干燥對掛面蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品特性的影響

張影全，王 遠(yuǎn)，郭波莉，張 波，魏益民，張國權(quán)

掛面（Chinese dried noodles，CDN）指以小麥面粉為主要原料，通過添加適量飲用水、食用鹽或堿、其它輔料，經(jīng)和面、熟化、壓延、切條、干燥、切斷、包裝等工序加工的，具有一定長度的干面條。中國食品科學(xué)技術(shù)學(xué)會統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2018年全國主要24 家掛面行業(yè)龍頭企業(yè)年產(chǎn)量為340.9萬t。以此估算，全行業(yè)總產(chǎn)量為812 萬t。掛面約占工業(yè)化生產(chǎn)面條的26%[1]。近十年來，隨著食品設(shè)備制造業(yè)的快速發(fā)展，掛面生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)水平也得到快速發(fā)展，掛面產(chǎn)業(yè)已初步具備現(xiàn)代食品工業(yè)的特征[2-3]。

干燥工藝是影響掛面產(chǎn)量、成本、質(zhì)量的重要工序之一，是生產(chǎn)自動化和智能化遇到的主要技術(shù)問題。干燥工序是掛面生產(chǎn)過程中能量消耗最大的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，約占整個掛面生產(chǎn)過程的60%[4]。在實(shí)際生產(chǎn)中，影響掛面干燥特性及產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素是烘房內(nèi)干燥介質(zhì)的溫度、相對濕度、風(fēng)速等工藝參數(shù)[5-8]。合理的干燥溫度不僅促進(jìn)面條水分蒸發(fā)，提高面條品質(zhì)，而且能縮短干燥時間，降低生產(chǎn)成本[9]。目前，中國掛面生產(chǎn)企業(yè)普遍采用基于空氣熱力學(xué)的中、低溫（干燥溫度低于45℃）干燥工藝，工藝參數(shù)主要是依靠人為經(jīng)驗(yàn)對烘房內(nèi)溫度、相對濕度、風(fēng)速進(jìn)行調(diào)控[10]。關(guān)于中國掛面干燥工藝、干燥動力學(xué)等的研究，最近幾年才逐漸被國內(nèi)學(xué)者、企業(yè)生產(chǎn)者、設(shè)備制造者所重視，并開展了系列研究。其重點(diǎn)主要集中在干燥工藝參數(shù)（溫度、相對濕度、風(fēng)速等）對掛面干燥特性和產(chǎn)品質(zhì)量的影響等方面[5-7，11-15]。

小麥面筋蛋白作為自然界中已知分子質(zhì)量最大的蛋白質(zhì)[16]，是小麥獨(dú)特加工質(zhì)量形成的物質(zhì)和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。小麥蛋白質(zhì)，尤其是面筋蛋白的數(shù)量和質(zhì)量與面條加工過程及產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)[17-23]。Guerrieri 等[24]發(fā)現(xiàn)，在大約45 ℃時，面筋疏水性增加，構(gòu)象改變導(dǎo)致醇溶蛋白和谷蛋白的疏水基團(tuán)暴露出來。超過50 ℃時，蛋白交聯(lián)形成。溫度顯著影響面團(tuán)整體的流變學(xué)特性和濕面筋中的氫鍵[25]。在加熱條件下，大多數(shù)面筋蛋白通過二硫鍵的形成發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。Bruneel 等[26]研究表明，良好的面條烹調(diào)質(zhì)量取決于干燥過程形成的適當(dāng)面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以及該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在隨后的煮制過程中抵制淀粉糊化膨脹對其造成破壞的能力。然而，掛面加工過程中，尤其是不同干燥條件參數(shù)如何影響小麥面筋蛋白組成和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化與產(chǎn)品質(zhì)量的構(gòu)效關(guān)系，還有待進(jìn)一步討論和總結(jié)。本文依據(jù)研究資料，重點(diǎn)綜述干燥過程中溫度、相對濕度與掛面蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系，面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品質(zhì)量的構(gòu)效關(guān)系，為進(jìn)一步認(rèn)識干燥過程蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化、干燥工藝設(shè)計(jì)、產(chǎn)品質(zhì)量控制提供理論依據(jù)。

1 溫度對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品特性的影響

溫度是影響掛面干燥過程的重要因素，也是生產(chǎn)中較易調(diào)節(jié)和控制的因素。合理的干燥溫度不僅促進(jìn)面條水分蒸發(fā)，提高面條質(zhì)量，還能縮短干燥時間，降低生產(chǎn)成本[9]。王春等[12]研究了40～80 ℃干燥條件對掛面產(chǎn)品質(zhì)量特性的影響，認(rèn)為高溫干燥對掛面干面和煮后質(zhì)量特性影響不盡相同，當(dāng)烘干溫度70 ℃時，面條的扭斷力、拉伸力較強(qiáng)，彎曲度良好，然而對于掛面的色澤、烹調(diào)損失會產(chǎn)生一定的不良影響。整體考慮后認(rèn)為，70 ℃干燥條件較好。郭穎等[14]研究了60～100 ℃干燥溫度對掛面質(zhì)量特性的影響，發(fā)現(xiàn)掛面最佳蒸煮時間隨烘干溫度的升高而升高，認(rèn)為烘干溫度為60～70 ℃，掛面質(zhì)量較好。魏益民等[6，8]認(rèn)為，掛面干燥介質(zhì)溫度越高，相對濕度越低，掛面的干燥速率越大。相對濕度對掛面干燥過程的影響大于溫度的影響。于曉磊等[15]研究了加工工藝對干掛面產(chǎn)品質(zhì)量特性的影響，結(jié)果表明，和面加水量對干燥及產(chǎn)品質(zhì)量有極顯著影響，其次為干燥溫度。劉銳等[27]研究發(fā)現(xiàn)，掛面干燥過程蛋白質(zhì)含量、谷蛋白大聚體含量無顯著變化。不同小麥品種的蛋白組分在整個干燥過程中的變化趨勢不盡一致。

溫度顯著影響面團(tuán)的流變學(xué)特性和濕面筋中的氫鍵[25]。在加熱條件下，大多數(shù)面筋蛋白通過二硫鍵的形成發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。溫度超過40 ℃就可誘導(dǎo)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。Guerrieri 等[24]發(fā)現(xiàn)，大約45 ℃時，面筋疏水性增加，構(gòu)象改變，導(dǎo)致醇溶蛋白和谷蛋白的疏水基團(tuán)暴露出來。超過50 ℃時，蛋白交聯(lián)形成。意大利面干燥過程中，淀粉仍保持它的顆粒狀特性[28]，而蛋白質(zhì)在溫度超過60 ℃開始交聯(lián)。當(dāng)溫度提高到80 ℃以上時，麥谷蛋白和醇溶蛋白的提取率降低[29]。與面包烘焙過程一樣，干燥時，麥谷蛋白首先因游離SH 基團(tuán)被氧化而發(fā)生聚合交聯(lián)[30]，部分單體醇溶蛋白與不溶性麥谷蛋白交聯(lián)。60 ℃以上干燥時，蛋白質(zhì)的聚合反應(yīng)不會因含水量的降低而受到影響[29]，這是因?yàn)楦稍镞^程蛋白質(zhì)始終保持在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之上[31]。高溫干燥條件下，麥谷蛋白和醇溶蛋白發(fā)生聚合交聯(lián)，包裹部分淀粉顆粒，形成連續(xù)致密的面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[29，32]。Verbauwhede 等[33]研究發(fā)現(xiàn)，溫度超過40 ℃，蛋白網(wǎng)絡(luò)寬度開始下降；60 ℃以上，蛋白網(wǎng)路分枝數(shù)增加；溫度超過75 ℃，蛋白網(wǎng)路結(jié)構(gòu)沒有明顯變化。

Inazu 等[34-35]研究表明，烏冬面干燥過程中，溫度對水分?jǐn)U散速率的影響大于相對濕度。Mercier等[36]通過對66 篇營養(yǎng)強(qiáng)化類意大利面（enriched pasta）文獻(xiàn)的Meta 分析，發(fā)現(xiàn)干燥溫度與意大利面平衡含水量呈負(fù)相關(guān)（r=-0.91），較高的溫度可以改善意大利面的烹調(diào)特性。Padalino 等[37]研究表明，意大利面（spaghetti）感官質(zhì)量隨干燥溫度的升高而得到改善，并推測產(chǎn)品烹調(diào)特性的改善與淀粉顆粒物理交聯(lián)和蛋白大聚體的化學(xué)交聯(lián)增多直接相關(guān)。劉銳等[27]研究表明，面條加工制作過程中，蛋白質(zhì)含量無顯著變化。在和面和煮制兩個環(huán)節(jié)，蛋白質(zhì)組成變化明顯。小麥粉和面形成面團(tuán)后，面筋蛋白和谷蛋白含量無變化，而醇溶蛋白和GMP 含量明顯下降。干燥后，面條中GMP 含量增加。不同小麥品種的蛋白組分在整個加工過程中的變化趨勢不盡一致。

隨著溫度的升高，面筋蛋白質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變化，當(dāng)干燥溫度高于40 ℃時，會導(dǎo)致蛋白質(zhì)產(chǎn)生膜狀變性。當(dāng)溫度超過50 ℃時，蛋白質(zhì)因發(fā)生熱變性而凝固，劣化面筋的品質(zhì)，面條發(fā)脆，強(qiáng)度降低，且面條煮熟后的硬度也隨烘干溫度的升高而逐漸增加，影響其食用品質(zhì)[38-39]。70 ℃以上的高溫干燥可促使意大利面中蛋白質(zhì)的凝集，有利于加強(qiáng)面筋的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使面條表面的淀粉發(fā)生糊化，產(chǎn)品色澤更佳；同時煮面不易糊湯，使烹調(diào)性得到改善，并起到一定的殺菌作用，利于產(chǎn)品的安全儲藏。

2 相對濕度對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品特性的影響

相對濕度是掛面干燥過程中影響產(chǎn)品質(zhì)量形成的另一個重要因素。干燥過程要求遵循“保濕干燥”的原理，使?jié)駫烀娴乃衷谝欢ǖ南鄬穸认戮徛舭l(fā)，保持外擴(kuò)散與內(nèi)擴(kuò)散速度的基本平衡，防止?jié)衩鏃l表面結(jié)膜，影響脫水速率和產(chǎn)品質(zhì)量。另外，相對濕度較高的熱空氣焓值較高，有利于熱擴(kuò)散，能夠加快掛面內(nèi)外的熱傳遞。在實(shí)際掛面生產(chǎn)過程中，絕大多數(shù)企業(yè)僅根據(jù)操作人員的經(jīng)驗(yàn)，通過調(diào)整烘房內(nèi)排潮口的數(shù)量、開口大小等措施對烘房內(nèi)相對濕度進(jìn)行調(diào)控，控制手段和精度相對較粗放。

前人研究大多集中在干燥過程相對濕度變化與干燥速率和產(chǎn)品含水率的關(guān)系方面。沈再春[40]提出，主干燥前期相對濕度控制在75%左右，可以避免掛面結(jié)膜和酥面現(xiàn)象的發(fā)生。陸啟玉[39]研究發(fā)現(xiàn)，相同溫度條件下，相對濕度越低，表面水分的蒸發(fā)速度越快。李華偉等[41]研究表明，預(yù)干燥階段的相對濕度為90%±2%時，掛面干燥效果最佳。高飛等[11]研究認(rèn)為，升溫干燥階段起始相對濕度95%較適宜，恒溫干燥階段和完成干燥階段適宜的相對濕度分別為75%和60%。王杰等[5]研究表明，隨著相對濕度的增加，掛面水分含量、色澤a*值和b*值逐漸增大，L*值和抗彎強(qiáng)度逐漸減小，掛面產(chǎn)品不易彎曲變形。魏益民等[6]研究表明，相對濕度對掛面干燥過程的影響大于溫度的影響，特別是在產(chǎn)品質(zhì)量特性方面。

相對濕度的高、低可直接影響空氣的吸水能力，決定掛面表面水分的蒸發(fā)速度，從而影響水與面筋蛋白的結(jié)合，間接影響面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化[34-35]。Umbach 等[43]研究表明，面團(tuán)中的水分主要與蛋白質(zhì)結(jié)合，烘焙過程水分從蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移向淀粉。在較高的水分含量下，面筋蛋白處于革質(zhì)（leathery）狀態(tài)，當(dāng)水分含量超過35%時，面筋蛋白完全水合，面筋形成橡膠狀（rubbery），且具有一定黏彈性的聚合物[44]。根據(jù)Belton[45]提出的環(huán)形-隊(duì)列模型（loop and train model），面筋蛋白水合程度越高，環(huán)狀結(jié)構(gòu)區(qū)域（loops）越多，面團(tuán)彈性越大。

3 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品質(zhì)量的構(gòu)效關(guān)系

掛面在制作過程中，通常是面粉加水和面，形成含水量低于35%的面絮，面絮經(jīng)進(jìn)一步的醒發(fā)、壓延，被切成不同規(guī)格的濕面條；濕面條經(jīng)干燥，制得掛面產(chǎn)品。加水主要是對小麥蛋白質(zhì)起塑化作用，使其可以通過擠壓或壓延形成面條。在隨后的干燥過程中，產(chǎn)品從橡膠狀（rubbery）轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａ睿╣lassy），因而得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)[29，46]。在壓延、干燥和煮沸過程中，蛋白質(zhì)通過形成一個結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)，最終決定產(chǎn)品的特性或質(zhì)量。這個網(wǎng)絡(luò)形成的主要機(jī)制可能是SH-SS 交換反應(yīng)和麥谷蛋白亞基的相互糾纏[48]。

干燥過程中，面筋部分發(fā)生了與面包烘焙類似的化學(xué)變化。形成的面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在很大程度上影響面條表觀質(zhì)量、烹飪損失和食用品質(zhì)。Wang 等[10]研究表明，面筋含量主要影響掛面干燥中期的干燥速率。意大利面干燥過程中高溫使蛋白質(zhì)發(fā)生氧化交聯(lián)，導(dǎo)致蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的巨大變化[49]。加熱處理提高了蛋白質(zhì)的連接性，并形成額外的二硫鍵，從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)聚集增加[50]。當(dāng)干燥溫度從60 ℃提高到90 ℃，導(dǎo)致單體蛋白質(zhì)減少，而大分子蛋白質(zhì)聚合物（UPP）含量增加。干燥溫度55 ℃以上時，麥谷蛋白亞基主要參與二硫鍵-游離巰基（disulfide-sulfhydryl）交換反應(yīng)，產(chǎn)生鏈間SS 鍵；溫度70℃以上，醇溶蛋白等參與發(fā)生類似的反應(yīng)[30]。

在隨后的煮制過程中，淀粉顆粒吸收水分，膨脹和糊化，隨著煮制過程，蛋白質(zhì)提取率迅速減少，表明蛋白質(zhì)發(fā)生進(jìn)一步的聚合[26，28]。煮熟的面條形成一個以淀粉和蛋白質(zhì)為主要結(jié)構(gòu)的混合聚合物體系。優(yōu)質(zhì)的面條通?？梢猿惺芤欢ǖ倪^度煮制，烹調(diào)損失較小，產(chǎn)品具有光滑的表面，有一定的緊實(shí)度和彈性[47]。烹調(diào)損失和表面黏性是由于淀粉過度膨脹引起的，可以利用蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來預(yù)防和阻止。面條煮制質(zhì)量很大程度上取決于蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)能否承受煮制過程中淀粉膨脹所帶來的破壞[28]。從這個角度看，面條烹調(diào)過程，蛋白質(zhì)聚合交聯(lián)形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與淀粉膨脹對結(jié)構(gòu)有破壞作用之間存在微妙的競爭關(guān)系。最佳的蛋白質(zhì)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能夠包裹一些淀粉顆粒，阻止淀粉膨脹以及滲出，提高煮后面條的緊實(shí)度。如果煮制過程蛋白質(zhì)交聯(lián)不足，蛋白質(zhì)就會形成不連續(xù)的離散團(tuán)塊，導(dǎo)致煮后面條出現(xiàn)烹飪損失大，面條變軟、變黏。然而，過度干燥會導(dǎo)致蛋白質(zhì)過度交聯(lián)，煮制過程中蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)承受淀粉膨脹的能力變?nèi)?，這對煮制質(zhì)量造成不利影響。Bruneel等[26]認(rèn)為，良好的面條烹調(diào)質(zhì)量取決于干燥過程形成的適當(dāng)面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以及該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在隨后的煮制過程中抵制淀粉糊化膨脹對其造成破壞的能力。

4 小結(jié)

面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是掛面質(zhì)量構(gòu)成的重要因素。在掛面生產(chǎn)過程中，面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐步形成，貫穿于面條生產(chǎn)的整個過程。干燥過程中面筋蛋白會發(fā)生解聚、聚合等一系列的變化，干燥后蛋白質(zhì)聚合和面筋網(wǎng)絡(luò)形成程度是決定掛面產(chǎn)品表觀質(zhì)量、烹調(diào)損失和食用品質(zhì)的關(guān)鍵。

溫度和相對濕度是掛面干燥過程中影響面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化的主要工藝條件。其中，溫度直接影響面筋蛋白分子結(jié)構(gòu)形成與變性；相對濕度主要通過影響空氣的吸水能力和熱傳導(dǎo)，間接影響面筋蛋白與水結(jié)合的能力及其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。干燥過程由于溫度、相對濕度工藝條件的改變，可能導(dǎo)致面筋蛋白不恰當(dāng)?shù)淖冃跃奂?，從而使得掛面產(chǎn)品發(fā)生變形、劈條、酥條等質(zhì)量缺陷。目前，有些理論和推測尚缺乏進(jìn)一步的科學(xué)驗(yàn)證。

干燥過程應(yīng)以蛋白質(zhì)聚集度達(dá)到最佳水平為目標(biāo)，而不是以達(dá)到最大的聚集度為目標(biāo)。系統(tǒng)研究干燥過程面筋蛋白分子質(zhì)量及分布、分子鏈構(gòu)象及分子尺寸，以及面筋蛋白分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，探究這些變化與掛面產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)特性和感官質(zhì)量特性的關(guān)系，有助于從分子水平探討掛面干燥過程產(chǎn)品質(zhì)量形成機(jī)理，進(jìn)一步明確面筋蛋白結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品質(zhì)量的構(gòu)效關(guān)系，為掛面原料選擇、干燥工藝設(shè)計(jì)、工藝控制及穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量提供理論依據(jù)。