李燕华,李力,田潇凌,黄芮,马森

河南工业大学 粮油食品学院,河南 郑州 450001

0 引言

近年来,全谷物食品因具有营养健康价值而得到迅猛发展,研究[1]表明,长期摄入全谷物食品能降低患肥胖、糖尿病等慢性病的风险。其中,全麦挂面因能增加饱腹感、促进肠胃蠕动等优点受到广大消费者的青睐,但麸皮中高含量的不溶性膳食纤维(Insoluble Dietary Fiber,IDF)会导致全麦挂面易折断、蒸煮损失率和断条率增大、弹性降低等现象的出现。因此,为减弱麸皮对全麦挂面的劣化作用,研究人员常采用微生物发酵或酶解的方法对麸皮进行生物改性处理。例如,刘姣等[2]研究发现,利用木聚糖酶对麸皮进行适当处理后,可降低全麦挂面的煮熟增重率,提高挂面的营养品质。C.Y.Xu等[3]研究发现,回添经白酒曲和酵母菌协同发酵的麸皮,可缩短全麦挂面的最佳蒸煮时间并减少蒸煮损失率,挂面的外观和断面组织也均发生了明显变化。王赛民等[4]研究发现,利用乳酸菌和酵母菌协同发酵麸皮,可显著提高麸皮的可溶性膳食纤维(Soluble Dietary Fiber,SDF)含量,且在提高面团及挂面品质方面的效果尤为突出。

目前,针对麸皮生物改性的研究多采用单一微生物发酵或酶解的方法,将两者结合使用的研究仍较少,且发酵所用微生物主要是乳酸菌和酵母菌[5],酶解常用的木聚糖酶和纤维素酶也只能破坏纤维素和半纤维素结构中的β-糖苷键[6],不能专一且有效地降解麸皮中嵌合在纤维素和半纤维素中的木质素,因此降解效率较低。担子菌能分泌一系列木质素降解酶,可破坏膳食纤维物理屏障,提高其生物转化效率,但单独利用担子菌发酵麸皮会出现菌体解体死亡、产酶不足等问题[7],影响麸皮的降解效率。基于此,本文拟采用纤维素酶、木聚糖酶协同担子菌改性技术对麸皮进行处理,并研究该技术对麸皮组分含量,以及改性麸皮对重组全麦粉及全麦挂面品质的影响,以期为全麦挂面品质的改良研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 主要材料与试剂

八星雪花小麦粉(总淀粉含量(66.37±0.86)%,蛋白质含量(13.69±0.11)%,水分含量(12.22±0.26)%,脂质含量(1.6±0.07)%,粗纤维含量(1.01±0.52)%,灰分含量(0.45±0.01)%),五得利面粉集团有限公司;麸皮,中鹤现代农业开发集团有限公司;木聚糖酶(100 000 U/g)、纤维素酶(10 000 U/g),上海麦克林生化科技有限公司;担子菌(CGMCC 7004),中国普通微生物菌种保藏管理中心。

1.2 主要仪器与设备

SW-CJ-2D型双人超净工作台,上海树立仪器仪表有限公司;RS6000型哈克旋转流变仪,德国Haake公司;Farinograph-AT自动型粉质仪,北京布拉德科技有限公司;TH2-D型恒温振荡器,太仓市实验设备厂;Quanta FEG-250型扫描电子显微镜,美国Thermo Fisher Scientific 有限公司;TA.XT Plus型质构仪,英国Stable Micro System公司。

1.3 实验方法

1.3.1 菌液制备培养基配方:葡萄糖2.0 g,酵母膏0.2 g,KH2PO40.25 g,MgSO40.15 g,维生素B1 0.05 g,土霉素0.02 g,蒸馏水100 mL。

在装有100 mL培养基的250 mL摇瓶中放入5粒直径约为5 mm的玻璃珠,灭菌20 min,用接种环取3环担子菌菌体接种至摇瓶中,于30 ℃、160 r/min的恒温振荡器中培养4 d,制得菌液,备用[8]。

1.3.2 菌酶协同改性麸皮制备取25 g麸皮,粉碎过40目筛,置于500 mL烧杯中,加入0.25 g木聚糖酶和1.00 g纤维素酶,按照m(麸皮/g)∶V(去离子水/mL)=1∶1的比例加入去离子水(pH值为5.0),混合均匀,于50 ℃条件下酶解12 h后,在121 ℃高压灭菌锅中灭菌20 min;加入麸皮质量0.6%的葡萄糖、0.2%的MgSO4、0.6%的(NH3)2SO4、0.3%的K2HPO4和15%的菌液,混匀后置于30 ℃、相对湿度85%的培养箱中分别发酵3 d、4 d、5 d、6 d和7 d;将各发酵时间点的麸皮烘干、磨碎,过60目筛,即得菌酶协同改性麸皮[9]。以未改性麸皮(粉碎过60目筛)为对照。

1.3.3 重组全麦粉制备分别将改性麸皮和未改性麸皮按质量分数15%回添至小麦粉中,混合均匀,即得重组全麦粉,置于自封袋中密封保存,放于4 ℃冷库中,备用。

1.3.4 麸皮组分含量测定IDF、SDF含量的测定参照文献[10]中的方法;粗蛋白含量测定参照文献[11]中的方法;粗淀粉含量测定参照文献[12]中的方法。可溶性阿拉伯木聚糖(WEAX)含量的测定参照张维清等[13]的方法,并稍作修改。准确称取1 g改性麸皮于50 mL离心管中,加入20 mL去离子水,涡旋振荡3～5 s充分混匀,在室温条件下于水浴锅中振荡提取30 min后,于4 ℃、5000 r/min条件下离心10 min,取上清液,备用。

1.3.5 麸皮微观结构表征参照闫晓光等[14]的方法,将麸皮均匀平铺于导电胶上,把托盘放入离子溅射仪中喷金90 s后取出,快速转移至扫描电子显微镜样品装载区域中,分别放大300倍和3000倍后进行观察。

1.3.6 重组全麦粉粉质特性测定参照徐安民[15]的方法,向面钵中加入质量约为50 g的重组全麦粉,混揉1 min后,快速加入一定量的蒸馏水,控制面团的最大稠度为480～520 BU,利用粉质仪测定并记录面团形成及扩展过程中稠度随时间变化的曲线,得到该曲线的各项特征值,包括吸水率、面团形成时间、稳定时间、弱化度等。

1.3.7 重组全麦粉动态流变学特性测定按1.3.6的方法制备面团,将面团放入25 ℃、相对湿度80%的醒发箱中醒发30 min,将其置于哈克旋转流变仪平台上,下降探头,将多余面团刮去,给暴露在外的面团涂抹一层凡士林后盖上盖子,防止水分蒸发,并在平台上平衡2 min,以消除残余应力。使用的探头型号为PP35Ti,测试温度为(25±0.1)℃,间隙为2 mm,应变为1%,扫描频率范围为0.1～10.0 Hz[16]。

1.3.8 全麦挂面制备参照周玉瑾[17]的方法,并稍作修改。称取200 g重组全麦粉于和面机中,按照1.3.6的方法加入适量蒸馏水,搅拌10 min后得到面絮;用保鲜膜包裹面絮后,置于30 ℃、相对湿度85%的醒发箱内醒发30 min,依次压片、切条和干燥。

1.3.9 全麦挂面力学特性测定参照屈路衡[18]的方法,随机选取完整的全麦挂面,截取15 cm,将其垂直放于质构仪探头和夹具之间测定折断力和柔韧性。采用压缩模式,探头型号为A/SFR,测试前、中、后速度分别为0.50 mm/s、2.50 mm/s和10.00 mm/s,触发力为2.0 g。每组样品重复测定10次,实验结果需删除极值。

1.3.10 全麦挂面蒸煮特性测定参照屈路衡[18]的方法,称取11 g较完整的全麦挂面放入500 mL沸水中,煮制2 min后,每隔15 s捞出1根面条,用两块透明玻璃板挤压面条,面条间硬白芯消失的时间即为最佳蒸煮时间。将煮至最佳蒸煮时间的面汤转入500 mL容量瓶中并定容,取100 mL面汤于恒重的250 mL烧杯中,置于电炉上蒸干大部分水分,再将烧杯转移至105 ℃烘箱中烘干至恒重,按下式计算蒸煮损失率:

蒸煮损失率=(m1-m0)/m2×5×100%

式中:m0为恒重空烧杯质量/g;m1为含有100 mL面汤干物质的恒重烧杯质量/g;m2为称取的全麦挂面质量/g。

参照高维等[19]的方法,取30根较完整的全麦挂面置于500 mL沸水中,煮制最佳蒸煮时间后捞出,长度<12 cm的面条为断面条,记录断面条根数后,按下式计算断条率:

S=A/30×100%

式中:S为断条率/%;A为断面条根数/根。

1.3.11 全麦挂面质构特性测定参照韩聪等[20]的方法,将全麦挂面煮至最佳蒸煮时间时迅速捞出,过冷水30 s后立即捞出,用滤纸吸干挂面表面水分并用保鲜膜包裹;取3根煮熟的挂面平铺于测试平台上,用P36/R探头进行全质构测定。每个样品重复测定7次,实验结果需删除极值。

1.4 统计分析

每个实验至少重复3次,数据表示为(平均值±标准差)。在SPSS软件(Version 22.0)中采用Tukey多重比较检验进行ANOVA分析,显著性水平为P<0.05。采用Origin 2018软件绘图。

2 结果与讨论

2.1 菌酶协同改性对麸皮组分含量的影响

麸皮内部分子组成决定了其功能特性,SDF中的WEAX可改善面团的流变学特性,提高面团的黏弹性[21],而IDF含量的高低在一定程度上能反映麸皮的被降解程度。不同菌酶协同改性麸皮的组分含量见表1。由表1可知,经菌酶协同改性处理后,麸皮中蛋白质含量显著升高(P<0.05),这可能是因为微生物在发酵过程中会消耗部分营养物质(如碳水化合物)并产生大量消化酶、菌体蛋白等物质,从而累积蛋白质,提升麸皮蛋白质水平[22];麸皮IDF含量显著降低,SDF和WEAX含量显著升高(P<0.05),这可能是因为麸皮坚硬的细胞壁组分被纤维素酶、木聚糖酶及担子菌代谢产生的各种解聚酶所降解[23-24],且酶解作用使IDF中的糖苷键断裂,由大分子物质转变为SDF和小分子的糖类[25]。随着发酵时间的延长,SDF和WEAX含量均呈先增大后减小的趋势,发酵时间为5 d时二者含量均最高,这可能是因为发酵时间短于5 d不利于酶的合成;而发酵时间长于5 d时,为了维持微生物的生长代谢,SDF和WEAX被进一步分解成小分子的葡萄糖、阿拉伯糖、木糖等单糖,进而被微生物消耗利用[26]。

表1 不同菌酶协同改性麸皮的组分含量Table 1 The component content of different bacteria-enzyme synergistic modified bran

2.2 菌酶协同改性对麸皮微观结构的影响

麸皮的功能和结构特性主要由其内部结构和表面性质决定[27],麸皮的持水性与其表面亲水基团的数量有关,麸皮细胞壁破损程度增加、粒度降低均会导致亲水基团减少,进而导致麸皮持水能力下降[28]。不同菌酶协同改性麸皮的微观结构如图1所示,其中每组图左边是放大3000倍,右边是放大300倍。由图1a)可知,未经改性处理的麸皮,其结构较为紧密,表面光滑平整,麸皮粒度较大[29]。由图1b)—1f)可知,经菌酶协同改性处理的麸皮,其表面均较为粗糙,呈现不规则、疏松的多孔状,有明显的断层现象,并附有部分较小碎片,麸皮粒度明显减小[30]。菌酶协同改性过程中,木聚糖酶作用于麸皮细胞壁中的不溶性阿拉伯木聚糖(WUAX)并使其转化为WEAX,而纤维素酶作用于纤维素中的糖苷键结合位点并使其断裂,致使不溶性大分子糖类降解为可溶性小分子化合物。木质素主要被担子菌代谢产生的降解酶所降解,且担子菌也能产生降解纤维素和半纤维素的酶[31]。各种酶系的协同作用使麸皮细胞壁结构被降解和严重破坏,WUAX部分转化为WEAX,麸皮的总纤维基质被破坏,麸皮粒度减小,在水中易发生团聚现象[32],耐水渗透性增强,这可能导致麸皮的持水能力下降[28,33-34]。

图1 不同菌酶协同改性麸皮的微观结构图Fig.1 The microstructure diagrams of different bacteria-enzyme synergistic modified bran

2.3 菌酶协同改性麸皮对重组全麦粉粉质特性的影响

小麦粉的粉质特性是评价其面团品质和加工特性的重要指标[35]。形成时间与面筋强度有关,形成时间越长,面筋强度越强;稳定时间可反映面团的耐揉性,且与其呈正比例关系[36];弱化度可反映面筋强弱程度,弱化度越大,面筋强度越弱,面团加工性能越差。回添不同菌酶协同改性麸皮的重组全麦粉的粉质特性见表2。由表2可知,回添未改性麸皮后,重组全麦粉的吸水率和弱化度均升高,质量指数降低,稳定时间和形成时间均缩短,这可能是因为麸皮的加入稀释了小麦粉中的面筋蛋白,且麸皮较大的空间位阻和剪切作用破坏了面团的连续性[37],使面筋蛋白不易形成稳定的网状结构[38]。菌酶协同改性麸皮使重组全麦粉的吸水率显著下降(P<0.05),结合2.1和2.2的结果可知,菌酶协同改性可使IDF部分降解为SDF,细胞破损比例增加,麸皮粒度降低,导致重组全麦粉的吸水能力降低[28,39],这与K.Hartikainen等[34]的研究结果较一致。回添酶解后发酵5 d麸皮的重组全麦粉,其稳定时间延长到5.41 min,与对照组相比,弱化度降低了22.50 FU。因此,回添菌酶协同改性麸皮的重组全麦粉的粉质有明显提升,这可能是因为菌酶协同改性麸皮的IDF含量降低,WUAX转化为WEAX,其与能产生自由基的化合物(如脂肪氧化酶)共存时可形成凝胶三维网状结构,弥补部分面筋蛋白的作用[40],减弱麸皮对重组全麦粉的粉质劣化程度。

表2 回添不同菌酶协同改性麸皮的重组全麦粉的粉质特性Table 2 The farinograph properties of recombinant whole wheat flour with different bacteria-enzyme synergistic modified bran

2.4 菌酶协同改性麸皮对重组全麦粉动态流变学特性的影响

小麦粉动态流变学特性与其产品的加工特性及最终产品的品质密切相关[41]。弹性模量(G′)可反映物质的类固体性质,表征物料弹性;黏性模量(G″)可反映类液体性质,表征物料黏性[36]。回添不同菌酶协同改性麸皮的重组全麦粉面团的G′和G″如图2所示。由图2可知,回添未改性麸皮的重组全麦粉面团,其G′和G″远高于小麦粉面团,且G′>G″,即添加麸皮会导致面团的硬度增大,表现出更强的类固体特性,这与朱璠[42]的研究结果较一致。这可能是因为麸皮与面筋蛋白争夺水分,降低了水分在面团中的润滑作用,且填充在面筋蛋白网络中的麸皮使面团延展性下降,进而导致G′和G″增加[43]。回添菌酶协同改性麸皮的重组全麦粉面团,其G′和G″较回添未改性麸皮的重组全麦粉面团有所降低,而与小麦粉面团相近[44]。这可能是因为菌酶协同改性麸皮已发生降解,其粒度和持水性均降低[33],且麸皮纤维中含有的大量亲水基团被破坏,导致其与面筋蛋白竞争水分的能力降低[45],面筋蛋白能吸收足够的水分而充分展开,并相互缠绕形成黏弹性体系,最终使得面团延展性增强,硬度降低。回添酶解后发酵5 d麸皮的重组全麦粉面团,其G′和G″均有所升高,这可能是因为菌酶协同改性可使能影响面团形成的WEAX充分产生,而WEAX能与面筋蛋白交联产生新的网状结构,弥补麸皮对面筋蛋白网络结构的破坏,改善面团的黏弹性[46]。

图2 回添不同菌酶协同改性麸皮的重组全麦粉面团的G′和G″Fig.2 The G′ and G″ of recombinant whole wheat flour dough with different bacteria-enzyme synergistic modified bran

2.5 菌酶协同改性麸皮对全麦挂面力学特性的影响

力学特性是评价挂面在包装、流通过程中易断裂程度的重要参数[47]。其中,折断力表示挂面在弯曲时能承受的最大力,折断力越大,挂面越不易断裂;柔韧性表示挂面在承受最大折断力时弯曲的距离[48]。回添不同菌酶协同改性麸皮的全麦挂面的力学特性如图3所示,其中同一指标不同小写字母表示组间有显著性差异(P<0.05)。由图3可知,麸皮的稀释及剪切刺穿作用破坏了面筋蛋白网络结构,导致回添未改性麸皮的全麦挂面的内部结构较松散,能承受的外部作用力降低。回添菌酶协同改性麸皮的全麦挂面,其折断力和柔韧性均有所提高,且随着发酵时间的延长,整体呈先增大后减小的趋势,这可能是因为菌酶协同改性过程中释放了高黏结性的WEAX,能在一定程度上保护面筋蛋白的网络结构,避免其力学特性改变[49],且菌酶协同改性可软化麸皮,使其对面筋蛋白网络结构的破坏作用减弱[50],从而使面条能弯折更大的角度[47]。

图3 回添不同菌酶协同改性麸皮的全麦挂面的力学特性Fig.3 The mechanical properties of whole wheat noodles with different bacteria-enzyme synergistic modified bran

2.6 菌酶协同改性麸皮对全麦挂面蒸煮特性的影响

最佳蒸煮时间、蒸煮损失率和断条率是评价挂面蒸煮特性的关键指标,其中,蒸煮损失率和断条率可反映挂面内部面筋蛋白网络结构的强弱及淀粉颗粒被包裹的紧密程度,蒸煮损失率和断条率越高,煮制过程中溶解在面汤中的可溶性成分的总量越高[51],挂面越易糊汤。回添不同菌酶协同改性麸皮的全麦挂面的蒸煮特性见表3。由表3可知,菌酶协同改性处理对全麦挂面的最佳蒸煮时间影响较小,而回添菌酶协同改性麸皮的全麦挂面的蒸煮损失率和断条率均有所下降,回添酶解后发酵5 d麸皮的全麦挂面,其蒸煮损失率由回添未改性麸皮的全麦挂面的10.62% 降为9.05%,这可能是因为菌酶协同改性麸皮会释放具有黏结性的WEAX,使得麸皮颗粒黏结在面筋基质中,另外,麸皮释放的活性物质(如阿魏酸等)会增强面筋蛋白的聚集程度,将淀粉包裹得更紧密[47]。结合图1可知,菌酶协同改性可破坏麸皮坚硬的纤维结构,减弱麸皮对面筋蛋白网络结构的弱化作用,增强面筋蛋白网络的交联度,强化蛋白质-淀粉-纤维的三维网状结构,淀粉被包裹得更紧密且在蒸煮过程中的扩散程度降低[52]。

表3 回添不同菌酶协同改性麸皮的全麦挂面的蒸煮特性Table 3 The cooking characteristics of whole wheat noodles with different bacteria-enzyme synergistic modified bran

2.7 菌酶协同改性麸皮对全麦挂面质构特性的影响

质构特性是评价面条品质的重要指标[53],弹性、内聚性和回复性与面条的劲道感呈正相关关系[54],其中内聚性体现了咀嚼过程中面条结构被破坏的程度,内聚性越大,面条结构越紧实且越富有嚼劲[55]。回添不同菌酶协同改性麸皮的全麦挂面的质构特性见表4。由表4可知,相较于小麦粉面条,回添未改性麸皮的全麦挂面的硬度显著增大(P<0.05),内聚性、弹性和回复性均显著降低(P<0.05)。研究[56]表明,麸皮中的IDF含量与含麸皮面团的硬度呈正相关关系。菌酶协同改性处理能降解麸皮中的IDF,使其含量降低,从而改善全麦挂面的硬度[57]。此外,麸皮蛋白质含量越高,含麸皮挂面的弹性和回复性越好[56]。结合表1可知,菌酶协同改性麸皮所含蛋白质含量较未改性麸皮有显著提高,故回添菌酶协同改性麸皮的全麦挂面,其整体呈现软弹的特点[47]。随着发酵时间的延长,回添菌酶协同改性麸皮的全麦挂面的硬度、弹性、内聚性和回复性均呈先增大后减小的趋势,其中,回添酶解后发酵5 d麸皮的全麦挂面,其弹性显著高于(P<0.05)其他改性麸皮全麦挂面。研究[58]表明,淀粉分子与面筋蛋白网络结构交联点的多少与面团弹性的大小呈正相关关系。酶解后发酵5 d的麸皮会释放更多的WEAX及其他活性物质,增强面筋蛋白的网络结构[47],另外,回添菌酶协同改性麸皮会降低挂面中水分的流动性,减弱对面筋蛋白网络的损伤,增加面筋蛋白网络结构与淀粉分子的交联点[15]。

表4 回添不同菌酶协同改性麸皮的全麦挂面的质构特性Table 4 The texture characteristics of whole wheat noodles with different bacteria-enzyme synergistic modified bran

3 结论

本文以纤维素酶、木聚糖酶协同担子菌改性处理麸皮,探究改性麸皮对重组全麦粉及其挂面品质的影响,得到如下结论:经菌酶协同改性后,麸皮的营养品质得到提升,IDF含量显著降低,而SDF、WEAX和蛋白质含量均显著升高;相较于其他改性麸皮,酶解12 h后接菌发酵5 d的麸皮更能释放有利于面筋蛋白网络结构形成的WEAX,在改善重组全麦粉及其挂面品质的劣化程度方面表现出更大的优势,在该改性条件下制备的重组全麦粉,其面团的面筋筋力更强、更耐揉搓、硬度更低且弹性更高,所制备的全麦挂面在运输过程中不易断裂,煮制后口感劲道且不易糊汤,更符合消费者的需求。因此,该菌酶协同改性方法可有效软化麸皮结构,降解其不溶性纤维组分,改善IDF与SDF比例,弱化麦麸对全麦粉品质的劣化程度,提高麸皮的经济附加值,也为改善全麦挂面的品质与营养提供了新的技术思路。