FSHW | 产纤维素酶菌株对全麦粉营养特性及可溶性膳食纤维性质的影响

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Abstract

全麦粉是一种富含宏量营养素的食物原料，但由于麸皮中含有大量不溶性膳食纤维，其在烘焙行业的应用受到限制。为充分利用该资源，本研究首先筛选了十二株产纤维素酶菌株，随后分别利用三株曲霉属菌株与两株芽孢杆菌属菌株发酵全麦粉，从中提取可溶性膳食纤维（SDF），比较了不同菌株对全麦粉营养特性、SDF得率、结构改善及抗氧化活性的影响。结果表明，全麦发酵显著提高了SDF得率及营养活性物质含量，改善了SDF的理化结构与体外抗氧化活性。扫描电子显微镜、X射线衍射及流动性特征分析表明，经发酵制备的全麦SDF具有更多孔隙的微观结构及较低分子量的结晶度。傅里叶变换红外光谱显示，对照组SDF（C-SDF）与发酵组SDF（F-SDF）在官能团类型上存在差异。这些变化共同提升了全麦SDF的水合性能与抗氧化活性，具体包括持水力、持油力、胆固醇吸附能力，以及对DPPH自由基、ABTS自由基、羟基自由基的清除能力与脂酶活性抑制作用。芽孢杆菌SH与米曲霉Y21是改良全麦发酵的理想菌株，在提升营养特性与食品品质的同时，具备开发抗氧化功能的潜力。

Introduction

全谷物食品的摄入有助于降低肥胖、心血管疾病、癌症、糖尿病等疾病风险。如今，越来越多人意识到全谷物与健康之间的密切联系。《中国居民膳食指南（2022）》建议日常饮食应以谷物为主。全麦作为最重要的全谷物之一，相较于精制小麦粉含有更高水平的维生素、矿物质、非淀粉多糖和植物化学物质。然而，大多数全麦产品因膳食纤维含量高、质地粗糙而导致加工特性较差、感官品质下降，使其市场接受度受限。全麦粉的麸皮层富含膳食纤维，这类成分虽对人体有益，但过高的膳食纤维会对产品加工和食品口感产生不利影响。例如，部分膳食纤维会与面筋蛋白相互作用，降低面团稳定性；同时膳食纤维表面的毛糙结构也会削弱面团的发酵能力等。

膳食纤维是一种不能被小肠消化吸收，但能有效调节肠道菌群的碳水化合物。根据其水溶性差异，膳食纤维可分为可溶性膳食纤维（SDF）和不溶性膳食纤维（IDF）。研究表明，可溶性膳食纤维在肠道菌群作用下于大肠中发酵，可产生具有抗炎、降低胆固醇等多种生物活性的短链脂肪酸，从而有效降低相关疾病的发生率。目前，可溶性膳食纤维被认为具有更广泛的应用前景和功能特性。然而，在天然植物细胞壁中，不溶性膳食纤维的比例远高于可溶性膳食纤维，且因其结构特殊，可溶性膳食纤维的提取与利用仍受到较大限制。

目前，膳食纤维的改性常采用多种物理、化学及生物学方法。这些方法的共同目标是促进不溶性膳食纤维向可溶性膳食纤维转化，并充分释放部分营养物质。发酵是常用的生物学方法，在此过程中，微生物消耗碳水化合物、蛋白质、脂类等营养物质以生长繁殖，同时产生多种酶类分解不溶性膳食纤维，从而提高可溶性膳食纤维的含量，并改变其理化性质。由于其经济且无污染的特点，发酵技术已被用于改性多种食品和农业副产品，如茶渣和麦麸。不同微生物之间的代谢差异会对可溶性膳食纤维的结构与功能特性产生不同影响。因此，发酵菌种的选择是决定改性效果的关键。具有纤维素酶活性的菌株在膳食纤维改性方面具有良好的潜力，同时也能改善胆固醇吸收能力。产纤维素酶的菌株主要包括细菌、放线菌和丝状真菌等。真菌在纤维素降解和纤维素酶的研究中具有重要地位，其主要能高产且易于获取胞外复合酶。自然界中也存在不少分泌酶的细菌，通常以内切纤维素酶为主。例如，芽孢杆菌属可分泌纤维素酶、蛋白酶、淀粉酶等复合酶系统，在农业和食品工业中具有广泛应用。

因此，为提升全麦的食用品质与营养特性，本研究筛选了具有纤维素降解能力的菌株，旨在提高可溶性膳食纤维的得率及其抗氧化性能。在此基础上，对发酵后获得的可溶性膳食纤维进行理化结构表征，以阐明发酵过程中真菌作用机制。同时评估了可溶性膳食纤维的体外抗氧化性能，并深入探究其理化结构对抗氧化活性的影响。

Results and Discussion

纤维素降解菌的筛选

为获得高效的纤维素降解菌株，通过在相同筛选平板上分析透明水解圈直径与单菌落直径的比值（即水解圈直径D与菌落直径d之比），初步评估了各菌株的纤维素降解能力。若菌株在生长过程中产生纤维素酶，筛选培养基中的羧甲基纤维素钠将被降解，无法被刚果红染色，从而形成透明水解圈（图1）。分别测量水解圈直径和菌落大小直径，计算D/d比值（表1），以筛选出芽孢杆菌属比值大于2、曲霉属比值大于1的菌株。

图1 不同菌株的刚果红平板筛选结果

结果显示，芽孢杆菌属的所有菌株均表现出高于曲霉属的酶活性（图2）。具体而言，菌株SH的羧甲基纤维素酶（CMCase）活性最高（（5.18±0.72）U/mL），而菌株A3的微晶纤维素酶（MCCase）（（6.58±0.08）U/mL）和木聚糖酶（XYLase）（（36.17±3.21）U/mL）活性最为突出，这表明其具有处理复杂长链碳水化合物的能力。综合三种酶活性及菌株特性，本研究筛选出SH、A3、B10、B18和Y21作为有效纤维素降解菌株进行后续分析。

图2 各菌株经诱导培养后发酵上清液的酶活性

图3 菌株A3、SH（A），B10、B18（B）和Y21（C）的系统发育树

在系统发育树中，相同基因型的菌株归属于同一主干分支，表明其亲缘关系密切。结合形态分析结果，鉴定菌株A3为解淀粉芽孢杆菌，SH为芽孢杆菌属，B10为黑曲霉，B18为臭曲霉，Y21为米曲霉（图3）。

营养特性游离蛋白质与氨基酸含量变化

从图4可以看出，全麦经发酵后其可溶性蛋白含量显著增加，未发酵样品中蛋白质含量为1.4868 mg/mL。发酵后SH组的变化最为显著，含量达到14.3562 mg/mL，A3组次之，而B10、B18和Y21组的提升幅度相对较小。全麦粉中游离氨基酸含量在发酵后亦显著提高，其中SH、A3和B18组表现出较强的提升能力。

图4 不同菌株发酵对全麦粉蛋白质及氨基酸含量的影响

生物活性物质含量变化

如图5所示，全麦经发酵后黄酮类化合物总量显著增加。其中B18组发酵后的总酚含量最高，达0.80425 mg/mL，其次为Y21组（0.7927 mg/mL）和A3组（0.7673 mg/mL）。发酵后总酚含量亦显著提升，但组间差异不明显。

图5 不同菌株发酵对全麦粉中烷基间苯二酚、总酚及总黄酮含量的影响

从图5中观察到，全麦粉发酵后总酚含量显著增加，但各组分间无显著差异。

烷基间苯二酚（ARs）是一类主要存在于小麦和黑麦麸皮中的酚类脂质，被视为全谷物食品摄入的生物标志物[28]。如图5所示，发酵后所有实验组的ARs含量均有上升，其中A3组提升最为显著，达到354.035 μg/mL，B18、SH和B10组次之，含量分别为285.774 μg/mL、266.228 μg/mL和257.031 μg/mL。Y21组增幅相对较小。

结构特性表面微观结构

图6显示，全麦粉中的可溶性膳食纤维经发酵后微观结构发生改变。对照组（未添加菌种发酵）的可溶性膳食纤维表面结构完整致密（图6A），而发酵后的可溶性膳食纤维表面结构不规则，呈现多孔、碎片化及颗粒状特征（图6B-F）。发酵组可溶性膳食纤维表面多孔性的形成，主要源于发酵过程中纤维链的降解以及细胞壁结构的营养流失。纤维素酶能够断裂可溶性膳食纤维分子中的1,4-糖苷键，从而破坏多糖链结构。

图6 不同菌株发酵后可溶性膳食纤维的微观结构

傅里叶变换红外光谱分析

傅里叶变换红外光谱结果如图7所示。总体而言，可溶性膳食纤维的红外光谱特征峰相似，但特征谱带的强度存在差异。位于3300、2910、1660、1415、1022和892 cm−1处的吸收峰是多糖的典型结构，分别对应−OH、C−H、C=O、C−O及−CH的振动。具体而言，所有发酵组可溶性膳食纤维在3300 cm−1处的吸收峰均宽于对照组，表明纤维素与果胶的氢键被破坏；1656 cm−1处的峰位可能与乙醛酸中C=O键的拉伸振动及芳香氢键有关。从图7可见，Y21和A3组在此处的吸收峰强于其他组，结果显示葡糖醛酸含量增加，而葡糖醛酸的存在对膳食纤维的吸附能力具有积极影响。在发酵组可溶性膳食纤维的光谱中，1415 cm−1处的吸收峰呈现红移（即波长增加、频率降低），表明酶解作用可能破坏了纤维素的结晶区域。与其他组光谱相比，Y21和SH组在约1029 cm−1处的峰强度显著增强，这可能与纤维素和半纤维素中C−O−C和C−O−H基团的拉伸振动相关。此外，所有可溶性膳食纤维样品光谱在892 cm−1处均出现一个共同的弱吸收峰，表明膳食纤维中存在β-糖苷键。根据振动强度判断，发酵过程降解了糖苷键，促进了寡糖的释放，从而提高了可溶性膳食纤维的含量。

图7 不同菌株发酵对可溶性膳食纤维官能团及化学键影响的傅里叶变换红外光谱分析

热重分析

如图8所示，不同菌株发酵下可溶性膳食纤维的热降解过程可分为三个阶段。第一阶段（0～200 ℃），质量损失主要归因于可溶性膳食纤维分子中自由水和结合水的蒸发，且不同处理下全麦可溶性膳食纤维的质量损失几乎无差异。第二阶段（200～400 ℃），质量损失是由于多糖链的热解所致，导致样品质量快速且显著下降。此阶段，对照组可溶性膳食纤维的质量损失率明显高于发酵后的可溶性膳食纤维。当温度超过400 ℃时，进入第三阶段的生物碳化过程，样品的质量损失率逐渐趋于平缓。从图8中可以看出，Y21菌株发酵组和SH菌株发酵组的可溶性膳食纤维的失重峰比其他组更为尖锐，这可能是因为发酵处理严重破坏了纤维样品的结晶区域，导致分子重排变得不规则。

图8 不同菌株发酵对可溶性膳食纤维热性能与组分影响的热重分析

射线衍射分析

通过X射线衍射研究了不同处理对可溶性膳食纤维晶体结构的影响。如图9所示，所有样品均在2θ为19.4°处展现出典型的I型纤维素晶体特征峰。然而我们发现，与对照组相比，其余组分在19.4°处的结晶峰强度显著降低，这表明发酵过程破坏了结晶区域的有序结构，增加了非晶态成分的含量。此外，SH组的相对结晶度最高，其次是Y21、B10、A3和B18组。晶体密度越高，对酶和化学试剂的抗性越强，因此结晶度的降低可能有利于增强可溶性膳食纤维的功能活性。随着改性处理的深入，膳食纤维的有序晶体结构遭到严重破坏，导致相对结晶度下降。值得注意的是，Y21组的结晶度相比B18组显著升高，这可能源于菌株间代谢产物的多样性。造成这种现象的原因是，纤维素降解菌分泌的代谢产物水解了纤维素和半纤维素，导致表面结构被侵蚀破坏，结晶度降低。这与扫描电镜的观测结果一致。近期研究也发现了类似结果，发酵组的总结晶度相比对照组降低了13.3%，纤维素纤维的理化性质发生了改变。

图9 不同菌株发酵对可溶性膳食纤维晶体形态及结晶度影响的XRD分析

体外抗氧化能力DPPH及ABTS自由基清除能力

发酵前后可溶性膳食纤维的抗氧化活性如图10所示。多糖的抗氧化作用可能是由于其羟基上的电子或氢键为自由基提供氢原子，并与自由基相互作用，导致自由基还原，从而表现出较强的抗氧化活性。研究表明，可溶性膳食纤维的抗氧化特性与其结构性质密切相关，其结构越疏松，多酚等物质越容易进入其内部，其抗氧化能力也就越强。由图可知，所有可溶性膳食纤维均表现出一定的抗氧化活性，且随着浓度的增加，其抗氧化活性也呈上升趋势。在一定浓度范围内，DPPH和ABTS的清除率均呈剂量依赖性增加。Y21组的DPPH清除率高于其他各组。当可溶性膳食纤维浓度为15 mg/mL时，Y21的DPPH清除率为27.92%，SH的ABTS自由基清除率为48.03%。该结果与结构特性分析结果相对应。

图10 不同菌株发酵对可溶性膳食纤维DPPH及ABTS自由基清除率的影响

羟基自由基清除能力

羟基自由基在体内代谢形成过氧化物，会对周围组织和器官造成严重损伤，因此常被用作模拟体内氧化应激的方法。图11显示了发酵前后全麦可溶性膳食纤维对羟基自由基的清除能力。Y21组在浓度为15 mg/mL时的清除能力为52.71%，而同浓度未发酵可溶性膳食纤维的清除能力为44.31%。研究认为，较强的分子间和分子内氢键会降低羟基自由基的清除能力，抑制聚合链中羟基自由基的反应。根据X射线衍射和傅里叶变换红外光谱结果，可初步判定发酵降低了样品中分子间和分子内氢键的含量，从而提高了其清除羟基自由基的能力。因此，经Y21发酵后获得的样品具有更强的抵抗氧化应激的能力。

图11 不同菌株发酵对可溶性膳食纤维羟基自由基清除率的影响

胰脂肪酶活性抑制

胰脂肪酶抑制是降血脂的机制之一。因此，测定体外胰脂肪酶活性抑制率可用于评估可溶性膳食纤维延缓脂肪酸生成速率的能力。图12显示了发酵前后全麦可溶性膳食纤维对胰脂肪酶活性的抑制率，发酵后抑制率显著升高。未发酵可溶性膳食纤维的抑制率仅为27.14%，发酵后最高可达77.03%（B18组）。这可能是由于发酵后可溶性膳食纤维的微观结构和表面性质发生了变化，例如其网状结构趋于缓和且具有更大的比表面积，使其能够吸附并限制更多的脂质和酶进入网状结构，从而导致抑制率上升。同时，增大的表面积和疏松结构会暴露出更多抑制脂肪酶活性的物质（如酚酸基团），这也可能是发酵后可溶性膳食纤维抑制率提高的重要原因。

图12 不同菌株发酵对胰脂肪酶活性抑制率的影响

Conclusion

本研究通过筛选获得十二株产纤维素酶菌株，并进一步优化得到5株具有良好特性的菌株。以全麦为发酵基质，经菌株发酵后，全麦中活性物质含量及可溶性膳食纤维得率显著提升，同时可溶性膳食纤维的理化活性、功能特性及体外抗氧化活性均得到改善。与对照组相比，发酵后可溶性膳食纤维的官能团类型发生变化，微观结构更粗糙、多孔，结晶度降低，分子量减小，黏度升高。这些理化性质的改变共同促使全麦可溶性膳食纤维的体外水合性能与抗氧化活性增强，包括亲水能力及对脂质代谢关键物质的吸附性能。结果表明，芽孢杆菌SH与米曲霉Y21是用于全麦改良发酵的理想菌株，发酵后的全麦具备开发为抗氧化功能食品的应用潜力。

Effects of cellulase-producing strains on the nutritional and soluble dietary fiber properties of whole wheat flour

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

Whole wheat flour is a food raw material rich in macronutrients, but its application in baking industry is limited due to the existence of a large amount of insoluble dietary fiber in bran. In order to make full use of this resource, we first screened twelve cellulase-producing strains, and then extracted soluble dietary fiber (SDF) from whole wheat flour after fermentation with 3 strains of Aspergillus sp. and 2 strains of Bacillus sp., respectively. The effects of different strains on nutritional characteristics, SDF yield, structure improvement, and antioxidant activity of whole wheat flour were compared. The results showed that fermentation of whole wheat significantly increased the yield of SDF, the content of nutritive active substances, and improved the physicochemical structure and antioxidant activity of SDF in vitro. Scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction and liquidity characteristics show that the fermentation to make whole wheat SDF has more porous microstructure and crystallinity of lower molecular weight. Fourier transform infrared spectrum showed that there were differences in functional group types between soluble dietary fiber in control group (C-SDF) and soluble dietary fiber in the fermentation group (F-SDF). These changes together improved the hydration performance and antioxidant activity of whole wheat SDF, including water holding capacity, oil holding capacity, cholesterol adsorption, 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH), 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) (ABTS) and hydroxyl radical scavenging, and lipase activity inhibition. Bacillus sp.SH and Aspergillus oryzae Y21 are ideal strains for fermentation of improved whole wheat, which has the potential of antioxidant properties while improving nutritional properties and food quality.

Reference:

LIU Y L, ZHONG S J, FAN M S, et al. Effects of cellulase-producing strains on the nutritional and soluble dietary fiber properties of whole wheat flour[J]. Food Science and Human Wellness, 2025, 14(8): 9250197. DOI:10.26599/FSHW.2024.9250197.

翻译： 王立磊（实习）

编辑：梁安琪；责任编辑：孙勇

封面图片：摄图网

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