小米粉添加量对小麦面团热机械学和动态流变学特性的影响

刘鑫，陈金凤，徐晓琴，尤莺歌，张盛贵

(甘肃农业大学食品科学与工程学院，甘肃 兰州 730070)

谷子(Setariaitalica)，又称栗，属禾本科狗尾草属，原产于我国，是世界栽培历史最悠久的作物之一.小米是谷子籽粒脱皮后的产物[1].小米营养丰富，营养素比例适宜，主要含有碳水化合物、优质低过敏性蛋白质、氨基酸、维生素等[2]，并且小米营养成分均易于被人体吸收，消化率达90%以上，是一种具有独特保健作用的优质粮源和滋补佳品，一直受到人们的重视和喜爱[3].因此，被广泛应用于面制品加工中以提高营养价值.

面团热机械学特性属于面团的物理特性，它与加工过程中面团的滚揉、发酵以及机械加工直接相关，能够很好反映面粉的食品加工品质[4].由于小米中缺乏面筋蛋白[5]，小米粉不易形成坚固的网络结构，其产品组织结构和感官品质较差，多以小米粉配合小麦面粉制作产品.冯明会[5]等研究发现小米全粉添加丰富了混合粉营养成分,添加量对面团的形成时间、稳定时间影响较小,添加量越大,小米全粉对馒头的劣变作用越强,口感越差.田晓红等[7]研究发现小米混合粉的粉质特性在添加量30%～40%时，形成时间和稳定时间迅速降低，添加量在60%以下时，挂面的蒸煮品质比较好.杜文娟等[8]发现不同品种及其不同比例小米粉的添加，会使小米-小麦混合粉面团的粉质特性和拉伸特性随着小米粉添加量的增加均呈现下降趋势，但不同品种小米间没有明显差异；也有研究表明，不同处理(膨化和未膨化)的小米粉对小米-小麦混合粉面团粉质特性和糊化特性均有显著改善[9]；同时，添加魔芋粉等改良剂对纯小米粉面团稳定时间等各项流变学特性指标也有不同程度的提升[10].

前人的研究表明，小米粉的添加量对小米-小麦混合粉面团的加工特性有显著影响，对其混合粉机械学、热力学和流变学特性的联合研究少有报道，本研究将小米粉按不同比例添加到小麦粉中，分析小米粉替代对于小麦面团热机械学特性、动态流变学特性以及糊化特性的影响，由此确定最佳添加比例，为小米馒头的制作提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

小麦粉：嘉里粮油有限公司(蛋白质含量为11 g/100 g)；小米粉：谷子购于当地超市，粉碎后过100目筛.

1.2 主要仪器

万能高速粉碎机：浙江红景天工贸有限公司；电子天平(FA1104B):上海越平科学仪器有限公司；Mixolab 2混合实验仪：法国Chopin仪器公司；DHR-1流变仪，差示扫描量热仪DSC25：美国TA仪器公司.

1.3 试验方法

1.3.1 混合粉配制 小米粉粒径大小会影响面团及面制品品质.实验选择使用粒径为100目的小米粉来研究添加量对面团流变学特性的影响.采用粉碎机对小米研磨，过筛，取100目小米粉，分别以0%、10%、20%、30%、40%、100%的添加量加入小麦粉中，充分混匀制得混合粉，密封保存备用.

1.3.2 主要成分测定 水分含量测定，参照《食品安全国家标准食品中水分的测定 GB/T 5009.3-2016》；蛋白质含量测定，参照《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定 GB 5009.5-2016》；脂肪含量测定，参照《食品安全国家标准食品中脂肪的测定 GB 5009.6-2016》；淀粉含量测定，参照《食品安全国家标准食品中淀粉的测定 GB 5009.9-2016》.

1.3.3 面团热机械学特性测定 参照张慧娟等[11]的方法，运用Mixolab 2混合实验仪对面团的热机械学特性等进行研究，分析面团在加热冷却过程中蛋白质及淀粉的性质.设定面团的总质量为75 g，仪器根据设置好的Chopin+协议位置达到最佳稠度最大扭矩为(1.1±0.05)Nm的要求加入一定量的水.测试的初始温度30℃，保温8 min，再按照4 ℃/min的升温速度达到90℃，保温7 min，然后再以4 ℃/min的速度降温至50℃，整个过程持续45 min，搅拌速度始终为80 r/min.

1.3.4 面团动态流变学特性测定 参照Huang等[12-13]的方法并做了适当调整，利用Mixolab 2混合实验仪得到C1时的面团，用保鲜膜包裹好，室温松弛15 min后取适量面团放于DHR-1流变仪平台上，降下平板，切去多余的面团，用适量的矿物质油在面团边缘涂抹均匀，进行密封，防止水分蒸发，并在平台上平衡5 min，使残余的应力松弛.先用流变仪在0.01% ～10%范围内进行应变扫描，确定面团的线性粘弹性区域，然后再进行频率扫描，测定频率测试条件为：平板直径为40 mm，间距2 mm，应力0.2%，温度25 ℃，频率扫描范围0.1～20 Hz.

1.3.5 面团的糊化特性测定 参照Huang等[14]的方法，采用差示扫描量热仪DSC 25对面团的热性能进行研究.称取2 mg混合粉样品放入铝锅中，用蒸馏水湿润，干燥样品与水的比例约为1∶1.3.以5 ℃/min的速度从20 ℃加热至140 ℃.自动计算起始糊化温度(To)、峰值糊化温度(Tp)、结束糊化温度(Tc)和糊化焓(ΔH).

1.4 数据处理

采用Origin 9和SPSS 19进行数据统计分析.其中，显著性分析采用Duncan检验，显著性水平为0.05.每个样品做3次平行试验.

2 结果与分析

2.1 混合粉主要成分

由表1可知，小米粉中水分和蛋白质含量较小麦粉水分和蛋白质含量低，这是由于面筋蛋白的吸水率一般是淀粉的4～5倍，而小米粉中的蛋白质含量，尤其是面筋性蛋白的含量低于小麦粉，所以小米粉本身的含水量是低于小麦粉的.因此，随着小米粉添加量从10%逐渐增加到40%，混合粉水分含量从12.26%显著降低到11.44%，而蛋白质含量的降低不存在显著性差异.小米粉中脂肪和淀粉含量显著高于小麦粉(P<0.05)，会提高混合粉中脂肪和淀粉的含量，随着小米粉添加量的增加，混合粉中脂肪含量从1.38 g/100g增大到2.07 g/100g，变化显著，而混合粉的淀粉含量之间不存在显著性差异.这是由于混合粉体系中脂肪含量比淀粉含量低造成的.

表1 混合粉主要成分含量

2.2 混合粉面团热机械学特性分析

吸水率指的是揉混面团时达到最大扭矩C1(1.1±0.05 Nm)时的加水量，从表2可以看出，随着小米粉添加量的增大，面团的吸水率显著减小.通常，面筋性蛋白的吸水能力是淀粉的4～5倍[15]，虽然混合小米粉后蛋白含量的变化并不显著，但是这会稀释面筋蛋白，并且破坏了小麦粉在和面过程中形成的蛋白质-淀粉复合体，从而导致面团结合力的下降[16]，造成吸水率下降，这与杜文娟等[8]得到的随着小米粉含量的增加，各个样品的吸水率都呈下降趋的试验结果相一致.面团结合力下降也可以从形成时间，即面团从开始加水到产生C1扭矩时所用的时间上得到验证，随着小米粉添加量的增加，在产生同样扭矩时所用的时间显著减小(P<0.05)，表明小米粉对面筋性蛋白的稀释是显著的，因此可以推断，小米粉的添加对产品的加工性能是有明显影响的.

面团的稳定时间反映的是面筋蛋白的耐搅拌程度，面团的稳定时间长，耐搅拌程度高[17].面团的稳定时间随着小米粉比例的增大呈现先增大后减小趋势，在10%添加量时最大，稳定时间增大是因为低添加量时小米粉内部某些非共价键的相互作用掩盖了小米粉对面筋蛋白的稀释作用[8]，高添加量时稳定时间随着添加量的增加而减小，即混合粉中的面筋蛋白含量相对减少，筋力下降.与冯明会等[6]用HZF-150粉质仪测定出来的小米全粉的添加量在5%时面团的稳定时间最大，随着添加量的继续增大，面团的稳定时间减小的结果相似；田晓红等[7]用不同处理(膨化)的小米粉添加结果显示，稳定时间随添加量增加持续下降，表明原料的差异对加工特性有明显影响.

弱化度(C1-C2)表示的是蛋白网络在机械力和热作用下的弱化程度，表征面团在搅拌过程中的破坏速率，反比于面团的耐搅拌能力，面筋的强度越弱[18].因此可以看出，随小米粉添加量从10%增加到40%过程中，弱化度下降，但是没有呈现显著性，面团的面筋强度降低，面团加工性能越差.面团在机械搅拌和热力作用下反应所产生扭矩的最小值C2也证明这一点，C2表示面团在机械应力和热应力作用下产生的扭矩，弱化度越大，说明面团抗热应力和机械应力越弱[19]，随着小米粉添加量的增加，C2逐渐减小，说明小米粉的添加减弱了面团的抗热应力和机械应力.

表2 小米粉添加量对面团中蛋白质热机械学特性的影响

综上所述，在添加量小于10%时，面团的形成时间和稳定时间都是最大的，说明面团的筋力是最好的，而添加量大于10%时，面团的形成时间和稳定时间减小，弱化度增大，面团韧性变差，面筋强度变弱，不利加工.

粘度崩解值(C3-C4)表示淀粉热糊的性质，值越小，淀粉耐剪切力越强，稳定性越好.回生值(C5-C4)表示淀粉冷糊的性质，值越小，表明淀粉越不易回生，反映在产品上有较长的货架期.由表3可以看出，随着小米粉添加量的增加，崩解值逐渐增大，回生值逐渐减小，反映出混合粉的热糊耐剪切性能和稳定性变差，冷糊的回生性较好，表明小米淀粉对面团糊的性质影响较大，这是由于小米淀粉的加入引起淀粉热力学特性的变化，小米淀粉颗粒容易破裂，糊冷却时，淀粉分子之间，特别是在直链淀粉分子之间发生一些重聚合所带来的粘度增加值[20]，这与小米淀粉颗粒特性、直支比、其他成分的相互影响等有关[21]，具体原因需要进一步研究.

蒸煮稳定性(C4/C3)随着小米粉添加量的增加呈现先减小后增大的趋势，说明随着小米粉的添加，加工产品的稳定性越差，这与蛋白质弱化和面筋强度减弱也有关.

小米粉的添加量在10%时，降低了面团系统的蛋白质耐热性，增加了面团中淀粉的稳定性.此外，在冷却过程中，它导致了较低的回生水平和较高的蒸煮稳定率.

表3 小米粉添加量对面团中淀粉热机械学特性的影响

2.3 混合粉面团糊化特性分析

混合粉形成面团后，淀粉充填在面筋网络中间，对面团的可塑性有重要影响，因此淀粉的热力学特性对面团的加工影响较大.由表4可知，随着小米粉添加量从10%增大到40%，混合粉面团To、Tp和Tc逐渐增大，但始终都低于小麦粉，且相互间不存在显著性差异.这是由于小米粉的添加改变了混合粉中淀粉、蛋白和脂肪的比列，受面团中水分和面筋含量的影响，加热后的面筋凝胶比淀粉凝胶在面团中的结合力更强，造成淀粉在面筋的存在下获得的水分较少，进而影响糊化温度[22].混合粉中的蛋白质在接近淀粉糊化范围的温度下发生变性，使蛋白质变性的吸热峰叠加在淀粉糊化峰上[23].试验中只观察到一个吸热峰，表明这种影响确实存在.

ΔH通常受到面筋和淀粉之间的水分分布、淀粉颗粒的大小、水化速率以及不同组分之间其他可能的相互作用的影响[24].由表4可知，小麦粉ΔH高于混合粉，可能的原因是小米粉中脂肪含量较高，疏水性脂肪倾向于覆盖淀粉颗粒，通过某种“阻断作用”干扰水进入淀粉螺旋的能力，导致与淀粉相互作用所需的可用自由水减少[25].

表4 小米粉添加量对面团糊化特性的影响

2.4 混合粉面团动态流变学特性分析

弹性模量(G′)是储存在物质中的或经过一个震动周期的正弦形变后所恢复的能量，代表物质的弹性本质；粘性模量(G″)是每个周期的正弦形变所消耗或损失的能量，代表的是物质的粘性本质，当材料性质类似固体，即其线性范围内的变形是可压缩和恢复的，那么G′>G″且tan δ<1.相对的，当材料性质类似流体或粘性系统，G″>G′且tan δ>1[26].

对比图1A～C可以发现所有混合粉面团的G′>G″，tan δ <1，说明面团以弹性模量为主，表现出较强的固态特性.G′的增加，是淀粉链的自缔合和与面筋蛋白的相互作用[27]以及具有凝胶作用的淀粉与谷蛋白的比例有关[28]，使得面团的弹性占据主导地位.所有面团的G′与G″随着频率增加而增大，表现出一种典型的弱凝胶动态流变学图谱[29].在给定频率下，添加小米粉面团的G′和G″均显著高于小麦面团，且G′和G″均随添加量的增大而显著增大，这一方面是由于小米粉中含有较高的脂肪，G′与G″增大的原因是脂肪经脂肪氧化酶的作用生成氢过氧化物，将面团中面筋蛋白质的巯基氧化成二硫键，强化了面筋蛋白的三维结构[30-33]；另一方面是由于小米淀粉的粒径和形状变化所致[34-35].但G′的增幅远大于G″；两者的变化导致在给定频率下，添加小米粉面团的tan δ小于对照面团，且添加量越大，面团的tan δ越小(图1-C)，即小米粉添加量与面团的tan δ之间呈显著的负相关.

从图1-C中还可以看出，在给定频率下，随着小米粉添加量的增大，tan δ呈现逐渐降低的趋势，表明混合体系中分子交联聚合程度是升高的，粘性比例增大.同时所有面团的tan δ随着频率的升高均呈现增大的趋势，混合粉面团中小米粉添加量大于30%后，随着频率增加，粘性比例急剧升高，表明了混合面团体系稳定性急剧下降.周剑敏等[36]研究发现添加量了香菇粉后，小麦面团的tan δ在较高频率范围内(>2.5 rad/s)随着频率的增加而增加，即黏性比例迅速增加，表明在高频率下混合体系的结构不稳定，易被破坏.

图1 不同添加量的小米粉混合体系中弹性模量、粘性模量和损耗角正切值随角频率变化关系Figure 1 The relationship between the change of elastic modulus,viscosity modulus and tangent value of loss angle with angular frequency with different millet additions

3 结论

混合粉营养成分的实验结果表明，添加小米粉后，混合粉中蛋白质含量降低，淀粉和脂肪含量的增加是造成面团热机械学特性和动态流变学特性变化的关键因素.随着小米粉添加量的增加，混合粉面团吸水率显著下降，面团形成时间和稳定时间缩短，弱化度增大，蒸煮稳定率减小，面筋蛋白被稀释，面筋网络结构弱化.但在小米粉添加量为10%时，混合面团的形成时间和稳定时间都大于其他面团，说明10%添加量可以有限改善混合粉面团的耐搅拌能力，韧性越好，面团耐醒发能力越强.DSC的结果表明小米粉的添加对混合粉面团的糊化特性影响不显著.混合粉面团的动态流变学特性的实验结果表明随小米粉添加量增大，混合粉面团的弹性模量和粘性模量先增大后减小，而损耗角正切值则是减小的，混合面团体系的不稳定.