麦麸膳食纤维对面团特性影响的研究进展

马 森，汪 桢，王晓曦

河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001

麦麸是小麦制粉过程中的大宗副产品，其来源广泛、价格低廉，但由于技术和工艺的限制，多用于饲料产业和酿造业，在纳米材料、生物质材料等新型材料开发中也有少许应用[1- 2]。根据病理学等相关研究，膳食纤维具有治疗或预防“三高”、糖尿病、结肠癌和调节机体免疫等保健功效已被广泛证实[3]。现阶段，利用物理法、化学法、酶法等从麦麸中提取膳食纤维的技术趋于成熟[4]。以此为基础，科研工作者开展了广泛的研究以探求麦麸膳食纤维添加到面团中后对面团及面筋网络结构的影响，以期能制得安全、美味、营养的含麸高纤面制品。

面团的调制、发酵等是面制品制作过程中的重要步骤，同时也是面筋网络形成和发育的关键时期，可以说在这些过程中面团所呈现出来的质量的好坏直接关系到最终产品的质量优劣。因此，为了制得高质量的高纤面制品，探究麦麸膳食纤维对面团和面筋网络的影响就显得极为必要。

1 麦麸膳食纤维的组成及制备

麦麸膳食纤维(Wheat Bran Dietary Fiber, WBDF)是特指利用小麦麸皮提取出来的膳食纤维，其最重要的组成成分是阿拉伯木聚糖。麦麸是天然优良的膳食纤维来源，其构成如图1所示[5]。麦麸膳食纤维具有吸水溶胀、梯度黏合、离子交换、网孔吸附和菌群调节等作用和良好的保健功效[6-7]，因此，对其进行深度开发成为研究热点。

图1 麦麸膳食纤维构成Fig.1 Components of dietary fiber in wheat bran

麦麸膳食纤维根据溶解性分为可溶性和不溶性两种。就提取方法而言，从麦麸中提取两类麦麸膳食纤维的原理基本相同，但在具体手段和工艺条件的控制上有所区别。可溶性膳食纤维(Soluble Dietary Fiber, SDF)的制备方法主要有物理法、化学法、酶法和微生物发酵法，其中，物理法在SDF的提取中应用较为广泛，传统的方法如微粉处理法、挤压法、浸提法等已能获得较高的提取率，而一些新兴的提取技术如微波、超声波和高压处理等, 与传统制备方法相比具有更好的效果。不溶性膳食纤维(Insoluble Dietary Fiber, IDF)的提取方法主要有物理法、化学法、生物法和化学-酶法[8]等，化学法由于成本低廉、提取速度快、提取率高等特点，在不溶性膳食纤维的提取中应用较为广泛，但是，化学法利用了酸、碱、乙醇等化学试剂，会对麦麸膳食纤维的结构产生一定的破坏，改变其物化性质，甚至会影响其活性。目前，大多数实验室采用化学法中的中性洗涤剂法提取IDF，该方法提取的IDF品质较好、产率较高。

2 麦麸膳食纤维对面团品质的影响

2.1 面团的调制

了解面团和面筋网络的形成是深入探究麦麸膳食纤维对面团影响的前提。将水和面粉混合后，经过和面、揉面、搅拌、醒发、成型等操作得到面团的过程称为面团的调制，和面是为了实现面团的均质化，使面筋充分发育。成型的面团中，空气均匀充满面团的孔洞，面团包裹的空气和一定量的破损淀粉是面团醒发时酵母均匀产气的基础[9]；面筋蛋白由麦谷蛋白和麦醇溶蛋白组成，是小麦特有的蛋白。通过对面团的调制，面筋蛋白遇水后，其所含各类分子之间发生相互作用或者重排形成面筋网络结构[10]。水与蛋白质之间的作用使面团进一步胀润、黏结，面筋网络由疏变密，筋力由小变大[11]。由于外力作用的存在，面团系统中不存在弱结合水[12]。麦谷蛋白通过二硫键和其他分子间相互作用形成面筋网络的骨架结构，麦醇溶蛋白通过非共价键插入麦谷蛋白的网络结构中，形成面筋蛋白特有的黏弹性[13]，有研究表明，二硫键是形成面筋网络和维持面团结构的主要作用力[14]。蛋白、淀粉、水等各组分的相互作用与有序排列形成了面团的结构，各种分子之间的相互作用力使面团具有流变学特性。Ahmed 等[15]认为，面团在和面搅拌、发酵和蒸煮过程中，会发生淀粉糊化和蛋白质变性，这些变化都会引起面团流变学特性的改变。

2.2 麦麸膳食纤维对面团的影响

在麦麸膳食纤维中，不溶性膳食纤维与可溶性膳食纤维的比例约为9∶1[16]，由于它们结构不同，物化特性迥异，所以有必要分别予以讨论。实验室中利用酶水解和冷冻麦麸获得IDF和SDF[17]。IDF在面团调制与成型过程中由于无法很好地与水、小麦粉相融，造成了面团表面麸质明显、面团颜色泛黄等现象，影响了面制品的色泽和可接受度。Hemdane等[18]的研究表明，在面包制作过程中，向面包面团中加入3%的麦麸膳食纤维后，会造成产品硬度增加，弹性和体积显著减小，这可能是由于IDF的存在造成了面筋发育过程的不完整。为了解决这些问题，可对IDF采取脱色处理减少面制品的颜色变深现象；进行改性处理以改变其结构，降低对面团硬度的不利影响。不过目前脱色技术尚未成熟，各类改性工艺也有待进一步优化。

虽然SDF在麦麸膳食纤维中总体含量较低，但一般认为，SDF具有较高的水合能力和膨胀能力, 可形成黏性溶液，还可以吸附和保留水、矿物质、糖和脂肪等物质[19-20]。有研究表明中等分子量但具有较高取代度的SDF能与面团网络相融，其添加有利于提高面团质量[21]。Arufea等[22]认为，SDF添加的主要作用是增加面团的伸长率、降低硬化指数，与面团密度的关系最大。值得一提的是，SDF有较强烈的自身聚集效应。由于 SDF 分子的强自聚集，蛋白质和 SDF 分子之间的相互作用将被削弱。Li等[23]通过研究发现，利用发酵技术降低SDF的分子量和提高分支可使其趋于稳定，这为降低麦麸可溶性膳食纤维在面制品中的不利影响提供了调节和控制依据。而实际上，从微观结构和激光共聚焦分析来看，SDF 可以改善面团的黏弹性和稳定性[24]，因为SDF具有中等分子量和较高的取代度，有利于改善面团的质量。但是，高浓度的SDF却会干扰面筋蛋白网络的形成，这可能是由于面团空间网络中存在的非均匀体积密度引起的, 因为体积密度的值较高可能产生物理性屏障，或也可归因于SDF的自身聚集行为。

3 麦麸膳食纤维对面筋网络体系的影响

面筋网络结构的形成主要是水、空气等与面粉中的面筋蛋白质及碳水化合物相互作用的过程[25]，阿拉伯木聚糖、酶等在其中发挥着积极的作用。多数研究者认为，麦麸膳食纤维对面筋基质连续性的破坏性作用和对面筋蛋白的稀释作用是造成全麦产品质量低下的主要原因。而越来越多的研究表明这也许并不是唯一的因素，由于麦麸膳食纤维含有大量会与水分子通过氢键相互作用的羟基基团，赋予了其强大的吸水能力，在面筋网络形成的过程中可能会与面筋蛋白争夺水分导致面筋网络结构发育不完全。

面筋蛋白主要由麦谷蛋白和麦醇溶蛋白构成，其中，麦谷蛋白通常以谷蛋白大聚体(GMP)的形式存在，它对面筋网络的质量有极为显著的影响。Han等[26]研究了麦麸膳食纤维对谷蛋白以及谷蛋白-淀粉体系面团的质地和伸展性质的影响后发现：一方面，膳食纤维会引起面筋网络的抗硬化能力增强，两类体系均表现出增长的延伸阻力；另一方面，膳食纤维会加速面筋网络的破裂。在添加麦麸膳食纤维后，由于其与面筋网络分支的摩擦的增加，会损害面筋网络结构的均匀性而导致面团延展性下降，并因此可能损害面团的特性与品质。另外，麦麸膳食纤维会导致S—S含量显著降低，也会使谷蛋白由β-螺旋结构转变为β-折叠结构[27]，这意味着可能出现谷蛋白聚合体的解聚行为和部分脱水及面筋网络结构的减少和面团持水能力的受损，不过却形成了更加聚合和更加稳定的面筋网络结构。

另外，也有研究表明，膳食纤维对面筋网络结构的作用具有两面性。一方面，添加麦麸膳食纤维相当于稀释了小麦粉中蛋白质含量，使面团中面筋蛋白质含量相对减少，不利于形成面筋网络结构，同时纤维之间易形成微纤丝结构，破坏淀粉-蛋白体系[28]；过量的膳食纤维膨胀形成空间障碍也会限制面筋网络的充分扩展[29]，最终造成面团特性的恶化、面团和面制品变软坍塌[30]，如面包弹性变差、结构粗糙[31]。但另一方面，麦麸膳食纤维中所含的阿拉伯胶、酸性果胶、半乳糖和甘露聚糖等，可依靠主链间氢键等非共价键形成连续的、具有一定黏弹性的三维凝胶网络结构，以改良面制品品质[32]，膳食纤维中的酚酸活性双键可与小麦粉蛋白质结合成更大分子的网络结构[33]，膳食纤维的高持水性也有利于面筋网络结构的维持[34]。Huang等[35]认为，麦麸膳食纤维的添加可以增加面团的吸水率，延长面团形成时间，增加面团的拉伸比，也可与面团中所含的少量阿魏酸发生协同作用以改善面筋网络。同时，Pérez-Jiménez等[36]研究表明，加入了麦麸膳食纤维的面包面团在焙烤过程中麦麸膳食纤维会与面筋蛋白等发生反应，形成膳食纤维-蛋白质-美拉德反应产物-多酚(DF-protein-MRP-polyphenols)的复杂体系，这种体系有利于面筋网络结构的稳定。

4 麦麸膳食纤维对面团流变学特性和发酵特性的影响

由于麦麸膳食纤维特定的物理大分子结构，且与蛋白质、淀粉、脂质、植酸、水等物质发生极为复杂的作用，添加到面团中后势必对面团的流变学特性等产生影响。但是，对于含麸高纤面团而言，由于小麦粉种类、麦麸膳食纤维制备方法以及测定面团特性的方法不同等原因，前人关于麦麸膳食纤维对面团特性影响的相关报道大多不一致。

4.1 麦麸膳食纤维对面团流变特性的影响

麦麸膳食纤维的添加会导致面团热机械学特性的改变和机械能的降低，这可能是由于麦麸膳食纤维影响了面团中相关蛋白结构导致的。Ma等[37]研究证明：在加入麦麸膳食纤维后，醇溶蛋白增加、高分子量谷蛋白含量减少，在高麦麸膳食纤维浓度下, 谷蛋白和醇溶蛋白的失重和分解温度均有所下降并引起了谷蛋白大聚体解聚。而谷蛋白大聚体的含量的高低，对面筋网络结构、面团品质等具有直接的决定性作用[38-39]。Nawrocka等[40]的研究也揭示了纤维的存在会诱导谷蛋白二级结构的变化，同时竞争性地吸水作用会影响到S—S键的稳定性，从而影响了面团流变学性质和品质。麦麸膳食纤维引起的面团品质的变化在很大程度上取决于其谷蛋白结构的变化。也有人认为，麦麸膳食纤维尤其是IDF的浓度越高，混合面团的机械强度越高。混合面团的弹性模量随纤维浓度的增加而增加，面团会逐渐呈现出以固态为主的特性；但凝胶化温度不受麦麸纤维掺入量的影响[15]。为了降低麦麸膳食纤维对面团的不利影响，Bpita等[41]将麦麸进行超微粉碎处理后用粉质仪分析了全麦面团，发现麦麸粒径的降低能够显著缩短面团的形成时间，且可以显著增加面团的稳定时间(P<0.05)。原因可能是在超微粉碎后麦麸膳食纤维颗粒对面团面筋网络的形成具有较小的破坏性，Liu等[42-43]也有类似的报道。

膳食纤维的加入可以强化面团的筋力，增加其抗延伸性能。可能是因为膳食纤维的高持水性有利于面筋网络结构的维持，增加了面团的抗延伸性能，而膳食纤维添加后对面团蛋白的稀释作用造成的负面影响引起了面团延伸性能的下降，同时影响面团持气性、黏弹性等，其综合影响取决于麦麸膳食纤维的本身特性与添加量的高低。据报道，Han等[44]利用显微成像技术研究了麦麸膳食纤维对面筋网络微观结构的影响，结果表明麦麸膳食纤维会使面筋结构松散，限制了面团的延展性和持气性。这可能是由于麦麸膳食纤维具有较高的吸水性，其存在破坏淀粉-淀粉、蛋白质-淀粉之间的分子键，使面团结构受到损害。Lebleis等[45]的研究表明，麦麸膳食纤维的添加在导致面团机械特性降低的同时又伴随着拉伸黏度的升高，而黏度的升高降低了面团的延展性和有效膨胀。不过，Hakan等[46-47]用麦麸膳食纤维代替面制品中的脂肪, 他们认为纤维的存在会降低脂质分子在面制品中的塑化作用，且能更有效地保持水，从而减少了面团中的游离水，正是由于限制了脂肪和水的综合作用使纤维添加面团获得了较高的弹性模量。王苏闽等[48]认为，麦麸膳食纤维增强了面团抗拉阻力，而使其延伸性降低，面团抗拉阻力的增大不能完全抵消面团延伸度的下降，因此,麦麸膳食纤维的添加使面粉的粉力下降。在麦麸膳食纤维添加量为1%～4%时,面团的能量和延伸度基本不变或变化较小，但抗拉阻力增大，因此，在该添加量时，面团的拉伸特性不会有明显恶化。Sui等[49]的研究指出，麦麸膳食纤维通过增加面团的储能模量(G′)和损耗模量(G″)以及降低面团的损耗角正切(tanδ)，增强了面团黏弹性，这可能是SDF在其中发挥了有利作用。

4.2 麦麸膳食纤维对面团发酵特性的影响

面团发酵过程是使面团中含有适宜的菌类，利用破损淀粉、糖分等制造CO2气体使面团内部产生疏松的气孔，这样制成的面制品具有蓬松的结构、期望的质构和适宜的口感[50]，是面包、馒头等面制品制作过程中的必要环节。

目前，还没有证据表明麦麸中的SDF和IDF会对发酵面团产生何种作用。Bonnand-ducasse等[51]认为，SDF的加入可能通过改变了水溶性AX的含量从而改变了牛顿黏度和临界剪切速率，添加IDF可能通过填充效应增加面团的稠度，这也许会加快发酵过程中面筋网络的形成。而显而易见的是，大分子量、难溶且吸水性较强的麦麸膳食纤维的存在，会对面团发酵过程产生极大影响。首先，麦麸膳食纤维会与在发酵过程中的菌类、淀粉等争夺水分，且纤维与纤维之间还存在复杂的物理作用和机械作用[52]；但尚无明确报道这些作用对发酵面团的最终品质存在有利或者不利的影响。其次，一部分的麦麸膳食纤维会刺破面筋膜使面筋网络结构出现坍塌，从而影响发酵面团的黏弹性、持气性、吸水率、损耗角正切以及质子密度[53]。但艾羽函等[54]认为，麦麸的适当添加会降低冻藏条件下面团中水分的流动，提高冷冻发酵面团的稳定性，抑制面筋蛋白二级结构的变化，升高糊化焓值，使淀粉糊化更彻底，有利于改善面团品质。同时，Adams等[55]进行了对添加麦麸纤维的冷冻酵母面团的流变特性和面包品质的研究，结果表明，与精制和普通小麦粉所制成的面团样品相比，冷冻储存的发酵面团样品含有较高量的结合水、较低的冷冻水，并且在冷冻储存期间面筋网络结构变化和面团流变学性质的变化均较小，这或可归因于麦麸膳食纤维的结构特性及在其中发挥的积极作用，但究竟是何种的影响机制，还需进行深入研究。相比于其他面制品，发酵过程对烘焙食品的影响较大，添加麦麸膳食纤维后，烘焙产品的品质改变也最为显著。

5 结论及展望

麦麸膳食纤维是一类优质的膳食纤维来源，现阶段，随着对麦麸的深入研究和深度开发， 如何制得健康、营养、美味的含麸高纤食品成为食品行业科研工作者的不懈追求。但总体来看，我国对该方向的研究起步较晚，可供参考的理论较少，且膳食纤维与面团、面筋蛋白中的各种组分作用机理复杂，尚无明确的报道解释这类机制。除了麦麸膳食纤维以外，面团品质的好坏受水分、温度、小麦品种、发酵时间等因素的影响较大。麦麸膳食纤维对面团发酵特性的影响方面的相关报道不多，研究还不深入。同时，也有一些学者认为面筋网络结构并不是唯一影响面团持气性的因素，在面团发酵的后期，面团中有包裹气体的由蛋白、脂质和多糖所构成的液膜存在，其稳定性对于面团持气性的影响不亚于面筋蛋白网络的作用。

随着全谷物食品在食物体系中的比重不断加大，人们越来越关注含麸高纤食品，对国人而言，小麦粉及其制品是其开发的主要方向。目前，我国市场上已出现各种各样的粗纤维食品，但是普遍存在产品的可接受程度较低的问题，如含纤面包口感硬而涩、含纤馒头色泽偏棕、含纤面条易断且不耐煮等，所以研究麦麸膳食纤维对面团和发酵面团的影响，开发品质良好的高纤产品势在必行。相信在众多科研工作者的不断努力下，优质的高麦麸膳食纤维食品一定会早日出现在人们的餐桌上。