全麦面包风味改良的研究进展

卢晨曦，张国治

(河南工业大学粮油食品学院，郑州 450001)

自21世纪初以来，一系列慢性非传染性疾病（如癌症、心血管疾病、糖尿病和肥胖症）的发病率迅速增加，对人体健康构成严重威胁，并给家庭和社会带来了沉重的经济负担。众多研究表明，饮食模式的变化以及现代生活水平提高所带动的饮食复杂化与一系列慢性病发病率的增加密切相关，而不健康的饮食是许多疾病发生的主要根源[1]。在各式各样的食品中，面包是消费最多的食品之一。据报道，许多国家每人每天的面包消费量估计超过100 g左右(相当于每人每天大约3片)，因此面包是人体每日摄入能量非常重要的来源。

面包产品在形状、大小、质地和感官特征方面存在很大差异。这些差异部分归因于用于制作面包的谷物的类型，包括黑麦、大麦、燕麦和小麦，小麦是最常用的，因为它含有麸质，有助于形成良好的感官品质。口感的差异也可能来自配料的添加，如种子、橄榄、坚果等，以及面包制作工艺的不同，如温度以及使用酵母与酵头的不同。尽管存在这些差异，但大多数面包的共同特点是碳水化合物和蛋白质含量高，并含有丰富的维生素(主要来自B族)和矿物质(如铁、钙、磷、锌、钾和镁)[2]。

1 全麦面包的营养价值

全麦粉的主要成分是蛋白质、淀粉和膳食纤维等。全麦粉中的蛋白质是小麦胚乳的主要储藏物质之一；而淀粉是全麦粉的储能碳水化合物，其含量丰富，主要存在于籽粒的胚乳中，在面团发酵过程中被酵母分解为二氧化碳和乙醇，对面团的发酵性能和多孔性具有重要影响。无论哪种小麦，全麦小麦的营养价值都优于精制谷物。膳食纤维主要来源于植物的细胞壁，虽然其不可在人体小肠内消化吸收，但可在大肠内发酵，具有促进肠道蠕动、改变肠道菌群和产生短链脂肪酸等多种有益活性成分的功效，被科学家誉为第七营养素[3]。纤维可以定义为“在胃肠道上部不水解或不被吸收的碳水化合物”，是具有独特重叠功能的异质化合物群，膳食纤维促进人体健康并提供最佳效果，当它们相互补充和增强时，它通过增加粪便重量和在人体内运送时间对人体健康有益，两者都是肠道健康的指标[4]。各种研究表明，食用纤维可以预防多种疾病，如癌症、心血管疾病和憩室疾病以及代谢失调[5-6]，特别是美国和欧洲的消费者可依此来满足日常纤维需求，保持肠道健康。小麦是人体所需廉价的膳食纤维来源之一。

2 面包中风味物质的形成过程及检测方法

当顾客购买面包时，其香气是他们通过嗅觉感知到的第一个特征之一。嗅觉感知来源于两组刺激：当食物靠近时，直接用鼻子感知到的一切以及咀嚼时的后鼻感受到的一切。这两种情况下，挥发性化合物必须在没有液相的帮助下，到达位于鼻腔深处的嗅觉粘液受体细胞，在那里，这些嗅觉细胞与大脑相连，以区分感知到的气味[7]。因此，现代科技可以用电子鼻等仪器来模拟检测香气中的具体成分。

2.1 面包中风味物质的形成过程

面包在高温焙烤过程中会发生一系列复杂的物理和化学反应，包括美拉德反应等，反应后会产生特殊的化合物风味。在面包的复杂挥发性成分中已经报道了数百种挥发性化合物，其中大多数涉及不同的嗅觉特征，包括醇、醛、酯、酮、酸、碳氢化合物、吡嗪、吡咯烷、呋喃、内酯和硫化合物等[8]。而在面包外表皮中，挥发性成分是由烘烤过程中发生的热反应形成的，例如非酶的美拉德反应和糖的焦糖化反应。

此外，在面包皮形成过程中，从面包屑到饼皮之间可能存在气味转移，反之亦然。有一些化合物与小麦面包的香味正相关，比如3-甲基-1-丁醇或乙醛。面包中该化合物的浓度越高，面包的香味越好。也有一些负相关的，如己醛或丁酸。相应地，当这些化合物的浓度降低时，消费者对面包香味的接受度就会增加[9]。面包烘烤后的贮藏也会影响挥发性化合物分布。

面包风味会受发酵和焙烤过程中产生的大量风味物质及其它复杂因素影响，由于微生物的代谢作用，传统的酸面团在发酵过程会产生许多风味前体物质，这些物质为醒发及烘焙过程中产生更加丰富的挥发性风味物质起到十分重要的作用[10]。

2.2 面包中风味物质的检测方法

酸面团挥发性化合物对于面包风味的产生是有贡献的，酸面团面包中挥发物的研究方法包括三种：基于溶剂亲和性的萃取方法、基于复合挥发性的萃取方法和顶空固相微萃取方法。这些不同的研究方法可用来对不同的研究结果进行比较，并精确定义酸面包和面包的挥发性特征。顶空固相微萃取似乎是为酸面团面包研究开发标准化提取过程中可使用的最方便的方法[11]。首先，这种方法操作简单、花费低廉。其次，它已经针对面包风味研究进行了优化。

研究表明，面包中香味的主要成分是挥发性香味化合物，它决定了发酵食品的香味特征和对特色风味的贡献值。目前，有多种方法检测这些香味物质。广泛使用固相微萃取法和气相色谱-质谱法来测定挥发性风味化合物。其中，全麦面包中的风味物质可以根据其物理和化学性质不同而选择不同的检测方法[12]。挥发性风味物质是通过固相微萃取法和气相色谱-质谱法来测定的，因为它们准确度高、检测范围广且应用成熟。非挥发性风味物质则主要采用高效液相色谱法进行检测。

顶空固相微萃取法（HS－SPME）结合气相质谱色谱联用（GC－MS）主要用于食品物质的检验，如食品添加剂、毒素检测以及品质分析等[13]。还可以通过多种方法检验肉类等食品中的胆固醇、脂肪酸、甘油三酯、氨基酸等成分，具有检测速度快、精度高等优点。影响面包品质的风味物质主要有醛、醇、酯、芳香杂环类及有机酸等，徐丹利用SPEM-GC-MS方法在旧金山乳杆菌发酵后的酸面团面包中共检测出64种具有(潜在)风味的可挥发性化合物[14]，包括16种醇类、10种酯类、15种醛类、5种酮类、5种酸类和13种其它类型化合物。

除了以上方法外，还有用于检测复杂风味的仪器。电子鼻是一种利用全部传感器阵列的响应图案来检测和区分复杂气味的机器，这些传感器经过各种气味敏感的生物或化学材料处理。气味刺激从传感器阵列生成特征指纹（或气味指纹）。来自动感知气味的模式产生指纹式图案用于构建数据库和训练模式识别系统，以便随后对未知气味进行分类和识别[15]。由于电子鼻易于制造、成本效益高、分析时间短，因此作为一种客观的、自动化的、非破坏性的食品风味表征技术，电子鼻正变得越来越受欢迎。

3 影响全麦面包风味的因素

3.1 全麦粉的香气成分

全麦面粉(WWF)的使用对面包的香味起决定性作用。面粉是面包配方的基础，也是制作全麦面包最基础的原料，影响着面包产生的香气。面粉本身已经含有大量的挥发性化合物，如甲硫基丙醛、4-庚烯醛、戊醛、已醛、庚醛和已醇等[16]，这些化合物之前被认为是小麦面包屑香气的重要来源。因此，面粉的种类会影响小麦面包的香味。在小麦粉中，己醛是主要化合物，其次是庚醛、戊醛或1-己醇[17]。但也有特殊情况存在，全麦粉中的某些成分在发酵时会使全麦面包的香气减弱。

比如世界自然基金会的面包，其外表皮香气的强度和质量较低。这可能是由于在烘烤过程中，使用全麦面粉制作的面包中阿魏酸的释放，抑制了2-乙酰-1-吡咯啉的生成，而2-乙酰-1-吡咯啉是小麦面包的一种关键香味。这是因为阿魏酸与乙二醛发生反应，乙二醛是2-乙酰-1吡咯啉的重要前体。然而，面包的香味比面粉要复杂得多，因为它受到发酵和烘焙的影响。因此，面包中存在的一些香味化合物，如3-甲基-1-丁醇、辛酸乙酯或3-羟基-2-丁酮，在面粉中并不存在[10]。

3.2 全麦粉的制备

麸皮经过固态发酵后再回添入小麦粉，可以有效的改善全麦产品因加入麸皮而引起的品质劣变。回添固态发酵麸皮制得重组全麦粉品质较未发酵麸皮全麦粉高[18]，而乳酸菌和酵母菌混合发酵在改善麸皮营养品质方面表现出更大的优势。Atwell等人研究表明，用糊粉代替20%面粉的面包具有全麦面包的营养价值[19]，根据美国食品立法，使用20%的糊粉时，烘焙后的产品符合“良好纤维来源”的要求。与全麦面包类似，但与普通全麦面包相比，改良后的面包屑明显更白，风味和口感更温和。使用25%的糊粉时，并使用全麦作为基础面粉，烘焙后的产品符合“优质纤维来源”的要求，这种面包的味道和质地与全麦面包相似。

3.3 热加工过程中面包产生风味的成因

脂质氧化。面粉中存在的脂肪氧合酶主要存在于小麦胚芽中，在面粉的储藏及面包制作过程中。该酶可催化面粉中的长链不饱和脂肪酸 (亚油酸和亚麻酸等)转化为脂类过氧化物。再经过一系列的分解反应形成小分子的醇、酮、醛和酸等风味化合物[20]。其中醛类物质还可以进一步氧化生成酸和酯类。面包中的一些不饱和醛如(E，E)-2，4-癸二烯醛、2-(E)壬烯醛和2-辛烯醛及辛醛等都来自面粉中的脂肪氧化过程[8]。在面包屑中，醛类、酮类、醇类和酯类也可能源于脂氧合酶作用下的脂质氧化。这意味着氢过氧化物中的亚油酸和亚麻酸发生转化，氢过氧化物不稳定，在烘焙过程中主要降解为己醛或者己烯醛。在这个破碎步骤中，通常也会产生戊醇。通过随后的分解，生成其他醛类，如乙醛。醛类氧化会产生酸和酯。脂氧合酶利用氧气将脂质转化为这些醛和酮。因此，低脂质含量酵母发酵生产的面包有更多的氧气可用，而更多的氧气可用于脂氧合酶转化脂质。这意味着脂质氧化导致挥发性化合物产量增加[21]。比如 2,4（E，E）-癸二烯醛、壬醛、2-（E）-壬醛、辛醛、2-辛烯醛、庚醛或2-庚烯醛是一些经常被引用的脂质氧化醛类。一般来说，烷烯醛、2-烷烯醛和2,4-烷二烯醛是脂质氧化产生的挥发性化合物。

美拉德反应。烘焙面包过程中产生的挥发性化合物直接依赖于面团前体：糖和氨基酸。面包皮的颜色和烘烤的香味都是由这些美拉德化合物造成的。美拉德反应主要由温度引起；因此，酸面团中美拉德化合物的数量非常少。在小麦酸面团中仅发现3种挥发性化合物 （2-甲基丁醛、3-甲基丁醛和2,3-丁二酮），而Heinio等人报告的黑麦酸面团中仅含有糠醛[22]。然而，2-和3-甲基丁醛以及2,3-丁二酮也可以是从酵母发酵得到的化合物。更多的含糖成分可以促进美拉德反应，并会产生相应的令人愉悦的挥发性化合物。热加工时也会对美拉德反应产生影响，因为它们会释放氨基酸作为该反应的前体，并降低面团的pH值[11]。

3.4 烘焙过程中面包的风味物质

烘焙过程决定面包的最终香气。烘焙方式也会影响面包中的挥发性成分。烘焙的方法有很多种，主要是木柴烘焙或燃气烘焙。根据不同的烹饪方式，面包皮上的呋喃和醛类之间存在显著差异，在木柴烘焙的面包中发现了大量丰富的呋喃、四氢呋喃、2-甲基呋喃和2-丙烯基-2-呋喃。丁醛、戊醛、2-甲基-2-丁烯醛、2-辛烯醛、1-丁醇、丙酸乙酯和柠檬烯。在燃气烘焙的面包中则发现了大量糠醛。2-呋喃碳腈、2-丙烯和戊醛仅在木柴烘焙面包中检测到，而3-甲基呋喃仅在燃气烘焙面包中检测到[23]。

4 发酵过程对全麦面包风味的影响

酵母发酵在食品工业中由来已久，在20世纪后期被重新重视，因为它对发酵烘焙食品如全麦面包的感官、结构、营养和保质期有重要的影响。

4.1 酶

全麦面包的消费数量较其它面包相对不高原因主要是质地较硬、感官质量较差。在制作全麦面包的过程中加入木聚糖酶、α-淀粉酶、磷酸酶、淀粉糖苷酶、葡萄糖氧化酶和脂肪酶等可以显著改善全麦面包的风味等品质。在烘焙食品的生物技术中，外源性酶被越来越多地用作技术辅助，因为它们增加了面团体积，改善了面包皮和面包屑的颜色，并有助于香气的形成。在发酵过程中，外源蛋白酶和肽酶增加了肽和氨基酸的浓度，从而影响香气，例如谷氨酸或者谷氨酸的鲜味[24]。氨基酸积极参与降解反应，从而产生与味道相关的化合物。例如，从鸟氨酸中提取的2-乙酰基吡咯啉[16]。面团中加入LAC（多酚氧化酶漆酶）会使产品的黏度升高，弹性增大。全麦面包中加入LOX（脂肪氧合酶）和LAC能显著增加全麦面包的比容，而加入多酚氧化漆酶提高比容最为明显;多酚氧化酶漆酶对全麦面包质构的改善作用最明显，且能改善全麦面包的风味[25]。

4.2 发酵剂

在现代烘焙中，面包面团的发酵是通过向面包面团中加入面包酵母来完成的。尽管酵母发酵工艺在技术上具有挑战性，因为较长的发酵过程阻止了面包生产的高产量，今天越来越多的消费者对不使用复杂酵母制作的面包感兴趣。越来越多的面包生产时至少使用三种类型的酵母制剂 (I、II和III型)。传统的I型酸面包的特点是常用来做日常茶点，也需要保持酵母和乳酸菌(主要是异发酵乳酸菌)处于活跃状态[26]。第二类酸面包是由连续繁殖和长期一步发酵生产的半流体制剂。第三类酸面团是由特定的发酵剂生产的干面团。在酵母发酵过程中，酸化、蛋白质水解和多种酶的活化，以及微生物代谢产物的合成，都会影响烘焙食品的营养和功能质量[27]。

邹奇波等人使用混菌发酵方法后研究发现，马克斯克鲁维酵母的存在能够促进食窦魏斯氏菌的生长，二者在全麦酸面团体系中具有协同作用。从风味角度来看，混菌发酵中的马克斯克鲁维酵母大大改善了全麦面包的风味强度，在感官评价中达到最大的整体可接受性。结果表明，具有协同作用的混菌发酵更有利于改善全麦面包烘焙与风味特性[28]。据报道，一种经过巴氏杀菌处理的旧金山酸面团现在以液态形式在市场上出售[29]。这种液体酵母可以在面包店中自动添加，通过在配方中添加更多酵母，可在3 h内制成具有传统产品大多数典型特性的酵母。

4.3 乳酸菌发酵

在酵母乳酸菌中，乳酸菌是一种关键菌种，其酶活性不同，影响着各种面包的口感和风味。尽管很少出现在酸面团中，但在烘烤试验中，被用作发酵剂，可以生产出香气等级较高的面团。一种革兰氏阴性菌被非常规地用于食品加工，它会影响奶酪中硫化合物的合成。一些含硫化合物可以使面包屑有一种宜人的味道。利用微生物与酵母面团结合，可作为一种新的自然、经济的生物技术手段，改善发酵焙烤食品的感官品质。

孙磊利用植物乳杆菌LB-1与酵母菌协同发酵面团的方法制作的全麦面包中使用固相微萃取-气相色谱-质谱联用法共检测出62种挥发性风味化合物。使用菌种LB-1、F-3和F-50发酵制成的全麦面包分别检测出60、54和55种挥发性风味化合物,表明全麦面包的挥发性风味成分在经过乳酸菌发酵后得到增强。相比于对照组来说，经过乳酸菌发酵的全麦面包新增了正丙醇、2-甲基-1-丙醇、2-壬烯醛、2-辛酮丙酸、酸等风味化合物[30]。这与Cavallo之前对酸面团面包风味的研究相一致，据Cavallo的研究，乙酸是乳酸菌在面团发酵过程中产生的最主要风味物质[31]。

5 贮藏过程中面包风味的变化

贮藏过程中面包风味的变化与贮藏时间、贮藏温度和贮藏方式有关。孙莹等人利用电子鼻结合气相色谱质谱联用技术分析了贮存条件对面包挥发性成分的影响，结果表明酸类、酯类、酮类和碳氢化合物在冷藏期间会部分挥发[32]。在室温下储存期间，醛类和醚类物质也会挥发，而醇类化合物的相对含量明显增加。另外，在常温和冷藏两种贮藏方式中，常温条件下初始挥发物质以酯类为主，可赋予面包果香和奶香，贮藏后期则大量减少，这一结果说明该样品常温贮藏后期风味品质呈下降趋势。

Sidsel Jensen等人研究了全麦面包贮藏过程中风味物质随时间发生的变化。结果显示，根据储存时间的不同，样品之间存在明显差异。储存三周的样品被评定为具有强烈的香气和风味属性，如 “灰尘”、“老化”和“酸败”，而未储存的样品主要被描述为具有强烈的香气属性如“焦糖化的表皮”一般来说，与三周龄面包相比，存放一周和两周的面包样品的“灰尘”、“老化”和“酸败”属性强度较低，同时这些面包的“焦糖皮”属性强度也较低，这是存放零周的面包的特征[33]。全麦面包的感官特性也受到储存时间的显著影响。储存两周和三周的样品具有灰尘味、苦味和高度的涩味或鼻口刺痛感，而新鲜样品和储存一周的样品具有较高强度的面团味、酸面团味和麸皮味[34]。储存时间对感官感知的挥发性化合物的浓度也有显著影响。通常情况下，储存两周和三周的样品中最高浓度的挥发性化合物来源于脂质氧化，而负责新鲜样品和储存一周的样品感官评估的挥发性物质是通过发酵和烘焙形成热诱导美拉德反应产物。

6 全麦面包亟待解决的问题及改良途径

现有关于面包风味成分的研究尚未成熟。例如，关于酵母菌株对面包香气影响的研究才刚刚开始，因此，研究具有改进香气形成的酵母菌株，如增加酯类化合物的形成，可能对面包工业有很大的潜力。在今后的面包屑香气研究中，可以将感官分析与非挥发性化合物分析结合起来，以提高对发酵条件、面包屑整体风味包括口感和气味影响的认识[35]。

6.1 提高面包烘烤质量和添加有机酸等

全麦面包首要解决的问题是烘烤质量差。全麦面粉含有更多的纤维，因为麸皮仍然存在，这导致相对缺乏面筋蛋白，这反过来又引起全麦面团的保气性差和膨松性差。全麦面包在烘焙时面团的内聚性以及混合和烘焙过程中的水分分配较差，因此烘焙品质较差，包括面包体积、比体积、内部结构和面包的孔隙率，限制了消费者对全麦面包的接受度[36]。在亚洲国家，全麦产品少得多，市场份额更低，导致慢性病发病率增加，谷物的利用价值降低，而更多的谷物成分却用于饲料方面。

XUE Qian等人研究了有机酸对面包烘焙品质的改善作用[37]，发现乙酸能够提升面包的比容、降低面包的pH值和硬度。此外，乙酸的含量决定了全麦面包对腐败微生物的抑制作用。Pramila Umaraw等人研究发现，在全麦面包中添加适量的鸡肉时，面包中肉质水平、打样时间和烹饪时间对其风味有显著影响[38]，这三个变量对风味都有显著的正向影响。Parminder Singh等人在使用响应面法时研究观察到，所有变量的肉含量、油含量和烹饪时间对已开发鸡肉的风味都有显著的线性影响[,39]。这种影响可能是由于蛋白质水平的增加，在发酵和烹饪过程中产生了更多的风味化合物。在较短的加工时间内，氨基酸和糖与肉脂肪一起烹饪时的反应会产生独特的风味，因此加入肉可以提高风味分数。

6.2 增加人体对面包中矿物质吸收率

虽然全麦面包中的矿物质和微量营养素含量较高且烘焙产品的营养特性较一般面包更好，而麸皮也是矿物质的优质来源，但必须考虑这些矿物质是如何被有机体吸收和利用的。众所周知，植酸能够捕获金属离子，阻止它们被身体吸收。麦麸含有4.5%～5.5%的植酸，植酸主要存在于糊粉层中[40]。这种植酸与一价和二价阳离子形成植酸盐，降低其生物利用度。但这些植酸盐可以在面包制作过程中被水解，增加矿物质的可用性[41]。

因此，为了更大程度地增加矿物质可用性，人们提出将植酸酶或产植酸酶的双歧杆菌加入配方[42]，同时延长酵母发酵时间。在麸皮加入面包制作过程之前，也可以通过酵母或乳酸菌发酵来减少其中植酸的含量[43]。此外，人们还知道，减少麸皮颗粒大小以及水热处理可以减少植酸的存在。

6.3 改善面包贮藏质量稳定性

全麦面包由于含有丰富的植物化学素及酶类等物质，易滋生微生物，比普通面包更容易生霉变质。此外，胚芽中含有的大量不饱和脂肪酸等都极易发生氧化酸败，产生“哈喇”味，使得全麦粉和全麦食品保质期缩短。胚芽的内源酶活力强、脂肪含量高带来产品稳定性问题也会使产品难以储存保质期短[44]。传统面包在进行日常贮存中很难保持新鲜风味，这是由于物理化学变化导致水分含量降低，面包屑硬度增加，感官质量改变[45]。

由于消费者对新鲜面包的需求不断增加，人们开发了新技术，以避免这些不良变化，并延长面包的保质期[46]。一种方法是在配方中添加特定成分，如乳化剂和亲水胶体或蛋白质和酶制剂[47]。另一种防止面包老化的方法是改变工艺条件。主要生产目标是在一天中的任何时候都可以为消费者提供新鲜面包，从而排除这些老化问题。在这些过程中，一种有效的技术是在最终烘焙后添加冷冻阶段，从而得到完全烘焙的冷冻面包。冷冻温度也可以应用于面团，在打样前中断面包制作[48]。

7 结语

与精制面粉相比，全麦产品具有明显的营养优势，这与它们的组成有关，可以通过合理选择被加工的小麦品种和生长条件进行适当的加工来彰显其优势。事实上，研究基因对麸皮、胚芽和全麦谷物营养成分的影响是很有意义的，关于这些问题的研究应该增加。然而，全麦面包的主要问题之一是其感官可接受性普遍较低，这方面的研究还没有像白面包的感官可接受性那样广泛[49]。未来在改良全麦面包风味的研究中，除了可以用仪器来研究其体积、质地或蜂窝状等方面外，还要对包括味觉、香气、口腔感觉或一般可接受性等方面进行更加深入的研究了解，这对改善面包感官质量等风味方面将非常有利。