揭示混合菌株固态发酵对麦麸膳食纤维的影响：面筋蛋白结构演变、面团流变调控及馒头品质提升

《Food Hydrocolloids》：Unveiling the impact of mixed-strain solid-state fermentation on wheat bran dietary fiber: gluten protein structure evolution, dough rheological modulation and steamed bread quality enhancement

　　

摘要小麦麸皮膳食纤维（WBDF）有助于增强面团产品的营养，但其直接添加会引发品质劣化。本研究采用了一种涉及担子菌、产油酵母和植物乳杆菌的混合菌株固态发酵策略来改性 WBDF。系统地研究了改性 WBDF 在不同添加水平（0、3、6、9、12 和 15 %）下对面团和馒头品质的影响及其潜在机制。结果表明，未发酵 WBDF（UWBDF）破坏了面筋网络，降低了面团和馒头品质。相比之下，发酵 WBDF（FWBDF）有效缓解了这些不利影响。在面筋蛋白水平上，FWBDF 促进了二硫键交联（游离巯基含量从 8.16 降至 7.36 μmol/g），并将谷蛋白巨多聚体含量从 0.47 增至 1.92 g/100 g。此外，FWBDF 优化了面团内的水分分布，提高了淀粉和面筋蛋白的水分有效性。这些变化增强了面团的糊化、拉伸和动态流变学特性，最终改善了馒头品质——其特征是比体积增加（从 1.71 增至 2.30 mL/g）、质地改善（硬度从 3209 降至 2670 g；弹性从 0.81 增至 0.84）以及抗氧化能力增强。值得注意的是，FWBDF 的有益作用与其添加水平密切相关。在 3-6 % 的添加量下，WBDF 的改性优势得到充分发挥；然而，在 12-15 % 时，过量的 FWBDF 加剧了面筋网络的破坏，导致面团和馒头品质劣化。本研究为 WBDF 的发酵改性及其在馒头生产中的应用提供了理论基础。

引言小麦麸皮（WB）是小麦研磨的副产品，是小麦麸皮膳食纤维（WBDF）的重要来源（Katileviciute, et al., 2019; Li, Li, et al., 2026）。研究表明，WBDF 具有多种生理功能和潜在益处，包括调节肠道微生物代谢、促进肠道蠕动、增强饱腹感以及调节血糖和脂质代谢，从而有效预防冠心病、2 型糖尿病、肥胖和便秘等疾病（Delzenne, et al., 2020; Li, Sun, et al., 2026）。近年来，WBDF 常被用于强化馒头和面条等传统面粉制品。然而，其直接添加会对产品品质产生不利影响（Wang, Wang, et al., 2025）。例如，Ma 等人（2020）发现，添加 WBDF 会导致馒头颜色变深、质地变硬且粘弹性降低。WBDF 对馒头品质的不利影响归因于其对面筋网络的破坏作用，这降低了面筋网络的均匀性和连续性。Wang 等人（2022）也指出，WBDF 诱导的面筋网络结构坍塌是面团持气能力和延展性降低以及馒头比体积减少的主要原因。Li 等人（2018）提出，WBDF 的负面影响主要归因于膳食纤维（DF）中不溶性膳食纤维（IDF）与可溶性膳食纤维（SDF）的比例。研究表明，WBDF 含有 85-93 % 的 IDF 和 5-9 % 的 SDF（Ma, et al., 2022）。IDF 相对致密的结构和较大的粒径限制了其反应基团的功能特性，并且在加工过程中难以降解（Li, Xi, et al., 2024）。因此，当 WBDF 作为营养强化剂添加时，其高 IDF 含量会破坏面筋网络结构，从而阻碍其在面粉制品中的应用。

目前，改性 WBDF 是减少其对面团和面粉制品品质负面影响的主要方法。这些改性方法可分为物理、化学和生物改性。物理改性（如高低温挤压、爆膨和高温气流粉碎）通过改变 WBDF 的物理结构来提高其功能性和稳定性（Wan, et al., 2015）。然而，由于物理改性成本高、操作限制大且效率低，该方法无法大规模应用。化学改性（如磺化、羧甲基化和乙酰化）涉及使用酸、碱和氧化等处理来改善 WBDF 的物理化学性质。然而，化学改性物质通常无法满足食品安全要求，因此无法在食品加工中广泛应用（Zhao, et al,. 2025）。相比之下，生物改性（如发酵和酶处理）采用温和的加工条件且效果显著，使其适合催化一般食品体系中的分子反应和工艺优化（Coda, et al., 2015）。其中，微生物发酵作为一种生物改性方法，因其低成本、产品浓度高、发酵条件可控以及能够产生有益代谢产物等优势，已成为一种新方法（Wu, et al., 2022）。根据底物形态和系统水分含量，微生物发酵通常分为固态发酵和液态发酵（Zhao, et al., 2017）。液态发酵系统水分含量高，会延长 WBDF 的干燥时间并增加有害细菌生长的风险（Zhang, Xie, et al., 2024）。此外，还存在搅拌时间过长、发酵液消耗量大、成本高以及需要后续废液处理等问题（El-Housseiny, et al., 2021）。相比之下，固态发酵将大分子分解为具有独特香气的小分子，具有改善产品风味、减少原料中抗营养因子等优势（Ghoshal, et al., 2012）。具体而言，当固态发酵技术应用于小麦麸皮和 WBDF 时，它可以改善其结构和物理化学性质，从而减轻其对高纤维产品的不利影响，这体现在最终产品的加工适应性、营养价值和感官品质的提高上。例如，用酿酒酵母对小麦麸皮进行固态发酵促进了结合态酚类化合物的释放并增强了抗氧化能力（Oca?o-Higuera, et al., 2025）。Liao 等人（2022）发现，经植物乳杆菌和其他乳酸菌混合发酵后，WBDF 的持水力、持油力和吸水膨胀力均得到改善。Fan 等人（2022）使用毛木耳发酵 WBDF 以减轻其对面条品质的不利影响。Tang 等人（2024）发现，小麦麸皮与 S. fibuligera 混合发酵改善了含小麦麸皮馒头的比体积、质地和香气，而与 P. pentosaceus 混合发酵则赋予了酚类香气特征和强抗氧化活性。这些研究表明，共发酵在改性小麦麸皮方面具有巨大潜力，为本研究中 WBDF 的生物改性提供了理论依据。

毛木耳（A. polytricha）属于担子菌门，已被证明能有效降解木质纤维素（Fan, et al., 2022）。木质素降解依赖于多种酶系统的协同作用（Hori, et al., 2014）。因此，木质素组分之间键链的断裂需要这些酶系统之间的合作。植物乳杆菌是混合发酵领域极具研究价值的菌株。它在生长过程中产生大量酸性物质，保持稳定的 pH 值，并代谢 H2O2 和细菌素等抗菌物质（Won, et al., 2011; Brizuela, et al., 2018）；因此，它常被用于与其他微生物的混合发酵。酵母菌可以利用还原糖等小分子作为氮源合成单细胞蛋白，从而增强发酵产品的营养活性。其中，产油酵母因其生长速度快和单细胞蛋白含量高而备受关注（Bekatorou, et al., 2006）。基于这三种微生物在固态发酵中的功能优势（担子菌高效降解木质素，植物乳杆菌稳定发酵环境，产油酵母合成单细胞蛋白），本研究采用担子菌毛木耳 AP5.584、植物乳杆菌 CICC 23128 和产油酵母 BNCC 186221 的协同固态发酵工艺处理 WBDF。然后将未发酵 WBDF 和发酵 WBDF 以 0 %、3 %、6 %、9 %、12 % 和 15 % 的水平添加至小麦粉中制备面团。通过对 WBDF 的成分分析、面筋蛋白的结构表征（包括游离巯基和谷蛋白巨多聚体含量）、面团质量评估（包括成分、粉质仪、糊化、拉伸和动态流变学特性以及微形态）以及馒头质量评估（包括比体积、颜色、质地和抗氧化特性），本研究阐明了改性 WBDF 诱导的成分变化调节面筋蛋白结构的机制，从而改善了面团和馒头的品质。本研究为增强 WBDF 的营养价值、促进其工业化应用以及提高面团和馒头中 WBDF 的品质提供了支持。

章节摘录
材料小麦麸皮（蛋白质 15.08 %，淀粉 11.23 %，灰分 6.28 %，水分 13.87 %）购自益海嘉里（郑州）食品有限公司（中国河南）；小麦粉（蛋白质 11.58 %，淀粉 68.87 %，灰分 0.56 %，水分 10.50 %）购自青岛富佳德面粉有限公司（中国山东）。总膳食纤维测定试剂盒；碱性蛋白酶和耐热α-淀粉酶；安琪酵母、甲醇、没食子酸、福林 - 酚试剂、3,5-二硝基水杨酸试剂（DNS）以及
游离巯基含量面筋网络的形成取决于面筋蛋白内游离巯基与二硫键之间的动态交换。因此，游离巯基含量是评估面筋蛋白聚集能力和表征面筋网络形成程度的关键指标（Bao, et al., 2024; Xin, et al., 2026）。UWBDF 和 FWBDF 对面团中游离巯基含量的影响如图 1A 所示。随着 WBDF 添加水平
结论本研究利用担子菌、产油酵母和植物乳杆菌对 WBDF 进行混合固态发酵，系统探索了 FWBDF 对面团和馒头品质属性的影响。研究发现，与 UWBDF 相比，FWBDF 表现出明显的成分变化，其特征是蛋白质含量（从 4.06 % 增至 8.11 %）和 SDF 含量（从 3.91 % 增至 6.83 %）升高，同时 IDF 水平降低（从 93.04 % 降至 82.38 %）。如图 10 所示，成分
伦理指南本研究不需要伦理批准。
CRediT 作者贡献声明李梦圆：写作 - 审阅与编辑。黄瑞：写作 - 审阅与编辑。李鑫浩：写作 - 初稿，软件，概念化。钱晓杰：写作 - 审阅与编辑。张凌芳：写作 - 审阅与编辑。孙炳华：写作 - 审阅与编辑。李立：写作 - 审阅与编辑。马森：写作 - 审阅与编辑，监督，项目管理，资金支持，概念化
未引用参考文献 Brizuela et al.,; Daniele et al., 2013; Guo et al., 2026; Herbert et al., 2022; Li et al., 2024; Li et al., 2026; Li et al., 2026; Li et al., 2024; Lohani and Muthukumarappan, 2021; Ma et al., 2021; Rosell et al., 2006; Wang et al., 2025; Zhang et al., 2024; Zhao et al., 2025.
利益冲突声明作者声明无利益冲突。
利益冲突声明作者声明无利益冲突。
致谢本工作得到了河南省自然科学基金（No. 252300421032, 262300422716）、国家自然科学基金（No. 32272249）、中原领军人才计划（No. 264200510027）、河南省食品工程技术研究中心/重点实验室，河南理工大学（No. GO202603）以及“双一流”建设科技创新绩效提升专项（No. CGPY202602）的支持。
李鑫浩 | 黄瑞 | 李梦圆 | 张凌芳 | 钱晓杰 | 孙炳华 | 马森 | 李立
河南理工大学食品科学与工程学院，中国郑州