淀粉酶、谷氨酰胺转氨酶及黄原胶对燕麦-小麦混合粉面团流变特性的影响

王建芳,赵俊梅,李毅丽,高 山,牟德华,*

(1.河北科技大学生物科学与工程学院,河北石家庄 050018; 2.河北化工医药职业技术学院,河北石家庄 050026; 3.河北省焙烤食品加工技术创新中心,河北石家庄 051130)

燕麦(AvenasativaL.)是人类八大粮食作物之一[1],其产量在世界粮食产量中居第六位[2]。燕麦及燕麦制品可降低患各种疾病的风险,因此已经被大家公认为现代健康食品之一。燕麦的功能得益于其含有β-葡聚糖、维生素E和总酚等生物活性物质。食用燕麦制品可降低血清胆固醇,降低心血管疾病的风险,并防御癌症、糖尿病和胃肠道疾病[3]。因此,开发相关的燕麦制品对提高人们健康水平具有重要意义。燕麦粉和小麦粉混合使用可以实现营养和加工性能互补,尤其是制作各类主食加工食品[4]。但是,燕麦粉的缺点是支链淀粉多,不含面筋蛋白,不易形成蛋白质网络结构,加入小麦粉中会影响面团的粘弹性、韧性和延伸性[5],降低面团的加工特性[6]。

相关研究表明,改良剂可以改善面团的品质。陈前等[7]研究了不同浓度瓜尔豆胶对35%马铃薯小麦粉混合面团质构和流变特性的影响,结果表明瓜尔豆胶有效降低了混合面团的硬度,改善了面团的粘弹性和拉伸性;王雷明[8]研究了五种胶体、四种蛋白、四种酶制剂和复配添加物对全燕麦粉的粉质、流变、粘度特性的影响;Calle等[9]研究蛋白酶、淀粉酶和水胶体对芋头粉面包质构特性以及淀粉消化率的影响,发现不同类型的蛋白酶对面团改善效果不同,碱性蛋白酶降低了面团硬度且增加了面包体积;Motta等[10]以小麦面团为对照,在小米面团中加入黄原胶、瓜尔豆胶和海藻酸钠,研究不同面团的流变、色泽以及质构特性,发现加入黄原胶的小米面团的品质更接近小麦面团,表明相比于其他胶体,黄原胶对小米面团有更好的改良效果;Collar等[11]研究表明淀粉酶和谷氨酰胺转氨酶具有协同作用,对面团及面包的质构和感官特性有显著的改善效果,但这种效果在白面包中比在全麦面包中表现更突出;Tebben等[12]的综述中提到同类型和不同类型改良剂混合使用对面团影响的研究仍然需要进一步探索。虽然目前酶和黄原胶改善面团及成品品质的文章很多,但是淀粉酶和谷氨酰胺转氨酶结合使用以及两种酶和黄原胶的混合使用的报道较为鲜见,因此,本文的实验设计正是弥补了这方面研究的空缺。

为改善20%燕麦小麦混合粉面团的品质,本文研究相同酶活(3 U/g)的条件下,单一酶(淀粉酶、谷氨酰胺转氨酶)、混合酶(淀粉酶和谷氨酰胺转氨酶结合使用)、酶和水胶体结合使用(淀粉酶、谷氨酰胺转氨酶以及黄原胶混合使用)对混合面团流变特性的影响,探究其对混合面团的改良效果,为开发新型燕麦产品提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

香满园中筋小麦粉(每100 g小麦粉含蛋白质11.0 g,脂肪1.6 g,碳水化合物73.5 g) 益海嘉里食品工业有限公司;燕麦 河北省主栽品种“026”;燕山高活性干酵母 河北马利食品有限公司;淀粉酶(≥20000 U/g) 河南万邦实业有限公司;谷氨酰胺转氨酶(100 U/g)、黄原胶 上海源叶生物科技有限公司。

TA-XT plus质构仪 英国Stable Micro Systems有限公司;HAAKE Mars 40高级旋转流变仪 赛默飞世尔科技有限公司;CR-400色差仪 东莞荣东(日本柯尼卡美能达中国地区指定代理)有限公司;MUM54A00针式和面机 罗伯特·博世有限公司;JFZS350型数控调试型粉质仪 菏泽衡通实验仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 对照组面团的制备 参考表1中的方案F1,称取200 g小麦粉,3 g酵母,加入100 g水,和面机调到1档搅拌10 min,再调到4档和面20 min,混合均匀至无生粉夹杂,将面团用保鲜膜包裹好放入醒发箱于35 ℃下醒发1 h后,取出备用;参考表1中方案F2,称取160 g小麦粉,40 g燕麦粉,3 g酵母,加入100 g水,和面机调到1档搅拌10 min,再调到4档和面20 min,混合均匀至无生粉夹杂,将面团用保鲜膜包裹好放入醒发箱于35 ℃下醒发1 h后,取出备用。

表1 小麦-燕麦混合粉面团配方Table 1 Recipes of wheat-oat mixed flour dough

1.2.2 不同方案混合面团制备 按照表1中方案F3、F4、F5及F6,称取原料相应的克数,淀粉酶和谷氨酰转氨酶在45 ℃的水中提前活化,和面方式同1.2.1。食品添加剂的用量范围参照GB 2760-2014《食品添加剂使用标准》[13]。

1.2.3 面团粉质特性测定 参考GB/T 14614-2019《小麦粉面团的物理特性 吸水量和流变特性的测定 粉质仪法》,取不同方案的温度为25～30 ℃的混合粉,按其各自水分含量称相应的质量,精确至0.1 g,应用公式为m=25800/(100-H),m为样品的质量,H为样品的水分(利用水分测定仪测定),用JFZS350型数控调试型粉质仪测定面团稠度随时间变化的曲线,并得出表征面团粉质特性的主要特征值[14]。

1.2.4 面团质构特性测定 参考陈前等[7]的方法并稍作修改,取30 g醒发好的面团,制成3 cm×3 cm×3 cm的正方体,使用质构仪对面团进行TPA测试[15],每组样品做至少6个平行面团。测试条件:选择TPA(texture profile analysis)测试程序,选择使用P10探头,测前速率为1.00 mm/s,测中速率为1.00 mm/s,测后速率为2.00 mm/s,应变量为50%,触发力为5 g。测定面团的硬度、弹性、内聚性和回复力。

1.2.5 面团色差测定 利用CR-400色差仪测定面团的色泽特性,每个样品色泽测试至少进行5次,结果参考CIELAB系统的颜色参数,其中L表示明度(数值从0到100),a表示红度(+)或者绿度(-),b表示黄度(+)或者蓝度(-)[16],以L=21.52、a=7.79、b=4.35为白度对照,计算ΔL、Δa以及Δb值,总体颜色变化用ΔE表示,ΔE=(ΔL2+Δa2+Δb2)1/2。

1.2.6 面团流变特性测定 参考陈前等[7]的方法并稍作修改。取5 g醒发好的面团揉团放入流变仪进行测定,测试探头选择P35/Ti,两平行板的间距为2 mm,刮去多余样品,在夹具边缘涂上二甲基硅油,防止水分挥发,减少实验误差。测定程序及条件参考邹军军和Zhang等[17-18]的方法并稍作修改。探头下压后统一将样品在25 ℃条件下平衡3 min,以排除面团中参与机械作用力对结果造成影响。频率扫描测试:应力0.1%,温度25 ℃,频率0.1～10 Hz。测试样品的弹性模量G′、粘性模量G″与损耗正切值(tanδ=G″/G′)随着频率的变化曲线。

1.3 数据处理

本试验除特殊说明外,所有数据均为3次平行试验的平均值。实验结果采用SPSS 20.0软件进行数据处理和分析,使用Origin 2018软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同方案混合面团的粉质特性

不同面团粉质特性的测定结果如表2所示,小麦粉面团(F1)的吸水量最大,其他处理的面团吸水量均下降,这可能是由于燕麦粉的加入破坏了小麦粉面团致密的面筋结构,导致吸水量降低;黄原胶和谷氨酰胺转氨酶的加入增加了面团体系中的面筋含量,面筋含量与吸水率呈负相关[19],淀粉酶会增加面团的破损淀粉含量,而破损淀粉含量与吸水率呈正相关,所以F3的吸水量大于F4、F5以及F6。参考GB/T 14614-2019《小麦粉面团的物理特性 吸水量和流变特性的测定 粉质仪法》可知,稳定时间是指粉质曲线的上边缘首次与500 FU标线相交至下降离开500 FU标线两点之间的时间差值,反应和面过程中面团对机械搅拌力的耐受性。一般高筋小麦粉的稳定时间在8 min以上,适合制作面包等发酵食品;中筋面粉的稳定时间在3～5 min之间,适合做馒头、面条等制品;低筋面粉的稳定时间在2.5 min以下,适合做糕点类食品[20]。

由表2可知,小麦粉面团(F1)和20%燕麦小麦混合粉面团(F2)的稳定时间无显著性差异(P<0.05),添加1.5 U/g谷氨酰胺转氨酶的20%燕麦小麦混合粉面团(F4)的稳定时间最大为6.95 min，且与其它组具有显著性差异(P<0.05),这是由于谷氨酰胺转氨酶可以催化蛋白质与蛋白质之间交联作用的形成,使面筋蛋白的二硫键更牢固[11],从而增加了其稳定时间,其他方案处理的面团稳定时间下降,改善效果不好。弱化度反映的是面团可受机械剪切力的能力,可受机械搅拌能力越高,弱化度越小,面团的面筋质量越好[21-23]。由表2可知,F2面团的弱化度增大且与小麦粉面团具有显著性差异(P<0.05),3 U/g淀粉酶的加入使弱化度增大,可能是由于淀粉酶将大分子淀粉水解为小分子的多糖,使面团变稀降低了面团的耐搅拌性。F4、F5以及F6的弱化度与F2相比均降低,这可能是由于黄原胶和谷氨酰胺转氨酶增加了面团的蛋白质含量,当面筋含量超过某个特定含量时,面筋结构较稳定,减弱了面团的蛋白质弱化度。F5面团的弱化度为(90.00±2.00)FU,与小麦粉面团无显著性差异(P<0.05),说明淀粉酶和谷氨酰胺转氨酶的结合使用有效地改善了面团的弱化度,这可能是两种酶对淀粉和蛋白质共同作用的结果。综合3个粉质指标,谷氨酰胺转氨酶(F4)对20%燕麦小麦混合粉面团的粉质特性改善效果最好,F5对弱化度的改善效果最好,其值接近小麦面团(F1)。

表2 不同方案混合粉团的粉质特性Table 2 Silty properties of different schemes

2.2 不同方案混合面团的质构特性

图1和图2的是对六个方案面团质构特性测定的结果。由图1可知未添加酶和黄原胶的20%燕麦-小麦混合粉面团(F2)的硬度显著高于小麦粉面团(F1)(P<0.05)。添加了3 U/g淀粉酶的20%燕麦-小麦混合粉面团(F3)硬度较F1和F2均显著降低(P<0.05),说明淀粉酶具有降低面团硬度的作用[12],这可能是由于淀粉酶将大分子淀粉最终水解为麦芽糖、葡萄糖,更有利于酵母利用,形成更多的气孔,增大面团面积,从而降低面团硬度。添加3 U/g谷氨酰胺转氨酶(F4)、1.5 U/g淀粉酶和1.5 U/g谷氨酰胺转氨酶以及0.3 g/100 g黄原胶(F6)的20%燕麦-小麦混合粉面团的硬度显著高于F1和F2(P<0.05),这是由于谷氨酰胺转氨酶可以催化蛋白质-蛋白质之间形成交联作用,增加面筋网络结构,从而改善面团的结构[24]。F5和F4、F3差异显著(P<0.05),淀粉酶和谷氨酰胺转氨酶的结合使用,使F5的硬度值介于F3和F4之间。F5和F6差异不显著,表明黄原胶的加入对面团硬度没有显著影响,Motta等[10]研究表明单独使用黄原胶可以使小米意大利面条硬度变低,本实验结果可能是由于淀粉酶、谷氨酰胺转氨酶和黄原胶共同作用导致的。可能由于三种改良剂的配比不合适,F3、F4、F5以及F6面团的硬度与F1都有显著性差异,改善效果不好,这有待于进一步研究。

表3 不同方案混合面团的色泽特性Table 3 Color characteristics of different schemes

图1 不同方案混合面团的硬度特性Fig.1 Hardness characteristics of different schemes

六个面团方案的弹性、内聚性和回复力三个质构指标测定如图2所示。20%的燕麦小麦混合粉面团(F2)和小麦面团(F1)的弹性有显著差异(P<0.05),F5、F6与F2有显著差异(P<0.05),但与F1不具有显著性差异,说明F5和F6面团方案的弹性与纯小麦面团最接近。Palabiyik等[25]同样研究表明谷氨酰胺转氨酶增加了荞麦面团的弹性。F1、F2以及F3的内聚性和回复力均无显著性差异,表明20%燕麦小麦混合面团与小麦面团在内聚力和回复力方面并无明显差异。Motta[10]和Palabiyik等[25]研究表明淀粉酶和黄原胶可增加意大利面条的内聚性,与本实验结果一致。

图2 不同方案混合面团的质构特性 Fig.2 Texture characteristics of different programmes

2.3 不同方案混合面团的色泽特性

表3可知,小麦面团(F1)的L值最大,b值最小,且与其他方案的面团具有显著性差异(P<0.05),这是由于小麦粉经过漂白处理,所以它的明度最高,黄度最低。20%的燕麦小麦混合粉面团的L值最低,b值最高,这是由于“026”燕麦粉本身颜色偏黄造成的。加入酶和黄原胶后,面团的明度有所改善,但是各方案间(F3、F4、F5、F6)没有显著性差异;b值(黄度)改善效果最好的是F5(加1.5 U/g淀粉酶和1.5 U/g谷氨酰胺转氨酶的20%燕麦小麦粉混合面团),改善效果最差的是F6面团,其b值与20%燕麦小麦混合粉面团没有显著性差异,这可能是由于淀粉酶和谷氨酰胺转氨酶本身颜色较白,黄原胶颜色较黄造成的,F3和F4面团改善效果一般,且之间无显著性差异。Lee等[26]研究表明,当ΔE相差大于2时,消费者便可以容易地辨别出两者的差异,由表3可知F1和F2面团的ΔE值大约相差9.66,小麦粉面团与20%的燕麦小麦混合粉面团有明显的色差。与F2相比,加入酶和黄原胶后,ΔE值都呈现增大趋势,但F3、F4、F5、F6之间无显著性差异,F5面团ΔE值最大,与小麦面团最接近,对面团色泽改善效果最好。

2.4 不同方案混合面团的流变特性

旋转流变仪频率扫描可用于测定面团的粘弹性[27]。图3中A、B、C分别是六个方案面团的弹性模量(G′)、粘性模量(G″)和损耗角正切值(tanδ)随频率的变化曲线。G′反映了粘弹性材料的类固性质,G′越大弹性越强,G″反映了类液性质,G″越大粘性越强[28]。由图3中A和B可知,在同一频率下弹性模量(G′)总是大于粘性模量(G″),所以导致损耗角正切值(tanδ=G″/G′)<1,表明弹性性能占优势,面团表现固相特性[29],所有面团样品的G′和G″随着频率的增大而增大,说明它们具有频率依赖性[16]。与纯小麦面团(F1)相比,20%的燕麦小麦混合粉面团(F2)的G′更大,这可能是由于燕麦中的β-葡聚糖具有很强的水结合能力,致使面团中其他分子间可用的水分子变少,分子间相互作用变强,从而增加了面团的弹性性能。Ronda等[30]也研究表明β-葡聚糖可增加面团的固相行为。加入酶和黄原胶以后,G′和G″较20%的燕麦小麦混合面团都有所下降,其中F5和F6面团最接近纯小麦面团(F1)的G′和G″曲线,说明F5和F6的面团品质相对较好。F3面团的G′最小,这可能是由于淀粉酶的加入使淀粉分解为小分子的糖类,这些糖类会干扰面团中淀粉和蛋白质的相互作用,从而降低了面团的弹性性能[11]。tanδ可以用来描述面团体系中高聚物含量和聚合度,其值越小说明高聚合物含量越多,聚合度越大[31]。由图3C可知,随着频率的增加tanδ降低,说明tanδ同样具有频率依赖性,F5和F6面团的tanδ曲线最接近纯小麦面团(F1),品质较好,F3面团tanδ曲线离F1面团最远,品质较差。说明淀粉酶、谷氨酰胺转氨酶和黄原胶的结合使用有助于改善燕麦小麦混合粉面团的品质。

图3 不同方案混合面团的流变学特性曲线Fig.3 rheological characteristic curves of different schemes注:A:弹性模量(G′)曲线;B:粘性模量(G″)曲线; C:损耗角正切值(tanδ)曲线。

3 结论

本实验在20%燕麦-小麦混合粉面团中加入3 U/g的淀粉酶、3 U/g的谷氨酰胺转氨酶、1.5 U/g淀粉酶以及1.5 U/g谷氨酰胺转氨酶,研究结果表明在相同酶活的条件下,与20%燕麦-小麦混合粉面团相比,淀粉酶和谷氨酰胺转氨酶的混合使用降低了混合面团的弱化度,且与小麦粉面团弱化度无显著性差异,谷氨酰胺转氨酶增加了面团的稳定时间;淀粉酶降低了混合面团的硬度,谷氨酰胺转氨酶增加了混合面团的硬度,淀粉酶和谷氨酰胺转氨酶的结合使用使混合面团的弹性与小麦面团无显著性差异;两种酶的结合使用,使20%燕麦小麦混合粉面团的色泽特性(ΔE值)以及流变特性(G′、G″、tanδ)更接近小麦面团。与两种酶结合使用相比,黄原胶和两种酶的结合使用没有更加有效的改善效果。本实验对混合面团的质构特性改善效果欠佳,可能是由于两种酶与黄原胶之间的配比不合适,这有待于进一步研究。通过实验数据可知F4的稳定时间最大,弱化度较小,硬度最大,F3的稳定时间较短,弱化度最大,硬度最小,说明硬度与稳定时间和弱化度具有一定的相关性。质构、流变以及粉质特性之间的联系可能是由于它们三者之间的理论是相互支持的。通过实验结果可知,相对于改良剂单独使用,酶和水胶体的结合使用更有利于改善燕麦面团的品质,为后续燕麦面包、燕麦馒头的制作提供依据。