固体发酵麦麸对小麦粉和面条品质的影响

赵云蛟，张巍毅，李乐铖，李 闻，张 民,3，刘 锐，隋文杰，吴 涛,*

（1.天津科技大学 省部共建食品营养与安全国家重点实验室，天津 300457；2.天津科技大学 食品生物技术教育部工程研究中心，天津 300457；3.天津农学院食品科学与生物工程学院，天津 300384）

麦麸是小麦制粉过程中的主要副产物，含量约为小麦质量的15%。中国是全世界最大的小麦生产国和消费国，拥有较高的麦麸产量[1]。麦麸中含有丰富的营养成分，尤其含有20%～30%的膳食纤维，是一种天然健康的食品原料。但目前麦麸的市场利用率较低，未能发挥其营养价值和经济效益，造成了极大的资源浪费[2]。同时，由于麦麸膳食纤维的颜色深、溶解性差、口感粗糙，将其作为原辅料添加到食品中时，会引起产品外观形态变差、口感风味不良等，限制了麦麸膳食纤维在食品生产中的应用[3]。

为了发挥麦麸的营养价值和经济效益，很多学者对麦麸进行了改性，如超高静压改性[2]、挤压与汽爆[4]、超声波-酸解改性[5]、生物改性等。固体发酵是生物改性麦麸的方法之一，微生物的作用是能够提升麦麸的营养价值、物理性质和风味特性，使麦麸更加适应于食品加工。王春丽等[6]发现用米根霉和米曲霉固态发酵均能显著提升小麦麸皮的抗氧化性，提高其抑制胰脂肪酶活性和清除HepG2细胞内甘油三酯的能力。Zhao Huimin等[7]发现活性干酵母、保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌发酵能够显著提升麦麸品质，可以使其作为功能性成分用于食品加工中。孙平等[8]采用米根霉发酵麦麸，使可溶性膳食纤维的得率提升至9.68%。

面条是我国的传统面食，随着大众生活水平的提高，普通面条的营养性能和风味已不能满足消费者的需求，将麦麸作为原料，补充面条中膳食纤维、维生素和矿物质等营养成分的缺失，已经得到了广泛的研究。Levent等[9]发现麦麸可以提高面条中可溶性膳食纤维和总酚的含量，增强面条的抗氧化活性。陶春生等[10]发现添加6%的挤压改性麦麸膳食纤维，可以显著提升面条的综合品质。张慧娟等[11]也证明了麦麸具有提升面条抗氧化特性的作用。

目前，固体发酵和未发酵麦麸在面条中的应用获得了国内外学者的广泛关注，但将二者结合起来，研究固体发酵麦麸对面条品质的影响却较为缺乏。因此，本实验采用米根霉对麦麸进行固体发酵，并将发酵后麦麸（fermented wheat bran，FWB）应用在面条的制作中，研究FWB对面粉品质、面条品质及其消化特性的影响，旨在提升麦麸在实际生产中的应用范围，为增加面条种类提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

小麦麸皮由山东发达面粉集团有限公司提供；米根霉（Rhizopus oryzaeTCCC41044）为天津科技大学微生物实验室保藏菌种；多用途麦芯粉由滨州中裕食品有限公司提供。

猪胰腺α-淀粉酶（45 U/mg） 合肥博美生物科技有限责任公司；胃蛋白酶（500 U/mg）、糖化酶（30 U/mg） 美国Sigma试剂公司。

1.2 仪器与设备

Techmaster快速黏度分析仪、Doughlab粉质仪 瑞典Perten公司；TA.XT.Plus物性分析仪（配有P36探头）英国Stable Micro System公司；QF150压面机 常州市墅乐厨具有限公司；HM740厨师机 青岛汉尚电器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 麦麸固体发酵

使用马铃薯-葡萄糖琼脂培养基（马铃薯浸出液6 g/L，无水葡萄糖20 g/L，琼脂20 g/L）进行米根霉斜面接种，置于25 ℃培养箱活化至长满孢子。冲刷米根霉孢子，并按10%接种量接种于种子培养基（葡萄糖10 g/L，蛋白胨1 g/L，吐温-80 1.0 mL/L，微量元素溶液（5.0 g/L Fe2(SO4)3、1.6 g/L MgSO4、1.4 g/L ZnSO4）0.05 mL/L，营养盐溶液（2.0 g/L KH2PO4、1.4 g/L (NH4)SO4、3.0 g/L MgSO4、3.0 g/L尿素）5 mL/L）中，置于30 ℃、140 r/min摇床培养箱培养3 d，得到发酵菌体。

麦麸与饮用水以1∶1（g/mL）的比例混合，121 ℃灭菌20 min，冷却后接种10%的发酵菌体，置于28 ℃生化培养箱中培养96 h。发酵后的麦麸经过灭菌（121 ℃，20 min）、烘干（60 ℃，5 h）、冷却、粉碎（80 目）处理，得到FWB，分装、密封并置于4 ℃冰箱贮存备用。

1.3.2 麦麸主要成分的测定

发酵前后麦麸中的水分含量测定：参照GB 5009.3—2016《食品中水分的测定》；淀粉含量测定：参照GB 5009.9—2016《食品中淀粉的测定》；蛋白质含量测定：参照GB 5009.5—2016《食品中蛋白质的测定》；脂肪含量测定：参照GB 5009.6—2016《食品中脂肪的测定》；灰分含量测定：参照GB 5009.4—2016《食品中灰分的测定》；膳食纤维含量测定：参照GB 5009.88—2014《食品中膳食纤维的测定》。

1.3.3 FWB对小麦粉品质的影响

将FWB分别以0%、5%、10%、15%、20%、25%（质量分数）的比例与小麦粉混合，采用快速黏度仪法[12]测定混合粉的糊化特性，采用粉质仪法[13]测定混合粉的粉质特性。

1.3.4 面条制作

参考LS/T 3202—1993《面条用小麦粉》[14]的方法制作面条。后续实验所用的面条均煮至各自的最佳烹煮时间，即面条中间白芯刚好消失的时间。

1.3.5 FWB对熟面条质构特性及感官品质的影响

将FWB分别以0%、5%、10%、15%、20%、25%比例添加到小麦粉中，按1.3.4节方法制作面条。将各配方的面条煮至最佳烹煮时间，捞出，冷却后进行后续实验。

1.3.5.1 面条质构特性测定

参考蔡攀福等[15]的方法进行质构剖面分析，根据实际情况作出一些修改。切出长度为3 cm的熟面条，并列放置于载物台上，采用装备了P36探头的质构仪测定面条的质构特性。具体参数如下：测前速率2.00 mm/s，测定速率1.0 mm/s，测后速率1.0 mm/s，压缩量50.00%，触发类型自动，触发力5.0 g。

1.3.5.2 面条的感官品质

采用模糊数学法进行面条的感官评价[16]。建立权重集X：选用“0～4评判法”确定表观状态、适口性、韧性、黏性、光滑性和食味的权重，分别为0.168、0.185、0.162、0.153、0.155、0.177。

综合评判：邀请10 名食品专业学生组成评价小组，进行面条的感官评价，评分标准如表1所示。

表1 面条感官评价标准Table 1 Criteria for sensory analysis of noodles

进行模糊变换B=X×R，其中，R为表观状态、适口性、韧性、黏性、光滑性和食味组成的评价集。再对B进行归一化处理得到B’={b’1，b’2，b’3，b’4，b’5}，B’即评价人员对食品感官品质的评语集。计算B’的综合评分，设定差、较差、一般、较好和好分别为20、40、60、80 分和100 分，计算感官综合评分S=20b’1+40b’2+60b’3+80b’4+100b’5。

1.3.6 面条的配方优化

采用响应面法优化面条的配方。首先通过单因素试验确定因素FWB添加量、谷朊粉添加量和食盐添加量的中心值。以1.3.5节结果确定FWB添加量的中心值。分别将2%、4%、6%、8%、10%的谷朊粉，0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的食盐（占混合粉质量分数）与含15% FWB的小麦粉混合，按照1.3.4节方法制作面条，煮至最佳烹煮时间后按1.3.5.1节方法测定熟面条的质构特性。

以麦麸添加量、谷朊粉添加量、食盐添加量为因素，以感官评分为响应值，使用Box-Behnken法设计响应面试验，中心点重复3 次。面条的制作方法和最佳烹煮时间的测定如1.3.4节所述，将每个配方下的面条煮至最佳烹煮时间后进行感官评价，评价方法如1.3.5.2节所述。

1.3.7 FWB面条的理化指标

按照LS/T 3212—2014《挂面》[17]方法测定FWB面条的理化指标。

1.3.8 FWB对面条体外消化性的影响

以馒头为参照食品，以小麦粉面条为对照食品，参考文献[18-19]的方法测定面条的体外消化特性。取5 g馒头和煮至最佳烹煮时间的面条，分别与100 mL去离子水混合，打浆30 s，取出10 mL打浆液与20 mL磷酸缓冲盐溶液（phosphate buffer saline，PBS，pH 6.9）混合，并用8 mol/L盐酸溶液调节pH值至1.5。随后加入5 mL 15 U/mL胃蛋白酶液，在37 ℃的温水浴中搅拌反应30 min。加入49 mL PBS（pH 6.9），并用10%的氢氧化钠溶液调节pH值至6.9，再加入1 mL猪胰腺α-淀粉酶-糖化酶混合酶液（猪胰腺α-淀粉酶14 U，糖化酶1.8 U），在37 ℃的温水浴中搅拌反应180 min。每30 min取其中1 mL样液，100 ℃水浴加热5 min灭酶。采用二硝基水杨酸法测定各样液中的还原糖含量，用葡萄糖标准溶液作为标准样品（回归方程Y=0.636 4X-0.026 3，R2=0.997 4）。

不同水解时间的淀粉水解率按式（1）计算：

式中：C为不同时间点的淀粉水解率/%；G为不同取样时间点消化液中的葡萄糖当量/mg；S为样液中的总淀粉含量/mg。

以时间为横坐标，以淀粉水解率为纵坐标，绘制淀粉水解曲线，该曲线遵循一级反应方程式，对淀粉水解率的测定数据按照此方程式进行拟合，见式（2），可求得C∞及k值。

式中：C为时刻t时的淀粉水解率/%；t为消化时间/min；k为一级反应动力学常数/min-1；C∞为水解180 min后淀粉水解率的平衡值/%。

各样品水解曲线下面积（AUC）按式（3）计算：

式中：C∞为水解180 min后淀粉水解率的平衡值/%；tf为最终时间（180 min）；t0为起始时间（0 min）；k为一级反应动力学常数/min-1。

样品的淀粉水解指数（hydrolysis index，HI）和预测血糖指数（estimated glycemic index，eGI）按式（4）、（5）计算：

1.4 数据统计与图表绘制

所有实验指标均重复测定3 次。采用WPS Office 2019和Origin 2018对数据进行统计与分析，采用Design-Expert和Origin 2018进行作图。差异显著性分析采用Duncan多重比较法，P＜0.05，差异显著。

2 结果与分析

2.1 固体发酵对麦麸主要成分的影响

米根霉固体发酵显著影响了麦麸中主要成分的含量（P＜0.05），所有指标在发酵后均发生了显著变化（表2）。发酵后，水分、淀粉、不溶性膳食纤维、脂肪和灰分的含量显著降低，蛋白质和可溶性膳食纤维的含量显著提高。其中，淀粉和脂肪的降低率分别为54.84%、63.57%，蛋白质和可溶性膳食纤维分别增加了85.44%、2.71 倍。淀粉作为碳源为米根霉的发酵提供了必需的营养物质，在发酵过程中被消耗；脂肪的降低和蛋白质的增加可能与米根霉较强的水解能力有关，还可能部分归因于发酵过程中碳水化合物含量的减少[20]；米根霉在发酵过程中可产生纤维素酶，降解不溶性膳食纤维[21]，麦麸纤维结构的破坏会导致不溶性膳食纤维向可溶性膳食纤维的转变[22]，因此，发酵后麦麸中的可溶性膳食纤维含量显著上升，不溶性膳食纤维含量显著下降，使麦麸更加适应于食品加工[8]。

表2 未发酵麦麸和FWB的主要成分Table 2 Contents of major components in wheat bran and fermented wheat bran

2.2 FWB对小麦粉品质的影响

如表3所示，FWB对小麦粉的糊化特性具有显著影响。其中，5% FWB对混合粉的糊化特性影响最显著，表现为峰值黏度和最终黏度较空白组的显著提升（分别提升了42.76%和28.01%）。随着FWB添加量的增大，混合粉的峰值黏度和最终黏度显著下降，当FWB添加量超过20%时，混合粉的峰值黏度和最终黏度显著低于空白组。在5%～15%添加量下，FWB显著提升了小麦粉的糊化特性，这可能与FWB中含有一定量的支链淀粉和大分子蛋白质有关，它们具有良好的黏结性能，可以加强淀粉颗粒与面筋之间的结合能力，使面团的水分活度降低，热稳定性增加，峰值黏度和最终黏度增大[23]。而随着FWB添加量的增大，混合粉体系中小麦淀粉的相对含量下降，不溶性膳食纤维的相对含量增大，而麦麸纤维的吸水能力远低于小麦粉中的淀粉和蛋白质，糊化特性的参数有所下降[24]。峰值黏度和最终黏度是评价小麦粉品质的重要指标，且与面条品质呈现显著的正相关关系[25]，因此可认为5%～15%的FWB有利于提升小麦粉和面条的品质。此外，混合粉的衰减值相比于空白组显著增大，说明FWB会削弱面粉糊的热稳定性，而且削弱幅度随添加量的增大而减小。

表3 FWB添加量对混合粉糊化特性的影响Table 3 Effect of fermented wheat bran on starch pasting properties of mixed flour

由表4可知，在加入FWB后，混合粉的吸水率显著增大，且与添加量呈正相关，这一现象可能与FWB中较高含量的膳食纤维有关，Liu Ning等[26]也验证了麦麸膳食纤维会增大面团的吸水率。混合粉的面团形成时间和稳定时间较小麦粉显著缩短，5%添加量下的面团稳定时间显著高于其他实验组面团，当添加量大于5%后，稳定时间基本无显著变化，说明FWB对小麦粉粉质特性的影响与其添加量之间并无显著相关性。形成时间和稳定时间反映了面团的质量，稳定时间与面团的强度呈正相关[27]，说明FWB会让面团的强度降低。同时，FWB显著提升了面团的弱化度，且随着FWB添加量的增大而增加，弱化度反映了面团在机械搅拌过程中承受破坏的能力大小，弱化度越大，经搅拌后的面团黏性越大，越不利于面条的加工[28]。

表4 FWB添加量对混合粉粉质特性的影响Table 4 Effect of fermented wheat bran on farinograph parameters of mixed flour

2.3 FWB对面条质构特性及感官品质的影响

如表5所示，FWB的加入显著影响了熟面条的质构特征。随着FWB添加量的增大，熟面条的弹性逐渐降低，但仅在添加量不小于20%时表现出显著性差异；黏聚性和回复性在添加量不小于15%时显著降低；硬度、胶着度和咀嚼度无规律性变化。总体来说，当FWB添加量不小于20%时，熟面条的质构特性较小麦粉面条显著降低。同时，FWB使面条的感官评分显著降低，尤其当添加量不小于20%时，面条的感官评分低于60 分。FWB对熟面条质构、感官品质的影响可能是因为FWB中可溶性膳食纤维的存在，可溶性膳食纤维表面的阴离子集团影响了蛋白质之间的相互作用，破坏了谷蛋白的网络结构[29]，导致了面条品质的下降。

表5 FWB添加量对面条质构特性和感官品质的影响Table 5 Effect of fermented wheat bran on textural characteristics and sensory quality of noodles

对熟面条质构特性与感官评分进行相关性分析，结果如表6所示，感官评分与面条的弹性、胶着度、咀嚼度呈极显著正相关（P＜0.01），与硬度、黏聚性、回复性无相关性（P＞0.05）；FWB添加量与熟面条的弹性、黏聚性、咀嚼度和感官评分呈极显著负相关（P＜0.01），与弹性、胶着度和回复性无相关性。此前也有研究证明质构分析指标与面条感官评分之间的显著相关性[30]。相关性分析结果可知，熟面条质构特性中的弹性、胶着度和咀嚼度指标数值越高，面条感官品质越好，综合表5质构特性及感官评分的结果，发现5%～15%为较适宜的FWB添加量。

表6 FWB面条质构品质和感官得分的相关性Table 6 Correlation between textural characteristics and sensory evaluation of noodles

2.4 响应面试验优化面条配方

2.4.1 单因素试验结果

谷朊粉和食盐对面条质构特性的影响如表7、8所示。当谷朊粉添加量为4.0%、6.0%和8.0%时，各指标值显著高于其他组；在加入食盐后，面条各质构指标值较空白组有所提升，但并无显著性差异，当食盐添加量为0.5%、1.0%和1.5%时各指标值表现较好，当添加量不小于2.0%时，实验组黏聚性、回复性显著低于空白组。因此0.5%、1.0%和1.5%为较适宜的食盐添加量。

表7 谷朊粉添加量对面条质构特性的影响Table 7 Effects of wheat gluten content on textural characteristics of noodles

表8 食盐添加量对面条质构特性的影响Table 8 Effects of salt content on textural characteristics of noodles

2.4.2 响应面试验优化

根据2.3、2.4.1节结果确定了响应面试验优化的因素水平，使用Box-Behnken方法，以感官评价得分为响应值设计响应面试验，方案和结果如表9所示，方差分析如表10所示。由响应面优化结果和方差分析可知，模型显著（P＜0.01），失拟项不显著（P＞0.05），说明模型建立成功，可用该模型对真实情况进行预测。响应值的变异系数为2.64%。对各试验组面条的感官评价数据进行回归拟合，得到如下多项回归方程：

表10 响应面优化的方差分析Table 10 Analysis of variance for response surface optimization

在感官评分拟合方程的一次项中，FWB添加量（A）对感官评分影响显著（P＜0.05），谷朊粉添加量（B）对感官评分影响极显著（P＜0.01），食盐添加量（C）对感官评分影响不显著（P＞0.05），影响大小为B＞A＞C，二次项中，AC不显著，BC极显著，三次项中，A2C显著。由此可得，因素对响应值的影响较为复杂，不是简单的线性关系。同时，从表9可知，FWB添加量为5%时面条的感官评分较高，不同于表5数据（10%和15% FWB添加量下面条的感官评分较5%添加量高），这也说明谷朊粉的存在改变了麦麸面条的感官品质，张慧娟等[11]也发现谷朊粉可以改善谷物麸皮面条的品质。

表9 面条配方的响应面试验设计及结果Table 9 Experiment program and results for response surface analysis

为了更直观反映结果，绘制响应面图，由曲面弧度大小判断各因素间交互作用的强弱，弯曲程度大说明两因素间具有越强的交互效应。由图1可知，各个交互项之间均呈现不同的弯曲程度，且响应值的变化较为复杂。其中图1c的响应面图相对较陡，故因素B（谷朊粉添加量）和C（食盐添加量）交互效应最大，与显著性检验结果一致。

图1 各因素对面条感官评分影响的响应面图Fig.1 Response surface plots for the effects of three factors on the sensory score of noodles

通过回归方程，并结合响应面图分析可得面条最优配方为FWB添加量7.54%（以小麦粉为基准）和谷朊粉添加量8%、食盐添加量0.5%（以FWB-小麦粉混合粉为基准）。在此条件下的最佳感官评分预测为79.59 分，实际得分为78 分，与理论预测值较为接近。最优配方下的实际得分低于响应面试验10号试验组，但是FWB添加量较第10组高，食盐添加量较第10组低，FWB可以增加面条中可溶性膳食纤维的含量，增强面条的营养价值，低盐饮食则有助于血压、血糖、血脂水平的降低，因此，综合考虑，后续实验中的面条均用该配方制作。用该配方制作而成的面条，表面光滑，边缘整齐，无肉眼可见异物，煮熟后口感不黏，无异味。符合LS/T 3212—2014中对面条感官的要求。

2.5 FWB面条的理化指标

参照LS/T 3212—2014，对按照实验所得配方制作的FWB面条进行理化指标检测，结果如表11所示，各指标均符合相应要求。

表11 面条部分理化指标Table 11 Physicochemical indices of noodles

2.6 FWB对面条体外消化性的影响

小麦面条、FWB面条及参照食品（馒头）的淀粉水解曲线如图2所示，3 种面制品的淀粉水解率在前30 min内快速增大，30～90 min较快增长，90 min后缓慢增长。在初始的30 min内，馒头中淀粉的水解速率最快，小麦面条次之，FWB面条最慢；同时，在整个水解过程中，馒头的水解率最高，小麦面条次之，FWB面条最低，在消化终点第180分钟，FWB面条的淀粉水解率为52.54%，低于小麦面条（60.89%）和馒头（78.23%）。该结果说明FWB对淀粉消化有一定的抑制作用，这可能与FWB中丰富的膳食纤维含量有关。食物较缓慢的消化淀粉特性有利于防止高血糖等相关疾病[31]，说明FWB可以提升面条的健康价值。

图2 FWB面条、小麦面条及馒头的总淀粉水解率Fig.2 Total starch hydrolysis rate of noodles and reference foods

FWB面条的平衡淀粉水解率（C∞）、一级反应动力学常数（k）、HI、eGI均显著低于小麦面条（表12），尤其是HI下降了21.49%，eGI下降了11.15%。碳水化合物的缓慢消化和吸收会引起血糖和胰岛素水平的缓慢升高，因此低GI食物具有降低糖尿病、心脏病和一些癌症的发病率和患病率的效果[32]，说明FWB对面条的营养价值有一定的提升作用。

表12 面条的水解率平衡值（C∞）、一级反应动力学常数（k）、HI和eGITable 12 Equilibrium starch hydrolysis rate (C∞), kinetic constant (k),HI and eGI for noodles

3 结 论

固体发酵显著提升了麦麸中蛋白质和可溶性膳食纤维的含量，可溶性膳食纤维的增加可以提升麦麸的吸水率，有利于麦麸在食品中的应用。FWB对小麦粉品质、熟面条的质构特性和感官品质均有一定的影响。中低添加量（5%～15%）下，FWB对小麦粉中淀粉的糊化峰值黏度和最终黏度均有显著提升作用，说明中低添加量的FWB可以改善小麦粉的糊化特性。同时，在该添加量下，熟面条的质构特性和感官品质优于其他添加水平，结合感官评分进行相关性分析可知，面条的弹性、胶着度和咀嚼度与感官品质呈极显著正相关，因此在5%和15%添加量下，FWB面条的质构特性优于普通小麦粉面条。但是，FWB对小麦粉的粉质特性有劣化影响，高于15%的添加量对糊化特性和面条品质也有不良影响，说明FWB添加量不宜过高。通过模糊数学法和响应面优化得到了面条的最优配方，即FWB 7.54%（占小麦粉）、谷朊粉8%（占混合粉）、食盐0.5%（占混合粉）。用该配方制成的面条，各项指标满足行业标准的要求，且具有较慢的淀粉消化速率和淀粉水解率，HI为61.29±3.68，eGI为73.36±2.01，显著低于普通小麦粉面条，说明FWB面条有一定的营养价值。