稻米-高筋小麥混合粉面團的靜態和動態流變學特性

賀殷媛，陳鳳蓮，李欣洋，楊 楊，王 冰，張 娜

（哈爾濱商業大學食品工程學院，黑龍江省普通高等學校食品科學與工程重點實驗室，黑龍江省谷物食品與資源綜合加工重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150028）

作為世界五大糧食之一的稻米一直因其具有很多與眾不同的特性而備受關注。米飯是稻米的主要食用形式，稻米在食品中的應用較為單一，因此以稻米為原料的米制食品加工日益興起，稻米在主食以及烘焙食品中的應用逐漸增多。同時由于稻米粉具有低致敏性、低鈉含量和易消化等優點[1]，因此，以稻米粉替代小麥粉的產品應運而生。但對于發酵類面制品，面團的品質特性是影響最終產品品質的關鍵因素[2-3]，而影響面團品質的主要指標是面粉中面筋蛋白的質量和數量，由于稻米中缺乏面筋蛋白（麥谷蛋白和麥醇溶蛋白），使其加工適應性差。湯曉智等[4]對面團和餅干等食物的物理特性和感官品質進行研究，結果表明糙米粉可以增加面團彈性，但是會對面團的穩定性產生負面的影響。Rai等[5]用稻米粉和玉米粉替代小麥粉，通過分析制作面包原料品質和對面包樣品進行感官評估，可知稻米粉可應用在烘焙食品中，但是面包的體積、比容、高度均有所降低。現有研究多集中在稻米面包的制作工藝及品質分析方面，而面團的黏彈性參數是決定最終產品品質的關鍵因素之一。因此，分析稻米的添加對高筋粉面團品質的影響規律是探究米制發酵主食和烘焙食品品質改良方法的必備基礎。

從應力或應變的作用方式來看，食品流變學可分為動態流變學和靜態流變學。動態流變學是通過對黏彈性體施以振動或者周期變動的應力、應變，產生振蕩剪切特征的研究方法；而靜態流變學又稱穩態流變，研究單一方向穩態作用力下物體的流動和變形，蠕變和應力松弛是最典型的靜態黏彈性行為的體現。Xu Fen等[6]研究添加馬鈴薯顆粒面團的動靜態流變學性質，結果表明，與普通面團相比，混合面團的糊化溫度升高，面團的變形和恢復速率降低。Oh等[7]研究了米粉與6種淀粉組成的混合面團動態流變學性能，表明在混合體系中添加淀粉可以控制和改善米粉基食品的流變學性質。因此可以通過靜態和動態流變學特性的測定，得到面團黏彈性變化規律，從而得出添加稻米粉對面團的影響規律。

本研究采用流變儀對稻米-高筋小麥混合粉面團的靜態和動態流變學進行研究，通過對頻率掃描和體系升溫與降溫過程中儲存模量（G’）和損耗模量（G’’）以及損耗角正切（tanδ）的變化進行測定，得出不同種稻米粉在不同添加量時對稻米-高筋小麥混合粉面團的影響規律，從而為稻米-高筋混合粉體系在主食和烘焙食品中的應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

‘龍稻5號’（以下簡寫為龍稻5號）稻米 黑龍江省肇東市東發鄉；‘龍稻19號’（以下簡寫為龍稻19號）稻米 黑龍江省哈爾濱市道外區民主鄉；‘龍稻20號’（以下簡寫為龍稻20號）稻米 黑龍江省肇東市東發鄉；‘龍稻23號’（以下簡寫為龍稻23號）稻米黑龍江省哈爾濱市阿城區料甸滿族鄉；‘龍稻25號’（以下簡寫為龍稻25號）稻米 黑龍江省肇源縣；‘龍稻46號’（以下簡寫為龍稻46號）稻米 黑龍江省齊齊哈爾市杜達鄉；香雪特精粉（小麥粉） 中糧面業（秦皇島）鵬泰有限公司。

1.2 儀器與設備

ALC-210.4分析天平 瑞士梅特勒-托利多國際股份有限公司；Farinograph-E粉質儀 德國Brabender公司；JXFM110型錘式旋風磨 上海嘉定糧油儀器有限公司；MCR102型流變儀 奧地利安東帕公司。

1.3 方法

1.3.1 稻米粉的制備

稻谷→晾曬→脫粒→挑選→礱谷→碾米→稻米→磨粉（80 目篩）→稻米粉

將制備好的米粉放于密封袋中，并4 ℃冷藏備用。

1.3.2 稻米-高筋小麥混合粉面團的制備

課題組前期已對6種稻米粉的組成成分進行測定[8]。取磨制好的稻米粉分別按照質量分數10%、20%、30%、40%的添加量與香雪高筋小麥粉（吸水率62.9%、面團形成時間4.5 min、穩定時間5.2 min、弱化度53 BU、評價值70）進行混合。用粉質儀將混合粉制成面團后放于密封袋中，并在室溫下靜置5 min。

1.3.3 面團動態流變學頻率測定

在25 ℃、1 Hz條件下，設定0.01%～100%的應變范圍內，得到應變與儲能模量和損耗模量的變化函數，從而確定米谷蛋白的線性黏彈區，在線性黏彈區內確定最適的應變條件。

取2.9 g的面團置于流變儀圓形平臺的中心，當探頭降下后立刻將密封蓋蓋上，并在密封蓋周圍及上方縫隙處涂一層硅油，防止面團出現干裂。流變儀采用動態測量模式，探頭的直徑是40 mm，夾縫距離是1 mm，模式為振蕩。頻率掃描測定：溫度恒定在25 ℃，應變設置為1%，頻率在0.1～20 Hz區間內變化。

1.3.4 面團動態流變學溫度測定

流變儀動態測量模式設定與頻率掃描相同。溫度掃描測定：頻率恒定為1 Hz，應變為0.5%、升溫和降溫速率均為5 ℃/min，變化范圍為升溫20～100 ℃和降溫100～20 ℃。

1.3.5 面團蠕變特性的測定

參照文獻[9-11]并進行優化，用流變儀測定其蠕變特性，探頭PP50，直徑為50 mm圓形平板，夾縫距離是2 mm，松弛5 min，保持恒定的應力50 Pa，下壓120 s，撤去外力后樣品恢復形變180 s。記錄蠕變最大形變量以及柔量（J）隨時間的變化。

采用四元模型Burger模型[12]對實驗結果進行擬合，Burger模型較多用于研究黏彈性體系的力學模型，由2 個虎克模型和兩個阻尼模型組成，即由1 個Maxwell模型和1 個Kelvin-Voigt模型串聯組成（圖1）[13]。

圖1 Burger模型Fig. 1 Burger model

根據流變學的Burger模型，蠕變柔量與蠕變時間的關系可以通過下式來表示[14]。

式中：J（t）表示蠕變過程的柔量；J1為第一要素胡克體彈性柔量，即普彈柔量或瞬時柔量/Pa－1；J2表示高彈柔量/Pa－1；t表示時間/s；η為阻尼體黏滯系數/（Pags）；τK為遲滯時間/s，即蠕變恢復所需要的時間。

1.4 數據統計與分析

實驗設置3 個平行，采用Excel 2010軟件進行數據處理，實驗結果用平均值±標準差表示。采用SPSS 21軟件進行單因素方差分析，采用Tukey多重比較進行顯著性分析，P＜0.05表示差異顯著，采用Origin 2018軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 混合粉面團頻率掃描動態流變學

將6種黑龍江稻米粉分別按梯度比例與高筋粉混合，經流變儀頻率掃描后所得的結果如圖2所示。在頻率掃描過程中，頻率隨時間延長而增加，而應變保持不變，整個掃描過程是動態的（在線性黏彈性應變范圍內）[15]，頻率掃描提供了不同振動頻率下面團黏彈性特性變化的信息。從整體上來看，在0.1～20 Hz范圍內隨著振蕩頻率的增加，G’與G”都在不斷地增加，且彈性大于黏性。這是因為隨著頻率的增大，面團中的淀粉顆粒起到了填充物的作用，增強了面筋的強度，并產生了很強的結合力，從而獲得更高的模量[9]，這是一種典型的類固態行為[16-17]。tanδ隨頻率的遞增先降低后升高，即振蕩頻率大于1 Hz后，tanδ隨頻率增大而增加，不同品種變化趨勢的拐點不同。當頻率處于較低狀態時，面筋蛋白之間能構成較好的網絡形態，能促使彈性比例增大；但隨著頻率的繼續增大，分子之間的交聯程度被削弱，促使黏性比例增加，所以當頻率高于一定值時，混合面團凝膠體系流動性增強，出現了類似于剪切稀化的現象[18]。用普通面團也得到相似的結果，如研究發現tanδ最初在0.1～1 Hz的低頻范圍內降低，在高頻范圍內穩定增加[19]。tanδ恒小于1，并綜合上述特性可以看出稻米-高筋粉混合面團呈現出弱凝膠的性質[20]，該結果與潘宏軍等[21]的研究結果一致。

由圖2A可知，相同頻率下混合面團的G’和G”在龍稻5號稻米粉添加量為10%時達到最小值，然后逐漸增大，添加量40%時達到最大值，即達到彈性和黏性的最大狀態；10%～40%添加量時tanδ整體呈下降趨勢，但30%時tanδ出現反彈增到最大。由圖2B可知，隨著龍稻19號稻米粉添加量的增加，混合面團的G’與G”變化規律性較差，當稻米粉的添加量30%時，G’為最大值，添加量為10%時，G”為最大值；而混合面團的tanδ呈規律性下降，在40%時最小。由圖2C可知，混合面團的G’和G”隨著龍稻20號稻米粉添加量的增加均逐漸增大，且都在添加量為40%時達到最大；混合面團的tanδ先增大后減小，添加量為10%時為最大值，而添加量為40%時，tanδ最小。圖2D中混合面團的G’和G”在龍稻23號稻米粉添加量20%時達到最大值，而后減小，所以當稻米粉添加量為20%時，混合面團彈性和黏性均為最佳；混合面團的tanδ與添加比例呈負相關。由圖2E可知，不同添加量龍稻25號稻米粉混合面團的G’和G”均呈現先增大后減小又增大的趨勢，當稻米粉的添加量達40%時，G”與G’達到最大值；相對應的混合面團的tanδ呈下降趨勢。由圖2F可知，隨著龍稻46號稻米粉添加量的增加，混合面團的G’與G”呈先減小后增大的變化規律，當稻米粉添加量為40%時G’與G”最大，彈性和黏性均達到最佳；相對應的混合面團的tanδ逐漸下降，但變化相對其他品種較小。

圖2 不同品種稻米-高筋粉混合面團的頻率掃描曲線圖Fig. 2 Frequency scanning curves of doughs made from mixtures of rice flours from different cultivars and high-gluten wheat flour

綜上，稻米粉添加量梯度增加時，龍稻19和23號在儲能模量和損耗模量方面表現為先增加后減少，說明內部結構先增強，而后有所減弱，其余4 個品種混合面團的G’和G”整體呈上升趨勢，這說明混合面團系統內部結構變強。稻米中含有一定量的谷蛋白，但是結構與麥谷蛋白不同，且醇溶蛋白含量較少，無法形成像高筋粉中麥膠和麥谷蛋白作用下的黏彈比。但是米谷蛋白占米蛋白的80%左右[22]，其中含有較多數量的分子內和分子間的二硫鍵[23]，并且稻米粉吸水率高于小麥粉[24]，其中的淀粉和水通過氫鍵發生重要的作用[9]，從而使得混合粉面團膠體系統的內部結構有所增強。隨稻米粉添加量梯度增加混合面團的tanδ整體呈規律性下降趨勢，說明彈性相對于黏性在變強。

2.2 混合粉面團的溫度掃描動態流變學

將6種黑龍江稻米粉分別按比例與高筋粉混合，經流變儀溫度掃描后所得結果如圖3所示。在20～100 ℃范圍內隨著掃描溫度的升高，混合面團的G’和G”均在60 ℃左右發生驟然增加，分別在溫度75 ℃和70 ℃時達到最大值，說明混合粉在升溫過程中，超過60 ℃后開始形成熱誘導凝膠，在一定程度上促進了小麥粉面團的變性，使混合面團的彈性、黏性顯著地增大。該溫度掃描曲線與淀粉的糊化變化曲線相似，與Xu Fen等[6]的研究結果一致，由此可知在生面團加熱的過程中，影響其流變學特性的主要成分為淀粉。據相關資料報道，面團升溫后面筋有軟化和液化作用，不再構成骨架[12,25]。升溫過程中tanδ隨著溫度的升高而逐漸下降，在溫度為65 ℃后下降明顯，tanδ由0.42下降到0.11，說明溫度超過65 ℃后混合面團的彈性相對于黏性迅速增加，制作發酵類的產品時，更利于捕獲氣體[26]。稻米粉添最大加量40%時，混合面團的G’、G”均為最大值，混合面團的tanδ最小，該結果與頻率掃描結果相一致。

圖3 不同品種稻米-高筋粉混合面團的溫度掃描曲線Fig. 3 Temperature scanning curves of doughs made from mixtures of rice flours from different cultivars and high-gluten wheat flour

G’在降溫過程中整體呈先上升后下降的趨勢，溫度高于60 ℃時，隨溫度的降低G’增加，彈性變強，不同稻米粉添加量的差異性不大，在添加量的影響方面無固定的規律；當溫度降到60 ℃以下后，不同添加量稻米粉的儲存模量差異性較大，呈非規律性變化。G”在降溫過程中基本呈現上升趨勢，溫度高于60 ℃時，隨溫度的降低G”逐漸增加，黏性增強，隨稻米粉添加量的增加，G”有所降低，但差異性不大；當溫度降到60 ℃以下后，不同稻米粉添加量的損耗模量的差異性較大，且呈非規律性變化。降溫過程中，溫度高于60 ℃時，tanδ略有增加，隨稻米粉添加量的增加tanδ減小，但差異性極小，在溫度降到60 ℃以下后tanδ變化規律性差。升溫過程中面團蛋白組分發生了變性，不能再賦予面團黏彈特性[27]，并且淀粉完成了糊化，降溫過程G”和tanδ的變化與淀粉老化曲線相似度較大，所以推測降溫過程中面團基礎流變學特性的變化主要是組成成分中淀粉的老化作用引起的。降溫開始后，系統能量降低，為了維持能量的平衡，淀粉發生重結晶，G’和G”均增加，tanδ變化不大，說明黏彈比一直維持在一定的水平，且稻米粉的添加對混合粉面團的老化影響不大，當溫度降到60 ℃以下后，G’、G”以及tanδ規律性均較差。在整個降溫的過程中樣品均具有類固體的性質[16]。

2.3 混合粉面團的蠕變特性

添加稻米粉對混合粉面團蠕變曲線的影響如圖4所示。蠕變恢復是一種常用的測定物體形變的方法，相同的應力作用在面團上，而應變隨著時間的推移改變。在蠕變階段之后通常是恢復階段，去除外加應力的非常階段，這個方法可以表征面團在一段時間內的黏彈性行為。在應力施加階段，隨著時間的延長最大蠕變應變量逐漸增大，在瞬時卸載應力時應變突然減小，而后隨著時間的推移逐漸減小，直至接近不變。最大蠕變應變被認為是反映面團變形抗力的一個指標[28]。同一時間的相同應力下，隨著稻米粉添加量的增加所產生的最大蠕變應變量逐漸減小，當稻米添加量為10%～30%時面團最大蠕變應變量差異性不明顯，添加量為40%時有明顯的變化。Wang等[29]研究了分別采用弱力粉和強力粉制作的面包的蠕變行為，并提出利用最大蠕變應變來表征面團的強度。因此表明稻米粉添加量達到40%時，混合面團變形更難，表現出較高的抵抗壓力，該結果與上述頻率掃描的結果一致。而后在卸載應力后應變恢復所需要的時間逐漸減少。不同稻米粉添加量使得混合面團的蠕變特性呈現差異性。龍稻20號稻米粉添加量的增加使面團最大剪切應變均勻下降。當龍稻23號稻米粉添加量為10%時，混合面團蠕變恢復特性表現較為優異，短時間內施加應變其形變量大于純高筋粉面團，當時間大于80 s混合面團所產生的應變小于純高筋粉面團，而卸載應力后混合面團可以更快地恢復其彈性形變。龍稻5號、龍稻23號、龍稻25號、龍稻46號隨著稻米粉添加量的增加，最大蠕變應變量減小，但是20%和30%的蠕變曲線接近，且添加量為30%的混合面團在施加應力時前80 s產生的應變大于添加量20%的混合面團，說明在短時間內添加量30%的混合面團更容易發生形變，隨著時間的延長，面團結構強度增加，應變抗力變大。綜上，當添加稻米粉后雖然面筋蛋白有所稀釋，但隨著稻米粉的添加使整個面團體系發生改變，分析原因可能是稻米粉中的淀粉更易吸水膨脹相互黏附，起到了增稠劑的作用，導致結構改變，賦予面團更高的彈性模量。

圖4 不同種稻米-高筋粉混合面團的蠕變-恢復曲線Fig. 4 Creep-recovery curves of doughs made from mixtures of rice flours from different cultivars and high-gluten wheat flour

6種稻米粉按比例與高筋小麥粉混合，所得面團的蠕變參數如表1所示。可以看出，本實驗所選取的6 個品種均隨著稻米粉添加量的增加，最大蠕變柔量和瞬時恢復柔量逐漸減小，零剪切黏度和瞬間恢復比率逐漸增加，而最終恢復比率因品種和添加量的差異變化不大。零剪切黏度隨著稻米粉的添加而增大，而面團所產生的最大蠕變柔量卻減小，說明面團內部能量較高，結構變強，阻礙面團發生形變[30]。

表1 不同品種稻米-高筋混合粉面團蠕變參數Table 1 Creep and recovery parameters of doughs made from mixtures of rice flours from different cultivars and high-gluten wheat flour

3 結 論

通過對稻米-高筋混合粉面團的靜態和動態基礎流變學特性的研究表明，從整體上來看，在0.1～20 Hz范圍內隨著振蕩頻率的增加，G’、G’’以及tanδ均在不斷地增加，tanδ恒小于1，具有類固體的特征（G’＞G’’）。稻米粉添加量梯度增加時，動態流變學分析中混合面團的G’、G’’整體呈上升趨勢，tanδ減小，而靜態流變學分析中其最大蠕變應變量、最大蠕變柔量和瞬時恢復柔量逐漸減小，零剪切黏度和瞬間恢復比率逐漸增加，說明隨著稻米粉添加量的增加混合面團系統內部結構變強。在20～100 ℃范圍內隨著掃描溫度的升高，混合粉在升溫過程中開始形成熱誘導凝膠，混合面團的G’、G’’均在60 ℃左右發生轉變，使混合面團的彈性、黏性顯著地增大。在100～20 ℃降溫過程中，降溫初期面團的黏性和彈性均增加，黏彈比tanδ變化不大，且稻米粉的添加對混合粉面團的基礎流變特性影響不大，當溫度降到60 ℃以下后，G’、G’’以及tanδ規律性均較差，在整個降溫的過程中樣品均具有類固體的性質。