燕麥麩皮添加量對面團流變特性及面筋蛋白結構的影響

黃蓮燕,王紅娜,張小爽,張慧娟,王 靜

(北京工商大學北京食品營養與人類健康高精尖創新中心, 北京市食品添加劑工程技術研究中心,北京 100048)

燕麥麩皮是燕麥加工過程中的副產物,主要用作飼料,利用率很低。研究發現,燕麥麩皮不僅含有豐富的膳食纖維,還含有多種營養成分,如蛋白質、硫胺素、鈣、鐵、VB6等[1],因此越來越受人們的重視。燕麥麩皮中的可溶性膳食纖維含量較高,主要為β葡聚糖。研究表明,β葡聚糖具有降低膽固醇的功效,它能在小腸內形成膠狀體,使環境粘度升高,從而吸收膽固醇及膽汁,并將其排除體外,減少小腸對膽固醇的吸收。此外,β葡聚糖還具有平緩飯后血糖升高、促進胃腸道蠕動、預防結腸癌等多種生理功能[2]。燕麥麩皮的這些營養保健功能,對預防現代人因久坐和飲食結構的改變而引起的如冠心病、動脈硬化、高血脂、便秘等具有重要的意義。

然而,燕麥麩皮在食品上的應用并不如人意,因為添加燕麥麩皮后產品的品質通常會下降,不能滿足消費者對于產品色、香、味的要求。張東仙等[3]研究發現添加燕麥麩皮使掛面的蒸煮損失率、吸水率和混湯吸光值顯著增大(p<0.05),并且隨著燕麥麩皮添加量的增加,掛面的硬度、咀嚼性顯著增大(p<0.05),而粘性和彈性下降,掛面的感官品質降低。何雅薔等[46]研究了燕麥麩皮對饅頭、面包、餅干品質的影響,發現只有在較低添加量(<10%)時,產品的品質才會比較好。目前關于燕麥麩皮對面團品質及面筋蛋白品質影響機理的研究還比較少。面筋蛋白是小麥粉的重要組成部分,對面團流變學性質及產品品質起著決定性作用,燕麥麩皮對面團流變性質及產品品質的影響,可能就是因為燕麥麩皮影響了面筋蛋白網絡結構導致的[78]。

本實驗將燕麥麩皮以0%、10%、15%、20%、25%(w/w)的比例添加到小麥粉中,通過測定面團的熱機械學特性,面筋蛋白的動態流變特性、熱穩定性、巰基/二硫鍵、微觀結構,探究燕麥麩皮對面團及面筋蛋白品質的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

燕麥麩皮 源自河北熱河有限公司;金沙河富強高筋小麥粉 購于當地超市;二硫糖醇(DTE) 購自北京百靈威科技有限公司;鹽酸、三羥甲基氨基甲烷、丙酮、冰醋酸、異丙醇、5,5二硫代(二硝基苯甲酸)、甲基硅油(粘度≥100 mPa·s) 北京半夏科技發展有限公司;實驗中所用化學試劑均為分析純。Ellman’s試劑異丙醇、250 mmol/L TrisHCl緩沖液(pH8.5)、4 g/L 5,5二硫代(二硝基苯甲酸)按體積比為5∶5∶1配制而成;二硫糖醇還原液 用80 mmol/L TrisHCl緩沖液(pH8.5)配制濃度為40 mmol/L的DTE溶液。

FW100高速萬能粉碎機 北京中興偉業儀器有限公司;FDV氣引式超細粉碎機 佑崎有限公司;JA5003電子天平 上海精密科學儀器有限公司;SHZ82A恒溫振蕩器 常州國華電器有限公司;Free Zone?真空冷凍干燥機 美國LABCONCO公司;CR22N高速離心機、SU8010掃描電子顯微鏡 日本日立公司;Mixolab谷物綜合特性測定儀 法國Chopin公司;Cary 100紫外分光光度計 安捷倫科技(中國)有限公司;DHR混合型流變儀 美國TA儀器公司;TGA 8000熱失重分析儀 珀金埃爾默企業管理(上海)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 燕麥麩皮的制備 采用超微粉碎機對燕麥麩皮進行研磨,過80目篩,將未能過篩的燕麥麩皮繼續研磨,直至所有的燕麥麩皮能夠通過80目篩。將磨碎后的燕麥麩皮分別以10%、15%、20%、25%(w/w)的添加量加入小麥粉中,未添加燕麥麩皮的小麥粉為空白對照組。

1.2.2 面團熱機械學性質的測定 采用谷物綜合測定儀(Mixolab)來研究高燕麥麩皮添加量對面團熱機械學特性的影響,通過實時測定兩個揉捏臂之間面團的扭矩,從而研究面團在加熱過程中蛋白質和淀粉的性質。混合實驗儀設定參數按照“Chopin+”標準:根據樣品粉的水分含量,計算樣品粉的重量,使加水后面團總重量為75 g,首先使面團扭矩達到1.1 N·m,30 ℃恒溫8 min后以4 ℃/min的升溫速度加熱至90 ℃,在此保持7 min,之后以4 ℃/min的降溫速度冷卻至50 ℃,恒溫5 min,整個過程面團攪拌速度保持在80 r/min。從Mixolab實驗結果中可獲得面團吸水率、面團形成時間、面團穩定時間、粘度崩解值、回生值等[910]。

1.2.3 面筋蛋白的制備 參照Day等[11]的方法稍作修改。稱取25 g樣品粉,加入15 mL蒸餾水揉捏成均勻的面團,面團揉好后靜置30 min,以便更好地形成面筋蛋白。然后用蒸餾水洗滌,直至洗出的清水遇碘不變藍色,剩下的便是面筋蛋白,每個樣品重復三次。立即將得到的面筋蛋白放入80 ℃冰箱中冷凍,隨后用真空冷凍干燥機(80 ℃,0.06 torr)冷凍干燥48～72 h,得到冷凍干燥的面筋蛋白,留一小塊面筋蛋白用于掃描電鏡的測試,其余面筋蛋白均用高速萬能粉碎機粉碎并過80目篩,儲存于4 ℃冰箱中備用。

1.2.4 濕面筋蛋白動態流變性能的測定 參照Tuhumury等[12]的方法稍作修改,采用動態流變儀(DHR)測定濕面筋的粘彈性模量,按1.2.3中的方法制備濕面筋,從濕面筋蛋白的中心部位取4 g左右的蛋白,揉成小球,放在DHR流變儀的底盤中心,使上平板緩慢下移至上下平板間距為2 mm,用刮板刮去多余的面團,蓋上保護蓋,并在保護蓋邊緣處滴甲基硅油密封,以防止實驗過程中面筋蛋白干燥。在測量開始前使樣品在平行板上穩定5 min,以便使加樣過程中受到破壞的面筋蛋白結構恢復。分別對樣品進行應力掃描和頻率掃描流變學實驗。應力掃描測量參數:1 Hz條件下,應力范圍為0.01%～10%;頻率掃描測量參數為:40 mm圓形平板,溫度25 ℃,應力為0.5%,頻率變化范圍為0.01～100 Hz,測定彈性模量(G′)、粘性模量(G″)和損耗角正切值(tan δ)隨頻率的變化。

1.2.5 面筋蛋白熱性質的測定 熱重分析(TGA)參照Nawrocka等[13]的方法稍作修改,準確稱取10 mg左右的冷凍干燥后的蛋白樣品,以20 ℃/min的升溫速率從50 ℃升溫至900 ℃,得到TGA曲線,采用Pyris軟件進行分析,計算各蛋白樣品的熱降解溫度(Td)及600 ℃時的失重率。

1.2.6 巰基/二硫鍵含量的測定 參照Morel等[14]的方法對面筋蛋白的巰基/二硫鍵含量進行分析。游離巰基含量的測定:取40 mg粉碎后的面筋蛋白加入5.5 mL Ellman’s試劑,4800 r/min離心10 min,在412 nm下用分光光度計測定吸光度值。

總巰基含量的測定:30 mg粉碎后面筋蛋白,加入5 mL二硫糖醇還原液,60 ℃反應2 h后,加入3 mL 100 mmol/L的冰醋酸丙酮溶液終止反應,4 ℃條件下6000 r/min離心10 min,沉淀物懸浮于300 μL 100 mmol/L冰醋酸溶液中,然后再用3 mL 100 mmol/L的冰醋酸丙酮溶液洗滌沉淀,6000 r/min 離心10 min,重復3次,沉淀用 Ellman’s試劑溶解,412 nm處測定吸光度。

二硫鍵含量(μmol/g)=(總巰基含量游離巰基含量)/2

式中:A為樣品在412 nm處的吸光度;V是樣品溶液的總體積,L;ε為消光系數,ε=13600 M-1·cm-1;b為比色皿厚度,b=1 cm;m為樣品質量,g。

1.2.7 面筋蛋白微觀結構觀察 參照Gómez 等[15]的方法稍作修改,將冷凍干燥所得的面筋蛋白用小錘破裂,取破裂后內表面較平整的樣品塊用導電銀膠粘到掃描電鏡樣品臺上,將樣品臺放入噴金儀中進行噴金。噴金參數:電流15 mA,時間150 s,靶材鉑金。將處理好的樣品立即放入電鏡載物腔內抽真空,加壓至5 kV,然后分別用從小到大的放大倍數進行觀察,拍照。

1.3 數據處理

2 結果與分析

2.1 燕麥麩皮添加量對面團熱機械學特性的影響

如表1所示,燕麥麩皮添加量由0%增加至25%的過程中,面團的吸水率由61.3%增加至76.8%,這一結果與何雅薔等[6]的研究結果相一致。添加燕麥麩皮后面團吸水率的增加可能是由于燕麥麩皮中含有豐富的膳食纖維,膳食纖維中的羥基會與水形成氫鍵,大大提高了面團的水合能力,因此吸水率顯著增大(p<0.05)。面團吸水率的增加有助于提高面制品的出品率,同時有助于延緩面制品的老化及龜裂收縮現象,但是,過高的吸水率不利于面團的醒發,可能會降低面制品的品質[16]。面團的形成是一個十分復雜的過程,形成時間可反映面筋蛋白網絡形成的速度。

表1 燕麥麩皮添加量對面團熱機械學特性的影響Table 1 Effects of the addition of oat bran on the thermomechanical properties of dough

由表1可知,與對照組相比當燕麥麩皮添加量為10%和15%時,面團的形成時間并無顯著性差異,當燕麥麩皮添加量為20%和25%時,面筋蛋白的形成時間顯著延長(p<0.05)。分析面團形成時間的延長的原因可能是由于燕麥麩皮與面筋蛋白競爭水分,導致面筋吸水受到影響,從而面團形成時間延長,并且隨著燕麥麩皮添加量的增加,這種水分競爭效應越明顯,面團形成時間越長[1718]。

穩定時間反映了面團的耐揉性,即對剪切力的抵抗性,面團的穩定時間越長,說明面筋蛋白網絡結構越牢固,面筋強度越強,面團的韌性越好[19]。本實驗中隨著燕麥麩皮添加量的增加,面團的穩定時間顯著下降(p<0.05),說明燕麥麩皮的加入削弱了面筋蛋白的網絡結構,這與Sudha等[20]的研究結果一致。這可能是因為燕麥麩皮加入后的物理障礙作用阻礙的面筋網絡的形成,并且燕麥麩皮膳食纖維與小麥粉蛋白及淀粉的水分競爭作用,導致面團水分的重新分布,最終導致面團穩定時間降低。

回生值是糊化了的淀粉遇冷后出現的分子重新排列并重結晶的現象,與對照組相比,當燕麥麩皮添加量增加時,面團的回生值均顯著降低了(p<0.05);但不同燕麥麩皮添加量,面團的回生值無顯著差異(p>0.05)。這可能是因為燕麥麩皮中的β葡聚糖的持水能力很強,影響了面團中淀粉顆粒正常的溶解和膨脹,阻礙直鏈淀粉的重新排列,使得混合粉冷卻過程中形成凝膠的能力被弱化,從而降低淀粉的老化速率[21]。

粘度崩解值反映淀粉的冷熱穩定性及其破損程度,粘度崩解值越小表示面團的糊化穩定性越好[22]。粘度崩解值越大,說明淀粉顆粒破損的程度越大,耐剪切能力越低。在燕麥麩皮添加量逐漸增大的過程中,粘度崩解值由0.19升高至0.44 Nm,說明燕麥麩皮的添加使得淀粉顆粒的破損程度增大,混合粉中淀粉顆粒的耐剪切性降低。

綜上所述,隨著燕麥麩皮添加量的增加,面團吸水率、形成時間、粘度崩解值整體呈上升的趨勢,面團穩定時間、回生值整體呈下降的趨勢,表明添加燕麥麩皮會降低面團的熱機械學性質。

2.2 燕麥麩皮添加量對面筋蛋白彈性模量和粘性模量的影響

動態流變儀可以測定物質的粘彈性質,頻率掃描是在恒定溫度條件下改變頻率的動態流變學測量,可獲得物質的彈性模量(G′)和粘性模量(G″)隨振蕩頻率的變化情況,能提供某些材料分子結構方面的信息[23]。損耗角正切 tan δ=G″/G′,當材料的性質類似于固體時,其在線性范圍內的形變是可壓縮和恢復的,粘性模量(G″)小于彈性模量(G′),tan δ<1;反之,當材料性質類似于流體或粘性系統時,粘性模量(G″)就會大于彈性模量(G′),tan δ>1[24]。tan δ值越小,表明樣品組分中高聚物的數量越多或聚合度越大;反之則聚合度較低的分子占的比例高。因此可從tan δ值的變化大致推斷出樣品組分中高聚物組成的變化[23]。面筋蛋白主要由麥谷蛋白和麥醇溶蛋白組成,其中麥谷蛋白占30%～40%,麥醇溶蛋白占40%～50%[25]。麥谷蛋白由多肽鏈通過分子間和分子內二硫鍵連接而形成的非均質大分子聚合體,分子細長、巨大、呈纖維狀結構[26];而麥醇溶蛋白無分子間二硫鍵,主要通過肽鏈內部的二硫鍵連接形成緊密的球形三維結構[2728]。麥醇溶蛋白通過非共價疏水相互作用及氫鍵鑲嵌在麥谷蛋白形成的大聚體中,共同形成具有粘彈性的三維網絡結構,賦予面團特殊的加工工藝[29]。

由圖1a、圖1b可知,加入燕麥麩皮后,面筋蛋白的彈性模量和粘性模量變化趨勢與對照組一致,均隨振動頻率的增加而增大,且添加燕麥麩皮的面筋蛋白的彈性模量和粘性模量值均高于對照組,并隨燕麥麩皮添加量的增加而增大,這說明燕麥麩皮的加入使得面筋蛋白粘彈性增加,面筋蛋白的機械強度增大。由圖1c可以看出,所有面筋蛋白樣品的tan δ值均小于1,說明面筋蛋白的彈性比粘性更大,具有類似固體的性質,這與前人的研究結果一致[30]。添加燕麥麩皮后面筋蛋白的tan δ均小于對照組,且tan δ隨著燕麥麩皮添加量的增加而下降,說明燕麥麩皮的加入使得面筋蛋白的固體性質增加,使得面筋蛋白中聚合物含量增加。這表明燕麥麩皮不只是單純的填充在面筋蛋白網絡中,而是存在復雜的相互作用。

圖1 燕麥麩皮添加量對面筋蛋白粘彈性模量的影響Fig.1 Effect of oat bran addition amount on the viscoelastic modulus of gluten protein注:a:彈性模量G′;b:粘性模量G″;c:損耗角正切值tan δ。

2.3 燕麥麩皮添加量對面筋蛋白熱力學性質的影響

圖2中a和b分別是面筋蛋白的TGA圖和DTG 圖,其中TGA曲線是積分型曲線,表示的是加熱過程中樣品的失重累積量,DTG曲線是TGA曲線對溫度的一階倒數,即質量變化率(dW/dT)[31]。從TGA曲線上可以明顯地看出所有面筋蛋白樣品的熱分解大致分為兩個階段,第一個階段的溫度范圍在50～200 ℃之間,此階段樣品質量的減少主要是由于樣品中游離水及結合水的蒸發;第二個階段的溫度范圍在200～600 ℃之間,當溫度升高至600 ℃時,已有近80%的樣品被分解,剩余的20%主要是一些無機鹽之類的固形物,此階段隨著溫度的升高,面筋蛋白的CC、SS和CH的進一步斷裂,導致面筋蛋白分解[3233]。由TGA和DTG曲線我們可以得到樣品熱降解溫度(Td)及600 ℃時的質量損失率,如表2所示。600 ℃時質量損失率的變化可以反應出面筋蛋白網絡結構的變化,Khatkar等[34]研究發現,質量損失率增加表明面筋蛋白網絡的結構更加開放、疏松,反之,面筋蛋白網絡結構更加緊湊、致密。由表2可知隨著燕麥麩皮添加量的增加,面筋蛋白的熱降解溫度(Td)呈下降趨勢、600 ℃時的質量損失率呈增加趨勢,表明添加燕麥麩皮后面筋蛋白熱穩定性降低,原有的緊湊、致密的網絡結構受到破壞,并且這種破壞程度隨燕麥麩皮添加量的增加而增大。

表2 燕麥麩皮添加量對面筋蛋白熱力學性質的影響Table 2 Effects of addition different amount of oat bran on the thermodynamic properties of gluten

圖2 燕麥麩皮添加量對面筋蛋白TGA(a)和DTG(b)的影響Fig.2 Effect of oat bran addition amount on the TGA(a)and DTG(b)of gluten

2.4 燕麥麩皮添加量對面筋蛋白巰基/二硫鍵含量的影響

二硫鍵是穩定面筋蛋白網絡結構的重要化學鍵,對面筋蛋白的流變性質至關重要。面筋蛋白中含有大量的巰基,這些巰基氧化后就形成二硫鍵,反之,二硫鍵還原后就形成巰基。由表3可知,面筋蛋白中的巰基主要是以二硫鍵的形式存在,其中對照組的二硫鍵含量最高,為70.85 μmol/g面筋蛋白,這表明對照組具有最穩定的面筋蛋白網絡結構。加入燕麥麩皮后,面筋蛋白的總巰基及二硫鍵含量較對照組顯著降低(p<0.05),并且二硫鍵含量隨燕麥麩皮添加量的增加而顯著下降(p<0.05)。當燕麥麩皮添加量為10%時,與對照組相比,二硫鍵含量顯著降低了25.74%,而當燕麥麩皮添加量增加至25%時,二硫鍵含量顯著下降了37.59%。二硫鍵含量的減少,表明添加燕麥麩皮后面筋蛋白的穩定性降低,面筋蛋白網絡結構遭到破壞。Zhou等[35]將魔芋葡甘聚糖以2.5%和5%的添加量加入小麥粉中,發現面筋蛋白的二硫鍵含量也顯著降低(p<0.05)。

表3 燕麥麩皮添加量對面筋蛋白巰基/二硫鍵含量的影響Table 3 Effect of different oat bran amount on the sulfydryl and disulfide groups of gluten

2.5 燕麥麩皮添加量對面筋蛋白微觀結構的影響

對面筋蛋白進行了掃描電鏡觀察,燕麥麩皮添加量對面筋蛋白微觀結構的影響如圖3所示。由圖3可以看出,面筋蛋白的微觀結構呈現出多孔的三維網絡狀,其中對照組面筋蛋白的孔洞邊緣平滑、大小及分布相對均勻;在燕麥麩皮添加量較低時(10%),面筋蛋白還能保持較均勻整密的孔洞結構,隨著燕麥麩皮添加量的增大,面筋蛋白孔洞的平滑性和均勻性受到破壞,并且這種破壞程度隨燕麥麩皮添加量的增加而增大。當燕麥麩皮添加量達到25%時,面筋蛋白呈現出蜂窩狀結構,并且孔洞邊緣也不再平滑,而是呈現呈鋸齒狀的邊緣。面筋蛋白網絡結構的改變,可能是因為麩皮中的膳食纖維與淀粉、蛋白的水分競爭作用,使面團中水分重新分布,導致面筋蛋白部分脫水,面筋蛋白網絡結構改變,甚至部分坍塌[36]。面筋蛋白掃描電鏡的結果與熱降解溫度、600 ℃時質量損失率、二硫鍵含量的結果相一致。

圖3 燕麥麩皮添加量對面筋蛋白微觀結構的影響(800×)Fig.3 Effect of oat bran addition amount on microstructure of gluten(800×)

3 結論

將燕麥麩皮添加到小麥粉中,會對面團及面筋蛋白的品質產生極大的影響。隨著燕麥麩皮添加量的增加(0%、10%、15%、20%、25%),面團吸水率、形成時間、粘度崩解值顯著(p<0.05)增加;穩定時間、回生值顯著(p<0.05)降低,表明麩皮的加入使得面團的熱機械學性質下降。對面筋蛋白品質和結構的研究結果表明,隨著燕麥麩皮添加量的增加,面筋蛋白的粘彈性模量增大,并且始終高于對照組,而損耗角正切值正好相反,表明麩皮的添加增強了面筋蛋白的固體性質,使面筋蛋白的機械強度增大;面筋蛋白的熱降解溫度顯著(p<0.05)下降、600 ℃時的質量損失率顯著(p<0.05)增大,表明面筋蛋白熱穩定性降低;面筋蛋白二硫鍵含量顯著(p<0.05)下降了25.74%～37.59%,二硫鍵含量的下降可能是導致面筋蛋白熱穩定性降低的重要原因;掃描電鏡的結果表明,添加燕麥麩皮后面筋蛋白原本均勻、致密的網絡網絡結構遭到破壞,并且隨著燕麥麩皮添加量的增加,破壞程度增大。

綜上所述,添加燕麥麩皮降低了面筋蛋白的二硫鍵含量、熱穩定性、破壞了面筋蛋白的網絡結構,面筋蛋白的這些變化可能是導致面團流變性質及面制品品質下降的原因。在今后麩皮產品的研發中,可以從穩定面筋蛋白結構出發,尋求改良麩皮產品品質的方法。

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