阿拉伯木聚糖对面团及面制品品质影响的研究进展

耿梦园,罗登林,2*,白周亚,2,黄继红,冯军伟,李佩艳,2,岳崇慧,2,王立博,2

1(河南科技大学 食品与生物工程学院,河南 洛阳,471023)2(河南省食品原料工程技术研究中心,河南 洛阳,471023)3(许昌学院 食品与药学院,河南 许昌,461000)4(河南飞天农业开发股份有限公司,河南 鹤壁,456750)

阿拉伯木聚糖(arabinoxylan,AX)是小麦、玉米、大米、大麦、高粱等谷物中主要的非淀粉多糖,AX主要是由吡喃木糖基通过β-(1→4)糖苷键连接的主链组成,侧链则通常为阿拉伯呋喃糖残基部分。根据AX来源不同,葡萄糖、半乳糖、D-半乳糖醛酸和D-葡萄糖醛酸等也可以连接到主链上[1]。此外,AX中还含有少量的蛋白质、脂质和酚类化合物(阿魏酸和香豆酸)[1]。根据AX在水中溶解度大小,可分为水溶性阿拉伯木聚糖(water-extractable arabinoxylan,WEAX)和水不溶性阿拉伯木聚糖(water-unextractable arabinoxylan,WUAX),它们具有不同的分子质量、支化度和单糖组成[2]。在谷物细胞壁中,WUAX的分子质量和侧链取代度通常高于WEAX[2]。研究发现,AX具有抗氧化、控制血糖水平、减轻肠道屏障损伤、降低高血糖、高血脂和预防癌症等突出的生理功能[3]。将AX掺入精制面粉已被证明是提高面制品中膳食纤维含量的有效策略。AX可以通过与面团中的蛋白质和淀粉发生作用,从而改变面团的持水性、流变特性和发酵特性,最终对蒸煮类、焙烤类和油炸类等面制品的品质产生影响。对于面筋蛋白,AX既能在面筋蛋白中起到填充作用,又能与其竞争水分,还能影响面筋蛋白中二硫键构象的稳定性;对于小麦淀粉,AX能影响其糊化特性和老化性质。AX的这种影响大小和差异取决于AX、面筋蛋白和淀粉的分子结构和性质。AX的添加能增强面团的持水性、黏弹性、持气性和稳定性,不仅能改善面团的加工性能,还能提高面制品的膳食纤维含量和营养品质。研究认为,在面制品中添加10%(质量分数)的AX就可以达到高膳食纤维的水平[4]。添加AX的面包与全谷物面包对大鼠血糖控制效果相同,表明AX强化的产品能达到与全谷物产品水平相当的营养品质[5]。

基于AX在面制品中潜在的应用价值,文章从微观与宏观角度,分别分析了AX与面团主要成分(面筋蛋白、淀粉)间的相互作用,阐述了其对面团特性和面制品品质的影响规律,以期促进AX在健康食品中的应用。

1 AX对面团主要成分的影响

1.1 面筋蛋白

面筋网络的形成决定着面团的品质,在和面过程中面筋蛋白通过分子间/内二硫键和非共价键作用形成具有黏弹性的三维网络结构。在此过程中,AX可通过直接和间接的方式参与面筋网络的形成,从而影响面团的性质。相关研究认为,分子质量不同的AX对面团的影响规律不同,分子质量较小的AX在面筋蛋白网络空隙中起到填充作用,能促进面筋网络的致密性和连续性,直接影响面筋网络的延伸性能[6];而分子质量较大的AX通过与面筋蛋白竞争水分影响面筋网络的形成[7]。另外,AX对面团的影响也取决于其水溶性大小。二硫键被认为是在面团混合过程中形成面筋网络的主要化学键。研究发现,WEAX有助于维持面筋中二硫键的构象稳定,改善面筋网络并增加面筋的黏弹性,提高面制品品质[8];而WUAX在麦谷蛋白和麦醇溶蛋白聚合时能与色氨酸和苯丙氨酸结合,诱导面筋网络的二硫键构象变为较不稳定的状态,但酶促改性的WUAX可以缓解这种不利影响[9]。酶促改性的WUAX在加热时能促进蛋白质网络的伸展过程,有助于形成更有序和稳定的网络结构[9]。AX与面筋蛋白的相互作用如图1所示,具有较低分子量和较高支化度的AX在蛋白质网络的空隙中起到填充作用,增强了蛋白质分子间的交联聚集效应,从而对面团的持水性和流变学性质产生影响,进而影响到最终产品质量[10]。综合来看,水溶性好的WUAX对面团和面制品品质的改善作用更有利,因此,实际中可考虑利用生物酶技术将WUAX降解为WEAX,以解决WUAX对面筋网络形成的负面影响,达到改善面制品品质的目的。

图1 AX与面筋蛋白的相互作用Fig.1 Interaction between AX and gluten protein

1.2 淀粉

淀粉作为小麦面粉最重要的成分之一,与面团特性和面制品品质密切相关,其糊化和回生行为对调控面制品的品质尤为重要。淀粉的糊化行为很大程度上控制着新鲜加工食品的黏度和质构特性。WEAX可通过附着在淀粉颗粒表面包裹住颗粒,抑制其吸水膨胀,延缓其糊化,从而提高面团稳定性并改善面制品的品质[11]。对于具有较高分子质量和较高支化度的WUAX,它在面团体系中也会与淀粉竞争水分,减少淀粉糊化的可用水量,阻碍其糊化,但低分子质量WEAX比高分子质量WUAX对淀粉糊化的抑制作用更显著,这归因于低分子质量WEAX可以抑制直链淀粉溶出和直链淀粉-脂质复合物的形成[12]。研究还发现,WEAX可以在淀粉回生时影响直链淀粉分子的重新排列,阻碍其有序结晶区的再次形成,从而减缓其回生速度,提高面制品的耐贮性和货架期[12]。低分子质量AX与溶胀淀粉颗粒或浸出直链淀粉的相互作用更强,可以延缓直链淀粉在贮藏过程中的重结晶,从而抑制淀粉的短期回生;而高分子质量AX更倾向于与支链淀粉相互作用,通过抑制支链淀粉的重结晶从而抑制淀粉的长期回生[12-13],AX与淀粉的相互作用如图2所示。与WUAX相比,WEAX具有更多暴露的羟基,能在面团体系中形成更多的氢键[14]。因此,它在淀粉回生过程中能更均匀地参与到其重结晶过程中,对其回生的抑制作用更明显。总的来说,AX在调控面制品的回生方面能发挥出重要的作用,尤其在鲜湿面制品的制造方面更具优势。

图2 AX与淀粉的相互作用Fig.2 Interaction between AX and starch

2 AX对面团特性的影响

2.1 面团的持水特性

面团的形成是水与面粉中的蛋白质和淀粉相互作用的过程,面团中的水分含量和分布影响着面团特性和面制品品质。在面团所有的功能特性中,持水特性对面团的硬度、内聚性、回复性、蒸煮特性、弹性和均匀性等指标起着重要的作用。AX主要通过结构上的羟基与水发生氢键作用,降低水分子的流动性,增加面团中结合水的比例,达到增强面团的持水能力[15]。WEAX可以通过提高面团的持水能力改善其黏弹性,降低硬度并延缓老化,具有增加面制品体积和水分含量的作用[15]。但也有研究发现,当WEAX添加量超过5%(质量分数)时,过量的WEAX会与面筋蛋白竞争水分,造成蛋白质吸水不充分,阻碍面筋网络的形成,同时也会引起面团中面筋蛋白的相对含量下降,对面制品品质产生不良影响[16]。WUAX也具有较强吸水能力,但对于不同加工工艺的面团影响作用差异明显。例如:对于发酵面团,WUAX的添加会导致水分从面筋蛋白向WUAX转移,从而削弱了面筋网络的形成,对面制品品质产生负面影响[17];但对于油炸类食品,WUAX能有效降低面团在油炸过程中内部水分的散失,阻止面团内部与外界油之间的传质过程,从而大幅度降低产品的含油量[18]。因此,当AX应用于面团时,需要重点考虑AX的种类和添加量、面团特性和加工方法。

2.2 面团的流变特性

面团流变学性质被认为是预测最终产品质量的关键参数之一。AX影响面团流变学特性的原理是面筋蛋白和AX之间的相互作用,其影响的差异与AX的化学结构有关,主要取决于AX的来源、提取方法、纯化方法和结构组成(分子质量、支化度和结合的阿魏酸基团等)[1]。WANG等[3]研究发现,在添加量为0.5%～2.0%(质量分数)时,具有较低分子质量、较高支化度和较高阿魏酸含量的WEAX能改善面团的黏弹性,赋予面团良好的加工性能;而具有较低阿拉伯糖取代的WEAX则可以诱导与面筋/淀粉复合物的交联,提高面团的拉伸特性[19]。但当WEAX添加量高于2.0%(质量分数)时,会降低面团中游离水的含量,削弱面团的结构[20]。对于WUAX,无论添加量多少均会不同程度地降低面团的黏弹性,削弱面筋网络结构,进而对面团的流变学性质产生不利影响[21]。另外研究还发现,相对分子质量高的WUAX的加入会阻碍面筋网络结构的形成,这种作用会随着相对分子质量的降低而减弱,但也有报道认为相对分子质量低的WUAX的加入会增强面筋网络结构,促进面筋蛋白与淀粉颗粒二者的结合,增强面团流变学性质[14]。因此,目前关于这方面的研究结论并不一致,需要更加深入和系统地进行探索。但总的来说,通常认为具有较低分子质量和较高溶解度的AX具有更好改善面团流变学特性的作用。

2.3 面团的发酵特性

面团发酵的目的在于发酵产气以获得蓬松的面制品。AX对发酵面制品的积极影响包括黏度的增加、面团持气性的增强、保水能力的提高和纹理的改善等。AX具有较高的黏度,它能通过增加面团的黏度来减少面团发酵过程中的起泡排水并增加泡沫稳定性,增加发酵面团的持气性和稳定性[22]。在面团制作过程中,溶解在面团体系中的WEAX可通过稳定薄膜层而有助于气体保持,提高气室的稳定性,减少面团熟化过程中对气室的破坏,使细胞膨胀而不会破裂或聚结,从而增大了面制品体积[23]。虽然WUAX的添加也能增加面团的持气性,但它会导致气体滞留损失,从而促进气室聚结,破坏面团中的气泡界面并使馒头气孔大小不均匀,面制品体积减小[24]。研究发现,在面团混合和第一次发酵阶段,WUAX会发生水解,一部分会转化为WEAX,这反而有利于改善面团特性和面制品品质[25]。BUKSA等[17]发现在面团发酵过程中AX会发生酶解和酸解,导致AX平均相对分子质量降低甚至发生脱支化,大量水解的AX分子与蛋白质产生较强的相互作用,阻碍了蛋白质在发酵过程中的解聚,有利于面制品品质的改善。不同来源和种类的AX对面团特性影响规律见表1。

表1 AX对面团特性的影响Table 1 Effect of AX on dough properties

3 AX对面制品品质的影响

3.1 蒸煮类面制品

AX对蒸煮类面制品的积极影响包括质构特性的改善、货架期的延长及营养价值的提高等。对于面条类,随AX添加量的增加,面条的硬度和咀嚼性增加,这是因为在蒸煮过程中AX与糊化的淀粉发生相互作用,提高了淀粉分子间的相互交联和分子链的有序排列,改善了面条的结构,因此面条硬度和咀嚼性增加[26]。研究建议在小麦粉中添加AX的量应相对较低,适宜的添加量应在0.25%～1.0%(质量分数)之间,以达到既能改善煮熟面条的烹饪特性和质地还能提高其膳食纤维含量的目的[27]。对于馒头类,较低分子质量AX的添加会使馒头的硬度、咀嚼性和胶着性减小,馒头变得绵软、爽口并易咀嚼;而较高分子质量AX的添加则使馒头的胶着性和咀嚼性提高,馒头变得较为黏牙不爽口[14]。另外,AX的加入可以降低馒头贮藏过程中硬度的增加速率,促使淀粉回生过程中直链淀粉分子重排,具有抑制淀粉回生和延长馒头货架期的作用[28]。但AX的添加会降低面条和馒头的白度,加深其黄色程度,使外观、色泽等评分指标呈下降趋势,这与AX本身的颜色有关[14]。由于消费者对具有健康功效的面制品更加感兴趣,因此即使AX的添加可能会导致面制品的感官品质有所下降,但仍然可保持其综合品质在可接受的变化范围内。

3.2 焙烤类面制品

AX对焙烤类面制品的影响与AX的持水性和表观黏度密切相关。AX-面筋蛋白复合物在烘焙过程中会发生分解并释放水分,使得面团在烘烤过程中保持水分,还能减缓较高温度下的淀粉糊化[29]。AX具有高黏度和氧化交联的特性,可以作为一种天然的胶黏剂和结构形成剂,有效地提升面筋含量低的无麸质面包的凝聚性和成形性,生产出具有更好瓤结构和更大体积的面包[30]。研究发现,AX能增加面团黏度和揉面后面糊结构的稳定性,改善面包的柔软度和质地,提高其整体可接受度[30]。相反,对于面筋含量高的面包制作而言,虽然AX的添加有助于提升膳食纤维含量,但会对其他感官属性产生一定的负面影响,AX的高黏度和氧化交联特性会使面团蛋白质网络形成受阻,引起面团膨胀自由度减小,导致面包体积减小,口感变硬[4]。AX在食品中可以作为增稠剂,应用于饼干中能有效防止饼干在焙烤过程中变形,获得直径和高度与空白组相近的饼干,还可作为代糖物以降低蔗糖含量,制作低糖、低能量和高膳食纤维的饼干[31]。

3.3 油炸类面制品

AX对油炸类面制品的影响与其对面筋蛋白的影响密切相关。在油炸过程中,通过糖基化反应,WEAX可以与面筋蛋白结合,并桥接面筋蛋白分子[32]。SUN等[32]研究发现,添加WEAX可以扩展面筋蛋白的网络结构,稳定气室结构,增强面团持气能力,从而增加油条的比体积和含油量,在一定程度上改善油条的性能;但WUAX的表现则刚好相反,研究发现在油条面团中添加WUAX后,面筋蛋白不能充分吸收水分,面筋网络形成受到限制,降低了油条的比体积和含油量[17,32]。因此,WUAX适合于低含油量油条的生产,可达到降低其能量值的效果。CAO等[33]研究发现,添加AX能降低方便面储藏过程中的过氧化值,有助于抑制油脂的氧化酸败,从而获得质地较软、表面黏性较小的方便面。由于AX的分子特性、理化性质以及加工条件会改变AX的功能特性,因此选择具有合适理化性质的AX将有助于获得更好品质的面制品。当AX被添加到面制品中时,加工方法的不同会导致AX的健康效应不同,目前关于这方面的研究报道很少,缺乏了解,这也是今后值得研究的方向。AX对面制品品质的影响规律如表2所示。

表2 AX对面制品品质的影响Table 2 Effect of AX on the quality of flour products

4 结论与展望

AX作为一种天然的功能性膳食纤维,其生理功能突出,食品加工性能优异,目前对其开发利用仍然十分有限。我国作为世界上面制品消费大国,面临着消费升级和急需改善主食营养结构的问题,AX则可在这方面发挥着重要的作用。AX能与面筋蛋白、淀粉和水分等组分发生相互作用,改善面团流变特性、发酵特性和加工性能,提高面制品营养和感官品质。AX的结构特性与食品加工特性间存在密切的相关性,一般来说,具有较低分子质量和高水溶性的AX具有更好的食品加工适用性。虽然关于AX对面团和面制品品质影响的研究已有报道,但仍存在一些重要问题需要解决:1)近些年对AX的单糖组成、化学结构和分子质量分布等方面已有较多报道,但其详细的精细结构和链构象特征仍不够清楚,这不利于阐明AX对面团及面制品品质影响的作用机制;2)大多数研究发现,低添加水平的AX可以改善面团特性,但达到健康声明要求所需的高纤维添加水平会导致面制品品质降低,这一突出矛盾如何解决;3)面粉种类(低筋、中筋和高筋)、面团加工方式(发酵与非发酵)和面制品生产方法(蒸制、煮制、焙烤和油炸)均会影响AX作用的发挥和健康效应,关于这方面详细的报道很少。

要解决上述这些问题,建议从以下几个方面进行重点突破:1)解析不同来源和加工方法所制得的AX化学结构和链构象特征,包括阿魏酸残基、葡萄糖残基的存在等对其物化性质和生物活性的影响,并基于体外和体内评估试验更全面揭示AX结构与生物活性的关系;2)明确AX在不同面制品加工条件下的加工性能,确定具有不同结构特征的AX与其适应的面制品加工工艺将有助于提高面制品中膳食纤维的含量和感官品质;3)开展不同面制品加工方法对AX生理活性影响的研究,阐明它们对AX结构与功能变化的影响规律,获得确定的量效关系,为开发基于AX的健康系列面制品提供科学依据。