麸皮改性及其生物转化的研究概述

张杰，廖爱美，潘龙，赵朋辉，胡哲源，董瑜琪，惠明，黄继红，2，3*，侯银臣

（1.河南工业大学生物工程学院小麦生物加工与营养功能河南省重点实验室，河南 郑州 450001；2.河南大学农学院作物逆境适应与改良国家重点实验室，河南 开封 475004；3.许昌学院食品与药学院，河南 许昌 461000；4.河南牧业经济学院食品与生物工程学院，河南 郑州 450044）

我国是世界上最大的小麦生产国和消费国，每年小麦产量超过1 亿吨，经生产加工后产生约2 000 万t麸皮副产物[1-2]。目前小麦麸皮多应用于酿酒、制醋、饲料原料等加工领域，而较少用于深加工，因此附加值较低[3-4]。通过对麸皮进行改性预处理及微生物发酵，能有效改变麸皮的营养组成及活性成分，延长小麦加工产业链，实现对小麦副产品的二次利用，具有重要的经济和社会效益。本文就不同改性方式、不同菌种发酵麸皮，对其营养活性成分含量影响的相关研究进行论述总结。

1 麸皮的营养组分

小麦麸皮主要由皮层和糊粉层两部分组成，是面粉加工过程中的主要副产物[5]，占小麦籽粒的22%～25%。麸皮蛋白主要分为麦谷蛋白和麦胶蛋白，含有人体所需的8 种必需氨基酸，在基本氨基酸中，又以谷氨酸为主[6]；酚类化合物和活性多糖是小麦麸皮中的两大活性物质，酚类物质主要存在于麦麸皮层中，包括酚酸、类黄酮和木酚素等，具有较强的抗氧化活性[7]。多糖同样具有很多生物活性，包括抑菌[8]、抗氧化[9-11]、免疫调节[12-14]和肠道益生等[15-16]。膳食纤维作为小麦麸皮里的主要成分，约占其比重的35%～50%，膳食纤维除可以促进肠道蠕动、防止便秘、减少有害物质与肠壁接触时间、降低患病风险外，还可以减少消化过程中对脂类的吸收，从而降低血液中的胆固醇和甘油三脂，起到预防高血压和心脑血管疾病的作用。

2 麸皮改性研究

早期人们对于麸皮所具有的营养价值及功能认识不足，直接将其作为动物饲料和一些产品的原材料[17]，麸皮的价值未得到充分的开发利用，造成了资源的严重浪费。

2.1 挤压膨化及超微粉碎的麸皮改性研究

任顺成等[18]的研究发现，麦麸经挤压膨化处理后，总膳食纤维和可溶性膳食纤维含量分别提高了11.69%和1.16%，说明挤压膨化后的麦麸其可食性、功能性以及营养性会得到明显改善。Zhang 等[19]通过超微粉碎得到不同粒径燕麦麸皮，经有机试剂提取后发现其多酚含量和黄酮含量均有明显差异，其中游离多酚和游离黄酮随麸皮粒径的减小含量明显增加，分析这是由于游离多酚可以直接被有机溶剂提取，麸皮粒径越小，与有机溶剂的接触面积越大，有效增大了提取率。

2.2 蒸汽爆破的麸皮改性研究

张瑞婷[20]在2.5 MPa 下蒸汽爆破处理小麦麸皮30 s后，麦麸中的游离阿魏酸和结合阿魏酸的含量均有所增加，此时总酚含量最高，为28 mg/g，是未处理时的3.057 倍，此时抗氧化活性也达到最大，表明蒸汽爆破处理可以明显提高麦麸中的总酚含量及抗氧化成分。高海飞[21]以小麦麸皮为处理原料，采用汽爆预处理技术及耦合超微粉碎技术，研究发现小麦麸皮粉的功能特性包括水合性和吸附性，小麦麸皮粉抗氧化成分含量和抗氧化性明显提高，其功能营养价值和感官品质得到提升，这对于小麦麸皮在食品行业的应用和开发具有一定的指导意义。

2.3 酶解的麸皮改性研究

吕春月等[22]通过微波联合酶解的处理方式改良小麦麸皮，粗纤维含量降低至2.79%，还原糖含量上升至25.15 mg/mL，表明微波联合酶解可以破坏分子间的糖苷键，使小麦麸皮细胞壁中纤维素、半纤维素降解，生成小分子的还原糖，明显改善了小麦麸皮的食用品质。李治[23]向小麦麸皮中添加1∶2（质量比）纤维素酶与木聚糖酶，添加总量为麦麸质量的0.3%，料液比1∶10（g/mL），pH4.5，55 ℃下酶解5 h，发现麦麸的持水力、膨胀力和持油力均得到提高，且持油力提升最明显，同时有效降低了麦麸的胆酸钠吸附能力以及阳离子交换能力，该工艺有利于充分利用小麦麸皮，提高产品的加工利用率。

2.4 微生物发酵的麸皮改性研究

小麦麸皮经微生物发酵后，可将麸皮中的抗营养因子降解，转化为易消化吸收并且无毒害的麸皮发酵产物，从而提高微量元素的生物利用率，改善含麸产品的工艺、感官和营养特性[24-25]。研究发现，经微生物发酵可使麸皮内的束缚型酚酸得到释放，总酚及阿魏酸含量得到提高[26]，发酵液中多糖和复合成分增多[27]。多糖和多酚作为麦麸中最主要的生理活性物质，对机体的健康发挥着至关重要的作用，通过微生物发酵提高其含量，对减少资源浪费，提高其附加价值具有重要意义。同时随着饲料中促生长类抗生素的逐渐禁用，开发营养平衡、绿色饲料成为一种趋势，使得微生物发酵技术备受食品业和畜牧业的青睐。

3 菌种与麸皮的生物转化

通过VOSviewer 文献检索软件，以“小麦麸皮、发酵”为关键词，在Web of Science 检索最近五年的文献发现，目前麸皮发酵的研究热点主要集中于利用黑曲霉和乳酸菌进行固态发酵。固态发酵按固液比又可分两种：固液比较小，可以将微生物培养在潮湿的底物上，按照规定的条件进行发酵；第二种为固液比例比较大，原料一般利用价值较高，如麦麸、薯粉等[28]。Zhao等[29]采用酵母和乳酸菌对麦麸进行固态发酵后总膳食纤维和可溶性膳食纤维增加，超过20%的植酸被降解。胡博涵[30]利用微生物对小麦麸皮进行发酵，可充分将麸皮中的束缚型酚酸释放，在提高麦麸的总酚和阿魏酸含量的同时，其抗氧化活性也得到了相应的提高。周聪[31]利用微生物发酵得到紫麦麸皮总酚含量比未发酵前提高了两倍，同时提高了紫麦麸皮的抗氧化活性，表明固态发酵是改善麦麸品质的有效途径。

目前国内外用于麸皮发酵的微生物菌种主要有酵母菌、乳酸菌、枯草芽孢杆菌、霉菌等。发酵生产中，选取不同的菌种，发酵产物中的成分含量会有所不同，见表1。

表1 不同菌种发酵对麸皮营养物质的改善情况Table 1 Improvement of nutrients in bran by fermentation with different strains

由表1 可知，在菌种选取上，除以单菌进行的发酵外，还可利用复合菌发酵麸皮，通过各菌种之间的协作关系，有助于提高发酵产物的品质。

3.1 酵母菌在麸皮生物转化中的应用

麸皮经酵母菌或乳酸菌发酵后，其营养成分得到改善，植酸含量降低，可溶性阿拉伯木聚糖、酚酸含量的提高，使得小麦麸皮的抗氧化活性得到增强[38]，这是由于发酵过程中会产生高活性的解聚酶，破坏结合态酚酸与阿拉伯木聚糖之间的酯键，进而释放细胞壁中的结合态酚酸和阿拉伯木聚糖。崔晨晓等[32]利用即发活性干酵母，固态发酵小麦麸皮12 h 后，多酚含量出现明显的升高，后经优化35 ℃，发酵24 h 后，多酚含量可达4.854 mg GAE/g，较未发酵麸皮增加了49.4%。研究发现，酵母菌发酵的麸皮作为原料回添到面包中，对改善面包口感、延长保质期具有重要作用。

3.2 乳酸菌在麸皮生物转化中的应用

小麦麸皮经乳酸菌发酵，产物中的氨基酸，维生素和有机酸等有所增加，改善了发酵产物的风味[39]。Wang 等[34]用植物乳杆菌423 发酵小麦麸皮后气味丰度明显增强，其中硫化物和芳香物质的气味增加最为明显。将麸皮发酵液中纯化得到的抗氧化组分，作用于人脐静脉内皮细胞，显示出较强的活性氧清除能力，研究表明，植物乳杆菌423 发酵小麦麸皮在清除羟自由基活性中发挥重要作用。

Coda 等[40]利用乳酸菌发酵小麦麸皮24 h，发现麸皮中叶酸、酚酸、多酚的生物利用度得到提高。王太军[41]利用乳酸菌对麸皮进行发酵，小麦麸皮中可溶性阿拉伯木聚糖、总酚含量均有明显增加，植酸含量下降，总膳食纤维含量下降，可溶性膳食纤维比例提高，说明乳酸菌发酵可以提高麸皮的加工特性和营养素的含量，可为相关麸皮食品的开发提供理论参考。

3.3 曲霉在麸皮生物转化中的应用

Anné 等[42]利用黑曲霉、米曲霉、泡盛曲霉，发酵小麦麸皮后，阿魏酸较未发酵麸皮含量明显升高，分别提高了234.5%、326.9%、1 414.9%。赵浩源等[35]选取黑曲霉菌株TRIIM 3.00954，以麦麸∶甘蔗渣=2∶1（质量比）混合作为基质，发酵产阿魏酸酯酶，之后与木聚糖酶联合作用于已去除淀粉的麸皮，可将麦麸中60.6%的阿魏酸释放出来。分析这是由于阿魏酸酯酶与木聚糖酶共同作用于细胞壁，同时打断阿魏酸酯键和糖苷键，使阿魏酸得以更好释放，为工业化提取阿魏酸提供了有效途径。

3.4 复合菌在麸皮生物转化中的应用

麸皮进行复合发酵时，菌种的添加比例对发酵效果会产生较大影响，安晓萍等[43]以酿酒酵母6.73%、枯草芽孢杆菌3.27%的接种量，在料水比1∶1（g/mL），麸皮、豆粕粉和玉米粉组成的培养基中发酵。最终发酵麸皮中的多糖含量可达55.92 mg/g。张福娟[44]以黑曲霉和热带假丝酵母作为发酵菌种，菌种配比为2∶1，麸皮含水量70%，在35 ℃下发酵72 h。发酵结束后蛋白质含量达24.86%，粗纤维含量降低至3.74%，表明恰当的菌种配比有助于提高菌种间的协同发酵，改善发酵产物的品质[45]。

任雪荣等[36]利用枯草芽孢杆菌和酿酒酵母在37 ℃、料水比1∶1（g/mL）的条件下，混合固态发酵麸皮84 h。发酵完成后测定水溶性麸皮多酚含量，结果表明多酚含量较发酵前提高了294.41%。由此可见，微生物复合发酵对提高水溶性麸皮多酚含量具有明显作用。

李翔宇等[37]利用枯草芽孢杆菌和康氏木霉混菌发酵麸皮时发现，若枯草芽孢杆菌的比例较低，则发酵产物中的粗蛋白含量高于单一菌种发酵；若比例相反，则发酵产物中的粗蛋白含量会有所下降。经分析可能是枯草芽孢杆菌含量较多时抑制了康氏木霉的生长，进而对发酵体系中的菌种代谢活动产生了影响。因此，在发酵后期加入枯草芽孢杆菌，不仅可以增加益生菌的含量，还能避免菌种间的相互抑制。

4 麸皮生物转化产物的应用

近年来，微生物法发酵处理麸皮技术得到广泛应用，与传统方法相比，该方法成本及能耗较低，操作简单，反应条件温和，无需添加任何化学物质，不受设备限制且转化率较高，避免了传统有机溶剂提取时有毒物质的残留，安全性较高[46]。在发酵过程中，活性物质可通过微生物的代谢而产生，也可以依赖微生物的代谢破坏活性物质与基质的结合，从而释放活性物质，这使得麸皮中多种抗氧化活性物质得到提高，表明微生物发酵有着广阔的发展前景。生物转化产物中的膳食纤维，对于高血压及结肠癌、直肠癌等，具有一定的治疗和预防作用[46]，可用于开发主食性谷物制品[47]，以满足消费者的营养需求；麸皮发酵产物中含有大量的生物活性物质——抗氧化物质[48-49]，作为抗氧化成分，阿魏酸的抗氧化活性最强，含量最多[50]。阿魏酸及衍生物在增强化妆品抗氧化性能、提高食品抗氧化能力和抑制腐败菌生长等方面应用较为广泛。多糖具有抗氧化、降血糖和肝保护活性[51]，可直接作用于肿瘤细胞，抑制其生长，诱导细胞凋亡等。这主要是由于抗氧化物质能直接作用于自由基，清除多余不配对电子或间接消耗掉容易生成自由基的物质，进而对机体健康进行保护[52]。

5 结语与展望

综上所述，通过对麸皮进行改性及生物转化，可有效提高麸皮中的营养活性成分含量，延长小麦加工产业链，提高其价值链。今后对于麸皮的研究重点将主要集中于以下几个方面：1）多方式联用对麸皮进行改性处理，改善麸皮营养价值及感官品质；2）发酵菌种选取的问题，菌种的安全性是一切的前提；3）复合菌种发酵，对不同菌种的发酵产物进行营养评估，选取合适的微生物菌种及组合，探究最适作用条件，这对后期的发酵生产，提高其附加价值具有重要意义；4）微生物发酵提取技术的改进，针对特定的发酵产物，所需发酵条件需进一步优化；5）通过对小麦麸皮中多酚，多糖的进一步研究，为后期开发设计功能性食品及医药的奠定理论基础。