FSHW | 兩株纖維素酶產(chǎn)生菌枯草芽孢桿菌SH和米曲霉Y21在全麥面團(tuán)中的適應(yīng)性及其對全麥面包品質(zhì)的影響

本文系Food Science and Human Wellness原創(chuàng)編譯，歡迎分享，轉(zhuǎn)載請授權(quán)。

Introduction

與普通精制小麥粉相比，全麥粉含有更高水平的維生素、礦物質(zhì)、膳食纖維和其他植物化學(xué)物質(zhì)。然而，與精制面粉相比全麥產(chǎn)品具有特定的感官品質(zhì)，包括其深色、斑點狀外觀及粗糙堅硬的質(zhì)地。其中一個原因是全麥產(chǎn)品中不溶性膳食纖維含量過高，使面團(tuán)形成過程中面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)惡化，導(dǎo)致全麥產(chǎn)品質(zhì)量下降。因此，如何讓消費(fèi)者從全麥面粉中獲得健康益處，提高全麥產(chǎn)品的加工性能已成為人們關(guān)注的問題。

糧食結(jié)構(gòu)中的膳食纖維大部分為不溶性膳食纖維。在纖維素酶的作用下，可將大部分不溶性膳食纖維轉(zhuǎn)化為可溶性膳食纖維，使面粉的烘烤性能提升。纖維素酶是降解纖維素的一組酶的總稱，它不是單一的酶。它主要由核酸外切酶β-葡聚糖酶、核酸內(nèi)切酶β-葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶組成，并且有一定的木聚糖酶活性，可作用于纖維素及其衍生產(chǎn)物。

纖維素酶在全麥?zhǔn)称分械木薮髴?yīng)用潛力促進(jìn)了全麥面粉行業(yè)新的發(fā)展前景。然而，酶制劑作為一種昂貴的面粉改良劑，在面粉工業(yè)中難以大規(guī)模實施。而發(fā)酵法，可以在面團(tuán)發(fā)酵過程中降低pH值，并通過各種有機(jī)酸和酶的協(xié)同作用使全麥中大分子的水解，而游離氨基酸的增加和風(fēng)味前體的生成亦是產(chǎn)品風(fēng)味改善的原因之一。多糖的水解可以改善全麥面團(tuán)的流變品質(zhì)和產(chǎn)品的質(zhì)地。此外，面團(tuán)發(fā)酵還可以通過延緩淀粉消化率，提高蛋白質(zhì)消化率，調(diào)節(jié)生物活性化合物的水平和生物可及性，提高礦物質(zhì)的生物利用度，積極改善全麥產(chǎn)品的營養(yǎng)品質(zhì)。面團(tuán)發(fā)酵增加了全麥產(chǎn)品中有益微生物的種類和數(shù)量，并補(bǔ)充了腸道微生物群。

北京工商大學(xué)劉英麗教授、王靜教授等選取了兩株具有產(chǎn)纖維素酶能力的菌株并將其應(yīng)用于全麥面團(tuán)中，研究了菌株在全麥面團(tuán)中的適應(yīng)性，對發(fā)酵后面團(tuán)中微生物數(shù)量、結(jié)構(gòu)變化及營養(yǎng)品質(zhì)進(jìn)行了測定。結(jié)果表明，產(chǎn)纖維素酶菌株的加入進(jìn)一步提高了全麥面粉的營養(yǎng)價值，改善了面團(tuán)的加工性能，進(jìn)而使全麥面包的食用品質(zhì)和風(fēng)味特性得到了較大提升，為今后全麥制品品質(zhì)改良提供了理論基礎(chǔ)，促進(jìn)發(fā)酵技術(shù)在全麥制品領(lǐng)域的拓展和應(yīng)用，助力我國多樣化的全谷物技術(shù)和產(chǎn)品體系構(gòu)建。

Results and Discussion

全麥面團(tuán)的產(chǎn)酸、微生物和酶活特性

在發(fā)酵過程中全麥面團(tuán)的pH值迅速降低，產(chǎn)酸能力增強(qiáng)；微生物菌落總數(shù)快速增長，空白對照C組在穩(wěn)定期菌落數(shù)達(dá)到（8.62 ± 0.22）CFU/g，而Y21組和SH組的菌落數(shù)達(dá)到（9.07 ± 0.04）和（9.19 ± 0.16）CFU/g，以上說明菌株在全麥面團(tuán)中有良好的適應(yīng)性。在發(fā)酵8 h后，全麥面團(tuán)中對照組的纖維素素酶活為0.71 U/mL，而SH組達(dá)到了1.44 U/mL。24 h的木聚糖酶活性，Y21+SH > SH > Y21 > C，產(chǎn)纖維素酶菌株發(fā)酵與簡單菌株發(fā)酵有顯著差異。引入SH發(fā)酵后的全麥面團(tuán)的SDF與WEAX含量一直處于最高，且在12 h時達(dá)到（66.95 ± 0.85）與（23.69 ± 0.37）mg/mL。菌株Y21和SH能有效水解全麥面粉中的不溶性膳食纖維，釋放出大量可溶性膳食纖維和水溶性阿拉伯木聚糖。

圖1全麥面團(tuán)pH（A）和TTA（B）的變化

圖2全麥面團(tuán)的酶活性特性（A）CMCase；（B）XYLase

全麥面團(tuán)的結(jié)構(gòu)特性

添加產(chǎn)酶菌株后全麥面團(tuán)的形成時間縮短、穩(wěn)定時間延長、弱化度降低，彈性模量和黏度降低，面筋蛋白水解活性顯著提高，濕面筋含量降低，大量游離巰基釋放，分子間氫鍵增強(qiáng)，都表明發(fā)酵后面團(tuán)的筋力增強(qiáng)，且SH組總體上表現(xiàn)出更突出的優(yōu)勢。

圖3全麥面團(tuán)中濕面筋含量變化

圖4面團(tuán)發(fā)酵過程中的儲能模量（G'）和損失模量（G''）的變化

圖5全麥面團(tuán)的SDS-PAGE分析

圖6全麥面團(tuán)游離巰基含量變化

全麥面包的品質(zhì)

添加菌株SH后，全麥面包的面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到了強(qiáng)化，纖維素酶在全麥面包體系中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，促進(jìn)了水分子與面筋的交聯(lián)，增強(qiáng)了面團(tuán)的穩(wěn)定性和持氣能力，從而改善了全麥面包的烘焙特性。全麥面包的截面和孔隙率對比如圖7所示。本研究以TPA法評價添加不同產(chǎn)酶菌株對面包樣品結(jié)構(gòu)特性的影響。隨著SH添加量的增加，全麥面包樣品的硬度、黏性和嚼勁均顯著降低。當(dāng)SH添加量為5 × 107 CFU/g時，面包的硬度、彈性、嚼勁和回彈性與對照小麥面包相似。

圖7面包的橫截面和孔隙對比

Conclusion

產(chǎn)纖維素酶菌株能顯著提高全麥面團(tuán)的品質(zhì)，主要表現(xiàn)在：1）使全麥面團(tuán)的pH值迅速降低，產(chǎn)酸能力增強(qiáng)；2）能有效水解全麥面粉中的不溶性膳食纖維，釋放出大量可溶性膳食纖維和水溶性阿拉伯木聚糖，有利于改善全麥發(fā)酵面制品品質(zhì)；3）降低彈性模量和黏度；4）面筋蛋白水解活性顯著提高，濕面筋含量降低，大量游離巰基釋放，分子間氫鍵增強(qiáng)。綜上所述，纖維素酶產(chǎn)生菌在全麥面團(tuán)中具有良好的適應(yīng)性，發(fā)酵可以改善全麥面團(tuán)的性能，有利于節(jié)約成本，提高全麥面包等全麥烘焙產(chǎn)品的質(zhì)量。

{ 第一作者 }

劉英麗，女，博士，教授，博士生導(dǎo)師。中國科協(xié)人才獎評審專家，HICOOL全球創(chuàng)業(yè)大賽評委，山東省外專人才評審專家，《Food Science of Animal Products》、《食用菌學(xué)報》、《肉類研究》等編委。長期致力于食品微生物發(fā)酵及其應(yīng)用技術(shù)研究、酶工程、功能性食品配料研究與開發(fā)的研究。獲教育部科技進(jìn)步二等獎、美國食品科技學(xué)會IFT授予的Tanner Award獎、中國商業(yè)聯(lián)合會科學(xué)技術(shù)獎特等獎、第六屆中國科協(xié)優(yōu)秀科技論文獎，入選北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)青年拔尖團(tuán)隊，北京市屬高校高水平教師隊伍建設(shè)創(chuàng)新團(tuán)隊。近5年主持國家重點研發(fā)計劃課題，國家自然科學(xué)基金、河南省重大科技專項及企業(yè)委托橫向課題等項目，并以主要科研骨干參與國家“十二五”科技支撐計劃、國家自然科學(xué)基金項目、中國工程院重大咨詢研究項目等10余項，參與制定國際標(biāo)準(zhǔn)2項。在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文80余篇，授權(quán)發(fā)明專利4項。

{ 通信作者 }

王靜，女，博士，教授，博士生導(dǎo)師。現(xiàn)任北京工商大學(xué)輕工與食品學(xué)部主任，國家糧食產(chǎn)業(yè)（副產(chǎn)物食用資源開發(fā)）技術(shù)創(chuàng)新中心主任，中加食品營養(yǎng)與健康（北京）聯(lián)合實驗室主任。兼任中國食品科學(xué)技術(shù)學(xué)會理事。入選國家“萬人計劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，國家有突出貢獻(xiàn)中青年專家、國家百千萬人才工程、國務(wù)院政府特貼專家。主要研究方向為糧油制品加工與副產(chǎn)物綜合利用，獲得國家科技進(jìn)步二等獎、第十五屆中國青年科技獎、教育部高等學(xué)校科學(xué)研究技術(shù)進(jìn)步二等獎、中國輕工業(yè)聯(lián)合會技術(shù)進(jìn)步獎一等獎、中國商業(yè)聯(lián)合會科技進(jìn)步特等獎等多項國家及省部級科技獎。近5年來先后主持國家重點研發(fā)計劃項目，國家自然科學(xué)基金重點項目和面上項目、北京市高水平創(chuàng)新團(tuán)隊建設(shè)計劃、北京市自然科學(xué)基金-市教委聯(lián)合資助科技重點項目等多項國家及省部級項目。在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文200余篇，其中SCI收錄論文100余篇，正式出版學(xué)術(shù)著作7部，獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局授權(quán)發(fā)明專利10余項。

Adaptability of 2 cellulase producing strains Bacillus sp. SH and Aspergillus oryzae Y21 in whole wheat dough and impact on the quality of whole wheat bread

Yingli Liu, Shengjie Zhong, Xiaoming Wei, Maosi Fan, Min Cai, Zhengkai Wang, Jing Wang*

National Center of Technology Innovation For Grain Industry (Comprehensive Utilization of Edible By-products), Key Laboratory of Special Food Supervision Technology for State Market Regulation, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China

*Corresponding author.

Abstract

Compared to refined wheat flour, whole wheat flour contains higher nutrients, but its high content of dietary fiber can have a significant impact on the quality of the final product. Therefore, how to enable consumers to obtain health benefits from whole wheat flour and improve the processing performance of whole wheat products has become a concern. The purpose of this study is to apply 2 strains Bacillus sp. SH and Aspergillus oryzae Y21 with cellulase production capacity and study their adaptability in whole wheat dough. The results indicate that the addition of cellulase-producing strains enhanced the acid production ability of whole wheat dough, rapidly reduced its pH value and insoluble dietary fiber content, and significantly increased the water-soluble arabinoxylan and water-soluble dietary fiber content. During the fermentation process, the viscoelasticity of the dough decreased, free sulfhydryl content increased, wet gluten content decreased, and the degree of reduction was consistent with the degree of acidification. Moreover, the proteolytic activity of the dough was increased, and the hydrolysis of gliadin was the most extensive. SH showed a higher advantage and has been used in whole wheat bread making. Increasing the proportion of strain SH in whole wheat bread can improve the structural characteristics and texture of the bread. When SH (5 × 107 CFU/g) is added to whole wheat bread, its hardness, elasticity, chewiness, and resilience can be similar to those of bread made from control group wheat flour, far exceeding that of whole wheat bread without adding SH. The addition of cellulase producing strains has obvious advantages in the development of whole-wheat dough, and also promote the development of whole wheat fermented foods as staple foods.

Reference:

LIU Y L, ZHONG S J, WEI X M, et al. Adaptability of 2 cellulase producing strains Bacillus sp. SH and Aspergillus oryzae Y21 in whole wheat dough and impact on the quality of whole wheat bread[J]. Food Science and Human Wellness, 2025, 14(6): 9250149. DOI:10.26599/FSHW.2024.9250149.

本文編譯內(nèi)容由作者提供

編輯：梁安琪；責(zé)任編輯：孫勇

封面圖片：攝圖網(wǎng)

為系統(tǒng)提升我國食品營養(yǎng)與安全的科技創(chuàng)新策源能力，加速科技成果向現(xiàn)實生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化，推動食品產(chǎn)業(yè)向綠色化、智能化、高端化轉(zhuǎn)型升級，由北京食品科學(xué)研究院、中國食品雜志社《食品科學(xué)》雜志（EI收錄）、中國食品雜志社《Food Science and Human Wellness》雜志（SCI收錄）、中國食品雜志社《Journal of Future Foods》雜志（ESCI收錄）主辦，合肥工業(yè)大學(xué)、安徽省食品行業(yè)協(xié)會、安徽大學(xué)、合肥大學(xué)、合肥師范學(xué)院、北京工商大學(xué)、中國科技大學(xué)附屬第一醫(yī)院臨床營養(yǎng)科、安徽糧食工程職業(yè)學(xué)院、皖西學(xué)院、滁州學(xué)院、蚌埠學(xué)院共同主辦的“ 第六屆食品科學(xué)與人類健康國際研討會 ”，將于 2026年8月15-16日（8月14日全天報到） 在 中國 安徽 合肥 召開。

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