常壓空氣冷等離子處理對陳小麥生理生化及面團糊化特性的影響

徐詠寧,王若蘭,李興軍,劉俊明,閆恩峰

(1.河南工業大學糧油食品學院,河南鄭州 450001;2.國家糧食和物資儲備局科學研究院,昌平中試基地,北京 102209;3.山東魯糧集團有限公司,山東濟南 250012)

等離子是TonksLewi和Langmuir Irving首次在1928年用于定義物質的第四狀態,包含電子、離子、自由基、激發態的原子或分子、大量非離子化的中性分子等活性種類[1]。低溫或冷等離子的溫度小于50 ℃,所包含的等離子種類的溫度不一樣,局部熱是不平衡的。冷等離子不影響與之接觸的熱敏感材料;冷等離子圍繞物料流動,沒有陰影效果[2]。基于這些特點,冷等離子(CP)技術作為食品行業的非熱加工技術,在最近十年,對其應用研究有大量報道。這個技術的新穎性在于它的非熱本性、成本低、設計多樣化及環境友好。CP技術可用于失活蔬菜、豆類及谷物上的寄生曲霉和青霉菌[3-4],提高谷物種子發芽率[5],修飾谷物和薯類的淀粉[6],失活蘋果褐變相關的酶[7],減少米飯的蒸煮時間[8]。但是,冷等離子對谷物糧食生理生化及淀粉糊化特性研究報道有限。基于糧食平衡水分理論的低溫(<23 ℃)低濕(RH<70%)物理法儲糧技術,目標是抑制儲糧昆蟲和霉菌生長,保持籽粒活性,延緩品質劣變,改善加工性能[9]。溫室效應引起的持續高溫(>30 ℃)導致我國南方地區常規儲藏的糧食在儲藏周期中品質劣變加快,本文分析了常壓空氣冷等離子(APCP)對陳小麥的生理生化變化及品質的影響,以期為這個技術在糧食行業應用的可行性和安全性提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

小麥樣品 我國東南沿海地區一個糧庫儲存3年零五個月的紅小麥(2015年9月入倉,2019年2月初出倉);快氯FCF染色試劑 Sigma公司;酚酞 天津光復精細化工研究所;考馬斯亮蘭G-250 Scientific Research Special公司;二鹽酸鄰聯茴香胺、愈創木粉 Macklin公司;H2O2(優級純)、牛血清蛋白 國藥集團化學試劑有限公司;Tris、鹽酸、醋酸、磷酸、硼酸、L-亮氨酸、抗壞血酸、水合茚三酮、氫氧化鉀、氫氧化鈉、乙酸鈉、硫代硫酸鈉、正己烷、95%乙醇和無水乙醇、異丙醇、重鉻酸鉀 北京化學試劑公司;碘化鉀 西隴化工股份有限公司。

PZ2-I手持壓電冷等離子發生器 德國Piezo brush公司;DHG9070A烘箱 杭州藍天化驗儀器廠;3-30K高速冷凍離心機 Sigma公司;紫外可見分光光度計 上海奧析科學儀器有限公司;電子天平(萬分之一)、Metter Toledo 326電導率測定儀 梅特勒多利多;JMWT12大米外觀品質檢測儀 北京東方孚德技術發展中心;HD-U805-1水滴角度測定儀 海達國際儀器有限公司;Mixolab混合試驗測定儀、SDmatic損傷淀粉測定儀 特雷首邦(北京)貿易有限公司;FW 135型中草藥粉碎機 天津泰斯特儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品處理 小麥樣品1400 g用于常壓空氣冷等離子處理,分為5個處理,處理時間分別是0(對照)、14、18、22及26 min,每個處理包含280 g小麥。陳小麥籽粒280 g分四次以薄層鋪在長寬21.5 cm×14 cm米白色的美耐皿樹脂(Melami-neware)盤中,右手垂直握著PZ2-I壓電冷等離子發生器(工作電壓220 V,功率30 W),在距離麥粒約5 mm的高度處沿著樣品盤長度方向從左上角開始向右移動,樣品處理寬度約10 mm,直到樣品盤右下角。每盤樣品處理一遍后,將樣品盤轉動180樣,再處理一遍。每盤樣品處理的總時間分別是0、14、18、22及26 min。

1.2.2 測定方法

1.2.2.1 籽粒長度、寬度及長寬比測定 采用JMWT12大米外觀品質測定儀。自定義模式掃描小麥全粒長平均值,全粒寬平均值,計算長寬比。每次掃描小麥400粒左右。

1.2.2.2 麥粒水滴接觸角測定 采用水滴角度測定儀[10]。2.5 μL去離子水加麥粒表面,采用固著液滴法測定。一滴去離子水在麥粒表面沉積后立即分析,小水滴形狀的動態變化采用CCD照相機每10 s記錄一次。

1.2.2.3 籽粒破碎率測定 按照任強等[11]方法。稱取5 g小麥籽粒,置于50 mL塑料離心管,加入0.1% FCF溶液10 mL,在搖床上振蕩20 min,用去離子水沖洗至水無色,再用10 mmol/L NaOH洗脫液20 mL洗脫30 min,對洗脫液測定吸光度D610。挑選完整籽粒,用刀片切成兩半,與完整粒混合0、10%、20%、40%、60%、80%的比例,作籽粒破碎率標準曲線。采用D610(y)與破碎率(x)之間的線性方程計算麥粒破碎率。

1.2.2.4 含水率測定 按照105 ℃恒重法(GB 5497-1985)[12]測定。

1.2.2.5 籽粒發芽率測定 按照GB/T 5520-2011[13]方法。在20 ℃條件萌發,在第3和5 d分別統計發芽勢和發芽率。

1.2.2.6 電導率測定 挑選50粒大小相似,無破損、飽滿的籽粒,稱重裝入50 mL離心管,加入25 mL去離子水,混勻后在室溫下放置24 h,期間搖動幾次。測定上清液電導率,分別進行直接測定和搖勻后測定。

1.2.2.7 籽粒吸水率測定 稱取1 g小麥籽粒置于50 mL離心管,加入15 mL去離子水,浸泡24 h后用濾紙吸干后稱重,計算吸水率。

1.2.2.8 游離氨基酸含量測定 采用茚三酮染色法[14]。稱取1 g小麥粉加入15 mL正己烷,充分渦旋后,常溫下振蕩脫脂3 h。在4 ℃下6000 r/min離心10 min,于通風櫥中吸走并揮發正己烷。然后倒出脫脂樣品到研缽,加入5 mL娃哈哈純凈水充分研磨,并加入10 mL娃哈哈純凈水洗滌轉入離心管,在4 ℃下6000 r/min離心10 min,取上清液并量體積,上清液即為游離氨基酸提取液。取0.5 mL上清液,依次加入0.5 mL娃哈哈純凈水、1.17 mol/L pH5.4醋酸緩沖液0.5 mL、3%茚三酮溶液0.5 mL及0.1%抗壞血酸溶液0.05 mL。在85 ℃水浴反應12 min,冷卻后加入95%乙醇5 mL,劇烈渦旋試管后定容至10 mL,測定D570。以亮氨酸作標準曲線(D570=0.9939C+0.0037,R2=0.9998)。

1.2.2.9 可溶性蛋白含量測定 采用考馬斯G-250染色法[15]。稱取1 g小麥粉到研缽,加入50 mmol/L pH7.2 Tris-HCl緩沖液5 mL進行研磨,轉移到50 mL離心管,并用10 mL緩沖液洗滌研缽。在4 ℃下4000 r/min離心10 min,移取上清液量體積,上清液即為可溶性蛋白提取液。取0.1 mL加入4 mL考馬斯亮藍G-250反應液,混勻,靜置2 min,測定D595。以牛血清蛋白做標準曲線(D595=0.8169C+0.078,R2=0.999)。

1.2.2.10 巰基含量測定 采用田益玲等[16]方法。稱取2 g米粉,加入50%乙醇15 mL后超聲波振蕩10 min并混勻,在3000 r/min下離心20 min,取4 mL上清液于具塞試管,加入2 mL重鉻酸鉀-醋酸溶液,用去離子水定容至10 mL,90 ℃水浴10 min,在571 nm處測吸光度。

1.2.2.11 游離脂肪酸值測定 按照GB/T 5510-2011方法[17]。

1.2.2.12 陳化度指數測定 按照文獻[18]的方法。稱取2 g小麥籽粒,加入1%愈創木酚4.6 mL,1%鄰聯茴香胺3.4 mL,1%過氧化氫100 μL,在26 ℃水浴中保持12 min,用移液槍吸取酶液在385 nm處測吸光度,吸光度D385反映了籽粒過氧化物酶(POD)活性大小。小麥籽粒陳化度指數用1/D385表示。

1.2.2.13 面團Mixolab糊化特性測定 參考GB/T 37511-2019[19]方法。小麥樣品粉碎采用FW 135型中草藥粉碎機,試驗方案選擇Choppinwheat+,采用恒量加水法。水分基數14%濕基,目標扭矩設定為(1.1±0.05) Nm,轉速80 r/min,面粉團重量75 g,和面初始溫度30 ℃,水箱溫度30 ℃,水合作用60%,第一階段30 ℃恒溫8 min;第二階段從30 ℃升溫到90 ℃共15 min,90 ℃保持7 min;第三階段90 ℃降溫至50 ℃共10 min,保持50 ℃,5 min。

1.2.2.14 破損淀粉含量測定 采用SDmatic損傷淀粉測定儀。先稱量3.0 g硼酸和3.0 g碘化鉀放入反應杯中,加入120 mL蒸餾水,滴加1滴0.1 mol/L硫代硫酸鈉。再準確稱量全麥粉樣品1.000±0.005 g于小匙兩刻度線中間,點擊測試按鈕,輸入樣品質量,進行測試。

1.3 數據處理

采用隨機區組試驗設計,數據以平均值±標準差表示。LSD檢驗中同一列不相同小寫字母表示樣品之間差異顯著(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 常壓空氣冷等離子對小麥籽粒物理指標的影響

從表1看出,隨著常壓空氣冷等離子處理時間加長,小麥籽粒的長度和寬度均有變化，但長寬比率幾乎保持不變。與對照樣品比較,冷等離子處理的小麥籽粒水滴接觸角顯著(P<0.05)減少,而籽粒破碎率則顯著(P<0.05)增加。

表1 常壓空氣冷等離子對小麥籽粒長寬比及水滴接觸角的影響Table 1 Effect of APCP on the length/width ratio and water drop contact angle of the wheat kernels

2.2 常壓空氣冷等離子對小麥籽粒生理生化指標的影響

從表2看出,隨著常壓空氣冷等離子處理時間加長,籽粒含水率呈減少趨勢,與籽粒沿著徑向(寬度)和縱向(長度)呈現減少趨勢相對應。與對照比較,22和26 min冷等離子處理顯著(P<0.05)減少小麥籽粒發芽勢,14、18、22、26冷等離子處理顯著(P<0.05)減少小麥籽粒發芽率,而不搖勻狀態和搖勻狀態的電導率也出現明顯變化。

表2 常壓空氣冷等離子對小麥籽粒發芽率和電導率的影響Table 2 Effect of APCP on the germination rate and conductivity of wheat kernels

從表3看出,與對照比較,常壓空氣冷等離子處理時間在14～22 min的小麥籽粒吸水率顯著(P<0.05)增加,且可溶性蛋白和巰基含量均呈現增加趨勢,可溶性蛋白和巰基含量最大可以分別增加24.8%和5.7%,游離氨基酸含量則保持不變。

表3 常壓空氣冷等離子對小麥籽粒吸水率和可溶蛋白的影響Table 3 Effect of APCP on the water absorption rate and soluble protein content of wheat kernels

2.3 常壓空氣冷等離子對小麥新鮮度指標的影響

從表4看出,與對照比較,常壓空氣冷等離子處理小麥籽粒18、22及26 min,脂肪酸值和陳化指數均顯著(P<0.05)降低。以籽粒POD酶活性的倒數表示的陳化指數越小,小麥籽粒變得越新鮮,說明冷等離子有改善小麥新鮮度的作用。

表4 常壓空氣冷等離子對小麥脂肪酸值及陳化指數的影響Table 4 Effect of APCP on the FFA contents and staling index of wheat kernels

表5 常壓空氣冷等離子對面團醒發時間及糊化峰值的影響Table 5 Effect of APCP on the dough development time and pasting peak in whole wheat flour

表6 常壓空氣冷等離子對面團蛋白弱化和回生程度的影響Table 6 Effect of APCP on the weakness of dough protein network and starch retrogradation in whole wheat flour

2.4 常壓空氣冷等離子對小麥面團糊化特性的影響

圖1和表5～表7給出了全麥粉面團穿過兩個混合刀片、遭受混合與溫度變化雙重應力下的連續力矩,反映了面團組分(淀粉、蛋白及水)的行為。面團醒發時間DDT是在30 ℃達到最大扭矩C1需要的時間,面團穩定時間DST也叫倒塌時間,面團保持在扭矩1.1 Nm(±11%)的時間;C1峰值幅度(C1處曲線的寬度),表示面團的彈性;Cs(Nm)是混合結束(8 min)時的扭矩;C2(Nm)測量由于機械剪切應力和溫度增加(30～60 ℃)引起的面團稠度減少后的蛋白質強度,它表明了蛋白質的質量。C3(Nm)測量淀粉糊化,淀粉顆粒吸水,當溫度從60 ℃持續增加到90 ℃,淀粉糊粘度增加;C4(Nm)測量在恒定溫度90 ℃下與淀粉酶相關的熱凝膠的穩定性;C5(Nm)測定冷卻階段(90～50 ℃)淀粉的回生。α(-Nm/min)是30 ℃末期與C2之間的曲線斜率,指示蛋白網絡弱化的速率,也稱為加熱速率;β(Nm/min)是C2與C3之間的曲線斜率,指示糊化速率;γ(-Nm/min)是C3與C4之間的曲線斜率,指示蒸煮穩定速率,也稱為酶解速率。

圖1 常壓空氣冷等離子處理小麥籽粒26 min的全麥粉Mixolab曲線Fig.1 Mixolab curves in whole flour of wheat kernels treated 26 min by APCP

表7 常壓空氣冷等離子對面團糊化速率和全麥粉中破損淀粉含量的影響Table 7 Effect of APCP on the dough pasting rate and damaged starch content in whole wheat flour

從表5～表7看出,與對照比較,隨著等離子處理時間加長,面團醒發時間趨于增加,而穩定時間趨于減少;最大稠度(C1)、混合結束時扭矩(Cs)、最小扭矩(C2)、最終扭矩(C5)均趨于減少,而糊化峰值扭矩(C3)和加熱結束時扭矩(C4)趨于保持不變。與對照組相比,C1峰值幅度顯著降低意味著面筋彈性降低;冷等離子處理26 min顯著(P<0.05)降低全麥粉的C1和Cs值。

與對照比較,隨著等離子處理時間加長,蛋白質網絡弱化度(C1-Cs)趨于降低,淀粉酶活性(C3/C4)趨于增大,淀粉回生程度(C5-C4)趨于降低。這些變化與蛋白網絡弱化的速率(α)和糊化速率(β)趨于增大、蒸煮穩定速率(γ)趨于減少相關。與對照樣品比較,常壓空氣冷等離子處理提高小麥蛋白質強度、改善淀粉糊化并降低淀粉回生老化。進一步分析破損淀粉含量,隨著常壓空氣冷等離子時間加長,破損淀粉含量顯著(P<0.05)減少,表明冷等離子處理提高了淀粉顆粒的晶體度。

3 討論

儲糧含水率、溫度及儲藏時間是影響其品質劣變的主要因素[20]。在上世紀80年代報道的我國河南省蘇式平房倉儲藏的小麥,在第4年發芽率是60%[21]。本研究中,紅小麥來源于東南沿海地區一高大平房倉,由于受夏季高溫氣候的影響發芽率在3～4年常規條件儲藏結束時降低到20%。為了抑制儲糧品質劣變速率,當前重要工作是大力推廣低溫儲藏工藝,同時研發儲糧品質改善的綠色物理技術。本研究中,常壓空氣冷等離子處理提高小麥新鮮度和POD酶活性(D385),以及趨于提高面團糊化過程中的淀粉酶活性(C3/C4),說明冷等離子處理改善了常規條件儲藏3.4年的小麥籽粒酶活性。

許多物理方法如微波、滅菌蒸汽、烘焙、紅外加熱及臭氧處理用于試驗改良和穩定小麥面粉的功能特性[22-24]。工業臭氧生產工藝中通常包含在富氧氣體中利用電暈放電。介電阻擋放電是產生臭氧最有效的方法之一[25],它包括在兩個電勢差巨大的電極之間放置一個介電材料抑制形成電弧,從介電阻擋系統放電產生的等離子含有級聯反應的系列電子、活性離子、中性物質、發射的光子。在空氣壓強產生的等離子定義為冷等離子,在于凈氣體溫度接近周圍環境的溫度[26]。冷等離子是高能量物質,對材料表面納米尺度的蝕刻效果可以通過水滴接觸角大小來評價,冷等離子處理功率和時間增大,水滴接觸角變小而材料表面的親水性增大[27]。本研究采用常壓空氣冷等離子在室溫下處理小麥籽粒樣品,發現與對照組相比,處理后小麥籽粒水滴接觸角顯著(P<0.05)減少,籽粒破碎率則顯著(P<0.05)增加,說明冷等離子對籽粒表面具有蝕刻作用。常壓空氣冷等離子處理后,以POD活性的倒數表示小麥的陳化指數降低;籽粒吸水率趨于增加。全麥粉在水合作用過程中,蛋白網絡弱化降低,淀粉酶活性(C3/C4)和糊化速率(β)均趨于增大,說明全麥粉面團中蛋白質強度和面團穩定性增強了。進一步分析表明破損淀粉降低了,說明全麥粉中淀粉顆粒的晶體度提高了。這一致于研究結果,空氣壓非熱等離子(APNTP)可以影響固體淀粉顆粒的結晶度[28]并提高面團強度[29]。

本試驗中,等離子通過電離空氣形成溫度小于50 ℃的冷等離子體,導致小麥籽粒含水率隨著處理時間延長而趨于減少。小麥發芽勢和發芽率均降低說明籽粒胚部受到冷等離子的負影響。小麥籽粒脂肪酸值受等離子處理降低,Bahrami等[29]認為是易氧化的亞麻酸的降解引起的。本試驗還顯示,與常壓空氣冷等離子處理0 min時間比較,小麥籽粒吸水率顯著(P<0.05)增加,而可溶性蛋白和巰基含量增加不顯著,游離氨基酸含量保持不變。通常認為冷等離子作用食品的化學反應中以臭氧的氧化作用為主[6],本研究中,小麥籽粒脂肪酸值減少、巰基含量呈現增加的趨勢表明常壓空氣冷等離子引發的反應中包含蛋白質的還原反應。冷等離子處理小麥籽粒是功率及處理時間依賴的,可以根據小麥的末端用途優化冷等離子處理的參數,評價小麥籽粒應答冷等離子的生理生化及品質指標的變化。

4 結論

常壓空氣冷等離子處理陳小麥14～26 min,籽粒水滴接觸角顯著(P<0.05)減少,發芽率和陳化指數均顯著(P<0.05)降低,而籽粒破碎率和吸水率則顯著增加,可溶蛋白及巰基的含量隨處理時間趨向于增加。進一步分析全麥粉的面團糊化特性,與對照比較,隨著等離子處理時間加長,面團醒發時間趨于增加,而穩定時間趨于減少;顯示面筋彈性的C1峰值幅度顯著(P<0.05)減少。蛋白質網絡弱化(C1-Cs)趨于減少,淀粉酶活性(C3/C4)增大,淀粉回生程度(C5-C4)趨于降低。這些變化與蛋白網絡弱化的速率(α)和糊化速率(β)趨于增大、蒸煮穩定速率(γ)趨于降低相關。全麥粉破損淀粉則顯著減少。常壓空氣冷等離子可能通過增大過氧化物酶(POD)和淀粉酶活性而提高陳小麥面團蛋白質強度和面團穩定性。值得深入分析小麥醇溶性蛋白、脂肪酸種類與冷等離子體之間的化學反應途徑。