微波处理小麦面粉对淀粉及蛋白性质的影响

刘海波，廖超，郑万琴，刘雄

(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)

小麦面粉可形成高黏弹性和强可塑性的面团，可用于制作面条、馒头和面包等产品[1]。在面包和面条制作过程中，小麦粉中含有的面筋蛋白至关重要，面筋蛋白肽链之间的二硫键和极性氨基酸及面筋蛋白与淀粉之间的相互作用是决定面团黏性和弹性的主要因素[2-4]。小麦面粉在贮藏过程中容易受潮生虫起菌，其中大部分微生物、多酚氧化酶和酚类化合物，会导致面粉迅速变质变黑[5]而腐败，因此需要一些技术措施进行干燥杀菌，以达到延长面粉保质期的目的。

目前面粉的干燥方式主要有自然晒干、热风干燥、微波干燥、红外辐射干燥等[6]，其中微波干燥方式应用较多。微波是频率在300 MHz～300 GHz的高频电磁波，微波加热时，微波贯穿物料整体，极性分子在微波和在电场作用下，吸热和运动方向变化加剧，热量增加，物料内外同时升温，加热速率比传统方式更快[7-8]。此外，微波还因具有可选择性加热、能量利用率高、灭酶彻底、能耗小、方便调控等优点被广泛应用于食品工业中[9]，如用于粉质类材料的加热、干燥、杀菌、灭酶及微波制作烘焙食品[10-11]等。目前ROSE等[12]研究了微波处理对全麦粉中储藏稳定性的影响，发现微波可降低脂肪酶活性，同时保持抗氧化活性，可以提高全麦面粉的稳定性；SONZA等[13]用微波谐振器测量确定单个小麦籽粒的水分含量和质量；VILLANUEVA等[14]研究了微波处理面粉对面团的影响，发现微波会使淀粉糊化，增加面团黏度；LI等[15]的研究表明微波处理可以提高鲜面条贮藏稳定性。

利用微波技术对小麦面粉进行干燥杀菌时，产生的热效应可能会引起面粉中面筋蛋白结构的变化，导致面粉性质和最终产品质量的变化。然而，很少有文献关于微波处理对小麦面粉性质的影响及其影响机理进行详细的研究。因此，我们选取小麦面粉和面筋蛋白作为原料进行微波处理，探究微波对面粉性质影响的机理，以期为微波技术在小麦面粉和面制品上的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料和试剂

风筝牌高筋小麦粉，潍坊风筝面粉有限责任公司；谷朊粉，重庆君亲食品有限公司；β-巯基乙醇、尿素、乙二胺四乙酸(EDTA)、Tris、HCl等均为分析纯，购于重庆市钛新化工公司。

1.2 仪器和设备

EG823LA6-NR型 Midea微波炉，美的电器制造有限公司；HH-6D型数显恒温水浴锅，LGJ-10型真空冷冻干燥机，北京松源华兴科技发展有限公司； FZD300型粉质仪，菏泽衡通实验仪器有限公司；TA动态流变仪，英国仪器公司；LABRAM-Aramis型拉曼光谱仪，美国Horiba Jobin-Yvon公司；UV-2450型紫外分光光度计，日本岛津公司。

1.3 实验方法

1.3.1 样品处理

小麦面粉：称取每份样品面粉100 g，将其置于250 mL烧杯中，放入微波炉中。微波时间单因素设计：1 min，100、300、500、800 W；微波功率单因素设计：300 W，1、2、3、4 min。未经微波处理的小麦面粉作为对照样品。

面筋蛋白：室温下，量取100 mL超纯水置于为500 mL的高脚烧杯中。称量6.0 g面筋蛋白边搅拌边缓慢加入烧杯中，磁力搅拌器500 r/min搅拌至蛋白充分水合，然后置于微波炉中加热。微波时间单因素设计1 min，100、300、500、800 W；微波功率单因素设计：300 W，1、2、3、4 min。此后，将微波处理面筋蛋白悬液冷却、冻干，留样待测。未经微波处理的蛋白作为对照样品。

1.3.2 小麦面粉粉质特性的测定

粉质特性的测定根据GB/T14614—2006/ISO5530—1∶1997《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》，利用粉质仪对微波处理过的小麦面粉粉质特性进行测定。

1.3.3 小麦面粉面团动态流变学特性的测定

参照赵天天等[16]的方法，称取300 g面粉样品置于1 000 mL高脚烧杯，然后进行微波处理，微波时间1 min，100、300、500、800 W不同微波功率处理；微波功率300 W，1、2、3、4 min不同微波时间处理。未经处理面粉作为对照样品。样品于粉质仪中搅拌混合加水直到粉质仪的记录曲线达到(500±20)FU后取出，用剪刀剪切，称取5 g待测。选取直径为40 mm的平板，测试时两平板的间距为2 mm，放置面团并将周边多余部分刮掉，再将夹具边缘涂上硅油，防止水分挥发。频率扫描测试：将待测面团放于平板之间，同时启动程序开始测定。其测定条件如下：等待时间300 s，应变振幅为1.0%，温度25 ℃，频率0.1～20 Hz。至少重复3次。

1.3.4 面筋蛋白巯基、游离巯基、二硫键的测定

参照张海华等[17]的方法，总巯基的测定：取2 mL蛋白溶液，加入5 mL Tris-Gly-8MUrea-0.5%SDS溶液中，再加入0.100 mL Ellman试剂(0.01 mol/L)，测定时溶液经旋风涡迅速混合后在25 ℃下保温反应15 min，用分光光度计测定其在412 nm处吸光度值(A412)。以不加Ellman试剂的溶液作为对照，同时测定空白值。

a-0 min 0 W；b-1 min 100 W；c-1 min 300 W；d-1 min 500 W；e-1 min 800 W；f-2 min 300 W；g-3 min 300 W；h-4 min 300 W图9 不同微波条件处理的面筋蛋白的扫描电镜Fig.9 Scanning electron microscopy of gluten proteins treated with different microwave conditions

游离巯基的测定：吸取2 mL蛋白溶液，加入5 mL Tris-Gly缓冲液(0.086 mol/L Tris-0.09 mol/L Glycine-4 mmol/L Na2EDTA，pH 8.0)中，再加入0.100 mL Ellman试剂(0.01 mol/L)，测定时溶液经旋涡迅速混合后在25 ℃下保温反应15 min，用分光光度计测定其在412 nm处吸光度值(A412)。以不加 Ellman试剂的溶液作为对照，同时测定空白值。

二硫键含量测定：—S—S—=(—SH-游离—SH)/2，每组样品测定3次，取平均值。

1.3.5 面筋蛋白拉曼光谱分析(Raman spectra)

参照NAWROCKA等[18]的方法，称取5 g的面筋蛋白，加5 mL的蒸馏水将面筋蛋白混合揉成湿面筋状态，然后用锡箔纸包住。用刀片切取少许载玻片上，用盖玻片将湿面筋蛋白压薄至2 mm左右，然后将载玻片置于拉曼仪的显微镜镜头下。将物镜调至20X，检测激光器波长设置785 nm，采集曝光时间2 s，样品曝光次数60，激光能量输出15 nW，光栅狭缝50 μm，在400～4 000 cm-1外采集。

1.3.6 面筋蛋白紫外光谱分析

称取1.2 g的无水NaH2PO4和0.156 g的NaOH，加水搅拌溶解，再稀释定容至1 L即配制成 0.01 mol/L的pH为7.0的磷酸缓冲液。称取0.005 0 g的蛋白样品溶于5 mL的缓冲液中，旋涡30 s，然后4 000 r/min 转速离心30 min，取上清液用于紫外光谱扫描测定。波长扫描范围200～340 nm，扫描速率为50 nm/min。

1.3.7 面筋蛋白扫描电镜

将小麦面筋蛋白样品喷金后置于扫描电镜下，调节放大至1 000倍，找到清晰的像，然后选取代表性区域拍照保存。

1.3.8 数据处理

采用SPSS软件进行数据处理分析，认为P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果与分析

2.1 高筋小麦粉基本成分分析

高筋小麦粉组分分析结果如表1所示。

表1 高筋小麦粉组分分析 单位：%

2.2 微波对面粉粉质特性的影响分析

粉质特性主要用于表征面团的揉混特性。一般认为，面粉的筋力越强，耐搅拌性能就越强，面团的操作性能好，面筋网络就越牢固[19]。由表2、表3可知，面粉的吸水率随着微波功率和时间逐渐增大，分别在1 min、800 W和4 min、300 W时达到最大。这主要是因为微波功率越大，时间越长，温度就会越高，导致小麦面粉的淀粉结构受损程度加剧，破损淀粉含量增多，容易发生吸水膨胀，吸水率增大。面团形成时间随微波功率的增大和微波时间的延长呈先增后减的趋势，这可能与小麦的面筋数量和质量有关，微波作用破坏—S—S—使其断裂导致面筋数量减少，面团形成时间延长，但是微波到一定程度，适度作用会促进—S—S—网状结构的形成，加速面团的形成，面团形成时间会减少。面团稳定时间随微波功率的增大和微波时间的延长而增多，面团稳定时间的长短反映面团的耐揉性，说明小麦面粉经微波处理后形成的面团更具耐揉性。面团的弱化度随微波功率的增大和微波时间的延长而减小，面粉的粉质指数随微波功率的增大和微波时间的延长而增大，说明微波处理后面粉的粉质性能可能得到了一定程度的改善，面团的加工性能变得较好[20]，这与SHEVKANI等[21]的研究结果相似。

表2 微波功率对小麦面团粉质特性的影响Table 2 Effect of microwave power on properties of wheat dough

表3 微波时间对小麦面团粉质特性的影响Table 3 Effect of microwave time on properties of wheat dough

2.3 微波对面团流变学特性的影响

图1～图4是频率扫描下，不同微波条件处理的面团动态流变学特性的测定结果。面团的流变特性是面团在揉制、面包成型、发酵过程中的决定性因素，已有研究报道流变特性与揉混性能之间存在着显著的相关性[22]。随着扫描频率的增加，面团的储能模量(G′)始终大于耗能模量(G″)，表明面团的弹性大于黏性。G′与G″随着频率的增加而逐渐上升，表现出一直典型的弱凝胶动态流变图谱[23]。储能模量表示面团弹性的大小，耗能模量表示面团的黏性。与对照组相比，面团的黏弹性有不同程度的变化。面团是由分子间和分子内可以形成二硫键的具有黏弹性的面筋蛋白包裹着淀粉分子而形成的，微波对面粉中淀粉和面筋蛋白性质的影响直接可改变面团的黏弹性。

由图1、图2知，面粉经100 W微波功率处理后，储能模量和耗能模量有所降低，面团的黏弹性减小，但在300 W时储能模量和耗能模量增大且达到最大值，此时黏弹性最大，继续增大微波功率，储能模量和耗能模量又降低，黏弹性减小。由图3、图4可知面团的储能模量和耗能模量随微波时间的延长呈先增加后减小的趋势。面粉经微波处理1 min，储能模量和耗能模量增加，黏弹性增强，延长微波时间,储能模量和耗能模量降低，黏弹性减小。面团在微波处理1 min时储能模量和耗能模量增至最大值，黏弹性最强。这可能是在微波时间1 min、功率300 W的条件下，淀粉分子颗粒受热适度膨胀，与面筋蛋白的网状结构结合更为致密紧凑,面团更具柔韧性，所以黏弹性最强，其他微波条件下的淀粉和面筋蛋白不能很好地结合或者结构被破坏。实验表明，适当的微波作用能够增强面团的黏弹性，过弱或过强的微波作用反而会降低面团的黏弹性。

图1 微波功率对面团储能模量的影响Fig.1 Effect of microwave power on dough storage energy

图2 微波功率对面团耗能模量的影响Fig.2 Effect of microwave power on dough energy consumption

图3 微波时间对面团储能模量的影响Fig.3 Effect of microwave time on dough storage energy

图4 微波时间对面团耗能模量的影响Fig.4 Effect of microwave time on dough energy consumption

2.4 微波处理对面筋蛋白巯基、游离巯基、二硫键的影响

面筋蛋白通过二硫键与淀粉交联赋予面团黏性和弹性，在决定小麦粉产品质量方面发挥着关键作用[24]，面筋网络结构的破坏作用是导致面粉品质恶化的主要原因[25-26]。由图5可知，未经微波处理的面筋蛋白的巯基含量为14.62 μmol/g，游离巯基为 6.47 μmol/g，二硫键含量为4.07 μmol/g，不同功率的微波处理后，面筋蛋白的巯基、游离巯基和二硫键含量相应减少，这是由于—SH和—S—S—吸收热量超过键能，导致共价键断裂，所以—SH和—S—S—含量减少。由图6看出巯基、游离巯基和二硫键在时间1 min、2 min微波条件处理下减少，在3 min时，含量都有所升高，这可能是淀粉和蛋白分子吸热膨胀，面筋蛋白分子发生聚集，—S—S—又可以重新形成，自由基和亲核机制被认为在链间二硫键诱导的面筋聚集中发挥重要作用[27]；延长微波时间至4 min，分子间共价键被破坏，巯基、游离巯基和二硫键含量降低。面筋蛋白空间结构与二硫键含量之间存在着很强的相关性，因为分子间的—S—S—键桥被认为在维持谷蛋白基质的稳定性方面起着至关重要的作用[28]，游离—SH水平的变化是蛋白质分子链聚集程度的一个有说服力的指标[29-30]。结果表明微波作用在一定程度上破坏了面筋结构，对形成面团的过程产生了不利影响。

图5 微波功率对—SH、游离—SH、—S—S—的影响Fig.5 Effect of microwaves on the content of —SH, free —SH and —S—S—

图6 微波时间对—SH、游离—SH、—S—S—的影响Fig.6 Effect of microwave time on the content of —SH, free —SH and —S—S—

2.5 微波处理对面筋蛋白二级结构的影响

二级结构的变化对于研究蛋白质结构性质至关重要，拉曼光谱中1 645～1 690 cm-1区域被认为是面筋蛋白二级结构归属区，可以反映二级结构的变化[32]。拉曼光谱可用于研究液体和固体蛋白的二级结构[31-32]，ZHAO等[33]用拉曼光谱研究脱酰胺化小麦面筋蛋白的结构变化对酶水解的敏感性的影响。α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲4种二级结构的规律有序性依次减小，各二级结构间以二硫键、氢键和范德华力等分子间作用力相连接排列。由表4、表5可知，未经微波处理的面筋蛋白的二级结构各组分分别是α-螺旋含量66.75%，β-折叠含量8.55%，β-转角含量18.32%，无规则卷曲含量6.37%，α-螺旋是系统中占主导地位的二级结构，α-螺旋的含量多少也最能代表说明蛋白分子排列的有序性。说明未经微波处理面筋蛋白中的二硫键、氢键和范德华力等分子间作用力较强且稳定，空间结构和分子排布比较有秩序规律。经不同微波条件处理后，α-螺旋的含量较对照组显著减少，β-折叠、β-转角和无规则卷曲的总含量增加，说明面筋蛋白经微波处理后，蛋白吸热致分子运动程度加剧，二硫键、氢键和范德华力等分子间作用力被破坏，空间结构和分子排布的规律有序性减小，变得较杂乱无序。实验说明微波作用在一定程度上破坏了面筋蛋白的二级结构。

表4 微波功率对面筋蛋白二级结构的影响 单位：%

表5 微波时间对面筋蛋白二级结构的影响 单位：%

2.6 面筋蛋白紫外荧光吸收

面筋蛋白中色氨酸和酪氨酸在紫外280 nm波长左右处有吸收峰，根据吸收峰的强弱判断蛋白质中生色基团分布的微环境的变化，进而推断蛋白结构的展开程度。由图7、图8可以明显看出面筋蛋白经不同微波条件处理后，其紫外吸收强度出现不同程度地降低，微波强度越大，紫外吸收越弱。蛋白分子的聚集折叠或链结构断裂会导致分子内的生色基团减少，紫外吸收强度也会随之降低。这说明微波作用改变了面筋蛋白的空间构象，与前面微波对面筋蛋白的—SH、—S—S—和二级结构的变化的研究结果相对应，可见表明微波处理有助于面筋蛋白结构的伸展。

图7 微波功率对面筋蛋白紫外吸收影响Fig.7 Effect of microwave power on ultraviolet absorption of gluten protein

图8 微波时间对面筋蛋白紫外吸收影响Fig.8 Effect of microwave time on ultraviolet absorption of gluten protein

2.7 面筋蛋白扫描电镜

扫描电子显微镜对面筋网状结构的可视化是了解面团各组分相互作用的关键[34]。由图9可以看出未经微波处理过的面筋蛋白表面平整，网状结构紧密集中。经微波处理处理后，面筋蛋白的外观及形状结构发生了不同程度的改变。以100 W微波功率处理1 min时，蛋白颗粒表面出现了少许裂孔，致密结构有疏散崩裂的趋势，随着微波功率的增大，蛋白分子颗粒上面的孔状增多且孔洞增大，有细碎颗粒出现，结构变得开散疏松；延长微波时间，可以发现面筋蛋白表面气孔数量增多，孔径增大，变化趋势与随微波功率变化趋势相似。微波作用增强，蛋白分子结构破损程度加大，网状结构在表观看来稀疏多孔。这说明微波作用破坏了维持面筋蛋白结构的共价键和分子间作用力，这与前面微波对面筋蛋白二硫键和结构影响的研究结果基本一致。

3 结论

微波通过热效应影响小麦面粉中面筋蛋白的结构导致面粉面团性质的改变，微波作用于面筋蛋白时会破坏了蛋白分子间共价键(—S—S—)断裂，破坏连接蛋白二级结构的氢键、范德华力等分子间作用力，蛋白分子结构排列变得杂乱无序，分子紧密结构伸展，面筋网状结构变得疏松多孔。具有网状结构的面筋蛋白有很好的黏弹性，微波处理后对面筋蛋白的结构受到一定程度的损坏，黏弹性减弱，致使其在包裹淀粉颗粒形成面团时不再具有很好的韧性。适度微波处理会改善小麦面粉的粉质特性，提高面团的加工性能，微波强度过大则会破环面筋结构，导致面粉和面团性质变差。本文研究了微波对面粉和面团性质影响的机理，但对于微波处理后面粉的贮藏稳定性和食用品质还需进一步探究分析。