粗戊聚糖對特二粉面筋聚集特性及顯微結構的影響

趙龍源，張長付，周孟清，李京格，馬金婷，王杭，范沛，李海峰，王金水，賈峰

（河南工業大學 生物工程學院，河南 鄭州 450001）

粗戊聚糖是從小麥麩皮中提取的水溶性非淀粉多糖，主要由木聚糖、阿拉伯聚糖[1-3]、葡萄糖以及微量半乳糖組成[4]，在面粉中的含量為0.62%～0.90%[5]，但它的吸水量較大，與面筋蛋白爭奪水分，從而改變面筋發育的過程[6]。粗戊聚糖可相互交聯形成復雜的三維網絡結構，改變蛋白質間的吸引力[7]，可提高面筋網絡的彈性、增強面團黏彈性[8]、改善面團加工性能。粗戊聚糖降解后可提高面團的持氣性，使發酵過程中產生的CO2擴散速率得到延緩，改善面包的內部質構[9]，增大面制品產品的體積[10]，提高感官評分[11]，延緩產品的老化[12]。適量添加粗戊聚糖可顯著改善饅頭的體積、色澤、質構特性和感官特性[13]。粗戊聚糖也是一種易被人體接受的膳食纖維，能調節體內環境、改善人體微循環、激活自身的自愈系統，同時還具有調節腸道菌群、改善腸道環境、降血糖及免疫等多種活性功能[14]。試驗結果表明粗戊聚糖可調節糖尿病小鼠腸道菌群平衡，降低血糖水平[15]。添加粗戊聚糖制作的曲奇餅干，不僅口感酥松香甜，還可補充膳食纖維[16]。但是，粗戊聚糖降解過度會造成面團發黏、面粉的烘焙和蒸煮品質下降[11，17]。

特二粉作為我國北方制作主食的常用面粉[18]，其面粉面筋聚集特性直接影響面團的加工特性[19]。目前，面筋聚集儀具有測試時間短、樣本量小、快速分析小麥面筋聚集特性的優點[20]，其主要參數包括峰值時間、峰值扭矩與能量面積等參數，反映面筋的品質特征及酸面團的特性[21]，可評價面團常規的流變學特性[22-25]。小麥粉面筋蛋白聚集特性可作為快速評價面團品質的一個關鍵指標。但是，粗戊聚糖對面筋聚集特性的影響作用效果尚不清晰。

本試驗探究不同濃度的粗戊聚糖溶液對小麥特二粉面筋聚集特性以及面筋顯微結構的影響，通過分析添加粗戊聚糖對特二粉面團特性的影響，以期為其它不同類型的小麥粉及面粉加工行業利用粗戊聚糖改良與強化面粉品質提供有益的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

特制二等小麥粉（簡稱特二粉）：五得利面粉集團新鄉有限公司；粗戊聚糖：河南工業大學生物工程學院糧油儲藏與生物加工技術實驗室前期從小麥麩皮中提取。

1.2 儀器與設備

GlutoPeak 面筋聚集儀：德國Brabender 公司；Nikon E200MV 顯微鏡：南京尼康江南光學儀器有限公司；AWE-DM0412 低速離心機：無錫得凡儀器有限公司；FA1104N 電子天平：上海精密科學儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 特二粉面筋聚集特性的測定

粗戊聚糖與特二粉的總質量為8.0g，蒸餾水為9mL，水粉比為9∶8（mL/g）。配制濃度為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的粗戊聚糖溶液，混合后加入面筋聚集儀開始測定。以未添加粗戊聚糖作為對照組進行試驗。面筋聚集儀檢測條件：溫度25 ℃，轉速2 500 r/min，測定時長300 s，分別記錄峰值時間（peak maximum time，PMT)、 峰值扭矩（Brabender equivalents maximum，BEM）、聚集能量（aggregation energy，AgE）。

1.3.2 面筋聚集過程中5 個關鍵點的位置選取

根據面筋聚集過程中扭矩和時間的變化情況（圖1），分別選取5 個典型點進行檢測：A（平穩起始點）、B（聚集起飛點）、C（峰值扭矩點）、D（聚集結束點）、E（記錄結束點）。根據能量聚集特性，又分為三部分：啟動能量（儀器啟動到扭矩達到基本平衡的階段，即零點到A 點，S1）、穩定能量（儀器的扭矩基本穩定到面筋聚集形成之前的一定扭矩基本不變的階段，即A點到B 點，S2）和聚集能量（面筋聚集形成之前扭矩急劇增加到達峰值扭矩之后15 s 這一段時間的能量，即B 點到C 點之后15 s 處，S3）。C 點處對應的時間為峰值時間，對應的扭矩為峰值扭矩。具體取樣過程為在面筋聚集儀運行過程中，提前確定5 個關鍵點的運行時間，待到達對應時間后，迅速暫停面筋聚集儀，取出相應面團取樣檢測。

圖1 面筋聚集過程選取5 個關鍵點的位置Fig.1 Location of five key points selected in gluten aggregation process

1.3.3 特二粉面團顯微結構觀察

選取A～E 點的面團樣品，制成顯微觀察玻片，使用Nikon E200MV 顯微鏡分別觀察40、100、400 倍下的面筋蛋白網絡結構及淀粉顆粒的分布情況。

1.4 統計分析

結果采用Microsoft Excel 2019 進行統計分析。評估統計學意義采用SPSS Statistics.27 的Duncan’s 分析，顯著性水平為P＜0.05。

2 結果與分析

2.1 粗戊聚糖對面筋聚集特性的影響

粗戊聚糖對面筋聚集特性的影響如圖2 所示。

圖2 粗戊聚糖對面筋聚集特性的影響Fig.2 Effect of crude pentosan on gluten aggregation characteristics

由圖2 可知，隨著粗戊聚糖溶液濃度的增加，面筋聚集時間明顯縮短。添加粗戊聚糖可使面筋聚集的形成過程加快，粗戊聚糖具有一定的黏度特性，隨著濃度的增加，在溶液中通過分子間的氫鍵聚集作用逐漸增強，分子間相互纏結形成網絡[26]，可能是由于粗戊聚糖分子與面團中的蛋白質發生相互作用，引起面筋蛋白聚集，導致面團的特性發生改變，峰值時間呈現下降趨勢，峰值扭矩呈現上升的趨勢。結果表明，在特二粉中添加粗戊聚糖能明顯改變面筋聚集特性，特二粉的面筋品質降低，可能會影響面筋蛋白網絡結構的穩定性。

2.2 粗戊聚糖對面筋聚集的峰值時間的影響

PMT 是反映麥谷蛋白聚集力學的指標，與蛋白質含量相關。粗戊聚糖對面筋聚集峰值時間（PMT）的影響如圖3 所示。

圖3 粗戊聚糖對面筋聚集特性PMT 的影響Fig.3 Effect of crude pentosane on PMT of gluten aggregation characteristics

由圖3 可知，隨著粗戊聚糖溶液濃度的升高，PMT明顯下降。粗戊聚糖溶液濃度為0.5%和1.0%時，PMT與對照組相比顯著下降。當粗戊聚糖溶液濃度為2.5%時，PMT 與對照組相比下降了47.90%。粗戊聚糖溶液濃度與PMT 之間的關系符合負相關關系：y=-7.59x＋86.80（R2=0.945 7）。PMT 隨著蛋白質和面筋含量的增加而減少[27]，結果表明，添加粗戊聚糖后能顯著調節面筋聚集特性的PMT，改變面筋的聚集，導致面筋構象的改變。

2.3 粗戊聚糖對面筋聚集的峰值扭矩的影響

BEM 值的大小反映了破壞面筋時所需要的力，峰值扭矩越大，則破壞面筋時所需要的力越大[22]。粗戊聚糖對面筋聚集峰值扭矩（BEM）的影響如圖4 所示。

圖4 粗戊聚糖對面筋聚集特性BEM 的影響Fig.4 Effect of crude pentosane on BEM of gluten aggregation characteristics

由圖4 可知，添加粗戊聚糖后，BEM 呈上升趨勢，與對照組相比差異顯著（P＜0.05）。對照組的BEM 最小，為49.00 BU，BEM 隨著粗戊聚糖溶液濃度的增加而增加，但上升趨勢較緩。粗戊聚糖溶液濃度在0.5%～1.5%時，差異不顯著，BEM 保持在58.00 BU 不變。粗戊聚糖溶液濃度為2.5%時，BEM 為59.00 BU，上升比例達到16.95%。粗戊聚糖溶液濃度與BEM 值之間的關系符合正相關關系：y=1.73 x＋51.03（R2=0.628 4）。結果表明，隨著粗戊聚糖的添加，面筋強度增強，峰值扭矩顯著提高。

2.4 粗戊聚糖對面筋聚集的能量面積的影響

粗戊聚糖對面筋聚集能量面積的影響如表1 所示。

表1 粗戊聚糖處理對面筋聚集過程中能量的影響Table 1Effect of crude pentosane treatment on energy during gluten aggregation

由表1 可知，粗戊聚糖添加后S1整體呈波動上升趨勢，與對照組相比明顯增加；粗戊聚糖溶液濃度增加到2.0%時，S1達到最大值137.85 cm2，溶液濃度增大到2.5%時，S1與添加粗戊聚糖后相比差異顯著（P＜0.05）。添加粗戊聚糖后S2呈明顯的下降趨勢，溶液濃度增大到2.5%時達到最低值65.00 cm2，S2與粗戊聚糖溶液濃度呈負相關。隨著粗戊聚糖溶液濃度的增加，S3呈波動上升的趨勢，粗戊聚糖溶液濃度為2.5%時有最大值1 599.75 cm2。聚集能量作為面筋聚集動力學的指標，與峰值扭矩呈正相關[22]。結果表明，添加粗戊聚糖能顯著地改變面筋聚集過程中的能量分布，降低S2、增加S3。

2.5 粗戊聚糖對面筋聚集過程中面團顯微結構的影響

添加粗戊聚糖對面筋聚集過程中面團的顯微結構的變化如圖5 所示。

圖5 粗戊聚糖處理對面筋聚集過程中面團顯微結構的影響Fig.5 Effect of crude pentosane treatment on microstructure of dough during gluten aggregation

由圖5 可知，對照組中，A 點處結構松散，還沒有形成面筋蛋白網絡結構，對淀粉顆粒的包裹性差；B 點處蛋白質網絡結構初步形成，分散狀態更加均勻；隨著扭矩的逐漸增大，在C 點處已初步形成面筋蛋白網絡結構；由于扭矩的持續增加，D 點處面筋蛋白網絡結構仍呈現出有規律的排布；E 點處面筋蛋白網絡結構被完全打碎，網絡結構消失，此時淀粉顆粒與面筋蛋白的分布最均勻。添加粗戊聚糖后，與對照組相比，面筋對淀粉顆粒的包裹性略強，面筋聚集趨勢更明顯；B點時網絡交聯程度增強，淀粉顆粒與面筋蛋白的分布相對均勻，蛋白質網格結構開始形成；C 點時面筋蛋白網絡結構建立，淀粉顆粒與面筋蛋白的分布更為規律，但是面筋網絡之間的孔隙分散不均、大小不一致；D 點的結構形成較好，面筋網絡之間的孔隙較小，有部分面筋網絡已經出現斷裂現象；E 點時蛋白質網絡結構已經被完全打碎，基本沒有了網絡結構，淀粉顆粒與面筋蛋白均勻分布。結果表明，粗戊聚糖的添加不利于面筋蛋白網絡結構分布。安兆鵬等[28]研究表明，在面粉中加入小麥麩皮，會對面筋蛋白的網絡結構造成破壞，面筋蛋白的穩定性下降，與本研究結果一致。

3 結論

本試驗利用面筋聚集儀對面筋的聚集特性進行分析，探究粗戊聚糖對面筋聚集特性的影響，并從面團的顯微結構進一步進行驗證。結果表明，在特二粉中添加粗戊聚糖后，面筋聚集特性的PMT 逐漸縮短，與粗戊聚糖溶液濃度呈負相關關系，而BEM 逐漸升高，與粗戊聚糖溶液濃度呈正相關關系。粗戊聚糖能顯著地改變面筋聚集過程中的能量分布，S2降低，S3增加，S2與粗戊聚糖溶液濃度呈負相關。粗戊聚糖不利于面筋蛋白網絡結構分布。綜上所述，加入粗戊聚糖能改變面粉的聚集特性，為面粉的加工和面團的改良應用提供有益參考。