燕麦麸皮添加量对面团流变特性及面筋蛋白结构的影响

黄莲燕,王红娜,张小爽,张慧娟,王 静

(北京工商大学北京食品营养与人类健康高精尖创新中心, 北京市食品添加剂工程技术研究中心,北京 100048)

燕麦麸皮是燕麦加工过程中的副产物,主要用作饲料,利用率很低。研究发现,燕麦麸皮不仅含有丰富的膳食纤维,还含有多种营养成分,如蛋白质、硫胺素、钙、铁、VB6等[1],因此越来越受人们的重视。燕麦麸皮中的可溶性膳食纤维含量较高,主要为β葡聚糖。研究表明,β葡聚糖具有降低胆固醇的功效,它能在小肠内形成胶状体,使环境粘度升高,从而吸收胆固醇及胆汁,并将其排除体外,减少小肠对胆固醇的吸收。此外,β葡聚糖还具有平缓饭后血糖升高、促进胃肠道蠕动、预防结肠癌等多种生理功能[2]。燕麦麸皮的这些营养保健功能,对预防现代人因久坐和饮食结构的改变而引起的如冠心病、动脉硬化、高血脂、便秘等具有重要的意义。

然而,燕麦麸皮在食品上的应用并不如人意,因为添加燕麦麸皮后产品的品质通常会下降,不能满足消费者对于产品色、香、味的要求。张东仙等[3]研究发现添加燕麦麸皮使挂面的蒸煮损失率、吸水率和混汤吸光值显著增大(p<0.05),并且随着燕麦麸皮添加量的增加,挂面的硬度、咀嚼性显著增大(p<0.05),而粘性和弹性下降,挂面的感官品质降低。何雅蔷等[46]研究了燕麦麸皮对馒头、面包、饼干品质的影响,发现只有在较低添加量(<10%)时,产品的品质才会比较好。目前关于燕麦麸皮对面团品质及面筋蛋白品质影响机理的研究还比较少。面筋蛋白是小麦粉的重要组成部分,对面团流变学性质及产品品质起着决定性作用,燕麦麸皮对面团流变性质及产品品质的影响,可能就是因为燕麦麸皮影响了面筋蛋白网络结构导致的[78]。

本实验将燕麦麸皮以0%、10%、15%、20%、25%(w/w)的比例添加到小麦粉中,通过测定面团的热机械学特性,面筋蛋白的动态流变特性、热稳定性、巯基/二硫键、微观结构,探究燕麦麸皮对面团及面筋蛋白品质的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

燕麦麸皮 源自河北热河有限公司;金沙河富强高筋小麦粉 购于当地超市;二硫糖醇(DTE) 购自北京百灵威科技有限公司;盐酸、三羟甲基氨基甲烷、丙酮、冰醋酸、异丙醇、5,5二硫代(二硝基苯甲酸)、甲基硅油(粘度≥100 mPa·s) 北京半夏科技发展有限公司;实验中所用化学试剂均为分析纯。Ellman’s试剂异丙醇、250 mmol/L TrisHCl缓冲液(pH8.5)、4 g/L 5,5二硫代(二硝基苯甲酸)按体积比为5∶5∶1配制而成;二硫糖醇还原液 用80 mmol/L TrisHCl缓冲液(pH8.5)配制浓度为40 mmol/L的DTE溶液。

FW100高速万能粉碎机 北京中兴伟业仪器有限公司;FDV气引式超细粉碎机 佑崎有限公司;JA5003电子天平 上海精密科学仪器有限公司;SHZ82A恒温振荡器 常州国华电器有限公司;Free Zone®真空冷冻干燥机 美国LABCONCO公司;CR22N高速离心机、SU8010扫描电子显微镜 日本日立公司;Mixolab谷物综合特性测定仪 法国Chopin公司;Cary 100紫外分光光度计 安捷伦科技(中国)有限公司;DHR混合型流变仪 美国TA仪器公司;TGA 8000热失重分析仪 珀金埃尔默企业管理(上海)有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 燕麦麸皮的制备 采用超微粉碎机对燕麦麸皮进行研磨,过80目筛,将未能过筛的燕麦麸皮继续研磨,直至所有的燕麦麸皮能够通过80目筛。将磨碎后的燕麦麸皮分别以10%、15%、20%、25%(w/w)的添加量加入小麦粉中,未添加燕麦麸皮的小麦粉为空白对照组。

1.2.2 面团热机械学性质的测定 采用谷物综合测定仪(Mixolab)来研究高燕麦麸皮添加量对面团热机械学特性的影响,通过实时测定两个揉捏臂之间面团的扭矩,从而研究面团在加热过程中蛋白质和淀粉的性质。混合实验仪设定参数按照“Chopin+”标准:根据样品粉的水分含量,计算样品粉的重量,使加水后面团总重量为75 g,首先使面团扭矩达到1.1 N·m,30 ℃恒温8 min后以4 ℃/min的升温速度加热至90 ℃,在此保持7 min,之后以4 ℃/min的降温速度冷却至50 ℃,恒温5 min,整个过程面团搅拌速度保持在80 r/min。从Mixolab实验结果中可获得面团吸水率、面团形成时间、面团稳定时间、粘度崩解值、回生值等[910]。

1.2.3 面筋蛋白的制备 参照Day等[11]的方法稍作修改。称取25 g样品粉,加入15 mL蒸馏水揉捏成均匀的面团,面团揉好后静置30 min,以便更好地形成面筋蛋白。然后用蒸馏水洗涤,直至洗出的清水遇碘不变蓝色,剩下的便是面筋蛋白,每个样品重复三次。立即将得到的面筋蛋白放入80 ℃冰箱中冷冻,随后用真空冷冻干燥机(80 ℃,0.06 torr)冷冻干燥48～72 h,得到冷冻干燥的面筋蛋白,留一小块面筋蛋白用于扫描电镜的测试,其余面筋蛋白均用高速万能粉碎机粉碎并过80目筛,储存于4 ℃冰箱中备用。

1.2.4 湿面筋蛋白动态流变性能的测定 参照Tuhumury等[12]的方法稍作修改,采用动态流变仪(DHR)测定湿面筋的粘弹性模量,按1.2.3中的方法制备湿面筋,从湿面筋蛋白的中心部位取4 g左右的蛋白,揉成小球,放在DHR流变仪的底盘中心,使上平板缓慢下移至上下平板间距为2 mm,用刮板刮去多余的面团,盖上保护盖,并在保护盖边缘处滴甲基硅油密封,以防止实验过程中面筋蛋白干燥。在测量开始前使样品在平行板上稳定5 min,以便使加样过程中受到破坏的面筋蛋白结构恢复。分别对样品进行应力扫描和频率扫描流变学实验。应力扫描测量参数:1 Hz条件下,应力范围为0.01%～10%;频率扫描测量参数为:40 mm圆形平板,温度25 ℃,应力为0.5%,频率变化范围为0.01～100 Hz,测定弹性模量(G′)、粘性模量(G″)和损耗角正切值(tan δ)随频率的变化。

1.2.5 面筋蛋白热性质的测定 热重分析(TGA)参照Nawrocka等[13]的方法稍作修改,准确称取10 mg左右的冷冻干燥后的蛋白样品,以20 ℃/min的升温速率从50 ℃升温至900 ℃,得到TGA曲线,采用Pyris软件进行分析,计算各蛋白样品的热降解温度(Td)及600 ℃时的失重率。

1.2.6 巯基/二硫键含量的测定 参照Morel等[14]的方法对面筋蛋白的巯基/二硫键含量进行分析。游离巯基含量的测定:取40 mg粉碎后的面筋蛋白加入5.5 mL Ellman’s试剂,4800 r/min离心10 min,在412 nm下用分光光度计测定吸光度值。

总巯基含量的测定:30 mg粉碎后面筋蛋白,加入5 mL二硫糖醇还原液,60 ℃反应2 h后,加入3 mL 100 mmol/L的冰醋酸丙酮溶液终止反应,4 ℃条件下6000 r/min离心10 min,沉淀物悬浮于300 μL 100 mmol/L冰醋酸溶液中,然后再用3 mL 100 mmol/L的冰醋酸丙酮溶液洗涤沉淀,6000 r/min 离心10 min,重复3次,沉淀用 Ellman’s试剂溶解,412 nm处测定吸光度。

二硫键含量(μmol/g)=(总巯基含量游离巯基含量)/2

式中:A为样品在412 nm处的吸光度;V是样品溶液的总体积,L;ε为消光系数,ε=13600 M-1·cm-1;b为比色皿厚度,b=1 cm;m为样品质量,g。

1.2.7 面筋蛋白微观结构观察 参照Gómez 等[15]的方法稍作修改,将冷冻干燥所得的面筋蛋白用小锤破裂,取破裂后内表面较平整的样品块用导电银胶粘到扫描电镜样品台上,将样品台放入喷金仪中进行喷金。喷金参数:电流15 mA,时间150 s,靶材铂金。将处理好的样品立即放入电镜载物腔内抽真空,加压至5 kV,然后分别用从小到大的放大倍数进行观察,拍照。

1.3 数据处理

2 结果与分析

2.1 燕麦麸皮添加量对面团热机械学特性的影响

如表1所示,燕麦麸皮添加量由0%增加至25%的过程中,面团的吸水率由61.3%增加至76.8%,这一结果与何雅蔷等[6]的研究结果相一致。添加燕麦麸皮后面团吸水率的增加可能是由于燕麦麸皮中含有丰富的膳食纤维,膳食纤维中的羟基会与水形成氢键,大大提高了面团的水合能力,因此吸水率显著增大(p<0.05)。面团吸水率的增加有助于提高面制品的出品率,同时有助于延缓面制品的老化及龟裂收缩现象,但是,过高的吸水率不利于面团的醒发,可能会降低面制品的品质[16]。面团的形成是一个十分复杂的过程,形成时间可反映面筋蛋白网络形成的速度。

表1 燕麦麸皮添加量对面团热机械学特性的影响Table 1 Effects of the addition of oat bran on the thermomechanical properties of dough

由表1可知,与对照组相比当燕麦麸皮添加量为10%和15%时,面团的形成时间并无显著性差异,当燕麦麸皮添加量为20%和25%时,面筋蛋白的形成时间显著延长(p<0.05)。分析面团形成时间的延长的原因可能是由于燕麦麸皮与面筋蛋白竞争水分,导致面筋吸水受到影响,从而面团形成时间延长,并且随着燕麦麸皮添加量的增加,这种水分竞争效应越明显,面团形成时间越长[1718]。

稳定时间反映了面团的耐揉性,即对剪切力的抵抗性,面团的稳定时间越长,说明面筋蛋白网络结构越牢固,面筋强度越强,面团的韧性越好[19]。本实验中随着燕麦麸皮添加量的增加,面团的稳定时间显著下降(p<0.05),说明燕麦麸皮的加入削弱了面筋蛋白的网络结构,这与Sudha等[20]的研究结果一致。这可能是因为燕麦麸皮加入后的物理障碍作用阻碍的面筋网络的形成,并且燕麦麸皮膳食纤维与小麦粉蛋白及淀粉的水分竞争作用,导致面团水分的重新分布,最终导致面团稳定时间降低。

回生值是糊化了的淀粉遇冷后出现的分子重新排列并重结晶的现象,与对照组相比,当燕麦麸皮添加量增加时,面团的回生值均显著降低了(p<0.05);但不同燕麦麸皮添加量,面团的回生值无显著差异(p>0.05)。这可能是因为燕麦麸皮中的β葡聚糖的持水能力很强,影响了面团中淀粉颗粒正常的溶解和膨胀,阻碍直链淀粉的重新排列,使得混合粉冷却过程中形成凝胶的能力被弱化,从而降低淀粉的老化速率[21]。

粘度崩解值反映淀粉的冷热稳定性及其破损程度,粘度崩解值越小表示面团的糊化稳定性越好[22]。粘度崩解值越大,说明淀粉颗粒破损的程度越大,耐剪切能力越低。在燕麦麸皮添加量逐渐增大的过程中,粘度崩解值由0.19升高至0.44 Nm,说明燕麦麸皮的添加使得淀粉颗粒的破损程度增大,混合粉中淀粉颗粒的耐剪切性降低。

综上所述,随着燕麦麸皮添加量的增加,面团吸水率、形成时间、粘度崩解值整体呈上升的趋势,面团稳定时间、回生值整体呈下降的趋势,表明添加燕麦麸皮会降低面团的热机械学性质。

2.2 燕麦麸皮添加量对面筋蛋白弹性模量和粘性模量的影响

动态流变仪可以测定物质的粘弹性质,频率扫描是在恒定温度条件下改变频率的动态流变学测量,可获得物质的弹性模量(G′)和粘性模量(G″)随振荡频率的变化情况,能提供某些材料分子结构方面的信息[23]。损耗角正切 tan δ=G″/G′,当材料的性质类似于固体时,其在线性范围内的形变是可压缩和恢复的,粘性模量(G″)小于弹性模量(G′),tan δ<1;反之,当材料性质类似于流体或粘性系统时,粘性模量(G″)就会大于弹性模量(G′),tan δ>1[24]。tan δ值越小,表明样品组分中高聚物的数量越多或聚合度越大;反之则聚合度较低的分子占的比例高。因此可从tan δ值的变化大致推断出样品组分中高聚物组成的变化[23]。面筋蛋白主要由麦谷蛋白和麦醇溶蛋白组成,其中麦谷蛋白占30%～40%,麦醇溶蛋白占40%～50%[25]。麦谷蛋白由多肽链通过分子间和分子内二硫键连接而形成的非均质大分子聚合体,分子细长、巨大、呈纤维状结构[26];而麦醇溶蛋白无分子间二硫键,主要通过肽链内部的二硫键连接形成紧密的球形三维结构[2728]。麦醇溶蛋白通过非共价疏水相互作用及氢键镶嵌在麦谷蛋白形成的大聚体中,共同形成具有粘弹性的三维网络结构,赋予面团特殊的加工工艺[29]。

由图1a、图1b可知,加入燕麦麸皮后,面筋蛋白的弹性模量和粘性模量变化趋势与对照组一致,均随振动频率的增加而增大,且添加燕麦麸皮的面筋蛋白的弹性模量和粘性模量值均高于对照组,并随燕麦麸皮添加量的增加而增大,这说明燕麦麸皮的加入使得面筋蛋白粘弹性增加,面筋蛋白的机械强度增大。由图1c可以看出,所有面筋蛋白样品的tan δ值均小于1,说明面筋蛋白的弹性比粘性更大,具有类似固体的性质,这与前人的研究结果一致[30]。添加燕麦麸皮后面筋蛋白的tan δ均小于对照组,且tan δ随着燕麦麸皮添加量的增加而下降,说明燕麦麸皮的加入使得面筋蛋白的固体性质增加,使得面筋蛋白中聚合物含量增加。这表明燕麦麸皮不只是单纯的填充在面筋蛋白网络中,而是存在复杂的相互作用。

图1 燕麦麸皮添加量对面筋蛋白粘弹性模量的影响Fig.1 Effect of oat bran addition amount on the viscoelastic modulus of gluten protein注:a:弹性模量G′;b:粘性模量G″;c:损耗角正切值tan δ。

2.3 燕麦麸皮添加量对面筋蛋白热力学性质的影响

图2中a和b分别是面筋蛋白的TGA图和DTG 图,其中TGA曲线是积分型曲线,表示的是加热过程中样品的失重累积量,DTG曲线是TGA曲线对温度的一阶倒数,即质量变化率(dW/dT)[31]。从TGA曲线上可以明显地看出所有面筋蛋白样品的热分解大致分为两个阶段,第一个阶段的温度范围在50～200 ℃之间,此阶段样品质量的减少主要是由于样品中游离水及结合水的蒸发;第二个阶段的温度范围在200～600 ℃之间,当温度升高至600 ℃时,已有近80%的样品被分解,剩余的20%主要是一些无机盐之类的固形物,此阶段随着温度的升高,面筋蛋白的CC、SS和CH的进一步断裂,导致面筋蛋白分解[3233]。由TGA和DTG曲线我们可以得到样品热降解温度(Td)及600 ℃时的质量损失率,如表2所示。600 ℃时质量损失率的变化可以反应出面筋蛋白网络结构的变化,Khatkar等[34]研究发现,质量损失率增加表明面筋蛋白网络的结构更加开放、疏松,反之,面筋蛋白网络结构更加紧凑、致密。由表2可知随着燕麦麸皮添加量的增加,面筋蛋白的热降解温度(Td)呈下降趋势、600 ℃时的质量损失率呈增加趋势,表明添加燕麦麸皮后面筋蛋白热稳定性降低,原有的紧凑、致密的网络结构受到破坏,并且这种破坏程度随燕麦麸皮添加量的增加而增大。

表2 燕麦麸皮添加量对面筋蛋白热力学性质的影响Table 2 Effects of addition different amount of oat bran on the thermodynamic properties of gluten

图2 燕麦麸皮添加量对面筋蛋白TGA(a)和DTG(b)的影响Fig.2 Effect of oat bran addition amount on the TGA(a)and DTG(b)of gluten

2.4 燕麦麸皮添加量对面筋蛋白巯基/二硫键含量的影响

二硫键是稳定面筋蛋白网络结构的重要化学键,对面筋蛋白的流变性质至关重要。面筋蛋白中含有大量的巯基,这些巯基氧化后就形成二硫键,反之,二硫键还原后就形成巯基。由表3可知,面筋蛋白中的巯基主要是以二硫键的形式存在,其中对照组的二硫键含量最高,为70.85 μmol/g面筋蛋白,这表明对照组具有最稳定的面筋蛋白网络结构。加入燕麦麸皮后,面筋蛋白的总巯基及二硫键含量较对照组显著降低(p<0.05),并且二硫键含量随燕麦麸皮添加量的增加而显著下降(p<0.05)。当燕麦麸皮添加量为10%时,与对照组相比,二硫键含量显著降低了25.74%,而当燕麦麸皮添加量增加至25%时,二硫键含量显著下降了37.59%。二硫键含量的减少,表明添加燕麦麸皮后面筋蛋白的稳定性降低,面筋蛋白网络结构遭到破坏。Zhou等[35]将魔芋葡甘聚糖以2.5%和5%的添加量加入小麦粉中,发现面筋蛋白的二硫键含量也显著降低(p<0.05)。

表3 燕麦麸皮添加量对面筋蛋白巯基/二硫键含量的影响Table 3 Effect of different oat bran amount on the sulfydryl and disulfide groups of gluten

2.5 燕麦麸皮添加量对面筋蛋白微观结构的影响

对面筋蛋白进行了扫描电镜观察,燕麦麸皮添加量对面筋蛋白微观结构的影响如图3所示。由图3可以看出,面筋蛋白的微观结构呈现出多孔的三维网络状,其中对照组面筋蛋白的孔洞边缘平滑、大小及分布相对均匀;在燕麦麸皮添加量较低时(10%),面筋蛋白还能保持较均匀整密的孔洞结构,随着燕麦麸皮添加量的增大,面筋蛋白孔洞的平滑性和均匀性受到破坏,并且这种破坏程度随燕麦麸皮添加量的增加而增大。当燕麦麸皮添加量达到25%时,面筋蛋白呈现出蜂窝状结构,并且孔洞边缘也不再平滑,而是呈现呈锯齿状的边缘。面筋蛋白网络结构的改变,可能是因为麸皮中的膳食纤维与淀粉、蛋白的水分竞争作用,使面团中水分重新分布,导致面筋蛋白部分脱水,面筋蛋白网络结构改变,甚至部分坍塌[36]。面筋蛋白扫描电镜的结果与热降解温度、600 ℃时质量损失率、二硫键含量的结果相一致。

图3 燕麦麸皮添加量对面筋蛋白微观结构的影响(800×)Fig.3 Effect of oat bran addition amount on microstructure of gluten(800×)

3 结论

将燕麦麸皮添加到小麦粉中,会对面团及面筋蛋白的品质产生极大的影响。随着燕麦麸皮添加量的增加(0%、10%、15%、20%、25%),面团吸水率、形成时间、粘度崩解值显著(p<0.05)增加;稳定时间、回生值显著(p<0.05)降低,表明麸皮的加入使得面团的热机械学性质下降。对面筋蛋白品质和结构的研究结果表明,随着燕麦麸皮添加量的增加,面筋蛋白的粘弹性模量增大,并且始终高于对照组,而损耗角正切值正好相反,表明麸皮的添加增强了面筋蛋白的固体性质,使面筋蛋白的机械强度增大;面筋蛋白的热降解温度显著(p<0.05)下降、600 ℃时的质量损失率显著(p<0.05)增大,表明面筋蛋白热稳定性降低;面筋蛋白二硫键含量显著(p<0.05)下降了25.74%～37.59%,二硫键含量的下降可能是导致面筋蛋白热稳定性降低的重要原因;扫描电镜的结果表明,添加燕麦麸皮后面筋蛋白原本均匀、致密的网络网络结构遭到破坏,并且随着燕麦麸皮添加量的增加,破坏程度增大。

综上所述,添加燕麦麸皮降低了面筋蛋白的二硫键含量、热稳定性、破坏了面筋蛋白的网络结构,面筋蛋白的这些变化可能是导致面团流变性质及面制品品质下降的原因。在今后麸皮产品的研发中,可以从稳定面筋蛋白结构出发,寻求改良麸皮产品品质的方法。

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