小麥麩皮膳食纖維改性技術(shù)研究進(jìn)展

田玉榮 孫元琳

1（山西省食品研究所（有限公司），山西太原 030024）

2（運(yùn)城學(xué)院生命科學(xué)系，特色農(nóng)產(chǎn)品加工山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西運(yùn)城 044000）

小麥所具有的營(yíng)養(yǎng)功能特性主要集中在皮層和胚芽部分，即麩皮。麩皮是面粉加工過程中的副產(chǎn)物，富含人體所需的蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、維生素等物質(zhì)，是膳食纖維的主要來源。膳食纖維（Dietary Fiber，DF）作為人們?nèi)粘ｏ嬍巢豢苫蛉钡闹参镄猿煞?，是人體健康最基本的營(yíng)養(yǎng)素。國(guó)內(nèi)外營(yíng)養(yǎng)學(xué)界和醫(yī)學(xué)界通過大量試驗(yàn)證實(shí)，慢性病的高發(fā)與食物過于精細(xì)化（高熱量）緊密相關(guān)，而精細(xì)化的飲食普遍缺乏DF。

DF 作為人類的“第七類營(yíng)養(yǎng)素”可以降低糖尿病、血脂、冠心病、過度肥胖以及某些癌癥的風(fēng)險(xiǎn)。目前，DF 也日漸被應(yīng)用到各類保健食品、乳制品、焙烤食品、糕點(diǎn)和飲料等食品中，賦予了食品營(yíng)養(yǎng)風(fēng)味的同時(shí)也對(duì)其質(zhì)地進(jìn)行了改良，并延長(zhǎng)了食品貨架期。根據(jù)DF 溶解特性，可把DF 分為兩類：可溶性膳食纖維（Soluble Dietary Fiber，SDF）和不溶性膳食纖維（Insoluble Dietary Fiber，IDF），SDF 可溶于溫水或熱水，IDF 不溶于水。一般認(rèn)為，DF中SDF/IDF 占比約1∶2時(shí)為“黃金比例”。麩皮中的大部分DF都是IDF，無法提取。因此，通過改性技術(shù)提高SDF含量對(duì)改善食品功能性有重要意義。

1 麥麩DF重要理化性質(zhì)

1.1 水合性質(zhì)

麥麩DF 的水合性質(zhì)通常由溶脹性（Swelling Capacity，SC）和持水性（Water-holding Capacity，WHC）來衡量。DF 結(jié)構(gòu)中存在大量親水性基團(tuán)，具有很強(qiáng)的吸水性、膨脹性和保水性，可使糞便體積和排便速度增加，緩解泌尿系統(tǒng)壓力和腎結(jié)石等疾病癥狀，并使有毒物質(zhì)迅速排出體外，解決便秘等問題。Zhong 等發(fā)現(xiàn)SDF 含量和水溶性之間存在正相關(guān)關(guān)系，這可以推斷水溶性的增加可能歸因于SDF的增加。

1.2 持油力

持油力（Oil-holding Capacity，OHC）是指對(duì)脂肪/油的吸附能力。采用一些外在作用力可以使DF致密的組織結(jié)構(gòu)變得疏松多孔，大量親脂性活性基團(tuán)被暴露出來，使得DF 的OHC 得到明顯改善。谷物衍生物（例如麥麩）的吸油率主要與麩皮顆粒的表面性質(zhì)有關(guān)，但也可能與組成成分的親水性和總電荷密度有關(guān)。有研究表明，材料的體積密度和粒徑對(duì)OHC 有很大影響，體積密度和粒徑越高其與脂質(zhì)結(jié)合的能力越低。此外，體系的毛細(xì)管力、親脂性位點(diǎn)、疏水性等也會(huì)影響膳食纖維對(duì)油的親和力。

1.3 陽離子交換和吸附能力

陽離子交換能力指的是DF 中含有一些重要的側(cè)鏈基團(tuán)（主要是羥基和羧基基團(tuán)），產(chǎn)生與弱酸性陽離子交換樹脂類似的能力，且與陽離子的相互作用是可逆的。有研究表明，DF 可結(jié)合腸道中許多陽離子如Na+、K+，可以降低由Na+、K+攝入過量而引起的疾病風(fēng)險(xiǎn)。SDF 表面有很多活性基因，可以螯合吸附膽汁酸、膽固醇、葡萄糖、亞硝酸鹽等有機(jī)分子和一些金屬離子，對(duì)膽汁酸和膽固醇的吸附可以抑制總膽固醇濃度增加，降低對(duì)膽固醇的合成與吸收，降低血清和肝臟中的膽固醇含量，從而降低心血管疾病患病幾率和防止冠狀動(dòng)脈粥硬化；對(duì)葡萄糖的吸附可以減少葡萄糖在胃腸道內(nèi)的消化吸收，對(duì)降低餐后血糖有重要作用；對(duì)亞硝酸鹽的吸附可防止因亞硝酸鹽攝入過量對(duì)人體產(chǎn)生的毒害作用。

2 麥麩DF的改性研究

2.1 改性原因及意義

2.1.1 改性原因

在麥麩DF中，可溶性成分扮演著十分重要的角色。在理化性質(zhì)方面，DF 分為普通DF 和優(yōu)質(zhì)DF，優(yōu)質(zhì)DF的可溶性固形物含量高于10%，保水能力大于7 g/g；在應(yīng)用方面，DF品質(zhì)差，SDF含量低（一般在1%左右），造成了加工效果差、口感粗糙、消費(fèi)者接受度差等問題，再加上其功能特性不明晰，消費(fèi)者對(duì)麥麩DF信任度并不高，使其在食品和醫(yī)藥領(lǐng)域得不到廣泛應(yīng)用。在生理功能方面，SDF 具有降低血脂，降低肝和血清中膽固醇，抑制脂肪肝形成，控制餐后血糖及胰島素水平，建立重要的微生物菌群，促進(jìn)益生菌定植，改善腸道健康等功能。IDF 具有多孔性和代謝惰性，能增加糞便體積和減少腸道運(yùn)輸。與IDF 相比，SDF 表現(xiàn)出更多的功能特性，如提供黏度，形成凝膠和充當(dāng)乳化劑。

2.1.2 改性意義

近年來，隨著人們社會(huì)壓力的增大及人體微量元素的缺乏，導(dǎo)致人體各類疾病發(fā)病率增高，這使得人們對(duì)粗糧食品的關(guān)注度越來越高。小麥?zhǔn)且环N健康的粗糧原料，采用傳統(tǒng)石磨工藝得到的麩皮，最大限度保留了多種微量元素且富含DF。在食品配方中添加麩皮會(huì)對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)地、稠度、感官和流變特性產(chǎn)生不良影響，因此，補(bǔ)充水平受到限制。IDF 是麥麩中的主要成分，主要造成麥麩的負(fù)面技術(shù)影響，通過適當(dāng)?shù)母男允侄翁岣啕滬烡F 理化性質(zhì)，將有助于開發(fā)更具針對(duì)性的功能性食品。

2.2 麥麩預(yù)處理改性方法

將部分IDF 轉(zhuǎn)化成SDF 的主要目的是對(duì)食品功能特性和理化性質(zhì)進(jìn)行改良。目前，常用的改性方法有物理和生物改性，這些改性技術(shù)均提高了麥麩DF 的理化性質(zhì)和溶解度。改性技術(shù)的應(yīng)用是提取高生理活性和高功能特性DF 的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，物理-生物聯(lián)合改性技術(shù)是未來努力研究的方向。

2.2.1 物理改性技術(shù)

2.2.1.1 擠壓膨化技術(shù)擠壓膨化技術(shù)是指麥麩DF經(jīng)高壓、高溫及高剪切力作用，在擠壓設(shè)備出口瞬間失去壓力，導(dǎo)致DF空間結(jié)構(gòu)及分子發(fā)生改變，使部分IDF 轉(zhuǎn)變?yōu)镾DF的手段，是集機(jī)械剪切、加熱、混合、膨化等多種單元操作于一體，通過干燥技術(shù)進(jìn)行食品成型加工，能改善纖維物料粗糙口感的一種新型加工技術(shù)。

孫冰玉等對(duì)豆渣復(fù)配粉進(jìn)行擠壓處理，擠壓后豆渣復(fù)配粉的WHC、OHC 和熱穩(wěn)定性均得到改善，主要是因?yàn)閿D壓過程中高溫、高壓和高剪切力破壞了物料分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵，使復(fù)配粉中纖維素發(fā)生降解，分子極性發(fā)生變化，影響了DF的理化性質(zhì)。

2.2.1.2 超高壓技術(shù)

超高壓技術(shù)是一個(gè)純物理過程，是將物料用超高壓裝置（壓力一般是100 MPa～1 000 MPa 之間）處理，物料在液體介質(zhì)中體積被壓縮，超高壓產(chǎn)生的極高的靜壓能使物料疏水鍵、氫鍵、離子鍵等非共價(jià)鍵發(fā)生斷裂，從而使大分子改性或變性的一種物理處理方式。超高壓處理過程中產(chǎn)生的極高靜壓以及伴隨產(chǎn)生的摩擦、沖擊等機(jī)械作用，使原本表面光滑、結(jié)構(gòu)緊密的物料變得疏松多孔，比表面積增大且出現(xiàn)溝壑和許多層狀結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的變化使得部分木質(zhì)素和纖維素變成SDF。

朱丹等采用響應(yīng)面法優(yōu)化沙果渣DF 超高壓處理?xiàng)l件，并確定最優(yōu)條件下沙果渣DF 的WHC、OHC、SC得到了顯著提升，這可能與超高壓處理后樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化有關(guān)；經(jīng)過超高壓處理后，沙果渣DF 的陽離子交換能力也顯著高于處理前的樣品，是因?yàn)镈F 經(jīng)過改性后，其結(jié)構(gòu)暴露出更多的羥基和羧基等側(cè)鏈基團(tuán)，增強(qiáng)了陽離子的交換能力。李夢(mèng)琴等人利用數(shù)學(xué)模型對(duì)麥麩的超高壓處理?xiàng)l件進(jìn)行優(yōu)化，在最優(yōu)條件下測(cè)得麥麩SDF 百分比含量、WHC和SC分別是原料麩皮的1.43、2.07和1.48倍。

2.2.1.3 超細(xì)粉碎技術(shù)

微米和納米技術(shù)是一類新興技術(shù)，在保健食品和功能性食品的制造方面具有巨大潛力。近年來，亞微米范圍內(nèi)的超細(xì)研磨介于100 nm～1 000 nm 之間，與食品等各種工業(yè)應(yīng)用中的新型功能材料的開發(fā)相關(guān)聯(lián)；但是，到目前為止，由于DF 的聚合物性質(zhì)以及設(shè)備支持不足，使用該技術(shù)處理DF 仍受到限制。近年來，人們使用多維擺動(dòng)式高能納米球磨機(jī)對(duì)麥麩DF 進(jìn)行微粉化，其原理是通過快速的多維擺動(dòng)式運(yùn)動(dòng)引起罐中磨介的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生巨大的沖擊力，從而使被粉碎的顆粒達(dá)到納米級(jí)。多維擺動(dòng)式高能納米球磨機(jī)可以有效地將IDF 的粒徑減小至亞微米級(jí)，使所得超細(xì)DF的WHC和SC等提高，并且使部分不溶性膳食纖維轉(zhuǎn)化為可溶性膳食纖維。

經(jīng)過超微粉碎后的小麥麩皮具有更多優(yōu)勢(shì)，除了可以使DF 含量增加，同時(shí)還可以提高麥麩的抗氧化能力、促進(jìn)功能成分的溶出和吸附重金屬離子等。但目前對(duì)麩皮專用超微粉碎設(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)能力低，因而需要做更深入的研究。

2.2.1.4 微波技術(shù)

微波是指頻率在30 MHZ～30 GHZ，波長(zhǎng)1 mm～1 m的電磁波，通常適用于含水量低于20%的物料。微波輻射可以使DF 中木質(zhì)素、纖維素、半纖維素、水等極性分子吸收微波能，釋放大量熱能，致使纖維素、半纖維素等的化學(xué)鍵斷裂，小分子量的化學(xué)物質(zhì)快速揮發(fā)，產(chǎn)生壓力使纖維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)疏松多孔，比表面積增大，植物DF 中可溶性成分增加。任雨離等對(duì)方竹筍DF 進(jìn)行微波改性，使DF 的結(jié)晶強(qiáng)度增加，同時(shí)顯著提高其比表面積以及DF 的WHC和OHC。

2.2.1.5 超聲波技術(shù)

超聲波技術(shù)是一種效率高、耗時(shí)少的物理改性方法，具有機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)、熱效應(yīng)以及湍流作用，能使纖維中大分子連接鍵斷裂，轉(zhuǎn)變成小分子組分；同時(shí)將部分水不溶性成分轉(zhuǎn)化成水溶性成分，使致密的組織結(jié)構(gòu)變得疏松。空化作用所產(chǎn)生的強(qiáng)大剪切力可以使介質(zhì)細(xì)胞壁發(fā)生破裂，使細(xì)胞中的內(nèi)含物釋放，分子間相互碰撞的幾率增加，從而有效地提高了提取物的含量和得率。目前，超聲波技術(shù)作為21 世紀(jì)高新技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于植物（包括谷物）功能活性成分的輔助提取和物料DF 的改性研究。牛希等利用超聲波技術(shù)對(duì)燕麥DF 進(jìn)行改性，改性后的燕麥DF 粒徑減小，組織結(jié)構(gòu)變得疏松多孔，使親水及親油基團(tuán)暴露，導(dǎo)致WHC、SC、OHC 顯著提高，且在超聲功率達(dá)到360 W 時(shí)，WHC、SC、OHC達(dá)到最大。

2.2.2 生物改性技術(shù)

2.2.2.1 酶法改性

酶法改性有單一酶法和復(fù)合酶法，其中復(fù)合酶法在DF 改性方面應(yīng)用最為廣泛。有研究表明，復(fù)合酶的改性效果優(yōu)于單一酶法，能使DF 的溶解度顯著提高。復(fù)合酶法改性通常使用木聚糖酶、纖維素酶等。麥麩DF經(jīng)過酶（如纖維素酶）處理后，超微結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，小麥麩皮DF 的束狀結(jié)構(gòu)消失，表面形成明顯的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，這是由于在纖維素酶的作用下部分纖維素被降解，纖維素分子間的部分氫鍵被打開，不僅使更多的親水基暴露出來，還使部分非極性基團(tuán)也暴露出來，從而增加了與水結(jié)合的能力，吸油性使DF 溶解性、WHC、SC 和OHC提高，SDF含量增加；改性后的麥麩DF對(duì)飽和脂肪和不飽和脂肪、膽固醇以及亞硝酸根離子等的吸收都高于改性前。DF清除亞硝酸根離子主要原因?yàn)楦男院蟮腄F，分子間連接鍵被破壞，部分阿魏酸被釋放從而起到了清除亞硝酸根離子的作用。

2.2.2.2 發(fā)酵法改性

發(fā)酵法改性是利用菌種產(chǎn)生的酶系降解原料中大分子物質(zhì)，破壞原料的纖維結(jié)構(gòu)，使原本致密的組織結(jié)構(gòu)變得疏松多孔，達(dá)到降解IDF 及粗纖維的效果，使得SDF 含量顯著提高。目前，微生物發(fā)酵作為一種新興的改性或者改良技術(shù)，擺脫了以前利用里氏木霉、米根霉和黑曲霉這類菌種發(fā)酵來提高麥麩SDF 含量的局限。劉豪等采用安琪高活性干酵母振蕩發(fā)酵的方式對(duì)麥麩DF 進(jìn)行改性，發(fā)酵后麩皮的WHC 和SC 均提高，其中持水性提高最為顯著，從3.30 g/g 提高到4.32 g/g，主要原因可能是發(fā)酵使物料的比表面積增大、粒度減小、大分子鏈結(jié)構(gòu)斷裂，IDF 分子中的大量親水性基團(tuán)暴露，從而提高了麩皮的WHC 和SC，改性效果明顯優(yōu)于先前的發(fā)酵法，為發(fā)酵改性提供了新的借鑒。

3 展望

我國(guó)小麥麩皮年產(chǎn)量高，但對(duì)其的開發(fā)利用率較低。盡管麥麩DF 的功能特性和營(yíng)養(yǎng)應(yīng)用價(jià)值已引起廣大學(xué)者的關(guān)注，在加工適應(yīng)性、生物活性及機(jī)理研究和改性方法上也做了大量研究，但仍處在初步階段，其真正的應(yīng)用價(jià)值還未被完全開發(fā)出來，有待更加深入的研究。當(dāng)前對(duì)麥麩的研究大多集中在提取多糖和DF 方面，對(duì)于探究提高麥麩DF理化性質(zhì)的改性研究較少，同時(shí)，不同改性技術(shù)對(duì)麥麩DF 結(jié)構(gòu)及構(gòu)效關(guān)系的作用機(jī)理還不明確，因而麥麩類產(chǎn)品在市場(chǎng)的受歡迎度并不理想。目前常用的改性技術(shù)，如擠壓膨化、微波、超聲、酶法和發(fā)酵等都有一定的局限，比如價(jià)格昂貴、操作要求太高、普通實(shí)驗(yàn)室設(shè)備處理強(qiáng)度不夠、改性條件無法控制、不環(huán)保等，離工業(yè)化生產(chǎn)要求還有很大距離，多種改性技術(shù)聯(lián)合使用將成為改性技術(shù)新的突破口，并起到資源整合的作用。目前對(duì)麥麩的研究越來越多，但提取改性之后對(duì)麥麩是否會(huì)造成資源浪費(fèi)，改性后的廢料是否能再利用，這些問題還需要進(jìn)一步研究解決。