小麦纤维对小麦淀粉热力学及流变学特性的影响研究

谢新华 曹芳芳 仵心军 沈 玥 徐 超 王 娜 艾志录

(河南农业大学食品科学技术学院1，郑州 450002)(郑州市食品药品检验所2，郑州 450003)

小麦纤维是小麦植株中提取的一种天然膳食纤维，不溶性膳食纤维质量分数高达95%。小麦纤维的高吸水性，可增加面团的持水力，同时小麦纤维形成的稳定三维凝胶网络结构，抑制了淀粉回生，降低面包的老化速率，因此小麦纤维被广泛应用于面包、馒头等面制品中[1-2]。

淀粉是食品的重要组成成分，高淀粉含量的食品，如馒头、面包等在储藏和运输过程中会脱水变硬，这是由于淀粉凝胶在储藏和运输过程中发生淀粉回生，回生后的淀粉不易被消化吸收，严重影响产品的感官品质和保质期[3]。因此，采用适当措施抑制淀粉回生，对改善面制品品质具有重要意义。Phoency等[4]研究发现两种不同纤维可增加大米淀粉的膨胀力和减少自由水的数量，从而延缓了淀粉分子的重排。夏文等[5]发现米糠膳食纤维对大米淀粉老化有一定的延缓作用。Santos等[6]实验表明加入膳食纤维延缓了面团的糊化和老化现象。

本实验测定不同添加量的小麦纤维对小麦淀粉的热力学、流变学特性和微观结构的影响，研究小麦纤维对淀粉老化的作用机理，为小麦纤维在淀粉基制品及面团中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

小麦淀粉；小麦纤维。

1.2 仪器与设备

RVA-4500快速黏度分析仪；DSC-214差示扫描仪；DHR-2旋转流变仪；Quanta-250型扫描电子显微镜；Flexi-Dry 冷冻干燥机。

1.3 方法

1.3.1 黏度的测定

将3 g小麦淀粉与小麦纤维(小麦纤维的添加量分别为淀粉的0%、5%、10%、15%、20%)在铝盒中混合，加25 mL蒸馏水后搅拌均匀，将铝盒卡入RVA旋转塔中，启动测量。程序设置依照Jane等[7]的测定方法进行，从RVA糊化曲线得出淀粉糊的峰值黏度(PV)，谷值黏度(MV)，最终黏度(FV)，糊化温度(PT)，崩解值(BD)和回生值(SB)。

1.3.2 热力学性质的测定

将2.5 mg小麦淀粉和小麦纤维与去离子水按1 ∶3(m/m)的比例混合。吸取8 mg置于坩埚中，于室温平衡24 h后进行测试。参数设置：温度范围30～100 ℃，样品平衡1 min，升温速率10 ℃/min。可得样品的糊化初始温度(To)，峰值温度(Tp)，终止温度(Tc)以及糊化焓值(ΔHg)。

将糊化测试后的样品在4 ℃下储存7 d后，利用DSC测试小麦纤维对淀粉老化特性的影响。

老化率( R)=ΔHr /ΔHg × 100%

式中：ΔHr为老化焓值；ΔHg糊化焓值[8]。

1.3.3 流变性测定

将8 g淀粉和小麦纤维放入烧杯，加入100 mL去离子水搅拌混匀。在磁力搅拌器中以95 ℃、400 r/min进行糊化20 min，使之充分糊化，备用。

静态剪切流变特性的测定，夹具直径40 mm，夹缝间隙1 mm。参数设置：温度25 ℃，剪切速率从0～500 s-1递增，剪切时间180 s[9]。采用幂定律(Power law)模型对静态剪切数据点进行回归拟合。

τ =Kγn

式中：τ为剪切应力(Pa)；γ为剪切速率(s-1)；n为流体指数；K为稠度系数(Pa·sn)。

动态黏弹性的测定，夹具直径40 mm，夹缝间隙1 mm。参数设置：温度25 ℃、应变力1 %，角频率范围0.1～100 rad /s。测得贮能模量(G′)、损耗模量(G″)和损耗角正切(tanθ=G″ /G′)随角频率变化图谱。

1.3.4 微观结构测定

按照1.3.1中方法，RVA糊化后的小麦纤维和淀粉样品冷冻干燥，然后切成薄片，经喷金后在扫描电子显微镜下观察样品微观结构。

1.4 数据统计分析

各组实验数据均重复3次，采用SPSS16.0统计分析，用Duncan法(P<0.05)比较平均值之间的差异性。同时用Origin 8.0对流变数据进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 小麦纤维对小麦淀粉糊化特性的影响

由表1可知，随着小麦纤维添加量的不断增加，其体系的崩解值显著降低，说明体系的热稳定性在增强；回生值显著降低，说明小麦纤维抑制了淀粉凝胶的老化，这可能是因为小麦纤维具有较高的持水力，抑制了淀粉颗粒的膨胀和直链淀粉的渗出，同时小麦纤维会阻止淀粉分子间形成网络复合物，从而降低糊化黏度数值[10]。

由表2可知，复配体系的初始温度、峰值温度和终止温度随着小麦纤维添加量的增加均有所升高，而糊化焓值随着小麦纤维的增加从7.60 J/g下降到6.29 J/g。这可能是因为小麦纤维大量的亲水基团，使其具有很强的吸水膨胀特性，限制了淀粉颗粒与水分子之间的相互作用，从而抑制了淀粉糊化，使得小麦淀粉糊化焓值的显著下降，提高了混合体系的稳定性[11]。

2.2 小麦纤维对小麦淀粉凝胶老化特性的影响

由表3可见，随小麦纤维添加量的增加，体系的初始温度、峰值温度和最终温度均有所升高，其老化焓值显著降低。添加了20%小麦纤维的小麦淀粉的老化焓相比于未添加小麦纤维的小麦淀粉的老化焓降低到16.87 J/g，表明小麦纤维对淀粉凝胶老化具有显著的抑制效果。这可能是因为小麦纤维含有大量的羟基与直链淀粉分子结合并发生相互作用，有效地阻碍淀粉分子链的有序化排列，使得淀粉凝胶老化程度降低[12]。

表1 小麦纤维对小麦淀粉的黏度影响

表2 小麦纤维对小麦淀粉糊化温度和焓值的影响

表3 小麦纤维对小麦淀粉凝胶老化特性的影响

2.3 小麦纤维对小麦淀粉糊静态流变特性的影响

由图1可知，添加小麦纤维的淀粉糊在流动过程中的剪切应力随剪切速率的增加而增大。在同样的剪切速率下，添加小麦纤维的淀粉糊所需剪切应力明显小于未添加。说明小麦纤维分子与淀粉分子间发生交缠，分子链段间通过氢键联系在一起，使用来破坏淀粉糊体系及其流动的应力增大。由表4可知各个样品的决定系数R2均大于0.99，表明该模型对曲线的拟合具有较高的精度，流动性指数n均小于1，说明添加不同量小麦纤维的淀粉糊在此剪切区域内均为典型的假塑性流体，具有剪切变稀性。混合体系的K值随着小麦纤维添加量的增加而减少，表明体系增稠性减弱。K值的变化趋势与RVA实验中小麦纤维对小麦淀粉糊黏度的影响相一致。

图1 剪切速率与剪切应力的关系图

表4 小麦淀粉静态流变特性参数

2.4 小麦纤维对小麦淀粉糊动态流变特性的影响

由图2、图3可看出，随着小麦纤维添加量的增大，贮能模量G′、损耗模量G″随着角频率的增加逐渐上升且G′大于G″，这说明小麦纤维的加入能够改变淀粉凝胶结构，表现为一种典型的弱凝胶。图4为损耗角正切图，添加小麦纤维后，曲线相比于原淀粉凝胶要高，即损耗角正切值增大。这是因为损耗模量G″随着小麦纤维的增加而减少，而贮能模量G′减少的程度更大，导致损耗角正切值的逐渐增大。这与Techawipharat等[13]研究的纤维素衍生物对大米淀粉黏弹性影响的结果一致。结合热力学以及黏度测试的结果分析可知，小麦纤维对淀粉糊性质的影响主要来自于小麦纤维和淀粉形成的复杂网络结构间的互相作用。由于小麦纤维具有良好的亲水性，因此小麦纤维可能会影响水分子和淀粉分子的水合作用、干扰淀粉分子内部氢键的形成，在淀粉糊化过程中阻碍了淀粉颗粒的溶胀。

图2 角频率与储能模量的关系图

图3 角频率与耗能模量的关系图

图4 角频率与损耗角正切的关系图

2.5 小麦纤维对小麦淀粉凝胶微观结构的影响

由图5可见，小麦纤维显著改变了复配体系的微观结构，凝胶表面孔洞大小存在差异，小麦淀粉凝胶体系孔洞较大，且分布不均匀，结构松散。随着小麦纤维添加量增大，小麦纤维填充于淀粉颗粒间，使淀粉凝胶的孔洞缩小，形成的结构更加完整、致密。这也说明小麦纤维能与渗漏出来的直链淀粉和支链淀粉组合成了较为均匀的连续相，使得淀粉凝胶形成致密的类蜂窝状结构[14]。

图5 小麦淀粉凝胶扫描电镜图(×500)

3 结论

添加小麦纤维使小麦淀粉凝胶的回生值显著降低；添加小麦纤维后的淀粉熔融焓显著小于未添加小麦纤维的小麦淀粉的熔融焓，将糊化后的样品4 ℃储存7 d后，其老化焓值显著降低。小麦纤维与淀粉结合后具有更好的增稠作用，添加小麦纤维提高了淀粉黏弹性，同时小麦纤维与淀粉间的作用延缓了淀粉分子链自身重排引起的回生，使复配体系有较好的稳定性。微观结构观察显示小麦纤维使淀粉体系形成了更加均匀、稳定和致密的网络结构，表明小麦纤维对淀粉凝胶的老化起到抑制作用。