超聲波對醒面過程中面團流變學特性、水分分布及蛋白二級結構的影響

張艷艷，李銀麗，吳萌萌，李佳樂，李 可，張 華*

（鄭州輕工業學院食品與生物工程學院，食品生產與安全河南省協同創新中心，河南省冷鏈食品質量安全控制重點實驗室，河南 鄭州 450002）

和面的過程中面團受到機械拉伸和擠壓而形成應力，需要經一段時間進行靜置和熟化使面團趨于均勻穩定，使得處于緊張狀態的面筋組織松弛緩和，增加其延伸性。面團的應用十分廣泛，可以廣義的分為發酵面團和非發酵面團。發酵面團在蛋糕、面包、饅頭制作等方面應用較為廣泛，非發酵面團主要應用在餃子皮、面條等傳統食品上[1-3]。醒面是非發酵面團加工過程中的一個重要工序。醒面過程可促進面筋網絡進一步形成，提高面筋性能。面團在靜置醒面過程中發生了一系列物理、化學和生物變化，如面制品風味的產生、面團體積的增大、面團面筋的擴展形成等。其中，面團流變學特性和水分分布的變化對后續面制品的加工品質具有重要的影響，如產品的體積、組織、顆粒度、柔軟度等。傳統的靜置醒面方式存在時間長、水分分布均勻性差等缺點[4-6]。

超聲波指一種頻率為20～（2×106）kHz的可在媒介中傳播的彈性機械波。人工合成超聲波是由Savrt在1830年第一次提出的[7]。超聲作為一種強化過程的手段，其產生的空化作用、機械效應和熱效應等可對原料的結構和功能產生較大影響[8-11]。目前，超聲波已被廣泛用于清洗、提取分離、蛋白和多糖的改性等方面。除此之外，超聲波還具有一定的均質作用和定向作用，能夠加速生化反應過程，改善反應環境。宋國勝[12-13]、張海華[14]等的研究發現，超聲波處理可以通過改變面筋蛋白的微觀結構和二級結構來改善面團的加工性能。但是，目前超聲波在醒面方面的應用還鮮有報道。

本研究采用發散式低頻超聲波輔助醒面，利用低場核磁共振儀、傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）儀和掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）等儀器研究超聲波對醒面過程中面團水分分布、蛋白二級結構和微觀結構的影響，以期能夠改善面團的流變學特性，為非發酵面團品質的改良提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

神象特一粉（蛋白質質量分數9.0%、脂肪質量分數1.5%、水分質量分數12.8%） 中糧（鄭州）糧油工業有限公司。所有試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

Vcx750超聲波細胞破碎儀 美國Sonics公司；Discovery旋轉流動儀 美國TA公司；NM120低場核磁共振分析儀 上海紐邁電子科技有限公司；Vertex 70 FTIR儀德國Bruker公司；JSM-6490LV SEM 日本JEOL公司；XLF-30C氣流粉碎機 廣州市旭朗機械設備有限公司；LGJ-10冷凍干燥機 河南兄弟儀器設備有限公司；HWS-080恒溫醒發箱 上海精宏實驗設備有限公司；AL204分析天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 面團的制備

稱取300 g面粉，加入150 mL蒸餾水，置于立式食品攪拌機中150 r/min攪拌揉和10 min，使其形成干濕均勻的松散顆粒面團，然后制成高3 cm、直徑10 cm的圓柱型面團，用保鮮膜密封以備測試。

1.3.2 超聲波輔助醒面

將用保鮮膜密封好的面團放入1 000 mL燒杯中，再加入初始溫度為30 ℃的蒸餾水300 mL。將超聲波探頭伸入液面下距面團2 cm處，對面團進行超聲波輔助醒面，超聲時間分別為5、10、15、20、25、30 min。超聲波的工作頻率為20 kHz，功率為300 W，工作時間4 s、間歇時間3 s，對照組在恒溫醒發箱內（溫度30 ℃、相對濕度85%）醒發相同的時間。

1.3.3 面團流變特性的測定

根據Li Juan等[15]的方法，利用流變儀對面團的流變特性進行測定，采取振蕩模式下的頻率掃描實驗來研究超聲波對醒面過程中流變特性的影響。流變儀的平板直徑為20 mm，夾縫距離為1 mm。模具下壓后使面團在兩塊平板之間靜置5 min，松弛面團殘余應力，刮掉多余部分，立刻涂抹甲基硅油以防止水分蒸發。頻率掃描參數設置：應變：0.5%；溫度：25 ℃；頻率：0.1～40.0 Hz。

1.3.4 面團水分分布的測定

采用CPMG（Carr-Purcell-Meiboom-Gill）脈沖序列測定樣品的橫向弛豫時間T2。將面團樣品放在永久磁場中間位置的射頻線圈的中心，進行CPMG脈沖序列測驗。本研究CPMG序列采用的參數為：采樣點數TD＝166 446，回波個數C0＝1 200，重復掃描次數NS＝16，半回波時間TE＝0.208 ms。林向陽[16]和Doona[17]等的研究認為，T21（分布在0.7～7.0 ms）表示結合水，T23（分布在85～200 ms）表示自由水，T22（分布在8.0～50.0 ms）是介于自由水和結合水之間的弱結合水。弛豫時間T2與水分子的流動性成正比，即T23越小說明水分子的自由度越低，面團的持水性越好。

1.3.5 FTIR分析

將經冷凍干燥的面團磨成粉狀過100 目篩后，取1 mg樣品和200 mg KBr混合。全波段掃描測定。實驗參數：掃描波數范圍為4 000～400 cm－1，分辨率為4 cm－1。采用Paekfit 4.12分峰分析軟件對FTIR圖譜去基線，采用二階導數和高斯去卷積等進行曲線擬合。根據蛋白質二級結構認證研究[18-21]，對實驗中酰胺I帶（1 600～1 700 cm－1）各子峰位置及二級結構的歸屬表示如下：其中包含分子間β-折疊（1 605～ 1615 cm－1）、分子內β-折疊（1 615～1 640 cm－1）、反平行β-折疊（1 690～1 700 cm－1）、無規卷曲（1 640～1 650 cm－1）、β-螺 旋 （ 1 6 5 0～ 1 6 6 0 c m－1） 、 β-轉 角（1 675～1 690 cm－1）。

1.3.6 面團的微觀結構觀察

參照劉國琴等[22]的方法，將經過超聲波輔助醒面后的面團及對照組面團冷凍干燥后，用氣流粉碎機粉碎，過100 目篩，以備測試使用。制樣時，用導電膠粘取少量的面粉樣品，然后噴金固定于載物臺上，用SEM觀察樣品的表面結構。拍攝放大倍數1 000 倍的圖像。

1.4 數據處理

用Excel 2010及SPSS 17.0軟件進行數據分析，用Origin 8.5軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 超聲波對醒面過程中面團流變學特性的影響

圖1 超聲波對醒面過程中非發酵面團流變學特性的影響Fig.1 Effect of ultrasonic-assisted resting on the rheological properties of dough

小麥面團是黏彈性的復合體系，既具有液體的黏合特性，又具有固體的彈性特性[23]。由圖1可知，隨著超聲時間的延長，面團的彈性模量（G’）、黏性模量（G’’）均呈現先減小后增加的趨勢，總體上高于對照組；損耗角正切值（tan δ）隨著超聲時間的延長總體上呈先上升后下降的趨勢，而對照組總體呈現上升趨勢；隨著超聲頻率的增加，tan δ總體上呈現增加的趨勢，超聲波輔助醒面使得面團的G’增加。超聲波的空化作用和機械作用使面團的面筋蛋白的巰基（—SH）經過蛋白內部的反應形成二硫鍵（—S—S—），從而使面筋蛋白保持其空間結構，面團的網絡結構得到增強；同時，使面團中的麥谷蛋白和麥醇溶蛋白相互作用，生成大分子聚合物，提高其流變學性質，改善了面團的黏彈性，促進面團中的淀粉顆粒充分脹潤，增加了面團的持水能力，導致面團的黏彈性改變[24]。

表1 超聲波對醒面過程中非發酵面團流變學特性的影響Table1 Effect of ultrasonic-assisted resting on the rheological properties of dough

從表1可以看出，在醒面的過程中面團的G’和G’’下降、tan δ上升，這說明醒面之后面團體系中黏性基團所占的比例增大，面團的流體特征增強。超聲時間超過20 min時，超聲組面團的G’和G’’均大于對照組、tan δ低于對照組，說明超聲組面團中黏性基團的比例低于對照組。

2.2 超聲波輔助醒面對面團水分分布的影響

圖2 超聲波對醒面過程中弛豫時間T2的影響Fig.2 Effect of ultrasonic-assisted resting on T2 relaxation time in dough

表2 超聲波輔助醒面過程對3 種狀態水含量的影響Table2 Effect of ultrasonic-assisted resting on the contents of three water states in dough

低場核磁共振技術作為一種新型的無損檢驗方法被廣泛運用在研究食品中的水分形態、水分分布及遷移規律等方面。采用CPMG序列和T2反演軟件得到不同超聲時間下面團樣品的T2圖譜。如圖2所示，面團中以T22峰為主要峰，說明在面粉與水混合形成面團時，水分主要存在狀態為弱結合水[25-27]。結合圖2和表2還可以看出，超聲時間不同，面團中的水分分布存在差異。總體上看，與對照組相比，超聲組面團的T22峰面積占總面積的比例較大，而T21的結果與之相反。隨著超聲時間的延長，結合水含量呈現先增加后趨于穩定的趨勢，而弱結合水含量與之相反，自由水的含量基本上趨于穩定。在超聲波輔助醒面25 min時，與對照組面團相比，超聲組面團的強結合水含量提高了44.0%，弱結合水含量下降了11.0%，自由水含量變化不大。由此可以得出，在超聲波輔助醒面過程中，超聲波加速了弱結合水向結合水的轉化。面團水分分布的變化將對面團的加工特性尤其是面團的黏彈性和持水性產生重要影響。

2.3 超聲波輔助醒面對面筋蛋白二級結構的影響

圖3 面團的FTIR圖譜Fig.3 FTIR spectra of dough

表3 超聲波輔助醒面對面筋蛋白質二級結構的影響Table3 Effect of ultrasonic-assisted resting on the secondary structure of proteins in dough

由圖3和表3可看出，傳統的醒面過程（對照組）中，面筋蛋白的二級結構含量變化不大。超聲波使面團的二級結構發生變化，與對照組相比，主要體現在α-螺旋、β-轉角含量的下降，β-折疊和無規卷曲含量的增加，這與Huang Liurong等[28]的研究結果一致。Chandrapala[29]及涂宗財[30]等的研究也發現超聲處理能夠引起蛋白二級結構的變化。這種變化主要是因為超聲處理減弱了分子間作用力，使蛋白質的結構舒展，分子排列更加無序。超聲波輔助醒面后，面筋蛋白的α-螺旋和無規卷曲含量明顯增加，這種結構的變化反映在蛋白質的力學性能上是剛性的減弱和柔性的增加[19]。因此，推測超聲波預處理后面團黏彈性發生變化的主要原因是超聲波改變了蛋白質的二級結構。

2.4 超聲波輔助醒面對面團微觀結構的影響

圖4 超聲波輔助醒面對面團微觀結構的影響Fig.4 Effect of ultrasonic-assisted resting on microstructure of dough

面團是由淀粉和蛋白質網絡結構組成的混合體系，圖4中大小不同的圓形顆粒為面團中的淀粉顆粒，淀粉顆粒周圍呈筋狀、片狀的為面筋蛋白，淀粉顆粒相互黏連/包裹于面筋網絡結構中，構成面筋網絡結構。經超聲波處理的面團微觀結構更為致密，使淀粉顆粒與面筋蛋白更好地結合，有利于面筋蛋白的延展和面筋蛋白網絡的形成，使面筋蛋白網絡結構更加均一，面團更加細膩。說明超聲波輔助醒面可以改善面團的品質，與前文的結論一致。

3 結 論

綜上所述，超聲波處理提高了面團的G’和G’’，使其tan δ呈現增加的趨勢；面團中黏性基團的比例增大；弱結合水向結合水遷移，面團的穩定性增加。FTIR分析結果表明，超聲波輔助醒面使面團的無規卷曲含量增加，蛋白的二級結構從有序向無序過渡，面團的硬度降低、柔性增加。SEM觀察結果表明，經超聲處理的面團的微觀結構更為均勻，有利于面筋蛋白的延展和面筋蛋白網絡的形成。超聲波輔助醒面可以改變面團的水分分布、微觀結構和二級結構，從而使面團的品質得到改善。