氯化钠对小麦特二粉面筋聚集特性的影响

马金婷,王 杭,郑一雄,李宗璞,陈菲菲,吴枫毅,周孟清,王金水,贾 峰

河南工业大学 生物工程学院,河南 郑州 450001

特制二等小麦粉(特二粉)是馒头和面条等普通面制主食的主要应用面粉[1],其面筋蛋白的聚集特性直接影响面团的加工特性[2]以及制品的食用品质。目前,面筋聚集特性可使用面筋聚集仪进行评价[3],该仪器具有测试时间短、样品用量少、分析速度快等优点[4],其测定的指标可以评价面团的流变学特性[5-6]以及酸面团的特性[7],反映面筋的品质特征,进而快速评价小麦品质[8]。面筋聚集仪的原理是利用剪切力快速形成面筋网格结构并迅速破坏[3],其参数主要包括峰值时间(PMT)、峰值扭矩(BEM)与能量面积等[9-11]。PMT、BEM与面筋蛋白质含量、面包体积、面团最大拉伸强度和伸长率之间的相关系数在0.664～0.956之间,可以快速、准确地评价小麦面粉的面筋特性[7],其中水粉比、温度、转速及面粉质量对PMT和BEM具有较大的影响[12]。面筋聚集仪是一种可靠、快速评价小麦面粉质量的仪器[13]。

氯化钠(食盐)是最常见的食品添加剂之一,添加到面粉中可使面筋网络结构紧缩,达到强化面筋网络结构,增强其黏弹性、强度和韧性的效果,从而减少面制品加工过程中的断裂现象[14]。在面制食品加工过程中添加少量的食盐,可提高面筋的硬度和黏弹性,有助于改善面团的力学特性[15]。在添加氯化钠后面团及面条的理化性质等会发生不同程度的改变[16],比如食盐可提高面团及面条稳定时间、粉质质量指数、拉伸能量、拉伸阻力、最大拉伸阻力,降低吸水率和延伸性[17]。添加3%食盐的面团的质构特性较好[18]。随着食盐的增加,面筋网络微观结构变得越来越紧密,面团的最大拉伸力逐渐升高[19],球蛋白疏水作用减弱,而氢键作用得到改善[20]。烩面中添加盐量2.3%时,其感官品质和质构特性达到最佳[21]。在面团中添加钠盐可促进面筋的聚集[22],而CaCl2作为钠盐的替代品,随着其添加量的增加,小麦粉面筋的峰值时间显著缩短,峰值扭矩增加,面筋结构的稳定性降低[23]。

面筋聚集过程可能是麦谷蛋白和醇溶蛋白逐步克服表面斥力形成一个整体的过程,其中涉及疏水作用消除与再形成、电荷之间的排斥与吸引、二硫键的形成与断裂[15]。氯化钠溶液为带正负电荷的离子溶液,影响面筋的聚集过程[24]：一种认为是氯化钠的阴离子和阳离子增强了蛋白之间的疏水相互作用,并导致未折叠链之间的展开减少[25],且随着氯化钠浓度增高,疏水作用增强,面筋网络结构形成受到阻碍;另一种认为是氯化钠中的一价金属阳离子能增加面筋蛋白β-折叠数量,减少α-螺旋数量[26],改变蛋白质电荷分布,减小静电排斥,形成原纤维蛋白结构可增强面筋的强度[27]。然而,氯化钠对面筋蛋白聚集特性影响的速度和途径尚不清楚。鉴于此,作者探究不同质量浓度的NaCl对小麦特二粉面筋聚集特性的影响,以及面筋聚集过程中对面筋显微结构、湿面筋含量和蛋白含量的影响,并对氯化钠影响面筋聚集的速度及其原因进行了分析,为改良小麦面团特性提供数据支持,同时也为面制品中科学用盐提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

特二粉(能量为1 508 kJ/100 g,蛋白质为12.2 g/100 g,脂肪为1.6 g/100 g,碳水化合物为73.0 g/100 g)：五得利面粉集团有限公司;无碘食盐：中盐皓龙有限责任公司,分别配制质量浓度为0、1、2、3、4、5 g/100 mL的NaCl溶液(标记为CK、GN1、GN2、GN3、GN4和GN5)。乙醇：上海信帆生物科技有限公司;十二烷基硫酸钠(SDS)：南京森贝伽生物科技有限公司;碘化钾：北京百奥莱博科技有限公司。

1.2 试验仪器

面筋聚集仪(GlutoPeak)：德国布拉班德公司;AWE-DM0412低速离心机：无锡得凡仪器有限公司;MX-E固定混匀仪：大龙兴创实验仪器北京股份公司;E200MV显微镜：南京尼康江南光学仪器有限公司;Nano Drop2000超微量紫外分光光度计：赛默飞世尔科技有限责任公司。

1.3 方法

1.3.1 特二粉面团面筋聚集特性参数的测定

利用面筋聚集仪在水粉比为9∶8(mL/g)、温度25 ℃、时间300 s、转速2 500 r/min时,分别测定峰值时间(PMT)、峰值扭矩(BEM)、能量面积(AgE)。

1.3.2 面筋聚集过程中5个关键点的选取

面筋聚集过程中5个关键点的选取参考王杭等[10]使用的方法,具体取样点分布如图1所示：A(平稳起始点)、B(聚集起飞点)、C(峰值扭矩点)、D(聚集结束点)、E(记录结束点)。取样参考王雍清等[11]使用的方法,具体过程：分别确定A—E 5个关键点对应的时间,当达到相应时间,暂停面筋聚集仪取出相应面团,检测相应指标。根据聚集特性,能量面积分为启动能量(S1)、稳定能量(S2)和聚集能量(S3)。

图1 面筋聚集过程中5个关键点的选取Fig.1 Location of five key points selected in the gluten aggregation process

1.3.3 特二粉面团湿面筋含量的测定

参考GB/T 5506.2—2008的方法并进行适当修改。在面筋聚集过程中分别称取A—E 5个点处的面团质量(m0,g),使用氯化钠溶液洗涤8 min左右,至洗出来的水遇到碘化钾不变色时,称其质量(m1,g)即为湿面筋质量,计算全湿面筋含量。

1.3.4 特二粉面团蛋白质组分含量的测定

小麦面团中蛋白质的提取、检测与含量计算参考贾峰等[1]的方法进行,用麦谷蛋白指代SDS可溶性麦谷蛋白。

1.3.5 面筋聚集平均速度及其与氯化钠质量浓度的关系

1.3.6 特二粉面团显微结构的观察

选取A—E点的面团样品,制成显微观察玻片,使用显微镜40×、100×、400×的倍数分别观察,记录图片。

1.3.7 淀粉颗粒直径的检测

分别选取A—E点处400×的面团样品显微照片,利用显微镜的软件ISCapture,使用测量线检测淀粉颗粒直径(单位为pix),在每个图片中选取从大到小的10个淀粉颗粒测量直径,计算平均值。

1.4 数据处理

数据均重复测定2～3次,计算平均值。用Excel软件进行数据处理、图表的制作,用 SPSS 26软件进行显著性差异分析(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 氯化钠对面筋聚集特性的影响

2.1.1 氯化钠对特二粉面筋聚集特性PMT的影响

由图2可知,未添加NaCl(CK)的PMT最小,为61 s,随着氯化钠质量浓度的增加,PMT呈直线上升趋势,方程为y=25.314x+31.067(R2=0.963 6)。表明添加氯化钠可显著延长面筋聚集特性的峰值时间。

注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。图3同。图2 氯化钠对特二粉面筋聚集特性PMT的影响Fig.2 Effect of sodium chloride on PMT of second-grade wheat flour

2.1.2 氯化钠对特二粉面筋聚集特性BEM的影响

由图3可知,CK的BEM最小,为48 BU,BEM随着氯化钠质量浓度的增加而有所增加,但没有显著的差异。表明添加氯化钠整体上BEM增加不大,即氯化钠对面筋蛋白网络结构的强化不显著。

图3 氯化钠对特二粉面筋聚集特性BEM的影响Fig.3 Effect of sodium chloride on BEM of second-grade wheat flour

2.1.3 氯化钠对特二粉面筋聚集特性能量的影响

由表1可知,S1本身较小,随着氯化钠质量浓度的增加,S1有上升的趋势,但差异不显著。S2、S3随着氯化钠质量浓度的增加也呈逐渐上升的趋势,且不同处理之间S2和S3均有显著增加。表明氯化钠的增加虽然对面筋聚集的启动能量影响不显著,但能显著增加面筋聚集的稳定能量和聚集能量。

表1 氯化钠对特二粉面筋聚集过程中能量的影响Table 1 Effect of sodium chloride on energy during gluten aggregation ofsecond-grade wheat flour

2.2 氯化钠对面筋聚集速度的影响

由图4可知,CK组面筋聚集的平均速度最大,为0.59 BU/s,随着氯化钠质量浓度的增加,面筋聚集的平均速度逐渐下降。氯化钠对面筋聚集速度的影响近似直线下降,方程为y=-0.069 1x+0.615 3 (R2=0.974 1)。随着氯化钠质量浓度的增加,面筋聚集平均速度不断降低,表明氯化钠在面筋聚合过程中阻碍了面筋聚集的速度。由图5可知,未添加氯化钠时,在搅拌作用下面筋蛋白电荷逐渐分布均匀,正负电荷间相互吸引,形成了完整的、连续的网络复合结构,类似于“搭积木”层层叠加、相互交联,形成规律的网络结构。添加氯化钠改变了面筋蛋白中的电荷分布特性,氯离子和钠离子分别与蛋白质的正负电荷吸引,起到“占位”的作用,阻碍面筋蛋白之间的电荷吸引与聚集,使PMT显著增加,但氯离子和钠离子并未改变面筋蛋白最后聚集的状态,即未增加面筋聚集的BEM。

图4 氯化钠对特二粉面筋聚集速度的影响Fig.4 Effect of sodium chloride on the rate of gluten aggregation of second-grade wheat flour

图5 氯化钠对特二粉面筋蛋白聚集特性影响的途径Fig.5 Pathways of effects of sodium chloride on gluten aggregation of second-grade wheat flour

2.3 氯化钠对湿面筋含量的影响

由表2可知,添加1 g/100 mL氯化钠(GN1)在A、B和C点能洗出面筋,B点是A点湿面筋含量的1.58倍,C点仅为B点的4%;与CK相比,A和B点洗出的湿面筋含量有所下降,分别为CK的83%和74%,在C点可洗出少量面筋,然而D和E点未洗出面筋。表明添加氯化钠降低了面筋蛋白洗出的比例,却可增加面筋蛋白网络的韧性。

表2 氯化钠对特二粉湿面筋含量的影响Table 2 Effect of sodium chloride on wet gluten content of second-grade wheat flour

2.4 氯化钠对特二粉面筋聚集过程中可提取蛋白质的影响

CK与GN1特二粉面筋在聚集过程中可提取蛋白质含量如表3所示。由表3可知,GN1中水溶蛋白含量在C和E点达到较高,A点次之,B和D点较低;盐溶蛋白含量在C点达到最大,A、E和D点次之,B点最低;醇溶蛋白含量在A、B、C和E点达到较大,D点最低;麦谷蛋白含量在A点达到最大,C和E点次之,D点再次之,B点最低。比较GN1与CK可以看出,在面筋聚集过程中添加氯化钠对水溶蛋白、盐溶蛋白和醇溶蛋白的可提取量影响是波动性的,面筋蛋白网络结构的破坏不利于麦谷蛋白的提取。

表3 氯化钠对特二粉蛋白质组分含量的影响Table 3 Effect of sodium chloride on the protein content of second-grade wheat flour %

2.5 氯化钠对面筋显微结构的影响

CK与GN1的面筋显微结构如图6所示。GN1结构与CK比较,A点面筋网络结构对淀粉颗粒的包裹性略强,面筋聚集趋势更明显;B点面筋网络结构的交联程度更强,聚集程度更强,淀粉颗粒被面筋包裹程度略低,淀粉颗粒分布更均匀些;C点面筋网络结构已然形成,淀粉颗粒被面筋蛋白包裹着均匀分布其间,但是面筋网络之间的孔隙大小不一、分散不均;D点面筋网络结构形成较好,孔隙较小且更加均匀分散,面筋蛋白包裹的淀粉颗粒更多;E点面筋网络结构也被破坏,但是淀粉颗粒周围的面筋蛋白略多一些。整体来看,GN1中A、B、C、D和E点处的面筋网格结构更加完整,面筋网格的分布以及大小均匀度更高,面筋对淀粉颗粒的包裹性更好,表明添加氯化钠后面筋网络结构分布更加均匀。

注：(a)—(e)、(A)—(E)分别为CK组和GN1组A、B、C、D、E点面筋网络结构,(a1)、(a2)分别为(a)的不同放大倍数面筋网络结构,其他类同。图6 氯化钠对特二粉面筋显微结构的影响Fig.6 Effect of sodium chloride on the gluten microstructure of second-grade wheat flour

2.6 氯化钠对淀粉颗粒直径的影响

由图7可见,GN1中的淀粉颗粒与CK相比,在A、C和D点淀粉颗粒直径二者差异不显著,但在B和E点氯化钠处理比CK的淀粉颗粒直径要大。表明氯化钠有效阻止了淀粉颗粒的破碎,可能是氯化钠增加了淀粉的电荷特性,防止被高速转子进一步剪切。

注：数据单位为pix;A、B、C、D、E为面筋聚集过程中的5个关键点。图7 氯化钠对特二粉淀粉颗粒直径的影响Fig.7 Effect of sodium chloride on the diameter of starch particles of second-grade wheat flour

3 结论

随氯化钠质量浓度增加,PMT呈直线上升趋势,而BEM增加不显著,说明氯化钠可降低面筋聚集速度,但对面筋蛋白网络结构的强化不显著。随着氯化钠质量浓度的增加,S1未有显著增加,而S2和S3显著增加。在面筋聚集过程中,氯化钠可减少洗出的湿面筋含量,对可提取的水溶蛋白、盐溶蛋白和醇溶蛋白含量的影响不稳定,但氯化钠可增加面筋蛋白网络的韧性,使面筋网格结构更加均匀,面筋蛋白更好地包裹淀粉颗粒,有效阻止了淀粉颗粒的破碎。综上,氯化钠影响小麦面团的面筋网络形成,可为小麦粉面筋品质的改良提供数据支持,为面制品的减盐措施提供理论依据,可进一步探究具体的变化机制用于调控面制品品质。