劉興麗，趙雙麗，靳艷軍，張 華,*

（1.鄭州輕工業(yè)大學食品與生物工程學院，河南 鄭州 450002；2.河南省食品生產(chǎn)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450002；3.河南省冷鏈食品質(zhì)量安全控制重點實驗室，河南 鄭州 450002）

紫薯富含膳食纖維、維生素、礦物質(zhì)等多種營養(yǎng)成分，還含有對人體有益的植物化學成分，不僅具有良好的抗氧化作用，還具有抗腫瘤、抗衰老、改善人體肝功能的功效，被譽為“防癌之王”和未來的“宇航食品”[1]?！吨袊用裆攀持改希?016）》中推薦每天攝入薯類50～100 g。因此，將紫薯粉添加到小麥制品中，不僅可以豐富面制品種類，而且可以提高其營養(yǎng)價值。但是紫薯蛋白與面筋蛋白的結(jié)構不同，不能形成具有黏彈性的三維網(wǎng)狀結(jié)構，使得產(chǎn)品品質(zhì)降低。為改善混合面制品的品質(zhì)，一些具備面筋蛋白某些特性、可構建網(wǎng)狀結(jié)構、改善面團黏彈性和持氣性的食品配料或加工技術被應用到混合面制品的生產(chǎn)中。目前，國內(nèi)外關于改善混合面制品品質(zhì)的研究主要集中在添加改良劑方面，如親水性膠體、酶制劑、蛋白質(zhì)等[2-4]。

擠壓膨化技術是一種高溫、短時的加工方法，被稱為21世紀食品加工領域的高新技術之一[5]。目前，添加擠壓膨化大米粉、燕麥粉、木薯淀粉、馬鈴薯淀粉、高粱粉等改善面包品質(zhì)的研究已有報道[6-7]。Martínez等[8]向大米粉中添加10%（質(zhì)量分數(shù)）擠壓膨化大米粉，可使大米粉面包的體積增加、面包結(jié)構得到改善。Jeong等[9]研究結(jié)果表明擠壓米粉的添加可以改善面團的黏結(jié)性、回復性、水分分布和蛋糕品質(zhì)。此外，擠壓面粉和黑豆粉的添加降低了油炸食品的吸油率，提高其抗碎性和香味[10-11]。

綜上可知，添加擠壓膨化原料粉能夠顯著改善面團及其最終產(chǎn)品品質(zhì)，而且不同原料粉的粉質(zhì)特性、糊化特性、熱機械學特性等不同，造成對面團的影響也不同。但是擠壓膨化粉的原料主要集中為燕麥、小米、高粱、大米等，對擠壓膨化紫薯粉的研究鮮見報道。因此本實驗對比研究擠壓膨化紫薯粉和紫薯生粉對小麥面團水分分布、糊化特性和熱機械學特性的影響，既可以豐富紫薯粉對面團特性的理論研究，又可以為紫薯粉的應用提供技術支撐，具有重要的研究價值和現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥粉購于河南金苑糧油有限公司；紫甘薯（‘煙176’）由河北省農(nóng)林科學院提供。所有試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設備

Laboratory mill 3100型實驗室粉碎磨、RVA 4500快速黏度分析儀 瑞典波通公司；臺式同向雙螺桿擠出實驗機 美國賽默飛世爾科技公司；新型高速連續(xù)式超微粉碎機 廣州市旭朗機械設備有限公司；Mixolab混合粉質(zhì)儀 法國肖邦技術公司；NM120型低場核磁共振（low field-nuclear magnetic resonance，LF-NMR）儀 上海紐邁電子科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 紫薯生粉的制備

新鮮紫薯經(jīng)過清洗、切分、干燥，粉碎過100 目篩，得到紫薯生粉（糊化度為17.23%）。

1.3.2 擠壓膨化紫薯粉的制備

紫薯生粉通過雙螺桿擠壓機進行擠壓膨化，螺桿轉(zhuǎn)速為275 r/min，擠壓膨化8 個溫度區(qū)間分別為60、80、90、110、120、160、180、180 ℃，物料水分質(zhì)量分數(shù)為22%，然后干燥，粉粹過100 目篩，得到擠壓膨化紫薯粉（糊化度為94.53%）。

1.3.3 紫薯粉基本成分和微觀結(jié)構的測定

紫薯粉中淀粉含量測定參照美國官方分析化學家協(xié)會（Association of Official Agricultural Chemists，AOAC）996.11方法；蛋白質(zhì)含量測定參照AOAC 955.04方法；脂肪含量測定參照AOAC 920.39方法；膳食纖維含量的測定參照AOAC 991.43方法；花青素的含量參照Hosseinian等[12]的pH示差法測定。

使用掃描電子顯微鏡觀察紫薯粉顆粒的顯微結(jié)構變化，加速電壓為20 kV，放大倍數(shù)為400 倍。

1.3.4 混合面團的制備

在小麥粉中分別添加5%、10%、15%（質(zhì)量分數(shù)，下同）的紫薯生粉與擠壓膨化的紫薯粉，添加50%的水，80 r/min攪拌8 min，取出面團，待用，以小麥面團作為對照樣品。

1.3.5 水分分布的測定

使用LF-NMR儀，采用Q-CPMG脈沖序列測定面團的橫向弛豫時間T2。Q-CPMG脈沖序列檢測參數(shù)為：TD=100 130、C0=5 000、Ns=4、T0=1 500 ms；TE=100 μs。按照T2的大小分別記為T21、T22、T23，弛豫時間越短，表明水與底物結(jié)合越緊密；弛豫時間越長，說明水分自由度越大[13]。

1.3.6 面團糊化特性的測定

通過快速黏度分析儀分析擠壓膨化紫薯粉和紫薯生粉對小麥粉糊化特性的影響，具體參考美國谷物化學家協(xié)會方法[14]并稍作改動。稱取3.5 g待測樣品（濕基水分質(zhì)量分數(shù)14%），添加25 mL的去離子水。0～20 s在960 r/min條件下從室溫加熱至25 ℃，然后在160 r/min條件下恒溫60 s，在840 s內(nèi)逐漸升溫至95 ℃后恒溫600 s，570 s內(nèi)降溫至50 ℃后恒溫570 s，根據(jù)糊化曲線計算峰值黏度、谷值黏度、最終黏度、崩解值和回生值。

1.3.7 面團熱機械學特性的測定

Mixolab混合粉質(zhì)儀能全面反映谷物加水揉混成形，研究食物從生到熟，再從高溫到出爐保溫的整個加工過程中的品質(zhì)變化。檢測參數(shù)設定：面團總質(zhì)量為90 g，分別按一定質(zhì)量分數(shù)（0、5%、10%、15%）混合不同紫薯-小麥混合粉，將混合粉放入攪拌缽中進行攪拌，然后按照達到最大扭矩（C1=1.1 N·m）的要求加入一定量的水。測試的初始溫度為30 ℃、保溫時間為8 min，然后以4 ℃/min的速率升溫至90 ℃，保溫8 min后，再以4 ℃/min的速率降溫至50 ℃，攪拌速率恒定為80 r/min。由實驗曲線可得到以下參數(shù)[15]：1）吸水率為面團達到最大扭矩（C1）時所需的水分質(zhì)量分數(shù)/%；2）形成時間為面團在30 ℃下達到最大扭矩所需時間/min；3）穩(wěn)定時間為面團扭矩保持在1.1 N·m的時間/min；4）蛋白質(zhì)弱化度為在30 ℃時最大扭矩與最小扭矩的差值/（N·m）；5）C2為面團形成過程最小扭矩/（N·m）；6）峰值扭矩（C3）為面團在加熱階段產(chǎn)生的最大扭矩/（N·m）；7）C4為面團在保溫階段產(chǎn)生的最大扭矩/（N·m）；8）C5為面團冷卻至50 ℃時的扭矩/（N·m）；9）β為淀粉的糊化速率；10）γ為淀粉降解速率。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所有實驗均重復3 次以上，數(shù)據(jù)通過平均值±標準差表示，采用Microsoft Excel 2013軟件分析處理，采用Origin 8.5軟件作圖，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS 17.0軟件，采用Duncan's多重比較法進行顯著性檢驗（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 擠壓膨化對紫薯粉基本成分和微觀結(jié)構的影響

如表1所示，擠壓膨化降低了紫薯淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪含量，這是由于擠壓膨化可能促進形成淀粉-脂質(zhì)和蛋白-脂質(zhì)的復合物。此外，擠壓膨化紫薯粉花青素的含量高于未擠壓紫薯粉，但是無顯著性差異，可能是因為一方面擠壓膨化破壞了細胞壁的結(jié)構，使花青素容易提取，提高花青素提取率；另一方面擠壓膨化時的高溫造成花青素損失，降低了花青素含量。

表1 原料粉的基本成分Table 1 Basic chemical composition of experimental materials

紫薯粉的顆粒形態(tài)觀察結(jié)果表明紫薯生粉表面光滑、呈橢圓狀；擠壓膨化后紫薯粉橢圓形態(tài)的顆粒結(jié)構已經(jīng)完全破壞，團聚形成棱角分明、斷面較光滑、較大體積的無規(guī)則塊狀結(jié)構（圖1）。這是因為擠壓膨化的高溫、高壓、高剪切力造成淀粉糊化，各種物質(zhì)聚合在一起，形成相互黏連的團聚結(jié)構。黃浩庭[16]也發(fā)現(xiàn)擠壓膨化破壞了紫薯粉橢圓形態(tài)的顆粒結(jié)構，形成無規(guī)則的塊狀結(jié)構，與本研究結(jié)果相一致。

圖1 紫薯粉的微觀結(jié)構Fig. 1 Microstructure of purple sweet potato flour

2.2 擠壓膨化紫薯粉對面團水分分布的影響

LF-NMR可以提供面團內(nèi)部水分在空間和時間方面的信息，顯示水分的變化情況與遷移狀態(tài)[17]。劉銳等[13]研究發(fā)現(xiàn)小麥面團中水分存在3 種形態(tài)，T21表示深層結(jié)合水，主要是與淀粉或面筋蛋白緊密結(jié)合的水；T22表示弱結(jié)合水，主要是結(jié)合于蛋白質(zhì)、淀粉等大分子之間的水；T23表示自由水。圖2為紫薯粉-小麥面團水分橫向弛豫時間T2反演圖，每幅反演圖都有3 個波峰，分別為T21（0.31～0.61 ms）、T22（10.72～12.33 ms）、T23（65.80～86.97 ms），這與劉銳等[13]的研究結(jié)果一致。由表2可知，隨著紫薯生粉的添加，面團的T21增加，說明水分的自由度增加，可能是因為紫薯粉的添加破壞了面筋的網(wǎng)絡結(jié)構，與面筋蛋白結(jié)合的強結(jié)合水量減少[18]；而擠壓膨化紫薯粉的添加反而降低了面團的T21，這表明擠壓膨化一方面改善了紫薯粉膳食纖維的水合作用，另一方面使紫薯粉具有多孔結(jié)構，容易與水結(jié)合，進一步降低面團水分的自由度，使水分能夠與淀粉或面筋蛋白緊密結(jié)合[19]。

相關研究表明合適的水分分布對于面制品的加工至關重要，結(jié)合水促進面筋網(wǎng)絡和超分子結(jié)構的形成，而自由水與面團的流變性有關。3 種狀態(tài)水所占的比例依次為A22（弱結(jié)合水）＞A21（強結(jié)合水）＞A23（自由水）。紫薯粉的添加顯著降低A21（表2），擠壓膨化紫薯粉對小麥面團的影響顯著大于紫薯生粉，而且隨著添加比例的增加，A21降低程度增大，這與蒸汽膨化麥麩對小麥面團的影響[20]一致。擠壓膨化顯著增加破損淀粉含量，破損淀粉可能會與面筋網(wǎng)絡競爭結(jié)合水（T21降低），水從面筋網(wǎng)絡向破損淀粉移動（A21降低），從而造成水分狀態(tài)的重新分布[21]。這一發(fā)現(xiàn)證實了擠壓膨化紫薯粉中糊化淀粉不僅擁有足夠的水結(jié)合位點，也會影響水的移動，這可以歸結(jié)為競爭結(jié)合水的效果，而且影響效果取決于紫薯粉的添加量和處理方式。

圖2 紫薯粉-小麥面團水分橫向弛豫時間T2反演圖Fig. 2 Water inversion results of transverse relaxation times T2 in purple sweet potato-wheat doughs

表2 紫薯粉對小麥面團水分弛豫時間T2及對應峰面積的影響Table 2 Effect of purple sweet potato flour on relaxation time T2 and water populations of dough

2.3 擠壓膨化紫薯粉對小麥粉糊化特性的影響

面團的糊化特性在一定程度上不僅影響面制品的外觀，而且對面制品的質(zhì)地和口感也有影響。由圖3可知，小麥粉的峰值黏度、谷值黏度、終點黏度、崩解值和回生值都是最高的。隨著紫薯粉質(zhì)量分數(shù)的增加，混合粉的黏度顯著下降，這與何兆位等[22]的研究結(jié)果一致。可能是因為紫薯淀粉的粒徑小于小麥淀粉，分子間作用力變大，膨脹阻力升高，黏度降低。此外，擠壓膨化處理的紫薯粉對小麥粉黏度的影響大于同等質(zhì)量分數(shù)的紫薯生粉（表3），這是由于擠壓過程中的高壓高剪切作用使紫薯粉糊化，并將淀粉顆粒由先前的大分子物質(zhì)降解為小分子物質(zhì)，使得所得產(chǎn)品黏度變低。

圖3 紫薯粉對小麥粉糊化特性的影響Fig. 3 Effect of purple sweet potato on pasting properties of wheat flour

表3 紫薯粉對小麥粉糊化特性的影響Table 3 Effect of purple sweet potato flour on pasting properties of wheat flour

隨著紫薯粉質(zhì)量分數(shù)的增加，崩解值整體呈下降趨勢，添加15%的擠壓膨化紫薯粉時，崩解值相對小麥粉下降了35%，說明其熱穩(wěn)定性、抗剪切力和耐攪拌力增強[23]。這一結(jié)果說明，紫薯粉的添加降低了混合粉的平均粒徑，使小分子顆粒間的結(jié)合更加緊密，在吸水膨脹過程中小分子顆粒不容易脹破[21]。

與小麥粉相比，隨著紫薯粉質(zhì)量分數(shù)的增加，混合粉的回生值顯著降低，擠壓膨化紫薯粉降低幅度更大，可能是紫薯淀粉中直鏈淀粉的含量（17.54%）低于小麥淀粉（28.52%），從而降低了混合粉的回生值[24]。回生值與淀粉的重新排列有關，顯著影響產(chǎn)品的老化程度，回生值越高，越容易老化[25]。本研究結(jié)果表明紫薯粉的添加可以一定程度抑制淀粉的老化。但是，在低質(zhì)量分數(shù)時（5%、10%）時，擠壓膨化紫薯粉與紫薯生粉對回生值的影響無明顯差異，可能是因為質(zhì)量分數(shù)較低時混合粉的保水力相似，因此減緩水分轉(zhuǎn)移速度的能力無顯著性差異；同時，在質(zhì)量分數(shù)較低時，與紫薯生粉相比，擠壓膨化混合粉中淀粉鏈斷裂不明顯，導致其在糊化降溫過程中重新排列締合的能力與紫薯生粉無顯著性差異。此外，紫薯粉的添加對糊化時間和初始糊化溫度沒有明顯影響（圖3）。

2.4 擠壓膨化紫薯粉對小麥面團中蛋白熱機械學特性的影響

表4 紫薯粉對小麥面團中蛋白熱機械學特性的影響Table 4 Effect of purple sweet potato flour on thermomechanical properties of proteins in wheat dough

由表4可知，與小麥粉相比，添加了紫薯生粉的面團吸水率隨著質(zhì)量分數(shù)的增加呈上升的趨勢，可能是因為紫薯粉中膳食纖維含量較高，其中含有大量的羥基，與水分子作用，提高混合粉的吸水率[25]。紫薯粉經(jīng)擠壓膨化后，破損淀粉含量增加，淀粉糊化，導致混合粉的吸水率進一步增加，制作同樣質(zhì)量面團所需要的干物質(zhì)含量相對減少，出品率增加。

穩(wěn)定時間反映面團的耐揉性，穩(wěn)定時間越長韌性越好，面筋強度越大[26]。與小麥粉相比，紫薯粉的添加使面團的形成時間與穩(wěn)定時間隨著質(zhì)量分數(shù)增加總體呈縮短趨勢，蛋白質(zhì)弱化度提高。導致該變化的原因是紫薯粉的加入稀釋了小麥面筋蛋白，破壞了面筋蛋白網(wǎng)絡結(jié)構，降低了面團穩(wěn)定性。Liu Xingli等[18]研究表明馬鈴薯粉的添加破壞了小麥面團面筋蛋白網(wǎng)狀結(jié)構，縮短了面團的穩(wěn)定時間，這與本研究結(jié)果相一致。添加擠壓膨化紫薯面團的穩(wěn)定時間長于相同質(zhì)量分數(shù)紫薯生粉面團，可能是擠壓膨化導致了淀粉糊化程度增加，加速了一些可溶性膳食纖維果膠的溶出，果膠與淀粉和蛋白之間相互作用，可能形成一定的交聯(lián)[27]。

2.5 擠壓膨化紫薯粉對小麥面團中淀粉熱機械學特性的影響

由表5可知，峰值扭矩C3隨著紫薯粉質(zhì)量分數(shù)的增加而降低，且均低于小麥粉。紫薯粉中非淀粉多糖會與淀粉競爭結(jié)合水分，阻礙淀粉的吸水膨脹，導致糊化黏度的下降[28]。而添加15%擠壓膨化紫薯粉C3降低效果最明顯，相對小麥粉下降23%，這與表2的結(jié)果一致。紫薯粉經(jīng)擠壓膨化后，一方面淀粉顆粒破裂，顆粒結(jié)構遭到破壞，淀粉糊化，導致吸水膨脹后相互間摩擦力變??；另一方面高剪切作用會使淀粉發(fā)生部分降解，這些都可能導致擠壓膨化后淀粉的糊化黏度下降。此外，擠壓膨化紫薯粉的添加顯著降低糊化速率β和降解速率γ，原因可能是紫薯淀粉結(jié)晶程度高，糊化所需要的熱能高，糊化速率較低；此外，紫薯粉經(jīng)擠壓膨化后，破損淀粉含量增加，提高了酶解速率。

表5 紫薯粉對小麥面團中淀粉熱機械學特性的影響Table 5 Effect of purple sweet potato flour on thermomechanical properties of starch in wheat dough

與紫薯生粉相比，擠壓膨化紫薯粉顯著增加面團的蒸煮穩(wěn)定性（C4/C3），且隨著質(zhì)量分數(shù)的增加而增大，這可能歸因于擠壓膨化紫薯粉的凝膠化作用。C5－C4反映了淀粉的回生特性。與小麥粉相比，添加紫薯粉后回生值均降低，這與Anton等[29]的研究結(jié)果一致。紫薯粉在擠壓膨化處理過程中淀粉鏈斷裂，導致其在糊化降溫過程中重新排列締合的能力減弱。因此，添加擠壓膨化紫薯粉能延緩面團及面制品的老化，延長產(chǎn)品的貨架期。

3 結(jié) 論

在小麥面團體系中加入不同質(zhì)量分數(shù)的紫薯粉，可對面團的水分分布、糊化特性和熱機械學特性產(chǎn)生不同程度的影響。與紫薯生粉相比，擠壓膨化紫薯粉能夠顯著提高面團的吸水率，延長穩(wěn)定時間，增加蒸煮穩(wěn)定性等，降低面團的T21、峰值黏度、崩解值和回生值，說明擠壓膨化紫甘薯粉能夠增加面團的穩(wěn)定性和產(chǎn)量，并有效地延緩面團的老化回生。但是添加擠壓膨化紫薯粉對蛋白弱化度的影響較大，說明擠壓膨化對面筋網(wǎng)絡結(jié)構的破壞作用較大。此外，不同擠壓膨化工藝對紫薯粉糊化度、破損淀粉含量、蛋白結(jié)構等的影響不同，進而可能影響面團及其產(chǎn)品的性質(zhì)，還有待于進一步研究。