NMR技術研究木聚糖酶對饅頭老化特性的影響

蘇東海，蘇東民，丁雁鑫

（1.北京電子科技職業(yè)學院生物工程學院，北京100029；2.河南工業(yè)大學糧油食品學院，河南鄭州450052；3.鄭州鐵路職業(yè)技術學院，河南鄭州450052）

NMR技術研究木聚糖酶對饅頭老化特性的影響

蘇東海1，蘇東民2，3，*，丁雁鑫2

（1.北京電子科技職業(yè)學院生物工程學院，北京100029；2.河南工業(yè)大學糧油食品學院，河南鄭州450052；3.鄭州鐵路職業(yè)技術學院，河南鄭州450052）

在儲藏過程中，為了提高饅頭質量，降低老化速度，采用TA-XTPlus物性儀測定饅頭樣品硬度及NMR技術測定其水分分布變化，研究木聚糖酶對饅頭樣品老化速度的影響。結果表明：饅頭儲藏0～36h內，饅頭的表皮硬度及芯部硬度均緩慢增加，相對于空白饅頭樣品，添加XYL饅頭樣品硬度較弱；達到36h時，硬度顯著增加，特別是添加L-XYL的饅頭樣品。饅頭儲藏期間，質子信號A及A1持續(xù)下降。在0～36h內，所有添加木聚糖酶的饅頭樣品質子信號下降速度較慢；36～120h內，添加S-XYL的饅頭樣品質子信號下降緩慢，但添加L-XYL的饅頭樣品質子信號下降速度快。由此可知，相對于空白樣品，在0～36h內，添加XYL的所有饅頭樣品老化速度較慢，保鮮度較好。在36～120h內，添加S-XYL的老化速度較慢，而添加L-XYL的老化速度較快。

NMR技術，饅頭，老化，水分遷移

在儲藏過程中，饅頭將發(fā)生一系列的物化反應，饅頭品質受到很大的影響，包括支鏈淀粉的回生，以及其他饅頭成分（蛋白質、脂肪等）之間的交互作用，改變非晶結構，饅頭變硬等。這些老化現(xiàn)象，其中最關鍵的因素就是水分分布的改變[1]。水分在面包中的狀態(tài)分布影響支鏈淀粉回生，這可能是由于支鏈淀粉回生需要結合水分子[2]。饅頭中水分存在狀態(tài)及其分布受小麥面粉本身特性的影響，比如蛋白質、脂肪、木聚糖含量及其結構等。

小麥面粉中阿拉伯木聚糖（AX）含量大約為1.5%～2.5%左右[3]，其中30%～50%為水溶性阿拉伯木聚糖（WE-AX），其剩余的為非水溶性阿拉伯木聚糖（WU-AX）[4]。WE-AX和WU-AX都具有較高的持水性，在一定條件下，可吸收自身3.4～9.9倍的水分，這在面粉各組分中是最為突出[5]。外源木聚糖酶（XYL）對AX能夠以隨機的方式打開木聚糖的主鏈，從而降低底物的聚合度，并釋放出相應的低聚體——寡糖和木糖[6]。蘇東民等[7]研究發(fā)現(xiàn)木聚糖酶水解WE-AX和ES-AX為小分子AX，并提高了WU-AX可溶性，造成面團粘度的降低，面團的持水能力降低，推測是結合水轉變?yōu)樽杂伤矫鎴F中。同時，XYL對饅頭的老化也產生了影響。叢倩千等[8]研究毛殼霉CQ1木聚糖酶對饅頭的影響，發(fā)現(xiàn)其能降低饅頭老化速度。

XYL對饅頭老化程度的影響，一般采用饅頭硬度指標判定。很少從水分分布及其狀態(tài)方面研究。本文則從饅頭水分存在狀態(tài)及其分布變化探測與饅頭老化的關系，核磁共振（NMR）技術，利用90°脈沖激發(fā)樣品產生質子自由感應衰減曲線，獲得樣品的信號幅度。然后利用Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）脈沖序列測定饅頭樣品中不同流動性水分的自旋-自旋弛豫時間，及各組分水分信號大小。各組水組分代表水分的存在狀態(tài)，信號大小代表水分含量的大小。同時，水分分布狀態(tài)及其含量與饅頭硬度參數(shù)進行相關性分析，進一步理解水分在饅頭儲藏變化中的作用機理。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

溫麥18 購于河南農業(yè)科學院；固態(tài)木聚糖酶（S-XYL，sigma2753） 諾維信公司；液體木聚糖酶（L-XYL） 中國農業(yè)大學提供；高活性干酵母 安琪酵母股份有限公司。

AR2140電子天平、AR5120電子天平 美國OJAUS公司；SM-668和面機 深圳市億貝斯特電器有限公司；WJ-160A-ⅡCO2恒溫箱 上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；TA-XT Plus物性儀 英國Stable m icro systems公司；NM I20核磁共振成像分析儀（配備直徑為18mm的射頻線圈） 上海鈕邁電子科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 面團制備 三種樣品分別按表1中所示配方進行稱量，在和面機中和面5min，然后揉捏2min，使之成為光滑的面團，分別分割出4個（4±0.0005）g的面團放入核磁試管中，其中兩個立即測水分的組分。其他兩個與揉好的饅頭放入培養(yǎng)箱中醒發(fā)45m in，然后迅速用保鮮膜封口放入核磁永久線圈中測水分的組分。其他的面團分割為重量為（75±0.2）g的若干個饅頭胚，放置溫度為38℃，濕度為85%的恒溫恒濕培養(yǎng)箱中發(fā)酵。饅頭胚沸水氣蒸20m in，饅頭在室溫下冷卻2h，然后放入保鮮袋在24℃恒溫箱中儲藏。

表1 面團樣品配方Table 1 Formulation of dough samples

1.2.2 TPA質構測定 饅頭儲藏2、4、6、12、24、36、48h分別測饅頭心質構變化及饅頭皮的硬度變化。由于本實驗所用的物性儀力臂最大為35000g，當饅頭超過48h時，硬度超過最大值，因此放棄測量。

饅頭皮硬度測定方法：每次測兩個樣品，每個樣品在幾何位置，采用P/2探頭穿過此中心位置，來測饅頭皮其中一個硬度，再在中心附近分別測三個硬度，取平均值。測試參數(shù)：探頭：P/2，穿孔距離7.5mm，測量速度：2.00mm/s，觸發(fā)力：5g。

饅頭芯硬度測定：每次兩個樣品，在固定的盒子中，饅頭放置里面，把饅頭頂部削平，剩下高度為30mm的饅頭片，測定其硬度，取平均值。測量模式及參數(shù)設定如表2所示。

1.2.3 CPMG實驗 利用Carr-Purcell-Meiboom-Gill脈沖序列測定樣品的自旋-自旋弛豫時間T2及其相應的質子密度，樣品分別置于永久磁場中心位置的射頻線圈中心，進行CPMG脈沖序列測樣。CPMG實驗采用的參數(shù)：采樣點數(shù)TD=22290、回波個數(shù)CONH= 1000、重復掃描次數(shù)NS=32、弛豫衰減時間D0=1s。利用T2-CPMG擬和程序計算出T2值，其參數(shù)：參與反演點數(shù)=400，弛豫時間點數(shù)=200，迭代次數(shù)=1000000。

1.3 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析

使用Excel和Spss軟件進行數(shù)據(jù)處理與分析。

2 結果與討論

2.1 三組饅頭皮及饅頭芯硬度的變化

如圖1所示，在儲藏時間120h內，三組饅頭樣品硬度都在增大；在48～120h內，樣品呈現(xiàn)迅速增大的趨勢。相對于空白饅頭樣品，添加S-XYL樣品的表皮硬度呈緩慢上升趨勢，而添加L-XYL樣品呈迅速上升趨勢。由圖2可知，在儲藏48h期間內，三組饅頭樣品的芯部硬度呈上升趨勢。空白饅頭樣品硬度增加速度更快，而達到48h時，加入L-XYL的樣品芯部硬度在三組樣品中達到最大。

表2 饅頭TPA參數(shù)設定Table 2 Parameter setting ofMantou TPA

圖2 饅頭芯硬度隨著儲藏時間的變化Fig.2 Changes of the hardness of the core of Mantou during storage

在儲存過程中，饅頭硬度增加，彈性和咬勁下降，內瓤干燥易掉屑，香味喪失，這些是饅頭的老化現(xiàn)象，主要是由淀粉的老化造成的，饅頭的硬度、彈性和回復性可以作為衡量饅頭老化的指標[9]。XYL使面團中的WU-AX水解，增加S-AX的含量，進而增加了面團中S-AX的氧化膠凝作用，氣蒸過程中饅頭水分的揮發(fā)性減緩，最終導致饅頭硬度下降較慢[10]。相對于空白樣品，添加XYL的饅頭樣品在儲藏初期硬度相對較小，降低了饅頭老化速度。而添加L-XYL的饅頭樣品，在36～48h期間硬度迅速上升，表明失水速度較快，老化速度加快，具體原因還待進一步實驗驗證。

2.2 樣品弛豫時間及質子信號強度變化

2.2.1 面團樣品發(fā)酵0m in、發(fā)酵45m in及饅頭樣品冷卻2h（饅頭2h）弛豫時間變化 CPMG脈沖序列檢測到面團及饅頭樣品中三部分水分的弛豫性質，擬和后得到三部分水分自旋—自旋弛豫時間常數(shù)，分別為T21、T22和T23（T21＜T22＜T23），它們相對應的質子信號分別為A1、A2、A3，總質子信號為A。

淀粉、非淀粉多糖或者蛋白質上的-OH、NH2、-SH基團與水通過化學質子交換降低水的流動性，減小橫向弛豫時間。Engelsen等[11]認為，最短的T21是水與蛋白質的連接的弛豫時間，T22是水與淀粉和木聚糖連接的弛豫時間，最長T23是與蛋白質和淀粉之間的分配交換的水分弛豫時間。

由表3可知，面團樣品在發(fā)酵0、45m in及饅頭樣品的弛豫時間有很大的差別，第一個峰峰頂點弛豫時間T21由發(fā)酵前的0.172ms降低到發(fā)酵后的0.150ms，而饅頭T21增大到0.42ms；T22先增大后減小；T23一直在增大。

表3 不同發(fā)酵時間面團樣品和冷卻2h的饅頭樣品弛豫時間T21，T22和T23Table 3 The value of T21，T22and T23of dough sampleswith different fermentation time and Mantou for 2h cooling

發(fā)酵0m in時，由于饅頭面團比較致密，與水分子結合力較強。發(fā)酵45m in后，面筋的結構功能發(fā)生一定的變化，可能是由于面筋與一部分水分結合力變弱，進而水分向糖分子遷移，而未遷移水分與面筋結合力本身較強，故T21變小。面團經(jīng)過45m in發(fā)酵，由于酵母利用糖類發(fā)酵，一部分大分子長鏈糖類變?yōu)槎替溙欠肿樱怪c水分的結合力變弱，使T22弛豫時間變大，同時酵母發(fā)酵，面團內部結構發(fā)生了改變，使部分自由水更加游離，使T23在發(fā)酵45m in時增大。當經(jīng)過氣蒸時，淀粉會糊化，使淀粉有序的結晶結構變成非結晶結構，使水分與各種組分以結合的形式均勻分布[9]。

圖3 饅頭樣品儲藏120h內T22的變化Fig.3 Changes of T22of Mantou samples storage for 120h

圖4 饅頭樣品儲藏120h內T23變化Fig.4 Changes of T23of Mantou samples during during storage for 120h

饅頭經(jīng)冷卻儲藏后，T21保持在0.425ms，基本上沒變化。由圖3可知，T22在饅頭儲藏48h之后變小，并保持在一定的數(shù)值，沒有變化。由圖4可知，在2～6h內，T23保持不變，隨后有稍微升高的趨勢，但變化不明顯。在12～36h內，保持一定的數(shù)值不變，隨后下降，在72～96h內，保持一定的數(shù)值不變，隨后繼續(xù)下降。

饅頭經(jīng)冷卻儲藏后，蛋白質并沒有發(fā)生很大的變化，主要是淀粉與非淀粉多糖的一些特性的改變，對T21影響較小。在饅頭儲藏過程中，非結晶的淀粉會逐漸轉變成有序的結晶結構，膠體穩(wěn)定性被破壞，水分開始散失，導致饅頭內瓢干燥、硬度增加、掉渣[9]。淀粉回生過程是一個緩慢的過程，最初與淀粉非結晶區(qū)域均勻結合的水分逐漸進入已經(jīng)出現(xiàn)回生現(xiàn)象的淀粉的結晶結構中，最終導致水分子的移動性降低，甚至是最低活動狀態(tài)，所以饅頭儲藏期間，弛豫時間T22先保持不變，而后降低。

2.2.2 饅頭水分質子信號隨儲藏時間的變化 饅頭樣品在儲藏期間，質子信號A與A1呈下降趨勢；相對于空白饅頭樣品，在2～36h時，添加XYL的饅頭樣品A下降較慢，質子信號較強；在36～120h內，添加S-XYL的質子信號強度下降較少，質子信號強度最強，而添加L-XYL的質子信號下降最快，信號強度最弱；A2與A3變化沒有明顯的規(guī)律，但很明顯的看出，添加S-XYL的饅頭樣品信號較強，見圖5～圖8。

由于饅頭在儲藏過程中，自由水分散失，導致總質子信號A強度降低，內部水分失衡；為達到饅頭內部水分平衡，結合水向相對于較自由的水轉變，A1信號降低。所有配方饅頭的T22與T23的變化趨勢，整體并沒有表現(xiàn)出很強的規(guī)律性，這是由于這兩部分水分別以較游離或者游離方式存在，并且處于向外蒸發(fā)和內部擴散的平衡體系的影響，因此表現(xiàn)出上下波動的趨勢。

圖5 饅頭樣品儲藏120h內A的變化Fig.5 Changes of A of Mantou samples during storage for 120h

圖6 饅頭樣品儲藏120h內A1的變化Fig.6 Changes of A1ofMantou samples during 120h storage

圖7 饅頭樣品儲藏120h內A2的變化Fig.7 Changes of A2ofMantou samples during storage for 120h

圖8 饅頭樣品儲藏120h內A3的變化Fig.8 Changes of A3ofMantou samples during storage for 120h

在儲藏初期，由于XYL降解AX，使饅頭體積相對較大，硬度較低，添加XYL的饅頭樣品A下降較慢，說明水分散失較慢。儲藏到一段時間后，添加S-XYL的樣品A下降較慢，水分散失慢；而添加L-XYL的樣品質子信號強度下降很快，水分散失較快，與所測的硬度變化相對應。同時說明，相對于空白饅頭樣品，在2～36h內，所有添加XYL的饅頭樣品老化速度較慢，保鮮度比較好。在36～72h內，添加S-XYL的樣品老化速度較慢，而添加L-XYL的樣品老化速度較快。這可能與XYL的種類不同，對面團內部結構影響不同，造成饅頭老化速度不同，這個問題有待進一步深入研究。

2.2.3 饅頭皮及芯硬度與質子信號之間的相關性表4～表6所示，三組饅頭各質子信號與其硬度及貯藏時間有相關性。

表5 添加S-XYL饅頭樣品皮及芯與相對應的質子信號強度的相關系數(shù)Table 5 The correlation coefficientof the amplitude of proton signal between the crustand core of Mantou samples with S-XYL

表6 添加L-XYL饅頭樣品皮及芯與相對應的質子信號強度的相關系數(shù)Table 6 The correlation coefficientof the amplitude of proton signal between the crust and core ofMantou samples with L-XYL

通過相關性分析，發(fā)現(xiàn)利用饅頭硬度指標判斷饅頭的老化有一定的可靠性，同時也表明饅頭內部水分的遷移流動是導致饅頭老化的重要因素。

3 結論

實驗結果表明，利用NMR技術從水分子結合能力、流動性及水分遷移情況來研究饅頭老化是可行的。相對于空白樣品，在實驗條件下，在0～36h內，添加XYL的所有饅頭樣品老化速度較慢，保鮮度較好；在36～120h內，添加S-XYL的老化速度慢，添加L-XYL的老化速度快。饅頭儲藏初期，XYL對饅頭老化都有減緩的作用，但是儲存超過一定時間，不同的木聚糖酶對饅頭老化影響有很大差別，這需要進一步深入研究木聚糖酶的特性及對饅頭等面制品的作用機理。

因此，利用NMR技術研究面制食品老化有很大的發(fā)展前景，根據(jù)食品水分含量及水分遷移情況可以較為準確的預測食品老化程度，方便快捷，簡單易行。

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Effectof xylanase on staling rate ofMantou w ith NMR technology

SU Dong-hai1，SU Dong-m in2，3，*，DING Yan-xin2
（1.Biology Department，Beijing Polytechnic，Beijing 100029，China；2.Shool of Food Science and Technology，Henan University of Technology，Zhengzhou 450052，China；3.Zhengzhou Railway Vocation and Technical College，Zhengzhou 450052，China）

In order to imp rove quality of Mantou and reduce its staling rate during storage，TA-XT p lus and nuc lear magnetic resonance（NMR）techniques were used to measure the firm ing and water d istribution of sam p les of Mantou，which were added xylanase.Then，effects of xylanase on the staling rate of sam p les were stud ied.The results showed that the hardness of the c rust and core of Mantou increased slow ly during storage of0～36h.The sam p les added XYLwere less hard than the controlsam p le.The hardness inc reased significantly when it was 36h，especially the sam p les added L-XYL.Meanwhile，the p roton signal A and A1of Mantou sam p les dec reased continuously during storage.The p roton signal of sam p les added xylanase decreased slow ly during storage of 0～36h，and the samp les added solid state of xylanase（S-XYL）also decreased slow ly during storage of 36～120h.While，the p roton signal of the add ition of L-XYL to samp les decreased rap id ly. Therefore，the staling rate of sam p les added xylanase was slower during storage of 0～36h，and the sam p les added S-XYL was slower during storage of 36～120h，however，the staling rate of samp les added L-XYL was faster.

NMR technology；Mantou；staling；watermobility

TS213.2

A

1002-0306（2014）18-0101-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.18.013

2013－12－04 *通訊聯(lián)系人

蘇東海（1965-），男，教授，研究方向：食品生物技術。

北京市屬高等學校人才強教計劃資助項目（PHR201107151）；國家自然科學基金項目（31071597）。