不同粒徑薯渣纖維對小麥面團流變特性的影響

鄭萬琴，謝 勇，覃小麗，廖 超，胡 瀟，劉 琳，劉 越，劉 雄*

（西南大學食品科學學院，重慶 400715）

甘薯是一種重要的經濟作物，具有多種人體必需營養成分，是食品行業中重要的淀粉資源[1-3]。在甘薯淀粉的生產過程中常產生大量廢渣，造成了嚴重的環境污染。廢渣中殘余的纖維素具有重要的再利用價值[4]。研究表明，膳食纖維具有防癌、抗氧化、降血糖血脂、改善腸道菌群、防治心血管疾病等功效[5]。近年來，關于利用薯渣中豐富的纖維素提高食品營養價值、改善食品功能特性的研究很多[6]，岳瑞雪等[7]利用薯渣纖維（sweet potato residue cellulose，SPRC）提高了酸奶的營養價值，韓芳蕊等[8]通過添加SPRC改善了豬肉的保水性，但鮮有將SPRC添加到面團中的研究報道。

高纖維膳食可以促進人體健康、改善飲食營養結構，但由于纖維素具有很強的吸水性和溶脹性，通過回添的方式往往會導致面筋內部結構改變、產品口感粗糙等[9]。Han Wen等[10]發現麩皮膳食纖維的加入增加面筋網絡內部氣孔的數量并削弱面筋網絡的完整性，產品的質量下降；Blanco等[11]研究表明，燕麥纖維和菊粉大大改變了面團的水分流失曲線和速率。減少纖維對面制品品質的不良影響有利于提高含纖維面制品的可接受度。研究發現，膳食纖維顆粒的體積與面團特性及面制品品質具有相關性，Noort等[12]的研究表明麩皮膳食纖維粒徑越小，對面團品質產生的負面影響越顯著；而Lap?íková等[13]發現麥麩纖維顆粒體積減小，增大了水溶性膳食纖維的比表面積，增加了面團黏彈性，改善了面團流變學特性，從而提高了面制品品質。

目前，國內外研究主要集中小麥、燕麥等種子原料類纖維對面團品質影響，而根莖植物類纖維對面團面筋網絡形成的影響機制報道相對較少。SPRC由于化學成分以及形成的交聯結構與種子原料類纖維不同，所以在溶脹、吸水性和黏度等物化特性上有所區別[14]。同時，不同纖維素粒徑和結構的改變可能對小麥面團流變特性產生更明顯的差異。因此，本實驗將不同粒徑的SPRC添加到小麥粉中，研究其對面團的熱機械學特性、糊化特性以及動態流變學特性的影響，旨在豐富植物根莖類纖維對面團流變特性影響的理論研究，為薯渣的再利用提供理論指導和技術支撐，提高SPRC的利用率和高纖維面制品的可接受度。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甘薯渣 泗水利豐食品有限公司；α-淀粉酶北京奧博星生物技術有限責任公司；中筋小麥粉 濰坊風箏面粉有限公司。

1.2 儀器與設備

DLF粉碎機 溫州頂歷醫療器械有限公司；YSC-701超微粉碎機 北京燕山正德機械設備有限公司；CJMSY-B高能納米沖擊磨 秦皇島市太極環納米制品有限公司；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；Mixolab混合實驗儀 法國肖邦公司；TCW-3型快速黏度糊化儀 澳大利亞Newport Science Corp公司；MCR302模塊化旋轉與界面流變儀 安東帕商貿有限公司。

1.3 方法

1.3.1 SPRC的提取與分級

按照Lu Hongjia等[15]的方法進行SPRC的提取，經測定纖維素得率約24.47%，薯渣中纖維素約78.05%，這與文獻[16]描述的相似。在此基礎上，對經不同粉碎方法制得的SPRC進行篩分，首先利用粗纖維原樣經DLF粉碎機處理后，過120 目篩。取過120 目篩下纖維樣品經超微粉碎機處理后，過150 目篩。取過150 目篩下纖維樣品經低溫高能納米沖擊磨粉碎后，過180 目篩。獲得3 種粒徑級別的SPRC樣品，用激光粒度儀測得粒徑分別為129、64、25 μm，并將其命名為SG1、SG2和SG3。

1.3.2 SPRC掃描電鏡分析

取不同粒徑的SPRC樣品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500倍，觀察內部顯微結構。

1.3.3 面團的制備

根據前期預實驗確定纖維添加量為7%，分別稱取不同粒徑的SPRC替代相應比例的小麥粉，混合均勻，利用Mixolab混合實驗儀的和面室制備重組面團[17]以及不含SPRC的小麥粉對照面團（SG0），加水量（SG0、SG1、SG2、SG3重組面團分別為28.11、31.63、30.85、30.38 mL/75 g）為面團最大扭矩達到（1.10±0.05） N·m。

1.3.4 面團熱機械學特性測定

Mixolab混合實驗儀能實時檢測反映谷物在變溫揉混雙重因素作用下的面筋蛋白特性，升溫淀粉糊化回生特性以及谷物各個組分的協同作用[18]。選擇Chopin+模式，混合粉面團重量默認為75 g，面團的扭矩以（1.10±0.05）N·m為標準。測試條件：初溫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。由實驗可得以下參數[18]：1）吸水率為面團每產生1.10 N·m扭矩所需水的百分比（%）；2）形成時間為30 ℃時面團達到最大扭矩所需的時間（min）；3）弱化度為30 ℃時最大扭矩和最小扭矩差值（N·m）；4）穩定時間為扭矩保持在1.1 N·m的時間（min）；5）面團形成過程最小扭矩（N·m）；6）α為加熱過程面團蛋白組分的弱化速率（N·m/min）；7）峰值扭矩為面團在加熱階段產生的最大的扭矩；8）最大黏度指數為峰值黏度與最小扭矩差值（N·m）；9）熱膠穩定性為峰值黏度與保持黏度差值（N·m）；10）回生值為在50 ℃冷卻結束后產生的終點黏度與保持黏度差值（N·m）；11）β為淀粉的糊化速率（N·m/min）；12）γ為淀粉降解速率（N·m/min）。

1.3.5 面團糊化特性測定

通過快速黏度分析儀（rapid visco analyzer，RVA）分析不同粒徑SPRC對小麥粉糊化特性的影響，測試條件參考文獻[19]并稍加修改。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RVA上測定。實驗最初以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、衰減值、最終黏度、糊化溫度、回生值。

1.3.6 面團動態流變學特性測定

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室溫下松弛15 min，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，防止測試過程中水分揮發。采用PP25圓形檢測探頭，間距2 mm，測試程序及條件參考文獻[20-21]并加以修改。

1.3.6.1 頻率掃描

應變振幅值1%，25 ℃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）隨角頻率變化的曲線。

1.3.6.2 溫度掃描

固定頻率1 Hz，應變振幅值1%。25 ℃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。

1.3.7 面團掃描電鏡分析

參考Xu Fen等[22]的方法并略作修改，選用Mixolab混合實驗儀制得達到最大扭矩的面團，約10 g，然后揉成橢圓形，放入3%戊二醛中12 h，再將樣品用0.1 mol/L磷酸緩沖液洗滌3 次，并在梯度丙酮系列中逐級脫水20 min，然后經叔丁醇置換后，通過冷凍干燥，將脫水的面團敲碎，并以內表面朝上的方式置于掃描電鏡下放大3 000 倍觀察并拍照。

1.4 數據處理與分析

運用Microsoft Excel 2010軟件分析處理，數據通過表示，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，差異顯著）。

2 結果與分析

2.1 不同粒徑SPRC的微觀結構

圖1 不同粒徑SPRC的電鏡圖Fig. 1 SEM images of SPRC powders with different particle sizes

從圖1可以看出，SPRC經物理機械處理之后，受到機械擠壓和摩擦，微晶束纖維結構發生斷裂、變形、崩塌，甚至導致纖維素內部的連接鍵斷裂，呈片層分布，這一方面是機械破壞作用，另一方面也可能是在提取SPRC時超聲波作用以及經冷凍干燥過程中水分直接升華，造成支撐原結構的大量淀粉、纖維素迅速失水而導致微晶束結構變化[23]。不同粉碎強度對SPRC結構影響有所差異，SG1受普通粉碎機高速剪切和空穴作用，蜂窩多孔狀結構出現折疊斷裂，但保留基本網狀結構，少部分內部包裹的圓形淀粉顆粒被暴露出來且形狀受到破壞；與SG1相比，SG2在超微粉碎機高速撞擊、高頻振動的作用下，大部分網狀結構已被嚴重破壞，片層結構明顯；

SG3由于在納米球磨罐體超高強度的沖擊力和低溫冷循環的影響下，粒徑變得更小，比表面積增大，結構松散，蜂窩狀纖維素和完整的淀粉顆粒消失，均以碎片形式存在，SPRC自身結構，甚至化學組成、物理化學性質都可能發生重大變化。

2.2 SPRC粒徑對面團熱機械學特性的影響

2.2.1 SPRC粒徑對面團蛋白組分熱機械學特性的影響

表1 不同SPRC粒徑對面團蛋白組分熱機械學特性的影響Table 1 Effect of SPRC powders with different particle sizes on thermomechanical properties of proteins in dough

由表1可知，與對照組相比，SPRC重組面團吸水率增大，形成時間、弱化度、最小扭矩增加，而穩定時間顯著下降，這是因為纖維中含有大量親水性羥基，通過與水結合，提高了重組面團的吸水率和形成時間[24]。SPRC的加入稀釋了蛋白濃度、破壞了面筋網絡結構的形成和穩定性，從而使面團粉質質量下降。隨著粒徑的減小，吸水率逐漸降低，這與熊禮橙等[25]的研究結果相反，可能是由于纖維本身結構變化導致，SPRC微晶束的蜂窩狀結構與淀粉、蛋白在捏合時與水結合能力更強。SG2重組面團的形成時間比SG3和SG1增加15.66%、4.16%，說明SG2在攪拌過程中與面筋蛋白空間物理結合阻礙更強，延長了面團的吸水過程。穩定時間和弱化度是衡量粉質重要的2 個指標[26]。SG3重組面團的穩定時間較SG1增加36.67%，弱化度降低1.64%，表明在水的作用下，SG3面團在攪拌過程中更易與面團融合，并且形成的蛋白網絡結構更加穩定。不同重組面團之間弱化速率α無顯著差異。因此，SPRC的加入會使面團的粉質特性發生劣變，但減小粒徑會降低其惡化程度。

2.2.2 SPRC粒徑對面團淀粉組分熱機械學特性的影響

表2 不同SPRC粒徑對面團淀粉組分熱機械學特性的影響Table 2 Effect of SPRC powders with different particle sizes on thermomechanical properties of starch in dough

由表2可知，SPRC顯著降低了重組面團峰值扭矩、最大黏度指數、熱膠穩定性，表明在加熱攪拌過程中，纖維會競爭淀粉吸收的自由水，降低了淀粉酶活性，阻礙了淀粉吸水膨脹。同時，粒徑越大對面團的峰值黏度和熱膠穩定性影響越顯著，其中，SG1重組面團的峰值扭矩和最大黏度指數比SG3分別增高11.41%、6%。此外，從β、γ以及回生值變化趨勢觀察，SPRC的強吸水性不僅抑制了淀粉糊化，還降低了淀粉分子發生重排速率，延緩了面團的老化。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[27]。重組面團的回生值比對照組依次降低55.26%、60.53%、61.84%，表明粒徑越小，對淀粉分子間氫鍵的恢復阻礙性越強。隨著纖維粒徑的減小，淀粉糊化速度β與淀粉酶水解速度γ有小幅度的增加，可能是由于碎片化的SPRC進入面團后相較蜂窩多孔狀的持水性減弱，淀粉吸水量更多，從而提高了淀粉糊化與淀粉酶水解速度。說明SPRC使淀粉在加熱時穩定性降低，但一定程度上抑制了面團淀粉的老化，對面制品的貨架期延長具有一定的積極作用。

2.3 SPRC粒徑對面團糊化特性的影響

表3 不同SPRC粒徑對面團糊化特性的影響Table 3 Effect of SPRC powders with different particle sizes on pasting properties of dough

由表3可知，SG0面團峰值黏度、谷值黏度、最終黏度以及糊化時間都最高，這是由于纖維的加入減少了面團中淀粉含量，干擾了面筋蛋白的聚集，并且纖維使得淀粉在加熱時不能充分吸水溶脹，從而降低了淀粉的糊化特征值[9]。隨著粒徑的減小，黏度數值在不斷降低，其中SG3面團與SG1比較，峰值黏度、谷值黏度和最終黏度均降低了106.7、67.6、80.6 cP，這可能是因為SG3的比表面積更大，可溶性纖維溶出更多，淀粉相對吸水量減小，導致加熱糊化時流動阻力變小，黏度減少，這與文獻[28]報道的麩皮纖維結果一致；重組面團衰減值和回生值與SG0面團相比都有所減小，其中SG2和SG3比SG1的衰減值低3.68%、5.66%，回生值變化趨勢與此前熱機械學特性實驗結果一致，這表明SPRC的高保水性導致淀粉顆粒穩定性降低，抑制了淀粉分子發生重排速率，降低了回生值，使面團不容易發生老化。綜合來看，不同粒徑的SPRC對面團糊化特性影響程度不同，SG3面團具有相對較低的糊化黏度，其次是SG2和SG1，且兩者差異不大，這一結果從糊化溫度的變化也能得到反映。

2.4 SPRC粒徑對面團動態流變學特性的影響

2.4.1 動態頻率掃描

圖2 不同粒徑SPRC 面 團的G’、G’’（AA）以及ttaannδ（B）隨角頻率變化曲線Fig. 2 Typical frequency-dependent curves of G’, G’’ (A) and tanδ (B)of dough samples with SPRC powders of different particle sizes

由圖2可知，面團G’和G’’隨掃描頻率的增加而升高，表現為一種弱凝膠動態流變學體系[29]。G’始終高于G’’，表明各面團均屬于彈性大于黏性的固態黏彈體。同一頻率下，重組面團中SG1和SG2的固體特性均高于SG3，SG3、SG2、SG1的流體特性依次降低，這與麩皮纖維[25]結果存在差異，可能是因為SG1與小麥淀粉和蛋白與水經揉合后形成更加堅硬的三維網狀結構，加強了內部的凝膠網狀結構[29]，SG3能更均勻地進入到面筋結構中，并形成連續致密的面團體系，大粒徑的SPRC會更大程度地干擾蛋白質分子的交聯和面筋網絡對淀粉分子的包裹作用，從而影響以蛋白質和淀粉為基質形成的黏彈體。tanδ（G’/G’）＜1，且在最初低頻范圍內有所減小，隨著頻率的增加，tanδ增加，這表明前期面團由于添加膳食纖維，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，然后達到一定掃描頻率值后，緩慢聚集成致密的空間，面團黏性增加。

2.4.2 動態溫度掃描

圖3 不同粒徑SPRC面 團的G’、G’’（A）及ttaannδ（B）隨溫度變化曲線Fig. 3 Typical temperature-dependent curves of G’, G’’ (A) and tanδ (B)of dough samples with SPRC of different particle sizes

由圖3可知，不同溫度掃描下，面團始終保持彈性大于黏性的固態黏彈體。在0～75 ℃范圍內，各面團的黏彈性基本保持平衡，表明該溫度下面團較穩定，內部結構并未發生顯著變化；75～78 ℃之間，G’和G’’出現峰值，尤其是G’’，表明此時達到面團淀粉糊化溫度，蛋白質變性，直鏈淀粉溶出，支鏈淀粉解體，面團黏稠性增大，并且從升溫過程中發現，粒徑越小，彈性模量越大，這與在低溫下的頻率掃描結果相反，表明在溫度升高時，SG3、SG2、SG1的吸水量依次增大，淀粉的吸水溶脹能力依次降低，直鏈淀粉溶出受阻，這與RVA糊化結果一致。此外，SG3面團最先達到黏彈性峰值點溫度，這與RVA糊化結果有所差異，可能是由于總加水量的減少，SG3在面團中分散性更好并且對面筋蛋白空間位阻作用小，因此可以在較低溫度下就能完全糊化。tanδ值在升溫初期基本保持穩定，表明此時面團G’和G’’模量變化趨勢一致，隨著溫度的升高，G’和G’’值迅速上升，SG0、SG1、SG3與SG2相繼出現峰值，78 ℃之后，面團面筋網狀結構進一步被破壞，淀粉粒破裂，面團黏彈性均顯著下降，尤其是黏性急劇降低[30]。

2.5 不同粒徑SPRC面團的微觀結構

圖4 不同粒徑SPRC面團的微觀結構Fig. 4 Microstructure images of dough with SPRC powders of different particle sizes

面團主要是由淀粉顆粒與面筋蛋白經水合作用相互連接和周圍的氣孔形成的一個連續的三維網絡結構體系[31]。由圖4觀察到，在加入SPRC之前，面筋膜表面較為平整連續，淀粉顆粒飽滿、排列緊湊、互相黏連、大小不同的圓形顆粒分布在蛋白質基質中。添加SG1后，面筋網狀結構開始斷裂，幾乎看不到成片的面筋膜，淀粉顆粒不規則的散布排列，與蛋白結合度降低；SG2和SG3面團能明顯觀察到面筋膜進一步斷裂，氣孔增多，且部分淀粉顆粒表明出現凹陷，不光滑，這可能是在纖維與蛋白質鏈在揉捏過程中發生摩擦，破壞面筋結構的均勻性，這與Hemdane等[32]的研究結果一致。但SG3使面筋膜斷裂或變形更均勻分布淀粉粒周圍，使面團體系保持更加致密均勻性，而SG1與SG2則更多的是讓面筋結構變形，尤其是SG1，面筋蛋白網狀斷裂成大片而無序嵌于淀粉粒之間。掃描電鏡結果進一步證實了不同粒徑、不同形態的SPRC造成面筋網絡結構不同程度的破壞，從而導致了上述面團流變特性的變化。

3 結 論

3 種不同粒徑的SPRC結構變形程度差異明顯，尤其經納米球磨處理的SG3，蜂窩多孔狀微晶束結構完全消失，呈片層結構分布。不同粒徑SPRC加入到面粉中均會使面團的吸水率、弱化度和形成時間增加，穩定時間縮短，且面團的加熱穩定性和糊化特性降低。相比SG1和SG2，SG3重組面團的弱化度和形成時間更低，穩定時間更長，表明SG3改善了對面團粉質品質產生的負面影響。各重組面團的黏彈性較小麥面團高，其中SG3重組面團的流體特性高于另外兩組。各重組面團在75～78 ℃之間均出現黏彈性峰值，繼續升溫后蛋白網絡結構破壞，黏彈性急劇下降。此外，SPRC可以延緩面團的老化。因此，SPRC的加入雖會使面團品質下降，但較小粒徑的SPRC添加到面團中會降低對面團內部結構的破壞程度，同時相對提高面團的加熱穩定性。