粗戊聚糖对特二粉面筋聚集特性及显微结构的影响

赵龙源，张长付，周孟清，李京格，马金婷，王杭，范沛，李海峰，王金水，贾峰

（河南工业大学 生物工程学院，河南 郑州 450001）

粗戊聚糖是从小麦麸皮中提取的水溶性非淀粉多糖，主要由木聚糖、阿拉伯聚糖[1-3]、葡萄糖以及微量半乳糖组成[4]，在面粉中的含量为0.62%～0.90%[5]，但它的吸水量较大，与面筋蛋白争夺水分，从而改变面筋发育的过程[6]。粗戊聚糖可相互交联形成复杂的三维网络结构，改变蛋白质间的吸引力[7]，可提高面筋网络的弹性、增强面团黏弹性[8]、改善面团加工性能。粗戊聚糖降解后可提高面团的持气性，使发酵过程中产生的CO2扩散速率得到延缓，改善面包的内部质构[9]，增大面制品产品的体积[10]，提高感官评分[11]，延缓产品的老化[12]。适量添加粗戊聚糖可显著改善馒头的体积、色泽、质构特性和感官特性[13]。粗戊聚糖也是一种易被人体接受的膳食纤维，能调节体内环境、改善人体微循环、激活自身的自愈系统，同时还具有调节肠道菌群、改善肠道环境、降血糖及免疫等多种活性功能[14]。试验结果表明粗戊聚糖可调节糖尿病小鼠肠道菌群平衡，降低血糖水平[15]。添加粗戊聚糖制作的曲奇饼干，不仅口感酥松香甜，还可补充膳食纤维[16]。但是，粗戊聚糖降解过度会造成面团发黏、面粉的烘焙和蒸煮品质下降[11，17]。

特二粉作为我国北方制作主食的常用面粉[18]，其面粉面筋聚集特性直接影响面团的加工特性[19]。目前，面筋聚集仪具有测试时间短、样本量小、快速分析小麦面筋聚集特性的优点[20]，其主要参数包括峰值时间、峰值扭矩与能量面积等参数，反映面筋的品质特征及酸面团的特性[21]，可评价面团常规的流变学特性[22-25]。小麦粉面筋蛋白聚集特性可作为快速评价面团品质的一个关键指标。但是，粗戊聚糖对面筋聚集特性的影响作用效果尚不清晰。

本试验探究不同浓度的粗戊聚糖溶液对小麦特二粉面筋聚集特性以及面筋显微结构的影响，通过分析添加粗戊聚糖对特二粉面团特性的影响，以期为其它不同类型的小麦粉及面粉加工行业利用粗戊聚糖改良与强化面粉品质提供有益的参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

特制二等小麦粉（简称特二粉）：五得利面粉集团新乡有限公司；粗戊聚糖：河南工业大学生物工程学院粮油储藏与生物加工技术实验室前期从小麦麸皮中提取。

1.2 仪器与设备

GlutoPeak 面筋聚集仪：德国Brabender 公司；Nikon E200MV 显微镜：南京尼康江南光学仪器有限公司；AWE-DM0412 低速离心机：无锡得凡仪器有限公司；FA1104N 电子天平：上海精密科学仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 特二粉面筋聚集特性的测定

粗戊聚糖与特二粉的总质量为8.0g，蒸馏水为9mL，水粉比为9∶8（mL/g）。配制浓度为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的粗戊聚糖溶液，混合后加入面筋聚集仪开始测定。以未添加粗戊聚糖作为对照组进行试验。面筋聚集仪检测条件：温度25 ℃，转速2 500 r/min，测定时长300 s，分别记录峰值时间（peak maximum time，PMT)、 峰值扭矩（Brabender equivalents maximum，BEM）、聚集能量（aggregation energy，AgE）。

1.3.2 面筋聚集过程中5 个关键点的位置选取

根据面筋聚集过程中扭矩和时间的变化情况（图1），分别选取5 个典型点进行检测：A（平稳起始点）、B（聚集起飞点）、C（峰值扭矩点）、D（聚集结束点）、E（记录结束点）。根据能量聚集特性，又分为三部分：启动能量（仪器启动到扭矩达到基本平衡的阶段，即零点到A 点，S1）、稳定能量（仪器的扭矩基本稳定到面筋聚集形成之前的一定扭矩基本不变的阶段，即A点到B 点，S2）和聚集能量（面筋聚集形成之前扭矩急剧增加到达峰值扭矩之后15 s 这一段时间的能量，即B 点到C 点之后15 s 处，S3）。C 点处对应的时间为峰值时间，对应的扭矩为峰值扭矩。具体取样过程为在面筋聚集仪运行过程中，提前确定5 个关键点的运行时间，待到达对应时间后，迅速暂停面筋聚集仪，取出相应面团取样检测。

图1 面筋聚集过程选取5 个关键点的位置Fig.1 Location of five key points selected in gluten aggregation process

1.3.3 特二粉面团显微结构观察

选取A～E 点的面团样品，制成显微观察玻片，使用Nikon E200MV 显微镜分别观察40、100、400 倍下的面筋蛋白网络结构及淀粉颗粒的分布情况。

1.4 统计分析

结果采用Microsoft Excel 2019 进行统计分析。评估统计学意义采用SPSS Statistics.27 的Duncan’s 分析，显著性水平为P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 粗戊聚糖对面筋聚集特性的影响

粗戊聚糖对面筋聚集特性的影响如图2 所示。

图2 粗戊聚糖对面筋聚集特性的影响Fig.2 Effect of crude pentosan on gluten aggregation characteristics

由图2 可知，随着粗戊聚糖溶液浓度的增加，面筋聚集时间明显缩短。添加粗戊聚糖可使面筋聚集的形成过程加快，粗戊聚糖具有一定的黏度特性，随着浓度的增加，在溶液中通过分子间的氢键聚集作用逐渐增强，分子间相互缠结形成网络[26]，可能是由于粗戊聚糖分子与面团中的蛋白质发生相互作用，引起面筋蛋白聚集，导致面团的特性发生改变，峰值时间呈现下降趋势，峰值扭矩呈现上升的趋势。结果表明，在特二粉中添加粗戊聚糖能明显改变面筋聚集特性，特二粉的面筋品质降低，可能会影响面筋蛋白网络结构的稳定性。

2.2 粗戊聚糖对面筋聚集的峰值时间的影响

PMT 是反映麦谷蛋白聚集力学的指标，与蛋白质含量相关。粗戊聚糖对面筋聚集峰值时间（PMT）的影响如图3 所示。

图3 粗戊聚糖对面筋聚集特性PMT 的影响Fig.3 Effect of crude pentosane on PMT of gluten aggregation characteristics

由图3 可知，随着粗戊聚糖溶液浓度的升高，PMT明显下降。粗戊聚糖溶液浓度为0.5%和1.0%时，PMT与对照组相比显著下降。当粗戊聚糖溶液浓度为2.5%时，PMT 与对照组相比下降了47.90%。粗戊聚糖溶液浓度与PMT 之间的关系符合负相关关系：y=-7.59x＋86.80（R2=0.945 7）。PMT 随着蛋白质和面筋含量的增加而减少[27]，结果表明，添加粗戊聚糖后能显著调节面筋聚集特性的PMT，改变面筋的聚集，导致面筋构象的改变。

2.3 粗戊聚糖对面筋聚集的峰值扭矩的影响

BEM 值的大小反映了破坏面筋时所需要的力，峰值扭矩越大，则破坏面筋时所需要的力越大[22]。粗戊聚糖对面筋聚集峰值扭矩（BEM）的影响如图4 所示。

图4 粗戊聚糖对面筋聚集特性BEM 的影响Fig.4 Effect of crude pentosane on BEM of gluten aggregation characteristics

由图4 可知，添加粗戊聚糖后，BEM 呈上升趋势，与对照组相比差异显著（P＜0.05）。对照组的BEM 最小，为49.00 BU，BEM 随着粗戊聚糖溶液浓度的增加而增加，但上升趋势较缓。粗戊聚糖溶液浓度在0.5%～1.5%时，差异不显著，BEM 保持在58.00 BU 不变。粗戊聚糖溶液浓度为2.5%时，BEM 为59.00 BU，上升比例达到16.95%。粗戊聚糖溶液浓度与BEM 值之间的关系符合正相关关系：y=1.73 x＋51.03（R2=0.628 4）。结果表明，随着粗戊聚糖的添加，面筋强度增强，峰值扭矩显著提高。

2.4 粗戊聚糖对面筋聚集的能量面积的影响

粗戊聚糖对面筋聚集能量面积的影响如表1 所示。

表1 粗戊聚糖处理对面筋聚集过程中能量的影响Table 1Effect of crude pentosane treatment on energy during gluten aggregation

由表1 可知，粗戊聚糖添加后S1整体呈波动上升趋势，与对照组相比明显增加；粗戊聚糖溶液浓度增加到2.0%时，S1达到最大值137.85 cm2，溶液浓度增大到2.5%时，S1与添加粗戊聚糖后相比差异显著（P＜0.05）。添加粗戊聚糖后S2呈明显的下降趋势，溶液浓度增大到2.5%时达到最低值65.00 cm2，S2与粗戊聚糖溶液浓度呈负相关。随着粗戊聚糖溶液浓度的增加，S3呈波动上升的趋势，粗戊聚糖溶液浓度为2.5%时有最大值1 599.75 cm2。聚集能量作为面筋聚集动力学的指标，与峰值扭矩呈正相关[22]。结果表明，添加粗戊聚糖能显著地改变面筋聚集过程中的能量分布，降低S2、增加S3。

2.5 粗戊聚糖对面筋聚集过程中面团显微结构的影响

添加粗戊聚糖对面筋聚集过程中面团的显微结构的变化如图5 所示。

图5 粗戊聚糖处理对面筋聚集过程中面团显微结构的影响Fig.5 Effect of crude pentosane treatment on microstructure of dough during gluten aggregation

由图5 可知，对照组中，A 点处结构松散，还没有形成面筋蛋白网络结构，对淀粉颗粒的包裹性差；B 点处蛋白质网络结构初步形成，分散状态更加均匀；随着扭矩的逐渐增大，在C 点处已初步形成面筋蛋白网络结构；由于扭矩的持续增加，D 点处面筋蛋白网络结构仍呈现出有规律的排布；E 点处面筋蛋白网络结构被完全打碎，网络结构消失，此时淀粉颗粒与面筋蛋白的分布最均匀。添加粗戊聚糖后，与对照组相比，面筋对淀粉颗粒的包裹性略强，面筋聚集趋势更明显；B点时网络交联程度增强，淀粉颗粒与面筋蛋白的分布相对均匀，蛋白质网格结构开始形成；C 点时面筋蛋白网络结构建立，淀粉颗粒与面筋蛋白的分布更为规律，但是面筋网络之间的孔隙分散不均、大小不一致；D 点的结构形成较好，面筋网络之间的孔隙较小，有部分面筋网络已经出现断裂现象；E 点时蛋白质网络结构已经被完全打碎，基本没有了网络结构，淀粉颗粒与面筋蛋白均匀分布。结果表明，粗戊聚糖的添加不利于面筋蛋白网络结构分布。安兆鹏等[28]研究表明，在面粉中加入小麦麸皮，会对面筋蛋白的网络结构造成破坏，面筋蛋白的稳定性下降，与本研究结果一致。

3 结论

本试验利用面筋聚集仪对面筋的聚集特性进行分析，探究粗戊聚糖对面筋聚集特性的影响，并从面团的显微结构进一步进行验证。结果表明，在特二粉中添加粗戊聚糖后，面筋聚集特性的PMT 逐渐缩短，与粗戊聚糖溶液浓度呈负相关关系，而BEM 逐渐升高，与粗戊聚糖溶液浓度呈正相关关系。粗戊聚糖能显著地改变面筋聚集过程中的能量分布，S2降低，S3增加，S2与粗戊聚糖溶液浓度呈负相关。粗戊聚糖不利于面筋蛋白网络结构分布。综上所述，加入粗戊聚糖能改变面粉的聚集特性，为面粉的加工和面团的改良应用提供有益参考。