瓜爾豆膠對馬鈴薯小麥混合粉面團質構和流變特性的影響

(寧夏大學農學院,寧夏銀川 750021)

馬鈴薯是世界第四大糧食作物,僅次于水稻、小麥和玉米[1]。馬鈴薯塊莖是全球公認的全營養食品,富含人體所需的碳水化合物、蛋白質、膳食纖維、維生素及礦物質等營養素。其中,馬鈴薯含有的蛋白質為完全蛋白,具有人體所必需的18種氨基酸,氨基酸的含量和比例也符合人體所需,而且賴氨酸含量豐富,能夠與大米、小麥等主糧互補[2]。2015年,農業部啟動馬鈴薯主糧化發展戰略[3],國內對于馬鈴薯全粉的需求量增大。與小麥粉相比,馬鈴薯全粉具有水分含量低、耐儲存、營養價值高等優點,缺點是馬鈴薯全粉中淀粉成分主要為支鏈淀粉,不含面筋蛋白,無法形成具有粘彈性的網絡結構,降低了面團的加工特性[4]。馬鈴薯全粉與小麥粉混合使用可以實現營養和加工性能互補,尤其是制作各類主食加工食品[5]。姚佳[6]在小麥粉中添加了20%的馬鈴薯全粉制得形狀完整,柔軟有彈性,咀嚼口感好的馬鈴薯營養饅頭。楊健[7]研究表明,馬鈴薯全粉添加量在35%時,混合面團幾乎不能形成整片的面筋膜,面筋結構遭到嚴重破壞,加水后面絮松散易流失,面團易反水發黏。這些文獻表明在馬鈴薯全粉添加量較少時,可增加混合面團營養成分和風味物質,但隨著馬鈴薯全粉添加量的上升,所得混合面團存在成形難、品質差等問題。

相關研究表明,在混合面團中加入改良劑,能有效改善面團的質構特性和流變特性。劉穎[8]研究表明,馬鈴薯全粉與小麥粉混合后,所制面團特性明顯變差,加工性能下降;添加阿拉伯膠和葡萄糖氧化酶的面團結構緊密,淀粉顆粒被牢牢包裹;添加木聚糖酶的面團面筋網絡結構中的孔洞增多,面團加工性能得到提高。周玉潔[9]研究表明,添加瓜爾豆膠后的錐栗淀粉溶液具有剪切變稀現象,屬于假塑性流體,隨著角頻率的增加,面團的彈性模量和黏性模量也增大。劉敏[10]研究表明,添加不同比例的黃原膠使蓮藕淀粉糊的剪切應力不同程度降低,加入黃原膠后的淀粉糊仍為假塑性流體,但是具有更好的增稠作用。

目前,國內外關于改良劑對混合面團的研究已有很多,但有關親水膠體對于馬鈴薯-小麥混合粉面團質構和流變特性系統的報道較為鮮見。瓜爾豆膠是一種典型的親水性膠體,具有很強的增稠效果,可使面團柔韌,切割時面條不易斷裂,可增加面條的韌性。因瓜爾豆膠是天然膠,不同于CMC羧甲基纖維素含有不良化學物質,而且黏度比CMC高,所以使用量較少,可使產品品質提高而降低成本。面團的形成是制作馬鈴薯主食的關鍵,加入瓜爾豆膠可提高面團的吸水性和持水性,解決高配比馬鈴薯面團難形成問題。因此,本文使用質構儀和流變儀,探究瓜爾豆膠對馬鈴薯-小麥混合粉面團質構特性和流變特性的影響,確定瓜爾豆膠在馬鈴薯-小麥混合粉面團中最適添加量,以期為開發基于馬鈴薯-小麥混合粉的主食產品提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬鈴薯全粉 臨洮三江馬鈴薯制品(集團)有限責任公司;高筋小麥粉(每100 g小麥粉含蛋白質11.5 g、脂肪1.0 g、碳水化合物74.0 g) 寧夏塞北雪面粉有限公司;瓜爾豆膠 北京瓜爾潤科技股份有限公司。

TA-XT plus質構分析儀 英國Stable Micro Systems有限公司;HR-1 Discovery流變儀 美國TA公司;AB104-N型分析天平 梅特勒-托利多(上海)制造。

1.2 實驗方法

1.2.1 對照組面團的制備 稱取130 g高筋小麥粉和70 g馬鈴薯全粉(馬鈴薯全粉占總質量分數35%),加入80%(以馬鈴薯全粉和小麥粉總質量計)的水,和面5 min,混合均勻直至無生粉夾雜,置于室溫下醒發30 min,將醒發好的面團用保鮮袋密封。

1.2.2 不同比例瓜爾豆膠混合面團制備 稱取130 g高筋小麥粉和70 g馬鈴薯全粉(馬鈴薯全粉占總質量分數35%),分別稱取0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%(以馬鈴薯全粉和小麥粉總質量計)不同比例的瓜爾豆膠,加入到80%(以馬鈴薯全粉和小麥粉總質量計)的水中,使用攪拌器使膠體充分溶解分散,將膠體溶液加入到混合粉中,和面5 min,混合均勻直至無生粉夾雜,置于室溫下醒發30 min,將醒發好的面團用保鮮袋密封。食品添加劑的用量范圍參照GB 2760-2014《食品添加劑使用標準》[11]。

1.2.3 面團質構測定 取50 g醒發好的面團,制成4 cm×3 cm×3 cm的長方體,使用質構儀對面團進行TPA測試[12],每組樣品測試3個面團。測定條件:選擇TPA(texture profile analysis)測試程序,選擇使用P/36R探頭,測前速率為1.00 mm/s,測中速率1.00 mm/s,測后速率為2.00 mm/s,應變量為50%,觸發力5 g。測量面團的硬度、彈性、咀嚼性和黏性。

1.2.4 面團拉伸特性測定 取30 g醒發好的面團,調節壓面機的輥間距為2 mm,延壓2次,最后制得長16 cm,寬2 cm,厚2 mm的面帶,采用質構儀的面條拉伸程序測定面帶的拉伸性質[13],每組樣品測定5根面帶,計算平均值。測定條件:選擇Noodle tensile strength-NOO1 _ SPR. PRG測定程序,選擇使用測前速度:1.00 mm/s,測試速度:1 mm/s,測后速度:2 mm/s,拉伸距離:50 mm,觸發力5 g。測量面團的抗拉力和拉伸距離。

1.2.5 面團流變特性測定 取5 g醒發好的面團揉團放入流變儀進行測定,測試探頭直徑為40 mm,兩平板的間距為3 mm,刮去多余的樣品,在夾具邊緣涂上二甲基硅油,防止水分揮發,減少試驗誤差。測定程序及條件參考[14-16]并加以修改。探頭下壓后統一將樣品在25 ℃條件下平衡3 min,以排除面團中殘余機械作用力對結果造成影響。

頻率掃描測試:應力0.1%,溫度 25 ℃,頻率0.1～10 Hz。測試得到樣品的G′、G″與損耗角正切值(Tanδ=G″/G′)隨著頻率的變化曲線。

蠕變—恢復掃描測定:恒定壓力50 Pa掃描5 min后,撤掉應力觀察6 min內樣品的應力恢復。

穩態剪切掃描測試:恒定溫度25 ℃,剪切速率變化范圍0.01～10 s-1,觀察在不同剪切力速率變化下面團黏度的變化。

1.3 數據處理

所有數據平行3次,結果以均值±標準方差(mean±SD)表示,根據Duncan多重檢驗法,利用SPSS 22軟件(IBM 公司,USA)對數據進行方差分析(ANOVA),置信區間95%(P<0.05),使用Origin 2017軟件進行繪圖。

表1 不同比例瓜爾豆膠對面團質構特性影響(n=3)Table 1 Effect of different proportions of guar gum on texture properties of dough(n=3)

注：同列之間不同字母表示數據之間具有顯著性差異(P<0.05)。表2同。

2 結果與分析

2.1 瓜爾豆膠對馬鈴薯-小麥混合粉面團質構影響

由表1可知,添加了瓜爾豆膠的的面團硬度要遠小于對照組面團,原因是加入瓜爾豆膠后,增加了面團的吸水率,對面筋強度有弱化作用[17]。也有可能是因為面筋蛋白和淀粉顆粒的吸水溶脹受影響,在相同的和面時間下,無法形成與對照組相同面筋強度的面團,所以面團的硬度有所下降。王雨生[18]在面包的制作中也得出,加入瓜爾豆膠可降低面團的硬度。而隨著瓜爾豆膠的添加量逐漸增大,面團的硬度出現先減小后增大的變化趨勢,瓜爾豆膠添加量在0.6%時,面團硬度最小，為(2042.20±344.31) g,相比于對照組來說,下降了35%。原因可能是該添加量的瓜爾豆膠與淀粉分子形成復合物,不能很好的填充面團的面筋網絡結構,使得面團的硬度減小[19]。當瓜爾豆膠添加量大于0.6%時,面團的硬度有所增大。可能是因為大于此添加量后,瓜爾豆膠吸水形成穩定的三維網狀結構對面團的面筋結構有著補充作用。

對于面團的彈性,添加瓜爾豆膠后,面團并未出現顯著性變化。

對于面團的咀嚼性,反應面團內部強度大小,隨著瓜爾豆膠添加量逐漸增大,面團的咀嚼性出現與面團硬度相同的變化趨勢,均為先減小后增大。瓜爾豆膠添加量在0.9%時,面團的咀嚼性開始增加,說明在此添加量下,瓜爾豆膠形成的膠體結構對面團內部結構有增強作用。當瓜爾豆膠添加量為1.5%時,面團的咀嚼性大于對照組,原因可能是瓜爾豆膠添加量過高,面團內部形成穩定的膠體結構,凝膠性更強,咀嚼性增加。

對于面團的黏性,添加瓜爾豆膠可提高面團的黏性,改良面團的黏性都高于對照組面團的黏性,并隨著瓜爾豆膠添加量的增大,面團的黏性出現先增大后減小再增大的變化趨勢。原因是瓜爾豆膠充分水化后,形成粘稠,滑膩的膠凍狀的大分子物質,可以提高面團的黏度[20]。瓜爾豆膠添加量在0.9%時,面團的黏性與對照組相近。其他添加量所制得面團黏性都大于對照組。原因可能是在較低添加量情況下,瓜爾豆膠吸收大量水分,充分水化,提高了面團的黏度。添加量在0.9%時,瓜爾豆膠與面筋蛋白競爭吸收體系中的水分,導致黏度下降。而在添加量大于0.9%情況下,瓜爾豆膠吸收水分,與淀粉分子形成復合物凝膠性更強,具有較高的黏性。劉思琪[21]通過研究發現,隨著瓜爾豆膠添加量增加,溶液的黏性呈現先減小后增大的趨勢。

2.2 瓜爾豆膠對馬鈴薯-小麥混合粉面團的拉伸特性影響

由表2可知,隨著瓜爾豆膠添加量的增加,面團的拉抗力先減小后增大,當瓜爾豆膠添加量為0.6%時,抗拉力最小。隨著瓜爾豆膠的增加,面帶的拉伸距離呈現先增大后減小的趨勢,當瓜爾豆膠添加量為0.9%時,面帶的拉伸距離達到最大值,原因可能是因為瓜爾豆膠與蛋白質相互作用形成網絡結構,使面團的拉伸特性有所提高[22]。當瓜爾豆膠添加量為1.5%時,面團的抗拉力達到最大值,拉伸距離達到最小值。添加量過高,面團的品質有所下降,原因可能是瓜爾豆膠添加過多后,影響面團面筋網絡吸水過程,面團沒有形成足夠強度的面筋,而且形成的面團凝膠性更強,所以抗拉力增大,拉伸距離減小。錢晶晶[22]探究了兩種瓜爾豆膠對面條拉伸特性的影響,其中瓜爾豆膠G1與本實驗結果一致。

表2 不同比例瓜爾豆膠對面團拉伸特性影響(n=3)Table 2 Effect of different proportions ofguar gum on tensile properties of dough(n=3)

2.3 瓜爾豆膠對馬鈴薯-小麥混合粉面團流變特性的影響

2.3.1 改良面團的動態頻率掃描 采用流變儀動態震蕩模式可測定面團的黏彈性。不同添加量瓜爾豆膠形成的面團彈性模量G′、黏性模量G″、損耗角正切值tanδ(G″/G′)隨頻率的變化曲線如圖1所示。彈性模量表示物體受到力時,物體的形變程度。G′越大,物體受力形變程度越小。黏性模量表示受到力時,阻礙物質流動的特性,G″越大,物體不易流動[23]。tanδ是描述樣品彈性與黏性特征相對大小的值,在一定范圍內可以表示材料的狀態。tanδ<1,物質趨向于凝膠或固體的性質;tanδ>1,物質趨向于流體或黏體的性質[24]。tanδ還可以用來描述面團體系中高聚物含量和聚合度,其值越小說明高聚物含量越多,聚合度越大[25]。

圖1 不同瓜爾豆膠添加量面團頻率掃描結果Fig.1 Scanning results of dough frequencywith different addition amount of guar gum

由圖1a和圖1b可知,隨著頻率的增加,面團的G′和G″也隨之增大,且在整個頻率掃描過程中,面團的G″均小于G′,二者之比tanδ均小于1(圖1c),說明面團的黏彈性增加并更趨近于凝膠狀態。可能是因為瓜爾豆膠充分水化后,通過主鏈之間氫鍵等非共價鍵的作用形成具有一定粘彈性的連續性的三維網絡結構,這種結構類似與面筋網絡結構的功能,可提高面團的黏彈性[26]。瓜爾豆膠添加量為0.6%時,面團的G′和G″最大(圖1a、圖1b),tanδ最小(圖1c)。說明此添加量下面團的高聚物含量最多,聚合度最大,凝膠性質過強。添加量在0.9%時,面團的G′和G″與對照組最為接近(圖1a、圖1b),tanδ值比對照組小(圖1c)。說明在此添加量下,面團的高聚物含量增多,聚合度增大,而且黏彈性適中,適合用于制作馬鈴薯主食產品。

2.3.2 改良面團蠕變-蠕變回復掃描 蠕變及蠕變回復掃描是以非破壞性手段測定黏彈性物質的黏性部分和彈性部分[27]。蠕變是保持應力不變的條件下,應變隨時間延長而增加的現象。反應出材料內部結構強度大小。蠕變回復是除去施加的應力,在蠕變延伸的相反方向上應變隨時間而減小的現象。反映了它內部結構抵抗滑移變形的能力[28]。

面團的蠕變及蠕變回復曲線由圖2所示,在前300 s內,在保持50 Pa恒定壓力下,面團的應變值逐漸增加,在后360 s撤去50 Pa的恒定壓力,面團的應變值逐漸減小。在蠕變階段,添加瓜爾豆膠的面團最大應變值都小于對照組,由于內部結構強度大的面團,抵抗形變的能力要大于結構強度較弱的面團。所以添加瓜爾豆膠可使面團內部強度增大,能更加有效抵御面團變形。在蠕變回復階段,添加不同比例瓜爾豆膠的面團回復有差異性。瓜爾豆膠添加量0.9%時,面團在外力作用下應變量最小,變化的速率最慢,面團的蠕變回復率最大。說明在此添加量下,面團內部強度最大,受外力作用時,能有效抵御面團變形;撤去外力后,面團有很好的恢復力。此添加量對面團內部有良好改善作用,適合用于制作馬鈴薯主食產品。

圖2 不同瓜爾豆膠添加量面團蠕變-蠕變回復掃描結果Fig.2 Creep and creep recovery scanning results ofdough with different guar gum content

蠕變柔量(Je)與樣品的柔性相關,柔量大的樣品其內部結構比較脆弱,反之柔量小的樣品其內部結構較強或較為僵硬[29]。如圖3所示,在50 Pa恒定壓力蠕變階段,添加瓜爾豆膠后的面團柔量都小于對照組,可以說明添加瓜爾豆膠后的面團其內部結構更加穩定。且添加量為0.9%時,面團柔量最小及面團內部結構最為穩定。如圖4所示,撤去50 Pa的恒定壓力蠕變回復階段,瓜爾豆膠添加量為0.9%時,面團的可回復性柔量隨時間增長達最大值,且回復速率最快。說明面團內部結構較強,回復能力強,面團蠕變性能改良較好。

圖3 柔量變化圖Fig.3 Changes in compliance

圖4 可回復柔量變化圖Fig.4 Changes in reply to compliance

2.3.3 改良面團穩態剪切掃描 根據物質的黏性流動行為,可將物質分為牛頓流體和非牛頓流體,前者黏度不受剪切速率變化而變化,是一條平行于剪切速率的直線。后者黏度受剪切速率的影響,呈現一種非線性的關系。如圖5所示,面團黏度隨剪切速率的增加而呈下降趨勢,表明面團具有剪切稀化特性,屬于非牛頓流體中的假塑性流體。出現這種現象的原因是面團形成一定的網絡結構,阻礙了淀粉分子的趨向運動,在靜止時阻礙內部流動,具有較強的黏性。當面團在剪切應力作用下時,分子順著流動方向的取向,網絡結構纏繞的鏈狀分子被拉直、取向、解纏繞,從而降低黏度[30]。當剪切速率大于4 s-1,表觀黏度趨于穩定值,這是因為剪切力作用使面團內部的網絡結構發生重組或破壞,導致黏度變低。隨著剪切速率繼續增大,面團的內部的組織結構逐漸形成最佳取向,此后,繼續增加剪切速率也不會發生剪切稀化[31]。由圖5可知,加入瓜爾豆膠對于面團剪切力掃描結果影響不大,原因可能瓜爾豆膠溶于水后,形成的膠體物質也屬于非牛頓流體。潘承慧[32]研究表明,瓜爾豆膠和果膠的復配溶液為非牛頓流體的假塑性流體。

圖5 穩態剪切結果圖Fig.5 Results of typical flow curve

3 結論

研究結果表明,添加瓜爾豆膠能有效降低馬鈴薯-小麥混合粉面團的硬度,改善面團的黏彈性和拉伸性。流變學測定可知,面團具有剪切稀化特性,屬于非牛頓流體中的假塑性流體,當剪切速率大于4 s-1,表觀黏度趨于穩定值。添加瓜爾豆膠可增大面團的G′、G″和高聚物含量,增強聚合度,使得面團內部強度增大。通過各方面綜合比較,0.9%的瓜爾豆膠添加效果最佳,在此添加量的面團,硬度適宜,拉伸距離最大,G′和G″與對照組接近,黏彈性適中,柔量最小及面團內部結構最為穩定,能有效抵御外力產生的應變,且回復能力最強,適合用于制作馬鈴薯主食產品。