微波辐照稳定化处理小麦籽粒及其品质变化的研究

任国宝,郇美丽,陈佳佳,曾维鹏,魏晓明,顾 娟,任晨刚,3,*

(1.中粮营养健康研究院有限公司,营养健康与食品安全北京市重点实验室,老年营养食品研究北京市工程实验室,北京 102209;2.深圳市深粮质量检测有限公司,广东深圳 518000;3.江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心,江苏南京 210023)

小麦籽粒主要是由麸皮、胚芽和胚乳三部分组成,全麦粉则包含了整个小麦籽粒的全部营养成分,含有丰富的蛋白质、矿物质、维生素、酚类化合物以及活性多糖(小麦膳食纤维)等营养成分,不仅可以满足人体的营养需求,而且对降低糖尿病、便秘、高血脂、冠心病和高血压等的发病率有良好的促进作用,因此越来越受到人们的关注[1-3]。但是麸皮和胚芽含有丰富的不饱和脂肪酸和脂肪水解酶,极易出现脂肪氧化降解现象,导致全麦粉在短期内即出现哈喇味,影响其食用品质[3-4]。目前解决全麦粉货架期的有效方法是对麸皮和胚芽先进行稳定化处理,较为流行的方法是进行挤压膨化处理,然后将稳定化后的麸皮、胚芽与面粉按比例回添复配成全麦粉[5]。此种方法制备的全麦粉具有较长的货架期,但仍存在一些缺陷,一方面经挤压膨化的麸皮在高温、高压、高剪切条件发生了美拉德反应,整体色泽较深,导致复配后的全麦粉色泽加深[6];另一方面复配全麦粉由复杂的传统加工工艺制备,无法满足全谷物加工的技术需求。

微波辐照加热是通过影响物料中的极性分子将交变电磁场能量转化为热能,达到对物料加热的目的[7]。物料中极性分子的介电常数不同,使微波具有选择性加热的特性[8]。脂肪酶和脂肪氧合酶主要存在于小麦籽粒皮层和胚芽中,通过着水润麦使小麦籽粒外部皮层的水分含量相对较高,利用微波辐照选择性加热的特性使小麦籽粒皮层温度高于胚乳部分,达到降低脂肪酶活性,而胚乳部分受损较小的效果。

本文研究了微波辐照功率、辐照时间、润麦水分、润麦时间等参数对小麦籽粒全粉脂肪酶活动度和面粉湿面筋含量的影响规律,初步探究了微波辐照后面粉品质的变化情况,并跟踪了微波辐照后小麦籽粒全粉在储藏过程中脂肪酸值的变化情况,以期为全籽粒加工稳定化的全麦粉提供基础的数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

河北优质白麦 中粮面业(秦皇岛)鹏泰有限公司;氢氧化钾、无水乙醇、无水乙醚、磷酸氢二钠、氯化钠 国药集团化学试剂有限公司。

810153型自动粉质仪、803303型电子粘度仪、880107小型试验磨粉机 德国Brabender公司;FDV气流式粉碎机 台湾佑崎有限公司;面筋测定系统、5200谷物快速水分分析仪 瑞典Perten公司;P70D20AP-TD(WO)微波炉 广东格兰仕微波炉电器制造有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 全麦粉制备方法 采用气流式粉碎机对除去杂质后的小麦籽粒直接进行粉碎,无需在粉碎前对小麦进行润麦处理,粉碎得到的粉体即为全麦粉。

1.2.2 小麦粉制备方法 对除杂后的小麦进行润麦处理,润麦水分为15%。准确称量小麦样品,在密闭容器里逐渐加入润麦水,加水后立即充分摇动容器以便使小麦与水均匀混合,润麦24 h,期间不时摇动容器。润麦后采用小型实验磨粉机对小麦样品进行制粉,分别收集小麦粉和麸皮,并计算出粉率,计算公式如下:

出粉率(%)=小麦粉质量(g)/(小麦粉质量(g)+麸皮质量(g))×100

1.2.3 微波辐照处理小麦籽粒单因素试验设计 微波炉振荡频率为2450 MHz,额定最大输出功率为700 W,有效容积为32 L,批处理小麦样品150 g。微波辐照处理小麦籽粒前对小麦进行润麦处理,润麦方法按照1.2.2进行。每次辐照时,在转盘中央放一个直径为10 cm的表面皿,把按要求润麦好的样品取150 g均匀堆放在转盘的其他部位,并用保鲜膜覆盖整个转盘,按微波辐照试验设计要求对样品进行微波处理。每次辐照后,立即用温度计测量小麦籽粒表面的温度,并记录。辐照后的样品摊放在金属筛网上,自然冷却后入袋,密封保存备用,并测定水分。将微波辐照处理的小麦样品和未经微波辐照处理的正常小麦样品按照1.2.1的方法制备成全麦粉,测定其脂肪酶活动度和湿面筋含量,其中未经微波辐照处理的正常小麦样品制备成的全麦粉记为对照。

1.2.3.1 不同微波辐照功率处理小麦籽粒 小麦籽粒在微波辐照前进行润麦处理,润麦水分为16%,润麦时间为5 min。润麦后的小麦样品分别在功率为140、280、420、560、700 W下辐照处理90 s。

1.2.3.2 不同微波辐照时间处理小麦籽粒 小麦籽粒在微波辐照前进行润麦处理,润麦水分为16%,润麦时间为5 min。润麦后的小麦样品在功率为420 W下分别辐照处理60、90、120、150、180 s。

1.2.3.3 微波辐照前不同润麦水分处理小麦籽粒 小麦籽粒在微波辐照前进行润麦处理,润麦水分分别为14%、16%、18%、20%,润麦时间均为5 min。润麦后的小麦样品分别在功率为420 W下辐照处理90 s。

1.2.3.4 微波辐照前不同润麦时间处理小麦籽粒 小麦籽粒在微波辐照前进行润麦处理,润麦水分为16%,润麦时间分别为5、15、25、35 min。润麦后的小麦样品在功率为420 W下辐照处理90 s。对未经润麦处理的小麦样品进行微波辐照处理,并记为未润麦组。

1.2.4 适度微波辐照处理下小麦面粉粉质特性和糊化特性的变化 小麦籽粒在微波辐照前进行润麦处理,润麦水分为14%,润麦时间为25 min。润麦后的小麦样品在功率为420 W下辐照处理90 s。微波辐照后的小麦样品记为微波处理,未经微波辐照处理的正常小麦样品记为对照,将两组小麦样品按照1.2.2的方法制备成小麦粉,并测定小麦粉的粉质特性和糊化特性。

1.2.5 全麦粉货架期测定 考察适度微波辐照(微波功率420 W,辐照时间90 s,润麦水分14%,润麦时间25 min)条件下全麦粉的货架期,其中适度微波辐照的小麦样品记为微波处理,未经微波辐照处理的正常小麦样品记为对照,将微波处理和对照组小麦样品按照1.2.1的方法制备成全麦粉,并在温度为25 ℃、相对湿度为60%的恒温恒湿箱中进行储藏,每间隔2周检测全麦粉的脂肪酸值,按照全麦粉行业标准LS/T 3244中对全麦粉质量指标的要求,全麦粉脂肪酸值超过116 mg/100 g(以干基KOH计)即不符合质量要求。

1.2.6 面粉和全麦粉理化指标测定 水分含量的测定,参照GB/T 21305-2007 谷物及谷物制品水分的测定 常规法;脂肪酶活动度的测定,参照GB/T 5523-2008粮油检验粮食、油料的脂肪酶活动度的测定;湿面筋含量的测定,参照GB/T 5506.2-2008小麦和小麦粉面筋含量第2部分:仪器法测定湿面筋;粉质特性的测定,参照GB/T 14614-2006小麦粉面团的物理特性吸水量和流变学特性的测定:粉质仪法;糊化特性的测定,参照GB/T 14490-2008谷物及淀粉糊化特性测定:粘度仪法;脂肪酸值的测定,参考GB/T 15684-2015谷物碾磨制品脂肪酸值的测定。

1.2.7 数据分析 所有实验数据均为两次重复试验的平均值,方差分析采用SPSS 19统计软件进行处理,图表绘制通过OriginPro 2016进行,误差线表示的是两次重复试验的标准偏差。

2 结果与分析

2.1 微波辐照对小麦籽粒表面温度及其全麦粉脂肪酶活动度和湿面筋含量的影响

2.1.1 微波辐照功率对小麦籽粒表面温度及其全麦粉脂肪酶活动度和湿面筋含量的影响 由图1可以看出,微波辐照功率对全麦粉脂肪酶活动度和湿面筋含量影响显著(p<0.05)。随着微波辐照功率的增加,全麦粉的脂肪酶活动度逐渐降低,同时湿面筋含量也逐渐减少,当微波辐照功率达到560 W时,小麦籽粒表面温度为83 ℃,全麦粉脂肪酶活动度从14.1 mg/g降至8.4 mg/g,降低幅度达40.4%,湿面筋含量则从33.1%(14% wb)降至29.6%(14% wb),降低幅度为10.6%,随着微波辐照功率的继续增加,湿面筋含量大幅下降,这与Campana[9]和Baszczak[10]的研究成果较为一致,他们指出微波辐照后小麦籽粒表面温度高于79 ℃会导致小麦湿面筋含量大幅减少。因此,微波辐照功率不宜超过560 W。

图1 微波辐照功率对小麦籽粒表面温度及其全麦粉脂肪酶活动度和湿面筋含量的影响

2.1.2 微波辐照时间对小麦籽粒表面温度及其全麦粉脂肪酶活动度和湿面筋含量的影响 微波辐照时间对小麦籽粒表面温度及其全麦粉脂肪酶活动度和湿面筋含量影响也显著(p<0.05)。从图2可以看出,随着微波辐照时间的增加,全麦粉脂肪酶活动度显著降低(p<0.05),同时湿面筋含量也逐渐减少,当微波辐照时间为120 s时,小麦籽粒的表面温度为80 ℃,脂肪酶活动度降至8.8 mg/g,降低幅度为37.6%,湿面筋含量为29.4%(14%wb),降低幅度为11.2%,随着微波辐照时间的继续增加,湿面筋含量显著(p<0.05)大幅降低。这一变化趋势与微波辐照功率一致,同时当微波辐照处理后小麦籽粒表面温度高于80 ℃便会导致湿面筋含量急剧下降。所以,微波辐照时间低于120 s较为适宜。

图2 微波辐照时间对小麦籽粒表面温度及其全麦粉脂肪酶活动度和湿面筋含量的影响

2.1.3 微波辐照前不同着水润麦水分含量对小麦籽粒表面温度及其全麦粉脂肪酶活动度和湿面筋含量的影响 与未经润麦处理的全麦粉相比,经着水润麦处理的全麦粉脂肪酶活动度明显降低,湿面筋含量明显提高。河北优质白麦的原麦水分含量为12.58%,微波辐照后其籽粒温度为72 ℃,由于小麦籽粒水分分布均匀,籽粒胚乳内部和皮层的温度比较接近,导致其胚乳部分受热影响严重,面粉湿面筋含量大幅下降。经着水润麦的小麦籽粒皮层温度均高于72 ℃,但由于润麦时间短,水分主要分布在小麦籽粒皮层部分,因此尽管小麦籽粒皮层温度较高,但胚乳部分温度可能远低于72 ℃,最终湿面筋含量下降幅度相对较小。由图3可以看出,随着着水润麦水分的增加,全麦粉的脂肪酶活动度逐渐降低,但变化不显著,湿面筋含量则先升高后降低再升高。综合考虑稳定化后小麦品质的变化情况,当水润麦水分含量为14%较为适宜,此时湿面筋含量最高,同时脂肪酶活动度相对较低。

图3 微波辐照前不同润麦水分对小麦籽粒表面温度及其全麦粉脂肪酶活动度和湿面筋含量的影响

2.1.4 微波辐照前不同着水润麦时间对全麦粉脂肪酶活动度和湿面筋含量的影响 不同着水润麦时间下微波辐照处理后小麦籽粒表面温度分别为76、75、75和74 ℃,温度变化不大。由图4可以看出,随着着水润麦时间的增加,全麦粉脂肪酶活动度变化不显著,湿面筋含量则先增加后降低,着水润麦时间为25 min时,湿面筋含量达到最高为31.8%(14%wb),随后逐渐降低,这可能是随着润麦时间的延长水分不断往胚乳部分迁移,小麦籽粒皮层水分降低,微波辐照后籽粒表面温度不高,同时胚乳部分迁移水分相对较少没有引起较大升温,但随着着水润麦时间的延长,胚乳部分迁移的水分增多,微波辐照后胚乳部分温度增加,从而导致湿面筋含量随之降低。因此,小麦籽粒着水润麦时间为25 min较为适宜,此时全麦粉的脂肪酶活动度相对较低,湿面筋含量最高。

图4 微波辐照前不同润麦时间对小麦籽粒表面温度及其全麦粉脂肪酶活动度和湿面筋含量的影响

2.2 适度微波辐照对小麦面粉粉质和糊化特性的影响

初步探究了适度微波辐照处理后小麦面粉品质的变化情况(表1和表2)。小麦籽粒微波处理前后其出粉率分别为66.6%和67.6%,微波辐照后小麦出粉率略有提高。从表1可以看出,微波辐照处理后小麦面粉的吸水率降低,面团形成时间缩短、稳定时间增加,弱化度降低,说明面粉的筋力被强化了,增强了面团的耐搅拌性。适度的热处理能够促进小分子蛋白发生聚合,乙酸不溶性谷蛋白含量升高,强化面筋蛋白,改善小麦粉的食用品质和工艺品质[11-12]。然而,过度的微波辐照会对小麦和面粉的物化特性和食用品质产生不利影响,导致面粉的粉质特性变差[13-14]。

表1 微波辐照处理前后小麦面粉的粉质特性

表2 微波辐照处理后小麦面粉的糊化特性

从表2可以看出,微波辐照处理后面粉的糊化温度变化不显著,峰值粘度和回生值显著升高(p<0.05),崩解值显著降低(p<0.05)。微波辐照能够提高其面糊的粘度,面粉糊化是由淀粉和蛋白质共同作用的结果,一方面微波辐照降低了面粉的湿面筋含量,造成面筋网络结构对淀粉颗粒的包裹能力不足,从而使淀粉颗粒充分吸水膨胀;另一方面可能是由于热效应引起淀粉分子发生交联形成更大的分子,从而在悬浮溶液受热时产生较大的粘度值[15]。回生值升高则表明淀粉颗粒内无定形区和结晶区的直链淀粉与直链淀粉、直链淀粉与支链淀粉发生了交互作用,产生新的不同稳定性的结晶体,从而导致微波处理后淀粉产生更加有序的结晶排列[16]。

2.3 适度微波辐照对全麦粉储藏特性的影响

脂肪酸值是目前判定面粉和全麦粉是否在保质期内的有效方法。全麦粉行业标准(LS/T 3244-2015)质量指标要求全麦粉的脂肪酸值≤116 mg/100 g(以干基KOH计),由图5可以看出,对照组全麦粉在室温储藏(温度为25 ℃,相对湿度为60%)10～12周其脂肪酸值即超过116 mg/g,而经微波辐照处理的全麦粉在室温储藏16周的脂肪酸值为113.2 mg/g。与对照组样品相比,微波辐照处理延缓了全麦粉脂肪酸值的升高,提高了全麦粉的货架期至少4周时间。

图5 微波辐照处理对全麦粉储藏期间脂肪酸值的影响

3 结论

微波辐照能够有效钝化全麦粉的脂肪酶活动度,同时对湿面筋含量造成一定不利影响。适度的微波辐照处理(微波功率<560 W,辐照时间<120 s)能够大幅降低全麦粉脂肪酶活动度,同时对其湿面筋含量的不利影响较小。过度的微波辐照处理,湿面筋含量则大幅下降,全麦粉品质严重受损。

着水润麦处理,能够显著降低(p<0.05)全麦粉湿面筋的受损程度,同时不影响微波辐照钝化脂肪酶活动度的效果。润麦水分为14%,润麦时间为25 min时,全麦粉湿面筋含量维持在较高水平。

适度的微波辐照处理(微波功率420 W,辐照时间90 s,润麦水分14%,润麦时间25 min)能够增加面粉的粉质稳定时间,降低弱化度,提高面糊的峰值粘度和回生值,说明微波辐照的热效应对小麦的蛋白质和淀粉均造成了一定影响,提高了面筋强度和面糊的热稳定性,改善了小麦粉的食用品质和工艺品质。同时,延缓了全麦粉脂肪酸值的升高,提升了全麦粉的货架期。