麦麸改性技术及改性麦麸在食品中的应用进展

小麦是世界上总产量第二的粮食作物,其产量约占世界粮食总产量的四分之一,是我国重要的粮食作物之一,也是我国重要的战略储备粮。麦麸约占小麦总籽粒的22%～25%,是小麦加工过程中的主要副产物,每年产量大约3 000 万t。麦麸富含膳食纤维、植酸、低聚糖、矿物质、微量元素,以及酚酸、黄酮等生物活性物质(表1)[1],具有较高的营养价值,但因其口感较差,且存在植酸、非淀粉多糖等抗营养因子[2],目前绝大部分麦麸被用作饲料或者酿造原料[1],导致其营养开发利用度低,经济价值不高。

膳食纤维(dietary fiber,DF)含量约占麦麸总量的40%,是麦麸中的主要组成成分,也是造成麦麸口感粗糙的主要原因。膳食纤维可分为可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber,SDF)和不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber,IDF),其中SDF含量仅占其中的10%[3]。SDF主要包括戊聚糖、可溶性半纤维素和果胶,而IDF主要由纤维素、不溶性半纤维素和木质素组成。有研究表明膳食纤维在调节肠道菌群,降脂,预防肥胖,降糖稳定血糖水平,增强免疫抗氧化,减缓衰老、防治结直肠癌等方面的活性主要来源于SDF[4],而IDF主要发挥着机械蠕动的作用[5]。近年来,LIANG等[6]发现,对IDF进行改性可以在提高SDF含量同时增强其功能特性,且这些功能特性对人体健康具有重要作用。因此,对IDF改性已成为提升麦麸营养和功能价值的一个重要方向。

酚酸类物质是麦麸中的一类功能性成分,主要包括阿魏酸和咖啡酸等,它们是天然的抗氧化剂,能够通过减少自由基的生成来保护细胞受损、预防心脏病并降低结肠癌的发病率,在促进人体健康方面表现出重要作用。然而,麦麸中的酚酸通常以结合形式存在,导致其生物利用度一般相对较低[7]。为提高其利用度,LIU等[8]使用6种方法对麦麸进行改性处理,结果发现6种方法均能提高总酚和阿魏酸的含量,使其抗氧化能力得到提高。此外,麦麸中还含有抗营养因子(植酸等),它们的存在阻碍了麦麸中营养物质的生物可利用性[9]。

因此,为了提高膳食纤维和酚酸的含量,克服其中抗营养因子等因素带来的不利影响,提升麦麸的营养和功能价值,实现麦麸的深加工和综合利用,麦麸的改性显得尤为重要。近年来国内外学者针对麦麸改性开展了大量研究,研究者们使用物理、化学以及生物技术对麦麸进行改性,这些技术不仅改变了麦麸的微观结构,还有效改善了麦麸膳食纤维的理化性质和功能特性。本文综述了麦麸的改性技术以及改性后麦麸在食品中的应用研究进展,并对改性后麦麸的应用前景进行了展望,明确发展方向,旨在为麦麸的充分利用提供科学依据。

1 物理改性

物理改性技术主要通过改变麦麸的结构,使其基团暴露和功能性成分溶出,以改变麦麸的性质和口感,同时提升其稳定性。现有的物理改性方法主要分为非热处理和热处理两类,其中非热处理包括高压均质法、超微粉碎法、动态高压微射流、瞬时高压以及辐照处理法,热处理包括挤压膨化法、过热蒸汽法、微波辐射法和蒸汽爆破法。表2总结了不同物理改性方法对麦麸的改善效果。

1.1 非热处理

1.1.1 高压均质法

高压均质法(high-pressure homogenization,HPH)是一种广泛用于液-液和固-液系统的精细化分散技术,主要通过高压引发物料的物理、化学和结构变化。HU等[10]在100 MPa的条件下使用高压均质法改性麦麸,结果表明麦麸的溶解性、膨胀性、水和油保持能力、阳离子交换能力得到显著改善,同时粒径可降至9 μm,提升了其在食品中的功能性和应用价值。AN等[11]发现,高压均质处理能有效降低麦麸的粒径,改变其细胞结构并破坏纤维素基质,释放出酚类化合物,这些变化显著提高了麦麸的DPPH自由基和ABTS阳离子自由基清除能力和表面反应性酚类化合物的含量,尽管铁离子螯合效果有所下降,但整体提升了麦麸的抗氧化性能。该技术有助于增加SDF的含量,从而提升其功能性和生物可利用性。因此,高压均质法可作为提高麦麸抗氧化特性并使其成为食品工业中天然抗氧化功能性材料的有效方法。

1.1.2 超微粉碎法

超微粉碎法是一种将物料粉碎到微米或纳米级的技术,通过高速冲击和剪切力使物料粒径细化,广泛用于食品、药品和化工等领域以提高其溶解性和生物利用率。ZHANG等[12]发现利用超微粉碎技术能够显著改善麦麸粗糙的口感,有效降低麦麸的粒径并破坏糊粉层的细胞壁结构,从而增强其持水性、膨胀性和阳离子交换能力等。超微粉碎的麦麸可作为添加剂应用于烘焙产品和肉制品中,显著提高产品的质构和稳定性。此外,超微粉碎还可提高麦麸中酚酸的生物可用性,使其抗氧化能力从30 mmol TEAC/kg增加到45 mmol TEAC/kg[13](其中TEAC为Trolox等效抗氧化能力)。REZAEI等[14]将麦麸粉碎到3个不同的粒径,发现粒径为100～200 μm的麦麸植酸含量最低,200～300 μm粒径的SDF含量最高,通过调整麦麸的粒径,可以显著提升面包的营养价值和感官品质。

1.1.3 动态高压微射流

动态高压微射流(dynamic high-pressure microfluidization,DHPM)作为一种非热物理加工方法,通过极高压力将物料通过微细通道,产生强烈的剪切力和冲击力,导致物料快速膨胀、温度和压力瞬间变化,从而实现均质化、乳化和粉碎化。该技术已被用于改善食品和药品的质构和稳定性。

陈军等[15]提出,动态高压微射流技术可以有效对膳食纤维进行改性,改性后生理活性强的SDF含量显著增加,同时,膳食纤维的水化性质、持油力以及结合胆汁酸的能力升高。KANG等[16]研究发现,在420 MPa压力下,动态高压微射流技术能显著改善燕麦麸的物理化学特性和益生功能,增强水油保持能力及胆盐、胆固醇结合能力,并对肠道微生物组构成产生有益影响。高压微射流技术通过改变麦麸的物理结构和表面特性,增加比表面积和孔隙度,提升水油保持能力和可溶性膳食纤维比例,增强其功能性(如改善肠道健康和调节血糖),优化粒度分布并改善食品感官品质,使其更适合作为食品载体或增稠剂。

瞬时高压(instantaneous high process,IHP)是一种通过即刻施加高压来处理物料的技术,主要通过高速压力和剪切力实现物料的剪切、破碎、均质和膨化。这种技术集输送、混合、超微粉碎、加压、加温、膨化等操作于一体,广泛应用于食品、药品等行业。

在处理麦麸时,瞬时高压处理不仅可显著提升其膳食纤维的膨胀力(从6.04 mL/g增加到7.41 mL/g)、持水力(从6.56 g/g增加到8.05 g/g)和结合水力(从11.82 g/g增加到14.92 g/g),还可提高其SDF的含量(从11.47%增加到17.15%),从而有效改善麦麸膳食纤维的物理性质和功能性[17],增强了其在食品工业中的应用价值。该技术不仅在制备高活性膳食纤维中具有应用潜力,还具有显著的杀菌效果[18]。

辐照是利用电离(如γ射线、X射线或电子束)或非电离辐射(如紫外线)改变材料的物理、化学或生物性质的过程。此技术可广泛应用于延长食品保质期、医疗器械的无菌处理、材料性能改善以及农作物遗传改良等领域。熊添等[19]研究发现,将60Co-γ射线辐照应用于麦麸改性可在保证其营养成分和物化特性的前提下有效降低植酸含量。当辐照剂量为10 kGy时,麦麸中植酸含量降幅超过20%,而直链淀粉、支链淀粉和总戊聚糖的保留率均在90%以上,同时辐照对麦麸的持水性、持油性和吸水膨胀性等物理化学特性的影响较小,表明60Co-γ射线辐照是一种高效的麦麸改性方法。此外,还有研究发现,紫外线照射可减少阿魏酸单体和脱氢二阿魏酸酯的含量,同时诱导阿魏酸与阿拉伯木聚糖和木质素之间形成新的交联结构,这些变化会影响麦麸基质中阿魏酸的可利用性,从而对其功能性特征(如抗氧化活性)产生影响[20]。

1.2 热处理

1.2.1 挤压膨化法

挤压膨化技术是一种综合性的现代食品加工方法,涵盖蒸煮、压缩、混合和成型等多个步骤。该技术能在非常短的时间内完成多个食品加工阶段,已被广泛应用于各种食品领域,同时也是一种改善麦麸特性的有效手段。

挤压膨化法能够对麦麸中的纤维组成和功能特性产生显著影响。研究表明,在添加20%(质量分数)玉米的麦麸样品经过挤压膨化处理后,SDF的含量提升了4.33%～7.00%[21]。此过程不仅伴随着淀粉的糊化和蛋白质的交联反应,还促成了风味物质的形成等多种化学变化[22]。挤压处理显著改变了麦麸的主要营养成分,如支链淀粉含量的减少和直链淀粉含量的增加[23]。同时,水溶性蛋白、盐溶性蛋白和不溶性蛋白含量降低,而醇溶性蛋白和碱溶性蛋白含量增加[24],这对其在体内的消化速率和血糖反应产生影响,表明蛋白质的消化率可能得到提升,此外,植酸、淀粉和还原糖含量减少,而总糖含量则有所提高。挤压膨化法能显著提高麦麸的水溶性、起泡性、持水力、持油力、黏度及膨胀性,在高温、高压和高剪切力的作用下,促使麦麸中的纤维素和半纤维素部分降解,SDF含量显著增加。这些变化不仅改善了麦麸的功能性质,还增强了其在食品工业中的应用潜力,特别是在开发高纤维食品方面的适用性。

1.2.2 过热蒸汽法

过热蒸汽技术是通过向湿饱和蒸汽注入额外的热能来生成干燥蒸汽的方法。在一定的压力下,这种干燥蒸汽的温度超过其饱和温度,从而能在与物料接触时进行有效的热处理。

过热蒸汽在麦麸处理中应用主要为灭活麦麸中的过氧化物酶和脂肪酶,同时保留其营养成分。HU等[25]研究发现,与传统的热空气处理相比,过热蒸汽处理在7 min内可有效灭活过氧化物酶和脂肪分解酶,而传统热空气处理则需16 min。此外,他们在研究过程中发现过热蒸汽处理不会导致麦麸中非淀粉营养成分(如脂肪、蛋白质、灰分和膳食纤维)的损失,也不会促进脂肪氧化。叶国栋等[26]探讨了过热蒸汽处理对小麦麸酚类化合物及其抗氧化活性的影响。研究结果表明,250 ℃处理60 s效果最优,此时麦麸的总黄酮含量达到5.76 mg GAE/g DW(其中GAE为没食子酸当量),DPPH自由基清除能力为3.03 μmol Trolox equivalent/g DW(其中Trolox equivalent为Trolox当量)。这一发现证实,过热蒸汽处理能有效提高小麦麸的抗氧化性能,为其功能性提升提供了有力的科学支持。因此,过热蒸汽处理技术可作为一种有效的麦麸稳定技术,用来灭活酶、保留其营养成分并提高其抗氧化活性和感官品质。

1.2.3 微波辐射法

微波辐射法是一种利用微波能量迅速加热和处理物质的技术,通过使物料中的极性分子(如水分子)快速振动产生热能,广泛应用于食品加工、化学反应加速和材料处理等领域。LIU等[8]在对麦麸进行微波辐射后发现,以功率为7.5 kW的微波对麦麸处理120 s时麦麸的稳定性显著提高,自由脂肪酸含量和脂肪酶活性显著降低,总酚含量由1.21 mg GAE/g DW增加到1.66 mg GAE/g DW,抗氧化活性得到显著提高,且麦麸的颜色未发生显著改变。此外,YE等[27]研究发现,微波处理能够显著提升麦麸中叶酸含量,并使阿拉伯木聚糖水提取率增加12.3%,ABTS阳离子自由基清除能力提升12.53%,但会导致维生素B2含量以及持水力、持油力显著降低。

1.2.4 蒸汽爆破法

蒸汽爆破法是一种通过施加高温蒸汽,使物料内部水分快速蒸发产生高压,导致物料结构破裂的技术。该方法依赖物料内部水分的热蒸发和压力积累,当内部压力超过物料承受极限时,物料迅速破裂,从而改变或分离物料结构。在食品工业中,蒸汽爆破法常用于谷物和豆类的加工。例如,玉米或大豆暴露于蒸汽中可使其快速膨胀,随后通过冷却和干燥处理生产膨化食品。SUI等[28]将蒸汽爆破法应用于麦麸的改性,蒸汽爆破使得麦麸的水合性和膳食纤维的溶解性增强。蒸汽爆破处理通过瞬时高温高压的作用,显著提高了麦麸的SDF含量,并有效破坏了细胞壁结构,从而增强了挤压成型的性能及产品的营养释放效率[29]。此外,该技术也促进了麦麸的贮存稳定性与营养成分的保留,尤其是在增加SDF和总酚类化合物含量、降低脂肪酸及过氧化值方面表现出显著效果[30]。这些特性为麦麸的进一步加工和功能性食品开发提供了重要的科学依据。

2 化学改性

化学改性方法主要包括酸处理法和碱处理法。这些方法通过使用强酸或强碱对麦麸进行处理,同时调节反应的温度,来促进糖苷键的断裂。这种处理会在麦麸中产生新的还原性末端,降低纤维类大分子聚合物的聚合程度,并显著改善膳食纤维产品的功能性特性。

碱处理可以显著改变麦麸的化学和物理特性,通过裂解木质素和部分溶解半纤维素结构,提高了麦麸的水溶性纤维含量。碱处理还有助于降解麦麸中抗营养因子(如植酸),从而提升麦麸中营养物质的生物可利用性,并改善麦麸的感官品质,减少不良味道。这些改变使得麦麸更适合在食品工业中使用,尤其是在烘焙食品、肉制品和健康食品中。

稀酸处理是一种常用的方法,主要用于从木质纤维素中去除半纤维素。在100 ℃以下,20 g/L的H2SO4溶液能够有效溶解半纤维素。MOSHARRAF等[34]利用醋酸盐缓冲液处理麸皮,观察到粗纤维含量和可溶性阿拉伯木聚糖含量显著增加。同时,WANG等[35]分别使用10 g/L和20 g/L的H2SO4溶液处理麦麸,结果显示SDF含量增加,并且其对胆固醇、胆酸钠和葡萄糖的吸附能力增强,同时也提高了对α-淀粉酶的抑制活性。吸附特性改善使得麦麸更有助于调节血糖和控制胆固醇水平,具有潜在的健康益处,而对α-淀粉酶的抑制活性增强则表明其可以在降低食物的血糖生成指数方面发挥作用。类似于陈存社等[36]在苹果渣膳食纤维改性研究中发现的结果,酸处理碱处理都能有效提高麦麸中SDF的含量,尤其是碱处理显示出更显著的效果。这些研究均表明,通过酸或碱处理可以显著改善麦麸的功能性质,增强其在食品和健康产品中的应用潜力。

虽然酸碱处理等化学方法能显著改善麦麸的功能性质和营养价值,但这些技术面临着多重挑战,如需较长的处理时间、可能的副反应、复杂的工艺要求、较高的温度条件以及对设备的特殊要求,以及化学改性过程中可能使用的化学试剂存在安全风险,并且可能会破坏麦麸中的部分营养成分,导致改性后麦麸品质较差。这些因素限制了其在工业生产中的应用。

3 生物改性

3.1 酶制剂

麦麸中富含的不溶性多糖,如纤维素和半纤维素可以与面筋蛋白发生相互作用,从而阻碍面筋的正常形成[37]。酶处理法通过使用特定的酶类分解这些多糖,不仅改善了细胞壁的结构,而且提升了麦麸的营养价值和加工性能。当前,广泛应用的酶包括木聚糖酶、纤维素酶和阿魏酸酯酶,这些酶可以显著提高麦麸的营养和加工特性[38]。麦麸膳食纤维的主要成分包含阿拉伯木聚糖、纤维素、木质素和β-D-葡聚糖,其中阿拉伯木聚糖是麦麸膳食纤维中最主要的成分,具有多种生理功能,对麦麸的功能特性影响显著,因此成为酶法改性的重要目标。FIGUEROA-ESPINOZA等[39]通过使用枯草芽孢杆菌提取的木聚糖酶对处理后的麦麸进行进一步酶解,显著提升了阿拉伯木聚糖的溶解度;纤维素酶的应用也证实了其改善麦麸性质的有效性,通过水解纤维素破坏细胞壁结构,促进活性成分释放,增强麦麸生物活性[40]。此外,为提高改性效果,复合酶已被广泛应用。李玉忠等[41]通过应用木聚糖酶、纤维素酶和半纤维素酶的复合酶处理,显著改善了麸皮的物理特性,提升了适口性和可食性,同时增加了阿魏酸和烟酸的含量。毛濛兰[42]使用纤维素酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶和果胶酶的组合,在特定的条件(pH 6.0和温度50 ℃)下进行了1.5 h的处理,使麦麸中可溶性膳食纤维含量大幅增加至19.74 g/100 g,较原麦麸提高了13倍。酶解处理不仅增强了麦麸的总抗氧化能力和自由基清除能力,还显著提高了水溶性多糖、酚酸和总还原糖的含量。另外,阿魏酸和没食子酸在8种酚酸中增幅最大,分别为16.21 μg/g和52.39 μg/g,显示了酶解后麦麸在食品加工中作为营养和功能性原料的巨大潜力。PETERSSON等[43]使用木聚糖酶、内切葡聚糖酶、β-葡聚糖酶、阿魏酸酯酶和α-阿拉伯糖苷酶酶解麦麸,虽然没有增加麸皮的持水力和水相的黏度,但膳食纤维的大量溶解和不溶物含量的降低提升了麦麸的营养吸收和消化利用率。

酶制剂相较传统的化学改良剂具有显著优势。首先,酶制剂使用过程中不会残留有害物质,其催化效率高且具有高度的专一性。酶促反应通常在较温和的条件下进行,能耗较低,操作也更为简便。此外,使用酶制剂不会导致营养成分的大量损失,有助于提升最终产品的营养价值。然而酶制剂成本较高,且不同酶制剂对麦麸成分的作用各异,需选择和优化不同酶组合,以达到最佳改性效果,这会使其工艺更加复杂,从而限制其规模化应用。

3.2 微生物发酵法

近年来,微生物发酵法因其利用微生物自身代谢特点实现改性效果而备受关注,为麦麸的改性提供了一种高效且可持续的解决方案。在麦麸的发酵改性中,常用的微生物包括丝状真菌如Aspergillus(曲霉属)、Trichoderma(木霉属)、Mucor(毛霉属)和Rhizopus(根霉属),酵母如Saccharomyces(酿酒酵母)和Candida(白色念珠菌)及细菌如Lactobacillus(乳酸菌属)和Bacillus(芽孢杆菌属),这些微生物可帮助纤维素降解以提高营养可用性和消化性,还能提升氨基酸和维生素的含量,降低抗营养因子的含量。此外,药用真菌如Fomitopsis pinicola(松生拟孔层菌)和Isaria cicadae(蝉花)也被用于提升麦麸的活性成分和加工特性,显示出其在食品和药品产业中的多功能应用潜力。

在研究中,LU等[44]发现,通过Eurotium cristatum的发酵处理,麦麸中的可溶性与不溶性膳食纤维比率(SDF/IDF)从6.59%提高到16.74%,这种变化归因于木聚糖酶的释放,该酶通过破坏酯键将半纤维素水解成单糖和寡糖。CHEN等[45]研究表明,经酿酒酵母和枯草芽孢杆菌发酵后,麦麸多糖的分子质量下降,发酵过程显著增强了其抗氧化活性,并提高了对斑马鱼模型中由2-甲基丙脒二盐酸盐诱导的氧化应激的保护作用。此外,利用解淀粉芽孢杆菌IT-45发酵麦麸可以制得同时具有阿魏酸和低聚糖生理作用的阿魏酰低聚糖[46],表明麦麸具有通过发酵生产多种功能性多糖和低聚糖的潜力。而植物乳植杆菌和乳酸菌共同发酵不仅会增加SDF的比例,还可提升IDF的阳离子交换吸附能力及其抗氧化活性。其中,IDF的抗氧化活性提升可能由于结合阿魏酸的释放,从而增强了酚类化合物的含量[47]。

酚类化合物因其抗氧化特性而被认为可以预防由活性氧引起的退行性疾病,例如心脏病和癌症。研究表明,发酵处理能提高麦麸中酚类成分的生物可及性和利用率,可能在食品中带来更多的健康益处。酚类化合物的释放量与微生物破坏麦麸结构的能力密切相关。经发酵处理,麦麸中的总酚含量增加且抗氧化活性增强。除了将结合的酚类物质转化为游离形式外,微生物发酵还可以将这些物质转化为新的代谢产物,如阿魏酸和咖啡酸衍生物[47]。发酵后的麦麸中叶酸和可溶性阿拉伯木聚糖含量增加,同时游离态酚酸的含量提高了5倍,持水性和持油能力也显著提升。经过E.cristatum发酵后,阿魏酸含量显著增加,达到发酵前的12.06倍[44]。

麦麸中含量较高的植酸是一种抗营养因子,它通过螯合钙、铁和锌等微量营养素,形成不溶性复合物,从而降低这些营养素的生物利用度。在微生物发酵过程中,由于植酸酶的作用,植酸得以降解,从而使微量营养素的可用性得到提高。MOHAMMADY等[48]利用酵母发酵麦麸后,其中的植酸含量从4.31 mg/g显著降低至0.08 mg/g。而ZHAO等[49]研究发现,乳酸菌或酵母发酵麦麸的植酸降解率约为30%。为进一步降低麦麸中的植酸含量,FLEFIL等[50]通过筛选的高植酸酶活性菌株发酵麦麸,明显降低了麦麸中的植酸含量,证实了乳酸菌发酵麦麸在提高磷和其他微量营养素的生物利用度方面的作用。

微生物发酵麦麸还产生多种风味物质和芳香成分,表现出改善其风味的潜力。研究表明,利用米根霉发酵麦麸能有效减少麦麸发酵过程中不良风味化合物(如正己醛、庚醛和苯甲醛)的相对含量,同时增加所需芳香成分(如醇和酯)的相对含量[51]。此外,麦麸发酵过程中蛋白质降解成氨基酸也有助于形成麦麸的独特风味。例如,植物乳植杆菌固态发酵后的麦麸含乳酸、大量益生菌及寡肽,并散发浓郁香气,其抗氧化能力显著提升[52],有效延长了产品的保质期。酵母发酵麦麸在提升其质地和适口性的同时显著改善了麦麸的加工性能和营养功能,尤其在产品风味上表现突出,使其更加适用于烘焙食品(如面包和饼干)的开发。杨旭等[53]采用黑曲霉、纳豆芽孢杆菌、酿酒酵母和粪链球菌的混合固态发酵,显示经处理的麦麸中益生菌含量可达109个/g干物料,粗蛋白含量显著增加,粗纤维含量大幅降低,产品散发出浓郁的酸香味,显示其营养价值和风味均得到提升。而酿酒酵母和植物乳杆菌的混合固态发酵能显著降低麦麸的内部组织致密性,促进功能性成分的释放,从而提高了加工品质[52]。

综上,微生物发酵不仅能有效改善其结构的致密性,促进营养和功能性成分的释放,还能极大地丰富和改善麦麸的风味,提升其在食品工业中的应用价值。

4 改性麦麸的应用

4.1 在面制品中的应用

麦麸作为一种天然的膳食纤维原料,已被广泛应用于面制品的开发,这些面制品包括面包、馒头、面条、饼干、蛋糕等。但是直接添加天然麦麸会对这些面制品的体积、质地和风味产生不利影响。

改性处理后,麦麸的主要营养成分发生了显著变化,特别是淀粉和IDF含量显著降低,而SDF含量大幅增加。适当的挤压膨化工艺可以改善麦麸的膨胀性和口感,并提升膳食纤维含量,有助于改善肠道健康,但由于麦麸的高纤维结构会导致产品口感不均匀,另外过度膨化会导致部分营养成分流失[54]。超微粉碎时也需合理控制麦麸的粒度,过细粒度的麦麸会导致面包质地过于松软或黏稠,口感不均匀,并且增加发酵难度和生产成本,最终影响面包的质量和消费者体验[14]。相较之下,发酵处理的麦麸能显著提高全麦面包的比容和孔隙率,改善质地、香气及挥发性化合物的质量[55]。发酵过程中,麦麸释放出阿拉伯木聚糖、维生素和酚类化合物,这些活性物质能与面筋蛋白相互作用,增强气室稳定性。可溶性阿拉伯木聚糖能有效刺激酵母活性,增加面团中二氧化碳的产量并强化面筋网络,从而帮助面包在制作过程中更好地保留气体,使最终产品的体积增大,面包屑结构更为细腻[56]。酿酒酵母发酵的麦麸对馒头的比容和质地有积极影响,且馒头散发的香气来自发酵过程中产生的酯、醇和酚类物质。发酵改性麦麸在面制品中的应用,提升了产品的风味、质感和营养价值。发酵后的麦麸为食品增添了独特的风味,体现了其在提升面制品的营养和感官品质方面的重要潜力。

4.2 在肉制品中的应用

麦麸作为一种天然的膳食纤维源,在肉制品加工中具有广泛应用前景。将麦麸添加到肉制品中有助于改善高能量问题,但直接添加麦麸可能导致产品质地粗糙等问题,从而降低消费者接受度。研究发现,通过发酵和预乳化等处理方式,可以有效提升麦麸的质地和口感、改善麦麸的加工特性,使其更适合于肉制品的开发。余青[57]将超微粉碎后的麦麸添加至香肠中,显著增强了香肠的持水力和质构,并改善了色泽,整体提升了感官品质和可接受性。叶丹[58]发现,酵母发酵处理可降低麦麸的吸水膨胀性,预乳化处理则进一步降低麦麸的吸水溶胀性,从而改善麦麸-肉糜体系的凝胶特性、持水性和乳化稳定性。TARTEELA[59]使用水合麦麸减少动物脂肪并增加膳食纤维,开发低脂肪、富含纤维的Rista和Goshtaba(克什米尔传统美食Wazwan中的2种乳化肉制品)。结果表明,90 g瘦肉与10 g动物脂肪的组合,并添加8 g水合麦麸,是最理想的配方,并且在14 d的冷藏贮藏条件下,产品的感官和微生物质量均保持在可接受范围内。

4.3 在饮料中的应用

随着生活水平的不断提升,消费者对饮品的需求变得更加多样化。如今,功能性饮品逐渐受到更多的关注。其中,富含麦麸膳食纤维的饮料逐渐成为人们关注的焦点,并已成为研究的热门领域。

PASQUALONE等[60]通过连续发酵麦麸和玉米粉的悬浮液改善了Bors饮料的风味和抗氧化活性。MANTZOURANI等[61]利用脱木素麦麸作为载体,通过生物发酵技术制作了一款功能性石榴饮料。菅田田等将乳酸菌发酵的麦麸与海棠果结合,开发出一种具有优良抗氧化活性的饮料。余海霞等[62]的研究表明,将经过80 MPa的DHPM处理的膳食纤维添加到酸奶中(添加比例为0.6%,质量分数),可以有效增加酸奶的黏度,表现出触变性流体特性。这种改变使得酸奶的口感更加纯正和黏稠。此外,麦麸作为益生菌固定化载体,不仅提高了酸奶中益生菌的存活率,还显著改善了酸奶的风味和品质,使酸奶在保存期间表现出更高的细胞活性和更佳的感官特性[63]。

麦麸在饮料领域的应用主要是通过其丰富的膳食纤维和低聚糖等营养成分结合发酵等工艺来研发功能性饮品。这些饮品不仅满足了消费者对美味的追求,还能促进身体健康。作为一种优质的天然膳食纤维来源,麦麸在功能性饮料的开发中的应用,能够提供丰富的膳食纤维,帮助改善肠道健康、调节血糖水平等。

5 前景与展望

改性麦麸作为一种富含膳食纤维和其他营养成分的天然植物资源,在功能性健康食品的开发方面具有广泛的应用潜力。通过不同的改性技术,麦麸的营养价值和功能特性得到了显著提升。然而,不同的改性技术存在一定的优缺点:物理改性方法虽操作简便,但存在耗能、耗时等缺陷,且动态高压微射流法、瞬时高压、辐照等方法对设备要求较高,导致改性成本较高,使其在麦麸改性的工业化应用中受限;化学改性虽然能够有效提高麦麸的功能性,且不受设备和环境条件控制,但该技术会有污染物排放且化学残留可能存在一定的安全隐患而逐渐受到排斥;酶法改性能够精准调控麦麸的营养成分,提升其生物利用率,但酶制剂成本较高、酶解条件不易优化,使其应用受到限制;微生物发酵改性技术则在提升麦麸的营养价值和功能品质方面展现了独特的优势,尤其是广泛的细菌、酵母、丝状真菌及食药用菌资源为麦麸的改性提供了有利的保障,而且微生物发酵不受环境和场地限制,也不需要特殊的设备,并可兼具酶改性的优势,在不需要分离纯化酶的基础上实现麦麸的高效改性,此外,微生物发酵的次级代谢产物可为麦麸提供新的营养和活性价值。

由此可见,微生物发酵改性是一项低成本、高效率的改性技术,具有广阔的应用前景。然而,正因为微生物种类繁多,现有对微生物发酵改性麦麸的研究很难全面完整,而且不同菌株发酵麦麸后产生的改性效果及次级代谢产物存在差异,甚至可能会产生一些有毒有害的代谢产物。因此,在未来利用微生物发酵改性麦麸的研究中,应以活性物质(如活性多糖、γ-氨基丁酸、麦角硫因等)富集为导向,兼顾膳食纤维、酚酸、植酸等物质改性,开展优势微生物菌株或菌系筛选,结合菌株发酵特性建立活性物质富集发酵体系,建立体外、细胞、动物三级评价体系/模型对发酵产物的安全性进行监测和评价,最后结合发酵产物特性定向开发功能性健康食品。

未来,希望通过定向富集发酵改性麦麸,大大提高麦麸的改性效率和功能价值,并以改性麦麸全利用为基础,结合特定消费者,如女性、老年人、运动员、减肥人群、控糖人群等的需求,开发除主食类、肉制品、休闲类食品以外的特膳食品,以满足消费者和市场的需求,推动国民健康水平并实现麦麸资源可持续利用。

[1] STEVENSON L, PHILLIPS F, O’SULLIVAN K, et al.Wheat bran:Its composition and benefits to health, a European perspective[J].International Journal of Food Sciences and Nutrition, 2012, 63(8):1001-1013.

[2] 张凯歌, 江迪, 万小乐, 等.微生物固态发酵麦麸的营养品质及其资源化利用的研究进展[J].食品与发酵工业, 2024, 50(4):337-346.ZHANG K G, JIANG D, WAN X L, et al.Research progress on nutritional quality and resource utilization of microbial solid-state fermented wheat bran[J].Food and Fermentation Industries, 2024, 50(4):337-346.

[3] MA S, WANG Z, LIU H M, et al.Supplementation of wheat flour products with wheat bran dietary fiber:Purpose, mechanisms, and challenges[J].Trends in Food Science &Technology, 2022, 123:281-289.

[4] YAO W Z, GONG Y F, LI L H, et al.The effects of dietary fibers from rice bran and wheat bran on gut microbiota:An overview[J].Food Chemistry:X, 2022, 13:100252.

[5] 张明.麦麸挤压改性及其在面制品中的应用研究[D].泰安:山东农业大学, 2011.ZHANG M.Study on the extrusion modification and Application of Wheat bran in flour product [D].Taian:Shandong Agricultural University, 2011.

[6] LIANG K H, ZHU H, ZHANG Y.Effect of mechanical grinding on the physicochemical, structural, and functional properties of foxtail millet (Setaria italica (L.) P.beauv) bran powder[J].Foods, 2022, 11(17):2688.

[7] LADDOMADA B, CARETTO S, MITA G.Wheat bran phenolic acids:Bioavailability and stability in whole wheat-based foods[J].Molecules, 2015, 20(9):15666-15685.

[8] LIU J, ZHANG J L, WANG W T, et al.Effects of microwave treatment on the stability and antioxidant capacity of a functional wheat bran[J].Food Science &Nutrition, 2021, 9(5):2713-2721.

[9] ONIPE O O, RAMASHIA S E, JIDEANI A I O.Wheat bran modifications for enhanced nutrition and functionality in selected food products[J].Molecules, 2021, 26(13):3918.

[10] HU R, ZHANG M, ADHIKARI B, et al.Effect of homogenization and ultrasonication on the physical properties of insoluble wheat bran fibres[J].International Agrophysics, 2015, 29(4):423-432.

[11] AN E M, CHOI Y H, LEE J K, et al.Antioxidant properties of wheat bran prepared by a high-pressure homogenizer process[J].Food Engineering Progress, 2015, 19(1):50-55.

[12] ZHANG Y K, ZHANG M L, GUO X Y, et al.Improving the adsorption characteristics and antioxidant activity of oat bran by superfine grinding[J].Food Science &Nutrition, 2023, 11(1):216-227.

[13] ROSA N N, BARRON C, GAIANI C, et al.Ultra-fine grinding increases the antioxidant capacity of wheat bran[J].Journal of Cereal Science, 2013, 57(1):84-90.

[14] REZAEI S,ALI NAJAFI M, HADDADI T.Effect of fermentation process, wheat bran size and replacement level on some characteristics of wheat bran, dough, and high-fiber Tafton bread[J].Journal of Cereal Science, 2019, 85:56-61.

[15] 陈军, 戴涛涛, 刘成梅, 等.动态高压微射流在食品大分子改性方面的应用[J].中国农业科技导报, 2015, 17(5):106-113.CHEN J, DAI T T, LIU C M, et al.Application of dynamic high-pressure micro-fluidization in modification of Food Macro-molecule.[J].Journal of Agricultural Science and Technology, 2015, 17(5):106-113.

[16] KANG Z Y, MENG N, LIU M, et al.Enhancement of physicochemical, in vitro hypoglycemic, hypolipidemic, antioxidant and prebiotic properties of oat bran dietary fiber:Dynamic high pressure microfluidization[J].Food Bioscience, 2024, 61:104983.

[17] 刘伟, 刘成梅, 黎冬明, 等.瞬时高压作用对麦麸膳食纤维改性的研究[J].食品科学, 2006, 27(11):82-85.LIU W, LIU C M, LI D M, et al.Study on using Instantaneous high pressure treatment to modify the physical properties of dietary fiber in oat bran[J].Food Science, 2006, 27(11):82-85.

[18] 刘成梅. 瞬时高压作用的机制及杀菌和纤维改性研究[D].江西:南昌大学, 2006.LIU C M.Instantaneous high pressure process:Its sterilization mechanisms and effect on quality improvement and property changes of dietary fiber [D].JIANGXI:Nanchang University, 2006.

[19] 熊添, 何建军, 蔡芳, 等.不同处理条件下麦麸化学成分及物化特性比较[J].食品研究与开发, 2022, 43(12):37-44.XIONG T, HE J J, CAI F, et al.Comparison of chemical components and physicochemical properties of wheat bran treated at different conditions[J].Food Research &Development, 2022, 43(12):37-44.

[20] ANSON N M, HEMERY Y M, BAST A, et al.Optimizing the bioactive potential of wheat bran by processing[J].Food &Function, 2012, 3(4):362-375.

[21] 张伟博, 李鑫君, 杨立涛, 等.双挤压膨化可提高对麦麸膳食纤维的溶解性[J].中国食物与营养, 2017, 23(10):47-49;54.ZHANG W B, LI X J, YANG L T, et al.Double blasting extrusion improves solubility of wheat bran dietary fiber[J].Food and Nutrition in China, 2017, 23(10):47-49;54.

[22] ALTAN A, MCCARTHY K L, MASKAN M.Evaluation of snack foods from barley-tomato pomace blends by extrusion processing[J].Journal of Food Engineering, 2008, 84(2):231-242.

[23] 陈建宝. 麦麸的挤压膨化加工及其对麦麸主要成分的影响研究[D].杭州:浙江工业大学, 2008.CHEN J B.Study on the extrusion of wheat bran and the influence on the main ingredient of wheat bran [D].Hangzhou:Zhejiang University of Technology, 2008.

[24] BALANDR width=11,height=14,dpi=110

N-QUINTANA R R, MERCADO-RUIZ J N, MENDOZA-WILSON A M.Wheat bran proteins:A review of their uses and potential[J].Food Reviews International, 2015, 31(3):279-293.

[25] HU Y M, WANG L J, LI Z G.Superheated steam treatment on wheat bran:Enzymes inactivation and nutritional attributes retention[J].LWT, 2018, 91:446-452.

[26] 叶国栋, 汪丽萍, 沈汪洋, 等.过热蒸汽处理对麸皮酚类物质及抗氧化活性的影响[J].食品安全质量检测学报, 2021, 12(9):3598-3605.YE G D, WANG L P, SHEN W Y, et al.Effects of superheated steam treatment on phenols of bran and their antioxidant activity[J].Journal of Food Safety &Quality.2021, 12(9):3598-3605.

[27] YE G D, WU Y N, WANG L P, et al.Comparison of six modification methods on the chemical composition, functional properties and antioxidant capacity of wheat bran[J].LWT, 2021, 149:111996.

[28] SUI W J, XIE X, LIU R, et al.Effect of wheat bran modification by steam explosion on structural characteristics and rheological properties of wheat flour dough[J].Food Hydrocolloids, 2018, 84:571-580.

[29] WANG L, PANG T R, KONG F, et al.Steam explosion pretreatment for improving wheat bran extrusion capacity[J].Foods, 2022, 11(18):2850.

[30] KONG F, WANG L, CHEN H Z, et al.Improving storage property of wheat bran by steam explosion[J].International Journal of Food Science &Technology, 2021, 56(1):287-292.

[31] AN E M, LEE J K, CHOI Y S, et al.Physicochemical properties of wheat bran in different areas prepared by a high-pressure homogenizer process[J].Korean Journal of Food Science and Technology, 2014, 46(4):404-409.

[32] DE BONDT Y, ROSA-SIBAKOV N, LIBERLOO I, et al.Study into the effect of microfluidisation processing parameters on the physicochemical properties of wheat (Triticum aestivum L.) bran[J].Food Chemistry, 2020, 305:125436.

[33] LIU Y X, HUANG S H, MENG T Q, et al.Effects of steam explosion on the nutritional and functional properties of black-grained wheat bran and its application[J].Journal of the Science of Food and Agriculture, 2023, 103(4):2175-2185.

[34] MOSHARRAF L, KADIVAR M, SHAHEDI M.Effect of hydrothermaled bran on physicochemical, rheological and microstructural characteristics of Sangak bread[J].Journal of Cereal Science, 2009, 49(3):398-404.

[35] WANG L, TIAN Y P, CHEN Y X, et al.Effects of acid treatment on the physicochemical and functional properties of wheat bran insoluble dietary fiber[J].Cereal chemistry, 2022, 99(2):343-354.

[36] 陈存社, 董银卯, 赵华, 等.苹果膳食纤维改性实验研究[J].食品工业科技, 2003, 24(6):34-35.CHEN C S, DONG Y M, ZHAO H, et al.Study on the modification of apple dietary fiber[J].Science and Technology of Food Industry, 2003, 24(6):34-35.

[37] 马森, 汪桢, 王晓曦.麦麸膳食纤维对面团特性影响的研究进展[J].河南工业大学学报, 2020, 41(1):124-131.MA S, WANG Z, WANG X X.Research progress on the effect of wheat bran dietary fiber on dough properties[J].Journal of Henan University of Technology, 2020, 41(1):124-131.

[38] KATINA K, SALMENKALLIO-MARTTILA M, PARTANEN R, et al.Effects of sourdough and enzymes on staling of high-fibre wheat bread[J].Food Science and Technology, 2006, 39(5):479-491.

[39] FIGUEROA-ESPINOZA M C, POULSEN C, BORCH SØE J, et al.Enzymatic solubilization of Arabinoxylans from native, extruded, and high-shear-treated rye bran by different endo-xylanases and other hydrolyzing enzymes[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2004, 52(13):4240-4249.

[40] 赵晓春, 赵武奇, 王鸿雁.纤维素酶提取小麦麸皮中总黄酮技术研究[J].食品工业科技, 2010, 31(8):265-268.ZHAO X C, ZHAO W Q, WANG H Y.Study on extracting technology of total flavones from bran skin of wheat using cellulase[J].Science and Technology of Food Industry, 2010, 31(8):265-268.

[41] 李玉忠, 路宏科, 陈兴叶, 等.利用生物酶解技术提高小麦麸皮食用性的研究[J].价值工程, 2014, 33(11):301-303.LI Y Z, LU H K, CHEN X Y, et al.Research on using bio-enzymolysis techniques to enhance the edibility of wheat Bran[J].Value Engineering, 2014, 33(11):301-303.

[42] 毛濛兰. 麦麸生物改性及其在全麦馒头中的应用[D].南京:南京农业大学, 2020.MAO M L.Biological modification of wheat bran and its application in whole-wheat steamed bread [D].Nanjing:Nanjing Agricultural University, 2020.

[43] PETERSSON K, NORDLUND E, TORNBERG E, et al.Impact of cell wall-degrading enzymes on water-holding capacity and solubility of dietary fibre in rye and wheat bran[J].Journal of the Science of Food and Agriculture, 2013, 93(4):882-889.

[44] LU X J, JING Y, LI Y Y, et al.Eurotium cristatum produced β-hydroxy acid metabolite of monacolin K and improved bioactive compound contents as well as functional properties in fermented wheat bran[J].LWT, 2022, 158:113088.

[45] CHEN Q Y, WANG R F, WANG Y, et al.Characterization and antioxidant activity of wheat bran polysaccharides modified by Saccharomyces cerevisiae and Bacillus subtilis fermentation[J].Journal of Cereal Science, 2021, 97:103157.

[46] YU X H, MAO W J, GAO W B, et al.Antioxidant properties of wheat bran FOs prepared by Bacillus amyloliquefaciens IT-45 fermentation[J].International Journal of Food Science &Technology, 2024, 59(2):816-828.

[47] GHAMRY M, ZHAO W, LI L.Impact of Lactobacillus apis on the antioxidant activity, phytic acid degradation, nutraceutical value and flavor properties of fermented wheat bran, compared to Saccharomyces cerevisiae and Lactobacillus plantarum[J].Food Research International, 2023, 163:112142.

[48] MOHAMMADY E Y, ABOSEIF A M, SOAUDY M R, et al.Appraisal of fermented wheat bran by Saccharomyces cerevisiae on growth, feed utilization, blood indices, intestinal and liver histology of Nile tilapia, Oreochromis niloticus[J].Aquaculture, 2023, 575:739755.

[49] ZHAO H M, GUO X N, ZHU K X.Impact of solid state fermentation on nutritional, physical and flavor properties of wheat bran[J].Food Chemistry, 2017, 217:28-36.

[50] FLEFIL N S, EZZAT A, ABOSEIF A M, et al.Lactobacillus-fermented wheat bran, as an economic fish feed ingredient, enhanced dephytinization, micronutrients bioavailability, and tilapia performance in a biofloc system[J].Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, 2022, 45:102521.

[51] WU J F, REN L X, ZHAO N, et al.Solid-state fermentation by Rhizopus oryzae improves flavor of wheat bran for application in food[J].Journal of Cereal Science, 2022, 107:103536.

[52] 张笃芹, 慎珠江, 谭斌.固态发酵对麦麸物理化学性质的影响研究[J].粮油食品科技, 2024, 32(1):44-49;13.ZHANG D Q, SHEN Z J, TAN B.Effect of solid-state fermentation on the physico-chemical properties of wheat bran[J].Science and Technology of Cereals, Oils and Foods, 2024, 32(1):44-49;13.

[53] 杨旭, 薛永亮, 李浪.微生物混合发酵提高麸皮营养价值的研究[J].中国酿造, 2011, 30(3):113-115.YANG X, XUE Y L, LI L.Improvement of nutritional value of bran fermented by multi-strains in solid-state fermentation[J].China Brewing, 2011, 30(3):113-115.

[54] SOZER N, POUTANEN K. Fibre in Extruded Products[M]. Fibre-Rich and Wholegrain Foods. Amsterdam: Elsevier, 2013:256-272.

[55] ZHANG D Q, TAN B.Effects of different solid-state fermentation ratios of S.cerevisiae and L.plantarum on physico-chemical properties of wheat bran and the quality of whole wheat bread[J].Journal of the Science of Food and Agriculture, 2021, 101(11):4551-4560.

[56] SUN X Y, WU S M, LI W, et al.The effects of cooperative fermentation by yeast and lactic acid bacteria on the dough rheology, retention and stabilization of gas cells in a whole wheat flour dough system—A review[J].Food Hydrocolloids, 2023, 135:108212.

[57] 余青. 超微粉碎麦麸膳食纤维和富硒西蓝花对香肠品质的影响[D].湖北:武汉轻工大学, 2020.YU Q.Effects of superfine grinding wheat bran dietary fiber and selenium-enriched broccoli powder on the quality of sausages [D].HUBEI:Wuhan Polytechnic University, 2020.

[58] 叶丹. 麦麸对肉糜性质的影响及在肉丸中的应用研究[D].四川:西华大学, 2018.YE D.Effect of wheat bran on properties of meat emulsion and its application in meatballs [D].Sichuan:XIHUA University, 2018.

[59] TARTEELA H.Development of fiber rich rista and goshtaba using wheat bran [D].Srinagar, Sher-e-Kashmir University of Agricultural Sciences and Technology of Kashmir, 2022.

[60] PASQUALONE A, SUMMO C, LADDOMADA B, et al.Effect of processing variables on the physico-chemical characteristics and aroma of bor width=5,height=8,dpi=110

, a traditional beverage derived from wheat bran[J].Food Chemistry, 2018, 265:242-252.

[61] MANTZOURANI I, TERPOU A, BEKATOROU A, et al.Functional pomegranate beverage production by fermentation with a novel synbiotic L.paracasei biocatalyst[J].Food chemistry, 2020, 308:125658.

[62] 余海霞, 刘成梅, 万婕, 等.动态超高压微射流技术改性膳食纤维对酸奶流变学特性的影响[J].食品科学, 2008, 29(12):227-230.YU H X, LIU C M, WAN J, et al.Effects of addition of dietary fiber modified with dynamic high pressure microfluidization treatment on rheological charateristics of yoghurt[J].Food Science, 2008, 29(12):227-230.

[63] TERPOU A, BEKATOROU A, KANELLAKI M, et al.Enhanced probiotic viability and aromatic profile of yogurts produced using wheat bran (Triticum aestivum) as cell immobilization carrier[J].Process Biochemistry, 2017, 55:1-10.