不同預處理方法對改善麥類麩皮營養(yǎng)特性的研究進展

王寶石，譚鳳玲，李林波，李志剛，孫海彥，張明霞

1(河南科技學院 生命科技學院，現(xiàn)代生物育種河南省協(xié)同創(chuàng)新中心, 河南 新鄉(xiāng)，453003) 2(中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院熱帶生物技術(shù)研究所，海南省熱帶微生物資源重點實驗室，海南 ?？?，570102)

小麥為多種食品使用的重要谷物，根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)數(shù)據(jù)顯示，2017年全球小麥產(chǎn)量約為7.72億t。麥麩是小麥制粉中主要副產(chǎn)品，約占小麥的15%，麩皮全球產(chǎn)量高達1.5億t，通常用作飼料，但附加值比較低。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，全麥食品消耗與減少癌癥、2-型糖尿病和心血管疾病的發(fā)生存在密切關(guān)系[1]。麥麩富含健康成分如膳食纖維和植物化學活性物質(zhì)，對食品加工越來越有價值[2]。從麥麩中提取活性成分用來增加食物活性成分含量，以滿足宿主和腸道菌群的營養(yǎng)需求。同時麥麩中木制纖維素為生物煉制的重要原料，可以通過不同預處理手段，提高麩皮附加值。本文從麩皮營養(yǎng)成分組成，面制品加工中麩皮改性以及生物煉制等方面綜述其研究進展，旨在為麩皮高附加值利用提供參考。

1 麥麩主要營養(yǎng)成分及其功能特性

麩皮為小麥加工副產(chǎn)物，由于制粉工藝不同，麩皮組成存在部分差異，通常由皮層、糊粉層和胚乳3部分組成。麩皮皮層和糊粉層細胞賦予了多種營養(yǎng)成分，如碳水化合物、蛋白質(zhì)、粗纖維、微量元素如維生素和礦物質(zhì)(P，K，Mg，Ca，Zn等)等。麩皮中還存在大量具有特殊生理功能的化學成分,如酚酸、木酚素、類黃酮、阿拉伯聚糖等，具有清除自由基、預防癌癥及心腦血管疾病，對于改善生理機能具有重要作用[3]。此外，小麥麩皮中含有豐富的纖維類物質(zhì)，粗纖維(主要成分為半纖維素和纖維素)約占10.5%。其中膳食纖維為主要功能成分,約占30%～50%，基于溶解度的差異可分為水溶性和不溶性膳食纖維。膳食纖維集中在小麥籽粒外層(麩皮部分)，由纖維素、木質(zhì)素和高度取代的不溶性阿拉伯木聚糖(arabinoxylan，AX)組成，而糊粉層的細胞壁主要由可溶性AX和β-葡聚糖組成。盡管AX在谷物整個穎果中為次要組分，但它仍占小麥粉可溶性和不溶性膳食纖維的主要部分[4]。阿拉伯木聚糖主要由木聚糖鏈組成，β-1,4-連接的D-吡喃吡喃糖基殘基(Xyl)，由α-L-阿拉伯呋喃糖單元(Ara)在O-2和O-3處連接木糖單元作為側(cè)鏈殘基[5]。GONG等[6]比較了不同品種來源的全麥和精制小麥體外發(fā)酵能力，與精制小麥粉相比，由全麥食品中麩皮為腸菌群提供的膳食纖維量為0.87～0.97倍，酚類化合物量為1.61～4.33倍。全麥對腸道形成獨特的調(diào)節(jié)作用通過刺激有益細菌(雙歧桿菌、乳桿菌)的生長來形成微生物群，抑制病原細菌(大腸桿菌、梭菌、鏈球菌)的生長[7](如圖1所示)。

圖1 小麥全谷物中營養(yǎng)因子的功能特性

麥麩中含有豐富的蛋白質(zhì)，約占14.1%；在構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸中，主要以甘氨酸、精氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、亮氨酸為主；含有人體所需的必須氨基酸，甚至可以與大豆蛋白相媲美，具有重要的功能特性，如表1所示[8]。

表1 小麥麩皮中氨基酸含量(100 g，干基)

小麥麩皮中含有重要的非淀粉多糖為戊聚糖，主要由木糖和阿拉伯聚糖2種五碳糖聚合而成，是一種功能性多糖，在預防高血壓、高血脂等方面具有重要作用。小麥麩皮中存在的由木糖通過β-1,4糖苷鍵鏈接而成的木聚糖，是組成半纖維素的重要成分，它主要分為不溶性和水溶性木聚糖(僅占6%)。其中由2～7個木糖聚合成的低聚木糖(又稱木寡糖)，是一種功能性寡糖，具有較強的耐熱性和耐酸性，在體內(nèi)不易被消化酶水解，可以在大腸中發(fā)揮生理功能，促進益生菌增殖。隨著人們對健康意識的增強，麥麩中生理活性物質(zhì)越來越受到人們的重視，特別是植物來源的天然活性物質(zhì)受到青睞，如何深度開發(fā)和合理利用麩皮中活性物質(zhì)成為專家關(guān)注的焦點。

2 小麥麩皮功能性酚類及多糖活性物質(zhì)釋放

谷物中存在各種對健康有益的植物化學物質(zhì)，其中酚類化合物最為多樣化和復雜，在科學研究中引起了很大的關(guān)注[9]。流行病學研究表明,酚類藥物的消費與預防慢性疾病如癌癥、肥胖癥和糖尿病等存在密切關(guān)系。酚類物質(zhì)在食物中以游離和不溶性結(jié)合形式存在，關(guān)于多酚研究絕大多數(shù)集中在游離酚上。不溶性酚類對健康潛在益處經(jīng)常被忽視，因為與游離形式不同，不溶性酚類與細胞壁結(jié)構(gòu)共價結(jié)合是由糖苷和酯鍵組成的，不能用水性有機溶劑萃取[10-11]。近年來，諸如堿、酸和酶促水解方法通常用于結(jié)合酚的提取。研究表明，與來自相同底物的游離酚相比，結(jié)合酚顯示出更強的抗氧化性、抗菌性能和抗腫瘤活性[12]。難消化的結(jié)合酚類與纖維一起被移入結(jié)腸中，微生物群落在結(jié)合酚類的釋放中起重要作用。從谷物中攝取結(jié)合酚類物質(zhì)可能有助于預防結(jié)腸癌等疾病[13]。目前提取植物酚類化合物的傳統(tǒng)方法主要是溶劑萃取，或者借助物理輔助等方法來改變小麥麩皮的結(jié)構(gòu)和組成，通過使用濕分餾方法，如酶處理[14]，或干分餾方法，如超細粉碎和靜電分離[15]，來提高酚酸的生物可利用性。由于傳統(tǒng)方法在成本和環(huán)保上的局限性，發(fā)酵法制備酚類物質(zhì)逐漸被更多研究者采用。也有研究者采用液態(tài)發(fā)酵麩皮制備酚類物質(zhì)，如李秀利等[16]以大麥麩皮發(fā)酵液為基質(zhì)，經(jīng)過干酵母發(fā)酵制備酚類物質(zhì)。但液態(tài)發(fā)酵方式易產(chǎn)生大量廢水，對環(huán)境造成污染，此發(fā)酵方式的應用受到限制。

固態(tài)發(fā)酵技術(shù)(solid state fermentation, SSF)，可利用工農(nóng)業(yè)廢料生產(chǎn)生物活性物質(zhì)，具有節(jié)水、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，已得到廣泛的應用[17]。絲狀類真菌如黑曲霉(Aspergillusniger)，米曲霉(Aspergillusoryzae)，米根霉(Rhizopusoryzae)等[18]，作為工業(yè)菌株具有諸多優(yōu)勢，自身可以分泌豐富的酶系如淀粉酶、果膠酶、纖維素酶、蛋白酶等[19-20]，是優(yōu)良的細胞工廠[21]。BHANJA[22]基于米根霉和泡盛曲霉(Aspergillusawamori)發(fā)酵法可以有效提高酚類物質(zhì)的提取率，顯著提升了DPPH自由基和ABTS+清除能力。杜小燕等[23]研究發(fā)現(xiàn)泡盛曲霉發(fā)酵麩皮后，游離態(tài)阿魏酸含量及抗氧化性均有所增加。XIE等[24]分別采用食用菌菌絲(平菇、黑木耳、猴頭菇、蛹蟲草)接種麥麩發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)其分泌多種酶系有效促進了麥麩中酚類化合物的釋放。尹志娜等[25]對黑曲霉和棒曲霉發(fā)酵小麥麩皮中酚類化合物釋放能力的研究，得出黑曲霉對麥麩的降解能力及對阿魏酸的釋放能力都顯著優(yōu)于棒曲霉。李秀利等[16]采用高活性酵母對大麥麩皮進行發(fā)酵，發(fā)酵液中多酚含量顯著增加。SCHMIDT等[26]研究了米根霉固態(tài)發(fā)酵處理米糠，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后酚類物質(zhì)含量提高了2倍，阿魏酸提高近20倍，采用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)從麩皮中制備酚類物質(zhì)已逐漸成為研究熱點。此外，麩皮中功能性多糖的研究也逐漸受到專家的關(guān)注，絲狀真菌如黑曲霉和米根霉發(fā)酵處理燕麥麩皮，β-葡聚糖提取率為發(fā)酵前的3倍,其分子質(zhì)量分別從6.74×105Da降低到2.84×105Da和2.20×105Da。同時,發(fā)酵處理并不影響其結(jié)構(gòu)和纖維二糖基/纖維四糖基比[27]。BEI等[28]采用纖維素酶水解并用紅曲霉發(fā)酵，纖維素酶可以促進不溶性酚類物質(zhì)釋放，酶水解后發(fā)酵系統(tǒng)進一步提高了酚類物質(zhì)的釋放，分別提高了24.38%和31.05%。總之，基于微生物發(fā)酵法可以提高麩皮中酚類化合物的種類及含量，烴類物質(zhì)含量和種類顯著減少，有機酸、酯類等含量顯著升高，促進功能性多糖的釋放。適用于發(fā)酵麩皮的生產(chǎn)菌種基本為食品級菌種，因此發(fā)酵麩皮在食品和醫(yī)藥領(lǐng)域均有廣泛應用。

3 小麥麩皮改性及其在面制品加工中的應用

隨著麩皮營養(yǎng)特性及其特殊生理功能逐漸被人們認知，麩皮及其他谷物加工副產(chǎn)品逐漸被用于面制品加工過程中[29]。但麥麩直接作為食品原料適口性差，水結(jié)合能力與氣體面團保持力低，同時麩皮的加入會破壞面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而影響面制品品質(zhì)。因此，需要對麥麩進行改性處理[30]。為充分利用麥麩中的功能成分，渠琛玲等[31]采用連續(xù)微波加熱對麥麩進行穩(wěn)定化處理，回添制備全麥粉中，穩(wěn)定化后全麥粉酶活下降92%，微波穩(wěn)定化效果顯著。SPAGGIARI[32]采用鼠李糖乳桿菌發(fā)酵處理麥麩，發(fā)現(xiàn)植酸和阿拉伯聚糖含量增加3倍，且發(fā)酵麥麩香氣濃郁，并指出乳酸發(fā)酵處理是麩皮改性非常有價值的預處理方法。HORIE[33]采用米曲霉發(fā)酵處理谷物外殼米糠，其中麥角硫因(稀有的天然氨基酸)含量提高了45倍。CHU等[34]采用Bacillusnatto發(fā)酵處理米糠，發(fā)酵米糠形成了多孔松散結(jié)構(gòu)，可溶性膳食纖維含量提高了10.9%，水和油保持能力也明顯改善，因此發(fā)酵處理米糠可用作面制制品加工中功能成分。ZHANG等[35]提出酵母菌和乳酸菌混合培養(yǎng)及其木聚糖酶水解處理小麥麩皮，發(fā)現(xiàn)處理后麩皮中多酚化合物和可溶性阿拉伯聚糖含量增加了，同時改性麥麩顯著增加了谷蛋白中二硫鍵含量(5.8%～13.9%)，可以阻止麥麩添加對面團和面筋聚合的破壞。此外，PRüCJKER等[36]也研究發(fā)現(xiàn)，酵母菌、植物乳桿菌和戊糖乳桿菌混合培養(yǎng)可以改善麩皮感官質(zhì)量，而不引起麩皮基質(zhì)嚴重變化。AKTAS-AKYILDIZ等[37]研究了蒸汽爆破后酶解處理麩皮對面包焙烤質(zhì)量的影響，研究發(fā)現(xiàn)蒸汽爆破(150 ℃，10 min)添加20%麩皮，會降低面包焙烤質(zhì)量，但爆破后再酶解處理麩皮會增加面包比容積并降低硬度。CODA等[38]研究了麩皮粒徑對麩皮發(fā)酵小麥面包的影響，麩皮粒徑降低會增加面包口感的光滑度，但會加重面包成品顏色，麩皮粒徑為160 mm時小麥面包具有淡淡的風味且具有最大的體積和保質(zhì)期。

4 小麥麩皮中木制纖維素的生物煉制

麩皮含有豐富的碳水化合物，如戊糖和己糖，同時麥麩是木制纖維素原料之一。木質(zhì)纖維素是最豐富且廉價的可再生資源，可作為生物煉制非常有效的基質(zhì)資源。木制纖維素是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的復雜混合物，同時還包括少量有機物和無機物，如蛋白質(zhì)、脂肪和提取物。然而，麩皮中的木質(zhì)素、纖維素結(jié)晶度以及木質(zhì)纖維素粒徑等因素是成為木制纖維素酶促降解和生物發(fā)酵的最大障礙。發(fā)酵前，麩皮預處理技術(shù)是提升其產(chǎn)品附加值最重要的階段。WANG等[39]利用稀酸處理麥麩(100 ℃，30 min)后用于富馬酸發(fā)酵，結(jié)合菌絲球形態(tài)控制手段，富馬酸產(chǎn)量高達20.2 g/L，有效提高了麩皮利用效率。GERMEC等[40]確定了麩皮最佳預處理條件為固液比為1∶11.9，預處理溫度121 ℃，體積分數(shù)1.99%的稀酸處理1 min，麩皮充分水解，然后進行用于生產(chǎn)乙醇和乳酸的發(fā)酵，產(chǎn)量最高分別為3.85 g/L和9.09 g/L。WOOD等[41]采用蒸汽爆破結(jié)合纖維素酶處理方法，在中試規(guī)模實現(xiàn)了高底物濃度的乙醇轉(zhuǎn)化，乙醇濃度達到理論值的93%。GERMEC采用超臨界CO2、亞臨界和超臨界水技術(shù)方法，構(gòu)建了六步法生物煉制麩皮的工藝(如圖2所示)。(1)超臨界CO2在30 MPa，70 ℃脫除脂肪；(2)超臨界CO2在40 MPa，80 ℃提取酚類脂[42]；(3)超聲波輔助淀粉酶在55 ℃水解7 min脫除淀粉；(4)在80 ℃，pH 7.3條件下提取蛋白質(zhì)和木質(zhì)素；(5)RuCl3/MCM-48在180 ℃條件下輔助壓縮液態(tài)水提取木糖和阿拉伯糖；(6)超臨界水快速水解纖維素?？傊?，上述預處理技術(shù)如稀酸預處理，堿預處理，蒸汽爆炸或超臨界CO2等方法存在一些局限性，包括需要專用儀器、高能耗或在特殊條件下(高壓、高溫等)運行。同時處理過程可能會產(chǎn)生抑制劑，將對后期生物加工過程產(chǎn)生負面影響。這些預處理方法大大增加了加工技術(shù)的成本，雖然幾種木質(zhì)纖維素在實驗室和中試中對預處理過程進行了研究，只有少數(shù)被認為是有效和環(huán)保的。

圖2 六步法生物煉制麩皮的工藝

基于固態(tài)發(fā)酵技術(shù)手段煉制麩皮，仍然是科學家們研究的熱點。FARKAS[43]分別研究了青霉菌、根霉菌、毛霉菌和木霉菌單菌系及其混合菌系發(fā)酵處理麥麩并應用于乙醇發(fā)酵過程，發(fā)現(xiàn)混合菌種體系(黑曲霉、產(chǎn)黃青霉和里氏木霉接種比例為65∶25∶15，孢子總數(shù)為107時)預處理發(fā)酵麩皮，然后再將酵母菌和運動假單胞菌混合發(fā)酵，乙醇產(chǎn)量高達7.6%。WANZENB?CK等[44]以麩皮為發(fā)酵培養(yǎng)基質(zhì)，固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)杏鮑菇，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基中添加麩皮量為980 g/kg顯著提高了杏鮑菇產(chǎn)量與蛋白質(zhì)含量，同時顯著降低了植酸及其基質(zhì)粘度[44]。絲狀真菌黑曲霉和米曲霉是廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)各種酶和有機酸生產(chǎn)中，BENOIT-GELBER等[45]混合共培養(yǎng)黑曲霉和米曲霉發(fā)現(xiàn)，2種菌株的分布均勻并形成了混合菌落，并能分泌大量的淀粉水解酶類，有效降解了麩皮。

麩皮生物煉制技術(shù)旨在充分開發(fā)植物基資源，在制備可發(fā)酵性糖之前，首先將麩皮進行預處理，可以有效提升麩皮生物煉制效率。許多預處理方法如物理法、化學法及其酶解方法用于轉(zhuǎn)化纖維素/半纖維素合成纖維二糖、單糖、木糖和阿拉伯聚糖等糖類物質(zhì)，但同時會產(chǎn)生一些抑制物如有機酸(主要是乙酸、甲酸和乙酰丙酸)、糠醛類物質(zhì)(5-羥甲基糠醛和2-糠醛)等，它們會抑制后續(xù)微生物發(fā)酵過程。而基于固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的溫和預處理方法，結(jié)合混合菌種培養(yǎng)策略，可以有效減少糠醛等抑制物的釋放，顯著提升生物煉制效果。

5 展望

隨著人們對麩皮營養(yǎng)特性認知的加深，麩皮深加工仍將是未來的研究熱點。基于現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的生物煉制方法可以有效規(guī)避傳統(tǒng)提取方法中存在的成本高且易產(chǎn)生大量廢水等缺陷，麩皮發(fā)酵處理的研究也逐步由初始單一菌種逐步發(fā)展到現(xiàn)代混合菌種培養(yǎng)體系，但關(guān)于麩皮中活性物質(zhì)釋放的規(guī)律缺乏系統(tǒng)研究，且相關(guān)釋放機制尚不清晰。未來麩皮的生物煉制，仍將采用現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)，結(jié)合混合菌系控制策略，深度解析菌系互作關(guān)系及其作用機制。另一方面，充分開發(fā)可應用于麩皮高效發(fā)酵的微生物資源，我國傳統(tǒng)釀造食品(如白酒、食醋、醬油、酵子等)蘊藏了豐富的微生物，且微生物被認為是安全的，要充分挖掘我國特有微生物資源，為麩皮高附加值利用以及相關(guān)功能性食品開發(fā)提供更多的理論基礎(chǔ)和依據(jù)。