陳 潔,田貝貝
(河南工業(yè)大學糧油食品學院,河南 鄭州 450001)
目前,工廠主要采用面漿分離法和面團洗面筋法生產小麥淀粉和谷朊粉,這2 種工藝均會產生大量高黏度加工廢水,生產受到其副產物高黏度戊聚糖漿處理限制,現(xiàn)作為廉價的飼料和肥料使用,或在不能及時銷售的情況下當污水排放。但是,研究發(fā)現(xiàn)其副產物戊聚糖漿中的阿拉伯木聚糖(araboxylan,AX)具有抗氧化[1-3]、降血糖[4-5]、調節(jié)腸道功能[6-8]、增強免疫活性[9-10]等生物活性,AX可以降低部分慢性病的發(fā)生率,如動脈硬化、糖尿病、癌癥等。AX是由木聚糖(主鏈)和阿拉伯糖(側鏈)組成的可被木聚糖內切酶降解的高黏度、高持水性多糖。由于AX與面筋蛋白的相互作用以及其自身較好的持水性和高黏性,可影響面團流變學性質及饅頭品質[11-14]。此外,AX的分子質量及與之連接的阿魏酸對面包的烘培質量和面團特性也有很重要的影響作用[13,15]。國內外學者的研究重點為AX對小麥產品品質的影響,研究對象主要集中在面包上,而對饅頭的研究無論從廣度上還是深度上都有很大差距。饅頭是中國的傳統(tǒng)主食,在我國北方,約有70%的小麥用于饅頭的制作,南方饅頭的消費量也日益增加。隨著生活水平的提高,人們對饅頭制品在品質、功能、營養(yǎng)上的要求也愈來愈高。近年來,中國國內學者開始深入探究具有功能活性的AX對小麥粉面團特性及其饅頭品質的影響。
不同來源的AX功能特性不同,Mccleary等[16]研究指出小麥麩皮水溶性AX可以明顯改善面團特性,小麥麩皮水不溶性AX對面團特性有明顯的弱化作用,而面粉水不溶性AX對面團特性具有改善效果,但不太明顯。由于麥麩和小麥淀粉廢水中AX的提取工藝不同,又源于谷物的不同部位,會導致其功能特性不同。目前各學者的研究重點是通過添加麩皮AX來改善小麥制品的營養(yǎng)品質,小麥淀粉加工產生的廢水AX對面團特性及饅頭品質的影響鮮有研究。本實驗以從小麥谷朊粉和淀粉的加工廢水中分離的具有功能活性的AX為對象,深入探究不同分子質量AX對面團流變學特性及饅頭品質的影響機理,為開發(fā)高纖饅頭食品和小麥淀粉加工廢水的利用價值提供理論參考。
小麥淀粉加工廢水 鄲城財鑫糖業(yè)有限責任公司;木聚糖內切酶(酶活力為16 114.9 U/g) 丹麥諾維信公司;金苑精制粉 河南金苑糧油有限公司;無水乙醇、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、氯化鈉均為分析純。
AL204電子分析天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;電子天平 福州華志科學有限公司;DL-5000B-B離心機 上海安亭科學儀器廠;FD-1A-50冷凍干燥機 北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司;Wyatt Technology DAWN EOS多角度激光光散射儀、Farinograph-AX全自動粉質儀 德國Brabender公司;JCXZ面團成型機 北京東孚久恒儀器技術有限公司;TA-XT plus質構儀 英國Stable Micro System公司;MicroMR-CL-I變溫型核磁共振食品農業(yè)成像分析儀上海紐邁電子科技有限公司;RVA-4型快速黏度儀澳大利亞Newport科學儀器公司;Quanta250FEG掃描電子顯微鏡 荷蘭Phenom公司;F3流變發(fā)酵測定儀法國Chopin技術公司。
1.3.1 AX樣品的制備
水提AX的制備:小麥淀粉加工廢水(固形物質量分數(shù)為10%)→離心(4 500 r/min離心20 min,下同)→上清液→95 ℃保溫20 min(蛋白質變性)→二次離心→上清液→濃縮醇沉(濃縮至原液體積的1/5~2/5;乙醇最終體積分數(shù)為60%,自然沉降4 h,下同)→沉淀物經乙醇洗滌后、加水溶解→離心→上清液→濃縮醇沉→沉淀物冷凍干燥→水提AX。
酶提AX的制備:小麥淀粉加工廢水(固形物質量分數(shù)為10%)→調節(jié)pH 4.0~6.0→添加0.1%木聚糖內切酶(以料液中固形物的質量計)→50 ℃恒溫振蕩1.5 h→離心(離心時間20 min,轉速4 500 r/min,下同)→上清液→滅酶(95 ℃保溫20 min)→二次離心→上清液→濃縮醇沉(濃縮至原液體體積的1/5~2/5;乙醇最終體積分數(shù)為60%,自然沉降4 h,下同)→沉淀物經乙醇洗滌后、加水溶解→離心→上清液→濃縮醇沉→沉淀物冷凍干燥→酶提AX。
1.3.2 水分的測定
參照GB/T 21305—2007《谷物及谷物制品水分的測定》常規(guī)法進行測定。
1.3.3 相對分子質量的測定
采用激光光散射法。色譜條件:色譜柱:TSK Gel G4000PWxl;流動相:0.1 mol/L NaCl溶液;流速:0.5 mL/min;樣品質量濃度:1 mg/mL;進樣量:200 μL。
1.3.4 面團粉質特性的測定
參照GB/T 14614—2006《小麥粉 面團的物理特性 吸水量和流變學特性的測定 粉質儀法》分別測定混合粉的粉質特性。吸水率是指面粉被和成最大稠度為500 BU的面團時所需的加水量。面團的形成時間是指水和面相互作用至形成面團所需的時間。穩(wěn)定時間是指面團攪拌穩(wěn)定性,穩(wěn)定時間長,表明面筋強度大,面團的韌性好。弱化度是指面團耐機械攪拌的承受能力。粉質質量指數(shù)指從開始揉面到曲線達到最大稠度后再下降30 FU處的距離,是評價面粉質量的一個重要指標。
1.3.5 饅頭樣品的制備[17]
分別稱取適量AX樣品溶于適量水中(加水量為粉質儀測得吸水率76%),然后加入適量精制粉和0.8%高活性干酵母,于和面機中混合12 min形成穩(wěn)定面團,多次壓延后卷起、刀切成型(約110 g),置于醒發(fā)溫度35 ℃、相對濕度88%的醒發(fā)箱中醒發(fā)35 min。沸水汽蒸18 min,小火2 min,停火5 min后,取出自然冷卻1 h后待測。
1.3.6 面團水分分布的核磁共振波譜測定
參照文獻[18]方法采用核磁共振波譜技術分析饅頭面團的水分分布變化。取處理好的面團(20 mm×4 mm×4 mm)于核磁測試管中,并用保鮮膜將核磁測試管封口。將樣品測試管置于磁場線圈中心位置,對樣品進行CPMG脈沖序列掃描測定:采用點數(shù)22290,回波個數(shù)1 000,反演點數(shù)400,重復掃描次數(shù)32,弛豫衰減時間1 s,弛豫時間點數(shù)200,迭代次數(shù)1 000 000。
1.3.7 面團流變發(fā)酵特性分析
取制好的饅頭面團315 g于F3流變發(fā)酵測定儀的發(fā)酵容器中,使其盡量平整的覆蓋容器底部,加配重片,按規(guī)定操作使其密封后進行連續(xù)測試。測定溫度28 ℃,測定周期3 h。
1.3.8 饅頭質構特性的測定[19]
將蒸制好的饅頭自然冷卻1 h,使用切片機切成15 mm待測饅頭片,取中間兩片進行測試。質構儀使用P/35R探頭測定,結果取6 次平行實驗的平均值。測定條件:測前速率3 mm/s,測試速率1 mm/s,測后速率5 mm/s,壓縮率為70%。
1.3.9 饅頭瓤孔壁的掃描電鏡分析[20]
取進行質地測試后的饅頭于密封袋中恢復5 min,將樣品凍干備用。輕擊凍干的饅頭樣品,使其截面自然斷裂,取大小合適、截面平整的樣品塊,用雙面膠將其固定在樣品臺上,進行噴金處理后,置于掃描電鏡中觀察其微觀結構。
1.3.10 糊化特性的測定
將饅頭樣品真空冷凍干燥后粉碎、過80 目篩。參照GB 24853—2010《小麥、黑麥及其分類和淀粉糊化特性測定》方法,通過快速黏度分析儀測定淀粉糊化特性。
采用SPSS 20分析系統(tǒng)對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,以P小于0.05為顯著性水平,利用Excel 97-2003制作圖表。
小麥淀粉加工廢水受其高黏度的限制,難以分離、提純具有抗氧化活性的AX,木聚糖內切酶可以用于降低戊聚糖漿的黏度以促進AX的分離。由表1可知,2 種方法提取的AX主要含有3 個組分,酶提AX樣品純度較高,而水提AX樣品的純度相對較低,蛋白質質量分數(shù)為18.22%。酶提AX的平均相對分子質量較水提AX小。由于AX由主鏈木聚糖和側鏈阿拉伯糖連接而成,木糖殘基、阿拉伯糖分別經β-(1,4)糖苷鍵連接形成AX的主、側鏈。木聚糖內切酶可以攻擊木聚糖主鏈,隨機切斷β-(1,4)糖苷鍵,使AX解聚,相對分子質量降低。AX的相對分子質量越小越易溶于水,因此,木聚糖內切酶可以提高AX的溶解性,降低其水溶液的黏度,有利于離心上清液的分離,可以得到較高純度的酶提AX。
表1 樣品組分分析及AX的相對分子質量分布Table 1 Purity and relative molecular mass distribution of arabinoxylans
表2 AX對面團粉質特性的影響Table 2 Effect of arabinoxylan on farinograph properties of dough
以小麥粉質量為基準,AX添加量分別為0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、1.25%,以商用金苑精制粉(添加量0%)為空白對照。由表2可知,與空白樣對比,吸水率隨著水提AX添加量的增加而增加,而酶提AX面團吸水率隨之增加而降低;面團的形成時間和穩(wěn)定時間隨著水提AX和酶提AX添加量的增加呈先增加后減小趨勢,添加量分別為0.50%和1.00%時,形成時間和穩(wěn)定時間最長;適量添加這2 種AX對面團的弱化度和粉質質量指數(shù)具有明顯的改善作用,但當添加量超過最適添加量時會削弱此改善作用。綜合分析AX對面團粉質特性的影響,水提AX和酶提AX對改善面團粉質特性的最佳添加量分別為0.75%和1.00%。
添加水提AX使面團吸水率增加,這是由于具有大量親水基團的AX附著在面筋蛋白表面,與面筋蛋白競爭吸水[21-22]。酶提AX的添加降低了面團中淀粉和蛋白質濃度,且木聚糖內切酶使AX降解為小分子質量多糖,降低了AX的吸水能力[12,23],因此使面團吸水率降低。由于AX可與面筋蛋白競爭性吸水,因此延長了面筋網絡的形成時間。面筋充分吸水溶脹的時間延長,面團的耐揉性增強,使面團穩(wěn)定時間延長,其弱化度隨之減小,粉質質量指數(shù)變好。因此添加適量AX可以改善面團的流變學特性。綜合表1和表2可知,AX分子質量越小,其吸水、持水能力越弱,分子質量在一定程度上會影響AX對面團流變學特性的改善作用。
3 種樣品的饅頭面團橫向弛豫時間分布如圖1所示。Engelsen等[24]認為,P1區(qū)域代表與蛋白質緊密結合及包埋于淀粉內部的水,此區(qū)域水流動性差,稱為結合水;P2區(qū)域代表與淀粉及非淀粉多糖結合的水,此區(qū)域水具有一定的流動性,稱為半結合水;P3區(qū)域的水位于淀粉顆粒及面筋蛋白網絡的間隙,此區(qū)域水最易流動,稱為自由水。由表3可知,在純精制粉(空白樣品)、添加1.00%酶提AX、添加0.75%水提AX三種配方的饅頭面團中,P1峰面積比例依次下降,P2峰面積比例依次上升,P3峰面積比例變化不顯著。表明添加AX樣品后,使面團中結合水比例減少,半結合水比例增加。
圖1 饅頭面團橫向弛豫時間(T2)分布Fig. 1 Distribution of relaxation time (T2) of Chinese steamed bread dough
表3 阿拉伯木聚糖對饅頭面團橫向弛豫時間T2的影響Table 3 Effect of arabinoxylan on relaxation time T2 of Chinese steamed bread dough
AX的凝膠與面筋蛋白競爭性吸水,導致面團體系中與面筋蛋白質結合的結合水轉化成半結合水。已有研究表明[23],木聚糖酶可以降低AX的吸水能力,導致水分從AX遷移至面筋蛋白中,使面團中水分重新分布,因此,添加酶提AX的饅頭面團與添加水提AX的饅頭面團相比,P1峰面積比例上升,P2峰面積比例下降。Assifaoui等[25]指出,向面包面團中添加蔗糖,P2峰面積也出現(xiàn)上升趨勢,因為蔗糖更容易與水結合。本實驗結果與其相似。
面團在發(fā)酵過程中,由于微生物呼吸產氣,使面團產生多孔疏松結構,這種結構既要構成饅頭的骨架又要保持氣體不逸散。且持氣能力對饅頭的結構、體積、顏色和口感具有重要影響,因此本實驗通過分析不同配方饅頭的持氣情況,研究AX對饅頭品質的影響。
表4 AX對饅頭面團發(fā)酵流變特性的影響Table 4 Effect of arabinoxylan on rheological fermentation characteristics of Chinese steamed bread dough
由表4可知,與純精制粉饅頭面團(空白樣品)相比,添加酶提AX、水提AX的饅頭面團持氣率顯著增強(P<0.05)。這是因為AX可包裹在蛋白膜表面,使其免受破壞,有利于保持面團中氣室的結構,從而延緩CO2氣體的擴散,增強氣孔的持氣能力。添加水提AX的饅頭面團總產氣量、最大膨脹高度、氣體釋放曲線的最大高度顯著下降(P<0.05),而面團出現(xiàn)孔洞的時間延長。這可能由于水提AX黏度大、持水性強,可影響面團醒發(fā)中的表面活力,而木聚糖內切酶可以改善此作用。
品質良好的饅頭咀嚼度、硬度適中,并有一定的持氣性。硬度太大,饅頭咬起來所需的力越大,口感越差。硬度太小,其嚼勁不足。因此,各指標太大或太小都會影響?zhàn)z頭的品質。
表5 阿拉伯木聚糖對饅頭質構指標的影響Table 5 Effect of arabinoxylan on textural parameters of Chinese steamed bread
由表5可知,以純精制粉饅頭作空白對照組,3 種配方的饅頭,其硬度和咀嚼性指標由大到小依次為空白對照組>水提AX組>酶提AX組;添加AX使饅頭的回復性減小,對于彈性、凝聚性影響不顯著。這是由于AX包裹在面筋網絡的周圍,增強了面團的持氣能力,從而提高了饅頭面團的蓬松度,使饅頭的硬度下降、咀嚼性減小。
圖2 饅頭瓤的掃描電鏡圖Fig. 2 Scanning electron micrographs of crumb of Chinese steamed bread
由圖2可知,與空白饅頭相比,添加酶提AX饅頭的蛋白質網絡結構在擠壓后仍能保持較好的完整性,而水提AX對饅頭的面筋網絡結構造成了一定的影響,擠壓后相當多的淀粉顆粒暴露出來。這是因為水提AX黏附在面筋蛋白表面,與蛋白質競爭吸水,破壞蛋白質分子間交聯(lián),從而抑制面筋蛋白網絡的形成。而木聚糖內切酶降低了AX的吸水能力,使水分從AX遷移至面筋蛋白中,進而為面筋蛋白網絡的形成提供先決條件[23]。與空白饅頭相比,添加酶提AX饅頭的質構較為均勻,而水提AX配方饅頭瓤氣孔不均,可能由于高黏度水提AX可包裹在細胞壁的氣孔上,阻礙饅頭蒸制過程中氣體的釋放,使饅頭瓤氣孔大小不均勻,木聚糖內切酶改善了此破壞作用。
淀粉糊化特性主要由淀粉粒本身特性決定,也受到混合粉中其他組分如糖的影響[26-28]。由表6可知,添加了酶提AX、水提AX的淀粉糊化指標,其峰值黏度、保持強度、黏度衰減、最終黏度、回生值均明顯低于空白對照樣,其峰值時間和糊化溫度均無顯著差異。
添加具有吸水膨脹特性的AX后,小麥粉糊化特性發(fā)生了很大變化,一方面,添加的AX降低了糊化體系中淀粉濃度,另一方面,添加AX后,由于AX對糊化體系中水分的吸收和轉運,又增大了淀粉/水的比例。與淀粉濃度有關的黏度指標如峰值黏度、保持強度、黏度衰減、最終黏度、回生值等黏度性狀均會受到淀粉/水比例的改變而發(fā)生顯著變化。且AX可通過吸收淀粉周圍的水分,影響淀粉顆粒的吸水膨脹,阻止淀粉與淀粉間的交互作用及淀粉與蛋白質分子間的交聯(lián),降低糊化黏度指標。因此,添加AX對以上糊化黏度指標有顯著影響,且AX對淀粉濃度的稀釋作用與對淀粉-淀粉及淀粉-蛋白之間交聯(lián)的阻礙作用,大于由此引起的淀粉/水比例變大所引起的黏度指標的正面升高作用。結果顯示,添加AX對峰值時間和糊化溫度沒有顯著影響,表明淀粉糊化溫度和峰值時間與糊化體系中的淀粉濃度相關性較小。峰值黏度的降低,有助于面團發(fā)酵時充分膨脹,可改良面團的加工性能。
表6 AX對淀粉糊化特性的影響Table 6 Effect of arabinoxylan on rapid viscometer parameters of freeze-dried steamed bread powder
源于小麥淀粉加工廢水的AX可改良小麥粉品質,適量添加AX對面團的弱化度和粉質質量指數(shù)具有明顯的改善作用,其中酶提AX效果最為顯著;AX可以降低面粉的糊化作用,有助于面團發(fā)酵時充分膨脹,可改良面團的加工性能。添加酶提AX的饅頭瓤氣孔較為均勻,且相較于水提AX,蛋白質網絡結構在擠壓后仍能保持較好的完整性。表明木聚糖內切酶不僅可以降低AX的持水性,使水分從AX遷移至面筋蛋白中,促進蛋白質網絡結構的吸水形成,而且可以改善水提AX引起的饅頭瓤氣孔不均的消極作用。因此木聚糖內切酶可以用于提取對面粉粉質和饅頭品質具有更好改良作用的高純度AX。本實驗為小麥淀粉加工廢水的開發(fā)利用價值提供理論參考,對小麥淀粉加工廢水的開發(fā)利用,既減少了環(huán)境污染,也提高了糧食資源的綜合利用率。
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