麦麸由内外果皮、种皮、糊粉层和小部分淀粉胚乳构成，含有丰富的膳食纤维、植物生理活性物质、矿物元素等营养物质，然而，麦麸本身致密、结构坚硬，具有较高的不溶性多糖和蛋白质水平，导致全麦产品的口感粗糙且质地坚硬[1]。
为解决麦麸引起的全麦产品品质不佳问题，国内外学者致力于麦麸的改性研究。麦麸的生物改性主要包括酶法和发酵法，其效率高、成本低，对麦麸的营养和加工品质均有明显的改善效果[2]。生物发酵法可以在有效降低麸皮中的抗营养因子含量的同时显著提高生物活性物质含量及有效性[3]。我们先前的研究显示[4]，酵母菌和乳酸菌的混合固态发酵显著提高了麦麸的抗氧化活性和必需氨基酸评分；相比于未发酵麦麸，固态发酵麦麸回添至小麦粉所制备的全麦面包，具有更高的比体积、均匀的孔隙结构、柔软的质地和丰富的挥发性香味物质。
目前国内外的研究主要聚焦于发酵对麦麸营养和感官品质的影响，而引起麦麸一系列变化的根本原因尚不清晰。因此，本研究选择酿酒酵母和植物乳杆菌两种常用的食品发酵菌种对麦麸进行单菌和混菌固态发酵，对比发酵前后麦麸中膳食纤维含量及组成、水合性质和持油能力、热力学特性和外观结构的变化，分析各性质之间的相关性，系统阐明固态发酵提高麦麸营养和感官品质的可能原因，此期为改善全麦食品营养和加工品质提供新思路和新方案，为发酵技术在麦麸等全谷物食品中的应用提供基础数据和理论指导。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
食用小麦麸：2022年购于山西古磨面业有限公司；酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae（CICC 1223）和植物乳杆菌Lactobacillus plantarum（CICC 22696）活性菌粉：中国工业微生物菌种保藏管理中心；酵母浸出粉胨葡萄糖肉汤（YPD）培养基和MRS培养基：北京奥博星生物公司。
麦麸的基本成分为10.41%水分、3.67%粗脂肪、15.43%粗蛋白、46.78%膳食纤维、17.61%淀粉和5.97%灰分。
DH-420电热恒温培养箱：北京科伟永兴仪器有限公司；HVA-110高压灭菌锅：上海四美生物科技有限公司；FD-1A-50冷冻干燥机：上海贺帆仪器有限公司；Q200差示量热扫描仪：美国TA公司；D8 Advance X射线衍射仪：德国Bruker公司；CKX31型倒置光学显微镜：日本Olympus仪器公司。
1.2 实验方法
1.2.1 固态发酵
1.2.1.1 原料预处理 麦麸过40目筛网，利用高压灭菌锅在121 ℃下处理20 min后冷却至室温备用。
1.2.1.2 菌种活化 参考Zhang等[5]的方法稍作改动，酿酒酵母和植物乳杆菌活性菌粉分别于YPD和MRS培养基中活化并培养18 h。菌悬液在1 510 g下离心10 min，所得菌泥溶解于无菌蒸馏水中备用。对菌悬液进行稀释并计数，两种菌悬液最终稀释浓度为107 cfu/mL。
1.2.1.3 接种与发酵 通过控制不同酿酒酵母和植物乳杆菌悬液的添加量，考察不同菌种配比固态发酵对麦麸的影响：（1）CK：60 g麦麸与60 mL无菌水混合作为实验对照组；（2）WB1-0：60 g麦麸与60 mL酿酒酵母菌悬液混合；（3）WB1-1：60 g麦麸与30 mL酿酒酵母菌悬液和30 mL植物乳杆菌悬液混合；（4）WB0-1：60 g麦麸与60 mL植物乳杆菌悬液混合。所有样品在28 ℃的无菌三角瓶中静态培养18 h，真空冷冻干燥72 h后备用。
1.2.2 麦麸中膳食纤维含量及组成的测定
膳食纤维含量及组成，包括可溶性（Soluble dietary fiber, SDF）和不可溶性膳食纤维（Insoluble dietary fiber, IDF）组分含量的测定参照AOAC 991.43的方法进行。
阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖含量根据Zhang等[6]描述的方法进行测定。
1.2.3 麦麸水合性质和持油能力的测定
参照Ye等[7]方法测定麦麸的水合性质和持油能力。
（1）持水能力：精确称取1.000 0 g麸皮，加入30 mL蒸馏水，室温条件下搅拌12 h后于3 000 g离心25 min，去除上清液，称量吸水前（md）和吸水后（mf）样品的重量（式1）。
（2）吸水膨胀性：精确称取1.000 0 g麸皮（质量记为W0，g)，加入10 mL蒸馏水，室温下静置12 h，记录吸水前（V0，mL）和吸水膨胀后（V1，mL）样品的体积（式2）。
（3）持油能力：精确称取1.000 0 g麸皮，加入30 mL玉米油，室温静置12 h后于3 000 g离心25 min，去除上清液，称量吸油前（md，g）和吸油后（mr，g）样品的质量（式3）。
1.2.4 麦麸热力学特性的测定
利用差式量热扫描仪测定固态发酵麦麸的热力学特性。3.0 mg麦麸与9.0 µL蒸馏水混合于差示量热扫描仪专用铝锅中，以10 ℃/min的速度从30 ℃升温至300 ℃，密封空铝锅作为参照，通过吸热曲线分析获得样品的起始温度（T0）、峰值温度（Tp）和焓值（ΔH）。
1.2.5 麦麸结晶特性的测定
利用X射线衍射仪对麦麸的结晶特性进行考察。操作条件为：扫描电压和电流分别为40 kV和40 mA，衍射角2θ扫描范围为3°～60°。
1.2.6 麦麸外观形态的观测
麦麸外观形态的变化通过光学显微镜测定。仔细取几片麦麸于载玻片中央，吸取少量浓度为50%（v/v）的甘油水溶液滴于麦麸片上，调整合适的光圈强度及视野，在400×的放大倍数下观察麦麸的外观形态并拍照。
1.3 数据处理
所有实验数据使用9.4版本的SAS软件进行方差和相关性分析，使用2022版本Origin软件进行绘图。所有实验至少重复3次，数据结果均以“平均值±标准差”表示。
2 结果与讨论
2.1 固态发酵对麦麸中膳食纤维含量及组成的影响
表1为固态发酵对麦麸中膳食纤维含量及组成的影响。CK的总膳食纤维（total dietary fiber，TDF）含量为46.78%，IDF含量为41.89%，明显高于IDF。固态发酵后，麦麸中TDF含量在46.01%～47.26%范围内波动，受发酵处理影响不显著，IDF含量有所下降，而SDF含量则明显升高（P＜0.05）。发酵麦麸中，WB1-1的SDF含量最高，比CK提高了40.6%。CK中阿拉伯木聚糖水平高于β-葡聚糖，含量分别为26.19%和2.28%。固态发酵后，阿拉伯木聚糖含量明显升高，WB0-1含量最高，比CK提高了15.2%；β-葡聚糖的含量变化不一，在WB1-0中升高，W0-1中下降。
表1 固态发酵对麦麸膳食纤维含量及组成的影响
Table 1 Effect of solid-state fermentation on the dietary fiber content and composition of wheat bran %
注：同列不同字母表示数据存在显著差异性（P＜0.05）。
Note: Different letters in the same column indicate significant differences in data (P＜0.05).
样品 TDF SDF IDF 阿拉伯木聚糖含量 β-葡聚糖含量CK 46.78±1.14 4.89±0.44b 41.89±1.49 26.19±1.51b 2.28±0.03ab WB1-0 47.26±1.22 6.01±0.53ab 41.25±0.52 29.17±2.01ab 2.46±0.07a WB1-1 46.01±0.56 6.88±0.18a 39.13±0.21 29.49±0.98ab 2.29±0.04ab WB0-1 46.99±0.98 5.50±0.11ab 41.49±0.56 30.18±1.07a 2.13±0.13b
发酵后SDF含量的升高是因为酿酒酵母和植物乳杆菌代谢分泌的酶，包括纤维素酶、半纤维素酶，使部分IDF降解转化为SDF[8]。阿拉伯木聚糖含量的升高可能是因为：（1）发酵过程中纤维素酶类对麦麸细胞壁的水解作用，促使麦麸皮质暴露而释放出阿拉伯木聚糖[9]；（2）酿酒酵母和植物乳杆菌代谢产生的有机酸类等物质，促使小分子的阿拉伯木聚糖溶出而使其检测含量升高[10]。发酵麦麸中β-葡聚糖含量的变化不明显，主要是因为麦麸中β-葡聚糖含量不高，受微生物代谢的影响不显著。
2.2 固态发酵对麦麸水合性质和持油能力的影响
固态发酵对麦麸水合性质和持油能力的影响如图1所示。酿酒酵母和植物乳杆菌混合发酵的WB1-1麦麸中，持水能力和持油能力最高，植物乳杆菌单菌发酵的WB0-1样品中，吸水膨胀性最高。
图1 固态发酵对麦麸水合性质和持油能力的影响
Fig.1 Effect of solid-state fermentation on the hydration properties and oil-holding capacity of wheat bran
注：不同字母表示数据存在显著差异性（P＜0.05）。
Note: Different letters indicate significant differences in data (P＜0.05).
细胞壁结构的降解使其变得疏松多孔，明显的孔隙增加了与水和油的作用面积[11]；IDF含量的增大可以使麦麸吸附更多的水分。另一方面，发酵后，交联的蛋白质大分子的降解有利于亲水基团等功能性官能团的暴露，提高了蛋白质的溶胀程度和截留水分子的能力[12]。此外，固态发酵麦麸持油性的增加与膳食纤维中阿拉伯木聚糖、果胶等成分的释出有关，它们对脂类物质具有很强的亲和力[13]。相比于单菌发酵，混菌发酵更加有利于麦麸水合性质和持油能力的提升。
2.3 固态发酵对麦麸热力学特性的影响
固态发酵对麦麸热力学特性的影响见表2。CK的T0、TP和ΔH分别为176.60 ℃、195.35 ℃和3 869.50 J/g。固态发酵后，麦麸的T0未发生明显变化，Tp和ΔH则有所下降。其中，WB1-1的Tp下降最为明显（178.30 ℃），W0-1的ΔH最小，为3 276.67 J/g。
表2 固态发酵对麦麸热力学特性的影响
Table 2 Effect of solid-state fermentation on the thermal properties of wheat bran
注：同列不同字母表示数据存在显著差异性（P ＜ 0.05）。
Note: Different letters in the same column indicate significant differences in data (P＜0.05).
样品 T0/℃ TP/℃ ΔH/(J/g)CK 176.60±8.06 195.35±2.70a 3 869.50±102.53a WB1-0 171.77±1.33 183.47±5.10ab 3 641.67±210.50ab WB1-1 172.93±2.61 178.30±3.42b 3 520.00±69.51ab WB0-1 174.97±3.47 185.40±1.78ab 3 276.67±133.98b
对于主要成分为膳食纤维的麦麸，136～200 ℃温度范围内的吸热峰是由膳食纤维的熔融形成的。膳食纤维的IDF组分分子量较高且结构更加稳定，变性所需温度更高；SDF的分子量低且结构更易于变化，变性温度较低[14]。麦麸中SDF含量的增加会伴随麦麸变性温度及吸热焓值的降低。
2.4 固态发酵对麦麸结晶特性的影响
图2是固态发酵前后麦麸的X衍射(XRD)衍射图谱。所有麦麸样品的XRD衍射图均在10°～30°的衍射范围内显示出一个宽峰，峰值位于20°～22°衍射角范围内，是由膳食纤维、淀粉及其他多糖分子的晶体结构混合在一起形成的[14]。CK的结晶度为15.86%，固态发酵麦麸的结晶度由15.86%减小至14.42%，降低了9.08%。
图2 固态发酵对麦麸结晶特性的影响
Fig.2 Effect of solid-state fermentation on crystallization characteristic of wheat bran
膳食纤维中，木质素、纤维素等相比于半纤维素更易形成规则的结晶结构，IDF比SDF的结晶度更高。因此，发酵过程中木质素等在微生物代谢产生的木质素酶、纤维素酶等作用下由IDF降解转化为SDF，使麦麸的结晶度下降。
在本研究数据的基础上，分析了固态发酵麦麸膳食纤维含量、热力学特性参数及结晶度之间的相关性，结果见表3。麦麸SDF与结晶度和TP的相关系数分别为-0.959 47和-0.950 7，说明麦麸的结晶度和变性温度都与SDF存在一定程度的负相关，即SDF含量越高，麦麸结晶度和变性温度越低。TP与结晶度间明显的正相关证实了麦麸发生热变性的焓值与纤维素中规则晶体结构的构象变化有关，说明麦麸中结晶结构的损耗使麦麸熔融吸收的热量减少。
表3 固态发酵麦麸膳食纤维含量、热力学特性及结晶度之间的相关性分析
Table 3 Correlation analysis of dietary fiber contents,thermal properties and crystallinity of solid-state fermented wheat bran
注：括号外为相关系数；括号内为p值，p＜0.05代表相关性显著。
Note: Correlation coefficient outside parentheses; The P value in parentheses, and P＜0.05 indicates a significant correlation.
指标 结晶度 T0 TP ΔH TDF SDF -0.959 47（0.040 5） -0.9 507（0.049 3）IDF结晶度 0.96 607（0.033 9）
2.5 固态发酵对麦麸外观形态的影响
利用显微镜观测了固态发酵前后麦麸外观形态的变化（图3）。CK中麦麸片层结构清晰、完整且紧凑，可观测到形状清晰和分布均匀的植物细胞。固态发酵麦麸片层结构变得疏松，边缘模糊且不再完整，细胞结构分布不均匀且清晰度下降，可观测到细胞破裂的情况。
图3 固态发酵对麦麸外观形态的影响(×100)
Fig.3 Effect of solid-state fermentation on the appearance of wheat bran (×100)
麦麸外观结构的变化可归因于固态发酵过程中两个主要变化：（1）酿酒酵母和植物乳杆菌代谢产生的乳酸、醋酸等有机酸会促进麦麸皮层的软化和溶解，使片层边缘变松散且模糊；（2）发酵过程中产生的微生物淀粉水解酶、蛋白水解酶和纤维素水解酶等，促使麦麸皮层中的结构聚合物以及组成细胞结构的主要成分发生降解，在皮层中产生裂缝、孔隙和孔洞，并使部分植物细胞发生溃散。
对于全麦的加工，麦麸致密的皮层结构是引起全麦食品质地坚硬和不理想咀嚼性的最主要原因。而经过固态发酵处理后，松散多孔和破碎的皮层结构不仅提高水合性质和持油能力，还可以提高生物活性化合物（包括膳食纤维、阿拉伯木聚糖、多酚类化合物等）的溶解性和生物利用度，改善全麦食品的功能特性。
3 结论
本研究利用酿酒酵母和植物乳杆菌对麦麸进行了18 h的单菌和混菌固态发酵，结果发现，麦麸中可溶性膳食纤维、阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖含量显著升高，持水能力、吸水膨胀性和持油能力明显提升。固态发酵显著降低了麦麸的结晶度、变性温度及焓值，麦麸的外观形态由致密变得疏松。明确了固态发酵通过微生物代谢作用降低了麦麸的致密结构，证实了固态发酵有利于麦麸中功能成分的释放以及水合性质等加工品质的改善。
然而本研究所采用的固态发酵工艺对于麦麸综合品质的改善效果不够显著，此外，酿酒酵母、植物乳杆菌以及其他常用的食品安全菌种固态发酵对麦麸品质产生影响的关键作用因素仍不明确。未来的研究将聚焦于麦麸加工品质明显改善的工艺参数优化和关键技术研发，以及不同发酵菌种影响麦麸品质的关键生物因素和分子调控机制的探索。
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备注：本文的彩色图表可从本刊官网（http//lyspkj.ijournal.cn）、中国知网、万方、维普、超星等数据库下载获取。