麥麩粒徑對全麥面團流變學特性的影響

熊禮橙,牛 猛,張賓佳,趙思明,熊善柏

(華中農業大學食品科技學院,湖北武漢 430070)

麥麩粒徑對全麥面團流變學特性的影響

熊禮橙,牛 猛*,張賓佳,趙思明,熊善柏

(華中農業大學食品科技學院,湖北武漢 430070)

麥麩經不同強度超微粉碎后得到4種不同平均粒徑(分別為327、209、144、45 μm),將麥麩按照出粉率進行回添得到全麥面粉,以探討不同粒度組成的麥麩對全麥面團流變學特性的影響。糊化特性分析結果顯示隨著麥麩粒徑的逐漸減小,全麥面粉的峰值黏度、最低黏度、最終黏度和回生值等顯著增大。粉質特征顯示全麥面粉的吸水率隨麥麩粒徑的減小逐漸增大,但穩定時間減小、弱化度增大。拉伸儀結果表明醒發時間會影響麥麩粒徑對面團面筋網絡結構的作用,在面筋網絡的逐步擴展和形成階段(45～90、90～135 min),較小粒徑的麥麩會促進面筋網絡結構變得密實但降低了其延展性。動態流變學特征顯示全麥面團的彈性模量和黏性模量隨麥麩粒徑的減小而減小,但在掃描范圍內高于普通面團。由本研究結果可推測,麥麩粒徑的減小會促進淀粉顆粒與麥麩層細胞的分離及麥麩纖維在面團中的分布，但增加了面團形成過程中的物理空間阻礙,干擾了蛋白質分子間的交聯和面筋網絡結構與淀粉顆粒的結合。

麥麩粒徑,全麥面粉,全麥面團,流變學特性

近年來,人們對于低糖、低脂、低熱量和高膳食纖維谷物制品的需求不斷增加。與精制谷物相比,富含膳食纖維的谷物食品,對于促進健康更加有效,全谷物食品已成為用于改善居民膳食營養結構的重要健康食品之一[1-2]。其中,全麥食品是全谷物食品的重要分支之一,因其富含大量生物活性營養成分,長期攝入不但能夠滿足現代人對營養物質的需求,還具有改善血脂代謝、降低膽固醇、降低血清低密度脂蛋白等功效[3-5]。

相比于普通面粉,全麥面粉中因麥麩的加入會對面團的流變學特性和加工特性造成不良影響。因此,全麥面粉的制粉工藝成為影響全麥制品品質的重要因素[6-7]。全麥面粉的制粉工藝可分為整粒碾磨和麥麩回添兩種方式,不同碾磨方式會對全麥面粉的加工性能和貯藏特性產生影響,其中經碾磨后麥麩粒徑大小是決定全麥制品面筋網絡結構和全麥食品品質的重要因素之一[8-12]。相比于麥麩回添工藝,整粒碾磨的碾磨效率較高,但在碾磨過程中會產生過量的破損淀粉[13-14]。麥麩粒度對全麥產品品質影響的研究發現,當麥麩粒度過大時,蒸煮后全麥面條的硬度、膠著性、咀嚼度呈現下降趨勢[15]。在一定麥麩粒徑范圍內,隨著麥麩粒度的減小,全麥餅干面團的伸展度和抗延展性逐漸增強[16]。而麥麩粒度過小時,面粉的吸水率增加,形成時間和穩定時間降低,面團中面筋網絡結構的形成受到抑制,面包產品的體積和質量下降[17-19]。然而,目前對于麥麩粒徑影響全麥面團的機制尚不明確,尤其在其對全麥面團面筋網絡結構形成和流變學特性的影響機制方面報道較少。本研究中采用麥麩回添的方式制備全麥面粉,研究麥麩粒徑對全麥面粉的糊化特性和粉質特性、全麥面團的拉伸特性和動態流變學特性的影響,以期為全麥面團的品質調控奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

麥麩和普通面粉 河南省大程糧油集團股份有限公司。

ZM 200超微離心粉碎機 德國耐馳公司;Mastersizer 2000激光粒度分析儀、Kinexus旋轉流變儀 英國馬爾文公司;快速粘度測定儀 瑞典波通瑞華科學儀器(北京)有限公司;粉質儀、拉伸儀 德國布拉班德公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 原料基本成分測定 蛋白質含量測定參照GB 50095-2010;脂肪含量測定參照GB/T 14772-2008;淀粉含量測定參照GB 5009.9-2008,酶水解法;灰分含量測定參照GB 5009.4-2010;纖維含量測定參照GB/T 5515-2008。

1.2.2 全麥面粉的制備 同一批小麥顆粒經碾磨后得到F1、F2、F3、次粉、果皮層和種皮層,其中F1、F2、F3是芯粉層,為普通面粉,其出粉率為70%。收集除芯粉層外其他組分混勻得到麥麩,通過調節超微粉碎機的齒輪轉速和碾磨道數分別得到具有4種不同粒徑分布的麥麩組分,按照30%的比例分別回添到普通面粉中,組成4種不同粒度分布的100%全麥面粉。樣品以麥麩組分的平均粒徑標記,以普通面粉做為對照組。4種不同粒徑麥麩的碾磨參數分別為齒輪轉速(8000、10000、14000、18000 r/min),碾磨道數(一道、二道、一道、一道)。

1.2.3 粒徑分布的測定 采用Mastersizer 2000激光粒度測定儀對麥麩和普通面粉的顆粒粒度進行測定[20]。測試條件:遮光度10%,分散劑為乙醇,分散劑折射率1.330。

1.2.4 糊化特性的測定 參照AACC方法76-21[21],采用快速粘度儀(RVA)測定全麥面粉中淀粉糊化特性。稱取3.5 g全麥面粉(以14%水分含量為基準,下同)到鋁盒中,加入25 mL蒸餾水,預攪拌后將鋁盒放到快速粘度分析儀上進行實驗;升溫降溫程序為:在50 ℃保溫1 min,然后在3.75 min內升溫到95 ℃,在95 ℃保持2 min后,3.75 min內降溫到50 ℃,最后在50 ℃保溫2 min。起始10 s內攪拌轉速為960 r/min,之后維持在160 r/min。測定的主要參數有峰值黏度、最低黏度、崩解值、最終粘度、回生值等。

1.2.5 粉質特性的測定 參照AACC方法54-21[22],采用粉質儀測定全麥面團的攪拌特性。稱取300 g全麥面粉加入適量水分后在和面缽中揉和,當面團的最高稠度達(500±20) FU時按記錄儀所記錄的粉質曲線得到各粉質參數,測定的主要參數有吸水率、稠度、形成時間、穩定時間、弱化度、粉質指數等。實驗過程中和面缽工作溫度控制在(30±0.2) ℃范圍內。

1.2.6 拉伸特性的測定 參照AACC方法54-10[23],用拉伸儀測定全麥面團的拉伸特性。根據粉質儀測定得到的最佳吸水率,將全麥面粉、蒸餾水和氯化鈉加入粉質儀和面缽內,揉面5 min后取出在拉伸儀中進行揉圓、成型、依次醒發45、90、135 min后進行拉伸特性測定。測定指標主要為拉伸阻力(BU)、最大抗拉阻力(BU)、面團延伸性(mm)、拉伸能量(cm2)、拉伸比(BU/mm)等。

1.2.7 動態流變學特性的測定 參照劉彥等[24]所采用方法對全麥面團流變學特性進行測定。稱取3 g經粉質儀揉混5 min后的面團放置于流變測試臺上,靜置5 min以釋放面團的殘余應力。以動態測量模式下的應力掃描程序確定面團的線性黏彈區,測定條件為:平板直徑40 mm,夾縫距離1 mm,固定頻率1.0 Hz,測試溫度25 ℃。在確定線性黏彈區后采用頻率掃描程序測定麥麩粒徑對全麥面團流變學特性G′(彈性模量)和G″(損耗模量)的影響,測定條件為:平板直徑40 mm,測定夾縫距離1 mm,目標應變0.05%,測試溫度25 ℃,頻率掃描范圍0.01～10 Hz。

1.3 數據處理方法

運用Microsoft Excel 2007、Origin 8.0和SAS 9.1軟件進行數據整理和統計分析,用ANOVA進行方差分析。實驗設3次重復,結果以“平均值±標準偏差”表示。

2 結果與分析

2.1 原料的基本成分

麥麩、普通面粉和全麥面粉的基本成分如表1所示。麥麩中蛋白質含量達到27.05%,全麥面粉的蛋白質含量為16.68%,高于普通面粉的蛋白含量。作為面粉中的主要組分,淀粉在普通面粉中的含量高達85.54%。麥麩中所含淀粉較少,全麥面粉中淀粉的含量為64.47%。纖維在麥麩中含量較高,所占比重為10.59%,而普通面粉中幾乎不含有纖維。

表1 原料的基本成分

圖1 超微粉碎對麥麩粒徑分布的影響Fig.1 Effects of superfine grinding on wheat bran particle size distribution

2.2 麥麩粒徑的分布

將通過控制齒輪轉速和研磨道數所獲得的4種不同粒徑的麥麩采用激光粒度儀進行粒徑分布的測定,激光粒度儀通過分析散射角和散射光強度分別得到顆粒在0～5、5～10、10～20、20～35、35～70、70～110、110～180、180～25、250～350、350～500、500～600、600～700、700～800、800～900 μm、大于900 μm范圍內的數量分布,然后通過引入粒級中間值和形狀系數,再歸一化后得到粒徑體積分布,最后依據體積分布畫出粒徑條形分布圖。

如圖1所示,隨著碾磨轉速和道數的逐漸增大,麥麩的平均粒徑逐漸下降。由研磨強度從小到大得到的麥麩平均粒度分別為327、209、144、45 μm。327 μm組的麥麩在0～1000 μm區間大體呈正態分布,209 μm組中所有的麥麩顆粒的粒徑都小于800 μm,在0～180 μm區間內的分布比例大于327 μm組,144 μm組的大部分麥麩顆粒的粒徑小于500 μm,45 μm組的平均粒徑最小,90%的麥麩顆粒的粒徑小于180 μm。

2.3 麥麩粒徑對全麥面粉黏度特性的影響

圖2表示不同粒度麥麩對全麥面粉中淀粉RVA曲線的影響。如圖2所示,各樣品的熱黏度曲線趨勢大致相同。在初始升溫過程中,淀粉懸濁液黏度迅速增大,這是淀粉顆粒潤張、晶體結構熔融,導致流動阻力增大所致[25]。隨著溫度的繼續升高,淀粉顆粒進一步潤脹,直鏈淀粉從內部滲出,形成以直鏈淀粉膠體為連續相,支鏈淀粉團塊為分散相的淀粉糊,糊化程度顯著增加,黏度達到峰值[26]。此后,在最高溫度下保持一段時間,淀粉顆粒進一步破裂,直鏈淀粉溶出,黏度開始下降。隨后溫度下降,淀粉糊熱運動減弱,淀粉顆粒和膠體網絡收縮,流動阻力會增大,導致黏度上升。

圖2 麥麩粒度對全麥粉黏度特性的影響Fig.2 Effects of wheat bran particle size on the viscosityproperties of whole-wheat flour

麥麩的添加使面粉的峰值黏度、最低黏度、崩解值、最終黏度和回生值都顯著降低。隨著麥麩粒徑的逐漸減小,全麥面粉的峰值黏度、最低黏度、最終黏度和回生值等顯著增大,峰值黏度由327 μm組的760 cp升高到45 μm組的923 cp,最低黏度由283 cp升高到411 cp,最終黏度由796 cp升高到1153 cp,回生值由513 cp升高到742 cp。麥麩對面粉糊化黏度的降低作用主要是因為減小了面粉中淀粉的相對含量,使得糊化后流動阻力變小、黏度減少。麥麩粒徑的減小造成全麥面粉糊化黏度和回生值的升高,這主要是因為碾磨作用促進了淀粉顆粒與麥麩層細胞的分離,使淀粉顆粒的吸水率增加,糊化程度提高,另外粒徑減小后麥麩纖維的比表面積增大,持水能力增加,膨脹體積變大,從而促進了糊化黏度的增加;回生值的顯著增大,表明粒徑的減小降低了麥麩對糊化后淀粉分子間重排的阻礙作用,淀粉糊的低溫穩定性變差,更易老化。此結果與Niu[14]等的報道結果存在差異,這主要是因為在本研究中經高強度碾磨后麥麩粒徑下降程度更大,平均粒徑最小降至45 μm,各組別間粒徑差別也增加。雖然麥麩中淀粉的晶體結構會因碾磨而受到破壞,造成淀粉熱糊化黏度的下降,但本研究中粒徑的顯著減小促進了麥麩層中淀粉的糊化和纖維持水能力,從而提高了全麥面粉的熱糊化黏度。此外,麥麩粒徑的變化對崩解值未產生顯著影響,各組的崩解值都在500 cp左右。

表2 麥麩粒徑對全麥面團粉質特性的影響

注:同列字母不同表示差異顯著(p<0.05)。

2.4 麥麩粒徑對全麥面粉粉質特性的影響

表2表示麥麩粒徑對全麥面粉粉質特性的影響。由表2可知,全麥面粉與普通面粉的粉質特性有顯著差異性,表現為全麥面粉吸水率增大、形成時間和弱化度增加,而穩定時間變短,粉質指數減小,說明全麥面粉相對于普通面粉吸水性增加,但面筋強度降低。這主要是因為麥麩纖維具有較高的持水性,延長了面團的吸水過程,從而增加了全麥面粉的吸水率和面團的形成時間[27];而麥麩成分的加入稀釋了體系中貯藏蛋白的濃度,減少了單位體系內面筋蛋白網絡的物質基礎,且較大顆粒的麥麩纖維會對面筋網絡結構的形成造成物理阻礙,從而使全麥面團中面筋網絡結構強度下降。

隨著麥麩粒徑的減小,全麥面粉的吸水率逐漸增大。相對于327 μm組,209、144、45 μm組全麥面團的穩定時間顯著減小;另外隨著麥麩粒徑的減小,全麥面團的弱化度也呈現增加趨勢,說明全麥面團中面筋強度隨麥麩粒徑的減小有所下降。吸水率增加主要是因為麥麩纖維粒徑減小,比表面積增大,促進了全麥面團的吸水,另外麥麩中的淀粉顆粒會在高強度碾磨下受到破壞,破損淀粉含量有所增加,因而也會促進全麥面粉吸水率的增加[28]。穩定時間和弱化度是反應面團在形成過程中面筋網絡強度大小的兩個重要指標[29]。這兩個指標的變化可能是由于相對于較大顆粒的麥麩纖維,較小顆粒的麥麩纖維在面團中的分布范圍更廣,對面筋網絡結構的形成產生了更大的物理阻礙,另外破損淀粉含量的增加會促進面團的吸水,使面團發粘,彈性和延伸性降低。此結果又與Niu等[14]的報道結果存在差異,主要還是由于兩項研究中麥麩粒徑的分布范圍存在較大差異造成的。另外,結果還顯示出麥麩粒徑未對全麥面團的形成時間和粉質指數產生顯著影響。

2.5 麥麩粒徑對全麥面團拉伸特性的影響

表3表示含有不同粒徑麥麩的全麥面團在經45、90、135 min醒發后的拉伸特性。拉伸阻力和最大抗拉阻力與面筋網絡結構的彈性和持氣能力有關,延伸性表征面團的延展性和可塑性,拉伸能量表征面團中面筋的強度,拉伸比例則是體現拉伸阻力和面團延伸性之間平衡的平衡關系[30]。相對于普通面團,各全麥面團實驗組在最大抗拉阻力、延伸性、拉伸能量上呈現顯著下降,拉伸比例顯著增加,除45 μm組在醒發90 min時拉伸阻力大于普通面團外,其余全麥面團組的拉伸阻力均低于普通面團。這說明相比于普通面團,全麥面團的彈性下降,延展性減小,面筋網絡強度減小,但單位延伸長度上拉伸阻力增加。

實驗結果表明醒發時間影響了麥麩粒徑對全麥面團拉伸特性的作用。在經45 min醒發時,209 μm組的最大抗拉阻力、延伸性和拉伸能量等指標高于其他實驗組,顯示出較高的面團彈性、延展性和面筋強度;在經90 min醒發后,45 μm組的拉伸阻力和最大抗拉阻力顯著高于其他全麥組,而面團延伸性顯著下降、拉伸比例增加,327 μm組與45 μm組截然相反,顯示出較低的拉伸阻力和最大抗拉阻力;在經135 min醒發后,45 μm組的拉伸阻力和最大抗拉阻力仍高于其他全麥組,但延伸性低于其他組別。拉伸特性展現出面團經醒發不同時間后彈性、延展性和面筋強度的變化,而粉質特征為面團在形成過程中表現出的穩定性和耐揉性,因此通過兩種方法得到的面團特征存在差異。由拉伸特征數據可知,在醒發時間為0～45 min時,面筋網絡尚處于初步形成階段,較小粒徑的麥麩顆粒(144 μm組 與45 μm組)會降低面團的拉伸阻力和延伸性,表現出彈性和延展性的下降;醒發時間為45～90 min時,面筋網絡處于逐漸擴增期。經90 min醒發后,較小粒徑的麥麩顆粒(45 μm組)增加了拉伸阻力但降低了延伸性,表現出彈性的提高和延展性的下降;經135 min醒發后,面筋網絡結構逐漸形成并完善,相對于其他組別,較小粒徑的麥麩顆粒(45 μm組)仍然促進了面筋彈性的提升,但延伸性仍下降,表明面筋網絡密實程度增加,彈性和硬度增強,但可塑性變差。

表3 麥麩粒徑對全麥面團拉伸特性的影響

注:同列字母不同表示差異顯著(p<0.05)。

2.6 麥麩粒徑對全麥面團動態流變學特性的影響

對面團進行應變掃描,以確定面團的線性粘彈區,結果如圖3所示。應變反映面團在應力作用下的變形程度。隨著應變的增加,面團的彈性模量(G′)、黏性模量(G″)和損耗因子(tan δ,G″/G′)在0.01%～10%的應變范圍內顯示出不同的變化趨勢。G′和G″在較高應變時呈下降趨勢,tan δ則呈現上升趨勢,說明G′和G″下降速率不同,G′下降速率更快。當G′和G″隨應變的變化不發生改變時,面團在黏彈區間內且結構沒有受到破壞。根據圖3所示結果,最終選擇應變為0.05%時進行頻率掃描。

圖3 全麥面團的應變掃描Fig.3 Strain sweep of whole-wheat dough

圖4(a)和4(b)表示麥麩粒徑對全麥面團動態流變學特性的影響。G′和G″分別表征面團的彈性模量和黏性模量。對照組與全麥組在同一掃描頻率下的G′都大于G″,說明全麥面團與普通面團都屬于彈性高于黏性的固態黏彈體。對照組與全麥組的G′和G″值都隨著掃描頻率的增加而升高。另外,全麥組的G′和G″值在整個掃描頻率范圍內高于對照組,這與麥麩纖維含有大量的親水基團,會增加與面筋蛋白對自由水的競爭,麥麩纖維對水分的束縛使得面團硬度增加、延展性下降相關[31]。

圖4 麥麩粒徑對全麥面團動態流變學特性的影響Fig.4 Effects of wheat bran particle size on oscillatory rheological properties of whole-wheat flour

327 μm組的G′和G″在整個掃描頻率范圍內高于其他全麥組,而且隨麥麩平均粒徑的減小,G′和G″總體呈下降的趨勢,這說明麥麩粒徑的減小使得全麥面團的彈性與面筋強度有所下降。較小顆粒的麥麩會在較大范圍內干擾蛋白質分子間的交聯和面筋網絡對淀粉的包裹作用,從而降低面筋結構的連續性,影響以蛋白質和淀粉為主要基質的黏彈體的結構。雖然麥麩粒徑的減小促進了全麥面粉吸水率的升高,但高出的水分多被麥麩中纖維吸收,并未增加蛋白質和淀粉對水分的吸收作用。隨著麥麩粒徑的減小,反而減弱了蛋白質網絡結構和淀粉顆粒對水的吸收,使面團的黏性降低。此結果與全麥面粉粉質特征隨麥麩粒徑變化的趨勢相同。動態流變測試的樣品是通過粉質儀成型制得,未經過醒發過程,因此表現出的特征更接近于粉質儀測定的面團在形成過程中展現出的性質。

3 結論

本研究將麥麩經不同強度超微粉碎后得到4種不同粒徑分布的麥麩,平均粒徑分別為327、209、144、45 μm,再將麥麩按照出粉率(70%)進行回添得到全麥面粉。黏度特性分析結果顯示隨著麥麩粒徑的減小,全麥面粉的峰值黏度、最低黏度、最終黏度和回生值等顯著增大,而崩解值未發生顯著變化,這與麥麩中淀粉顆粒與纖維分離后糊化程度的增加有關。粉質特征顯示全麥面粉的吸水率隨麥麩粒徑的減小而逐漸增大,但穩定時間減小、弱化度增大,表明全麥面團中面筋網絡強度隨麥麩粒徑的減小而減弱。拉伸儀結果表明醒發時間會影響麥麩粒徑對面筋網絡結構的作用。在醒發時間為90 min和135 min時,面筋網絡處于逐漸擴展和形成階段,較小的麥麩顆粒會促使面團拉伸阻力的增大,但延伸性會降低。動態流變學特征顯示隨麥麩粒徑的減小,全麥面團的彈性模量和黏性模量逐漸變小。通過對表觀特征和主要機制的探討,作者推測麥麩粒徑影響全麥面團流變學性質的主要原因為麥麩粒徑的減小促進了麥麩纖維的分布,增加了面團形成的物理空間阻礙,干擾了蛋白質分子間的交聯和面筋網絡與淀粉顆粒的結合。

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Effects of wheat bran particle size on rheological properties of whole-wheat dough

XIONG Li-cheng,NIU Meng*,ZHANG Bin-jia,ZHAO Si-ming,XIONG Shan-bai

(College of Food Science and Technology,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China)

In the study,wheat bran was ground by superfine grinding with various strengths,and then added into straight grade flour according to flour extraction rate(70%)to obtain whole-wheat flour(WWF). The average particle sizes of four wheat bran after superfine grinding were 327,209,144,45 μm,respectively. The influences of wheat bran particle size on the rheological properties of whole-wheat dough(WWD)were investigated. The analysis of viscosity showed that the peak viscosity,trough,final viscosity and setback of WWF were significantly increased as wheat bran particle size reduced. The farinograph analysis indicated that as the wheat bran particle size reduced,the water absorption of WWF was remarkably increased,but the stability time was decreased and the softening degree was enhanced. Extensograph analysis showed that fermentation time could affect the effects of wheat bran particle size on the dough gluten network structure;in the stages of extension and formation of gluten network(45～90,90～135 min),smaller wheat bran particle size could promote the compactness of gluten network but reduced the extensibility. Oscillatory rheological properties analysis indicated that as wheat bran particle size decreased,the elastic modulus and viscous modulus of WWD showed a downward trend,but still higher than the control group within the scanning range of frequency. Based on the obtained results,it can be speculated that the decreased wheat bran particle size promoted the separation between starch granules and bran layer and facilitated the distribution of wheat bran fiber,but caused more steric hindrance during the development of gluten network and inhibited the binding between the protein molecules and the interactions of gluten matrix with starch granules.

wheat bran particle size;whole-wheat flour;whole-wheat dough;rheological properties

2016-07-25

熊禮橙(1991-),女,碩士研究生,研究方向:農產品加工與貯藏,E-mail:15527283153@163.com。

*通訊作者:牛猛(1985-),男,博士,講師,研究方向:谷物大分子的結構與功能特性,E-mail:nmjay@mail.hzau.edu.cn。

國家自然科學基金青年科學基金項目(31501520);中央高校基本科研業務費專項資金資助項(2662015QC029);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2662014BQ056)。

TS211.4

A

1002-0306(2017)02-0098-07

10.13386/j.issn1002-0306.2017.02.010