饅頭加工過程中發酵及蒸制對小麥淀粉結構特性的影響

徐曉琴，張盛貴，尤鶯鴿，陳金鳳

(甘肅農業大學理學院1，蘭州 730070)(甘肅農業大學食品科學與工程學院2，蘭州 730070)

淀粉是小麥籽粒的主要成分，約占籽粒干質量的65%～70%[1]。基于小麥淀粉粒的形狀、大小等可將其分為兩類：一類是顆粒呈圓盤狀或透鏡狀，直徑大于10 μm的A型淀粉；另一類是顆粒呈近似球形或多邊形，直徑小于10 μm的B型淀粉[2,3]。饅頭通常由小麥粉、酵母和水混合成面團，然后發酵和蒸熟。發酵通過改變或降解淀粉的原始成分，使淀粉食品具有良好的風味、延長保質期、營養特性和理想的口感，因此淀粉發酵食品得到了廣泛的研究[4]。衛娟等[5]研究發現發酵不改變淀粉晶體的類型，但不同菌株發酵會造成淀粉相對結晶度的差異，此外，隨著面團發酵時間的延長，小麥淀粉顆粒表面遭到嚴重侵蝕，且侵蝕主要出現在A型淀粉顆粒表面，Zhao等[4]研究表明小麥淀粉在自然發酵過程中，A型淀粉顆粒表面出現較多的裂紋和斑點，增加了淀粉顆粒的結晶層，提高了相對結晶度。蒸制是饅頭制作過程中極為重要的工序，小麥淀粉在饅頭蒸制過程中會發生糊化，主要表現為直鏈淀粉的溶出、支鏈淀粉雙螺旋鏈的分解、淀粉結晶的融化和顆粒形態的破壞[6,7]。丁志理等[8]研究饅頭在蒸制過程中淀粉糊化度、淀粉黏度及淀粉酶活力的變化時，發現蒸制30 min時饅頭的皮、瓤、芯的糊化度均達到95%。淀粉酶活力隨蒸制時間的增加先增加后降低，8 min以后基本為0。黏度在30 min達到最低值(481 cP)。王鈺麟等[9]研究發現蒸煮-老化預處理后青稞粉中淀粉含量減少，淀粉顆粒破損，偏光十字逐漸消失，慢消化淀粉含量顯著增加。Hu等[10]發現過熱蒸汽處理能夠通過提高淀粉結構穩定性進而影響小麥粉糊化特性、熱穩定性和體外消化特性。由此可見，淀粉的結構在發酵和蒸制環節會發生明顯的變化，且該變化直接影響小麥粉特性進而影響面制品的最終品質。但目前研究主要集中在對比發酵和蒸制環節的前后小麥淀粉性能發生的變化，體現淀粉的顆粒完整性、糊化特性及淀粉酶活力等，對于發酵和蒸制過程中分階段系統研究淀粉結構相關變化的報道較少。

本研究使用甘肅省白銀市銀春10號小麥粉加工饅頭，分別在面團發酵及饅頭蒸制的不同階段采用堿法提取小麥淀粉，分析淀粉顆粒形態、晶體結構、紅外及熱特性等變化，明確饅頭加工的面團發酵及饅頭蒸制過程中小麥淀粉結構特性發生的變化，以期為高品質饅頭加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

銀春10號小麥粉，氫氧化鈉(分析純)，鹽酸(優級純)。

1.2 儀器與設備

JSM-6701F冷場發射型掃描電鏡；X’Pert PRO多晶粉末X射線衍射；SCIENTZ-ND冷凍干燥機；NEXUS 670傅里葉紅外光譜儀；Discovery TGA 50熱重分析儀；Bettersize 2600激光粒度分析儀；DSC 25差示掃描量熱儀。

1.3 方法

1.3.1 小麥粉基本成分測定

脂肪含量的測定參照GB 5009.6—2006《食品安全國家標準 食品中脂肪的測定》；面筋質量和數量參照GB/T 5506.2—2008《小麥和小麥粉 面筋含量 第2部分：儀器法測定濕面筋》；粗蛋白含量測定參照GB 5009.5—2016《食品國家安全標準 食品中蛋白質的測定》；淀粉測定參照淀粉含量檢測試劑盒；水分測定參照GB/T 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》。

1.3.2 饅頭的制作

1.3.3 小麥淀粉理化特性測定及結構表征

1.3.3.1 淀粉提取及提取率測定

參考魏敬等[12]方法提取淀粉。分別稱取20 g樣品粉末分散于140 mL NaOH溶液(質量分數0.25%)中，磁力攪拌1 h后離心10 min(5 000 r/min)。棄去上清液并刮去上層黃色物質得到乳白色沉淀，反復沖洗沉淀5～6次后用HCL溶液(1.0 mol/L)調解懸浮液pH至中性，過300目篩，將篩下物離心，刮取沉淀于40 ℃干燥得到淀粉樣品，將小麥粉進行相同處理得到小麥淀粉(WS)。淀粉提取率按照提取淀粉質量與小麥粉質量之比計算，分別為49.5%、48.3%、48.2%、47.0%、46.8%、46.6%、25.6%、23.8%、23.4%。

1.3.3.2 掃描電鏡測定

將樣品粘在樣品臺上，然后在真空室中噴金，加速電壓為5 kV時，在放大倍數2 000倍下觀察樣品形態。

1.3.3.3 X射線衍射測定

2.2.4 秸稈禁燒工作存在季節性和滯后性 焚燒秸稈的現象實則由來已久，然而卻一直未能引起政府部門的重視。近幾年由于焚燒秸稈給交通安全，人體健康帶來了許多的負面影響，從而政府開始實行嚴厲的秸稈禁燒政策。秸稈也屬于季節性產物，迫使禁燒政策只是在夏收、秋收季節焚燒秸稈的有效，相關配套措施也并不能真正解決農作物秸稈露天焚燒的問題。對于在非農忙時焚燒的現象管制不嚴，未能疏堵并濟從根源上解決農作物秸稈露天焚燒的問題。僅在問題出現時，以片面禁止的方式去解決，不能持久有效的禁止秸稈焚燒。

檢測條件：電壓：40 kV；掃描范圍：10°～40°(2θ，最小衍射角)；掃描速度：2(°)/min；掃描步長：0.06°；掃描方法：連續。

1.3.3.4 紅外光譜測定

利用傅里葉紅外光譜儀測定樣品的紅外光譜。掃描范圍為4 000～400 cm-1。

1.3.3.5 淀粉顆粒粒徑分布測定

參照Wang等[13]方法。以蒸餾水為背景檢測后，在樣品池中加入淀粉樣品。當樣品充分均勻分散后進行測定。

1.3.3.6 熱重測定

參照Wen等[14]方法。稱取5～10 mg樣品于托盤中，將儀器的升溫過程初始溫度設為25 ℃，升溫速率為10 ℃/min，結束溫度設為500 ℃，用氮氣作保護氣。

1.3.3.7 差示掃描量熱儀測定

參照Liu等[15]方法。稱取3 mg樣品放入鋁盤中，加入40 μL蒸餾水，壓緊鋁蓋，室溫平衡24 h。以10 ℃/min從20 ℃升溫至120 ℃，得到起始溫度(To)、峰值溫度(Tp)、谷值溫度(Tc)和糊化焓(ΔH)。

1.4 數據分析

運用Origin 8.0作圖，運用SPSS 26.0中Duncan檢驗進行方差分析，P<0.05表示差異顯著。所有測定重復3次。

2 結果與分析

2.1 小麥粉基本成分分析

小麥粉的含水量和脂肪質量分數分別為13.96%和0.85%，低于小麥籽粒，這是由于在磨粉過程中部分脂肪損失。通常，小麥淀粉占小麥粉質量的70%～80%[16]，小麥淀粉中直鏈淀粉占20%～25%，支鏈淀粉占75%～80%[17]。本實驗所用小麥粉總淀粉質量分數為76.60%，其中，支鏈淀粉和直鏈淀粉質量分數分別為63.58%和12.37%。

表1 小麥粉基本理化指標

2.2 不同淀粉的結構特性分析

2.2.1 不同淀粉的微觀結構分析

小麥淀粉、面團發酵和饅頭蒸制過程中淀粉在2 000倍下的微觀結構如圖1所示，小麥淀粉形態完整呈圓形或橢圓形，表面光滑，既有A型淀粉也有B型淀粉(圖1a)。與小麥淀粉顆粒光滑的表面形貌相比，面團發酵過程的淀粉顆粒略有膨脹(圖1b～圖1f)，這是由于小麥淀粉顆粒對水分的吸收引起的，這一過程是可逆的，將膨脹的淀粉顆粒干燥后，淀粉顆粒會恢復至原來的形態[18]。面團發酵30 min和40 min后的小麥淀粉顆粒表面，特別是大的顆粒表面出現了更多的斑點和裂紋(圖1e～圖1f)，這說明自然發酵引起了小麥淀粉顆粒的表面腐蝕。這一結果與Zhao等[4]研究自然發酵對小麥淀粉的影響的結果類似。由圖1g～圖1i可以看出，隨著饅頭蒸制時間的延長，淀粉顆粒結構遭到嚴重破壞，淀粉顆粒之間相互粘連逐漸形成片狀結構，這是由于饅頭蒸制過程中，淀粉顆粒在高溫熱蒸汽下發生不可逆的轉變[19]，淀粉顆粒逐漸糊化形成淀粉凝膠，在微觀結構中呈現片狀結構[20]。

圖1 小麥淀粉、面團發酵和饅頭蒸制過程中淀粉微觀結構圖(2 000倍)

2.2.2 不同淀粉的晶型分析

圖2為小麥淀粉、面團發酵和饅頭蒸制過程中淀粉的晶型結構譜圖。在15.0°和23.0°(2θ)有很強的吸收峰，在17.1°和18.0°(2θ)之間有一個雙峰，在20.0°(2θ)有一個小峰，顯示典型的A型淀粉晶體[21]，這與Liu等[15]研究密歇根軟質小麥麩皮淀粉和胚乳淀粉的分離和特性中的結果相似。從圖2b～圖2f也可以看出，盡管峰高發生了變化，但所有發酵后的淀粉都呈現出類似的A型結晶模式。面團發酵過程中淀粉晶型保持不變，這是由于在溫度較低時淀粉分子通過氫鍵作用與水分子相結合，不改變淀粉的晶型[22]。由表2可知，結晶度隨面團發酵時間的增加先增加后降低，在面團發酵20 min時結晶度達到最大(49.35%)，Lu等[23]研究也表明，米粉發酵后結晶區與無定形區之比從33.81%增加到39.37%，推測大米淀粉顆粒的無定形區域在發酵過程中被水解。由圖2g～圖2i和表2均可以看出，隨著饅頭蒸制時間的延長，淀粉衍射峰逐漸降低最終消失，饅頭蒸制過程中淀粉結晶度均顯著低于小麥淀粉，這是由于淀粉吸水受熱后外圍的支鏈淀粉破裂，內部的直鏈淀粉被釋放出來，形成一種黏稠狀膠體溶液，即淀粉糊化，使得淀粉結晶結構被破壞[24,25]。

注：a為小麥淀粉; b為面團發酵0 min; c為面團發酵10 min; d為面團發酵20 min; e為面團發酵30 min; f為面團發酵40 min; g為饅頭蒸制10 min; h為饅頭蒸制20 min; i為饅頭蒸制30 min，余同。

表2 小麥淀粉、面團發酵和饅頭蒸制過程中淀粉的結晶度和短程有序參數

2.2.3 不同淀粉的紅外光譜分析

小麥淀粉、面團發酵和饅頭蒸制過程中淀粉的紅外光譜如圖3所示。結果表明，所有淀粉樣品在400～4 000 cm-1區域都有相似的吸收峰，說明發酵過程并沒有改變小麥淀粉的近程分子順序結構。淀粉在1 640 cm-1附近的吸收峰為淀粉結合水的拉伸振動，3 400 cm-1處為淀粉葡萄糖單元中O—H伸縮振動峰[20]。2 930 cm-1附近的峰屬于—CH2伸縮振動峰。此外，在1 047 cm-1和1 022 cm-1處的吸收帶分別與淀粉顆粒的結晶區和無定形區有關。通常用吸收帶在1 047/1 022 cm-1和1 022/995 cm-1的積分面積的比值來量化淀粉分子內部的有序度和雙螺旋度的變化[26]。表2中，面團發酵淀粉的1 047/1 022 cm-1和1 022/995 cm-1值普遍高于小麥淀粉，而饅頭蒸制淀粉的1 047/1 022 cm-1值隨著蒸制時間的延遲而降低至0.606，1 022/995 cm-1則呈先增加后降低的趨勢。面團發酵和饅頭蒸制過程中淀粉信號峰無變化，說明淀粉在面團發酵、饅頭蒸制過程中不會產生新的官能團。這與Su等[27]對小麥淀粉懸浮液反復進行熱處理，發現淀粉的紅外光譜沒有出現新信號峰的結果一致。

圖3 小麥淀粉、面團發酵和饅頭蒸制過程中淀粉的紅外光譜圖

2.2.4 不同淀粉的顆粒粒徑分析

根據淀粉顆粒粒徑的大小可以將淀粉顆粒分為3類：A型(>15.5 μm)、B型(5.5～15.5 μm)和C型(<5.5 μm)顆粒，通常用平均體積粒徑D[4,3]來衡量顆粒的大小[28]。由表3可知，小麥淀粉、面團發酵和饅頭蒸制過程中淀粉粒徑(D[4,3]值)均大于15.5 μm，因此以A型顆粒為主。與小麥淀粉相比，面團發酵10、20 min時，淀粉粒徑(D[4,3]值)顯著降低了3.0%和1.7%，可能是因為淀粉吸水膨大，但隨著面團發酵時間的延長，淀粉吸水達到一定程度破碎，使得粒徑降低。跨度值用來衡量的粒度分布范圍的寬窄。一系列不同粒徑區間顆粒分別占試樣總量的百分比稱為粒度分布，D50和D90分別表示累計分布百分數達到50%和90%所對應的粒徑值[29]。D50和D90處于同一水平說明淀粉顆粒的平均體積無明顯變化，這是由于添加水分、發酵溫度和濕度恒定時，顆粒形態發生的水化作用非常有限[30]。但在饅頭蒸制過程中淀粉的D[4,3]、D50和D90值均隨著蒸制時間的延長顯著增大，在饅頭蒸制10 min和20 min時，跨度值比小麥淀粉顯著增加了32.57%和46.12%，這些變化是由于隨著蒸制時間的延長，含有一定水分的淀粉顆粒逐漸糊化，顆粒之間相互粘連逐漸形成片狀結構，這與掃描電子顯微鏡觀察到的結果一致。

表3 小麥淀粉、面團發酵和饅頭蒸制過程中提取淀粉的粒徑分析

2.2.5 不同淀粉的熱重分析

圖4是小麥淀粉、面團發酵和饅頭蒸制過程中淀粉的質量損失曲線圖，所有樣品均呈現3個質量損失階段。第一階段的質量損失是水分蒸發引起的(50～120 ℃)，而第二階段質量損失對應淀粉的熱降解(250～350 ℃)，這是由于淀粉被降解為二氧化碳、一氧化碳、水以及一些短鏈碳氫化合物[31]。面團發酵過程中淀粉質量損失與小麥淀粉差異不顯著，然而饅頭蒸制過程中淀粉質量損失顯著低于小麥淀粉，說明饅頭蒸制過程淀粉的熱穩定性增加。第三階段質量損失是由于碳的積累(高于350 ℃)，這可能是由于淀粉分解后中間產物完全分解所致[32]。此外，面團發酵過程的淀粉與小麥淀粉的最大熱降解溫度均為331 ℃，淀粉樣品熱分解迅速，而饅頭蒸制過程中淀粉熱分解相對緩慢。這是由于面團發酵中的淀粉比饅頭蒸制中的糊化淀粉所含結合水含量高[33]。

圖4 小麥淀粉、面團發酵和饅頭蒸制過程中淀粉的質量損失圖

2.2.6 不同淀粉的差示掃描量熱分析

差示掃描量熱結果反映淀粉的糊化過程。To和ΔH分別反映淀粉糊化的難易程度和淀粉糊化所需的熱量。由表4可知，面團發酵30 min的淀粉對應的熱參數To、Tp和Tc顯著高于小麥淀粉，而面團發酵不同階段的淀粉ΔH均顯著低于小麥淀粉，這是由于淀粉在面團發酵過程中無定形區直鏈淀粉分子分離，支鏈淀粉重新聚集，形成更有序且更穩定的雙螺旋結構，淀粉結晶度和穩定性增加，使得糊化溫度升高，糊化所需熱量降低[34]。饅頭蒸制時間從10 min延長至20 min，淀粉ΔH顯著升高了70.60%，饅頭蒸制20 min時淀粉ΔH與小麥淀粉接近，這是因為蒸制過程中淀粉鏈雙螺旋結構的熔化所需能量增加，使得淀粉糊化焓增加[21]。但饅頭蒸制時間增加至30 min，淀粉的ΔH顯著降低，這是由于淀粉分子結構被破壞，分子間的內力減弱[27]，使得淀粉黏度增大，糊化所需的熱量也相應減少。

表4 小麥淀粉、面團發酵和饅頭蒸制過程中淀粉的熱特性參數

3 結論

采用堿法提取了饅頭加工中面團發酵和饅頭蒸制不同階段的淀粉并對其結構特性進行比較。研究結果表明，面團發酵過程中提取的淀粉與小麥淀粉類似，淀粉形態完整，表面光滑，面團發酵過程也不改變淀粉的晶型和官能團結構，而在饅頭蒸制過程中隨著蒸制時間的延長，淀粉顆粒逐漸遭到破壞，顆粒之間相互粘連逐漸形成片狀結構，使得淀粉平均體積逐漸增大，同時蒸制過程中由于淀粉顆粒逐漸糊化，淀粉結晶結構被破壞，但熱穩定性增加。綜上，饅頭加工中蒸制時間會顯著影響淀粉的結構特性，進而影響饅頭產品的最終品質，該研究能夠為熱加工面制品的品質改良提供理論參考。