小麥纖維對小麥淀粉熱力學及流變學特性的影響研究

謝新華 曹芳芳 仵心軍 沈 玥 徐 超 王 娜 艾志錄

(河南農業大學食品科學技術學院1，鄭州 450002)(鄭州市食品藥品檢驗所2，鄭州 450003)

小麥纖維是小麥植株中提取的一種天然膳食纖維，不溶性膳食纖維質量分數高達95%。小麥纖維的高吸水性，可增加面團的持水力，同時小麥纖維形成的穩定三維凝膠網絡結構，抑制了淀粉回生，降低面包的老化速率，因此小麥纖維被廣泛應用于面包、饅頭等面制品中[1-2]。

淀粉是食品的重要組成成分，高淀粉含量的食品，如饅頭、面包等在儲藏和運輸過程中會脫水變硬，這是由于淀粉凝膠在儲藏和運輸過程中發生淀粉回生，回生后的淀粉不易被消化吸收，嚴重影響產品的感官品質和保質期[3]。因此，采用適當措施抑制淀粉回生，對改善面制品品質具有重要意義。Phoency等[4]研究發現兩種不同纖維可增加大米淀粉的膨脹力和減少自由水的數量，從而延緩了淀粉分子的重排。夏文等[5]發現米糠膳食纖維對大米淀粉老化有一定的延緩作用。Santos等[6]實驗表明加入膳食纖維延緩了面團的糊化和老化現象。

本實驗測定不同添加量的小麥纖維對小麥淀粉的熱力學、流變學特性和微觀結構的影響，研究小麥纖維對淀粉老化的作用機理，為小麥纖維在淀粉基制品及面團中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

小麥淀粉；小麥纖維。

1.2 儀器與設備

RVA-4500快速黏度分析儀；DSC-214差示掃描儀；DHR-2旋轉流變儀；Quanta-250型掃描電子顯微鏡；Flexi-Dry 冷凍干燥機。

1.3 方法

1.3.1 黏度的測定

將3 g小麥淀粉與小麥纖維(小麥纖維的添加量分別為淀粉的0%、5%、10%、15%、20%)在鋁盒中混合，加25 mL蒸餾水后攪拌均勻，將鋁盒卡入RVA旋轉塔中，啟動測量。程序設置依照Jane等[7]的測定方法進行，從RVA糊化曲線得出淀粉糊的峰值黏度(PV)，谷值黏度(MV)，最終黏度(FV)，糊化溫度(PT)，崩解值(BD)和回生值(SB)。

1.3.2 熱力學性質的測定

將2.5 mg小麥淀粉和小麥纖維與去離子水按1 ∶3(m/m)的比例混合。吸取8 mg置于坩堝中，于室溫平衡24 h后進行測試。參數設置：溫度范圍30～100 ℃，樣品平衡1 min，升溫速率10 ℃/min。可得樣品的糊化初始溫度(To)，峰值溫度(Tp)，終止溫度(Tc)以及糊化焓值(ΔHg)。

將糊化測試后的樣品在4 ℃下儲存7 d后，利用DSC測試小麥纖維對淀粉老化特性的影響。

老化率( R)=ΔHr /ΔHg × 100%

式中：ΔHr為老化焓值；ΔHg糊化焓值[8]。

1.3.3 流變性測定

將8 g淀粉和小麥纖維放入燒杯，加入100 mL去離子水攪拌混勻。在磁力攪拌器中以95 ℃、400 r/min進行糊化20 min，使之充分糊化，備用。

靜態剪切流變特性的測定，夾具直徑40 mm，夾縫間隙1 mm。參數設置：溫度25 ℃，剪切速率從0～500 s-1遞增，剪切時間180 s[9]。采用冪定律(Power law)模型對靜態剪切數據點進行回歸擬合。

τ =Kγn

式中：τ為剪切應力(Pa)；γ為剪切速率(s-1)；n為流體指數；K為稠度系數(Pa·sn)。

動態黏彈性的測定，夾具直徑40 mm，夾縫間隙1 mm。參數設置：溫度25 ℃、應變力1 %，角頻率范圍0.1～100 rad /s。測得貯能模量(G′)、損耗模量(G″)和損耗角正切(tanθ=G″ /G′)隨角頻率變化圖譜。

1.3.4 微觀結構測定

按照1.3.1中方法，RVA糊化后的小麥纖維和淀粉樣品冷凍干燥，然后切成薄片，經噴金后在掃描電子顯微鏡下觀察樣品微觀結構。

1.4 數據統計分析

各組實驗數據均重復3次，采用SPSS16.0統計分析，用Duncan法(P<0.05)比較平均值之間的差異性。同時用Origin 8.0對流變數據進行圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 小麥纖維對小麥淀粉糊化特性的影響

由表1可知，隨著小麥纖維添加量的不斷增加，其體系的崩解值顯著降低，說明體系的熱穩定性在增強；回生值顯著降低，說明小麥纖維抑制了淀粉凝膠的老化，這可能是因為小麥纖維具有較高的持水力，抑制了淀粉顆粒的膨脹和直鏈淀粉的滲出，同時小麥纖維會阻止淀粉分子間形成網絡復合物，從而降低糊化黏度數值[10]。

由表2可知，復配體系的初始溫度、峰值溫度和終止溫度隨著小麥纖維添加量的增加均有所升高，而糊化焓值隨著小麥纖維的增加從7.60 J/g下降到6.29 J/g。這可能是因為小麥纖維大量的親水基團，使其具有很強的吸水膨脹特性，限制了淀粉顆粒與水分子之間的相互作用，從而抑制了淀粉糊化，使得小麥淀粉糊化焓值的顯著下降，提高了混合體系的穩定性[11]。

2.2 小麥纖維對小麥淀粉凝膠老化特性的影響

由表3可見，隨小麥纖維添加量的增加，體系的初始溫度、峰值溫度和最終溫度均有所升高，其老化焓值顯著降低。添加了20%小麥纖維的小麥淀粉的老化焓相比于未添加小麥纖維的小麥淀粉的老化焓降低到16.87 J/g，表明小麥纖維對淀粉凝膠老化具有顯著的抑制效果。這可能是因為小麥纖維含有大量的羥基與直鏈淀粉分子結合并發生相互作用，有效地阻礙淀粉分子鏈的有序化排列，使得淀粉凝膠老化程度降低[12]。

表1 小麥纖維對小麥淀粉的黏度影響

表2 小麥纖維對小麥淀粉糊化溫度和焓值的影響

表3 小麥纖維對小麥淀粉凝膠老化特性的影響

2.3 小麥纖維對小麥淀粉糊靜態流變特性的影響

由圖1可知，添加小麥纖維的淀粉糊在流動過程中的剪切應力隨剪切速率的增加而增大。在同樣的剪切速率下，添加小麥纖維的淀粉糊所需剪切應力明顯小于未添加。說明小麥纖維分子與淀粉分子間發生交纏，分子鏈段間通過氫鍵聯系在一起，使用來破壞淀粉糊體系及其流動的應力增大。由表4可知各個樣品的決定系數R2均大于0.99，表明該模型對曲線的擬合具有較高的精度，流動性指數n均小于1，說明添加不同量小麥纖維的淀粉糊在此剪切區域內均為典型的假塑性流體，具有剪切變稀性。混合體系的K值隨著小麥纖維添加量的增加而減少，表明體系增稠性減弱。K值的變化趨勢與RVA實驗中小麥纖維對小麥淀粉糊黏度的影響相一致。

圖1 剪切速率與剪切應力的關系圖

表4 小麥淀粉靜態流變特性參數

2.4 小麥纖維對小麥淀粉糊動態流變特性的影響

由圖2、圖3可看出，隨著小麥纖維添加量的增大，貯能模量G′、損耗模量G″隨著角頻率的增加逐漸上升且G′大于G″，這說明小麥纖維的加入能夠改變淀粉凝膠結構，表現為一種典型的弱凝膠。圖4為損耗角正切圖，添加小麥纖維后，曲線相比于原淀粉凝膠要高，即損耗角正切值增大。這是因為損耗模量G″隨著小麥纖維的增加而減少，而貯能模量G′減少的程度更大，導致損耗角正切值的逐漸增大。這與Techawipharat等[13]研究的纖維素衍生物對大米淀粉黏彈性影響的結果一致。結合熱力學以及黏度測試的結果分析可知，小麥纖維對淀粉糊性質的影響主要來自于小麥纖維和淀粉形成的復雜網絡結構間的互相作用。由于小麥纖維具有良好的親水性，因此小麥纖維可能會影響水分子和淀粉分子的水合作用、干擾淀粉分子內部氫鍵的形成，在淀粉糊化過程中阻礙了淀粉顆粒的溶脹。

圖2 角頻率與儲能模量的關系圖

圖3 角頻率與耗能模量的關系圖

圖4 角頻率與損耗角正切的關系圖

2.5 小麥纖維對小麥淀粉凝膠微觀結構的影響

由圖5可見，小麥纖維顯著改變了復配體系的微觀結構，凝膠表面孔洞大小存在差異，小麥淀粉凝膠體系孔洞較大，且分布不均勻，結構松散。隨著小麥纖維添加量增大，小麥纖維填充于淀粉顆粒間，使淀粉凝膠的孔洞縮小，形成的結構更加完整、致密。這也說明小麥纖維能與滲漏出來的直鏈淀粉和支鏈淀粉組合成了較為均勻的連續相，使得淀粉凝膠形成致密的類蜂窩狀結構[14]。

圖5 小麥淀粉凝膠掃描電鏡圖(×500)

3 結論

添加小麥纖維使小麥淀粉凝膠的回生值顯著降低；添加小麥纖維后的淀粉熔融焓顯著小于未添加小麥纖維的小麥淀粉的熔融焓，將糊化后的樣品4 ℃儲存7 d后，其老化焓值顯著降低。小麥纖維與淀粉結合后具有更好的增稠作用，添加小麥纖維提高了淀粉黏彈性，同時小麥纖維與淀粉間的作用延緩了淀粉分子鏈自身重排引起的回生，使復配體系有較好的穩定性。微觀結構觀察顯示小麥纖維使淀粉體系形成了更加均勻、穩定和致密的網絡結構，表明小麥纖維對淀粉凝膠的老化起到抑制作用。