沈海斌,楊 航,王月慧,*,劉 麗

(1.武漢輕工大學食品科學與工程學院，教育部大宗糧油精深加工重點實驗室,湖北武漢 430023;2.深圳南海糧食工業(yè)有限公司,廣東深圳 518054)

小麥是全世界第一大糧食作物,在我國小麥的種植面積僅次于水稻,但大部分小麥品種的品質(zhì)與國外優(yōu)質(zhì)小麥相比差距較大,主要在于蛋白質(zhì)的含量低,面筋強度弱,面團流變學特性和加工品質(zhì)較差等方面[1]。為了有效拓寬我國自產(chǎn)小麥的應用領域,開發(fā)有效的小麥粉添加劑對我國面粉工業(yè)有十分重要的意義。近幾年來,國內(nèi)學者通過添加膳食纖維、酶制劑、食用膠等改善小麥面團流變特性的相關報道較多[2-6]。

殼聚糖(Chitosan,CTS)是自然界中存在的唯一一種堿性多糖,結(jié)構(gòu)與纖維素極其相似,無毒、無害,具有良好的生物相容性、可生物降解性、生物粘附性等性能。研究證實,殼聚糖還具有降低膽固醇、抑制脂肪吸收、提高機體免疫、改進小腸代謝功能、保護人體組織器官等諸多生理活性功能[7]。

目前,殼聚糖在食品工業(yè)中的應用主要包括抗菌、涂膜保鮮和果汁澄清3個方面[8],而對小麥面團品質(zhì)影響的相關報道較少。本文研究不同添加量殼聚糖對小麥面團流變學特性的影響,以期為拓寬殼聚糖的應用范圍及改良小麥粉品質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

殼聚糖 濟南海德貝海洋生物工程有限公司(具體參數(shù)見表1);小麥粉(含水量13%,蛋白質(zhì)含量11%) 武漢益康面粉廠有限公司(無任何添加劑);三羥甲基氨基甲烷(Tris)、甘氨酸(Glycine)、乙二胺四乙酸(EDTA)、鹽酸胍、5,5′-二硫代(2-硝基苯甲酸)(DTNB) 廣州賽國生物科技有限公司;尿素、HCl 國藥集團化學試劑有限公司。

表1 殼聚糖原料參數(shù)Table 1 Component content of chitosan

面筋測定儀 瑞典Perten公司;Farinograph-E粉質(zhì)儀(揉面缽300 g) 德國brabender公司;Extensograph-E拉伸儀 德國brabender公司;DHR-2動態(tài)流變儀 美國TA公司;T6新世紀紫外-分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品的制備 分別稱取1.2、2.4、3.6、4.8 g殼聚糖添加到適量小麥粉中,使總質(zhì)量為297.5 g。隨后倒入自封袋中,鼓入空氣,上下?lián)u晃20次,得到分散均勻混合粉,放入4 ℃冰箱中備用。

面團制作:將混合粉倒入粉質(zhì)儀的揉面缽中,加入適量蒸餾水。當面團達到最大稠度,且稠度在(500±20) FU之間時,取出面團,稱取(100±0.1) g用塑料膜密封,30 ℃靜置保溫30 min備用。

1.2.2 面筋含量的測定 參照GB/T 5506.2-2008方法。

1.2.3 粉質(zhì)特性的測定 參照GB/T 14614-2006方法。

1.2.4 拉伸特性的測定 參照GB/T 14615-2006方法。

1.2.5 動態(tài)流變特性的測定 稱取5 g上述制備好的面團,立即放在流變儀的測試臺上,進行動態(tài)流變測試。具體操作條件:直徑40 mm平板,狹縫距離1 mm,采用振蕩模式下的頻率掃描測試[9],應變0.1%,掃描頻率0.1～10 Hz;溫度25 ℃。面團在兩板之間再靜置5 min,以松弛殘余應力。

1.2.6 質(zhì)構(gòu)特性的測定(TPA) 取上述制備好的面團,用剪刀制作成邊長為25 mm的正方體。測試條件[10]:實驗使用的探頭為P/100型;測試的操作模式為:壓力測定;操作類型:TPA;壓縮率50.0%;測試前、中、后速率分別為2、1、1 mm/s;觸發(fā)類型設置為:Auto;起點感應力:5 g;數(shù)據(jù)采集速率:200 pps;兩次壓縮之間的間隔為5.0 s。

1.2.7 巰基含量的測定 主要試劑的配制:Tris-Gly 緩沖液(pH8.0):稱取10.4 g Tris,6.9 g 甘氨酸,1.2 g EDTA,加蒸餾水定容至1000 mL,用0.1 mol/L的HCl調(diào)pH至8.0;8 mol/L Urea 溶液:在Tris-Gly緩沖液中加入480.48 g尿素;Ellman’s試劑(4 mg/mL):稱量400 mg DTNB(5,5′-二硫雙-2-硝基苯甲酸),加Tris-Gly緩沖液定容至100 mL。

測定方法[11]:取上述制備好的面團放入-70 ℃冰箱。4 h后取出,撕掉表面的塑料膜,在冷凍干燥機中冷凍干燥36 h,磨粉、過篩后在4 ℃下保存?zhèn)溆?。稱取150 mg過篩樣品,用1 mL Tris-Gly緩沖溶液混勻后加4.7 g鹽酸胍,用緩沖溶液定容至10 mL,室溫下在搖床中振蕩30 min。吸取1 mL 樣品液,加入5 mL 8 mol/L Urea溶液,再加入0.04 mL Ellman’s試劑,迅速混合后在25 ℃下保溫避光反應30 min,用分光光度計測定在412 nm下吸光度值(A412),同時測定空白值(以蒸餾水代替樣品測定)。每個樣品測定3組,取平均值為最終結(jié)果。

巰基含量計算公式如下。

SH含量(μmol/g)=73.53 A412×D/C

式中,A412為λ=412 nm下吸光度值;D為稀釋系數(shù),這里D=6.04;C為樣品的最終濃度,mg/mL。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)應用SPSS 18.0和ORIGIN 8.5軟件進行統(tǒng)計分析。其中,顯著性分析采用Duncan檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 殼聚糖對面團面筋含量的影響

不同殼聚糖添加量的混合粉面筋特性測定結(jié)果如表2所示。由表2可知,隨殼聚糖添加量的增加,混合粉的濕面筋含量、干面筋含量呈升高趨勢。在殼聚糖添加量為1.6%時,分別增加5.66%、1.46%,面筋指數(shù)下降25.94%。濕面筋含量的增加原因在于,殼聚糖與面筋結(jié)合較為緊密,在洗面筋過程中,殼聚糖能夠保留在面筋網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中,干面筋含量的增加進一步證實了這一點。面筋指數(shù)降低,表明面筋筋力變?nèi)?說明殼聚糖的添加對面筋網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)有一定的破壞作用。

表2 殼聚糖對面團面筋含量的影響Table 2 Effect of chitosan on gluten content of dough

2.2 殼聚糖對面團粉質(zhì)特性的影響

如圖1所示,殼聚糖添加量在0～1.6%范圍內(nèi),小麥面團吸水率變化不顯著。隨著殼聚糖添加量的增大,面團形成時間逐漸增加,在添加量為1.6%時,較對照組增加1.7 min,相比增長45%。面團穩(wěn)定時間反映的是面團耐受機械攪拌的能力,面團的穩(wěn)定時間長,說明面團的筋力強。根據(jù)GB/T 17892-1999,一等強筋小麥的面團穩(wěn)定時間≥10 min,二等強筋小麥的面團穩(wěn)定時間≥7 min,當添加1.6%的殼聚糖時,面團穩(wěn)定時間為6.8 min,即接近二等強筋粉的指標。面團弱化度在0～1.6%添加量時逐漸降低,在添加量為1.6%時,相比對照組減少13 FU,說明面筋強度增加,與面筋特性測定結(jié)果相反。Ahmed等[12]研究表明,添加不溶性膳食纖維會使面團混合特性和穩(wěn)定性提高,與本文粉質(zhì)結(jié)果相似。這是由于殼聚糖具有較強的吸濕性,導致面筋的吸水速度減慢,延長了面筋網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的形成時間,且添加量越大,形成時間越長;弱化度的降低原因在于,殼聚糖在面團中同樣起到吸附淀粉的作用,且不易被機械攪拌破壞其結(jié)構(gòu),進而延長了面團的穩(wěn)定時間,而并非增強了面筋強度。張佩芳等[13]研究發(fā)現(xiàn),殼聚糖在酸性條件下能夠快速凝結(jié)淀粉顆粒,表明殼聚糖在面團中吸附淀粉顆粒的作用是確實存在的。

圖1 殼聚糖對小麥面團粉質(zhì)特性的影響Fig.1 Effect of chitosan on farinograph properties of dough注:不同字母表示差異顯著(p<0.05)。

2.3 殼聚糖對面團拉伸特性的影響

將各小麥粉面團經(jīng)45、90、135 min醒發(fā)后,其拉伸特性的測定結(jié)果見圖2所示。

圖2 殼聚糖對小麥面團拉伸特性的影響Fig.2 Effect of chitosan on extensional properties of dough注:圖中不同小寫字母表示相同醒發(fā)時間條件下差異顯著(p<0.05)。

與未添加殼聚糖的對照組相比,相同的醒發(fā)時間下,隨著殼聚糖添加量的增加,拉伸阻力呈先增后減的趨勢,在殼聚糖添加量為0.8%時,拉伸阻力達到最大,分別為339、422、449BU。在醒發(fā)時間為45、90 min時,最大拉伸阻力隨殼聚糖添加量增大，呈明顯的先增后減的趨勢,同樣在添加量為0.8%時達到最大,分別為428、528 BU;但在135 min時,隨殼聚糖添加量的變化無明顯差別,原因可能在于,醒發(fā)90 min時,適量的殼聚糖在面團中充分吸水膨脹,填充在面筋網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中,使面團更加牢固,但殼聚糖添加量過多時,反而對面筋有破壞作用。Rubel等[14]認為,將纖維素添加到面粉中會對淀粉-谷蛋白結(jié)合物造成破壞,由此使面團拉伸阻力和最大拉伸阻力下降,與本文結(jié)果一致。醒發(fā)135 min時,醒發(fā)對面團的影響超過殼聚糖對面團的影響,面筋網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)充分形成,因此最大拉伸阻力受殼聚糖添加量影響不大。相同醒面時間時,殼聚糖添加量在0～1.6%范圍內(nèi),延伸度逐漸降低。拉伸曲線面積在醒發(fā)45 min時,隨殼聚糖添加量增大，呈先升后降的趨勢,最大為86 cm2。面團拉伸曲線面積越大,表明面筋筋力越強;醒發(fā)90、135 min時,面團拉伸曲線面積隨殼聚糖添加量增大，呈微弱的降低趨勢,說明過量的殼聚糖依然對面筋形成造成不利的影響,但醒發(fā)時間對面團拉伸面積的影響更大。

2.4 殼聚糖對面團動態(tài)流變特性的影響

動態(tài)流變儀可以測定物質(zhì)的粘彈性質(zhì),頻率掃描是在恒定溫度條件下改變頻率的動態(tài)流變學測量,可獲得物質(zhì)的彈性模量(G′)和粘性模量(G″)隨振蕩頻率的變化情況,能提供某些材料分子結(jié)構(gòu)方面的信息。由圖3可以看出,隨著殼聚糖添加量的增加,面團的G″和G′均逐漸升高,說明殼聚糖的加入使得面團的粘彈性增加,面團的機械強度增大,與粉質(zhì)結(jié)果相同。損耗角正切tanδ=G″/G′,當tanδ<1時,材料的性質(zhì)類似于固體;反之,當tanδ>1時,材料性質(zhì)類似于流體或粘性系統(tǒng)。tanδ值越小,表明樣品組分中高聚物的數(shù)量越多或聚合度越大,反之則聚合度低的分子占的比例高,因此可從tanδ值的變化大致推斷出樣品組分中高聚物組成的變化[15]。由圖3可知,加入殼聚糖后,面團的彈性模量和粘性模量變化趨勢與對照組一致,均隨著振動頻率的增加而增大,且隨殼聚糖添加量的增加而增加,說明殼聚糖的加入使面團的粘彈性增加。tanδ均小于1,說明面團的彈性比粘性更大,具有類似固體的性質(zhì),且tanδ隨殼聚糖添加量的增加而降低,說明面團中的聚合物含量增加。Bonnandducasse等[16]研究表明,添加水不溶性性膳食纖維會使面團的粘彈性提高。除此之外,在面團形成過程中,殼聚糖與面團中的蛋白質(zhì)、淀粉可能存在復雜的相互作用,導致面團粘彈性增加。殼聚糖還有一定的溶脹能力,能夠增強面團的持水性,Nirmala等[17]和Sonar等[18]認為,物質(zhì)持水性的增強有助于其粘彈性的提高,因此殼聚糖的添加能夠使面團的粘彈性增加。

圖3 殼聚糖對小麥面團動態(tài)流變特性的影響Fig.3 Effect of chitosan on dynamic rheological properties of dough

2.5 殼聚糖對面團質(zhì)構(gòu)特性的影響

硬度和咀嚼性是衡量面制品品質(zhì)的兩個重要指標,在一定范圍內(nèi),硬度和咀嚼性越小,面團越柔軟,面筋形成程度和彈性越差。由表3可知,與對照組相比,隨著殼聚糖添加量的增加,面團的硬度和咀嚼性增大,面團彈性增大,與動態(tài)流變實驗結(jié)果一致。另一方面,硬度和咀嚼性增加意味著面筋形成程度增加,與粉質(zhì)實驗結(jié)果一致,但結(jié)合2.1中,面筋指數(shù)下降,又說明添加殼聚糖會破壞面筋形成,原因歸咎于殼聚糖本身的粘附性和持水性。面團本身是一個弱酸性的環(huán)境,pH在5.2～5.6之間,適量的殼聚糖在面團中會發(fā)生氨基質(zhì)子化反應,形成粘稠、滑膩的形態(tài),具備一定的增稠性質(zhì)[19]。

表3 殼聚糖對面團質(zhì)構(gòu)特性的影響Table 3 Effect of chitosan on textural properties of dough

2.6 殼聚糖對面團游離巰基含量的影響

巰基和二硫鍵在面粉的改良中被認為是影響面筋強度、面粉質(zhì)量以及面團流變學特性的關鍵因素。由圖4可知,巰基含量隨殼聚糖添加量的增加無顯著差異(p>0.05),說明殼聚糖的加入沒有對巰基氧化形成二硫鍵所需的化學環(huán)境產(chǎn)生影響。進一步分析認為,當添加少量殼聚糖時,不溶的殼聚糖能夠鑲嵌在面筋網(wǎng)絡之中,同時部分質(zhì)子化的殼聚糖又具備一定的增稠能力,能夠使面團結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。在添加量超過0.8%時,面筋中無法容納大量的大顆粒殼聚糖,從而對面團穩(wěn)定性產(chǎn)生負面影響,而物理因素對巰基含量無明顯作用。

圖4 殼聚糖對小麥面團巰基含量的影響Fig.4 Effect of chitosan on content of SH of middle-gluten dough

3 結(jié)論

殼聚糖對小麥面團的面筋含量、粉質(zhì)特性、拉伸特性、動態(tài)流變特性、質(zhì)構(gòu)特性均有明顯的影響,其作用因殼聚糖添加量而異。面筋含量測定結(jié)果顯示,殼聚糖添加量為1.6%時,面筋指數(shù)下降25.94%,濕面筋含量和干面筋含量分別增加5.66%、1.46%,原因在于,大部分殼聚糖顆粒被截留在面筋結(jié)構(gòu)中,阻止面筋形成,從而到達破壞結(jié)構(gòu)的作用。粉質(zhì)結(jié)果顯示,添加殼聚可改善面團品質(zhì),且隨著添加量的增加,面團形成時間、穩(wěn)定時間不斷上升,添加量為1.6%時,分別增加1.7、1.3 min,面團弱化度降低13 FU。原因在于,殼聚糖的高吸濕性導致面筋蛋白吸水速度降低,致使形成時間增加。同時殼聚糖發(fā)生氨基質(zhì)子化反應,具有吸附淀粉顆粒的能力,使面團耐機械攪拌能力增強,進而增加穩(wěn)定時間,降低弱化度。殼聚糖添加量在0.8%時,面團拉伸特性最佳,繼續(xù)增加添加殼聚糖,使拉伸特性變差。質(zhì)構(gòu)結(jié)果顯示,面團的硬度和咀嚼性增大,面團彈性增大,與動態(tài)流變實驗結(jié)果一致。巰基含量隨殼聚糖添加量增加無顯著差異(p>0.05)。綜合來看,殼聚糖的最適添加量為0.8%。