超声波对醒面过程中面团流变学特性、水分分布及蛋白二级结构的影响

张艳艳，李银丽，吴萌萌，李佳乐，李 可，张 华*

（郑州轻工业学院食品与生物工程学院，食品生产与安全河南省协同创新中心，河南省冷链食品质量安全控制重点实验室，河南 郑州 450002）

和面的过程中面团受到机械拉伸和挤压而形成应力，需要经一段时间进行静置和熟化使面团趋于均匀稳定，使得处于紧张状态的面筋组织松弛缓和，增加其延伸性。面团的应用十分广泛，可以广义的分为发酵面团和非发酵面团。发酵面团在蛋糕、面包、馒头制作等方面应用较为广泛，非发酵面团主要应用在饺子皮、面条等传统食品上[1-3]。醒面是非发酵面团加工过程中的一个重要工序。醒面过程可促进面筋网络进一步形成，提高面筋性能。面团在静置醒面过程中发生了一系列物理、化学和生物变化，如面制品风味的产生、面团体积的增大、面团面筋的扩展形成等。其中，面团流变学特性和水分分布的变化对后续面制品的加工品质具有重要的影响，如产品的体积、组织、颗粒度、柔软度等。传统的静置醒面方式存在时间长、水分分布均匀性差等缺点[4-6]。

超声波指一种频率为20～（2×106）kHz的可在媒介中传播的弹性机械波。人工合成超声波是由Savrt在1830年第一次提出的[7]。超声作为一种强化过程的手段，其产生的空化作用、机械效应和热效应等可对原料的结构和功能产生较大影响[8-11]。目前，超声波已被广泛用于清洗、提取分离、蛋白和多糖的改性等方面。除此之外，超声波还具有一定的均质作用和定向作用，能够加速生化反应过程，改善反应环境。宋国胜[12-13]、张海华[14]等的研究发现，超声波处理可以通过改变面筋蛋白的微观结构和二级结构来改善面团的加工性能。但是，目前超声波在醒面方面的应用还鲜有报道。

本研究采用发散式低频超声波辅助醒面，利用低场核磁共振仪、傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）仪和扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）等仪器研究超声波对醒面过程中面团水分分布、蛋白二级结构和微观结构的影响，以期能够改善面团的流变学特性，为非发酵面团品质的改良提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

神象特一粉（蛋白质质量分数9.0%、脂肪质量分数1.5%、水分质量分数12.8%） 中粮（郑州）粮油工业有限公司。所有试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

Vcx750超声波细胞破碎仪 美国Sonics公司；Discovery旋转流动仪 美国TA公司；NM120低场核磁共振分析仪 上海纽迈电子科技有限公司；Vertex 70 FTIR仪德国Bruker公司；JSM-6490LV SEM 日本JEOL公司；XLF-30C气流粉碎机 广州市旭朗机械设备有限公司；LGJ-10冷冻干燥机 河南兄弟仪器设备有限公司；HWS-080恒温醒发箱 上海精宏实验设备有限公司；AL204分析天平 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 面团的制备

称取300 g面粉，加入150 mL蒸馏水，置于立式食品搅拌机中150 r/min搅拌揉和10 min，使其形成干湿均匀的松散颗粒面团，然后制成高3 cm、直径10 cm的圆柱型面团，用保鲜膜密封以备测试。

1.3.2 超声波辅助醒面

将用保鲜膜密封好的面团放入1 000 mL烧杯中，再加入初始温度为30 ℃的蒸馏水300 mL。将超声波探头伸入液面下距面团2 cm处，对面团进行超声波辅助醒面，超声时间分别为5、10、15、20、25、30 min。超声波的工作频率为20 kHz，功率为300 W，工作时间4 s、间歇时间3 s，对照组在恒温醒发箱内（温度30 ℃、相对湿度85%）醒发相同的时间。

1.3.3 面团流变特性的测定

根据Li Juan等[15]的方法，利用流变仪对面团的流变特性进行测定，采取振荡模式下的频率扫描实验来研究超声波对醒面过程中流变特性的影响。流变仪的平板直径为20 mm，夹缝距离为1 mm。模具下压后使面团在两块平板之间静置5 min，松弛面团残余应力，刮掉多余部分，立刻涂抹甲基硅油以防止水分蒸发。频率扫描参数设置：应变：0.5%；温度：25 ℃；频率：0.1～40.0 Hz。

1.3.4 面团水分分布的测定

采用CPMG（Carr-Purcell-Meiboom-Gill）脉冲序列测定样品的横向弛豫时间T2。将面团样品放在永久磁场中间位置的射频线圈的中心，进行CPMG脉冲序列测验。本研究CPMG序列采用的参数为：采样点数TD＝166 446，回波个数C0＝1 200，重复扫描次数NS＝16，半回波时间TE＝0.208 ms。林向阳[16]和Doona[17]等的研究认为，T21（分布在0.7～7.0 ms）表示结合水，T23（分布在85～200 ms）表示自由水，T22（分布在8.0～50.0 ms）是介于自由水和结合水之间的弱结合水。弛豫时间T2与水分子的流动性成正比，即T23越小说明水分子的自由度越低，面团的持水性越好。

1.3.5 FTIR分析

将经冷冻干燥的面团磨成粉状过100 目筛后，取1 mg样品和200 mg KBr混合。全波段扫描测定。实验参数：扫描波数范围为4 000～400 cm－1，分辨率为4 cm－1。采用Paekfit 4.12分峰分析软件对FTIR图谱去基线，采用二阶导数和高斯去卷积等进行曲线拟合。根据蛋白质二级结构认证研究[18-21]，对实验中酰胺I带（1 600～1 700 cm－1）各子峰位置及二级结构的归属表示如下：其中包含分子间β-折叠（1 605～ 1615 cm－1）、分子内β-折叠（1 615～1 640 cm－1）、反平行β-折叠（1 690～1 700 cm－1）、无规卷曲（1 640～1 650 cm－1）、β-螺 旋 （ 1 6 5 0～ 1 6 6 0 c m－1） 、 β-转 角（1 675～1 690 cm－1）。

1.3.6 面团的微观结构观察

参照刘国琴等[22]的方法，将经过超声波辅助醒面后的面团及对照组面团冷冻干燥后，用气流粉碎机粉碎，过100 目筛，以备测试使用。制样时，用导电胶粘取少量的面粉样品，然后喷金固定于载物台上，用SEM观察样品的表面结构。拍摄放大倍数1 000 倍的图像。

1.4 数据处理

用Excel 2010及SPSS 17.0软件进行数据分析，用Origin 8.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 超声波对醒面过程中面团流变学特性的影响

图1 超声波对醒面过程中非发酵面团流变学特性的影响Fig.1 Effect of ultrasonic-assisted resting on the rheological properties of dough

小麦面团是黏弹性的复合体系，既具有液体的黏合特性，又具有固体的弹性特性[23]。由图1可知，随着超声时间的延长，面团的弹性模量（G’）、黏性模量（G’’）均呈现先减小后增加的趋势，总体上高于对照组；损耗角正切值（tan δ）随着超声时间的延长总体上呈先上升后下降的趋势，而对照组总体呈现上升趋势；随着超声频率的增加，tan δ总体上呈现增加的趋势，超声波辅助醒面使得面团的G’增加。超声波的空化作用和机械作用使面团的面筋蛋白的巯基（—SH）经过蛋白内部的反应形成二硫键（—S—S—），从而使面筋蛋白保持其空间结构，面团的网络结构得到增强；同时，使面团中的麦谷蛋白和麦醇溶蛋白相互作用，生成大分子聚合物，提高其流变学性质，改善了面团的黏弹性，促进面团中的淀粉颗粒充分胀润，增加了面团的持水能力，导致面团的黏弹性改变[24]。

表1 超声波对醒面过程中非发酵面团流变学特性的影响Table1 Effect of ultrasonic-assisted resting on the rheological properties of dough

从表1可以看出，在醒面的过程中面团的G’和G’’下降、tan δ上升，这说明醒面之后面团体系中黏性基团所占的比例增大，面团的流体特征增强。超声时间超过20 min时，超声组面团的G’和G’’均大于对照组、tan δ低于对照组，说明超声组面团中黏性基团的比例低于对照组。

2.2 超声波辅助醒面对面团水分分布的影响

图2 超声波对醒面过程中弛豫时间T2的影响Fig.2 Effect of ultrasonic-assisted resting on T2 relaxation time in dough

表2 超声波辅助醒面过程对3 种状态水含量的影响Table2 Effect of ultrasonic-assisted resting on the contents of three water states in dough

低场核磁共振技术作为一种新型的无损检验方法被广泛运用在研究食品中的水分形态、水分分布及迁移规律等方面。采用CPMG序列和T2反演软件得到不同超声时间下面团样品的T2图谱。如图2所示，面团中以T22峰为主要峰，说明在面粉与水混合形成面团时，水分主要存在状态为弱结合水[25-27]。结合图2和表2还可以看出，超声时间不同，面团中的水分分布存在差异。总体上看，与对照组相比，超声组面团的T22峰面积占总面积的比例较大，而T21的结果与之相反。随着超声时间的延长，结合水含量呈现先增加后趋于稳定的趋势，而弱结合水含量与之相反，自由水的含量基本上趋于稳定。在超声波辅助醒面25 min时，与对照组面团相比，超声组面团的强结合水含量提高了44.0%，弱结合水含量下降了11.0%，自由水含量变化不大。由此可以得出，在超声波辅助醒面过程中，超声波加速了弱结合水向结合水的转化。面团水分分布的变化将对面团的加工特性尤其是面团的黏弹性和持水性产生重要影响。

2.3 超声波辅助醒面对面筋蛋白二级结构的影响

图3 面团的FTIR图谱Fig.3 FTIR spectra of dough

表3 超声波辅助醒面对面筋蛋白质二级结构的影响Table3 Effect of ultrasonic-assisted resting on the secondary structure of proteins in dough

由图3和表3可看出，传统的醒面过程（对照组）中，面筋蛋白的二级结构含量变化不大。超声波使面团的二级结构发生变化，与对照组相比，主要体现在α-螺旋、β-转角含量的下降，β-折叠和无规卷曲含量的增加，这与Huang Liurong等[28]的研究结果一致。Chandrapala[29]及涂宗财[30]等的研究也发现超声处理能够引起蛋白二级结构的变化。这种变化主要是因为超声处理减弱了分子间作用力，使蛋白质的结构舒展，分子排列更加无序。超声波辅助醒面后，面筋蛋白的α-螺旋和无规卷曲含量明显增加，这种结构的变化反映在蛋白质的力学性能上是刚性的减弱和柔性的增加[19]。因此，推测超声波预处理后面团黏弹性发生变化的主要原因是超声波改变了蛋白质的二级结构。

2.4 超声波辅助醒面对面团微观结构的影响

图4 超声波辅助醒面对面团微观结构的影响Fig.4 Effect of ultrasonic-assisted resting on microstructure of dough

面团是由淀粉和蛋白质网络结构组成的混合体系，图4中大小不同的圆形颗粒为面团中的淀粉颗粒，淀粉颗粒周围呈筋状、片状的为面筋蛋白，淀粉颗粒相互黏连/包裹于面筋网络结构中，构成面筋网络结构。经超声波处理的面团微观结构更为致密，使淀粉颗粒与面筋蛋白更好地结合，有利于面筋蛋白的延展和面筋蛋白网络的形成，使面筋蛋白网络结构更加均一，面团更加细腻。说明超声波辅助醒面可以改善面团的品质，与前文的结论一致。

3 结 论

综上所述，超声波处理提高了面团的G’和G’’，使其tan δ呈现增加的趋势；面团中黏性基团的比例增大；弱结合水向结合水迁移，面团的稳定性增加。FTIR分析结果表明，超声波辅助醒面使面团的无规卷曲含量增加，蛋白的二级结构从有序向无序过渡，面团的硬度降低、柔性增加。SEM观察结果表明，经超声处理的面团的微观结构更为均匀，有利于面筋蛋白的延展和面筋蛋白网络的形成。超声波辅助醒面可以改变面团的水分分布、微观结构和二级结构，从而使面团的品质得到改善。