小麦胚芽是目前麦粒加工成面粉后的主要剩余物料之一,仅占麦粒质量的2%～3%,却富含蛋白质、不饱和脂肪酸油脂和维生素B、E等天然抗氧化物质与膳食纤维,是整个谷物颗粒中营养价值最高的部分。我国是小麦种植与消费大国,目前小麦单位产量远高于全球平均水平,相应胚芽最高可达每年420万t的资源量。目前小麦胚芽在国内的应用主要还集中于动物饲料或被废弃。随着对小麦胚芽营养组成和功能特性的进一步了解,小麦胚芽被作为全谷物及粗粮食品原料,初步出现应用于研发制作高膳食纤维、营养强化的粗粮面包等新型烘焙制品。然而,由于胚芽中天然存在的油脂70%以不饱和脂肪形式存在,当小麦颗粒在加工中被破碎,麦胚暴露于环境中,受到氧气、光照、湿度等因素影响,且内源脂肪酶、脂肪氧合酶能与微生物协同促成其发生氧化酸败,严重影响了麦胚原料的后续可加工性。本综述介绍了小麦胚芽的原料特性,包括其本身的营养组成、加工方式和主要产物,讨论利用胚芽开发制作烘焙品中遇到的最主要品质问题,并重点阐述现有物理、化学、生物等胚芽原料稳定技术在抑酶、提升抗氧化活性方面的最新进展,为推广使用小麦胚芽与加强产业商业化提供了重要技术指导。
1 小麦胚芽的原料特性
1.1 小麦胚芽的结构组成及分离提取
全麦颗粒由80%～85%的胚乳,13%～17%的麸皮和2%～3%的胚芽组成。胚乳和胚芽通过糊粉层隔开,糊粉层富含阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖等多糖[1]。其中,胚乳主成分为淀粉和蛋白质,小麦胚芽主要结构为盾片和胚轴,此外还有不育根、茎等组织,盾片作为贮藏器官富集了高含量的优质蛋白、生育酚和不饱和脂肪酸等,抗氧化活性高。
小麦胚芽作为面粉加工中的副产物,目前大多商业生产的胚芽为胚轴部分。主要的提取方式为从麦间及粉间收获粗品物料,前者从麦谷清麦过程中自然脱落,但在清理下脚料中存在与麸皮难分离的问题;后者从面粉和麸皮的碾磨混合物中筛选,可获取大量片状胚芽,通过二次研磨,经由清粉机、研磨设备和振动筛可最大限度实现胚芽原料自面粉主产品中的分离。但分离过程中,由于小麦胚芽仍嵌有部分胚乳组分,在碾磨挤压过程中会破出大量胚芽油,附着于胚芽物料表面,影响最终产品贮藏稳定性,也是其面临的最主要质量问题。有学者对清麦阶段胚芽的分离效率进行了研究,如叶明星等[2]研究发现,润麦时间21 h时,润麦水分为16%,脱皮制糁机转速为1 050 r/min 时,小麦胚芽的提取率最高。
1.2 小麦胚芽的营养与活性组分
从营养价值来看,每100 g麦胚原料具有1 593 kJ(约379 kcal)的能量,表1中罗列了小麦胚芽的主要营养成分,包括28.1%的蛋白质、38.9%的碳水化合物、9.6%的脂肪等主要供能物质及各类功能性成分。小麦胚芽蛋白组分主要由球蛋白和白蛋白组成[4],且富含必需氨基酸,尤其是赖氨酸含量远高于胚乳,其氨基酸模型符合FAO和WHO发布的模型。胚芽蛋白在蛋白酶的作用下会释放抗疲劳肽、抗高血压肽、抗氧化肽、抗菌肽等,具有免疫活性。小麦胚芽还含有高达12.3%的膳食纤维,可溶性膳食纤维含量远高于不溶性膳食纤维,可以在肠道中形成黏性组分,控制血液胆固醇水平,利于维持肠道健康。脂肪酸从分布上来看,小麦胚芽中脂肪以20.2%饱和脂肪酸、16.2%单不饱和脂肪酸和63.6%多不饱和脂肪酸的形式存在,高不饱和度决定了原料高营养价值但同时限制了其贮藏氧化稳定性[5]。
表1 生小麦胚芽基本营养成分
Table 1 Basic nutritional components in raw wheat germs
营养成分每100 g含量范围生物功能性蛋白质28.1 g27.6～28.3 g维持生命基本特征碳水化合物38.9 g储能、供能重要物质脂肪9.6 g9.4～9.7 g供能、细胞成分饱和脂肪酸1.359 g磷脂、胆固醇重要成分单不饱和脂肪酸1.089 g利于心血管系统多不饱和脂肪酸4.272 g利于心血管、脑细胞膳食纤维12.3 g预防三高,改善肠道水分6.7 g6.6～6.8 g维持生命,参与代谢灰分4.4 g4.3～4.5 g含无机物维生素E(α-生育酚)11 mg调节性激素维生素B1(硫胺素)1.45 mg强化神经系统维生素B2(核黄素)0.61 mg维持视力、促代谢维生素B3(烟酸)5.80 mg利于神经、消化、循环系统维生素B5(泛酸)1.20 mg制造抗体,增强免疫维生素B61.42 mg1.36～1.47 mg调节体液,利尿维生素B9(叶酸)190 μg防止贫血,增强免疫维生素K130 μg参与凝血因子合成钾1 050 mg1 000～1 120 mg维持细胞渗透压镁259 mg236～276 mg缓解忧郁,解除痉挛钙41 mg37～47 mg构成人体硬组织锰18 mg11～20 mg参与造血,抗衰老锌17.8 mg14.4～27 mg 促进生长发育钠5.5 mg4.9～6 mg 维持细胞渗透压铁5 mg4.1～5.3 mg运送氧气进行呼吸作用
注:该表来源于Danish Food Composition Databank[3]。
此外,B族维生素(如硫胺素、核黄素、烟酸、泛酸)在小麦胚芽中都有十分丰富的含量,小麦胚芽还被认为是已知维生素E(生育酚)最为丰富的植物来源,生胚中含量约为11 mg/100 g。生育酚是一种强大的脂溶性抗氧化剂,可以有效预防癌症、阿尔茨海默症等疾病。良好的抗氧化剂还包括黄酮类化合物(1 329 mg/100 g DW[6])、酚酸(313 mg/100 g DW[6])、类胡萝卜素(胚芽油中含量60 mg/kg[7])、还原型谷胱甘肽(98～107 mg/100 g[8])等活性化合物,可清除单线态氧,防御自由基,保护人体细胞免受氧化损害。全麦籽粒中的矿物质几乎都富集在胚芽中,尤其富含钾、镁、钙、锰、锌等人体必需元素,是很好的天然矿物元素供应源。植物甾醇也是小麦胚芽的重要活性成分之一,胚芽油中含量约为828 mg/100 g,其中β-谷甾醇的含量最多,约占总甾醇含量的70%[9],可以有效减少低密度脂蛋白胆固醇,降低心血管类疾病发病率,目前欧美法规已将植物甾醇和甾醇酯定义为新资源食品。综合来看,小麦胚芽作为食品原料,具有极高的营养价值,但如何调控其中营养组分易在加工过程中的氧化、变性和分解是限制原料加工的主要瓶颈,新兴小麦胚芽加工技术和贮运方式是一项新的挑战。
1.3 小麦胚芽制品的加工与贮藏
1.3.1 熟制小麦胚芽
新鲜胚芽在剥离出小麦颗粒后仍具有很强的酶活性,通常经初步熟制后才会继续后续加工处理,一般熟制操作包括有浸润、烘干、炒焙等步骤,烘干时可先以100～120 ℃低温均匀干燥,再以150～180 ℃高温灭酶,最终使水分含量达到1.5%～2.5%[10]。经碾磨后的胚芽粉对熟制中的温度有着严格要求,在3段控温熟制过程后即要保证熟制胚芽粉符合水分安全标准(根据LS/T 3210—1993《小麦胚胚片,胚粉》,小麦胚质量指标要求水分含量≤4.0%),并应最大限度地保留小麦胚芽中热敏性营养成分及其活性和清香风味[11]。使用烘干手段熟制的小麦胚芽易吸水返潮,因此目前商业使用气密性良好的容器包装或进行真空处理,贮藏环境多为阴凉干燥仓库。熟制后的小麦胚芽原料可加工为代餐粉或早餐麦片直接冲泡食用,或以营养补充剂的形式制成膨化零食、高蛋白意面、强化牛奶布丁、风味酸奶、营养面包等食品。在新鲜小麦胚芽不稳定性的影响下,胚芽油的萃取工艺往往先将新鲜胚芽进行熟制处理,使蛋白质变性、内源脂肪酶失活,水分含量降低,以此来提高油脂的提取率和贮藏品质。可见,小麦胚芽作为食品原料目前的开发利用主要越过了安全标准,着力于品质控制。
1.3.2 小麦胚芽油
小麦胚芽油通过以下3种方法提取[12-13]:机械压榨法,可螺杆挤压获得约50%的油脂回收率;有机浸提法,油脂回收率>90%,但正己烷等有机试剂残留的问题限制其高品质推广;近年研究中推出了超临界CO2萃取法,主要使用了流体的超临界化提升萃取率,使回收率保持约92%,且溶剂无毒无害可运行后回收。一般粗提的胚芽原油呈现黑色,易损失酚类物质等活性营养成分,而油脂品质还潜在受到原料中残存未除尽胚乳和麸皮的影响,蛋白质热变性和油脂中悬浮的杂质致使原油浑浊、并在油脂制备中出现剧烈氧化和酸败。脂质氧化后,游离脂肪酸是组成酸败气味的来源之一,其含量取决于小麦胚芽的加工和贮藏方式。研究表明,封装时的涂层材料对小麦胚芽的氧化稳定性和生育酚完整性有显著影响,如使用酪蛋白酸钠作为涂层可有效延长小麦胚芽的贮藏期限[14]。
麦胚油中57%为甘油三酯型,而脂肪酸组成上不饱和脂肪酸占到总甘油三酯的80%,每100 g胚芽油中含ω-3脂肪酸0.273 g和ω-6脂肪酸3.999 g,代表性主导脂肪酸为棕榈酸、油酸和亚油酸等。此外,胚芽油还含有中性脂质,约14%～17%磷脂和少量鸟苷酸糖脂、1 300～2 700 mg/kg生育酚及56 mg/kg类胡萝卜素、多元醇和植物甾醇、磷等物质[12],可通过抗氧化作用清除人体内的自由基,减少心血管疾病等慢性疾病的发生概率,提高免疫力。图1总结了小麦胚芽油中的主要功能性成分。
图1 小麦胚芽油中的基本营养成分
Fig.1 Main functional components in wheat germ oils
1.3.3 脱脂麦胚
脱脂麦胚是小麦胚芽油生产加工后的主要副产物,含有35%以上的麦胚蛋白,其中,白蛋白约34.5%,球蛋白约15.6%。人类将在2050年面临动物蛋白供给不足的挑战,因此急需植物蛋白新资源的开发利用,WHO和FAO已认证麦胚蛋白具有与鸡蛋蛋白和牛奶蛋白相似的品质,是最有前景的植物蛋白来源[15]。麦胚蛋白具有与牛血清白蛋白类似的乳化性和化学稳定性,展现了良好的起泡性与保水性。脱脂麦胚含有约20%的碳水化合物,包括58.5%的蔗糖和41.5%的棉籽糖,还有部分膳食纤维、戊聚糖和淀粉等,是一种良好的植物基食品原料[16-17]。由于在提油过程中需要预热等高温工序,对酶进行了较大程度钝化处理,并极大程度地去除了易酸败的油脂和其他杂质,因此麦胚蛋白具有较好的贮藏稳定性。目前研究集中于优化评价不同脱脂工艺对小麦胚芽中生物活性物质的保留率,例如董煜[18]发现酶解可产生小麦胚芽活性肽,制得食用胶体有助于缓解运动人群的疲劳感;STARZY
SKA等[19]发现利用可食用根霉菌株发酵处理脱脂麦胚会进一步提升赖氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸等必需氨基酸含量,是一种可行的固态发酵方法。
2 小麦胚芽在面包加工中的作用
面包因色泽金黄、香气诱人、口感酥松而广受大众喜爱,为迎合“健康中国2030”战略,一些烘焙企业向面包配方中加入小麦胚芽等粗粮谷物原料,并成了近年烘焙行业的发展主流方向。将小麦胚芽粉末原料加入面团,不仅丰富了营养价值,添加的膳食纤维也有利于稳定人体血糖和肠道健康,但是不同于小麦粉,胚芽粉可能会因物理稀释、水分竞争作用,影响二硫键形成等面筋蛋白间的相互作用,表观改变了形成面团的流变特性,并最终影响面包适口性,因此,目前为了提升面筋蛋白结构稳定性,会在制作以小麦胚芽为主要原料的粗粮面包中添加乳化剂、亲水胶体、酶制剂、抗氧化剂等面团改良剂。
2.1 小麦胚芽粉相对小麦粉与面团相互作用的不同
如图2显示的分子层面面团形成机理来看,面包制品的蓬松口感主要取决于面筋蛋白结构特性,传统小麦粉为基底的面包麦谷蛋白和麦醇溶蛋白在水和机械外力作用下,可形成强劲的面筋蛋白网络,且主要通过分子间二硫键维持结构稳定性。其中,麦谷蛋白分子质量大,使得面团富有弹性、但缺乏延展性;麦醇溶蛋白则由于蛋白特性,使得面团具有更好延展性、黏性,但缺乏弹性。谷物粉中半胱氨酸残基之间的二硫键交联对面团的形成起到了决定性作用[22]。针对含有大量小麦胚芽粉替代小麦粉的面团体系,胚芽粉颗粒的出现对面筋蛋白起到了一定稀释作用,甚至嵌入成型的面筋蛋白中,破坏面筋网络连续性,从而阻碍了面筋蛋白间的联结互作[20];此外,由于小麦胚芽中含有一定比例的膳食纤维成分,与剩余面筋蛋白等成分形成了强竞争作用,膳食纤维分子结构中有更多羟基基团,相对持水力更强,能抑制面筋蛋白的水合作用和面筋网络的形成[21]。
图2 小麦胚芽粉相对精制小麦粉在面团形成中作用机理的不同[20-21]
Fig.2 Difference in mechanisms of wheat germ powders in dough formation comparing with refined wheat flours[20-21]
2.2 小麦胚芽中活性酶对面团形成的影响作用
脂肪酶作为生小麦胚芽原料中天然存在的生物酶,本身贮藏中会分解体系中脂肪结构,加速氧化酸败;但是在面包制作过程中,添加生小麦胚芽可以提高形成面团的持气性,并在一定程度增强面筋网络的韧性,增加面包比容。脂肪酶主要在面团形成体系中将脂质组分水解为甘油单酯和甘油二酯等更具乳化性结构的脂质,改善后的水油两亲性帮助改变了面筋蛋白的表面疏水性,使得面筋蛋白网络中气孔交界处化学稳定性更强、气孔薄膜更牢固,利于后续烘烤时面包内芯熟化后形成更疏松多孔结构[23];而水合能力的增加也一定程度上提高了面包保水性,增加口感韧性[24]。此外,脂肪酶水解不饱和脂肪酸的产物结构含过氧基,过氧基氧化了蛋白质的硫氢基团,产生的二硫键能将面团中的蛋白质聚集为更大的分子,面筋的筋力因此提高[25],图3为小麦胚芽中脂肪酶在面团形成中的主要作用机理。此外,脂肪酶水解后,由于脂肪细胞内色素暴露于空气中而氧化褪色,对面包制品还有增白效果。
图3 小麦胚芽中天然存在的脂肪酶在面团形成中的作用机理[23-25]
Fig.3 Mechanism of natural lipase in wheat germs on dough formation[23-25]
谷胱甘肽在小麦胚芽蛋白中以还原态存在,具有较强的抗氧化活性,李金河等[26]发现谷胱甘肽通过巯基与二硫键的交换反应,会减少面筋蛋白间的二硫键,阻碍蛋白质之间进一步交联,并在面筋解聚分离后与蛋白质结合,形成蛋白结合态的谷胱甘肽,面筋网络结构因此收到破坏,稳定性下降。
2.3 小麦胚芽加工中面临的主要困难
在以麦胚为原料制作面包的研究中,目前发现生小麦胚芽可能在最终烘烤面包的成型上效果并不佳,面团稳定性变差,面包芯硬度增加;而挤压膨化后小麦胚芽则显著提高了面团的稳定性,增加烘烤面包的比容、并降低硬度,可见生料并不建议在工艺中直接进行添加[27]。其他研究则针对小麦胚芽组分对面团、面包品质的影响进行了分析,发现胚芽中还原性谷胱甘肽含量越高,面团稳定性越低,烘烤后面包筋力越弱、口感更差;MARTI等[28]认为谷胱甘肽是使面团流变性劣变的最主要因素,主要可以通过酸面团发酵等处理方式尽量降低面团中天然存在的谷胱甘肽含量,防止面筋结构被削弱,以此焙烤出的面包成品具有柔软的面包芯,感官接受度不因小麦胚芽的添加而降低。此外,部分研究考虑添加不同种类和含量的益生菌以提升面包的保健效果[29]。但综合来看,合理的适当灭酶稳定化技术对小麦胚芽面包制作中面团的形成和面包良好的适口性有重要意义。
3 小麦胚芽的灭酶稳定化技术
3.1 小麦胚芽的主要稳定性与安全性因素
随着小麦胚芽在食品应用中的增加,其原料稳定性、安全性上的问题日渐突出。生小麦胚芽含水量高、营养丰富,微生物可大量繁殖,贮存时易发生霉变、酸败、结块现象,限制了其货架期和营养价值。小麦胚芽中天然含有的抗营养因子如植酸会与矿物质结合,降低营养素的生物利用度;其他植物凝集素作用于糖蛋白则提高了肠道通透性,直接损害肠壁细胞。小麦胚芽最初在机械碾磨时,不可避免压榨出了部分胚芽油并易在非真空和光照下剧烈氧化。而油脂的不饱和脂肪酸可与小麦胚芽本身的水解酶、脂肪酶、脂肪氧化酶、过氧化酶等相互作用。水解酶快速降解了原有脂质形态,产生游离自由基加速氧化酸败;脂肪酶将三酰甘油水解成高级脂肪酸,脂肪氧合酶将小麦胚芽中的不饱和脂肪酸分解成挥发性的醛和酮类等[30],因此酶在小麦胚芽原料中应适度钝化,旨在保持原料稳定性的同时最大程度通过部分酶活的改良效应提升后续面包的成型适口性。近十年来,主要有物理稳定化、化学稳定化和生物稳定化三类技术的研究应用在了小麦胚芽上并显著改善了粗粮面包的食用品质。
3.2 小麦胚芽的物理灭酶稳定化技术
3.2.1 热处理
热处理有干热和湿热两种方式,目的在于使用热效应钝化脂肪酶和脂肪氧化酶,减缓油脂酸败。水是良好的传热介质,湿热处理一般比干热处理灭酶效果更佳。蒸汽加热是一种传统的湿热处理方式,可快速通过物料表面并起到强灭酶效果,如125～130 ℃下处理15 min即灭活所有脂肪酶和80%～92%脂肪氧合酶[31]。饱和蒸汽持续加热就会形成过热蒸汽,张楠等[32]发现,220 ℃过热蒸汽温度仅处理30 s即可灭活82.74%脂肪酶和87.03%脂肪氧合酶。而特定空间内高温伴随压力升高可增强蒸汽对原料的穿透力,使钝化酶效果不受原料薄厚影响[33]。蒸汽处理通常还会与热风干燥、烘烤或微波等干热技术联合使用,与微波结合时效果最佳,能使脂肪氧合酶活性仅剩3.7%,小麦胚芽贮藏期内酸值、过氧化值增长幅度降低[34]。焙烤作为一种干热处理方式,被发现除了可以降低胚芽中的水分含量和内源酶活性外,通过美拉德反应促进了小麦胚芽获得独特的麦香味和更金黄的色泽。吴佳等[35]发现,小麦胚芽最佳焙烤条件为250 ℃/4 min,此时,大量酶被钝化,水分含量达到质量要求,而胚芽色泽和感官接受度上得分最高。除了酶的湿度钝化,热处理对热敏性营养物质的作用影响也有很多研究。ZOU等[36]发现小麦胚芽于180 ℃焙烤20 min后,生育酚和类胡萝卜素含量略有下降,但是总酚含量升高至生胚芽的5倍左右,显示出烘烤熟化的小麦胚芽原料抗氧化能力仍然保持较高水平。总体来说,热处理后脂肪酶几乎全部灭活,而脂肪氧合酶仍有残余活性,湿热处理的灭酶效果大于干热处理,但在酚类等活性物质的变化上,以焙烤为代表的的干热处理可以显著提升含量,因此蒸汽结合其他干热技术是一种较好的选择。
3.2.2 辐照处理
辐照处理不同于传统热加工,其处理下物料可发生定容加热,传热及传质方向保持一致,兼具热效应和辐射效应,在节能的同时加热效率更快,效果更佳, 目前应用在麦胚稳定化上的辐照处理包括了微波、红外射线及γ-射线等。
微波波段电磁波可使物料中极性的水分子随场方向变化而不断变化移动方向、互相摩擦生热,从而能够在短时间内迅速加热物料使材料中的酶失活,并降低水分活度来限制原料内生化反应的发生,减少物料营养物质的流失。王君茹等[37]发现微波耦合壳聚糖覆膜处理可使小麦胚芽的酸价和过氧化值分别降低为7.39 mg/g和2.41 meq/kg。微波结合无机盐处理的小麦胚芽还可有效钝化脂肪酶,减小贮藏期内酸价的增长幅度[38]。值得注意的是,胚芽中的脂肪酶一般在油水界面处发生酶解作用,王力坤[39]研究发现原料中含更多Na+能增大油水界面张力,抑制酶界面活性,且作用效果强于K+、Ca2+、Mg2+;此外,微波若联合Zn2+、Mn2+、Ca2+,还能富集小麦胚芽中的活性肽,提高蛋白酶活力[40]。为缓解微波加热不均匀的问题,XU等[41]利用自制的连续式微波系统处理了小麦胚芽,并辅助使用稳定热风温度和流速,1 h可处理20 kg原料,加速贮藏实验中60 d后的麦胚仍具备较好品质。射频处理作为频率更低的电磁波,潜在加热均匀性更好,也适合短时间内处理胚芽类原料[42],但目前主要应用于谷物坚果的杀菌。
红外射线是波长范围介于760 nm～1 mm的电磁波,也能根据物料电介特性加速水分子的相互碰撞,升高温度。相较于微波和射频,红外加热更均匀,安全隐患更小,易于实现物料的智能化处理。GILI等[43]发现远红外可以有效降低小麦胚芽中脂肪酶的作用、减少游离脂肪酸的生成,并保留高维生素E含量,使保质期长达90 d。近年来对于谷物稳定化的研究多以远红外波段为主,李波[44]研究了中短波红外对小麦胚芽的稳定化作用:催化式红外稳定化技术通过铂催化天然气与氧气反应并辐射电磁波(波长2～7 μm),属于中远波红外。此技术虽然有效钝化了内源酶,减少小麦胚芽的酸值和过氧化值的涨幅,但是大量维生素E等热敏性营养物质被破坏。短波红外波长约1～2 μm,穿透性更强,短波红外低温稳定化技术处理过的小麦胚芽虽然钝化酶的效果略低于中远波红外,但维生素E的保留率高达96.43%。
γ-射线处理是一种电离辐射波,食用级剂量的γ-射线强度不会在物料中遗留有害物质。JHA等[45]使用不同剂量γ-射线处理小麦胚芽时,发现30 kGy最高可杀灭31.2%的脂肪酶,但游离脂肪酸的含量随剂量的增加而升高。FAWZY RAMADAN等[46]通过对比焙烤和γ-射线辐照两种方式,发现辐照会致使小麦胚芽中油脂产生强大的抗自由基反应特性,仅需0.25 kGy的剂量就能对麦胚进行良好加工,可作为焙烤的有效替代方法。虽然目前γ-射线不是加工小麦胚芽的主流方法,但随着谷物加工技术的进步,辐照仍然是一种市场潜力巨大的加工方式。
在使用辐照技术处理小麦胚芽时,可以使营养成分损失减少,贮藏稳定性延长,射线与物料间的直接作用可以降低能耗。但是直接微波会导致物料受热不均匀,需要对设备进行改装;红外和γ-射线虽然可以均匀加热物料,但是目前在小麦胚芽稳定性上的研究和应用还较少,普及度不够广泛。
3.2.3 热机械处理
热风处理是一种对流加热的方式,包括静态的热风干燥和气态流动的流化床、喷动床等稳定化技术。MERILES等[47]发现小麦胚芽内源酶随热风干燥温度和时间的增加而趋向于完全失活,但在热风过程中生育酚的结构因抗氧化而发生松散,导致小麦胚芽具有较差的自由基清除活性。流化床使固体颗粒沿流体流动方向向上移动,此时物料和热空气之间存在的剧烈热传递可以将酶钝化。喷动床可看做一种特殊的流化床,YÖNDEM-MAKASC
O
LU等[48]从中央喷口注入流态化气体喷淋在小麦胚芽上,室温储存20周后,过氧化值仍处于较低水平,金黄色的胚芽还具有坚果香味。
挤压膨化主要通过螺杆设备对一定水分含量的物料进行了高温、高压、高剪切力作用,螺杆转程推进下,胚芽粉颗粒大小也在降解、细化,从小模具口被挤出时,水分瞬间蒸发,物料迅速膨胀,形成疏松多孔的结构。张弘等[6,49]通过正交试验得出了小麦胚芽挤压膨化的最佳工艺参数,挤压后小麦胚芽总酚、总黄酮分别损失11.1%和2.7%,且温度、含水量、主机频率都被发现会对麦胚芽的酚类物质含量、抗氧化性产生显著影响,变化趋势均为负相关。GAO等[50]发现一定条件的挤压处理会使麦胚蛋白和淀粉发生交联,产生蛋白质-多糖结合物,体外消化率大幅提升,表明了挤压小麦胚芽具有潜在提升胚芽营养价值和生物利用活性的功能。使用热机械处理小麦胚芽虽然可以较大程度地抑制酶活性,延长保质期,但同时也导致了热敏性营养物质的降解,并且设备较大,在工业化应用上可能受限。
不同物理处理方式下小麦胚芽成分和酶活性变化研究发现汇总可见表2。
表2 不同处理方式下小麦胚芽中营养组分和生物酶活性的变化
Table 2 Changes in the nutritional composition and enzymatic activities in wheat germs under different treatments
处理方式处理参数成分变化LA灭活率/%LOX灭活率/%常压蒸汽125～130 ℃,15 min[31]蛋白质基本不变,VE损失15.8%100.0080.00～92.00常压蒸汽+热风干燥125～130 ℃,15 min+100 ℃,2～3 h[51]VE损失13.6%100.0085.80常压蒸汽+焙烤125～130 ℃,15 min+200 ℃,8～12 min[51]VE损失12.2%100.0092.10常压蒸汽+微波100 ℃ 5 min+320 W,3 min[34]VE降低-96.30过热蒸汽220 ℃,30 s[32]水分含量升高,脂肪酸值无显著变化82.7487.03高压蒸汽0.223～0.263 MPa,123～128 ℃[33]必需氨基酸无显著变化,VE含量稍有提高-90.00焙烤250 ℃,4 min[35]水分含量≤4.0%85.5993.61热对流焙烤175 ℃ 20 min[52]蛋白质变性程度达77%,对发泡稳定性和溶解度稍有影响98.6793.29微波800 W,4 min[35]水分含量≤4.0%,基本无营养物质损失92.32100.00微波+NaCl4 kW,5 min+ 1.3% NaCl 喷洒[38]水分约降低一半,但未达到质量要求68.81-连续式微波4 kW,8 min,风速60 Nm3/h[41]水分含量≤4.0%85.99100.00射频+热风干燥加热至100 ℃+100 ℃,15 min[42]总酚含量变化不明显,可储存>90 d81.80-近红外90 ℃ 20 min[44]VE损失3.57%81.9880.79中远红外辐距35 cm,时间6 min[44]VE损失25%92.0685.67远红外辐距20 cm,3 min,强度4 800 W/m2[43]VE略微损失,游离脂肪酸在90 d内仍未超标--γ-射线30 kGy[45]未对蛋白质、水分、灰分造成显著影响31.20-挤压膨化含水量20%,末温140 ℃,频率16 Hz[49]蛋白质减少,还原糖含量上升96.8747.19热风干燥200 ℃,12 min[47]VE损失100.0099.55流化床(高温)240 ℃,1 min[51]水分含量≤4.0%,VE减少35%100.0086.45流化床(低温)150 ℃,15 min[53]VE变化不明显,过氧化物值低84.50-喷动床140～200 ℃,180～540 s[48]室温储藏20周后过氧化物仍未超标65.0091.00
注:VE-维生素E,LA-脂肪酶,LOX-脂肪氧合酶;根据LS/T 3210—1993,小麦胚水分含量质量指标要求水分含量≤4.0%
3.3 小麦胚芽的化学灭酶稳定化技术
小麦胚芽的化学稳定技术包括通过酶改性、脱油等手段。氧气和内源酶是导致小麦胚芽贮藏品质劣变的主要因素。脂肪酶的最适pH为7.0～8.0,脂肪氧合酶的最适pH为4.0～10.0,使用盐酸、乙酸、氢氧化钙等进行酸化或碱化都可以达到抑制酶活性的目的,但在食品中的试剂残留有极高的不安全性。部分研究使用抗氧化剂在小麦胚芽表面涂膜阻隔氧气,间接抑制了内源酶反应,减缓氧化酸败。如王君茹等[54]使用特丁基对苯二酚涂膜处理麦胚,发现可以降低其贮藏期间酸值的上升幅度,4周内仅增加2倍左右。脱油技术中,超临界CO2萃取法使用无毒、可循环利用的CO2,能够保留原料高质量的营养组分,是一种脱油率和安全性都较高的方法,但在工业生产中物料的粒径大小是一个关键因素,粒径小可能会使物料结块、油脂回收率减小。
3.4 小麦胚芽的生物灭酶稳定化技术
小麦胚芽还可以通过活性乳酸菌发酵,间接改变酶生长体系的pH和有机酸含量,使内源酶失活、延长保质期。发酵处理的小麦胚芽总酚含量和抗氧化活性均有提高,产生与焙烤类似的效果。赵朋辉等[55]使用黑曲霉发酵小麦胚芽,在最佳发酵参数下时,麦胚的DPPH自由基清除率高达81.94%,提高了产物的抗氧化性能。若用发酵小麦胚芽制作面制品,还能减少谷胱甘肽对面团的劣变影响,增加面团稳定性。胚芽在嗜热链球菌、保加利亚乳杆菌、乳双歧杆菌、鼠李糖乳杆菌、植物乳杆菌、嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌的协同稳定化作用下,还可得到含高膳食纤维和高不饱和脂肪酸的乳酸菌饮品[56]。PERRI等[57]将脱油后的硬质小麦胚芽发酵处理,可使游离氨基酸浓度增加3倍,并有效减少植酸,制成的营养强化面包不仅升糖指数低,而且还是膳食纤维和蛋白质的丰富来源。生物发酵稳定的小麦胚芽不仅抗氧化活性和体外蛋白消化率增加,面团稳定性升高,还被发现在不同癌细胞系中显现了强抗癌特性[58],可见生物稳定化处理的小麦胚芽在营养提升方面有重大研究价值。
4 总结与展望
小麦胚芽含有优质蛋白质与高品质脂肪、具有丰富微量元素和膳食纤维,是一种理想原料,可作为新型食品开发的营养补充剂,但以其为主要原料替代精制小麦粉制作粗粮面包的主要品质调控难题在于小麦胚芽中的膳食纤维稀释、水合竞争影响了面筋蛋白的形成,控制还原型谷胱甘肽含量及使用改良剂是麦胚面包目前的最主要研发趋势。而作为原料活性酶和油脂氧化是限制胚芽进行大规模加工运用的最大困难。目前的灭酶技术主要有物理稳定化技术,即通过干湿热源、辐照、机械外力等因素起到有效的灭酶作用;化学稳定化技术主要经过避开酶活性最适pH、涂膜阻隔氧气及溶剂萃离大部分脂质3种途径实现,但化学试剂的原料残留是目前安全性限制最多的顾虑,无毒的超临界CO2萃取是目前最佳的麦胚化学稳定选择;生物稳定化技术使用特定菌种发酵,实现了体系酸化抑制内源酶活性、减少抗性因子的留存,还可用于开发风味产品。在未来发展中,行业可着重深入研究不同小麦胚芽稳定化技术下麦胚的加入对面包质构和风味影响的相关性,进一步使用其他改良技术改善粗粮制品干口、缺乏麦香和色泽的问题,本文为小麦胚芽在烘焙制品中的应用提供了参考。
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