γ-聚谷氨酸對面條面團流變學(xué)特性和微觀結(jié)構(gòu)的影響

劉芳，皇高峰，王青，張繼冉，徐淑霞，張世敏，吳坤

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州，450002)

γ-聚谷氨酸(poly-γ-glutamic acid，γ-PGA)是一種天然的陰離子聚合物，由D-谷氨酸或者L-谷氨酸組成，每個氨基酸之間通過γ-酰胺鍵連接，由微生物發(fā)酵產(chǎn)生[1]。γ-PGA廣泛應(yīng)用于食品、藥品、環(huán)境、農(nóng)業(yè)等多個領(lǐng)域。在食品中添加γ-PGA可以遮掩氨基酸等引起的苦味[2]、減少豆腐脫水收縮[3]，可作為防凍劑應(yīng)用到冷凍食品中[4]等。

在面制品中，γ-PGA可使面包質(zhì)地膨松、改善掛面品質(zhì)[5]、減少甜甜圈和油條對油脂的吸收[6]、降低速凍水餃結(jié)晶水含量[7]。本實驗室在面筋和淀粉中分別添加γ-PGA，發(fā)現(xiàn)γ-PGA均能影響面筋和淀粉的原有特性。將γ-PGA 應(yīng)用在小麥淀粉中，能夠增強糊化后的淀粉結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使淀粉溶解度升高并且起到延緩淀粉老化的作用[8]。將γ-PGA 應(yīng)用到小麥面筋中，可以提高面筋的吸水率，增強泡沫的穩(wěn)定性等[9]。目前，γ-PGA對面團影響的研究較少，其中一部分研究集中在γ-PGA對冷凍面團和發(fā)酵面團的影響，另一部分研究集中在γ-PGA對小麥面團經(jīng)驗流變學(xué)的影響。面團流變學(xué)是由經(jīng)驗流變學(xué)和基礎(chǔ)流變學(xué)組成[10]，前人缺乏γ-PGA對面團基礎(chǔ)流變學(xué)影響的研究，并且已報道的研究存在所使用γ-PGA的添加量(0.00%～0.50%)范圍小，面團性質(zhì)變化不明顯和其作用機制不明確等問題。因此本文將從基礎(chǔ)流變學(xué)、微觀結(jié)構(gòu)、糊化特性、水分分布等方面具體研究γ-PGA對面條面團中水分，蛋白和淀粉的作用機制，為γ-PGA在面條制品中的實際應(yīng)用提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥粉(水分13.9%，粗蛋白：14.32%，灰分0.86%，淀粉68.47%)，北京古船面粉廠提供；γ-PGA(分子質(zhì)量101.86 kDa～235.55 kDa，純度77.35%)，實驗室自制；食鹽，中鹽國本鹽業(yè)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

JHMZ-200型針式和面機，北京東孚久恒儀器技術(shù)有限公司；JXFD-7醒發(fā)箱，北京東孚久恒儀器技術(shù)有限公司；TA-XT Plus質(zhì)構(gòu)儀，英國SMS公司；FLUOVIEWFV300激光掃描共聚焦顯微鏡，奧林巴斯(中國)有限公司；MARS 60高級旋轉(zhuǎn)流變儀，HAAKE；MicroMR-CL-I變溫型核磁共振食品農(nóng)業(yè)成像分析儀，蘇州(上海)紐邁電子科技有限公司；P/N7934070真空冷凍干燥機，照生有限公司；RVA-SM2快速黏度分析儀，波通瑞華科學(xué)儀器(北京)有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 面條面團的制備

為防止γ-PGA粉末直接添加到面粉中出現(xiàn)吸水結(jié)塊現(xiàn)象，所以先將其制備成10%(質(zhì)量分數(shù))γ-PGA溶液。精確稱取100 g面粉，以100 g面粉為基準(zhǔn)，分別加入2%食鹽，32%水和不同添加量的γ-PGA(0%、0.5%、0.75%、1.00%、1.25%、1.50%，質(zhì)量分數(shù))揉制10 min后，放置于恒溫恒濕醒發(fā)箱中(30 ℃、相對濕度85%)靜置醒發(fā)熟化5 min。面絮壓延4次(直接壓延1次，三折1次，兩折1次，不折1次)后再在恒溫恒濕醒發(fā)箱中(30 ℃、相對濕度85%)靜置20 min[11]。

1.3.2 面條面團單軸拉伸測定

選用TA-XT Plus質(zhì)構(gòu)儀進行測定，參數(shù)設(shè)置：測前2.0 mm/s；測中3.3 mm/s；測后10.0 mm/s；測試距離50 mm；觸發(fā)力5 g。每組樣品重復(fù)3次[12]。

1.3.3 面條面團動態(tài)振蕩特性分析(頻率掃描)

將現(xiàn)制備的面片(2 mm)置于旋轉(zhuǎn)流變儀測試平臺(直徑35 mm)上，設(shè)定壓制后的面片厚度為1.5 mm，密封，在平行板上松弛5 min后測定面片的線性黏彈區(qū)，確定應(yīng)力為50 Pa，溫度設(shè)定為25 ℃，頻率為 0.10～10.00 Hz[13]。

1.3.4 面條面團激光共聚焦掃描電鏡分析

將制備好的面條面團置于-20 ℃冰箱過夜保存。用冷凍切片機將預(yù)凍的面團切片，薄片厚度設(shè)定為10 μm左右，隨后放置于載玻片上，在室溫下用配制好的混合染液(羅丹明B和FITC)對薄片進行染色，20 min后用蒸餾水輕輕沖洗掉多余染料，沖洗時間 1 min，然后使用激發(fā)氪激光照射。羅丹明B和FITC為2種熒光素，發(fā)射波長分別為570～620 nm和500～540 nm。每個樣品制備3個薄片，每個薄片觀測3次[14]。

1.3.5 面條面團粉RVA測定

將1.3.1制備好的面條面團凍干后，研磨成粉，其濕基含量為4%，RVA 參數(shù)設(shè)置按照國家標(biāo)準(zhǔn)GBT 24853—2010的操作規(guī)程，每個樣品3次重復(fù)測定。

1.3.6 面條面團水分遷移測定

用LF-NMR(LF-nuclear magnetic resonance，LF-NMR)分析儀進行水分遷移研究。將每個樣品放入直徑為10 mm的玻璃管中，然后用封口膜覆蓋。使用CPMG序列確定弛豫時間(T2)。T2值與水和底物的結(jié)合程度具有相關(guān)性。具體參數(shù)設(shè)置：回波個數(shù)Echo Count=3 000，回波時間Echo Time=0.1 ms，采樣點數(shù)TD=99 998，采樣頻率SW=333.33 kHz，采樣間隔時間TW=1 500.000 ms，累加次數(shù)NS=32。通過T2反演程序得出面條面團橫向弛豫時間的反演譜圖[15]。

表1 弛豫時間及其意義Table 1 Definition of relaxation time

1.3.7 鮮濕面條的制作

將1.3.1制備好的面條面團壓至1 mm后，在恒溫恒濕箱中(30 ℃、相對濕度85%)靜置20 min后，切條，得到面條(厚1 mm，寬2 mm，長250 mm)。

1.3.8 鮮濕面條質(zhì)構(gòu)特性分析

將鮮濕面條煮制6 min，撈出，在裝有蒸餾水的燒杯中冷卻1 min后，撈出放置在紗布上待測，測試需在10 min內(nèi)完成。使用Code HDP/PFS探頭，同時對3根水平的面條進行測定。參數(shù)設(shè)定：測試模式Measure force in Compression；測前4 mm/s，測中1 mm/s，測后1 mm/s，壓縮比70%，觸發(fā)力5 g，2次壓縮時間間隔5 s。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2013軟件整理分析數(shù)據(jù)，采用SPSS 21.0 軟件在P<0.05水平上進行顯著性分析，每個樣品3次平行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同γ-PGA添加量對面條面團拉伸特性的影響

由圖1可知，添加0.00%～1.50% γ-PGA，面條面團拉伸最大力和拉伸面積先增大后減小，當(dāng)γ-PGA添加量為0.75%時，達到最大值，面條面團的抗拉伸性能最好。LINDSAY等提出的面筋蛋白結(jié)構(gòu)模型(backbone)：麥谷蛋白起到支撐面筋網(wǎng)絡(luò)的作用，而麥醇溶蛋白起到填充作用[16]，其中麥谷蛋白決定面筋的彈性和抗延伸性[17]。γ-PGA溶于水后形成了具有黏性的膠體，這種膠體可作為增稠劑，成膜劑等使用[18]。因此推測，當(dāng)添加0.75% γ-PGA時，γ-PGA對麥谷蛋白的弱化作用較小，γ-PGA本身的黏性使得面條面團的抗拉伸性能增強，超過0.75%添加量時，γ-PGA對麥谷蛋白的弱化作用增強，筋力減弱顯著，這種減弱作用遠遠大于γ-PGA本身的黏性對面條面團抗拉伸性能的增強作用，使得面條面團的抗拉伸性能降低。

圖1 不同γ-PGA添加量對面條面團拉伸特性的影響Fig.1 Effect of different concentration of γ-PGA on the stretch properties of noodle dough注：不同小寫字母表示具有顯著性差異(P<0.05)

2.2 不同γ-PGA添加量對面條面團動態(tài)流變學(xué)性質(zhì)的影響

以頻率為1 Hz時面條面團的黏彈性作代表，由表2可知，γ-PGA添加量為0.75%時，損耗模量(G″)達到最大值，γ-PGA添加量為1.00%時，儲能模量(G′)達到最小值。損耗模量(G″)和儲能模量(G′)分別表征面條面團的黏性和彈性。0.75% γ-PGA添加量時，面條面團的黏性最大，1.00% γ-PGA添加量時，面條面團彈性最低，這與0.75% γ-PGA添加量抗拉伸性能最好相符(圖1)。通過原始數(shù)據(jù)計算得出損耗因子(tanδ)，tanδ值為耗損模量(G″)與儲能模量(G′)的比值，常用來表征面條面團體系中聚合物的含量和聚合度[19]。與空白相比，添加γ-PGA后面條面團G′值減小，tanδ值增大，說明γ-PGA會引起面條面團聚合物含量減少，聚合度變差[20]。

表2 不同γ-PGA添加量面條面團對黏彈性模量的影響(頻率為1 Hz)Table 2 Effect of different γ-PGA additive noodle dough on viscoelastic characteristic parameters

2.3 不同γ-PGA添加量對面條面團微觀結(jié)構(gòu)的影響

面條面團的微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中紅色區(qū)域為面筋網(wǎng)絡(luò)，綠色區(qū)域為淀粉顆粒，黑色區(qū)域為孔洞。本文為了便于觀察，同一添加量的激光共聚焦圖選擇2種放大倍數(shù)。觀察到蛋白網(wǎng)絡(luò)環(huán)繞在淀粉顆粒周圍，相互交聯(lián)[21]。未添加γ-PGA的面條面團，小淀粉分布在大淀粉周圍，整體分布致密而均勻。在添加γ-PGA后，淀粉顆粒間隙變大，淀粉顆粒膨大，淀粉結(jié)構(gòu)被破壞，形狀變得模糊。當(dāng)添加量為1.00%～1.50%時，明顯觀察到淀粉顆粒呈不規(guī)則形態(tài)。

圖2 不同添加量γ-PGA面條面團微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Microstructure diagram of noodle dough with different additions γ-PGA

空白面條面團的面筋網(wǎng)絡(luò)之間連接緊密，形成的孔洞分布均勻。添加量為0.50%～1.00%的面條面團，網(wǎng)絡(luò)逐漸開始變得雜亂，氣孔變大，面筋網(wǎng)絡(luò)開始分散、聚團。尤其在添加量為0.75%時氣孔最大，在添加量1.00%時，面筋網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)片層，當(dāng)添加量為1.25%～1.50%時，出現(xiàn)大量黑色區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)聚集程度變差，連接變?nèi)酢１砻魈砑应?PGA后面筋含量降低，面筋網(wǎng)絡(luò)被嚴(yán)重破壞，變得稀松[22-23]。面筋網(wǎng)絡(luò)主要由麥醇溶蛋白和麥谷蛋白組成[24]，因此推測，γ-PGA與麥醇溶蛋白和麥谷蛋白之間存在相互作用。

2.4 不同γ-PGA添加量對面條面團粉糊化特性的影響

不同γ-PGA添加量對面條面團粉糊化特征的影響如表3所示。

由表3可知，與對照相比，添加γ-PGA的面條面團粉的峰值黏度、衰減值、峰值時間下降，糊化溫度則升高。糊化是在水分存在情況下，淀粉與水一起加熱，通過一個不可逆的無序化轉(zhuǎn)變，淀粉被破壞，形成一種黏性的糊狀溶液[25]。峰值黏度下降主要是因為γ-PGA的羧基結(jié)構(gòu)具有很強的親水性，γ-PGA與水分子的結(jié)合能力強于淀粉分子與水分子的結(jié)合能力，淀粉體系中進入淀粉顆粒內(nèi)部的水減少。而黏度的降低又會阻礙淀粉顆粒糊化，導(dǎo)致糊化溫度升高[26]。衰減值越小，淀粉顆粒結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定[27]。添加γ-PGA后衰減值變小，表明淀粉結(jié)構(gòu)越來越穩(wěn)定，從而防止淀粉顆粒在攪拌和加熱過程中被破壞。隨著γ-PGA添加量的增加，峰谷黏度和最終黏度先降低后上升。糊化后的淀粉進入降溫階段時，其直鏈淀粉聚集，形成空間結(jié)構(gòu)，引起黏度回生。回生值越大，淀粉重新結(jié)晶的程度越大。γ-PGA添加量在1.00%～1.25%時回生值降低，說明γ-PGA對淀粉的重結(jié)晶具有一定的抑制作用[28]。

表3 不同添加量γ-PGA面條面團粉糊化特性的變化Table 3 Change in gelatinization properties of noodle dough flour added different concentration of γ-PGA

2.5 不同γ-PGA添加量對面條面團水分分布的影響

表為不同γ-PGA添加量對面條面團水分分布的影響。

由表4可知，在面條面團中存在3種水。弱結(jié)合水是面條面團中水分的主要存在形式，其次是結(jié)合水和自由水。T2值變小，說明水與底物的結(jié)合度越好[29]。面條面團T22值逐漸降低，0.50% γ-PGA添加量的面條面團T23值低于空白值，1.25%γ-PGA添加量的面條面團T23值高于空白值，T21值無顯著性差異。表明添加γ-PGA后，面條面團對弱結(jié)合水的束縛力增強。γ-PGA會使面條面團中水分子的流動性增強，說明面條面團中水分子與面筋蛋白等其他面團組分的結(jié)合能力減弱。

表4 不同γ-PGA添加量對面條面團水分弛豫時間和峰面積比例的影響Table 4 Changes of transverse relaxation times and peak ratio of noodle dough with different concentration of γ-PGA

3種水峰面積的百分數(shù)代表不同形態(tài)水分的相對含量，用符號S21、S22、S23表示相對含量。S22的百分比最大，其次是S21，S23。γ-PGA添加量在0.75%～1.50%時，S21值變小，面條面團中結(jié)合水含量降低，S22值變大，其弱結(jié)合水含量升高。γ-PGA與蛋白質(zhì)競爭與水的結(jié)合，導(dǎo)致結(jié)合水向弱結(jié)合水遷移[30]。

2.6 不同γ-PGA添加量對鮮濕面條質(zhì)構(gòu)特性的影響

質(zhì)構(gòu)分析通過模仿人的兩次咀嚼動作，從而匹配出與人的感官評價相符的參數(shù)[31]。不同γ-PGA添加量對鮮濕面條條質(zhì)結(jié)構(gòu)性的影響如表5所示。

表5 不同γ-PGA添加量制作的鮮濕面條質(zhì)構(gòu)特性分析Table 5 Texture profile analyses of noodles with different concentration of γ-PGA

由表5可知，添加γ-PGA對面條的彈性無顯著性影響，其他指標(biāo)均存在顯著影響。γ-PGA添加量為0.75%時，面條硬度下降，說明蛋白質(zhì)構(gòu)建的空間骨架變得不穩(wěn)定[32]。在γ-PGA添加量為1.25%～1.50%時，面條硬度再次降低。隨著γ-PGA添加量的增加，面條的黏聚性和咀嚼性先升高再降低，回復(fù)性逐漸下降。由此可見，添加0.75% γ-PGA制得的面條品質(zhì)最佳。

3 結(jié)論

面條面團中水分主要以弱結(jié)合水形式存在，添加γ-PGA使面條面團對弱結(jié)合水的束縛力增強，提高了面條面團保水性，添加1.25% γ-PGA時其保水性最好，面條面團中結(jié)合水向弱結(jié)合水遷移，說明γ-PGA與蛋白和淀粉競爭水分，添加1.00% γ-PGA其競爭作用最強。這種競爭作用能引起淀粉顆粒內(nèi)部含水量降低，使得淀粉黏度降低，糊化溫度升高。根據(jù)對淀粉顆粒微觀結(jié)構(gòu)的觀察發(fā)現(xiàn)，添加γ-PGA會使淀粉顆粒膨脹，直至淀粉顆粒形狀改變，從而抑制淀粉回生，添加1.00%～1.25% γ-PGA回生值降低。根據(jù)對面筋網(wǎng)絡(luò)微觀結(jié)構(gòu)的觀察發(fā)現(xiàn)，γ-PGA導(dǎo)致蛋白網(wǎng)絡(luò)疏松，因而面條面團的黏彈性降低，聚合度變差。由于γ-PGA溶液具有膠黏性，添加0.50%～0.75% γ-PGA對面條面團的弱化作用較小，反而會使面團的抗拉伸性能增強。γ-PGA添加量為0.75%時，面條面團的抗拉伸性能最好，且對面條面團的弱化作用適中，對其保水性和淀粉結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性都有改善作用，并結(jié)合煮后面條硬度低，咀嚼性和黏聚性好，柔軟而筋道，可選取0.75% γ-PGA作為面條制作最適添加量。