粗戊聚糖對特二粉面筋聚集特性及顯微結(jié)構(gòu)的影響

趙龍?jiān)?，張長付，周孟清，李京格，馬金婷，王杭，范沛，李海峰，王金水，賈峰

（河南工業(yè)大學(xué) 生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

粗戊聚糖是從小麥麩皮中提取的水溶性非淀粉多糖，主要由木聚糖、阿拉伯聚糖[1-3]、葡萄糖以及微量半乳糖組成[4]，在面粉中的含量為0.62%～0.90%[5]，但它的吸水量較大，與面筋蛋白爭奪水分，從而改變面筋發(fā)育的過程[6]。粗戊聚糖可相互交聯(lián)形成復(fù)雜的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，改變蛋白質(zhì)間的吸引力[7]，可提高面筋網(wǎng)絡(luò)的彈性、增強(qiáng)面團(tuán)黏彈性[8]、改善面團(tuán)加工性能。粗戊聚糖降解后可提高面團(tuán)的持氣性，使發(fā)酵過程中產(chǎn)生的CO2擴(kuò)散速率得到延緩，改善面包的內(nèi)部質(zhì)構(gòu)[9]，增大面制品產(chǎn)品的體積[10]，提高感官評分[11]，延緩產(chǎn)品的老化[12]。適量添加粗戊聚糖可顯著改善饅頭的體積、色澤、質(zhì)構(gòu)特性和感官特性[13]。粗戊聚糖也是一種易被人體接受的膳食纖維，能調(diào)節(jié)體內(nèi)環(huán)境、改善人體微循環(huán)、激活自身的自愈系統(tǒng)，同時(shí)還具有調(diào)節(jié)腸道菌群、改善腸道環(huán)境、降血糖及免疫等多種活性功能[14]。試驗(yàn)結(jié)果表明粗戊聚糖可調(diào)節(jié)糖尿病小鼠腸道菌群平衡，降低血糖水平[15]。添加粗戊聚糖制作的曲奇餅干，不僅口感酥松香甜，還可補(bǔ)充膳食纖維[16]。但是，粗戊聚糖降解過度會(huì)造成面團(tuán)發(fā)黏、面粉的烘焙和蒸煮品質(zhì)下降[11，17]。

特二粉作為我國北方制作主食的常用面粉[18]，其面粉面筋聚集特性直接影響面團(tuán)的加工特性[19]。目前，面筋聚集儀具有測試時(shí)間短、樣本量小、快速分析小麥面筋聚集特性的優(yōu)點(diǎn)[20]，其主要參數(shù)包括峰值時(shí)間、峰值扭矩與能量面積等參數(shù)，反映面筋的品質(zhì)特征及酸面團(tuán)的特性[21]，可評價(jià)面團(tuán)常規(guī)的流變學(xué)特性[22-25]。小麥粉面筋蛋白聚集特性可作為快速評價(jià)面團(tuán)品質(zhì)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。但是，粗戊聚糖對面筋聚集特性的影響作用效果尚不清晰。

本試驗(yàn)探究不同濃度的粗戊聚糖溶液對小麥特二粉面筋聚集特性以及面筋顯微結(jié)構(gòu)的影響，通過分析添加粗戊聚糖對特二粉面團(tuán)特性的影響，以期為其它不同類型的小麥粉及面粉加工行業(yè)利用粗戊聚糖改良與強(qiáng)化面粉品質(zhì)提供有益的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

特制二等小麥粉（簡稱特二粉）：五得利面粉集團(tuán)新鄉(xiāng)有限公司；粗戊聚糖：河南工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院糧油儲(chǔ)藏與生物加工技術(shù)實(shí)驗(yàn)室前期從小麥麩皮中提取。

1.2 儀器與設(shè)備

GlutoPeak 面筋聚集儀：德國Brabender 公司；Nikon E200MV 顯微鏡：南京尼康江南光學(xué)儀器有限公司；AWE-DM0412 低速離心機(jī)：無錫得凡儀器有限公司；FA1104N 電子天平：上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 特二粉面筋聚集特性的測定

粗戊聚糖與特二粉的總質(zhì)量為8.0g，蒸餾水為9mL，水粉比為9∶8（mL/g）。配制濃度為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的粗戊聚糖溶液，混合后加入面筋聚集儀開始測定。以未添加粗戊聚糖作為對照組進(jìn)行試驗(yàn)。面筋聚集儀檢測條件：溫度25 ℃，轉(zhuǎn)速2 500 r/min，測定時(shí)長300 s，分別記錄峰值時(shí)間（peak maximum time，PMT)、 峰值扭矩（Brabender equivalents maximum，BEM）、聚集能量（aggregation energy，AgE）。

1.3.2 面筋聚集過程中5 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的位置選取

根據(jù)面筋聚集過程中扭矩和時(shí)間的變化情況（圖1），分別選取5 個(gè)典型點(diǎn)進(jìn)行檢測：A（平穩(wěn)起始點(diǎn)）、B（聚集起飛點(diǎn)）、C（峰值扭矩點(diǎn)）、D（聚集結(jié)束點(diǎn)）、E（記錄結(jié)束點(diǎn)）。根據(jù)能量聚集特性，又分為三部分：啟動(dòng)能量（儀器啟動(dòng)到扭矩達(dá)到基本平衡的階段，即零點(diǎn)到A 點(diǎn)，S1）、穩(wěn)定能量（儀器的扭矩基本穩(wěn)定到面筋聚集形成之前的一定扭矩基本不變的階段，即A點(diǎn)到B 點(diǎn)，S2）和聚集能量（面筋聚集形成之前扭矩急劇增加到達(dá)峰值扭矩之后15 s 這一段時(shí)間的能量，即B 點(diǎn)到C 點(diǎn)之后15 s 處，S3）。C 點(diǎn)處對應(yīng)的時(shí)間為峰值時(shí)間，對應(yīng)的扭矩為峰值扭矩。具體取樣過程為在面筋聚集儀運(yùn)行過程中，提前確定5 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)行時(shí)間，待到達(dá)對應(yīng)時(shí)間后，迅速暫停面筋聚集儀，取出相應(yīng)面團(tuán)取樣檢測。

圖1 面筋聚集過程選取5 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的位置Fig.1 Location of five key points selected in gluten aggregation process

1.3.3 特二粉面團(tuán)顯微結(jié)構(gòu)觀察

選取A～E 點(diǎn)的面團(tuán)樣品，制成顯微觀察玻片，使用Nikon E200MV 顯微鏡分別觀察40、100、400 倍下的面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及淀粉顆粒的分布情況。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

結(jié)果采用Microsoft Excel 2019 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。評估統(tǒng)計(jì)學(xué)意義采用SPSS Statistics.27 的Duncan’s 分析，顯著性水平為P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 粗戊聚糖對面筋聚集特性的影響

粗戊聚糖對面筋聚集特性的影響如圖2 所示。

圖2 粗戊聚糖對面筋聚集特性的影響Fig.2 Effect of crude pentosan on gluten aggregation characteristics

由圖2 可知，隨著粗戊聚糖溶液濃度的增加，面筋聚集時(shí)間明顯縮短。添加粗戊聚糖可使面筋聚集的形成過程加快，粗戊聚糖具有一定的黏度特性，隨著濃度的增加，在溶液中通過分子間的氫鍵聚集作用逐漸增強(qiáng)，分子間相互纏結(jié)形成網(wǎng)絡(luò)[26]，可能是由于粗戊聚糖分子與面團(tuán)中的蛋白質(zhì)發(fā)生相互作用，引起面筋蛋白聚集，導(dǎo)致面團(tuán)的特性發(fā)生改變，峰值時(shí)間呈現(xiàn)下降趨勢，峰值扭矩呈現(xiàn)上升的趨勢。結(jié)果表明，在特二粉中添加粗戊聚糖能明顯改變面筋聚集特性，特二粉的面筋品質(zhì)降低，可能會(huì)影響面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.2 粗戊聚糖對面筋聚集的峰值時(shí)間的影響

PMT 是反映麥谷蛋白聚集力學(xué)的指標(biāo)，與蛋白質(zhì)含量相關(guān)。粗戊聚糖對面筋聚集峰值時(shí)間（PMT）的影響如圖3 所示。

圖3 粗戊聚糖對面筋聚集特性PMT 的影響Fig.3 Effect of crude pentosane on PMT of gluten aggregation characteristics

由圖3 可知，隨著粗戊聚糖溶液濃度的升高，PMT明顯下降。粗戊聚糖溶液濃度為0.5%和1.0%時(shí)，PMT與對照組相比顯著下降。當(dāng)粗戊聚糖溶液濃度為2.5%時(shí)，PMT 與對照組相比下降了47.90%。粗戊聚糖溶液濃度與PMT 之間的關(guān)系符合負(fù)相關(guān)關(guān)系：y=-7.59x＋86.80（R2=0.945 7）。PMT 隨著蛋白質(zhì)和面筋含量的增加而減少[27]，結(jié)果表明，添加粗戊聚糖后能顯著調(diào)節(jié)面筋聚集特性的PMT，改變面筋的聚集，導(dǎo)致面筋構(gòu)象的改變。

2.3 粗戊聚糖對面筋聚集的峰值扭矩的影響

BEM 值的大小反映了破壞面筋時(shí)所需要的力，峰值扭矩越大，則破壞面筋時(shí)所需要的力越大[22]。粗戊聚糖對面筋聚集峰值扭矩（BEM）的影響如圖4 所示。

圖4 粗戊聚糖對面筋聚集特性BEM 的影響Fig.4 Effect of crude pentosane on BEM of gluten aggregation characteristics

由圖4 可知，添加粗戊聚糖后，BEM 呈上升趨勢，與對照組相比差異顯著（P＜0.05）。對照組的BEM 最小，為49.00 BU，BEM 隨著粗戊聚糖溶液濃度的增加而增加，但上升趨勢較緩。粗戊聚糖溶液濃度在0.5%～1.5%時(shí)，差異不顯著，BEM 保持在58.00 BU 不變。粗戊聚糖溶液濃度為2.5%時(shí)，BEM 為59.00 BU，上升比例達(dá)到16.95%。粗戊聚糖溶液濃度與BEM 值之間的關(guān)系符合正相關(guān)關(guān)系：y=1.73 x＋51.03（R2=0.628 4）。結(jié)果表明，隨著粗戊聚糖的添加，面筋強(qiáng)度增強(qiáng)，峰值扭矩顯著提高。

2.4 粗戊聚糖對面筋聚集的能量面積的影響

粗戊聚糖對面筋聚集能量面積的影響如表1 所示。

表1 粗戊聚糖處理對面筋聚集過程中能量的影響Table 1Effect of crude pentosane treatment on energy during gluten aggregation

由表1 可知，粗戊聚糖添加后S1整體呈波動(dòng)上升趨勢，與對照組相比明顯增加；粗戊聚糖溶液濃度增加到2.0%時(shí)，S1達(dá)到最大值137.85 cm2，溶液濃度增大到2.5%時(shí)，S1與添加粗戊聚糖后相比差異顯著（P＜0.05）。添加粗戊聚糖后S2呈明顯的下降趨勢，溶液濃度增大到2.5%時(shí)達(dá)到最低值65.00 cm2，S2與粗戊聚糖溶液濃度呈負(fù)相關(guān)。隨著粗戊聚糖溶液濃度的增加，S3呈波動(dòng)上升的趨勢，粗戊聚糖溶液濃度為2.5%時(shí)有最大值1 599.75 cm2。聚集能量作為面筋聚集動(dòng)力學(xué)的指標(biāo)，與峰值扭矩呈正相關(guān)[22]。結(jié)果表明，添加粗戊聚糖能顯著地改變面筋聚集過程中的能量分布，降低S2、增加S3。

2.5 粗戊聚糖對面筋聚集過程中面團(tuán)顯微結(jié)構(gòu)的影響

添加粗戊聚糖對面筋聚集過程中面團(tuán)的顯微結(jié)構(gòu)的變化如圖5 所示。

圖5 粗戊聚糖處理對面筋聚集過程中面團(tuán)顯微結(jié)構(gòu)的影響Fig.5 Effect of crude pentosane treatment on microstructure of dough during gluten aggregation

由圖5 可知，對照組中，A 點(diǎn)處結(jié)構(gòu)松散，還沒有形成面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對淀粉顆粒的包裹性差；B 點(diǎn)處蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)初步形成，分散狀態(tài)更加均勻；隨著扭矩的逐漸增大，在C 點(diǎn)處已初步形成面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；由于扭矩的持續(xù)增加，D 點(diǎn)處面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仍呈現(xiàn)出有規(guī)律的排布；E 點(diǎn)處面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被完全打碎，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)消失，此時(shí)淀粉顆粒與面筋蛋白的分布最均勻。添加粗戊聚糖后，與對照組相比，面筋對淀粉顆粒的包裹性略強(qiáng)，面筋聚集趨勢更明顯；B點(diǎn)時(shí)網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)程度增強(qiáng)，淀粉顆粒與面筋蛋白的分布相對均勻，蛋白質(zhì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)開始形成；C 點(diǎn)時(shí)面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建立，淀粉顆粒與面筋蛋白的分布更為規(guī)律，但是面筋網(wǎng)絡(luò)之間的孔隙分散不均、大小不一致；D 點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形成較好，面筋網(wǎng)絡(luò)之間的孔隙較小，有部分面筋網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象；E 點(diǎn)時(shí)蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已經(jīng)被完全打碎，基本沒有了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，淀粉顆粒與面筋蛋白均勻分布。結(jié)果表明，粗戊聚糖的添加不利于面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分布。安兆鵬等[28]研究表明，在面粉中加入小麥麩皮，會(huì)對面筋蛋白的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)造成破壞，面筋蛋白的穩(wěn)定性下降，與本研究結(jié)果一致。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)利用面筋聚集儀對面筋的聚集特性進(jìn)行分析，探究粗戊聚糖對面筋聚集特性的影響，并從面團(tuán)的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，在特二粉中添加粗戊聚糖后，面筋聚集特性的PMT 逐漸縮短，與粗戊聚糖溶液濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而BEM 逐漸升高，與粗戊聚糖溶液濃度呈正相關(guān)關(guān)系。粗戊聚糖能顯著地改變面筋聚集過程中的能量分布，S2降低，S3增加，S2與粗戊聚糖溶液濃度呈負(fù)相關(guān)。粗戊聚糖不利于面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分布。綜上所述，加入粗戊聚糖能改變面粉的聚集特性，為面粉的加工和面團(tuán)的改良應(yīng)用提供有益參考。