淀粉种类对重组粉面团的流变学特性的影响

王玉颜，刘海波，杨溶，陈静，刘雄

(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)

小麦面粉的特殊性在于含有面筋蛋白，遇水能形成具有高度黏弹性和可塑性的面团，适用于加工面条、馒头和面包等产品[1-2]。五谷杂粮粉的营养丰富，含有特殊的营养功能成分，因此广受爱好养生和健康饮食的现代人追捧[3]。但是相比于小麦，杂粮的蛋白不能形成面筋网状结构，揉制的面团黏弹性差，加工品质往往不尽如人意。实际生产中杂粮面团通常需要复配小麦粉或外加谷朊粉，这样杂粮形成的面团品质与小麦粉面团相比还有较大差异。面团中的主要成分是淀粉和面筋蛋白，杂粮中富有的淀粉与小麦淀粉相比，在颗粒性状、直链和支链淀粉的含量和结构、溶解和膨胀等特性上有较大差别[4]。淀粉性质的差异是否是影响杂粮面团品质的主要原因尚未见相关报道。尤其欠缺不同淀粉与谷朊粉重组后形成面团的动态流变学特性、粉质、拉伸和微观结构等方面的研究。

面团的流变学特性是指在外力作用下面团发生形变，外力消除后会部分恢复到原来的状态的性质[5]，它能反映面团的机械加工性、气体保持能力和蒸煮焙烤性等[6]，所以许多研究者在研究面团性质时都会选择流变学性质。如，AHMED等[7]利用流变仪研究添加枣纤维的小麦面团性质；ZHANG等[8]在研究羧甲基纤维素钠与淀粉重组粉面团性质时，分析了不同面团的应变、温度和蠕变—恢复特性；GEORGOPOULOS[9]等研究了超速离心后面筋蛋白重组粉面团的动态频率流变学特性。其他学者在研究面包、馒头、油炸食品和面条等加工品质时也系统分析了面团的流变学特性[5,10-13]。动态流变参数与样品的分子结构有关，且使用流变仪确定动态剪切数据比稳定剪切数据要容易得多，而样品的稳定剪切性能可以通过动态剪切性能来预测，所以动态流变试验多用于测定样品的黏弹特性[14]。

虽然有许多研究集中在面团的流变特性，但是大部分用于测试面团性质的面粉是以小麦粉为基础再添加某些改变面团性质的物质[9-10,15]，也有燕麦粉[16]、玉米粉[12,17]或其他面筋蛋白的替代物与淀粉的重组粉[8]，没有具体分析不同淀粉与面筋蛋白的重组粉在流变性质上的相互作用。本文利用TA流变仪和荧光显微着重分析7种不同淀粉对面筋蛋白形成面团的流变学作用机制，以期为五谷杂粮制品的品质改良和加工提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 主要材料

谷朊粉由重庆君亲食品公司提供；大米淀粉，安徽联河米业有限公司；玉米、小麦、红薯、豌豆和土豆淀粉，河南郑州恩苗食品有限公司；青稞淀粉，自提。

1.2 主要仪器与设备

电子天平(Fa2004A)，上海精天电子仪器有限公司； 电热鼓风干燥箱(DHG-9070),上海齐欣科学仪器有限公司；粉质仪(FZD300型),山东菏泽衡通实验仪器有限公司；醒发箱,广州三麦机械设备有限公司；TA动态流变仪,英国仪器公司；冷冻切片机(CM1520),德国莱卡公司；Eclipse Ti-S荧光显微镜,日本尼康株式会社。

1.3 方法

1.3.1 重组混合粉的制备

为了模拟小麦面粉中面筋蛋白的含量并消除谷朊粉生产过程中面筋蛋白的损耗，试样混合粉中添加量均为粉总量的15%。参考EDITH等[18]方法并加以修改，分别将15%谷朊粉、85%淀粉(干基)在环境温度(22±3) ℃下混合均匀，并收集混合粉样品于干燥器中备用。

1.3.2 面团的制作

通过预实验确定了各混合粉面团的最佳吸水率，按照大米、玉米、小麦、青稞、红薯、豌豆和土豆淀粉重组粉的吸水率(分别为75、60、51、60、60、62和59 mL/100g)用粉质仪的和面室制备面团。将制备好的大米、玉米、小麦、青稞、红薯、豌豆和土豆淀粉重组面团依次编号为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 不同重组粉面团的动态流变学特性测定

用剪刀剪取20 g面团搓条，切取约5 mm长的圆柱(直径10 mm)进行测定。测试探头直径为25 mm，两平板的间距为2 mm，夹具边缘涂上硅油，防止水分挥发。测定程序及条件参考文献[6,8,19]并加以修改。探头下压后统一将样品在25 ℃条件下平衡3 min，恢复样品因探头挤压产生的形变。

动态应力扫描：频率10.0 rad/s，应力0.01%～10%。测定样品的弹性模量(storage modulus，G′)、黏性模量(loss modulus，G″)随应力变化的曲线。

频率扫描测试：应变振幅0.05%，温度25 ℃，频率0.1～20 Hz。测试得到样品的G′、G″与损耗角正切值(Tanδ=G″/G′)随着频率的变化曲线。

温度扫描测试：样品以5 ℃/min从25 ℃升温至95 ℃，频率1 Hz，应变振幅0.05%。记录样品的相关模量随温度的变化。

蠕变-恢复扫描测定：恒定压力100 Pa扫描5 min后，撤掉应力观察6 min内样品的应力恢复。

1.3.4 不同重组粉面团的微观结构测定

取10 g面团置于-20 ℃冰箱冷冻24 h后，利用冷冻切片机切成10～15 μm的透明薄片，置于载玻片上在避光条件下用罗丹明b(1 mg/100 mL)染色10 min后，在荧光显微镜下进行观察(目镜10×，物镜20×)。

2 结果与分析

2.1 不同重组粉面团的动态应力扫描

不同来源淀粉与谷朊粉的重组粉面团的流变特性由黏弹性变化决定。G′和G″分别是描述试样弹性和黏性的参数，数值越大表示面团弹性或黏性越大。小振荡频率扫描需要在不剧烈破坏试样原有的流动状态下研究其内部结构和性质。因此，通过应变扫描试验确定重组粉面团的线性黏弹区(linear viscoelastic region，LVR)，如图1所示。

图1 不同重组粉面团在恒定频率下弹性模量G′(a)和
黏性模量G″(b)的应力扫描曲线
Fig.1 Plots ofG′ (a) andG″ (b) versus strain for doughs
with different reconstituted flour

动态应力对弹性模量(G′)的破坏高于黏性模量(G″)，动态应力增加到0.05%时，红薯和豌豆重组粉面团的G′下降的幅度略高于另外5组，说明这2种重组粉面团的面筋网络结构较其他重组粉面团的弱，在较低的应力作用下面团的内部结构开始被破坏。而青稞和豌豆重组粉面团的G″，在动态应力增加到0.4%时，最先出现下降的趋势。先前的研究表明小麦粉面团的LVR较小，通常小于0.1%[20]，与本文中的结果类似。为了在后续研究中保证面团的内部结构不被外加应力破坏，选取0.05%为动态频率扫描的恒定应变值。

2.2 不同重组粉面团的动态频率扫描

图2显示了不同重组粉面团体系的动态黏弹行为，G′和G″随着角频率(ω)的增加而增加，呈先快后慢，最后趋于平稳的趋势，且面团的G′大于G″，表明各面团的半固体偏弹性性质。由图2-a可知，大米重组粉面团的G′在测试角频率范围内最大，红薯、土豆、豌豆、小麦、玉米和青稞淀粉重组面团依次减小。HUANG等[13]指出由较小淀粉颗粒组成的复配面粉制成的面团表现出较低的弹性，因为在面筋网络中淀粉颗粒更密集的包裹使面团片中的可延伸空间变少。由图5可知，颗粒在20 μm左右且大小比较均匀的青稞、小麦和玉米淀粉颗粒与面筋蛋白形成的结构更加致密，淀粉颗粒较大的豌豆和土豆与面筋蛋白形成的面团内部可延伸空间较大。大米面团中则有较多的面筋蛋白聚集成块，粒径只有几微米的大米淀粉颗粒对面筋网络的聚集并没有较大影响。因此，大米重组粉面团表现出最高的弹性模量值。

图2 不同重组粉面团的弹性模量G′(a)和黏性模量
G″(b)随角频率ω变化曲线
Fig.2 Plots ofG′ (a) andG″ (b) versusωfor doughs
with different reconstituted flour

参考WONWOO等[14]将动态流变学数据中的G′和G″随ω的变化规律用Power-law方程G′=K′·ωn′和G″=K″·ωn″拟合，其中K′、K″是稠度指数(Pa·sn)，n是流动特性指数。方程拟合结果如表1所示。所有数据对Power-law方程的拟合度良好(G′、G″的R2分别为0.997～0.999、0.942～0.993)，重组粉面团的稠度指数K′的数值均比K″高，n″数值均比n′高。其中，大米重组粉面团的K′、K″值最高，n′、n″值最低，表明大米重组粉面团的流动性最差，面团强度最大，黏性较差。玉米重组粉面团的n″值较大，n′值较小，稠度指数整体偏小，表明该面团的黏性较好，弹性较差。小麦重组粉面团的流动指数和稠度指数大小适中，面团整体表现的性质较好，黏弹性适中。青稞和红薯重组粉面团的流动指数相近，二者的流动性好，但是稠度指数红薯大于青稞，表明前者的黏性更好，后者质地更硬。豌豆重组粉面团的流动指数和稠度指数与小麦面团类似，但在流动性上较差，面团整体比小麦面团强度大。土豆重组粉面团的n′值最高，n″、K′和K″值较高，表明土豆面团的弹性好，黏性和流动性较好。通常，对于有水存在的淀粉基质类的物质，淀粉与水作用后，淀粉颗粒会发生溶胀，膨胀的颗粒会分散在连续的直链淀粉基质中[21]。GERMAN等[22]也指出，淀粉中的直链和支链淀粉对水的亲和能力存在差异，连续相中直链淀粉的浓度增加，体系会显示出强烈的黏弹性行为。所以不同重组粉面团的黏弹性质差异可能很大程度上受到不同淀粉颗粒中的直、支链淀粉含量的影响。

表1 不同重组粉面团的G′、G″对角频率的Power-law方程拟合结果参数

2.3 不同重组粉面团的动态温度扫描

重组粉面团中的淀粉糊化过程可以通过动态模量监测。图3反映了不同种类重组粉面团的G′(a)、G″(b)和Tanδ(c)随温度变化的情况。损耗因子(Tanδ)是G″和G′的比值，它的数值越大表示面团的黏度越大，越小表示面团弹性越大。图3所有重组粉面团的Tanδ<1，G′>G″，表明在试样面团中弹性比黏性占优势。在25～50 ℃范围内，Tanδ值基本维持稳定，表明在开始的升温阶段，所有试样面团的黏性和弹性模量变化趋势一致，由图3-a和图3-b可知，除了青稞混合粉面团，其他混合粉面团的G′和G″都呈降低趋势。有研究[23-24]认为该过程黏弹性模量降低是因为面粉中的淀粉酶分解破损淀粉，释放了面团体系内原本被吸附的水分子，从而弱化了体系内的相互作用力，导致面团的黏弹性降低。当温度逐渐升高，试样面团开始糊化，体系内淀粉颗粒开始溶胀，蛋白质发生变性，G′和G″值也逐渐增大，在50～80 ℃范围内，各面团的G′和G″值相继出现峰值。YOON等[25]用G′-T曲线中最低点后出现的峰值对应的温度表示面团的糊化温度，根据此方法得出，大米、玉米、小麦、青稞、红薯、豌豆和土豆重组粉面团的糊化温度分别为72.5、77.5、67.5、67.5、75、65和65 ℃。但是随着温度的进一步升高，面筋网络结构逐渐被破坏，淀粉颗粒溶胀后，直链淀粉不断溶出，仍在继续吸水膨胀的淀粉颗粒体积膨胀到一定限度后，会出现破裂现象，颗粒内的淀粉分子各向扩散，导致面团黏弹性模量显著下降[26]。

图3 不同重组粉面团的G′(a)、G″(b)和Tanδ(c)随温度变化曲线
Fig.3 Temperature dependence ofG′(a),G″(b) and Tanδ(c) of doughs with different reconstituted flour

2.4 不同重组粉面团的蠕变-恢复特性的影响

由图4面团的蠕变-恢复曲线可知，不同淀粉与谷朊粉重组粉面团体系的形变与应力变化不是线性关系，体现的是黏弹体的应力松弛变化。作为典型的高分子聚合物组成的复合体系，面团内部的分子链链段运动可产生较大的形变量，主要分为2个阶段：一是由瞬时弹性、延迟弹性和黏性变形组成的恒定应力下的蠕变阶段；二是由瞬时弹性恢复和延迟弹性恢复组成的恢复阶段[27]。第一阶段的蠕变与时间无关，主要是由于键长和键角的改变。此时段不同结构的淀粉颗粒与面筋蛋白网络结合所形成的复合物不同，面团的瞬间形变表现出较大差别。其中青稞淀粉重组面团的形变最为剧烈，之后依次是土豆、小麦、玉米团、红薯和豌豆淀粉重组面团，大米淀粉重组面团形变最小。该变化趋势表明大米淀粉与面筋蛋白结合后形成的网络结构抵抗外界形变的能力最强，结合图5-a可知，小颗粒的大米淀粉被包裹在面筋蛋白块中，面筋块之间再不断黏合堆积。而图5-d中青稞淀粉在面筋网络中穿插和黏附效果良好，在面筋网络发生小形变时，淀粉刚好填充了网络间的空隙，使得面筋网络的形变效果更好。第二阶段的形变主要是因为链段运动，变化先快后慢，最后逐渐趋于一个稳定值。但是，因为已经缠结的淀粉和面筋蛋白不能再完全分开，所以形变不会松弛到零。ONYANGO等[28]认为该阶段的形变是因为分子键的定位与再定位。由图4曲线可知，恢复阶段的各个面团恢复到最小形变的时间与蠕变阶段的形变能力相一致，形变最小的大米面团相应的恢复到最小形变的时间最短，松弛后的形变量也越接近最初的状态，而形变量大的青稞面团、土豆面团、小麦面团、玉米面团和红薯面团在扫描600 s后仍未达到较为平稳的状态，还在随着时间的增加而逐渐降低。恢复阶段的瞬时弹性恢复阶段反映应力松弛的过程。在延弹性恢复阶段，各个面团的恢复时长的差别与面团内部的结构有关。

图4 不同重组粉面团的蠕变-恢复曲线
Fig.4 Creep recovery curves for doughs with
different reconstituted flour

2.5 不同重组粉面团的微观结构

动态流变学特性与重组粉中各成分的分布和相互作用方式密切相关。此外，面团是在水的作用下淀粉穿插在面筋网络的结构中形成，连续的蛋白质网络结构对面团的黏弹性质至关重要[16]，所以不同种类淀粉与面筋蛋白作用形成的面筋网络结构的好坏会直接影响面团的黏弹性。因此，观察面团的微观结构有助于进一步分析不同淀粉在重组粉面团中的作用方式。

利用荧光显微镜观察到不同重组粉面团的微观结构，如图5所示。染色剂与面筋蛋白作用后，在激光的作用下发出荧光，从而观察到较为清晰的淀粉与面筋蛋白相互结合的图像。由图5可知，大米淀粉颗粒较小，有较多面筋蛋白聚集成块，同时大米淀粉颗粒也在面筋蛋白的作用下黏连成片。玉米重组粉面团的面筋网络结构连续且紧密，淀粉颗粒被有效包裹在面筋结构中。小麦和青稞重组粉面团的面筋蛋白与淀粉形成的包裹紧密，大小适中且均匀，淀粉颗粒都较好地穿插在面筋网络中。红薯、马铃薯和豌豆面团的面筋结构也比较连续，但没有被包裹的淀粉颗粒数量较其他重组粉面团多，因此大颗粒之间形成的网络结构为面筋蛋白的延伸提供更大的可能。

图5 不同重组粉面团的微观结构
Fig.5 Microstructures of doughs with different reconstitute flour

3 结论

不同种类淀粉与面筋蛋白形成的共混体系的动态流变特性和微观结构各有差别。动态流变结果具有：应力对重组粉面团的G′破坏大于G″，各面团具有半固体偏弹性性质。大米淀粉重组面团的强度最大，黏性较差，流动性最差，抗形变能力最好，面团糊化温度为72.5 ℃。玉米淀粉重组面团，稠度指数整体偏小，面团的黏性较好，弹性较差，面团糊化温度最高(77.5 ℃)。小麦淀粉重组面团的整体性质较好，黏弹性适中，面团糊化温度为67.5 ℃。青稞和红薯淀粉重组面团的流动性相似，但青稞面团的黏性和形变能力更大，红薯面团质地更硬，面团糊化温度分别是67.5和75 ℃。豌豆淀粉重组面团与小麦相比，流动性较差，面团强度和抗形变能力较强，面团糊化温度为65 ℃。土豆淀粉重组面团的黏弹性好，流动性较好，形变能力较大，面团糊化温度为65 ℃。微观结构分析结果表明：大米面团内有较多的面筋蛋白块，淀粉颗粒的黏附效果较差；颗粒大小适中且均匀的淀粉在面筋网络中的穿插和被包裹效果好(如小麦、青稞和玉米面团)；颗粒较大的淀粉与面筋蛋白作用时，有更多的淀粉颗粒暴露在面筋结构外(如马铃薯、红薯和豌豆面团)。流变性质和微观结构上的差异表明不同淀粉对重组粉形成面团的作用效果不同，但是为了明确不同淀粉与面筋蛋白相互作用的机理，还需要进一步分析不同淀粉的理化性质对重组粉面团的结构特性的影响。