面团发酵和面包焙烤过程中小麦淀粉理化和结构特性变化

陈金凤,李敏,崔彦利,张盛贵,3*

1(甘肃农业大学 食品科学与工程学院,甘肃 兰州,730070)2(甘肃农业大学 理学院,甘肃 兰州,730070) 3(省部共建干旱生境作物学国家重点实验室,甘肃 兰州,730070)

淀粉是小麦粉重要的组成成分,在以小麦粉为原料的面制品加工过程中,淀粉的结构、颗粒大小和晶形等会通过不同途径、不同作用及不同层面对面制品品质发挥重要作用[1-2]。面包是一种常见的经过发酵和焙烤加工的面制品。在面包的加工过程中,淀粉是决定小麦粉糊化和回生特性的重要组分,因此淀粉会影响面包产品的最终品质尤其是质地[3]。关于淀粉在面包加工的发酵过程中发生的变化目前已有初步研究。ZHAO等[4]研究发现发酵处理会使小麦淀粉颗粒表面受到侵蚀,小麦淀粉的无定形区所占比例降低、相对结晶度升高。此外与原淀粉相比,经发酵处理的淀粉具有较低的峰值黏度和回生值,表明发酵可以有效地改变小麦淀粉的性质,具有提高淀粉基食品最终品质的潜能。卫娟等[5]研究淀粉颗粒在酸面团发酵中的性质变化,发现随着发酵时间延长,大的A-淀粉颗粒出现被侵蚀的痕迹,且侵蚀的严重程度与发酵时间呈正相关,发酵处理会显著降低淀粉的溶解度,但不改变淀粉的晶型。焙烤是面包加工的另一重要环节,淀粉在焙烤过程中发生的变化主要是因糊化而引发的结构改变,包括直链淀粉从晶束中扩散出来、支链淀粉结构伸展等。LI等[6]研究表明经焙烤后板栗总淀粉含量由71.08%显著降低至61.25%,主要是由于焙烤过程中的高温处理使得淀粉降解[7]。王苗苗等[8]研究表明焙烤处理使得芸豆淀粉的结晶结构被破坏,淀粉结晶度降低,同时糊化温度和糊化焓值显著降低。袁嘉渝等[9]研究表明焙烤处理不会改变淀粉晶体的类型,但会略微降低淀粉的相对结晶度。此外,还有研究表明焙烤条件会影响面制品中淀粉的消化特性[10]。童大鹏等[11]研究发现焙烤条件会影响茶多酚的生成,进而影响红茶面包中淀粉的消化速率,由此表明焙烤条件是开发低血糖生成指数焙烤食品的关键因素。

综上所述,我们对淀粉在面包加工过程中发生的变化已经有了初步了解,但目前针对面包加工过程中不同时段的淀粉理化和结构特性变化及该变化如何影响面包品质的系统研究还相对较少。因此,本研究以甘肃清水兰天45高筋小麦粉为原材料加工面包,针对发酵和焙烤两大关键环节不同时段提取小麦淀粉,并分析其理化特性和结构特性,进一步明确引起面包品质变化的淀粉结构与性能参数,以期为面包品质的提升提供理论参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

小麦粉(兰天45,产自甘肃省清水县)、食盐(食品级)、安琪酵母、鸡蛋、绵白糖均购自超市。

1.2 仪器与设备

Mixolab2混合实验仪,法国肖邦公司;MJ-II面筋数量和质量测定仪,杭州大成光电仪器有限公司;SCIENTZ-ND冷冻干燥机,宁波新芝生物科技股份有限公司;JSM-6701F冷场发射型扫描电镜,日本电子光学公司;X’Pert PRO多晶粉末X射线衍射,PANalytical公司;NEXUS 670傅里叶红外光谱仪,美国Thermo Fisher科技公司;Bettersize 2600激光粒度分析仪,丹东百特仪器有限公司;TGA 50热重分析仪,美国TA仪器公司。

1.3 实验方法

1.3.1 小麦粉基本成分和粉质特性测定

在小麦粉基本成分测定中,水分、粗蛋白分别参照GB/T 5009.3—2016和GB 5009.5—2016测定;面筋质量和数量参照GB/T 5506.2—2008《小麦和小麦粉 面筋含量 第2部分:仪器法测定湿面筋》测定;淀粉利用试剂盒直接测定。小麦粉粉质特性参考法国肖邦公司的混合实验仪标准实验方法测定。

1.3.2 面包的制作

面包的制作参照桑尚源[12]方法并略作修改。称取盐0.6 g,绵白糖5.0 g,鸡蛋20 g,加入50 g小麦粉中,将其搅拌均匀;再称取0.75 g酵母加入20 mL水中溶解,将溶解好的酵母水加入到搅拌后的小麦粉絮中再次搅拌均匀后进行和面,面团揉搓至可拉出薄膜即可;将和好的面团搓圆成型,放置面包发酵箱中进行醒发90 min,再放入烤箱焙烤15 min,最后进行冷却得到面包成品。

1.3.3 小麦淀粉理化特性测定及结构表征

1.3.3.1 淀粉的提取

参考VERWIMP等[13]方法提取淀粉。分别将发酵(fermentation,F)0、30、60、90 min的面团及焙烤(broil,B)3、6、9 min的面包切成2 cm长的小块,置-80 ℃冰箱预冻24 h,置于冷冻干燥机中进行冷冻干燥,经粉碎得到不同焙烤阶段的小麦粉样品。分别称取20 g小麦粉悬于140 mL NaOH溶液(2.5 g/L)中,于磁力搅拌1 h后离心10 min(5 000×g),弃去上清液并刮去上层黄色物质得到乳白色沉淀,反复冲洗沉淀5～6次后用HCl溶液(1.0 mol/L)调节悬浮液pH至中性,过300目筛,将筛下物离心,刮取沉淀放入培养皿中于40 ℃干燥,收集淀粉样品,取小麦粉原样进行相同处理得到小麦淀粉(original starch,OS)。

1.3.3.2 淀粉扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)观察

将少量的样品粘在样品座上,采用离子溅射仪喷金60 s。用扫描电子显微镜在3 000倍下观察样品的表观形态。

1.3.3.3 淀粉X射线衍射光谱(X-ray diffraction,XRD)测定

采用X射线衍射仪对样品的结晶结构进行测定。检测条件:电压40 kV;扫描范围10°～40°(2θ,最小衍射角);扫描速度2°/min;扫描步长:0.06°;方式为连续扫描。

1.3.3.4 淀粉红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR)测定

使用傅里叶红外光谱仪对样品进行4 000～500 cm-1的光谱扫描。

1.3.3.5 淀粉颗粒粒径分布测定

采用激光粒度分布仪对样品粒径分布进行检测。以蒸馏水为分散介质,取少量样品分散于其中,以获得适当的遮光度,待样品充分均匀分散后,进行粒度测定,粒度表示为平均体积径D[4,3]。

1.3.3.6 淀粉热重(thermo-gravimetric analysis,TGA)测定

参照WEN等[14]方法测定淀粉的热特性。准确称取8 mg样品于托盘中,将仪器的升温过程初始温度设为25 ℃,升温速率为10 ℃/min,结束温度为500 ℃,用氮气作为保护气,记录样品的热重曲线(TGA曲线)。

1.4 数据分析

运用Origin 8.0作图,运用SPSS 26.0中Duncan检验进行方差分析,P<0.05表示差异显著。所有测定重复3次。

2 结果与分析

2.1 小麦粉基本成分和粉质特性分析

小麦粉的基本成分会受到种植区域,种植季节等环境因素的影响[15]。面制品加工过程中淀粉的特性强烈地依赖于水分含量,水分通过不同程度地诱导淀粉颗粒的无定形和晶态变化,促进其颗粒溶胀、黏度、消化率的变化等[16]。表1为本试验所使用的甘肃清水兰天45小麦粉的基本成分的含量分析,研究表明小麦淀粉含量通常约占小麦粉的70%～80%[17],本试验所选小麦粉的总淀粉含量为72.06%(质量分数)。蛋白质、湿面筋含量和面筋指数分别为13.75%(质量分数)、49.50%(质量分数)和50.56%,表明试验选取的甘肃清水兰天45小麦粉属于高筋粉,符合面包加工小麦粉对蛋白质含量的要求。小麦粉的粉质特性是衡量小麦面团柔韧性和黏弹性的重要指标。小麦粉的粉质特性能够体现面团在加工过程中的操作性,对于面制品品质的预测具有重要意义。由表1可以看出本文所选兰天45小麦粉的形成时间和稳定时间分别为3.4 min和3.57 min。

表1 小麦粉基本成分和粉质特性分析Table 1 Analysis of basic components and silty properties of wheat flour

2.2 淀粉结构特性分析

2.2.1 淀粉SEM分析

图1为小麦淀粉和面团发酵过程及焙烤过程中所提淀粉样品的微观结构图。由图1-a可以看出小麦粉所提取的淀粉形态完整,呈圆形或椭圆形,表面光滑;面团发酵过程中淀粉颗粒结构与小麦粉中所提淀粉的结构相似(图1-b、图1-e),这是由于淀粉颗粒对水分的扩散和吸收使得淀粉颗粒膨胀,但这一过程是可逆的,已膨胀的淀粉颗粒在干燥后会恢复它们原来的形态[18]。发酵过程中淀粉颗粒发生了轻微的腐蚀现象,这是由于发酵过程中淀粉酶作用于淀粉使其发生淀粉链的水解所引起的。焙烤过程中淀粉颗粒逐渐遭到破坏,且随着焙烤时间延长,淀粉颗粒结构破坏越严重,并且淀粉颗粒之间相互黏着在一起,逐渐形成片状结构(图1-f、图1-h),这是由于含有一定水分的淀粉颗粒随着高温和加热时间延长淀粉逐渐糊化所导致。这与崔文雪[19]研究芋粉在蒸煮过程中淀粉吸水后热处理过程会使其淀粉颗粒破碎结果一致。

a-小麦淀粉;b-面团发酵0 min;c-面团发酵30 min;d-面团发酵60 min;e-面团发酵90 min;f-面包焙烤3 min;g-面包焙烤6 min;h-面包焙烤9 min图1 不同淀粉样品的SEM图Fig.1 SEM images of different starch samples

2.2.2 淀粉XRD分析

图2为小麦淀粉和不同发酵过程及面包焙烤过程中所提淀粉的X射线衍射图谱。由图2-a可知,小麦淀粉在2θ=15°、17°、18°、23°附近处有较强的衍射峰,呈现典型的A型晶体结构[20],衍射图中2θ=20°的峰为脂质复合物的衍射峰。发酵过程中淀粉的衍射峰与小麦淀粉类似(如图2-b～图2-e),表明发酵过程不改变淀粉结晶类型,这是由于面团醒发是面筋网络充分形成的过程,且水分分子与淀粉分子相互结合的过程,该过程不会影响淀粉的结晶类型[5],但该过程使淀粉的结晶度发生改变(表2),小麦淀粉的相对结晶度为39.77%,发酵后上升至47.85%,这与LU等[21]发现发酵处理能够使得米粉淀粉结晶度增大的结果类似,是由于发酵过程中酵母菌会作用于淀粉的无定型区域,造成非结晶区的破坏,但由于淀粉分子结晶区内糖构象的固定化及淀粉链的紧密结合使H3O+不容易渗透到淀粉结晶区[21],导致淀粉分子相对结晶度的计算结果增大。发酵过程中淀粉在2θ=23°处的衍射信号逐渐增强,表明淀粉分子中支链淀粉含量明显增加[22],这可能是由于发酵过程中淀粉与水结合后部分分子重排造成的。焙烤过程中随着焙烤时间的延长,淀粉结晶度逐渐降低且最终消失(图2-g、图2-h),这是由于淀粉吸水后受热,结构逐渐开始糊化,晶体融化,颗粒失去分子顺序、结构和双折射特性,淀粉同时发生溶解[23]。

a-小麦淀粉;b-面团发酵0 min;c-面团发酵30 min;d-面团发酵60 min;e-面团发酵90 min;f-面包焙烤3 min;g-面包焙烤6 min;h-面包焙烤9 min图2 不同淀粉样品的XRD衍射图Fig.2 XRD spectra of different starch samples

表2 不同淀粉样品的相对结晶度、有序度及双螺旋度分析Table 2 Analysis of relative crystallinity, order degree, and double helicity of different starch samples

2.2.3 淀粉FT-IR分析

图3为小麦淀粉和不同发酵过程及面包焙烤过程中所提淀粉的红外光谱图。面团发酵淀粉样品(图3-b～图3-e)和面包焙烤淀粉样品(图3-f～图3-h)的红外光谱图与小麦淀粉相似。淀粉红外谱图中1 022 cm-1处通常可用来反映淀粉无定形区的信号强度;1 047 cm-1为淀粉有序结晶区的信号强度,995 cm-1处吸收峰对应羟基的弯曲振动,研究表明可用R1047/1022和R1022/995来量化淀粉分子内部的有序度和双螺旋度变化[24]。整个面包加工过程中淀粉没有产生新的官能团,但淀粉分子的有序度和双螺旋度均发生了改变(表2)。这与SU等[25]研究发现热处理不改变小麦淀粉分子官能团的结果一致。淀粉分子的有序度和双螺旋度在面包加工的发酵阶段有所增大,在焙烤阶段随时间的延长逐渐降低,这是由于淀粉分子在发酵过程中分子发生了重新排列引起的[22]。

a-小麦淀粉;b-面团发酵0 min;c-面团发酵30 min;d-面团发酵60 min;e-面团发酵90 min;f-面包焙烤3 min;g-面包焙烤6 min;h-面包焙烤9 min图3 不同淀粉样品的红外光谱图Fig.3 FT-IR spectra of different starch samples

2.2.4 淀粉颗粒粒径分析

根据尺寸大小可将淀粉颗粒分为三类:>15.5 μm为A型颗粒、5.5～15.5 μm为B型颗粒、<5.5 μm为C型颗粒[26]。在粒径分析中通常采用平均体积径D[4,3]来反应样品颗粒的尺寸大小,跨度值表示样品的颗粒尺寸均匀性。如表3所示,面包加工过程中所提淀粉样品均为A型颗粒。在面团发酵过程中淀粉的D[4,3]值较小麦淀粉OS变化趋势较小,由16.80 μm 增大至17.80 μm随后再减小至16.49 μm,这可能是由于面团制备初期淀粉分子吸水略微膨胀,而后随着发酵时间的延长,淀粉分子发生降解,颗粒尺寸有所减小[27]。淀粉在发酵过程中的跨度值随发酵时间延长先减小后增大,与平均体积径变化趋势具有一定的关联性。焙烤过程中的淀粉D[4,3]值随焙烤时间的延长由16.49 μm显著增大至22.63 μm,这是由于随焙烤时间的延长,含有一定水分的颗粒逐渐糊化,淀粉颗粒结构严重破坏,颗粒之间相互黏连逐渐形成片状结构,且随淀粉逐渐糊化跨度值显著降低,该结果与颗粒形态的SEM观察结果相互印证。

表3 不同淀粉样品的粒径分析Table 3 Particle size analysis of different starch samples

2.2.5 淀粉TGA分析

淀粉样品的热力学特性曲线如图4所示,不同淀粉的质量损失均包括水分蒸发(50～120 ℃)、淀粉热分解(250～350 ℃)和碳积累(>350 ℃)3个阶段[28-29]。由图4可知,发酵面团不同时段所提取的淀粉质量损失和小麦淀粉接近,而面包焙烤不同时段提取淀粉的质量损失低于小麦淀粉,说明面包焙烤过程淀粉的热稳定性增加。

图4 不同淀粉样品的热稳定性Fig.4 Thermal stability of different starch samples

3 结论

本文采用碱法提取面包加工过程中不同时段的小麦淀粉,探究发酵和焙烤环节淀粉理化和结构特性发生的变化。结果表明,面团发酵不同时段的淀粉与小麦淀粉颗粒形态和结晶类型无明显差异,但发酵过程淀粉分子的有序度、相对结晶度和双螺旋度升高。在面包焙烤的不同时段,淀粉颗粒因发生糊化出现明显的破坏和崩塌,淀粉颗粒发生黏连体积增大,其结晶度、有序度显著降低,淀粉的热稳定性升高。由此表明,面包加工过程中发酵和焙烤的不同时段淀粉的理化和结构特性会发生显著变化,进而影响面包的最终品质,本研究可以对高品质面包的加工提供一定的理论参考。