半固态酶解法改性麦麸的工艺优化

张书静，潘芹敏，贾喜午，沈汪洋，王展*

（1.武汉轻工大学食品科学与工程学院，湖北 武汉 430023；2.大宗粮油精深加工省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉 430023）

膳食纤维是指食物中固有的大于等于3个单体链接的非消化性碳水化合物[1-2]。根据其在水中的溶解度不同，膳食纤维被分为可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF，包括β-葡聚糖、菊粉以及非淀粉多糖类等物质）和不可溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF，包括木质素、纤维素和一些半纤维素等物质）。研究发现膳食纤维具有降低血糖和血脂、预防肥胖的功能[3-4]，且当可溶性膳食纤维在总膳食纤维（total dietary fiber，TDF）中的占比大于10%时，可被称为高品质膳食纤维，否则只能称为填充型膳食纤维。麦麸中膳食纤维含量高达40%以上，富含维生素、矿物质、抗氧化活性物质等营养成分，但是在加工时多被去除，导致国民对膳食纤维和微量营养素摄入不足。将麦麸回添到面粉中，用于面制品的生产是目前的研究热点[5-7]。然而，由于麦麸膳食纤维中可溶性膳食纤维在总膳食纤维中的占比较低，麦麸的加入对面团和面筋蛋白的形成均有负面影响，而且加入麦麸后制成的面制品具有体积较小、颜色较深以及质地和味道较差等缺点[8]。麦麸对面粉品质的负面作用在一定程度上影响了含麸质面粉的加工和消费者的选择，因此通过改性技术提高麸皮可溶性膳食纤维在总膳食纤维中的比例，进而提高含麸质面制品的加工和食用品质，对保障国家粮食安全，改善国民膳食结构、提高国民健康饮食水平，具有十分重要的意义。

目前国内外常用的麸皮的改性方法通常为化学法、挤压蒸煮法、超微粉碎法、酶处理法、微生物发酵法等改性技术[9-10]。酶解改性技术的优势在于利用酶制剂使纤维素中的糖苷键断裂，大分子糖类水解为可溶性小分子化合物，从而达到麦麸改性的目的[11]。与其他技术相比，酶解改性技术反应条件温和、反应速度快、特异性强，在食品行业具有较高的应用潜力[12]。但改性需要的酶制剂的价格较高，且容易产生酶与底物反应不均匀及酶解过程中滋生微生物等问题。Petersson等[13]研究了木聚糖酶和内切葡聚糖酶对黑麦和小麦麸皮溶解度的影响，发现经过酶处理后黑麦和小麦麸皮溶解度都有一定程度的增加,其中枯草芽孢杆菌木聚糖酶对小麦和黑麦麸皮膳食纤维的酶解效果最好。张慧娟等[14]使用不同改性方法对麦麸可溶性膳食纤维进行改性，发现在酶解联合发酵条件下麦麸可溶性膳食纤维的含量为5.04%。现阶段，研究者多采用固态酶解处理与液态酶解处理的手段破坏纤维组分，提高可溶性组分含量，而将半固态酶解技术作用于麦麸并探究其对面制品感官品质影响的研究鲜见报道。

半固态酶解麦麸是以麦麸为底物，经调制搅拌器捏合及控温酶解等步骤，获得改性麦麸粉的技术。相对于液态酶解，半固态酶解后的麦麸不易滋生微生物，更易烘干，有利于改性麦麸的大规模生产加工，而且克服了固态酶解工艺中酶与底物反应不均匀等问题。

本试验将半固态酶解技术应用到麸皮改性中，控制物料含水量在30%～72%[15-17]之间，使用酶解效果较好的木聚糖酶处理麦麸，通过单因素试验结合响应面法分析酶解改性工艺对麦麸可溶性膳食纤维含量的影响，研究改性前后麦麸对面包感官品质的影响，并初步解析其作用机制，为深入研究麦麸膳食纤维的改性方法和开发高品质膳食纤维食品提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

麦麸、高筋粉：湖北三杰粮油食品集团；膳食纤维检测试剂盒：爱尔兰Megazyme公司；木聚糖酶（酶活力6 000 U/mg）：上海源叶生物科技有限公司；黄油、酵母粉、白砂糖、盐：市售。

无水乙醇、丙酮、氢氧化钠、盐酸、浓硫酸、三羟甲基氨基甲烷和2-（N-吗啉代）乙烷磺酸（均为分析纯）：国药集团化学试剂有限公司。

1.2 主要仪器设备

YP20001电子天平：常州市衡正电子仪器有限公司；GXZ-9070MB数显鼓风干燥箱：上海博迅医疗生物仪器股份有限公司；MB23水分测定仪、ST3100 pH计：常州奥豪斯仪器有限公司；RH-LHP-300L人工气候箱：常州澳华仪器有限公司；MB16-414酶标分析仪：上海皓庄仪器有限公司；YB-1000A高速多功能粉碎机：永康市速锋工贸有限公司；TA-XT plus物性分析仪：英国stable micro systems公司；BVM-L370食品体积测定仪：瑞典波通仪器公司。

1.3 试验方法

1.3.1 酶解改性麦麸的制备工艺

称取麦麸于烧杯中，放入灭菌锅中121℃灭菌20 min，冷却后，加入适量木聚糖酶，在50℃、pH5条件下将麦麸和水按一定液料比混合均匀，酶解一定时间后进行灭酶处理，粉碎烘干过40目筛备用。

1.3.2 麦麸基本成分的测定

蛋白质含量参考GB 5009.5—2016《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》的方法测定；灰分含量参考GB/T 22510—2008《谷物、豆类及副产品灰分含量的测定》的方法测定；淀粉含量参照GB 5009.9—2016《食品安全国家标准食品中淀粉的测定》的方法测定；总膳食纤维、水溶性膳食纤维、不溶性膳食纤维的含量参照GB 5009.88—2014《食品安全国家标准食品中膳食纤维的测定》的方法测定。

1.3.3 单因素试验设计

参照1.3.1酶解改性麦麸的制备工艺，对酶法改性麸皮进行以下单因素试验。

固定酶解温度50℃，酶解pH5，木聚糖酶添加量为1 000 U/g麦麸，酶解时间为12 h，考察液料比[0.5∶1、1.0∶1、1.5∶1、2.0∶1、2.5∶1（mL/g）]对麦麸中可溶性膳食纤维含量的影响。

固定酶解温度50℃，酶解pH5，液料比为1.5∶1（mL/g），酶解时间为 12 h，考察木聚糖酶添加量（0、200、600、1 000、1 400 U/g麦麸）对麦麸中可溶性膳食纤维含量的影响。

固定酶解温度50℃，酶解pH5，液料比为1.5∶1（mL/g），木聚糖酶添加量为 1 000 U/g 麦麸，考察酶解时间（4、8、12、16、20 h）对麦麸中可溶性膳食纤维含量的影响。

1.3.4 响应面优化试验

在单因素试验的基础上，采用Box-Behnken进行响应面试验设计，考察酶解时间、木聚糖酶添加量和液料比3个因素对麦麸可溶性膳食纤维含量的影响。因素与水平见表1。

表1 响应面试验因素及水平Table 1 Factors and levels of response surface experiment

1.3.5 面包的制作

参考GB/T 14611—2008《粮油检验小麦粉面包烘焙品质试验直接发酵法》的方法制作面包。

1.3.6 面包比容的测定

将制作好的面包放在25℃下2 h后称其质量，用食品体积测定仪测定面包体积，面包比容计算公式：面包比容/（mL/g）=体积（mL）/质量（g）。

1.3.7 面包质构的测定

采用物性分析仪测定面包全质构（texture profile analysis，TPA）参数。室温25℃下放置2 h后，将面包切成25 mm×25 mm×25 mm的正方体，选用P/45测定探头，测前速度1.00 mm/s；测试速度1.00 mm/s；测后速度5.00 mm/s；起点感应力5 g；压缩率50%；压缩时间30 s；应变量50.00%；间隔时间5.00 s；引发力5.0 g[18]。

1.4 数据分析

所有试验均进行3次，用统计学分析方法，对于单因素试验采用Excel和SPSS统计分析数据的方式进行分析，运用Design-Expert 8.0软件进行响应面的设计和结果分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 液料比对可溶性膳食纤维含量的影响

液料比对可溶性膳食纤维含量的影响见图1。

图1 液料比对可溶性膳食纤维含量的影响Fig.1 The effect of liquid-to-material ratio on soluble dietary fiber content

由图1可知，麦麸中可溶性膳食纤维含量随着液料比的增加呈先上升后下降的趋势，当液料比为1.5∶1（mL/g）时，麦麸中可溶性膳食纤维的含量达到最大，这主要受分子间的布朗运动和酶浓度的影响[19]。随着液料比的增大物料的流动性增加，分子间碰撞的频率加快，导致酶促反应速率加快，麦麸中可溶性膳食纤维含量增加；当液料比大于 1.5∶1（mL/g）时，酶的浓度随着液料比的增加而降低，酶促反应速率变得缓慢，麦麸中可溶性膳食纤维的含量也随之降低，故选取液料比1.5∶1（mL/g）为响应面试验的中心点。

2.1.2 木聚糖酶添加量对可溶性膳食纤维含量的影响

木聚糖酶添加量对麦麸中可溶性膳食纤维含量的影响见图2。

图2 木聚糖酶添加量对可溶性膳食纤维含量的影响Fig.2 The effect of xylanase addition on soluble dietary fiber content

由图2可知，麦麸中可溶性膳食纤维含量随着木聚糖酶添加量增加整体上呈先上升后下降的趋势，当木聚糖酶添加量为1 000 U/g麦麸时，麦麸中可溶性膳食纤维的含量达到最大，这主要与酶和底物的比例以及酶的竞争性抑制有关。随着木聚糖酶添加量的增加，木聚糖酶的浓度增加，导致酶促反应速率加快，麦麸中可溶性膳食纤维的含量增加；当木聚糖酶添加量超过1 000 U/g麦麸时，酶的竞争性抑制增加，也可能是因为酶促反应过度，降解了麦麸中的可溶性膳食纤维，麦麸中可溶性膳食纤维的含量也随之降低[20]，故选取木聚糖酶添加量1 000 U/g麦麸为响应面试验的中心点。

2.1.3 酶解时间对可溶性膳食纤维含量的影响

酶解时间对可溶性膳食纤维含量的影响见图3。

图3 酶解时间对可溶性膳食纤维含量的影响Fig.3 The effect of enzymolysis time on the content of soluble dietary fiber

由图3可知，麦麸中可溶性膳食纤维含量随着酶解时间的延长呈先下降后上升再下降最后趋于平缓的趋势，当酶解时间为12 h时，麦麸中可溶性膳食纤维的含量达到最大（5.46%）。8 h～12 h时随酶解时间的延长酶促反应越来越充分，麦麸中可溶性膳食纤维的含量增加；当酶解时间超过12 h时，可溶性膳食纤维也被酶解[21]，导致其含量随酶解时间的延长而降低，故选取酶解时间12 h为响应面试验的中心点。

2.2 响应面优化试验

2.2.1 响应面优化试验结果

响应面试验设计与结果见表2。

表2 Box-Behnken试验设计及结果Table 2 Design and results of Box-Behnken experiment

对响应面试验数据进行分析，得到麦麸的可溶性膳食纤维含量（Y）与酶解时间（A）、木聚糖酶添加量（B）和液料比（C）3个因素的二次回归方程：Y=-448.102+26.674A+0.025 3B+380.1C-5.0×10-4AB-5.4AC-6.5×10-3BC-0.766A2-4.025×10-6B2-104.1C2。方程的显著性分析见表3。

表3 回归模型方差分析Table 3 Analysis of variance of regression model

响应面模型的p=0.000 2＜0.00 1，表明该模型极显著，失拟项p=0.063 8＞0.05，表明其他因素对结果干扰较小，该响应面试验模型能很好地拟合试验的真实情况，实际值与预测值拟合误差较小，故该模型可用于优化酶法改性工艺以提高麦麸中可溶性膳食纤维的含量。酶解时间（A）、木聚糖酶添加量（B）、液料比（C）3个因素对麦麸可溶性膳食纤维含量的影响均达到极显著水平；AC、A2、C2对麦麸可溶性膳食纤维含量的影响极显著，说明酶解时间和液料比这两个因素之间存在明显的交互作用。由F值可知，这3个因素对麦麸可溶性膳食纤维含量的影响次序为液料比（C）＞酶解时间（A）＞木聚糖酶添加量（B）。

2.2.2 最优条件的优化与验证

经过Design-Expert 8.0软件分析，得到麦麸可溶性膳食纤维改性的最优工艺条件为酶解时间11.98 h、木聚糖酶添加量 1 048.56 U/g 麦麸、液料比 1.46∶1（mL/g）。考虑到可操作性，将最优条件调整为酶解时间12 h、木聚糖酶添加量 1 000 U/g麦麸、液料比 1.46∶1（mL/g），在此最优条件下进行3次验证试验，得到可溶性膳食纤维含量为6.01%，与模型预测值相近，说明此模型预测的参数准确，对实际操作有一定的指导意义。

2.3 酶解法对麦麸基本成分的影响

麦麸改性前后基本成分的变化见表4。

表4 改性前后麦麸基本成分的变化Table 4 Changes of basic components of wheat bran before and after modification

由表4可得，酶解改性后，麦麸中的蛋白质、灰分含量都有了一定程度的提高，改性麦麸中淀粉含量明显提高，这是因为木聚糖酶水解了麦麸中的膳食纤维，使麸皮中的部分膳食纤维转变成了还原糖[22]，而淀粉的含量是由还原糖含量表征的。而且由于总膳食纤维的含量降低，从而提高了其他营养成分的比例，其中可溶性膳食纤维的含量从3.30%提高至6.01%，SDF/TDF由8.1%提高至16.6%。与传统水提法提取可溶性膳食纤维的含量（2%～5%）相比[23]，半固态酶解改性法提高了麦麸膳食纤维的品质、可溶性膳食纤维的含量以及可溶性膳食纤维在总膳食纤维中的占比，使麸皮膳食纤维从填充型膳食纤维向高品质膳食纤维转变。

2.4 麦麸改性前后对面包品质的影响

麦麸改性前后对面包品质的影响结果如表5所示。硬度是指外力使物体变形的大小，硬度越小的面包越柔软；弹性是指物体在外力作用下变形，恢复原来形状的能力[24]，弹性越大说明了面包口感越劲道；内聚性反映的是面包内部的黏合力，内聚性越大，说明内部结构越紧密。咀嚼性表示的是咀嚼固体至吞咽所需要的能量，咀嚼性越大，代表入口舒适性越差。

表5 麦麸改性前后对面包品质的影响Table 5 The influence of wheat bran on bread quality before and after modification

由表5结果可知，与空白组相比，加入原麦麸后，面包的硬度、咀嚼性显著升高，弹性、内聚性、比容显著降低，说明麦麸的加入破坏了面筋网络，使面团的延展性降低；另外麦麸中大量的膳食纤维会和面筋蛋白竞争水分，抑制了面筋网络的形成[25]。加入改性麦麸后的面包的硬度、咀嚼性都低于对照组，弹性、内聚性、比容都显著高于对照组，原因是麸皮经过木聚糖酶酶解后，麦麸中可溶性膳食纤维的含量增加，使面筋蛋白更好地形成面筋网络[26]；另一方面，经过酶解后，麦麸的粒径减小，对面筋蛋白的破坏作用减弱，使得面包的比容和质构特性显著提高[27]。

3 结论

使用木聚糖酶以半固态酶解法改性麦麸，其最优改性条件为酶解时间12 h、木聚糖酶添加量1000 U/g麦麸、液料比1.46:1（mL/g），在此条件下麦麸中可溶性膳食纤维的含量为6.01%，可溶性膳食纤维在总膳食纤维中的占比提高至16.6%。将原麦麸和改性麦麸加入高筋粉中制成面包发现，改性处理工艺可以显著提高面包的比容和质构特性，但麦麸膳食纤维和面筋蛋白的作用机理还需要进一步研究和验证。