NMR技术研究木聚糖酶对馒头老化特性的影响

苏东海，苏东民，丁雁鑫

（1.北京电子科技职业学院生物工程学院，北京100029；2.河南工业大学粮油食品学院，河南郑州450052；3.郑州铁路职业技术学院，河南郑州450052）

NMR技术研究木聚糖酶对馒头老化特性的影响

苏东海1，苏东民2，3，*，丁雁鑫2

（1.北京电子科技职业学院生物工程学院，北京100029；2.河南工业大学粮油食品学院，河南郑州450052；3.郑州铁路职业技术学院，河南郑州450052）

在储藏过程中，为了提高馒头质量，降低老化速度，采用TA-XTPlus物性仪测定馒头样品硬度及NMR技术测定其水分分布变化，研究木聚糖酶对馒头样品老化速度的影响。结果表明：馒头储藏0～36h内，馒头的表皮硬度及芯部硬度均缓慢增加，相对于空白馒头样品，添加XYL馒头样品硬度较弱；达到36h时，硬度显著增加，特别是添加L-XYL的馒头样品。馒头储藏期间，质子信号A及A1持续下降。在0～36h内，所有添加木聚糖酶的馒头样品质子信号下降速度较慢；36～120h内，添加S-XYL的馒头样品质子信号下降缓慢，但添加L-XYL的馒头样品质子信号下降速度快。由此可知，相对于空白样品，在0～36h内，添加XYL的所有馒头样品老化速度较慢，保鲜度较好。在36～120h内，添加S-XYL的老化速度较慢，而添加L-XYL的老化速度较快。

NMR技术，馒头，老化，水分迁移

在储藏过程中，馒头将发生一系列的物化反应，馒头品质受到很大的影响，包括支链淀粉的回生，以及其他馒头成分（蛋白质、脂肪等）之间的交互作用，改变非晶结构，馒头变硬等。这些老化现象，其中最关键的因素就是水分分布的改变[1]。水分在面包中的状态分布影响支链淀粉回生，这可能是由于支链淀粉回生需要结合水分子[2]。馒头中水分存在状态及其分布受小麦面粉本身特性的影响，比如蛋白质、脂肪、木聚糖含量及其结构等。

小麦面粉中阿拉伯木聚糖（AX）含量大约为1.5%～2.5%左右[3]，其中30%～50%为水溶性阿拉伯木聚糖（WE-AX），其剩余的为非水溶性阿拉伯木聚糖（WU-AX）[4]。WE-AX和WU-AX都具有较高的持水性，在一定条件下，可吸收自身3.4～9.9倍的水分，这在面粉各组分中是最为突出[5]。外源木聚糖酶（XYL）对AX能够以随机的方式打开木聚糖的主链，从而降低底物的聚合度，并释放出相应的低聚体——寡糖和木糖[6]。苏东民等[7]研究发现木聚糖酶水解WE-AX和ES-AX为小分子AX，并提高了WU-AX可溶性，造成面团粘度的降低，面团的持水能力降低，推测是结合水转变为自由水到面团中。同时，XYL对馒头的老化也产生了影响。丛倩千等[8]研究毛壳霉CQ1木聚糖酶对馒头的影响，发现其能降低馒头老化速度。

XYL对馒头老化程度的影响，一般采用馒头硬度指标判定。很少从水分分布及其状态方面研究。本文则从馒头水分存在状态及其分布变化探测与馒头老化的关系，核磁共振（NMR）技术，利用90°脉冲激发样品产生质子自由感应衰减曲线，获得样品的信号幅度。然后利用Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）脉冲序列测定馒头样品中不同流动性水分的自旋-自旋弛豫时间，及各组分水分信号大小。各组水组分代表水分的存在状态，信号大小代表水分含量的大小。同时，水分分布状态及其含量与馒头硬度参数进行相关性分析，进一步理解水分在馒头储藏变化中的作用机理。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

温麦18 购于河南农业科学院；固态木聚糖酶（S-XYL，sigma2753） 诺维信公司；液体木聚糖酶（L-XYL） 中国农业大学提供；高活性干酵母 安琪酵母股份有限公司。

AR2140电子天平、AR5120电子天平 美国OJAUS公司；SM-668和面机 深圳市亿贝斯特电器有限公司；WJ-160A-ⅡCO2恒温箱 上海新苗医疗器械制造有限公司；TA-XT Plus物性仪 英国Stable m icro systems公司；NM I20核磁共振成像分析仪（配备直径为18mm的射频线圈） 上海钮迈电子科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 面团制备 三种样品分别按表1中所示配方进行称量，在和面机中和面5min，然后揉捏2min，使之成为光滑的面团，分别分割出4个（4±0.0005）g的面团放入核磁试管中，其中两个立即测水分的组分。其他两个与揉好的馒头放入培养箱中醒发45m in，然后迅速用保鲜膜封口放入核磁永久线圈中测水分的组分。其他的面团分割为重量为（75±0.2）g的若干个馒头胚，放置温度为38℃，湿度为85%的恒温恒湿培养箱中发酵。馒头胚沸水气蒸20m in，馒头在室温下冷却2h，然后放入保鲜袋在24℃恒温箱中储藏。

表1 面团样品配方Table 1 Formulation of dough samples

1.2.2 TPA质构测定 馒头储藏2、4、6、12、24、36、48h分别测馒头心质构变化及馒头皮的硬度变化。由于本实验所用的物性仪力臂最大为35000g，当馒头超过48h时，硬度超过最大值，因此放弃测量。

馒头皮硬度测定方法：每次测两个样品，每个样品在几何位置，采用P/2探头穿过此中心位置，来测馒头皮其中一个硬度，再在中心附近分别测三个硬度，取平均值。测试参数：探头：P/2，穿孔距离7.5mm，测量速度：2.00mm/s，触发力：5g。

馒头芯硬度测定：每次两个样品，在固定的盒子中，馒头放置里面，把馒头顶部削平，剩下高度为30mm的馒头片，测定其硬度，取平均值。测量模式及参数设定如表2所示。

1.2.3 CPMG实验 利用Carr-Purcell-Meiboom-Gill脉冲序列测定样品的自旋-自旋弛豫时间T2及其相应的质子密度，样品分别置于永久磁场中心位置的射频线圈中心，进行CPMG脉冲序列测样。CPMG实验采用的参数：采样点数TD=22290、回波个数CONH= 1000、重复扫描次数NS=32、弛豫衰减时间D0=1s。利用T2-CPMG拟和程序计算出T2值，其参数：参与反演点数=400，弛豫时间点数=200，迭代次数=1000000。

1.3 数据的统计与分析

使用Excel和Spss软件进行数据处理与分析。

2 结果与讨论

2.1 三组馒头皮及馒头芯硬度的变化

如图1所示，在储藏时间120h内，三组馒头样品硬度都在增大；在48～120h内，样品呈现迅速增大的趋势。相对于空白馒头样品，添加S-XYL样品的表皮硬度呈缓慢上升趋势，而添加L-XYL样品呈迅速上升趋势。由图2可知，在储藏48h期间内，三组馒头样品的芯部硬度呈上升趋势。空白馒头样品硬度增加速度更快，而达到48h时，加入L-XYL的样品芯部硬度在三组样品中达到最大。

表2 馒头TPA参数设定Table 2 Parameter setting ofMantou TPA

图2 馒头芯硬度随着储藏时间的变化Fig.2 Changes of the hardness of the core of Mantou during storage

在储存过程中，馒头硬度增加，弹性和咬劲下降，内瓤干燥易掉屑，香味丧失，这些是馒头的老化现象，主要是由淀粉的老化造成的，馒头的硬度、弹性和回复性可以作为衡量馒头老化的指标[9]。XYL使面团中的WU-AX水解，增加S-AX的含量，进而增加了面团中S-AX的氧化胶凝作用，气蒸过程中馒头水分的挥发性减缓，最终导致馒头硬度下降较慢[10]。相对于空白样品，添加XYL的馒头样品在储藏初期硬度相对较小，降低了馒头老化速度。而添加L-XYL的馒头样品，在36～48h期间硬度迅速上升，表明失水速度较快，老化速度加快，具体原因还待进一步实验验证。

2.2 样品弛豫时间及质子信号强度变化

2.2.1 面团样品发酵0m in、发酵45m in及馒头样品冷却2h（馒头2h）弛豫时间变化 CPMG脉冲序列检测到面团及馒头样品中三部分水分的弛豫性质，拟和后得到三部分水分自旋—自旋弛豫时间常数，分别为T21、T22和T23（T21＜T22＜T23），它们相对应的质子信号分别为A1、A2、A3，总质子信号为A。

淀粉、非淀粉多糖或者蛋白质上的-OH、NH2、-SH基团与水通过化学质子交换降低水的流动性，减小横向弛豫时间。Engelsen等[11]认为，最短的T21是水与蛋白质的连接的弛豫时间，T22是水与淀粉和木聚糖连接的弛豫时间，最长T23是与蛋白质和淀粉之间的分配交换的水分弛豫时间。

由表3可知，面团样品在发酵0、45m in及馒头样品的弛豫时间有很大的差别，第一个峰峰顶点弛豫时间T21由发酵前的0.172ms降低到发酵后的0.150ms，而馒头T21增大到0.42ms；T22先增大后减小；T23一直在增大。

表3 不同发酵时间面团样品和冷却2h的馒头样品弛豫时间T21，T22和T23Table 3 The value of T21，T22and T23of dough sampleswith different fermentation time and Mantou for 2h cooling

发酵0m in时，由于馒头面团比较致密，与水分子结合力较强。发酵45m in后，面筋的结构功能发生一定的变化，可能是由于面筋与一部分水分结合力变弱，进而水分向糖分子迁移，而未迁移水分与面筋结合力本身较强，故T21变小。面团经过45m in发酵，由于酵母利用糖类发酵，一部分大分子长链糖类变为短链糖分子，使之与水分的结合力变弱，使T22弛豫时间变大，同时酵母发酵，面团内部结构发生了改变，使部分自由水更加游离，使T23在发酵45m in时增大。当经过气蒸时，淀粉会糊化，使淀粉有序的结晶结构变成非结晶结构，使水分与各种组分以结合的形式均匀分布[9]。

图3 馒头样品储藏120h内T22的变化Fig.3 Changes of T22of Mantou samples storage for 120h

图4 馒头样品储藏120h内T23变化Fig.4 Changes of T23of Mantou samples during during storage for 120h

馒头经冷却储藏后，T21保持在0.425ms，基本上没变化。由图3可知，T22在馒头储藏48h之后变小，并保持在一定的数值，没有变化。由图4可知，在2～6h内，T23保持不变，随后有稍微升高的趋势，但变化不明显。在12～36h内，保持一定的数值不变，随后下降，在72～96h内，保持一定的数值不变，随后继续下降。

馒头经冷却储藏后，蛋白质并没有发生很大的变化，主要是淀粉与非淀粉多糖的一些特性的改变，对T21影响较小。在馒头储藏过程中，非结晶的淀粉会逐渐转变成有序的结晶结构，胶体稳定性被破坏，水分开始散失，导致馒头内瓢干燥、硬度增加、掉渣[9]。淀粉回生过程是一个缓慢的过程，最初与淀粉非结晶区域均匀结合的水分逐渐进入已经出现回生现象的淀粉的结晶结构中，最终导致水分子的移动性降低，甚至是最低活动状态，所以馒头储藏期间，弛豫时间T22先保持不变，而后降低。

2.2.2 馒头水分质子信号随储藏时间的变化 馒头样品在储藏期间，质子信号A与A1呈下降趋势；相对于空白馒头样品，在2～36h时，添加XYL的馒头样品A下降较慢，质子信号较强；在36～120h内，添加S-XYL的质子信号强度下降较少，质子信号强度最强，而添加L-XYL的质子信号下降最快，信号强度最弱；A2与A3变化没有明显的规律，但很明显的看出，添加S-XYL的馒头样品信号较强，见图5～图8。

由于馒头在储藏过程中，自由水分散失，导致总质子信号A强度降低，内部水分失衡；为达到馒头内部水分平衡，结合水向相对于较自由的水转变，A1信号降低。所有配方馒头的T22与T23的变化趋势，整体并没有表现出很强的规律性，这是由于这两部分水分别以较游离或者游离方式存在，并且处于向外蒸发和内部扩散的平衡体系的影响，因此表现出上下波动的趋势。

图5 馒头样品储藏120h内A的变化Fig.5 Changes of A of Mantou samples during storage for 120h

图6 馒头样品储藏120h内A1的变化Fig.6 Changes of A1ofMantou samples during 120h storage

图7 馒头样品储藏120h内A2的变化Fig.7 Changes of A2ofMantou samples during storage for 120h

图8 馒头样品储藏120h内A3的变化Fig.8 Changes of A3ofMantou samples during storage for 120h

在储藏初期，由于XYL降解AX，使馒头体积相对较大，硬度较低，添加XYL的馒头样品A下降较慢，说明水分散失较慢。储藏到一段时间后，添加S-XYL的样品A下降较慢，水分散失慢；而添加L-XYL的样品质子信号强度下降很快，水分散失较快，与所测的硬度变化相对应。同时说明，相对于空白馒头样品，在2～36h内，所有添加XYL的馒头样品老化速度较慢，保鲜度比较好。在36～72h内，添加S-XYL的样品老化速度较慢，而添加L-XYL的样品老化速度较快。这可能与XYL的种类不同，对面团内部结构影响不同，造成馒头老化速度不同，这个问题有待进一步深入研究。

2.2.3 馒头皮及芯硬度与质子信号之间的相关性表4～表6所示，三组馒头各质子信号与其硬度及贮藏时间有相关性。

表5 添加S-XYL馒头样品皮及芯与相对应的质子信号强度的相关系数Table 5 The correlation coefficientof the amplitude of proton signal between the crustand core of Mantou samples with S-XYL

表6 添加L-XYL馒头样品皮及芯与相对应的质子信号强度的相关系数Table 6 The correlation coefficientof the amplitude of proton signal between the crust and core ofMantou samples with L-XYL

通过相关性分析，发现利用馒头硬度指标判断馒头的老化有一定的可靠性，同时也表明馒头内部水分的迁移流动是导致馒头老化的重要因素。

3 结论

实验结果表明，利用NMR技术从水分子结合能力、流动性及水分迁移情况来研究馒头老化是可行的。相对于空白样品，在实验条件下，在0～36h内，添加XYL的所有馒头样品老化速度较慢，保鲜度较好；在36～120h内，添加S-XYL的老化速度慢，添加L-XYL的老化速度快。馒头储藏初期，XYL对馒头老化都有减缓的作用，但是储存超过一定时间，不同的木聚糖酶对馒头老化影响有很大差别，这需要进一步深入研究木聚糖酶的特性及对馒头等面制品的作用机理。

因此，利用NMR技术研究面制食品老化有很大的发展前景，根据食品水分含量及水分迁移情况可以较为准确的预测食品老化程度，方便快捷，简单易行。

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Effectof xylanase on staling rate ofMantou w ith NMR technology

SU Dong-hai1，SU Dong-m in2，3，*，DING Yan-xin2
（1.Biology Department，Beijing Polytechnic，Beijing 100029，China；2.Shool of Food Science and Technology，Henan University of Technology，Zhengzhou 450052，China；3.Zhengzhou Railway Vocation and Technical College，Zhengzhou 450052，China）

In order to imp rove quality of Mantou and reduce its staling rate during storage，TA-XT p lus and nuc lear magnetic resonance（NMR）techniques were used to measure the firm ing and water d istribution of sam p les of Mantou，which were added xylanase.Then，effects of xylanase on the staling rate of sam p les were stud ied.The results showed that the hardness of the c rust and core of Mantou increased slow ly during storage of0～36h.The sam p les added XYLwere less hard than the controlsam p le.The hardness inc reased significantly when it was 36h，especially the sam p les added L-XYL.Meanwhile，the p roton signal A and A1of Mantou sam p les dec reased continuously during storage.The p roton signal of sam p les added xylanase decreased slow ly during storage of 0～36h，and the samp les added solid state of xylanase（S-XYL）also decreased slow ly during storage of 36～120h.While，the p roton signal of the add ition of L-XYL to samp les decreased rap id ly. Therefore，the staling rate of sam p les added xylanase was slower during storage of 0～36h，and the sam p les added S-XYL was slower during storage of 36～120h，however，the staling rate of samp les added L-XYL was faster.

NMR technology；Mantou；staling；watermobility

TS213.2

A

1002-0306（2014）18-0101-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.18.013

2013－12－04 *通讯联系人

苏东海（1965-），男，教授，研究方向：食品生物技术。

北京市属高等学校人才强教计划资助项目（PHR201107151）；国家自然科学基金项目（31071597）。