黑豆粉-小麥粉共混體系的線性和非線性蠕變-回復分析

范亭亭，謝巖黎?，王 晨，趙文紅，楊玉輝，謝東東

（河南工業大學 糧油食品學院，河南省糧油食品安全檢測與控制重點實驗室，河南 鄭州 450001）

蠕變-回復分析是描繪材料黏彈性一種常用的方法。蠕變是在一定條件下對黏彈性體施加一定量的力（剪切應力）時，其形變（應變）隨時間的變化逐漸增加的現象[1]?；貜褪侵冈谀硶r刻剪切應力完全卸去后，引起應變中彈性分量的瞬時回復[2]。在線性黏彈性區域內，面團的應變與剪切應力呈線性相關。但是線性黏彈性只能在較小應變或非常狹窄的剪切應力范圍內施行，在加工過程中，面團經受大的應變和剪切速率，會超出面團線性彈性范圍，施加較大的剪切應力或線性黏彈性以外的應變可用于評估烘焙食品的制作潛力[3-4]。

小麥粉是制作烘焙食品的主要原料，面團的黏性、彈性和延展性之間的平衡能力限制著小麥粉的應用潛力[5]。在和面、發酵和烤制過程中，面團經受不同的剪切應力發生形變，小麥粉的流變特性對面團的可加工性和烘焙制品的最終品質起著決定性的作用[6]。黑豆中含有豐富的蛋白質、18種氨基酸、維生素和多種微量元素，黃酮及類黃酮化合物的量，要高于普通大豆 5～7倍[7]。從黑豆中提取的天然化合物，如多糖、蛋白質、黃酮、皂苷和多酚等生物活性物質，具有抗氧化、抗炎、保肝和預防心血管疾病的作用等[8-9]。黑豆皮富含花青素，主要是矢車菊-3-葡萄糖苷以及少量的天竺葵素-3-葡萄糖苷和飛燕草素-3-葡萄糖苷，花青素具有抗炎、抗癌、抗氧化、有效清除自由基等生理活性，是疾病預防和健康促進的極好膳食來源[10-12]。近年來，一直有研究者不斷嘗試將黑豆粉加入烘焙制品中，強化賴氨酸，提高花青素的攝入，提高焙烤食品的營養價值；另一方面起到改善谷類產品流變品質和感官特性的作用[13-14]。黑豆中含有酵母的優良營養物質，提高酵母活性，使發酵旺盛，從而起到改善面包和糕點品質的效果[15]。本研究將黑豆粉添加到小麥粉中，通過蠕變-回復測試黑豆-小麥粉共混體系的黏彈性，考察蠕變時間、回復時間和剪切應力對面團蠕變-回復參數的影響，為黑豆粉在烘焙食品中的應用，豐富烘焙食品種類等奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

有機青仁黑豆（蛋白41.3%，脂肪19.8%，灰分3%，水分8.5%）：上海頤生農產品有限公司；想念小麥特一粉（蛋白 9.5%，脂肪 1.3%，灰分0.61%）：河南省康元糧油食品加工有限公司；其他化學試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

BLH-5601錘式旋風磨：英國伯利恒儀器有限公司；Farinograph-AT粉質儀：德國Brabender公司；海氏HM790和面機：中國海氏集團；HAAKE RheoStress 6000流變儀：Thermo Fisher Scientific。

1.3 方法

1.3.1 黑豆-小麥混粉的制備

黑豆清理后50 ℃烘干，粉碎過80目篩備用。按照一定比例（0%、5%、10%、15%、20%和25%）（w/w）將添加到小麥粉中，制成黑豆-小麥混粉。

1.3.2 粉質特性的測定

參見方法GB/T 14614—2019，利用Farinograph-AT粉質儀，分別測定黑豆粉添加量為0%、5%、10%、15%、20%和25%的粉質特性。

1.3.3 面團制備

取一定量的黑豆-小麥混粉，加入適量蒸餾水使面團的含水率為42%（w/w），放入密封袋中靜置20 min后進行流變測試。

1.3.4 共混體系流變測試

利用HAAKE RheoStress 6000流變儀對所有樣品進行流變學測定。將樣品放置于直徑為 35 mm的鋁制平板夾具上，實驗過程中夾具間縫隙設定為2.5 mm，并切去多余面團。為了防止水分的蒸發，在四周涂抹一層硅油密封，實驗開始前靜置5 min以消除剪切應力的影響[16-17]。

1.3.4.1 線性黏彈區的確定 室溫下，選擇測量程序Step Creep，分別設定初始剪切應力為50、100、150 Pa，保持180 s，撤去剪切應力后保持300 s，確定樣品的線性黏彈性區域。

1.3.4.2 蠕變-回復測定 在蠕變-回復試驗中，施加一定的剪切應力于樣品中，考察樣品的蠕變柔量（Pa–1）隨蠕變時間的變化，剪切應力消除后，樣品形變部分回復，回復的部分為樣品的彈性部分（瞬時彈性和延遲彈性）。在50 Pa的剪切應力下，分別探究面團在蠕變時間（3、5、10、15 min）和回復時間（3、5、10、15 min）下的線性黏彈性變化；設定蠕變時間3 min，回復時間10 min，考察面團在150、250、500、1 000 Pa的剪切應力下的非線性黏彈性變化。

1.3.5 黏彈性面團形變模型—Burgers模型

黏彈性形變是黏性和彈性的混合形變，因此常用Burgers模型來描述黏彈性材料形變行為[18]。用Burgers模型分析蠕變-回復數據可以量化不同類型的形變。

如圖1所示，蠕變-回復曲線大致可細分為5個階段：A-瞬時彈性（鍵長、鍵角變化引起的普彈形變）；B-延遲彈性（鏈段運動引起的高彈形變）；C-黏性形變（塑性形變，相當于分子鏈的相互位移）；D-瞬時回復；E-延遲回復[19]。

蠕變過程：

回復過程：

式中：Jc為蠕變柔量/Pa–1；Jr為回復柔量/Pa–1；Jio為瞬時柔量/Pa–1；Jim為延遲柔量/Pa–1；μco為穩態剪切黏度/Pa·s；λi為延遲時間/s；t為蠕變或回復時間/s；Jmax為蠕變階段結束時的最大柔量/Pa–1。

圖1 蠕變-回復特性的典型曲線Fig. 1 Typical curve of creep-recovery characteristic

1.4 數據處理

利用Origin 9.1專業軟件繪圖，并通過擬合公式（1）和（2）對蠕變-回復數據進行非線性擬合得到 Burgers模型參數。方差分析的顯著性水平是P<0.05。

2 結果與分析

2.1 黑豆粉含量對小麥粉粉質特性的影響

由表 1可得，隨著黑豆粉添加量的增加，面團的吸水率逐漸增大，這可能是由于黑豆中蛋白質高吸水性的特點，由于黑豆粉添加比例的升高，隨著混合粉中蛋白質含量逐漸增大，混合粉的吸水率逐漸增大。在 5%～25%的添加范圍內，面團的穩定時間呈現先增大后減小的趨勢，當添加比例為 5%時，穩定時間最長，有研究報道黑豆顯示出較高的脂肪氧化酶活性，酶的比活力為750 U/mg[20]，這說明一定量的脂肪氧化酶可進一步改善面團的性質，而添加比例較大時，黑豆粉對面筋蛋白的稀釋作用較大，阻礙了面筋蛋白三級網絡結構的形成，穩定時間會發生降低。弱化度反應了面團在攪拌過程中耐受機械攪拌的程度，面團的弱化度先降低后升高，弱化度值越大，其彈性變差，由表1得出黑豆粉在添加量為10%時，弱化度最小，穩定時間較長，品質最好。

表1 黑豆粉含量對面粉粉質特性的影響Table 1 The effect of black bean flour content on farinograph parameters of wheat flour

2.2 黑豆-小麥粉共混體系線性黏彈性區域的確定

在黑豆粉添加量為 10%的情況下，測三種剪切應力條件下（50、100、150 Pa）混合面團的蠕變-回復曲線（圖2），確定面團線性黏彈性區域。圖2-A顯示隨著蠕變剪切應力的增加，應變百分比隨著剪切應力的增大而增大，表明施加在面團上的剪切應力越大，面團的形變程度越大。蠕變柔量（Jc）可用于描述黏彈性材料的硬度，其值與硬度呈負相關，Jc越小表示面團的剛性和硬度越大，在一定程度上能有效地抵抗自身發生形變[21]。圖2-B為蠕變-回復的蠕變柔量曲線，隨著剪切應力在50、100至150 Pa的變化范圍內，蠕變柔量的變化相似且接近一條曲線[22]，說明三種剪切應力條件都在黑豆粉-小麥粉面團的線性黏彈性區域內，還可得出面團在線性黏彈性區域內，面團的硬度不受剪切應力高低的影響。

圖2 各剪切應力水平下面團的蠕變-回復曲線Fig. 2 Creep-recovery curve of mixed dough at various stress levels

2.3 黑豆-小麥粉共混體系的線性蠕變-回復分析

2.3.1 蠕變時間對黑豆-小麥粉共混體系蠕變-回復特性的影響

研究蠕變時間對蠕變-回復特性的影響，目的是評估面團在蠕變過程中何時達到穩態形變。如圖3所示，施加剪切應力，面團在3～15 min的蠕變時間內蠕變柔量逐漸增加，去除剪切應力后面團形變得到部分回復。蠕變曲線的線性增加被視為黏性流動，回復階段無黏性流動，當蠕變形變主要受黏性流動控制時，即達到穩態形變。Jc,max隨著蠕變時間的增加而線性增加，這表明面團在短至3 min的蠕變時間內已達到穩態剪切條件。

圖3 蠕變時間對蠕變-回復特性的影響Fig. 3 Effect of creep time on creep-recovery characteristics of mixed dough

表2 蠕變時間對Burgers模型各個參數的影響Table 2 Effects of creep times on various parameters of the Burgers model for mixed dough

為了更深入地了解蠕變時間對瞬時彈性，延遲彈性和黏性形變的影響，將四參數 Burgers模型應用于蠕變-回復曲線（非線性擬合數據見表2）。蠕變時間的增加對蠕變和回復階段的擬合參數具有顯著影響（P<0.05）。在50 Pa的剪切應力下，面團的Jmax在3～15 min的蠕變時間范圍內逐漸增加，表明面團的剛性減小，即抗形變能力減弱。面團抵制自身形變是需要耗能的，蠕變時間越長，損耗的能量就越多，所需要的回復時間也越長；在蠕變時間10 min和15 min時，瞬時柔量（Jco）大幅度增加，相應的延遲柔量（Jcm），延遲時間（λc），穩態剪切黏度（μc）也有不同程度的增加，在去除剪切應力后面團的形變緩慢恢復；回復階段蠕變時間從5min增加到10min，延遲時間（λr）由16.80 s增加到146.67 s；繼續延長蠕變時間至15 min，延遲時間（λr）增加到152.50 s，較長的延遲時間表示較慢的彈性回復響應，表明加倍延長蠕變時間影響面團的彈性回復和回復速度。在回復過程中，瞬時柔量（Jro）逐漸降低，延遲柔量（Jrm）先略有降低又繼續增加，但是仍趕不上最大蠕變柔量（Jmax）提高的速率，所以回復率從初始的 63.65%降至 26.12%，意味著通過延長蠕變時間，面團的部分三維彈性網絡結構斷裂，并且斷裂的鍵引起了永久形變[23]。

2.3.2 回復時間對面團蠕變-回復特性的影響

施加3 min的蠕變剪切應力后，面團達到最大形變（Jmax），撤去剪切應力后，測定面團在3、5、10、15 min回復時間內的蠕變柔量（如圖 4所示）。相關文獻報道小麥粉面團在受外力發生形變后，回復時間在60 s到12 h之間不等[24-25]。在50 Pa的剪切應力下，面團能從蠕變階段的形變中回復（圖4）?；貜蜁r間3、5 min時面團的回復率分別是63.51%和63.71%，10 min時是73.60%，說明面團的大部分回復發生在前10 min，與Van Bockstaele等的研究結果相一致[26]。圖 4所示，回復時間3、5、10 min時，蠕變柔量曲線仍在慢速下降，表明此時的面團一直處在恢復過程中，回復時間15 min時，蠕變柔量曲線達到平衡，得到回復的面團其內部結構已經穩定；若繼續延長回復時間，回復率降低至62.33%，其原因有待進一步研究分析（表3）。

圖4 回復時間對面團蠕變-回復特性的影響Fig. 4 Effect of recovery time on creep-recovery characteristics for mixed dough

表3 回復時間對Burgers 模型各個參數的影響Table 3 Effect of recovery time on various parameters of the Burgers model for mixed dough

2.4 黑豆-小麥粉共混體系的非線性蠕變-回復分析

在50、100和150 Pa的剪切應力下蠕變柔量的測定證明150 Pa的剪切應力仍在線性黏彈性區域內（圖2-B）。如圖5所示，在150 Pa到1 000 Pa的剪切應力下黑豆粉-小麥粉面團的蠕變-回復曲線發生不同程度的變化，表明剪切應力超過150 Pa后是共混體系的非線性黏彈性區域。面團在線性黏彈性區域外仍具有典型的黏彈性體的特征，既表現出瞬時彈性和瞬時回復，又表現有延遲彈性和延遲回復（圖 5）。由Burgers模型非線性擬合的蠕變-回復分析的詳細結果見表4。隨著剪切應力的增大，在150、250、500和1 000 Pa下，面團在蠕變階段Jco、Jcm、Jmax逐漸增大，μc逐漸減小，相比之下λc變化不大；回復階段，Jro、λr逐漸降低。加大剪切應力導致面團的形變增大，穩態剪切黏度（μc）隨之降低（186.94 Pa·s降至101.72 Pa·s）。回復階段，觀察到延遲時間（λr）由150.91 s減少至82.56 s，這意味著當面團在蠕變中經受的剪切應力越大，延遲的彈性回復越快發生。當剪切應力達到1000 Pa時，Jco、Jcm、Jmax急劇增大，Jro急劇減小，說明面團對剪切應力的變化比較敏感，此時面團仍有32.36%的回復率，表明1 000 Pa的剪切應力還未達到面團的屈服應力，未能完全破壞面團的彈性結構[27]。

圖5 剪切應力面團蠕變-回復特性的影響Fig. 5 Effect of shear stresson creep-recovery characteristics of mixed dough

表4 剪切應力對Burgers 模型各個參數的影響Table 4 Effect of shear stress on various parameters of the Burgers model for mixed dough

3 結論

黑豆粉含有豐富的蛋白質和花青素，在營養學上具有重要意義。黑豆粉的加入對面團的流變特性產生一定影響，本研究將黑豆粉添加到小麥粉中，通過蠕變-回復分析并探究黑豆粉-小麥粉面團在線性和非線性黏彈性區域的黏彈性，為黑豆粉的主食化提供基礎理論依據。

粉質特性結果表明：添加黑豆粉后，面團的吸水率、形成時間均有提高，而面團的穩定時間呈現先增大后減小的趨勢；黑豆粉的添加量10%時面團的品質最好，此時面團的弱化度最小，粉質質量指數最高。

蠕變-回復數據良好地擬合4-因素Burgers模型（R2>0.94）。Burgers 模型各參數Jco、Jcm、λc、μc、Jmax、Jro、Jrm、λr和回復率在蠕變時間（3、5、10、15 min）、回復時間（3、5、10、15 min）和剪切應力（150、250、500、1 000 Pa）下呈現不同程度的顯著性變化（P<0.05）。

線性蠕變-回復分析結果：蠕變時間3 min時內已達到穩態剪切條件，蠕變時間的延長會影響面團的彈性回復和回復速度；面團在3～10 min的回復時間內可回復63.51%～73.6%，且面團的大部分回復發生在前10 min，回復率是73.6%。

非線性蠕變-回復分析結果：面團在線性黏彈性區域外對剪切應力比較敏感，回復率由89.99%降低至32.36%，但仍呈現典型的黏彈性特征，加大剪切應力，面團形變增大，穩態剪切黏度（μc）隨之降低，延遲彈性回復加快。

備注：本文的彩色圖表可從本刊官網（http://lyspkj.ijournal.cn/ch/index.axpx）、中國知網、萬方、維普、超星等數據庫下載獲取。