淀粉種類對重組粉面團的流變學(xué)特性的影響

王玉顏，劉海波，楊溶，陳靜，劉雄

(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715)

小麥面粉的特殊性在于含有面筋蛋白，遇水能形成具有高度黏彈性和可塑性的面團，適用于加工面條、饅頭和面包等產(chǎn)品[1-2]。五谷雜糧粉的營養(yǎng)豐富，含有特殊的營養(yǎng)功能成分，因此廣受愛好養(yǎng)生和健康飲食的現(xiàn)代人追捧[3]。但是相比于小麥，雜糧的蛋白不能形成面筋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，揉制的面團黏彈性差，加工品質(zhì)往往不盡如人意。實際生產(chǎn)中雜糧面團通常需要復(fù)配小麥粉或外加谷朊粉，這樣雜糧形成的面團品質(zhì)與小麥粉面團相比還有較大差異。面團中的主要成分是淀粉和面筋蛋白，雜糧中富有的淀粉與小麥淀粉相比，在顆粒性狀、直鏈和支鏈淀粉的含量和結(jié)構(gòu)、溶解和膨脹等特性上有較大差別[4]。淀粉性質(zhì)的差異是否是影響雜糧面團品質(zhì)的主要原因尚未見相關(guān)報道。尤其欠缺不同淀粉與谷朊粉重組后形成面團的動態(tài)流變學(xué)特性、粉質(zhì)、拉伸和微觀結(jié)構(gòu)等方面的研究。

面團的流變學(xué)特性是指在外力作用下面團發(fā)生形變，外力消除后會部分恢復(fù)到原來的狀態(tài)的性質(zhì)[5]，它能反映面團的機械加工性、氣體保持能力和蒸煮焙烤性等[6]，所以許多研究者在研究面團性質(zhì)時都會選擇流變學(xué)性質(zhì)。如，AHMED等[7]利用流變儀研究添加棗纖維的小麥面團性質(zhì)；ZHANG等[8]在研究羧甲基纖維素鈉與淀粉重組粉面團性質(zhì)時，分析了不同面團的應(yīng)變、溫度和蠕變—恢復(fù)特性；GEORGOPOULOS[9]等研究了超速離心后面筋蛋白重組粉面團的動態(tài)頻率流變學(xué)特性。其他學(xué)者在研究面包、饅頭、油炸食品和面條等加工品質(zhì)時也系統(tǒng)分析了面團的流變學(xué)特性[5,10-13]。動態(tài)流變參數(shù)與樣品的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，且使用流變儀確定動態(tài)剪切數(shù)據(jù)比穩(wěn)定剪切數(shù)據(jù)要容易得多，而樣品的穩(wěn)定剪切性能可以通過動態(tài)剪切性能來預(yù)測，所以動態(tài)流變試驗多用于測定樣品的黏彈特性[14]。

雖然有許多研究集中在面團的流變特性，但是大部分用于測試面團性質(zhì)的面粉是以小麥粉為基礎(chǔ)再添加某些改變面團性質(zhì)的物質(zhì)[9-10,15]，也有燕麥粉[16]、玉米粉[12,17]或其他面筋蛋白的替代物與淀粉的重組粉[8]，沒有具體分析不同淀粉與面筋蛋白的重組粉在流變性質(zhì)上的相互作用。本文利用TA流變儀和熒光顯微著重分析7種不同淀粉對面筋蛋白形成面團的流變學(xué)作用機制，以期為五谷雜糧制品的品質(zhì)改良和加工提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 主要材料

谷朊粉由重慶君親食品公司提供；大米淀粉，安徽聯(lián)河米業(yè)有限公司；玉米、小麥、紅薯、豌豆和土豆淀粉，河南鄭州恩苗食品有限公司；青稞淀粉，自提。

1.2 主要儀器與設(shè)備

電子天平(Fa2004A)，上海精天電子儀器有限公司； 電熱鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9070),上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；粉質(zhì)儀(FZD300型),山東菏澤衡通實驗儀器有限公司；醒發(fā)箱,廣州三麥機械設(shè)備有限公司；TA動態(tài)流變儀,英國儀器公司；冷凍切片機(CM1520),德國萊卡公司；Eclipse Ti-S熒光顯微鏡,日本尼康株式會社。

1.3 方法

1.3.1 重組混合粉的制備

為了模擬小麥面粉中面筋蛋白的含量并消除谷朊粉生產(chǎn)過程中面筋蛋白的損耗，試樣混合粉中添加量均為粉總量的15%。參考EDITH等[18]方法并加以修改，分別將15%谷朊粉、85%淀粉(干基)在環(huán)境溫度(22±3) ℃下混合均勻，并收集混合粉樣品于干燥器中備用。

1.3.2 面團的制作

通過預(yù)實驗確定了各混合粉面團的最佳吸水率，按照大米、玉米、小麥、青稞、紅薯、豌豆和土豆淀粉重組粉的吸水率(分別為75、60、51、60、60、62和59 mL/100g)用粉質(zhì)儀的和面室制備面團。將制備好的大米、玉米、小麥、青稞、紅薯、豌豆和土豆淀粉重組面團依次編號為RD(rice dough)、MD(maize dough)、WD(wheat dough)、HD(highland barley dough)、SD(sweet potato dough)、PED(pea dough)和PD(potato dough)。

1.3.3 不同重組粉面團的動態(tài)流變學(xué)特性測定

用剪刀剪取20 g面團搓條，切取約5 mm長的圓柱(直徑10 mm)進(jìn)行測定。測試探頭直徑為25 mm，兩平板的間距為2 mm，夾具邊緣涂上硅油，防止水分揮發(fā)。測定程序及條件參考文獻(xiàn)[6,8,19]并加以修改。探頭下壓后統(tǒng)一將樣品在25 ℃條件下平衡3 min，恢復(fù)樣品因探頭擠壓產(chǎn)生的形變。

動態(tài)應(yīng)力掃描：頻率10.0 rad/s，應(yīng)力0.01%～10%。測定樣品的彈性模量(storage modulus，G′)、黏性模量(loss modulus，G″)隨應(yīng)力變化的曲線。

頻率掃描測試：應(yīng)變振幅0.05%，溫度25 ℃，頻率0.1～20 Hz。測試得到樣品的G′、G″與損耗角正切值(Tanδ=G″/G′)隨著頻率的變化曲線。

溫度掃描測試：樣品以5 ℃/min從25 ℃升溫至95 ℃，頻率1 Hz，應(yīng)變振幅0.05%。記錄樣品的相關(guān)模量隨溫度的變化。

蠕變-恢復(fù)掃描測定：恒定壓力100 Pa掃描5 min后，撤掉應(yīng)力觀察6 min內(nèi)樣品的應(yīng)力恢復(fù)。

1.3.4 不同重組粉面團的微觀結(jié)構(gòu)測定

取10 g面團置于-20 ℃冰箱冷凍24 h后，利用冷凍切片機切成10～15 μm的透明薄片，置于載玻片上在避光條件下用羅丹明b(1 mg/100 mL)染色10 min后，在熒光顯微鏡下進(jìn)行觀察(目鏡10×，物鏡20×)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同重組粉面團的動態(tài)應(yīng)力掃描

不同來源淀粉與谷朊粉的重組粉面團的流變特性由黏彈性變化決定。G′和G″分別是描述試樣彈性和黏性的參數(shù)，數(shù)值越大表示面團彈性或黏性越大。小振蕩頻率掃描需要在不劇烈破壞試樣原有的流動狀態(tài)下研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。因此，通過應(yīng)變掃描試驗確定重組粉面團的線性黏彈區(qū)(linear viscoelastic region，LVR)，如圖1所示。

圖1 不同重組粉面團在恒定頻率下彈性模量G′(a)和
黏性模量G″(b)的應(yīng)力掃描曲線
Fig.1 Plots ofG′ (a) andG″ (b) versus strain for doughs
with different reconstituted flour

動態(tài)應(yīng)力對彈性模量(G′)的破壞高于黏性模量(G″)，動態(tài)應(yīng)力增加到0.05%時，紅薯和豌豆重組粉面團的G′下降的幅度略高于另外5組，說明這2種重組粉面團的面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較其他重組粉面團的弱，在較低的應(yīng)力作用下面團的內(nèi)部結(jié)構(gòu)開始被破壞。而青稞和豌豆重組粉面團的G″，在動態(tài)應(yīng)力增加到0.4%時，最先出現(xiàn)下降的趨勢。先前的研究表明小麥粉面團的LVR較小，通常小于0.1%[20]，與本文中的結(jié)果類似。為了在后續(xù)研究中保證面團的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不被外加應(yīng)力破壞，選取0.05%為動態(tài)頻率掃描的恒定應(yīng)變值。

2.2 不同重組粉面團的動態(tài)頻率掃描

圖2顯示了不同重組粉面團體系的動態(tài)黏彈行為，G′和G″隨著角頻率(ω)的增加而增加，呈先快后慢，最后趨于平穩(wěn)的趨勢，且面團的G′大于G″，表明各面團的半固體偏彈性性質(zhì)。由圖2-a可知，大米重組粉面團的G′在測試角頻率范圍內(nèi)最大，紅薯、土豆、豌豆、小麥、玉米和青稞淀粉重組面團依次減小。HUANG等[13]指出由較小淀粉顆粒組成的復(fù)配面粉制成的面團表現(xiàn)出較低的彈性，因為在面筋網(wǎng)絡(luò)中淀粉顆粒更密集的包裹使面團片中的可延伸空間變少。由圖5可知，顆粒在20 μm左右且大小比較均勻的青稞、小麥和玉米淀粉顆粒與面筋蛋白形成的結(jié)構(gòu)更加致密，淀粉顆粒較大的豌豆和土豆與面筋蛋白形成的面團內(nèi)部可延伸空間較大。大米面團中則有較多的面筋蛋白聚集成塊，粒徑只有幾微米的大米淀粉顆粒對面筋網(wǎng)絡(luò)的聚集并沒有較大影響。因此，大米重組粉面團表現(xiàn)出最高的彈性模量值。

圖2 不同重組粉面團的彈性模量G′(a)和黏性模量
G″(b)隨角頻率ω變化曲線
Fig.2 Plots ofG′ (a) andG″ (b) versusωfor doughs
with different reconstituted flour

參考WONWOO等[14]將動態(tài)流變學(xué)數(shù)據(jù)中的G′和G″隨ω的變化規(guī)律用Power-law方程G′=K′·ωn′和G″=K″·ωn″擬合，其中K′、K″是稠度指數(shù)(Pa·sn)，n是流動特性指數(shù)。方程擬合結(jié)果如表1所示。所有數(shù)據(jù)對Power-law方程的擬合度良好(G′、G″的R2分別為0.997～0.999、0.942～0.993)，重組粉面團的稠度指數(shù)K′的數(shù)值均比K″高，n″數(shù)值均比n′高。其中，大米重組粉面團的K′、K″值最高，n′、n″值最低，表明大米重組粉面團的流動性最差，面團強度最大，黏性較差。玉米重組粉面團的n″值較大，n′值較小，稠度指數(shù)整體偏小，表明該面團的黏性較好，彈性較差。小麥重組粉面團的流動指數(shù)和稠度指數(shù)大小適中，面團整體表現(xiàn)的性質(zhì)較好，黏彈性適中。青稞和紅薯重組粉面團的流動指數(shù)相近，二者的流動性好，但是稠度指數(shù)紅薯大于青稞，表明前者的黏性更好，后者質(zhì)地更硬。豌豆重組粉面團的流動指數(shù)和稠度指數(shù)與小麥面團類似，但在流動性上較差，面團整體比小麥面團強度大。土豆重組粉面團的n′值最高，n″、K′和K″值較高，表明土豆面團的彈性好，黏性和流動性較好。通常，對于有水存在的淀粉基質(zhì)類的物質(zhì)，淀粉與水作用后，淀粉顆粒會發(fā)生溶脹，膨脹的顆粒會分散在連續(xù)的直鏈淀粉基質(zhì)中[21]。GERMAN等[22]也指出，淀粉中的直鏈和支鏈淀粉對水的親和能力存在差異，連續(xù)相中直鏈淀粉的濃度增加，體系會顯示出強烈的黏彈性行為。所以不同重組粉面團的黏彈性質(zhì)差異可能很大程度上受到不同淀粉顆粒中的直、支鏈淀粉含量的影響。

表1 不同重組粉面團的G′、G″對角頻率的Power-law方程擬合結(jié)果參數(shù)

2.3 不同重組粉面團的動態(tài)溫度掃描

重組粉面團中的淀粉糊化過程可以通過動態(tài)模量監(jiān)測。圖3反映了不同種類重組粉面團的G′(a)、G″(b)和Tanδ(c)隨溫度變化的情況。損耗因子(Tanδ)是G″和G′的比值，它的數(shù)值越大表示面團的黏度越大，越小表示面團彈性越大。圖3所有重組粉面團的Tanδ<1，G′>G″，表明在試樣面團中彈性比黏性占優(yōu)勢。在25～50 ℃范圍內(nèi)，Tanδ值基本維持穩(wěn)定，表明在開始的升溫階段，所有試樣面團的黏性和彈性模量變化趨勢一致，由圖3-a和圖3-b可知，除了青稞混合粉面團，其他混合粉面團的G′和G″都呈降低趨勢。有研究[23-24]認(rèn)為該過程黏彈性模量降低是因為面粉中的淀粉酶分解破損淀粉，釋放了面團體系內(nèi)原本被吸附的水分子，從而弱化了體系內(nèi)的相互作用力，導(dǎo)致面團的黏彈性降低。當(dāng)溫度逐漸升高，試樣面團開始糊化，體系內(nèi)淀粉顆粒開始溶脹，蛋白質(zhì)發(fā)生變性，G′和G″值也逐漸增大，在50～80 ℃范圍內(nèi)，各面團的G′和G″值相繼出現(xiàn)峰值。YOON等[25]用G′-T曲線中最低點后出現(xiàn)的峰值對應(yīng)的溫度表示面團的糊化溫度，根據(jù)此方法得出，大米、玉米、小麥、青稞、紅薯、豌豆和土豆重組粉面團的糊化溫度分別為72.5、77.5、67.5、67.5、75、65和65 ℃。但是隨著溫度的進(jìn)一步升高，面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，淀粉顆粒溶脹后，直鏈淀粉不斷溶出，仍在繼續(xù)吸水膨脹的淀粉顆粒體積膨脹到一定限度后，會出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，顆粒內(nèi)的淀粉分子各向擴散，導(dǎo)致面團黏彈性模量顯著下降[26]。

圖3 不同重組粉面團的G′(a)、G″(b)和Tanδ(c)隨溫度變化曲線
Fig.3 Temperature dependence ofG′(a),G″(b) and Tanδ(c) of doughs with different reconstituted flour

2.4 不同重組粉面團的蠕變-恢復(fù)特性的影響

由圖4面團的蠕變-恢復(fù)曲線可知，不同淀粉與谷朊粉重組粉面團體系的形變與應(yīng)力變化不是線性關(guān)系，體現(xiàn)的是黏彈體的應(yīng)力松弛變化。作為典型的高分子聚合物組成的復(fù)合體系，面團內(nèi)部的分子鏈鏈段運動可產(chǎn)生較大的形變量，主要分為2個階段：一是由瞬時彈性、延遲彈性和黏性變形組成的恒定應(yīng)力下的蠕變階段；二是由瞬時彈性恢復(fù)和延遲彈性恢復(fù)組成的恢復(fù)階段[27]。第一階段的蠕變與時間無關(guān)，主要是由于鍵長和鍵角的改變。此時段不同結(jié)構(gòu)的淀粉顆粒與面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)合所形成的復(fù)合物不同，面團的瞬間形變表現(xiàn)出較大差別。其中青稞淀粉重組面團的形變最為劇烈，之后依次是土豆、小麥、玉米團、紅薯和豌豆淀粉重組面團，大米淀粉重組面團形變最小。該變化趨勢表明大米淀粉與面筋蛋白結(jié)合后形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)抵抗外界形變的能力最強，結(jié)合圖5-a可知，小顆粒的大米淀粉被包裹在面筋蛋白塊中，面筋塊之間再不斷黏合堆積。而圖5-d中青稞淀粉在面筋網(wǎng)絡(luò)中穿插和黏附效果良好，在面筋網(wǎng)絡(luò)發(fā)生小形變時，淀粉剛好填充了網(wǎng)絡(luò)間的空隙，使得面筋網(wǎng)絡(luò)的形變效果更好。第二階段的形變主要是因為鏈段運動，變化先快后慢，最后逐漸趨于一個穩(wěn)定值。但是，因為已經(jīng)纏結(jié)的淀粉和面筋蛋白不能再完全分開，所以形變不會松弛到零。ONYANGO等[28]認(rèn)為該階段的形變是因為分子鍵的定位與再定位。由圖4曲線可知，恢復(fù)階段的各個面團恢復(fù)到最小形變的時間與蠕變階段的形變能力相一致，形變最小的大米面團相應(yīng)的恢復(fù)到最小形變的時間最短，松弛后的形變量也越接近最初的狀態(tài)，而形變量大的青稞面團、土豆面團、小麥面團、玉米面團和紅薯面團在掃描600 s后仍未達(dá)到較為平穩(wěn)的狀態(tài)，還在隨著時間的增加而逐漸降低?；謴?fù)階段的瞬時彈性恢復(fù)階段反映應(yīng)力松弛的過程。在延彈性恢復(fù)階段，各個面團的恢復(fù)時長的差別與面團內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖4 不同重組粉面團的蠕變-恢復(fù)曲線
Fig.4 Creep recovery curves for doughs with
different reconstituted flour

2.5 不同重組粉面團的微觀結(jié)構(gòu)

動態(tài)流變學(xué)特性與重組粉中各成分的分布和相互作用方式密切相關(guān)。此外，面團是在水的作用下淀粉穿插在面筋網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)中形成，連續(xù)的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對面團的黏彈性質(zhì)至關(guān)重要[16]，所以不同種類淀粉與面筋蛋白作用形成的面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的好壞會直接影響面團的黏彈性。因此，觀察面團的微觀結(jié)構(gòu)有助于進(jìn)一步分析不同淀粉在重組粉面團中的作用方式。

利用熒光顯微鏡觀察到不同重組粉面團的微觀結(jié)構(gòu)，如圖5所示。染色劑與面筋蛋白作用后，在激光的作用下發(fā)出熒光，從而觀察到較為清晰的淀粉與面筋蛋白相互結(jié)合的圖像。由圖5可知，大米淀粉顆粒較小，有較多面筋蛋白聚集成塊，同時大米淀粉顆粒也在面筋蛋白的作用下黏連成片。玉米重組粉面團的面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連續(xù)且緊密，淀粉顆粒被有效包裹在面筋結(jié)構(gòu)中。小麥和青稞重組粉面團的面筋蛋白與淀粉形成的包裹緊密，大小適中且均勻，淀粉顆粒都較好地穿插在面筋網(wǎng)絡(luò)中。紅薯、馬鈴薯和豌豆面團的面筋結(jié)構(gòu)也比較連續(xù)，但沒有被包裹的淀粉顆粒數(shù)量較其他重組粉面團多，因此大顆粒之間形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為面筋蛋白的延伸提供更大的可能。

圖5 不同重組粉面團的微觀結(jié)構(gòu)
Fig.5 Microstructures of doughs with different reconstitute flour

3 結(jié)論

不同種類淀粉與面筋蛋白形成的共混體系的動態(tài)流變特性和微觀結(jié)構(gòu)各有差別。動態(tài)流變結(jié)果具有：應(yīng)力對重組粉面團的G′破壞大于G″，各面團具有半固體偏彈性性質(zhì)。大米淀粉重組面團的強度最大，黏性較差，流動性最差，抗形變能力最好，面團糊化溫度為72.5 ℃。玉米淀粉重組面團，稠度指數(shù)整體偏小，面團的黏性較好，彈性較差，面團糊化溫度最高(77.5 ℃)。小麥淀粉重組面團的整體性質(zhì)較好，黏彈性適中，面團糊化溫度為67.5 ℃。青稞和紅薯淀粉重組面團的流動性相似，但青稞面團的黏性和形變能力更大，紅薯面團質(zhì)地更硬，面團糊化溫度分別是67.5和75 ℃。豌豆淀粉重組面團與小麥相比，流動性較差，面團強度和抗形變能力較強，面團糊化溫度為65 ℃。土豆淀粉重組面團的黏彈性好，流動性較好，形變能力較大，面團糊化溫度為65 ℃。微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明：大米面團內(nèi)有較多的面筋蛋白塊，淀粉顆粒的黏附效果較差；顆粒大小適中且均勻的淀粉在面筋網(wǎng)絡(luò)中的穿插和被包裹效果好(如小麥、青稞和玉米面團)；顆粒較大的淀粉與面筋蛋白作用時，有更多的淀粉顆粒暴露在面筋結(jié)構(gòu)外(如馬鈴薯、紅薯和豌豆面團)。流變性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)上的差異表明不同淀粉對重組粉形成面團的作用效果不同，但是為了明確不同淀粉與面筋蛋白相互作用的機理，還需要進(jìn)一步分析不同淀粉的理化性質(zhì)對重組粉面團的結(jié)構(gòu)特性的影響。