板栗淀粉、蛋白质及全粉的特性及在面包中应用研究

刘 荟 周 葵 张雅媛 洪 雁 游向荣李明娟 卫 萍 王 颖

(江南大学食品学院1，无锡 214122)(广西农业科学院农产品加工研究所2,南宁 530007)(广西果蔬贮藏与加工新技术重点实验室3，南宁 530007)

近年来，板栗作为一种天然健康有营养的食材，已广泛应用于制作高品质面包[1]。板栗面包是以板栗小麦混粉为主要原料，以糖、鸡蛋、酵母等为辅料，经混粉搅拌、醒发、成型、烘烤等工序制作，对原料粉要求最高的发酵面制品。

原料粉是形成面包结构的主要成分，而面包内部的固体基质是由连续相的面筋网络结构包裹着糊化淀粉组成[2]，一般认为，蛋白质、淀粉对面包品质至关重要[3，4]。淀粉、蛋白质是决定原料粉糊化、回生和面团拉伸、弹韧性等特性的重要组分，两者的差异最终会影响到产品的质量[5]。板栗主要成分为淀粉(37.82%～53.16%)、蛋白质(6.15%～12.44%)[6]，但缺乏面筋蛋白，无法嵌入淀粉颗粒。目前，对板栗面包的研究主要集中在板栗面包的加工工艺方面，但关于板栗淀粉、板栗蛋白性能如何影响板栗面包的研究鲜有报道。

结合板栗粉在面包中的应用，以小麦淀粉、小麦蛋白为参照，分析板栗淀粉、板栗蛋白的性能，为板栗在面包中的应用提供参考，对延伸板栗产业链具有极其重要的促进意义。本研究以板栗为原料，制备板栗粉，并从中提取板栗淀粉和板栗蛋白，分析测定板栗粉主要化学成分及加工特性(吸水性、吸油性、乳化性和乳化稳定性)、板栗淀粉(直链淀粉质量分数、粒径分布、晶型结构、糊化特性和溶解度及膨润力)和板栗蛋白(分子量、空间结构及溶解性)的结构特性，并进行了板栗面包开发。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

板栗仁，广西；小麦淀粉；谷朊粉；高筋麦芯小麦粉；黄原胶；大豆分离蛋白；即发酵母。

盐酸、硝酸、氢氧化钠、石油醚(沸程60～90 ℃)、硼酸、硫酸、无水乙醇均为分析纯，硫酸铜、硫酸钾、乙酸铅、硫酸钠，均为化学纯；直链淀粉、直链淀粉试剂盒；标准分子量蛋白。

VORTEX-5涡旋振荡器，RJ-LD-50G低速大容量离心机，TW8水浴锅，SW22振荡摇床水浴锅，BJ-150多功能粉碎机，AAF1100马弗炉，可见光分光光度计，S3500激光粒度分析仪，D2 PHASER X-射线衍射仪，RVA TECMASTER快速黏度分析仪，K9840自动凯氏定氮仪，HYP-320消化炉，GelDoc凝胶成像系统，Mini Protein 3蛋白电泳系统，Chirascan V100圆二色谱仪，F97PRO荧光分光光度计，Farinograph-E 粉质仪。

1.2 方法

1.2.1 板栗粉制备

将鲜板栗仁切成厚约2 mm薄片，于50 ℃鼓风干燥箱内干燥8 h，粉碎过60目，于4 ℃密封保存。

1.2.2 板栗淀粉制备

称取一定量的板栗粉，按料液比1∶4加入0.2%NaOH溶液浸泡12 h，倒去上清液，过60目筛去除滤渣，用蒸馏水溶解下层粗淀粉乳，于4 000 r/min离心5 min弃去上清液，用水洗涤沉淀至沉淀无色，将沉淀均匀铺于样品盘中，于45 ℃干燥12 h后粉碎并过100目。

1.2.3 板栗蛋白制备

称取一定量的板栗粉，按料液比1∶15加入去离子水，用1 mol/L NaOH溶液调节至pH10，超声14 min，于40 ℃水浴并搅拌提取80 min，将碱提液于3 500 r/min离心20 min后去除沉淀，用1 mol/L HCl调节上清液pH至4.2，酸沉30 min后于3 500 r/min下离心20 min，洗涤沉淀至洗涤液呈中性，将沉淀均匀铺于样品盘中，于-80 ℃预冻，进行冷冻干燥，粉碎并过100目。

1.2.4 化学成分含量测定

水分、灰分、蛋白质、脂肪含量测定分别参照GB 5009.3—2016直接干燥法、GB 5009.4—2016食品中总灰分的测定、GB 5009.5—2016凯氏定氮法、GB 5009.6—2016索氏抽提法；淀粉质量分数测定参照GB 5009.9—2016酸水解法处理样品，用DNS法测定；直链淀粉质量分数用Megazyme直链淀粉试剂盒法。

1.2.5 板栗粉吸水性和吸油性测定

称取1 g样品于15 mL离心管中，加入10 mL去离子水或大豆油后振荡混匀，静置30 min，3 000r/min离心20 min，吸水性或吸油性按式(1)计算：

(1)

式中：V1为离心前悬浊液体积/mL；V2为离心后上清液体积/mL；W为样品干基质量/g。

1.2.6 板栗粉乳化性、乳化稳定性和膨润力测定

称取1 g样品于烧杯中，加入大豆油和去离子水各50 mL，用高速剪切分散乳化机在5 000 r/min分散2 min，将分散液迅速等量倒入2支50 mL离心管中，1支于4 000 r/min条件下离心20 min，另1支于80 ℃保温30 min后再离心，测量乳化层高度和分散液总高度并记录，按公式计算乳化性、乳化稳定性和膨润力。

(2)

(3)

(4)

式中：H1为未经80 ℃保温样品的乳化层高度/mm；H2为80 ℃保温后样品的乳化层高度/mm；H为分散液总高度/mm；P为离心管中下层沉淀的质量/g；W为样品干基质量/g。

1.2.7 淀粉粒径分布测定

取少量样品用激光粒度分析仪进行测定，采用干法分散。

1.2.8 淀粉晶型结构测定

取适量干燥试样平整铺于模具中，用D2 PHASER X-射线衍射仪进行晶体构型分析。测试条件：采用Cu靶特征射线，管压30 kV，电流10 mA，扫描范围5°～40°，步宽0.02°。用MDI Jade 6.5软件分析图谱。

1.2.9 淀粉糊化特性测定

称取一定质量的淀粉样品于RVA TECMASTER 快速黏度分析仪铝盒内，加入去离子水，混合配制成质量分数6%的悬浊液，采用标准程序Standard 2进行测定。

1.2.10 淀粉溶解度和膨润力测定

称取一定质量的淀粉样品于15 mL离心管中，加入一定量25 ℃的去离子水配制成质量分数2%的悬浊液，分别在50、60、70、80、90 ℃的恒温水浴振荡锅中保温30 min，取出冷却至室温，于5 000 r/min离心10 min，将所得上清液倾入预先恒重的铝盒中，于105 ℃烘干至恒重，称质量；将所得下层沉淀与预先称质量的离心管一起称质量。溶解度、膨润力分别按公式计算。

(5)

(6)

式中：A为上清液中所溶解淀粉的质量/g；P为离心管中下层沉淀的质量/g；W为样品干基质量/g。

1.2.11 蛋白相对分子质量测定

采用十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳法(SDS-PAGE)测定样品蛋白的相对分子质量。

1.2.12 蛋白圆二色谱分析

用去离子水配制浓度为0.15 mg/mL的样品蛋白水溶液，用圆二色光谱仪(Circular Dichroism，CD)进行测定，波长扫描范围为190～250 nm，比色皿厚度为1 mm，谱带宽度为1.0 nm，扫描速率为1.0 nm/s，以去离子水为空白，每条输出CD光谱为3次扫描的平均值，以平均摩尔椭圆率[θ](deg·cm2/dmol)表示。用CDNN软件分析蛋白质的二级结构含量。

1.2.13 蛋白内源荧光光谱分析

用去离子水配制质量浓度为0.15 mg/mL的样品蛋白水溶液，用F97PRO荧光分光光度计进行内源荧光测定。扫描范围为300～500 nm，激发波长为295 nm，扫描速率为30 000 nm/min，电压700 V，激发和发射狭缝宽均为2.5 nm，以去离子水为空白。

1.2.14 蛋白溶解度测定

称取一定量的蛋白样品，加入10 mL蒸馏水配成质量分数0.05%的悬浊液，用0.1 mol/L HCl或0.1 mol/L NaOH调节pH至3.0、5.0、7.0、9.0、11.0，搅拌60 min，于5 000 r/min离心10 min，用双缩脲法[7]测上清液中蛋白质含量。溶解度按公式计算。

(7)

式中：A为上清液中所溶解蛋白质的质量/g；W为样品干基质量/g。

1.2.15 板栗粉-小麦粉混合粉粉质特性测定

称取一定质量的板栗粉与小麦粉混合，制成板栗粉含量为10、20、30 g/100g的混合粉，参照GB/T 14614—2006测定混合粉的粉质特性，揉混器规格为300 g。样品名称分别为：W10-不添加板栗粉；C1W9-板栗粉含量10 g/100 g，小麦粉含量90 g/100 g；C2W8-板栗粉含量20 g/100 g，小麦粉含量80g/100 g； C3W7-板栗粉含量30 g/100 g，小麦粉含量70 g/100 g。

1.2.16 面包的配方及制作工艺

面包配方为：混合粉100 g/100 g、水52 g/100 g、酵母1.1 g/100 g、盐1.5 g/100 g、糖11 g/100 g、奶粉4 g/100 g、黄油4 g/100 g、全蛋液10 g/100 g。

面包制作工艺为：将原料及配料(除黄油)混合，转移至和面机中→低速(min档)搅拌2 min→高速(4档)搅拌8 min→加入黄油高速搅拌4.5 min→室温醒发约40 min→分割、擀卷、入模具→于38 ℃醒发箱内醒发1 h→于烤箱中烘烤20 min，上火160 ℃、下火215 ℃→室温下冷却。

1.2.17 面包改良剂的选择

分别测定添加不同质量改良剂的板栗面包比容，改良剂种类及添加量为：谷朊粉1、3、5 g/100 g，大豆分离蛋白1、3、5 g/100 g，黄原胶1、2 g/100 g。选择面包比容提高最大的改良配方进行后续实验研究。

1.2.18 面包比容测定

采用小米置换法测量面包体积，用电子天平称量面包质量，比容(mL/g)=体积/质量。

1.2.19 面包质构特性测定

测试条件：探头型号为P/36R，测前速度1.0 mm/s，测中速度1.7 mm/s，测后速度1.7 mm/s，压缩比40%，压力5.0 g。每个样品取5次重复测定的平均值。

1.2.20 面包感官评价

由10名没有特殊嗜好和偏见的参评人员构成感官评价小组，按照GB/T 20981—2007 中的感官要求制定，板栗面包感官评价标准见表1。

表1 板栗面包感官评价表

1.3 数据分析

所有实验数据均进行3组平行测定，误差项均表示标准偏差。用Microsoft Office Excel 2007和Origin8.5对数据进行分析和图形化处理；用SPSS 22.0对数据进行皮尔逊相关性分析，用Duncan测试在P<0.05检验水平下进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 板栗淀粉的结构与性质分析

由表2可知，板栗淀粉中直链淀粉占比为27.2%，低于小麦淀粉。由图1可知板栗淀粉颗粒粒径呈现双峰分布，2个峰分布在10 μm和100 μm附近，板栗淀粉颗粒粒径分布出现2个峰的结果与文献报道不同[8]，造成这种现象的原因可能是提取过程中蛋白质、可溶性糖未能完全去除而使各组分之间相互黏附，导致大颗粒的存在。与之相比，小麦淀粉颗粒粒径分布较集中，中位径D50为25.98 μm。

表2 板栗淀粉和小麦淀粉颗粒组成特性、粒径大小及晶体结构

图1 板栗淀粉和小麦淀粉的颗粒粒径分布图

C型衍射图谱表现为A、B型混合物，根据图2可知，板栗淀粉在15.4°、17.3°、23.2°处出现较强的A型特征衍射峰，在6.0°处有弱的B型特征峰，在20°附近有较弱的弥散衍射峰，因此板栗淀粉为C型结晶型，这与李照茜[9]、Liu等[10]的研究结果一致。小麦淀粉15.2°、23.0°有强衍射峰，在17.1°、18.1°有相连的双峰，在20°附近也出现链脂复合物的弥散衍射峰，说明小麦淀粉为A型结晶型。

图2 板栗淀粉和小麦淀粉的XRD谱图

采用MDI Jade 6.5软件分析图谱，得到板栗淀粉结晶度为31.72%，略高于小麦淀粉(30.86%)。淀粉颗粒之间结晶度的差异取决于微晶粒度、结晶区数量(受支链淀粉质量分数和链长影响)、结晶区双螺旋方向性以及双螺旋之间相互作用程度[11]。多晶体系中微晶的衍射特征与微晶粒度的大小有关，晶粒大小与对应衍射晶峰的半高宽成反比，在XRD图谱上表现为，微晶粒度较大时，衍射特征为尖锐的衍射晶峰，反之则为弥散的衍射晶峰[12]。XRD图谱中板栗淀粉的衍射峰尖锐度低于小麦淀粉，说明其微晶粒度较小，但板栗淀粉的支链淀粉质量分数高于小麦淀粉，这可能是二者结晶度差异较小的原因。

如表3所示，在糊化过程中，板栗淀粉的峰值黏度、谷值黏度、终值黏度、降落值、回生值均高于小麦淀粉，但糊化温度和出峰时间均低于小麦淀粉，表明板栗淀粉更易糊化、凝胶形成能力强，但具有较高的回生趋势。可能因为直链淀粉含量低的比含量高的淀粉易于糊化[13]。

表3 板栗淀粉和小麦淀粉的糊化特性参数

溶解度、膨润力均反映了淀粉与水之间相互作用的大小[14]，与淀粉的大小、形态、组成、直链及支链淀粉比例和分子链等多种因素相关[15]。由图3可见，两种淀粉的溶解度、膨润力均随着温度升高而增强，板栗淀粉增加速率更明显。当温度处于50～60 ℃时，板栗淀粉的溶解度、膨润力均低于小麦淀粉，但70 ℃以后板栗淀粉的溶解度、膨润力均快速增加，远远高于小麦淀粉，属于典型的二段膨胀。

图3 板栗淀粉和小麦淀粉的溶解度和膨润力

2.2 板栗蛋白的结构与性质分析

图4为板栗蛋白和小麦蛋白的SDS-PAGE图像，染色程度越深，说明该相对分子质量的蛋白含量越高，反之越低。板栗蛋白的蛋白含量较低，在30 000附近有染色程度较深的条带，说明板栗蛋白接近电泳纯。小麦蛋白在43 000～60 000附近多个条带染色较明显，在30 000附近和60 000～120 000之间也有较浅的染色条带。板栗蛋白相对分子质量为27 700、29 500，小麦蛋白相对分子质量为27 100、43 900、46 800、48 800、51 900、58 900。

图4 板栗蛋白和小麦蛋白的SDS-PAGE图像

在远紫外区(190～250 nm)对蛋白质进行扫描分析，用CDNN软件分析扫描得到的CD图谱，从而可以推断其二级结构(包括α-螺旋、β-折叠、β-转角、无规卷曲)的相对含量，具体结果如表4和图5所示。

由图5可知，板栗蛋白在200 nm处有负槽，表明蛋白中存在无规卷曲；小麦蛋白在191 nm处出现正峰，在208 nm处出现负峰，这是α-螺旋的特征吸收峰。板栗蛋白的无规卷曲结构占比(34.4%)更高，说明板栗蛋白结构相对松散。与小麦蛋白相比，板栗蛋白的α-螺旋含量较低，β结构含量较高，而蛋白的二级结构对面团的弹性和硬度有影响[16]。

图5 板栗蛋白和小麦蛋白的CD图谱

如图6所示，板栗蛋白和小麦蛋白荧光峰分别在378 nm和374 nm处，均大于330 nm，且板栗蛋白的荧光峰偏红移，荧光强度较低，表明其疏水基团暴露更多。如图7所示，在pH 3～pH 11的范围内，板栗蛋白的溶解度曲线呈“U”形，在pH 5处溶解度最低，说明板栗蛋白的等电点在pH 5附近，但整体上低于小麦蛋白的溶解度，这可能是由于板栗蛋白疏水性基团暴露更多而使水溶性下降。而小麦蛋白在pH 9处溶解度最低。

图6 板栗蛋白和小麦蛋白的荧光光谱

图7 板栗蛋白和小麦蛋白的溶解性

2.3 板栗粉的理化性质分析

2.3.1 基本成分分析

由表5可知，淀粉是板栗粉的主要成分，与高筋小麦粉相比，板栗粉淀粉、蛋白质含量较低，灰分、脂肪含量较高。

表5 板栗粉和小麦粉化学成分构成/%(干基)

2.3.2 全粉特性分析

如表6所示，板栗粉的吸水性略低于小麦粉，原因可能是吸水性反映出淀粉糊化程度，板栗粉制粉过程中热风干燥温度较低(50 ℃)，大多数淀粉还未发生糊化。与小麦粉相比，板栗粉的吸油性略低而乳化性较好，且乳化稳定性远高于小麦粉。膨润力反映淀粉分子受热糊化时的吸水能力[17]。如图8所示，随着温度的升高，小麦粉的膨润力呈现线性升高的趋势，板栗粉的膨润力呈现出平稳-升高-平稳的变化趋势，说明板栗粉中淀粉在60～70 ℃附近开始糊化，吸水能力明显增加，在糊化前后，其他成分如蛋白质、脂肪与淀粉之间的相互作用可能限制了其吸水能力。

表6 板栗粉和小麦粉加工特性

图8 板栗粉和小麦粉的膨润力

2.4 板栗粉的应用研究

2.4.1 板栗粉-小麦粉混合粉粉质特性分析

由表7可知，随着板栗粉添加量的增加，混合粉的吸水率、面团形成时间、稳定性、粉质质量指数均下降，弱化度升高，混合粉品质变差。这主要是因为板栗粉支链淀粉相对较低，吸水能力弱，又不含面筋。随着板栗粉添加量提高，混合粉面筋越难形成较好的三维网络整体[18]，导致品质整体下降。此外，一般中档面包粉吸水率均值62.7%[19]，表明将板栗粉应用于面包中时，需要加入一些改良剂。

表7 板栗粉-小麦粉混合粉粉质特性

2.4.2 改良剂对板栗面包比容的影响

由表8可知，随着板栗粉添加量的增加，面包比容减小，说明面团强度和持气能力减弱，与粉质特性变化趋势相一致。不同改良剂对面包比容影响程度有差异，当面包改良剂添加量为5 g/100 g时，谷朊粉比容增加量最佳。添加大豆分离蛋白、黄原胶的面包比容出现了降低现象，可能原因是改良剂使面团强度过高，抗形变阻力增加，不利于发酵过程中气泡的延伸[20]。谷朊粉主要成分为面筋蛋白，有利于形成较强的网络结构，从而提高面团产气能力及持气性能，增加面包体积[21]。以比容为评价指标，选择谷朊粉作为板栗面包的改良剂，添加量为5 g/100 g。

表8 改良剂种类和添加量对面包比容的影响

2.4.3 板栗面包的质构特性分析

不同板栗粉添加量的面包在外观和内部结构上存在明显差异。C1W9体积最大，气孔细密、孔壁薄，优于W10；C2W8和C3W7体积与W10相近，气孔均匀度下降，且底部气孔较少，说明面团持气能力较低，面包醒发时未能充分膨胀。此外，添加板栗粉的面包芯呈浅褐色，且随板栗粉的增加而逐渐加深，可能因为板栗粉中糖参与美拉德褐变和焦糖化反应[22]。由表9可知，板栗粉添加量为10%时，面包硬度、咀嚼性数值最低，感官评价数值最高。一般而言，面包的硬度、咀嚼性与面包品质呈负相关[23]，表明C1W9板栗面包品质最佳。C1W9面包蜂窝结构更强，更有利于包裹气体[24]，硬度比W10面包的硬度、咀嚼性更低。随着板栗粉用量的增加，面包硬度和咀嚼性增大，说明板栗粉的增加使面筋网络结构进一步弱化，难以持气，导致面包膨起困难、硬度增加和更难咀嚼。

表9 板栗面包的质构特性及感官评分

3 结论

板栗淀粉直链淀粉质量分数为21.6%，与小麦淀粉相比，直链淀粉质量分数较低、颗粒较大、结构松散，易糊化和溶胀。板栗粉-小麦粉混合粉的吸水率、面团形成时间和稳定性随板栗粉的增加而下降，从而导致面包比容减小、硬度和咀嚼性增加。

板栗蛋白的相对分子质量为30 000，圆二色谱分析结果显示板栗蛋白中α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲含量分别为10.6%、32.5%、23.7%、34.4%，说明板栗蛋白二硫键含量可能较少，导致板栗粉-小麦粉混合粉的面团筋力随着板栗粉增加而下降；板栗蛋白无序结构占比高，且荧光光谱分析表明其表面疏水性较强，说明板栗蛋白分子柔性高，因此使板栗粉表现出较好的乳化性和乳化稳定性。

板栗面包的比容随板栗粉添加量的增大而明显下降，考察了谷朊粉、大豆分离蛋白和黄原胶对面包的改良效果，以比容为评价指标，最终选择谷朊粉作为改良剂，添加量为5 g/100 g。质构分析和感官评定结果表明：板栗粉添加量为10 g/100 g的面包硬度和咀嚼性最低、感官评价最高。