菌酶協同改性麩皮對重組全麥粉及其掛面品質的影響

李燕華,李力,田瀟凌,黃芮,馬森

河南工業大學 糧油食品學院,河南 鄭州 450001

0 引言

近年來,全谷物食品因具有營養健康價值而得到迅猛發展,研究[1]表明,長期攝入全谷物食品能降低患肥胖、糖尿病等慢性病的風險。其中,全麥掛面因能增加飽腹感、促進腸胃蠕動等優點受到廣大消費者的青睞,但麩皮中高含量的不溶性膳食纖維(Insoluble Dietary Fiber,IDF)會導致全麥掛面易折斷、蒸煮損失率和斷條率增大、彈性降低等現象的出現。因此,為減弱麩皮對全麥掛面的劣化作用,研究人員常采用微生物發酵或酶解的方法對麩皮進行生物改性處理。例如,劉姣等[2]研究發現,利用木聚糖酶對麩皮進行適當處理后,可降低全麥掛面的煮熟增重率,提高掛面的營養品質。C.Y.Xu等[3]研究發現,回添經白酒曲和酵母菌協同發酵的麩皮,可縮短全麥掛面的最佳蒸煮時間并減少蒸煮損失率,掛面的外觀和斷面組織也均發生了明顯變化。王賽民等[4]研究發現,利用乳酸菌和酵母菌協同發酵麩皮,可顯著提高麩皮的可溶性膳食纖維(Soluble Dietary Fiber,SDF)含量,且在提高面團及掛面品質方面的效果尤為突出。

目前,針對麩皮生物改性的研究多采用單一微生物發酵或酶解的方法,將兩者結合使用的研究仍較少,且發酵所用微生物主要是乳酸菌和酵母菌[5],酶解常用的木聚糖酶和纖維素酶也只能破壞纖維素和半纖維素結構中的β-糖苷鍵[6],不能專一且有效地降解麩皮中嵌合在纖維素和半纖維素中的木質素,因此降解效率較低。擔子菌能分泌一系列木質素降解酶,可破壞膳食纖維物理屏障,提高其生物轉化效率,但單獨利用擔子菌發酵麩皮會出現菌體解體死亡、產酶不足等問題[7],影響麩皮的降解效率?；诖?本文擬采用纖維素酶、木聚糖酶協同擔子菌改性技術對麩皮進行處理,并研究該技術對麩皮組分含量,以及改性麩皮對重組全麥粉及全麥掛面品質的影響,以期為全麥掛面品質的改良研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 主要材料與試劑

八星雪花小麥粉(總淀粉含量(66.37±0.86)%,蛋白質含量(13.69±0.11)%,水分含量(12.22±0.26)%,脂質含量(1.6±0.07)%,粗纖維含量(1.01±0.52)%,灰分含量(0.45±0.01)%),五得利面粉集團有限公司;麩皮,中鶴現代農業開發集團有限公司;木聚糖酶(100 000 U/g)、纖維素酶(10 000 U/g),上海麥克林生化科技有限公司;擔子菌(CGMCC 7004),中國普通微生物菌種保藏管理中心。

1.2 主要儀器與設備

SW-CJ-2D型雙人超凈工作臺,上海樹立儀器儀表有限公司;RS6000型哈克旋轉流變儀,德國Haake公司;Farinograph-AT自動型粉質儀,北京布拉德科技有限公司;TH2-D型恒溫振蕩器,太倉市實驗設備廠;Quanta FEG-250型掃描電子顯微鏡,美國Thermo Fisher Scientific 有限公司;TA.XT Plus型質構儀,英國Stable Micro System公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 菌液制備培養基配方:葡萄糖2.0 g,酵母膏0.2 g,KH2PO40.25 g,MgSO40.15 g,維生素B1 0.05 g,土霉素0.02 g,蒸餾水100 mL。

在裝有100 mL培養基的250 mL搖瓶中放入5粒直徑約為5 mm的玻璃珠,滅菌20 min,用接種環取3環擔子菌菌體接種至搖瓶中,于30 ℃、160 r/min的恒溫振蕩器中培養4 d,制得菌液,備用[8]。

1.3.2 菌酶協同改性麩皮制備取25 g麩皮,粉碎過40目篩,置于500 mL燒杯中,加入0.25 g木聚糖酶和1.00 g纖維素酶,按照m(麩皮/g)∶V(去離子水/mL)=1∶1的比例加入去離子水(pH值為5.0),混合均勻,于50 ℃條件下酶解12 h后,在121 ℃高壓滅菌鍋中滅菌20 min;加入麩皮質量0.6%的葡萄糖、0.2%的MgSO4、0.6%的(NH3)2SO4、0.3%的K2HPO4和15%的菌液,混勻后置于30 ℃、相對濕度85%的培養箱中分別發酵3 d、4 d、5 d、6 d和7 d;將各發酵時間點的麩皮烘干、磨碎,過60目篩,即得菌酶協同改性麩皮[9]。以未改性麩皮(粉碎過60目篩)為對照。

1.3.3 重組全麥粉制備分別將改性麩皮和未改性麩皮按質量分數15%回添至小麥粉中,混合均勻,即得重組全麥粉,置于自封袋中密封保存,放于4 ℃冷庫中,備用。

1.3.4 麩皮組分含量測定IDF、SDF含量的測定參照文獻[10]中的方法;粗蛋白含量測定參照文獻[11]中的方法;粗淀粉含量測定參照文獻[12]中的方法?？扇苄园⒗揪厶?WEAX)含量的測定參照張維清等[13]的方法,并稍作修改。準確稱取1 g改性麩皮于50 mL離心管中,加入20 mL去離子水,渦旋振蕩3～5 s充分混勻,在室溫條件下于水浴鍋中振蕩提取30 min后,于4 ℃、5000 r/min條件下離心10 min,取上清液,備用。

1.3.5 麩皮微觀結構表征參照閆曉光等[14]的方法,將麩皮均勻平鋪于導電膠上,把托盤放入離子濺射儀中噴金90 s后取出,快速轉移至掃描電子顯微鏡樣品裝載區域中,分別放大300倍和3000倍后進行觀察。

1.3.6 重組全麥粉粉質特性測定參照徐安民[15]的方法,向面缽中加入質量約為50 g的重組全麥粉,混揉1 min后,快速加入一定量的蒸餾水,控制面團的最大稠度為480～520 BU,利用粉質儀測定并記錄面團形成及擴展過程中稠度隨時間變化的曲線,得到該曲線的各項特征值,包括吸水率、面團形成時間、穩定時間、弱化度等。

1.3.7 重組全麥粉動態流變學特性測定按1.3.6的方法制備面團,將面團放入25 ℃、相對濕度80%的醒發箱中醒發30 min,將其置于哈克旋轉流變儀平臺上,下降探頭,將多余面團刮去,給暴露在外的面團涂抹一層凡士林后蓋上蓋子,防止水分蒸發,并在平臺上平衡2 min,以消除殘余應力。使用的探頭型號為PP35Ti,測試溫度為(25±0.1)℃,間隙為2 mm,應變為1%,掃描頻率范圍為0.1～10.0 Hz[16]。

1.3.8 全麥掛面制備參照周玉瑾[17]的方法,并稍作修改。稱取200 g重組全麥粉于和面機中,按照1.3.6的方法加入適量蒸餾水,攪拌10 min后得到面絮;用保鮮膜包裹面絮后,置于30 ℃、相對濕度85%的醒發箱內醒發30 min,依次壓片、切條和干燥。

1.3.9 全麥掛面力學特性測定參照屈路衡[18]的方法,隨機選取完整的全麥掛面,截取15 cm,將其垂直放于質構儀探頭和夾具之間測定折斷力和柔韌性。采用壓縮模式,探頭型號為A/SFR,測試前、中、后速度分別為0.50 mm/s、2.50 mm/s和10.00 mm/s,觸發力為2.0 g。每組樣品重復測定10次,實驗結果需刪除極值。

1.3.10 全麥掛面蒸煮特性測定參照屈路衡[18]的方法,稱取11 g較完整的全麥掛面放入500 mL沸水中,煮制2 min后,每隔15 s撈出1根面條,用兩塊透明玻璃板擠壓面條,面條間硬白芯消失的時間即為最佳蒸煮時間。將煮至最佳蒸煮時間的面湯轉入500 mL容量瓶中并定容,取100 mL面湯于恒重的250 mL燒杯中,置于電爐上蒸干大部分水分,再將燒杯轉移至105 ℃烘箱中烘干至恒重,按下式計算蒸煮損失率:

蒸煮損失率=(m1-m0)/m2×5×100%

式中:m0為恒重空燒杯質量/g;m1為含有100 mL面湯干物質的恒重燒杯質量/g;m2為稱取的全麥掛面質量/g。

參照高維等[19]的方法,取30根較完整的全麥掛面置于500 mL沸水中,煮制最佳蒸煮時間后撈出,長度<12 cm的面條為斷面條,記錄斷面條根數后,按下式計算斷條率:

S=A/30×100%

式中:S為斷條率/%;A為斷面條根數/根。

1.3.11 全麥掛面質構特性測定參照韓聰等[20]的方法,將全麥掛面煮至最佳蒸煮時間時迅速撈出,過冷水30 s后立即撈出,用濾紙吸干掛面表面水分并用保鮮膜包裹;取3根煮熟的掛面平鋪于測試平臺上,用P36/R探頭進行全質構測定。每個樣品重復測定7次,實驗結果需刪除極值。

1.4 統計分析

每個實驗至少重復3次,數據表示為(平均值±標準差)。在SPSS軟件(Version 22.0)中采用Tukey多重比較檢驗進行ANOVA分析,顯著性水平為P<0.05。采用Origin 2018軟件繪圖。

2 結果與討論

2.1 菌酶協同改性對麩皮組分含量的影響

麩皮內部分子組成決定了其功能特性,SDF中的WEAX可改善面團的流變學特性,提高面團的黏彈性[21],而IDF含量的高低在一定程度上能反映麩皮的被降解程度。不同菌酶協同改性麩皮的組分含量見表1。由表1可知,經菌酶協同改性處理后,麩皮中蛋白質含量顯著升高(P<0.05),這可能是因為微生物在發酵過程中會消耗部分營養物質(如碳水化合物)并產生大量消化酶、菌體蛋白等物質,從而累積蛋白質,提升麩皮蛋白質水平[22];麩皮IDF含量顯著降低,SDF和WEAX含量顯著升高(P<0.05),這可能是因為麩皮堅硬的細胞壁組分被纖維素酶、木聚糖酶及擔子菌代謝產生的各種解聚酶所降解[23-24],且酶解作用使IDF中的糖苷鍵斷裂,由大分子物質轉變為SDF和小分子的糖類[25]。隨著發酵時間的延長,SDF和WEAX含量均呈先增大后減小的趨勢,發酵時間為5 d時二者含量均最高,這可能是因為發酵時間短于5 d不利于酶的合成;而發酵時間長于5 d時,為了維持微生物的生長代謝,SDF和WEAX被進一步分解成小分子的葡萄糖、阿拉伯糖、木糖等單糖,進而被微生物消耗利用[26]。

表1 不同菌酶協同改性麩皮的組分含量Table 1 The component content of different bacteria-enzyme synergistic modified bran

2.2 菌酶協同改性對麩皮微觀結構的影響

麩皮的功能和結構特性主要由其內部結構和表面性質決定[27],麩皮的持水性與其表面親水基團的數量有關,麩皮細胞壁破損程度增加、粒度降低均會導致親水基團減少,進而導致麩皮持水能力下降[28]。不同菌酶協同改性麩皮的微觀結構如圖1所示,其中每組圖左邊是放大3000倍,右邊是放大300倍。由圖1a)可知,未經改性處理的麩皮,其結構較為緊密,表面光滑平整,麩皮粒度較大[29]。由圖1b)—1f)可知,經菌酶協同改性處理的麩皮,其表面均較為粗糙,呈現不規則、疏松的多孔狀,有明顯的斷層現象,并附有部分較小碎片,麩皮粒度明顯減小[30]。菌酶協同改性過程中,木聚糖酶作用于麩皮細胞壁中的不溶性阿拉伯木聚糖(WUAX)并使其轉化為WEAX,而纖維素酶作用于纖維素中的糖苷鍵結合位點并使其斷裂,致使不溶性大分子糖類降解為可溶性小分子化合物。木質素主要被擔子菌代謝產生的降解酶所降解,且擔子菌也能產生降解纖維素和半纖維素的酶[31]。各種酶系的協同作用使麩皮細胞壁結構被降解和嚴重破壞,WUAX部分轉化為WEAX,麩皮的總纖維基質被破壞,麩皮粒度減小,在水中易發生團聚現象[32],耐水滲透性增強,這可能導致麩皮的持水能力下降[28,33-34]。

圖1 不同菌酶協同改性麩皮的微觀結構圖Fig.1 The microstructure diagrams of different bacteria-enzyme synergistic modified bran

2.3 菌酶協同改性麩皮對重組全麥粉粉質特性的影響

小麥粉的粉質特性是評價其面團品質和加工特性的重要指標[35]。形成時間與面筋強度有關,形成時間越長,面筋強度越強;穩定時間可反映面團的耐揉性,且與其呈正比例關系[36];弱化度可反映面筋強弱程度,弱化度越大,面筋強度越弱,面團加工性能越差?；靥聿煌竻f同改性麩皮的重組全麥粉的粉質特性見表2。由表2可知,回添未改性麩皮后,重組全麥粉的吸水率和弱化度均升高,質量指數降低,穩定時間和形成時間均縮短,這可能是因為麩皮的加入稀釋了小麥粉中的面筋蛋白,且麩皮較大的空間位阻和剪切作用破壞了面團的連續性[37],使面筋蛋白不易形成穩定的網狀結構[38]。菌酶協同改性麩皮使重組全麥粉的吸水率顯著下降(P<0.05),結合2.1和2.2的結果可知,菌酶協同改性可使IDF部分降解為SDF,細胞破損比例增加,麩皮粒度降低,導致重組全麥粉的吸水能力降低[28,39],這與K.Hartikainen等[34]的研究結果較一致?；靥砻附夂蟀l酵5 d麩皮的重組全麥粉,其穩定時間延長到5.41 min,與對照組相比,弱化度降低了22.50 FU。因此,回添菌酶協同改性麩皮的重組全麥粉的粉質有明顯提升,這可能是因為菌酶協同改性麩皮的IDF含量降低,WUAX轉化為WEAX,其與能產生自由基的化合物(如脂肪氧化酶)共存時可形成凝膠三維網狀結構,彌補部分面筋蛋白的作用[40],減弱麩皮對重組全麥粉的粉質劣化程度。

表2 回添不同菌酶協同改性麩皮的重組全麥粉的粉質特性Table 2 The farinograph properties of recombinant whole wheat flour with different bacteria-enzyme synergistic modified bran

2.4 菌酶協同改性麩皮對重組全麥粉動態流變學特性的影響

小麥粉動態流變學特性與其產品的加工特性及最終產品的品質密切相關[41]。彈性模量(G′)可反映物質的類固體性質,表征物料彈性;黏性模量(G″)可反映類液體性質,表征物料黏性[36]?；靥聿煌竻f同改性麩皮的重組全麥粉面團的G′和G″如圖2所示。由圖2可知,回添未改性麩皮的重組全麥粉面團,其G′和G″遠高于小麥粉面團,且G′>G″,即添加麩皮會導致面團的硬度增大,表現出更強的類固體特性,這與朱璠[42]的研究結果較一致。這可能是因為麩皮與面筋蛋白爭奪水分,降低了水分在面團中的潤滑作用,且填充在面筋蛋白網絡中的麩皮使面團延展性下降,進而導致G′和G″增加[43]?；靥砭竻f同改性麩皮的重組全麥粉面團,其G′和G″較回添未改性麩皮的重組全麥粉面團有所降低,而與小麥粉面團相近[44]。這可能是因為菌酶協同改性麩皮已發生降解,其粒度和持水性均降低[33],且麩皮纖維中含有的大量親水基團被破壞,導致其與面筋蛋白競爭水分的能力降低[45],面筋蛋白能吸收足夠的水分而充分展開,并相互纏繞形成黏彈性體系,最終使得面團延展性增強,硬度降低?；靥砻附夂蟀l酵5 d麩皮的重組全麥粉面團,其G′和G″均有所升高,這可能是因為菌酶協同改性可使能影響面團形成的WEAX充分產生,而WEAX能與面筋蛋白交聯產生新的網狀結構,彌補麩皮對面筋蛋白網絡結構的破壞,改善面團的黏彈性[46]。

圖2 回添不同菌酶協同改性麩皮的重組全麥粉面團的G′和G″Fig.2 The G′ and G″ of recombinant whole wheat flour dough with different bacteria-enzyme synergistic modified bran

2.5 菌酶協同改性麩皮對全麥掛面力學特性的影響

力學特性是評價掛面在包裝、流通過程中易斷裂程度的重要參數[47]。其中,折斷力表示掛面在彎曲時能承受的最大力,折斷力越大,掛面越不易斷裂;柔韌性表示掛面在承受最大折斷力時彎曲的距離[48]?；靥聿煌竻f同改性麩皮的全麥掛面的力學特性如圖3所示,其中同一指標不同小寫字母表示組間有顯著性差異(P<0.05)。由圖3可知,麩皮的稀釋及剪切刺穿作用破壞了面筋蛋白網絡結構,導致回添未改性麩皮的全麥掛面的內部結構較松散,能承受的外部作用力降低?；靥砭竻f同改性麩皮的全麥掛面,其折斷力和柔韌性均有所提高,且隨著發酵時間的延長,整體呈先增大后減小的趨勢,這可能是因為菌酶協同改性過程中釋放了高黏結性的WEAX,能在一定程度上保護面筋蛋白的網絡結構,避免其力學特性改變[49],且菌酶協同改性可軟化麩皮,使其對面筋蛋白網絡結構的破壞作用減弱[50],從而使面條能彎折更大的角度[47]。

圖3 回添不同菌酶協同改性麩皮的全麥掛面的力學特性Fig.3 The mechanical properties of whole wheat noodles with different bacteria-enzyme synergistic modified bran

2.6 菌酶協同改性麩皮對全麥掛面蒸煮特性的影響

最佳蒸煮時間、蒸煮損失率和斷條率是評價掛面蒸煮特性的關鍵指標,其中,蒸煮損失率和斷條率可反映掛面內部面筋蛋白網絡結構的強弱及淀粉顆粒被包裹的緊密程度,蒸煮損失率和斷條率越高,煮制過程中溶解在面湯中的可溶性成分的總量越高[51],掛面越易糊湯?；靥聿煌竻f同改性麩皮的全麥掛面的蒸煮特性見表3。由表3可知,菌酶協同改性處理對全麥掛面的最佳蒸煮時間影響較小,而回添菌酶協同改性麩皮的全麥掛面的蒸煮損失率和斷條率均有所下降,回添酶解后發酵5 d麩皮的全麥掛面,其蒸煮損失率由回添未改性麩皮的全麥掛面的10.62% 降為9.05%,這可能是因為菌酶協同改性麩皮會釋放具有黏結性的WEAX,使得麩皮顆粒黏結在面筋基質中,另外,麩皮釋放的活性物質(如阿魏酸等)會增強面筋蛋白的聚集程度,將淀粉包裹得更緊密[47]。結合圖1可知,菌酶協同改性可破壞麩皮堅硬的纖維結構,減弱麩皮對面筋蛋白網絡結構的弱化作用,增強面筋蛋白網絡的交聯度,強化蛋白質-淀粉-纖維的三維網狀結構,淀粉被包裹得更緊密且在蒸煮過程中的擴散程度降低[52]。

表3 回添不同菌酶協同改性麩皮的全麥掛面的蒸煮特性Table 3 The cooking characteristics of whole wheat noodles with different bacteria-enzyme synergistic modified bran

2.7 菌酶協同改性麩皮對全麥掛面質構特性的影響

質構特性是評價面條品質的重要指標[53],彈性、內聚性和回復性與面條的勁道感呈正相關關系[54],其中內聚性體現了咀嚼過程中面條結構被破壞的程度,內聚性越大,面條結構越緊實且越富有嚼勁[55]?；靥聿煌竻f同改性麩皮的全麥掛面的質構特性見表4。由表4可知,相較于小麥粉面條,回添未改性麩皮的全麥掛面的硬度顯著增大(P<0.05),內聚性、彈性和回復性均顯著降低(P<0.05)。研究[56]表明,麩皮中的IDF含量與含麩皮面團的硬度呈正相關關系。菌酶協同改性處理能降解麩皮中的IDF,使其含量降低,從而改善全麥掛面的硬度[57]。此外,麩皮蛋白質含量越高,含麩皮掛面的彈性和回復性越好[56]。結合表1可知,菌酶協同改性麩皮所含蛋白質含量較未改性麩皮有顯著提高,故回添菌酶協同改性麩皮的全麥掛面,其整體呈現軟彈的特點[47]。隨著發酵時間的延長,回添菌酶協同改性麩皮的全麥掛面的硬度、彈性、內聚性和回復性均呈先增大后減小的趨勢,其中,回添酶解后發酵5 d麩皮的全麥掛面,其彈性顯著高于(P<0.05)其他改性麩皮全麥掛面。研究[58]表明,淀粉分子與面筋蛋白網絡結構交聯點的多少與面團彈性的大小呈正相關關系。酶解后發酵5 d的麩皮會釋放更多的WEAX及其他活性物質,增強面筋蛋白的網絡結構[47],另外,回添菌酶協同改性麩皮會降低掛面中水分的流動性,減弱對面筋蛋白網絡的損傷,增加面筋蛋白網絡結構與淀粉分子的交聯點[15]。

表4 回添不同菌酶協同改性麩皮的全麥掛面的質構特性Table 4 The texture characteristics of whole wheat noodles with different bacteria-enzyme synergistic modified bran

3 結論

本文以纖維素酶、木聚糖酶協同擔子菌改性處理麩皮,探究改性麩皮對重組全麥粉及其掛面品質的影響,得到如下結論:經菌酶協同改性后,麩皮的營養品質得到提升,IDF含量顯著降低,而SDF、WEAX和蛋白質含量均顯著升高;相較于其他改性麩皮,酶解12 h后接菌發酵5 d的麩皮更能釋放有利于面筋蛋白網絡結構形成的WEAX,在改善重組全麥粉及其掛面品質的劣化程度方面表現出更大的優勢,在該改性條件下制備的重組全麥粉,其面團的面筋筋力更強、更耐揉搓、硬度更低且彈性更高,所制備的全麥掛面在運輸過程中不易斷裂,煮制后口感勁道且不易糊湯,更符合消費者的需求。因此,該菌酶協同改性方法可有效軟化麩皮結構,降解其不溶性纖維組分,改善IDF與SDF比例,弱化麥麩對全麥粉品質的劣化程度,提高麩皮的經濟附加值,也為改善全麥掛面的品質與營養提供了新的技術思路。