發(fā)芽對小麥營養(yǎng)和加工品質(zhì)影響研究進(jìn)展

劉可欣 楊潤強(qiáng) 顧振新 王 沛

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，南京 210095)

小麥?zhǔn)俏覈诙蠹Z食作物，種植面積占糧食作物總面積的25%，占糧食總產(chǎn)量的22%[1]，小麥的需求量在全世界范圍內(nèi)逐年增加，小麥粉可以用來制作多種食物，為人體提供蛋白質(zhì)和淀粉等基本營養(yǎng)物質(zhì)。近年來，小麥發(fā)芽逐漸成為了一個全球性問題，在新西蘭[2]及加拿大[3]等地區(qū)均有發(fā)生。小麥發(fā)芽通常有兩方面的原因，一是在南方梅雨季節(jié)，由于天氣潮濕而使未收獲的田間小麥產(chǎn)生穗發(fā)芽；二是在小麥?zhǔn)斋@后的儲藏期間，未及時進(jìn)行干燥處理，造成糧堆發(fā)熱，導(dǎo)致小麥發(fā)芽。小麥在發(fā)芽過程中呼吸作用增強(qiáng)，激活了淀粉酶和蛋白酶的活性，使蛋白質(zhì)和淀粉發(fā)生水解，小麥粉的加工品質(zhì)發(fā)生劣變，主要表現(xiàn)為面團(tuán)的拉伸特性、粉質(zhì)特性及面粉的食用品質(zhì)下降[4-5]。但發(fā)芽小麥中一些對人體有益的功能性成分會增加[6]，如多酚類物質(zhì)、γ-氨基丁酸及阿拉伯木聚糖等，能對人體起到抗癌、抗衰老等保健功能。本文從發(fā)芽小麥功能性成分、加工組分及面粉加工品質(zhì)等方面探索發(fā)芽小麥的應(yīng)用前景，以期為發(fā)芽小麥的合理利用提供參考。

1 發(fā)芽小麥功能性成分變化

1.1 多酚類物質(zhì)

多酚是一種對人體十分有益的功能性營養(yǎng)成分[7]，在植物性原料中分為水楊酸和羥基肉桂酸兩類衍生物。近幾年的研究中發(fā)現(xiàn)，小麥含有一定含量的多酚類物質(zhì)，以結(jié)合酚的形式存在于小麥的麩皮中，如阿魏酸、香草酸、丁香酸、芥子酸、咖啡酸等[8]，它們可作為一種植物原料中的抗氧化劑，在小麥發(fā)芽過程中，多酚類的物質(zhì)含量會有所增加。在Hung等[9]的研究中，在發(fā)芽36～48 h期間，游離酚含量明顯增加，結(jié)合酚的含量則先下降后增加，這是由于在發(fā)芽過程中酚酸處于不斷分解與合成的動態(tài)變化過程，兩者含量的變化會導(dǎo)致小麥抗氧化能力的變化，其他研究學(xué)者也得出了類似的結(jié)論[10]。在Dziki 等[11]的研究中，發(fā)現(xiàn)小麥中的對羥基苯甲酸、丁香酸和對香豆酸的含量在發(fā)芽期間明顯增加，相應(yīng)的抗氧化能力及清除自由基能力也得到提高。

1.2 γ-氨基丁酸

γ-氨基丁酸(GABA)又稱4-氨基丁酸或氨酪酸，是一種廣泛存在于原核和真核生物體中的非蛋白質(zhì)氨基酸，是哺乳動物腦和脊髓中的一種抑制性神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)，可以起到鎮(zhèn)靜安神、降低血壓及調(diào)節(jié)激素分泌等作用[12]。在高等植物中，GABA通過谷氨酸脫羧酶轉(zhuǎn)化L-谷氨酸形成[13]，植物組織中GABA的含量通常在0.3～32.5 μmol/g之間[14]，在發(fā)芽過程中GABA含量會顯著提高。在Hung等[6]研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)芽48 h的小麥中的GABA含量從84 mg/kg增加到155 mg/kg，含量提高了1.84倍。在張鐘[15]等的研究中，GABA含量隨著發(fā)芽時間延長而升高，至發(fā)芽48 h 時達(dá)到最高，為71.1 mg/kg，是未發(fā)芽小麥的3.57倍。此外，植物在逆境發(fā)芽條件下，如低氧、低溫、干旱、高H+、高鹽濃度及機(jī)械損傷等，GABA會得到大量富集，這是由于植物細(xì)胞中的Ca2+在受到逆境脅迫后濃度增高，GAD酶活得到提高，促進(jìn)GABA的積累。若植物長時間處于逆境條件下，細(xì)胞膜或液泡膜遭到破壞，細(xì)胞中H+增加，也同樣會增加GABA的含量[16]。在谷物發(fā)芽過程中，蛋白質(zhì)的水解作用會使可溶性蛋白和游離氨基酸的含量增加，為GABA的積累提供充足的底物來源[17]。關(guān)于發(fā)芽糙米[16]、粟谷[17]、大豆[18]等GABA富集機(jī)理已有大量研究報道，但目前于發(fā)芽小麥GABA富集機(jī)理研究較少。

1.3 葉酸

葉酸是維生素B的一種，主要存在于小麥的糊粉層中，是機(jī)體細(xì)胞生長和繁殖所必需的物質(zhì)[19]，在人體內(nèi)主要以四氫葉酸的形式存在，對細(xì)胞的分裂生長及核酸、氨基酸、蛋白質(zhì)的合成起著重要作用。Koehler等[20]的研究結(jié)果顯示，在發(fā)芽期間，葉酸含量會明顯增加。當(dāng)控制發(fā)芽溫度為20 ℃，發(fā)芽時間為102 h時，葉酸的含量為200 μg/100g DW，是未發(fā)芽小麥葉酸含量的3.6倍。在植物生長過程中，5-甲基四氫葉酸會促進(jìn)甲硫氨酸的生物合成，對植物細(xì)胞的增殖和生長起到關(guān)鍵作用。目前針對發(fā)芽小麥葉酸的研究較少，并且主要集中在含量變化方面，尚未深入探究葉酸的合成機(jī)理及代謝途徑。

1.4 阿拉伯木聚糖

阿拉伯木聚糖(AX)可分為水溶性阿拉伯木聚糖(WEAX)和水不溶性阿拉伯木聚糖(WUAX)，AX在谷物中的含量受品種和環(huán)境的影響，約占谷物的6.5%～12.2%。AX主要存在于小麥籽粒的糊粉層和胚乳細(xì)胞壁中，是一種親水性的非淀粉多糖[21]。面粉中AX的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2% 左右，其中WEAX質(zhì)量分?jǐn)?shù)約0.5～0.8%[22]。AX具有高黏度、高持水性等特征，可作為食品增稠劑、穩(wěn)定劑；此外，WEAX還具有諸多生理活性，如降低血清膽固醇[23]、抗腫瘤[24]、增強(qiáng)免疫力[25]等。在Olarets等[26]的研究中發(fā)現(xiàn)，小麥發(fā)芽過程中的總AX含量沒有明顯變化，但WUAX含量明顯下降，WEAX含量明顯增加，說明WUAX在向WEAX進(jìn)行轉(zhuǎn)化。一般而言，WUAX向WEAX的轉(zhuǎn)化對面粉品質(zhì)的提升有促進(jìn)作用，這是由于WEAX可增加面團(tuán)與水結(jié)合時的黏度，增加面團(tuán)吸水量，增加面團(tuán)的穩(wěn)定時間及延長焙烤時間等[27]。因此，發(fā)芽小麥中WEAX含量的增加，對面粉的品質(zhì)的提高可能會有一定的促進(jìn)作用。

2 發(fā)芽小麥基本營養(yǎng)組分的變化

2.1 淀粉

小麥發(fā)芽時會產(chǎn)生大量的α-淀粉酶，導(dǎo)致淀粉顆粒發(fā)生水解，產(chǎn)生損傷淀粉和可溶性糖類[28]。α-淀粉酶的活性與降落值成負(fù)相關(guān)，還與發(fā)芽條件有關(guān)，王若蘭等[29]研究指出，發(fā)芽溫度和發(fā)芽時間會對α-淀粉酶活性產(chǎn)生較為明顯的影響，在發(fā)芽時間相同的條件下，隨著發(fā)芽溫度的升高，α-淀粉酶活性先增大后減小。淀粉酶活性的變化，會直接導(dǎo)致小麥中淀粉含量的變化[4]。此外，芽麥中淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變，發(fā)芽后小麥的淀粉顆粒表面不光滑，類似遭到侵蝕[30]，芽麥中B型淀粉的含量較發(fā)芽前有所增加，含量明顯高于A型淀粉，A型淀粉的表面則具有較明顯的“赤道”槽，說明在發(fā)芽過程中，淀粉顆粒會受到淀粉酶的水解，破壞了淀粉的表面結(jié)構(gòu)[31]。

2.2 蛋白質(zhì)

小麥發(fā)芽期間蛋白酶的活性亦會增強(qiáng)，水解蛋白質(zhì)生成短肽鏈和游離氨基酸。在Hung等[6]的研究中，發(fā)芽小麥中游離氨基酸的含量明顯高于未發(fā)芽的小麥。發(fā)芽還會使蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響面粉品質(zhì)特性。小麥面筋數(shù)量和質(zhì)量的變化可通過SDS沉淀值來反映，蘇東民等[32]的研究指出，隨著發(fā)芽時間的延長，SDS沉淀值逐漸降低，說明在小麥發(fā)芽過程中，蛋白質(zhì)發(fā)生降解。而強(qiáng)筋小麥在發(fā)芽過程中對蛋白酶的抵抗力較強(qiáng)。路茜玉等[33]的研究表明，小麥在發(fā)芽期間，粗蛋白含量及SDS沉降值均降低，說明面筋蛋白質(zhì)數(shù)量和質(zhì)量下降。從蛋白質(zhì)分子量分布來看，小麥中的蛋白質(zhì)可分為高分子量蛋白(HMW , Mw≈91 000～688 000)和低分子量蛋白(LMW，Mw<91 000)，小麥發(fā)芽后，LMW增加而HMW減少[26]，致使面團(tuán)的黏彈性變差。

2.3 脂質(zhì)

小麥中的脂質(zhì)包括結(jié)合脂質(zhì)和游離脂質(zhì)，主要集中在胚和糊粉層中。在發(fā)芽過程中，胚乳中脂肪酶會水解脂肪形成脂肪酸和甘油，脂肪酸值上升，導(dǎo)致小麥品質(zhì)劣變[34]，但另一方面，脂肪水解成易被人體吸收的短鏈脂肪酸后，小麥的營養(yǎng)價值會得到提高。根據(jù)Hung等[6]的研究結(jié)果，發(fā)芽48 h小麥中的結(jié)合脂質(zhì)含量明顯下降，游離脂肪酸的含量無明顯變化，發(fā)芽過程不會影響游離脂肪酸和結(jié)合脂質(zhì)的組成。張鐘等[15]的研究表明，粗脂肪的含量隨發(fā)芽時間的延長明顯下降，不同發(fā)芽時間之間均有顯著差異。脂質(zhì)是影響面粉品質(zhì)特性的重要因素，對面團(tuán)形成過程中氣泡的透入、面筋蛋白質(zhì)的相互作用、發(fā)酵和醒發(fā)期間氣泡的擴(kuò)大都有很大影響。在面團(tuán)形成的過程中，游離脂質(zhì)會向結(jié)合脂質(zhì)轉(zhuǎn)化，并與面筋蛋白結(jié)合，形成復(fù)雜的面團(tuán)體系。目前關(guān)于發(fā)芽小麥中脂質(zhì)對面團(tuán)的影響機(jī)理及作用機(jī)制鮮有探究。

3 發(fā)芽小麥粉加工品質(zhì)的變化

3.1 磨粉品質(zhì)的變化

小麥的籽粒特性包括形態(tài)結(jié)構(gòu)及一般物理特性，通常用容重、千粒重、角質(zhì)率等指標(biāo)表示[35]。發(fā)芽小麥的籽粒結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，胚乳結(jié)構(gòu)也會發(fā)生變化，影響后續(xù)磨粉工藝[32]。Dariusz等[36]的研究指出，發(fā)芽處理會對小麥的磨粉工藝產(chǎn)生很大的影響，最明顯的變化是芽麥面粉中分布在200 μm以下的顆粒數(shù)目增加，這一變化會使小麥在磨粉過程中的研磨能量消耗減少，出粉率變低。隨著發(fā)芽時間的延長，小麥的千粒重和容重也會顯著下降，魏雪芹[30]在采取先浸泡后發(fā)芽的方式對小麥進(jìn)行短時間發(fā)芽處理(6、11、16 h)后，發(fā)現(xiàn)發(fā)芽小麥的千粒重、容重及角質(zhì)率明顯下降，小麥的胚乳中淀粉顆粒與基間蛋白的結(jié)合程度下降，淀粉顆粒排列疏松，糊粉層變薄。若淀粉顆粒和蛋白質(zhì)之間的結(jié)合過于松散，會對面團(tuán)在發(fā)酵過程中的持氣性產(chǎn)生不利的影響[37]。

3.2 面團(tuán)特性的變化

3.2.1 黏彈性

小麥面筋蛋白中的醇溶蛋白屬于單體蛋白，分子呈球狀，分子量較小，通過分子內(nèi)二硫鍵、氫鍵、范德華力等連接，具有緊密的三維結(jié)構(gòu)，使面筋具有黏性；谷蛋白大多由非極性氨基酸組成，呈纖維狀，分子量較大，醇溶蛋白和谷蛋白的相互作用也賦予了小麥面筋獨(dú)特的黏彈性[38]。發(fā)芽小麥制作的面團(tuán)會表現(xiàn)出較低的彈性和黏性，主要是由于在發(fā)芽過程中蛋白酶的活性增加，水解面筋蛋白中的肽鍵，并還原面筋蛋白和谷蛋白的二硫(SS)鍵，導(dǎo)致面筋軟化、難以成團(tuán)[39]，Singh等[40]的研究表明，小麥發(fā)芽后蛋白酶的活性升高，產(chǎn)生了還原二硫鍵的酶，使面筋網(wǎng)絡(luò)變得松散，面團(tuán)的彈性模量下降。不同類型小麥的面筋強(qiáng)度降低程度不同，隨著發(fā)芽程度加深，強(qiáng)筋小麥降低程度較低，弱筋小麥降低程度較高[32]。此外，在芽麥的胚乳結(jié)構(gòu)中，淀粉顆粒與基內(nèi)蛋白的結(jié)合程度降低，蛋白質(zhì)分子之間連接松散，而淀粉顆粒的排列也變得疏松，這也是芽麥粉黏彈性降低的一個重要原因[30]。

3.2.2 粉質(zhì)特性

通過粉質(zhì)儀可以測定在面團(tuán)和面過程中的粉質(zhì)特性，主要指標(biāo)包括面粉吸水率、面團(tuán)形成時間、面團(tuán)穩(wěn)定時間、弱化度及粉質(zhì)質(zhì)量指數(shù)。面粉吸水率主要與蛋白質(zhì)、損傷淀粉的含量有關(guān)，蛋白質(zhì)和損傷淀粉的含量越高，面粉吸水率就越高，但損傷淀粉的含量過高會使面團(tuán)品質(zhì)劣變，不易成團(tuán)。面團(tuán)形成時間和面團(tuán)穩(wěn)定時間與面粉的筋力有關(guān)，面筋含量越高，筋力越強(qiáng)，則面團(tuán)形成時間和穩(wěn)定時間越長。弱化度表示面團(tuán)在過渡攪拌后面筋變?nèi)醯某潭?，弱化度大，面團(tuán)容易變軟變黏[41]。

隨著發(fā)芽程度的增加，芽麥粉的吸水率減少，面團(tuán)形成時間、穩(wěn)定時間縮短，弱化度上升，評價值降低，說明小麥中面筋蛋白質(zhì)降解比例升高，物理特性發(fā)生了很大改變，從而影響了小麥品質(zhì)[32]，Ding等[42]的研究也得到了類似結(jié)論，發(fā)芽時間延長會導(dǎo)致芽麥粉吸水率下降，這可能與淀粉或蛋白質(zhì)在發(fā)芽期間的水解有關(guān)[43]。不同品種的小麥在發(fā)芽后，面團(tuán)形成時間并非都會下降，Ding等[42]發(fā)現(xiàn)紅色硬質(zhì)小麥在發(fā)芽8～10 h時，面團(tuán)形成時間顯著增加，這對面筋網(wǎng)絡(luò)的形成有一定的積極意義。因此，可以考慮對適合的小麥品種進(jìn)行控制性發(fā)芽，增加面團(tuán)形成時間，進(jìn)而改善面團(tuán)的粉質(zhì)性能。

3.2.3 拉伸特性

小麥粉的拉伸特性是評價面團(tuán)在荷載情況下其延伸性和韌性的主要指標(biāo)[41]，反映了面團(tuán)的韌性和彈性。拉伸特性主要包括拉伸能量、延伸度、拉伸阻力、最大拉伸阻力、拉伸比和最大拉伸比等指標(biāo)。在趙艷麗等[44]的研究中，選用強(qiáng)筋小麥進(jìn)行控制性發(fā)芽，發(fā)現(xiàn)隨著發(fā)芽時間的延長，拉伸能量、拉伸阻力、最大拉伸阻力、拉伸比和最大拉伸比均呈降低趨勢，而延伸度變化趨勢不明顯。拉伸比例下降，會導(dǎo)致面團(tuán)在醒發(fā)過程中變軟易流散，不能形成致密的面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。小麥發(fā)芽時間越長，其拉伸特性劣變程度越大。王麗娜[45]的研究表明，向原面粉中添加芽麥面粉(10%)后，面團(tuán)的拉伸阻力和最大拉伸阻力均會下降，說明此時面團(tuán)在變軟，這種混合粉更適合制作質(zhì)地較軟的面包。

3.3 小麥粉食用品質(zhì)的變化

3.3.1 烘焙特性

Lukow等[46]以加拿大強(qiáng)面筋小麥為材料，研究了發(fā)芽小麥的烘焙品質(zhì)，認(rèn)為較低程度發(fā)芽可改善小麥烘焙品質(zhì)，深度發(fā)芽則造成烘焙品質(zhì)下降，可能在小麥發(fā)芽期間，由于淀粉酶會水解淀粉生成大量的還原糖，在面包等制品的烘焙過程中促進(jìn)了美拉德反應(yīng)的發(fā)生[47]，而發(fā)芽時間過長則會導(dǎo)致干物質(zhì)的大量損失。此外，烘焙品質(zhì)也會受到小麥品種(強(qiáng)筋、中筋、弱筋)的影響。Finney[48]的研究發(fā)現(xiàn)，硬質(zhì)小麥發(fā)芽時，由于淀粉水解，導(dǎo)致面團(tuán)質(zhì)地變黏，烘焙特性較差，并不適用于制作面包。在Marti等[49]的研究中，將少量芽麥粉(1.5%)添加到全麥粉中，可在一定程度上改善全麥面包的體積及質(zhì)地。因此，可考慮使用芽麥粉制成餅干等低筋食物，或者采取將芽麥粉與全麥粉復(fù)配，改善全麥烘焙制品的食用品質(zhì)。此外，芽麥烘焙品質(zhì)的變差也與α-淀粉酶活性和蛋白質(zhì)品質(zhì)有關(guān)，蛋白質(zhì)含量及結(jié)構(gòu)的變化對烘焙品質(zhì)的影響更大。

3.3.2 蒸制特性

饅頭是我國面制品中特有的蒸制發(fā)酵食品，是國民的重要主食。目前國內(nèi)外的研究普遍認(rèn)為由發(fā)芽小麥制成的饅頭食用品質(zhì)較差，口感發(fā)黏，但在甘肅等地也有使用發(fā)芽處理的小麥磨粉制作芽面饅頭的工藝[30]。在面團(tuán)醒發(fā)過程中能被酵母利用，產(chǎn)生較多的CO2氣體，使饅頭比容增大。但芽麥饅頭的咀嚼性和回復(fù)性下降，食用品質(zhì)發(fā)生劣變。目前國內(nèi)外關(guān)于使用芽麥粉制作饅頭的研究大多集中在小麥原料及面粉品質(zhì)等表觀方面，包括籽粒特征、理化品質(zhì)及面團(tuán)特性等，而關(guān)于饅頭制作過程中主要加工組分(如蛋白質(zhì))等的交聯(lián)聚合行為、淀粉與蛋白質(zhì)的相互作用及面筋蛋白品質(zhì)變化機(jī)理方面研究較少，并未形成系統(tǒng)性的理論體系。

4 展望

目前關(guān)于發(fā)芽小麥的研究主要集中在基本營養(yǎng)成分變化、面團(tuán)特性及改良方法等，對于功能性成分如GABA、葉酸、多酚等的合成機(jī)制及富集途徑等方面尚未深究。此外，關(guān)于發(fā)芽小麥加工品質(zhì)變化的研究多數(shù)停留在面團(tuán)流變學(xué)特性、粉質(zhì)特性及拉伸特性等方面，并未深入到主要加工組分的作用機(jī)制方面，如在小麥發(fā)芽過程中淀粉與蛋白質(zhì)的相互作用、發(fā)芽小麥加工過程中面筋蛋白的行為變化機(jī)制等。發(fā)芽小麥作為一種新型功能性植物原料，通過一定技術(shù)手段，如控制性發(fā)芽、添加面粉改良劑或與未發(fā)芽小麥粉復(fù)配等，可以將其開發(fā)成功能性芽麥面粉，不但可以提高小麥粉的營養(yǎng)價值，還能減少糧食資源浪費(fèi)。因此，發(fā)芽小麥具有廣泛的應(yīng)用前景及開發(fā)價值。

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