麦麸改性后营养成分变化及对发酵面团品质的影响

2020-05-22雷雅男谢东东谢岩黎

河南工业大学学报（自然科学版） 2020年2期

雷雅男，谢东东*，谢岩黎，康倩

1.河南工业大学粮油食品学院，河南郑州 450001 2.河南省粮油食品安全检测与控制重点实验室，河南郑州 450001

随着人们健康意识的提高，全谷物食品受到普遍的关注，世界卫生组织也建议增加全谷物食品的摄入，研究表明全谷物可以降低患病风险，例如糖尿病、肥胖症、心血管疾病和癌症等[1-3]。全谷物麦麸中含有膳食纤维、酚类等对人体有益的成分。膳食纤维在胃肠道中起作用，可以延缓消化和营养吸收，降低血糖指数[4]；酚类化合物具有抗氧化活性并降低血液中低密度胆固醇的浓度[5]。但未改性的麦麸直接添加到面粉中，一些对人体有益的成分不易被人体吸收利用，而且会阻碍面筋蛋白网络结构的形成，影响发酵面团高度、气体产量和持气量等，导致烘培食品的体积和弹性降低[6-7]。麦麸中不溶性纤维会影响面团发酵高度和面包体积，且不溶性纤维对肠道中降解过程具有很强的抵抗力[8-9]。植酸(PA)是麦麸中的抗营养素因子，它可以直接或间接地结合矿物质并改变它们的溶解性、功能性、消化性和吸收性，从而降低矿物质的生物有效性，阻碍矿物质的吸收利用[10]。

为了解决直接加入麦麸带来的利用价值低等负面问题，研究人员一直致力于改善麦麸的品质，提高麦麸的营养利用价值。目前对麦麸改性的方法有物理法、化学法和生物法。物理法有超微粉碎、超高压处理和挤压膨化等[11-14]，化学法有加酸和加碱。物理法消耗成本，且在改性应用中尚不成熟；酸、碱等化学法降解易有残留且伴随副反应, 产物不易纯化，效果不佳、成本较高。生物改性对麦麸进行发酵处理，可以显著增强谷物副产品的营养特性[15]。生物加工技术已被证明是改善健康、促进麸皮中化合物的生物可接受性的良好方法，且发酵可以对麸皮中的几种功能性化合物的生物利用度产生积极影响[7, 16]。发酵可以改善含麸产品的感官、品质和营养特性，提高功能性化合物的含量，降低抗营养因子含量[7, 15, 17]，其中水溶性阿拉伯木聚糖含量可以提高3～4倍，总膳食纤维和可溶性膳食纤维增加，总游离酚含量也增加，植酸被降解，但固体发酵麦麸在面制品中的利用尚缺乏系统的研究。

因此，本研究采用固态发酵的方法对麦麸进行改性，对改性后麦麸的营养价值进行评定，包括发酵后麦麸的灰分、蛋白质、脂肪、还原糖、总糖、植酸、可溶性阿拉伯木聚糖、总酚、膳食纤维的含量。然后将改性麦麸按照不同的比例添加到面粉中制成面团进行发酵，探究固态发酵麦麸对面团的理化特性、流变学特性和营养特性的影响，旨在提高麦麸的营养价值，对添加发酵麦麸面制品的开发利用起到一定的指导作用。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

矮抗58小麦麸、矮抗58小麦粉。高活性干酵母：安琪酵母股份有限公司。

福林酚试剂、植酸钠标准品：源叶生物公司。实验所用试剂均为分析纯，所用水为去离子水。

1.2 仪器与设备

GZX-DH.400BS电热恒温干燥箱：上海跃进医疗器械有限公司； HPX系列恒温箱恒湿箱：上海新苗医疗器械制造有限公司；PHS-3C pH计：雷磁有限公司； CHA-S恒温振荡器：上海诵诚实业发展有限公司；UV-1600/18008型紫外/可见分光光度计：上海美谱达仪器有限公司；流变发酵仪：法国肖邦技术公司-特雷首邦(北京)贸易有限公司。

1.3 方法

1.3.1 麦麸的改性

麦麸改性用Zhao等[18]的酵母菌固态发酵的方法。发酵组：小麦麸皮除杂后用万能粉碎机进行粉碎，过80目筛，经高压蒸汽灭菌(121 ℃，15 min)后，将小麦麸皮、去离子水、活性干酵母按1∶1∶0.012 5的质量比在烧杯中充分混匀后移入锥形瓶，压实，用封口膜封口，在35 ℃、相对湿度80%的恒温恒湿箱中培养24 h。

对照组：取等量的小麦麸皮和去离子水混合均匀，在相同条件下培养相同时间。麦麸发酵完成后，在烘箱中进行干燥，粉碎，过100目筛，密封保存以备用。

1.3.2 改性麦麸理化指标的测定

参考AACC (2000) 02-52方法，取10 g发酵的麦麸于烧杯中，加入90 mL蒸馏水，搅拌均匀后测定pH值。用0.1 mol/L的NaOH滴定至pH 8.6，消耗的NaOH的体积即为总酸度(TTA)，每个样品重复操作3次。

1.3.3 改性麦麸成分的测定

灰分的测定：直接灰化法 (GB 5009.4—2016)；蛋白质的测定：凯氏定氮法 (GB 5009.5—2016)；脂肪的测定：索氏抽提法 (GB 5009.6—2016)；还原糖和总糖的测定[19]：DNS比色法，制作葡萄糖标准曲线，测定葡萄糖含量。

1.3.4 膳食纤维的测定

参考GB 5009.88—2014中方法将干燥后的样品经酶解去除蛋白质和淀粉等处理后，测定发酵前和发酵后麦麸的不溶性(IDF)、可溶性(SDF)和总膳食纤维(TDF)含量。

1.3.5 植酸的测定

根据任顺成等[20]的方法测定植酸的含量。

1.3.6 可溶性阿拉伯木聚糖(SAX)含量的测定

根据杨莉等[21]的方法测定可溶性阿拉伯木聚糖的含量。

1.3.7 总酚含量的测定

采用Folin-Ciocalteu比色法[22]对总酚含量进行测定，根据没食子酸得到标准曲线的方程为y=0.100 1x+0.049 9(R2=0.991 2)。

1.3.8 粉碎与混合

将粉碎后的发酵麦麸分别以混粉总质量的0%、5%、10%、15%、20%的比例添加至面粉中配成混粉，在揉面钵中搅拌2 min，混合均匀备用。

1.3.9 发酵面团的制备

称取5种混粉各100 g，加入含有1.0 g干酵母的温水(38 ℃，加水量为样品吸水率的 80%)，用和面机和面10 min后压片4～6次，揉混成型，放入38 ℃、湿度75%的醒发箱醒发45 min。

1.3.10 发酵面团的发酵流变学检测

采用发酵流变仪测定发酵面团的持气性和延伸特性。取250 g混粉，加入3 g酵母，5 g NaCl混匀后加水，在和面机中均匀搅拌8 min，然后取湿面团315 g放入发酵篮中并向下压平至发酵篮的孔隙之下，安上活塞，加2 000 g砝码，在28.5 ℃下发酵3 h。

1.3.11 添加改性麦麸的发酵面团的基本成分的检测

直接灰化法 (GB 5009.4—2016) 测定灰分含量；凯氏定氮法 (GB 5009.5—2016) 测定蛋白质的含量；DNS比色法测定还原糖的含量。

1.3.12 发酵面团的pH值测定

在5组样品中分别取10 g发酵面团于小烧杯中，加入90 mL蒸馏水，在组织捣碎机中捣碎成均浆，过滤后取滤液，然后用pH计测定pH值。

1.3.13 发酵面团的水分活度Aw的测定

将发酵面团切成长宽各10 mm厚5 mm后, 放入水分活度仪中测定，时间为5 min。

1.3.14 发酵面团的—SH含量测定

将样品120 mg悬浮在4.0 mL反应混合物A(8 mol/L尿素、3 mol/L EDTA、1% SDS、0.2 mol/L Tris-HCl，pH 8.0)中，涡旋5 min, 并在室温下混合60 min，然后加入0.3 mL缓冲液B(0.2 mol/L Tris-HCl、10 mmol/L DTNB, pH 8.0)，涡旋5 min，反应60 min后以13 600 r/min离心15 min, 取上清液在412 nm处测定吸光度[23]。然后根据下式计算发酵面团的—SH含量。

c(—SH)=A/(ε×b),

式中：A是吸光度；ε是消光系数，13 600 L·mol-1·cm-1；b是比色皿的宽度,cm。

1.4 数据处理

采用Excel 2010和SPSS statistics 17.0处理数据，利用Origin 8.5作图，实验数据用平均值±标准差表示。

2 结果与讨论

2.1 改性麦麸理化性质及成分分析

2.1.1 色泽

如图1所示，麦麸经发酵后，发酵组和对照组的颜色明显加深。除了微生物的分解作用产生色素物质之外，还有高温下糖类物质和氨基酸、蛋白质等发生美拉德反应导致颜色加深，以及酚类物质发生酶促和非酶促反应产生褐变[18, 24]。

2.1.2 pH值和酸度的变化

由表1可知，麦麸经24 h发酵后，与原样、对照组相比，pH值显著降低，酸度显著升高。酵母菌发酵利用了麦麸中的碳源、氮源产生酸类代谢物，导致样品的pH值下降[25]。除此之外，发酵过程中酵母菌会释放或激活多种水解酶类产生大量有机酸也导致pH值下降[26]。

图1 发酵前麦麸、发酵后麦麸和未加酵母发酵组麦麸的颜色

表1 麦麸发酵前后的pH值和酸度

注：同一列的不同小写字母表示数据之间有显著差异(P<0.05)，表2—表4、表5同。

2.1.3 成分含量的变化

由表2可知，与原样、对照组相比，麦麸发酵前后的灰分和脂肪含量无显著变化，蛋白含量升高。其原因是酵母菌在生长代谢过程中，利用了环境中的无机氮，将其转化为有机氮，导致氮含量升高[25, 27]，从而测得的粗蛋白含量升高，其次麦麸在高温下烘干时导致酵母菌死亡分解，产生的酵母菌蛋白也有效提高了麦麸中蛋白质含量。但对照组蛋白质含量下降，原因是对照组中虽然没有添加酵母，但是麦麸中混入的微生物降解蛋白质，产生氨基酸和小分子肽，同时也产生氨类等物质，导致蛋白质含量下降[28]。

麦麸中的还原糖主要包括葡萄糖、果糖和麦芽糖，糖类是碳水化合物，能为酵母的生长代谢提供能量和营养物质。由表2可知，麦麸发酵后还原糖含量显著下降，说明酵母发酵利用还原糖，与表1中pH值下降一致。对照组的还原糖含量较原样和发酵组的高，可能是由于高温高压下麦麸中的淀粉等大分子物质被分解产生还原糖，使得还原糖含量升高，而对照组中没有添加酵母，还原糖基本不被利用，与发酵组相比，还原糖和总糖含量高。

表2 麦麸发酵前后灰分、蛋白质、脂肪和糖含量的变化

由表3可知，经酵母菌发酵，与原样和对照组相比，植酸含量显著降低。发酵麦麸中植酸降解可能是因为发酵过程激活酵母菌分泌植酸酶和内源性植酸酶的活性[29-30]，发酵后pH值在5左右，而植酸酶最适pH值约为5，酸性环境激活植酸酶水解植酸[18, 31]。阿拉伯木聚糖(即戊聚糖)是一种非淀粉多糖，是糊粉层细胞壁纤维的重要组成成分，分为可溶性和不可溶性。与对照组相比，麦麸发酵后，可溶性阿拉伯木聚糖含量显著提高，说明发酵处理可以促进阿拉伯木聚糖的降解，产生可溶性阿拉伯木聚糖。这可能是由于麦麸内源性木聚糖酶和酵母菌的代谢酶作用引起的[32]。

麦麸发酵后，总酚含量显著增加。麦麸在酸性环境下水解产生酚酸[22]，而酵母在发酵过程中代谢产生解聚酶，分解细胞壁，解聚酶可破坏酚酸(阿魏酸等)与阿拉伯木聚糖相结合的酯键，使麦麸细胞壁中的结合态酚类物质和可溶性阿拉伯木聚糖释放出来[27]。因此，经酵母菌发酵后，麦麸中总酚的含量有所增加，与阿拉伯木聚糖增加的结果相一致。

表3 麦麸发酵前后植酸、阿拉伯木聚糖、总酚、膳食纤维含量的变化

与原样组和对照组相比，麦麸发酵后，可溶性膳食纤维和总膳食纤维显著增加，这说明酵母发酵能增加可溶性膳食纤维和总膳食纤维含量[33]。主要原因可能是酵母菌在发酵过程中对麦麸中相应的物质进行水解，原料中的纤维结构被产生的酶系破坏，使得纤维素主链更易被水解，从而导致不溶性膳食纤维向可溶性膳食纤维转化，因此，麦麸经发酵后膳食纤维含量增加，且可溶性膳食纤维增加比例最大[34]。

3.2 添加改性麦麸的发酵面团的性质检测

3.2.1 面团的发酵流变学分析

由表4可知，随着改性麦麸添加比例的增加，面团的膨胀发展曲线中面团的最大高度、发酵耐力先增加后下降，在10%时达到最大高度25.33 mm和发酵耐力13.20，而面团内气体开始释放的时间逐渐提前，说明随着麦麸添加比例的增加，面筋蛋白网络结构逐渐弱化，持气性变差。气体释放曲线中持气量先上升后下降，在麦麸添加比例10%时达到最大，而在20%时持气率最大。添加适量的改性麦麸，增加了膳食纤维和戊聚糖含量，可以促进面筋网络结构的形成[35]，持气性良好，有利于酵母菌有氧呼吸，产生更多的气体，而麦麸添加比例继续增加时，纤维含量过高，会阻止谷蛋白聚集形成网络结构，导致发酵耐力和产气量下降[36-38]。综上，当麦麸添加比例为10%时，面团的发酵性能最好。

3.2.2 发酵面团的成分变化

由表5可知，不同改性麦麸添加比例的发酵面团中蛋白质、灰分和还原糖含量有显著性差异(P<0.05)。随着麦麸添加比例的增加，灰分含量显著增加，且在改性麦麸添加比例20%时，灰分含量和蛋白质含量均最高。不同麦麸添加比例，还原糖含量有显著性差异，在改性麦麸添加比例10%时还原糖含量最高。麦麸经过发酵改性，其蛋白质和灰分含量显著增加，添加到面粉中，为酵母发酵提供充足的氮源和碳源，酵母发酵会进行生长和代谢，将更多的无机氮转化为有机氮，从而提高面团的蛋白质含量。还原糖含量有所升高，可能是由于在酵母菌生长利用糖源的同时，会产生一些酶降解这些大分子物质，而产生较多的还原糖[32]。还原糖含量在一定程度上影响面团发酵，麦麸添加比例为10%时发酵面团的高度最高。

表4 不同麦麸添加比例的发酵面团的发酵流变学参数

注：Hm表示面团在发酵过程中体积最大时的高度；h表示实验结束时面团的高度；(Hm-h)/Hm表示发酵3 h高度降低对T1高度的百分比值,其中T1表示曲线最高值的时间；Tx指面团开始泄露CO2气体的时间；V总是气体保留在面团中的体积；V损失表示CO2气体释放体积；R表示面团的持气率。

表5 不同麦麸添加比例的发酵面团的成分变化

3.2.3 不同麦麸添加比例面团发酵后的水分活度

微生物的生长代谢过程需要水的参与，相对水的含量，水的可利用性是重要的评价指标。水分活度(Aw)是指相同温度下基质环境中的水蒸气压与纯水水蒸气压的比值，即环境中水的可利用性。由图2可知，随着改性麦麸添加比例的增加，发酵面团的水分活度显著增大。水分活度与面团发酵有一定相关性，适当的水分活度可以提高面团发酵的高度，但水分活度过大时，微生物细胞会吸水膨胀导致酶活性降低进而影响面团的发酵[9]。改性麦麸添加比例越大，面团中酵母可利用营养物质越多，进而影响面团发酵，而发酵过程中酵母产生一定的游离水，提高了发酵面团的水分活度[39]。

注：不同字母表示数据之间有显著差异(P<0.05)，图3、图4同。

3.2.4 发酵面团pH值变化

由图3可知，随着麦麸添加比例的增加，发酵面团的pH值呈下降趋势，且下降趋势逐渐变缓。一方面，加入不同比例改性麦麸后，膳食纤维、还原糖等含量增加，酵母可利用的糖源含量增加，面团的发酵性能得到改善，适宜酵母菌生长和代谢，酵母菌活力升高，能激活和释放多种水解酶类产生大量有机酸，从而导致面团pH值下降[26, 40-41]；另一方面，麦麸有较强缓冲能力[40]，使pH值下降趋势变缓。

图3 不同麦麸添加比例的发酵面团的pH值

3.2.5 发酵面团—SH含量变化

由图4可知，随着麦麸添加比例的增加，面团的巯基含量呈现先增加后减小的趋势，麦麸添加比例为20%时，巯基含量最低。谷蛋白大聚体是面筋蛋白中的主要成分之一，巯基极大影响谷蛋白的刚性结构[42]，麦谷蛋白大聚体含量和巯基含量呈负相关性，而一定含量的麦谷蛋白大聚体可以保证面筋蛋白的品质[36]。巯基含量降低时，麦谷蛋白大聚体含量增加，面筋网络结构越好[37]。结合表4发酵流变面团的高度，说明麦麸添加比例过大会使面筋网络结构变差，麦麸的添加比例10%最适宜。