超微粉碎薯渣纖維對小麥面團流變特性的影響

鄭萬琴，魏梟，謝勇，劉雄*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)2(西南大學 工程技術學院，重慶，400715)

膳食纖維作為第七大營養素，研究證明其具有降低血脂血糖、維持腸胃功能等功效，有助于預防心血管疾病、肥胖和腸癌等風險[1]。但我國人們的膳食纖維攝入量遠低于每日25 g的推薦攝入量[2]。因此，通過在日常米面食品中補充膳食纖維，有助于人們每日均衡補充膳食纖維。但由于膳食纖維具有較強吸水性和溶脹性，加入到小麥粉中會對面團的面筋網絡結構以及粉質、黏彈、持氣等性質產生不利影響，從而導致面制品的感官品質下降。研究發現，膳食纖維對面團品質影響程度與纖維的形態結構和大小差異有關[1]。因此，對膳食纖維進行加工處理，改善其理化性質，降低對食物的負面影響顯得尤為重要。目前，國內外學者常通過超微粉碎[3]、酶法[4]、高靜水壓力[5]、靜水壓力-酶等[6]改性方式處理膳食纖維，從而改善其與小麥粉重組面制品的品質。

超微粉碎是一種高效的物理改性技術，不僅可使膳食纖維物料的粒徑變小，還有助于纖維分子中親水性基團充分暴露，從而改善纖維的物化及功能性質[7]。近年來，超微粉碎技術在谷物纖維面制品生產應用領域得到了廣泛關注。ZHANG等[8]在面團和面條中添加經超微粉碎后的不同粒徑麥麩纖維，發現粒徑越小對面團面筋網絡的破壞程度越弱，更有利于面條的感官和烹飪品質；蘇玉[9]將米糠膳食纖維經蒸汽爆破-超微粉碎后添加到發糕中，結果表明發糕的硬度和咀嚼性得以提高，混合粉的黏度值和回生值下降；LIU等[10]的研究結果表明，超微粉碎大豆膳食纖維與普通粉碎相比，可以增強大米淀粉的糊化穩定性和面團流變特性。綜上，添加超微粉碎后的谷物纖維能夠顯著改善面團及其最終產品品質，但是超微粉碎纖維粉的原料主要集中為小麥、大米、豆類及燕麥等種子原料，對超微粉碎根莖類植物纖維素的研究鮮見報道。

甘薯渣是甘薯淀粉加工后的主要副產物，其中纖維含量約占25%，是膳食纖維的良好來源[11]。甘薯渣纖維由于結構形態、化學組分與其他纖維不同，因此在可溶性膳食纖維、果膠含量以及保水性、溶脹性等物化特性上與其他類纖維表現出顯著差異[12-13]，從而導致它們的重組與小麥面團之間產生的相互作用方式不同。本實驗以UP-SPRC和CP-SPRC為原料，對比研究了超微粉碎對SPRC微觀結構、UP-SPRC對小麥面團糊化特性、熱機械學性能、拉伸特性以及動態流變學特性的影響，以期為SPRC在面制品中的利用提供理論參考，同時為SPRC綜合開發利用提供技術指導。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甘薯渣，山東泗水利豐食品有限公司；小麥粉，濰坊風箏面粉有限公司，所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

YSC-701超微粉碎機，北京燕山正德機械設備有限公司；DLF粉碎機，溫州頂歷醫療器械有限公司； Mastersizer 2000激光粒度分析儀，英國馬爾文公司；Phenom Pro-17A00403型掃描電鏡，荷蘭Phenom World公司；TCW-3 型快速黏度糊化儀，澳大利亞Newport Science Corp公司；Mixolab混合實驗儀，法國肖邦公司；MCR302模塊化旋轉與界面流變儀，安東帕商貿有限公司；TA-XT plus質構儀，英國Stable Micro Systems公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 CP-SPRC的制備

參考LU等[14]的方法進行SPRC的提取(得率24.47%，纖維素含量78.05%)，再經粉碎機進行粗粉碎，過100目篩，得到CP-SPRC，用激光粒度儀測得平均粒徑D[0.5]為129 μm。

1.3.2 UP-SPRC的制備

CP-SPRC經超微粉碎機投料口進入柱形粉碎室，經沿著研磨軌做圓周運動的研磨輪碾壓、剪切，然后通過風機引起的負壓氣流將物料帶出粉碎室，進行收集，過150目篩，得到UP-SPRC，用激光粒度儀測得平均粒徑D[0.5]為64 μm。

1.3.3 SPRC的微觀結構測定

使用掃描電子顯微鏡將SPRC粘在鋁制短管上的雙面膠樣品臺上，經離子濺射鍍金后，置于掃描電鏡下放大至2 000倍，觀察內部顯微結構變化。

1.3.4 重組面團的制備

在小麥粉中分別添加質量分數為5%、7%、9%、11%的UP-SPRC與5%的CP-SPRC，混合均勻，用Mixolab混合實驗儀的和面室制備重組面團，加水量使面團最大扭矩達到(1.10±0.05) N·m，以不加SPRC的小麥粉作為對照樣品。

1.3.5 面團糊化特性的測定

準確稱取3.5 g混合粉，加入到裝有25.0 mL蒸餾水的鋁盒中，用旋轉漿充分混合攪拌后，置于快速黏度分析儀(rapid viscosity analysis system,RVA)上測定。試驗最初以960 r/min攪拌10 s至樣品形成均勻懸濁液后，保持160 r/min轉速至結束。RVA內初始溫度為50 ℃保持1 min，再以12 ℃/min升溫至95 ℃保持2.5 min，最后以12 ℃/min降溫至50 ℃保持2 min，整個過程歷時13 min，根據糊化曲線計算峰值黏度、谷值黏度、最終黏度、衰減值、回生值和糊化溫度。

1.3.6 面團熱機械學性能的測定

選擇Chopin+模式，混合粉面團質量默認為75 g，面團的扭矩以(1.10±0.05)N·m為標準。測試條件第一階段溫度30 ℃保持8 min，再以4 ℃/min升至90 ℃后保持7 min，隨后以4 ℃/min降溫至50 ℃保持5 min，測試過程總用時45 min，揉混速率80 r/min，每個樣品重復3次。由實驗曲線可得到以下參數:吸水率、形成時間、穩定時間、蛋白質弱化度、最小扭矩(C2)、面團加熱階段最大扭矩(C3)、面團保溫階段最大扭矩(C4)、面團冷卻至50 ℃時的扭矩(C5)、蛋白弱化速率α、淀粉糊化速率β、淀粉降解速率γ。

1.3.7 面團拉伸特性的測定

取10 g松弛好的面團，調節壓面機的輥間距制得4 cm×2 mm×2 mm的面帶，采用質構儀的拉伸程序測定面帶的拉伸性質，每組樣品做6次平行，測試條件參考HAN等[15]的方法，采用A/KIE探頭。參數設定,測前速度2.0 mm/s；測試速度3.3 mm/s；測后速度10 mm/s，形變距離75 mm，觸發力5 g。測定面團的抗拉力和拉伸距離。

1.3.8 面團動態流變學特性的測定

選用Mixolab混合實驗儀制得達到最大扭矩的面團，采用保鮮膜包裹后，置于室溫下松弛15 min，用剪刀剪取約3 g面團放置在流變儀平臺上，將探頭降至平板間隙，刮去多余面團并在周圍涂上二甲基硅油，防止測試過程水分揮發。采用PP25圓形檢測探頭，間距2 mm，測試程序及條件參考文獻[16][17]并加以修改。

1.3.8.1 頻率掃描測試

固定應變振幅值1%，25 ℃下平衡5 min，頻率0.1～20 Hz。測定樣品儲能模量(G′)、損耗模量(G″)與損耗角正切值(Tanδ)隨角頻率(rad/s)變化的曲線。

1.3.8.2 溫度掃描測試

固定頻率1 Hz，應變振幅值1%，25 ℃下平衡5 min，隨后以5 ℃/min升溫至95 ℃，平衡2 min，再以5 ℃/min降溫至25 ℃.記錄樣品G′、G″與Tanδ隨溫度變化的曲線。

1.4 數據處理與分析

數據通過平均值±標準差表示，運用Microsoft Excel 2010軟件分析處理，采用Origin 8.5軟件作圖，數據統計分析采用SPSS 19.0軟件的Duncan多重比較法進行顯著性檢驗(P<0.05)，所有試驗均重復3次。

2 結果與分析

2.1 超微粉碎對SPRC微觀結構的影響

薯渣纖維是一種蜂窩多孔狀結構，內部包裹著圓球狀淀粉顆粒[18]。由圖1觀察到，受DLF粉碎機高速剪切、撞擊研磨的作用，SPRC的結構發生擠壓變形，部分網狀結構斷裂，出現團聚折疊，淀粉顆粒受到破壞，但基本保持多孔棒狀。經超微粉碎化后的SPRC棒狀形態的大部分纖維結構已經遭到嚴重破壞，粒徑顯著降低，形成大小不一，棱角各異的片層結構，僅少數纖維保留蜂窩狀，與梅新等[12]發現經超微粉碎后的SPRC粒徑明顯變小，呈片層多孔結構分布的研究結果一致。這是因為超微粉碎機的碾壓、空穴、高速剪切作用造成SPRC自身結構發生劇烈變化，甚至可能導致糖苷鍵改變，使得羧基、羥基等基團充分暴露出來，從而影響SPRC的物化特性的改變[7]。研究發現，采用氣流超微粉碎和微射流瞬時高壓超微粉碎2種方式處理后的SPRC持水性、持油性、脂肪吸收能力等功能性質均有不同程度的變化[7]。

a-CP-SPRC；b-UP-SPRC；SPRC-薯渣纖維素；DS-破損淀粉圖1 SPRC的微觀結構(2 000×)Fig.1 Microstructure of sweet potato residue cellulose

2.2 超微粉碎SPRC對小麥粉糊化特性的影響

黏度值是衡量小麥淀粉在加熱期間吸收水分和顆粒溶脹的能力的重要參數[1]。由表1可知，小麥粉的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度和回生值都是最高的，這可能是因為加入SPRC后，相對減少了淀粉比例，且SPRC具有強持水性，從而使淀粉顆粒不能充分吸水溶脹，分子間作用力變大，黏度降低。這與麩皮膳食纖維的影響結果一致[1]。此外，不同添加量的UP-SPRC對小麥粉的黏度影響均大于CP-SPRC，其中添加量為11%UP-SPRC的混合粉峰值黏度、谷值黏度和最終黏度比5%CP-SPRC混合粉數值分別平均高出90.84%、87.25%、69.12%，表明UP-SPRC經更高強度的機械剪切力作用后，比表面積增大，糖苷鍵斷裂轉化為還原糖溶出，可溶性膳食纖維比例增加，因此UP-SPRC表現出更強的吸水性，淀粉相對含水量減弱，溶脹阻力增大[19]。混合粉的衰減值和回生值隨著UP-SPRC添加量的增加呈下降趨勢，說明SPRC的高保水性使面團中淀粉的水分含量減少，水分子重新分布，從而降低了混合粉的回生值，在一定程度上延緩了淀粉的老化[20]，對延長面制品的貨架期具有一定的積極作用。其中，不同添加量UP-SPRC的回生值和衰減值均小于CP-SPRC，表明SPRC的物化功能特性與粒徑大小、形態結構存在一定的相關性。

表1 SPRC對小麥粉糊化特性的影響Table 1 Effect of sweet potato residuecellulose on pasting properties of wheat flour

注：同列中不同字母表示有顯著性差異(P<0.05)(下同)

2.3 超微粉碎SPRC對小麥面團熱機械學特性的影響

2.3.1 超微粉碎SPRC對小麥面團中蛋白熱機械學特性的影響

由表2可知，與小麥粉相比，添加有SPRC的重組面團吸水率顯著提高，且隨著UP-SPRC添加量的增加呈逐漸上升趨勢，這是因為纖維中含有大量親水性羥基，通過與水作用提高了混粉的吸水率和形成時間[21]。當UP-SPRC添加量小于7%時，重組面團的吸水率小于CP-SPRC，這與表2的測定結果有所差異，可能是因為這與測RVA特性時面團的加水量不同，造成當添加量較小時，SPRC在面團中占比較低。與UP-SPRC相比，CP-SPRC的微晶束蜂窩結構在水的作用下與小麥粉結合力更強，且引起小麥面筋網絡結構受損程度更嚴重，導致面團達到最佳狀態需要更多的水量和更長的時間。穩定時間和弱化度是衡量粉質特性重要的2個指標[22]。與小麥粉相比，重組面團的弱化度顯著增加、穩定時間顯著降低，表明SPRC對小麥面團的粉質品質造成不利影響。其中，UP-SPRC添加質量分數為5%和7%時，重組面團弱化度比CP-SPRC降低10.29%、7.35%，而當添加量大于7%后，弱化度增加，表明在一定添加量下，UP-SPRC可以降低對面筋蛋白結構的連續性和完整性產生不利影響的程度；不同添加量的UP-SPRC的穩定時間均高于5%CP-SPRC，出現該變化的原因可能是UP-SPRC更易與面團融合，形成更加穩定的交聯體，這表明UP-SPRC重組面團的耐揉性與韌性更強。

表2 SPRC對小麥面團蛋白組分熱機械學特性的影響Table 2 Effect of sweet potato residue cellulose on thermomechanical properties of proteins in wheat dough

2.3.2 超微粉碎SPRC對小麥面團中淀粉熱機械學特性的影響

由表3可知，與小麥粉相比， SPRC降低了面團峰值扭矩和最大黏度指數，這可能是因為纖維中含有的親水性基團與淀粉競爭水分，阻礙淀粉吸水溶脹，造成糊化時峰值黏度下降，這與表2測得糊化特性的結果相符，同時UP-SPRC在添加量5%和7%時，峰值扭矩較5%的CP-SPRC分別高出19.34%、7.92%。此外，不同添加量75%的UP-SPRC重組面團淀粉酶水解速度均大于5% CP-SPRC重組面團，表明SPRC經超微粉碎后造成某些水解基團暴露，淀粉酶活性抑制能力增強，加快了淀粉組分的糊化和降解速率[12]。與小麥粉相比，重組面團的熱膠穩定性顯著降低，表明SPRC使面團的耐熱性變差。同時，當UP-SPRC添加量小于11%時，UP-SPRC重組面團的熱膠穩定性高于5% CP-SPRC重組面團，其中，在相同添加量(5%)下，UP-SPRC重組面團的熱膠穩定性比CP-SPRC提高78.08%，表明CP-SPRC對小麥面團的熱膠穩定性影響顯著。回生值與淀粉的重排有關，顯著影響產品的老化程度和貨架期，回生值越高，越容易老化[23]。SPRC的添加顯著降低了面團的回生值，且隨著UP-SPRC添加量的增加呈下降趨勢，尤其當添加量大于7%時，表明SPRC降低了淀粉顆粒穩定性，阻礙淀粉分子發生老化重排的速率。

表3 SPRC對小麥面團淀粉組分熱機械學特性的影響Table 3 Effect of sweet potato residue cellulose on thermomechanical properties of starch in wheat dough

2.4 超微粉碎SPRC對小麥面團拉伸特性的影響

由表4可知，SPRC的添加使得面團的拉伸力和拉伸距離顯著減小，且隨著UP-SPRC添加量的增加呈下降趨勢。與小麥粉相比，當添加量為11%時， UP-SPRC的拉伸力和拉伸距離分別降低31.13%、43.85%，這是因為纖維的摻入引起小麥面筋網絡變化，導致蛋白基質的稀釋度降低，削弱面筋力度，從而對面團的拉伸屬性產生影響，如氣體滯留率降低、面團流散性增大等[1]。此外，當UP-SPRC添加量為5%和7%時，對面團的拉伸力和拉伸距離影響小于5%的CP-SPRC，表明超微粉碎后的SPRC物化特性得以提升，對面筋網狀結構破壞程度更低，從而在一定程度上提高產品的發酵延伸性。BOITA[20]探究不同添加量的麩皮纖維對面團流變特性影響時，研究結果與本文一致。

表4 SPRC對小麥面團拉伸特性的影響Table 4 Effect of sweet potato residue cellulose on tensile properties of wheat dough

2.5 超微粉碎SPRC對小麥面團動態流變學特性的影響

2.5.1 動態頻率掃描

由圖2-a可知，重組面團的彈性模量(G′)和黏性模量(G″)整體均高于小麥面團，且隨著UP-SPRC(SG2，同圖)添加量的增加呈上升趨勢，表明重組面團中親水性膳食纖維增多，重組面團的吸水率增加，加強了面團內部的凝膠網狀結構，這與麥麩纖維作用結果一致[1]。此外，當SG2添加質量分數在5%、7%時，重組面團的G′和G″小于CP-SPRC(SG1，同圖)，而當添加為9%和11%時，變化趨勢相反，這可能是因為SPRC在一定的添加量范圍內，SG1由于吸水量更大，與面筋蛋白在水合作用下形成更穩定堅固的凝膠體，而當SG2添加量超過一定范圍后，由于SG2特殊的纖維結構可充當面筋網絡結構中基質填料，因此SG2黏彈性相對較SG1高。由圖2-b可知，Tanδ<1，表明各面團的彈性均大于黏性，且在低頻范圍內有所減小，隨著頻率的增加，Tanδ增加，這表明面團前期由于添加膳食纖維，抑制了內部網絡結構的充分形成，分子間交聯程度大，流動性較差，彈性比例相對較大，后緩慢聚集成致密的空間，面團黏性增加。此外，當SG2添加量小于9%時，重組面團的Tanδ值較高于5%SG1重組面團，說明在相同添加量下，SG2更利于面團的流動性和連續性。

G0-小麥粉；SG1-量分數為5%的CP-SPRC；SG2-添加量不同分數的CP-SPRC(下同)a-面團的G′和G″；b-損耗角正切值(Tanδ)圖2 SPRC面團的G′、G″以及損耗角正切值(Tanδ)隨角頻率變化曲線Fig.2 Plot of G′，G″ and Tanδ versusω for dough sample with sweet potato residuecellulose

2.5.2 動態溫度掃描

由圖3-a可知，在加熱過程中，重組面團的黏彈性均大于小麥面團，且隨著SG2添加量的增加，G′和G″呈上升趨勢。在25～65 ℃時，各面團的G′和G″有小幅度降低，表明在此階段面團體系較穩定，在早期加熱溫度下因淀粉酶的作用降低了面團的G′和G″[24]；當溫度高于65 ℃，各面團G′和G″迅速上升至75 ℃左右，達到最大黏彈性值，重組面團的峰值黏彈性均大于小麥面團，且相同添加量下SG1重組面團的黏彈性大于SG2，這主要可能是由于SPRC增強了面團的凝膠網絡結構，尤其是SG1，同時各面團之間的黏彈性峰值溫度無顯著差異；隨著溫度的進一步升高，淀粉顆粒受SPRC作用發生不可逆溶脹過度出現破裂，直鏈淀粉浸出并且結晶區變得混亂，導致面團的G′和G″急劇下降。此外，MARIO[25]發現面團的Tanδ峰值溫度可對應表示面團的開始糊化溫度，根據此方法由圖3-b可知，與SG1相比，SG2面團的糊化溫度稍有提高，與表1測定結果相符，可能是由于SG2的纖維粒徑和結構不同，造成面團體系中游離水含量增多，促進內部通過二硫鍵交聯形成更穩定的面筋蛋白網絡，從而增加面團基質焓變，提高糊化溫度[26]。

a-面團的G′和G″；b-損耗角正切值(Tanδ)圖3 SPRC面團的G′、G″以及Tanδ隨溫度變化曲線Fig.3 Typical temperature dependence of G′,G″ and Tanδ versusω for dough sample with sweet potato residuecellulose

3 結論

經超微粉碎后的SPRC微晶束纖維結構遭到嚴重破壞，形成大小各異的片層結構，僅少數保留蜂窩棒狀。與CP-SPRC相比，不同添加量的CP-SPRC均能更顯著降低面團的峰值黏度、谷值黏度，最終黏度、衰減值和回生值，提高面團的穩定時間，表明UP-SPRC可能更易與面團形成穩定的交聯體并能更有效延緩面團的老化，且當添加量較小時，UP-SPRC重組面團的粉質特性和黏彈性相對較CP-SPRC重組面團高；SPRC經超微粉碎后物化特性得以提升，對面筋網狀結構產生的負面作用降低，提高了重組面團的拉伸特性；同時，與CP-SPRC相比，UP-SPRC增加了面團的糊化溫度。因此，添加超微粉碎的SPRC不僅有利于提高面團流變品質和豐富面團中的纖維含量，還為薯渣的再利用提供了技術支撐。然而，實際加工中小麥粉中存在蛋白、淀粉、酚類等物質，因此UP-SPRC與面筋蛋白、淀粉、酚類物質之間具體的作用方式和機理還有待進一步的研究。