麥麩膳食纖維在食品中應用的研究進展

朱衛華，陳紹華

（1.山西大同大學 化學與化工學院，山西 大同 037009；2.河南工業大學糧油食品學院，河南 鄭州 450001）

小麥（triticum）作為世界許多國家和地區主要的主食谷物之一，在五大洲包括100 多個國家均有種植，其中歐洲、印度以及我國是小麥的主要產區。我國小麥生產和消費總體穩步增長，已經成為人們生活和飲食中不可或缺的組成部分。麥麩是小麥加工的主要副產品，是小麥籽粒的最外層結構，通常占谷物質量的15%～20%。2020 年我國麥麩的年產量為3 200 萬t[1]。麥麩的主要成分包括纖維素（32.1%）、半纖維素（29.2%）、木質素（16.4%）和提取物（22.3%）。麥麩的化學成分見表1[2]。

表1 麥麩的化學成分Table 1 Chemical composition of wheat bran

從表1 可以看出，麩皮中的蛋白質和礦物質等化學成分更加集中，其中包括人體必需的氨基酸[3]。研究表明，麥麩具有較高的營養價值，除含有豐富的膳食纖維、蛋白質、礦物質、維生素等營養成分外，還含有阿魏酸、阿拉伯木聚糖（arabinoxylan，AX）、植酸等大量植物活性物質，與降低肥胖、心血管疾病、2 型糖尿病以及結腸癌的發生等生理功能存在密切關系，是功能性食品的優良原料。然而，我國麥麩85%以上僅用于釀造和飼料工業，其潛在價值未得到充分開發與利用，研究其營養成分和功能性成分的提取及應用，對于提高副產品麥麩的深加工和高值化利用具有重大意義。

聯合國糧食及農業組織（Food and Agriculture Organization of The United Nations） 發布的纖維食品指南規定，健康人的日常飲食中應含有30～50 g/d（干重）的纖維素。在許多國家，人們的纖維攝入量嚴重不足。在我國，人均膳食纖維的實際每日攝入量僅為14 g 左右。隨著食品加工水平的提高，膳食纖維的攝入量逐漸減少。麥麩是一種很好的膳食纖維補充劑，該膳食纖維在人體生理功能的許多方面都具有優異的性能，它主要致力于預防心血管疾病、胃腸道健康以及調節糖脂代謝[4]。

本文綜述麥麩中膳食纖維的生理作用。同時，總結添加麥麩或全谷物面粉對各種谷物食品的影響，以及改善不利影響的措施，有助于麥麩作為膳食纖維補充劑在食品工業中的進一步應用。

1 麥麩中的膳食纖維

膳食纖維是植物的可食用部分或類似碳水化合物，在大腸中完全或部分發酵，在人體小腸中不易消化和吸收，包括多糖、低聚糖、木質素和相關的植物物質。然而，膳食纖維能夠在結腸中發酵生成短鏈脂肪酸。麥麩中總膳食纖維（total dietary fiber，TDF）的總量約占其總質量的50%以上，其中90%以上是不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）。

1.1 纖維素和木質素

纖維素作為IDF 形成了大多數植物的細胞壁。纖維素是IDF 的主要成分，也是自然界中含量最豐富的天然聚合物。作為與1，4-位相連的β-D-葡萄糖分子的線性聚合物，它不容易在人體系統中消化。纖維素是麥麩中最豐富的成分，也是麥麩綜合利用的關鍵之一，但其降解較為困難。纖維素不溶于水、稀酸和稀堿，不溶性使其在食品工業中沒有得到充分利用。加工麥麩中的纖維素可以提高其綜合利用效率，創造更高的經濟價值，對食品工業具有重要意義。為此，已經有許多關于通過物理、化學和酶法將纖維素糖化以生產木糖、阿拉伯糖和葡萄糖等小分子糖的研究[5]。基于纖維素的酶處理，從纖維素中生產生物乙醇被認為是一種可行的能源利用方式。另一方面，可降解、高性能復合膜和納米纖維的生產是當前的研究熱點[6]。木質素是TDF 的重要組成部分，它能夠使纖維疏水，以抵抗小腸和大腸中的酶分解和細菌分解。然而，當食用麥麩時，木質素可能會對味道產生不良影響。木質素的主要成分是多功能酚與醚和酯鍵的聚合，這些酚與細胞壁中的纖維素緊密結合并滲透到細胞壁中，形成硬基質。

研究表明，膳食纖維雖不能被人體消化吸收，但其仍然具有多種生理功能。例如，可以抑制人體膽固醇的吸收[7]、維持人體正常的血糖平衡[8]、降低血脂[9]、控制體重[10]、預防高血脂以及高血壓等疾病的發生[11]；腸道中的有益細菌還可以分解麥麩中的膳食纖維，生成短鏈揮發性脂肪酸（包括乙酸、丁酸等）。這些脂肪酸可以降低pH 值、抑制腸道中致病菌的生長、減少致癌物的產生，從而減少腸道癌的發生[12]。

1.2 阿拉伯木聚糖

阿拉伯木聚糖是位于小麥細胞壁上的主要非淀粉多糖，根據溶解度可分為兩類：水溶性阿拉伯木聚糖和水不溶性阿拉伯木聚糖[13]，這種差異可能與多糖鏈的取代度以及AX 在麥麩中的分布有關。AX 通常由β-（1，4）連接的木糖基單元的線性骨架組成。阿拉伯呋喃糖通過α 鍵連接，其中一些殘基被A-L-阿拉伯呋喃酰基殘基（阿拉伯糖）取代，阿魏酸在阿拉伯糖中通過酯連接。AX 的結構通常決定其理化作用、發酵過程和腸道菌群的調節。由于小麥品種不同，AX 的組成和結構存在差異，主要體現在分子量、阿拉伯糖/木糖比和阿魏酸含量的差異。AX 的結構特征決定了其物理和化學性質，如黏度、剪切稀化行為和凝膠能力，這些特性會影響面團的流變性和最終產品的質量，尤其是烘焙產品。

阿拉伯木聚糖具有益生元，可以起到降血糖、降血脂、治療肥胖作用以及提高免疫、抗氧化、抗腫瘤等作用[14]。阿拉伯木聚糖的分子量較大，分支結構多，具有持水力強，溶液黏度高特性[15]。目前，對于阿拉伯木聚糖主要研究集中在生理活性、加工特性、以及提取等方面。為了研究阿拉伯木聚糖對水包油乳液的物理和氧化穩定性的影響，Li 等[16]將小麥麩皮、玉米麩皮、米糠或黑麥麩皮中的AX 摻入乳清蛋白分離物穩定乳液的生產中。ζ 電位和粒徑測量結果表明，在所有含0.1%～0.5% AX 的新鮮乳液中，界面電荷減少，平均粒徑增加，表明AX 吸附在油滴上。在黑暗中儲存了14 d后，在所有乳液中均未觀察到相分離現象。分光光度檢測表明，所有AX 均降低了乳狀液中的過氧化值和硫代巴比妥酸反應物質濃度。因此，AX 有可能用作乳液中的天然界面抗氧化劑。

1.3 β-葡聚糖

β-葡聚糖是一種可溶性膳食纖維，是調節人類健康的功能因子。在小麥中的含量通常占到0.5%～1.5%，低于大麥和燕麥的含量。β-葡聚糖主要存在于小麥的糊粉層和亞糊精層中，經過碾磨等一系列操作后，被收集到麩皮中（2.5%～3.0%）。

谷物中的β-D-葡聚糖是對人類健康有益的活性成分，已被證明具有抗氧化、抗癌和心血管疾病預防等作用[17]。此外，從麥麩中提取可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）后，它可以用作食品中的增稠劑和粘合劑，從而保持凝膠和乳液的穩定性[18]。

2 麥麩膳食纖維的生理功能

麥麩對人體有良好生理作用的原因是存在2 種生理活性物質：活性多糖和酚類化合物（酚酸、黃酮、木脂素等）。膳食纖維主要與人體消化和胃腸功能有關。酚類化合物主要具有抗氧化和抗癌作用。值得注意的是，膳食纖維只有與其他全谷物成分結合才能最有效地預防疾病，其可以調節腸道菌群、降低血膽固醇水平、降低血糖反應和胰島素水平[19]。

2.1 麥麩膳食纖維對血脂和肥胖的影響

超重和肥胖已成為人類社會日益嚴重的問題。血液中過多的血脂或膽固醇會帶來一系列并發癥，如動脈粥樣硬化、心血管疾病，甚至慢性腎病。關于麥麩攝入對人體血脂水平和體重的影響，已經進行了大量研究[7]。膳食纖維攝入與肥胖之間存在反比關系，這與飽腹感增加、能量攝入減少以及糞便能量損失增加有關。然而，關于麥麩攝入量與血脂水平之間關系的結論較為復雜，同時，對于麥麩攝入是否對血脂水平和膽固醇水平有積極影響，目前存在不同的看法[20]。

學者們認為，麥麩中的β-葡聚糖是調節血脂的谷物產品的重要組成部分。作為一種可溶性膳食纖維，葡聚糖在腸道中的黏度被認為是主要因素。β-葡聚糖調節身體脂質主要是因為β-葡聚糖抑制身體對膽汁酸的吸收，并與小腸中的膽汁酸結合，從而影響膽固醇的合成。通過食用β-葡聚糖，膽汁酸和膽固醇的排泄會增加。此外，β-葡聚糖可以降低人體胰島素濃度，改善胰島素抵抗，進而減少膽固醇的合成。然而，麥麩的含量在所有谷物中并不占優勢。Hui 等[21]在網絡薈萃分析中分析了不同谷物對血脂的調節。結果表明，與富含β-葡聚糖的燕麥和燕麥麩相比，小麥麩對血脂的調節作用不明顯。

此外，小麥纖維中的AX、麥麩油中的多不飽和脂肪酸和植物甾醇也對身體的膽固醇合成和血脂水平有抑制作用。這些與膽汁酸的代謝以及膽汁酸和膽固醇的排泄有關[22]。

2.2 2 型糖尿病的血糖調節與治療

研究表明，在調節血糖的過程中，機體內往往伴隨著血脂的調節。糖脂代謝通常同時發生，都是代謝綜合征在人體內的表現，具有相似的發病機制，這些影響可能與膳食纖維的物理化學性質有關。膳食纖維的攝入將減緩胃排空和葡萄糖吸收，同時改善飽腹感。大量研究已經證明麥麩及其阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖對血糖調節的生理作用[23]。β-葡聚糖對血糖的影響與胃排空時間和胰島素水平密切相關。β-葡聚糖的降血糖活性與肝臟胰島素抵抗和腸道菌群有關。關于進一步的機制表明鈉-葡萄糖轉運體1、肝臟中PEPCK 的表達和JNK 信號傳導是至關重要的因素。

同樣，AX 可以調節人體餐后血糖水平。已經證明富含AX 的纖維可以顯著改善2 型糖尿病患者的血糖水平。Lu 等[24]研究發現每天補充15 g 富含AX 的纖維可以顯著改善2 型糖尿病患者的血糖，餐后血糖、胰島素、甘油三酯均得到改善[25]。AX 可以改善身體的葡萄糖耐受性，這與改善胰島素敏感性和腸道菌群發酵有關[26]。關于AX 對2 型糖尿病的作用機制，Nie 等[27]通過代謝組學分析分析了21 種與其相關的代謝物，揭示了AX 在緩解2 型糖尿病中的作用。阿拉伯木聚糖處理顯著改善了三羥酸循環（tricarboxylic acid cycle，TCA）、色氨酸代謝、脂質和酮體代謝等生理代謝過程。

2.3 心血管疾病和冠心病

隨著人們生活水平的不斷提高，世界范圍內心血管疾病的發病率逐漸上升，并呈現年輕化趨勢。高密度脂蛋白膽固醇、甘油三酯水平與冠心病之間存在強烈相關性。由于膳食纖維對調節血脂和血清膽固醇有積極作用，因此攝入麥麩可以降低心血管疾病風險，降低冠心病發病率。

研究表明，長期攝入谷物纖維可以降低患心血管疾病和冠心病的風險。許多研究人員針對不同年齡組和不同性別進行了大量相關研究[28-29]。Jensen 等[30]對40～75 歲的健康男性進行了為期7 年的記錄實驗。通過分析冠心病的發病率，證明了全谷物飲食與冠心病之間的有益關系。有研究通過記錄實驗對健康女性和老年人進行冠心病監測實驗，證實了高纖維攝入可降低冠心病的風險[31]。

2.4 腸道細菌與腸道健康

在現代社會，不規律的飲食、不合理的營養結構和不健康的生活方式等各種問題導致胃腸道疾病更為常見。食用膳食纖維可以促進胃腸運動，從而緩解便秘問題。此外，膳食纖維在結腸中的發酵對影響微生物組成和繁殖以及維持腸道內穩態具有積極作用。

糞便是人體產生的代謝廢物。糞便是否正常是衡量腸道健康的重要指標之一。已經證明，小麥膳食纖維（主要是麥麩膳食纖維）可以改善腸道功能[32]。

腸道健康與腸道菌群密切相關。腸道菌群由大約2 000 種不同的細菌組成，數以百萬計，它們存在于胃腸道中，在調節宿主的生理過程中發揮著重要作用。據報道，麩皮中的膳食纖維有助于細菌的增殖和發酵，進而促進腸道健康，麩皮纖維可增加結腸糞便中的β-葡萄糖苷酶活性、脲酶活性和短鏈脂肪酸濃度[33]。膳食纖維在腸道中的發酵促進了結腸有益菌落的增殖，維持了腸道生態環境，極大地促進了宿主的健康。合理的營養比例和飲食多樣性對腸道健康同樣重要。

短鏈脂肪酸是防止結腸癌的關鍵物質。除了增加糞便，短鏈脂肪酸（尤其是丁酸）的產量增加也是預防結腸癌的另一個原因。飼喂膳食纖維后，糞便中的次生膽汁酸濃度和糞便的致突變活性顯著降低，而短鏈脂肪酸濃度升高。麥麩中的化學活性物質對結腸癌的預防和治療也很重要[34]。

3 麥麩在面食和烘焙食品中的應用與改進

作為小麥的副產品，麥麩中的膳食纖維成分具有良好的利用潛力。小麥副產品將轉化為具有高商業價值的食品補充劑。在過去幾年中，麥麩在食品和飼料行業的使用量顯著增加，這是實現資源再利用的一個重要途徑。不同谷物產品中添加不同量的麥麩對產品質量有較大的影響。隨著更多關于健康功能和疾病預防能力的支持性數據可用，高纖維食品的市場需求將繼續增加。

雖然在食品生產中使用麥麩會改變食品的營養特性，但最終產品的感官特性會隨著膳食纖維含量的增加而降低，這種變化可能會影響消費者的接受度。因此，確保其感官質量不會發生實質性變化是應用過程中的主要挑戰。為了解決這個問題，許多研究人員進行了各種嘗試。例如控制麥麩的含量；尋找滿足感官和營養需求的配方；改善麥麩產品質量的多種處理方法，包括物理、化學和酶處理。

3.1 麥麩在面團中的應用

面團是大多數谷物產品的半加工產品，經過切割、發酵、烘焙、烹飪和干燥，可以用來獲得各種各樣的食物，例如烘焙產品、面條、面食、饅頭等。面團的質地在一定程度上決定了產品的質量，添加麥麩會改變面團和面筋的結構，面團的延展性、保水性和黏度會變差，面筋結構也會被破壞，許多研究分析了用麥麩或全麥面粉制成的面團的流變學特性[35-36]。面團中添加麥麩的量是最重要的因素，面團的機械強度增加，而黏度、延展性和強度降低，同時提高了吸水率和持水性。麥麩中纖維蛋白的相互作用阻止了面團中蛋白質的水合作用，導致面筋被替換或稀釋，從而導致面筋結構松散和破壞，面團的形成和捏合特性受到影響[37]。據報道，麥麩的粒度對面團流變學性質的變化有顯著影響。與粗麥麩相比，細粒麥麩降低了面團的混合耐受性，縮短了混合時間，這是因為較小的谷物麥麩對麩質網絡的破壞較小[38]。

為了改善麥麩對面團和面筋的不良影響，Zhang等[39]研究了不同的加工方法可以增加可溶性膳食纖維的比例，改善麥麩的口感。發酵法或酶解法處理面團中常見的功能物質能夠分解成SDF 或水解成IDF。面筋持水能力的變化是重要因素，處理后SDF/IDF 會增加，面筋網絡的損傷會減少。

3.2 麥麩在烘焙產品中的應用

在制造過程中，烘焙產品產生獨特而誘人的香味，受到消費者的廣泛歡迎。主要烘焙產品包括面包、蛋糕、餅干、餅干等。在烘焙產品的生產中添加麥麩是最常見的應用方法，它可以增加烘焙產品中的纖維含量。

在面包制作中添加麥麩或使用全麥面粉已非常普遍。麩皮相關組織中麩質的數量和質量，以及它們的有效性和活力，顯著影響面團和面包的性質。隨著纖維素添加量的增加，直接添加會對面包的柔軟度和比體積產生影響。通過處理麩皮來優化面包的質地和口感已經得到了廣泛的研究。

小麥麩皮的類型、碾磨工藝、添加比例和粒度都會顯著改變面包的質地。與較大的粒度相比，粒度較小的麩皮將使面包卷體積更大、顏色更深、外觀更光滑、口感更硬、更軟[40]。適量的麥麩對面包的體積有積極的影響，但過量的麥麩會產生相反的影響。張逢溫等[41]采用酵母發酵麥麩來分析麥麩發酵過程中纖維素酶活力變化，比較膳食纖維組成及烘焙特性的差異。結果表明：添加發酵麥麩的面包效果最明顯。相比未發酵麥麩面包，添加發酵麥麩的面包體積、彈性及持水力都顯著提升（p＜0.05），氣孔結構更加細膩，添加發酵麥麩及木聚糖酶都能促進面包中總膳食纖維和阿拉伯木糖醇溶解。

為了平衡添加麩皮對面包品質的負面影響，人們廣泛研究了通過處理麩皮來優化面包的質地和口感。目前常用的方法有預處理、發酵、酶處理等。這些加工方法的效果是增加面團的面筋網絡結構，從而提高烘焙產品的質量。麩皮經過濕熱處理（水合、濕氧化處理）后，面包的質量顯著提高。

4 總結

本文綜述了麥麩在谷物食品工業中的應用，以及麥麩中膳食纖維的組成和生理效應。作為食物中的膳食纖維補充劑，麥麩對人體的心血管和腸道健康有積極的作用。然而，這種補充劑對食物的感官和質地有負面影響，在一定程度上降低了消費者的接受度。麥麩的預處理和加工在一定程度上可以使其更好地應用于食品生產和加工中。可以預見，控制添加麥麩的物理性質，結合一些新的創新加工技術，如酶技術和微生物技術，可以確保食品的營養價值，深入研究麥麩的營養特性，探索麥麩在面制品中以及在食品工業中的應用，解決應用中存在的問題，更加充分地利用麥麩資源，研制出適合中國人飲食習慣的麥麩類食品，不僅可以豐富食品市場，優化飲食結構，還可使農副產品得以增值。