半固態(tài)酶解法改性麥麩的工藝優(yōu)化

張書靜，潘芹敏，賈喜午，沈汪洋，王展*

（1.武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430023；2.大宗糧油精深加工省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430023）

膳食纖維是指食物中固有的大于等于3個(gè)單體鏈接的非消化性碳水化合物[1-2]。根據(jù)其在水中的溶解度不同，膳食纖維被分為可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF，包括β-葡聚糖、菊粉以及非淀粉多糖類等物質(zhì)）和不可溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF，包括木質(zhì)素、纖維素和一些半纖維素等物質(zhì)）。研究發(fā)現(xiàn)膳食纖維具有降低血糖和血脂、預(yù)防肥胖的功能[3-4]，且當(dāng)可溶性膳食纖維在總膳食纖維（total dietary fiber，TDF）中的占比大于10%時(shí)，可被稱為高品質(zhì)膳食纖維，否則只能稱為填充型膳食纖維。麥麩中膳食纖維含量高達(dá)40%以上，富含維生素、礦物質(zhì)、抗氧化活性物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)成分，但是在加工時(shí)多被去除，導(dǎo)致國(guó)民對(duì)膳食纖維和微量營(yíng)養(yǎng)素?cái)z入不足。將麥麩回添到面粉中，用于面制品的生產(chǎn)是目前的研究熱點(diǎn)[5-7]。然而，由于麥麩膳食纖維中可溶性膳食纖維在總膳食纖維中的占比較低，麥麩的加入對(duì)面團(tuán)和面筋蛋白的形成均有負(fù)面影響，而且加入麥麩后制成的面制品具有體積較小、顏色較深以及質(zhì)地和味道較差等缺點(diǎn)[8]。麥麩對(duì)面粉品質(zhì)的負(fù)面作用在一定程度上影響了含麩質(zhì)面粉的加工和消費(fèi)者的選擇，因此通過(guò)改性技術(shù)提高麩皮可溶性膳食纖維在總膳食纖維中的比例，進(jìn)而提高含麩質(zhì)面制品的加工和食用品質(zhì)，對(duì)保障國(guó)家糧食安全，改善國(guó)民膳食結(jié)構(gòu)、提高國(guó)民健康飲食水平，具有十分重要的意義。

目前國(guó)內(nèi)外常用的麩皮的改性方法通常為化學(xué)法、擠壓蒸煮法、超微粉碎法、酶處理法、微生物發(fā)酵法等改性技術(shù)[9-10]。酶解改性技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于利用酶制劑使纖維素中的糖苷鍵斷裂，大分子糖類水解為可溶性小分子化合物，從而達(dá)到麥麩改性的目的[11]。與其他技術(shù)相比，酶解改性技術(shù)反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)速度快、特異性強(qiáng)，在食品行業(yè)具有較高的應(yīng)用潛力[12]。但改性需要的酶制劑的價(jià)格較高，且容易產(chǎn)生酶與底物反應(yīng)不均勻及酶解過(guò)程中滋生微生物等問(wèn)題。Petersson等[13]研究了木聚糖酶和內(nèi)切葡聚糖酶對(duì)黑麥和小麥麩皮溶解度的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)酶處理后黑麥和小麥麩皮溶解度都有一定程度的增加,其中枯草芽孢桿菌木聚糖酶對(duì)小麥和黑麥麩皮膳食纖維的酶解效果最好。張慧娟等[14]使用不同改性方法對(duì)麥麩可溶性膳食纖維進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)在酶解聯(lián)合發(fā)酵條件下麥麩可溶性膳食纖維的含量為5.04%?，F(xiàn)階段，研究者多采用固態(tài)酶解處理與液態(tài)酶解處理的手段破壞纖維組分，提高可溶性組分含量，而將半固態(tài)酶解技術(shù)作用于麥麩并探究其對(duì)面制品感官品質(zhì)影響的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

半固態(tài)酶解麥麩是以麥麩為底物，經(jīng)調(diào)制攪拌器捏合及控溫酶解等步驟，獲得改性麥麩粉的技術(shù)。相對(duì)于液態(tài)酶解，半固態(tài)酶解后的麥麩不易滋生微生物，更易烘干，有利于改性麥麩的大規(guī)模生產(chǎn)加工，而且克服了固態(tài)酶解工藝中酶與底物反應(yīng)不均勻等問(wèn)題。

本試驗(yàn)將半固態(tài)酶解技術(shù)應(yīng)用到麩皮改性中，控制物料含水量在30%～72%[15-17]之間，使用酶解效果較好的木聚糖酶處理麥麩，通過(guò)單因素試驗(yàn)結(jié)合響應(yīng)面法分析酶解改性工藝對(duì)麥麩可溶性膳食纖維含量的影響，研究改性前后麥麩對(duì)面包感官品質(zhì)的影響，并初步解析其作用機(jī)制，為深入研究麥麩膳食纖維的改性方法和開發(fā)高品質(zhì)膳食纖維食品提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

麥麩、高筋粉：湖北三杰糧油食品集團(tuán)；膳食纖維檢測(cè)試劑盒：愛(ài)爾蘭Megazyme公司；木聚糖酶（酶活力6 000 U/mg）：上海源葉生物科技有限公司；黃油、酵母粉、白砂糖、鹽：市售。

無(wú)水乙醇、丙酮、氫氧化鈉、鹽酸、濃硫酸、三羥甲基氨基甲烷和2-（N-嗎啉代）乙烷磺酸（均為分析純）：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 主要儀器設(shè)備

YP20001電子天平：常州市衡正電子儀器有限公司；GXZ-9070MB數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱：上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司；MB23水分測(cè)定儀、ST3100 pH計(jì)：常州奧豪斯儀器有限公司；RH-LHP-300L人工氣候箱：常州澳華儀器有限公司；MB16-414酶標(biāo)分析儀：上海皓莊儀器有限公司；YB-1000A高速多功能粉碎機(jī)：永康市速鋒工貿(mào)有限公司；TA-XT plus物性分析儀：英國(guó)stable micro systems公司；BVM-L370食品體積測(cè)定儀：瑞典波通儀器公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 酶解改性麥麩的制備工藝

稱取麥麩于燒杯中，放入滅菌鍋中121℃滅菌20 min，冷卻后，加入適量木聚糖酶，在50℃、pH5條件下將麥麩和水按一定液料比混合均勻，酶解一定時(shí)間后進(jìn)行滅酶處理，粉碎烘干過(guò)40目篩備用。

1.3.2 麥麩基本成分的測(cè)定

蛋白質(zhì)含量參考GB 5009.5—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》的方法測(cè)定；灰分含量參考GB/T 22510—2008《谷物、豆類及副產(chǎn)品灰分含量的測(cè)定》的方法測(cè)定；淀粉含量參照GB 5009.9—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中淀粉的測(cè)定》的方法測(cè)定；總膳食纖維、水溶性膳食纖維、不溶性膳食纖維的含量參照GB 5009.88—2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中膳食纖維的測(cè)定》的方法測(cè)定。

1.3.3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

參照1.3.1酶解改性麥麩的制備工藝，對(duì)酶法改性麩皮進(jìn)行以下單因素試驗(yàn)。

固定酶解溫度50℃，酶解pH5，木聚糖酶添加量為1 000 U/g麥麩，酶解時(shí)間為12 h，考察液料比[0.5∶1、1.0∶1、1.5∶1、2.0∶1、2.5∶1（mL/g）]對(duì)麥麩中可溶性膳食纖維含量的影響。

固定酶解溫度50℃，酶解pH5，液料比為1.5∶1（mL/g），酶解時(shí)間為 12 h，考察木聚糖酶添加量（0、200、600、1 000、1 400 U/g麥麩）對(duì)麥麩中可溶性膳食纖維含量的影響。

固定酶解溫度50℃，酶解pH5，液料比為1.5∶1（mL/g），木聚糖酶添加量為 1 000 U/g 麥麩，考察酶解時(shí)間（4、8、12、16、20 h）對(duì)麥麩中可溶性膳食纖維含量的影響。

1.3.4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，考察酶解時(shí)間、木聚糖酶添加量和液料比3個(gè)因素對(duì)麥麩可溶性膳食纖維含量的影響。因素與水平見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素及水平Table 1 Factors and levels of response surface experiment

1.3.5 面包的制作

參考GB/T 14611—2008《糧油檢驗(yàn)小麥粉面包烘焙品質(zhì)試驗(yàn)直接發(fā)酵法》的方法制作面包。

1.3.6 面包比容的測(cè)定

將制作好的面包放在25℃下2 h后稱其質(zhì)量，用食品體積測(cè)定儀測(cè)定面包體積，面包比容計(jì)算公式：面包比容/（mL/g）=體積（mL）/質(zhì)量（g）。

1.3.7 面包質(zhì)構(gòu)的測(cè)定

采用物性分析儀測(cè)定面包全質(zhì)構(gòu)（texture profile analysis，TPA）參數(shù)。室溫25℃下放置2 h后，將面包切成25 mm×25 mm×25 mm的正方體，選用P/45測(cè)定探頭，測(cè)前速度1.00 mm/s；測(cè)試速度1.00 mm/s；測(cè)后速度5.00 mm/s；起點(diǎn)感應(yīng)力5 g；壓縮率50%；壓縮時(shí)間30 s；應(yīng)變量50.00%；間隔時(shí)間5.00 s；引發(fā)力5.0 g[18]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有試驗(yàn)均進(jìn)行3次，用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法，對(duì)于單因素試驗(yàn)采用Excel和SPSS統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行分析，運(yùn)用Design-Expert 8.0軟件進(jìn)行響應(yīng)面的設(shè)計(jì)和結(jié)果分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 液料比對(duì)可溶性膳食纖維含量的影響

液料比對(duì)可溶性膳食纖維含量的影響見(jiàn)圖1。

圖1 液料比對(duì)可溶性膳食纖維含量的影響Fig.1 The effect of liquid-to-material ratio on soluble dietary fiber content

由圖1可知，麥麩中可溶性膳食纖維含量隨著液料比的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)液料比為1.5∶1（mL/g）時(shí)，麥麩中可溶性膳食纖維的含量達(dá)到最大，這主要受分子間的布朗運(yùn)動(dòng)和酶濃度的影響[19]。隨著液料比的增大物料的流動(dòng)性增加，分子間碰撞的頻率加快，導(dǎo)致酶促反應(yīng)速率加快，麥麩中可溶性膳食纖維含量增加；當(dāng)液料比大于 1.5∶1（mL/g）時(shí)，酶的濃度隨著液料比的增加而降低，酶促反應(yīng)速率變得緩慢，麥麩中可溶性膳食纖維的含量也隨之降低，故選取液料比1.5∶1（mL/g）為響應(yīng)面試驗(yàn)的中心點(diǎn)。

2.1.2 木聚糖酶添加量對(duì)可溶性膳食纖維含量的影響

木聚糖酶添加量對(duì)麥麩中可溶性膳食纖維含量的影響見(jiàn)圖2。

圖2 木聚糖酶添加量對(duì)可溶性膳食纖維含量的影響Fig.2 The effect of xylanase addition on soluble dietary fiber content

由圖2可知，麥麩中可溶性膳食纖維含量隨著木聚糖酶添加量增加整體上呈先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)木聚糖酶添加量為1 000 U/g麥麩時(shí)，麥麩中可溶性膳食纖維的含量達(dá)到最大，這主要與酶和底物的比例以及酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制有關(guān)。隨著木聚糖酶添加量的增加，木聚糖酶的濃度增加，導(dǎo)致酶促反應(yīng)速率加快，麥麩中可溶性膳食纖維的含量增加；當(dāng)木聚糖酶添加量超過(guò)1 000 U/g麥麩時(shí)，酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制增加，也可能是因?yàn)槊复俜磻?yīng)過(guò)度，降解了麥麩中的可溶性膳食纖維，麥麩中可溶性膳食纖維的含量也隨之降低[20]，故選取木聚糖酶添加量1 000 U/g麥麩為響應(yīng)面試驗(yàn)的中心點(diǎn)。

2.1.3 酶解時(shí)間對(duì)可溶性膳食纖維含量的影響

酶解時(shí)間對(duì)可溶性膳食纖維含量的影響見(jiàn)圖3。

圖3 酶解時(shí)間對(duì)可溶性膳食纖維含量的影響Fig.3 The effect of enzymolysis time on the content of soluble dietary fiber

由圖3可知，麥麩中可溶性膳食纖維含量隨著酶解時(shí)間的延長(zhǎng)呈先下降后上升再下降最后趨于平緩的趨勢(shì)，當(dāng)酶解時(shí)間為12 h時(shí)，麥麩中可溶性膳食纖維的含量達(dá)到最大（5.46%）。8 h～12 h時(shí)隨酶解時(shí)間的延長(zhǎng)酶促反應(yīng)越來(lái)越充分，麥麩中可溶性膳食纖維的含量增加；當(dāng)酶解時(shí)間超過(guò)12 h時(shí)，可溶性膳食纖維也被酶解[21]，導(dǎo)致其含量隨酶解時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，故選取酶解時(shí)間12 h為響應(yīng)面試驗(yàn)的中心點(diǎn)。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

2.2.1 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Design and results of Box-Behnken experiment

對(duì)響應(yīng)面試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到麥麩的可溶性膳食纖維含量（Y）與酶解時(shí)間（A）、木聚糖酶添加量（B）和液料比（C）3個(gè)因素的二次回歸方程：Y=-448.102+26.674A+0.025 3B+380.1C-5.0×10-4AB-5.4AC-6.5×10-3BC-0.766A2-4.025×10-6B2-104.1C2。方程的顯著性分析見(jiàn)表3。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance of regression model

響應(yīng)面模型的p=0.000 2＜0.00 1，表明該模型極顯著，失擬項(xiàng)p=0.063 8＞0.05，表明其他因素對(duì)結(jié)果干擾較小，該響應(yīng)面試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍芎芎玫財(cái)M合試驗(yàn)的真實(shí)情況，實(shí)際值與預(yù)測(cè)值擬合誤差較小，故該模型可用于優(yōu)化酶法改性工藝以提高麥麩中可溶性膳食纖維的含量。酶解時(shí)間（A）、木聚糖酶添加量（B）、液料比（C）3個(gè)因素對(duì)麥麩可溶性膳食纖維含量的影響均達(dá)到極顯著水平；AC、A2、C2對(duì)麥麩可溶性膳食纖維含量的影響極顯著，說(shuō)明酶解時(shí)間和液料比這兩個(gè)因素之間存在明顯的交互作用。由F值可知，這3個(gè)因素對(duì)麥麩可溶性膳食纖維含量的影響次序?yàn)橐毫媳龋–）＞酶解時(shí)間（A）＞木聚糖酶添加量（B）。

2.2.2 最優(yōu)條件的優(yōu)化與驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)Design-Expert 8.0軟件分析，得到麥麩可溶性膳食纖維改性的最優(yōu)工藝條件為酶解時(shí)間11.98 h、木聚糖酶添加量 1 048.56 U/g 麥麩、液料比 1.46∶1（mL/g）?？紤]到可操作性，將最優(yōu)條件調(diào)整為酶解時(shí)間12 h、木聚糖酶添加量 1 000 U/g麥麩、液料比 1.46∶1（mL/g），在此最優(yōu)條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)，得到可溶性膳食纖維含量為6.01%，與模型預(yù)測(cè)值相近，說(shuō)明此模型預(yù)測(cè)的參數(shù)準(zhǔn)確，對(duì)實(shí)際操作有一定的指導(dǎo)意義。

2.3 酶解法對(duì)麥麩基本成分的影響

麥麩改性前后基本成分的變化見(jiàn)表4。

表4 改性前后麥麩基本成分的變化Table 4 Changes of basic components of wheat bran before and after modification

由表4可得，酶解改性后，麥麩中的蛋白質(zhì)、灰分含量都有了一定程度的提高，改性麥麩中淀粉含量明顯提高，這是因?yàn)槟揪厶敲杆饬他滬熤械纳攀忱w維，使麩皮中的部分膳食纖維轉(zhuǎn)變成了還原糖[22]，而淀粉的含量是由還原糖含量表征的。而且由于總膳食纖維的含量降低，從而提高了其他營(yíng)養(yǎng)成分的比例，其中可溶性膳食纖維的含量從3.30%提高至6.01%，SDF/TDF由8.1%提高至16.6%。與傳統(tǒng)水提法提取可溶性膳食纖維的含量（2%～5%）相比[23]，半固態(tài)酶解改性法提高了麥麩膳食纖維的品質(zhì)、可溶性膳食纖維的含量以及可溶性膳食纖維在總膳食纖維中的占比，使麩皮膳食纖維從填充型膳食纖維向高品質(zhì)膳食纖維轉(zhuǎn)變。

2.4 麥麩改性前后對(duì)面包品質(zhì)的影響

麥麩改性前后對(duì)面包品質(zhì)的影響結(jié)果如表5所示。硬度是指外力使物體變形的大小，硬度越小的面包越柔軟；彈性是指物體在外力作用下變形，恢復(fù)原來(lái)形狀的能力[24]，彈性越大說(shuō)明了面包口感越勁道；內(nèi)聚性反映的是面包內(nèi)部的黏合力，內(nèi)聚性越大，說(shuō)明內(nèi)部結(jié)構(gòu)越緊密。咀嚼性表示的是咀嚼固體至吞咽所需要的能量，咀嚼性越大，代表入口舒適性越差。

表5 麥麩改性前后對(duì)面包品質(zhì)的影響Table 5 The influence of wheat bran on bread quality before and after modification

由表5結(jié)果可知，與空白組相比，加入原麥麩后，面包的硬度、咀嚼性顯著升高，彈性、內(nèi)聚性、比容顯著降低，說(shuō)明麥麩的加入破壞了面筋網(wǎng)絡(luò)，使面團(tuán)的延展性降低；另外麥麩中大量的膳食纖維會(huì)和面筋蛋白競(jìng)爭(zhēng)水分，抑制了面筋網(wǎng)絡(luò)的形成[25]。加入改性麥麩后的面包的硬度、咀嚼性都低于對(duì)照組，彈性、內(nèi)聚性、比容都顯著高于對(duì)照組，原因是麩皮經(jīng)過(guò)木聚糖酶酶解后，麥麩中可溶性膳食纖維的含量增加，使面筋蛋白更好地形成面筋網(wǎng)絡(luò)[26]；另一方面，經(jīng)過(guò)酶解后，麥麩的粒徑減小，對(duì)面筋蛋白的破壞作用減弱，使得面包的比容和質(zhì)構(gòu)特性顯著提高[27]。

3 結(jié)論

使用木聚糖酶以半固態(tài)酶解法改性麥麩，其最優(yōu)改性條件為酶解時(shí)間12 h、木聚糖酶添加量1000 U/g麥麩、液料比1.46:1（mL/g），在此條件下麥麩中可溶性膳食纖維的含量為6.01%，可溶性膳食纖維在總膳食纖維中的占比提高至16.6%。將原麥麩和改性麥麩加入高筋粉中制成面包發(fā)現(xiàn)，改性處理工藝可以顯著提高面包的比容和質(zhì)構(gòu)特性，但麥麩膳食纖維和面筋蛋白的作用機(jī)理還需要進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。