麦麸粒径对全麦面团流变学特性的影响

熊礼橙,牛 猛,张宾佳,赵思明,熊善柏

(华中农业大学食品科技学院,湖北武汉 430070)

麦麸粒径对全麦面团流变学特性的影响

熊礼橙,牛 猛*,张宾佳,赵思明,熊善柏

(华中农业大学食品科技学院,湖北武汉 430070)

麦麸经不同强度超微粉碎后得到4种不同平均粒径(分别为327、209、144、45 μm),将麦麸按照出粉率进行回添得到全麦面粉,以探讨不同粒度组成的麦麸对全麦面团流变学特性的影响。糊化特性分析结果显示随着麦麸粒径的逐渐减小,全麦面粉的峰值黏度、最低黏度、最终黏度和回生值等显著增大。粉质特征显示全麦面粉的吸水率随麦麸粒径的减小逐渐增大,但稳定时间减小、弱化度增大。拉伸仪结果表明醒发时间会影响麦麸粒径对面团面筋网络结构的作用,在面筋网络的逐步扩展和形成阶段(45～90、90～135 min),较小粒径的麦麸会促进面筋网络结构变得密实但降低了其延展性。动态流变学特征显示全麦面团的弹性模量和黏性模量随麦麸粒径的减小而减小,但在扫描范围内高于普通面团。由本研究结果可推测,麦麸粒径的减小会促进淀粉颗粒与麦麸层细胞的分离及麦麸纤维在面团中的分布，但增加了面团形成过程中的物理空间阻碍,干扰了蛋白质分子间的交联和面筋网络结构与淀粉颗粒的结合。

麦麸粒径,全麦面粉,全麦面团,流变学特性

近年来,人们对于低糖、低脂、低热量和高膳食纤维谷物制品的需求不断增加。与精制谷物相比,富含膳食纤维的谷物食品,对于促进健康更加有效,全谷物食品已成为用于改善居民膳食营养结构的重要健康食品之一[1-2]。其中,全麦食品是全谷物食品的重要分支之一,因其富含大量生物活性营养成分,长期摄入不但能够满足现代人对营养物质的需求,还具有改善血脂代谢、降低胆固醇、降低血清低密度脂蛋白等功效[3-5]。

相比于普通面粉,全麦面粉中因麦麸的加入会对面团的流变学特性和加工特性造成不良影响。因此,全麦面粉的制粉工艺成为影响全麦制品品质的重要因素[6-7]。全麦面粉的制粉工艺可分为整粒碾磨和麦麸回添两种方式,不同碾磨方式会对全麦面粉的加工性能和贮藏特性产生影响,其中经碾磨后麦麸粒径大小是决定全麦制品面筋网络结构和全麦食品品质的重要因素之一[8-12]。相比于麦麸回添工艺,整粒碾磨的碾磨效率较高,但在碾磨过程中会产生过量的破损淀粉[13-14]。麦麸粒度对全麦产品品质影响的研究发现,当麦麸粒度过大时,蒸煮后全麦面条的硬度、胶着性、咀嚼度呈现下降趋势[15]。在一定麦麸粒径范围内,随着麦麸粒度的减小,全麦饼干面团的伸展度和抗延展性逐渐增强[16]。而麦麸粒度过小时,面粉的吸水率增加,形成时间和稳定时间降低,面团中面筋网络结构的形成受到抑制,面包产品的体积和质量下降[17-19]。然而,目前对于麦麸粒径影响全麦面团的机制尚不明确,尤其在其对全麦面团面筋网络结构形成和流变学特性的影响机制方面报道较少。本研究中采用麦麸回添的方式制备全麦面粉,研究麦麸粒径对全麦面粉的糊化特性和粉质特性、全麦面团的拉伸特性和动态流变学特性的影响,以期为全麦面团的品质调控奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

麦麸和普通面粉 河南省大程粮油集团股份有限公司。

ZM 200超微离心粉碎机 德国耐驰公司;Mastersizer 2000激光粒度分析仪、Kinexus旋转流变仪 英国马尔文公司;快速粘度测定仪 瑞典波通瑞华科学仪器(北京)有限公司;粉质仪、拉伸仪 德国布拉班德公司。

1.2 实验方法

1.2.1 原料基本成分测定 蛋白质含量测定参照GB 50095-2010;脂肪含量测定参照GB/T 14772-2008;淀粉含量测定参照GB 5009.9-2008,酶水解法;灰分含量测定参照GB 5009.4-2010;纤维含量测定参照GB/T 5515-2008。

1.2.2 全麦面粉的制备 同一批小麦颗粒经碾磨后得到F1、F2、F3、次粉、果皮层和种皮层,其中F1、F2、F3是芯粉层,为普通面粉,其出粉率为70%。收集除芯粉层外其他组分混匀得到麦麸,通过调节超微粉碎机的齿轮转速和碾磨道数分别得到具有4种不同粒径分布的麦麸组分,按照30%的比例分别回添到普通面粉中,组成4种不同粒度分布的100%全麦面粉。样品以麦麸组分的平均粒径标记,以普通面粉做为对照组。4种不同粒径麦麸的碾磨参数分别为齿轮转速(8000、10000、14000、18000 r/min),碾磨道数(一道、二道、一道、一道)。

1.2.3 粒径分布的测定 采用Mastersizer 2000激光粒度测定仪对麦麸和普通面粉的颗粒粒度进行测定[20]。测试条件:遮光度10%,分散剂为乙醇,分散剂折射率1.330。

1.2.4 糊化特性的测定 参照AACC方法76-21[21],采用快速粘度仪(RVA)测定全麦面粉中淀粉糊化特性。称取3.5 g全麦面粉(以14%水分含量为基准,下同)到铝盒中,加入25 mL蒸馏水,预搅拌后将铝盒放到快速粘度分析仪上进行实验;升温降温程序为:在50 ℃保温1 min,然后在3.75 min内升温到95 ℃,在95 ℃保持2 min后,3.75 min内降温到50 ℃,最后在50 ℃保温2 min。起始10 s内搅拌转速为960 r/min,之后维持在160 r/min。测定的主要参数有峰值黏度、最低黏度、崩解值、最终粘度、回生值等。

1.2.5 粉质特性的测定 参照AACC方法54-21[22],采用粉质仪测定全麦面团的搅拌特性。称取300 g全麦面粉加入适量水分后在和面钵中揉和,当面团的最高稠度达(500±20) FU时按记录仪所记录的粉质曲线得到各粉质参数,测定的主要参数有吸水率、稠度、形成时间、稳定时间、弱化度、粉质指数等。实验过程中和面钵工作温度控制在(30±0.2) ℃范围内。

1.2.6 拉伸特性的测定 参照AACC方法54-10[23],用拉伸仪测定全麦面团的拉伸特性。根据粉质仪测定得到的最佳吸水率,将全麦面粉、蒸馏水和氯化钠加入粉质仪和面钵内,揉面5 min后取出在拉伸仪中进行揉圆、成型、依次醒发45、90、135 min后进行拉伸特性测定。测定指标主要为拉伸阻力(BU)、最大抗拉阻力(BU)、面团延伸性(mm)、拉伸能量(cm2)、拉伸比(BU/mm)等。

1.2.7 动态流变学特性的测定 参照刘彦等[24]所采用方法对全麦面团流变学特性进行测定。称取3 g经粉质仪揉混5 min后的面团放置于流变测试台上,静置5 min以释放面团的残余应力。以动态测量模式下的应力扫描程序确定面团的线性黏弹区,测定条件为:平板直径40 mm,夹缝距离1 mm,固定频率1.0 Hz,测试温度25 ℃。在确定线性黏弹区后采用频率扫描程序测定麦麸粒径对全麦面团流变学特性G′(弹性模量)和G″(损耗模量)的影响,测定条件为:平板直径40 mm,测定夹缝距离1 mm,目标应变0.05%,测试温度25 ℃,频率扫描范围0.01～10 Hz。

1.3 数据处理方法

运用Microsoft Excel 2007、Origin 8.0和SAS 9.1软件进行数据整理和统计分析,用ANOVA进行方差分析。实验设3次重复,结果以“平均值±标准偏差”表示。

2 结果与分析

2.1 原料的基本成分

麦麸、普通面粉和全麦面粉的基本成分如表1所示。麦麸中蛋白质含量达到27.05%,全麦面粉的蛋白质含量为16.68%,高于普通面粉的蛋白含量。作为面粉中的主要组分,淀粉在普通面粉中的含量高达85.54%。麦麸中所含淀粉较少,全麦面粉中淀粉的含量为64.47%。纤维在麦麸中含量较高,所占比重为10.59%,而普通面粉中几乎不含有纤维。

表1 原料的基本成分

图1 超微粉碎对麦麸粒径分布的影响Fig.1 Effects of superfine grinding on wheat bran particle size distribution

2.2 麦麸粒径的分布

将通过控制齿轮转速和研磨道数所获得的4种不同粒径的麦麸采用激光粒度仪进行粒径分布的测定,激光粒度仪通过分析散射角和散射光强度分别得到颗粒在0～5、5～10、10～20、20～35、35～70、70～110、110～180、180～25、250～350、350～500、500～600、600～700、700～800、800～900 μm、大于900 μm范围内的数量分布,然后通过引入粒级中间值和形状系数,再归一化后得到粒径体积分布,最后依据体积分布画出粒径条形分布图。

如图1所示,随着碾磨转速和道数的逐渐增大,麦麸的平均粒径逐渐下降。由研磨强度从小到大得到的麦麸平均粒度分别为327、209、144、45 μm。327 μm组的麦麸在0～1000 μm区间大体呈正态分布,209 μm组中所有的麦麸颗粒的粒径都小于800 μm,在0～180 μm区间内的分布比例大于327 μm组,144 μm组的大部分麦麸颗粒的粒径小于500 μm,45 μm组的平均粒径最小,90%的麦麸颗粒的粒径小于180 μm。

2.3 麦麸粒径对全麦面粉黏度特性的影响

图2表示不同粒度麦麸对全麦面粉中淀粉RVA曲线的影响。如图2所示,各样品的热黏度曲线趋势大致相同。在初始升温过程中,淀粉悬浊液黏度迅速增大,这是淀粉颗粒润张、晶体结构熔融,导致流动阻力增大所致[25]。随着温度的继续升高,淀粉颗粒进一步润胀,直链淀粉从内部渗出,形成以直链淀粉胶体为连续相,支链淀粉团块为分散相的淀粉糊,糊化程度显著增加,黏度达到峰值[26]。此后,在最高温度下保持一段时间,淀粉颗粒进一步破裂,直链淀粉溶出,黏度开始下降。随后温度下降,淀粉糊热运动减弱,淀粉颗粒和胶体网络收缩,流动阻力会增大,导致黏度上升。

图2 麦麸粒度对全麦粉黏度特性的影响Fig.2 Effects of wheat bran particle size on the viscosityproperties of whole-wheat flour

麦麸的添加使面粉的峰值黏度、最低黏度、崩解值、最终黏度和回生值都显著降低。随着麦麸粒径的逐渐减小,全麦面粉的峰值黏度、最低黏度、最终黏度和回生值等显著增大,峰值黏度由327 μm组的760 cp升高到45 μm组的923 cp,最低黏度由283 cp升高到411 cp,最终黏度由796 cp升高到1153 cp,回生值由513 cp升高到742 cp。麦麸对面粉糊化黏度的降低作用主要是因为减小了面粉中淀粉的相对含量,使得糊化后流动阻力变小、黏度减少。麦麸粒径的减小造成全麦面粉糊化黏度和回生值的升高,这主要是因为碾磨作用促进了淀粉颗粒与麦麸层细胞的分离,使淀粉颗粒的吸水率增加,糊化程度提高,另外粒径减小后麦麸纤维的比表面积增大,持水能力增加,膨胀体积变大,从而促进了糊化黏度的增加;回生值的显著增大,表明粒径的减小降低了麦麸对糊化后淀粉分子间重排的阻碍作用,淀粉糊的低温稳定性变差,更易老化。此结果与Niu[14]等的报道结果存在差异,这主要是因为在本研究中经高强度碾磨后麦麸粒径下降程度更大,平均粒径最小降至45 μm,各组别间粒径差别也增加。虽然麦麸中淀粉的晶体结构会因碾磨而受到破坏,造成淀粉热糊化黏度的下降,但本研究中粒径的显著减小促进了麦麸层中淀粉的糊化和纤维持水能力,从而提高了全麦面粉的热糊化黏度。此外,麦麸粒径的变化对崩解值未产生显著影响,各组的崩解值都在500 cp左右。

表2 麦麸粒径对全麦面团粉质特性的影响

注:同列字母不同表示差异显著(p<0.05)。

2.4 麦麸粒径对全麦面粉粉质特性的影响

表2表示麦麸粒径对全麦面粉粉质特性的影响。由表2可知,全麦面粉与普通面粉的粉质特性有显著差异性,表现为全麦面粉吸水率增大、形成时间和弱化度增加,而稳定时间变短,粉质指数减小,说明全麦面粉相对于普通面粉吸水性增加,但面筋强度降低。这主要是因为麦麸纤维具有较高的持水性,延长了面团的吸水过程,从而增加了全麦面粉的吸水率和面团的形成时间[27];而麦麸成分的加入稀释了体系中贮藏蛋白的浓度,减少了单位体系内面筋蛋白网络的物质基础,且较大颗粒的麦麸纤维会对面筋网络结构的形成造成物理阻碍,从而使全麦面团中面筋网络结构强度下降。

随着麦麸粒径的减小,全麦面粉的吸水率逐渐增大。相对于327 μm组,209、144、45 μm组全麦面团的稳定时间显著减小;另外随着麦麸粒径的减小,全麦面团的弱化度也呈现增加趋势,说明全麦面团中面筋强度随麦麸粒径的减小有所下降。吸水率增加主要是因为麦麸纤维粒径减小,比表面积增大,促进了全麦面团的吸水,另外麦麸中的淀粉颗粒会在高强度碾磨下受到破坏,破损淀粉含量有所增加,因而也会促进全麦面粉吸水率的增加[28]。稳定时间和弱化度是反应面团在形成过程中面筋网络强度大小的两个重要指标[29]。这两个指标的变化可能是由于相对于较大颗粒的麦麸纤维,较小颗粒的麦麸纤维在面团中的分布范围更广,对面筋网络结构的形成产生了更大的物理阻碍,另外破损淀粉含量的增加会促进面团的吸水,使面团发粘,弹性和延伸性降低。此结果又与Niu等[14]的报道结果存在差异,主要还是由于两项研究中麦麸粒径的分布范围存在较大差异造成的。另外,结果还显示出麦麸粒径未对全麦面团的形成时间和粉质指数产生显著影响。

2.5 麦麸粒径对全麦面团拉伸特性的影响

表3表示含有不同粒径麦麸的全麦面团在经45、90、135 min醒发后的拉伸特性。拉伸阻力和最大抗拉阻力与面筋网络结构的弹性和持气能力有关,延伸性表征面团的延展性和可塑性,拉伸能量表征面团中面筋的强度,拉伸比例则是体现拉伸阻力和面团延伸性之间平衡的平衡关系[30]。相对于普通面团,各全麦面团实验组在最大抗拉阻力、延伸性、拉伸能量上呈现显著下降,拉伸比例显著增加,除45 μm组在醒发90 min时拉伸阻力大于普通面团外,其余全麦面团组的拉伸阻力均低于普通面团。这说明相比于普通面团,全麦面团的弹性下降,延展性减小,面筋网络强度减小,但单位延伸长度上拉伸阻力增加。

实验结果表明醒发时间影响了麦麸粒径对全麦面团拉伸特性的作用。在经45 min醒发时,209 μm组的最大抗拉阻力、延伸性和拉伸能量等指标高于其他实验组,显示出较高的面团弹性、延展性和面筋强度;在经90 min醒发后,45 μm组的拉伸阻力和最大抗拉阻力显著高于其他全麦组,而面团延伸性显著下降、拉伸比例增加,327 μm组与45 μm组截然相反,显示出较低的拉伸阻力和最大抗拉阻力;在经135 min醒发后,45 μm组的拉伸阻力和最大抗拉阻力仍高于其他全麦组,但延伸性低于其他组别。拉伸特性展现出面团经醒发不同时间后弹性、延展性和面筋强度的变化,而粉质特征为面团在形成过程中表现出的稳定性和耐揉性,因此通过两种方法得到的面团特征存在差异。由拉伸特征数据可知,在醒发时间为0～45 min时,面筋网络尚处于初步形成阶段,较小粒径的麦麸颗粒(144 μm组 与45 μm组)会降低面团的拉伸阻力和延伸性,表现出弹性和延展性的下降;醒发时间为45～90 min时,面筋网络处于逐渐扩增期。经90 min醒发后,较小粒径的麦麸颗粒(45 μm组)增加了拉伸阻力但降低了延伸性,表现出弹性的提高和延展性的下降;经135 min醒发后,面筋网络结构逐渐形成并完善,相对于其他组别,较小粒径的麦麸颗粒(45 μm组)仍然促进了面筋弹性的提升,但延伸性仍下降,表明面筋网络密实程度增加,弹性和硬度增强,但可塑性变差。

表3 麦麸粒径对全麦面团拉伸特性的影响

注:同列字母不同表示差异显著(p<0.05)。

2.6 麦麸粒径对全麦面团动态流变学特性的影响

对面团进行应变扫描,以确定面团的线性粘弹区,结果如图3所示。应变反映面团在应力作用下的变形程度。随着应变的增加,面团的弹性模量(G′)、黏性模量(G″)和损耗因子(tan δ,G″/G′)在0.01%～10%的应变范围内显示出不同的变化趋势。G′和G″在较高应变时呈下降趋势,tan δ则呈现上升趋势,说明G′和G″下降速率不同,G′下降速率更快。当G′和G″随应变的变化不发生改变时,面团在黏弹区间内且结构没有受到破坏。根据图3所示结果,最终选择应变为0.05%时进行频率扫描。

图3 全麦面团的应变扫描Fig.3 Strain sweep of whole-wheat dough

图4(a)和4(b)表示麦麸粒径对全麦面团动态流变学特性的影响。G′和G″分别表征面团的弹性模量和黏性模量。对照组与全麦组在同一扫描频率下的G′都大于G″,说明全麦面团与普通面团都属于弹性高于黏性的固态黏弹体。对照组与全麦组的G′和G″值都随着扫描频率的增加而升高。另外,全麦组的G′和G″值在整个扫描频率范围内高于对照组,这与麦麸纤维含有大量的亲水基团,会增加与面筋蛋白对自由水的竞争,麦麸纤维对水分的束缚使得面团硬度增加、延展性下降相关[31]。

图4 麦麸粒径对全麦面团动态流变学特性的影响Fig.4 Effects of wheat bran particle size on oscillatory rheological properties of whole-wheat flour

327 μm组的G′和G″在整个扫描频率范围内高于其他全麦组,而且随麦麸平均粒径的减小,G′和G″总体呈下降的趋势,这说明麦麸粒径的减小使得全麦面团的弹性与面筋强度有所下降。较小颗粒的麦麸会在较大范围内干扰蛋白质分子间的交联和面筋网络对淀粉的包裹作用,从而降低面筋结构的连续性,影响以蛋白质和淀粉为主要基质的黏弹体的结构。虽然麦麸粒径的减小促进了全麦面粉吸水率的升高,但高出的水分多被麦麸中纤维吸收,并未增加蛋白质和淀粉对水分的吸收作用。随着麦麸粒径的减小,反而减弱了蛋白质网络结构和淀粉颗粒对水的吸收,使面团的黏性降低。此结果与全麦面粉粉质特征随麦麸粒径变化的趋势相同。动态流变测试的样品是通过粉质仪成型制得,未经过醒发过程,因此表现出的特征更接近于粉质仪测定的面团在形成过程中展现出的性质。

3 结论

本研究将麦麸经不同强度超微粉碎后得到4种不同粒径分布的麦麸,平均粒径分别为327、209、144、45 μm,再将麦麸按照出粉率(70%)进行回添得到全麦面粉。黏度特性分析结果显示随着麦麸粒径的减小,全麦面粉的峰值黏度、最低黏度、最终黏度和回生值等显著增大,而崩解值未发生显著变化,这与麦麸中淀粉颗粒与纤维分离后糊化程度的增加有关。粉质特征显示全麦面粉的吸水率随麦麸粒径的减小而逐渐增大,但稳定时间减小、弱化度增大,表明全麦面团中面筋网络强度随麦麸粒径的减小而减弱。拉伸仪结果表明醒发时间会影响麦麸粒径对面筋网络结构的作用。在醒发时间为90 min和135 min时,面筋网络处于逐渐扩展和形成阶段,较小的麦麸颗粒会促使面团拉伸阻力的增大,但延伸性会降低。动态流变学特征显示随麦麸粒径的减小,全麦面团的弹性模量和黏性模量逐渐变小。通过对表观特征和主要机制的探讨,作者推测麦麸粒径影响全麦面团流变学性质的主要原因为麦麸粒径的减小促进了麦麸纤维的分布,增加了面团形成的物理空间阻碍,干扰了蛋白质分子间的交联和面筋网络与淀粉颗粒的结合。

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Effects of wheat bran particle size on rheological properties of whole-wheat dough

XIONG Li-cheng,NIU Meng*,ZHANG Bin-jia,ZHAO Si-ming,XIONG Shan-bai

(College of Food Science and Technology,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China)

In the study,wheat bran was ground by superfine grinding with various strengths,and then added into straight grade flour according to flour extraction rate(70%)to obtain whole-wheat flour(WWF). The average particle sizes of four wheat bran after superfine grinding were 327,209,144,45 μm,respectively. The influences of wheat bran particle size on the rheological properties of whole-wheat dough(WWD)were investigated. The analysis of viscosity showed that the peak viscosity,trough,final viscosity and setback of WWF were significantly increased as wheat bran particle size reduced. The farinograph analysis indicated that as the wheat bran particle size reduced,the water absorption of WWF was remarkably increased,but the stability time was decreased and the softening degree was enhanced. Extensograph analysis showed that fermentation time could affect the effects of wheat bran particle size on the dough gluten network structure;in the stages of extension and formation of gluten network(45～90,90～135 min),smaller wheat bran particle size could promote the compactness of gluten network but reduced the extensibility. Oscillatory rheological properties analysis indicated that as wheat bran particle size decreased,the elastic modulus and viscous modulus of WWD showed a downward trend,but still higher than the control group within the scanning range of frequency. Based on the obtained results,it can be speculated that the decreased wheat bran particle size promoted the separation between starch granules and bran layer and facilitated the distribution of wheat bran fiber,but caused more steric hindrance during the development of gluten network and inhibited the binding between the protein molecules and the interactions of gluten matrix with starch granules.

wheat bran particle size;whole-wheat flour;whole-wheat dough;rheological properties

2016-07-25

熊礼橙(1991-),女,硕士研究生,研究方向:农产品加工与贮藏,E-mail:15527283153@163.com。

*通讯作者:牛猛(1985-),男,博士,讲师,研究方向:谷物大分子的结构与功能特性,E-mail:nmjay@mail.hzau.edu.cn。

国家自然科学基金青年科学基金项目(31501520);中央高校基本科研业务费专项资金资助项(2662015QC029);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2662014BQ056)。

TS211.4

A

1002-0306(2017)02-0098-07

10.13386/j.issn1002-0306.2017.02.010