小麥淀粉的酶法改性研究進展

唐羅,周淑藍,孟啟帆,雷琳,2,陳嘉,2,葉發銀,2*,趙國華,2

1(西南大學 食品科學學院,重慶,400715)

2(川渝共建特色食品重慶市重點實驗室,重慶,400715)

小麥淀粉是小麥(TriticumaestivumL.)籽粒的主要組成成分(65%～75%,以干重計)[1]。傳統上,小麥淀粉的生產主要通過馬丁法或巴特面糊法;近年來,逐步發展了阿爾法拉伐/瑞休工藝、面團-面糊工藝(旋流器法)和高壓碎解工藝(三相臥螺離心機法),生產效率和淀粉品質均得到大幅提高[2]。小麥淀粉在粒度上呈典型的雙峰分布,即大顆粒(23～28 μm)小麥A淀粉,呈圓盤狀或透鏡狀;小顆粒(2～11 μm)小麥B淀粉,呈球狀或不規則形狀[3]。小麥淀粉是人類主要能量來源,被用于生產各種食品,還具有廣泛的工業用途和較高的商業價值[4]。小麥淀粉是饅頭、面條、意大利面食的主要成分,同時被用于面包、餡餅、蛋糕等烘焙產品。小麥淀粉顏色亮白,幾乎不含色素,蛋白質、灰分和纖維含量低,在我國,小麥淀粉作為配料還廣泛用于水晶餃子皮、涼皮、魚糜制品、香腸、預拌粉等產品。

盡管天然小麥淀粉豐富且價格便宜,但功能特性的有限性阻礙了其更為廣泛的用途。當前對小麥淀粉的改良主要包括遺傳學、物理學、化學、酶學等手段。通過遺傳學手段可得到高直鏈小麥淀粉或蠟質小麥淀粉[5],新型淀粉為實現相關制品美味和營養間的平衡提供了原料支持。除了廣泛采取的化學改性外,過熱蒸汽、濕熱、退火、球磨等物理法也頻繁用于小麥淀粉改性。在小麥制品生產中,經常對面團等中間產品進行發酵處理,研究發現發酵改善面團性能的一部分原因是對小麥淀粉結構和性能也產生了影響[6]。同樣,酶處理通過改變小麥淀粉的組成結構,進而改善小麥淀粉的加工性能。

近年來,酶法用于小麥淀粉改性受到重視。酶法改性采用食品酶制劑,不引入化學成分,符合“清潔標簽”理念[7]。酶制劑可直接作為配料加入。例如在面包生產中,淀粉酶直接作用于淀粉顆粒,可實現對小麥淀粉的原位改性[8]。酶法改性具有綠色環保、作用條件溫和等優點,在改性的同時可保留淀粉顆粒形態[9-10]。酶可以針對性作用于淀粉顆粒的特定部位,相比于化學改性更具有選擇性,例如酶法用于多孔淀粉的生產[11]。當前,淀粉酶制劑在烘焙工業[12]的應用十分普遍,基于此,本文圍繞小麥淀粉酶法改性的研究進展,系統論述了小麥淀粉的酶法改性所用的酶類、改性方式,以及酶處理對小麥淀粉的組成結構、理化性質和小麥淀粉制品品質的影響,以期為促進酶改性小麥淀粉的食品工業應用提供參考。

1 改性淀粉用酶

如表1所示,淀粉的酶法改性通常采用的酶包括糖基轉移酶(EC 2.4.x.y)和糖基水解酶(EC 3.2.1.x)兩類[13]。糖基轉移酶能夠催化糖基從一種糖苷(供體)轉移到另一種糖苷(受體),并形成新的糖苷鍵[13]。目前,用于小麥淀粉改性的糖基轉移酶主要包括轉葡萄糖苷酶、淀粉分支酶和麥芽糖轉糖基酶。糖基水解酶是催化糖苷鍵水解的酶。用于小麥淀粉改性的糖基水解酶目前主要包括α-淀粉酶、β-淀粉酶、麥芽糖α-淀粉酶、普魯蘭酶、葡萄糖淀粉酶、產麥芽六糖α-淀粉酶、產麥芽四糖α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶等。

表1 小麥淀粉改性使用的酶Table 1 Enzymes used in wheat starch modification

2 酶改性方式

酶法改性小麥淀粉在操作上主要有3種方式:單一酶法、復合酶法以及酶法與其他方法結合。酶作用時的淀粉形態可以是天然淀粉顆粒,也可以是糊化淀粉。對于天然淀粉顆粒,制備淀粉懸液后在水浴中升溫到酶作用溫度,加入一定量的酶制劑,保溫反應一定時間后終止反應[37]。對于糊化淀粉,首先將淀粉制備成一定質量分數的淀粉懸液,升溫攪拌使其糊化,然后降溫到酶作用的溫度條件進行酶反應,反應結束后滅酶[15]。張國權等[40]采用雙酶法生產小麥微孔淀粉,研究表明,α-淀粉酶和糖化酶在制備小麥微孔淀粉過程中可發揮協同作用,使水解效率提高。研究還發現,酶反應的順序或加酶順序對產物的結構和性能具有顯著影響[11,41]。GUO等[11]分別采取α-淀粉酶→葡萄糖淀粉酶、分支酶→葡萄糖淀粉酶、α-淀粉酶→分支酶→葡萄糖淀粉酶等組合方式處理小麥淀粉,產物中直鏈淀粉含量分別降低12.66%、5.44%和48.33%,不同處理方式得到的多孔小麥淀粉具有不同的孔道結構和吸附性能。

為提升酶改性效果,通常采用酶處理與輔助手段聯合的方式。MAJZOOBI等[42]研究發現,先進行酶處理(α-淀粉酶添加量0.4%,45 ℃反應24 h)再超聲波處理(35 kHz、240 W、40 min)的小麥淀粉具有最佳的水合能力、持油性和吸附性能。SHEN等[20]將小麥淀粉采用α-淀粉酶處理后采用介質阻擋放電等離子體(40 V、1 A)處理,結果表明等離子體處理降低了直鏈淀粉含量,加劇了支鏈淀粉長側鏈的解聚和結晶度下降;酶處理使小麥淀粉中抗性淀粉含量從7.09%增加到11.69%,而后續的等離子體處理使其含量增加到16.20%。陳彩雯等[43]研究發現小麥淀粉經加酶擠壓后的糊化焓值、水合能力高于擠壓淀粉,而相對結晶度、淀粉糊粘度低于擠壓淀粉。

3 酶法改性對小麥淀粉組成結構的影響

3.1 直鏈淀粉含量

直鏈淀粉是決定淀粉性能及淀粉制品品質的重要因素之一。不同酶對該指標的影響存在差異。首先, 小麥淀粉顆粒經水解酶處理通常會降低直鏈淀粉含量。α-淀粉酶優先水解無定形區中直鏈淀粉的α-1,4-糖苷鍵,隨著酶添加量增加,直鏈淀粉含量下降程度增大[20]。UTHUMPORN等[28]采用兼具α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶活性的復合酶制劑STARGEN 001作用小麥淀粉顆粒得到酶解淀粉,直鏈淀粉含量從原來的23.8%降低到18.5%。CHENG等[10]報道β-淀粉酶處理造成小麥淀粉的直鏈淀粉含量下降(21.20%→18.67%)。熊柳等[44]報道β-淀粉酶處理(34.33 U,56.5 ℃,32.2 min)可使小麥淀粉的直鏈淀粉含量從25.40 g/100 g降低到21.80 g/100 g。ZHAI等[37]報道麥芽糖α-淀粉酶處理沒有引起小麥淀粉直鏈淀粉含量顯著變化,這可能是由于該酶同時水解了小麥淀粉的直鏈淀粉和支鏈淀粉。其次,糊化的小麥淀粉經轉移酶作用,其直鏈淀粉含量增加。LI等[15]報道,小麥淀粉糊化后加入轉葡萄糖苷酶,隨著酶解進行,表觀直鏈淀粉含量從25.33%逐漸增加到59.00%。轉葡萄糖苷酶對1,4-α-葡聚糖具有隨機水解能力,可將支鏈淀粉聚合度(degree of polymerization,DP)≥50的長側鏈水解為可以與碘結合的較短鏈(DP 40～50),在去除外側鏈后,碘分子得以與支鏈淀粉內側鏈或/和外側鏈結合,從而使表觀直鏈淀粉含量大幅增加。糊化的小麥淀粉經普魯蘭酶處理,其直鏈淀粉比例增加,這是由于該酶選擇性水解支鏈淀粉的α-1,6-糖苷鍵,形成線性短鏈[45]。

3.2 小麥淀粉分子結構

不同酶處理使小麥淀粉的分子結構發生不同程度變化,并反映在分子質量、DP、分支化度、鏈長分布等方面(表2)。首先,水解酶處理使小麥淀粉分子質量降低,該過程主要涉及α-1,4-糖苷鍵的水解。α-淀粉酶使小麥支鏈淀粉重均分子質量(Mw)從1.261×107g/mol下降到4.12×105g/mol,直鏈淀粉Mw從1.20×105g/mol增加到3.99×105g/mol,這可能是支鏈淀粉及中間組分水解導致直鏈淀粉DP的增加[20]。β-淀粉酶使小麥淀粉的Mw從2.390×106g/mol降至1.355×106g/mol[31]。轉葡萄糖苷酶使糊化的小麥淀粉的Mw大幅降低(4.12×107g/mol→1.22×105g/mol)[15]。其次,轉葡萄糖苷酶、分支酶等糖基轉移酶作用于小麥淀粉可提高其分支化度,分支化度的變化程度主要與糖基轉移酶的種類、酶的作用條件及酶的作用順序有關。LI等[15]報道,隨著轉葡萄糖苷酶處理時間的延長(0→20 h),糊化的小麥淀粉在酶的作用下支化度從14.11%增加到17.97%。GUO等[11]報道,α-淀粉酶→葡萄糖淀粉酶未引起支化度的顯著變化,而分支酶→葡萄糖淀粉酶、α-淀粉酶→分支酶→葡萄糖淀粉酶處理使小麥淀粉的支化度分別增加21.51%和70.35%,這表明α-淀粉酶對分支酶的轉糖基反應可能具有協同效應。第三,酶處理可以影響小麥淀粉的鏈長分布。KOROMPOKIS等[17]報道,隨著麥芽糖轉糖基酶添加量的增加(1.8→9 U/g),直鏈淀粉的色譜峰逐漸消失,支鏈淀粉的色譜峰右移,這表明該酶通過水解小麥直鏈淀粉,產生的線性葡聚糖片段經轉糖基化作用轉移到支鏈淀粉上,其側鏈被延長。支鏈淀粉的側鏈按照DP通常分為A鏈(DP 6～12)、B1鏈(DP 13～24)、B2鏈(DP 25～36)和B3鏈(DP>36)。SHEN等[20]報道,小麥淀粉顆粒經α-淀粉酶處理,短鏈(A、B1鏈)的比例增加,中長側鏈(B2和B3鏈)的比例減小。ZHAI等[37]報道小麥淀粉顆粒經麥芽糖α-淀粉酶處理后,支鏈淀粉的極短鏈(DP<6)比例上升,隨著加酶量的增加(2.5→15 U/g),B1鏈和B2鏈的比例均呈下降趨勢。LI等[31]報道小麥淀粉顆粒經β-淀粉酶處理,B1鏈占比下降,短側鏈(DP 2～12)占比提高。類似地,糊化小麥淀粉經β-淀粉酶處理,支鏈淀粉的平均鏈長下降[44]。糊化的小麥淀粉經轉葡萄糖苷酶處理,支鏈淀粉的A鏈占比從21.97%增加到41.17%,B2鏈和B3鏈占比大幅下降,平均鏈長從19.49 DP縮短為16.10 DP[15]。LEMAN等[23]將淀粉酶添加到小麥淀粉懸液中,采用快速黏度分析儀模擬熱加工過程酶對淀粉分子的修飾作用,結果表明,添加枯草芽孢桿菌α-淀粉酶(添加量0.17 EU/g)或米曲霉α-淀粉酶(0.780 EU/g)使小麥支鏈淀粉的鏈長分布沒有發生顯著變化,而添加豬胰腺α-淀粉酶(3.50 EU/g)或嗜熱芽孢桿菌麥芽糖α-淀粉酶(9.03 EU/g)使支鏈淀粉的短鏈(DP<9)比例從23.7%分別增加到28.7%、44.2%。這表明,不同來源的淀粉酶可在不同程度上影響小麥直鏈淀粉的分子結構及支鏈淀粉的鏈長分布,進而影響淀粉的工藝性能。

表2 酶法改性對小麥淀粉的分子結構及聚集態結構的影響Table 2 Effects of enzymatic modification on molecular structure and aggregation structure of wheat starch

3.3 淀粉聚集態結構

淀粉顆粒是由若干淀粉分子組成的聚集體,淀粉分子通過排列形成淀粉顆粒中的無定形區和結晶區。在X-射線衍射圖譜上,明顯的尖銳衍射峰反映淀粉的結晶區,而彌散的不明顯的衍射峰反映淀粉的無定形區。由表2可知,酶處理可以引起小麥淀粉相對結晶度、短程有序結構、片層結構等發生不同程度的變化。XIE等[29]在采用α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶制備多孔小麥淀粉時發現復合酶處理并未引起相對結晶度顯著變化。SHEN等[20]研究發現,α-淀粉酶處理使小麥淀粉的相對結晶度從36.25%下降到31.44%,這可能是由于α-淀粉酶“表面侵蝕”水解模式改變了微晶取向,降低了淀粉的有序分子結構,同時酶水解產生了較多的短側鏈,這種由短側鏈組成的結晶區不穩定,導致相對結晶度下降。ZHAI等[37]報道,小麥淀粉顆粒經麥芽糖α-淀粉酶處理后,20°(2θ)處直鏈淀粉-脂質復合物衍射峰未受其影響,但是酶改性小麥淀粉的相對結晶度高于對照組,這表明麥芽糖α-淀粉酶主要作用于無定形區。在X-射線小角衍射圖譜上,小麥淀粉在麥芽糖α-淀粉酶處理前后均在散射矢量(q)約為0.06 ?-1存在明顯的散射峰,處理后散射峰值強度下降,這表明酶處理破環了小麥淀粉顆粒的半結晶層狀結構[37]。有學者研究了糊化后的小麥淀粉經普魯蘭酶處理后的聚集態結構的變化,酶解后小麥淀粉酶改性產物的相對結晶度15.31%,而原淀粉的相對結晶度為24.73%,這表明酶解產物有更多無定形區[45]。酶處理一般不會引起小麥淀粉結晶類型變化[20,37];但是糊化后的小麥淀粉經普魯蘭酶處理,酶改性產物的晶體結構由A型轉變為V型,這是因為在反應結束后的醇沉處理過程中,線性葡聚糖鏈和乙醇分子之間形成了復合物[45]。

4 酶法改性對小麥淀粉理化性質的影響

4.1 溶解度和膨脹力

酶可以水解小麥淀粉顆粒的一些特定區域,在一定程度上破壞了顆粒的完整性,從而使小麥淀粉的水合能力發生一定變化。MAJZOOBI等[42]研究發現,小麥淀粉經α-淀粉酶處理后成為多孔淀粉,水合能力從原來的2.22%大幅提高到27.00%。SHEN等[20]報道,α-淀粉酶處理(25 ℃、2 h)使小麥淀粉顆粒上出現凹坑和孔洞,小麥淀粉的膨脹力在低加酶量時(20、40 U/g)未發生顯著性變化,僅在高加酶量時(60 U/g)有所下降。LI等[31]報道β-淀粉酶(20 U/g)處理使小麥淀粉的溶解性(95 ℃)顯著增加,且隨著酶處理時間延長(0→180 min)而持續增大,而膨脹力則隨著酶解而降低。同樣地,ZHAI等[37]報道小麥淀粉顆粒經麥芽糖α-淀粉酶改性后,其膨脹性顯著降低(4.58 g/g→3.67 g/g,P<0.05),隨著加酶量的增加,膨脹性降低幅度越大。VAN等[38]報道添加0.05%麥芽糖α-淀粉酶(Novamyl?)處理使小麥淀粉的膨脹力(95 ℃)從23.9 g/g增加到25.4 g/g,而處理時添加5.0%硬脂酰乳酸鈉則使膨脹力增加到31.2 g/g,研究認為,硬脂酰乳酸鈉有可能吸附在淀粉顆粒表面,從而增加其膨脹力。UTHUMPORN等[28]使用復合酶(α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶)處理小麥淀粉(35 ℃、24 h),顆粒上出現了孔洞,但其溶解性和膨脹力均無顯著性變化。XIE等[29]報道,就溶解性而言,小麥A淀粉低于B淀粉,而二者的膨脹力無顯著差異;經復合酶(α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶)處理后,小麥A淀粉(6.81%→80.93%)和B淀粉(11.72%→76.49%)的溶解性(80 ℃)均大幅升高,A淀粉膨脹力(80 ℃)從10.25 g/g增加到25.17 g/g,B淀粉則從9.28 g/g增加到24.22 g/g,因為酶水解促進了無定形區域直鏈淀粉浸出,使淀粉顆粒形成多孔結構,削弱了淀粉的結構強度;研究還發現,在酶解前對淀粉顆粒進行濕熱處理可造成淀粉的溶解性及膨脹力的增幅有所下降。這可歸因于濕熱處理引起顆粒內部淀粉分子鏈重排,增強了淀粉鏈之間的相互作用。姬娜等[34]將小麥淀粉糊化后加入產麥芽四糖α-淀粉酶得到酶改性產物,其溶脹度和可溶性指數均明顯低于原小麥淀粉。LIU等[45]將小麥淀粉糊化后加入普魯蘭酶Promozyme D2于55 ℃處理4 h,經真空干燥后粉碎過篩的酶解產物,可部分溶于37 ℃涼水(溶解性～51%),而原小麥淀粉幾乎不溶。研究還發現,在涼水中分散后可進一步形成水凝膠。這表明,小麥淀粉顆粒溶解性、膨脹力等水合能力變化與淀粉及酶的來源有關。

4.2 熱特性

淀粉的熱特性反映淀粉顆粒在糊化過程中升溫引起淀粉聚集態結構的變化。淀粉顆粒結晶結構的多樣性使其糊化溫度處在一個區間范圍。起始糊化溫度(To)表示較弱的結晶首先融熔,而終止糊化溫度(Tc)反映最穩定的結晶結構;峰值糊化溫度(Tp)可反映有效的雙螺旋長度,用來評價淀粉中微晶質量的優劣程度;糊化焓(ΔHg)反映淀粉雙螺旋有序結構解離所需的能量。在酶處理過程中,淀粉顆粒表面及內部的無定形區域最先被酶水解,進而結晶區的分子鏈發生有限水解,從而導致淀粉熱特性的變化。CHENG等[10]研究發現,小麥淀粉經β-淀粉酶處理后,糊化溫度參數To、Tp及Tc均升高,糊化溫度區間(To～Tc)則隨著酶解程度呈先升高后降低趨勢,這可能與不同酶解程度下淀粉鏈結構的特性有關,糊化溫度區間增加意味著雙螺旋結構的多樣性增加;此外,酶處理導致小麥淀粉的ΔHg降低,這表明酶處理使結晶結構中氫鍵破壞所需能量減小。ZHAI等[37]研究發現小麥淀粉顆粒經麥芽糖α-淀粉酶(2.5～15 U/g,55 ℃,1 h)處理后,To～Tc與對照組(未加酶)無顯著性差異,但ΔHg顯著降低(P<0.05),研究認為其變化主要來自韌化作用,淀粉在過量水分及低于糊化溫度下其雙螺旋發生重排,形成更為完美的晶體結構,相比于原淀粉,To、Tp、Tc升高而To～Tc下降;但是,韌化結合麥芽糖α-淀粉酶對淀粉鏈的水解作用使得分子有序度下降,ΔHg降低。UTHUMPORN等[28]報道,復合酶(α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶)處理沒有引起小麥淀粉的糊化溫度和糊化焓顯著性變化。XIE等[29]采用復合酶(α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶)制備多孔小麥淀粉,與原淀粉相比,多孔淀粉的To、Tp升高,Tc保持不變,糊化溫度區間(Tc～To)縮短;原淀粉在酶解前進行兩次濕熱處理,Tc～To進一步減小,這表明酶解清除了淀粉顆粒中較弱的結晶結構,增強了結晶結構的均一性。SHEN等[20]則報道,α-淀粉酶提高了小麥淀粉的糊化溫度和糊化焓,使小麥淀粉的抗糊化能力增強。由此可見,淀粉酶對小麥淀粉熱特性的影響是多方面的,對于熱特性參數的變化整體上似乎缺乏明顯規律。多數研究報道酶處理可以增強小麥淀粉結構的穩定性,這很可能是無定形區被水解了的緣故,具體原因有待深入研究。

4.3 糊化特性

根據加工環節的不同,酶對小麥淀粉的作用,或發生在天然淀粉顆粒階段,或在小麥淀粉相關制品加熱熟化過程中[46]。對于前一種情況,通常是酶反應一定時間后,通過離心或其他方式終止反應,測定小麥淀粉顆粒的糊化特性變化。SHEN等[20]將小麥淀粉與α-淀粉酶溶液混合,室溫(25 ℃)反應2 h后,加入1 mol/L NaOH溶液終止反應,離心、水洗沉淀后進行表征,結果發現酶處理使小麥淀粉更容易糊化,糊化溫度(pasting temperature,PV)、峰值黏度(peak viscosity,PV)、谷值黏度(trough viscosity,TV)、最終黏度(final viscosity,FV)、回升值(setback,SB)均隨著酶的添加而降低。ZHAI等[37]發現小麥淀粉顆粒經麥芽糖α-淀粉酶處理后,糊化特性曲線整體下移,且下移幅度隨加酶量增加而加大,PV從2 789.67 cP下降到498.81 cP,FV從3 927.46 cP降低到401.07 cP,研究認為,PV下降與淀粉顆粒完整性的破壞及其膨脹性降低有關,同時,酶處理導致直鏈淀粉水解,支鏈淀粉側鏈變短,減少了淀粉鏈之間的纏結,使其FV下降;麥芽糖α-淀粉酶處理使小麥淀粉的SB顯著降低(2 035.68 cP→232.32 cP),這表明酶處理有效抑制了小麥淀粉的短期回生。CHENG等[10]觀測到β-淀粉酶處理使小麥淀粉的糊化特性曲線顯著下移,PV降低表明酶處理造成小麥淀粉膨脹性下降,同時,隨著加酶量(10→50 U/g淀粉干基)的增加,PV以后的曲線變化更為平緩,崩解值(breakdown,BD)逐漸減小,這表明酶處理增加了淀粉顆?？辜羟辛蜔岱€定性;小麥淀粉經酶處理到一定程度后,其糊化特性不再呈顯著性變化,研究推測這主要是β-淀粉酶“由外至內”的水解模式,小麥淀粉顆粒結構的破壞程度逐漸增加,直到能夠被水解區域作用完全。對于后一種情況,則在加酶后對體系進行加熱,淀粉酶在因溫度導致其變性失活前,能夠持續地對淀粉進行酶解。為考察這一動態過程酶處理對其糊化特性變化的影響,可將添加酶的淀粉懸液直接進行快速黏度分析(rapid visco analyzer,RVA)[23]。LEMAN等[22]研究發現小麥淀粉糊化特性變化與淀粉酶的種類及加酶量密切相關,枯草芽孢桿菌α-淀粉酶(0.092 EU/g淀粉)、米曲霉α-淀粉酶(0.434 EU/g淀粉)可使其FV增加,而高加酶量使其FV下降;嗜熱硬脂芽孢桿菌麥芽糖α-淀粉酶在各加酶量下均使FV升高,豬胰腺α-淀粉酶及甘薯β-淀粉酶在各加酶量下使FV下降。VAN等[38]向小麥淀粉懸液(8%,質量濃度)中添加麥芽糖α-淀粉酶,然后進行RVA測試,結果發現,PV較未加酶的對照組降低56.8%。有研究將淀粉糊化后進行酶處理,反應結束后,收集酶解產物,干燥后粉碎、過篩,得到酶改性淀粉。姬娜等[34]將小麥淀粉糊化后冷卻至室溫,加入產麥芽四糖α-淀粉酶,于55 ℃保溫24 h,得到酶改性小麥淀粉,酶改性小麥淀粉PV、TV和FV與原小麥淀粉相比,分別降低37.57%、32.88%和15.49%,而SB從360 RVU增加到469 RVU,增幅30.28%。LIU等[45]將小麥淀粉懸液在Brabender?黏度分析儀上按程序升溫糊化,在降溫到55 ℃時加入普魯蘭酶,在該溫度下保溫60 min進行酶反應,結果發現,酶加入后體系黏度迅速下降,其黏度僅為未加酶對照組黏度的5.3%。

4.4 老化特性

酶處理對小麥淀粉的老化特性具有調節作用。ZHAI等[37]報道小麥淀粉經麥芽糖α-淀粉酶處理,在4 ℃貯藏期間回生焓(ΔHr)低于相同貯藏條件下的原淀粉,并且隨著加酶量增加(2.5→15 U/g),貯藏28 d時的ΔHr降低率從83.13%增加到97.07%,可見酶處理顯著抑制了小麥淀粉的長期回生。LI等[15]將小麥淀粉糊化后加入轉葡萄糖苷酶60 ℃反應4～20 h,將得到的產物在沸水浴中糊化后于4 ℃貯藏15 d進行觀測,結果表明,隨著酶水解時間的延長(4 h→20 h),低場核磁自旋-自旋弛豫時間T21和T22持續降低而T23持續升高,這表明酶解淀粉體系中水分子流動性增加,老化過程中形成較低結晶度的重結晶結構,回生小麥淀粉的相對結晶度從原來的24.33%降低至14.50%,ΔHr從原來的6.71 J/g降至3.15 J/g,這是因為轉葡萄糖苷酶處理增加了小麥淀粉支鏈淀粉的分支化度(14.11%→17.97%),縮短了支鏈淀粉的平均鏈長(17.91→16.10 DP),減少了雙螺旋結構的形成,使淀粉分子鏈不易聚集纏結,從而降低了小麥淀粉的回生速率。CHENG等[10]研究發現β-淀粉酶處理可以使小麥淀粉貯藏21 d時的ΔHr從原來3.03 J/g下降到1.95 J/g,增加酶量或延長酶解時間都可以使ΔHr降低,同時,β-淀粉酶處理降低了小麥淀粉凝膠新制備時以及4 ℃貯藏時的硬度;由此可見β-淀粉酶可抑制小麥淀粉的回生作用。后續研究發現[31],β-淀粉酶處理可以使小麥淀粉凝膠在貯藏過程中水分遷移受到抑制,凝膠的持水性增強。熊柳等[44]的研究證實β-淀粉酶處理可以抑制小麥淀粉的回生,降低小麥淀粉凝膠的硬度。KOROMPOKIS等[17]報道,麥芽糖轉糖基酶在低添加量時(0.45 U/g 淀粉干基)不會引起小麥淀粉ΔHr顯著變化,當加酶量增加到1.80 U/g,ΔHr從0.78 J/g增加到2.39 J/g,且隨著加酶量增加一直呈增加趨勢,當加酶量為45.00 U/g時,ΔHr增加到7.73 J/g。這是由于麥芽糖轉糖基酶通過修飾支鏈淀粉增加了側鏈長度,從而促進了淀粉分子的重結晶,提高了老化程度。這表明,選擇合適的酶可起到延緩或促進淀粉老化的作用。麥芽糖α-淀粉酶、β-淀粉酶、轉葡萄糖苷酶等縮短淀粉鏈長度和/或增加分支化度,通過增強水分子流動性和抑制雙螺旋結構形成,延緩小麥淀粉的重結晶,它們在小麥淀粉抗回生應用中具有潛在價值;麥芽糖轉糖基酶通過增加支鏈淀粉的側鏈長度促進小麥淀粉老化,可進一步研究其在提升小麥淀粉營養特性或抗性淀粉比例中的應用。

4.5 消化特性

酶處理可以影響顆粒小麥淀粉的消化性。SHEN等[20]報道小麥淀粉經α-淀粉酶處理(60 U/g,2 h),快消化淀粉及慢消化淀粉含量顯著下降,抗性淀粉含量從7.09%增加到11.69%。酶處理使小麥淀粉分子的A鏈和B1鏈增加,促進了線性短鏈遷移和有序化重排,從而使其對酶的敏感性下降。KOROMPOKIS等[17]研究發現,麥芽糖轉糖基酶對小麥淀粉消化性的影響受加酶量的控制,低加酶量(0.45 U/g、1.80 U/g)時淀粉的消化速率不受其影響,加酶量達到4.5 U/g時,消化速率顯著下降,當加酶量繼續增加(4.5→45 U/g),消化速率(min-1)從0.33逐步下降到0.20。研究認為,麥芽糖轉糖基酶使支鏈淀粉側鏈長度增加,淀粉鏈之間更易聚集,促進了淀粉的重結晶,進而增加了淀粉對豬胰α-淀粉酶的抗性。LIU等[45]將糊化的小麥淀粉采用普魯蘭酶于55 ℃處理4 h,得到脫支小麥淀粉,經測定,消化率僅為50%左右,而原小麥淀粉消化率約90%。ARP等[47]報道,普魯蘭酶可用于抗性小麥淀粉的制備,與不加酶得到的樣品對比,普魯蘭酶大幅度降低了樣品的消化速率(min-1),估計血糖生成指數eGI較原小麥淀粉降幅達到66%。由此可見,酶法改性在降低小麥淀粉消化性和低GI食品制造等方面可發揮積極作用。

5 酶法改性對小麥淀粉相關制品的影響

5.1 多孔小麥淀粉

多孔淀粉是一種微孔化的變性淀粉。多孔淀粉具有獨特的孔道結構,較大的比表面積,可作為功能性成分的包埋劑或吸附載體,應用十分廣泛。多孔淀粉通常以酸解或酶解法制備。相比于酸解法,酶解法制備多孔淀粉因其作用的選擇性和可控性更有優勢。NAGULESWARAN等[48]采用掃描電鏡和激光共聚焦觀測發現,小麥淀粉經α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶復合酶處理(30 ℃,24 h),大顆粒比小顆粒出現更為清晰的孔道結構,由于酶對無定形區的剝蝕作用,大顆粒內部的狹縫狀裂紋更加清晰、可辨。張國權等[49]以小麥A淀粉為材料,采用α-淀粉酶與糖化酶雙酶水解法制備小麥微孔淀粉,經工藝優化后,制備的小麥微孔淀粉的吸油率為103.46%,而原淀粉的吸油率為51.24%。MAJZOOBI等[42]研究發現,α-淀粉酶和超聲波技術聯用可以得到高性能小麥多孔淀粉,0.4%α-淀粉酶和40 min超聲波處理,使小麥淀粉對甲基紫的吸附容量從2.79%增加到49.17%。XIE等[29]將反復濕熱處理和復合酶聯用制備小麥多孔淀粉,相比于單獨酶處理,雙改性使多孔淀粉的比表面積、總孔體積、持油力和甲基藍吸附容量均顯著增加。在此基礎上,XIE等[50]對制備的小麥多孔淀粉進行交聯處理,由此造成產品的孔洞結構更加稠密,吸附容量進一步增加。為進一步提升其吸附性能,GUO等[11]研究表明,多酶作用順序是小麥多孔淀粉特性的重要影響因素,按照“α-淀粉酶→脫支酶→葡萄糖淀粉酶”的順序制備的多孔淀粉對油脂、染料和重金屬離子均具有較好的吸附性能。

5.2 面條

有證據表明,淀粉酶可通過改善淀粉的性能來調整面條的品質。LI等[21]研究發現,在擠壓式面條加工中添加耐熱或中溫α-淀粉酶可以改善產品的組織結構和食味品質,中溫α-淀粉酶的提升效果更佳,其添加量從0.0‰增加到1.6‰,面條的整體可接受度從4.57增加到7.10。QIAN等[46]采用普魯蘭酶處理普通面粉,接著將其以一定比例(0%、3%、6%、9%、12%、15%)替換原面粉添加制作白鹽面條,結果表明,普通面粉經普魯蘭酶處理后,直鏈淀粉含量提高62%,白鹽面條吸水率、蒸煮損失、亮度及硬度增加,而烹煮得率下降,盡管如此,烹煮后面條的慢消化淀粉比例顯著增加,普魯蘭酶處理使白鹽面條的淀粉消化性得到改善。目前,淀粉酶在面條加工中的應用尚不多見,有待深入研究。

5.3 面包

酶制劑作為面包改良劑的應用已有相當長的歷史。為提升改良效果,通常采用復合酶制劑,這些酶包括淀粉酶、脂肪酶、木聚糖酶、葡萄糖氧化酶等。小麥淀粉顆粒在淀粉酶的作用下,水解釋放葡萄糖等可發酵糖,促進酵母發酵產氣,從而起到增大面包體積的作用;有些淀粉酶作用于淀粉顆粒釋放寡糖,對淀粉回生具有抑制作用,從而延長面包貯存期。ZHANG等[36]報道了一種產麥芽六糖α-淀粉酶,在面團制作和醒發過程中作用于小麥淀粉顆粒,產生相當比例的麥芽低聚糖,促進面團醒發,改善面團性能、增大面團體積;相比于對照組,添加淀粉酶的面包切片有更加致密的氣孔結構,而且在面包貯存過程中通過抑制淀粉的老化,從而提升面包品質和貯藏性。STRUYF等[8]研究了α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶和葡萄糖淀粉酶對面團醒發中酵母發酵以及面包中糖含量的影響,結果表明,α-淀粉酶及葡萄糖淀粉酶提高了面團中可發酵糖的水平,而α-葡萄糖苷酶僅僅影響了葡萄糖與麥芽糖的比例,因此α-淀粉酶及葡萄糖淀粉酶使酵母總發酵時間延長。KOROMPOKIS等[18]研究了在面包制作時加入麥芽糖淀粉酶或麥芽糖轉糖基酶對白面包質地、組織結構和淀粉消化性能的影響,結果表明,麥芽糖淀粉酶添加使貯藏階段淀粉老化及面包瓤硬化的速度下降,同時,新鮮及存放后的白面包的淀粉體外消化速率下降;然而,麥芽糖轉糖基酶僅使面包瓤硬化的速度有所下降,淀粉消化性未受其影響。DILER等[51]在軟質小麥面團制作時加入葡萄糖淀粉酶(添加量1100 AGU/kg面粉),通過優化面條調制工藝,使葡萄糖淀粉酶作用于小麥淀粉顆粒充分產生葡萄糖,加工出的三明治面包在無需額外加糖的情況下即可具有滿意的甜味。üNAL等[27]從熱泉中分離得到23種產α-淀粉酶的真菌,將其中酶活力最高的黑曲霉α-淀粉酶用于面包加工,酶添加使面包體積增加,有效延緩了貯藏過程面包的質地劣化。YANG等[35]將產麥芽六糖α-淀粉酶用于面包制作,結果表明,該酶的加入使淀粉相對結晶度下降,加工出的面包的體積增加9.74%,慢消化淀粉含量增加7.56%,達到了改善面包質地和營養特性的雙重效果。面包烘焙是十分復雜的過程,伴隨的化學以及酶反應對淀粉結構及產品品質具有顯著影響。FUENTES等[39]研究了α-淀粉酶對面包加工的影響,通過提取面包中的淀粉進行分析,結果發現,α-淀粉酶造成淀粉降解,使淀粉的分支化程度增加。LAGRAIN等[52]研究發現,熱穩定的α-淀粉酶可在面包加工過程中持續地降解淀粉,甚至在烘焙結束面包冷卻過程中仍然能夠發揮作用,相比于空白對照組,添加酶的面包的氣孔體積更大,該研究也表明淀粉的性能對面包的品質具有重要作用。

5.4 其他

研究表明,α-淀粉酶能影響小麥粉面團的饅頭加工適應性。LIU等[53]報道添加0.000 6%或0.001 0%的α-淀粉酶,饅頭加工用面團的穩定性下降,面團軟化傾向和延展性增強。SADEGHIAN等[54]報道酸性熱穩定α-淀粉酶對無麩質蛋糕的品質具有改善作用。LI等[41]研究發現,小麥淀粉依次經過β-淀粉酶、轉葡萄糖苷酶和普魯蘭酶的修飾,小麥淀粉的成糊性和凝膠性發生改變,改性后的小麥淀粉更適宜于軟糖、布丁、甜點等制品的加工。

6 結論和展望

通過酶法改性,小麥淀粉仍保持著分子的層次結構甚至顆粒結構,但獲得獨特的性能,提升了相關制品的品質,同時減少了改性過程化學試劑使用,是一類綠色的淀粉改性手段,符合當前食品工業的“清潔標簽”理念。為更好地推動酶法改性小麥淀粉的發展,未來的研究可側重于:a)高效修飾小麥淀粉的酶資源挖掘。已報道的酶主要來源于微生物,從安全、活性、反應條件及底物選擇性等角度,可采取定向進化、理性設計等手段提升酶的性能,以促進其工業應用;采用可食性植物來源的酶(如大麥α-淀粉酶、大麥β-淀粉酶、甘薯β-淀粉酶等)改性小麥淀粉也值得研究。b)酶法用于定向改造小麥淀粉特定方面性能的研究技術和方法的建立。酶處理可改善小麥淀粉的凝膠性能、消化性能,抑或是作為微孔淀粉的吸附/荷載性能,但對其進行改性的分子機制尚不明確,而且缺乏有效的調控手段。c)酶改性小麥淀粉的工業化生產技術。與化學改性淀粉建立了成熟的工業化手段不同,酶改性小麥淀粉的工業化技術及產品面世尚待時日。d)酶改性小麥淀粉的應用性能研究。酶改性小麥淀粉的應用目前主要集中在面包等產品,其在傳統食品如面條、饅頭、涼皮、餃子皮等的應用研究有待加強。此外,酶改性小麥淀粉在可食膜、抗性淀粉、功能活性物質載體、3D打印等方面的新興應用也值得開展研究。