小麦是我国最主要的谷类作物之一,是我国面条、馒头等主食的主要原料。近年来,我国小麦的产量逐年递增,2020年我国小麦总产量达13 425.38万t,居全球第一。麦麸是小麦制粉的主要副产物,产量巨大,每年约有2 010万t[1]。麦麸中富含膳食纤维、粗蛋白、B族维生素、多糖和多酚类生物活性物质[2],具有润滑肠道、抗癌、抗衰老和降低患慢性疾病风险的作用[3],因此在功能性食品的开发方面具有极大的应用潜力。此外,麦麸中还含有丰富的麸皮多糖和麸皮糖蛋白。麸皮多糖是由纤维素多糖、阿拉伯木聚糖、木聚糖、半乳聚糖等组成的一种非淀粉多糖[4],麸皮多糖糖链可与多肽链共价结合生成大分子的麸皮糖蛋白[5]。麦麸常被用于饲料和酿造工业中,在食品加工中的应用较少。近年来,随着患“三高”及心脑血管疾病等基础病患病人数的不断增加和患病人群的年轻化,粗纤维制品等富含微量营养元素的食品受到广泛关注,全麦食品成为了目前研究的热点之一。但是,麦麸易吸水变潮,不利于长期储藏,且麦麸表面附着的真菌毒素、农药残留和重金属等有毒有害物质存在潜在的安全风险;同时,麦麸中含量较高的不溶性膳食纤维以及植酸等抗营养因子,影响制品的食用和营养品质[6]。为了提高麦麸在食品中的利用率,通常对麦麸进行预处理以减弱其对食品的不利影响。物理法、化学法和生物法均是常见的麦麸改性方法,近年来通过微波、挤压膨化、蒸汽爆破等方式对麦麸进行改性的研究均取得了良好的结果[7],但是这些方法成本较高、局限性较大。化学法常通过添加化学试剂或改良剂达到改性目的,但这类方法可能会产生难以消除的污染,在食品领域的应用受到一定限制。目前,国内外的研究都更倾向于高效、安全、无污染的改良方法,因此化学法在改性麦麸方面的应用较少。生物法通常是利用微生物的发酵作用和酶制剂对麦麸进行处理,具有安全、高效且环保的优点,是一种极具潜力的麦麸改性方法[8]。经过生物处理后,麦麸的营养特性、安全特性都得到了很大的改善,且生物处理对全麦制品的食用品质具有一定的改善作用,更能够满足消费者对营养和口感的需求。
本文综述了生物处理对麦麸品质及全麦制品品质特性改善作用等方面的研究进展,并对生物处理麦麸在全麦制品中的应用前景进行了展望,以期为改善麦麸特性、提高麦麸综合利用提供参考。
1 生物处理对麦麸品质特性的影响
生物处理包括微生物发酵法和酶制剂法,可使麦麸特定的内部结构发生改变,是目前改善麦麸物理、营养和功能特性的一种有效方法。其中微生物发酵法常用的菌种为酵母菌、乳酸菌和霉菌等,发酵工艺分为固态发酵、半固态发酵和液态发酵。酶法处理由于其高效、易操作的优点受到了广泛关注,生物处理常用的酶制剂有戊聚糖酶、纤维素酶及葡萄糖氧化酶。采用菌种复配、酶制剂复配或酶制剂复合微生物发酵处理麦麸效果更佳。
1.1 物理特性
生物处理可改善麦麸的持水力、保水力、持油力以及改善麦麸的色泽,提高其膨胀能力;同时能够提高全麦制品的感官可接受度,增加饱腹感从而降低便秘和肥胖症的发病率。其中,木聚糖酶和纤维素酶水解可以破坏麦麸纤维素成分的β-糖苷键,暴露更多的氢键和水结合位点,因此使用纤维素酶和木聚糖酶复合酶处理麦麸可使麦麸的保水力增加16%,同时提高麦麸的持油力和水膨胀能力[9]。微生物发酵过程中产生的纤维素酶可降解部分纤维素,使麦麸的可溶性膳食纤维含量增加,提高了麦麸的持水力。ZHAO等[10]研究表明,保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌和活性干酵母复合发酵麦麸,可显著增加麦麸的保水力和持水力。赵静[11]研究发现,经红缘拟层孔菌和白灵菇发酵后的麦麸其吸水指数较未发酵麦麸提高了7.17%。同时,在各种酶的作用下,麦麸纤维结构被降解,有利于改善麦麸的加工性能。生物处理对麦麸的改善作用很大程度上取决于菌种及酶制剂的选择,因此采用菌种复配或酶制剂复合微生物发酵,可改善对麦麸的处理效果。
1.2 营养特性
麦麸中含有蛋白质、膳食纤维、维生素多种营养成分,但很多营养成分分布在麦麸的最内层中,被纤维素、木质素等不溶性膳食纤维包裹,限制了人体的吸收。且其纤维含量较高,其中95%为不可溶性膳食纤维[12],这类纤维既不能很好地与淀粉和蛋白质结合,也不易被人体吸收利用。麦麸中的抗营养成分,如植酸,能够螯合矿物质,影响矿物质的吸收代谢,并阻碍蛋白质的消化,长期摄入会影响营养物质的吸收[13]。此外,麦麸中还含有酚类化合物成分,分为游离酚和结合酚[14],其中99%为结合酚[15],主要以共价键的形式存在于膳食纤维基质中[16]。有研究表明,结合酚的生物活性更高,但由于其结合在坚固的细胞壁中,生物可及性较游离酚低。通过酵母菌、霉菌和乳酸菌等发酵后,可以显著增加麦麸中可溶性膳食纤维、可溶性阿拉伯木聚糖、粗蛋白以及游离酚类物质的含量,并且能够降低植酸的含量,减少营养物质的破坏,从而提高营养物质的吸收利用率。
酵母菌是发酵处理常用的菌种,能够在发酵的过程中产生多种分解细胞壁的酶,使麦麸各组分之间的结合键断开,从而增加营养成分的含量,降低抗营养因子的水平[17]。王立克等[18]发现,用干酵母在35 ℃下发酵18 h可使麦麸中粗蛋白含量提高119.59%,且该蛋白中含有大量的酵母菌体蛋白,从而显著提高麦麸中赖氨酸等必需氨基酸的含量。杨旭等[19]利用黑曲霉、纳豆芽抱杆菌、酿酒酵母和粪链球菌对麦麸进行混合固态发酵,在37 ℃条件下发酵48 h,粗蛋白含量增加了4.87%,粗纤维降低了5.18%。SERVI等[20]发现,酿酒酵母接种量为3%～9%,发酵麦麸2～8 h时,麦麸中植酸含量随着酵母菌接种量和发酵时间的增加而降低。此外,微生物发酵作用可有效降解纤维素,打破酚类物质与细胞壁多糖之间的联系,从而增加游离酚类化合物的含量[21]。使用木质素酶和酵母菌复合处理麦麸后,游离阿魏酸的含量是未处理组的6倍[22],营养价值显著增加。
霉菌可以分泌木聚糖酶、淀粉酶和纤维素酶等多种酶,在麦麸发酵中应用较为广泛。米根霉、米曲霉、黑曲霉、泡盛曲霉等均可以降解麦麸中的纤维素成分,破坏细胞壁结构,释放出更多的营养成分和功能性成分。有研究表明米根霉在固态发酵过程中,菌体可以合成菌体蛋白并产生蛋白酶,从而提高麦麸的总蛋白含量和可溶性蛋白含量[23];木霉在固态发酵麦麸时能够分泌木聚糖酶从而提高发酵液中低聚木糖的含量,其作用效果优于商品木聚糖酶[24]。此外,霉菌在麦麸功能性成分的制备上也发挥了重要的作用,在制备β-葡萄糖苷酶、游离阿魏酸、低聚木糖等方面均取得了较好的效果[25-26]。
乳酸菌在麦麸发酵中应用的菌株以乳杆菌属为主。SPAGGIARI等[27]利用鼠李糖乳杆菌发酵麦麸可显著提高可溶性阿拉伯木聚糖的含量,同时降低了麦麸中植酸的含量。经短乳杆菌发酵后的麦麸其可溶性膳食纤维含量较未处理麦麸增加4倍、可溶性阿拉伯木聚糖含量较未处理麦麸增加2倍[28]。使用芽孢杆菌、乳酸菌、酵母菌、霉菌混合固态发酵能够显著提高麦麸中蛋白质的含量[29]。CODA等[30]使用短乳杆菌与酿酒酵母为发酵剂,发酵处理后麦麸中肽浓度显著增加,其中粒径为400 μm的麦麸经24 h发酵处理后,游离氨基酸含量增加了20%,总酚含量随粒径的减小而增加,同时发酵处理增加了麦麸蛋白的必需氨基酸指数和生物价,蛋白质的营养价值较未处理前更高。
1.3 功能特性
麦麸中含有木酚素、多酚、酚酸、类黄酮等丰富的酚类物质,具有很强的生物活性,能有效清除人体内的自由基,预防心脑血管疾病[31]。有研究利用红缘拟层孔菌发酵麦麸后,总抗氧化能力是未发酵组的4.69倍[11]。凌阿静等[32]对比了黑曲霉、米曲霉、里氏木霉的作用效果,发现米曲霉对提高麦麸DPPH自由基清除能力及总还原能力的效果最为显著,米曲霉是一种降解麦麸提高其功能特性的优良菌株。米曲霉与米根霉固态发酵麦麸后显著增强了麦麸酚类物质对胰脂肪酶和HepG2细胞内甘油三酯沉积的抑制作用[33],这对于预防和治疗脂肪肝及肥胖症具有重要的作用。枯草芽孢杆菌与酿酒酵母混合发酵麦麸也可使麦麸的还原力与DPPH自由基清除能力显著提高[34]。YIN等[35]对比了黑曲霉、米曲霉和泡盛曲霉释放结合酚酸的能力,黑曲霉对麦麸结构的破坏作用最强,经黑曲霉发酵后麦麸的抗氧化能力显著提高。MATEO等[31]研究表明,麦麸经酵母菌及细胞壁降解酶的作用后,酚酸及其循环代谢物的生物利用度提高,体外抗炎活性显著增加。李暄等[36]以酿酒酵母菌和枯草芽孢杆菌为发酵菌种制备发酵麸皮多糖,并对发酵麸皮多糖的生理活性进行研究,发现发酵麸皮多糖对DPPH自由基清除活性、还原能力及益生活性均显著高于发酵前麸皮多糖。杜涓[5]采用菌酶协同法处理麸皮制备发酵麸皮糖蛋白,表明发酵麸皮糖蛋白具有较强的抗氧化能力,且发酵麸皮糖蛋白自由基清除能力和抗氧化能力与其浓度呈正相关。此外,以麦麸为原料进行固态发酵可制备发酵麦麸阿魏酰低聚糖,对发酵条件进行优化后,发酵麦麸阿魏酰低聚糖对DPPH自由基清除效率高达87.42%[37],分离纯化后的发酵麦麸阿魏酰低聚糖具有良好的保护心脏作用[38]。
由此可见,生物处理可促进麦麸中酚类生物活性物质的释放,显著提高麦麸抗氧化、抗炎等生物活性功能。此外,利用发酵法制备的发酵麸皮多糖和发酵麸皮糖蛋白具有抑菌、抗氧化、调节血糖和增强机体免疫力等多种功能特性,在功能性食品领域具有很大的应用潜力。
2 生物处理对全麦制品品质的影响
随着大众对麦麸营养特性关注度的提升,对全麦制品的需求越来越大,关于全麦面包、全麦馒头和全麦面条的研究越来越多。麦麸由于其高营养价值在全麦制品中具有很高的应用潜力,但是麦麸中不溶性成分含量过高,因此直接以全麦粉为原料会对全麦制品品质产生负面影响[39]。同时,麦麸中高吸水性的不溶性纤维与面筋蛋白争夺水分子,不利于面筋网络形成稳定的结构并影响面团的流变学特性[40],进而影响全麦制品的质构和口感。
2.1 面包
目前市售全麦面包较为常见,但口感较为粗糙,因此生物处理麦麸以改善全麦面包的感官品质成为目前的研究热点之一。将漆酶直接添加到全麦粉中可显著提高面团的黏弹性,增大全麦面包的比容,改善全麦面包的质构和风味等品质特性[41]。SHAH等[42]对木聚糖酶在全麦面包中的应用进行了研究,发现木聚糖酶添加可增加全麦面包中水分的含量,面包的体积与比容显著提高,硬度降低了4倍,同时感官评价结果表明添加木聚糖酶后的面包具有较好的风味和可接受度。ZHANG等[43]探究了酿酒酵母与植物乳杆菌不同比例混合发酵对全麦面包质量的影响,当酿酒酵母与植物乳杆菌比例为2∶1、3∶1或1∶3时,制成的全麦面包的比容与白面包无显著差异,其中比例为2∶1时,面包内部的孔隙更均匀,此时面包的硬度最低、弹性最高,适口性较好。
2.2 馒头
以未处理的全麦粉制作的全麦馒头硬度较大、比容较低、口感较差,使用改性后的麦麸制作全麦馒头可有效改善全麦馒头的质构特性和感官品质。有研究发现,葡萄糖氧化酶的添加可以改善面团的稳定时间、韧性、延展性和持气能力,戊聚糖酶和纤维素酶可显著提高面团的延展性和持气能力,当葡萄糖氧化酶、戊聚糖酶、纤维素酶复配使用时,全麦粉的加工性能接近于小麦馒头专用粉,提高了全麦粉的加工适宜性[44],制得的全麦馒头比容增大,馒头内部气孔均匀、质地疏松且富有弹性,内部结构得到了明显的改善[45]。LI等[46]以酵母菌Wickerhamomyces anomalusP4作为发酵剂发酵全麦粉,制得全麦馒头的比容虽较商业酵母发酵制作的全麦馒头小,但仍高于国家标准比容要求,色泽也较未处理组有所改善,增加了消费者的可接受程度。另有研究表明,适量的葡萄糖氧化酶添加可改善全麦面团的流变学特性,当添加量为300 U/kg时,全麦馒头的比容最高,硬度也显著降低[47],但过量添加反而会破坏面团结构。
2.3 面条
全麦面条中由于麦麸的添加会增加面条的蒸煮损失率和断条率,影响面条的质构特性和感官评分。XU等[48]用酵母菌和酒曲发酵麦麸并应用于半干全麦面条的制作中,由于酵母菌发酵作用增加了抗氧化成分,抑制了多酚氧化酶的活性,因此面条的颜色较未处理组浅。此外,经生物处理后,全麦面条内部气孔分布均匀,面条的蒸煮损失显著降低,面条的蒸煮品质提高[49]。采用木聚糖酶对麸皮组分进行预处理再按原比例复配成全麦粉后制作全麦挂面,全麦挂面中叶酸与阿魏酸含量显著增加,营养品质提高[50]。乔菊园[51]将木聚糖酶添加至全麦粉制成全麦挂面,当木聚糖添加量为0.02%时,全麦面条的蒸煮损失率最小,此时全麦面条的硬度、咀嚼性和拉伸性能均得到改善。适量的木聚糖酶可以降解不溶性戊聚糖,打断戊聚糖之间的交联并释放出部分结合水,有利于面筋蛋白吸收更多的水分以维持稳定的面筋结构。
麦麸生物处理对全麦制品品质的改善作用归因于外源性纤维素酶、微生物分泌的酶或微生物发酵过程中基质环境条件的变化激活存在的内源酶,这些酶可促进麦麸降解,将不溶性膳食纤维转变为可溶性膳食纤维,从而减弱了麦麸添加对面筋蛋白争夺水分子的作用[52-53];同时,麦麸发酵处理能够减弱其对蛋白质的稀释作用,酶制剂如葡萄糖氧化酶可促进—S—H形成稳定的—S—S及促进戊聚糖链间、戊聚糖与蛋白质之间形成交联,这些作用均能够稳定面团结构,有效改善全麦制品品质。除此之外,微生物的发酵作用也可抑制多酚氧化酶的活性以延缓全麦制品的褐变,在外观颜色方面增加了消费者的可接受程度。
3 总结与展望
生物处理在改善麦麸物理特性、营养特性和功能特性以及改善全麦制品的品质等方面有着巨大的潜力,具有广阔的应用前景。微生物代谢过程中分泌的纤维素酶、阿魏酸酯酶等在发酵过程中能够破坏麦麸结构,外源添加酶制剂也具有稳定面团结构的功能,这些对于麦麸在食品工业中的应用起到了积极作用,其中菌种及酶制剂选择是麦麸改性中最重要的因素。
国内对全麦食品的研究起步较晚,加工技术尚不完善,在全麦制品的口感和储藏性能等方面仍存在诸多问题。目前大多数研究只针对麦麸的单个目标特性进行改良,全麦制品的综合品质不能得到全面改善。因此在今后对麦麸或全麦制品进行处理以改善其品质特性时,可考虑筛选安全且高效的菌株或复合酶制剂并优化发酵工艺以提高其处理效果;深入探究生物处理对麦麸理化特性及全麦制品品质改善的机理,更加全面地了解处理过程中各组分的变化及组分间的相互联系,以便更有针对性地优化处理工艺。此外,目前发酵麦麸的体外抗氧化活性、抗炎、抗菌及肠道益生活性得到了较广泛的研究,但其多种生物活性功能大都基于动物实验及体外模拟试验得出,在人体内复杂的代谢环境中的吸收利用程度还需结合临床试验进一步探究。
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