麥麩改性后營養(yǎng)成分變化及對發(fā)酵面團品質的影響

雷雅男，謝東東*，謝巖黎，康 倩

1.河南工業(yè)大學 糧油食品學院，河南 鄭州 450001 2.河南省糧油食品安全檢測與控制重點實驗室，河南 鄭州 450001

隨著人們健康意識的提高，全谷物食品受到普遍的關注，世界衛(wèi)生組織也建議增加全谷物食品的攝入，研究表明全谷物可以降低患病風險，例如糖尿病、肥胖癥、心血管疾病和癌癥等[1-3]。全谷物麥麩中含有膳食纖維、酚類等對人體有益的成分。膳食纖維在胃腸道中起作用，可以延緩消化和營養(yǎng)吸收，降低血糖指數(shù)[4]；酚類化合物具有抗氧化活性并降低血液中低密度膽固醇的濃度[5]。但未改性的麥麩直接添加到面粉中，一些對人體有益的成分不易被人體吸收利用，而且會阻礙面筋蛋白網(wǎng)絡結構的形成，影響發(fā)酵面團高度、氣體產(chǎn)量和持氣量等，導致烘培食品的體積和彈性降低[6-7]。麥麩中不溶性纖維會影響面團發(fā)酵高度和面包體積，且不溶性纖維對腸道中降解過程具有很強的抵抗力[8-9]。植酸(PA)是麥麩中的抗營養(yǎng)素因子，它可以直接或間接地結合礦物質并改變它們的溶解性、功能性、消化性和吸收性，從而降低礦物質的生物有效性，阻礙礦物質的吸收利用[10]。

為了解決直接加入麥麩帶來的利用價值低等負面問題，研究人員一直致力于改善麥麩的品質，提高麥麩的營養(yǎng)利用價值。目前對麥麩改性的方法有物理法、化學法和生物法。物理法有超微粉碎、超高壓處理和擠壓膨化等[11-14]，化學法有加酸和加堿。物理法消耗成本，且在改性應用中尚不成熟；酸、堿等化學法降解易有殘留且伴隨副反應, 產(chǎn)物不易純化，效果不佳、成本較高。生物改性對麥麩進行發(fā)酵處理，可以顯著增強谷物副產(chǎn)品的營養(yǎng)特性[15]。生物加工技術已被證明是改善健康、促進麩皮中化合物的生物可接受性的良好方法，且發(fā)酵可以對麩皮中的幾種功能性化合物的生物利用度產(chǎn)生積極影響[7, 16]。發(fā)酵可以改善含麩產(chǎn)品的感官、品質和營養(yǎng)特性，提高功能性化合物的含量，降低抗營養(yǎng)因子含量[7, 15, 17]，其中水溶性阿拉伯木聚糖含量可以提高3～4倍，總膳食纖維和可溶性膳食纖維增加，總游離酚含量也增加，植酸被降解，但固體發(fā)酵麥麩在面制品中的利用尚缺乏系統(tǒng)的研究。

因此，本研究采用固態(tài)發(fā)酵的方法對麥麩進行改性，對改性后麥麩的營養(yǎng)價值進行評定，包括發(fā)酵后麥麩的灰分、蛋白質、脂肪、還原糖、總糖、植酸、可溶性阿拉伯木聚糖、總酚、膳食纖維的含量。然后將改性麥麩按照不同的比例添加到面粉中制成面團進行發(fā)酵，探究固態(tài)發(fā)酵麥麩對面團的理化特性、流變學特性和營養(yǎng)特性的影響，旨在提高麥麩的營養(yǎng)價值，對添加發(fā)酵麥麩面制品的開發(fā)利用起到一定的指導作用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

矮抗58小麥麩、矮抗58小麥粉。高活性干酵母：安琪酵母股份有限公司。

福林酚試劑、植酸鈉標準品：源葉生物公司。實驗所用試劑均為分析純，所用水為去離子水。

1.2 儀器與設備

GZX-DH.400BS電熱恒溫干燥箱：上海躍進醫(yī)療器械有限公司； HPX系列恒溫箱恒濕箱：上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；PHS-3C pH計：雷磁有限公司； CHA-S恒溫振蕩器：上海誦誠實業(yè)發(fā)展有限公司；UV-1600/18008型紫外/可見分光光度計：上海美譜達儀器有限公司；流變發(fā)酵儀：法國肖邦技術公司-特雷首邦(北京)貿易有限公司。

1.3 方法

1.3.1 麥麩的改性

麥麩改性用Zhao等[18]的酵母菌固態(tài)發(fā)酵的方法。發(fā)酵組：小麥麩皮除雜后用萬能粉碎機進行粉碎，過80目篩，經(jīng)高壓蒸汽滅菌(121 ℃，15 min)后，將小麥麩皮、去離子水、活性干酵母按1∶1∶0.012 5的質量比在燒杯中充分混勻后移入錐形瓶，壓實，用封口膜封口，在35 ℃、相對濕度80%的恒溫恒濕箱中培養(yǎng)24 h。

對照組：取等量的小麥麩皮和去離子水混合均勻，在相同條件下培養(yǎng)相同時間。麥麩發(fā)酵完成后，在烘箱中進行干燥，粉碎，過100目篩，密封保存以備用。

1.3.2 改性麥麩理化指標的測定

參考AACC (2000) 02-52方法，取10 g發(fā)酵的麥麩于燒杯中，加入90 mL蒸餾水，攪拌均勻后測定pH值。用0.1 mol/L的NaOH滴定至pH 8.6，消耗的NaOH的體積即為總酸度(TTA)，每個樣品重復操作3次。

1.3.3 改性麥麩成分的測定

灰分的測定：直接灰化法 (GB 5009.4—2016)；蛋白質的測定：凱氏定氮法 (GB 5009.5—2016)；脂肪的測定：索氏抽提法 (GB 5009.6—2016)；還原糖和總糖的測定[19]：DNS比色法，制作葡萄糖標準曲線，測定葡萄糖含量。

1.3.4 膳食纖維的測定

參考GB 5009.88—2014中方法將干燥后的樣品經(jīng)酶解去除蛋白質和淀粉等處理后，測定發(fā)酵前和發(fā)酵后麥麩的不溶性(IDF)、可溶性(SDF)和總膳食纖維(TDF)含量。

1.3.5 植酸的測定

根據(jù)任順成等[20]的方法測定植酸的含量。

1.3.6 可溶性阿拉伯木聚糖(SAX)含量的測定

根據(jù)楊莉等[21]的方法測定可溶性阿拉伯木聚糖的含量。

1.3.7 總酚含量的測定

采用Folin-Ciocalteu比色法[22]對總酚含量進行測定，根據(jù)沒食子酸得到標準曲線的方程為y=0.100 1x+0.049 9(R2=0.991 2)。

1.3.8 粉碎與混合

將粉碎后的發(fā)酵麥麩分別以混粉總質量的0%、5%、10%、15%、20%的比例添加至面粉中配成混粉，在揉面缽中攪拌2 min，混合均勻備用。

1.3.9 發(fā)酵面團的制備

稱取5種混粉各100 g，加入含有1.0 g干酵母的溫水(38 ℃，加水量為樣品吸水率的 80%)，用和面機和面10 min后壓片4～6次，揉混成型，放入38 ℃、濕度75%的醒發(fā)箱醒發(fā)45 min。

1.3.10 發(fā)酵面團的發(fā)酵流變學檢測

采用發(fā)酵流變儀測定發(fā)酵面團的持氣性和延伸特性。取250 g混粉，加入3 g酵母，5 g NaCl混勻后加水，在和面機中均勻攪拌8 min，然后取濕面團315 g放入發(fā)酵籃中并向下壓平至發(fā)酵籃的孔隙之下，安上活塞，加2 000 g砝碼，在28.5 ℃下發(fā)酵3 h。

1.3.11 添加改性麥麩的發(fā)酵面團的基本成分的檢測

直接灰化法 (GB 5009.4—2016) 測定灰分含量；凱氏定氮法 (GB 5009.5—2016) 測定蛋白質的含量；DNS比色法測定還原糖的含量。

1.3.12 發(fā)酵面團的pH值測定

在5組樣品中分別取10 g發(fā)酵面團于小燒杯中，加入90 mL蒸餾水，在組織搗碎機中搗碎成均漿，過濾后取濾液，然后用pH計測定pH值。

1.3.13 發(fā)酵面團的水分活度Aw的測定

將發(fā)酵面團切成長寬各10 mm厚5 mm后, 放入水分活度儀中測定，時間為5 min。

1.3.14 發(fā)酵面團的—SH含量測定

將樣品120 mg懸浮在4.0 mL反應混合物A(8 mol/L尿素、3 mol/L EDTA、1% SDS、0.2 mol/L Tris-HCl，pH 8.0)中，渦旋5 min, 并在室溫下混合60 min，然后加入0.3 mL緩沖液B(0.2 mol/L Tris-HCl、10 mmol/L DTNB, pH 8.0)，渦旋5 min，反應60 min后以13 600 r/min離心15 min, 取上清液在412 nm處測定吸光度[23]。然后根據(jù)下式計算發(fā)酵面團的—SH含量。

c(—SH)=A/(ε×b),

式中：A是吸光度；ε是消光系數(shù)，13 600 L·mol-1·cm-1；b是比色皿的寬度,cm。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS statistics 17.0處理數(shù)據(jù)，利用Origin 8.5作圖，實驗數(shù)據(jù)用平均值±標準差表示。

2 結果與討論

2.1 改性麥麩理化性質及成分分析

2.1.1 色澤

如圖1所示，麥麩經(jīng)發(fā)酵后，發(fā)酵組和對照組的顏色明顯加深。除了微生物的分解作用產(chǎn)生色素物質之外，還有高溫下糖類物質和氨基酸、蛋白質等發(fā)生美拉德反應導致顏色加深，以及酚類物質發(fā)生酶促和非酶促反應產(chǎn)生褐變[18, 24]。

2.1.2 pH值和酸度的變化

由表1可知，麥麩經(jīng)24 h發(fā)酵后，與原樣、對照組相比，pH值顯著降低，酸度顯著升高。酵母菌發(fā)酵利用了麥麩中的碳源、氮源產(chǎn)生酸類代謝物，導致樣品的pH值下降[25]。除此之外，發(fā)酵過程中酵母菌會釋放或激活多種水解酶類產(chǎn)生大量有機酸也導致pH值下降[26]。

圖1 發(fā)酵前麥麩、發(fā)酵后麥麩和未加酵母發(fā)酵組麥麩的顏色

表1 麥麩發(fā)酵前后的pH值和酸度

注：同一列的不同小寫字母表示數(shù)據(jù)之間有顯著差異(P<0.05)，表2—表4、表5同。

2.1.3 成分含量的變化

由表2可知，與原樣、對照組相比，麥麩發(fā)酵前后的灰分和脂肪含量無顯著變化，蛋白含量升高。其原因是酵母菌在生長代謝過程中，利用了環(huán)境中的無機氮，將其轉化為有機氮，導致氮含量升高[25, 27]，從而測得的粗蛋白含量升高，其次麥麩在高溫下烘干時導致酵母菌死亡分解，產(chǎn)生的酵母菌蛋白也有效提高了麥麩中蛋白質含量。但對照組蛋白質含量下降，原因是對照組中雖然沒有添加酵母，但是麥麩中混入的微生物降解蛋白質，產(chǎn)生氨基酸和小分子肽，同時也產(chǎn)生氨類等物質，導致蛋白質含量下降[28]。

麥麩中的還原糖主要包括葡萄糖、果糖和麥芽糖，糖類是碳水化合物，能為酵母的生長代謝提供能量和營養(yǎng)物質。由表2可知，麥麩發(fā)酵后還原糖含量顯著下降，說明酵母發(fā)酵利用還原糖，與表1中pH值下降一致。對照組的還原糖含量較原樣和發(fā)酵組的高，可能是由于高溫高壓下麥麩中的淀粉等大分子物質被分解產(chǎn)生還原糖，使得還原糖含量升高，而對照組中沒有添加酵母，還原糖基本不被利用，與發(fā)酵組相比，還原糖和總糖含量高。

表2 麥麩發(fā)酵前后灰分、蛋白質、脂肪和糖含量的變化

由表3可知，經(jīng)酵母菌發(fā)酵，與原樣和對照組相比，植酸含量顯著降低。發(fā)酵麥麩中植酸降解可能是因為發(fā)酵過程激活酵母菌分泌植酸酶和內源性植酸酶的活性[29-30]，發(fā)酵后pH值在5左右，而植酸酶最適pH值約為5，酸性環(huán)境激活植酸酶水解植酸[18, 31]。阿拉伯木聚糖(即戊聚糖)是一種非淀粉多糖，是糊粉層細胞壁纖維的重要組成成分，分為可溶性和不可溶性。與對照組相比，麥麩發(fā)酵后，可溶性阿拉伯木聚糖含量顯著提高，說明發(fā)酵處理可以促進阿拉伯木聚糖的降解，產(chǎn)生可溶性阿拉伯木聚糖。 這可能是由于麥麩內源性木聚糖酶和酵母菌的代謝酶作用引起的[32]。

麥麩發(fā)酵后，總酚含量顯著增加。麥麩在酸性環(huán)境下水解產(chǎn)生酚酸[22]，而酵母在發(fā)酵過程中代謝產(chǎn)生解聚酶，分解細胞壁，解聚酶可破壞酚酸(阿魏酸等)與阿拉伯木聚糖相結合的酯鍵，使麥麩細胞壁中的結合態(tài)酚類物質和可溶性阿拉伯木聚糖釋放出來[27]。因此，經(jīng)酵母菌發(fā)酵后，麥麩中總酚的含量有所增加，與阿拉伯木聚糖增加的結果相一致。

表3 麥麩發(fā)酵前后植酸、阿拉伯木聚糖、總酚、膳食纖維含量的變化

與原樣組和對照組相比，麥麩發(fā)酵后，可溶性膳食纖維和總膳食纖維顯著增加，這說明酵母發(fā)酵能增加可溶性膳食纖維和總膳食纖維含量[33]。主要原因可能是酵母菌在發(fā)酵過程中對麥麩中相應的物質進行水解，原料中的纖維結構被產(chǎn)生的酶系破壞，使得纖維素主鏈更易被水解，從而導致不溶性膳食纖維向可溶性膳食纖維轉化，因此，麥麩經(jīng)發(fā)酵后膳食纖維含量增加，且可溶性膳食纖維增加比例最大[34]。

3.2 添加改性麥麩的發(fā)酵面團的性質檢測

3.2.1 面團的發(fā)酵流變學分析

由表4可知，隨著改性麥麩添加比例的增加，面團的膨脹發(fā)展曲線中面團的最大高度、發(fā)酵耐力先增加后下降，在10%時達到最大高度25.33 mm和發(fā)酵耐力13.20，而面團內氣體開始釋放的時間逐漸提前，說明隨著麥麩添加比例的增加，面筋蛋白網(wǎng)絡結構逐漸弱化，持氣性變差。氣體釋放曲線中持氣量先上升后下降，在麥麩添加比例10%時達到最大，而在20%時持氣率最大。添加適量的改性麥麩，增加了膳食纖維和戊聚糖含量，可以促進面筋網(wǎng)絡結構的形成[35]，持氣性良好，有利于酵母菌有氧呼吸，產(chǎn)生更多的氣體，而麥麩添加比例繼續(xù)增加時，纖維含量過高，會阻止谷蛋白聚集形成網(wǎng)絡結構，導致發(fā)酵耐力和產(chǎn)氣量下降[36-38]。綜上，當麥麩添加比例為10%時，面團的發(fā)酵性能最好。

3.2.2 發(fā)酵面團的成分變化

由表5可知，不同改性麥麩添加比例的發(fā)酵面團中蛋白質、灰分和還原糖含量有顯著性差異(P<0.05)。隨著麥麩添加比例的增加，灰分含量顯著增加，且在改性麥麩添加比例20%時，灰分含量和蛋白質含量均最高。不同麥麩添加比例，還原糖含量有顯著性差異，在改性麥麩添加比例10%時還原糖含量最高。麥麩經(jīng)過發(fā)酵改性，其蛋白質和灰分含量顯著增加，添加到面粉中，為酵母發(fā)酵提供充足的氮源和碳源，酵母發(fā)酵會進行生長和代謝，將更多的無機氮轉化為有機氮，從而提高面團的蛋白質含量。還原糖含量有所升高，可能是由于在酵母菌生長利用糖源的同時，會產(chǎn)生一些酶降解這些大分子物質，而產(chǎn)生較多的還原糖[32]。還原糖含量在一定程度上影響面團發(fā)酵，麥麩添加比例為10%時發(fā)酵面團的高度最高。

表4 不同麥麩添加比例的發(fā)酵面團的發(fā)酵流變學參數(shù)

注：Hm表示面團在發(fā)酵過程中體積最大時的高度；h表示實驗結束時面團的高度；(Hm-h)/Hm表示發(fā)酵3 h高度降低對T1高度的百分比值,其中T1表示曲線最高值的時間；Tx指面團開始泄露CO2氣體的時間；V總是氣體保留在面團中的體積；V損失表示CO2氣體釋放體積；R表示面團的持氣率。

表5 不同麥麩添加比例的發(fā)酵面團的成分變化

3.2.3 不同麥麩添加比例面團發(fā)酵后的水分活度

微生物的生長代謝過程需要水的參與，相對水的含量，水的可利用性是重要的評價指標。水分活度(Aw)是指相同溫度下基質環(huán)境中的水蒸氣壓與純水水蒸氣壓的比值，即環(huán)境中水的可利用性。由圖2可知，隨著改性麥麩添加比例的增加，發(fā)酵面團的水分活度顯著增大。水分活度與面團發(fā)酵有一定相關性，適當?shù)乃只疃瓤梢蕴岣呙鎴F發(fā)酵的高度，但水分活度過大時，微生物細胞會吸水膨脹導致酶活性降低進而影響面團的發(fā)酵[9]。改性麥麩添加比例越大，面團中酵母可利用營養(yǎng)物質越多，進而影響面團發(fā)酵，而發(fā)酵過程中酵母產(chǎn)生一定的游離水，提高了發(fā)酵面團的水分活度[39]。

注：不同字母表示數(shù)據(jù)之間有顯著差異(P<0.05)，圖3、圖4同。

3.2.4 發(fā)酵面團pH值變化

由圖3可知，隨著麥麩添加比例的增加，發(fā)酵面團的pH值呈下降趨勢，且下降趨勢逐漸變緩。一方面，加入不同比例改性麥麩后，膳食纖維、還原糖等含量增加，酵母可利用的糖源含量增加，面團的發(fā)酵性能得到改善，適宜酵母菌生長和代謝，酵母菌活力升高，能激活和釋放多種水解酶類產(chǎn)生大量有機酸，從而導致面團pH值下降[26, 40-41]；另一方面，麥麩有較強緩沖能力[40]，使pH值下降趨勢變緩。

圖3 不同麥麩添加比例的發(fā)酵面團的pH值

3.2.5 發(fā)酵面團—SH含量變化

由圖4可知，隨著麥麩添加比例的增加，面團的巰基含量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，麥麩添加比例為20%時，巰基含量最低。谷蛋白大聚體是面筋蛋白中的主要成分之一，巰基極大影響谷蛋白的剛性結構[42]，麥谷蛋白大聚體含量和巰基含量呈負相關性，而一定含量的麥谷蛋白大聚體可以保證面筋蛋白的品質[36]。巰基含量降低時，麥谷蛋白大聚體含量增加，面筋網(wǎng)絡結構越好[37]。結合表4發(fā)酵流變面團的高度，說明麥麩添加比例過大會使面筋網(wǎng)絡結構變差，麥麩的添加比例10%最適宜。

圖4 不同麥麩添加比例的發(fā)酵面團的—SH含量

3 結論

酵母固態(tài)發(fā)酵可以顯著提高麥麩中對人體有益的總酚、阿拉伯木聚糖和水溶性膳食纖維的含量，降低植酸的含量，改善麥麩的營養(yǎng)品質。發(fā)酵麥麩添加比例為10%時，面團的發(fā)酵性能最好，發(fā)酵面團的高度最高，產(chǎn)氣量和持氣量均較高，添加適量的發(fā)酵麥麩可以提高面團的發(fā)酵特性。