小麦作为我国三大传统粮食作物之一,具有种植面积广、产量高、营养丰富等特点,是我国重要的商品粮和战略储备粮食品种[1]。小麦在收获季节容易受阴雨天气的影响,收获期间发芽现象时有发生[2]。发芽使小麦籽粒肿胀、胚芽变色、种皮开裂,也会导致小麦籽粒中多种水解酶活性增加,进一步使面团的弹性与烘烤品质变差[3]。与未发芽小麦相比,发芽后小麦的容重、出粉率、千粒重和沉降值等质量指标均降低[4]。随着小麦发芽程度的加深,其加工品质变差,严重发芽的小麦籽粒通常只能用作动物饲料。但小麦发芽后一些对人体有益的功能性营养成分,如具有降血压、抗肿瘤和预防糖尿病等功能的酚类物质、水溶性阿拉伯木聚糖(arabinoxylan,AX)和γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)等,含量也会增加[5-6]。因此,科学对待小麦在发芽过程中的品质及功能性成分的变化规律,引导加工企业对其进行合理利用,对提高发芽小麦的产后经济价值具有重要意义。本文通过对发芽小麦的质量指标、营养组分、加工和食用品质变化,以及物理和化学手段对发芽小麦的品质改善效果等方面进行总结,以期为发芽小麦的合理利用与品质改善提供参考,减少农户不必要的经济损失并促进小麦产业的健康发展。
1 发芽对小麦质量指标的影响
质量指标不仅可反映小麦的综合品质,也是小麦流通过程中定等定价的依据。小麦流通过程中主要测定的质量指标包括容重、不完善粒和杂质含量等,发芽会导致小麦质量变差,质量指标发生显著变化。张佳灵[7]通过研究发现,与正常小麦相比,萌动小麦与发芽小麦的容重都有所下降,但发芽小麦的下降幅度更大。赵艳丽[8]通过对小麦进行不同浸泡时间的发芽处理后发现,随着小麦发芽程度的加深,小麦籽粒的容重显著下降,与未发芽小麦相比,浸泡10 h后其容重下降了87 g/L,由一等降为五等,基本丧失商品价值。这是因为小麦发芽后,其内部酶活性显著增强,使小麦籽粒中的碳水化合物和蛋白质发生水解,生成小分子物质(如蔗糖、葡萄糖和氨基酸等),以满足芽生长的需要。PELES等[9]通过研究发现,随着小麦的发芽,其菌落总数与初始值相比增加了3.1 lg CFU/g,表明其发芽过程中发生了霉变。根据GB 1351—2023《小麦》规定,不完善粒是指受到损伤但仍有使用价值的小麦籽粒,主要包括生霉粒、病斑粒和生芽粒等。此外,当小麦发芽粒中芽超过颗粒本身长度时,就归属于有机杂质,所以发芽也会导致小麦中不完善粒和杂质含量增加,影响小麦的价格及储藏稳定性。
2 发芽对小麦营养组分的影响
2.1 蛋白质
小麦籽粒中蛋白质的含量和质量是决定小麦品质的关键因素,对于生产小麦粉产品(如面包、面条和饼干)至关重要,是评判小麦营养品质的重要指标。发芽会使小麦籽粒中蛋白酶活性增加,蛋白质在酶的作用下发生水解同时生成短肽链和游离氨基酸[10],从而导致蛋白质含量、结构和营养发生改变。
在蛋白质的含量方面,KAUR等[11]研究指出,发芽72 h后小麦籽粒中粗蛋白含量显著降低,与未发芽小麦相比减少了2.2%。另有研究表明,发芽初期,小麦籽粒中粗蛋白含量随着发芽时间的延长而增加,并在24 h后达到最高值16.05%,这是由小麦发芽过程中进行呼吸作用,导致干重损失引起的[12]。龙杰等[13]的研究表明,与未发芽小麦相比,发芽36 h后小麦中总游离氨基酸含量从1 800 mg/kg上升至4 699 mg/kg,并在48 h后达到最大值7 194 mg/kg。小麦发芽后游离氨基酸含量的增加有助于肠道内有益菌的生长,维持肠道菌群平衡,对于改善肠道健康、预防肠道疾病具有重要意义[14-15]。在蛋白质的结构方面,CARDONE等[16]研究发现,发芽初期小麦粉的蛋白质结构与未发芽小麦粉相比更加紧密。随着小麦发芽程度加深,蛋白酶的水解活性增加,蛋白质网格结构被水解,导致其中包裹的淀粉颗粒释放,使面粉的质地、黏性和弹性等特性发生变化,进而影响面团的成型性能和质地。在蛋白质的营养方面,HARTMANN等[17]表明,小麦发芽时,蛋白酶活性的增强使大分子的蛋白质分解成小分子的氨基酸或肽类,从而提高了蛋白质的消化性,使人体更容易吸收其中的蛋白质,在提高其利用率的同时对麸质敏感个体有益[18]。
2.2 淀粉
淀粉是小麦中含量最多且最重要的营养物质之一,其质量约占小麦籽粒干重的65%～75%,是人类饮食中能量的主要来源。在未发芽小麦籽粒中,淀粉酶主要存在于种皮和糊粉层中。随着小麦发芽程度的加深,淀粉酶逐渐从种皮和糊粉层迁移到胚乳中,使淀粉颗粒发生部分水解,从而导致淀粉含量下降,并产生损伤淀粉和可溶性糖类。
MARTI等[19]研究表明,发芽会使小麦籽粒中α-淀粉酶活性显著升高,与未发芽小麦相比,发芽18 h后α-淀粉酶活性增加了12 U/g,ICHINOSE等[20]的研究也得到了类似的结果。目前,降落数值是反映α-淀粉酶活性的重要指标,降落数值越低,表明α-淀粉酶活性越高。吴存荣等[21]通过研究发现,在小麦发芽过程中,降落数值随小麦发芽程度的加深而减小,表明发芽会促进小麦籽粒中α-淀粉酶活性的增加。淀粉酶的活性不仅受发芽时间的影响还与发芽条件有关。王若兰[22]研究发现,在发芽时间相同的条件下,α-淀粉酶活性随发芽温度的升高呈先增大后减小的趋势。在淀粉的含量方面,张玉荣等[23]研究发现,在萌动阶段,小麦中直链淀粉与支链淀粉含量与未发芽小麦相比,分别下降25%和20%。江潇潇[24]和牛康康[25]研究表明,发芽48 h后小麦中损伤淀粉和还原糖含量显著升高,与未发芽小麦相比分别增加了0.63%和2.6%。相关研究表明,损伤淀粉具有比未损伤淀粉更高的吸水率[26]。小麦发芽后损伤淀粉含量的增加会使面粉吸水量更高,形成更加柔软和可塑性强的面团,使发酵类面制品的体积增大、口感更加松软。在淀粉的结构方面,SIMSEK等[27]通过分析发芽小麦的淀粉颗粒形态发现,在未发芽小麦籽粒中,淀粉颗粒通常被完整地包埋在致密的蛋白质基质中(图1-a和图1-c);发芽后,小麦样品中蛋白质基质消失,并在淀粉颗粒上观察到了不规则的缺痕和孔迹(图1-b和图1-d),表明发芽会使淀粉颗粒在酶的作用下发生水解,使淀粉表面结构遭到破坏。
a、c-正常小麦;b、d-发芽小麦
图1 正常小麦与发芽小麦淀粉的扫描电镜图[27]
Fig.1 SEM images of normal wheat and germinated wheat starch[27]
2.3 脂肪
脂肪在小麦中含量相对较少,仅占1.5%～7.0%,但与小麦粉的加工品质和面筋蛋白相互作用密切相关,对于面筋网格的结构和形成至关重要,直接影响面团形成过程中气泡的透入与醒发时间[28]。张捷等[29]的研究表明,在面团的形成过程中,脂肪可以通过与淀粉形成复合物的方式阻止淀粉分子间的缔合,延缓烘焙制品老化。
发芽会使小麦中脂肪酶活性增加,加速脂肪水解形成甘油和脂肪酸,从而导致小麦脂肪酸值升高,品质劣变[30]。张玉荣等[23]研究发现,与未发芽小麦相比,当芽长与小麦籽粒长度相等时,脂肪酶活性升高了5.9 U。龙杰等[13]研究发现,发芽后小麦中的自由脂质含量与未发芽小麦相比显著增加。脂肪酸值是判断小麦品质变化较为明显的指标之一。吴玮[31]通过对正常、萌动和发芽3种状态的小麦进行分析比较发现,发芽小麦的脂肪酸值与萌动小麦相比升高了21.3 mg KOH/100 g,与正常小麦相比升高了36 mg KOH/100 g,表明随着小麦发芽程度的加深,脂肪酸值呈升高趋势。
2.4 生物活性成分
小麦发芽虽然使小麦粉的品质下降,但同时也会增加一些对人体有益的生物活性成分,如AX、GABA和酚类化合物等。AX作为小麦籽粒中的一种非淀粉多糖,具有免疫调节、抗肿瘤和控制肥胖等作用,根据亲水性的不同可以将其分为水溶性阿拉伯木聚糖(water-soluble arabian xylan,WE-AX)和水不溶性阿拉伯木聚糖(water insoluble arabian xylan,WU-AX)。OLAERTS等[32]通过研究发现,在小麦发芽过程中AX含量无显著变化,但WE-AX含量显著增加,WU-AX含量显著减少。牟振坤等[33]研究发现,向小麦粉中添加WE-AX可以增强面团的弹性和延展性,使面包的体积增大。由此表明,在小麦发芽期间WE-AX与WU-AX之间发生了转化,其中WE-AX含量的增加对于面粉品质具有一定的改善作用。GABA是一种非蛋白质氨基酸,也称为4-氨基丁酸,广泛存在于细菌、植物和脊椎动物中,具有神经传递、血压调节和激素调节等作用。龙杰等[13]研究发现,发芽小麦中的GABA含量在发芽48 h后显著增加,是未发芽小麦的2.8倍,VAN HUNG等[14]的研究也得到了类似的结果。酚类物质是指芳香烃中苯环上的氢原子被羟基取代所生成的化合物,具有预防癌症、抗氧化和降低心脑血管疾病等作用[34]。发芽会使小麦中酚类物质含量增加,其主要包括咖啡酸、对氨基苯甲酸和阿魏酸等。马燕等[35]研究5种小麦发芽后酚类物质含量的变化后发现,与未发芽小麦相比,发芽后小麦中游离酚含量分别增加了92%、51%、52%、86%和111%;结合酚含量分别增加了48%、43%、34%、110%和120%。综上,发芽小麦也可做为功能性食品原料或食品添加剂,在提高其利用率的同时起到改善人体健康的作用。
3 发芽对小麦加工品质的影响
3.1 出粉率
出粉率是衡量磨粉品质的重要指标,能反映小麦胚乳占小麦总量的比例。菅桂玲等[36]通过研究发现,出粉率随着小麦发芽时间的增加显著下降,与未发芽小麦相比,发芽48 h后降低了2.12%。董召荣等[37]通过研究3种不同发芽程度(露白、1/4芽长、1/2芽长)的小麦后发现,随着小麦发芽程度的加深,当芽长为1/2小麦籽粒长度时,其出粉率降低22.4%,这是因为在小麦发芽过程中多种酶活性的增加,使小麦籽粒中的储藏物质不断地被分解和消耗,从而导致出粉率的降低。
3.2 面粉糊化特性
糊化特性是反映淀粉质量的重要指标,同时也影响着面团的食用品质,其主要参数包括峰值黏度、回升值、崩解值、衰减值和糊化温度等[38-39]。发芽会使小麦中淀粉含量减少,结构与性质发生改变,导致糊化特性中各参数也随之改变。
胡慧敏[40]通过研究表明,随着小麦发芽程度的加深,小麦粉的峰值黏度显著降低,当芽长为1/2小麦籽粒长度时,与未发芽小麦相比降低了1 852 mPa·s,这是因为在小麦发芽过程中,淀粉在酶的作用下被分解成小分子的葡萄糖和麦芽糖,使淀粉分子内的1,4-葡萄糖苷键遭到破坏,进而使其黏度降低。BARANZELLI等[41]通过研究不同发芽时间下小麦粉的糊化特性发现,发芽72 h后,小麦粉的崩解值显著降低,与对照组相比下降了42 mPa·s。方婳婳[42]通过回添的方式将芽麦粉添加到正常小麦粉中,当添加量为25%时,除糊化温度呈小幅度增长外,其余各项黏度指标(峰值黏度、最低黏度、最终黏度、衰减值、回升值)均呈现显著下降趋势,与对照组相比分别下降了1 634、1 114、2 356、728和1 241 mPa·s。衰减值与回升值的减小,表明适当地添加发芽小麦粉可以使面团的热稳定性降低,延缓老化,使面粉更容易糊化,增强面制品的加工品质。
3.3 面粉粉质特性
小麦粉的粉质特性不仅能反映面团在形成过程中形成时间、稳定时间和弱化度等变化情况,对于面制品加工品质的判断也有重要意义。发芽会使小麦中蛋白质含量减少,结构与性质发生改变,进而导致粉质特性中各参数也随之改变。
冯春露[43]研究发现,发芽后小麦粉的形成时间显著降低,与正常小麦粉相比下降了9%。张钟等[12]通过研究不同发芽时间下小麦面团的流变学特性发现,发芽48 h后,小麦面团的稳定时间相比未发芽小麦降低了2.2 min。龙杰等[44]通过回添的方式将露白小麦以不同的比例(10%、30%、50%)添加到正常小麦粉中,随着添加比例的增加,小麦粉的弱化度呈上升趋势,与对照组相比分别升高了12、60、103 BU。在小麦发芽过程中,面团的形成时间、稳定时间、吸水率的下降以及弱化度的升高,是因为发芽会使小麦中蛋白酶活性增加,蛋白质在蛋白酶的作用下发生水解,使面筋网络结构遭到破坏,导致面筋含量与筋力下降。
4 发芽对小麦面制品品质的影响
制品品质是决定小麦最终品质的主要因素,一般用馒头、面包和面条的相关指标进行衡量。徐颖[45]通过将发芽小麦粉添加到正常小麦粉中后发现,用发芽小麦粉制作的馒头体积明显低于正常小麦粉制品,当添加量>8%(质量分数,下同)后,会使馒头的口感发黏,咀嚼性和恢复性降低。SUN等[46]研究表明,与未添加发芽小麦粉相比,当添加量为10%时,馒头的比容降低了0.3 mL/g,这是由于在小麦发芽过程中淀粉和蛋白质在酶的作用下发生水解,使面筋网络结构遭到破坏,在馒头的发酵和蒸制过程中难以形成稳定的结构。CARDONE等[16]通过研究发现,用发芽小麦面粉制成的面包与正常小麦粉制品相比,其硬度和水分含量分别增加了16%和40%,这是因为在小麦发芽过程中淀粉酶活性的增加会加速淀粉的水解,使面包在发酵过程中产生的气体减少,从而影响面包的膨胀度和内部结构[47]。LIU等[48]研究发现,用发芽小麦粉制成的面条表面黏稠,耐煮性能较差,这是由于小麦籽粒的萌发促进了淀粉和蛋白质的水解,导致面条在蒸煮过程中水分子更容易渗透到面条基质中,从而使面条的吸水率和蒸煮损失增加。乔艳秋[49]将发芽小麦粉以不同的比例添加到正常小麦粉中制作面条,当发芽小麦粉的添加量<10%时,可以改善面条的蒸煮品质;当添加量>15%后,面条的光滑性和咀嚼性逐渐变差,表明适量添加发芽小麦粉可以增强面制品的品质,JOHNSTON等[50]的研究也得到了类似的结果。小麦在发芽过程中营养、加工及其制品品质变化如表1所示。
表1 小麦在发芽过程中营养、加工及其制品品质变化
Table 1 Changes in nutrition, processing and edible quality of wheat during germination
营养及加工品质指标随着小麦发芽时间的增加各指标变化趋势参考文献质量指标容重↓[4,7-8]千粒重↓[4]菌落总数↑[9]蛋白质蛋白酶活性↑[10,17]游离氨基酸含量↑[10,13-14,17]粗蛋白↓[11]二级结构先紧密后松散[16]淀粉淀粉酶活性↑[19-21]可溶性糖含量↑[24-25]直链淀粉含量↑[23]降落数值↓[21]淀粉结构光滑度下降[27]脂肪脂肪酶活性↑[23,30]自由脂质含量↓[13]脂肪酸值↑[30-31]生物活性成分AX基本不变[32]WU-AX↓[32]WE-AX↑[5-6,32]酚类物质↑[5-6,35]GABA↑[5-6,13-14]加工品质峰值黏度↓[39]最终黏度↓[42]崩解值↓[41-42]回升值↓[42]糊化温度↑[42]形成时间↓[43]稳定时间↓[44]弱化度↓[44]制品品质咀嚼性(馒头)↓[46]恢复性(馒头)↓[46]比容(馒头、面包)↓[46-47]硬度(面包)↑[16,47]蒸煮损失(面条)↑[48]光滑性(面条)↓[48]吸水率(面条)↑[16]
5 发芽小麦的品质改良方法
目前关于发芽小麦处理的方法主要是通过技术手段改善其加工性能,其方法主要包括微波处理、添加酶制剂和湿热处理等。
5.1 微波处理
微波是指波长和频率在0.001～1 m、300～300 000 MHz兼具热效应、非热效应的高频电磁波。在粮食加工过程中,微波处理常用于粮食的干燥,具有瞬时升温、穿透性强和选择性加热等特点[51]。相关研究表明,微波处理可以降低小麦中的水分含量,限制脂肪酶的活性和微生物的生长,起到改善发芽小麦品质的作用。崔言开等[52]对发芽小麦进行微波处理后发现,微波处理180 s后,发芽小麦粉的降落数值显著升高,与对照组相比增加了24 s,表明微波处理对α-淀粉酶活性有较好的钝化作用[53]。DOTY等[54]研究表明,与对照组相比,微波处理后小麦中的损伤淀粉含量减少,但当处理温度达到85 ℃后其损伤淀粉含量急剧上升,表明适当的微波处理能起到改善发芽小麦粉品质的作用。
5.2 添加酶制剂
添加酶制剂可有效改善发芽小麦的加工和制品品质。目前,常用于改善发芽小麦粉的酶制剂主要有戊聚糖酶和葡萄糖氧化酶。戊聚糖酶作为一种木聚糖内切酶,可以水解AX形成WE-AX,从而起到增大面制品的比容,降低硬度、黏度和咀嚼性的作用[55]。葡萄糖氧化酶能够催化葡萄糖氧化生成葡萄糖酸内酯和H2O2,进而将面筋蛋白中的羟基氧化形成二硫键,使面筋蛋白网络结构更加紧密,进而起到增强面团韧性和稳定性的作用[56]。瞿旭[57]研究发现,向发芽小麦粉中添加戊聚糖酶和葡萄糖氧化酶可显著改善馒头的品质,与对照组相比馒头的比容分别提高了4.39%和10.44%。此外,相关研究表明,除戊聚糖酶和葡萄糖氧化酶外,淀粉酶和脂肪酶同样可以起到改善面制品品质的作用[58]。脂肪酶可以将小麦粉中的脂肪分解成小分子的甘油和脂肪酸,使其更容易在面团中渗透和扩张,从而增强面团的弹性和延展性[59]。淀粉酶作为一种水解酶能够将淀粉分解为糊精和糖类,在面制品加工过程中,为酵母提供发酵所需要的糖类,从而改进面制品的质构和口感[60]。在小麦发芽过程中,由于多种酶活性的增强,会使小麦中的淀粉、脂肪和蛋白质发生水解,使面筋形成和稳定性下降,进而影响面制品的加工品质。因此,对于发芽小麦的品质改良还可通过添加其他酶制剂的方式提高芽麦粉的面团特性、面制品品质和营养结构。
5.3 热处理
热处理是利用热效应钝化小麦发芽过程中活性较高的酶以达到改善发芽小麦粉品质的目的。小麦加工中常用的热处理方法包括热湿、过热蒸汽和挤出处理等。不同的热处理方法传热传质差异很大,从而导致小麦及小麦组分结构发生变化。与常规热处理方式相比,湿热处理可以使样品的水分保持恒定防止水分散失,延缓淀粉在加热过程中的裂解[61]。江潇潇[24]研究发现,经相对湿度25%-100 ℃-60 min湿热处理后,发芽小麦粉的峰值黏度和糊化温度显著提高,与对照组相比增加了1 984.5 mPa·s和14.4 ℃,表明湿热处理可以显著改善芽麦粉的糊化特性,促进淀粉双螺旋结构的重排,使淀粉的结晶度与结构得到改善。武传欣等[62]研究表明,经100 ℃、11 min热处理后,发芽小麦粉的峰值黏度和降落数值均呈现增大的趋势,与对照组相比分别增加了60 BU和48 s。张楠等[63]研究表明,经220 ℃、20 s热处理后,脂肪酶活性显著降低,与对照组相比减少了3.84 mg/g。史雨刚等[64]通过研究发现,经54 ℃、24 h热处理后,小麦籽粒的电导率显著升高,与对照组相比升高了1.99%。由此表明,热处理不仅可以使酶的活性降低,还能起到改善小麦粉品质与烘烤性能的作用,但是长时间的热处理会使小麦籽粒的生理生化指标产生劣变,加速种子的老化进程。因此,选择适当的热处理方式不仅能较好地限制酶的活性,还能起到灭菌、杀虫的作用,在改善发芽小麦品质的同时,又有助于增加面团的弹性,使小麦粉在混合过程中表现出更高的阻力、黏度和硬度;但如果热处理过度则会使小麦籽粒中的蛋白质发生变性,对面团的流变学特性以及烘焙品质产生不利影响[65-66]。
6 结论与展望
小麦在发芽过程中由于多种酶活性的增加,小麦籽粒中的淀粉、脂肪和蛋白质在酶的作用下发生水解,结构与性质改变,导致糊化和粉质特性中各参数也随之改变,最终影响小麦粉的加工及制品品质。然而,在小麦发芽期间同时会增加一些对人体有益的生物活性成分如AX、GABA和植酸等(表1)。对于改善发芽小麦品质的方法,其主要包括微波处理、热处理、添加酶抑制剂等。因此,科学的认识小麦在发芽过程中的品质变化规律并掌握其改良方法,不仅可以拓宽发芽小麦的应用范围,还可以提高发芽小麦的产后附加值。
目前针对发芽小麦的研究大部分都集中于实验室模拟小麦发芽,对于田间穗发芽小麦品质变化的研究较少。田间穗发芽小麦与实验室发芽小麦对于面制品品质的影响是否存在差异,还需要进一步研究。同时,针对发芽麦全麦粉、专用芽麦粉(作为食品配料)的加工和利用研究较少,应积极探索发芽小麦粉在生产低筋粉上的用途,发挥其筋力弱、降落数值低等特点,在提高发芽小麦粉利用率的同时,又可以增加其营养价值和口感,具有较好的发展前景和意义。
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