黑豆粉-小麥粉共混體系的線性和非線性蠕變-回復(fù)分析

范亭亭，謝巖黎?，王 晨，趙文紅，楊玉輝，謝東東

（河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南省糧油食品安全檢測(cè)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001）

蠕變-回復(fù)分析是描繪材料黏彈性一種常用的方法。蠕變是在一定條件下對(duì)黏彈性體施加一定量的力（剪切應(yīng)力）時(shí)，其形變（應(yīng)變）隨時(shí)間的變化逐漸增加的現(xiàn)象[1]?；貜?fù)是指在某時(shí)刻剪切應(yīng)力完全卸去后，引起應(yīng)變中彈性分量的瞬時(shí)回復(fù)[2]。在線性黏彈性區(qū)域內(nèi)，面團(tuán)的應(yīng)變與剪切應(yīng)力呈線性相關(guān)。但是線性黏彈性只能在較小應(yīng)變或非常狹窄的剪切應(yīng)力范圍內(nèi)施行，在加工過(guò)程中，面團(tuán)經(jīng)受大的應(yīng)變和剪切速率，會(huì)超出面團(tuán)線性彈性范圍，施加較大的剪切應(yīng)力或線性黏彈性以外的應(yīng)變可用于評(píng)估烘焙食品的制作潛力[3-4]。

小麥粉是制作烘焙食品的主要原料，面團(tuán)的黏性、彈性和延展性之間的平衡能力限制著小麥粉的應(yīng)用潛力[5]。在和面、發(fā)酵和烤制過(guò)程中，面團(tuán)經(jīng)受不同的剪切應(yīng)力發(fā)生形變，小麥粉的流變特性對(duì)面團(tuán)的可加工性和烘焙制品的最終品質(zhì)起著決定性的作用[6]。黑豆中含有豐富的蛋白質(zhì)、18種氨基酸、維生素和多種微量元素，黃酮及類黃酮化合物的量，要高于普通大豆 5～7倍[7]。從黑豆中提取的天然化合物，如多糖、蛋白質(zhì)、黃酮、皂苷和多酚等生物活性物質(zhì)，具有抗氧化、抗炎、保肝和預(yù)防心血管疾病的作用等[8-9]。黑豆皮富含花青素，主要是矢車(chē)菊-3-葡萄糖苷以及少量的天竺葵素-3-葡萄糖苷和飛燕草素-3-葡萄糖苷，花青素具有抗炎、抗癌、抗氧化、有效清除自由基等生理活性，是疾病預(yù)防和健康促進(jìn)的極好膳食來(lái)源[10-12]。近年來(lái)，一直有研究者不斷嘗試將黑豆粉加入烘焙制品中，強(qiáng)化賴氨酸，提高花青素的攝入，提高焙烤食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值；另一方面起到改善谷類產(chǎn)品流變品質(zhì)和感官特性的作用[13-14]。黑豆中含有酵母的優(yōu)良營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，提高酵母活性，使發(fā)酵旺盛，從而起到改善面包和糕點(diǎn)品質(zhì)的效果[15]。本研究將黑豆粉添加到小麥粉中，通過(guò)蠕變-回復(fù)測(cè)試黑豆-小麥粉共混體系的黏彈性，考察蠕變時(shí)間、回復(fù)時(shí)間和剪切應(yīng)力對(duì)面團(tuán)蠕變-回復(fù)參數(shù)的影響，為黑豆粉在烘焙食品中的應(yīng)用，豐富烘焙食品種類等奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

有機(jī)青仁黑豆（蛋白41.3%，脂肪19.8%，灰分3%，水分8.5%）：上海頤生農(nóng)產(chǎn)品有限公司；想念小麥特一粉（蛋白 9.5%，脂肪 1.3%，灰分0.61%）：河南省康元糧油食品加工有限公司；其他化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

BLH-5601錘式旋風(fēng)磨：英國(guó)伯利恒儀器有限公司；Farinograph-AT粉質(zhì)儀：德國(guó)Brabender公司；海氏HM790和面機(jī)：中國(guó)海氏集團(tuán)；HAAKE RheoStress 6000流變儀：Thermo Fisher Scientific。

1.3 方法

1.3.1 黑豆-小麥混粉的制備

黑豆清理后50 ℃烘干，粉碎過(guò)80目篩備用。按照一定比例（0%、5%、10%、15%、20%和25%）（w/w）將添加到小麥粉中，制成黑豆-小麥混粉。

1.3.2 粉質(zhì)特性的測(cè)定

參見(jiàn)方法GB/T 14614—2019，利用Farinograph-AT粉質(zhì)儀，分別測(cè)定黑豆粉添加量為0%、5%、10%、15%、20%和25%的粉質(zhì)特性。

1.3.3 面團(tuán)制備

取一定量的黑豆-小麥混粉，加入適量蒸餾水使面團(tuán)的含水率為42%（w/w），放入密封袋中靜置20 min后進(jìn)行流變測(cè)試。

1.3.4 共混體系流變測(cè)試

利用HAAKE RheoStress 6000流變儀對(duì)所有樣品進(jìn)行流變學(xué)測(cè)定。將樣品放置于直徑為 35 mm的鋁制平板夾具上，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中夾具間縫隙設(shè)定為2.5 mm，并切去多余面團(tuán)。為了防止水分的蒸發(fā)，在四周涂抹一層硅油密封，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前靜置5 min以消除剪切應(yīng)力的影響[16-17]。

1.3.4.1 線性黏彈區(qū)的確定 室溫下，選擇測(cè)量程序Step Creep，分別設(shè)定初始剪切應(yīng)力為50、100、150 Pa，保持180 s，撤去剪切應(yīng)力后保持300 s，確定樣品的線性黏彈性區(qū)域。

1.3.4.2 蠕變-回復(fù)測(cè)定 在蠕變-回復(fù)試驗(yàn)中，施加一定的剪切應(yīng)力于樣品中，考察樣品的蠕變?nèi)崃浚≒a–1）隨蠕變時(shí)間的變化，剪切應(yīng)力消除后，樣品形變部分回復(fù)，回復(fù)的部分為樣品的彈性部分（瞬時(shí)彈性和延遲彈性）。在50 Pa的剪切應(yīng)力下，分別探究面團(tuán)在蠕變時(shí)間（3、5、10、15 min）和回復(fù)時(shí)間（3、5、10、15 min）下的線性黏彈性變化；設(shè)定蠕變時(shí)間3 min，回復(fù)時(shí)間10 min，考察面團(tuán)在150、250、500、1 000 Pa的剪切應(yīng)力下的非線性黏彈性變化。

1.3.5 黏彈性面團(tuán)形變模型—Burgers模型

黏彈性形變是黏性和彈性的混合形變，因此常用Burgers模型來(lái)描述黏彈性材料形變行為[18]。用Burgers模型分析蠕變-回復(fù)數(shù)據(jù)可以量化不同類型的形變。

如圖1所示，蠕變-回復(fù)曲線大致可細(xì)分為5個(gè)階段：A-瞬時(shí)彈性（鍵長(zhǎng)、鍵角變化引起的普彈形變）；B-延遲彈性（鏈段運(yùn)動(dòng)引起的高彈形變）；C-黏性形變（塑性形變，相當(dāng)于分子鏈的相互位移）；D-瞬時(shí)回復(fù)；E-延遲回復(fù)[19]。

蠕變過(guò)程：

回復(fù)過(guò)程：

式中：Jc為蠕變?nèi)崃?Pa–1；Jr為回復(fù)柔量/Pa–1；Jio為瞬時(shí)柔量/Pa–1；Jim為延遲柔量/Pa–1；μco為穩(wěn)態(tài)剪切黏度/Pa·s；λi為延遲時(shí)間/s；t為蠕變或回復(fù)時(shí)間/s；Jmax為蠕變階段結(jié)束時(shí)的最大柔量/Pa–1。

圖1 蠕變-回復(fù)特性的典型曲線Fig. 1 Typical curve of creep-recovery characteristic

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Origin 9.1專業(yè)軟件繪圖，并通過(guò)擬合公式（1）和（2）對(duì)蠕變-回復(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合得到 Burgers模型參數(shù)。方差分析的顯著性水平是P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑豆粉含量對(duì)小麥粉粉質(zhì)特性的影響

由表 1可得，隨著黑豆粉添加量的增加，面團(tuán)的吸水率逐漸增大，這可能是由于黑豆中蛋白質(zhì)高吸水性的特點(diǎn)，由于黑豆粉添加比例的升高，隨著混合粉中蛋白質(zhì)含量逐漸增大，混合粉的吸水率逐漸增大。在 5%～25%的添加范圍內(nèi)，面團(tuán)的穩(wěn)定時(shí)間呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)添加比例為 5%時(shí)，穩(wěn)定時(shí)間最長(zhǎng)，有研究報(bào)道黑豆顯示出較高的脂肪氧化酶活性，酶的比活力為750 U/mg[20]，這說(shuō)明一定量的脂肪氧化酶可進(jìn)一步改善面團(tuán)的性質(zhì)，而添加比例較大時(shí)，黑豆粉對(duì)面筋蛋白的稀釋作用較大，阻礙了面筋蛋白三級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，穩(wěn)定時(shí)間會(huì)發(fā)生降低。弱化度反應(yīng)了面團(tuán)在攪拌過(guò)程中耐受機(jī)械攪拌的程度，面團(tuán)的弱化度先降低后升高，弱化度值越大，其彈性變差，由表1得出黑豆粉在添加量為10%時(shí)，弱化度最小，穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，品質(zhì)最好。

表1 黑豆粉含量對(duì)面粉粉質(zhì)特性的影響Table 1 The effect of black bean flour content on farinograph parameters of wheat flour

2.2 黑豆-小麥粉共混體系線性黏彈性區(qū)域的確定

在黑豆粉添加量為 10%的情況下，測(cè)三種剪切應(yīng)力條件下（50、100、150 Pa）混合面團(tuán)的蠕變-回復(fù)曲線（圖2），確定面團(tuán)線性黏彈性區(qū)域。圖2-A顯示隨著蠕變剪切應(yīng)力的增加，應(yīng)變百分比隨著剪切應(yīng)力的增大而增大，表明施加在面團(tuán)上的剪切應(yīng)力越大，面團(tuán)的形變程度越大。蠕變?nèi)崃浚↗c）可用于描述黏彈性材料的硬度，其值與硬度呈負(fù)相關(guān)，Jc越小表示面團(tuán)的剛性和硬度越大，在一定程度上能有效地抵抗自身發(fā)生形變[21]。圖2-B為蠕變-回復(fù)的蠕變?nèi)崃壳€，隨著剪切應(yīng)力在50、100至150 Pa的變化范圍內(nèi)，蠕變?nèi)崃康淖兓嗨魄医咏粭l曲線[22]，說(shuō)明三種剪切應(yīng)力條件都在黑豆粉-小麥粉面團(tuán)的線性黏彈性區(qū)域內(nèi)，還可得出面團(tuán)在線性黏彈性區(qū)域內(nèi)，面團(tuán)的硬度不受剪切應(yīng)力高低的影響。

圖2 各剪切應(yīng)力水平下面團(tuán)的蠕變-回復(fù)曲線Fig. 2 Creep-recovery curve of mixed dough at various stress levels

2.3 黑豆-小麥粉共混體系的線性蠕變-回復(fù)分析

2.3.1 蠕變時(shí)間對(duì)黑豆-小麥粉共混體系蠕變-回復(fù)特性的影響

研究蠕變時(shí)間對(duì)蠕變-回復(fù)特性的影響，目的是評(píng)估面團(tuán)在蠕變過(guò)程中何時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)形變。如圖3所示，施加剪切應(yīng)力，面團(tuán)在3～15 min的蠕變時(shí)間內(nèi)蠕變?nèi)崃恐饾u增加，去除剪切應(yīng)力后面團(tuán)形變得到部分回復(fù)。蠕變曲線的線性增加被視為黏性流動(dòng)，回復(fù)階段無(wú)黏性流動(dòng)，當(dāng)蠕變形變主要受黏性流動(dòng)控制時(shí)，即達(dá)到穩(wěn)態(tài)形變。Jc,max隨著蠕變時(shí)間的增加而線性增加，這表明面團(tuán)在短至3 min的蠕變時(shí)間內(nèi)已達(dá)到穩(wěn)態(tài)剪切條件。

圖3 蠕變時(shí)間對(duì)蠕變-回復(fù)特性的影響Fig. 3 Effect of creep time on creep-recovery characteristics of mixed dough

表2 蠕變時(shí)間對(duì)Burgers模型各個(gè)參數(shù)的影響Table 2 Effects of creep times on various parameters of the Burgers model for mixed dough

為了更深入地了解蠕變時(shí)間對(duì)瞬時(shí)彈性，延遲彈性和黏性形變的影響，將四參數(shù) Burgers模型應(yīng)用于蠕變-回復(fù)曲線（非線性擬合數(shù)據(jù)見(jiàn)表2）。蠕變時(shí)間的增加對(duì)蠕變和回復(fù)階段的擬合參數(shù)具有顯著影響（P<0.05）。在50 Pa的剪切應(yīng)力下，面團(tuán)的Jmax在3～15 min的蠕變時(shí)間范圍內(nèi)逐漸增加，表明面團(tuán)的剛性減小，即抗形變能力減弱。面團(tuán)抵制自身形變是需要耗能的，蠕變時(shí)間越長(zhǎng)，損耗的能量就越多，所需要的回復(fù)時(shí)間也越長(zhǎng)；在蠕變時(shí)間10 min和15 min時(shí)，瞬時(shí)柔量（Jco）大幅度增加，相應(yīng)的延遲柔量（Jcm），延遲時(shí)間（λc），穩(wěn)態(tài)剪切黏度（μc）也有不同程度的增加，在去除剪切應(yīng)力后面團(tuán)的形變緩慢恢復(fù)；回復(fù)階段蠕變時(shí)間從5min增加到10min，延遲時(shí)間（λr）由16.80 s增加到146.67 s；繼續(xù)延長(zhǎng)蠕變時(shí)間至15 min，延遲時(shí)間（λr）增加到152.50 s，較長(zhǎng)的延遲時(shí)間表示較慢的彈性回復(fù)響應(yīng)，表明加倍延長(zhǎng)蠕變時(shí)間影響面團(tuán)的彈性回復(fù)和回復(fù)速度。在回復(fù)過(guò)程中，瞬時(shí)柔量（Jro）逐漸降低，延遲柔量（Jrm）先略有降低又繼續(xù)增加，但是仍趕不上最大蠕變?nèi)崃浚↗max）提高的速率，所以回復(fù)率從初始的 63.65%降至 26.12%，意味著通過(guò)延長(zhǎng)蠕變時(shí)間，面團(tuán)的部分三維彈性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)斷裂，并且斷裂的鍵引起了永久形變[23]。

2.3.2 回復(fù)時(shí)間對(duì)面團(tuán)蠕變-回復(fù)特性的影響

施加3 min的蠕變剪切應(yīng)力后，面團(tuán)達(dá)到最大形變（Jmax），撤去剪切應(yīng)力后，測(cè)定面團(tuán)在3、5、10、15 min回復(fù)時(shí)間內(nèi)的蠕變?nèi)崃浚ㄈ鐖D 4所示）。相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道小麥粉面團(tuán)在受外力發(fā)生形變后，回復(fù)時(shí)間在60 s到12 h之間不等[24-25]。在50 Pa的剪切應(yīng)力下，面團(tuán)能從蠕變階段的形變中回復(fù)（圖4）?；貜?fù)時(shí)間3、5 min時(shí)面團(tuán)的回復(fù)率分別是63.51%和63.71%，10 min時(shí)是73.60%，說(shuō)明面團(tuán)的大部分回復(fù)發(fā)生在前10 min，與Van Bockstaele等的研究結(jié)果相一致[26]。圖 4所示，回復(fù)時(shí)間3、5、10 min時(shí)，蠕變?nèi)崃壳€仍在慢速下降，表明此時(shí)的面團(tuán)一直處在恢復(fù)過(guò)程中，回復(fù)時(shí)間15 min時(shí)，蠕變?nèi)崃壳€達(dá)到平衡，得到回復(fù)的面團(tuán)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)穩(wěn)定；若繼續(xù)延長(zhǎng)回復(fù)時(shí)間，回復(fù)率降低至62.33%，其原因有待進(jìn)一步研究分析（表3）。

圖4 回復(fù)時(shí)間對(duì)面團(tuán)蠕變-回復(fù)特性的影響Fig. 4 Effect of recovery time on creep-recovery characteristics for mixed dough

表3 回復(fù)時(shí)間對(duì)Burgers 模型各個(gè)參數(shù)的影響Table 3 Effect of recovery time on various parameters of the Burgers model for mixed dough

2.4 黑豆-小麥粉共混體系的非線性蠕變-回復(fù)分析

在50、100和150 Pa的剪切應(yīng)力下蠕變?nèi)崃康臏y(cè)定證明150 Pa的剪切應(yīng)力仍在線性黏彈性區(qū)域內(nèi)（圖2-B）。如圖5所示，在150 Pa到1 000 Pa的剪切應(yīng)力下黑豆粉-小麥粉面團(tuán)的蠕變-回復(fù)曲線發(fā)生不同程度的變化，表明剪切應(yīng)力超過(guò)150 Pa后是共混體系的非線性黏彈性區(qū)域。面團(tuán)在線性黏彈性區(qū)域外仍具有典型的黏彈性體的特征，既表現(xiàn)出瞬時(shí)彈性和瞬時(shí)回復(fù)，又表現(xiàn)有延遲彈性和延遲回復(fù)（圖 5）。由Burgers模型非線性擬合的蠕變-回復(fù)分析的詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表4。隨著剪切應(yīng)力的增大，在150、250、500和1 000 Pa下，面團(tuán)在蠕變階段Jco、Jcm、Jmax逐漸增大，μc逐漸減小，相比之下λc變化不大；回復(fù)階段，Jro、λr逐漸降低。加大剪切應(yīng)力導(dǎo)致面團(tuán)的形變?cè)龃?，穩(wěn)態(tài)剪切黏度（μc）隨之降低（186.94 Pa·s降至101.72 Pa·s）?；貜?fù)階段，觀察到延遲時(shí)間（λr）由150.91 s減少至82.56 s，這意味著當(dāng)面團(tuán)在蠕變中經(jīng)受的剪切應(yīng)力越大，延遲的彈性回復(fù)越快發(fā)生。當(dāng)剪切應(yīng)力達(dá)到1000 Pa時(shí)，Jco、Jcm、Jmax急劇增大，Jro急劇減小，說(shuō)明面團(tuán)對(duì)剪切應(yīng)力的變化比較敏感，此時(shí)面團(tuán)仍有32.36%的回復(fù)率，表明1 000 Pa的剪切應(yīng)力還未達(dá)到面團(tuán)的屈服應(yīng)力，未能完全破壞面團(tuán)的彈性結(jié)構(gòu)[27]。

圖5 剪切應(yīng)力面團(tuán)蠕變-回復(fù)特性的影響Fig. 5 Effect of shear stresson creep-recovery characteristics of mixed dough

表4 剪切應(yīng)力對(duì)Burgers 模型各個(gè)參數(shù)的影響Table 4 Effect of shear stress on various parameters of the Burgers model for mixed dough

3 結(jié)論

黑豆粉含有豐富的蛋白質(zhì)和花青素，在營(yíng)養(yǎng)學(xué)上具有重要意義。黑豆粉的加入對(duì)面團(tuán)的流變特性產(chǎn)生一定影響，本研究將黑豆粉添加到小麥粉中，通過(guò)蠕變-回復(fù)分析并探究黑豆粉-小麥粉面團(tuán)在線性和非線性黏彈性區(qū)域的黏彈性，為黑豆粉的主食化提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

粉質(zhì)特性結(jié)果表明：添加黑豆粉后，面團(tuán)的吸水率、形成時(shí)間均有提高，而面團(tuán)的穩(wěn)定時(shí)間呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；黑豆粉的添加量10%時(shí)面團(tuán)的品質(zhì)最好，此時(shí)面團(tuán)的弱化度最小，粉質(zhì)質(zhì)量指數(shù)最高。

蠕變-回復(fù)數(shù)據(jù)良好地?cái)M合4-因素Burgers模型（R2>0.94）。Burgers 模型各參數(shù)Jco、Jcm、λc、μc、Jmax、Jro、Jrm、λr和回復(fù)率在蠕變時(shí)間（3、5、10、15 min）、回復(fù)時(shí)間（3、5、10、15 min）和剪切應(yīng)力（150、250、500、1 000 Pa）下呈現(xiàn)不同程度的顯著性變化（P<0.05）。

線性蠕變-回復(fù)分析結(jié)果：蠕變時(shí)間3 min時(shí)內(nèi)已達(dá)到穩(wěn)態(tài)剪切條件，蠕變時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)影響面團(tuán)的彈性回復(fù)和回復(fù)速度；面團(tuán)在3～10 min的回復(fù)時(shí)間內(nèi)可回復(fù)63.51%～73.6%，且面團(tuán)的大部分回復(fù)發(fā)生在前10 min，回復(fù)率是73.6%。

非線性蠕變-回復(fù)分析結(jié)果：面團(tuán)在線性黏彈性區(qū)域外對(duì)剪切應(yīng)力比較敏感，回復(fù)率由89.99%降低至32.36%，但仍呈現(xiàn)典型的黏彈性特征，加大剪切應(yīng)力，面團(tuán)形變?cè)龃?，穩(wěn)態(tài)剪切黏度（μc）隨之降低，延遲彈性回復(fù)加快。

備注：本文的彩色圖表可從本刊官網(wǎng)（http://lyspkj.ijournal.cn/ch/index.axpx）、中國(guó)知網(wǎng)、萬(wàn)方、維普、超星等數(shù)據(jù)庫(kù)下載獲取。