半固態酶解法改性麥麩的工藝優化

張書靜，潘芹敏，賈喜午，沈汪洋，王展*

（1.武漢輕工大學食品科學與工程學院，湖北 武漢 430023；2.大宗糧油精深加工省部共建教育部重點實驗室，湖北 武漢 430023）

膳食纖維是指食物中固有的大于等于3個單體鏈接的非消化性碳水化合物[1-2]。根據其在水中的溶解度不同，膳食纖維被分為可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF，包括β-葡聚糖、菊粉以及非淀粉多糖類等物質）和不可溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF，包括木質素、纖維素和一些半纖維素等物質）。研究發現膳食纖維具有降低血糖和血脂、預防肥胖的功能[3-4]，且當可溶性膳食纖維在總膳食纖維（total dietary fiber，TDF）中的占比大于10%時，可被稱為高品質膳食纖維，否則只能稱為填充型膳食纖維。麥麩中膳食纖維含量高達40%以上，富含維生素、礦物質、抗氧化活性物質等營養成分，但是在加工時多被去除，導致國民對膳食纖維和微量營養素攝入不足。將麥麩回添到面粉中，用于面制品的生產是目前的研究熱點[5-7]。然而，由于麥麩膳食纖維中可溶性膳食纖維在總膳食纖維中的占比較低，麥麩的加入對面團和面筋蛋白的形成均有負面影響，而且加入麥麩后制成的面制品具有體積較小、顏色較深以及質地和味道較差等缺點[8]。麥麩對面粉品質的負面作用在一定程度上影響了含麩質面粉的加工和消費者的選擇，因此通過改性技術提高麩皮可溶性膳食纖維在總膳食纖維中的比例，進而提高含麩質面制品的加工和食用品質，對保障國家糧食安全，改善國民膳食結構、提高國民健康飲食水平，具有十分重要的意義。

目前國內外常用的麩皮的改性方法通常為化學法、擠壓蒸煮法、超微粉碎法、酶處理法、微生物發酵法等改性技術[9-10]。酶解改性技術的優勢在于利用酶制劑使纖維素中的糖苷鍵斷裂，大分子糖類水解為可溶性小分子化合物，從而達到麥麩改性的目的[11]。與其他技術相比，酶解改性技術反應條件溫和、反應速度快、特異性強，在食品行業具有較高的應用潛力[12]。但改性需要的酶制劑的價格較高，且容易產生酶與底物反應不均勻及酶解過程中滋生微生物等問題。Petersson等[13]研究了木聚糖酶和內切葡聚糖酶對黑麥和小麥麩皮溶解度的影響，發現經過酶處理后黑麥和小麥麩皮溶解度都有一定程度的增加,其中枯草芽孢桿菌木聚糖酶對小麥和黑麥麩皮膳食纖維的酶解效果最好。張慧娟等[14]使用不同改性方法對麥麩可溶性膳食纖維進行改性，發現在酶解聯合發酵條件下麥麩可溶性膳食纖維的含量為5.04%。現階段，研究者多采用固態酶解處理與液態酶解處理的手段破壞纖維組分，提高可溶性組分含量，而將半固態酶解技術作用于麥麩并探究其對面制品感官品質影響的研究鮮見報道。

半固態酶解麥麩是以麥麩為底物，經調制攪拌器捏合及控溫酶解等步驟，獲得改性麥麩粉的技術。相對于液態酶解，半固態酶解后的麥麩不易滋生微生物，更易烘干，有利于改性麥麩的大規模生產加工，而且克服了固態酶解工藝中酶與底物反應不均勻等問題。

本試驗將半固態酶解技術應用到麩皮改性中，控制物料含水量在30%～72%[15-17]之間，使用酶解效果較好的木聚糖酶處理麥麩，通過單因素試驗結合響應面法分析酶解改性工藝對麥麩可溶性膳食纖維含量的影響，研究改性前后麥麩對面包感官品質的影響，并初步解析其作用機制，為深入研究麥麩膳食纖維的改性方法和開發高品質膳食纖維食品提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

麥麩、高筋粉：湖北三杰糧油食品集團；膳食纖維檢測試劑盒：愛爾蘭Megazyme公司；木聚糖酶（酶活力6 000 U/mg）：上海源葉生物科技有限公司；黃油、酵母粉、白砂糖、鹽：市售。

無水乙醇、丙酮、氫氧化鈉、鹽酸、濃硫酸、三羥甲基氨基甲烷和2-（N-嗎啉代）乙烷磺酸（均為分析純）：國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 主要儀器設備

YP20001電子天平：常州市衡正電子儀器有限公司；GXZ-9070MB數顯鼓風干燥箱：上海博迅醫療生物儀器股份有限公司；MB23水分測定儀、ST3100 pH計：常州奧豪斯儀器有限公司；RH-LHP-300L人工氣候箱：常州澳華儀器有限公司；MB16-414酶標分析儀：上海皓莊儀器有限公司；YB-1000A高速多功能粉碎機：永康市速鋒工貿有限公司；TA-XT plus物性分析儀：英國stable micro systems公司；BVM-L370食品體積測定儀：瑞典波通儀器公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 酶解改性麥麩的制備工藝

稱取麥麩于燒杯中，放入滅菌鍋中121℃滅菌20 min，冷卻后，加入適量木聚糖酶，在50℃、pH5條件下將麥麩和水按一定液料比混合均勻，酶解一定時間后進行滅酶處理，粉碎烘干過40目篩備用。

1.3.2 麥麩基本成分的測定

蛋白質含量參考GB 5009.5—2016《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》的方法測定；灰分含量參考GB/T 22510—2008《谷物、豆類及副產品灰分含量的測定》的方法測定；淀粉含量參照GB 5009.9—2016《食品安全國家標準食品中淀粉的測定》的方法測定；總膳食纖維、水溶性膳食纖維、不溶性膳食纖維的含量參照GB 5009.88—2014《食品安全國家標準食品中膳食纖維的測定》的方法測定。

1.3.3 單因素試驗設計

參照1.3.1酶解改性麥麩的制備工藝，對酶法改性麩皮進行以下單因素試驗。

固定酶解溫度50℃，酶解pH5，木聚糖酶添加量為1 000 U/g麥麩，酶解時間為12 h，考察液料比[0.5∶1、1.0∶1、1.5∶1、2.0∶1、2.5∶1（mL/g）]對麥麩中可溶性膳食纖維含量的影響。

固定酶解溫度50℃，酶解pH5，液料比為1.5∶1（mL/g），酶解時間為 12 h，考察木聚糖酶添加量（0、200、600、1 000、1 400 U/g麥麩）對麥麩中可溶性膳食纖維含量的影響。

固定酶解溫度50℃，酶解pH5，液料比為1.5∶1（mL/g），木聚糖酶添加量為 1 000 U/g 麥麩，考察酶解時間（4、8、12、16、20 h）對麥麩中可溶性膳食纖維含量的影響。

1.3.4 響應面優化試驗

在單因素試驗的基礎上，采用Box-Behnken進行響應面試驗設計，考察酶解時間、木聚糖酶添加量和液料比3個因素對麥麩可溶性膳食纖維含量的影響。因素與水平見表1。

表1 響應面試驗因素及水平Table 1 Factors and levels of response surface experiment

1.3.5 面包的制作

參考GB/T 14611—2008《糧油檢驗小麥粉面包烘焙品質試驗直接發酵法》的方法制作面包。

1.3.6 面包比容的測定

將制作好的面包放在25℃下2 h后稱其質量，用食品體積測定儀測定面包體積，面包比容計算公式：面包比容/（mL/g）=體積（mL）/質量（g）。

1.3.7 面包質構的測定

采用物性分析儀測定面包全質構（texture profile analysis，TPA）參數。室溫25℃下放置2 h后，將面包切成25 mm×25 mm×25 mm的正方體，選用P/45測定探頭，測前速度1.00 mm/s；測試速度1.00 mm/s；測后速度5.00 mm/s；起點感應力5 g；壓縮率50%；壓縮時間30 s；應變量50.00%；間隔時間5.00 s；引發力5.0 g[18]。

1.4 數據分析

所有試驗均進行3次，用統計學分析方法，對于單因素試驗采用Excel和SPSS統計分析數據的方式進行分析，運用Design-Expert 8.0軟件進行響應面的設計和結果分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 液料比對可溶性膳食纖維含量的影響

液料比對可溶性膳食纖維含量的影響見圖1。

圖1 液料比對可溶性膳食纖維含量的影響Fig.1 The effect of liquid-to-material ratio on soluble dietary fiber content

由圖1可知，麥麩中可溶性膳食纖維含量隨著液料比的增加呈先上升后下降的趨勢，當液料比為1.5∶1（mL/g）時，麥麩中可溶性膳食纖維的含量達到最大，這主要受分子間的布朗運動和酶濃度的影響[19]。隨著液料比的增大物料的流動性增加，分子間碰撞的頻率加快，導致酶促反應速率加快，麥麩中可溶性膳食纖維含量增加；當液料比大于 1.5∶1（mL/g）時，酶的濃度隨著液料比的增加而降低，酶促反應速率變得緩慢，麥麩中可溶性膳食纖維的含量也隨之降低，故選取液料比1.5∶1（mL/g）為響應面試驗的中心點。

2.1.2 木聚糖酶添加量對可溶性膳食纖維含量的影響

木聚糖酶添加量對麥麩中可溶性膳食纖維含量的影響見圖2。

圖2 木聚糖酶添加量對可溶性膳食纖維含量的影響Fig.2 The effect of xylanase addition on soluble dietary fiber content

由圖2可知，麥麩中可溶性膳食纖維含量隨著木聚糖酶添加量增加整體上呈先上升后下降的趨勢，當木聚糖酶添加量為1 000 U/g麥麩時，麥麩中可溶性膳食纖維的含量達到最大，這主要與酶和底物的比例以及酶的競爭性抑制有關。隨著木聚糖酶添加量的增加，木聚糖酶的濃度增加，導致酶促反應速率加快，麥麩中可溶性膳食纖維的含量增加；當木聚糖酶添加量超過1 000 U/g麥麩時，酶的競爭性抑制增加，也可能是因為酶促反應過度，降解了麥麩中的可溶性膳食纖維，麥麩中可溶性膳食纖維的含量也隨之降低[20]，故選取木聚糖酶添加量1 000 U/g麥麩為響應面試驗的中心點。

2.1.3 酶解時間對可溶性膳食纖維含量的影響

酶解時間對可溶性膳食纖維含量的影響見圖3。

圖3 酶解時間對可溶性膳食纖維含量的影響Fig.3 The effect of enzymolysis time on the content of soluble dietary fiber

由圖3可知，麥麩中可溶性膳食纖維含量隨著酶解時間的延長呈先下降后上升再下降最后趨于平緩的趨勢，當酶解時間為12 h時，麥麩中可溶性膳食纖維的含量達到最大（5.46%）。8 h～12 h時隨酶解時間的延長酶促反應越來越充分，麥麩中可溶性膳食纖維的含量增加；當酶解時間超過12 h時，可溶性膳食纖維也被酶解[21]，導致其含量隨酶解時間的延長而降低，故選取酶解時間12 h為響應面試驗的中心點。

2.2 響應面優化試驗

2.2.1 響應面優化試驗結果

響應面試驗設計與結果見表2。

表2 Box-Behnken試驗設計及結果Table 2 Design and results of Box-Behnken experiment

對響應面試驗數據進行分析，得到麥麩的可溶性膳食纖維含量（Y）與酶解時間（A）、木聚糖酶添加量（B）和液料比（C）3個因素的二次回歸方程：Y=-448.102+26.674A+0.025 3B+380.1C-5.0×10-4AB-5.4AC-6.5×10-3BC-0.766A2-4.025×10-6B2-104.1C2。方程的顯著性分析見表3。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance of regression model

響應面模型的p=0.000 2＜0.00 1，表明該模型極顯著，失擬項p=0.063 8＞0.05，表明其他因素對結果干擾較小，該響應面試驗模型能很好地擬合試驗的真實情況，實際值與預測值擬合誤差較小，故該模型可用于優化酶法改性工藝以提高麥麩中可溶性膳食纖維的含量。酶解時間（A）、木聚糖酶添加量（B）、液料比（C）3個因素對麥麩可溶性膳食纖維含量的影響均達到極顯著水平；AC、A2、C2對麥麩可溶性膳食纖維含量的影響極顯著，說明酶解時間和液料比這兩個因素之間存在明顯的交互作用。由F值可知，這3個因素對麥麩可溶性膳食纖維含量的影響次序為液料比（C）＞酶解時間（A）＞木聚糖酶添加量（B）。

2.2.2 最優條件的優化與驗證

經過Design-Expert 8.0軟件分析，得到麥麩可溶性膳食纖維改性的最優工藝條件為酶解時間11.98 h、木聚糖酶添加量 1 048.56 U/g 麥麩、液料比 1.46∶1（mL/g）。考慮到可操作性，將最優條件調整為酶解時間12 h、木聚糖酶添加量 1 000 U/g麥麩、液料比 1.46∶1（mL/g），在此最優條件下進行3次驗證試驗，得到可溶性膳食纖維含量為6.01%，與模型預測值相近，說明此模型預測的參數準確，對實際操作有一定的指導意義。

2.3 酶解法對麥麩基本成分的影響

麥麩改性前后基本成分的變化見表4。

表4 改性前后麥麩基本成分的變化Table 4 Changes of basic components of wheat bran before and after modification

由表4可得，酶解改性后，麥麩中的蛋白質、灰分含量都有了一定程度的提高，改性麥麩中淀粉含量明顯提高，這是因為木聚糖酶水解了麥麩中的膳食纖維，使麩皮中的部分膳食纖維轉變成了還原糖[22]，而淀粉的含量是由還原糖含量表征的。而且由于總膳食纖維的含量降低，從而提高了其他營養成分的比例，其中可溶性膳食纖維的含量從3.30%提高至6.01%，SDF/TDF由8.1%提高至16.6%。與傳統水提法提取可溶性膳食纖維的含量（2%～5%）相比[23]，半固態酶解改性法提高了麥麩膳食纖維的品質、可溶性膳食纖維的含量以及可溶性膳食纖維在總膳食纖維中的占比，使麩皮膳食纖維從填充型膳食纖維向高品質膳食纖維轉變。

2.4 麥麩改性前后對面包品質的影響

麥麩改性前后對面包品質的影響結果如表5所示。硬度是指外力使物體變形的大小，硬度越小的面包越柔軟；彈性是指物體在外力作用下變形，恢復原來形狀的能力[24]，彈性越大說明了面包口感越勁道；內聚性反映的是面包內部的黏合力，內聚性越大，說明內部結構越緊密。咀嚼性表示的是咀嚼固體至吞咽所需要的能量，咀嚼性越大，代表入口舒適性越差。

表5 麥麩改性前后對面包品質的影響Table 5 The influence of wheat bran on bread quality before and after modification

由表5結果可知，與空白組相比，加入原麥麩后，面包的硬度、咀嚼性顯著升高，彈性、內聚性、比容顯著降低，說明麥麩的加入破壞了面筋網絡，使面團的延展性降低；另外麥麩中大量的膳食纖維會和面筋蛋白競爭水分，抑制了面筋網絡的形成[25]。加入改性麥麩后的面包的硬度、咀嚼性都低于對照組，彈性、內聚性、比容都顯著高于對照組，原因是麩皮經過木聚糖酶酶解后，麥麩中可溶性膳食纖維的含量增加，使面筋蛋白更好地形成面筋網絡[26]；另一方面，經過酶解后，麥麩的粒徑減小，對面筋蛋白的破壞作用減弱，使得面包的比容和質構特性顯著提高[27]。

3 結論

使用木聚糖酶以半固態酶解法改性麥麩，其最優改性條件為酶解時間12 h、木聚糖酶添加量1000 U/g麥麩、液料比1.46:1（mL/g），在此條件下麥麩中可溶性膳食纖維的含量為6.01%，可溶性膳食纖維在總膳食纖維中的占比提高至16.6%。將原麥麩和改性麥麩加入高筋粉中制成面包發現，改性處理工藝可以顯著提高面包的比容和質構特性，但麥麩膳食纖維和面筋蛋白的作用機理還需要進一步研究和驗證。