小麥粉組成對面團水分遷移及制品品質影響的研究進展

應 欣，賀 偉，郭慶彬，張連慧?

（1. 中糧營養(yǎng)健康研究院有限公司，營養(yǎng)健康與食品安全北京市重點實驗室，老年營養(yǎng)食品研究北京市工程實驗室，北京 102209；2. 天津科技大學 食品科學與工程學院，天津 300222）

小麥是世界上主要的糧食作物之一，全球年產量約為7億 t，是人類最重要的糧食來源之一，為45億人提供了20%的每日蛋白質和食物熱量[1]。小麥粉由淀粉、蛋白質、脂類、無機鹽和維生素等物質組成。其中淀粉和蛋白是小麥粉中的主要大分子成分，它們對小麥粉的重要功能和結構特征有很大影響。小麥粉的水合特性對工藝性能和產品品質有重要影響，被認為是影響面團及產品品質的重要因素[2]。因此，本綜述總結了小麥面團中不同組分對面團水分遷移相互作用以及產品品質的影響，以期為小麥制品品質控制及質量提升提供理論參考。

1 面團形成過程中的水分遷移

小麥粉與水均勻混合，面筋網絡形成了一個粘彈性的小麥面團結構，并且氣泡被截留在面團基質中[3]。小麥粉中的各個組分與水的相互作用極大地影響了面團的功能特性，并進一步影響了產品加工過程中的行為。當小麥粉與水混合，小麥粉混合物內部便開始發(fā)生復雜多維的變化，首先會形成一種粘性濕糊，當混合持續(xù)，會逐漸形成橡膠狀的稠度狀態(tài)[4]。在最佳攪拌條件下，面團完全水合，彈性最高。水分具有雙重作用，一方面充當惰性填充劑，按比例降低面團的動態(tài)性能，一方面又充當潤滑劑，增強面團樣品的松弛度，這也解釋了面團的動態(tài)粘彈性行為[5]。

淀粉顆粒、蛋白質、非淀粉碳水化合物等面團中的組分通過交聯形成復雜的聚合物，水分子會占據聚合物鏈之間的中間位置，并通過氫鍵與它們結合[6]。劉長虹等通過低場核磁共振技術研究了面團中水分的分布情況，小麥粉的吸水量存在最適范圍，當加水量超過最佳范圍時，面團中會出現較多可以自由移動的水，面團可塑性會變差。面團不同階段水分活度變化如圖1所示。在和面的開始階段，水分子先與淀粉分子進行結合，此時蛋白無法與水分子充分接觸，因此此階段無法形成面筋，面團可塑性較差。隨著面團水分活度降到最低，小麥粉對水分子的結合達到頂峰。之后面筋開始形成，蛋白開始結合面團中的自由水以及搶奪部分與淀粉結合的弱結合水。在此過程中，深層結合水的含量會增加，弱結合水和自由水的含量下降。淀粉顆粒吸水溶脹后會填充到面筋形成的網絡結構中，二者的結合會讓一部分的弱結合水釋放進而轉化為自由水，自由水比例隨之升高。到了面筋舒展階段，面筋蛋白與水分子的結合增多，增強了面筋的延展性并促進了面筋網絡結構的擴展。蛋白與淀粉分子之間，淀粉分子彼此之間交聯結合增多會對自由水含量產生影響。隨著和面繼續(xù)進行，面筋蛋白之間的交聯斷開，面筋網絡開始崩塌，與面筋蛋白結合的深層結合水釋放出來轉變?yōu)槿踅Y合水和自由水。在這之后，面團中僅發(fā)生部分弱結合水向自由水的轉變，面團逐漸變黏，并伴隨出現返水黏缸的現象[7]。此外，混合過程及其條件對于自由水和結合水的變化也很重要?；旌蠒r間較短的面團可能導致較高的自由水含量，而混合攪拌過程太強或太長，會破壞淀粉鏈或面筋結構[8]。

圖1 和面過程中面團水分活度變化[7]Fig.1 Changes in dough moisture activity during the dough process[7]

小麥粉的吸水率是小麥品質的重要特性之一，其與產品產量和質量密切相關。對于制作面包的小麥粉來說，具有高吸水率和良好面團強度的硬質小麥粉是小麥粉廠和烘焙師的首選。小麥粉的吸水率受多種因素的影響，其中蛋白質、淀粉、破損淀粉、戊聚糖的含量和組成是影響小麥粉吸水率的主要因素。小麥粉由淀粉（70%～75%）、蛋白質（8%～14%）和水（10%～15%）以及少量纖維素和無機鹽組成[9]。在面團體系中，蛋白質、淀粉、破損淀粉和戊聚糖分別可以吸收約自身重量2、0.4～0.5、2～10和4倍的水[10]。

2 面團中不同組分影響水分分布遷移及制品品質

2.1 蛋白質

小麥粉中的蛋白質主要來自小麥胚乳。小麥蛋白中醇溶蛋白和麥谷蛋白為水不溶性蛋白，決定面團加工品質，清蛋白和球蛋白為水溶性蛋白，決定產品營養(yǎng)品質。在小麥粉與水混合的過程中，醇溶蛋白和麥谷蛋白的水合作用導致形成連續(xù)的粘彈性網絡。在這個過程，面筋網絡會將小麥粉中的其它成分包裹起來，形成獨特的且具有粘彈性的面團[11]。醇溶蛋白通過分子內二硫鍵（SS）的作用下形成球形，賦予面團氣泡穩(wěn)定性和粘性[12]。在面團攪拌過程中，麥醇溶蛋白通過非共價相互作用（包括氫鍵、疏水和離子相互作用）與麥谷蛋白結合，賦予小麥面團強度和延展性[13]。醇溶蛋白-麥谷蛋白的比例對面團比例有極為重要的影響。過高的醇溶蛋白含量會降低面團的整體強度使其變軟[14]。當混合超過面團穩(wěn)定的最大閾值，面團也會變弱，然后由于其成分的流動性增加而坍塌并變得粘稠。面團的形成時間和穩(wěn)定時間可作為表征面團強度的兩個參數，通?？偯娼詈吭礁?，面團穩(wěn)定時間越長[15]。

蛋白質含量對面團以及面包品質的影響：趙新等研究發(fā)現蛋白質含量對面包體積、彈柔性、面包芯平滑度、紋理結構、面包評分起著積極的影響。蛋白質含量低的小麥粉制作的面包氣室壁較厚、芯部結構差、體積小，烘焙品質較差[16]。當然，一味提高小麥粉中蛋白質含量也是不可取的。蛋白質含量過高，面包體積到達一定極限后面包瓤會變得薄且脆，面包品質也會降低。

蛋白質組成對面團以及面包品質的影響：研究發(fā)現清蛋白與球蛋白含量對面團各項流變學特性影響較小，但對面團穩(wěn)定時間、形成時間、面團吸水率相關性為負相關且相關系數較大。除此之外清蛋白含量對面團筋力有消極作用。醇溶蛋白含量對面團穩(wěn)定時間、形成時間和吸水率影響并不顯著。與其他蛋白組分相比，僅麥谷蛋白與面團吸水率影響極為顯著且為正相關，因此麥谷蛋白是蛋白質組分中的主要吸水成分，麥谷蛋白含量的提高對提高面團筋力以及提升產品品質是極為有利的。剩余蛋白含量對面團形成時間的影響極為顯著且為正相關，同穩(wěn)定時間的相關性達到極為顯著的水平，這表明小麥粉中提高剩余蛋白含量對提高面團筋力和面包烘烤品質也是有利的[17]。

蛋白質的二級結構也會對面團以及產品造成影響。蛋白的二級結構是根據酰胺I帶確定的，包括分子間 β-折疊、α-螺旋、β-轉角和 β-反平行。與β-折疊相比，α-螺旋結構更疏水、更堅硬且更難于水合水，而面筋中更高的 α-螺旋含量表明水的流動性更大，導致面團穩(wěn)定性降低。α-螺旋含量與面團的粘彈性呈負相關，高β-折疊含量可以通過氫鍵增強分子間相互作用，促進蛋白質聚集，這與面團粘彈性呈正相關[18]。

利用低場核磁技術研究發(fā)現，蛋白質分子比淀粉具有更強的親水能力。高蛋白質含量的面團內部水勢較低，原因是蛋白質的自身結構會使得其中的水分子流動性降低。面團中面筋蛋白含量的增加使得體系形成更加復雜的網絡結構，網絡結構影響水分的擴散、滲透和傳輸，該網絡結構也阻止了水分在體系內外兩側的遷移[19]。

2.2 淀粉

淀粉約占小麥粉的70%～75%，并且在決定面團行為方面起著至關重要的作用。淀粉內部是葡萄糖聚合體包圍而形成的層狀結構，外面由一層蛋白質薄膜包裹[20]。小麥淀粉主要由直鏈淀粉（20%～30%）和支鏈淀粉（70%～80%）組成。

直鏈淀粉和支鏈淀粉的含量及比例會對淀粉的性質產生影響。直鏈淀粉含量對小麥粉形成時間、穩(wěn)定時間、沉淀值呈現極為顯著的負相關作用，直鏈淀粉含量較低的面團容易發(fā)粘，烘焙后面包內部氣泡大而不勻，結構較差，產品整體質量不佳。直鏈淀粉含量過高會使得面團筋力和強度降低，對面包品質造成不利影響。支鏈淀粉含量對面團穩(wěn)定時間、沉淀值、面團形成時間表現為極顯著的正相關關系。支鏈淀粉含量的提高可以帶來面團的筋力及強度的提升，進而提高面包等制品的品質。淀粉總量對面包品質呈負相關關系，但相關性較小?？傮w來看，淀粉總量高會降低面筋網絡的筋力和強度，對面包等制品的品質是不利的。支鏈淀粉與直鏈淀粉含量的比值與面團形成時間、穩(wěn)定時間、沉淀值之間相關性均呈現極顯著正相關性[21]。因此，提升淀粉中支鏈淀粉與直鏈淀粉的比例，會對面團強度和面包品質產生積極的影響。

小麥淀粉根據其不同的顆粒大小和形狀分為大的圓盤形A型顆粒（平均直徑23～28 μm）和小的不規(guī)則B型球型顆粒（平均直徑9～11 μm）[22]。隨著 A/B淀粉比例的增加，淀粉-面筋面團的 G′和G′值呈下降趨勢，這表明B淀粉可以改善面團的粘彈性。可能是因為小球形顆粒的堆積能力更強，導致更緊密堆積的顆粒構象和強結合的連續(xù)相，也可能是B型淀粉顆粒比A型淀粉顆粒具有更高的比表面積，對水的結合能力和親和力更高[23]。較高比例的B型小麥淀粉可以改善面團的彈性，并且B型小麥淀粉填充了面團中A型小麥淀粉的空隙，極大地影響了面團的流變性質和面包的質量[24]。此外，B淀粉顆粒的表面較A淀粉顆粒粗糙，因此面筋更容易通過物理吸附和氫鍵結合到B淀粉的表面，這樣會形成更穩(wěn)定的網絡結構和更堅固的面團[25]。影響面制品質量的一個關鍵因素是小麥粉中A、B型淀粉顆粒數量及比例。從糊化特性來看，A淀粉顆粒較B淀粉顆粒淀粉更易糊化。硬質小麥的A淀粉顆粒所占比例高，B淀粉含量很少。烘焙過程中，較多地處于半糊化狀態(tài)的淀粉會參與到面包瓤的持氣結構中[23]，這也是硬質麥的小麥粉更適合做面包的原因之一。A型淀粉粒直徑平均值較大且含量更多的小麥品系，面包品質更好。

水分遷移的量和所消耗的時間影響水分遷移的速率，水分遷移的時間也受遷移的路徑長短和阻力影響。親水羥基是淀粉的主要側鏈基團，羥基有很強的吸水能力，在達到相同的水分活度時，淀粉需要比面筋蛋白吸收更多的水分。但是，未糊化淀粉為顆粒狀，從外部遷移到內部可能會有更長的路徑或者更大的阻力。對未糊化淀粉，在達到相同水分活度時需要更長時間。所以，小麥淀粉比面筋蛋白的吸濕速率低[26]。

2.3 破損淀粉

破損淀粉會受到遺傳和生長條件的影響，磨粉工藝也是影響破損淀粉含量的重要環(huán)節(jié)。近年來，研究表明破損淀粉容易水合，更容易受到酶水解。在面團的混合過程中，適當水平的破損淀粉是重要的，并有助于面團的酵母菌發(fā)酵[27]。過度的淀粉損傷會加速酶的作用，也會使面團過度水合，從而導致產品烘焙后品質較差。

在小麥制粉過程中，小麥淀粉的損傷程度取決于籽粒硬度和碾磨工藝。碾磨改變了顆粒淀粉的結構，并影響其流變和功能特性[28]。從工程角度來看，必須仔細考慮原料的差異，因為它會改變流動狀態(tài)、工藝變量和最終產品質量。一些研究表明，研磨引起的機械損傷會影響淀粉顆粒的吸水性、膨脹性和熱物性[29]。天然淀粉顆粒表面的微觀結構限制了其水化和酶解過程。然而，在碾磨過程中產生的剪切力和壓縮力引起的表面損傷會使這兩個過程都得到促進。吸附和膨脹特性似乎不受研磨樣品顆粒表面不同微觀結構損傷水平的影響。一旦顆粒表面被水分子飽和，淀粉顆粒就會通過它們的結構將水分子吸收到內部，淀粉受損顆粒內部的水吸附過程可能與表面的受損程度無關[30]。

破損淀粉可以通過增加親水鍵來改變淀粉顆粒的表面性質，從而增加小麥粉的吸水性。天然小麥淀粉在水中會吸收其重量39%～87%的水分，而破損淀粉在水中則吸收其重量 200%～430%的水分，這可能與破損淀粉含量的增加導致晶區(qū)破裂，水分子更容易進入淀粉顆粒有關。小麥粉經超微粉碎機處理后，面團穩(wěn)定時間顯著增加，但不同強度研磨的不同樣品間差異不顯著。破損淀粉含量為6.54%～9.66%的小麥粉樣品穩(wěn)定時間無顯著差異，而隨著破損淀粉含量進一步增加至12.06%，穩(wěn)定時間減少。這可能是由于小麥粉中破損淀粉的增加導致小麥粉吸水率增加，從而降低面團混合穩(wěn)定性。破損淀粉含量對沉淀值、淀粉糊粘度和面團發(fā)酵穩(wěn)定性等特性呈現負面影響，而對吸水率、淀粉糊熱穩(wěn)定性、淀粉糊老化程度和最佳發(fā)酵狀態(tài)下的面團體積呈現積極影響。面筋的數量和質量與破損淀粉含量無顯著相關性[31]。

小麥淀粉在糊化狀態(tài)下內部水分的遷移與含量變化對于面制品品質有重要影響。該過程包括淀粉顆粒的吸水、膨脹和直鏈與支鏈淀粉從淀粉顆粒中的浸出。直鏈淀粉含量和淀粉鏈長分布影響決定淀粉的糊化特性[32]。與完整的淀粉顆粒不同，面團破損淀粉含量增加時，淀粉整體的糊化變得更易進行，甚至在冷水中這一過程也可發(fā)生[33]。糊化發(fā)生，則逆過程的老化也會發(fā)生，老化過程中分子鏈通過氫鍵相互吸引重新排列形成結晶，此時破損淀粉會將部分已吸收的水分排出[34]。

面筋網絡結構及二硫鍵會受到破損淀粉的影響，面團的性質因此會被改變。破損淀粉會對面團中蛋白質之間形成的交聯產生作用。由于破損淀粉顆粒是正常淀粉顆粒被破損后形成的，其分子量體積小于正常的淀粉顆粒，因此破損淀粉中會有更多的化學鍵如二硫鍵、氫鍵、離子鍵和疏水鍵暴露出來。這些化學鍵對面筋蛋白形成的網絡結構產生影響，致使面筋網絡中的游離巰基、二硫鍵含量改變。隨著破損淀粉含量增加，面團中的游離巰基和二硫鍵的含量呈先下降后上升的趨勢，對于水分遷移變化呈現先上升后下降的影響[35]。

因此，破損淀粉會影響小麥粉的物理化學性質，并導致更高的吸水能力，破損淀粉含量過高也會對產品品質產生負面影響。在考慮面團吸水性和面包品質的相關性關系時，會發(fā)現其中的相互制約性，因此需要綜合考慮多種因素綜合作用的影響。

2.4 戊聚糖

戊聚糖是小麥籽粒中主要的非淀粉多糖，盡管在小麥粉中的含量很少（通常為1.5～2.1 g/100 g），但是戊聚糖在決定的面團性質方面起著重要作用。與其它成分相比，它具有更高的親水性，最終增加了小麥粉的吸水能力，這改變了面團在處理和加工過程中的行為[36]。戊聚糖通過增加面團的水分含量，增強面團的穩(wěn)定性和抗混合能力，從而對面團的特性產生積極的影響。戊聚糖顯著提高了硬質小麥粉的水分利用率，其所具有的高吸水、持水特性以及氧化交聯形成凝膠的特性對面團流變學特性和產品品質有著非常重要的影響[37]。

戊聚糖可以分為水溶性和不溶性兩種，其中水溶性戊聚糖在吸水率（59.5%～68.8%）、面團穩(wěn)定性（3.8～18.1 min）、混合容差指數（9～56 BU）和面包脆度等方面表現出更顯著的效果，水不溶性戊聚糖則很大程度上影響了面包的物理和感官特性。這兩個組分都能增加面團的吸水率（3%～10%），延緩面團的形成（31%～82%），提高面團的穩(wěn)定性（28%～71%）和抗混和性（24%～50%），從而對面團的特性產生積極的影響[38]。戊聚糖可以改善面團的耐受性，在面團制備過程中加入的水量并沒有使結合的戊聚糖完全飽和，在蛋白質預混合后，釋放的水分被這些多糖捕獲。這可能是親水膠體中羥基相互作用的結果，這也可能是戊聚糖對面團蛋白質微觀結構的影響[39]。研究表明水溶性戊聚糖的積極作用是由于它對面筋形成的影響或與非極性脂類的相互作用[40]。面包硬度是衡量面包質量的重要標準之一，兩種戊聚糖對面包硬度都顯示出積極的影響，水溶性戊聚糖的影響比水不溶性戊聚糖的更大（約6倍）。戊聚糖吸水使面團中水分含量增加，因此在小麥粉中添加戊聚糖可以提升面包制品的柔軟度[41]。與水不溶性戊聚糖相比，添加水溶性戊聚糖的面團穩(wěn)定性提高了近3倍。這可能是由于水溶性戊聚糖具有木糖/阿拉伯糖比例更高、阿魏酸含量更高以及泡沫穩(wěn)定性更好等特性[42]。

非淀粉類多糖能與淀粉分子及面筋蛋白表面的深層結合水發(fā)生作用；也能作用于淀粉分子及面筋蛋白網絡結構中的弱結合水以及面團體系中的自由水，因此能夠明顯抑制面團體系中自由水含量的升高，也可抑制淀粉分子內部有序性結晶，即延緩淀粉的回生[43]。因此，添加非淀粉類多糖對產品的品質提高以及面團返水問題的解決是有利的。

3 總結與展望

水分與小麥粉混合過程中與不同組分發(fā)生物理化學變化，從而導致水在面團中的遷移變化。由自由水到弱結合水再到深層結合水，三種狀態(tài)的水在面團形成過程中相互轉化。本綜述總結了小麥粉各組分對面團吸水能力和產品品質的影響（表1）。其中，麥谷蛋白為蛋白質組分中主要的吸水成分，其含量對面團穩(wěn)定時間和形成時間起積極正向作用，因此，麥谷蛋白含量的提高對提高最終產品品質有利；淀粉對水分的吸收起影響重要；支鏈淀粉含量的提高對面團的強度及筋力以及面制品產品品質的提升起到積極作用。此外，B型淀粉顆粒比A型淀粉顆粒淀粉的吸收更多的水分；淀粉中的破損淀粉具有更高的吸水能力，但B型淀粉和破損淀粉含量較高也會對最終產品品質產生負面影響。面筋網絡崩解是面團返水影響因素之一；戊聚糖的含量與種類對面團的影響較大，面團中添加含量較少的水溶性戊聚糖對產品品質的提升是積極的。

表1 小麥組分對面團吸水性及產品品質的影響Table 1 Effect of wheat composition on water absorption of flour dough and its product quality

綜上，選擇麥谷蛋白含量高、支鏈淀粉含量高、A型淀粉粒直徑大、適當含量的水溶性戊聚糖、破損淀粉和B型淀粉的小麥粉能夠最大化提高面團的吸水能力，以滿足吸水性強的面制產品的需求，提升該類產品品質。也需合理控制小麥粉中的水溶性戊聚糖、破損淀粉和B型淀粉的含量，防止其含量過高對面團產生不良影響。同時可通過添加有機酸、鹽、酶、乳化劑和親水膠體等改良劑對面團進行改良，以此提升其吸水率和產品的品質。