小米粉添加量對小麥面團(tuán)熱機(jī)械學(xué)和動態(tài)流變學(xué)特性的影響

劉鑫，陳金鳳，徐曉琴，尤鶯歌，張盛貴

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

谷子(Setariaitalica)，又稱栗，屬禾本科狗尾草屬，原產(chǎn)于我國，是世界栽培歷史最悠久的作物之一.小米是谷子籽粒脫皮后的產(chǎn)物[1].小米營養(yǎng)豐富，營養(yǎng)素比例適宜，主要含有碳水化合物、優(yōu)質(zhì)低過敏性蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素等[2]，并且小米營養(yǎng)成分均易于被人體吸收，消化率達(dá)90%以上，是一種具有獨特保健作用的優(yōu)質(zhì)糧源和滋補(bǔ)佳品，一直受到人們的重視和喜愛[3].因此，被廣泛應(yīng)用于面制品加工中以提高營養(yǎng)價值.

面團(tuán)熱機(jī)械學(xué)特性屬于面團(tuán)的物理特性，它與加工過程中面團(tuán)的滾揉、發(fā)酵以及機(jī)械加工直接相關(guān)，能夠很好反映面粉的食品加工品質(zhì)[4].由于小米中缺乏面筋蛋白[5]，小米粉不易形成堅固的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)和感官品質(zhì)較差，多以小米粉配合小麥面粉制作產(chǎn)品.馮明會[5]等研究發(fā)現(xiàn)小米全粉添加豐富了混合粉營養(yǎng)成分,添加量對面團(tuán)的形成時間、穩(wěn)定時間影響較小,添加量越大,小米全粉對饅頭的劣變作用越強(qiáng),口感越差.田曉紅等[7]研究發(fā)現(xiàn)小米混合粉的粉質(zhì)特性在添加量30%～40%時，形成時間和穩(wěn)定時間迅速降低，添加量在60%以下時，掛面的蒸煮品質(zhì)比較好.杜文娟等[8]發(fā)現(xiàn)不同品種及其不同比例小米粉的添加，會使小米-小麥混合粉面團(tuán)的粉質(zhì)特性和拉伸特性隨著小米粉添加量的增加均呈現(xiàn)下降趨勢，但不同品種小米間沒有明顯差異；也有研究表明，不同處理(膨化和未膨化)的小米粉對小米-小麥混合粉面團(tuán)粉質(zhì)特性和糊化特性均有顯著改善[9]；同時，添加魔芋粉等改良劑對純小米粉面團(tuán)穩(wěn)定時間等各項流變學(xué)特性指標(biāo)也有不同程度的提升[10].

前人的研究表明，小米粉的添加量對小米-小麥混合粉面團(tuán)的加工特性有顯著影響，對其混合粉機(jī)械學(xué)、熱力學(xué)和流變學(xué)特性的聯(lián)合研究少有報道，本研究將小米粉按不同比例添加到小麥粉中，分析小米粉替代對于小麥面團(tuán)熱機(jī)械學(xué)特性、動態(tài)流變學(xué)特性以及糊化特性的影響，由此確定最佳添加比例，為小米饅頭的制作提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗材料

小麥粉：嘉里糧油有限公司(蛋白質(zhì)含量為11 g/100 g)；小米粉：谷子購于當(dāng)?shù)爻校鬯楹筮^100目篩.

1.2 主要儀器

萬能高速粉碎機(jī)：浙江紅景天工貿(mào)有限公司；電子天平(FA1104B):上海越平科學(xué)儀器有限公司；Mixolab 2混合實驗儀：法國Chopin儀器公司；DHR-1流變儀，差示掃描量熱儀DSC25：美國TA儀器公司.

1.3 試驗方法

1.3.1 混合粉配制 小米粉粒徑大小會影響面團(tuán)及面制品品質(zhì).實驗選擇使用粒徑為100目的小米粉來研究添加量對面團(tuán)流變學(xué)特性的影響.采用粉碎機(jī)對小米研磨，過篩，取100目小米粉，分別以0%、10%、20%、30%、40%、100%的添加量加入小麥粉中，充分混勻制得混合粉，密封保存?zhèn)溆?

1.3.2 主要成分測定 水分含量測定，參照《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測定 GB/T 5009.3-2016》；蛋白質(zhì)含量測定，參照《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中蛋白質(zhì)的測定 GB 5009.5-2016》；脂肪含量測定，參照《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中脂肪的測定 GB 5009.6-2016》；淀粉含量測定，參照《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中淀粉的測定 GB 5009.9-2016》.

1.3.3 面團(tuán)熱機(jī)械學(xué)特性測定 參照張慧娟等[11]的方法，運用Mixolab 2混合實驗儀對面團(tuán)的熱機(jī)械學(xué)特性等進(jìn)行研究，分析面團(tuán)在加熱冷卻過程中蛋白質(zhì)及淀粉的性質(zhì).設(shè)定面團(tuán)的總質(zhì)量為75 g，儀器根據(jù)設(shè)置好的Chopin+協(xié)議位置達(dá)到最佳稠度最大扭矩為(1.1±0.05)Nm的要求加入一定量的水.測試的初始溫度30℃，保溫8 min，再按照4 ℃/min的升溫速度達(dá)到90℃，保溫7 min，然后再以4 ℃/min的速度降溫至50℃，整個過程持續(xù)45 min，攪拌速度始終為80 r/min.

1.3.4 面團(tuán)動態(tài)流變學(xué)特性測定 參照Huang等[12-13]的方法并做了適當(dāng)調(diào)整，利用Mixolab 2混合實驗儀得到C1時的面團(tuán)，用保鮮膜包裹好，室溫松弛15 min后取適量面團(tuán)放于DHR-1流變儀平臺上，降下平板，切去多余的面團(tuán)，用適量的礦物質(zhì)油在面團(tuán)邊緣涂抹均勻，進(jìn)行密封，防止水分蒸發(fā)，并在平臺上平衡5 min，使殘余的應(yīng)力松弛.先用流變儀在0.01% ～10%范圍內(nèi)進(jìn)行應(yīng)變掃描，確定面團(tuán)的線性粘彈性區(qū)域，然后再進(jìn)行頻率掃描，測定頻率測試條件為：平板直徑為40 mm，間距2 mm，應(yīng)力0.2%，溫度25 ℃，頻率掃描范圍0.1～20 Hz.

1.3.5 面團(tuán)的糊化特性測定 參照Huang等[14]的方法，采用差示掃描量熱儀DSC 25對面團(tuán)的熱性能進(jìn)行研究.稱取2 mg混合粉樣品放入鋁鍋中，用蒸餾水濕潤，干燥樣品與水的比例約為1∶1.3.以5 ℃/min的速度從20 ℃加熱至140 ℃.自動計算起始糊化溫度(To)、峰值糊化溫度(Tp)、結(jié)束糊化溫度(Tc)和糊化焓(ΔH).

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 9和SPSS 19進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析.其中，顯著性分析采用Duncan檢驗，顯著性水平為0.05.每個樣品做3次平行試驗.

2 結(jié)果與分析

2.1 混合粉主要成分

由表1可知，小米粉中水分和蛋白質(zhì)含量較小麥粉水分和蛋白質(zhì)含量低，這是由于面筋蛋白的吸水率一般是淀粉的4～5倍，而小米粉中的蛋白質(zhì)含量，尤其是面筋性蛋白的含量低于小麥粉，所以小米粉本身的含水量是低于小麥粉的.因此，隨著小米粉添加量從10%逐漸增加到40%，混合粉水分含量從12.26%顯著降低到11.44%，而蛋白質(zhì)含量的降低不存在顯著性差異.小米粉中脂肪和淀粉含量顯著高于小麥粉(P<0.05)，會提高混合粉中脂肪和淀粉的含量，隨著小米粉添加量的增加，混合粉中脂肪含量從1.38 g/100g增大到2.07 g/100g，變化顯著，而混合粉的淀粉含量之間不存在顯著性差異.這是由于混合粉體系中脂肪含量比淀粉含量低造成的.

表1 混合粉主要成分含量

2.2 混合粉面團(tuán)熱機(jī)械學(xué)特性分析

吸水率指的是揉混面團(tuán)時達(dá)到最大扭矩C1(1.1±0.05 Nm)時的加水量，從表2可以看出，隨著小米粉添加量的增大，面團(tuán)的吸水率顯著減小.通常，面筋性蛋白的吸水能力是淀粉的4～5倍[15]，雖然混合小米粉后蛋白含量的變化并不顯著，但是這會稀釋面筋蛋白，并且破壞了小麥粉在和面過程中形成的蛋白質(zhì)-淀粉復(fù)合體，從而導(dǎo)致面團(tuán)結(jié)合力的下降[16]，造成吸水率下降，這與杜文娟等[8]得到的隨著小米粉含量的增加，各個樣品的吸水率都呈下降趨的試驗結(jié)果相一致.面團(tuán)結(jié)合力下降也可以從形成時間，即面團(tuán)從開始加水到產(chǎn)生C1扭矩時所用的時間上得到驗證，隨著小米粉添加量的增加，在產(chǎn)生同樣扭矩時所用的時間顯著減小(P<0.05)，表明小米粉對面筋性蛋白的稀釋是顯著的，因此可以推斷，小米粉的添加對產(chǎn)品的加工性能是有明顯影響的.

面團(tuán)的穩(wěn)定時間反映的是面筋蛋白的耐攪拌程度，面團(tuán)的穩(wěn)定時間長，耐攪拌程度高[17].面團(tuán)的穩(wěn)定時間隨著小米粉比例的增大呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，在10%添加量時最大，穩(wěn)定時間增大是因為低添加量時小米粉內(nèi)部某些非共價鍵的相互作用掩蓋了小米粉對面筋蛋白的稀釋作用[8]，高添加量時穩(wěn)定時間隨著添加量的增加而減小，即混合粉中的面筋蛋白含量相對減少，筋力下降.與馮明會等[6]用HZF-150粉質(zhì)儀測定出來的小米全粉的添加量在5%時面團(tuán)的穩(wěn)定時間最大，隨著添加量的繼續(xù)增大，面團(tuán)的穩(wěn)定時間減小的結(jié)果相似；田曉紅等[7]用不同處理(膨化)的小米粉添加結(jié)果顯示，穩(wěn)定時間隨添加量增加持續(xù)下降，表明原料的差異對加工特性有明顯影響.

弱化度(C1-C2)表示的是蛋白網(wǎng)絡(luò)在機(jī)械力和熱作用下的弱化程度，表征面團(tuán)在攪拌過程中的破壞速率，反比于面團(tuán)的耐攪拌能力，面筋的強(qiáng)度越弱[18].因此可以看出，隨小米粉添加量從10%增加到40%過程中，弱化度下降，但是沒有呈現(xiàn)顯著性，面團(tuán)的面筋強(qiáng)度降低，面團(tuán)加工性能越差.面團(tuán)在機(jī)械攪拌和熱力作用下反應(yīng)所產(chǎn)生扭矩的最小值C2也證明這一點，C2表示面團(tuán)在機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生的扭矩，弱化度越大，說明面團(tuán)抗熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力越弱[19]，隨著小米粉添加量的增加，C2逐漸減小，說明小米粉的添加減弱了面團(tuán)的抗熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力.

表2 小米粉添加量對面團(tuán)中蛋白質(zhì)熱機(jī)械學(xué)特性的影響

綜上所述，在添加量小于10%時，面團(tuán)的形成時間和穩(wěn)定時間都是最大的，說明面團(tuán)的筋力是最好的，而添加量大于10%時，面團(tuán)的形成時間和穩(wěn)定時間減小，弱化度增大，面團(tuán)韌性變差，面筋強(qiáng)度變?nèi)?，不利加?

粘度崩解值(C3-C4)表示淀粉熱糊的性質(zhì)，值越小，淀粉耐剪切力越強(qiáng)，穩(wěn)定性越好.回生值(C5-C4)表示淀粉冷糊的性質(zhì)，值越小，表明淀粉越不易回生，反映在產(chǎn)品上有較長的貨架期.由表3可以看出，隨著小米粉添加量的增加，崩解值逐漸增大，回生值逐漸減小，反映出混合粉的熱糊耐剪切性能和穩(wěn)定性變差，冷糊的回生性較好，表明小米淀粉對面團(tuán)糊的性質(zhì)影響較大，這是由于小米淀粉的加入引起淀粉熱力學(xué)特性的變化，小米淀粉顆粒容易破裂，糊冷卻時，淀粉分子之間，特別是在直鏈淀粉分子之間發(fā)生一些重聚合所帶來的粘度增加值[20]，這與小米淀粉顆粒特性、直支比、其他成分的相互影響等有關(guān)[21]，具體原因需要進(jìn)一步研究.

蒸煮穩(wěn)定性(C4/C3)隨著小米粉添加量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，說明隨著小米粉的添加，加工產(chǎn)品的穩(wěn)定性越差，這與蛋白質(zhì)弱化和面筋強(qiáng)度減弱也有關(guān).

小米粉的添加量在10%時，降低了面團(tuán)系統(tǒng)的蛋白質(zhì)耐熱性，增加了面團(tuán)中淀粉的穩(wěn)定性.此外，在冷卻過程中，它導(dǎo)致了較低的回生水平和較高的蒸煮穩(wěn)定率.

表3 小米粉添加量對面團(tuán)中淀粉熱機(jī)械學(xué)特性的影響

2.3 混合粉面團(tuán)糊化特性分析

混合粉形成面團(tuán)后，淀粉充填在面筋網(wǎng)絡(luò)中間，對面團(tuán)的可塑性有重要影響，因此淀粉的熱力學(xué)特性對面團(tuán)的加工影響較大.由表4可知，隨著小米粉添加量從10%增大到40%，混合粉面團(tuán)To、Tp和Tc逐漸增大，但始終都低于小麥粉，且相互間不存在顯著性差異.這是由于小米粉的添加改變了混合粉中淀粉、蛋白和脂肪的比列，受面團(tuán)中水分和面筋含量的影響，加熱后的面筋凝膠比淀粉凝膠在面團(tuán)中的結(jié)合力更強(qiáng)，造成淀粉在面筋的存在下獲得的水分較少，進(jìn)而影響糊化溫度[22].混合粉中的蛋白質(zhì)在接近淀粉糊化范圍的溫度下發(fā)生變性，使蛋白質(zhì)變性的吸熱峰疊加在淀粉糊化峰上[23].試驗中只觀察到一個吸熱峰，表明這種影響確實存在.

ΔH通常受到面筋和淀粉之間的水分分布、淀粉顆粒的大小、水化速率以及不同組分之間其他可能的相互作用的影響[24].由表4可知，小麥粉ΔH高于混合粉，可能的原因是小米粉中脂肪含量較高，疏水性脂肪傾向于覆蓋淀粉顆粒，通過某種“阻斷作用”干擾水進(jìn)入淀粉螺旋的能力，導(dǎo)致與淀粉相互作用所需的可用自由水減少[25].

表4 小米粉添加量對面團(tuán)糊化特性的影響

2.4 混合粉面團(tuán)動態(tài)流變學(xué)特性分析

彈性模量(G′)是儲存在物質(zhì)中的或經(jīng)過一個震動周期的正弦形變后所恢復(fù)的能量，代表物質(zhì)的彈性本質(zhì)；粘性模量(G″)是每個周期的正弦形變所消耗或損失的能量，代表的是物質(zhì)的粘性本質(zhì)，當(dāng)材料性質(zhì)類似固體，即其線性范圍內(nèi)的變形是可壓縮和恢復(fù)的，那么G′>G″且tan δ<1.相對的，當(dāng)材料性質(zhì)類似流體或粘性系統(tǒng)，G″>G′且tan δ>1[26].

對比圖1A～C可以發(fā)現(xiàn)所有混合粉面團(tuán)的G′>G″，tan δ <1，說明面團(tuán)以彈性模量為主，表現(xiàn)出較強(qiáng)的固態(tài)特性.G′的增加，是淀粉鏈的自締合和與面筋蛋白的相互作用[27]以及具有凝膠作用的淀粉與谷蛋白的比例有關(guān)[28]，使得面團(tuán)的彈性占據(jù)主導(dǎo)地位.所有面團(tuán)的G′與G″隨著頻率增加而增大，表現(xiàn)出一種典型的弱凝膠動態(tài)流變學(xué)圖譜[29].在給定頻率下，添加小米粉面團(tuán)的G′和G″均顯著高于小麥面團(tuán)，且G′和G″均隨添加量的增大而顯著增大，這一方面是由于小米粉中含有較高的脂肪，G′與G″增大的原因是脂肪經(jīng)脂肪氧化酶的作用生成氫過氧化物，將面團(tuán)中面筋蛋白質(zhì)的巰基氧化成二硫鍵，強(qiáng)化了面筋蛋白的三維結(jié)構(gòu)[30-33]；另一方面是由于小米淀粉的粒徑和形狀變化所致[34-35].但G′的增幅遠(yuǎn)大于G″；兩者的變化導(dǎo)致在給定頻率下，添加小米粉面團(tuán)的tan δ小于對照面團(tuán)，且添加量越大，面團(tuán)的tan δ越小(圖1-C)，即小米粉添加量與面團(tuán)的tan δ之間呈顯著的負(fù)相關(guān).

從圖1-C中還可以看出，在給定頻率下，隨著小米粉添加量的增大，tan δ呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，表明混合體系中分子交聯(lián)聚合程度是升高的，粘性比例增大.同時所有面團(tuán)的tan δ隨著頻率的升高均呈現(xiàn)增大的趨勢，混合粉面團(tuán)中小米粉添加量大于30%后，隨著頻率增加，粘性比例急劇升高，表明了混合面團(tuán)體系穩(wěn)定性急劇下降.周劍敏等[36]研究發(fā)現(xiàn)添加量了香菇粉后，小麥面團(tuán)的tan δ在較高頻率范圍內(nèi)(>2.5 rad/s)隨著頻率的增加而增加，即黏性比例迅速增加，表明在高頻率下混合體系的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易被破壞.

圖1 不同添加量的小米粉混合體系中彈性模量、粘性模量和損耗角正切值隨角頻率變化關(guān)系Figure 1 The relationship between the change of elastic modulus,viscosity modulus and tangent value of loss angle with angular frequency with different millet additions

3 結(jié)論

混合粉營養(yǎng)成分的實驗結(jié)果表明，添加小米粉后，混合粉中蛋白質(zhì)含量降低，淀粉和脂肪含量的增加是造成面團(tuán)熱機(jī)械學(xué)特性和動態(tài)流變學(xué)特性變化的關(guān)鍵因素.隨著小米粉添加量的增加，混合粉面團(tuán)吸水率顯著下降，面團(tuán)形成時間和穩(wěn)定時間縮短，弱化度增大，蒸煮穩(wěn)定率減小，面筋蛋白被稀釋，面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)弱化.但在小米粉添加量為10%時，混合面團(tuán)的形成時間和穩(wěn)定時間都大于其他面團(tuán)，說明10%添加量可以有限改善混合粉面團(tuán)的耐攪拌能力，韌性越好，面團(tuán)耐醒發(fā)能力越強(qiáng).DSC的結(jié)果表明小米粉的添加對混合粉面團(tuán)的糊化特性影響不顯著.混合粉面團(tuán)的動態(tài)流變學(xué)特性的實驗結(jié)果表明隨小米粉添加量增大，混合粉面團(tuán)的彈性模量和粘性模量先增大后減小，而損耗角正切值則是減小的，混合面團(tuán)體系的不穩(wěn)定.