麥麩膳食纖維對小麥粉糊化及凝膠質構特性的影響

姜小苓,李 淦,胡喜貴,吳曉軍,李秀玲,于紅彩,茹振鋼

(河南科技學院小麥中心，河南省現代生物育種協同創新中心，河南省高校作物分子育種重點開放實驗室,河南新鄉 453003)

膳食纖維(Dietary fiber,DF)是能抗人體小腸消化吸收,在大腸能部分或全部發酵的植物性可食用成分以及以多糖類為主的大分子物質的總稱,主要包括纖維素、半纖維素、果膠和木質素,被稱為“第七營養素”[1]。研究表明,膳食纖維具有預防結腸癌、肥胖癥和心血管疾病,以及調節血糖、降低膽固醇等生理功能[2-3]。另外,膳食纖維還具有高粘度和高水合作用的特性,對小麥制粉、加工烘焙等均具有重要影響[4]。

小麥麩皮中大約含有40%的膳食纖維,是生產膳食纖維的優質資源[5],并且安全性高,是公認的天然食物纖維。有研究報道,英國居民20%的膳食纖維來源于小麥制品,其中11%來源于白面包,5%來源于全麥面包[6]。在我國,消費者對小麥面粉精度和白度的要求一直較高,育種研究者也主要側重于小麥的產量和加工品質,導致小麥粉中膳食纖維的含量越來越低[7];目前我國人均膳食纖維的攝入量嚴重不足,并且隨著食品精加工水平的提高呈逐步下降的趨勢[8]。因此,在食物中補充膳食纖維已成為當務之急,研制具有輔助治療、預防作用的膳食纖維健康食品勢在必行。

迄今為止,有關膳食纖維對面團流變學特性及面食制品品質影響方面的研究較多,但結論不一,原因可能是膳食纖維的來源、特性或實驗材料、實驗方法不同所致。陶顏娟等[9]和Sudha等[10]研究認為,膳食纖維可增加面團吸水率、形成時間和面團拉伸比,降低面團延展性;Peressini[11]則認為,膳食纖維可延長和面時間和穩定時間,降低吸水率;張華等[2]研究表明,隨膳食纖維添加量的增加,面團穩定時間呈先上升后下降趨勢;豆康寧等[12]研究認為,不同溶解性的膳食纖維對面團流變學特性的影響不同,不溶性小麥膳食纖維對面團面筋具有惡化作用,而可溶性小麥膳食纖維對面團面筋具有改良作用。陳建省等[13]研究表明,麥麩纖維能降低面團的峰值高度、8 min尾高、峰值面積,增加峰值時間和8 min帶寬;而Bonnand等[14]認為,膳食纖維可降低峰值時間,增加峰值寬度。Yadav等[15]表明,添加麥麩會降低面包的粘附性、咀嚼性和感官評分;Garófalo等[16]認為添加膳食纖維能顯著增加面包體積。

淀粉是小麥的主要組成成分,約占小麥籽粒的60%～70%,是人類膳食重要的能量來源。糊化特性是淀粉品質的重要指標,且對饅頭、面條等面制品的品質具有重要影響[17]。目前,關于膳食纖維對淀粉糊化特性的影響已有相關報道,但有關糊化凝膠質構方面的研究較少。本實驗以2種不同筋力的小麥粉為材料,分析研究麥麩膳食纖維添加量對小麥粉糊化特性以及凝膠質構特性的影響,并通過場發射掃描電子顯微鏡進一步觀察膳食纖維面團及糊化凝膠的內部微觀結構,以期探討膳食纖維對小麥粉糊化和凝膠質構的影響機制,為小麥制品的品質改良以及麥麩膳食纖維在食品中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

麥麩膳食纖維 實驗室自提;不同筋力的小麥粉A(強筋)、B(弱筋) 由河南科技學院小麥中心提供,參試面粉品質特性見表1。

表1 參試材料的品質特性Table 1 Quality characteristics of tested materials

RVA4500快速粘度分析儀 瑞典Perten公司;TMS-PRO質構儀 美國FTC公司;ALPHA1-4LSC冷凍干燥機 德國Christ公司;SU8010場發射掃描電子顯微鏡 日本日立公司;BS223S電子分析天平 北京賽多利斯儀器系統有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 麥麩膳食纖維制備 利用酶-化學法從麥麩中提取膳食纖維,具體方法參照姜小苓等[18]。最終制品膳食纖維含量為85.0%(不溶性膳食纖維80.35%,可溶性膳食纖維4.65%),經干燥粉碎后,過100目篩,4 ℃冷藏備用。

1.2.2 麥麩膳食纖維的添加 將麥麩膳食纖維分別按照2.5%、5.0%、7.5%、10.0%、12.5%和15.0%的比例(w/w)加入小麥粉A和B,制成配粉。

1.2.3 糊化特性測定 利用RVA4500快速粘度分析儀,測定小麥面粉及配粉的糊化特性,方法參照AACC 76-21,各糊化參數計算方法見圖1。其中糊化溫度是試樣加熱后,試樣粘度開始增大時的溫度;峰值粘度是在規定條件下,加熱使試樣開始糊化至冷卻前達到的最大粘度值;糊化時間是在規定條件下,試樣測試開始至達到峰值粘度的時間;低谷粘度是在規定條件下,試樣達到峰值粘度后,在冷卻期間的最小粘度值;稀懈值是峰值粘度與低谷粘度的差值;最終粘度是規定條件下,測試結束時的試樣粘度值;回生值是最終粘度與最低粘度的差值。

圖1 糊化特性曲線Fig.1 Pasting curve

1.2.4 凝膠質構特性測定 將1.2.3方法中糊化后的凝膠樣品在鋁筒內趁熱搖勻至表面平整,在4 ℃下放置48 h。利用質構儀對凝膠進行物性測試,采用75 mm圓盤擠壓探頭進行TPA壓縮模式測試。測前速度 50 mm·min-1,測試速度30 mm·min-1,測后速度50 mm·min-1,起始力0.8 N,形變量30%,保持時間1 s,最終獲得硬度、粘附性、彈性等參數,每個實驗重復3次。

TPA(Texture Profile Analysis)凝膠質構測試通過模擬人口腔的咀嚼運動,對樣品連續壓縮兩次,獲得相應的質構測試曲線,進而從中分析凝膠的硬度(Hardness)、粘附性(Adhesiveness)、膠粘性(Gumminess)、內聚性(Cohesiveness)和彈性(Springiness)等參數。其中,硬度是指樣品壓縮到一定形變程度所需的力,是衡量制品品質的一個重要指標,硬度值越小,表明制品越柔軟,適口性越好。彈性是指形變樣品去除擠壓力后恢復原條件下的高度,值越大,制品的內部結構越好,彈性越好;粘附性是指克服制品表面同其他物質表面接觸之間的吸引力所需的能量,值越高,表示制品粘度越高。咀嚼度為硬度、彈性和粘附性的乘積,表示咀嚼樣品需要的能量。

1.2.5 掃描電鏡觀察 方法參照劉國琴等[19],略有改動:將參試面粉和配粉分別按5 g∶2.4 mL比例加水,和面5 min,制成面團。將面團和糊化凝膠在-20 ℃條件下預凍10 h,用保鮮膜包裹置于冷凍干燥機,冷凍干燥48 h。將凍干的樣品切成1 cm×1 cm×0.5 cm的方塊,噴金固定于載物臺上,利用場發射掃描電子顯微鏡觀察面團及凝膠體系的微觀結構。

1.3 統計分析

利用DPS7.05和EXCEL 2010進行實驗數據的統計分析。

2 結果與分析

2.1 麥麩膳食纖維對小麥粉糊化特性的影響

由圖2可知,兩種不同筋力小麥粉添加麥麩膳食纖維后,峰值粘度、低谷粘度、稀懈值、最終粘度和回生值等特征糊化參數隨添加量的增加均呈逐漸下降趨勢。進一步分析發現,淀粉糊化特征參數(除糊化時間和糊化溫度外)在不同添加量間均存在顯著差異(p<0.05)。兩種筋力小麥粉各粘度參數的下降幅度基本相同,但小麥粉A的粘度參數多數高于小麥粉B(除回生值和糊化溫度外)。添加15%的麥麩膳食纖維后,小麥粉A的峰值粘度、低谷粘度、稀懈值、最終粘度和回生值分別下降了1145、857、288、1462、605 cP,與原小麥粉相應參數對比下降了27.7%、31.7%、20.1%、33.6%、36.7%;添加15%的麥麩膳食纖維后,小麥粉B的峰值粘度、低谷粘度、稀懈值、最終粘度和回生值分別下降了1096、585、511、1355.5、770 cP,下降幅度相當于原小麥粉相應參數的30.4%、27.1%、35.4%、31.5%、36.0%。

圖2 麥麩膳食纖維添加量對小麥粉糊化特性的影響Fig.2 Effect of additive amounts of WBDF on pasting property for wheat flour

添加膳食纖維后,小麥粉的糊化特征參數降低的原因可能是:添加膳食纖維使糊化體系中淀粉的相對含量減少,濃度降低,進而導致糊化參數的下降;另外,膳食纖維的吸水能力遠高于小麥粉中的淀粉和蛋白質,減少了糊化體系中可利用水的轉運,進而阻礙了淀粉顆粒吸水糊化,同時也會不同程度的增大糊化體系中淀粉/水的比例[20-21]。因此,糊化參數的變化主要取決于這兩個方面的共同作用。從本實驗的結果來看,膳食纖維對糊化體系淀粉濃度的稀釋作用可能要大于由其吸水能力導致的淀粉/水比例的升高作用。

兩種小麥粉添加膳食纖維后,糊化時間的變化趨勢沒有規律性,小麥粉A糊化時間的變化幅度大于小麥粉B;而小麥粉B的糊化時間基本沒有變化。另外,兩種筋力小麥粉的糊化溫度受膳食纖維的影響也較小,且小麥粉A的糊化溫度低于小麥粉B。說明糊化時間和糊化溫度基本不受膳食纖維的影響。

2.2 麥麩膳食纖維對糊化凝膠質構特性的影響

糊化淀粉冷卻后,會形成具有一定彈性和強度的半透明凝膠,凝膠的質構特性對最終食品的品質具有重要影響,它可以間接反映出小麥制品的品質,如形態、質構、口感、貨架期等[22-23]。由表2可知,小麥粉A凝膠的硬度、粘附性、彈性、膠粘性等指標均低于小麥粉B,說明淀粉凝膠的質構特性與品種特性有關。另外,小麥粉A糊化的峰值粘度高于小麥粉B(圖2),這與峰值粘度與凝膠硬度呈極顯著負相關的結論一致[23]。添加麥麩膳食纖維后,兩種小麥粉凝膠的質構參數變化趨勢基本一致,均呈現下降趨勢。其中,兩種凝膠的硬度和粘附性均隨膳食纖維添加量的增加逐漸降低,凝膠B下降幅度較凝膠A大;內聚性、彈性和膠粘性下降幅度隨膳食纖維添加量增加沒有一致的規律性,總體呈下降趨勢;除凝膠A的膠粘性在不同添加量間差異不顯著外(p>0.05),其他所有質構參數在部分添加量間均存在顯著差異,其中添加15%膳食纖維均顯著低于未添加膳食纖維的凝膠。進一步分析發現,加入膳食纖維后,凝膠的咀嚼度隨之降低,且隨添加量的增加,呈逐步下降趨勢。

表2 麥麩膳食纖維添加量對糊化凝膠質構特性的影響Table 2 Effect of additive amounts of WBDF on textural property of pasting gel

糊化凝膠是一種非均勻相的混合體系,主要由淀粉分子間相互作用以及蛋白質的網絡結構聚集而成的致密有序的超分子聚集體[22],其質構特性與淀粉組成和含量、蛋白質含量及分子結構有關[23-24]。膳食纖維導致兩種小麥粉糊化凝膠質構參數值減小的原因可能是:膳食纖維的加入減少了體系中蛋白質和可糊化淀粉的比例,削弱了它們之間的交聯作用,影響了蛋白網絡結構的形成;此外,膳食纖維較強的吸水性[25]也使淀粉、蛋白質分子與水分子的結合減少,并且膳食纖維分子側鏈上的羧基、羥基等活性基團也會與其發生相互作用,進而降低其交聯程度,使糊化凝膠的硬度降低[9]。另外,膳食纖維的糊化曲線近似是一條粘度為零的直線,冷卻后也不會凝聚,說明膳食纖維不會發生糊化,只是對糊化體系中淀粉和蛋白質的濃度及淀粉、蛋白質分子間的交聯產生影響[24]。

2.3 DF對小麥粉面團及凝膠內部結構的影響

通過觀察面團的顯微結構,小麥粉B及其配粉面團和凝膠的顯微結果與小麥粉A類似,所以此處只列出小麥粉A的結果,結果見圖3和圖4。發現未添加膳食纖維的面團中單位體積的淀粉顆粒較多,顆粒間空隙較大,且多數游離在面筋蛋白網絡結構之外;添加15%膳食纖維后,面團體系中淀粉顆粒的總濃度降低,多數淀粉顆粒被緊密包裹、鑲嵌在面筋蛋白網絡結構中,只有少數淀粉顆粒游離在面筋蛋白的網絡結構外,并且淀粉顆粒間的孔隙減小,說明膳食纖維可增加面團結構的緊致性。糊化過程中淀粉顆粒吸水膨脹進而破裂并與面筋蛋白形成復合物,經過冷藏放置后,淀粉分子發生重排,組成結構致密的聚集體。未添加膳食纖維的糊化凝膠結構致密、均勻,添加15%膳食纖維后,形成的網絡結構出現斷裂,未發生糊化的膳食纖維清晰可見,說明未糊化的膳食纖維會影響凝膠結構的形成,降低其致密性和均勻性,這與添加膳食纖維導致糊化凝膠質構參數降低的結果一致。

圖3 小麥粉A及其配粉面團的顯微結構Fig.3 Microstructure of dough for wheat flour A and flour blending注:a:未添加膳食纖維;b:添加15%膳食纖維；圖4同。

圖4 小麥粉A及其配粉凝膠的顯微結構Fig.4 Microstructure of gel for wheat flour A and flour blending

3 結論

添加膳食纖維會顯著降低小麥粉的峰值粘度、低谷粘度、稀懈值、最終粘度和回生值等糊化特征參數,但對糊化時間和糊化溫度的影響不顯著;并且還會顯著降低糊化凝膠的硬度、粘附性和咀嚼度等凝膠質構參數;不同筋力小麥粉的糊化和凝膠質構參數隨膳食纖維添加量的變化規律基本一致;膳食纖維會改變小麥面團和糊化凝膠的結構。

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