阿拉伯木聚糖對谷物食品的品質影響研究進展

王 立， 司曉靜， 錢海峰， 李 言， 張 暉， 齊希光

（江南大學 食品學院，江蘇 無錫214122）

阿拉伯木聚糖（arabinoxylan，AX），也稱戊聚糖，是一種存在于谷物中的非淀粉多糖，其含量雖低卻是細胞壁的重要功能組分[1]。 阿拉伯木聚糖主要分布在谷物胚乳及糊粉層細胞壁、麥麩組織和一些谷物的外殼中。 由于谷物種屬差異和種植條件的不同，阿拉伯木聚糖的含量、分布甚至結構方面都具有差異性[2-3]。

阿拉伯木聚糖，是由β-1，4 糖苷鍵連接的線性木聚糖骨架組成的雜多糖，其中α-L 阿拉伯呋喃糖單元通過α-1，3 和/或α-1，2 糖苷鍵連接到該骨架上，部分為C（O）-3 位的單取代，部分為C（O）-2 位和C（O）-3 位的雙取代[4]。阿拉伯糖側鏈的數目和位置隨谷物種類及品種而變化，主鏈上的取代模式決定了AX 的理化性質[5]。部分AX 鏈上還連接有少量其他側鏈殘基，如六碳糖、葡萄糖醛酸、阿魏酸等。根據阿拉伯木聚糖在水中溶解度的不同，一般將其分為水溶性阿拉伯木聚糖 （water-extractable arabinoxylan，WEAX） 和水不溶性阿拉伯木聚糖（water- unextractable arabinoxylan，WUAX），兩者取代基和相對分子質量不同，通常后者的取代基數目與相對分子質量大于前者[6-7]。 在谷物細胞壁中，WUAX 的質量分數通常高于WEAX[8]。

目前，常用的阿拉伯木聚糖來源有麩皮、啤酒糟、玉米芯和甘蔗渣等原料[9-11]，常用的提取分離方法有水提法[12]、酸堿溶劑提取法[13-14]、酶解提取法[15]、機械輔助提取法[16-17]等。 由于原料中一般含有淀粉和蛋白質等組分，提取過程中需利用蛋白酶和淀粉酶進行除雜處理，也可采用靜電分離等純化方法得到純度較高的AX[18-21]。 不同的生產原料和提取方法對AX 的溶解性、聚合度、相對分子質量、側鏈取代模式以及純度影響較大[22-25]。

阿拉伯木聚糖是谷物中非淀粉多糖的主要成分，作為一種重要的膳食纖維，具有多種生理活性，包括調節腸道菌群[26]、促進腸道健康[27-28]、調節血糖和血脂水平[29-30]、減少膽固醇吸收[31]、調節代謝[32-34]、抗氧化[35-36]、抗炎[37]、提高免疫[38-39]等。 同時，AX 特殊的物理化學性質，對谷物食品的加工（如面團的加工特性）也有較大的影響，對谷物食品的最終品質（如質構、感官、營養等）也有較大影響[40-41]。

作者介紹了阿拉伯木聚糖在谷物食品加工中的應用，包括其在面團加工和后續產品加工過程中的作用，并對其作用機制進行了分析。 最后，分析了阿拉伯木聚糖對谷物食品品質的影響，以期為高品質高營養價值的谷物食品提供依據。

1 阿拉伯木聚糖對谷物產品加工特性的影響

1.1 在面團加工中的作用及其機理

1.1.1 面團特性的變化阿拉伯木聚糖具有較高的水分結合能力[42]、黏度[43]以及氧化膠凝的能力[44-45]，這些特性都會對面團的吸水、混合和流變性能有所改善。 研究表明，在面團中添加WEAX 可以改變面團的黏彈性并提高面團的持水力，且成正比關系[46]。經木聚糖酶處理后，面團吸水率呈下降趨勢，主要原因是木聚糖酶將AX 水解成小分子的寡糖， 這些寡糖結合水的能力弱于相對分子質量更大的AX，從而導致持水性下降[47]。 Guo 等人[48]研究發現，與高相對分子質量的AX 相比， 水解后低相對分子質量的AX 可以通過降低與其他面團成分對水分的競爭，促進小麥面團形成更致密、更連續的面筋網絡，表現出更好的面團加工特性。

在面團中添加阿拉伯木聚糖，可以改善面團的拉伸強度和延展性[49]，也可以延長面團形成時間，增加面團穩定時間，提高面團的抗剪切性能[50]。研究表明，添加小麥麩皮后，冷凍面團的拉伸性、延展性和黏彈性得到較好的改善，能有效防止冷凍貯藏中面團體積的變化，且面團中的自由水含量減少，流動性降低[51]，主要原因是小麥麩皮中所含的非淀粉多糖（主要是AX）具有較強的持水能力，能有效結合水分子，減少冰晶的形成從而防止其對面筋蛋白網絡的破壞[52]。

阿拉伯木聚糖的添加還可增加發酵面團的持氣性和穩定性， 發酵面團可以看作是淀粉-面筋黏彈性基質、氣室和在氣泡之間形成液膜的液相共同組成的三相介質，液相含有多種化合物，例如蛋白質、脂質和多糖[53]。 面團中的WEAX 可溶解在此液相中，增大此液相的黏度，從而穩定面團結構，增強生面團的穩定性和持氣性。Wang 等人[54]發現新鮮黑麥面團在添加質量分數2%的WEAX 后具有更大的氣室總體積、更高的氣室密度和更低的平均氣室體積。 D?ring 等人[55]研究不同質量分數的堿提AX 對小麥和黑麥面團蛋白質微觀結構的影響時，發現質量分數2.5%的堿提AX 可以幫助蛋白質形成更擴散和更廣的分布結構， 而質量分數高于5.0%則會產生負面影響。

關于阿拉伯木聚糖對于面團特性及其產品的影響仍存在不同觀點，主要可能是由于實驗所用面粉不同、 所用AX 結構不同以及實驗方法不同。 總之，已有的研究表明了WEAX 對面團的加工特性具有正面改善作用，而WUAX 對面團加工具有一定的負面作用， 但若對WUAX 進行化學改性或酶解，可改善其負面作用[41，56-57]。

1.1.2 阿拉伯木聚糖對面團作用的機制阿拉伯木聚糖對面團的作用一方面是基于其獨特的氧化膠凝能力。 AX 在面團中與其他成分競爭性吸收水分，使面團的持水性和面團形成時間增加[46，58]。 同時，在自由基存在時，AX 被氧化形成凝膠，大幅度提高其水合能力[59]，持水能力得到顯著提升[60]。 可通過阿魏酸二聚反應形成氧化凝膠的WEAX 可能是面團黏度變化的一個重要原因[61]。 氧化膠凝的能力取決于AX、阿魏酸以及氧化劑的含量。 但在較高的交聯度下，分子溶脹受到阻礙，凝膠的持水性會下降[62]。

另外，阿拉伯木聚糖凝膠在剪切力的作用下顯示出剪切變稀的性質[23]，這也是面團在過強的攪拌下吸水能力降低的原因之一。 Bender 等人[57]發現氫氧化鈣提取的AX 對無麩質面糊的流變性能的改善作用強于WEAX，且在加入氧化劑后改善作用更加明顯， 可能是由于經氫氧化鈣提取的AX 的結構更復雜、吸水性更強，在氧化劑的作用下可以形成更緊密的交聯網絡，增大了面團的稠度。

阿拉伯木聚糖對面團的影響也來源于AX 與面團基質（主要是面筋蛋白）的相互作用。 谷物面團的黏性、彈性等流變學行為通常取決于攪拌過程中形成的連續面筋網絡[63-64]。 大量研究表明：AX 不僅顯著影響面筋的性質，而且對谷蛋白和谷蛋白聚合物的組成和流變特性也有影響[65]，但對其作用機制的理解還沒有形成統一的認識。 高質量分數的AX 會干擾面團形成過程中蛋白質網絡的形成，主要體現在面筋膨脹性和面筋生成量的下降。 D?ring 等人[66]發現黑麥WUAX 會包圍蛋白質，阻礙黑麥蛋白之間的交聯，對蛋白質網絡形成負面影響。 Michniewics等人[67]認為，WEAX 會積極參與面團形成過程中，并與面筋相互作用，從而改善面包加工特性。

Wang 等人[68]的研究結果顯示，WUAX 的顆粒特性可直接影響蛋白質間的相互作用，且通過與面團基質爭奪水分間接影響面筋的生成，進而影響小麥面筋蛋白網絡的形成，這種負面作用可以通過在面團攪拌過程中加入更多質量分數2%的NaCl 溶液和延長攪拌時間來改善，但不能完全抵消。 添加木聚糖酶也可以有效地抵消以上負面影響。 Wang 等人[68]推測，WUAX 一方面可以形成物理屏障，其高黏度抵消了蛋白質顆粒之間的吸引力從而直接干擾面筋蛋白質網絡的形成過程，另一方面阿魏酸氧化膠凝形成凝膠網絡，控制蛋白質顆粒間的聚集從而影響面筋產量，對蛋白質網絡的形成產生負面影響。

Wang[69]認為阿拉伯木聚糖通過與蛋白共價交聯，影響面筋網絡的流變特性。 Buksa 等人[70]發現在面團攪拌時形成了AX 共聚物和AX-蛋白復合物，并在發酵過程中繼續形成。與此相反，Hilhorst 等人[71]在小麥面團中沒有發現AX 與蛋白質交聯，Labat 等人[72]通過SDS-PAGE 方法也沒有檢測到共價AX 蛋白質復合物的出現。因此，在AX 上的阿魏酸殘基是否與蛋白質之間發生共價相互作用的問題，目前仍存在爭議。

1.2 在面制品后續加工中的作用及其機制

1.2.1 阿拉伯木聚糖對面制品后續加工的影響在面團形成后加工的過程中，各種工序都會對其中阿拉伯木聚糖的功能性質造成影響，進而改變其加工特性。如混合攪拌過程中AX 的氧化交聯，發酵過程中AX 的酶解及酸解， 焙烤過程中AX 的熱分解等反應導致AX 溶解度、交聯度的變化，都會對最終產品質量及營養價值造成影響[73-76]。 AX 的高持水性、高黏度以及氧化膠凝能力，對以軟質小麥粉為原料的面制品（餅干、蛋糕）的后續加工有較大的影響[77]。 AX 增加了面糊的持氣性，增大了最終產品的體積，但同時使面糊的黏附性增加，不利于面糊的擴散，影響餅干等產品的直徑。 面糊的可塑性降低，也可能導致表面裂紋的產生[61]。 Boskov Hansen 等人[78]發現面團混合后，總AX 的質量分數下降了21%，主要是WEAX 質量分數的下降。

阿拉伯木聚糖的添加可以影響面團的糊化特性。Saeed 等人[50]發現AX 添加到各個品種的小麥面團中均可提高其成糊溫度和峰值溫度，其影響程度隨AX 添加量的增加而增大， 且對峰值溫度的影響大于對成糊溫度的影響。 Ahmad[47]發現將木聚糖酶加入小麥面團中后提高了其成糊溫度，推測木聚糖酶的加入將大分子的AX 分解成低聚糖和單糖，阻礙淀粉顆粒的膨脹，影響淀粉的糊化，從而提高了面團成糊溫度。

Kiszonas 等人[79]分析了全麥面粉和精制面粉所制作的面包在焙烤前后總阿拉伯木聚糖和水溶性阿拉伯木聚糖的質量分數變化， 發現焙烤后總AX質量分數呈上升趨勢， 可能是由于熱處理使AX 與面粉中其他組分間的共價鍵水解，導致可被檢測的總AX 質量分數的增加。 同時，焙烤后WEAX 的質量分數呈下降趨勢，推測可能是氧化交聯導致其質量分數下降。

Knez 等人[80]研究發現未添加酵母的面包中總阿拉伯木聚糖質量分數在焙烤前后沒有顯著差異，且AX 質量分數高于添加酵母制作的發酵面包；同時， 他們發現黑麥面包不同部位的總AX 質量分數也沒有顯著差異， 而發酵面包的面包頂部的AX 質量分數略低于面包中心和面包側面AX 的質量分數， 這可能是由于頂部接受更多熱量，AX 發生了熱分解。

Wang 等人[54]發現在面團中添加水溶性阿拉伯木聚糖能抑制冷凍貯藏過程中冰晶的形成，且隨著WEAX 添加量的提高，形成的冰晶逐漸減少且酵母的活力得到了更好地保存。 添加質量分數2%的WEAX 后，新鮮面團的產氣能力提高，這可能與酵母對WEAX 的代謝有關。

1.2.2 阿拉伯木聚糖在后續加工中的作用機制添加水溶性阿拉伯木聚糖會增加面筋和氣室之間的液相黏度， 對面團結構及其穩定性產生積極影響。 AX 保護面團中蛋白質泡沫免受熱破壞的能力和持氣性，與AX 黏度以及成膜性有關。 AX 的高黏度會增加氣室周圍面筋-淀粉膜的強度和彈性，從而減緩烘烤過程中面團內二氧化碳的擴散速度，形成較大的面包體積和較好的氣孔結構[40]。AX 對面包體積的影響可以通過面團中AX 的質量分數來控制， 高于AX 的最佳使用質量分數將導致面團黏度的增加，減小最終產品的體積。 能夠最大限度提高面包體積的AX 的質量分數， 取決于面粉的性質和AX 本身的相對分子質量。

發酵過程中的酸解和酶解會導致水溶性阿拉伯木聚糖平均相對分子質量的降低甚至脫支化。WEAX 的脫聚合與面團水化能力和水相黏度的降低有關。適度的AX 脫聚合可能有利于面包的質量，因為它增強了面團的彈性，在最佳持氣性下可以增加面包的體積。 但是，AX 的高強度脫聚合使水相黏度降低，會顯著降低面團的氣體保持能力，從而導致面包體積的減小。從面包的營養價值來看，WEAX的解聚可以提高面包的益生元潛力。 然而，WEAX水解后，相對分子質量降低，會導致面包提取物黏度降低[74]，會減弱黑麥面包在降低人體血糖和血漿膽固醇方面的有效性，這可能與黑麥面包食用后消化道上部食糜黏度降低有關。

Buksa 等人[70]對含有2種或3種成分（阿拉伯木聚糖、淀粉和蛋白質）的特殊改性面團進行發酵，發現其發酵過程中AX 發生水解；同時，這些短鏈發生了聚合和交聯反應， 這可能導致更長的AX 鏈和更高相對分子質量的AX 配合物的出現。 在發酵過程中，如果面團中有兩種成分組成，即不含蛋白質，則AX 會發生交聯和聚集， 主要體現在未改性AX中。 另一方面，對于三組分面團，AX 的交聯聚集主要體現在未改性AX 中。 同時，大量的水解AX 分子與蛋白質產生較強的相互作用，阻礙了蛋白質在發酵過程中的解聚。

2 阿拉伯木聚糖對谷物產品品質的影響

2.1 產品質構

阿拉伯木聚糖對產品質構的影響，已有較多報道，結果也呈現多樣化，綜合分析可歸因于以下幾個方面的差異：AX 的分離方法、純度、添加量、以及谷物品種和加工方式[56]。AX 對烘焙發酵食品的積極影響包括黏度的增加、面團持氣性的增強、保水能力的增強以及紋理的改善等。 這些影響通常與AX的相對分子質量、半柔性線性構型、阿魏酸含量有關。 在小麥面團中，麥膠蛋白和麥谷蛋白是已知的蛋白質組分，它們可以通過二硫鍵和分子間非共價相互作用形成連續的蛋白質基網絡。 黑麥面團中所含蛋白質的結構與性質不同于小麥面粉，只能形成有限的蛋白質交聯網絡[55]，所以AX 對小麥面包和黑麥面包品質的影響不同[66]。

面團的持水性對烘焙產品的品質影響較大，阿拉伯木聚糖的高吸水性使面包的含水率提高，水在面筋-淀粉復合基質中起增塑劑的作用， 能夠降低最終產品的剛性。同時，在面團中添加AX 可以提高支鏈淀粉的凝膠緊實率和鏈有序度， 增加面包體積，改善面包芯的質地。 AX 的相對分子質量顯著影響面包芯的含水率， 高相對分子質量的AX 更利于保留面包中的水分。

也有報道顯示，阿拉伯木聚糖的高持水特性會影響面團中的其他成分（淀粉及蛋白質）的水分利用率，面團的高含水量還會稀釋面筋，可能會影響面包的最終物理特性（如體積）。Ahmad[47]發現將AX酶解可以顯著提升面包的品質。 木聚糖酶以內、外方式破壞AX 主鏈上的糖苷鍵， 減少了干擾面筋網絡形成的WUAX 的含量，面筋生成量增加，制作的面包體積更大、面包芯結構更好。 木聚糖酶能促進面筋網絡的形成，但是過量的木聚糖酶會使聚合物過度水解，分子聚合度顯著減小，造成面包品質的下降。

Buksa 等人[46]發現在兩種黑麥粉制作的黑麥面團中加入未改性的、交聯的或水解的阿拉伯木聚糖均能增加面團的含水量， 水解AX 對于面團的改善作用大于未改性AX，而交聯AX 增加面團的硬度和黏附性的程度大于未改性AX，不利于面包的制作，添加水解AX 制作的面包具有更大的體積和含水量，面包芯的質地也更軟。

采用選擇性強的枯草芽孢桿菌內木聚糖酶（Bacillus subtilisendoxylanase，XBS） 和曲霉內木聚糖酶（Aspergillus aculeatus endoxylanase，XAA）對阿拉伯木聚糖進行酶解研究，發現兩者均會使WUAX溶解度增加， 但不同的是，XBS 增溶的WUAX 主要在混合過程中釋放，相對分子質量較高，使面包體積增加； 而XAA 增溶的WUAX 主要在發酵過程中釋放，相對分子質量較低，導致面包體積下降。

阿拉伯木聚糖的氧化膠凝特性使其可以作為無麩質面包的天然結構形成劑以改善其結構，改善程度與其結構特性相關。 將玉米纖維中提取的阿拉伯木聚糖添加到無麩質面粉中制作面包，可以增大面包的比體積和吸水率，能夠減少烘焙過程中的失水率，改善面包的硬度和紋理。

所有質量分數水平WEAX 的添加，均可降低意大利面的黏稠度，增大其回彈性。 具有較低水平的阿拉伯糖取代度的WEAX 質量分數與煎餅整體體積的增加有關。 AX 的氧化膠凝化增加了面糊的黏性，使煎餅面糊有更好的持氣性，制作的煎餅具有更大的體積。

2.2 產品感官品質

精制面粉制成的面制品通常為白色，當富含阿拉伯木聚糖的麥麩、純化或改性的阿拉伯木聚糖等組分加入后，通常會使最終產品的顏色變深。 考慮到越來越多的消費者意識到由精制面粉制作的面制品營養性要低于全麥谷物食品，深色的全麥產品可能會受到消費者的青睞。 對面筋含量高的面包制作而言，添加了WEAX 的面包含水量更高，可以為其帶來更綿軟的口感。 但AX 的高黏度和氧化交聯特性可能使面包的面筋網絡形成受阻，面包的膨脹自由度減小，導致面包體積減小，口感變硬。 但對于面筋含量低的無麩質面包，AX 的高黏度和氧化交聯特性使其可以作為天然的膠黏劑和結構形成劑，使無麩質面包具有更好的質地、更柔軟的紋理以及更大的比體積。

低添加量的阿拉伯木聚糖能提高面條的蒸煮特性和蒸煮質感，使面條更耐煮，顯著促進二硫鍵的形成、吸水率的增加以及蒸煮損失率的降低。 同時也發現， 高相對分子質量的AX 對面條的影響優于低相對分子質量的AX， 主要原因是高相對分子質量的AX 對面條保水能力以及二硫鍵形成影響較大。

阿拉伯木聚糖具有減緩面包老化的作用，可以延長食品保質期。 Biliaderis 等人[89]通過測量面包芯硬度來跟蹤面包老化現象， 研究顯示在7 d 的儲存期內，AX 強化的面包芯硬度一直較低。 AX 對面包芯質地的積極影響可能與其提高樣品的含水量有關，因為水作為面團增塑劑降低了產品的剛性。 另外，阿拉伯木聚糖的抗回生作用取決于面包配方中的AX 的添加量和相對分子質量的大小。

2.3 產品營養特性

阿拉伯木聚糖是一種具有多種生理作用的膳食纖維。 阿拉伯木聚糖的添加可減少食品中淀粉的含量，增加食品中半纖維素的含量，降低了食品中可消化性多糖的含量，其抗消化性使產品具有較低的升糖指數。 WEAX 可以與蛋白質發生共價交聯，降低蛋白質的消化性。 同時，阿拉伯木聚糖具有抗氧化特性，在改善食品品質的同時增加了食品的健康功效。

水溶性阿拉伯木聚糖分子間交聯成網狀結構，使腸胃內容物的黏度大大增加， 形成黏性食糜，阻礙腸道機械攪拌內容物的能力，減緩腸道消化酶的消化速度，減慢腸道的流動速度，降低人體對于葡萄糖和脂質的消化吸收。 阿拉伯木聚糖不能被小腸中的消化酶水解，到達結腸處才可被腸道微生物群發酵， 產生小分子的阿拉伯木寡糖和低聚木糖，能夠促進腸道有益菌的增殖，有利于腸道健康。 非交聯阿拉伯木聚糖的腸道利用率小于交聯阿拉伯木聚糖。 阿拉伯木聚糖還可降低血清膽固醇及胰島素水平，對人體有多種健康效應。

3 阿拉伯木聚糖在谷物食品中的應用及展望

阿拉伯木聚糖具有高持水性、高黏性以及氧化膠凝性好等功能特性，在改善谷物產品品質方面發揮著獨特作用。 關于阿拉伯木聚糖在改善谷物產品品質方面已開展了較多研究，并取得了一些有用的研究結果，但綜合來看，仍存在以下幾個方面的問題：1）阿拉伯木聚糖結構復雜，導致其作用與結構之間的關系難以確定；2）不同的制備方法會使阿拉伯木聚糖的聚合度及阿拉伯糖取代度出現差異，其中機理有待明確；3）阿拉伯木聚糖側鏈殘基如阿魏酸殘基的存在及含量對AX 功能特性的影響還需要進一步研究；4）阿拉伯木聚糖在改善谷物產品品質的研究大多停留在表觀現象， 雖然對AX 與面筋蛋白的作用機理有一些猜想，但并未完全闡明。 因此，建議在今后的研究中可側重以下幾個方面：1）深入研究阿拉伯木聚糖的結構，尤其是側鏈基團，明確其有效部位；2）深入研究阿拉伯木聚糖改善谷物產品品質的機理， 尤其是與面筋蛋白的相互作用；3）研究比較不同加工方式對阿拉伯木聚糖結構的影響，進而探究其變化機理并將其應用于最終谷物產品的質量改善。