膨化玉米粉对面粉糊化特性及面团流变特性的影响

2020-05-22刘书航

河南工业大学学报（自然科学版） 2020年2期

刘书航，陈洁，许飞

河南工业大学粮油食品学院，河南郑州 450001

玉米又名玉蜀黍、苞谷、棒子等，是禾本科玉米属一年生的雌雄同株异花授粉植物，是世界上主要的谷物作物[1]。我国2017年玉米种植面积及产量分别约占谷物的42.01%、42.11%，高于小麦(24.32%、21.84%)和水稻(30.51%、34.57%)[2]。玉米种植广泛且营养丰富，含有大量的营养素，对人体的血糖/胰岛素反应、胰岛素敏感性、结肠健康及矿物质的吸收等具有重要作用[3]。将玉米加入传统主食中，不仅可以改善国民膳食结构，丰富膳食营养素，还可以提高国民玉米摄入量，增加玉米产品利用率。但因玉米不含面筋蛋白，成团性较差，因此，需对玉米进行改性。

挤压膨化技术是一种高温、短时的加工方法，被称为21世纪食品加工领域的高新技术之一，具有生产效率高、原料适用广、浪费少、无废弃物及营养损失少等优点[4]。目前，国内外对挤压膨化技术的研究很多，主要集中于操作参数和物料组成对挤出物产品特性的影响。近年来，添加挤压膨化大米粉、燕麦粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉、高粱粉等改善产品质量的研究已有报道。Jeong等[5]研究发现挤压米粉的添加可以改善面团的黏结性、回复性等；周星杰[6]研究发现挤压糊化处理后苦荞面团的黏弹性得到明显改善；毋修远等[7]研究表明挤压膨化青稞棒不仅具有良好的感官品质, 其理化特性和加工品质也有所提高；Román等[8]以膨化小麦粉为脂肪替代品，与乳化剂共同使用，发现混合粉面糊具有更好的密度、微观结构及黏弹性，降低了蛋糕的硬度，增大了蛋糕的比容；王瑞斌[9]研究发现添加挤压改性荞麦粉使面条内部结构更致密，面筋网络以及淀粉/蛋白质分布更均匀、连续，有利于改善其烹调、食用品质。

添加挤压膨化原料粉可显著改善面团及最终产品的品质，而不同原料粉的性质不同，对面团的影响也不同。面团是多种食品的加工原料，其流变学特性对食品加工影响极大，甚至起决定性作用。因此，作者研究了玉米粉和膨化玉米粉对小麦粉糊化特性、冷黏性及面团黏性特征、应力松弛的影响，再结合面团微观结构研究膨化玉米粉对面团流变特性的影响，为挤压膨化玉米粉在面制品中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

小麦粉：郑州金苑面业有限公司；玉米粉：郑州天钵农业有限公司；膨化玉米粉：自制，由玉米粉挤压膨化得到。挤压膨化参数：螺杆转速250 r/min，温区2、3、4、5、6分别为60、90、140、145、145 ℃。

1.2 仪器与设备

双螺杆挤压膨化机：温岭市箬横翰宇机械厂；电热恒温鼓风干燥箱：上海景宏实验设备有限公司；小型制面生产线：北京腾威得机械有限公司；TA-XT plus Texture：英国Stable Micro System；LGJ-2217型冷冻干燥机：北京四环科学仪器有限公司；Quanta250FEG扫描电子显微镜：美国FEI公司。

1.3 方法

1.3.1 混粉及面团的制备

混粉制备：将玉米粉、膨化玉米粉分别与小麦粉混合，配成0%、5%、10%、15%的混粉；面团制备：将混粉与适量水搅拌一定时间后制成面团。

1.3.2 糊化特性测定

参考GB/T 24853—2010。称取3 g样品(湿重，按水分含量14%换算)，加入蒸馏水至28 g，置于RVA测定仪的专用铝筒中，放入旋转叶片，上下搅拌，使样品均匀分散，将铝筒卡入测量槽，启动程序测定。测定参数：起始温度50 ℃，保持1 min，在4 min内加热至95 ℃，保持2.5 min，4 min内冷却至50 ℃，保持2 min；在开始10 s内转速为960 r/min，之后保持160 r/min。

1.3.3 冷黏性测定

参照1.3.2的方法，改变测定参数：25 ℃保持15 min，在开始10 s内转速为960 r/min，之后保持160 r/min。

1.3.4 面团黏性测定

使用质构仪配备的A/DSC测试装置，按黏性测试程序进行测定。具体步骤：将面团放入模具空腔，然后取出样品在直径为25 mm的有机玻璃探头下进行测试，每个样品重复操作5次。试验参数：测试模式为自动，测前速度0.50 mm/s，测试速度0.05 mm/s，测后速度10.00 mm/s，作用力60.00 g，返回距离4.0 mm，接触时间0.10 s，触发力5.00 g。

1.3.5 应力松弛测定

将面团压成厚度3.5 mm、直径25 mm的面片，静置20 min，使残留压力松弛后进行应力松弛试验，每个样品重复5次。采用P/35测试探头，测试速度1.00 mm/s，形变10%，触发力5.0 g，释放时间180 s[10-11]。

1.3.6 面团微观结构观察

面团经真空冷冻干燥后切块，并对样品进行镀金处理，使用扫描电子显微镜观察拍照。

1.3.7 数据分析

数据均以平均值±标准偏差形式表示，采用SPSS20对数据进行显著性差异分析(P<0.05)，采用Origin 8.0进行图表的绘制。

2 结果与分析

2.1 混粉糊化特性结果分析

面粉的糊化特性不仅影响面制品外观，而且对其质地和口感也有影响[12-13]。由图1可知，以小麦粉为对照，添加玉米粉、膨化玉米粉后混粉糊化特性的变化趋势相反，即随着玉米粉添加量的增加，玉米-小麦粉的糊化黏度均增大，而随着膨化玉米粉添加量的增加，膨化玉米-小麦粉的糊化黏度均减小。具体糊化特性指标如表1所示。

图1 不同混粉的糊化特性曲线

表1 不同混粉糊化特性指标

注：不同小写字母表示数据间差异显著(P<0.05)，相同小写字母表示数据间差异不显著，图2、图3、表2同。

由表1可知，玉米粉的加入使得玉米-小麦粉的糊化黏度显著增加(P<0.05)，而膨化玉米粉的加入使得膨化玉米-小麦粉的糊化黏度显著减小(P<0.05)。此结果与前人研究结果一致，刘兴丽等[12]研究表明，挤压膨化加工显著改变了紫薯粉的糊化特性，糊化黏度明显降低；杨庭等[14]研究表明，糙米经挤压膨化后最终黏度由2 230 mPa·s降至174 mPa·s。推测原因是挤压膨化加工导致玉米粉颗粒破碎呈片状结构，在糊化过程中，膨化玉米粉的加入减少了淀粉颗粒的穿插缠绕现象，致使糊化黏度降低[15]。另外，挤压膨化加工导致玉米淀粉结晶区和无定形区中分子链与链之间的束缚力发生了改变，淀粉颗粒由结晶态转变为无定形态，颗粒破裂程度较大，形成淀粉糊的流动阻力下降[16]。

衰减值表示淀粉糊在高温时的抗剪切能力，可反映淀粉糊的热稳定性，衰减值越小，表示糊的热稳定性越好；淀粉冷却后重新排列，回生值与产品的老化程度有关，值越高越易老化[17]。由表1可知，与小麦粉为参照，玉米粉高添加量(10%、15%)使玉米-小麦粉的回生值显著增加(P<0.05)，但混粉的衰减值无显著性差异(P>0.05)；而膨化玉米粉的加入使膨化玉米-小麦粉的衰减值、回生值显著减小(P<0.05)，说明膨化玉米粉的加入改善了混粉的热稳定性，并在一定程度上抑制淀粉的老化。

2.2 混粉冷黏性结果分析

图2 不同混粉的冷黏性

由图2可知，以小麦粉为对照，玉米粉的添加对玉米-小麦粉冷黏性的影响不显著(P>0.05)，而膨化玉米粉的添加致使膨化玉米-小麦粉的冷黏性显著增加(P<0.05)，且随着膨化玉米粉添加量的增大膨化玉米-小麦粉的冷黏性逐渐增大。原因可能是：一方面，挤压膨化作用破坏了玉米淀粉颗粒形态，淀粉由颗粒状变成片状或块状，淀粉结构中的糖苷键断裂形成葡萄糖、麦芽糖等小分子物质，还原糖含量增多。另一方面，挤压膨化过程使得玉米纤维分子裂解，可溶性膳食纤维SDS(多为胶类物质，如果胶、树胶等)含量增加[18-19]，果胶分子结构呈现为一种很复杂的折叠形状，彼此间容易形成氢键，而不是直线型，具有较高的黏度，其黏度与氢键链长成正比。而果胶溶液的黏度随着温度的增加而减小，温度越高，溶液中水分子及各个分子之间的热力相互作用变强，无法形成氢键或将已形成的氢键破坏，减弱了果胶分子间、果胶分子与溶液中分子的彼此结合[20-22]。即膨化玉米粉溶于冷水后，黏度相对较高。对照表1可知，膨化玉米粉在加热糊化条件下其糊化黏度减小，而在不加热条件下其黏度增加，表明膨化玉米粉具有冷黏性。

2.3 面团黏性特征结果分析

由图3可知，以小麦粉为对照，玉米-小麦面团的黏度力随玉米粉添加量的增加显著降低(P<0.05)，黏附性无显著性差异(P>0.05)。可能原因是：玉米粉的添加一方面稀释了玉米-小麦粉体系中面筋蛋白含量；另一方面玉米淀粉颗粒阻碍了小麦淀粉和面筋蛋白的结合，影响面筋网络的形成，导致玉米-小麦粉面团中面筋数量与质量的双重下降，使得玉米-小麦面团黏度力降低。而膨化玉米-小麦面团的黏度力及黏附性随膨化玉米粉添加量的增加均显著增大(P<0.05)，可能是挤压过程中玉米淀粉失去完整性、崩解和熔融，糊化的淀粉在面团中相互黏附，淀粉颗粒的流动性降低，面团黏度增加[23]。

图3 不同混粉面团的黏性特征

2.4 面团应力松弛结果分析

图4为应力松弛时间与应力的关系，分为两个阶段：压缩阶段(AB)和松弛阶段(BC)。压缩阶段中当面团瞬时形变为20%时，探头停止下压，面团内部应力骤增至B点，此阶段中面团瞬时发生弹性形变；BC阶段中，形变量保持不变，直至应力不断衰减为残余应力，记录180 s内应力松弛情况。应力松弛曲线可用广义Maxwell模型进行非线性拟合[24]，方程如下：

σ(t)=ε0E1exp(-t/τ)+ε0E2，

式中：σ(t)为松弛过程的应力，N·m-2；ε0为压缩比20%；E1为第一要素胡克体弹性模量，N·m-2；E2为残余应力，N·m-2；t为时间，s；τ为松弛时间，s。

经非线性拟合得到τ值后，计算阻尼系数N2，公式如下：

图4 应力松弛特征曲线

N2=τE1,

式中：N2为阻尼系数，N·s·m-2。

拟合及计算数据如表2所示。

E2产生相当于邻近分子链相对运动引起的高弹形变，数值越大，表明面团压缩后期的变化幅度越大，恢复弹性形变的速度越慢[24]。由表2可知，玉米-小麦面团E2显著增大(P<0.05)，且随着添加量的增加呈逐渐增大的趋势；而膨化玉米粉的添加致使膨化玉米-小麦面团E2先减小后增加，在添加量为5%时最小，表明此时面团恢复弹性形变较快，面团的弹性较好，原因可能是适量膨化玉米粉的黏性作用使得松散的小麦淀粉颗粒更好地黏附于蛋白上，形成致密的面筋网络结构。

表2 不同复合面团应力松弛参数值

N2由流动的分子间相互摩擦产生，数值越大，黏度越大[25]。玉米粉的加入使得玉米-小麦面团N2减小，说明此面团黏度下降，而膨化玉米粉的加入使得N2增大，面团黏度增大。此结果与图3一致。

松弛时间τ是黏性行为与弹性行为共同作用的结果[10]。玉米粉的添加使得玉米-小麦面团τ值减小，且随添加量的增加显著减小(P<0.05)，原因是玉米粉的加入稀释面筋含量，导致面团结构松散易变形[26]。膨化玉米粉的加入使得膨化玉米-小麦面团的τ值增大，说明面团中有大的聚合物生成[27]，面团内部黏结力较大，推测原因为膨化玉米粉遇水具有较大黏性，从而将散落的淀粉颗粒与面筋蛋白黏结在一起，形成类似于面筋网络的三维结构，增强了面团内部黏结力，改善了面团的品质。

2.5 面团微观结构分析

由图5A和图5B可知，玉米粉经过挤压膨化处理后，颗粒形态发生了显著变化。玉米粉颗粒呈多边形及球形，淀粉与蛋白结合较为紧致，而膨化玉米粉的颗粒形态已经完全被破坏，呈现不规则薄片状或块状，体积较大、表面出现褶皱。这可能是因为挤压膨化处理使淀粉由固态转变为熔融态后形成的不固定形态结构,使得膨化后的玉米粉较未膨化玉米粉的比表面积增加，有利于水分子进入，使玉米粉持水能力提高[28-29]。

为了使差异显著化及更好地分析面团内部结构，选择小麦面团、15%玉米-小麦面团、15%膨化玉米-小麦面团进行微观结构的观察。由图5C可知：小麦面团的面筋网络结构非常均匀紧实，小麦淀粉颗粒有序地排列在面筋网络中，且基本被完全包裹；15%玉米-小麦面团形成的面筋网络结构松散无序，出现空洞，淀粉颗粒裸露，原因是玉米粉的加入破坏了小麦面筋网络的形成；而15%膨化玉米-小麦面团结构较15%玉米-小麦面团致密。在图5E中可以看出，膨化玉米粉呈片状(或块状)结构，膨化玉米-小麦面团淀粉颗粒裸露较少，由于其黏性作用将更多游离的淀粉颗粒等紧密黏附、包裹在面筋网络内部，同时作为填充物使面筋网络相互粘连，形成类似面筋网络的内部结构。相比于玉米粉，膨化玉米粉的添加使面团内部结构更致密，淀粉/蛋白质分布更均匀、连续，有利于改善其烹调、食用品质，从微观上更好地印证了面团应力松弛的结果。