小麦麸皮膳食纤维改性技术研究进展

田玉荣 孙元琳

1（山西省食品研究所（有限公司），山西太原 030024）

2（运城学院生命科学系，特色农产品加工山西省重点实验室，山西运城 044000）

小麦所具有的营养功能特性主要集中在皮层和胚芽部分，即麸皮。麸皮是面粉加工过程中的副产物，富含人体所需的蛋白质、矿物质、维生素等物质，是膳食纤维的主要来源。膳食纤维（Dietary Fiber，DF）作为人们日常饮食不可或缺的植物性成分，是人体健康最基本的营养素。国内外营养学界和医学界通过大量试验证实，慢性病的高发与食物过于精细化（高热量）紧密相关，而精细化的饮食普遍缺乏DF。

DF 作为人类的“第七类营养素”可以降低糖尿病、血脂、冠心病、过度肥胖以及某些癌症的风险。目前，DF 也日渐被应用到各类保健食品、乳制品、焙烤食品、糕点和饮料等食品中，赋予了食品营养风味的同时也对其质地进行了改良，并延长了食品货架期。根据DF 溶解特性，可把DF 分为两类：可溶性膳食纤维（Soluble Dietary Fiber，SDF）和不溶性膳食纤维（Insoluble Dietary Fiber，IDF），SDF 可溶于温水或热水，IDF 不溶于水。一般认为，DF中SDF/IDF 占比约1∶2时为“黄金比例”。麸皮中的大部分DF都是IDF，无法提取。因此，通过改性技术提高SDF含量对改善食品功能性有重要意义。

1 麦麸DF重要理化性质

1.1 水合性质

麦麸DF 的水合性质通常由溶胀性（Swelling Capacity，SC）和持水性（Water-holding Capacity，WHC）来衡量。DF 结构中存在大量亲水性基团，具有很强的吸水性、膨胀性和保水性，可使粪便体积和排便速度增加，缓解泌尿系统压力和肾结石等疾病症状，并使有毒物质迅速排出体外，解决便秘等问题。Zhong 等发现SDF 含量和水溶性之间存在正相关关系，这可以推断水溶性的增加可能归因于SDF的增加。

1.2 持油力

持油力（Oil-holding Capacity，OHC）是指对脂肪/油的吸附能力。采用一些外在作用力可以使DF致密的组织结构变得疏松多孔，大量亲脂性活性基团被暴露出来，使得DF 的OHC 得到明显改善。谷物衍生物（例如麦麸）的吸油率主要与麸皮颗粒的表面性质有关，但也可能与组成成分的亲水性和总电荷密度有关。有研究表明，材料的体积密度和粒径对OHC 有很大影响，体积密度和粒径越高其与脂质结合的能力越低。此外，体系的毛细管力、亲脂性位点、疏水性等也会影响膳食纤维对油的亲和力。

1.3 阳离子交换和吸附能力

阳离子交换能力指的是DF 中含有一些重要的侧链基团（主要是羟基和羧基基团），产生与弱酸性阳离子交换树脂类似的能力，且与阳离子的相互作用是可逆的。有研究表明，DF 可结合肠道中许多阳离子如Na+、K+，可以降低由Na+、K+摄入过量而引起的疾病风险。SDF 表面有很多活性基因，可以螯合吸附胆汁酸、胆固醇、葡萄糖、亚硝酸盐等有机分子和一些金属离子，对胆汁酸和胆固醇的吸附可以抑制总胆固醇浓度增加，降低对胆固醇的合成与吸收，降低血清和肝脏中的胆固醇含量，从而降低心血管疾病患病几率和防止冠状动脉粥硬化；对葡萄糖的吸附可以减少葡萄糖在胃肠道内的消化吸收，对降低餐后血糖有重要作用；对亚硝酸盐的吸附可防止因亚硝酸盐摄入过量对人体产生的毒害作用。

2 麦麸DF的改性研究

2.1 改性原因及意义

2.1.1 改性原因

在麦麸DF中，可溶性成分扮演着十分重要的角色。在理化性质方面，DF 分为普通DF 和优质DF，优质DF的可溶性固形物含量高于10%，保水能力大于7 g/g；在应用方面，DF品质差，SDF含量低（一般在1%左右），造成了加工效果差、口感粗糙、消费者接受度差等问题，再加上其功能特性不明晰，消费者对麦麸DF信任度并不高，使其在食品和医药领域得不到广泛应用。在生理功能方面，SDF 具有降低血脂，降低肝和血清中胆固醇，抑制脂肪肝形成，控制餐后血糖及胰岛素水平，建立重要的微生物菌群，促进益生菌定植，改善肠道健康等功能。IDF 具有多孔性和代谢惰性，能增加粪便体积和减少肠道运输。与IDF 相比，SDF 表现出更多的功能特性，如提供黏度，形成凝胶和充当乳化剂。

2.1.2 改性意义

近年来，随着人们社会压力的增大及人体微量元素的缺乏，导致人体各类疾病发病率增高，这使得人们对粗粮食品的关注度越来越高。小麦是一种健康的粗粮原料，采用传统石磨工艺得到的麸皮，最大限度保留了多种微量元素且富含DF。在食品配方中添加麸皮会对最终产品的质地、稠度、感官和流变特性产生不良影响，因此，补充水平受到限制。IDF 是麦麸中的主要成分，主要造成麦麸的负面技术影响，通过适当的改性手段提高麦麸DF 理化性质，将有助于开发更具针对性的功能性食品。

2.2 麦麸预处理改性方法

将部分IDF 转化成SDF 的主要目的是对食品功能特性和理化性质进行改良。目前，常用的改性方法有物理和生物改性，这些改性技术均提高了麦麸DF 的理化性质和溶解度。改性技术的应用是提取高生理活性和高功能特性DF 的关键环节，物理-生物联合改性技术是未来努力研究的方向。

2.2.1 物理改性技术

2.2.1.1 挤压膨化技术挤压膨化技术是指麦麸DF经高压、高温及高剪切力作用，在挤压设备出口瞬间失去压力，导致DF空间结构及分子发生改变，使部分IDF 转变为SDF的手段，是集机械剪切、加热、混合、膨化等多种单元操作于一体，通过干燥技术进行食品成型加工，能改善纤维物料粗糙口感的一种新型加工技术。

孙冰玉等对豆渣复配粉进行挤压处理，挤压后豆渣复配粉的WHC、OHC 和热稳定性均得到改善，主要是因为挤压过程中高温、高压和高剪切力破坏了物料分子结构和化学键，使复配粉中纤维素发生降解，分子极性发生变化，影响了DF的理化性质。

2.2.1.2 超高压技术

超高压技术是一个纯物理过程，是将物料用超高压装置（压力一般是100 MPa～1 000 MPa 之间）处理，物料在液体介质中体积被压缩，超高压产生的极高的静压能使物料疏水键、氢键、离子键等非共价键发生断裂，从而使大分子改性或变性的一种物理处理方式。超高压处理过程中产生的极高静压以及伴随产生的摩擦、冲击等机械作用，使原本表面光滑、结构紧密的物料变得疏松多孔，比表面积增大且出现沟壑和许多层状结构，这些结构的变化使得部分木质素和纤维素变成SDF。

朱丹等采用响应面法优化沙果渣DF 超高压处理条件，并确定最优条件下沙果渣DF 的WHC、OHC、SC得到了显著提升，这可能与超高压处理后样品的内部结构发生变化有关；经过超高压处理后，沙果渣DF 的阳离子交换能力也显著高于处理前的样品，是因为DF 经过改性后，其结构暴露出更多的羟基和羧基等侧链基团，增强了阳离子的交换能力。李梦琴等人利用数学模型对麦麸的超高压处理条件进行优化，在最优条件下测得麦麸SDF 百分比含量、WHC和SC分别是原料麸皮的1.43、2.07和1.48倍。

2.2.1.3 超细粉碎技术

微米和纳米技术是一类新兴技术，在保健食品和功能性食品的制造方面具有巨大潜力。近年来，亚微米范围内的超细研磨介于100 nm～1 000 nm 之间，与食品等各种工业应用中的新型功能材料的开发相关联；但是，到目前为止，由于DF 的聚合物性质以及设备支持不足，使用该技术处理DF 仍受到限制。近年来，人们使用多维摆动式高能纳米球磨机对麦麸DF 进行微粉化，其原理是通过快速的多维摆动式运动引起罐中磨介的不规则运动并产生巨大的冲击力，从而使被粉碎的颗粒达到纳米级。多维摆动式高能纳米球磨机可以有效地将IDF 的粒径减小至亚微米级，使所得超细DF的WHC和SC等提高，并且使部分不溶性膳食纤维转化为可溶性膳食纤维。

经过超微粉碎后的小麦麸皮具有更多优势，除了可以使DF 含量增加，同时还可以提高麦麸的抗氧化能力、促进功能成分的溶出和吸附重金属离子等。但目前对麸皮专用超微粉碎设备的研发设计能力低，因而需要做更深入的研究。

2.2.1.4 微波技术

微波是指频率在30 MHZ～30 GHZ，波长1 mm～1 m的电磁波，通常适用于含水量低于20%的物料。微波辐射可以使DF 中木质素、纤维素、半纤维素、水等极性分子吸收微波能，释放大量热能，致使纤维素、半纤维素等的化学键断裂，小分子量的化学物质快速挥发，产生压力使纤维的网络结构疏松多孔，比表面积增大，植物DF 中可溶性成分增加。任雨离等对方竹笋DF 进行微波改性，使DF 的结晶强度增加，同时显著提高其比表面积以及DF 的WHC和OHC。

2.2.1.5 超声波技术

超声波技术是一种效率高、耗时少的物理改性方法，具有机械效应、空化效应、热效应以及湍流作用，能使纤维中大分子连接键断裂，转变成小分子组分；同时将部分水不溶性成分转化成水溶性成分，使致密的组织结构变得疏松。空化作用所产生的强大剪切力可以使介质细胞壁发生破裂，使细胞中的内含物释放，分子间相互碰撞的几率增加，从而有效地提高了提取物的含量和得率。目前，超声波技术作为21 世纪高新技术已被广泛应用于植物（包括谷物）功能活性成分的辅助提取和物料DF 的改性研究。牛希等利用超声波技术对燕麦DF 进行改性，改性后的燕麦DF 粒径减小，组织结构变得疏松多孔，使亲水及亲油基团暴露，导致WHC、SC、OHC 显著提高，且在超声功率达到360 W 时，WHC、SC、OHC达到最大。

2.2.2 生物改性技术

2.2.2.1 酶法改性

酶法改性有单一酶法和复合酶法，其中复合酶法在DF 改性方面应用最为广泛。有研究表明，复合酶的改性效果优于单一酶法，能使DF 的溶解度显著提高。复合酶法改性通常使用木聚糖酶、纤维素酶等。麦麸DF经过酶（如纤维素酶）处理后，超微结构发生明显变化，小麦麸皮DF 的束状结构消失，表面形成明显的网格状结构，这是由于在纤维素酶的作用下部分纤维素被降解，纤维素分子间的部分氢键被打开，不仅使更多的亲水基暴露出来，还使部分非极性基团也暴露出来，从而增加了与水结合的能力，吸油性使DF 溶解性、WHC、SC 和OHC提高，SDF含量增加；改性后的麦麸DF对饱和脂肪和不饱和脂肪、胆固醇以及亚硝酸根离子等的吸收都高于改性前。DF清除亚硝酸根离子主要原因为改性后的DF，分子间连接键被破坏，部分阿魏酸被释放从而起到了清除亚硝酸根离子的作用。

2.2.2.2 发酵法改性

发酵法改性是利用菌种产生的酶系降解原料中大分子物质，破坏原料的纤维结构，使原本致密的组织结构变得疏松多孔，达到降解IDF 及粗纤维的效果，使得SDF 含量显著提高。目前，微生物发酵作为一种新兴的改性或者改良技术，摆脱了以前利用里氏木霉、米根霉和黑曲霉这类菌种发酵来提高麦麸SDF 含量的局限。刘豪等采用安琪高活性干酵母振荡发酵的方式对麦麸DF 进行改性，发酵后麸皮的WHC 和SC 均提高，其中持水性提高最为显著，从3.30 g/g 提高到4.32 g/g，主要原因可能是发酵使物料的比表面积增大、粒度减小、大分子链结构断裂，IDF 分子中的大量亲水性基团暴露，从而提高了麸皮的WHC 和SC，改性效果明显优于先前的发酵法，为发酵改性提供了新的借鉴。

3 展望

我国小麦麸皮年产量高，但对其的开发利用率较低。尽管麦麸DF 的功能特性和营养应用价值已引起广大学者的关注，在加工适应性、生物活性及机理研究和改性方法上也做了大量研究，但仍处在初步阶段，其真正的应用价值还未被完全开发出来，有待更加深入的研究。当前对麦麸的研究大多集中在提取多糖和DF 方面，对于探究提高麦麸DF理化性质的改性研究较少，同时，不同改性技术对麦麸DF 结构及构效关系的作用机理还不明确，因而麦麸类产品在市场的受欢迎度并不理想。目前常用的改性技术，如挤压膨化、微波、超声、酶法和发酵等都有一定的局限，比如价格昂贵、操作要求太高、普通实验室设备处理强度不够、改性条件无法控制、不环保等，离工业化生产要求还有很大距离，多种改性技术联合使用将成为改性技术新的突破口，并起到资源整合的作用。目前对麦麸的研究越来越多，但提取改性之后对麦麸是否会造成资源浪费，改性后的废料是否能再利用，这些问题还需要进一步研究解决。