天然菊粉对小麦粉面筋集聚和面团特性的影响

李金河，张 霞，母梦羽，贾 峰，王 琦，陈 迪，梁 赢，王金水

河南工业大学 生物工程学院， 河南 郑州 450001

菊粉(Inulin) 是一类水溶性直链膳食纤维多糖[1-2]，往往具有不同的聚合度，有长链菊粉和短链菊粉之分。从菊苣类植物中提取的菊粉因同时含有短链和长链，被称为天然菊粉[3]。与其他植物中的膳食纤维相比，菊粉在持水性、凝胶性、流变性等性质上均表现出显著差异[4-5]。近年来，菊粉在食品领域中的应用被越来越多的科研人员所关注，特别是其在面制食品中的应用研究不断增加[6-11]，但研究方向主要集中在低、高筋粉面制品及烘焙制品方面。有研究指出，短链菊粉能增强面筋网络的力学性能，提高软面团的抗混性和持气能力[5]。Peressini等[12]和Hager等[13]指出添加短链菊粉能够显著增加面包的体积；范文静等[14]研究发现当菊粉添加量为6%时，面包的综合品质指标达到了最佳状态，但其并未说明菊粉的类型。Luo等[15]指出，菊粉的添加能够降低面团的吸水率，增加面团的发育时间、稳定性和粉质品质，且当菊粉添加量小于或等于5%时，馒头的质量得到了显著改善。

目前，关于天然菊粉对小麦粉中面筋的集聚特性、面团质构及微观结构方面的研究尚不清楚，因此，作者通过添加不同比例的天然菊粉，分析了其对小麦粉面筋聚集特性、面团质构特性、面团微观结构的影响，为天然菊粉作为面制品品质改良剂的应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

小麦粉为特制一等，蛋白质含量为9.5%，水分含量为12%，灰分含量为5.5%；天然菊粉(来源于菊苣)购买自普西唐试剂公司，纯度为90.5%。

1.2 主要仪器与设备

BSA223S型电子分析天平: 赛多利斯(SARTORIUS)；DHG-9240型电热恒温鼓风干燥箱：苏州科思洛(KOZILO)有限公司；面筋聚集仪:德国Brabender公司；TA-XT Plus型质构仪：上海瑞玢智能科技有限公司；CryoStar NX50 型冷冻切片机：德国SLEE器械；Olympus Fluoview FV30000激光扫描共聚焦显微镜：OLYMPUS(北京)销售有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 面粉-菊粉复合粉及其面团的制备

分别按0、1、2、3、4、5 g/100 g的比例添加天然菊粉，部分替代小麦粉以制备复合粉，并将其混合20 min以确保混合均匀。将混合均匀的面粉-菊粉复合粉样品根据Liu等[16]所述的方法并稍做修改制备新鲜面团。将5 g复合粉与2.5 mL的纯净水混合5 min，新鲜制备的面团用于面团特性的测定。

1.3.2 复合粉水分含量的测定

参照GB 5009.3—2016的方法。

1.3.3 复合粉面筋聚集特性的测定

依据文献[17-19]，使用面筋聚集仪检测复合粉中面筋聚集特性的变化，反映天然菊粉对小麦粉品质产生的影响。并采用下列指标对样品品质进行评价：峰值最大时间、最大扭矩、聚集能(最大扭矩前15 s和最大扭矩后15 s与曲线围成的面积)、最大扭矩120 s后扭矩减小量、吸水率。

1.3.4 面团质构特性的测定

参考Liu等[16]和Angioloni等[20]的方法并作适当修改。利用TA-XT Plus型质构仪通过2次恒定的压缩循环分析测定面团的组织特性，2次压缩循环之间保持10 s。将新鲜面团制成固定形状，平衡5 min后置于质构仪测试平台上，选择texture profile analysis(TPA)模式，使用P-50探头,并设置启动速度为1 mm/s，测试前速度和测试后速度均为2 mm/s，测试距离为10 mm。为避免黏着性负峰值的干扰，采用2次分别测定面团的黏着性和其他质构特性，第1次将塑料膜置于面团表面以忽略面团的黏度，第2次在没有塑料薄膜的情况下运行，统计时将2次数据综合处理[21]。

1.3.5 面团的激光扫描共聚焦显微镜分析

参考文献[22-24]中的研究方法，并进行修改。首先，将新鲜的面团样本冷冻，取其芯部用低温切片机切成厚10 mm的切片，然后，将其转移到显微镜载玻片上。并用含有2×10-4mg/mL异硫氰酸荧光素(FITC)和3.2×10-4mg/mL罗丹明B的甲醇溶液避光染色5 min。载玻片上的多余染料用去离子水冲洗干净并晾干。分别设置488 nm和543 nm为2种染料的激发波长，在激光扫描共聚焦显微镜(CLSM)下观察切片，并用1 024×1 024像素分辨率的数字图像记录面筋和淀粉的结构。

1.4 数据处理

所有试验均进行至少3次重复，面团的质构特性至少进行6次重复，使用Origin 9.0和SAS 9.0对试验数据进行统计学处理和显著性分析。

2 结果与讨论

2.1 天然菊粉添加量对小麦粉面筋聚集特性的影响

天然菊粉处理后复合粉的面筋聚集特性曲线随着面筋网络结构的快速形成而急剧升高，在机械力的进一步作用下，面筋网络被破坏，扭矩曲线逐渐下降[25]。通常情况下峰值最大时间与蛋白质和面筋含量呈负相关，反映谷蛋白聚集动力学指标，而最大扭矩和聚集能与蛋白质和湿面筋含量呈正相关，反映小麦面筋网络强度指标[17-18]。面筋聚集特性显示(表1):随着天然菊粉添加量的增加，面筋形成时间不断延长，表现为峰值最大时间由136.3 s显著增加到了252.0 s，分析其原因可能是菊粉的添加增加了水的稠度，减弱了面筋蛋白与水之间的相互作用，延迟了面筋蛋白结构网络的形成；随着天然菊粉添加量的增加，最大扭矩和聚集能分别由38.0 GPU和960.6 GPI减小到了32.0 GPU和833.7 GPI，但是最大扭矩120 s后扭矩减小量却无显著性差异，反映出在快速的测定过程中，天然菊粉的添加弱化了面筋的聚集能力，但也对面筋结构维持相对稳定起到了促进作用，可能的原因是天然菊粉与蛋白质之间存在对水的竞争，并以此弱化了面筋蛋白网络结构的形成，但面粉中的面筋蛋白和天然菊粉之间存在的氢键和疏水作用又阻碍了面筋蛋白网络结构在进一步机械作用下的破坏过程[9,26]；面粉的吸水率与天然菊粉添加量呈负相关，分析其原因可能是添加的菊粉在淀粉粒周围形成阻碍，阻碍了淀粉粒对水的吸收[11]。

2.2 天然菊粉添加量对面团质构特性的影响

复合粉面团的质构特性见表2。天然菊粉对面团硬度、黏着性、胶黏性、内聚性和咀嚼性均有显著性影响。其中面团的咀嚼性和硬度与天然菊粉的含量呈负相关，弹性无显著性差异，但也表现出升高的趋势，说明加入适量的天然菊粉能够提高面团的弹性，改善面团的咀嚼性，并且弱化其硬度，使面制品品质变得柔软，这可能是因为天然菊粉的添加，使面团中弱结合水向紧密结合水和自由流动水方向迁移造成的[27]。面团的内聚性和回复性均表现出增加的趋势，但只有天然菊粉添加量在5 g/100 g时内聚性才具有显著性差异，这是因为当天然菊粉少量添加时，膳食纤维会填充于面筋网络结构中，进而使面团的弹性和内聚性适度增大或保持不变[28]。面团的黏度主要受面筋的影响，面团的黏着性、胶黏性也显著下降，可能是因为天然菊粉的添加稀释了蛋白分子，并与面筋蛋白相互作用影响了面筋的形成。

表1 天然菊粉添加量对面筋聚集特性的影响

表2 天然菊粉添加量对面团质构特性的影响

注：图中G代表气泡室; S代表淀粉; P代表蛋白质；图中的比例尺为40 μm。

2.3 天然菊粉添加量对面团微观结构的影响

天然菊粉对面团面筋网络结构的影响见图1。FITC将淀粉染成绿色，罗丹明B将蛋白质组分染成红色，图1中较暗的区域为气泡室。随着天然菊粉的添加，气泡室的大小有微量增加，但有研究发现，强面团比弱面团能吸收更多的气体，与弱面团相比，它能拉伸到更大的体积[29]，因此，可以认为天然菊粉的少量添加能使面团得到一定程度的强化。小麦粉面团的蛋白质形成了一个具有嵌入淀粉颗粒和空隙簇的网络结构，且粗糙具有不均匀的可见淀粉颗粒(图1a)。当天然菊粉添加量为1 g/100 g和2g/100 g时，该结构并未发生明显的变化(图1b、c)；当天然菊粉添加量为3 g/100 g或更高时，面团网络结构中淀粉颗粒与蛋白质之间发生了更加复杂的变化，淀粉颗粒与面筋蛋白之间的体系变得越来越紧密(图1d—f)。显然是因为天然菊粉参与到了该结构网络的形成过程并发挥了作用，才导致了面筋蛋白网络更加致密(图1f)，更多的淀粉颗粒被包裹在了面筋网络结构当中。可能的解释是天然菊粉的存在，不仅能通过氢键和疏水作用与面筋蛋白发生结合[3]，也会与淀粉发生相互作用，从而在面团形成过程中使淀粉与蛋白质的相互作用得到强化。

3 结论

天然菊粉与小麦粉的混合体系中天然菊粉的添加量与峰值最大时间呈显著的正相关，与聚集能和吸水率呈负相关。在本试验研究范围内，最大扭矩120 s后扭矩减小量无显著性变化。以上结果反映了面筋形成时间不断延长，聚集能力弱化，但是面筋网络结构却维持了相对稳定，这可能是因为天然菊粉与蛋白质之间对水的竞争使其面筋结构形成受阻，而中长链菊粉又通过氢键和疏水作用与面筋蛋白结合，阻碍了面筋蛋白网络结构在进一步的机械作用下的破坏过程。另外，面团的质构特性分析结果表明，随着混合体系中天然菊粉含量的增加，面团的咀嚼性和硬度逐渐降低，黏着性和胶黏性也显著性下降，内聚性增加，弹性和回复性呈现出升高的趋势，且分别在天然菊粉添加量为4 g/100 g和3 g/100 g时有最大值，可能的原因是天然菊粉改变了面团中的水分分布，改善了面团的内部结构，提升了面制品的品质。面团的微观结构显示，随着天然菊粉添加量的增加，面筋蛋白的结构网络变得致密。可能是天然菊粉与面筋蛋白分子之间能够通过氢键和疏水作用相结合，且对蛋白质与淀粉颗粒之间的关系有强化作用，导致淀粉和蛋白质之间的体系变得更加紧密。