辣椒/牛肉粉對小麥面團復合體系流變學特性的影響

錢鑫,連勝青,謝樂,李良怡,胡瀚,張家銘,趙野,周文化*

1(中南林業科技大學 食品科學與工程學院,湖南 長沙,410004) 2(稻谷及副產物深加工國家工程實驗室,湖南 長沙,410004)

小麥粉是人們主食(面條、饅頭)常用的原料之一,隨著人們生活水平的提高以及飲食觀念的變化,注重風味口感的同時對營養價值的關注度也越來越高,因此對面制品類產品的多樣化和功能化有更高需求[1]。目前相關研究顯示,在面團中添加谷物類、果蔬類、中草藥類及香辛料等功能性食材,可以改善面團的色澤和口感,增強面制品的營養價值,同時提高其產品附加值,深受廣大消費者的喜愛[2-4]。調味粉是指食品加工或烹調中能夠調整或調和食物口味的一種粉狀的食品加工輔料,已被證實成分中有多種生物活性物質,包括黃酮類化合物、酚類化合物、皂苷和生物堿等,具有較高的藥用價值和保健價值[5]。目前關于調味粉在面團及面制品中的研究還相對較少,UTAMA-ANG等[6]研究發現,用干蒜粉和干胡椒粉質量比為4∶1,添加量為2%所制成的風味米粉具有較好的物理、化學、質構和感官特性,可作為一種風味和活性成分兼具的功能性食品。BALESTRA等[7]研究發現,生姜粉添加為3%的面包具有較好的流變特性,感官接受度也最高。ISSAOUI等[8]研究發現肉桂和石榴皮粉的加入改變了面包的流變特性,提高了強化面團的營養價值,且這種新產品也更加得到消費者的青睞。

辣椒粉作為一種常見的調味粉,含有較多的不溶性膳食纖維,同時富含多種生物活性物質,如辣椒素、類胡蘿卜素、黃酮類化合物、維生素和礦物質等[9-14]。牛肉粉經高溫高壓烹飪、均質研磨,噴霧干燥及包裝等工藝加工而成,具有獨特的牛肉風味和營養價值,含有較高蛋白質含量,具有人體所需要的多數必需氨基酸(蘇氨酸、賴氨酸)及微量元素,還具有低脂肪、低膽固醇等優點,對增強人體抗病力、細胞活力和器官功能均有顯著作用[15-19]。國內相關研究顯示,將肉粉加入到面制品中,可以改善面制品的品質特性和營養特性[20-22]。添加辣椒粉制作成生鮮面可以有較好的感官特性,并延長了貯藏階段的保鮮期[23]。將辣椒粉和牛肉粉加入到小麥粉中可以改善面團的色澤和口感,增強人們的食欲,從口感和營養方面提升面制品產品,可以兼得營養、美味、健康的特點。而目前市面上所售賣的調味粉種類繁多,且大多是以復合調味粉(由多種單一調味粉及改良劑復合而成,如五香粉、雞精等)為主,在研究復合調味粉對面團及面制品的影響方面,由于成分較為復雜分析起來較為困難,所以受到了限制。為了促進今后調味粉對面制品行業的多樣化發展,研究單一調味粉及2種單一調味粉之間的交互作用對面團流變學特性的影響有很高的研究價值和意義。

目前,關于調味粉(辣椒粉、牛肉粉)對小麥面團流變學特性的研究還未有涉及,流變學特性在很多食品的生產制作中是十分重要的,它關系到產品的機械加工特性、加工條件及最后成品的品質[24-25]。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[26]。由于儀器的限制,實際面團的形變過程較為復雜,對于無限大或無限小(零剪切)的面團的流動特性無法測出,這就需要用模型進行擬合計算。對于小麥面團而言,最為常用數學擬合模型為冪律模型[27-28]、Burgers模型[29-31]對面團流變特性進行分析。其中,面團的流變特征值(黏性、彈性、柔量及恢復率等)是面團的加工特性和品質特征最好的表征手段[32]。

于是本研究旨在在前期的研究基礎上評價辣椒粉、牛肉粉及兩者不同質量比對小麥面團加工特性的影響,從面團流變學特性的角度進行探究,以期為今后調味粉在面制品中的實際生產應用和質量控制,及調味面制品多樣化發展提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥粉(理化指標:水分含量為12.90%,碳水化合物含量為71.15%,蛋白質含量為12.46%,脂肪含量為2.83%,灰分含量為0.62%,淀粉含量為62.18%,膳食纖維為1.34%),湖南南泥灣食品廠;牛肉粉、辣椒粉(辣椒粉的理化指標:水分含量為10.16%,碳水化合物含量為58.91%,蛋白質含量為13.68%,脂肪含量為8.44%,灰分含量為8.81%,淀粉含量為2.92%,膳食纖維為47.57%。牛肉粉的理化指標:水分含量為6.87%,碳水化合物含量為4.31%,蛋白質含量為63.54%,脂肪含量為21.92%,灰分含量為3.37%),湖南省嘉品嘉味生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

JH-HS型鹵素快速水分分析儀,泰州宜信得儀器儀表有限公司;Micro-doughLAB2800型全自動微型粉質儀,瑞典Perten公司;DHR-2型流變儀,美國沃特斯公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 混合面粉的制備

將調味粉(辣椒粉、牛肉粉)按照不同質量比(1∶0、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、0∶1)進行混配,經過前期預試驗,控制調味粉的添加量恒定為6%代替部分小麥粉,從而制備混合面粉樣品,并分別命名如表1所示。

表1 混合面粉樣品的配方Table 1 Formula of mixed flour sample

1.3.2 粉質特性測定

按GB/T 14614—2019測定混合粉粉質特性,共5個參數值:吸水率、形成時間、穩定時間、公差指數以及帶寬。

1.3.3 流變學特性分析

在線性黏彈性區域內,用動態振蕩法測定了面團的基本流變特性。先確定面團樣品的最佳吸水率,以制備完全發育好的面團樣品,將面團樣品靜置5 min以允許松弛和溫度穩定,然后將面團放在平板之間,探頭的直徑是40 mm,間距1 mm,當探頭降下后修剪邊緣多余面團,立刻將密封蓋蓋上,防止測試過程中失去水分。在1 Hz的恒定振蕩頻率下,應變從10-2%增加到102%,對面團樣品的線性黏彈性區域的極限進行測試[33],最終確定面團樣品最適應變條件為0.1%,應力和應變之間存在線性關系。

1.3.3.1 面團的頻率掃描測定

在線性黏彈區域內測定恒定壓力的預試驗條件下,頻率掃描測定在0～20 Hz進行,溫度恒定為25 ℃,選擇0.1%的恒定應變幅度,將所獲得的實驗數據由冪律模型進行數據擬合[34],如公式(1)、公式(2)所示:

G′(ω)=K′·ωn′

(1)

G″(ω)=K″·ωn″

(2)

式中:G′為儲能模量;G″為損耗模量;ω為角頻率,rad/s;K′、K″、n′、n″為實驗常數。

1.3.3.2 面團的蠕變-恢復測定

采用流變儀測定蠕變-恢復特性,在50 Pa的恒定應力下進行,蠕變階段持續時間為60 s,允許樣品在撤出外力后樣品恢復形變,恢復階段持續時間為180 s[35]。蠕變的結果通常用柔量的形式表示,柔量的計算如公式(3)所示:

J(t)=γ(t)/σ

(3)

式中,J為柔量,Pa-1;γ為應變;σ為蠕變試驗中施加的恒定應力,Pa-1。

采用柔量參數(J)隨時間(t)的變化關系對蠕變-恢復試驗數據進行了分析,并用蠕變階段方程[公式(4)]和恢復階段方程[公式(5)]進行了參數Burger模型的擬合[36-37]。其中,Burgers模型是由一個開爾文模型(Kevin)和一個麥克斯韋(Maxwell)模型串聯組成[38]。

J(t)=JCo+JCm[1-exp(-t/λC)]+t/μCo

(4)

J(t)=Jmax-JRo-JRm[1-exp(-t/λR)]

(5)

式中,J為蠕變過程的柔量,t;JCo、JRo為第一要素胡克體彈性柔量,即瞬時柔量,Pa-1;JCm、JRm為延緩柔量Pa-1;t為時間,s;λC、λR為延緩時間,s;μCo為阻尼體黏滯系數,即零剪切黏度,Pa/s;Jmax為蠕變試驗結束時獲得的最大蠕變柔量,Pa-1。

當面團恢復率達到平衡時,評價的恢復率柔度Jr(Pa-1)由JRo和JRm之和計算[39]。用百分比恢復率表示的最大蠕變柔量的相對彈性部分使用公式(6)確定:

(6)

式中:Jmax是60 s蠕變階段的最大蠕變柔量值,對應于最大變形;Jr是恢復階段結束時的柔量值。

1.4 數據處理

使用SPSS 22對得到的實驗數據進行單因素方差分析,試驗結果用平均值±標準差表示。采用Duncan檢驗(P<0.05)來確定平均值之間的顯著差異,相關系數(R2)來評估模型的擬合精度。采用Origin 2018軟件進行數據統計及圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 辣椒/牛肉粉對小麥面團復合體系粉質特性的影響

穩定時間是衡量面團品質的最重要指標之一[40],穩定時間越長,表明面團的韌性越好,面筋的強度越大,加工性質越好[41]。辣椒粉、牛肉粉及兩者不同質量比的面團樣品粉質特性的測定結果見表2。根據實驗結果顯示,與CK組相比,CP、BP組的粉質各指標作用效果表現出差異性。BP組的形成時間、穩定時間均比CK組長,CP組的形成時間、穩定時間均比CK組短。研究顯示,添加適量膳食纖維的成分會改善面團的流變學特性,使其形成時間、穩定時間延長,但過量與面筋蛋白競爭水分,反而會影響面團的結構的形成、吸水性和延展性[42-43]。CP組可能是由于添加辣椒粉過量從而導致較多的膳食纖維影響了其結構的形成。對于MSP-1、MSP-2、MSP-3、MSP-4組來說,由于面團的網絡結構的形成不僅受到辣椒粉成分的影響,還受到牛肉粉成分的影響,較多的蛋白質也會與面團競爭性吸水,對面筋網絡結構進行填充和鑲嵌。隨著混合調味粉中辣椒粉的所占比例的逐漸減小,穩定時間先延長后縮短,公差指數先減小后增大,并呈現顯著性的差異(P<0.05),而帶寬均無顯著差異。MSP-3組相比于MSP-1、MSP-2、MSP-4組來說,吸水率較高,形成時間、穩定時間最長,分別為1.9 min、1.85 min。MSP-3組與CK組相比,吸水率提高了3.33%,形成時間和穩定時間分別延長了3.6%、15.1%。除此之外,MSP-3的公差指數較小,表明面團筋力較強。由表2可知,MSP-3組的穩定時間延長,也側面反映了該質量比的混合調味粉對小麥面團的韌性較好。由此可見,控制辣椒/牛肉粉的質量比可以對小麥面團的粉質效果產生更積極的影響,2種單一調味粉的交互作用會使面筋網絡結構及淀粉凝膠結構之間的耦合效果更強,從而使面團的耐剪切力增強,在加工過程中表現為可以抵抗一定的破壞,穩定性較高。

表2 辣椒/牛肉粉-小麥面團復合體系粉質參數Table 2 Farinograph parameters of chilli /beef powder-wheat dough compound system

2.2 辣椒/牛肉粉對小麥面團復合體系頻率掃描試驗的影響

動態流變是指在頻率掃描模式下的流變行為,通過對黏彈性體施以振動或者周期變動的應力、應變下,產生振蕩剪切特征的研究方法。小麥面團中面筋蛋白具有黏彈性的網絡孔狀結構,并賦予了面團一定的機械性能。辣椒粉、牛肉粉及兩者不同質量比的面團樣品經流變儀掃描后所得的G′、G″及損耗角正切(tanδ)的結果如圖1所示。從整體上來看,在0～20 Hz隨著振蕩頻率的增加,所有面團樣品在高頻率下均比低頻率具有更高的G′和G″值,這表明受壓面團網絡的恢復是一個緩慢的過程,因為面筋網絡具有不完全彈性的性質。在整個頻率范圍內,對照組和所有混合面團樣品的G′均比G″大,表明面團配方具有類固體彈性的性質[44]。面團的這種類固體彈性行為可能歸因于隨著頻率的增加,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,淀粉顆粒之間的排斥力在混合面團樣品中占主導地位,從而獲得更高的模量。由圖1可以觀察到,與CK組相比,BP組的G′、G″值升高,而CP組的G′、G″值降低。添加牛肉粉使小麥面團復合體系模量值升高的原因可能與小麥蛋白與牛肉蛋白之間發生交互作用有關,使得小麥面團復合體系內部分子鏈段之間的纏繞點增多,凝膠結構網絡結構加強。計紅芳等[45]研究發現豌豆蛋白和牛肉鹽溶蛋白之間交互作用增強,形成了更為致密的三維網絡凝膠結構。根據實驗結果表明,在相同頻率的條件下,MSP-3組的G′、G″值達到最大,即達到最大彈性和黏性的狀態,且面團的tanδ處于最小,且對比發現MSP-3組比BP組的tanδ更小。這也證明了辣椒粉和牛肉粉兩者之間復配可以產生比單獨牛肉粉更強的三維網狀結構,體系表現出更為優越的黏彈性,從而導致模量值達到更高,進而影響辣椒/牛肉粉-小麥面團的類固體行為。

a-G′、G″;b-tanδ圖1 辣椒/牛肉粉-小麥面團復合體系的G′、G″和tanδ關系圖Fig.1 Relationship diagram of G′, G″, and tanδ of chilli/beef powder-wheat dough composite system

2.3 運用冪律模型對頻率掃描試驗擬合結果的評價

采用了冪律模型對頻率掃描的結果進行擬合,討論G′、G″與頻率之間的非線性關系,所得到的模量與振蕩頻率依賴關系的參數如表3所示。在0～20 Hz的測試頻率范圍內,G′,G″與振蕩頻率的關系可用冪律模型模擬,相關系數R2分別大于0.99和0.96,這說明本次擬合具有較高精度。其中,K為稠度系數,K的數值在表中呈現的越大,則表明辣椒/牛肉粉對小麥面團樣品面筋增強效果越好。根據表3中K′、K″、n′和n″參數的取值可知,所有試驗組與對照組相比均差異顯著(P<0.05)。與CK組相比,CP組的K′和K″值均比CK組大,BP組的K′和K″值均比CK組小,除MSP-1外,MSP-2、MSP-3、MSP-4組的K′和K″值也均比CK組大。另外,表3中所有組面團樣品的K′均大于K″,表明了彈性特征占主導。K′和K″值也與上述機械圖譜中G′和G′的曲線趨勢呈現出一致性,這也說明了流變特征指標K可做為流變特性的代表性參數進行研究。同時,n′和n″可以表示G′和G″的斜率,所有混合面團樣品的n值均小于1,也說明添加調味粉并未改變小麥面團的流體性質,復合體系仍表現為假塑性流體,呈現剪切稀化特性[46]。表3中MSP-3組的K值和n值分別為5 147.716 8、1 773.103 0,遠高于所有試驗組的面團樣品,說明該配比下兩者復配對內部結構面筋增強效果最好。而MSP-4組的n′比n″的值高,即隨著頻率的逐漸增加,G′增加幅度比G″快,從而導致面團的tanδ值逐漸變小。MSP-4組的K值和n值有所降低,推測可能是因該質量比的混合調味粉的成分在小麥面團復合體系的內部結構中分布較為松散,從而G′和G″又呈下降趨勢。

表3辣椒/牛肉粉-小麥面團復合體系冪律模型擬合的參數Table 3 Parameters of power law model fitting of chilli/beef powder-wheat dough compound system

2.4 辣椒/牛肉粉對小麥面團復合體系蠕變-恢復試驗的影響

蠕變-恢復試驗是一種最典型的靜態黏彈性行為的體現的方法,可以通過對試驗樣品施加恒定應力,從而測量隨時間相應的變形,表征試驗樣品在一段時間內的黏彈性行為[47]。當受到恒定的應力時,黏彈性材料,如面團,由于其部分恢復其初始結構的能力,會呈現出對變形的非線性響應[48],當撤去應力后,彈性材料隨著時間的延長會逐漸恢復其初始的結構[49]。圖2顯示了辣椒/牛肉粉對小麥面團復合體系蠕變-恢復曲線結果。在蠕變試驗中,隨著時間的延長,面團結構強度增加,應變抗力變大,所有面團樣品柔量均出現上升的趨勢。而在卸載應力后,所有面團樣品柔量均出現逐漸下降并呈現逐漸持平的狀態。由圖中可以觀察到,相對于CK組而言,CP組、MSP-1組的整個彈性柔量曲線均高于CK組,而BP組、MSP-2組、MSP-3組、MSP-4組的柔量曲線均比CK組較低。其中MSP-3組的柔量曲線達到最低,也表明MSP-3組所產生的應變較小,面團結構的基質較強。研究表明,蛋白質比例和分布會影響面團的強度和延展性[50]。圖2中通過控制牛肉粉和辣椒粉兩者之間的質量比改變混合調味粉中蛋白質和膳食纖維在復合體系的三維結構的比例和分布,影響面團的蠕變-恢復特性,該結果也與頻率掃描的實驗結果保持一致。

圖2 辣椒/牛肉粉-小麥面團復合體系的蠕變-恢復曲線Fig.2 Creep-recovery curve of chilli/beef powder-wheat dough compound system

2.5 運用Burgers模型對蠕變-恢復試驗擬合結果的評價

將蠕變-恢復試驗結果進行Burgers模型擬合,描述了柔量與時間函數的變化趨勢,得到結果如表4所示。研究顯示,當小麥面團在受到應力時,面團中淀粉分子鏈內的鍵長和鍵角發生變化,形成可以恢復的瞬時柔量(JCo),該柔量與時間沒有關系。而隨著時間的延長,面團中淀粉單個分子的鏈段開始發生運動,由卷曲狀向直鏈狀拉伸,面團發生延緩形變,相對應的柔量為延緩柔量(JCm)[51]。延緩柔量對時間(應力施加時間t以及延緩時間λ)有依賴性性。延緩時間λ值越小,表明面團的回復時間越短、彈性越好[52]。零剪切黏度(μco)可以用來表征面團在應力消失時的流動情況,μco越大越難維持其原有形狀[53]。最大蠕變柔量(Jmax)被認為是面團變形抗力的一個指標,用來表征面團結構單元之間的結合強度,該值越小表示面團的內部能量較高,結構變強,抗形變能力越好[32]。

表4 辣椒/牛肉粉-小麥面團復合體系的蠕變-恢復曲線Burgers模型擬合的參數Table 4 Parameters of burgers model fitting for creep-recovery curve of chilli/beef powder-wheat dough compound system

在整個蠕變-恢復階段的過程中,由于牛肉粉和辣椒粉成分的差異,對小麥面團混合體系抵抗壓力的行為也表現各異。根據整個蠕變恢復試驗階段過程中的數據結果可以看出,在蠕變階段,BP組的瞬時柔量(JCo)和延緩柔量(JCm)與CK組相比顯著降低了50.26%和58.21%,在恢復階段,瞬時柔量(JRo)和延緩柔量(JRm)與CK組相比顯著降低了48.61%和56.27%。BP組的μco與CK組相比增大,CP組的μCo與CK組相比減小,這也說明了BP組在打破流動時所需要的能量較大,抵抗流動能力增強。且在同一時間的相同應力的條件下,CP組與CK組相比Jmax增大,BP組與CK組相比Jmax減小,說明了BP組的抗形變較小,且BP組的Jr/Jmax為38.970 6%,說明了其恢復能力較好。這可能是當面團承受恒定應力時,添加牛肉粉可能對面筋網絡結構進行填充,結構較為緊密,內部分子鏈段相對較為困難,表現為抗變形能力較好,具有更低的瞬時變形和延緩變形,且當消除應力時具有較高的恢復能力。而辣椒粉由于具有較多的膳食纖維在面筋網絡中的鑲嵌不均,表現為結構較為松弛,當體系受到應力時可能會影響該體系的流變特性。對于辣椒粉和牛肉粉兩者進行復配添加的面團樣品(MSP-1、MSP-2、MSP-3、MSP-4組)的數據結果來看,MSP-3組的瞬時柔量(Jo)和延緩柔量(Jm)均達到最小,λ值達到最小,從而證實了MSP-3組具有較高的彈性,這也與上述頻率掃描的結果也保持一致。除此之外,MSP-3組的μCo達到了最大為7.542 1,這一特性也表明MSP-3組在加工時有一定優勢,在打破流動時需要的能量較大,可以維持其原有形狀不易發生流動,抗變形能力較強。另外,隨著牛肉粉的質量比占比增大,Jmax呈現先變小后變大的趨勢。其中,MSP-3組的Jmax達到最小,與CK組相比額外降低了84.71%。研究顯示,呈現較低的柔量值和較高的零剪切黏度的面團往往表現出高彈性的恢復值[35]。MSP-3組的恢復階段的總彈性柔量(JRo+JRm)占面團最大蠕變柔量的59.767 8%,Jr/Jmax達到最大,與CK組相比恢復率升高了35.39%,也驗證了這一觀點。綜上,辣椒粉和牛肉粉質量比為1∶3時,2種單一調味粉成分之間的交互作用對小麥面團復合體系的面筋網絡結構的鑲嵌和填充效果較好,因此MSP-3組表現出面團抗形變能力較好(較高的Jmax),不易黏彈性變形(較低的Jo和Jm),較難發生流動(較高的μco),彈性較好(較低的λC)和較強的恢復能力(較高的Jr/Jmax)。

3 結論

辣椒粉、牛肉粉以及兩者之間的質量比對小麥面團的流變學特性均有較大的影響,經過辣椒粉和牛肉粉合理質量比可以改善小麥面團的黏彈性,使其品質特性和加工適應性達到更好。從獲得的實驗數據的結果來看,辣椒/牛肉粉對小麥面團復合體系的作用效果表現出差異性,辣椒粉由于含有較多的膳食纖維一定程度上會增加小麥面團的混合阻力,使得面團的形成時間、穩定時間縮短,筋力減小,黏彈性表現較差,在受到應力時表現為抗變形能力較差,易發生流動,且恢復力較差;而牛肉粉的加入對小麥面團產生了填充和軟化的作用,使面團的結構彈性增強,表現為面團的形成時間、穩定時間延長,筋力增強,黏彈性表現較好,抗變形能力增強。辣椒粉、牛肉粉兩者進行復配可以表現出較為堅實的彈性行為,面團模量值升高,恢復能力和抗變形能力較好。由此可以推斷出,辣椒/牛肉粉在質量比為1∶3的條件下可以作為一種面筋增強劑,通過兩者之間相互作用使小麥面團內部的三維面筋網絡結構的分布和鑲嵌達到最佳,導致S—S共價交聯鏈增強,表現為面團基質增強,在應力條件下提供了抗變形能力,面團的可加工性較好。本實驗通過研究調味粉對小麥面團的流變學特性的影響,有助于進一步了解探究其對面制品(如鮮濕面、干掛面等)的加工特性的影響,為今后調味面制品奠定了一定的理論基礎。