板栗淀粉、蛋白質及全粉的特性及在面包中應用研究

劉 薈 周 葵 張雅媛 洪 雁 游向榮李明娟 衛 萍 王 穎

(江南大學食品學院1，無錫 214122)(廣西農業科學院農產品加工研究所2,南寧 530007)(廣西果蔬貯藏與加工新技術重點實驗室3，南寧 530007)

近年來，板栗作為一種天然健康有營養的食材，已廣泛應用于制作高品質面包[1]。板栗面包是以板栗小麥混粉為主要原料，以糖、雞蛋、酵母等為輔料，經混粉攪拌、醒發、成型、烘烤等工序制作，對原料粉要求最高的發酵面制品。

原料粉是形成面包結構的主要成分，而面包內部的固體基質是由連續相的面筋網絡結構包裹著糊化淀粉組成[2]，一般認為，蛋白質、淀粉對面包品質至關重要[3，4]。淀粉、蛋白質是決定原料粉糊化、回生和面團拉伸、彈韌性等特性的重要組分，兩者的差異最終會影響到產品的質量[5]。板栗主要成分為淀粉(37.82%～53.16%)、蛋白質(6.15%～12.44%)[6]，但缺乏面筋蛋白，無法嵌入淀粉顆粒。目前，對板栗面包的研究主要集中在板栗面包的加工工藝方面，但關于板栗淀粉、板栗蛋白性能如何影響板栗面包的研究鮮有報道。

結合板栗粉在面包中的應用，以小麥淀粉、小麥蛋白為參照，分析板栗淀粉、板栗蛋白的性能，為板栗在面包中的應用提供參考，對延伸板栗產業鏈具有極其重要的促進意義。本研究以板栗為原料，制備板栗粉，并從中提取板栗淀粉和板栗蛋白，分析測定板栗粉主要化學成分及加工特性(吸水性、吸油性、乳化性和乳化穩定性)、板栗淀粉(直鏈淀粉質量分數、粒徑分布、晶型結構、糊化特性和溶解度及膨潤力)和板栗蛋白(分子量、空間結構及溶解性)的結構特性，并進行了板栗面包開發。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

板栗仁，廣西；小麥淀粉；谷朊粉；高筋麥芯小麥粉；黃原膠；大豆分離蛋白；即發酵母。

鹽酸、硝酸、氫氧化鈉、石油醚(沸程60～90 ℃)、硼酸、硫酸、無水乙醇均為分析純，硫酸銅、硫酸鉀、乙酸鉛、硫酸鈉，均為化學純；直鏈淀粉、直鏈淀粉試劑盒；標準分子量蛋白。

VORTEX-5渦旋振蕩器，RJ-LD-50G低速大容量離心機，TW8水浴鍋，SW22振蕩搖床水浴鍋，BJ-150多功能粉碎機，AAF1100馬弗爐，可見光分光光度計，S3500激光粒度分析儀，D2 PHASER X-射線衍射儀，RVA TECMASTER快速黏度分析儀，K9840自動凱氏定氮儀，HYP-320消化爐，GelDoc凝膠成像系統，Mini Protein 3蛋白電泳系統，Chirascan V100圓二色譜儀，F97PRO熒光分光光度計，Farinograph-E 粉質儀。

1.2 方法

1.2.1 板栗粉制備

將鮮板栗仁切成厚約2 mm薄片，于50 ℃鼓風干燥箱內干燥8 h，粉碎過60目，于4 ℃密封保存。

1.2.2 板栗淀粉制備

稱取一定量的板栗粉，按料液比1∶4加入0.2%NaOH溶液浸泡12 h，倒去上清液，過60目篩去除濾渣，用蒸餾水溶解下層粗淀粉乳，于4 000 r/min離心5 min棄去上清液，用水洗滌沉淀至沉淀無色，將沉淀均勻鋪于樣品盤中，于45 ℃干燥12 h后粉碎并過100目。

1.2.3 板栗蛋白制備

稱取一定量的板栗粉，按料液比1∶15加入去離子水，用1 mol/L NaOH溶液調節至pH10，超聲14 min，于40 ℃水浴并攪拌提取80 min，將堿提液于3 500 r/min離心20 min后去除沉淀，用1 mol/L HCl調節上清液pH至4.2，酸沉30 min后于3 500 r/min下離心20 min，洗滌沉淀至洗滌液呈中性，將沉淀均勻鋪于樣品盤中，于-80 ℃預凍，進行冷凍干燥，粉碎并過100目。

1.2.4 化學成分含量測定

水分、灰分、蛋白質、脂肪含量測定分別參照GB 5009.3—2016直接干燥法、GB 5009.4—2016食品中總灰分的測定、GB 5009.5—2016凱氏定氮法、GB 5009.6—2016索氏抽提法；淀粉質量分數測定參照GB 5009.9—2016酸水解法處理樣品，用DNS法測定；直鏈淀粉質量分數用Megazyme直鏈淀粉試劑盒法。

1.2.5 板栗粉吸水性和吸油性測定

稱取1 g樣品于15 mL離心管中，加入10 mL去離子水或大豆油后振蕩混勻，靜置30 min，3 000r/min離心20 min，吸水性或吸油性按式(1)計算：

(1)

式中：V1為離心前懸濁液體積/mL；V2為離心后上清液體積/mL；W為樣品干基質量/g。

1.2.6 板栗粉乳化性、乳化穩定性和膨潤力測定

稱取1 g樣品于燒杯中，加入大豆油和去離子水各50 mL，用高速剪切分散乳化機在5 000 r/min分散2 min，將分散液迅速等量倒入2支50 mL離心管中，1支于4 000 r/min條件下離心20 min，另1支于80 ℃保溫30 min后再離心，測量乳化層高度和分散液總高度并記錄，按公式計算乳化性、乳化穩定性和膨潤力。

(2)

(3)

(4)

式中：H1為未經80 ℃保溫樣品的乳化層高度/mm；H2為80 ℃保溫后樣品的乳化層高度/mm；H為分散液總高度/mm；P為離心管中下層沉淀的質量/g；W為樣品干基質量/g。

1.2.7 淀粉粒徑分布測定

取少量樣品用激光粒度分析儀進行測定，采用干法分散。

1.2.8 淀粉晶型結構測定

取適量干燥試樣平整鋪于模具中，用D2 PHASER X-射線衍射儀進行晶體構型分析。測試條件：采用Cu靶特征射線，管壓30 kV，電流10 mA，掃描范圍5°～40°，步寬0.02°。用MDI Jade 6.5軟件分析圖譜。

1.2.9 淀粉糊化特性測定

稱取一定質量的淀粉樣品于RVA TECMASTER 快速黏度分析儀鋁盒內，加入去離子水，混合配制成質量分數6%的懸濁液，采用標準程序Standard 2進行測定。

1.2.10 淀粉溶解度和膨潤力測定

稱取一定質量的淀粉樣品于15 mL離心管中，加入一定量25 ℃的去離子水配制成質量分數2%的懸濁液，分別在50、60、70、80、90 ℃的恒溫水浴振蕩鍋中保溫30 min，取出冷卻至室溫，于5 000 r/min離心10 min，將所得上清液傾入預先恒重的鋁盒中，于105 ℃烘干至恒重，稱質量；將所得下層沉淀與預先稱質量的離心管一起稱質量。溶解度、膨潤力分別按公式計算。

(5)

(6)

式中：A為上清液中所溶解淀粉的質量/g；P為離心管中下層沉淀的質量/g；W為樣品干基質量/g。

1.2.11 蛋白相對分子質量測定

采用十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳法(SDS-PAGE)測定樣品蛋白的相對分子質量。

1.2.12 蛋白圓二色譜分析

用去離子水配制濃度為0.15 mg/mL的樣品蛋白水溶液，用圓二色光譜儀(Circular Dichroism，CD)進行測定，波長掃描范圍為190～250 nm，比色皿厚度為1 mm，譜帶寬度為1.0 nm，掃描速率為1.0 nm/s，以去離子水為空白，每條輸出CD光譜為3次掃描的平均值，以平均摩爾橢圓率[θ](deg·cm2/dmol)表示。用CDNN軟件分析蛋白質的二級結構含量。

1.2.13 蛋白內源熒光光譜分析

用去離子水配制質量濃度為0.15 mg/mL的樣品蛋白水溶液，用F97PRO熒光分光光度計進行內源熒光測定。掃描范圍為300～500 nm，激發波長為295 nm，掃描速率為30 000 nm/min，電壓700 V，激發和發射狹縫寬均為2.5 nm，以去離子水為空白。

1.2.14 蛋白溶解度測定

稱取一定量的蛋白樣品，加入10 mL蒸餾水配成質量分數0.05%的懸濁液，用0.1 mol/L HCl或0.1 mol/L NaOH調節pH至3.0、5.0、7.0、9.0、11.0，攪拌60 min，于5 000 r/min離心10 min，用雙縮脲法[7]測上清液中蛋白質含量。溶解度按公式計算。

(7)

式中：A為上清液中所溶解蛋白質的質量/g；W為樣品干基質量/g。

1.2.15 板栗粉-小麥粉混合粉粉質特性測定

稱取一定質量的板栗粉與小麥粉混合，制成板栗粉含量為10、20、30 g/100g的混合粉，參照GB/T 14614—2006測定混合粉的粉質特性，揉混器規格為300 g。樣品名稱分別為：W10-不添加板栗粉；C1W9-板栗粉含量10 g/100 g，小麥粉含量90 g/100 g；C2W8-板栗粉含量20 g/100 g，小麥粉含量80g/100 g； C3W7-板栗粉含量30 g/100 g，小麥粉含量70 g/100 g。

1.2.16 面包的配方及制作工藝

面包配方為：混合粉100 g/100 g、水52 g/100 g、酵母1.1 g/100 g、鹽1.5 g/100 g、糖11 g/100 g、奶粉4 g/100 g、黃油4 g/100 g、全蛋液10 g/100 g。

面包制作工藝為：將原料及配料(除黃油)混合，轉移至和面機中→低速(min檔)攪拌2 min→高速(4檔)攪拌8 min→加入黃油高速攪拌4.5 min→室溫醒發約40 min→分割、搟卷、入模具→于38 ℃醒發箱內醒發1 h→于烤箱中烘烤20 min，上火160 ℃、下火215 ℃→室溫下冷卻。

1.2.17 面包改良劑的選擇

分別測定添加不同質量改良劑的板栗面包比容，改良劑種類及添加量為：谷朊粉1、3、5 g/100 g，大豆分離蛋白1、3、5 g/100 g，黃原膠1、2 g/100 g。選擇面包比容提高最大的改良配方進行后續實驗研究。

1.2.18 面包比容測定

采用小米置換法測量面包體積，用電子天平稱量面包質量，比容(mL/g)=體積/質量。

1.2.19 面包質構特性測定

測試條件：探頭型號為P/36R，測前速度1.0 mm/s，測中速度1.7 mm/s，測后速度1.7 mm/s，壓縮比40%，壓力5.0 g。每個樣品取5次重復測定的平均值。

1.2.20 面包感官評價

由10名沒有特殊嗜好和偏見的參評人員構成感官評價小組，按照GB/T 20981—2007 中的感官要求制定，板栗面包感官評價標準見表1。

表1 板栗面包感官評價表

1.3 數據分析

所有實驗數據均進行3組平行測定，誤差項均表示標準偏差。用Microsoft Office Excel 2007和Origin8.5對數據進行分析和圖形化處理；用SPSS 22.0對數據進行皮爾遜相關性分析，用Duncan測試在P<0.05檢驗水平下進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 板栗淀粉的結構與性質分析

由表2可知，板栗淀粉中直鏈淀粉占比為27.2%，低于小麥淀粉。由圖1可知板栗淀粉顆粒粒徑呈現雙峰分布，2個峰分布在10 μm和100 μm附近，板栗淀粉顆粒粒徑分布出現2個峰的結果與文獻報道不同[8]，造成這種現象的原因可能是提取過程中蛋白質、可溶性糖未能完全去除而使各組分之間相互黏附，導致大顆粒的存在。與之相比，小麥淀粉顆粒粒徑分布較集中，中位徑D50為25.98 μm。

表2 板栗淀粉和小麥淀粉顆粒組成特性、粒徑大小及晶體結構

圖1 板栗淀粉和小麥淀粉的顆粒粒徑分布圖

C型衍射圖譜表現為A、B型混合物，根據圖2可知，板栗淀粉在15.4°、17.3°、23.2°處出現較強的A型特征衍射峰，在6.0°處有弱的B型特征峰，在20°附近有較弱的彌散衍射峰，因此板栗淀粉為C型結晶型，這與李照茜[9]、Liu等[10]的研究結果一致。小麥淀粉15.2°、23.0°有強衍射峰，在17.1°、18.1°有相連的雙峰，在20°附近也出現鏈脂復合物的彌散衍射峰，說明小麥淀粉為A型結晶型。

圖2 板栗淀粉和小麥淀粉的XRD譜圖

采用MDI Jade 6.5軟件分析圖譜，得到板栗淀粉結晶度為31.72%，略高于小麥淀粉(30.86%)。淀粉顆粒之間結晶度的差異取決于微晶粒度、結晶區數量(受支鏈淀粉質量分數和鏈長影響)、結晶區雙螺旋方向性以及雙螺旋之間相互作用程度[11]。多晶體系中微晶的衍射特征與微晶粒度的大小有關，晶粒大小與對應衍射晶峰的半高寬成反比，在XRD圖譜上表現為，微晶粒度較大時，衍射特征為尖銳的衍射晶峰，反之則為彌散的衍射晶峰[12]。XRD圖譜中板栗淀粉的衍射峰尖銳度低于小麥淀粉，說明其微晶粒度較小，但板栗淀粉的支鏈淀粉質量分數高于小麥淀粉，這可能是二者結晶度差異較小的原因。

如表3所示，在糊化過程中，板栗淀粉的峰值黏度、谷值黏度、終值黏度、降落值、回生值均高于小麥淀粉，但糊化溫度和出峰時間均低于小麥淀粉，表明板栗淀粉更易糊化、凝膠形成能力強，但具有較高的回生趨勢。可能因為直鏈淀粉含量低的比含量高的淀粉易于糊化[13]。

表3 板栗淀粉和小麥淀粉的糊化特性參數

溶解度、膨潤力均反映了淀粉與水之間相互作用的大小[14]，與淀粉的大小、形態、組成、直鏈及支鏈淀粉比例和分子鏈等多種因素相關[15]。由圖3可見，兩種淀粉的溶解度、膨潤力均隨著溫度升高而增強，板栗淀粉增加速率更明顯。當溫度處于50～60 ℃時，板栗淀粉的溶解度、膨潤力均低于小麥淀粉，但70 ℃以后板栗淀粉的溶解度、膨潤力均快速增加，遠遠高于小麥淀粉，屬于典型的二段膨脹。

圖3 板栗淀粉和小麥淀粉的溶解度和膨潤力

2.2 板栗蛋白的結構與性質分析

圖4為板栗蛋白和小麥蛋白的SDS-PAGE圖像，染色程度越深，說明該相對分子質量的蛋白含量越高，反之越低。板栗蛋白的蛋白含量較低，在30 000附近有染色程度較深的條帶，說明板栗蛋白接近電泳純。小麥蛋白在43 000～60 000附近多個條帶染色較明顯，在30 000附近和60 000～120 000之間也有較淺的染色條帶。板栗蛋白相對分子質量為27 700、29 500，小麥蛋白相對分子質量為27 100、43 900、46 800、48 800、51 900、58 900。

圖4 板栗蛋白和小麥蛋白的SDS-PAGE圖像

在遠紫外區(190～250 nm)對蛋白質進行掃描分析，用CDNN軟件分析掃描得到的CD圖譜，從而可以推斷其二級結構(包括α-螺旋、β-折疊、β-轉角、無規卷曲)的相對含量，具體結果如表4和圖5所示。

由圖5可知，板栗蛋白在200 nm處有負槽，表明蛋白中存在無規卷曲；小麥蛋白在191 nm處出現正峰，在208 nm處出現負峰，這是α-螺旋的特征吸收峰。板栗蛋白的無規卷曲結構占比(34.4%)更高，說明板栗蛋白結構相對松散。與小麥蛋白相比，板栗蛋白的α-螺旋含量較低，β結構含量較高，而蛋白的二級結構對面團的彈性和硬度有影響[16]。

圖5 板栗蛋白和小麥蛋白的CD圖譜

如圖6所示，板栗蛋白和小麥蛋白熒光峰分別在378 nm和374 nm處，均大于330 nm，且板栗蛋白的熒光峰偏紅移，熒光強度較低，表明其疏水基團暴露更多。如圖7所示，在pH 3～pH 11的范圍內，板栗蛋白的溶解度曲線呈“U”形，在pH 5處溶解度最低，說明板栗蛋白的等電點在pH 5附近，但整體上低于小麥蛋白的溶解度，這可能是由于板栗蛋白疏水性基團暴露更多而使水溶性下降。而小麥蛋白在pH 9處溶解度最低。

圖6 板栗蛋白和小麥蛋白的熒光光譜

圖7 板栗蛋白和小麥蛋白的溶解性

2.3 板栗粉的理化性質分析

2.3.1 基本成分分析

由表5可知，淀粉是板栗粉的主要成分，與高筋小麥粉相比，板栗粉淀粉、蛋白質含量較低，灰分、脂肪含量較高。

表5 板栗粉和小麥粉化學成分構成/%(干基)

2.3.2 全粉特性分析

如表6所示，板栗粉的吸水性略低于小麥粉，原因可能是吸水性反映出淀粉糊化程度，板栗粉制粉過程中熱風干燥溫度較低(50 ℃)，大多數淀粉還未發生糊化。與小麥粉相比，板栗粉的吸油性略低而乳化性較好，且乳化穩定性遠高于小麥粉。膨潤力反映淀粉分子受熱糊化時的吸水能力[17]。如圖8所示，隨著溫度的升高，小麥粉的膨潤力呈現線性升高的趨勢，板栗粉的膨潤力呈現出平穩-升高-平穩的變化趨勢，說明板栗粉中淀粉在60～70 ℃附近開始糊化，吸水能力明顯增加，在糊化前后，其他成分如蛋白質、脂肪與淀粉之間的相互作用可能限制了其吸水能力。

表6 板栗粉和小麥粉加工特性

圖8 板栗粉和小麥粉的膨潤力

2.4 板栗粉的應用研究

2.4.1 板栗粉-小麥粉混合粉粉質特性分析

由表7可知，隨著板栗粉添加量的增加，混合粉的吸水率、面團形成時間、穩定性、粉質質量指數均下降，弱化度升高，混合粉品質變差。這主要是因為板栗粉支鏈淀粉相對較低，吸水能力弱，又不含面筋。隨著板栗粉添加量提高，混合粉面筋越難形成較好的三維網絡整體[18]，導致品質整體下降。此外，一般中檔面包粉吸水率均值62.7%[19]，表明將板栗粉應用于面包中時，需要加入一些改良劑。

表7 板栗粉-小麥粉混合粉粉質特性

2.4.2 改良劑對板栗面包比容的影響

由表8可知，隨著板栗粉添加量的增加，面包比容減小，說明面團強度和持氣能力減弱，與粉質特性變化趨勢相一致。不同改良劑對面包比容影響程度有差異，當面包改良劑添加量為5 g/100 g時，谷朊粉比容增加量最佳。添加大豆分離蛋白、黃原膠的面包比容出現了降低現象，可能原因是改良劑使面團強度過高，抗形變阻力增加，不利于發酵過程中氣泡的延伸[20]。谷朊粉主要成分為面筋蛋白，有利于形成較強的網絡結構，從而提高面團產氣能力及持氣性能，增加面包體積[21]。以比容為評價指標，選擇谷朊粉作為板栗面包的改良劑，添加量為5 g/100 g。

表8 改良劑種類和添加量對面包比容的影響

2.4.3 板栗面包的質構特性分析

不同板栗粉添加量的面包在外觀和內部結構上存在明顯差異。C1W9體積最大，氣孔細密、孔壁薄，優于W10；C2W8和C3W7體積與W10相近，氣孔均勻度下降，且底部氣孔較少，說明面團持氣能力較低，面包醒發時未能充分膨脹。此外，添加板栗粉的面包芯呈淺褐色，且隨板栗粉的增加而逐漸加深，可能因為板栗粉中糖參與美拉德褐變和焦糖化反應[22]。由表9可知，板栗粉添加量為10%時，面包硬度、咀嚼性數值最低，感官評價數值最高。一般而言，面包的硬度、咀嚼性與面包品質呈負相關[23]，表明C1W9板栗面包品質最佳。C1W9面包蜂窩結構更強，更有利于包裹氣體[24]，硬度比W10面包的硬度、咀嚼性更低。隨著板栗粉用量的增加，面包硬度和咀嚼性增大，說明板栗粉的增加使面筋網絡結構進一步弱化，難以持氣，導致面包膨起困難、硬度增加和更難咀嚼。

表9 板栗面包的質構特性及感官評分

3 結論

板栗淀粉直鏈淀粉質量分數為21.6%，與小麥淀粉相比，直鏈淀粉質量分數較低、顆粒較大、結構松散，易糊化和溶脹。板栗粉-小麥粉混合粉的吸水率、面團形成時間和穩定性隨板栗粉的增加而下降，從而導致面包比容減小、硬度和咀嚼性增加。

板栗蛋白的相對分子質量為30 000，圓二色譜分析結果顯示板栗蛋白中α-螺旋、β-折疊、β-轉角和無規卷曲含量分別為10.6%、32.5%、23.7%、34.4%，說明板栗蛋白二硫鍵含量可能較少，導致板栗粉-小麥粉混合粉的面團筋力隨著板栗粉增加而下降；板栗蛋白無序結構占比高，且熒光光譜分析表明其表面疏水性較強，說明板栗蛋白分子柔性高，因此使板栗粉表現出較好的乳化性和乳化穩定性。

板栗面包的比容隨板栗粉添加量的增大而明顯下降，考察了谷朊粉、大豆分離蛋白和黃原膠對面包的改良效果，以比容為評價指標，最終選擇谷朊粉作為改良劑，添加量為5 g/100 g。質構分析和感官評定結果表明：板栗粉添加量為10 g/100 g的面包硬度和咀嚼性最低、感官評價最高。