稻米-高筋小麦混合粉面团的静态和动态流变学特性

贺殷媛，陈凤莲，李欣洋，杨 杨，王 冰，张 娜

（哈尔滨商业大学食品工程学院，黑龙江省普通高等学校食品科学与工程重点实验室，黑龙江省谷物食品与资源综合加工重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150028）

作为世界五大粮食之一的稻米一直因其具有很多与众不同的特性而备受关注。米饭是稻米的主要食用形式，稻米在食品中的应用较为单一，因此以稻米为原料的米制食品加工日益兴起，稻米在主食以及烘焙食品中的应用逐渐增多。同时由于稻米粉具有低致敏性、低钠含量和易消化等优点[1]，因此，以稻米粉替代小麦粉的产品应运而生。但对于发酵类面制品，面团的品质特性是影响最终产品品质的关键因素[2-3]，而影响面团品质的主要指标是面粉中面筋蛋白的质量和数量，由于稻米中缺乏面筋蛋白（麦谷蛋白和麦醇溶蛋白），使其加工适应性差。汤晓智等[4]对面团和饼干等食物的物理特性和感官品质进行研究，结果表明糙米粉可以增加面团弹性，但是会对面团的稳定性产生负面的影响。Rai等[5]用稻米粉和玉米粉替代小麦粉，通过分析制作面包原料品质和对面包样品进行感官评估，可知稻米粉可应用在烘焙食品中，但是面包的体积、比容、高度均有所降低。现有研究多集中在稻米面包的制作工艺及品质分析方面，而面团的黏弹性参数是决定最终产品品质的关键因素之一。因此，分析稻米的添加对高筋粉面团品质的影响规律是探究米制发酵主食和烘焙食品品质改良方法的必备基础。

从应力或应变的作用方式来看，食品流变学可分为动态流变学和静态流变学。动态流变学是通过对黏弹性体施以振动或者周期变动的应力、应变，产生振荡剪切特征的研究方法；而静态流变学又称稳态流变，研究单一方向稳态作用力下物体的流动和变形，蠕变和应力松弛是最典型的静态黏弹性行为的体现。Xu Fen等[6]研究添加马铃薯颗粒面团的动静态流变学性质，结果表明，与普通面团相比，混合面团的糊化温度升高，面团的变形和恢复速率降低。Oh等[7]研究了米粉与6种淀粉组成的混合面团动态流变学性能，表明在混合体系中添加淀粉可以控制和改善米粉基食品的流变学性质。因此可以通过静态和动态流变学特性的测定，得到面团黏弹性变化规律，从而得出添加稻米粉对面团的影响规律。

本研究采用流变仪对稻米-高筋小麦混合粉面团的静态和动态流变学进行研究，通过对频率扫描和体系升温与降温过程中储存模量（G’）和损耗模量（G’’）以及损耗角正切（tanδ）的变化进行测定，得出不同种稻米粉在不同添加量时对稻米-高筋小麦混合粉面团的影响规律，从而为稻米-高筋混合粉体系在主食和烘焙食品中的应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

‘龙稻5号’（以下简写为龙稻5号）稻米 黑龙江省肇东市东发乡；‘龙稻19号’（以下简写为龙稻19号）稻米 黑龙江省哈尔滨市道外区民主乡；‘龙稻20号’（以下简写为龙稻20号）稻米 黑龙江省肇东市东发乡；‘龙稻23号’（以下简写为龙稻23号）稻米黑龙江省哈尔滨市阿城区料甸满族乡；‘龙稻25号’（以下简写为龙稻25号）稻米 黑龙江省肇源县；‘龙稻46号’（以下简写为龙稻46号）稻米 黑龙江省齐齐哈尔市杜达乡；香雪特精粉（小麦粉） 中粮面业（秦皇岛）鹏泰有限公司。

1.2 仪器与设备

ALC-210.4分析天平 瑞士梅特勒-托利多国际股份有限公司；Farinograph-E粉质仪 德国Brabender公司；JXFM110型锤式旋风磨 上海嘉定粮油仪器有限公司；MCR102型流变仪 奥地利安东帕公司。

1.3 方法

1.3.1 稻米粉的制备

稻谷→晾晒→脱粒→挑选→砻谷→碾米→稻米→磨粉（80 目筛）→稻米粉

将制备好的米粉放于密封袋中，并4 ℃冷藏备用。

1.3.2 稻米-高筋小麦混合粉面团的制备

课题组前期已对6种稻米粉的组成成分进行测定[8]。取磨制好的稻米粉分别按照质量分数10%、20%、30%、40%的添加量与香雪高筋小麦粉（吸水率62.9%、面团形成时间4.5 min、稳定时间5.2 min、弱化度53 BU、评价值70）进行混合。用粉质仪将混合粉制成面团后放于密封袋中，并在室温下静置5 min。

1.3.3 面团动态流变学频率测定

在25 ℃、1 Hz条件下，设定0.01%～100%的应变范围内，得到应变与储能模量和损耗模量的变化函数，从而确定米谷蛋白的线性黏弹区，在线性黏弹区内确定最适的应变条件。

取2.9 g的面团置于流变仪圆形平台的中心，当探头降下后立刻将密封盖盖上，并在密封盖周围及上方缝隙处涂一层硅油，防止面团出现干裂。流变仪采用动态测量模式，探头的直径是40 mm，夹缝距离是1 mm，模式为振荡。频率扫描测定：温度恒定在25 ℃，应变设置为1%，频率在0.1～20 Hz区间内变化。

1.3.4 面团动态流变学温度测定

流变仪动态测量模式设定与频率扫描相同。温度扫描测定：频率恒定为1 Hz，应变为0.5%、升温和降温速率均为5 ℃/min，变化范围为升温20～100 ℃和降温100～20 ℃。

1.3.5 面团蠕变特性的测定

参照文献[9-11]并进行优化，用流变仪测定其蠕变特性，探头PP50，直径为50 mm圆形平板，夹缝距离是2 mm，松弛5 min，保持恒定的应力50 Pa，下压120 s，撤去外力后样品恢复形变180 s。记录蠕变最大形变量以及柔量（J）随时间的变化。

采用四元模型Burger模型[12]对实验结果进行拟合，Burger模型较多用于研究黏弹性体系的力学模型，由2 个虎克模型和两个阻尼模型组成，即由1 个Maxwell模型和1 个Kelvin-Voigt模型串联组成（图1）[13]。

图1 Burger模型Fig. 1 Burger model

根据流变学的Burger模型，蠕变柔量与蠕变时间的关系可以通过下式来表示[14]。

式中：J（t）表示蠕变过程的柔量；J1为第一要素胡克体弹性柔量，即普弹柔量或瞬时柔量/Pa－1；J2表示高弹柔量/Pa－1；t表示时间/s；η为阻尼体黏滞系数/（Pags）；τK为迟滞时间/s，即蠕变恢复所需要的时间。

1.4 数据统计与分析

实验设置3 个平行，采用Excel 2010软件进行数据处理，实验结果用平均值±标准差表示。采用SPSS 21软件进行单因素方差分析，采用Tukey多重比较进行显著性分析，P＜0.05表示差异显著，采用Origin 2018软件作图。

2 结果与分析

2.1 混合粉面团频率扫描动态流变学

将6种黑龙江稻米粉分别按梯度比例与高筋粉混合，经流变仪频率扫描后所得的结果如图2所示。在频率扫描过程中，频率随时间延长而增加，而应变保持不变，整个扫描过程是动态的（在线性黏弹性应变范围内）[15]，频率扫描提供了不同振动频率下面团黏弹性特性变化的信息。从整体上来看，在0.1～20 Hz范围内随着振荡频率的增加，G’与G”都在不断地增加，且弹性大于黏性。这是因为随着频率的增大，面团中的淀粉颗粒起到了填充物的作用，增强了面筋的强度，并产生了很强的结合力，从而获得更高的模量[9]，这是一种典型的类固态行为[16-17]。tanδ随频率的递增先降低后升高，即振荡频率大于1 Hz后，tanδ随频率增大而增加，不同品种变化趋势的拐点不同。当频率处于较低状态时，面筋蛋白之间能构成较好的网络形态，能促使弹性比例增大；但随着频率的继续增大，分子之间的交联程度被削弱，促使黏性比例增加，所以当频率高于一定值时，混合面团凝胶体系流动性增强，出现了类似于剪切稀化的现象[18]。用普通面团也得到相似的结果，如研究发现tanδ最初在0.1～1 Hz的低频范围内降低，在高频范围内稳定增加[19]。tanδ恒小于1，并综合上述特性可以看出稻米-高筋粉混合面团呈现出弱凝胶的性质[20]，该结果与潘宏军等[21]的研究结果一致。

由图2A可知，相同频率下混合面团的G’和G”在龙稻5号稻米粉添加量为10%时达到最小值，然后逐渐增大，添加量40%时达到最大值，即达到弹性和黏性的最大状态；10%～40%添加量时tanδ整体呈下降趋势，但30%时tanδ出现反弹增到最大。由图2B可知，随着龙稻19号稻米粉添加量的增加，混合面团的G’与G”变化规律性较差，当稻米粉的添加量30%时，G’为最大值，添加量为10%时，G”为最大值；而混合面团的tanδ呈规律性下降，在40%时最小。由图2C可知，混合面团的G’和G”随着龙稻20号稻米粉添加量的增加均逐渐增大，且都在添加量为40%时达到最大；混合面团的tanδ先增大后减小，添加量为10%时为最大值，而添加量为40%时，tanδ最小。图2D中混合面团的G’和G”在龙稻23号稻米粉添加量20%时达到最大值，而后减小，所以当稻米粉添加量为20%时，混合面团弹性和黏性均为最佳；混合面团的tanδ与添加比例呈负相关。由图2E可知，不同添加量龙稻25号稻米粉混合面团的G’和G”均呈现先增大后减小又增大的趋势，当稻米粉的添加量达40%时，G”与G’达到最大值；相对应的混合面团的tanδ呈下降趋势。由图2F可知，随着龙稻46号稻米粉添加量的增加，混合面团的G’与G”呈先减小后增大的变化规律，当稻米粉添加量为40%时G’与G”最大，弹性和黏性均达到最佳；相对应的混合面团的tanδ逐渐下降，但变化相对其他品种较小。

图2 不同品种稻米-高筋粉混合面团的频率扫描曲线图Fig. 2 Frequency scanning curves of doughs made from mixtures of rice flours from different cultivars and high-gluten wheat flour

综上，稻米粉添加量梯度增加时，龙稻19和23号在储能模量和损耗模量方面表现为先增加后减少，说明内部结构先增强，而后有所减弱，其余4 个品种混合面团的G’和G”整体呈上升趋势，这说明混合面团系统内部结构变强。稻米中含有一定量的谷蛋白，但是结构与麦谷蛋白不同，且醇溶蛋白含量较少，无法形成像高筋粉中麦胶和麦谷蛋白作用下的黏弹比。但是米谷蛋白占米蛋白的80%左右[22]，其中含有较多数量的分子内和分子间的二硫键[23]，并且稻米粉吸水率高于小麦粉[24]，其中的淀粉和水通过氢键发生重要的作用[9]，从而使得混合粉面团胶体系统的内部结构有所增强。随稻米粉添加量梯度增加混合面团的tanδ整体呈规律性下降趋势，说明弹性相对于黏性在变强。

2.2 混合粉面团的温度扫描动态流变学

将6种黑龙江稻米粉分别按比例与高筋粉混合，经流变仪温度扫描后所得结果如图3所示。在20～100 ℃范围内随着扫描温度的升高，混合面团的G’和G”均在60 ℃左右发生骤然增加，分别在温度75 ℃和70 ℃时达到最大值，说明混合粉在升温过程中，超过60 ℃后开始形成热诱导凝胶，在一定程度上促进了小麦粉面团的变性，使混合面团的弹性、黏性显著地增大。该温度扫描曲线与淀粉的糊化变化曲线相似，与Xu Fen等[6]的研究结果一致，由此可知在生面团加热的过程中，影响其流变学特性的主要成分为淀粉。据相关资料报道，面团升温后面筋有软化和液化作用，不再构成骨架[12,25]。升温过程中tanδ随着温度的升高而逐渐下降，在温度为65 ℃后下降明显，tanδ由0.42下降到0.11，说明温度超过65 ℃后混合面团的弹性相对于黏性迅速增加，制作发酵类的产品时，更利于捕获气体[26]。稻米粉添最大加量40%时，混合面团的G’、G”均为最大值，混合面团的tanδ最小，该结果与频率扫描结果相一致。

图3 不同品种稻米-高筋粉混合面团的温度扫描曲线Fig. 3 Temperature scanning curves of doughs made from mixtures of rice flours from different cultivars and high-gluten wheat flour

G’在降温过程中整体呈先上升后下降的趋势，温度高于60 ℃时，随温度的降低G’增加，弹性变强，不同稻米粉添加量的差异性不大，在添加量的影响方面无固定的规律；当温度降到60 ℃以下后，不同添加量稻米粉的储存模量差异性较大，呈非规律性变化。G”在降温过程中基本呈现上升趋势，温度高于60 ℃时，随温度的降低G”逐渐增加，黏性增强，随稻米粉添加量的增加，G”有所降低，但差异性不大；当温度降到60 ℃以下后，不同稻米粉添加量的损耗模量的差异性较大，且呈非规律性变化。降温过程中，温度高于60 ℃时，tanδ略有增加，随稻米粉添加量的增加tanδ减小，但差异性极小，在温度降到60 ℃以下后tanδ变化规律性差。升温过程中面团蛋白组分发生了变性，不能再赋予面团黏弹特性[27]，并且淀粉完成了糊化，降温过程G”和tanδ的变化与淀粉老化曲线相似度较大，所以推测降温过程中面团基础流变学特性的变化主要是组成成分中淀粉的老化作用引起的。降温开始后，系统能量降低，为了维持能量的平衡，淀粉发生重结晶，G’和G”均增加，tanδ变化不大，说明黏弹比一直维持在一定的水平，且稻米粉的添加对混合粉面团的老化影响不大，当温度降到60 ℃以下后，G’、G”以及tanδ规律性均较差。在整个降温的过程中样品均具有类固体的性质[16]。

2.3 混合粉面团的蠕变特性

添加稻米粉对混合粉面团蠕变曲线的影响如图4所示。蠕变恢复是一种常用的测定物体形变的方法，相同的应力作用在面团上，而应变随着时间的推移改变。在蠕变阶段之后通常是恢复阶段，去除外加应力的非常阶段，这个方法可以表征面团在一段时间内的黏弹性行为。在应力施加阶段，随着时间的延长最大蠕变应变量逐渐增大，在瞬时卸载应力时应变突然减小，而后随着时间的推移逐渐减小，直至接近不变。最大蠕变应变被认为是反映面团变形抗力的一个指标[28]。同一时间的相同应力下，随着稻米粉添加量的增加所产生的最大蠕变应变量逐渐减小，当稻米添加量为10%～30%时面团最大蠕变应变量差异性不明显，添加量为40%时有明显的变化。Wang等[29]研究了分别采用弱力粉和强力粉制作的面包的蠕变行为，并提出利用最大蠕变应变来表征面团的强度。因此表明稻米粉添加量达到40%时，混合面团变形更难，表现出较高的抵抗压力，该结果与上述频率扫描的结果一致。而后在卸载应力后应变恢复所需要的时间逐渐减少。不同稻米粉添加量使得混合面团的蠕变特性呈现差异性。龙稻20号稻米粉添加量的增加使面团最大剪切应变均匀下降。当龙稻23号稻米粉添加量为10%时，混合面团蠕变恢复特性表现较为优异，短时间内施加应变其形变量大于纯高筋粉面团，当时间大于80 s混合面团所产生的应变小于纯高筋粉面团，而卸载应力后混合面团可以更快地恢复其弹性形变。龙稻5号、龙稻23号、龙稻25号、龙稻46号随着稻米粉添加量的增加，最大蠕变应变量减小，但是20%和30%的蠕变曲线接近，且添加量为30%的混合面团在施加应力时前80 s产生的应变大于添加量20%的混合面团，说明在短时间内添加量30%的混合面团更容易发生形变，随着时间的延长，面团结构强度增加，应变抗力变大。综上，当添加稻米粉后虽然面筋蛋白有所稀释，但随着稻米粉的添加使整个面团体系发生改变，分析原因可能是稻米粉中的淀粉更易吸水膨胀相互黏附，起到了增稠剂的作用，导致结构改变，赋予面团更高的弹性模量。

图4 不同种稻米-高筋粉混合面团的蠕变-恢复曲线Fig. 4 Creep-recovery curves of doughs made from mixtures of rice flours from different cultivars and high-gluten wheat flour

6种稻米粉按比例与高筋小麦粉混合，所得面团的蠕变参数如表1所示。可以看出，本实验所选取的6 个品种均随着稻米粉添加量的增加，最大蠕变柔量和瞬时恢复柔量逐渐减小，零剪切黏度和瞬间恢复比率逐渐增加，而最终恢复比率因品种和添加量的差异变化不大。零剪切黏度随着稻米粉的添加而增大，而面团所产生的最大蠕变柔量却减小，说明面团内部能量较高，结构变强，阻碍面团发生形变[30]。

表1 不同品种稻米-高筋混合粉面团蠕变参数Table 1 Creep and recovery parameters of doughs made from mixtures of rice flours from different cultivars and high-gluten wheat flour

3 结 论

通过对稻米-高筋混合粉面团的静态和动态基础流变学特性的研究表明，从整体上来看，在0.1～20 Hz范围内随着振荡频率的增加，G’、G’’以及tanδ均在不断地增加，tanδ恒小于1，具有类固体的特征（G’＞G’’）。稻米粉添加量梯度增加时，动态流变学分析中混合面团的G’、G’’整体呈上升趋势，tanδ减小，而静态流变学分析中其最大蠕变应变量、最大蠕变柔量和瞬时恢复柔量逐渐减小，零剪切黏度和瞬间恢复比率逐渐增加，说明随着稻米粉添加量的增加混合面团系统内部结构变强。在20～100 ℃范围内随着扫描温度的升高，混合粉在升温过程中开始形成热诱导凝胶，混合面团的G’、G’’均在60 ℃左右发生转变，使混合面团的弹性、黏性显著地增大。在100～20 ℃降温过程中，降温初期面团的黏性和弹性均增加，黏弹比tanδ变化不大，且稻米粉的添加对混合粉面团的基础流变特性影响不大，当温度降到60 ℃以下后，G’、G’’以及tanδ规律性均较差，在整个降温的过程中样品均具有类固体的性质。