小麦作为全球重要的粮食作物,为人类提供必需能量和营养物质,满足了数十亿人口的主食消费需求[1]。与小麦粉相比,全麦粉中麸皮和胚中富含大量营养物质,如膳食纤维(dietary fiber,DF)、B族维生素、酚酸素[2]等多种生物活性物质,被证实具有降低肥胖发生率及预防2型糖尿病、癌症等慢性疾病风险的功能[3]。馒头是我国北方传统主食代表,而全麦馒头作为其营养强化升级产品,更成为我国全谷物主食体系中的重要载体。不同于全麦烘焙类产品,馒头蒸制温度(约100 ℃)较低,可有效避免由美拉德反应产生的丙烯酰胺等潜在有害物质生成[4],并且更好地保留了全麦粉中的天然营养成分。然而,由于麸皮中含有不可溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber,IDF)等物质,全麦馒头存在比容小,口感不佳等问题,并限制其产业发展。现有研究表明,麸皮在和面阶段的机械搅拌过程中,主要通过2种途径破坏面团结构稳定性:一是麸皮在面团成型过程中通过物理摩擦作用刺破面筋网络结构,影响面团稳定性和发酵能力;二是与面筋蛋白竞争性吸附水分,降低面团持水能力[5]。这种双重作用最终导致面团发酵阶段气体保持能力下降,引起全麦馒头体积减小,表皮塌陷、质地粗硬等品质劣变问题。
针对上述问题,目前研究表明利用物理改性、化学改性和生物改性技术均可在一定程度上实现全麦馒头的品质调控。物理技术主要采用机械处理(如超微粉碎[6]、挤压膨化[7])、热力学处理(如微波干热处理[8])及水热改性(包括过热蒸汽[9]、蒸汽爆破[10])等手段,通过降低麸皮粒径、改变麸皮结构、增加可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber,SDF)含量[11],提升面团的延展性,最终改善产品质地与营养特性。然而,物理技术存在能耗强度高及热敏性营养素损失等问题,制约其工业化应用。化学技术虽然可以通过添加乳化剂(如硬脂酸钠)或氧化剂(如抗坏血酸)改善面团流变特性,但存在作用效果受pH值波动影响显著、化学残留风险及废水化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)值偏高等局限[12]。相较于前两者,酶解技术、传统发酵技术和发芽技术等生物技术,利用外源酶、内源酶或微生物代谢产物,降解纤维素、木质素及植酸等造成全麦馒头品质劣变与营养散失的成分,促进面筋蛋白二硫键交联及增强面团的延展性等,最终改善馒头质地,赋予全麦馒头较好的食用品质[13]。
但是,目前关于生物技术对全麦馒头品质调控方面研究缺乏系统性的梳理。本文基于生物改性技术原理,系统综述了酶解技术、传统发酵技术和发芽技术在全麦面团加工特性改良、馒头产品品质优化中的应用及最新研究进展。通过分析相关技术的作用机制,进一步探讨了生物技术在全麦馒头中的靶向调控策略,以期为全麦馒头品质提升和加工体系优化提供理论参考。
1 造成全麦馒头品质缺陷的原因
1.1 面筋网络结构弱化
在热诱导作用下,面筋蛋白主要成分麦谷蛋白和麦醇溶蛋白通过二硫键交联,形成面筋网络结构。麦谷蛋白可进一步分为高分子质量亚基(high molecular weight glutenin subunit,HMW-GS)和低分子质量亚基(low molecular weight glutenin subunit,LMW-GS),其主要贡献面团弹性和黏性;而麦醇溶蛋白对面团的延展性和可塑性起关键作用[14]。全麦馒头含有较高含量膳食纤维(dietary fiber,DF)。研究表明,DF与面筋蛋白发生非共价键相互作用,这种相互作用会抑制面团中二硫键的交换反应,其后果是阻碍了面筋蛋白内游离巯基向二硫键的转化,降低面筋网络的形成程度,这导致面团发酵体积膨胀不足,全麦馒头体积小、质地粗糙[15]。DF与面筋蛋白之间的非共价相互作用,主要源于DF中非淀粉多糖(如纤维素、半纤维素)分子上的羟基与面筋蛋白肽链上酰胺基之间的作用,其中氢键被证明是主导作用力[16]。此外,DF的存在还会阻碍面筋蛋白的充分水合,改变面团的流变特性。进一步影响全麦馒头的最终品质。除此之外,全麦粉中麸皮颗粒作为刚性填充物嵌入面团,物理切割面筋网络,破坏面筋气室结构,削弱面团在发酵过程中的气体滞留能力,导致馒头比容降低[17]。
1.2 其他因素
在全籽粒粉碾磨过程中,由于麸皮硬度较高导致淀粉颗粒更容易发生机械损伤,从而增加全麦粉破损淀粉含量。破损淀粉吸水率高但持水力差,从而影响淀粉的糊化特性:一方面,破损淀粉在糊化时,其支链淀粉间的氢键缔合作用减弱,导致黏度值降低,结构支撑力下降[18];另一方面,破损淀粉的存在为直链淀粉提供更多的成核位点,使其更容易通过氢键重排形成致密结构,进而加快馒头老化进程。此外,全麦粉中的胚芽富含不饱和脂肪酸。在贮藏期间,这些不饱和脂肪酶易被内源性的脂肪酶催化,发生水解和氧化降解反应,生成醛、酮类挥发性物质,不仅影响全麦粉的贮藏稳定性[19],同时也会对全麦馒头的风味产生不良影响。
2 现有全麦馒头品质改良方法及其优缺点分析
全麦馒头富含膳食纤维、维生素和矿物质等营养成分,然而,麸皮的存在导致馒头出现如口感粗糙、体积小、色泽暗沉等品质问题。为了改善这些问题,研究者们已开发了多种方法,但这些方法均存在一定的局限性(表1)。生物技术以其天然属性和高效性在全麦馒头品质改良中展现出独特的优势。
表1 现有全麦馒头品质改良方法及其优缺点
Table 1 The existing methods for improving the quality of whole wheat steamed bread and their advantages and disadvantages
3 酶解技术在全麦馒头品质改良中的机制与应用
3.1 酶解技术对全麦面团面筋网络的重构机制
全麦粉中麸皮会通过物理稀释作用或机械剪切效应破坏面团中面筋网络结构,包括引发面筋蛋白的二硫键含量降低及β-折叠二级结构占比下降等,这些变化会显著削弱了面筋网络的连续性和结构稳定性[25],使得全麦面团延展性降低与弹性下降,是导致全麦馒头表皮塌陷的重要因素。此外,麸皮中DF颗粒在发酵阶段会通过界面吸附作用富集于气-液界面,形成空间位阻效应抑制气室扩张[26],最终导致全麦馒头比容下降、孔洞结构细密且质地粗糙。研究发现,通过酶解技术可有效调控上述负面效应(图1)。
图1 酶制剂对面筋网络的改善作用
Fig.1 Improving effect of enzyme preparation on gluten network
例如,葡萄糖氧化酶(glucose oxidase,GOD)通过葡萄糖氧化生成H2O2促进面筋蛋白间的二硫键交联,显著提升面团弹性模量[27];转谷氨酰胺酶(transglutaminase,TG)诱导蛋白质ε-(γ-谷氨酰)赖氨酸异肽键形成,不仅增强面筋网络持气性[21],还可通过交联作用提升淀粉-蛋白复合物热稳定性;脂肪酶(lipase,LPS)水解甘油三酯产生游离脂肪酸可通过疏水作用调控面筋蛋白定向排列[28]。不同酶制剂的作用机制及其效果如表2所示。
表2 不同酶制剂对全麦面团及馒头的改良作用
Table 2 Improvement effects of different enzyme preparations on whole wheat dough and whole wheat steamed bread
3.2 酶解技术对全麦面团中IDF组分的靶向修饰
麦麸中的膳食纤维根据溶解性差异可分为SDF和IDF[34]。其中SDF(占比5%～9%)主要包括β-D-葡聚糖、WEAX及低聚糖等[35]。其中,IDF(占比85%～93%)主要由纤维素(25%～32%)、半纤维素(29%～33%)和木质素(10%～16%)构成。值得注意的是,IDF通过竞争吸水作用削弱面筋水合程度,促进面团体系中强结合水(T21)向弱结合水(T22)迁移[36],这种水分分布改变直接导致面团拉伸阻力下降,表现为全麦馒头比容降低及质地粗糙[37]。木聚糖酶(xylanase,XYL)特异性水解阿拉伯木聚糖中的β-1,4-糖苷键,可有效降解细胞壁多糖组分。配合纤维素酶(cellulase,CE)对纤维素β-1,4-葡聚糖链的协调水解,以及戊聚糖酶(pentosanase,PN)对侧链糖苷键的切割作用,能够显著破坏IDF的三维结构。其具体表现为:a)纤维素-半纤维素复合体的解离,释放出原来被束缚的结合水[37];b)暴露酚酸酯键(如阿魏酸酯键)并催化其水解,生成游离阿魏酸和木酚素等酚类化合物(图2)。改良后全麦面团持水性提高,延展性增强,馒头硬度下降,弹性提高[27]。
图2 水解酶降解膳食纤维的作用机制
Fig.2 Mechanism of dietary fiber degradation by hydrolase
3.3 酶解技术在全麦馒头品质改良中的应用
麦麸作为全麦粉核心成分,其中IDF占比达80%～85%(质量分数),是导致全麦馒头质地劣变的关键因素。与IDF不同,SDF通过形成三维凝胶网络促进面筋-蛋白交联,其乳化作用可显著提升面团黏弹性。基于此,酶解技术通过靶向降解IDF组分中的糖苷键,实现其向SDF转变,从而改善全麦馒头质构品质。通过XYL、CE及PN等水解酶类对糖苷键的降解作用,可实现IDF向SDF的高效转化[38]。例如,张书静等[39]采用XYL对挤压麦麸进行半固态酶解(65 ℃、pH 5.5、酶活力1 000 U/g),使SDF含量提升89.09%,改性麦麸馒头硬度与咀嚼性分别降低41.19%和42.35%(P<0.05),比容增加25%。刘丽娅等[29]研究表明,PN添加量为60 mg/kg时,全麦馒头比容提高12%(达2.46 cm3/g),硬度降低29%;添加30 mg/kg的CE时,馒头比容提高9%,硬度降低41%。NGUYEN等[40]采用纤维素酶对麦麸处理,在最佳改性条件下,IDF/SDF的比例降低42%。此外,通过添加GOD、TG及LPS等功能修饰类酶,促进二硫键的形成并增强蛋白质与面筋的结合力,从而改善面团的弹性和延展性。例如,黎芳等[41]研究发现,当GOD的添加量为300 U/kg时, 全麦面团的弹性模量和黏性模量达到峰值,馒头比容提升至3.18 mL/g,硬度较空白组降低38%。此外,夏玉琳[31]通过添加0.2%(质量分数)TG和40 mg/kg真菌α-淀粉酶,使全麦馒头比容分别提升15.3%和14.0%,硬度下降19.3%和18.1%,内部气孔更均匀细腻。尽管酶解技术对全麦馒头质构品质改良效果显著,但是过量使用可能导致面团黏弹性下降,面筋网络弱化[23]。因此,酶制剂种类和用量选择对产品品质具有重要影响。
此外,与单一酶制剂应用相比,复合酶协同作用对提升全麦馒头可显著提升改良效果,节约酶制剂用量。例如,刘丽娅等[29]利用GOD、PN和CE的协同作用,使全麦馒头比容达到2.69 cm3/g,气孔分布均匀且弹性增强。李晓月等[42]采用CE和PN对麦麸进行复合酶协同改性,与未处理组相比,添加了复合酶处理麦麸的全麦馒头比容提高了25.1%,感官特性和食用品质得到很大改善。
4 传统发酵技术在全麦馒头品质改良中的机制与应用
4.1 传统发酵技术的作用机制
我国传统馒头发酵技术以多菌系协同代谢为核心特征,其发酵剂(如酵头、面肥、酒曲)通常含有乳酸菌(Lactobacillus spp.)、酵母菌(Saccharomyces spp.)、醋酸菌(Acetobacter spp.)及霉菌(Aspergillus spp.)等构成的复杂微生物群落[43]。与单一菌种(商用酵母)不同,传统发酵技术利用多菌代谢互馈和生态位分隔等来实现降解麦麸、减少其对气室的破坏,促进面筋蛋白相互作用和增强气室的稳定性(图3),有效改善全麦馒头的质构特性。例如,在面团发酵过程中,微生物代谢产生的CO2促使面团蓬松,同时生成的酯类、醇类等挥发性风味物质[44]以及蛋白酶、淀粉酶等酶系物质,不仅赋予产品独特香气,还可促进麸皮纤维素降解。研究表明,不同菌种的代谢特性差异显著影响面团流变学特性及终产品品质(表3)。其中,非酿酒酵母分泌的糖苷酶等酶系不仅能优化面筋网络结构,其酶解产物低聚糖还可以作为益生元发挥功能作用。
图3 微生物在全麦面团发酵中的改良作用
Fig.3 Improvement of microorganisms in whole wheat dough fermentation
表3 不同微生物对全麦面团及馒头的改良作用
Table 3 Improvement effect of different microorganisms on whole wheat dough and whole wheat steamed bread
4.2 发酵技术在全麦馒头品质改良中的应用
尽管商业酵母的应用推动了馒头工业化进程,但其单一菌系导致的代谢谱狭窄使产品风味物质种类较传统酸面团馒头显著减少。因此,消费者更倾向传统发酵的馒头[51]。老面发酵面团液拥有独特的流变特性,如适中的黏度、泡沫稳定性及较低的表面张力,有助于馒头形成均匀细腻的气孔结构[52]。袁佐云[53]从不同地区老面中筛选出3株特征菌群,其协同发酵的全麦馒头,相较于商用发酵剂发酵的馒头,感官评分更高,气味丰富宜人且质构优良。李明鹏等[54]系统评价了15种地域性传统发酵剂,与商用酵母相比,全麦馒头硬度降低l5.03%～40.76%,比容提高0.66%～41.72%,感官评价综合评分提高0.29%～9.08%。
相较于一次发酵,二次发酵工艺因延长代谢时间,菌群可充分降解抗营养因子,并通过pH调控优化蛋白网络重组,使全麦馒头拥有更优的体积与更细腻的口感[48]。周萌萌[55]对比发现,采用二次发酵的全麦馒头比容更大、更挺立,风味物质含量更高。此外,LIANG等[56]通过纤维素酶与木聚糖酶协同降解纤维素产生可溶性多糖的原理,辅助乳酸菌发酵,降低了麸皮对面筋网络的损伤。同时增强了全麦馒头的延展性与稳定性。
5 发芽技术在全麦馒头品质改良中的机制与应用
5.1 发芽技术的作用机制
发芽技术是一种绿色可持续的谷物生理活化加工方法[57]。适宜的温湿度条件下(通常为25～30 ℃,相对湿度85%～90%)可促使水分渗入籽粒并激活处于休眠状态的细胞器和酶系统。此生理过程伴随着呼吸作用的显著增强,并触发关键的激素调控:种子休眠维持因子脱落酸(abscisic acid,ABA)含量下降,生长促进因子赤霉素(gibberellins,GA)释放增加。这一激素级联反应进而激活编码多种水解酶(如α-淀粉酶、蛋白酶、肽酶等)的基因表达,酶制剂的催化作用使得小麦中游离氨基酸、寡肽及还原糖的含量均得到提升,从而改善了其生物利用率和消化率[58]。除此之外,发芽处理还能通过激活籽粒中植酸酶,从而降低抗营养因子植酸的含量;激活谷氨酸脱羧酶(glutamic acid decarboxylase,GAD)催化谷氨酸生成功能性成分γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA);激活苯丙氨酸转氨酶(phenylalanine ammonialyase,PLA),促进多酚类化合物的合成,提高黄酮类物质的含量[13]。发芽处理后的小麦粉可作为天然复合酶制剂应用于全麦面团体系,通过适度水解面筋蛋白和淀粉,缩短面团形成时间,降低稳定度,从而提高面团的延展性和可塑性。淀粉降解产生的麦芽糖和葡萄糖还能有效提升面团发酵活力[58]。因此,在全麦馒头制作过程中添加一定量的发芽小麦粉,可显著改善面团的面筋网络结构与流变特性及全麦馒头的营养价值与感官品质[59]。
5.2 发芽技术在全麦馒头品质改良中的应用潜力
发芽技术通过激活内源酶(如蛋白酶、α-淀粉酶)降解大分子物质,从而对面团的延展性产生影响,这在全麦馒头品质改良进程中具有重要作用。ABDI等[60]研究发现,适量添加发芽小麦粉可增强全麦面团的延展性,这可能是与酶解作用弱化面筋网络的刚性结构有关。然而,发芽时间过长(如72 h)或添加量过高(>25%)会导致蛋白酶过度积累,显著降解面团中的麦谷蛋白含量,降低面团的拉伸阻力,缩短稳定时间。例如,CAUDURO等[61]发现随着发芽时间延长或添加量增加,面团拉伸能量降低,呈弱筋特性。OLAERTS等[62]指出,蛋白酶积累会破坏面筋网络连续性,降低CO2的包裹能力。从应用角度来看,发芽技术在改良全麦馒头的营养成分与口感方面具有显著优势,同时,还能有效减少现实生活中小麦因发芽而造成的资源浪费,具有双重积极意义。然而,当前关于发芽技术应用于全麦馒头的研究仍存在局限性。现阶段的研究主要聚焦于面团流变特性以及营养成分的变化,而针对全麦馒头的系统性研究相对较少。例如,发芽处理对馒头内部气孔分布规律、水分迁移特性以及货架期稳定性等方面的影响,目前尚未有明确的研究结论。这一系列未解决的问题,为后续相关研究指明了方向,亟待科研人员开展深入探究,以全面挖掘发芽技术在全麦馒头品质改良中的潜力,推动全麦馒头产品的进一步优化与发展。
6 结论与展望
本文综述了定向酶解等生物技术在全麦面团及全麦馒头中的应用研究进展。目前,生物技术在小麦粉馒头品质提升方面应用已有显著的影响,但是在以全麦馒头为代表的高纤基质面制产品品质改良方面仍处于起步阶段。尽管现有研究表明酶解等技术可以在一定程度上改善全麦馒头食用品质和营养品质,但是仍面临着诸多技术瓶颈问题,如适宜高纤基质面制产品应用的专用酶制剂开发,发芽全麦粉应用潜力开发等。因此,为了提高全馒头食用品质和营养品质,未来仍需在酶制剂开发、复合酶制剂应用、发酵工艺标准化体系构建、发芽功能性全麦粉潜力开发等方面开展研究。此外,应加强全麦馒头加工过程中营养功能物质(如膳食纤维、烷基间苯二酚、阿魏酸等)变化规律研究,揭示其与全麦馒头品质及营养价值之间的内在联系,为优化生物技术应用提供理论依据。通过动物实验和人群干预试验验证生物改性全麦馒头在糖代谢及肠道菌群调节方面的功能特性,以充足的科学证据证明生物改性后的全麦馒头不仅具备优良的品质和丰富的营养,还能够作为新型全谷物载体,有效满足人们对健康饮食的需求。同时,相关研究也有助于进一步落实《国家推行全谷物行动计划(2024—2035年)》中全谷物科技创新行动重要科技内容,为推动计划实施、助力全谷物产业发展提供关键技术支撑与理论依据。
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