基于DMA和DSC分析技術(shù)研究馬鈴薯泥面條特性

范瑩瑩，李家寅，龐凌云，張笑笑，李 瑜*

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450002）

馬鈴薯，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富，是發(fā)達(dá)國(guó)家一種主要食物，是僅次于小麥、水稻、玉米的第四大農(nóng)作物，在我國(guó)產(chǎn)量也很高[1]，其制品薯?xiàng)l、薯片等深受人們喜愛(ài)。隨著近年來(lái)馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略的實(shí)施，馬鈴薯在面制品中的使用也越來(lái)越多，馬鈴薯泥面條就是其中之一。通過(guò)張笑笑[2]、蒲華寅[3]等人的研究，馬鈴薯泥面條工藝方面的研究已經(jīng)很完善，但對(duì)于面條的形成機(jī)理方面的研究還很少。

本研究主要利用動(dòng)態(tài)力學(xué)分析技術(shù)、差示量熱掃描法來(lái)研究馬鈴薯泥面條的形成機(jī)理。

動(dòng)態(tài)力學(xué)分析（DMA）是研究材料力學(xué)性能的重要手段[4]。動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀也可用于食品流變學(xué)性質(zhì)的研究，從而用流變學(xué)理論解釋食品在加工過(guò)程中所發(fā)生的變化。 Kim Y[5]、王遠(yuǎn)輝[6]、張克[7-8]、馮蕾[9]等人，利用動(dòng)態(tài)力學(xué)分析技術(shù)研究面制品的內(nèi)部機(jī)理和品質(zhì)，但國(guó)內(nèi)外相關(guān)的文獻(xiàn)仍然不多。差示量熱掃描（DSC）是目前表征聚合物結(jié)構(gòu)中水分存在狀態(tài)的經(jīng)典方法[4]。劉銳[10]利用差示量熱掃描來(lái)判斷面團(tuán)、面條中水分的存在狀態(tài)，中南林業(yè)科技周文化[11]等人更是發(fā)明出一個(gè)專利，一種使用差示量熱掃描儀檢測(cè)鮮濕面老化度的方法。因此，可以用差示量熱掃描來(lái)分析馬鈴薯泥面條面團(tuán)的水分狀態(tài)。通過(guò)研究馬鈴薯泥面條的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、水分狀態(tài)以達(dá)到探討其形成機(jī)理的目的，進(jìn)而為馬鈴薯泥的開(kāi)發(fā)與利用提供理論基礎(chǔ)和參考。

1 材料與方法

1.1 主要實(shí)驗(yàn)材料

雪健麥芯雪花粉：河南省雪健實(shí)業(yè)有限公司；馬鈴薯：市售；加碘精純鹽:河南省鹽業(yè)總公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

B5A多功能攪拌機(jī)，廣州市威萬(wàn)實(shí)業(yè)有限公司；DHG-9143BS-Ⅲ電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；JMTD 168/140實(shí)驗(yàn)面條機(jī)，北京東孚久恒儀器技術(shù)有限公司；JA6102電子天平，上海精天電子儀器廠；DMA-Q800型動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀，美國(guó)TA儀器；Q200型差示掃描量熱儀，美國(guó)TA儀器公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 馬鈴薯泥面條的制備工藝流程

將稱量好的原輔料混合均勻置于和面機(jī)中，加入蒸餾水，控制面團(tuán)含水率為35%，啟動(dòng)和面機(jī)，攪拌15 min，將上述食材混合均勻，將制成的面絮靜置15 min，軋延4次，最終制成1 mm厚、3 mm寬、220 mm長(zhǎng)的面條備用。

1.3.2 不同馬鈴薯泥添加量的面條制備

取0.6%的食鹽和200 g面粉混合均勻置于和面機(jī)中，再分別按面粉質(zhì)量的25%、30%、35%、40%、45%和55%添加馬鈴薯泥（以下同），加入蒸餾水，控制面團(tuán)最終含水率為35%，按上述面條工藝制備面條。

1.3.3 不同食鹽添加量的馬鈴薯泥面條制備

按面粉質(zhì)量的40%加入土豆泥、10%的水，分別取面粉質(zhì)量的0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%的食鹽（以下同）加入面粉中，按上述面條工藝制備面條，同時(shí)做空白對(duì)照。

1.3.4 不同水添加量的馬鈴薯泥面條制備

在含40%的土豆泥、0.6%食鹽的混合粉中，分別加入面粉質(zhì)量8%、12%、16%、20%的蒸餾水 （以下同），按上述面條工藝加工面條。

1.3.5 馬鈴薯泥面條的DMA測(cè)定

參考馮蕾等人的方法[9]對(duì)馬鈴薯泥面條進(jìn)行溫度變化測(cè)定[12]，略有改動(dòng)。溫度變化范圍為-20℃至40℃，升溫速率為2℃/min，測(cè)定振幅為5 μm，頻率變化為5 Hz。所得鮮濕面條的動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)用G'和G"表示。

1.3.6 馬鈴薯泥面條的DSC分析

精確稱取馬鈴薯泥面條鮮濕面條10±0.02 mg，參照劉銳，武亮等人的方法[4]進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果分析

2.1 馬鈴薯泥添加量對(duì)面條動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)的影響

動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀用儲(chǔ)能(彈性)模量和損耗(黏性)模量表示力學(xué)性能。由圖1、圖2可知：隨著溫度的升高，不同馬鈴薯泥添加量面條的儲(chǔ)能模量和損耗模量總體呈先上升再下降的趨勢(shì)。儲(chǔ)能（彈性）模量（G'）與樣品負(fù)載能力有關(guān)，反映樣品黏彈性部分中的彈性成分，即樣品的剛度；損耗 (黏性）模量（G''），其與樣品隨著溫度變化所消耗能量成正比，反映樣品黏彈性中的黏性成分，即樣品的柔度[13-14]。對(duì)于不同添加量的馬鈴薯泥面條，在升溫的過(guò)程中，馬鈴薯泥添加量為40%時(shí)，馬鈴薯面條的儲(chǔ)模能量值最大，即剛度最強(qiáng)；馬鈴薯泥添加量為25%時(shí)，馬鈴薯面條的損耗模量值最高，即柔度最強(qiáng)。

圖1 不同馬鈴薯泥添加量面條的儲(chǔ)能模量-溫度曲線

圖2 不同馬鈴薯泥添加量面條的損耗模量-溫度曲線

Harris[15]認(rèn)為這是由于馬鈴薯中含有豐富的纖維素和果膠。纖維素可以吸水，增加面粉的吸水率，促進(jìn)蛋白質(zhì)形成面筋網(wǎng)絡(luò)；且果膠利用其凝膠和乳化穩(wěn)定作用[16]，使馬鈴薯泥和面粉充分混合；且馬鈴薯中含有大量的磷酸酯，其以共價(jià)鍵與淀粉結(jié)合，影響馬鈴薯淀粉的吸水膨脹性、抗淀粉酶水解能力及淀粉糊穩(wěn)定性，導(dǎo)致馬鈴薯面條儲(chǔ)能模量和損耗模量逐漸增高。然而馬鈴薯中含有較多的淀粉，不含面筋蛋白，馬鈴薯泥的加入，降低了面團(tuán)中的面筋蛋白的含量，使面條的面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)弱化，在一定程度上破壞了面筋的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致馬鈴薯面條儲(chǔ)能模量和損耗模量的降低。這和Abdel-Aal等人[17-20]的研究結(jié)果一致。

2.2 馬鈴薯泥添加量對(duì)可凍結(jié)水含量與冰晶融化溫度范圍的影響

馬鈴薯泥添加量制作成的鮮濕面條中水分融化焓變、可凍結(jié)水和非凍結(jié)水含量測(cè)定結(jié)果如表1所示。由表1可知，馬鈴薯泥的添加量對(duì)面條的水分融化焓變、可凍結(jié)水含量和非凍結(jié)水含量具有顯著性影響（p<0.05）。隨著馬鈴薯泥添加量的增加,可凍結(jié)水的含量和吸熱焓變值都呈先上升、后下降的趨勢(shì)，非凍結(jié)水含量的變化規(guī)律正好與之相反，且添加35%馬鈴薯面條的可凍結(jié)水含量顯著地高于其它實(shí)驗(yàn)組。在馬鈴薯泥添加量增加到35%的過(guò)程中，面團(tuán)中面筋蛋白的含量是影響非凍結(jié)水含量的主導(dǎo)因素，馬鈴薯泥成分中支鏈淀粉含量較多而不含面筋蛋白[19]；面團(tuán)中面筋蛋白所占的比例逐漸減少，所以非凍結(jié)水含量逐漸減少。馬鈴薯泥添加量由35%增加到55%時(shí),此階段因?yàn)轳R鈴薯中支鏈淀粉含量較大[20]，煮制糊化時(shí)含有大量水分是影響非凍結(jié)水含量的主要因素。

表1 馬鈴薯泥添加量對(duì)面團(tuán)吸熱焓變、可凍結(jié)水含量、非凍結(jié)水含量的影響

由表2可知，隨著馬鈴薯泥添加量的增多，融化起始點(diǎn)與融化溫度范圍逐漸上升而后又逐漸減小。據(jù)研究稱冰晶融化起始點(diǎn)低，冰晶顆粒越小，冰晶融化范圍越窄，冰晶顆粒越均勻[21]，對(duì)面筋結(jié)構(gòu)的破壞作用就越小。非凍結(jié)水含量降低時(shí)，越來(lái)越少的水被結(jié)合在蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，此時(shí)冰晶融化起始點(diǎn)與融化溫度范圍增大；逐漸增多時(shí)，支鏈淀粉結(jié)合的非凍結(jié)水分多，此時(shí)冰晶融化起始點(diǎn)與融化溫度范圍減小。

表2 馬鈴薯泥添加量對(duì)冰晶融化特性的影響

2.3 水添加量對(duì)面條動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)的影響

由圖3、圖4可知，對(duì)于不同水含量的馬鈴薯面條，在相同的溫度下，隨著水含量的增加，面條的儲(chǔ)能模量和損耗模量均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，即表明面條的剛度和柔性均逐漸升高。面筋蛋白與水接觸才能使面筋蛋白發(fā)生作用，形成面筋網(wǎng)絡(luò)；面團(tuán)中水越多，面團(tuán)的黏性會(huì)增大[22]，導(dǎo)致隨著水添加量的增多馬鈴薯面條的儲(chǔ)能模量和損耗模量增加。

圖3 不同水添加量馬鈴薯面條的儲(chǔ)能模量-溫度曲線

圖4 不同水添加量馬鈴薯面條的損耗模量-溫度曲線

2.4 水添加量對(duì)可凍結(jié)水含量與冰晶融化溫度范圍的影響

由表3可知，隨著水添加量的增加，馬鈴薯泥面條的吸熱焓變值和可凍結(jié)水含量均呈現(xiàn)出先下降、后上升的趨勢(shì)，非凍結(jié)水含量呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。這是因?yàn)樗牧吭黾樱苡性絹?lái)越多的水分與面粉中的面筋蛋白形成面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所以非凍結(jié)水的比例增加。水分分布、含量及與其它成分的結(jié)合程度對(duì)面團(tuán)外觀和內(nèi)在結(jié)構(gòu)及制品質(zhì)量有重要影響[23-24]。

表3 水添加量對(duì)面條吸熱焓變、可凍結(jié)水含量、非凍結(jié)水含量的影響

由表4可知，隨著水添加量的增多，融化起始點(diǎn)與融化溫度范圍先減少、后增加，這與表3中可凍結(jié)水百分比保持一致。在水的添加量在8%～12%時(shí)，面筋蛋白結(jié)合的水較多，能使在總含水率增多的情況下，使可凍結(jié)水減少。其融化起始點(diǎn)與融化溫度范圍逐漸減小。在水的添加量由16%增加到20%的過(guò)程中，面筋蛋白結(jié)合水逐漸飽和，在總含水率增多的情況下，可凍結(jié)水逐漸增多，其融化起始點(diǎn)與融化溫度范圍逐漸增大。

表4 水添加量對(duì)冰晶融化特性的影響

2.5 食鹽添加量對(duì)面條動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)的影響

由圖5、圖6可知，對(duì)于不同食鹽含量的馬鈴薯面條，在相同的溫度下，隨著食鹽含量的增加，面條的儲(chǔ)能模量和損耗模量均呈現(xiàn)先增大、再減小趨勢(shì)，即表明面條的剛度和柔性先升高、再逐漸減小。鹽對(duì)面制品品質(zhì)的影響主要是通過(guò)鹽濃度以及蛋白疏水反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，鹽能夠收斂面粉的面筋結(jié)構(gòu)從而改良面條的品質(zhì)，促使面條筋力增強(qiáng)；此外，面團(tuán)中的食鹽的存在，能減緩面條的干燥進(jìn)程，避免出現(xiàn)斷條現(xiàn)象，導(dǎo)致馬鈴薯面條儲(chǔ)能模量和損耗模量逐漸增加。隨著食鹽含量的增加，面條吸水率降低，且高濃度的食鹽阻礙了面筋蛋白的吸水膨脹，導(dǎo)致馬鈴薯面條的儲(chǔ)能模量和損耗模量降低。

圖5 不同食鹽添加量馬鈴薯面條的儲(chǔ)能模量-溫度曲線

圖6 不同食鹽添加量馬鈴薯面條的損耗模量-溫度曲線

由圖可知，在-20～40℃的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，不同食鹽添加量的馬鈴薯面條儲(chǔ)能模量呈現(xiàn)先增高再逐漸降低的趨勢(shì)，即表明面條的剛度先增強(qiáng)再逐漸降低；不同食鹽添加量的馬鈴薯泥面條損耗模量總體呈下降趨勢(shì)，即表明面條柔度均逐漸下降。圖5中溫度在-20～-10℃時(shí)，面條儲(chǔ)能模量增加。在由室溫降低至-20℃的過(guò)程中，重結(jié)晶現(xiàn)象使面條中的面筋結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，導(dǎo)致馬鈴薯面條儲(chǔ)能模量和損耗模量增加。由低溫到高溫的變化過(guò)程中，蛋白質(zhì)和淀粉之間存在的相互作用增強(qiáng)，黏度降低，導(dǎo)致馬鈴薯面條儲(chǔ)能模量和損耗模量降低。

2.6 食鹽添加量對(duì)可凍結(jié)水含量與冰晶融化溫度范圍的影響

由表5可知，隨著食鹽的添加量的增多，在0.8%時(shí)非凍結(jié)水所占的百分比最小，在0.8%～1%時(shí)，非凍結(jié)水所占百分比增加。這可能是因?yàn)槭雏}添加到面條中，可以使面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊縮，面筋質(zhì)地變硬，其中包埋的馬鈴薯泥糊化的淀粉顆粒減少，水分被排擠出去。而過(guò)量地添加食鹽，會(huì)破壞二硫鍵，使其變成游離巰基，結(jié)構(gòu)松散，其承載的馬鈴薯泥糊化的淀粉顆粒與水分增多，所以在1%的添加量時(shí)非凍結(jié)水含量較0.8%時(shí)增多。

表5 食鹽添加量對(duì)面團(tuán)吸熱焓變、可凍結(jié)水含量、非凍結(jié)水含量的影響

由表6可知，隨著食鹽添加量的增多，其融化起始點(diǎn)與融化溫度范圍整體大致呈先上升、后下降的趨勢(shì)。這與表5中得到的可凍結(jié)水百分比趨勢(shì)大致相同。可凍結(jié)水百分比大時(shí)，存在于面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)外的水分較多，其融化時(shí)融化起始點(diǎn)高、融化溫度范圍高；在鹽的添加量為0.6%～1.0%時(shí)與此相反。

表6 食鹽添加量對(duì)冰晶融化特性的影響

3 結(jié)論

本試驗(yàn)探究了馬鈴薯泥、水、食鹽的添加量對(duì)馬鈴薯泥面條形成機(jī)理的影響。結(jié)果表明：馬鈴薯泥的添加，降低了面團(tuán)內(nèi)面筋蛋白的質(zhì)量百分比，在一定程度上妨礙了面筋的延展，故而馬鈴薯泥面條的非凍結(jié)水含量增加，彈性和黏性下降，即降低面條的勁性，但添加少量時(shí)影響不大；隨著水添加量的增加，馬鈴薯泥面條中的非凍結(jié)水含量增加，使面條中的面筋蛋白較好地與水接觸，并發(fā)生反應(yīng)，促進(jìn)了面筋的形成，增加了面條的彈性和粘性；隨著食鹽添加量的增加，G'、G''均先增大、后減小。食鹽添加量0.6%為其分界值，也就表明此時(shí)馬鈴薯泥面條的剛性和柔性達(dá)到最大。

采用DMA和DSC分析技術(shù)，對(duì)馬鈴薯泥面條的熱力學(xué)性質(zhì)和水分狀態(tài)進(jìn)行研究，是馬鈴薯泥面條形成機(jī)理的重要研究?jī)?nèi)容，為馬鈴薯主食的開(kāi)發(fā)利用提供理論基礎(chǔ)和參考。