基于DMA和DSC分析技术研究马铃薯泥面条特性

范莹莹，李家寅，庞凌云，张笑笑，李 瑜*

（河南农业大学食品科学技术学院，郑州 450002）

马铃薯，其营养价值丰富，是发达国家一种主要食物，是仅次于小麦、水稻、玉米的第四大农作物，在我国产量也很高[1]，其制品薯条、薯片等深受人们喜爱。随着近年来马铃薯主粮化战略的实施，马铃薯在面制品中的使用也越来越多，马铃薯泥面条就是其中之一。通过张笑笑[2]、蒲华寅[3]等人的研究，马铃薯泥面条工艺方面的研究已经很完善，但对于面条的形成机理方面的研究还很少。

本研究主要利用动态力学分析技术、差示量热扫描法来研究马铃薯泥面条的形成机理。

动态力学分析（DMA）是研究材料力学性能的重要手段[4]。动态力学分析仪也可用于食品流变学性质的研究，从而用流变学理论解释食品在加工过程中所发生的变化。 Kim Y[5]、王远辉[6]、张克[7-8]、冯蕾[9]等人，利用动态力学分析技术研究面制品的内部机理和品质，但国内外相关的文献仍然不多。差示量热扫描（DSC）是目前表征聚合物结构中水分存在状态的经典方法[4]。刘锐[10]利用差示量热扫描来判断面团、面条中水分的存在状态，中南林业科技周文化[11]等人更是发明出一个专利，一种使用差示量热扫描仪检测鲜湿面老化度的方法。因此，可以用差示量热扫描来分析马铃薯泥面条面团的水分状态。通过研究马铃薯泥面条的动态力学性能、水分状态以达到探讨其形成机理的目的，进而为马铃薯泥的开发与利用提供理论基础和参考。

1 材料与方法

1.1 主要实验材料

雪健麦芯雪花粉：河南省雪健实业有限公司；马铃薯：市售；加碘精纯盐:河南省盐业总公司。

1.2 主要仪器与设备

B5A多功能搅拌机，广州市威万实业有限公司；DHG-9143BS-Ⅲ电热恒温鼓风干燥箱，上海新苗医疗器械制造有限公司；JMTD 168/140实验面条机，北京东孚久恒仪器技术有限公司；JA6102电子天平，上海精天电子仪器厂；DMA-Q800型动态力学分析仪，美国TA仪器；Q200型差示扫描量热仪，美国TA仪器公司。

1.3 试验方法

1.3.1 马铃薯泥面条的制备工艺流程

将称量好的原辅料混合均匀置于和面机中，加入蒸馏水，控制面团含水率为35%，启动和面机，搅拌15 min，将上述食材混合均匀，将制成的面絮静置15 min，轧延4次，最终制成1 mm厚、3 mm宽、220 mm长的面条备用。

1.3.2 不同马铃薯泥添加量的面条制备

取0.6%的食盐和200 g面粉混合均匀置于和面机中，再分别按面粉质量的25%、30%、35%、40%、45%和55%添加马铃薯泥（以下同），加入蒸馏水，控制面团最终含水率为35%，按上述面条工艺制备面条。

1.3.3 不同食盐添加量的马铃薯泥面条制备

按面粉质量的40%加入土豆泥、10%的水，分别取面粉质量的0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%的食盐（以下同）加入面粉中，按上述面条工艺制备面条，同时做空白对照。

1.3.4 不同水添加量的马铃薯泥面条制备

在含40%的土豆泥、0.6%食盐的混合粉中，分别加入面粉质量8%、12%、16%、20%的蒸馏水 （以下同），按上述面条工艺加工面条。

1.3.5 马铃薯泥面条的DMA测定

参考冯蕾等人的方法[9]对马铃薯泥面条进行温度变化测定[12]，略有改动。温度变化范围为-20℃至40℃，升温速率为2℃/min，测定振幅为5 μm，频率变化为5 Hz。所得鲜湿面条的动态力学性质用G'和G"表示。

1.3.6 马铃薯泥面条的DSC分析

精确称取马铃薯泥面条鲜湿面条10±0.02 mg，参照刘锐，武亮等人的方法[4]进行测定。

2 结果分析

2.1 马铃薯泥添加量对面条动态力学性质的影响

动态力学分析仪用储能(弹性)模量和损耗(黏性)模量表示力学性能。由图1、图2可知：随着温度的升高，不同马铃薯泥添加量面条的储能模量和损耗模量总体呈先上升再下降的趋势。储能（弹性）模量（G'）与样品负载能力有关，反映样品黏弹性部分中的弹性成分，即样品的刚度；损耗 (黏性）模量（G''），其与样品随着温度变化所消耗能量成正比，反映样品黏弹性中的黏性成分，即样品的柔度[13-14]。对于不同添加量的马铃薯泥面条，在升温的过程中，马铃薯泥添加量为40%时，马铃薯面条的储模能量值最大，即刚度最强；马铃薯泥添加量为25%时，马铃薯面条的损耗模量值最高，即柔度最强。

图1 不同马铃薯泥添加量面条的储能模量-温度曲线

图2 不同马铃薯泥添加量面条的损耗模量-温度曲线

Harris[15]认为这是由于马铃薯中含有丰富的纤维素和果胶。纤维素可以吸水，增加面粉的吸水率，促进蛋白质形成面筋网络；且果胶利用其凝胶和乳化稳定作用[16]，使马铃薯泥和面粉充分混合；且马铃薯中含有大量的磷酸酯，其以共价键与淀粉结合，影响马铃薯淀粉的吸水膨胀性、抗淀粉酶水解能力及淀粉糊稳定性，导致马铃薯面条储能模量和损耗模量逐渐增高。然而马铃薯中含有较多的淀粉，不含面筋蛋白，马铃薯泥的加入，降低了面团中的面筋蛋白的含量，使面条的面筋网络结构弱化，在一定程度上破坏了面筋的网络结构，导致马铃薯面条储能模量和损耗模量的降低。这和Abdel-Aal等人[17-20]的研究结果一致。

2.2 马铃薯泥添加量对可冻结水含量与冰晶融化温度范围的影响

马铃薯泥添加量制作成的鲜湿面条中水分融化焓变、可冻结水和非冻结水含量测定结果如表1所示。由表1可知，马铃薯泥的添加量对面条的水分融化焓变、可冻结水含量和非冻结水含量具有显著性影响（p<0.05）。随着马铃薯泥添加量的增加,可冻结水的含量和吸热焓变值都呈先上升、后下降的趋势，非冻结水含量的变化规律正好与之相反，且添加35%马铃薯面条的可冻结水含量显著地高于其它实验组。在马铃薯泥添加量增加到35%的过程中，面团中面筋蛋白的含量是影响非冻结水含量的主导因素，马铃薯泥成分中支链淀粉含量较多而不含面筋蛋白[19]；面团中面筋蛋白所占的比例逐渐减少，所以非冻结水含量逐渐减少。马铃薯泥添加量由35%增加到55%时,此阶段因为马铃薯中支链淀粉含量较大[20]，煮制糊化时含有大量水分是影响非冻结水含量的主要因素。

表1 马铃薯泥添加量对面团吸热焓变、可冻结水含量、非冻结水含量的影响

由表2可知，随着马铃薯泥添加量的增多，融化起始点与融化温度范围逐渐上升而后又逐渐减小。据研究称冰晶融化起始点低，冰晶颗粒越小，冰晶融化范围越窄，冰晶颗粒越均匀[21]，对面筋结构的破坏作用就越小。非冻结水含量降低时，越来越少的水被结合在蛋白质网络结构中，此时冰晶融化起始点与融化温度范围增大；逐渐增多时，支链淀粉结合的非冻结水分多，此时冰晶融化起始点与融化温度范围减小。

表2 马铃薯泥添加量对冰晶融化特性的影响

2.3 水添加量对面条动态力学性质的影响

由图3、图4可知，对于不同水含量的马铃薯面条，在相同的温度下，随着水含量的增加，面条的储能模量和损耗模量均呈现增大趋势，即表明面条的刚度和柔性均逐渐升高。面筋蛋白与水接触才能使面筋蛋白发生作用，形成面筋网络；面团中水越多，面团的黏性会增大[22]，导致随着水添加量的增多马铃薯面条的储能模量和损耗模量增加。

图3 不同水添加量马铃薯面条的储能模量-温度曲线

图4 不同水添加量马铃薯面条的损耗模量-温度曲线

2.4 水添加量对可冻结水含量与冰晶融化温度范围的影响

由表3可知，随着水添加量的增加，马铃薯泥面条的吸热焓变值和可冻结水含量均呈现出先下降、后上升的趋势，非冻结水含量呈现出上升的趋势。这是因为水的量增加，能有越来越多的水分与面粉中的面筋蛋白形成面筋网络结构，所以非冻结水的比例增加。水分分布、含量及与其它成分的结合程度对面团外观和内在结构及制品质量有重要影响[23-24]。

表3 水添加量对面条吸热焓变、可冻结水含量、非冻结水含量的影响

由表4可知，随着水添加量的增多，融化起始点与融化温度范围先减少、后增加，这与表3中可冻结水百分比保持一致。在水的添加量在8%～12%时，面筋蛋白结合的水较多，能使在总含水率增多的情况下，使可冻结水减少。其融化起始点与融化温度范围逐渐减小。在水的添加量由16%增加到20%的过程中，面筋蛋白结合水逐渐饱和，在总含水率增多的情况下，可冻结水逐渐增多，其融化起始点与融化温度范围逐渐增大。

表4 水添加量对冰晶融化特性的影响

2.5 食盐添加量对面条动态力学性质的影响

由图5、图6可知，对于不同食盐含量的马铃薯面条，在相同的温度下，随着食盐含量的增加，面条的储能模量和损耗模量均呈现先增大、再减小趋势，即表明面条的刚度和柔性先升高、再逐渐减小。盐对面制品品质的影响主要是通过盐浓度以及蛋白疏水反应来实现的，盐能够收敛面粉的面筋结构从而改良面条的品质，促使面条筋力增强；此外，面团中的食盐的存在，能减缓面条的干燥进程，避免出现断条现象，导致马铃薯面条储能模量和损耗模量逐渐增加。随着食盐含量的增加，面条吸水率降低，且高浓度的食盐阻碍了面筋蛋白的吸水膨胀，导致马铃薯面条的储能模量和损耗模量降低。

图5 不同食盐添加量马铃薯面条的储能模量-温度曲线

图6 不同食盐添加量马铃薯面条的损耗模量-温度曲线

由图可知，在-20～40℃的温度范围内，随着温度的升高，不同食盐添加量的马铃薯面条储能模量呈现先增高再逐渐降低的趋势，即表明面条的刚度先增强再逐渐降低；不同食盐添加量的马铃薯泥面条损耗模量总体呈下降趋势，即表明面条柔度均逐渐下降。图5中温度在-20～-10℃时，面条储能模量增加。在由室温降低至-20℃的过程中，重结晶现象使面条中的面筋结构发生了变化，导致马铃薯面条储能模量和损耗模量增加。由低温到高温的变化过程中，蛋白质和淀粉之间存在的相互作用增强，黏度降低，导致马铃薯面条储能模量和损耗模量降低。

2.6 食盐添加量对可冻结水含量与冰晶融化温度范围的影响

由表5可知，随着食盐的添加量的增多，在0.8%时非冻结水所占的百分比最小，在0.8%～1%时，非冻结水所占百分比增加。这可能是因为食盐添加到面条中，可以使面筋网络结构紧缩，面筋质地变硬，其中包埋的马铃薯泥糊化的淀粉颗粒减少，水分被排挤出去。而过量地添加食盐，会破坏二硫键，使其变成游离巯基，结构松散，其承载的马铃薯泥糊化的淀粉颗粒与水分增多，所以在1%的添加量时非冻结水含量较0.8%时增多。

表5 食盐添加量对面团吸热焓变、可冻结水含量、非冻结水含量的影响

由表6可知，随着食盐添加量的增多，其融化起始点与融化温度范围整体大致呈先上升、后下降的趋势。这与表5中得到的可冻结水百分比趋势大致相同。可冻结水百分比大时，存在于面筋网络结构外的水分较多，其融化时融化起始点高、融化温度范围高；在盐的添加量为0.6%～1.0%时与此相反。

表6 食盐添加量对冰晶融化特性的影响

3 结论

本试验探究了马铃薯泥、水、食盐的添加量对马铃薯泥面条形成机理的影响。结果表明：马铃薯泥的添加，降低了面团内面筋蛋白的质量百分比，在一定程度上妨碍了面筋的延展，故而马铃薯泥面条的非冻结水含量增加，弹性和黏性下降，即降低面条的劲性，但添加少量时影响不大；随着水添加量的增加，马铃薯泥面条中的非冻结水含量增加，使面条中的面筋蛋白较好地与水接触，并发生反应，促进了面筋的形成，增加了面条的弹性和粘性；随着食盐添加量的增加，G'、G''均先增大、后减小。食盐添加量0.6%为其分界值，也就表明此时马铃薯泥面条的刚性和柔性达到最大。

采用DMA和DSC分析技术，对马铃薯泥面条的热力学性质和水分状态进行研究，是马铃薯泥面条形成机理的重要研究内容，为马铃薯主食的开发利用提供理论基础和参考。