王新偉，成高民，李蕊，趙仁勇

(河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州，450001)

饅頭是深受中國人民喜愛的傳統(tǒng)主食之一。由于環(huán)境溫度、制作條件以及原糧小麥品質(zhì)的不穩(wěn)定性等因素的影響，饅頭的品質(zhì)很難得到保證。在饅頭工業(yè)化生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)表皮龜裂、有氣泡；顏色發(fā)暗、發(fā)黃；內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻或有大孔洞等問題。因此，為了改善和提高饅頭品質(zhì)，在原料面粉或饅頭制備過程中需添加各種添加劑，如乳化劑[1]、堿[2]、酶制劑[3]和增白劑[4]等。

隨著科技的發(fā)展和人們安全意識(shí)的提高，饅頭中添加劑的使用要求越來越嚴(yán)格，運(yùn)用新型酶制劑來改善面制品品質(zhì)成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。酶制劑中的脂肪酶作為一種生物制品，應(yīng)用在面包和饅頭品質(zhì)的改良中，具有顯著的優(yōu)越性：脂肪酶本身就是活細(xì)胞產(chǎn)生的活性蛋白質(zhì)，不會(huì)留下有毒物質(zhì)；脂肪酶的催化作用具有高度的專一性，而且操作條件溫和。小麥粉中脂質(zhì)的種類是影響脂肪酶作用效果的關(guān)鍵，然而不同脂肪酶的作用底物和水解產(chǎn)物不同，對饅頭品質(zhì)的影響也不同。

本文對面粉中內(nèi)源性脂的種類及其功能效應(yīng)、脂肪酶的催化機(jī)制及其在發(fā)酵面制品中作用底物、脂肪酶對面包和饅頭等發(fā)酵制品品質(zhì)的影響進(jìn)行了闡述，并展望了脂肪酶在饅頭和面包中應(yīng)用的未來研究趨勢。

1 面粉中內(nèi)源性脂的種類及其功能效應(yīng)

面粉中內(nèi)源性脂質(zhì)的種類及含量影響?zhàn)z頭、面包等發(fā)酵制品的品質(zhì)[5-6]。特別是面粉中的極性脂，這類脂有助于提高面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的氣室穩(wěn)定性，從而使得面包體積有所增加。而且脂質(zhì)與脂質(zhì)之間還存在不同的功能效應(yīng)，對發(fā)酵制品的品質(zhì)產(chǎn)生不同的影響。

1.1 面粉中脂質(zhì)的種類

面粉中內(nèi)源性脂質(zhì)的含量約為2.0%～2.5%[7-8]，按化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為非極性脂(或中性脂)和極性脂(主要是糖脂和磷脂)[7,9]。常見的幾種面粉脂如圖1所示。甘油三酯(triacylglycerol, TAG)和游離脂肪酸(free fatty acids, FFA)的含量最豐富，甘油糖脂和甘油磷脂(也可稱為糖脂和磷脂)是面粉中主要的極性脂，糖脂主要有單半乳糖甘油二酯(monogalatosyl diglyceride, MGDG)和雙半乳糖甘油二酯(digalactosyl diglyceride, DGDG)，磷脂類包括N-?；字Ｒ掖及?N-acyl phosphatidyl ethanolamine, NAPE)、磷脂酰乙醇胺(phosphatidyl ethanolamine, PE)、磷脂酰膽堿(phosphatidyl choline, PC)、磷脂酰絲氨酸(phosphatidyl serine, PS)及各自的溶血磷脂(phosphatidyl inositol, PI)等[10-11]。

1.2 內(nèi)源性脂質(zhì)的功能效應(yīng)

SCHAFFARCZYK等[5]研究表明DGDG是天然面粉類脂類中主要的半乳脂類，隨著雙半乳糖單酸甘油酯(digalactosyl monoglycerides, DGMG)濃度的增加和DGDG濃度的降低，面包體積顯著降低，因?yàn)镈GDG的功能效應(yīng)比DGMG的要高得多。但是，當(dāng)DGDG和DGMG的摩爾比為1∶1時(shí)，可以顯著增大面包的體積，這說明DGDG和DGMG存在協(xié)同效應(yīng)，脂類之間的協(xié)同作用可以增強(qiáng)氣室界面的穩(wěn)定[12]。GERITS等[13]研究結(jié)果顯示面團(tuán)中的脂質(zhì)相互作用是將不利氣室穩(wěn)定的非極性脂質(zhì)乳化為油滴，比如DGMG促進(jìn)了六方相Ⅰ脂類的形成，即DGMG可能有助于去除界面上的有害脂質(zhì)，從而支持界面處DGDG的功能效應(yīng)。另一種可能性是脂類形成不同類型的結(jié)晶相，如六方相Ⅱ，含有這些脂類混合物的單分子層具有與層狀結(jié)構(gòu)的脂質(zhì)組成的單分子層相似的穩(wěn)定性。由于協(xié)同效應(yīng)而產(chǎn)生的脂質(zhì)相互作用也可以減少脂質(zhì)體或膠束的能量屏障，通過形成不同的脂質(zhì)類型的混合膠束吸附到界面上，增加界面活性物質(zhì)的有效性[12]。除此之外，N-?；苎字掖及?N-acyl lysophosphatidyl ethanolamine,NALPE)也是形成層狀中間相而改善面包體積[13]。

圖1 小麥粉中常見的脂質(zhì)結(jié)構(gòu)式Fig.1 General structures of common lipids in wheat flour

脂質(zhì)除了與脂質(zhì)之間具有功能效應(yīng)外，脂質(zhì)與蛋白、淀粉之間也有一定的功能效應(yīng)。PAREYT等[7]研究表明FFA和面筋蛋白之間沒有相互作用，可能FFA的疏水烷基鏈限制了它們之間的相互作用。因此，F(xiàn)FA并不能促進(jìn)蛋白質(zhì)顆粒的聚集，也不能使其產(chǎn)生更強(qiáng)的面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。然而，SROAN等[14]研究表明超過臨界濃度(在天然存在的濃度范圍內(nèi))，小麥粉中的游離極性脂質(zhì)可以通過穩(wěn)定液體層來改善產(chǎn)品體積，該液體層可分離面團(tuán)中的氣體；非極性的脂質(zhì)可能會(huì)破壞氣室，不飽和的FFA會(huì)使得體積降低，而飽和的FFA則不會(huì)[15]。PAREYT等[7]研究發(fā)現(xiàn)面團(tuán)發(fā)酵前脂質(zhì)結(jié)晶體的排列是雜亂無章的，發(fā)酵后的脂質(zhì)結(jié)晶體整齊的排列在蛋白質(zhì)界面上，在焙烤過程中，脂質(zhì)結(jié)晶體變成油滴。在面團(tuán)形成過程中脂質(zhì)重新分配到面筋網(wǎng)絡(luò)中，面筋蛋白是帶正電的(pH=6)，內(nèi)源性極性脂質(zhì)和表面活性劑帶負(fù)電，如雙乙酰酒石酸單雙甘油酯(N-acyl lysophosphatidyl ethanolamine, DATEM)和硬脂酰乳酸鈉(sodium stearyl lactate,SSL)，它們通過靜電作用和疏水相互作用與蛋白質(zhì)結(jié)合，從而促進(jìn)了面筋的形成，因?yàn)殪o電斥力減少，這本身就增加了面筋網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)度[16]。在面包制作中，自由脂和結(jié)合脂的功能明顯不同，極性的自由脂比結(jié)合脂更有益。還有些學(xué)者證明半乳糖脂通過疏水作用和氫鍵與麥谷蛋白相互作用，而磷脂與麥醇溶蛋白或面筋的脂結(jié)合蛋白相互作用[7]。COURTIN等[17]研究發(fā)現(xiàn)小麥粉中的一些脂類具有類似表面活性劑的功能，在面包焙烤過程中會(huì)與直鏈淀粉形成復(fù)合物，可對面包瓤的組織結(jié)構(gòu)具有軟化的作用，延緩面包的老化。

MACRITCHIE等[18]研究發(fā)現(xiàn)與面粉中任何其他成分的變化相比，改變自由脂含量對面包的體積和質(zhì)地影響更大。MORRISON等[19]發(fā)現(xiàn)在小麥5D染色體上的2個(gè)位點(diǎn)(Fpl-1和Fpl-2)控制著自由脂中DGDG和MGDG的含量。然而，這些位點(diǎn)對結(jié)合脂中極性脂質(zhì)的含量幾乎沒有影響，在小麥育種方案中可以改變游離的極性脂質(zhì)含量來提高小麥面粉的質(zhì)量。

2 脂肪酶的催化機(jī)制及其在發(fā)酵面制品中作用底物

脂肪酶(lipase E.C.3.1.1.3)也稱酰基甘油水解酶，是一類在油-水界面上催化天然油脂(甘油三酯)降解為甘油和游離脂肪酸的酶。脂肪酶是一類水解酶，廣泛存在于細(xì)菌、霉菌、酵母等微生物及其他一些動(dòng)植物中，微生物源脂肪酶具有更大的應(yīng)用前景[20-21]。界面酶學(xué)與非水酶學(xué)的突破性發(fā)展，極大地促進(jìn)了脂肪酶多功能催化作用的研究。

2.1 脂肪酶的催化機(jī)制

大多數(shù)微生物脂肪酶都屬于α/β水解酶，其活性位點(diǎn)是由Ser、His和Asp殘基組成的催化三聯(lián)體[22]，在其周圍還存在Gly-X-Ser-X-Gly組成的五肽結(jié)構(gòu)。脂肪酶具有1個(gè)α螺旋形成的“蓋子”結(jié)構(gòu)(圖2)，“蓋子”的外表面相對親水，而內(nèi)表面則相對疏水，該結(jié)構(gòu)不僅影響酶活性，而且影響酶對底物的特異性和穩(wěn)定性。

圖2 脂肪酶發(fā)生催化作用前后的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of lipase before and after catalysis

當(dāng)脂肪酶與油-水界面相接觸時(shí)，覆蓋活性位點(diǎn)的α螺旋打開，暴露疏水殘基，增加與脂類底物的親和力，同時(shí)該變化導(dǎo)致脂肪酶在Ser周圍產(chǎn)生親電區(qū)域，可保持催化過程中過渡中間產(chǎn)物穩(wěn)定，使脂肪酶處于活化構(gòu)象[23]。脂肪酶的催化機(jī)制可以分為4步：首先是底物與酶結(jié)合，即形成共價(jià)結(jié)合的底物-酶復(fù)合物，然后是快速脫酰，從而激活絲氨酸的羥基，進(jìn)而攻擊羰基部分，產(chǎn)生四面體中間體，使得前一羰基的氧上帶負(fù)電荷，再形成穩(wěn)定的共價(jià)中間體復(fù)合物，最后是?；衔锏尼尫?。

2.2 脂肪酶在面制品體系中作用底物解析

脂肪酶在面制品體系中可能的作用底物主要有非極性脂TAG以及極性脂糖脂和磷脂，可能的作用位點(diǎn)見圖3。脂肪酶水解TAG時(shí)，作用于TAG的酯鍵，水解產(chǎn)生甘油二酯(diacylglycerol，DAG)和FFA，還可進(jìn)一步水解DAG和甘油一酯(monoglyceride,MAG)中的酯鍵，產(chǎn)生FFA[24](圖3-a)。在水解過程中，不同的面粉脂類含量不同，脂肪酶產(chǎn)生的DAG、MAG、甘油和FFA的種類及比例不同，可能會(huì)對面制品的品質(zhì)影響不同。

a-1, 2, 3為脂肪酶作用于TAG的位點(diǎn)； b-1, 2, 3, 4為脂肪酶作用于磷脂的位點(diǎn)； c-1,2為脂肪酶作用于糖酯(半乳糖脂)的位點(diǎn)圖3 脂肪酶作用位點(diǎn)Fig.3 Sites of potential hydrolysis

脂肪酶水解磷脂時(shí)，催化磷脂的一個(gè)或多個(gè)酯鍵以及磷酸二酯鍵水解[25]。不同的脂肪酶可水解磷脂的部位不同，有的脂肪酶水解sn-1上的酯鍵生成FFA和溶血磷脂；有的脂肪酶水解sn-2上的酯鍵，產(chǎn)物為溶血磷脂、FFA和甘油磷脂酰膽堿或甘油磷脂酰乙醇胺；有的脂肪酶可水解甘油磷酸二酯鍵，生成甘二酯等；有的脂肪酶可去除極性基團(tuán)，但不能去除磷酸基團(tuán)[26](圖3-b)。不同的脂肪酶產(chǎn)生的溶血磷脂、FFA、甘油磷脂酰膽堿或甘油磷脂酰乙醇胺等產(chǎn)物的種類和比例不同，也會(huì)導(dǎo)致對面制品的品質(zhì)影響不同。

脂肪酶水解糖脂時(shí)，可完全水解糖脂生成1個(gè)或所有FFA和其他極性脂類(圖3-c)。因此，不同的面粉中糖酯含量不同，也可能導(dǎo)致脂肪酶水解產(chǎn)生FFA和其他極性脂類種類和比例不同，從而也可能會(huì)導(dǎo)致對面制品的品質(zhì)影響不同。

脂肪酶具有專一性，不同的脂肪酶具有不同的作用底物，甚至是不同的作用位點(diǎn)。在不同的面粉中，脂類含量不同以及脂類中極性脂、非極性脂的種類和比例不同，都會(huì)導(dǎo)致脂肪酶作用產(chǎn)物不同，從而導(dǎo)致不同脂肪酶對同一種小麥面粉制作的饅頭品質(zhì)改良效果不一樣，同一脂肪酶對不同面粉制作的饅頭品質(zhì)改良效果也不一樣。

3 脂肪酶對面包和饅頭等發(fā)酵制品品質(zhì)的影響

隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，運(yùn)用新型酶制劑來改善谷物制品品質(zhì)成為國內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)[27]。脂肪酶作為一種安全、高效、純天然綠色添加劑，被廣泛應(yīng)用于饅頭、面包等發(fā)酵制品加工中。脂肪酶作用于小麥粉中的內(nèi)源性脂質(zhì)，產(chǎn)生表面活性劑分子，如溶血磷脂和單甘酯等[28]，來提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

3.1 脂肪酶對面包品質(zhì)的影響

1990年脂肪酶就開始應(yīng)用于焙烤行業(yè)，以改善面團(tuán)的加工品質(zhì)[29-30]。王雨生等[31]研究表明脂肪酶能有效改善面包粉流變品質(zhì)，改善面包的硬度和彈性。王學(xué)東等[32]研究表明面包粉中適量添加脂肪酶，可顯著改善面包粉的拉伸特性、提高面包品質(zhì)。在面包中添加脂肪酶后，面包的光澤度和白度得到明顯改善[5,12,16,33]，面包的比容增加，同時(shí)提高了面包的松軟度，使面包瓤的孔隙度更加均勻[34]。JANSSEN等[35]研究表明添加Lipopan.F增加了面團(tuán)中的極性脂質(zhì)水平，對面團(tuán)中氣泡穩(wěn)定具有積極的影響，增加面包的體積。GERITS等[13]研究發(fā)現(xiàn)脂肪酶Lipopan F、Lecitase Ultra對面包的影響與表面活性劑一致，均增加了面包體積，脂肪酶對脂質(zhì)的作用使得面包體積增加了56%，這取決于添加脂肪酶的種類和濃度。

SCHAFFARCZYK等[12]研究了脂肪酶Lipopan.F BG和Lipopan.Xtra BG對面包品質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)這2種脂肪酶對面包的質(zhì)構(gòu)和體積均有不同程度的改善作用，而且相同劑量下，Lipopan.F BG對面包體積的改善作用要優(yōu)于Lipopan.Xtra BG，另外，這2種酶并不是劑量越大對面包體積的改善就越好，兩者均有一個(gè)最佳添加量；采用分離重組技術(shù)證明了在面包制備過程中，這2種酶更多的作用于面粉中極性脂，從而產(chǎn)生較多的極性脂產(chǎn)物，對面包品質(zhì)起到改善作用[5,36]。適量極性脂會(huì)增加面包中氣室的穩(wěn)定性，增大面包體積[7,13-14,24,37]。極性脂可與面筋蛋白、淀粉結(jié)合形成復(fù)合物，并能促進(jìn)蛋白質(zhì)聚集，使面團(tuán)形成更好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[16,36]，從而改善面包的質(zhì)構(gòu)。但是，以上研究對于起主要作用的極性脂的種類及其作用機(jī)理并未涉及。另外，脂肪酶在一定條件下能夠?qū)⒅愃獬蓡胃手鴨胃术ピ诘矸酆^程中與淀粉分子絡(luò)合，提高糊化溫度，抑制了淀粉顆粒的膨脹，減弱了淀粉顆粒與面筋蛋白之間的相互作用，也可延緩支鏈淀粉的回生。脂肪酶水解脂質(zhì)經(jīng)過一系列反應(yīng)產(chǎn)生過氧化物，可氧化蛋白質(zhì)分子中的硫氫基團(tuán)，形成分子內(nèi)或分子間二硫鍵，并能誘導(dǎo)蛋白質(zhì)分子聚合，使蛋白質(zhì)分子變得更大，從而提高面團(tuán)筋力，改善面包的質(zhì)構(gòu)[16,38]。脂肪酶可以改變面包瓤的結(jié)構(gòu)，使氣孔分布小而均勻，其反射效果更佳，提高亮度，從而達(dá)到增白的效果[39]。

3.2 脂肪酶對饅頭品質(zhì)的影響

目前脂肪酶應(yīng)用于饅頭品質(zhì)的改良報(bào)道較少，對改良機(jī)理的研究尚未見報(bào)到。張磊等[40]研究了丹麥Novozymes脂肪酶、荷蘭DSM脂肪酶和國產(chǎn)Sunson 脂肪酶3種脂肪酶對饅頭品質(zhì)的影響，研究表明適量的3種酶可提高面筋強(qiáng)度，延長穩(wěn)定時(shí)間，降低弱化度，增加面團(tuán)延伸度和拉伸阻力，改善面團(tuán)的流變學(xué)特性。對饅頭的比容、色澤、結(jié)構(gòu)和彈韌性等均有一定的改善作用。而且脂肪酶添加量并不是越大越好，過量添加反而會(huì)對饅頭造成負(fù)面影響。并推測脂肪酶對饅頭的體積、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等有改善作用是因?yàn)橹久该附饷鎴F(tuán)中的油脂成分生成天然的單甘脂等乳化成分；對饅頭白度改善是因?yàn)樵谥久傅淖饔孟?，原來溶于脂肪中的葉黃素和葉紅素被釋放出來，與空氣接觸，色素被氧化褪色。杜洋等[41]研究了脂肪酶(酶活性4 000 U/g)對饅頭外觀品質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)所用脂肪酶對pH和溫度條件敏感，在適宜條件下，其較高的活性有利于改善饅頭的形態(tài)和顏色，并優(yōu)化出脂肪酶增白饅頭的最適工藝條件。李守宏等[42]研究了幾種單一酶制劑在饅頭中增白的應(yīng)用和復(fù)配使用的效果及新型脂肪酶 Lipopan.Prime在饅頭增白和組織改善中的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)Lipopan.Prime能夠提供良好的白度、體積和組織，對面團(tuán)的穩(wěn)定性也有積極的作用。并指出傳統(tǒng)脂肪酶的增白效果雖然好，但會(huì)破壞饅頭的組織結(jié)構(gòu)。脂肪酶的水解作用決定了其對饅頭品質(zhì)的影響。而方曉波[43]研究發(fā)現(xiàn)脂肪酶對饅頭比容的影響不顯著，脂肪酶的作用效果取決于面粉中的內(nèi)源性脂，添加脂肪酶會(huì)使這些內(nèi)源性脂質(zhì)的活性得到改善[44-45]。

綜上可知，不同脂肪酶對同一種面粉制作的饅頭品質(zhì)改良效果不一樣，同一脂肪酶對不同面粉制作的饅頭品質(zhì)改良效果也不一樣。推測原因可能是不同的面粉中脂類含量不同，以及脂類中極性脂、非極性脂的種類和比例的不同，導(dǎo)致脂肪酶作用底物的不同，從而產(chǎn)生不同種類及比例的水解產(chǎn)物，進(jìn)而對饅頭品質(zhì)產(chǎn)生不同影響。

4 結(jié)語

在面包和饅頭制作過程中，脂肪酶是改善產(chǎn)品質(zhì)量的一種很好的選擇。但是由于面團(tuán)體系的復(fù)雜性，脂肪酶與小麥面粉中的脂質(zhì)之間，以及產(chǎn)物與蛋白質(zhì)、淀粉分子之間的相互作用機(jī)制尚未可知。因此，研究不同脂肪酶對同一種面粉制作的饅頭品質(zhì)改良效果不一樣，以及同一脂肪酶對不同面粉制作的饅頭品質(zhì)改良效果也不一樣的原因，揭示脂肪酶對面包和饅頭的影響機(jī)制，將是未來脂肪酶在面包和饅頭中應(yīng)用的研究方向。