阿拉伯木聚糖對面團及面制品品質影響的研究進展

耿夢園,羅登林,2*,白周亞,2,黃繼紅,馮軍偉,李佩艷,2,岳崇慧,2,王立博,2

1(河南科技大學 食品與生物工程學院,河南 洛陽,471023)2(河南省食品原料工程技術研究中心,河南 洛陽,471023)3(許昌學院 食品與藥學院,河南 許昌,461000)4(河南飛天農業開發股份有限公司,河南 鶴壁,456750)

阿拉伯木聚糖(arabinoxylan,AX)是小麥、玉米、大米、大麥、高粱等谷物中主要的非淀粉多糖,AX主要是由吡喃木糖基通過β-(1→4)糖苷鍵連接的主鏈組成,側鏈則通常為阿拉伯呋喃糖殘基部分。根據AX來源不同,葡萄糖、半乳糖、D-半乳糖醛酸和D-葡萄糖醛酸等也可以連接到主鏈上[1]。此外,AX中還含有少量的蛋白質、脂質和酚類化合物(阿魏酸和香豆酸)[1]。根據AX在水中溶解度大小,可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),它們具有不同的分子質量、支化度和單糖組成[2]。在谷物細胞壁中,WUAX的分子質量和側鏈取代度通常高于WEAX[2]。研究發現,AX具有抗氧化、控制血糖水平、減輕腸道屏障損傷、降低高血糖、高血脂和預防癌癥等突出的生理功能[3]。將AX摻入精制面粉已被證明是提高面制品中膳食纖維含量的有效策略。AX可以通過與面團中的蛋白質和淀粉發生作用,從而改變面團的持水性、流變特性和發酵特性,最終對蒸煮類、焙烤類和油炸類等面制品的品質產生影響。對于面筋蛋白,AX既能在面筋蛋白中起到填充作用,又能與其競爭水分,還能影響面筋蛋白中二硫鍵構象的穩定性;對于小麥淀粉,AX能影響其糊化特性和老化性質。AX的這種影響大小和差異取決于AX、面筋蛋白和淀粉的分子結構和性質。AX的添加能增強面團的持水性、黏彈性、持氣性和穩定性,不僅能改善面團的加工性能,還能提高面制品的膳食纖維含量和營養品質。研究認為,在面制品中添加10%(質量分數)的AX就可以達到高膳食纖維的水平[4]。添加AX的面包與全谷物面包對大鼠血糖控制效果相同,表明AX強化的產品能達到與全谷物產品水平相當的營養品質[5]。

基于AX在面制品中潛在的應用價值,文章從微觀與宏觀角度,分別分析了AX與面團主要成分(面筋蛋白、淀粉)間的相互作用,闡述了其對面團特性和面制品品質的影響規律,以期促進AX在健康食品中的應用。

1 AX對面團主要成分的影響

1.1 面筋蛋白

面筋網絡的形成決定著面團的品質,在和面過程中面筋蛋白通過分子間/內二硫鍵和非共價鍵作用形成具有黏彈性的三維網絡結構。在此過程中,AX可通過直接和間接的方式參與面筋網絡的形成,從而影響面團的性質。相關研究認為,分子質量不同的AX對面團的影響規律不同,分子質量較小的AX在面筋蛋白網絡空隙中起到填充作用,能促進面筋網絡的致密性和連續性,直接影響面筋網絡的延伸性能[6];而分子質量較大的AX通過與面筋蛋白競爭水分影響面筋網絡的形成[7]。另外,AX對面團的影響也取決于其水溶性大小。二硫鍵被認為是在面團混合過程中形成面筋網絡的主要化學鍵。研究發現,WEAX有助于維持面筋中二硫鍵的構象穩定,改善面筋網絡并增加面筋的黏彈性,提高面制品品質[8];而WUAX在麥谷蛋白和麥醇溶蛋白聚合時能與色氨酸和苯丙氨酸結合,誘導面筋網絡的二硫鍵構象變為較不穩定的狀態,但酶促改性的WUAX可以緩解這種不利影響[9]。酶促改性的WUAX在加熱時能促進蛋白質網絡的伸展過程,有助于形成更有序和穩定的網絡結構[9]。AX與面筋蛋白的相互作用如圖1所示,具有較低分子量和較高支化度的AX在蛋白質網絡的空隙中起到填充作用,增強了蛋白質分子間的交聯聚集效應,從而對面團的持水性和流變學性質產生影響,進而影響到最終產品質量[10]。綜合來看,水溶性好的WUAX對面團和面制品品質的改善作用更有利,因此,實際中可考慮利用生物酶技術將WUAX降解為WEAX,以解決WUAX對面筋網絡形成的負面影響,達到改善面制品品質的目的。

圖1 AX與面筋蛋白的相互作用Fig.1 Interaction between AX and gluten protein

1.2 淀粉

淀粉作為小麥面粉最重要的成分之一,與面團特性和面制品品質密切相關,其糊化和回生行為對調控面制品的品質尤為重要。淀粉的糊化行為很大程度上控制著新鮮加工食品的黏度和質構特性。WEAX可通過附著在淀粉顆粒表面包裹住顆粒,抑制其吸水膨脹,延緩其糊化,從而提高面團穩定性并改善面制品的品質[11]。對于具有較高分子質量和較高支化度的WUAX,它在面團體系中也會與淀粉競爭水分,減少淀粉糊化的可用水量,阻礙其糊化,但低分子質量WEAX比高分子質量WUAX對淀粉糊化的抑制作用更顯著,這歸因于低分子質量WEAX可以抑制直鏈淀粉溶出和直鏈淀粉-脂質復合物的形成[12]。研究還發現,WEAX可以在淀粉回生時影響直鏈淀粉分子的重新排列,阻礙其有序結晶區的再次形成,從而減緩其回生速度,提高面制品的耐貯性和貨架期[12]。低分子質量AX與溶脹淀粉顆?；蚪鲋辨湹矸鄣南嗷プ饔酶鼜?可以延緩直鏈淀粉在貯藏過程中的重結晶,從而抑制淀粉的短期回生;而高分子質量AX更傾向于與支鏈淀粉相互作用,通過抑制支鏈淀粉的重結晶從而抑制淀粉的長期回生[12-13],AX與淀粉的相互作用如圖2所示。與WUAX相比,WEAX具有更多暴露的羥基,能在面團體系中形成更多的氫鍵[14]。因此,它在淀粉回生過程中能更均勻地參與到其重結晶過程中,對其回生的抑制作用更明顯?？偟膩碚f,AX在調控面制品的回生方面能發揮出重要的作用,尤其在鮮濕面制品的制造方面更具優勢。

圖2 AX與淀粉的相互作用Fig.2 Interaction between AX and starch

2 AX對面團特性的影響

2.1 面團的持水特性

面團的形成是水與面粉中的蛋白質和淀粉相互作用的過程,面團中的水分含量和分布影響著面團特性和面制品品質。在面團所有的功能特性中,持水特性對面團的硬度、內聚性、回復性、蒸煮特性、彈性和均勻性等指標起著重要的作用。AX主要通過結構上的羥基與水發生氫鍵作用,降低水分子的流動性,增加面團中結合水的比例,達到增強面團的持水能力[15]。WEAX可以通過提高面團的持水能力改善其黏彈性,降低硬度并延緩老化,具有增加面制品體積和水分含量的作用[15]。但也有研究發現,當WEAX添加量超過5%(質量分數)時,過量的WEAX會與面筋蛋白競爭水分,造成蛋白質吸水不充分,阻礙面筋網絡的形成,同時也會引起面團中面筋蛋白的相對含量下降,對面制品品質產生不良影響[16]。WUAX也具有較強吸水能力,但對于不同加工工藝的面團影響作用差異明顯。例如:對于發酵面團,WUAX的添加會導致水分從面筋蛋白向WUAX轉移,從而削弱了面筋網絡的形成,對面制品品質產生負面影響[17];但對于油炸類食品,WUAX能有效降低面團在油炸過程中內部水分的散失,阻止面團內部與外界油之間的傳質過程,從而大幅度降低產品的含油量[18]。因此,當AX應用于面團時,需要重點考慮AX的種類和添加量、面團特性和加工方法。

2.2 面團的流變特性

面團流變學性質被認為是預測最終產品質量的關鍵參數之一。AX影響面團流變學特性的原理是面筋蛋白和AX之間的相互作用,其影響的差異與AX的化學結構有關,主要取決于AX的來源、提取方法、純化方法和結構組成(分子質量、支化度和結合的阿魏酸基團等)[1]。WANG等[3]研究發現,在添加量為0.5%～2.0%(質量分數)時,具有較低分子質量、較高支化度和較高阿魏酸含量的WEAX能改善面團的黏彈性,賦予面團良好的加工性能;而具有較低阿拉伯糖取代的WEAX則可以誘導與面筋/淀粉復合物的交聯,提高面團的拉伸特性[19]。但當WEAX添加量高于2.0%(質量分數)時,會降低面團中游離水的含量,削弱面團的結構[20]。對于WUAX,無論添加量多少均會不同程度地降低面團的黏彈性,削弱面筋網絡結構,進而對面團的流變學性質產生不利影響[21]。另外研究還發現,相對分子質量高的WUAX的加入會阻礙面筋網絡結構的形成,這種作用會隨著相對分子質量的降低而減弱,但也有報道認為相對分子質量低的WUAX的加入會增強面筋網絡結構,促進面筋蛋白與淀粉顆粒二者的結合,增強面團流變學性質[14]。因此,目前關于這方面的研究結論并不一致,需要更加深入和系統地進行探索。但總的來說,通常認為具有較低分子質量和較高溶解度的AX具有更好改善面團流變學特性的作用。

2.3 面團的發酵特性

面團發酵的目的在于發酵產氣以獲得蓬松的面制品。AX對發酵面制品的積極影響包括黏度的增加、面團持氣性的增強、保水能力的提高和紋理的改善等。AX具有較高的黏度,它能通過增加面團的黏度來減少面團發酵過程中的起泡排水并增加泡沫穩定性,增加發酵面團的持氣性和穩定性[22]。在面團制作過程中,溶解在面團體系中的WEAX可通過穩定薄膜層而有助于氣體保持,提高氣室的穩定性,減少面團熟化過程中對氣室的破壞,使細胞膨脹而不會破裂或聚結,從而增大了面制品體積[23]。雖然WUAX的添加也能增加面團的持氣性,但它會導致氣體滯留損失,從而促進氣室聚結,破壞面團中的氣泡界面并使饅頭氣孔大小不均勻,面制品體積減小[24]。研究發現,在面團混合和第一次發酵階段,WUAX會發生水解,一部分會轉化為WEAX,這反而有利于改善面團特性和面制品品質[25]。BUKSA等[17]發現在面團發酵過程中AX會發生酶解和酸解,導致AX平均相對分子質量降低甚至發生脫支化,大量水解的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,有利于面制品品質的改善。不同來源和種類的AX對面團特性影響規律見表1。

表1 AX對面團特性的影響Table 1 Effect of AX on dough properties

3 AX對面制品品質的影響

3.1 蒸煮類面制品

AX對蒸煮類面制品的積極影響包括質構特性的改善、貨架期的延長及營養價值的提高等。對于面條類,隨AX添加量的增加,面條的硬度和咀嚼性增加,這是因為在蒸煮過程中AX與糊化的淀粉發生相互作用,提高了淀粉分子間的相互交聯和分子鏈的有序排列,改善了面條的結構,因此面條硬度和咀嚼性增加[26]。研究建議在小麥粉中添加AX的量應相對較低,適宜的添加量應在0.25%～1.0%(質量分數)之間,以達到既能改善煮熟面條的烹飪特性和質地還能提高其膳食纖維含量的目的[27]。對于饅頭類,較低分子質量AX的添加會使饅頭的硬度、咀嚼性和膠著性減小,饅頭變得綿軟、爽口并易咀嚼;而較高分子質量AX的添加則使饅頭的膠著性和咀嚼性提高,饅頭變得較為黏牙不爽口[14]。另外,AX的加入可以降低饅頭貯藏過程中硬度的增加速率,促使淀粉回生過程中直鏈淀粉分子重排,具有抑制淀粉回生和延長饅頭貨架期的作用[28]。但AX的添加會降低面條和饅頭的白度,加深其黃色程度,使外觀、色澤等評分指標呈下降趨勢,這與AX本身的顏色有關[14]。由于消費者對具有健康功效的面制品更加感興趣,因此即使AX的添加可能會導致面制品的感官品質有所下降,但仍然可保持其綜合品質在可接受的變化范圍內。

3.2 焙烤類面制品

AX對焙烤類面制品的影響與AX的持水性和表觀黏度密切相關。AX-面筋蛋白復合物在烘焙過程中會發生分解并釋放水分,使得面團在烘烤過程中保持水分,還能減緩較高溫度下的淀粉糊化[29]。AX具有高黏度和氧化交聯的特性,可以作為一種天然的膠黏劑和結構形成劑,有效地提升面筋含量低的無麩質面包的凝聚性和成形性,生產出具有更好瓤結構和更大體積的面包[30]。研究發現,AX能增加面團黏度和揉面后面糊結構的穩定性,改善面包的柔軟度和質地,提高其整體可接受度[30]。相反,對于面筋含量高的面包制作而言,雖然AX的添加有助于提升膳食纖維含量,但會對其他感官屬性產生一定的負面影響,AX的高黏度和氧化交聯特性會使面團蛋白質網絡形成受阻,引起面團膨脹自由度減小,導致面包體積減小,口感變硬[4]。AX在食品中可以作為增稠劑,應用于餅干中能有效防止餅干在焙烤過程中變形,獲得直徑和高度與空白組相近的餅干,還可作為代糖物以降低蔗糖含量,制作低糖、低能量和高膳食纖維的餅干[31]。

3.3 油炸類面制品

AX對油炸類面制品的影響與其對面筋蛋白的影響密切相關。在油炸過程中,通過糖基化反應,WEAX可以與面筋蛋白結合,并橋接面筋蛋白分子[32]。SUN等[32]研究發現,添加WEAX可以擴展面筋蛋白的網絡結構,穩定氣室結構,增強面團持氣能力,從而增加油條的比體積和含油量,在一定程度上改善油條的性能;但WUAX的表現則剛好相反,研究發現在油條面團中添加WUAX后,面筋蛋白不能充分吸收水分,面筋網絡形成受到限制,降低了油條的比體積和含油量[17,32]。因此,WUAX適合于低含油量油條的生產,可達到降低其能量值的效果。CAO等[33]研究發現,添加AX能降低方便面儲藏過程中的過氧化值,有助于抑制油脂的氧化酸敗,從而獲得質地較軟、表面黏性較小的方便面。由于AX的分子特性、理化性質以及加工條件會改變AX的功能特性,因此選擇具有合適理化性質的AX將有助于獲得更好品質的面制品。當AX被添加到面制品中時,加工方法的不同會導致AX的健康效應不同,目前關于這方面的研究報道很少,缺乏了解,這也是今后值得研究的方向。AX對面制品品質的影響規律如表2所示。

表2 AX對面制品品質的影響Table 2 Effect of AX on the quality of flour products

4 結論與展望

AX作為一種天然的功能性膳食纖維,其生理功能突出,食品加工性能優異,目前對其開發利用仍然十分有限。我國作為世界上面制品消費大國,面臨著消費升級和急需改善主食營養結構的問題,AX則可在這方面發揮著重要的作用。AX能與面筋蛋白、淀粉和水分等組分發生相互作用,改善面團流變特性、發酵特性和加工性能,提高面制品營養和感官品質。AX的結構特性與食品加工特性間存在密切的相關性,一般來說,具有較低分子質量和高水溶性的AX具有更好的食品加工適用性。雖然關于AX對面團和面制品品質影響的研究已有報道,但仍存在一些重要問題需要解決:1)近些年對AX的單糖組成、化學結構和分子質量分布等方面已有較多報道,但其詳細的精細結構和鏈構象特征仍不夠清楚,這不利于闡明AX對面團及面制品品質影響的作用機制;2)大多數研究發現,低添加水平的AX可以改善面團特性,但達到健康聲明要求所需的高纖維添加水平會導致面制品品質降低,這一突出矛盾如何解決;3)面粉種類(低筋、中筋和高筋)、面團加工方式(發酵與非發酵)和面制品生產方法(蒸制、煮制、焙烤和油炸)均會影響AX作用的發揮和健康效應,關于這方面詳細的報道很少。

要解決上述這些問題,建議從以下幾個方面進行重點突破:1)解析不同來源和加工方法所制得的AX化學結構和鏈構象特征,包括阿魏酸殘基、葡萄糖殘基的存在等對其物化性質和生物活性的影響,并基于體外和體內評估試驗更全面揭示AX結構與生物活性的關系;2)明確AX在不同面制品加工條件下的加工性能,確定具有不同結構特征的AX與其適應的面制品加工工藝將有助于提高面制品中膳食纖維的含量和感官品質;3)開展不同面制品加工方法對AX生理活性影響的研究,闡明它們對AX結構與功能變化的影響規律,獲得確定的量效關系,為開發基于AX的健康系列面制品提供科學依據。