脂肪酶在面包和饅頭中應(yīng)用研究進展

王新偉，成高民，李蕊，趙仁勇

(河南工業(yè)大學 糧油食品學院，河南 鄭州，450001)

饅頭是深受中國人民喜愛的傳統(tǒng)主食之一。由于環(huán)境溫度、制作條件以及原糧小麥品質(zhì)的不穩(wěn)定性等因素的影響，饅頭的品質(zhì)很難得到保證。在饅頭工業(yè)化生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)表皮龜裂、有氣泡；顏色發(fā)暗、發(fā)黃；內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻或有大孔洞等問題。因此，為了改善和提高饅頭品質(zhì)，在原料面粉或饅頭制備過程中需添加各種添加劑，如乳化劑[1]、堿[2]、酶制劑[3]和增白劑[4]等。

隨著科技的發(fā)展和人們安全意識的提高，饅頭中添加劑的使用要求越來越嚴格，運用新型酶制劑來改善面制品品質(zhì)成為國內(nèi)外研究的熱點之一。酶制劑中的脂肪酶作為一種生物制品，應(yīng)用在面包和饅頭品質(zhì)的改良中，具有顯著的優(yōu)越性：脂肪酶本身就是活細胞產(chǎn)生的活性蛋白質(zhì)，不會留下有毒物質(zhì)；脂肪酶的催化作用具有高度的專一性，而且操作條件溫和。小麥粉中脂質(zhì)的種類是影響脂肪酶作用效果的關(guān)鍵，然而不同脂肪酶的作用底物和水解產(chǎn)物不同，對饅頭品質(zhì)的影響也不同。

本文對面粉中內(nèi)源性脂的種類及其功能效應(yīng)、脂肪酶的催化機制及其在發(fā)酵面制品中作用底物、脂肪酶對面包和饅頭等發(fā)酵制品品質(zhì)的影響進行了闡述，并展望了脂肪酶在饅頭和面包中應(yīng)用的未來研究趨勢。

1 面粉中內(nèi)源性脂的種類及其功能效應(yīng)

面粉中內(nèi)源性脂質(zhì)的種類及含量影響?zhàn)z頭、面包等發(fā)酵制品的品質(zhì)[5-6]。特別是面粉中的極性脂，這類脂有助于提高面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的氣室穩(wěn)定性，從而使得面包體積有所增加。而且脂質(zhì)與脂質(zhì)之間還存在不同的功能效應(yīng)，對發(fā)酵制品的品質(zhì)產(chǎn)生不同的影響。

1.1 面粉中脂質(zhì)的種類

面粉中內(nèi)源性脂質(zhì)的含量約為2.0%～2.5%[7-8]，按化學結(jié)構(gòu)可分為非極性脂(或中性脂)和極性脂(主要是糖脂和磷脂)[7,9]。常見的幾種面粉脂如圖1所示。甘油三酯(triacylglycerol, TAG)和游離脂肪酸(free fatty acids, FFA)的含量最豐富，甘油糖脂和甘油磷脂(也可稱為糖脂和磷脂)是面粉中主要的極性脂，糖脂主要有單半乳糖甘油二酯(monogalatosyl diglyceride, MGDG)和雙半乳糖甘油二酯(digalactosyl diglyceride, DGDG)，磷脂類包括N-?；字Ｒ掖及?N-acyl phosphatidyl ethanolamine, NAPE)、磷脂酰乙醇胺(phosphatidyl ethanolamine, PE)、磷脂酰膽堿(phosphatidyl choline, PC)、磷脂酰絲氨酸(phosphatidyl serine, PS)及各自的溶血磷脂(phosphatidyl inositol, PI)等[10-11]。

1.2 內(nèi)源性脂質(zhì)的功能效應(yīng)

SCHAFFARCZYK等[5]研究表明DGDG是天然面粉類脂類中主要的半乳脂類，隨著雙半乳糖單酸甘油酯(digalactosyl monoglycerides, DGMG)濃度的增加和DGDG濃度的降低，面包體積顯著降低，因為DGDG的功能效應(yīng)比DGMG的要高得多。但是，當DGDG和DGMG的摩爾比為1∶1時，可以顯著增大面包的體積，這說明DGDG和DGMG存在協(xié)同效應(yīng)，脂類之間的協(xié)同作用可以增強氣室界面的穩(wěn)定[12]。GERITS等[13]研究結(jié)果顯示面團中的脂質(zhì)相互作用是將不利氣室穩(wěn)定的非極性脂質(zhì)乳化為油滴，比如DGMG促進了六方相Ⅰ脂類的形成，即DGMG可能有助于去除界面上的有害脂質(zhì)，從而支持界面處DGDG的功能效應(yīng)。另一種可能性是脂類形成不同類型的結(jié)晶相，如六方相Ⅱ，含有這些脂類混合物的單分子層具有與層狀結(jié)構(gòu)的脂質(zhì)組成的單分子層相似的穩(wěn)定性。由于協(xié)同效應(yīng)而產(chǎn)生的脂質(zhì)相互作用也可以減少脂質(zhì)體或膠束的能量屏障，通過形成不同的脂質(zhì)類型的混合膠束吸附到界面上，增加界面活性物質(zhì)的有效性[12]。除此之外，N-酰基溶血磷脂乙醇胺(N-acyl lysophosphatidyl ethanolamine,NALPE)也是形成層狀中間相而改善面包體積[13]。

圖1 小麥粉中常見的脂質(zhì)結(jié)構(gòu)式Fig.1 General structures of common lipids in wheat flour

脂質(zhì)除了與脂質(zhì)之間具有功能效應(yīng)外，脂質(zhì)與蛋白、淀粉之間也有一定的功能效應(yīng)。PAREYT等[7]研究表明FFA和面筋蛋白之間沒有相互作用，可能FFA的疏水烷基鏈限制了它們之間的相互作用。因此，F(xiàn)FA并不能促進蛋白質(zhì)顆粒的聚集，也不能使其產(chǎn)生更強的面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。然而，SROAN等[14]研究表明超過臨界濃度(在天然存在的濃度范圍內(nèi))，小麥粉中的游離極性脂質(zhì)可以通過穩(wěn)定液體層來改善產(chǎn)品體積，該液體層可分離面團中的氣體；非極性的脂質(zhì)可能會破壞氣室，不飽和的FFA會使得體積降低，而飽和的FFA則不會[15]。PAREYT等[7]研究發(fā)現(xiàn)面團發(fā)酵前脂質(zhì)結(jié)晶體的排列是雜亂無章的，發(fā)酵后的脂質(zhì)結(jié)晶體整齊的排列在蛋白質(zhì)界面上，在焙烤過程中，脂質(zhì)結(jié)晶體變成油滴。在面團形成過程中脂質(zhì)重新分配到面筋網(wǎng)絡(luò)中，面筋蛋白是帶正電的(pH=6)，內(nèi)源性極性脂質(zhì)和表面活性劑帶負電，如雙乙酰酒石酸單雙甘油酯(N-acyl lysophosphatidyl ethanolamine, DATEM)和硬脂酰乳酸鈉(sodium stearyl lactate,SSL)，它們通過靜電作用和疏水相互作用與蛋白質(zhì)結(jié)合，從而促進了面筋的形成，因為靜電斥力減少，這本身就增加了面筋網(wǎng)絡(luò)的強度[16]。在面包制作中，自由脂和結(jié)合脂的功能明顯不同，極性的自由脂比結(jié)合脂更有益。還有些學者證明半乳糖脂通過疏水作用和氫鍵與麥谷蛋白相互作用，而磷脂與麥醇溶蛋白或面筋的脂結(jié)合蛋白相互作用[7]。COURTIN等[17]研究發(fā)現(xiàn)小麥粉中的一些脂類具有類似表面活性劑的功能，在面包焙烤過程中會與直鏈淀粉形成復合物，可對面包瓤的組織結(jié)構(gòu)具有軟化的作用，延緩面包的老化。

MACRITCHIE等[18]研究發(fā)現(xiàn)與面粉中任何其他成分的變化相比，改變自由脂含量對面包的體積和質(zhì)地影響更大。MORRISON等[19]發(fā)現(xiàn)在小麥5D染色體上的2個位點(Fpl-1和Fpl-2)控制著自由脂中DGDG和MGDG的含量。然而，這些位點對結(jié)合脂中極性脂質(zhì)的含量幾乎沒有影響，在小麥育種方案中可以改變游離的極性脂質(zhì)含量來提高小麥面粉的質(zhì)量。

2 脂肪酶的催化機制及其在發(fā)酵面制品中作用底物

脂肪酶(lipase E.C.3.1.1.3)也稱酰基甘油水解酶，是一類在油-水界面上催化天然油脂(甘油三酯)降解為甘油和游離脂肪酸的酶。脂肪酶是一類水解酶，廣泛存在于細菌、霉菌、酵母等微生物及其他一些動植物中，微生物源脂肪酶具有更大的應(yīng)用前景[20-21]。界面酶學與非水酶學的突破性發(fā)展，極大地促進了脂肪酶多功能催化作用的研究。

2.1 脂肪酶的催化機制

大多數(shù)微生物脂肪酶都屬于α/β水解酶，其活性位點是由Ser、His和Asp殘基組成的催化三聯(lián)體[22]，在其周圍還存在Gly-X-Ser-X-Gly組成的五肽結(jié)構(gòu)。脂肪酶具有1個α螺旋形成的“蓋子”結(jié)構(gòu)(圖2)，“蓋子”的外表面相對親水，而內(nèi)表面則相對疏水，該結(jié)構(gòu)不僅影響酶活性，而且影響酶對底物的特異性和穩(wěn)定性。

圖2 脂肪酶發(fā)生催化作用前后的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of lipase before and after catalysis

當脂肪酶與油-水界面相接觸時，覆蓋活性位點的α螺旋打開，暴露疏水殘基，增加與脂類底物的親和力，同時該變化導致脂肪酶在Ser周圍產(chǎn)生親電區(qū)域，可保持催化過程中過渡中間產(chǎn)物穩(wěn)定，使脂肪酶處于活化構(gòu)象[23]。脂肪酶的催化機制可以分為4步：首先是底物與酶結(jié)合，即形成共價結(jié)合的底物-酶復合物，然后是快速脫酰，從而激活絲氨酸的羥基，進而攻擊羰基部分，產(chǎn)生四面體中間體，使得前一羰基的氧上帶負電荷，再形成穩(wěn)定的共價中間體復合物，最后是?；衔锏尼尫?。

2.2 脂肪酶在面制品體系中作用底物解析

脂肪酶在面制品體系中可能的作用底物主要有非極性脂TAG以及極性脂糖脂和磷脂，可能的作用位點見圖3。脂肪酶水解TAG時，作用于TAG的酯鍵，水解產(chǎn)生甘油二酯(diacylglycerol，DAG)和FFA，還可進一步水解DAG和甘油一酯(monoglyceride,MAG)中的酯鍵，產(chǎn)生FFA[24](圖3-a)。在水解過程中，不同的面粉脂類含量不同，脂肪酶產(chǎn)生的DAG、MAG、甘油和FFA的種類及比例不同，可能會對面制品的品質(zhì)影響不同。

a-1, 2, 3為脂肪酶作用于TAG的位點； b-1, 2, 3, 4為脂肪酶作用于磷脂的位點； c-1,2為脂肪酶作用于糖酯(半乳糖脂)的位點圖3 脂肪酶作用位點Fig.3 Sites of potential hydrolysis

脂肪酶水解磷脂時，催化磷脂的一個或多個酯鍵以及磷酸二酯鍵水解[25]。不同的脂肪酶可水解磷脂的部位不同，有的脂肪酶水解sn-1上的酯鍵生成FFA和溶血磷脂；有的脂肪酶水解sn-2上的酯鍵，產(chǎn)物為溶血磷脂、FFA和甘油磷脂酰膽堿或甘油磷脂酰乙醇胺；有的脂肪酶可水解甘油磷酸二酯鍵，生成甘二酯等；有的脂肪酶可去除極性基團，但不能去除磷酸基團[26](圖3-b)。不同的脂肪酶產(chǎn)生的溶血磷脂、FFA、甘油磷脂酰膽堿或甘油磷脂酰乙醇胺等產(chǎn)物的種類和比例不同，也會導致對面制品的品質(zhì)影響不同。

脂肪酶水解糖脂時，可完全水解糖脂生成1個或所有FFA和其他極性脂類(圖3-c)。因此，不同的面粉中糖酯含量不同，也可能導致脂肪酶水解產(chǎn)生FFA和其他極性脂類種類和比例不同，從而也可能會導致對面制品的品質(zhì)影響不同。

脂肪酶具有專一性，不同的脂肪酶具有不同的作用底物，甚至是不同的作用位點。在不同的面粉中，脂類含量不同以及脂類中極性脂、非極性脂的種類和比例不同，都會導致脂肪酶作用產(chǎn)物不同，從而導致不同脂肪酶對同一種小麥面粉制作的饅頭品質(zhì)改良效果不一樣，同一脂肪酶對不同面粉制作的饅頭品質(zhì)改良效果也不一樣。

3 脂肪酶對面包和饅頭等發(fā)酵制品品質(zhì)的影響

隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，運用新型酶制劑來改善谷物制品品質(zhì)成為國內(nèi)外關(guān)注的熱點[27]。脂肪酶作為一種安全、高效、純天然綠色添加劑，被廣泛應(yīng)用于饅頭、面包等發(fā)酵制品加工中。脂肪酶作用于小麥粉中的內(nèi)源性脂質(zhì)，產(chǎn)生表面活性劑分子，如溶血磷脂和單甘酯等[28]，來提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

3.1 脂肪酶對面包品質(zhì)的影響

1990年脂肪酶就開始應(yīng)用于焙烤行業(yè)，以改善面團的加工品質(zhì)[29-30]。王雨生等[31]研究表明脂肪酶能有效改善面包粉流變品質(zhì)，改善面包的硬度和彈性。王學東等[32]研究表明面包粉中適量添加脂肪酶，可顯著改善面包粉的拉伸特性、提高面包品質(zhì)。在面包中添加脂肪酶后，面包的光澤度和白度得到明顯改善[5,12,16,33]，面包的比容增加，同時提高了面包的松軟度，使面包瓤的孔隙度更加均勻[34]。JANSSEN等[35]研究表明添加Lipopan.F增加了面團中的極性脂質(zhì)水平，對面團中氣泡穩(wěn)定具有積極的影響，增加面包的體積。GERITS等[13]研究發(fā)現(xiàn)脂肪酶Lipopan F、Lecitase Ultra對面包的影響與表面活性劑一致，均增加了面包體積，脂肪酶對脂質(zhì)的作用使得面包體積增加了56%，這取決于添加脂肪酶的種類和濃度。

SCHAFFARCZYK等[12]研究了脂肪酶Lipopan.F BG和Lipopan.Xtra BG對面包品質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)這2種脂肪酶對面包的質(zhì)構(gòu)和體積均有不同程度的改善作用，而且相同劑量下，Lipopan.F BG對面包體積的改善作用要優(yōu)于Lipopan.Xtra BG，另外，這2種酶并不是劑量越大對面包體積的改善就越好，兩者均有一個最佳添加量；采用分離重組技術(shù)證明了在面包制備過程中，這2種酶更多的作用于面粉中極性脂，從而產(chǎn)生較多的極性脂產(chǎn)物，對面包品質(zhì)起到改善作用[5,36]。適量極性脂會增加面包中氣室的穩(wěn)定性，增大面包體積[7,13-14,24,37]。極性脂可與面筋蛋白、淀粉結(jié)合形成復合物，并能促進蛋白質(zhì)聚集，使面團形成更好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[16,36]，從而改善面包的質(zhì)構(gòu)。但是，以上研究對于起主要作用的極性脂的種類及其作用機理并未涉及。另外，脂肪酶在一定條件下能夠?qū)⒅愃獬蓡胃手?，而單甘酯在淀粉糊化過程中與淀粉分子絡(luò)合，提高糊化溫度，抑制了淀粉顆粒的膨脹，減弱了淀粉顆粒與面筋蛋白之間的相互作用，也可延緩支鏈淀粉的回生。脂肪酶水解脂質(zhì)經(jīng)過一系列反應(yīng)產(chǎn)生過氧化物，可氧化蛋白質(zhì)分子中的硫氫基團，形成分子內(nèi)或分子間二硫鍵，并能誘導蛋白質(zhì)分子聚合，使蛋白質(zhì)分子變得更大，從而提高面團筋力，改善面包的質(zhì)構(gòu)[16,38]。脂肪酶可以改變面包瓤的結(jié)構(gòu)，使氣孔分布小而均勻，其反射效果更佳，提高亮度，從而達到增白的效果[39]。

3.2 脂肪酶對饅頭品質(zhì)的影響

目前脂肪酶應(yīng)用于饅頭品質(zhì)的改良報道較少，對改良機理的研究尚未見報到。張磊等[40]研究了丹麥Novozymes脂肪酶、荷蘭DSM脂肪酶和國產(chǎn)Sunson 脂肪酶3種脂肪酶對饅頭品質(zhì)的影響，研究表明適量的3種酶可提高面筋強度，延長穩(wěn)定時間，降低弱化度，增加面團延伸度和拉伸阻力，改善面團的流變學特性。對饅頭的比容、色澤、結(jié)構(gòu)和彈韌性等均有一定的改善作用。而且脂肪酶添加量并不是越大越好，過量添加反而會對饅頭造成負面影響。并推測脂肪酶對饅頭的體積、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等有改善作用是因為脂肪酶酶解面團中的油脂成分生成天然的單甘脂等乳化成分；對饅頭白度改善是因為在脂肪酶的作用下，原來溶于脂肪中的葉黃素和葉紅素被釋放出來，與空氣接觸，色素被氧化褪色。杜洋等[41]研究了脂肪酶(酶活性4 000 U/g)對饅頭外觀品質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)所用脂肪酶對pH和溫度條件敏感，在適宜條件下，其較高的活性有利于改善饅頭的形態(tài)和顏色，并優(yōu)化出脂肪酶增白饅頭的最適工藝條件。李守宏等[42]研究了幾種單一酶制劑在饅頭中增白的應(yīng)用和復配使用的效果及新型脂肪酶 Lipopan.Prime在饅頭增白和組織改善中的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)Lipopan.Prime能夠提供良好的白度、體積和組織，對面團的穩(wěn)定性也有積極的作用。并指出傳統(tǒng)脂肪酶的增白效果雖然好，但會破壞饅頭的組織結(jié)構(gòu)。脂肪酶的水解作用決定了其對饅頭品質(zhì)的影響。而方曉波[43]研究發(fā)現(xiàn)脂肪酶對饅頭比容的影響不顯著，脂肪酶的作用效果取決于面粉中的內(nèi)源性脂，添加脂肪酶會使這些內(nèi)源性脂質(zhì)的活性得到改善[44-45]。

綜上可知，不同脂肪酶對同一種面粉制作的饅頭品質(zhì)改良效果不一樣，同一脂肪酶對不同面粉制作的饅頭品質(zhì)改良效果也不一樣。推測原因可能是不同的面粉中脂類含量不同，以及脂類中極性脂、非極性脂的種類和比例的不同，導致脂肪酶作用底物的不同，從而產(chǎn)生不同種類及比例的水解產(chǎn)物，進而對饅頭品質(zhì)產(chǎn)生不同影響。

4 結(jié)語

在面包和饅頭制作過程中，脂肪酶是改善產(chǎn)品質(zhì)量的一種很好的選擇。但是由于面團體系的復雜性，脂肪酶與小麥面粉中的脂質(zhì)之間，以及產(chǎn)物與蛋白質(zhì)、淀粉分子之間的相互作用機制尚未可知。因此，研究不同脂肪酶對同一種面粉制作的饅頭品質(zhì)改良效果不一樣，以及同一脂肪酶對不同面粉制作的饅頭品質(zhì)改良效果也不一樣的原因，揭示脂肪酶對面包和饅頭的影響機制，將是未來脂肪酶在面包和饅頭中應(yīng)用的研究方向。