瓜尔豆胶对马铃薯小麦混合粉面团质构和流变特性的影响

(宁夏大学农学院,宁夏银川 750021)

马铃薯是世界第四大粮食作物,仅次于水稻、小麦和玉米[1]。马铃薯块茎是全球公认的全营养食品,富含人体所需的碳水化合物、蛋白质、膳食纤维、维生素及矿物质等营养素。其中,马铃薯含有的蛋白质为完全蛋白,具有人体所必需的18种氨基酸,氨基酸的含量和比例也符合人体所需,而且赖氨酸含量丰富,能够与大米、小麦等主粮互补[2]。2015年,农业部启动马铃薯主粮化发展战略[3],国内对于马铃薯全粉的需求量增大。与小麦粉相比,马铃薯全粉具有水分含量低、耐储存、营养价值高等优点,缺点是马铃薯全粉中淀粉成分主要为支链淀粉,不含面筋蛋白,无法形成具有粘弹性的网络结构,降低了面团的加工特性[4]。马铃薯全粉与小麦粉混合使用可以实现营养和加工性能互补,尤其是制作各类主食加工食品[5]。姚佳[6]在小麦粉中添加了20%的马铃薯全粉制得形状完整,柔软有弹性,咀嚼口感好的马铃薯营养馒头。杨健[7]研究表明,马铃薯全粉添加量在35%时,混合面团几乎不能形成整片的面筋膜,面筋结构遭到严重破坏,加水后面絮松散易流失,面团易反水发黏。这些文献表明在马铃薯全粉添加量较少时,可增加混合面团营养成分和风味物质,但随着马铃薯全粉添加量的上升,所得混合面团存在成形难、品质差等问题。

相关研究表明,在混合面团中加入改良剂,能有效改善面团的质构特性和流变特性。刘颖[8]研究表明,马铃薯全粉与小麦粉混合后,所制面团特性明显变差,加工性能下降;添加阿拉伯胶和葡萄糖氧化酶的面团结构紧密,淀粉颗粒被牢牢包裹;添加木聚糖酶的面团面筋网络结构中的孔洞增多,面团加工性能得到提高。周玉洁[9]研究表明,添加瓜尔豆胶后的锥栗淀粉溶液具有剪切变稀现象,属于假塑性流体,随着角频率的增加,面团的弹性模量和黏性模量也增大。刘敏[10]研究表明,添加不同比例的黄原胶使莲藕淀粉糊的剪切应力不同程度降低,加入黄原胶后的淀粉糊仍为假塑性流体,但是具有更好的增稠作用。

目前,国内外关于改良剂对混合面团的研究已有很多,但有关亲水胶体对于马铃薯-小麦混合粉面团质构和流变特性系统的报道较为鲜见。瓜尔豆胶是一种典型的亲水性胶体,具有很强的增稠效果,可使面团柔韧,切割时面条不易断裂,可增加面条的韧性。因瓜尔豆胶是天然胶,不同于CMC羧甲基纤维素含有不良化学物质,而且黏度比CMC高,所以使用量较少,可使产品品质提高而降低成本。面团的形成是制作马铃薯主食的关键,加入瓜尔豆胶可提高面团的吸水性和持水性,解决高配比马铃薯面团难形成问题。因此,本文使用质构仪和流变仪,探究瓜尔豆胶对马铃薯-小麦混合粉面团质构特性和流变特性的影响,确定瓜尔豆胶在马铃薯-小麦混合粉面团中最适添加量,以期为开发基于马铃薯-小麦混合粉的主食产品提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

马铃薯全粉 临洮三江马铃薯制品(集团)有限责任公司;高筋小麦粉(每100 g小麦粉含蛋白质11.5 g、脂肪1.0 g、碳水化合物74.0 g) 宁夏塞北雪面粉有限公司;瓜尔豆胶 北京瓜尔润科技股份有限公司。

TA-XT plus质构分析仪 英国Stable Micro Systems有限公司;HR-1 Discovery流变仪 美国TA公司;AB104-N型分析天平 梅特勒-托利多(上海)制造。

1.2 实验方法

1.2.1 对照组面团的制备 称取130 g高筋小麦粉和70 g马铃薯全粉(马铃薯全粉占总质量分数35%),加入80%(以马铃薯全粉和小麦粉总质量计)的水,和面5 min,混合均匀直至无生粉夹杂,置于室温下醒发30 min,将醒发好的面团用保鲜袋密封。

1.2.2 不同比例瓜尔豆胶混合面团制备 称取130 g高筋小麦粉和70 g马铃薯全粉(马铃薯全粉占总质量分数35%),分别称取0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%(以马铃薯全粉和小麦粉总质量计)不同比例的瓜尔豆胶,加入到80%(以马铃薯全粉和小麦粉总质量计)的水中,使用搅拌器使胶体充分溶解分散,将胶体溶液加入到混合粉中,和面5 min,混合均匀直至无生粉夹杂,置于室温下醒发30 min,将醒发好的面团用保鲜袋密封。食品添加剂的用量范围参照GB 2760-2014《食品添加剂使用标准》[11]。

1.2.3 面团质构测定 取50 g醒发好的面团,制成4 cm×3 cm×3 cm的长方体,使用质构仪对面团进行TPA测试[12],每组样品测试3个面团。测定条件:选择TPA(texture profile analysis)测试程序,选择使用P/36R探头,测前速率为1.00 mm/s,测中速率1.00 mm/s,测后速率为2.00 mm/s,应变量为50%,触发力5 g。测量面团的硬度、弹性、咀嚼性和黏性。

1.2.4 面团拉伸特性测定 取30 g醒发好的面团,调节压面机的辊间距为2 mm,延压2次,最后制得长16 cm,宽2 cm,厚2 mm的面带,采用质构仪的面条拉伸程序测定面带的拉伸性质[13],每组样品测定5根面带,计算平均值。测定条件:选择Noodle tensile strength-NOO1 _ SPR. PRG测定程序,选择使用测前速度:1.00 mm/s,测试速度:1 mm/s,测后速度:2 mm/s,拉伸距离:50 mm,触发力5 g。测量面团的抗拉力和拉伸距离。

1.2.5 面团流变特性测定 取5 g醒发好的面团揉团放入流变仪进行测定,测试探头直径为40 mm,两平板的间距为3 mm,刮去多余的样品,在夹具边缘涂上二甲基硅油,防止水分挥发,减少试验误差。测定程序及条件参考[14-16]并加以修改。探头下压后统一将样品在25 ℃条件下平衡3 min,以排除面团中残余机械作用力对结果造成影响。

频率扫描测试:应力0.1%,温度 25 ℃,频率0.1～10 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。

蠕变—恢复扫描测定:恒定压力50 Pa扫描5 min后,撤掉应力观察6 min内样品的应力恢复。

稳态剪切扫描测试:恒定温度25 ℃,剪切速率变化范围0.01～10 s-1,观察在不同剪切力速率变化下面团黏度的变化。

1.3 数据处理

所有数据平行3次,结果以均值±标准方差(mean±SD)表示,根据Duncan多重检验法,利用SPSS 22软件(IBM 公司,USA)对数据进行方差分析(ANOVA),置信区间95%(P<0.05),使用Origin 2017软件进行绘图。

表1 不同比例瓜尔豆胶对面团质构特性影响(n=3)Table 1 Effect of different proportions of guar gum on texture properties of dough(n=3)

注：同列之间不同字母表示数据之间具有显著性差异(P<0.05)。表2同。

2 结果与分析

2.1 瓜尔豆胶对马铃薯-小麦混合粉面团质构影响

由表1可知,添加了瓜尔豆胶的的面团硬度要远小于对照组面团,原因是加入瓜尔豆胶后,增加了面团的吸水率,对面筋强度有弱化作用[17]。也有可能是因为面筋蛋白和淀粉颗粒的吸水溶胀受影响,在相同的和面时间下,无法形成与对照组相同面筋强度的面团,所以面团的硬度有所下降。王雨生[18]在面包的制作中也得出,加入瓜尔豆胶可降低面团的硬度。而随着瓜尔豆胶的添加量逐渐增大,面团的硬度出现先减小后增大的变化趋势,瓜尔豆胶添加量在0.6%时,面团硬度最小，为(2042.20±344.31) g,相比于对照组来说,下降了35%。原因可能是该添加量的瓜尔豆胶与淀粉分子形成复合物,不能很好的填充面团的面筋网络结构,使得面团的硬度减小[19]。当瓜尔豆胶添加量大于0.6%时,面团的硬度有所增大。可能是因为大于此添加量后,瓜尔豆胶吸水形成稳定的三维网状结构对面团的面筋结构有着补充作用。

对于面团的弹性,添加瓜尔豆胶后,面团并未出现显著性变化。

对于面团的咀嚼性,反应面团内部强度大小,随着瓜尔豆胶添加量逐渐增大,面团的咀嚼性出现与面团硬度相同的变化趋势,均为先减小后增大。瓜尔豆胶添加量在0.9%时,面团的咀嚼性开始增加,说明在此添加量下,瓜尔豆胶形成的胶体结构对面团内部结构有增强作用。当瓜尔豆胶添加量为1.5%时,面团的咀嚼性大于对照组,原因可能是瓜尔豆胶添加量过高,面团内部形成稳定的胶体结构,凝胶性更强,咀嚼性增加。

对于面团的黏性,添加瓜尔豆胶可提高面团的黏性,改良面团的黏性都高于对照组面团的黏性,并随着瓜尔豆胶添加量的增大,面团的黏性出现先增大后减小再增大的变化趋势。原因是瓜尔豆胶充分水化后,形成粘稠,滑腻的胶冻状的大分子物质,可以提高面团的黏度[20]。瓜尔豆胶添加量在0.9%时,面团的黏性与对照组相近。其他添加量所制得面团黏性都大于对照组。原因可能是在较低添加量情况下,瓜尔豆胶吸收大量水分,充分水化,提高了面团的黏度。添加量在0.9%时,瓜尔豆胶与面筋蛋白竞争吸收体系中的水分,导致黏度下降。而在添加量大于0.9%情况下,瓜尔豆胶吸收水分,与淀粉分子形成复合物凝胶性更强,具有较高的黏性。刘思琪[21]通过研究发现,随着瓜尔豆胶添加量增加,溶液的黏性呈现先减小后增大的趋势。

2.2 瓜尔豆胶对马铃薯-小麦混合粉面团的拉伸特性影响

由表2可知,随着瓜尔豆胶添加量的增加,面团的拉抗力先减小后增大,当瓜尔豆胶添加量为0.6%时,抗拉力最小。随着瓜尔豆胶的增加,面带的拉伸距离呈现先增大后减小的趋势,当瓜尔豆胶添加量为0.9%时,面带的拉伸距离达到最大值,原因可能是因为瓜尔豆胶与蛋白质相互作用形成网络结构,使面团的拉伸特性有所提高[22]。当瓜尔豆胶添加量为1.5%时,面团的抗拉力达到最大值,拉伸距离达到最小值。添加量过高,面团的品质有所下降,原因可能是瓜尔豆胶添加过多后,影响面团面筋网络吸水过程,面团没有形成足够强度的面筋,而且形成的面团凝胶性更强,所以抗拉力增大,拉伸距离减小。钱晶晶[22]探究了两种瓜尔豆胶对面条拉伸特性的影响,其中瓜尔豆胶G1与本实验结果一致。

表2 不同比例瓜尔豆胶对面团拉伸特性影响(n=3)Table 2 Effect of different proportions ofguar gum on tensile properties of dough(n=3)

2.3 瓜尔豆胶对马铃薯-小麦混合粉面团流变特性的影响

2.3.1 改良面团的动态频率扫描 采用流变仪动态震荡模式可测定面团的黏弹性。不同添加量瓜尔豆胶形成的面团弹性模量G′、黏性模量G″、损耗角正切值tanδ(G″/G′)随频率的变化曲线如图1所示。弹性模量表示物体受到力时,物体的形变程度。G′越大,物体受力形变程度越小。黏性模量表示受到力时,阻碍物质流动的特性,G″越大,物体不易流动[23]。tanδ是描述样品弹性与黏性特征相对大小的值,在一定范围内可以表示材料的状态。tanδ<1,物质趋向于凝胶或固体的性质;tanδ>1,物质趋向于流体或黏体的性质[24]。tanδ还可以用来描述面团体系中高聚物含量和聚合度,其值越小说明高聚物含量越多,聚合度越大[25]。

图1 不同瓜尔豆胶添加量面团频率扫描结果Fig.1 Scanning results of dough frequencywith different addition amount of guar gum

由图1a和图1b可知,随着频率的增加,面团的G′和G″也随之增大,且在整个频率扫描过程中,面团的G″均小于G′,二者之比tanδ均小于1(图1c),说明面团的黏弹性增加并更趋近于凝胶状态。可能是因为瓜尔豆胶充分水化后,通过主链之间氢键等非共价键的作用形成具有一定粘弹性的连续性的三维网络结构,这种结构类似与面筋网络结构的功能,可提高面团的黏弹性[26]。瓜尔豆胶添加量为0.6%时,面团的G′和G″最大(图1a、图1b),tanδ最小(图1c)。说明此添加量下面团的高聚物含量最多,聚合度最大,凝胶性质过强。添加量在0.9%时,面团的G′和G″与对照组最为接近(图1a、图1b),tanδ值比对照组小(图1c)。说明在此添加量下,面团的高聚物含量增多,聚合度增大,而且黏弹性适中,适合用于制作马铃薯主食产品。

2.3.2 改良面团蠕变-蠕变回复扫描 蠕变及蠕变回复扫描是以非破坏性手段测定黏弹性物质的黏性部分和弹性部分[27]。蠕变是保持应力不变的条件下,应变随时间延长而增加的现象。反应出材料内部结构强度大小。蠕变回复是除去施加的应力,在蠕变延伸的相反方向上应变随时间而减小的现象。反映了它内部结构抵抗滑移变形的能力[28]。

面团的蠕变及蠕变回复曲线由图2所示,在前300 s内,在保持50 Pa恒定压力下,面团的应变值逐渐增加,在后360 s撤去50 Pa的恒定压力,面团的应变值逐渐减小。在蠕变阶段,添加瓜尔豆胶的面团最大应变值都小于对照组,由于内部结构强度大的面团,抵抗形变的能力要大于结构强度较弱的面团。所以添加瓜尔豆胶可使面团内部强度增大,能更加有效抵御面团变形。在蠕变回复阶段,添加不同比例瓜尔豆胶的面团回复有差异性。瓜尔豆胶添加量0.9%时,面团在外力作用下应变量最小,变化的速率最慢,面团的蠕变回复率最大。说明在此添加量下,面团内部强度最大,受外力作用时,能有效抵御面团变形;撤去外力后,面团有很好的恢复力。此添加量对面团内部有良好改善作用,适合用于制作马铃薯主食产品。

图2 不同瓜尔豆胶添加量面团蠕变-蠕变回复扫描结果Fig.2 Creep and creep recovery scanning results ofdough with different guar gum content

蠕变柔量(Je)与样品的柔性相关,柔量大的样品其内部结构比较脆弱,反之柔量小的样品其内部结构较强或较为僵硬[29]。如图3所示,在50 Pa恒定压力蠕变阶段,添加瓜尔豆胶后的面团柔量都小于对照组,可以说明添加瓜尔豆胶后的面团其内部结构更加稳定。且添加量为0.9%时,面团柔量最小及面团内部结构最为稳定。如图4所示,撤去50 Pa的恒定压力蠕变回复阶段,瓜尔豆胶添加量为0.9%时,面团的可回复性柔量随时间增长达最大值,且回复速率最快。说明面团内部结构较强,回复能力强,面团蠕变性能改良较好。

图3 柔量变化图Fig.3 Changes in compliance

图4 可回复柔量变化图Fig.4 Changes in reply to compliance

2.3.3 改良面团稳态剪切扫描 根据物质的黏性流动行为,可将物质分为牛顿流体和非牛顿流体,前者黏度不受剪切速率变化而变化,是一条平行于剪切速率的直线。后者黏度受剪切速率的影响,呈现一种非线性的关系。如图5所示,面团黏度随剪切速率的增加而呈下降趋势,表明面团具有剪切稀化特性,属于非牛顿流体中的假塑性流体。出现这种现象的原因是面团形成一定的网络结构,阻碍了淀粉分子的趋向运动,在静止时阻碍内部流动,具有较强的黏性。当面团在剪切应力作用下时,分子顺着流动方向的取向,网络结构缠绕的链状分子被拉直、取向、解缠绕,从而降低黏度[30]。当剪切速率大于4 s-1,表观黏度趋于稳定值,这是因为剪切力作用使面团内部的网络结构发生重组或破坏,导致黏度变低。随着剪切速率继续增大,面团的内部的组织结构逐渐形成最佳取向,此后,继续增加剪切速率也不会发生剪切稀化[31]。由图5可知,加入瓜尔豆胶对于面团剪切力扫描结果影响不大,原因可能瓜尔豆胶溶于水后,形成的胶体物质也属于非牛顿流体。潘承慧[32]研究表明,瓜尔豆胶和果胶的复配溶液为非牛顿流体的假塑性流体。

图5 稳态剪切结果图Fig.5 Results of typical flow curve

3 结论

研究结果表明,添加瓜尔豆胶能有效降低马铃薯-小麦混合粉面团的硬度,改善面团的黏弹性和拉伸性。流变学测定可知,面团具有剪切稀化特性,属于非牛顿流体中的假塑性流体,当剪切速率大于4 s-1,表观黏度趋于稳定值。添加瓜尔豆胶可增大面团的G′、G″和高聚物含量,增强聚合度,使得面团内部强度增大。通过各方面综合比较,0.9%的瓜尔豆胶添加效果最佳,在此添加量的面团,硬度适宜,拉伸距离最大,G′和G″与对照组接近,黏弹性适中,柔量最小及面团内部结构最为稳定,能有效抵御外力产生的应变,且回复能力最强,适合用于制作马铃薯主食产品。