小麥A/B損傷淀粉-面筋蛋白混合體系流變學(xué)特性研究

李明菲，安 迪，鄭學(xué)玲，卞 科

河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001

淀粉是小麥粉的主要組分之一，其含量約占70%[1]。小麥淀粉粒以大、小兩種顆粒形式存在，分別被稱為A淀粉粒(簡(jiǎn)稱A淀粉)和B淀粉粒(簡(jiǎn)稱B淀粉)，A淀粉和B淀粉粒徑分別為16～35 μm、5～15 μm，電鏡下呈橢圓形和卵圓形。淀粉從結(jié)構(gòu)上可分為直鏈淀粉和支鏈淀粉，其中，直鏈淀粉可分為游離的直鏈淀粉(FAM)和與脂質(zhì)結(jié)合的直鏈淀粉(LAM)，在淀粉粒中的含量分別為21.5%～25.9% 和5.0%～7.1%,其中LAM含量占直鏈淀粉總量的18%～22%。與A淀粉相比，B淀粉含有較多直鏈淀粉以及脂質(zhì)，差異不顯著。B淀粉顆粒結(jié)合緊密，在冷水中不溶或輕微膨脹，比A淀粉緊實(shí)，且不容易酶解。A淀粉和B淀粉表面結(jié)構(gòu)特性不同，A淀粉表面有溝槽型結(jié)構(gòu)，而B(niǎo)淀粉表面則具有小孔狀結(jié)構(gòu)，使得淀粉粒易吸水膨脹，并被酶以及其他試劑所作用。小麥中A淀粉和B淀粉的結(jié)構(gòu)組成、比例、表面結(jié)合物等特征會(huì)影響淀粉功能特性、面團(tuán)特性及面制品品質(zhì)[2]。A淀粉含量與支鏈淀粉、糕點(diǎn)餅干品質(zhì)呈正相關(guān)；B淀粉含量與直鏈淀粉、面包品質(zhì)呈正相關(guān)[3]。

小麥在制粉時(shí)，由于機(jī)械的碾壓作用，有少量的淀粉外層細(xì)胞膜被損傷，從而造成淀粉粒的損傷[4]。小麥損傷淀粉含量會(huì)影響面粉的很多性質(zhì)，如面團(tuán)流變學(xué)特性和黏度等[5-6]。小麥粉中的面筋蛋白吸水形成面筋網(wǎng)絡(luò)，包裹吸水后的淀粉，形成具有彈性、延展性、可塑性的面團(tuán)，從而具有加工性能。面團(tuán)形成過(guò)程中淀粉粒損傷會(huì)造成酶解、溶解、老化等特性改變，淀粉與面筋蛋白的水合作用最終導(dǎo)致制品品質(zhì)特性的改變。面團(tuán)流變學(xué)特性是小麥粉品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，是小麥粉面團(tuán)耐揉性和黏彈性的綜合指標(biāo)，決定面包、饅頭、面條等最終產(chǎn)品的加工品質(zhì)，為小麥粉分類提供理論依據(jù)[2-3]。目前關(guān)于損傷淀粉對(duì)面團(tuán)的影響主要集中于制品的品質(zhì)特性，而對(duì)于面團(tuán)形成的影響報(bào)道很少，作者采用分離重組的方式探索小麥損傷A/B淀粉對(duì)面團(tuán)形成流變學(xué)特性的影響，為研究淀粉與面筋蛋白相互作用提供基礎(chǔ)理論依據(jù)，同時(shí)為實(shí)際生產(chǎn)中通過(guò)調(diào)控?fù)p傷淀粉含量，改善小麥面粉的加工適應(yīng)性提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料

原粉為AK58小麥粉，由河南省農(nóng)科院提供。所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

GB/T 23111電子分析天平：梅特勒-托力多儀器(上海)有限公司；LXVII低速大容量離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠；LGJ-10C冷凍干燥機(jī)：北京四環(huán)科學(xué)儀器廠有限公司；Haake RS6000旋轉(zhuǎn)流變儀：Thermo Frisher Haake,Germany；RVA-4快速黏度分析儀：澳大利亞Newport Scientifi公司；10 g電子揉混儀Mixograph：美國(guó)National；YXQM-2 L行星式球磨機(jī)：長(zhǎng)沙米淇?jī)x器設(shè)備有限公司；X-DSC700差示掃描量熱儀：日本精工納米科技有限公司；FV300激光共聚焦掃描顯微鏡(CLSM)：奧林巴斯(中國(guó))有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品的制備

1.3.1.1 谷朊粉的制備

A/B淀粉的分離提純參考文獻(xiàn)[7]。分離淀粉和面筋蛋白時(shí)將面團(tuán)進(jìn)行水洗后收集得到面筋蛋白，再進(jìn)行冷凍干燥，研磨粉碎，過(guò)80目篩，得到谷朊粉。

1.3.1.2 損傷淀粉的制備

將A、B淀粉置于行星式球磨機(jī)的容器內(nèi)，配平質(zhì)量。球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min，分別運(yùn)行0、5、10、15、20 h。將得到的樣品分別裝入自封袋，備用。其中:0 h表示未經(jīng)球磨的淀粉。

1.3.1.3 混合樣品的制備

將損傷淀粉分別與谷朊粉按照84∶16的質(zhì)量比進(jìn)行充分混合,即得淀粉損傷時(shí)間為0、5、10、15、20 h的重組粉,A、B損傷淀粉+谷朊粉樣品分別采用AS+G、BS+G表示。

1.3.2 基礎(chǔ)指標(biāo)的測(cè)定

水分的測(cè)定參照GB 5009.3—2016 《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》?；曳值臏y(cè)定參照GB 5009.4—2016 《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中灰分的測(cè)定》。濕面筋的測(cè)定參照SB/T 10248—1995 《小麥粉濕面筋質(zhì)量測(cè)定法面筋指數(shù)法》，

式中：WG為總的濕面筋質(zhì)量(14%濕基)，g；GI為面筋指數(shù)。

損傷淀粉含量的測(cè)定采用Chopin方法[8]。糊化特性采用快速黏度測(cè)定儀(RVA)按照LS/T 6101—2002[9]進(jìn)行測(cè)定。溶解度和溶脹勢(shì)的測(cè)定參考文獻(xiàn)[10]。

1.3.3 熱力學(xué)特性(DSC)測(cè)定

采用DSC測(cè)定不同損傷程度的淀粉熱穩(wěn)定性。參考Rungarun等[11]的方法并稍做修改。稱取淀粉(干基)2.5 mg置于鋁盤中，加入蒸餾水使淀粉和水的質(zhì)量比為1∶3，密封鋁盤置于室溫中平衡24 h。平衡后的樣品置于DSC樣品室中，溫度20～100 ℃，升溫速率為10 ℃/min。取密封的空鋁盤做參比，進(jìn)行2次平行試驗(yàn)。

1.3.4 流變學(xué)特性的測(cè)定

稱取10 g左右的樣品，根據(jù)樣品的水分和蛋白含量調(diào)整加水量，以達(dá)到樣品的最佳吸水率，在揉混儀中進(jìn)行揉混至揉混曲線開(kāi)始降落，取出此時(shí)得到的面團(tuán)，取出一部分揉成2 g左右的小面團(tuán)。將面團(tuán)置于流變儀圓盤上，轉(zhuǎn)子選用PP35Ti，間隙為2 mm，樣品放置完成后，在平板周圍涂抹適量的硅油，蓋上防揮發(fā)罩，保證在整個(gè)流變測(cè)試過(guò)程中水分恒定。用旋轉(zhuǎn)流變儀在溫度降低后對(duì)樣品進(jìn)行頻率掃描，頻率0.1～10 Hz，溫度25 ℃，應(yīng)變1%，得到樣品的損耗因子(tanδ=黏性模量(G″)/彈性模量(G′))隨頻率的變化情況。

1.3.5 微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)

將冷凍后的面團(tuán)切片，得到直徑約為1 cm，厚度為10 μm的薄片，用少量的蒸餾水噴霧潤(rùn)濕載玻片，將面團(tuán)切片吸附到載玻片上，使用10 μL 1 mg/L羅丹明B和10 μL 10 mg/L FITC進(jìn)行染色處理，染色20 min 后使用蒸餾水洗掉剩余染色劑。待切片晾干后，使用激光共聚焦顯微鏡設(shè)置波長(zhǎng)為561 nm和488 nm(兩種熒光元素的顯色波長(zhǎng))，在(20×40)倍率下觀察，即可得到面團(tuán)網(wǎng)絡(luò)顯微結(jié)構(gòu)圖。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理

采用 Origin 8.5和 SPSS 16.0分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 混合粉的基本理化特性

A/B淀粉-面筋蛋白混合粉的基本理化指標(biāo)見(jiàn)表1。從表1可以看出，隨著球磨處理時(shí)間的延長(zhǎng)，B淀粉-面筋蛋白混合粉水分含量逐漸降低。這說(shuō)明在行星式球磨機(jī)運(yùn)行期間球與球之間相互撞擊、摩擦產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致淀粉的部分水分揮發(fā)[12]。隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，A/B淀粉混合粉的蛋白質(zhì)及濕面筋含量均在球磨5 h時(shí)達(dá)到最大值。

表1 混合樣品的基本理化指標(biāo)

2.2 球磨處理對(duì)小麥損傷淀粉含量的影響

對(duì)A/B淀粉進(jìn)行不同時(shí)間梯度的球磨處理，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，對(duì)于A淀粉和B淀粉，隨著球磨處理時(shí)間的延長(zhǎng)，其DS(損傷淀粉)含量均呈上升趨勢(shì)，但當(dāng)球磨處理時(shí)間延長(zhǎng)至5 h時(shí)，B淀粉的DS含量曲線趨于平緩，這可能是由于B淀粉的顆粒較小，當(dāng)損傷達(dá)到一定程度后，B淀粉的顆粒不易被球磨損傷[13]。

圖1 損傷A/B淀粉含量隨球磨時(shí)間變化曲線

2.3 球磨處理對(duì)淀粉-面筋混合粉糊化特性的影響

球磨處理后淀粉-面筋混合粉的糊化特性如表2所示。由表2可知，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，A淀粉、B淀粉混合粉的峰值黏度、衰減值和回生值均減小，這表示DS含量升高，淀粉的糊黏度下降?？赡苁怯捎陔S著損傷程度的增加，支鏈淀粉的破壞更為嚴(yán)重，導(dǎo)致淀粉在發(fā)生糊化時(shí)，支鏈淀粉的氫鍵締合作用減弱，造成黏度下降[14]。混合粉的糊化黏度均高于原淀粉，這可能是由于面筋蛋白具有親水性，使得混合粉中淀粉濃度相對(duì)升高，造成更多的直鏈淀粉溶出。B淀粉混合粉糊化溫度高于A淀粉混合粉，均低于同一DS含量的原淀粉，這可能是混合粉中的面筋蛋白通過(guò)熱量的傳遞途徑及對(duì)水分利用而影響其糊化特性[15]。B淀粉混合粉的糊化黏度均低于A淀粉混合粉，這可能是由于B淀粉中含有非淀粉多糖、脂質(zhì)等雜質(zhì)較多的原因?qū)е耓16]。

表 2 A/B損傷淀粉-面筋蛋白混合粉的糊化特性

2.4 球磨處理對(duì)淀粉及淀粉-面筋混合粉糊特性的影響

淀粉顆粒在熱能和水分的共同作用下吸水膨脹，部分淀粉溶解于溶液中，混合粉的溶解度和溶脹勢(shì)見(jiàn)表3?？梢钥闯觯S著損傷程度的增大，溶解度和溶脹勢(shì)呈逐漸升高的趨勢(shì)，處理后的淀粉其溶解度和溶脹勢(shì)均大于原淀粉。這可能是由于淀粉結(jié)構(gòu)被破壞，支鏈淀粉的分支斷裂，產(chǎn)生小分子量的支鏈淀粉，這些小分子支鏈淀粉在水溶液中容易溢出，淀粉損傷程度越大，產(chǎn)生的小分子支鏈淀粉越多。同一溫度下，B淀粉的溶解度大于A淀粉，這主要與B淀粉中存在戊聚糖等水溶性成分有關(guān)[14]。混合粉的溶解度大于原小麥淀粉，主要是由于面筋蛋白的親水性使體系中淀粉的濃度增加，從而有更多的直鏈淀粉溶出導(dǎo)致溶解度增加[15]。

表3 球磨處理對(duì)淀粉-面筋混合粉的溶解度及溶脹勢(shì)影響

2.5 球磨處理對(duì)淀粉-面筋混合粉熱特性的影響

淀粉具有半結(jié)晶的顆粒結(jié)構(gòu), 在水存在下經(jīng)加熱處理會(huì)發(fā)生糊化，微觀表現(xiàn)為有序的晶體相向無(wú)定形態(tài)轉(zhuǎn)化，在此過(guò)程中伴隨能量的變化[16]。表4為球磨處理A/B淀粉與面筋蛋白混合粉的熱力學(xué)特性特征值。從表4可以看出，對(duì)于A淀粉而言，隨著損傷程度的增加，糊化焓逐漸降低，這可能是由于原來(lái)作為球狀半晶體的多糖分子經(jīng)研磨遭受破壞后，顆粒吸水能力增加，在糊化過(guò)程中吸熱增加，直鏈淀粉往外滲透，相對(duì)于熔融的支鏈淀粉形成基質(zhì)，阻止其晶體融化的阻力變小，導(dǎo)致熱焓值減小[17]，也可能是由于DS含量增加，支鏈淀粉的分支及長(zhǎng)鏈的直鏈淀粉分子鏈被切斷，造成無(wú)定形區(qū)增多，結(jié)晶區(qū)減少，從而使糊化焓值降低。未球磨處理的B淀粉混合粉的焓值小于A淀粉混合粉，這主要是由于B淀粉顆粒小于A淀粉，吸水能力大于A淀粉[18]。

表4 球磨處理對(duì)淀粉-面筋混合粉的熱特性影響

在多次試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)損傷的B淀粉混合粉的DSC特征值都難以得出，可能是由于B淀粉的支直比較大，支鏈淀粉含量高，在球磨處理時(shí)支鏈淀粉結(jié)構(gòu)易斷裂，因此，損傷淀粉對(duì)B淀粉的結(jié)構(gòu)影響較大，同時(shí)機(jī)械損傷導(dǎo)致B淀粉的結(jié)晶區(qū)受到破壞，導(dǎo)致B淀粉的性質(zhì)發(fā)生變化。

2.6 淀粉損傷程度對(duì)淀粉-面筋蛋白混合粉面團(tuán)流變學(xué)特性的影響

圖2表示不同損傷程度的A淀粉與面筋蛋白混合粉面團(tuán)的頻率掃描曲線。從圖2可以看出，混合粉面團(tuán)的彈性模量(G′)和黏性模量(G″)均低于原面粉即AK58小麥粉(AK58f)面團(tuán)，且隨著淀粉損傷程度的增加，混合粉面團(tuán)彈性和黏性模量逐漸增加。從圖2可以看出，不同損傷程度淀粉混合粉的損耗因子均小于1，即G″

圖2 AS+G面團(tuán)和原粉面團(tuán)的頻率掃描曲線

圖3為不同損傷程度的B淀粉與面筋蛋白混合粉面團(tuán)的頻率掃描曲線。B淀粉彈性模量(G′)、黏性模量(G″)均小于原粉面團(tuán)，彈性模量和黏性模量隨損傷淀粉程度增大而降低，損耗因子(tanδ)<1，且均小于原粉面團(tuán)，表明B淀粉損傷可以提高面團(tuán)的抗形變能力。

圖3 BS+G面團(tuán)和原粉面團(tuán)的頻率掃描曲線

2.7 小麥淀粉損傷程度對(duì)淀粉-面筋蛋白混合粉面團(tuán)微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖4、圖5分別顯示了不同球磨時(shí)間處理的A/B淀粉-面筋蛋白混合粉面團(tuán)的CLSM圖像，從圖4和圖5可以看出，呈橢圓形的大顆粒A淀粉、呈圓形的小顆粒B淀粉與面筋蛋白均有不同程度的結(jié)合，且B淀粉與蛋白結(jié)合更為緊密[20]。隨著淀粉損傷程度的增大，淀粉的顆粒完整性被破壞，視野中可見(jiàn)片狀淀粉碎粒逐漸增多。對(duì)于A淀粉而言，淀粉破碎后淀粉顆粒更多地暴露在外部環(huán)境中，與面筋網(wǎng)絡(luò)接觸面積增加。同時(shí)由于機(jī)械力的作用，淀粉顆粒出現(xiàn)碎屑，導(dǎo)致在面團(tuán)形成過(guò)程中破損的淀粉顆粒更多填充在面筋網(wǎng)絡(luò)的空隙里，同時(shí)以氫鍵等共價(jià)、非共價(jià)鍵與面筋蛋白結(jié)合[21]。損傷后B淀粉顆粒表面出現(xiàn)凹陷、變形及剝落現(xiàn)象，且顆粒度更小，表面光滑度降低，導(dǎo)致與蛋白質(zhì)更易結(jié)合。

圖4 損傷淀粉混合面團(tuán)(AS+G)和原粉面團(tuán)的微觀結(jié)構(gòu)

圖5 損傷淀粉混合面團(tuán)(BS+G)和原粉面團(tuán)的微觀結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

小麥淀粉經(jīng)球磨處理后，DS含量隨球磨時(shí)間延長(zhǎng)而增大，A、B淀粉混合粉的峰值黏度、衰減值和回生值均減小，B淀粉混合粉的黏度均低于A淀粉混合粉；隨著損傷程度的增加，混合粉的溶解度和溶脹勢(shì)整體呈上升趨勢(shì)，處理后的淀粉其溶解度和溶脹勢(shì)均大于原淀粉。對(duì)于A淀粉而言，隨著損傷程度的增加，糊化焓逐漸降低。未球磨處理的B淀粉混合粉的焓值小于A淀粉混合粉。不同損傷程度淀粉-面筋蛋白混合粉面團(tuán)流變學(xué)特性研究表明，A淀粉混合粉面團(tuán)的G′和G″均低于原面團(tuán)，且在相同頻率下隨著淀粉損傷程度的增加，混合粉面團(tuán)彈性和黏性模量逐漸增加。A淀粉、B淀粉混合面團(tuán)的G′、G″均小于原粉面團(tuán)，而在相同頻率下B淀粉的彈性和黏性模量隨淀粉損傷程度增大而降低，損耗因子(tanδ)均小于原粉面團(tuán)，說(shuō)明B淀粉與面筋蛋白所得混合體系的黏性、彈性模量均小于原粉面團(tuán)，而其抗形變能力大于原粉面團(tuán)。對(duì)比A淀粉、B淀粉的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)它們?cè)诹６壬洗嬖诤艽蟛町?，A淀粉多為較大的橢圓形顆粒，B淀粉的顆粒較小，呈圓形或不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。比較淀粉與蛋白的結(jié)合程度，發(fā)現(xiàn)B淀粉與蛋白結(jié)合更緊密，A淀粉與蛋白結(jié)合較弱。