越重要，然而不同酶制剂的作用机制不同，产生的效果也并非都是正面的，如添加GOD可以改善全麦面包的色泽，但会导致面团硬度的增加。这就需要进一步探索酶制剂对面粉中大分子的作用，尤其是麸皮中纤维素、木质素的作用影响，为更有效地开发用于改善全麦面包的品质的酶制剂提供理论依据。除本文重点提到的几种酶制剂外，还存在其它可用于改良全麦面包的酶制剂，例如戊聚糖酶［44］、过氧化氢酶［45］、转谷氨酰胺酶［46］、漆酶等，其对全麦面包的改良效果及机制有待进一步深入研究。

目前的关于全麦面包复合酶制剂的研究主要集中在以木聚糖酶与其它常用酶制剂(如AM、GOD等)的复合上，为迎合消费者对全麦面包的喜好要求，复合酶制剂的开发应兼顾改善全麦面包的感官风味、质构及营养价值等多个方面，诸如脂肪酶、植酸酶等酶制剂，可以在研究其单一添加对全麦面包的作用影响的基础上，让其进一步参与复合酶制剂的研发，以丰富对全麦面包的改良范围，以此来提高消费者对全麦面包的接受度，拓宽全麦面包的消费市场。