麸皮生物改性对面团和面筋蛋白性质的影响

张慧娟，张小爽，黄莲燕，张君慧，王静，*

（1.北京工商大学北京食品营养与人类健康高精尖创新中心，北京市食品添加剂工程技术研究中心，北京100048；2.中粮营养健康研究院有限公司，北京102209）

小麦麸皮是面粉生产中主要的副产物，约占小麦籽粒的22%～25%。我国是个粮食大国，小麦麸皮价格低廉，来源广泛，具有广阔的开发前景。小麦麸皮中膳食纤维的含量高达35%以上[1]，具有加速肠道蠕动，增加粪便体积，缓解肠内压的功效，有效改善大便秘结的[2-3]。目前全谷物潜在的食用价值已经得到证实，例如全谷物的食用能够使心血管疾病、肥胖以及某些癌症等慢性疾病的出现率降低[4-6]。可溶性膳食纤维是存在于自然界中的非纤维性物质，具有预防高血压和心脏病，扫除体内有害的金属离子，防治糖尿病和胆结石，降低血清和胆固醇等作用[7-8]。同时它对于面制品的品质具有良好的改善作用。Collar[9]研究证明，适宜添加可溶性膳食纤维能有效提高面包的体积、感官特性，降低面包硬度。

目前改变麦麸特性的方法主要集中在理化方法、酶解法和发酵法，其中物理化学方面包括超高压、挤压膨化、超微粉碎等[10]，虽然这些方法在小麦麸皮的物理性质方面有一定的改性作用，但是成本高，并且对于小麦麸皮的营养特性影响较小。木聚糖酶能降解麸皮的细胞壁，水解戊聚糖，使非水溶性戊聚糖降解为水溶性戊聚糖，木聚糖酶水解的阿拉伯木聚糖对改善面团及面包品质起到很重要的作用[11]。液体发酵虽然对小麦麸皮的物理性质有改性作用，还能够改善其营养成分，如酚酸和水溶性戊聚糖（Water-soluble pentosans，WEAX）含量的增加[12]，但水分含量较高，容易滋生其他杂菌，并且后期干燥费时费力。

本研究采用半固态发酵和酶解的方式对麸皮进行改性，通过面粉混合实验仪、二硫键、热重分析仪、扫描电镜等研究了不同改性麸皮添加量对面团流变学和热机械学性质以及面筋蛋白的性质和结构的影响，以期为全谷物的改性和改性麸皮在面包、面条、馒头等传统面制品生产中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料和试剂

小麦麸皮：河北热河有限公司；活性干酵母、两菌型酸奶发酵剂：安琪酵母股份有限公司；木聚糖酶（100 000 U/g，2.5 kg/袋）：上海陆安生物科技有限公司；MRS肉汤（250 g/瓶）、碱性蛋白酶（200 000 U/g，250 g/瓶）：北京奥博星生物技术有限责任公司；葡萄糖苷酶（100 000 U/mL，100 mL/瓶）：上海麦克林生化科技有限公司；耐热 α-淀粉酶（40 000 U/g，250 g/瓶）：北京迪朗生化科技有限公司；盐酸、氢氧化钠、硫酸、丙酮、冰醋酸、二硫糖醇、二硝基苯甲酸、异丙醇、无水乙醇均为分析纯。

1.2 仪器设备

高速万能粉碎机（FW-100）：北京中兴伟业仪器有限公司；全自动高压灭菌锅（SX-700）：北京昭天伟业科技有限公司；普通生化培养箱（SPX-250B-Z）：上海博讯实业有限公司医疗设厂；真空冷冻干燥机（Free Zone?）：美国 LABCONCO 公司；电子天平（JA5003）：上海精密科学仪器有限公司；和面机（HM730）：青岛汉商电气有限公司；高速离心机（CR22N）：HITACH；恒温振荡器（SHZ-82A）：常州国华电器有限公司；马弗炉（B150）：纳博热（上海）工业炉有限公司；循环水式多用真空泵（SHBⅢ）：郑州长城科工贸有限公司；凯氏定氮仪（Kjeltec 8200）：福斯分析仪器公司；Mixolab谷物综合特性测定仪（3.01）：法国Chopin公司；紫外分光光度计（Cary100）：安捷伦科技（中国）有限公司；扫描电子显微镜（Nova Nano SEM 450）：美国FEI公司。

1.3 试验方法

1.3.1 小麦麸皮的改性处理

1.3.1.1 试剂制备

发酵酶解之前将麸皮置于121℃灭菌20 min。考虑到半固态发酵的特点，因此在发酵过程中保证所有发酵样品的水分含量为麸皮∶水=1∶1.5（g/mL）。且所有样品都是在普通生化培养箱中静置发酵。

1）木聚糖酶按照木聚糖酶∶麸皮=0.1∶10（质量比）的添加量（依据木聚糖酶活性添加），用适量水溶解，放置备用。

2）乳酸菌活化将0.1 g乳酸菌粉末接种到50 mL液体MRS培养基上，在37℃培养16 h。而后配重平稳，以4 000 r/min离心10 min。去除上清液，沉淀用生理盐水洗涤两次，最后将其溶解于50 mL（25 mL，特别指EF组处理）无菌水中，放置备用。

3）活性干酵母直接使用，以酵母菌∶麸皮=1.25∶100（质量比）为标准添加。

1.3.1.2 麸皮改性处理

1）E：10 g小麦麸皮与15 mL木聚糖酶溶液混合均匀，并在60℃水解12 h。

2）F：10 g小麦麸皮与10 mL乳酸菌悬浮液、5 mL无菌水以及0.125 g活性干酵母混合均匀，并在25℃发酵16 h。

3）F+E：2）后加入少量水溶解的木聚糖酶溶液混合均匀，并在60℃普通生化培养箱中水解12 h。

4）E+F：10 g小麦麸皮与10 mL木聚糖酶溶液均匀混合，在60℃普通生化培养箱中水解12 h，然后加入5 mL乳酸菌悬浮液以及0.125 g活性干酵母并混合均匀，在25℃发酵16 h。

将改性后的小麦麸皮置于-80℃冰箱中冷冻12 h，待样品完全冻结后，置于真空冷冻干燥机中干燥24 h～48 h，然后用高速万能粉碎机粉碎5 min，并过80目筛，放置备用。

1.3.2 改性麸皮膳食纤维的测定

改性麸皮中膳食纤维的含量根据食品安全国家标准GB5009.88-2014《食品安全国家标准食品中膳食纤维的测定》来测定。

1.3.3 不同添加量改性麸皮的预混粉的制备

分别称取对应质量的改性麸皮，加入标准面粉配制成改性麸皮含量分别为5%、10%、15%的混合粉于自封袋中充气并混合均匀，放置备用。纯面粉组作为对照组。

1.3.4 改性麸皮预混合粉面团流变学和热机械学特性的研究

采用Mixolab谷物综合特性测定仪对改性麸皮预混合粉面团的热机械学特性进行研究，分析预混合粉加水形成面团，面团受热糊化以及面团冷却的过程中蛋白质的性质。仪器的搅拌速率设置为80 r/min，改性麸皮预混合粉总质量为75 g。按照仪器设置好的Chopin+协定，当达到最佳粘稠度时，最大扭矩为1.1Nm。依据最大扭矩和预混合粉中的水分含量加入一定量的水。试验初始温度为30℃，维持8 min，以4℃/min的速率升温至90℃，7 min后以相同速率降至50℃，保持5 min。每个样品分别做3次平行[13-14]。

试验结束后，可以得到预混合粉的Mixolab扭矩值C1-C5和形成时间、稳定时间、吸水率、粘度崩解值和回生值：

C1（Nm）为在面团形成过程中扭矩达到最高点的值，用来确定吸水率，%；C2为面团形成过程中受热和搅拌的作用时呈现的扭矩的最低值（Nm），用于研究温度和机械作用对蛋白质的弱化；C3为面团在加热糊化时的最大扭矩（Nm），用于反应面团的糊化特性；C4为恒温阶段扭矩的最小值（Nm），用于判断面团糊化的热稳定性；C5为降温到50℃时的最大扭据值（Nm），用来确定淀粉的回升值。

1.3.5 面筋蛋白的制备

参照Day[15]的方法稍作修改。称取100 g预混合粉放入和面机中，根据预混合粉的不同调整加水量，揉混5 min，面团揉好后需静置30 min，以便能够更好的形成面筋蛋白。用去离子水洗涤面团，直至洗涤面团的清水遇碘不变蓝，剩下的部分就是面筋近蛋白。然后立即把得到的面筋蛋白放入-80℃的冰箱中冷冻12 h，之后将冷冻好的面筋蛋白置于真空冷冻干燥机干燥24 h～48 h，得到干燥的面筋蛋白，用高速万能粉碎机粉碎过80目筛，密封储存于-4℃冰箱中备用。

1.3.6 巯基、二硫键的测定

测定方法参考Morel等[16]对于面筋蛋白巯基二硫键的试验方法分别测定游离巯基和总巯基含量。

游离巯基：准确称取40 mg备用的面筋蛋白粉末于离心管中，加5.5 mL Ellman′s试剂混和均匀，然后称重配平放入离心机中，以4 800 r/min的速率离心10 min后，用紫外分光光度计测定412 nm处吸光度。

总巯基：称量30 mg粉碎后的面筋蛋白于离心管中，在60℃条件下，用二硫糖醇还原2 h后，加入3 mL的10 mol/L的冰醋酸丙酮溶液终止反应。将离心机设置为4℃、6 000 r/min，称重配平后离心10 min，去除上清液，将沉淀物悬浮于300 μL 100 mmol/L的冰醋酸丙酮溶液，之后用3 mL 10 mol/L的冰醋酸丙酮溶液洗涤，离心重复3次。取1 mL用Ellman′s试剂溶解，测定412 nm处吸光度值。

根据 C（mol/L）=A/ε×b，计算得出总巯基和游离巯基的浓度 C1，C2。

二硫键含量为C3（μmol/L）=（C1V1-C2V2）/2M

式中：ε=13 600M-1cm-1，消光系数；b为比色皿厚度；A为412 nm处吸光度；V1、V2为测定总巯基和游离巯基液体样品总体积，mL；M为样品质量，g。

1.3.7 热重分析

热重分析（Thermogravimetric Analysis，TGA）参考Nawrocka[17]等的方法。每次称取约8 mg备用的面筋蛋白粉末进行热重试验，以10℃/min的速率由30℃加热到900℃，以高纯氮气作为载体，稳定流速为100 mL/min。得到热失重曲线，并找出600℃时的失重率，求一阶导数计算蛋白样品的热降解温度。

1.3.8 面筋微观结构的观察

参照Gómez等[18]的方法稍作修改，用两把镊子将样品块掰出合适的大小，尽量保证样品表面平整。将掰好的样品块通过导电银胶粘到直径5 cm的扫描电镜样品台上，最后将粘好样品的样品台放入到喷金仪中进行喷金。参数设定：电流15 mA；喷金时间150 s；靶材铂。处理好的样品置于电镜载物腔内抽真空，加压5 kV，放大调焦观察并拍照。

1.3.9 数据处理

试验结果形式以x±s（平均值±标准偏差）表示，采用SPSS statistic17进行数据分析，ORIGIN 85软件作图，检验数据结果的显著性水平P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 不同改性处理方法对改性麸皮中膳食纤维含量的影响

不同改性处理方法的麦麸的膳食纤维含量见表1。

表1 不同改性处理方法的麦麸的膳食纤维含量Table 1 Dietary fiber content of wheat bran treated with different modification methods

木聚糖酶可以水解木糖主链骨架，内切木聚糖酶对阿拉伯木聚糖结构和功能有显著影响。它们以随机方式攻击木聚糖骨架，导致其的聚合度降低，释放低聚物木二糖和木糖[19]。用木聚糖酶处理小麦麸皮可以增加麸皮中可溶性阿拉伯木聚糖含量，将不溶性阿拉伯木聚糖转变为可溶性阿拉伯木聚糖，从而改善面团的形成质量。酵母菌和乳酸菌发酵对麸皮结构和食用性的改善效果明显，不仅能增加麸皮的营养特性，还可以增加可溶性膳食纤维的比例，从而改善面团的流变学特性，改善面团形成体积及面制品风味和口感[20-21]。在乳酸菌和酵母菌混合发酵的过程中，由于两个菌种间的协同促进作用，以及经过乳酸菌与酵母菌混合发酵后麸皮的pH值更适合木聚糖酶的活性释放，从而导致麸皮中不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF）含量发生变化。Coda[22]的研究表明，无论麸皮粒径大小，经过发酵和酶解双重处理能够有效的增加麸皮中可溶性膳食纤维的含量。

从表1中可以看出，经过酶解和发酵双重处理的麸皮，即E+F/F+E，无论处理顺序如何，均导致了总膳食纤维（total dietary fiber，TDF）含量的增加，可能是因为双重作用使得蔗糖类物质转变成了膳食纤维。而可溶性膳食纤维在F+E组达到最大，约为其它组的2倍～4倍。因此4种改性处理方法中，该组改性效果最为理想，以下将以此组改性方式探究麸皮添加量对面团和面筋的影响。

2.2 预混粉中改性麸皮含量与面团特性的关系

小麦麸皮添加量对面团热机械学特性的影响见表2。

表2 小麦麸皮添加量对面团热机械学特性的影响Table 2 Effect of wheat bran addition on thermal mechanical properties of dough

由表2可以看出随着改性麸皮添加量的增加，C2所代表的温度和机械作用下面团的弱化呈下降趋势。分别代表淀粉糊化特征、面团糊化热稳定性和面团冷却回升特征的C3、C4、C5，都呈明显的先减小后增加的趋势，即改性麸皮添加量对面团特性产生了不同程度的影响。小麦麸皮添加量对面团热机械学特性的影响见表3。

表3 小麦麸皮添加量对面团热机械学特性的影响Table 3 Effect of wheat bran addition on thermal mechanical properties of dough

改性麸皮的添加量不同，意味着预混合粉中膳食纤维含量的不同，膳食纤维的含量对面团的流变学和热机械学特性有显著影响。从表3中可知，随着发酵麸皮添加量的增多，形成时间和面团吸水率呈现出不断增加的趋向。面团形成时间的增大，表明麦麸添加量的增大使得面团的形成需要更长的时间。可能是因为麸皮在与面筋竞争水分的过程中，导致了面筋吸水过程受到影响，从而延长了形成时间[23]。面团的稳定时间在加入5%和10%改性麸皮后与白面组相比有所减小，这与Messia[24]的结果一致，而15%添加量时稳定时间又稍有增大，这可能与麸皮中可溶性膳食纤维的含量有关，可溶性膳食纤维对改善面团的流变学特性有积极作用，Li[25]等研究了可溶性膳食纤维对面团特性的影响，得出了相同的结论，可溶性膳食纤维添加量在0.25%～0.50%范围内，面团的稳定时间随着添加量的增大逐渐增大。Gomez等[26]也报道，麸皮的加入增加了面团达到最大稠度的时间。这种效应可归因于膳食纤维和蛋白相互作用，膳食纤维阻止了蛋白质的水合作用。在各种纤维混合小麦粉面团的文献中也报道了吸水率的增加的数据，吸水率与改性麸皮添加量接近正相关[27]。这是由于膳食纤维有较强的吸水能力，大量的羟基的存在通过氢键与水相互作用，导致吸收更多的水[28]。麦麸的加入增大了面团的吸水量，促进了面团中水分的分布。Zhao[21]等对发酵改性麸皮的研究中指出可溶性膳食纤维具有更强的吸水能力。但是粘度崩解值和回生值均随着麦麸含量的增加呈现先减小后增加的趋势。当麸皮添加量在一定比例时，加入麦麸稀释面粉中的面筋蛋白的作用大于结合成网状分子结构的作用时，会使面筋结构的连续性变差，面团变得松散，粘度崩解值变小。

2.3 改性麸皮添加量对巯基和二硫键含量的影响

不同麸皮添加量对游离巯基总巯基及二硫键含量的影响见表4。

表4 不同麸皮添加量对游离巯基总巯基及二硫键含量的影响Table 4 Effect of different wheat bran amount on the sulfydryl and disulfide groups of gluten

二硫键是维持蛋白质结构至关重要的共价键。它是造成蛋白质肽链的空间网络结构更为紧密的最主要因素。面团中的巯基和二硫键含量的变化主要是由小麦面筋蛋白中半胱氨酸残基的巯基化反应引起的。Nawrocka等[29]研究发现，不同种类的膳食纤维的添加对二硫键含量的影响不同。麦麸中的膳食纤维与面筋蛋白形成大分子网状结构，使面筋蛋白结构更稳定，巯基和二硫键含量增加。但是膳食纤维的强亲水性会影响面团的搅拌过程，使小麦面筋蛋白中部分二硫键发生断裂，从而在一定程度上破坏面筋的网状结构，导致面团筋力下降。试验证明，蛋白质中的二硫键经还原反应断裂形成巯基后，蛋白质的空间结构将变得蓬松分散[30]。从表4中可以看出，随着发酵麸皮添加量的增多，面筋蛋白中的二硫键含量呈逐渐减小趋向，15%添加量的麸皮组与白面组（0%改性麸皮）相比约减少了6.19%。游离巯基含量先减少后增加的趋势。总巯基含量不断减少且在改性麸皮添加量达15%时，明显减少至103.55 μmol/g，比添加0%发酵麸皮的面筋蛋白总巯基含量减少11.64%。Zhou等通过将不同含量葡甘露聚糖，即魔芋粉添加到小麦粉中，也导致了二硫键含量的减少，与本研究结果相符[31]。

2.4 热重分析

不同发酵麸皮添加量对面筋蛋白热力学性质的影响见表5。

表5 不同发酵麸皮添加量对面筋蛋白热力学性质的影响Table 5 Effects of addition different amount of oat bran on the thermodynamic properties of gluten

热重分析过程大概分为两个阶段，起始阶段（100℃～150℃）主要为水分散失。进一步的升温就涉及到蛋白质中S-S，O-N，O-O键的断裂，从而导致蛋白质的解聚。从表5中可以得出，随着改性麸皮添加量的不断增加，600℃的失重率逐渐减小即灰分残余量逐渐增多，蛋白质氨基酸降解率下降，面筋蛋白热稳定性的增大。Nawrocka研究了7种不同的膳食纤维在不同添加量时对面筋蛋白的热稳定性的影响[29]，其中涉及到谷物纤维—燕麦，随着燕麦纤维的添加量的增加，失重率逐渐降低，与本研究结果相似。根据Khatkar[32]等人的研究表明热失重率的降低预示着面筋网络复杂程度的提高。热降解温度随添加量的增加而升高，这可能也与面筋蛋白紧实和复杂的结构有关。该结果与二硫键含量稍有不同，猜测原因可能是因为麦麸中多糖或者膳食纤维导致面筋失水所致[18]，但目前关于此二者相关性的报道研究较少，具体原因还有待进一步研究探讨。

2.5 面筋微观结构的观察

面筋微观结构见图1。

图1 面筋微观结构图Fig.1 Gluten microstructure diagram

通过扫描电镜的结果，可以直观的观察面筋的微观结构。从图1可以发现，与添加5%改性麸皮（图1B）相比，添加10%改性麸皮的面筋蛋白（图1C、图1D）结构愈加粗糙，这与Wang的研究结果一致[33]。同时，由于改性能够使麸皮中可溶性膳食纤维或可溶性阿拉伯木聚糖增多，因此麸皮发酵改性具有改善面筋持气性的作用[34]，对比添加15%改性麸皮组（图1D）与白面组（图1A），明显可以看出麸皮组气孔直径有所变大。白面组面筋蛋白结构均匀，孔洞数量多且深。随着麸皮的添加量的不断增加，面筋的网络结构逐渐散落，面筋结构的连续性变差[35]，单位面积内面筋孔洞数量逐渐减少，孔洞直径呈现减小趋势，孔洞壁变厚。尤其发酵麸皮添加量为15%（图1D）时，面筋网络几乎无法形成均匀的孔洞，而是粘连在一起的厚的蛋白壁。Wang等研究了冷冻对面筋结构的影响，得出了一致结论[36]。分析孔洞壁变厚是因为面筋蛋白在形成的过程中与膳食纤维竞争水分而失水收缩导致，并且由于面筋蛋白中二硫键的断裂，导致了面筋网络结构的解聚，这与前面表述的二硫键变化及热重分析结果保持一致。

3 结论

在4种改性方式中，小麦麸皮先经乳酸菌和酵母菌混合发酵再用木聚糖酶水解处理，得到的改性麸皮中SDF含量最多。随着改性麸皮添加量的增加，面团的形成时间、稳定时间和吸水率逐渐增加，崩解值和回生值先增加后减小。面筋蛋白的热降解温度逐渐升高，600℃时的失重率呈减小趋势，改性麸皮的添加使面筋蛋白的热稳定性有轻微提高。面筋蛋白中总巯基和二硫键含量呈下降趋势，游离巯基含量先上升后下降。面筋蛋白的微观结构变得松散、凌乱，随添加量的增大，麸皮对面筋蛋白结构的破坏性增大。综上所述，改性麸皮的添加量对面团和面筋特性有显著影响，依据对面团的不同性质的需要应选择适宜添加量，对于麸皮改性的效果有待进一步深入研究，以实现对麸皮营养价值的充分利用。

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