2 种方法提取阿拉伯木聚糖对馒头面团特性及品质的影响

陈 洁，田贝贝

（河南工业大学粮油食品学院，河南 郑州 450001)

目前，工厂主要采用面浆分离法和面团洗面筋法生产小麦淀粉和谷朊粉，这2 种工艺均会产生大量高黏度加工废水，生产受到其副产物高黏度戊聚糖浆处理限制，现作为廉价的饲料和肥料使用，或在不能及时销售的情况下当污水排放。但是，研究发现其副产物戊聚糖浆中的阿拉伯木聚糖（araboxylan，AX）具有抗氧化[1-3]、降血糖[4-5]、调节肠道功能[6-8]、增强免疫活性[9-10]等生物活性，AX可以降低部分慢性病的发生率，如动脉硬化、糖尿病、癌症等。AX是由木聚糖（主链）和阿拉伯糖（侧链）组成的可被木聚糖内切酶降解的高黏度、高持水性多糖。由于AX与面筋蛋白的相互作用以及其自身较好的持水性和高黏性，可影响面团流变学性质及馒头品质[11-14]。此外，AX的分子质量及与之连接的阿魏酸对面包的烘培质量和面团特性也有很重要的影响作用[13,15]。国内外学者的研究重点为AX对小麦产品品质的影响，研究对象主要集中在面包上，而对馒头的研究无论从广度上还是深度上都有很大差距。馒头是中国的传统主食，在我国北方，约有70%的小麦用于馒头的制作，南方馒头的消费量也日益增加。随着生活水平的提高，人们对馒头制品在品质、功能、营养上的要求也愈来愈高。近年来，中国国内学者开始深入探究具有功能活性的AX对小麦粉面团特性及其馒头品质的影响。

不同来源的AX功能特性不同，Mccleary等[16]研究指出小麦麸皮水溶性AX可以明显改善面团特性，小麦麸皮水不溶性AX对面团特性有明显的弱化作用，而面粉水不溶性AX对面团特性具有改善效果，但不太明显。由于麦麸和小麦淀粉废水中AX的提取工艺不同，又源于谷物的不同部位，会导致其功能特性不同。目前各学者的研究重点是通过添加麸皮AX来改善小麦制品的营养品质，小麦淀粉加工产生的废水AX对面团特性及馒头品质的影响鲜有研究。本实验以从小麦谷朊粉和淀粉的加工废水中分离的具有功能活性的AX为对象，深入探究不同分子质量AX对面团流变学特性及馒头品质的影响机理，为开发高纤馒头食品和小麦淀粉加工废水的利用价值提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

小麦淀粉加工废水 郸城财鑫糖业有限责任公司；木聚糖内切酶（酶活力为16 114.9 U/g） 丹麦诺维信公司；金苑精制粉 河南金苑粮油有限公司；无水乙醇、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、氯化钠均为分析纯。

1.2 仪器与设备

AL204电子分析天平 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；电子天平 福州华志科学有限公司；DL-5000B-B离心机 上海安亭科学仪器厂；FD-1A-50冷冻干燥机 北京博医康实验仪器有限公司；Wyatt Technology DAWN EOS多角度激光光散射仪、Farinograph-AX全自动粉质仪 德国Brabender公司；JCXZ面团成型机 北京东孚久恒仪器技术有限公司；TA-XT plus质构仪 英国Stable Micro System公司；MicroMR-CL-I变温型核磁共振食品农业成像分析仪上海纽迈电子科技有限公司；RVA-4型快速黏度仪澳大利亚Newport科学仪器公司；Quanta250FEG扫描电子显微镜 荷兰Phenom公司；F3流变发酵测定仪法国Chopin技术公司。

1.3 方法

1.3.1 AX样品的制备

水提AX的制备：小麦淀粉加工废水（固形物质量分数为10%）→离心（4 500 r/min离心20 min，下同）→上清液→95 ℃保温20 min（蛋白质变性）→二次离心→上清液→浓缩醇沉（浓缩至原液体积的1/5～2/5；乙醇最终体积分数为60%，自然沉降4 h，下同）→沉淀物经乙醇洗涤后、加水溶解→离心→上清液→浓缩醇沉→沉淀物冷冻干燥→水提AX。

酶提AX的制备：小麦淀粉加工废水（固形物质量分数为10%）→调节pH 4.0～6.0→添加0.1%木聚糖内切酶（以料液中固形物的质量计）→50 ℃恒温振荡1.5 h→离心（离心时间20 min，转速4 500 r/min，下同）→上清液→灭酶（95 ℃保温20 min）→二次离心→上清液→浓缩醇沉（浓缩至原液体体积的1/5～2/5；乙醇最终体积分数为60%，自然沉降4 h，下同）→沉淀物经乙醇洗涤后、加水溶解→离心→上清液→浓缩醇沉→沉淀物冷冻干燥→酶提AX。

1.3.2 水分的测定

参照GB/T 21305—2007《谷物及谷物制品水分的测定》常规法进行测定。

1.3.3 相对分子质量的测定

采用激光光散射法。色谱条件：色谱柱：TSK Gel G4000PWxl；流动相：0.1 mol/L NaCl溶液；流速：0.5 mL/min；样品质量浓度：1 mg/mL；进样量：200 μL。

1.3.4 面团粉质特性的测定

参照GB/T 14614—2006《小麦粉 面团的物理特性 吸水量和流变学特性的测定 粉质仪法》分别测定混合粉的粉质特性。吸水率是指面粉被和成最大稠度为500 BU的面团时所需的加水量。面团的形成时间是指水和面相互作用至形成面团所需的时间。稳定时间是指面团搅拌稳定性，稳定时间长，表明面筋强度大，面团的韧性好。弱化度是指面团耐机械搅拌的承受能力。粉质质量指数指从开始揉面到曲线达到最大稠度后再下降30 FU处的距离，是评价面粉质量的一个重要指标。

1.3.5 馒头样品的制备[17]

分别称取适量AX样品溶于适量水中（加水量为粉质仪测得吸水率76%），然后加入适量精制粉和0.8%高活性干酵母，于和面机中混合12 min形成稳定面团，多次压延后卷起、刀切成型（约110 g），置于醒发温度35 ℃、相对湿度88%的醒发箱中醒发35 min。沸水汽蒸18 min，小火2 min，停火5 min后，取出自然冷却1 h后待测。

1.3.6 面团水分分布的核磁共振波谱测定

参照文献[18]方法采用核磁共振波谱技术分析馒头面团的水分分布变化。取处理好的面团（20 mm×4 mm×4 mm）于核磁测试管中，并用保鲜膜将核磁测试管封口。将样品测试管置于磁场线圈中心位置，对样品进行CPMG脉冲序列扫描测定：采用点数22290，回波个数1 000，反演点数400，重复扫描次数32，弛豫衰减时间1 s，弛豫时间点数200，迭代次数1 000 000。

1.3.7 面团流变发酵特性分析

取制好的馒头面团315 g于F3流变发酵测定仪的发酵容器中，使其尽量平整的覆盖容器底部，加配重片，按规定操作使其密封后进行连续测试。测定温度28 ℃，测定周期3 h。

1.3.8 馒头质构特性的测定[19]

将蒸制好的馒头自然冷却1 h，使用切片机切成15 mm待测馒头片，取中间两片进行测试。质构仪使用P/35R探头测定，结果取6 次平行实验的平均值。测定条件：测前速率3 mm/s，测试速率1 mm/s，测后速率5 mm/s，压缩率为70%。

1.3.9 馒头瓤孔壁的扫描电镜分析[20]

取进行质地测试后的馒头于密封袋中恢复5 min，将样品冻干备用。轻击冻干的馒头样品，使其截面自然断裂，取大小合适、截面平整的样品块，用双面胶将其固定在样品台上，进行喷金处理后，置于扫描电镜中观察其微观结构。

1.3.10 糊化特性的测定

将馒头样品真空冷冻干燥后粉碎、过80 目筛。参照GB 24853—2010《小麦、黑麦及其分类和淀粉糊化特性测定》方法，通过快速黏度分析仪测定淀粉糊化特性。

1.4 数据处理

采用SPSS 20分析系统对实验数据进行统计分析，以P小于0.05为显著性水平，利用Excel 97-2003制作图表。

2 结果与分析

2.1 AX的理化性质分析

小麦淀粉加工废水受其高黏度的限制，难以分离、提纯具有抗氧化活性的AX，木聚糖内切酶可以用于降低戊聚糖浆的黏度以促进AX的分离。由表1可知，2 种方法提取的AX主要含有3 个组分，酶提AX样品纯度较高，而水提AX样品的纯度相对较低，蛋白质质量分数为18.22%。酶提AX的平均相对分子质量较水提AX小。由于AX由主链木聚糖和侧链阿拉伯糖连接而成，木糖残基、阿拉伯糖分别经β-（1,4）糖苷键连接形成AX的主、侧链。木聚糖内切酶可以攻击木聚糖主链，随机切断β-（1,4）糖苷键，使AX解聚，相对分子质量降低。AX的相对分子质量越小越易溶于水，因此，木聚糖内切酶可以提高AX的溶解性，降低其水溶液的黏度，有利于离心上清液的分离，可以得到较高纯度的酶提AX。

表1 样品组分分析及AX的相对分子质量分布Table 1 Purity and relative molecular mass distribution of arabinoxylans

2.2 AX添加量对面团粉质特性的影响

表2 AX对面团粉质特性的影响Table 2 Effect of arabinoxylan on farinograph properties of dough

以小麦粉质量为基准，AX添加量分别为0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、1.25%，以商用金苑精制粉（添加量0%）为空白对照。由表2可知，与空白样对比，吸水率随着水提AX添加量的增加而增加，而酶提AX面团吸水率随之增加而降低；面团的形成时间和稳定时间随着水提AX和酶提AX添加量的增加呈先增加后减小趋势，添加量分别为0.50%和1.00%时，形成时间和稳定时间最长；适量添加这2 种AX对面团的弱化度和粉质质量指数具有明显的改善作用，但当添加量超过最适添加量时会削弱此改善作用。综合分析AX对面团粉质特性的影响，水提AX和酶提AX对改善面团粉质特性的最佳添加量分别为0.75%和1.00%。

添加水提AX使面团吸水率增加，这是由于具有大量亲水基团的AX附着在面筋蛋白表面，与面筋蛋白竞争吸水[21-22]。酶提AX的添加降低了面团中淀粉和蛋白质浓度，且木聚糖内切酶使AX降解为小分子质量多糖，降低了AX的吸水能力[12,23]，因此使面团吸水率降低。由于AX可与面筋蛋白竞争性吸水，因此延长了面筋网络的形成时间。面筋充分吸水溶胀的时间延长，面团的耐揉性增强，使面团稳定时间延长，其弱化度随之减小，粉质质量指数变好。因此添加适量AX可以改善面团的流变学特性。综合表1和表2可知，AX分子质量越小，其吸水、持水能力越弱，分子质量在一定程度上会影响AX对面团流变学特性的改善作用。

2.3 AX对面团水分迁移的影响

3 种样品的馒头面团横向弛豫时间分布如图1所示。Engelsen等[24]认为，P1区域代表与蛋白质紧密结合及包埋于淀粉内部的水，此区域水流动性差，称为结合水；P2区域代表与淀粉及非淀粉多糖结合的水，此区域水具有一定的流动性，称为半结合水；P3区域的水位于淀粉颗粒及面筋蛋白网络的间隙，此区域水最易流动，称为自由水。由表3可知，在纯精制粉（空白样品）、添加1.00%酶提AX、添加0.75%水提AX三种配方的馒头面团中，P1峰面积比例依次下降，P2峰面积比例依次上升，P3峰面积比例变化不显著。表明添加AX样品后，使面团中结合水比例减少，半结合水比例增加。

图1 馒头面团横向弛豫时间（T2）分布Fig. 1 Distribution of relaxation time (T2) of Chinese steamed bread dough

表3 阿拉伯木聚糖对馒头面团横向弛豫时间T2的影响Table 3 Effect of arabinoxylan on relaxation time T2 of Chinese steamed bread dough

AX的凝胶与面筋蛋白竞争性吸水，导致面团体系中与面筋蛋白质结合的结合水转化成半结合水。已有研究表明[23]，木聚糖酶可以降低AX的吸水能力，导致水分从AX迁移至面筋蛋白中，使面团中水分重新分布，因此，添加酶提AX的馒头面团与添加水提AX的馒头面团相比，P1峰面积比例上升，P2峰面积比例下降。Assifaoui等[25]指出，向面包面团中添加蔗糖，P2峰面积也出现上升趋势，因为蔗糖更容易与水结合。本实验结果与其相似。

2.4 AX对面团发酵流变学特性的影响

面团在发酵过程中，由于微生物呼吸产气，使面团产生多孔疏松结构，这种结构既要构成馒头的骨架又要保持气体不逸散。且持气能力对馒头的结构、体积、颜色和口感具有重要影响，因此本实验通过分析不同配方馒头的持气情况，研究AX对馒头品质的影响。

表4 AX对馒头面团发酵流变特性的影响Table 4 Effect of arabinoxylan on rheological fermentation characteristics of Chinese steamed bread dough

由表4可知，与纯精制粉馒头面团（空白样品）相比，添加酶提AX、水提AX的馒头面团持气率显著增强（P＜0.05）。这是因为AX可包裹在蛋白膜表面，使其免受破坏，有利于保持面团中气室的结构，从而延缓CO2气体的扩散，增强气孔的持气能力。添加水提AX的馒头面团总产气量、最大膨胀高度、气体释放曲线的最大高度显著下降（P＜0.05），而面团出现孔洞的时间延长。这可能由于水提AX黏度大、持水性强，可影响面团醒发中的表面活力，而木聚糖内切酶可以改善此作用。

2.5 AX对馒头质构特性的影响

品质良好的馒头咀嚼度、硬度适中，并有一定的持气性。硬度太大，馒头咬起来所需的力越大，口感越差。硬度太小，其嚼劲不足。因此，各指标太大或太小都会影响馒头的品质。

表5 阿拉伯木聚糖对馒头质构指标的影响Table 5 Effect of arabinoxylan on textural parameters of Chinese steamed bread

由表5可知，以纯精制粉馒头作空白对照组，3 种配方的馒头，其硬度和咀嚼性指标由大到小依次为空白对照组＞水提AX组＞酶提AX组；添加AX使馒头的回复性减小，对于弹性、凝聚性影响不显著。这是由于AX包裹在面筋网络的周围，增强了面团的持气能力，从而提高了馒头面团的蓬松度，使馒头的硬度下降、咀嚼性减小。

2.6 AX对馒头微观结构的影响

图2 馒头瓤的扫描电镜图Fig. 2 Scanning electron micrographs of crumb of Chinese steamed bread

由图2可知，与空白馒头相比，添加酶提AX馒头的蛋白质网络结构在挤压后仍能保持较好的完整性，而水提AX对馒头的面筋网络结构造成了一定的影响，挤压后相当多的淀粉颗粒暴露出来。这是因为水提AX黏附在面筋蛋白表面，与蛋白质竞争吸水，破坏蛋白质分子间交联，从而抑制面筋蛋白网络的形成。而木聚糖内切酶降低了AX的吸水能力，使水分从AX迁移至面筋蛋白中，进而为面筋蛋白网络的形成提供先决条件[23]。与空白馒头相比，添加酶提AX馒头的质构较为均匀，而水提AX配方馒头瓤气孔不均，可能由于高黏度水提AX可包裹在细胞壁的气孔上，阻碍馒头蒸制过程中气体的释放，使馒头瓤气孔大小不均匀，木聚糖内切酶改善了此破坏作用。

2.7 AX对馒头糊化的影响

淀粉糊化特性主要由淀粉粒本身特性决定，也受到混合粉中其他组分如糖的影响[26-28]。由表6可知，添加了酶提AX、水提AX的淀粉糊化指标，其峰值黏度、保持强度、黏度衰减、最终黏度、回生值均明显低于空白对照样，其峰值时间和糊化温度均无显著差异。

添加具有吸水膨胀特性的AX后，小麦粉糊化特性发生了很大变化，一方面，添加的AX降低了糊化体系中淀粉浓度，另一方面，添加AX后，由于AX对糊化体系中水分的吸收和转运，又增大了淀粉/水的比例。与淀粉浓度有关的黏度指标如峰值黏度、保持强度、黏度衰减、最终黏度、回生值等黏度性状均会受到淀粉/水比例的改变而发生显著变化。且AX可通过吸收淀粉周围的水分，影响淀粉颗粒的吸水膨胀，阻止淀粉与淀粉间的交互作用及淀粉与蛋白质分子间的交联，降低糊化黏度指标。因此，添加AX对以上糊化黏度指标有显著影响，且AX对淀粉浓度的稀释作用与对淀粉-淀粉及淀粉-蛋白之间交联的阻碍作用，大于由此引起的淀粉/水比例变大所引起的黏度指标的正面升高作用。结果显示，添加AX对峰值时间和糊化温度没有显著影响，表明淀粉糊化温度和峰值时间与糊化体系中的淀粉浓度相关性较小。峰值黏度的降低，有助于面团发酵时充分膨胀，可改良面团的加工性能。

表6 AX对淀粉糊化特性的影响Table 6 Effect of arabinoxylan on rapid viscometer parameters of freeze-dried steamed bread powder

3 结 论

源于小麦淀粉加工废水的AX可改良小麦粉品质，适量添加AX对面团的弱化度和粉质质量指数具有明显的改善作用，其中酶提AX效果最为显著；AX可以降低面粉的糊化作用，有助于面团发酵时充分膨胀，可改良面团的加工性能。添加酶提AX的馒头瓤气孔较为均匀，且相较于水提AX，蛋白质网络结构在挤压后仍能保持较好的完整性。表明木聚糖内切酶不仅可以降低AX的持水性，使水分从AX迁移至面筋蛋白中，促进蛋白质网络结构的吸水形成，而且可以改善水提AX引起的馒头瓤气孔不均的消极作用。因此木聚糖内切酶可以用于提取对面粉粉质和馒头品质具有更好改良作用的高纯度AX。本实验为小麦淀粉加工废水的开发利用价值提供理论参考，对小麦淀粉加工废水的开发利用，既减少了环境污染，也提高了粮食资源的综合利用率。

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