木聚糖酶對全麥發酵面團水相溶液流變及泡沫特性的影響

岳 穎，佟立濤，王麗麗，王鳳忠，劉麗婭

（中國農業科學院農產品加工研究所，農業部農產品加工重點實驗室，北京 100193）

近年來，全麥食品由于其營養與健康益處受到越來越多消費者的喜愛。長期攝入全麥主食有助于減少心腦血管疾病、糖尿病、肥胖等多種慢性疾病的發生[1-2]。然而，全麥發酵面制品加工品質和食用品質不佳，限制了全麥主食在國內的推廣和應用。為改善全麥發酵面制品的品質，常采用多種方法對其品質進行改良，如添加外源物質[3-4]、改變加工方式等[5-6]。

均勻且細膩的氣室結構是衡量發酵面制品品質的重要指標[7]。過去研究普遍認為面團氣室結構穩定性主要與面筋蛋白網絡結構的強度有關，通過改善面筋蛋白網絡結構可以提高面團氣室穩定性，改善面制品品質[8]。但有研究發現，在面團內部面筋蛋白-淀粉基質和面團氣體分散相之間還存在一層薄層液膜結構[9]，當面筋蛋白在發酵后期和早期烘烤階段出現斷裂時，這層液膜結構可以防止面團中的氣泡破裂。該液膜結構源自于面團的水相，其中包含一些可溶蛋白[10]、脂類和非淀粉多糖[11]，這些物質對面團水相溶液的性質產生影響，進而調控面團氣室穩定性。目前，通過研究超高速離心分離制得面團水相溶液的性質，可以間接獲得關于薄層液膜的相關信息[12]。

阿拉伯木聚糖（arabinoxylan，AX）是全麥粉中主要的膳食纖維，根據其溶解性可以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）[13]。普遍認為，WUAX是導致全麥發酵面制品品質劣化的主要原因，而WEAX可以增加全麥發酵面制品體積，改善面團內部質地結構[14]。木聚糖酶（xylanase，XYL）對面制品品質的改良作用早在上世紀九十年代就已得到公認，但作用機理至今仍不完全清楚。目前的共識是木聚糖酶消除了WUAX的不良影響，增加了WEAX的含量，使面筋網絡結構形成更加充分[15]。

本團隊前期研究發現，一定劑量的XYL可顯著改善全麥饅頭氣室結構穩定性[15]，且證實XYL改善了脫脂面團水相溶液的泡沫穩定性[16]。事實上，全麥中較高的脂質含量可能對水相溶液性質產生重要影響，進而改變薄層液膜的性質和面團氣室穩定性，然而這一推論尚未得到證實。基于此，本文研究脂質存在情況下，經XYL改性的全麥發酵面團水相溶液組成、流變特性和泡沫穩定性變化，為從薄層液膜層面揭示XYL改良全麥發酵面制品品質提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

小麥（津強5號） 北京古船食品有限公司提供；低糖高活性干酵母 安琪酵母股份有限公司提供；木聚糖酶（Pentopan Mono BG，酶活力2500 FXU/g） 諾維信中國投資有限公司提供；鹽酸等其他試劑 均為國產分析純。

L100-XP超速冷凍離心機 美國貝克曼庫爾特公司；LRMM-8040-3-D型布勒實驗磨粉機 布勒糧食檢驗儀器無錫有限公司；SCIENTZ-10N冷凍干燥機 寧波新芝生物科技股份有限公司；LXJ-11B低速離心機 上海安亭科學儀器廠；UV-9000紫外可見分光光度計 上海元析儀器有限公司；DAWN-EOS十八角度激光光散射儀 Wyatt技術公司；Physica MCR301流變儀 奧地利安東帕有限公司；KJE LTEC2300自動凱氏定氮儀 瑞典FOSS儀器有限公司；WT-12水浴氮吹儀 杭州米歐儀器有限公司；JHMZ 200針式和面機 北京東孚久恒儀器技術有限公司；KENWOOD和面機 邑隆貿易（上海）有限公司；CF-6000家用發酵箱 中山卡式電器有限公司；FW80高速萬能粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司；XHF-DY高速分散器 寧波新芝生物科技股份有限公司；TXTD4002標準檢驗篩（40目） 浙江上虞市肖金標準篩具廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 全麥粉及全麥發酵面團制備 參考楊煒[17]的方法，小麥清理除雜、洗凈烘干后測定水分含量，并根據實際水分含量調節小麥水分至15.5%。在室溫下潤麥24 h后用布勒磨研磨得到粗麩、細麩和面粉，出粉率控制在65%±2%。將收集的麩皮于130 ℃烘箱中滅酶2 h后粉碎過40目篩，按照實際出粉率將麩皮、面粉混勻制得全麥粉并置于4 ℃環境中保存。

根據前期的研究結果[15-16]，選擇對全麥面團具有明顯改良作用的兩個XYL劑量，即添加量分別為60和120 μg/g全麥粉，制作全麥發酵面團，并設未加酶樣品作空白對照。

稱取250 g全麥粉，2.5 g低糖高活性干酵母，175 mL去離子水和一定量的XYL，將其置于針式攪拌機中攪拌30 s形成絮狀面團，再用和面機“1”檔和面3 min。將制得的面團置于發酵箱中發酵40 min，發酵溫度34 ℃，相對濕度85%。

1.2.2 水相溶液分離及得率測定 面團發酵完成后立即取一定量（約10 g）裝入離心管中，于30 ℃、210000 ×g離心1 h。由于發酵產生的氣體會破壞脂質層使其包含在下層的液相中，離心后將離心管中最上層的液相收集作為包含脂質的面團水相溶液。在冷凍干燥前后稱重，用于測定水相溶液干基和濕基得率[18]：

新鮮制備的水相溶液用于流變學和泡沫特性測定。冷凍干燥后的水相溶液用于組分分析。空白及經60、120 μg/g XYL改性的水相溶液分別命名為Control、XYL 60、XYL 120。

1.2.3 水相溶液組成分析 根據NY/T 2335-2013和國標法GB 5009.5-2016測定凍干全麥發酵面團水相溶液中的WEAX和蛋白含量。脂質含量的測定參考Dyer等[19]的方法。稱取250 mg凍干樣品于10 mL離心管中，向其中依次加入氯仿（2.0 mL）、甲醇（2.0 mL）和水（1.8 mL），采用渦旋儀混合30 s；混合溶液于500 ×g下離心20 min，離心后液體分成三層，收集最下層包含脂質的氯仿相，并將中間層用氯仿、甲醇和水萃取兩次，收集最下層包含剩余脂質的氯仿相與第一次收集的氯仿相合并。將三次收集得到的樣品，于40～50 ℃下氮氣吹干，稱重計算脂質含量，天平精度為0.01 mg。

1.2.4 水相溶液多糖重均分子量測定 采用凝膠滲透色譜-十八角度激光光散射聯用技術（HPSECMALLS）測定水相溶液多糖重均分子量。以0.1 mol/L的NaCl溶液溶解水相溶液凍干樣品，配制成1 mg/mL的溶液并采用0.45 μm濾膜過濾后備用。測試條件：凝膠滲透色譜柱型號為OHpak SB-806M HQ L911061；流動相為0.1 mol/L的NaCl溶液，進樣量200 μL，流動相流速0.5 mL/min，測試溫度25 ℃。

1.2.5 水相溶液粘度測定 參考文獻方法[20]，利用流變儀測定水相溶液（未稀釋）表觀粘度變化情況（錐板探頭，直徑2.5 cm，Gap值為1 mm）。測試溫度分別為25和60 ℃，剪切速率1～100 s-1，塑料蓋密封以減少水分流失。采用儀器自帶的軟件采集數據，并根據冪律模型（Pawer-law模型）對實驗結果進行擬合[21]，公式如下：

式中：ι代表剪切應力，Pa；K為稠度系數，Pa.s，可衡量溶液的粘稠程度；γ為剪切速率，s-1；n代表流體類型指數（無量綱），其可以描述流體與牛頓模型的差異。對于牛頓流體，n=1；對于非牛頓流體，n＜1。

1.2.6 水相溶液粘彈性測定 參考吳偉都等[22]的方法，利用流變儀測定水相溶液粘彈性（錐板探頭，直徑2.5 cm，Gap值為1 mm）。采用應變掃描模式確定水相溶液樣品的線性粘彈區，確定測試條件為：應變0.04%，頻率1 Hz。記錄樣品在25～90 ℃升溫過程中，儲能模量（G′）、損耗模量（G″）、損耗因子（tan δ=G″/G′）變化情況，升溫速率1 ℃/min。

1.2.7 水相溶液泡沫穩定性分析 參考王立峰等[23]的方法。新鮮的水相溶液稀釋10倍后移取8 mL于量筒中，用高速分散器（10000 r/min）剪切1 min，讀取體積V1，在25和60 ℃下放置30 min后讀取體積V2，根據公式計算水相溶液泡沫穩定性：

1.3 數據處理

所有處理均設三次重復，所得結果用平均值±標準差表示。使用SPSS23.0和Origin8.0分別進行統計學分析和繪圖，采用F檢驗進行單因素方差分析，根據單因素方差分析結果進行Ducan’s多重比較分析差異顯著性，P＜0.05則認為差異顯著。

2 結果與分析

2.1 水相溶液物質組成分析

水相溶液基本組分的測定結果如表1所示。數據表明，XYL處理可顯著提高水相溶液得率（P＜0.05），這可能歸功于水相溶液中WEAX和水的回收率增加。當XYL添加量為60 μg/g時，水相溶液中的WEAX含量較對照增加35.70%，而當XYL添加量提高到120 μg/g時，WEAX含量雖仍有提高，但增加幅度減緩。以往研究表明，在全麥體系中，XYL促進WUAX溶解的同時也可使已釋放出的WEAX進一步降解[24]；且當XYL用量增加到一定水平后，XYL對WEAX的降解作用占主導，對WUAX的增溶程度減緩[17,25]。因此，可以推測，當XYL添加量為60 μg/g時，XYL的作用主要是促進WUAX的溶解，導致水相溶液WEAX增加幅度較大；當XYL添加量為120 μg/g時，WEAX增加速率降低，而水相溶液中WEAX可能被不斷降解。

表1 XYL對全麥發酵面團水相溶液得率及組成的影響Table 1 Yield and basic composition of whole wheat fermented dough liquor as affected by XYL

隨著XYL添加量的增加，水相溶液中的水回收率增加，可能是因為XYL降低了WUAX的持水量，使面筋-淀粉網絡的持水能力下降，水相溶液中回收更多的水。隨著XYL添加量的增加，水相溶液中蛋白含量降低，這與Primo-Martín等[26]的結果一致；脂質含量下降，這可能與XYL作用下脂類物質與面筋-淀粉基質中的蛋白相互作用增強有關[18]，但相關機制有待進一步研究。

2.2 XYL對水相溶液中多糖分子量及其分布的影響

采用HPSEC-MALLS測定水相溶液中多糖的重均分子量及其分布，結果見圖1和表2。可見，XYL對水相溶液中多糖的重均分子量（Mw）產生一定的影響，隨著XYL用量的增加，Mw不斷下降（表2）。同時，XYL添加量的增加導致水相溶液中分子量較大的多糖相對含量有所降低，且當XYL添加量為120 μg/g時，大分子量多糖含量降低更為明顯（圖1）。

圖1 XYL對全麥發酵面團水相溶液多糖分子量的影響Fig.1 Effect of XYL on the molecular weight distribution of polysaccharides in whole wheat fermented dough liquor

表2 XYL對全麥發酵面團水相溶液多糖重均分子量及分布的影響Table 2 Effect of XYL on the molecular weight distributions of polysaccharides in whole wheat fermented dough liquor

多分散系數反映了多糖分子質量的分散程度。由表2可知，水相溶液中多糖分散系數處于1.142～1.218范圍內，多糖分子質量分布較為均一[27]。XYL 60中多糖多分散系數略微減小，但120 μg/g XYL處理提高了水相溶液中多糖的多分散系數。結合WEAX含量的測定結果，可能是因為XYL添加量為60 μg/g時，XYL對AX主要是促溶作用，水相溶液中WEAX比例增加，多糖分子質量分布更加均一。而當XYL添加量為120 μg/g時，XYL以對WEAX的降解作用為主導，水相溶液中低分子量多糖比例增加，多糖分子質量分布更加分散。

2.3 XYL對水相溶液粘度的影響

由于面制品在熟化過程中經歷升溫過程，因此本研究對水相溶液在不同溫度下的性質進行分析。根據前期研究結果[16]，分別研究25和60 ℃下XYL對水相溶液粘度的影響，結果見圖2。不同水相溶液樣品的粘度隨著剪切速率的增加均不斷降低，表現出剪切稀化效應。這主要受AX等多糖性質的影響[28]，同時可能與脂質存在時，水相溶液所形成的乳濁體系在剪切過程中的結構變化有關[29]。值得注意的是，不同溫度下XYL對粘度的作用效果與溫度密切相關。在25 ℃時，XYL引起水相溶液粘度降低與其對WEAX的降解有關。但是在加熱條件下，經XYL處理的水相溶液粘度增加。推測是因為在加熱條件下，蛋白和WEAX結合形成凝膠，將水分保留在凝膠網絡中[30]，XYL處理后水相溶液中較高含量的WEAX限制了其在水相溶液中的移動，并通過與蛋白交聯提高了蛋白-WEAX凝膠的表觀粘度[31]。

圖2 不同溫度下XYL對全麥發酵面團水相溶液粘度的影響Fig.2 Effects of XYL on the viscosity of whole wheat fermented dough liquor under different temperatures

采用冪律模型擬合水相溶液的流變數據，結果見表3。所有的冪律模型R2值大于0.99，表明擬合良好。在25 ℃時，經XYL處理的水相溶液稠度系數顯著降低，這與圖2中的變化趨勢相一致。與未包含脂質層的水相溶液相比[16]，本研究中未脫除脂質層的水相溶液K值提高7～11倍，推測與水相溶液中較高脂肪含量有關[32]。在25 ℃下，水相溶液n值接近1，接近牛頓流體[33]，這與Turbin-Orger等[34]的研究結果一致。在60 ℃下，不同樣品的n值降低到0.5左右，表現出較強剪切稀化效應，體現出非牛頓流體的性質。

表3 不同溫度下XYL對全麥發酵面團水相溶液K值和n值的影響Table 3 K and n values of whole wheat fermented dough liquor as affected by XYL under different temperatures

2.4 XYL對水相溶液粘彈性的影響

在測定水相溶液粘度隨剪切速率的變化時發現，對于60 ℃加熱的樣品，在實驗結束時可形成弱凝膠。因此，進一步考察溫度對水相溶液粘彈特性的影響，結果見圖3。彈性模量（G′）和粘性模量（G′′）出現交叉的點被認為是凝膠形成的臨界點[35]。由圖3A可知，水相溶液在60～62 ℃形成凝膠。在低于凝膠溫度時，G′始終大于G′，水相溶液表現為粘彈性液體的特征體[36]。當溫度高于水相溶液的膠凝溫度時，G′大于G′′，水相溶液表現出粘彈性固體的特征。XYL對體系粘彈性的影響在臨界凝膠溫度以下較為明顯。在成膠溫度以下，XYL 60的粘彈性高于其他兩組樣品。

圖3 升溫過程中XYL處理的全麥發酵面團水相溶液粘彈特性的變化Fig.3 Changes of viscoelastic properties of whole wheat fermented dough liquor treated by XYL during heating process

相角（δ）的變化可以反映樣品固態和液態之間的轉化，tanδ值的急劇降低標志著樣品從溶液態開始向凝膠態轉變[37]。由圖3B可知，XYL改性水相溶液的tanδ值開始降低時對應的溫度較對照組高，這表明XYL提高了水相溶液向凝膠態轉變的初始溫度，這可能有利于氣泡充分膨脹，延緩其發生固化的時間。

2.5 XYL對水相溶液泡沫特性的影響

面團中氣泡的穩定性決定了面團混合和發酵過程中產生的氣泡隨時間聚結的程度，氣泡穩定性差會導致面包質地粗糙并減小面包的體積[38]。通過對XYL作用下水相溶液泡沫穩定性進行研究，可在一定程度上間接了解真實面團體系氣泡穩定性變化。

圖4 為25和60 ℃下，經XYL處理的水相溶液泡沫穩定性的變化情況。結果表明，在25和60 ℃下，XYL處理可顯著提高水相溶液的泡沫穩定性（P＜0.05）。之前研究表明，在體系脂質含量較低的情況下，AX可以通過與界面處蛋白的相互作用改善水相溶液的泡沫穩定性[39]。本研究進一步證實，在脂質含量較高的水相溶液體系中，雖然部分極性脂質如磷脂可能與蛋白競爭吸附影響水相溶液氣-液界面特性[40]，XYL仍可顯著改善泡沫穩定性。常溫條件下，雖然XYL引起水相溶液粘度的降低，但由于其對WUAX的增溶和降解作用，改善了AX與空氣-水界面上吸附組分的相互作用，增強了界面膜的強度[41]。而在加熱條件下，XYL對泡沫穩定性的改善作用可能與其引起的水相溶液粘度的升高[18]以及泡沫固化時間的延長相關。

圖4 25和60 ℃下XYL改性對全麥發酵面團水相泡沫穩定性的影響Fig.4 Effects of XYL on the foam stability of whole wheat fermented dough liquor at 25 and 60 ℃

3 結論

本文對經XYL改性后未去除脂質層的全麥發酵面團水相溶液主要物質組成、流變及泡沫特性進行了研究。結果表明，XYL處理可顯著提高水相溶液得率（P＜0.05），這與其促進WEAX的溶出以及降低面筋網絡的持水性相關。在60和120 μg/g XYL的作用下，水相溶液中WEAX含量分別提高35.70%和52.15%。多糖分子量隨XYL用量的增加表現出下降的趨勢，且120 μg/g XYL對AX的降解作用更為明顯；XYL處理降低了水相溶液中的蛋白和脂質含量。水相溶液在60～62 ℃形成凝膠，低于成膠溫度時XYL 60可提高水相溶液的粘彈性，且XYL處理提高了水相溶液向凝膠態開始轉變的溫度。在常溫（25 ℃）及加熱（60 ℃）條件下，XYL引起的水相溶液組成及流變特性的變化顯著提高了水相溶液的泡沫穩定性，對面團氣室穩定性可能產生有利的影響。