麩皮改性及其生物轉(zhuǎn)化的研究概述

張杰，廖愛美，潘龍，趙朋輝，胡哲源，董瑜琪，惠明，黃繼紅，2，3*，侯銀臣

（1.河南工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院小麥生物加工與營養(yǎng)功能河南省重點實驗室，河南 鄭州 450001；2.河南大學(xué)農(nóng)學(xué)院作物逆境適應(yīng)與改良國家重點實驗室，河南 開封 475004；3.許昌學(xué)院食品與藥學(xué)院，河南 許昌 461000；4.河南牧業(yè)經(jīng)濟學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450044）

我國是世界上最大的小麥生產(chǎn)國和消費國，每年小麥產(chǎn)量超過1 億噸，經(jīng)生產(chǎn)加工后產(chǎn)生約2 000 萬t麩皮副產(chǎn)物[1-2]。目前小麥麩皮多應(yīng)用于釀酒、制醋、飼料原料等加工領(lǐng)域，而較少用于深加工，因此附加值較低[3-4]。通過對麩皮進行改性預(yù)處理及微生物發(fā)酵，能有效改變麩皮的營養(yǎng)組成及活性成分，延長小麥加工產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)對小麥副產(chǎn)品的二次利用，具有重要的經(jīng)濟和社會效益。本文就不同改性方式、不同菌種發(fā)酵麩皮，對其營養(yǎng)活性成分含量影響的相關(guān)研究進行論述總結(jié)。

1 麩皮的營養(yǎng)組分

小麥麩皮主要由皮層和糊粉層兩部分組成，是面粉加工過程中的主要副產(chǎn)物[5]，占小麥籽粒的22%～25%。麩皮蛋白主要分為麥谷蛋白和麥膠蛋白，含有人體所需的8 種必需氨基酸，在基本氨基酸中，又以谷氨酸為主[6]；酚類化合物和活性多糖是小麥麩皮中的兩大活性物質(zhì)，酚類物質(zhì)主要存在于麥麩皮層中，包括酚酸、類黃酮和木酚素等，具有較強的抗氧化活性[7]。多糖同樣具有很多生物活性，包括抑菌[8]、抗氧化[9-11]、免疫調(diào)節(jié)[12-14]和腸道益生等[15-16]。膳食纖維作為小麥麩皮里的主要成分，約占其比重的35%～50%，膳食纖維除可以促進腸道蠕動、防止便秘、減少有害物質(zhì)與腸壁接觸時間、降低患病風(fēng)險外，還可以減少消化過程中對脂類的吸收，從而降低血液中的膽固醇和甘油三脂，起到預(yù)防高血壓和心腦血管疾病的作用。

2 麩皮改性研究

早期人們對于麩皮所具有的營養(yǎng)價值及功能認識不足，直接將其作為動物飼料和一些產(chǎn)品的原材料[17]，麩皮的價值未得到充分的開發(fā)利用，造成了資源的嚴(yán)重浪費。

2.1 擠壓膨化及超微粉碎的麩皮改性研究

任順成等[18]的研究發(fā)現(xiàn)，麥麩經(jīng)擠壓膨化處理后，總膳食纖維和可溶性膳食纖維含量分別提高了11.69%和1.16%，說明擠壓膨化后的麥麩其可食性、功能性以及營養(yǎng)性會得到明顯改善。Zhang 等[19]通過超微粉碎得到不同粒徑燕麥麩皮，經(jīng)有機試劑提取后發(fā)現(xiàn)其多酚含量和黃酮含量均有明顯差異，其中游離多酚和游離黃酮隨麩皮粒徑的減小含量明顯增加，分析這是由于游離多酚可以直接被有機溶劑提取，麩皮粒徑越小，與有機溶劑的接觸面積越大，有效增大了提取率。

2.2 蒸汽爆破的麩皮改性研究

張瑞婷[20]在2.5 MPa 下蒸汽爆破處理小麥麩皮30 s后，麥麩中的游離阿魏酸和結(jié)合阿魏酸的含量均有所增加，此時總酚含量最高，為28 mg/g，是未處理時的3.057 倍，此時抗氧化活性也達到最大，表明蒸汽爆破處理可以明顯提高麥麩中的總酚含量及抗氧化成分。高海飛[21]以小麥麩皮為處理原料，采用汽爆預(yù)處理技術(shù)及耦合超微粉碎技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)小麥麩皮粉的功能特性包括水合性和吸附性，小麥麩皮粉抗氧化成分含量和抗氧化性明顯提高，其功能營養(yǎng)價值和感官品質(zhì)得到提升，這對于小麥麩皮在食品行業(yè)的應(yīng)用和開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。

2.3 酶解的麩皮改性研究

呂春月等[22]通過微波聯(lián)合酶解的處理方式改良小麥麩皮，粗纖維含量降低至2.79%，還原糖含量上升至25.15 mg/mL，表明微波聯(lián)合酶解可以破壞分子間的糖苷鍵，使小麥麩皮細胞壁中纖維素、半纖維素降解，生成小分子的還原糖，明顯改善了小麥麩皮的食用品質(zhì)。李治[23]向小麥麩皮中添加1∶2（質(zhì)量比）纖維素酶與木聚糖酶，添加總量為麥麩質(zhì)量的0.3%，料液比1∶10（g/mL），pH4.5，55 ℃下酶解5 h，發(fā)現(xiàn)麥麩的持水力、膨脹力和持油力均得到提高，且持油力提升最明顯，同時有效降低了麥麩的膽酸鈉吸附能力以及陽離子交換能力，該工藝有利于充分利用小麥麩皮，提高產(chǎn)品的加工利用率。

2.4 微生物發(fā)酵的麩皮改性研究

小麥麩皮經(jīng)微生物發(fā)酵后，可將麩皮中的抗?fàn)I養(yǎng)因子降解，轉(zhuǎn)化為易消化吸收并且無毒害的麩皮發(fā)酵產(chǎn)物，從而提高微量元素的生物利用率，改善含麩產(chǎn)品的工藝、感官和營養(yǎng)特性[24-25]。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)微生物發(fā)酵可使麩皮內(nèi)的束縛型酚酸得到釋放，總酚及阿魏酸含量得到提高[26]，發(fā)酵液中多糖和復(fù)合成分增多[27]。多糖和多酚作為麥麩中最主要的生理活性物質(zhì)，對機體的健康發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，通過微生物發(fā)酵提高其含量，對減少資源浪費，提高其附加價值具有重要意義。同時隨著飼料中促生長類抗生素的逐漸禁用，開發(fā)營養(yǎng)平衡、綠色飼料成為一種趨勢，使得微生物發(fā)酵技術(shù)備受食品業(yè)和畜牧業(yè)的青睞。

3 菌種與麩皮的生物轉(zhuǎn)化

通過VOSviewer 文獻檢索軟件，以“小麥麩皮、發(fā)酵”為關(guān)鍵詞，在Web of Science 檢索最近五年的文獻發(fā)現(xiàn)，目前麩皮發(fā)酵的研究熱點主要集中于利用黑曲霉和乳酸菌進行固態(tài)發(fā)酵。固態(tài)發(fā)酵按固液比又可分兩種：固液比較小，可以將微生物培養(yǎng)在潮濕的底物上，按照規(guī)定的條件進行發(fā)酵；第二種為固液比例比較大，原料一般利用價值較高，如麥麩、薯粉等[28]。Zhao等[29]采用酵母和乳酸菌對麥麩進行固態(tài)發(fā)酵后總膳食纖維和可溶性膳食纖維增加，超過20%的植酸被降解。胡博涵[30]利用微生物對小麥麩皮進行發(fā)酵，可充分將麩皮中的束縛型酚酸釋放，在提高麥麩的總酚和阿魏酸含量的同時，其抗氧化活性也得到了相應(yīng)的提高。周聰[31]利用微生物發(fā)酵得到紫麥麩皮總酚含量比未發(fā)酵前提高了兩倍，同時提高了紫麥麩皮的抗氧化活性，表明固態(tài)發(fā)酵是改善麥麩品質(zhì)的有效途徑。

目前國內(nèi)外用于麩皮發(fā)酵的微生物菌種主要有酵母菌、乳酸菌、枯草芽孢桿菌、霉菌等。發(fā)酵生產(chǎn)中，選取不同的菌種，發(fā)酵產(chǎn)物中的成分含量會有所不同，見表1。

表1 不同菌種發(fā)酵對麩皮營養(yǎng)物質(zhì)的改善情況Table 1 Improvement of nutrients in bran by fermentation with different strains

由表1 可知，在菌種選取上，除以單菌進行的發(fā)酵外，還可利用復(fù)合菌發(fā)酵麩皮，通過各菌種之間的協(xié)作關(guān)系，有助于提高發(fā)酵產(chǎn)物的品質(zhì)。

3.1 酵母菌在麩皮生物轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用

麩皮經(jīng)酵母菌或乳酸菌發(fā)酵后，其營養(yǎng)成分得到改善，植酸含量降低，可溶性阿拉伯木聚糖、酚酸含量的提高，使得小麥麩皮的抗氧化活性得到增強[38]，這是由于發(fā)酵過程中會產(chǎn)生高活性的解聚酶，破壞結(jié)合態(tài)酚酸與阿拉伯木聚糖之間的酯鍵，進而釋放細胞壁中的結(jié)合態(tài)酚酸和阿拉伯木聚糖。崔晨曉等[32]利用即發(fā)活性干酵母，固態(tài)發(fā)酵小麥麩皮12 h 后，多酚含量出現(xiàn)明顯的升高，后經(jīng)優(yōu)化35 ℃，發(fā)酵24 h 后，多酚含量可達4.854 mg GAE/g，較未發(fā)酵麩皮增加了49.4%。研究發(fā)現(xiàn)，酵母菌發(fā)酵的麩皮作為原料回添到面包中，對改善面包口感、延長保質(zhì)期具有重要作用。

3.2 乳酸菌在麩皮生物轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用

小麥麩皮經(jīng)乳酸菌發(fā)酵，產(chǎn)物中的氨基酸，維生素和有機酸等有所增加，改善了發(fā)酵產(chǎn)物的風(fēng)味[39]。Wang 等[34]用植物乳桿菌423 發(fā)酵小麥麩皮后氣味豐度明顯增強，其中硫化物和芳香物質(zhì)的氣味增加最為明顯。將麩皮發(fā)酵液中純化得到的抗氧化組分，作用于人臍靜脈內(nèi)皮細胞，顯示出較強的活性氧清除能力，研究表明，植物乳桿菌423 發(fā)酵小麥麩皮在清除羥自由基活性中發(fā)揮重要作用。

Coda 等[40]利用乳酸菌發(fā)酵小麥麩皮24 h，發(fā)現(xiàn)麩皮中葉酸、酚酸、多酚的生物利用度得到提高。王太軍[41]利用乳酸菌對麩皮進行發(fā)酵，小麥麩皮中可溶性阿拉伯木聚糖、總酚含量均有明顯增加，植酸含量下降，總膳食纖維含量下降，可溶性膳食纖維比例提高，說明乳酸菌發(fā)酵可以提高麩皮的加工特性和營養(yǎng)素的含量，可為相關(guān)麩皮食品的開發(fā)提供理論參考。

3.3 曲霉在麩皮生物轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用

Anné 等[42]利用黑曲霉、米曲霉、泡盛曲霉，發(fā)酵小麥麩皮后，阿魏酸較未發(fā)酵麩皮含量明顯升高，分別提高了234.5%、326.9%、1 414.9%。趙浩源等[35]選取黑曲霉菌株TRIIM 3.00954，以麥麩∶甘蔗渣=2∶1（質(zhì)量比）混合作為基質(zhì)，發(fā)酵產(chǎn)阿魏酸酯酶，之后與木聚糖酶聯(lián)合作用于已去除淀粉的麩皮，可將麥麩中60.6%的阿魏酸釋放出來。分析這是由于阿魏酸酯酶與木聚糖酶共同作用于細胞壁，同時打斷阿魏酸酯鍵和糖苷鍵，使阿魏酸得以更好釋放，為工業(yè)化提取阿魏酸提供了有效途徑。

3.4 復(fù)合菌在麩皮生物轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用

麩皮進行復(fù)合發(fā)酵時，菌種的添加比例對發(fā)酵效果會產(chǎn)生較大影響，安曉萍等[43]以釀酒酵母6.73%、枯草芽孢桿菌3.27%的接種量，在料水比1∶1（g/mL），麩皮、豆粕粉和玉米粉組成的培養(yǎng)基中發(fā)酵。最終發(fā)酵麩皮中的多糖含量可達55.92 mg/g。張福娟[44]以黑曲霉和熱帶假絲酵母作為發(fā)酵菌種，菌種配比為2∶1，麩皮含水量70%，在35 ℃下發(fā)酵72 h。發(fā)酵結(jié)束后蛋白質(zhì)含量達24.86%，粗纖維含量降低至3.74%，表明恰當(dāng)?shù)木N配比有助于提高菌種間的協(xié)同發(fā)酵，改善發(fā)酵產(chǎn)物的品質(zhì)[45]。

任雪榮等[36]利用枯草芽孢桿菌和釀酒酵母在37 ℃、料水比1∶1（g/mL）的條件下，混合固態(tài)發(fā)酵麩皮84 h。發(fā)酵完成后測定水溶性麩皮多酚含量，結(jié)果表明多酚含量較發(fā)酵前提高了294.41%。由此可見，微生物復(fù)合發(fā)酵對提高水溶性麩皮多酚含量具有明顯作用。

李翔宇等[37]利用枯草芽孢桿菌和康氏木霉混菌發(fā)酵麩皮時發(fā)現(xiàn)，若枯草芽孢桿菌的比例較低，則發(fā)酵產(chǎn)物中的粗蛋白含量高于單一菌種發(fā)酵；若比例相反，則發(fā)酵產(chǎn)物中的粗蛋白含量會有所下降。經(jīng)分析可能是枯草芽孢桿菌含量較多時抑制了康氏木霉的生長，進而對發(fā)酵體系中的菌種代謝活動產(chǎn)生了影響。因此，在發(fā)酵后期加入枯草芽孢桿菌，不僅可以增加益生菌的含量，還能避免菌種間的相互抑制。

4 麩皮生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的應(yīng)用

近年來，微生物法發(fā)酵處理麩皮技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，與傳統(tǒng)方法相比，該方法成本及能耗較低，操作簡單，反應(yīng)條件溫和，無需添加任何化學(xué)物質(zhì)，不受設(shè)備限制且轉(zhuǎn)化率較高，避免了傳統(tǒng)有機溶劑提取時有毒物質(zhì)的殘留，安全性較高[46]。在發(fā)酵過程中，活性物質(zhì)可通過微生物的代謝而產(chǎn)生，也可以依賴微生物的代謝破壞活性物質(zhì)與基質(zhì)的結(jié)合，從而釋放活性物質(zhì)，這使得麩皮中多種抗氧化活性物質(zhì)得到提高，表明微生物發(fā)酵有著廣闊的發(fā)展前景。生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中的膳食纖維，對于高血壓及結(jié)腸癌、直腸癌等，具有一定的治療和預(yù)防作用[46]，可用于開發(fā)主食性谷物制品[47]，以滿足消費者的營養(yǎng)需求；麩皮發(fā)酵產(chǎn)物中含有大量的生物活性物質(zhì)——抗氧化物質(zhì)[48-49]，作為抗氧化成分，阿魏酸的抗氧化活性最強，含量最多[50]。阿魏酸及衍生物在增強化妝品抗氧化性能、提高食品抗氧化能力和抑制腐敗菌生長等方面應(yīng)用較為廣泛。多糖具有抗氧化、降血糖和肝保護活性[51]，可直接作用于腫瘤細胞，抑制其生長，誘導(dǎo)細胞凋亡等。這主要是由于抗氧化物質(zhì)能直接作用于自由基，清除多余不配對電子或間接消耗掉容易生成自由基的物質(zhì)，進而對機體健康進行保護[52]。

5 結(jié)語與展望

綜上所述，通過對麩皮進行改性及生物轉(zhuǎn)化，可有效提高麩皮中的營養(yǎng)活性成分含量，延長小麥加工產(chǎn)業(yè)鏈，提高其價值鏈。今后對于麩皮的研究重點將主要集中于以下幾個方面：1）多方式聯(lián)用對麩皮進行改性處理，改善麩皮營養(yǎng)價值及感官品質(zhì)；2）發(fā)酵菌種選取的問題，菌種的安全性是一切的前提；3）復(fù)合菌種發(fā)酵，對不同菌種的發(fā)酵產(chǎn)物進行營養(yǎng)評估，選取合適的微生物菌種及組合，探究最適作用條件，這對后期的發(fā)酵生產(chǎn)，提高其附加價值具有重要意義；4）微生物發(fā)酵提取技術(shù)的改進，針對特定的發(fā)酵產(chǎn)物，所需發(fā)酵條件需進一步優(yōu)化；5）通過對小麥麩皮中多酚，多糖的進一步研究，為后期開發(fā)設(shè)計功能性食品及醫(yī)藥的奠定理論基礎(chǔ)。