全麦粉和全麦食品研究进展

小麦作为我国三大谷物之一的粮食资源，具有悠久的种植和食用历史[1]。精白面粉的加工性能优良，其制品发酵性好、口感好。然而精白面粉的生产工艺存在粉路长、投资大、能耗高、出粉率低等问题。此外，精白面粉营养成分单一，不能满足当今消费者对于天然健康食品的需求。研究表明，摄入全麦食品可以预防肥胖症、高血脂、高血压、心血管疾病并降低某些癌症的发病率[2⁃3]。与精制小麦粉相比，全麦面粉富含膳食纤维、维生素、矿物质及功能性植物化学物质，但麸皮中膳食纤维与面筋网络的竞争性吸水以及阿魏酸介导的纤维⁃面筋相互作用会破坏面筋网络的连续性，降低了面粉的加工品质和相关食品的感官品质[4⁃5]。因此，开展全麦食品加工技术研究对于促进小麦资源综合利用、改善国民健康水平都具有重要意义。本文从制粉方式、营养价值、应用现状3个方面对全麦粉及其食品进行综述，以期为全麦食品的研究和生产提供参考。1全麦粉制粉方式1.1整粒研磨法整粒研磨法是指将胚乳、麸皮和胚芽一起研磨，没有除去麸皮、胚芽的过程，通过研磨工艺，直接将小麦磨成面粉。杜昱蒙等[6]采用冲击磨制备不同粒径的全麦粉，结果表明，全麦粉的保质期随着粒径的降低而缩短。张岩岩[7]的研究表明，微波处理可以延长整粒研磨全麦粉的储藏期、改善全麦粉的加工品质和馒头的感官品质。魏远[8]采用蒸汽爆破法破碎小麦籽粒，结合湿法粉碎得到100～130目全麦粉，最后通过烘干处理将含水量控制在5%～10%。高温高压条件下，小麦吸收蒸汽中的水分进而降低了麸皮的机械强度，并且蒸汽处理有利于麸皮中的脂肪氧化酶失活，增加产品的储藏稳定性。周红婷[9]利用磨、筛一体设备，使传统的皮磨、心磨、渣磨及麸皮、次粉等不同系统物料分磨分筛，全麦粉产量提高了20%，同时能耗降低了40%，适用于批量生产，但是反复研磨过程会导致磨辊温度升高，从而对全麦粉的营养品质造成不良影响。整粒研磨法制备的全麦粉保质期相对较短，需要进一步研究经济、实用的全麦粉稳定化方法。1.2麸皮回添法国外企业大部分采用辊式磨粉机、方筛和清粉机分离面粉、麸皮和胚芽，麸皮和胚芽经锤式磨、盘磨或球磨机研磨后按一定比例回添到面粉中，混合均匀后即可得到全麦面粉。麸皮回添法在我国应用较为广泛，常采用辊式磨粉机分离面粉、麸皮和胚芽，再将经过稳定化和粉碎处理的小麦麸皮和胚芽如数回添，与面粉充分混合。谭斌等[10]对面粉加工过程中的麸皮、胚芽和胚乳进行单独收集，并采用挤压膨化的方式对麸皮和胚芽进行稳定化处理，干燥后进行粉碎或超微粉碎，所得胚芽和麸皮粉按一定比例与面粉充分混匀得到全麦粉。Ito等[11]将小麦用辊式磨粉机以及撞击式磨粉机处理后，得到粗粉和细粉，其中粗粉经湿热稳定化处理后，被反复碾磨成粒径150～200µm的颗粒，然后与细粉混合，生产全麦粉。Haynes等[12]将精白小麦粉与经过稳定化处理的麦麸混合以生产全麦粉，在降低麸皮中脂肪酶和脂肪氧合酶活性以及减小粒径的同时，避免了热处理及研磨处理导致的淀粉损伤和糊化。麸皮主要在蒸煮器中进行热稳定处理，该操作可以在麸皮碾磨前或碾磨后进行，热处理温度优选为115～125℃，蒸煮时间优选为1～7min，热处理后需迅速冷却至60℃，该产品在加速氧化条件下可储存1～2个月。与整粒研磨法相比，麸皮回添法可对麸皮进行单独处理，有利于延长全麦粉保质期，提高全麦食品的感官品质，但是增加了制粉步骤，产品成本增加。2全麦粉的营养价值小麦籽粒的主要结构为麸皮、胚芽、胚乳。麸皮占小麦籽粒的13%～17%，从内到外依次包括糊粉层、透明层、种皮、内果皮和外果皮，其中，糊粉层富含小麦籽粒60%～70%的微量营养素和功能性成分，包括膳食纤维、蛋白质、矿物质、维生素和酚类化合物等，含糊粉层全麦粉具有预防和改善便秘、调控血糖、改善心血管疾病等多种生理功能[13]。胚乳约占小麦籽粒的83%，主要由淀粉和少量的蛋白质组成。淀粉中支链淀粉约占70%，直链淀粉约占30%。分布在胚乳外层的蛋白质主要为清蛋白和球蛋白，加工性能较差，胚乳内部主要是麦谷蛋白与醇溶蛋白，在面筋功能特性中发挥重要的作用，其中，麦谷蛋白提供面团发育所需的黏度，醇溶蛋白提供强度和弹性。研究表明，长期食用精制食品与慢性疾病风险升高密切相关[14]，而多吃粗粮可以有效预防慢性疾病，如肥胖、心血管疾病等[15]。全麦食品的有益成分主要包括膳食纤维、酚酸、类黄酮、胆碱、植物甾醇、类胡萝卜素、维生素、矿质元素等。其中，膳食纤维具有较高的持水性，有助于增强饱腹感从而减少能量摄入，并且膳食纤维的高黏度使其可以与碳水化合物结合，降低碳水化合物在体内的消化和吸收。近年来，酚酸作为抵抗癌症和心脏病的潜在保护因子，受到越来越多的关注，而小麦麸皮是植物酚酸的重要来源[16]。研究表明，全麦食品可以通过降低脂质和胆固醇积累，调节肝脏脂质代谢和胆汁酸稳态，降低胰岛素抵抗，增强肠道微生物丰富度和多样性，降低许多慢性疾病的风险。但是与精白食品相比，全麦食品具有较差的感官品质，包括深色、斑点外观、粗糙和坚硬的质地、苦/酸的味道和麦芽味，消费者接受度较低。为改善这些缺陷，可对麸皮进行酶促处理、挤压膨化处理、超微粉碎处理等[17⁃19]。2.1膳食纤维膳食纤维（dietaryfiber，DF）被定义为植物中不易消化但可被肠道菌群完全或部分发酵的可食用部分，与人体健康密切相关。麸皮的最外层，即果皮，主要由死细胞构成，细胞壁含有高度交联的阿拉伯木聚糖和纤维素，这些膳食纤维在肠道中不能被微生物充分发酵，但是与水结合强烈，导致粪便体积增加，肠道运输时间缩短，从而减少有害物质与结肠上皮细胞的接触。糊粉层中的膳食纤维主要为阿拉伯木聚糖和β⁃葡聚糖，部分可被肠道微生物利用。宋华等[20]研究了小麦淀粉中添加不同膳食纤维后对Ⅱ型糖尿病患者餐后血糖的影响，结果表明，膳食纤维能够显著降低患者餐后血糖升高。Arufe等[21]研究了可溶性膳食纤维（麦芽糊精、果胶和菊粉）单体及组合物对面团特性和面包品质的影响，发现添加可溶性膳食纤维可以增加面团的储存模量和拉伸黏度，并且组合纤维的添加水平小于或等于30%时，面包密度和质地与对照接近。抗性淀粉是小麦中的另一种膳食纤维，高直链淀粉小麦通常含有较多的抗性淀粉。Rahim等[22]的结果表明，与亲本（动植物杂交时所选用的雌雄性个体）小麦相比，具有高直链淀粉含量的小麦突变体可将血糖指数降低25%，同时改善高脂饮食小鼠的葡萄糖耐受并增强胰岛素敏感性，增加短链脂肪酸含量和改善肠道菌群。2.2阿魏酸阿魏酸是一种具有多种生物活性功能的物质，既是抗氧化剂又是抗炎因子，具有降血脂、抗氧化、抗菌消炎的作用，已被美国食品药品监督管理局（FoodandDrugAdministration，FDA）批准为优质功能成分[23]。阿魏酸是小麦中的主要酚酸，含量为269.2～744.7µg/g，占小麦总酚酸的46%～67%，其中5%～50%的阿魏酸可以与其他物质形成不同类型的共价二聚体，交联、稳定和强化植物细胞壁结构，增加细胞壁降解抗性。Pe⁃kkinen等[24]采用木聚糖酶和阿魏酸酯酶处理糊粉层，以阿魏酸标准品为对照，探究酶处理释放的阿魏酸对高脂饮食小鼠尿液代谢产物的影响，结果表明酶处理会导致糊粉层中游离阿魏酸的释放，从而导致包括硫酸阿魏酸和甘氨酸偶联物在内的阿魏酸主要代谢产物的排泄增加。酶处理糊粉组小鼠在降低体质量和改善糖脂代谢方面的表现优于阿魏酸标准品组，表明引起这些生物活性的关键原因在于阿魏酸和其他糊粉层代谢产物的联合作用。钟正灵等[25]的研究表明，小麦阿魏酸对急性肝损伤具有一定的保护作用，其机制可能与阿魏酸的抗氧化作用有关。此外，阿魏酸还可以通过清除肝脏中的自由基和活性氧来保护肝细胞器和酶结构等。2.3植物甾醇植物甾醇是一种多功能活性成分，具有免疫调节、抑制胆固醇吸收、抗氧化、降血脂和消炎退热等生理功效[26]。张云焕等[27]指出小麦胚芽中甾醇的主要成分为谷甾醇。Awad等[28]也证实，小麦谷甾醇能够分别减少乳腺癌细胞的黏着和侵入。研究表明，植入前列腺癌细胞的老鼠在喂食植物甾醇后，癌细胞向肺部和淋巴腺部位的转移均显著减少。此外，摄入植物甾醇或甾醇还可降低人体血清中总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇的浓度[29⁃30]。植物甾醇可以在肠腔内与胆固醇竞争形成胶束，从而抑制胆固醇吸收[31]。因此，作为植物甾醇的重要来源，小麦胚芽在功能性食品和药品应用方面具有较好的开发潜力。2.4类胡萝卜素类胡萝卜素是自然界中最普遍的色素，作为一种天然抗氧化剂，受到了广泛的关注。类胡萝卜素分为碳氢化合物（胡萝卜素）及其含氧衍生物（叶黄素）。全谷物中常见的类胡萝卜素有叶黄素、玉米黄素、β⁃隐黄素、β⁃胡萝卜素和α⁃胡萝卜素等[32]。一般来说，叶黄素是小麦中含量最多的类胡萝卜素，其次是玉米黄素、β⁃隐黄素。Lu等[33]研究发现，不同小麦籽粒组分的类胡萝卜素组成和含量不同。总的来说，胚乳中叶黄素含量最高，而玉米黄素和β⁃胡萝卜素则集中在麸皮中[34]。2.5维生素和矿物质全麦粉中的B族维生素主要存在于麸皮和胚芽中，如维生素B1（硫胺素）、维生素B2（核黄素）、维生素B3（烟酸）、维生素B5（泛酸）、维生素B6（吡哆醇）、维生素B8（生物素）和维生素B9（叶酸）。与其他食物相比，全麦食品是硫胺素、烟酸、泛酸和生物素的重要来源。维生素E主要存在于谷物胚芽部分，最重要的生物学功能是抗氧化活性和维持膜的完整性。Hao等[35]在小麦中发现亲脂性抗氧化剂——生育酚和生育三烯醇，其芳香环上的自由羟基具有抗氧化活性。维生素E也被证明在免疫功能、DNA修复和其他代谢过程中发挥作用[36]。小麦籽粒中含有镁、铁、锌、铜、磷、硒、钙、钠、钾、锰等多种矿物元素，其中铜、铁、锰、锌是人体必需的微量元素，铜是多种氧化还原酶的组成成分，铁是血红蛋白的组成成分，酶主要是由锰和锌组成，钙有助于人体骨骼健康。这些矿物质主要富集于麸皮及麦胚中，其中，糊粉层矿物质含量最高，占小麦籽粒的50%以上。3全麦粉及其食品的发展现状及趋势3.1全麦粉及其食品目前存在的问题3.1.1加工性差全麦粉中含有大量麸皮，容易使发酵面制品品质劣化[37]。和面过程中，麦谷蛋白和醇溶蛋白吸水溶胀发生交联聚合反应，从而形成面筋网络。这两种蛋白质主要存在于胚乳，麸皮中含量极低。麸皮中含有大量的膳食纤维，其添入后会稀释面粉中的蛋白，引起面筋网络结构的疏散或弱化，导致面团流变学特性恶化，进而导致面团焙烤品质与面条烹煮品质的劣变[38]。膳食纤维含有很多亲水基团，具有较强的吸水性，可与面粉主要成分（淀粉和蛋白质）竞争性吸水，阻碍面筋网络的发展。此外，麸皮中与细胞壁阿拉伯木聚糖结合的阿魏酸可以与面筋网络结合，导致膳食纤维与面筋相互作用，从而产生低蓬松性和延伸性的全麦食品。因此，改善全麦粉的加工性能，提升全麦食品的食用品质，是解决全麦食品发展难题的关键。3.1.2稳定性差小麦胚芽脂肪含量高、酶活性高，导致全麦面粉的保质期短[39]。小麦胚芽和麦麸中的活性成分，如不饱和脂肪酸、高活性酶、内源性酶和麸皮表面的外源性微生物会影响全麦粉的贮藏、加工稳定性。参与小麦胚芽中不饱和脂肪酸氧化分解的酶一般为内源性脂肪水解酶和脂肪氧化酶。此外，微生物的污染也会加速油脂的酸败变质及其他营养素的代谢消耗，导致其货架期大幅度缩短。不饱和脂肪酸的化学性质在整个食物加工过程中较不稳定，容易发生氧化和水解反应，不仅使它们失去原有的生理功能，而且还会加速食品变质。因此，在全麦食品加工前进行适当预处理，即对这些生物活性物质的稳定处理和最大限度保留处理，将成为全麦食品加工需要重点关注的问题。3.1.3消费者可接受度低全麦馒头的颜色明显深于普通小麦粉馒头，主要是由于麸皮中含有大量色素，如叶黄素，导致产品呈黄褐色。到目前为止，还没有充分研究全麦粉加工方法对全麦粉和全麦粉馒头质量的影响[40]。麸皮中较高含量的膳食纤维使得全麦面团在加工过程中的稳定性、延展性及发酵流变性降低，也使得产品的口感更加硬实、粗糙和发涩。同时，随着麸皮和胚芽的加入，全麦粉及全麦食品的色泽变暗，呈黄褐色。在全麦粉及麸皮粉的制粉过程中，因摩擦升温造成所得全麦粉或麸皮粉呈焦褐色，此外，小分子醇类、醛类和呋喃类等挥发性物质也会导致异味的产生。3.2全麦粉及其食品的发展趋势3.2.1采用合理的方法对麸皮进行预处理影响全麦食品口感和加工品质的主要因素是麸皮，改善全麦食品的口感，关键在于对麸皮的处理方式。麸皮的主要成分是膳食纤维，可以通过挤压改性的方法，实现膳食纤维的多功能转化[41]，以此来改善全麦粉在面包等食品中的口感。将小麦籽粒或麸皮进行超微粉碎后，全麦粉的面筋含量和面筋指数增加，面团粉质参数中的吸水率、稳定时间和粉质指数增大，面团拉伸参数中的拉伸能量、阻力、拉伸比及全麦粉糊化黏度也有所增大[42]。同时随着麸皮粒度的减小，全麦粉加工品质和产品感官品质得到明显改善。采取剥皮制粉工艺将小麦籽粒最外层的1%～2%的皮层去掉，不仅可以去除小麦表层的微生物、重金属、呕吐毒素等污染物[43]，还可以提升小麦粉的加工品质。最后，也可以采取全麦面粉和普通面粉混合使用的方式来改善产品质量，全麦面包原料中的全谷物粉的比例一般为51%～60%[44]。3.2.2新品种培育通过转基因、杂交、细胞工程等技术来培育适宜全麦粉加工的小麦品种。采用黑麦全麦粉制作的面条富有弹性、口感较软[45]，加工性能优于传统全麦粉。紫糯小麦全麦粉经挤压膨化后，可以加工成即食冲调类食品[46]。发展全麦食品，应当充分考虑不同地区小麦品种的差异性，深入研究我国不同地区的面制食品品质特征，建立我国特色小麦品种资源库，为开发不同特征全麦食品提供原料。3.2.3利用酶制剂改进全麦食品发酵性与口感酶制剂是一种具备生物催化反应能力的蛋白，具备高效性和特异性。食品工业比较常见的酶制剂有葡萄糖氧化酶、漆酶、转谷氨酰胺酶、胃蛋白酶、α⁃胰蛋白酶和木聚糖酶等，恰当的使用酶制剂可以提高食品品质。添加酶制剂可以提高全麦粉的起发性能、改善其口感[45]，如葡萄糖氧化酶、戊聚糖酶均可显著改善全麦馒头的比容、硬度及感官品质[47]。林金剑等[48]研究表明，葡萄糖氧化酶对多谷物馒头的表皮白度和馒头芯硬度改善效果最明显，使多谷物馒头具有较好的抗老化性。Keskin等[49]研究发现一定量的脂肪酶能够增大面包的比容，同时改善面包的质构特性，提高面包松软度，使面包芯孔隙更均匀并有丝样光泽。李国龙[50]研究发现，谷氨酰胺转氨酶（glutaminetransaminage，GT）可较好地作用于小麦面筋蛋白，使面团具有更好的流变学特性。谷氨酰胺转氨酶可以替代乳化剂和氧化剂，提高烘焙食品的品质，提升面包白度，赋予其均匀的内部结构[51]。Shi等[52]研究发现在全麦面粉中添加脂肪氧合酶可以提高面团的稳定性和抗拉伸性。VanHung等[53]研究发现纤维素酶能降低全麦糯性小麦面包的硬度，但不影响其体积。在全麦面