γ-聚谷氨酸对面条面团流变学特性和微观结构的影响

刘芳，皇高峰，王青，张继冉，徐淑霞，张世敏，吴坤

(河南农业大学 生命科学学院，河南 郑州，450002)

γ-聚谷氨酸(poly-γ-glutamic acid，γ-PGA)是一种天然的阴离子聚合物，由D-谷氨酸或者L-谷氨酸组成，每个氨基酸之间通过γ-酰胺键连接，由微生物发酵产生[1]。γ-PGA广泛应用于食品、药品、环境、农业等多个领域。在食品中添加γ-PGA可以遮掩氨基酸等引起的苦味[2]、减少豆腐脱水收缩[3]，可作为防冻剂应用到冷冻食品中[4]等。

在面制品中，γ-PGA可使面包质地膨松、改善挂面品质[5]、减少甜甜圈和油条对油脂的吸收[6]、降低速冻水饺结晶水含量[7]。本实验室在面筋和淀粉中分别添加γ-PGA，发现γ-PGA均能影响面筋和淀粉的原有特性。将γ-PGA 应用在小麦淀粉中，能够增强糊化后的淀粉结构稳定性，使淀粉溶解度升高并且起到延缓淀粉老化的作用[8]。将γ-PGA 应用到小麦面筋中，可以提高面筋的吸水率，增强泡沫的稳定性等[9]。目前，γ-PGA对面团影响的研究较少，其中一部分研究集中在γ-PGA对冷冻面团和发酵面团的影响，另一部分研究集中在γ-PGA对小麦面团经验流变学的影响。面团流变学是由经验流变学和基础流变学组成[10]，前人缺乏γ-PGA对面团基础流变学影响的研究，并且已报道的研究存在所使用γ-PGA的添加量(0.00%～0.50%)范围小，面团性质变化不明显和其作用机制不明确等问题。因此本文将从基础流变学、微观结构、糊化特性、水分分布等方面具体研究γ-PGA对面条面团中水分，蛋白和淀粉的作用机制，为γ-PGA在面条制品中的实际应用提供相应的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

小麦粉(水分13.9%，粗蛋白：14.32%，灰分0.86%，淀粉68.47%)，北京古船面粉厂提供；γ-PGA(分子质量101.86 kDa～235.55 kDa，纯度77.35%)，实验室自制；食盐，中盐国本盐业有限公司。

1.2 仪器与设备

JHMZ-200型针式和面机，北京东孚久恒仪器技术有限公司；JXFD-7醒发箱，北京东孚久恒仪器技术有限公司；TA-XT Plus质构仪，英国SMS公司；FLUOVIEWFV300激光扫描共聚焦显微镜，奥林巴斯(中国)有限公司；MARS 60高级旋转流变仪，HAAKE；MicroMR-CL-I变温型核磁共振食品农业成像分析仪，苏州(上海)纽迈电子科技有限公司；P/N7934070真空冷冻干燥机，照生有限公司；RVA-SM2快速黏度分析仪，波通瑞华科学仪器(北京)有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 面条面团的制备

为防止γ-PGA粉末直接添加到面粉中出现吸水结块现象，所以先将其制备成10%(质量分数)γ-PGA溶液。精确称取100 g面粉，以100 g面粉为基准，分别加入2%食盐，32%水和不同添加量的γ-PGA(0%、0.5%、0.75%、1.00%、1.25%、1.50%，质量分数)揉制10 min后，放置于恒温恒湿醒发箱中(30 ℃、相对湿度85%)静置醒发熟化5 min。面絮压延4次(直接压延1次，三折1次，两折1次，不折1次)后再在恒温恒湿醒发箱中(30 ℃、相对湿度85%)静置20 min[11]。

1.3.2 面条面团单轴拉伸测定

选用TA-XT Plus质构仪进行测定，参数设置：测前2.0 mm/s；测中3.3 mm/s；测后10.0 mm/s；测试距离50 mm；触发力5 g。每组样品重复3次[12]。

1.3.3 面条面团动态振荡特性分析(频率扫描)

将现制备的面片(2 mm)置于旋转流变仪测试平台(直径35 mm)上，设定压制后的面片厚度为1.5 mm，密封，在平行板上松弛5 min后测定面片的线性黏弹区，确定应力为50 Pa，温度设定为25 ℃，频率为 0.10～10.00 Hz[13]。

1.3.4 面条面团激光共聚焦扫描电镜分析

将制备好的面条面团置于-20 ℃冰箱过夜保存。用冷冻切片机将预冻的面团切片，薄片厚度设定为10 μm左右，随后放置于载玻片上，在室温下用配制好的混合染液(罗丹明B和FITC)对薄片进行染色，20 min后用蒸馏水轻轻冲洗掉多余染料，冲洗时间 1 min，然后使用激发氪激光照射。罗丹明B和FITC为2种荧光素，发射波长分别为570～620 nm和500～540 nm。每个样品制备3个薄片，每个薄片观测3次[14]。

1.3.5 面条面团粉RVA测定

将1.3.1制备好的面条面团冻干后，研磨成粉，其湿基含量为4%，RVA 参数设置按照国家标准GBT 24853—2010的操作规程，每个样品3次重复测定。

1.3.6 面条面团水分迁移测定

用LF-NMR(LF-nuclear magnetic resonance，LF-NMR)分析仪进行水分迁移研究。将每个样品放入直径为10 mm的玻璃管中，然后用封口膜覆盖。使用CPMG序列确定弛豫时间(T2)。T2值与水和底物的结合程度具有相关性。具体参数设置：回波个数Echo Count=3 000，回波时间Echo Time=0.1 ms，采样点数TD=99 998，采样频率SW=333.33 kHz，采样间隔时间TW=1 500.000 ms，累加次数NS=32。通过T2反演程序得出面条面团横向弛豫时间的反演谱图[15]。

表1 弛豫时间及其意义Table 1 Definition of relaxation time

1.3.7 鲜湿面条的制作

将1.3.1制备好的面条面团压至1 mm后，在恒温恒湿箱中(30 ℃、相对湿度85%)静置20 min后，切条，得到面条(厚1 mm，宽2 mm，长250 mm)。

1.3.8 鲜湿面条质构特性分析

将鲜湿面条煮制6 min，捞出，在装有蒸馏水的烧杯中冷却1 min后，捞出放置在纱布上待测，测试需在10 min内完成。使用Code HDP/PFS探头，同时对3根水平的面条进行测定。参数设定：测试模式Measure force in Compression；测前4 mm/s，测中1 mm/s，测后1 mm/s，压缩比70%，触发力5 g，2次压缩时间间隔5 s。

1.4 数据分析

使用Excel 2013软件整理分析数据，采用SPSS 21.0 软件在P<0.05水平上进行显著性分析，每个样品3次平行。

2 结果与分析

2.1 不同γ-PGA添加量对面条面团拉伸特性的影响

由图1可知，添加0.00%～1.50% γ-PGA，面条面团拉伸最大力和拉伸面积先增大后减小，当γ-PGA添加量为0.75%时，达到最大值，面条面团的抗拉伸性能最好。LINDSAY等提出的面筋蛋白结构模型(backbone)：麦谷蛋白起到支撑面筋网络的作用，而麦醇溶蛋白起到填充作用[16]，其中麦谷蛋白决定面筋的弹性和抗延伸性[17]。γ-PGA溶于水后形成了具有黏性的胶体，这种胶体可作为增稠剂，成膜剂等使用[18]。因此推测，当添加0.75% γ-PGA时，γ-PGA对麦谷蛋白的弱化作用较小，γ-PGA本身的黏性使得面条面团的抗拉伸性能增强，超过0.75%添加量时，γ-PGA对麦谷蛋白的弱化作用增强，筋力减弱显著，这种减弱作用远远大于γ-PGA本身的黏性对面条面团抗拉伸性能的增强作用，使得面条面团的抗拉伸性能降低。

图1 不同γ-PGA添加量对面条面团拉伸特性的影响Fig.1 Effect of different concentration of γ-PGA on the stretch properties of noodle dough注：不同小写字母表示具有显著性差异(P<0.05)

2.2 不同γ-PGA添加量对面条面团动态流变学性质的影响

以频率为1 Hz时面条面团的黏弹性作代表，由表2可知，γ-PGA添加量为0.75%时，损耗模量(G″)达到最大值，γ-PGA添加量为1.00%时，储能模量(G′)达到最小值。损耗模量(G″)和储能模量(G′)分别表征面条面团的黏性和弹性。0.75% γ-PGA添加量时，面条面团的黏性最大，1.00% γ-PGA添加量时，面条面团弹性最低，这与0.75% γ-PGA添加量抗拉伸性能最好相符(图1)。通过原始数据计算得出损耗因子(tanδ)，tanδ值为耗损模量(G″)与储能模量(G′)的比值，常用来表征面条面团体系中聚合物的含量和聚合度[19]。与空白相比，添加γ-PGA后面条面团G′值减小，tanδ值增大，说明γ-PGA会引起面条面团聚合物含量减少，聚合度变差[20]。

表2 不同γ-PGA添加量面条面团对黏弹性模量的影响(频率为1 Hz)Table 2 Effect of different γ-PGA additive noodle dough on viscoelastic characteristic parameters

2.3 不同γ-PGA添加量对面条面团微观结构的影响

面条面团的微观结构如图2所示，其中红色区域为面筋网络，绿色区域为淀粉颗粒，黑色区域为孔洞。本文为了便于观察，同一添加量的激光共聚焦图选择2种放大倍数。观察到蛋白网络环绕在淀粉颗粒周围，相互交联[21]。未添加γ-PGA的面条面团，小淀粉分布在大淀粉周围，整体分布致密而均匀。在添加γ-PGA后，淀粉颗粒间隙变大，淀粉颗粒膨大，淀粉结构被破坏，形状变得模糊。当添加量为1.00%～1.50%时，明显观察到淀粉颗粒呈不规则形态。

图2 不同添加量γ-PGA面条面团微观结构图Fig.2 Microstructure diagram of noodle dough with different additions γ-PGA

空白面条面团的面筋网络之间连接紧密，形成的孔洞分布均匀。添加量为0.50%～1.00%的面条面团，网络逐渐开始变得杂乱，气孔变大，面筋网络开始分散、聚团。尤其在添加量为0.75%时气孔最大，在添加量1.00%时，面筋网络出现片层，当添加量为1.25%～1.50%时，出现大量黑色区域，网络聚集程度变差，连接变弱。表明添加γ-PGA后面筋含量降低，面筋网络被严重破坏，变得稀松[22-23]。面筋网络主要由麦醇溶蛋白和麦谷蛋白组成[24]，因此推测，γ-PGA与麦醇溶蛋白和麦谷蛋白之间存在相互作用。

2.4 不同γ-PGA添加量对面条面团粉糊化特性的影响

不同γ-PGA添加量对面条面团粉糊化特征的影响如表3所示。

由表3可知，与对照相比，添加γ-PGA的面条面团粉的峰值黏度、衰减值、峰值时间下降，糊化温度则升高。糊化是在水分存在情况下，淀粉与水一起加热，通过一个不可逆的无序化转变，淀粉被破坏，形成一种黏性的糊状溶液[25]。峰值黏度下降主要是因为γ-PGA的羧基结构具有很强的亲水性，γ-PGA与水分子的结合能力强于淀粉分子与水分子的结合能力，淀粉体系中进入淀粉颗粒内部的水减少。而黏度的降低又会阻碍淀粉颗粒糊化，导致糊化温度升高[26]。衰减值越小，淀粉颗粒结构越稳定[27]。添加γ-PGA后衰减值变小，表明淀粉结构越来越稳定，从而防止淀粉颗粒在搅拌和加热过程中被破坏。随着γ-PGA添加量的增加，峰谷黏度和最终黏度先降低后上升。糊化后的淀粉进入降温阶段时，其直链淀粉聚集，形成空间结构，引起黏度回生。回生值越大，淀粉重新结晶的程度越大。γ-PGA添加量在1.00%～1.25%时回生值降低，说明γ-PGA对淀粉的重结晶具有一定的抑制作用[28]。

表3 不同添加量γ-PGA面条面团粉糊化特性的变化Table 3 Change in gelatinization properties of noodle dough flour added different concentration of γ-PGA

2.5 不同γ-PGA添加量对面条面团水分分布的影响

表为不同γ-PGA添加量对面条面团水分分布的影响。

由表4可知，在面条面团中存在3种水。弱结合水是面条面团中水分的主要存在形式，其次是结合水和自由水。T2值变小，说明水与底物的结合度越好[29]。面条面团T22值逐渐降低，0.50% γ-PGA添加量的面条面团T23值低于空白值，1.25%γ-PGA添加量的面条面团T23值高于空白值，T21值无显著性差异。表明添加γ-PGA后，面条面团对弱结合水的束缚力增强。γ-PGA会使面条面团中水分子的流动性增强，说明面条面团中水分子与面筋蛋白等其他面团组分的结合能力减弱。

表4 不同γ-PGA添加量对面条面团水分弛豫时间和峰面积比例的影响Table 4 Changes of transverse relaxation times and peak ratio of noodle dough with different concentration of γ-PGA

3种水峰面积的百分数代表不同形态水分的相对含量，用符号S21、S22、S23表示相对含量。S22的百分比最大，其次是S21，S23。γ-PGA添加量在0.75%～1.50%时，S21值变小，面条面团中结合水含量降低，S22值变大，其弱结合水含量升高。γ-PGA与蛋白质竞争与水的结合，导致结合水向弱结合水迁移[30]。

2.6 不同γ-PGA添加量对鲜湿面条质构特性的影响

质构分析通过模仿人的两次咀嚼动作，从而匹配出与人的感官评价相符的参数[31]。不同γ-PGA添加量对鲜湿面条条质结构性的影响如表5所示。

表5 不同γ-PGA添加量制作的鲜湿面条质构特性分析Table 5 Texture profile analyses of noodles with different concentration of γ-PGA

由表5可知，添加γ-PGA对面条的弹性无显著性影响，其他指标均存在显著影响。γ-PGA添加量为0.75%时，面条硬度下降，说明蛋白质构建的空间骨架变得不稳定[32]。在γ-PGA添加量为1.25%～1.50%时，面条硬度再次降低。随着γ-PGA添加量的增加，面条的黏聚性和咀嚼性先升高再降低，回复性逐渐下降。由此可见，添加0.75% γ-PGA制得的面条品质最佳。

3 结论

面条面团中水分主要以弱结合水形式存在，添加γ-PGA使面条面团对弱结合水的束缚力增强，提高了面条面团保水性，添加1.25% γ-PGA时其保水性最好，面条面团中结合水向弱结合水迁移，说明γ-PGA与蛋白和淀粉竞争水分，添加1.00% γ-PGA其竞争作用最强。这种竞争作用能引起淀粉颗粒内部含水量降低，使得淀粉黏度降低，糊化温度升高。根据对淀粉颗粒微观结构的观察发现，添加γ-PGA会使淀粉颗粒膨胀，直至淀粉颗粒形状改变，从而抑制淀粉回生，添加1.00%～1.25% γ-PGA回生值降低。根据对面筋网络微观结构的观察发现，γ-PGA导致蛋白网络疏松，因而面条面团的黏弹性降低，聚合度变差。由于γ-PGA溶液具有胶黏性，添加0.50%～0.75% γ-PGA对面条面团的弱化作用较小，反而会使面团的抗拉伸性能增强。γ-PGA添加量为0.75%时，面条面团的抗拉伸性能最好，且对面条面团的弱化作用适中，对其保水性和淀粉结构稳定性都有改善作用，并结合煮后面条硬度低，咀嚼性和黏聚性好，柔软而筋道，可选取0.75% γ-PGA作为面条制作最适添加量。