干燥对挂面蛋白质结构及产品特性的影响

张影全，王 远，郭波莉，张 波，魏益民，张国权

挂面（Chinese dried noodles，CDN）指以小麦面粉为主要原料，通过添加适量饮用水、食用盐或碱、其它辅料，经和面、熟化、压延、切条、干燥、切断、包装等工序加工的，具有一定长度的干面条。中国食品科学技术学会统计数据显示，2018年全国主要24 家挂面行业龙头企业年产量为340.9万t。以此估算，全行业总产量为812 万t。挂面约占工业化生产面条的26%[1]。近十年来，随着食品设备制造业的快速发展，挂面生产设备和技术水平也得到快速发展，挂面产业已初步具备现代食品工业的特征[2-3]。

干燥工艺是影响挂面产量、成本、质量的重要工序之一，是生产自动化和智能化遇到的主要技术问题。干燥工序是挂面生产过程中能量消耗最大的生产环节，约占整个挂面生产过程的60%[4]。在实际生产中，影响挂面干燥特性及产品质量的主要因素是烘房内干燥介质的温度、相对湿度、风速等工艺参数[5-8]。合理的干燥温度不仅促进面条水分蒸发，提高面条品质，而且能缩短干燥时间，降低生产成本[9]。目前，中国挂面生产企业普遍采用基于空气热力学的中、低温（干燥温度低于45℃）干燥工艺，工艺参数主要是依靠人为经验对烘房内温度、相对湿度、风速进行调控[10]。关于中国挂面干燥工艺、干燥动力学等的研究，最近几年才逐渐被国内学者、企业生产者、设备制造者所重视，并开展了系列研究。其重点主要集中在干燥工艺参数（温度、相对湿度、风速等）对挂面干燥特性和产品质量的影响等方面[5-7，11-15]。

小麦面筋蛋白作为自然界中已知分子质量最大的蛋白质[16]，是小麦独特加工质量形成的物质和结构基础。小麦蛋白质，尤其是面筋蛋白的数量和质量与面条加工过程及产品质量密切相关[17-23]。Guerrieri 等[24]发现，在大约45 ℃时，面筋疏水性增加，构象改变导致醇溶蛋白和谷蛋白的疏水基团暴露出来。超过50 ℃时，蛋白交联形成。温度显著影响面团整体的流变学特性和湿面筋中的氢键[25]。在加热条件下，大多数面筋蛋白通过二硫键的形成发生交联反应。Bruneel 等[26]研究表明，良好的面条烹调质量取决于干燥过程形成的适当面筋网络结构，以及该网络结构在随后的煮制过程中抵制淀粉糊化膨胀对其造成破坏的能力。然而，挂面加工过程中，尤其是不同干燥条件参数如何影响小麦面筋蛋白组成和网络结构，以及蛋白质结构变化与产品质量的构效关系，还有待进一步讨论和总结。本文依据研究资料，重点综述干燥过程中温度、相对湿度与挂面蛋白质结构变化的关系，面筋网络结构与产品质量的构效关系，为进一步认识干燥过程蛋白质结构变化、干燥工艺设计、产品质量控制提供理论依据。

1 温度对蛋白质结构及产品特性的影响

温度是影响挂面干燥过程的重要因素，也是生产中较易调节和控制的因素。合理的干燥温度不仅促进面条水分蒸发，提高面条质量，还能缩短干燥时间，降低生产成本[9]。王春等[12]研究了40～80 ℃干燥条件对挂面产品质量特性的影响，认为高温干燥对挂面干面和煮后质量特性影响不尽相同，当烘干温度70 ℃时，面条的扭断力、拉伸力较强，弯曲度良好，然而对于挂面的色泽、烹调损失会产生一定的不良影响。整体考虑后认为，70 ℃干燥条件较好。郭颖等[14]研究了60～100 ℃干燥温度对挂面质量特性的影响，发现挂面最佳蒸煮时间随烘干温度的升高而升高，认为烘干温度为60～70 ℃，挂面质量较好。魏益民等[6，8]认为，挂面干燥介质温度越高，相对湿度越低，挂面的干燥速率越大。相对湿度对挂面干燥过程的影响大于温度的影响。于晓磊等[15]研究了加工工艺对干挂面产品质量特性的影响，结果表明，和面加水量对干燥及产品质量有极显著影响，其次为干燥温度。刘锐等[27]研究发现，挂面干燥过程蛋白质含量、谷蛋白大聚体含量无显著变化。不同小麦品种的蛋白组分在整个干燥过程中的变化趋势不尽一致。

温度显著影响面团的流变学特性和湿面筋中的氢键[25]。在加热条件下，大多数面筋蛋白通过二硫键的形成发生交联反应。温度超过40 ℃就可诱导蛋白质结构发生变化。Guerrieri 等[24]发现，大约45 ℃时，面筋疏水性增加，构象改变，导致醇溶蛋白和谷蛋白的疏水基团暴露出来。超过50 ℃时，蛋白交联形成。意大利面干燥过程中，淀粉仍保持它的颗粒状特性[28]，而蛋白质在温度超过60 ℃开始交联。当温度提高到80 ℃以上时，麦谷蛋白和醇溶蛋白的提取率降低[29]。与面包烘焙过程一样，干燥时，麦谷蛋白首先因游离SH 基团被氧化而发生聚合交联[30]，部分单体醇溶蛋白与不溶性麦谷蛋白交联。60 ℃以上干燥时，蛋白质的聚合反应不会因含水量的降低而受到影响[29]，这是因为干燥过程蛋白质始终保持在玻璃化转变温度之上[31]。高温干燥条件下，麦谷蛋白和醇溶蛋白发生聚合交联，包裹部分淀粉颗粒，形成连续致密的面筋网络结构[29，32]。Verbauwhede 等[33]研究发现，温度超过40 ℃，蛋白网络宽度开始下降；60 ℃以上，蛋白网路分枝数增加；温度超过75 ℃，蛋白网路结构没有明显变化。

Inazu 等[34-35]研究表明，乌冬面干燥过程中，温度对水分扩散速率的影响大于相对湿度。Mercier等[36]通过对66 篇营养强化类意大利面（enriched pasta）文献的Meta 分析，发现干燥温度与意大利面平衡含水量呈负相关（r=-0.91），较高的温度可以改善意大利面的烹调特性。Padalino 等[37]研究表明，意大利面（spaghetti）感官质量随干燥温度的升高而得到改善，并推测产品烹调特性的改善与淀粉颗粒物理交联和蛋白大聚体的化学交联增多直接相关。刘锐等[27]研究表明，面条加工制作过程中，蛋白质含量无显著变化。在和面和煮制两个环节，蛋白质组成变化明显。小麦粉和面形成面团后，面筋蛋白和谷蛋白含量无变化，而醇溶蛋白和GMP 含量明显下降。干燥后，面条中GMP 含量增加。不同小麦品种的蛋白组分在整个加工过程中的变化趋势不尽一致。

随着温度的升高，面筋蛋白质内部结构发生较大的变化，当干燥温度高于40 ℃时，会导致蛋白质产生膜状变性。当温度超过50 ℃时，蛋白质因发生热变性而凝固，劣化面筋的品质，面条发脆，强度降低，且面条煮熟后的硬度也随烘干温度的升高而逐渐增加，影响其食用品质[38-39]。70 ℃以上的高温干燥可促使意大利面中蛋白质的凝集，有利于加强面筋的网络结构，使面条表面的淀粉发生糊化，产品色泽更佳；同时煮面不易糊汤，使烹调性得到改善，并起到一定的杀菌作用，利于产品的安全储藏。

2 相对湿度对蛋白质结构及产品特性的影响

相对湿度是挂面干燥过程中影响产品质量形成的另一个重要因素。干燥过程要求遵循“保湿干燥”的原理，使湿挂面的水分在一定的相对湿度下缓慢蒸发，保持外扩散与内扩散速度的基本平衡，防止湿面条表面结膜，影响脱水速率和产品质量。另外，相对湿度较高的热空气焓值较高，有利于热扩散，能够加快挂面内外的热传递。在实际挂面生产过程中，绝大多数企业仅根据操作人员的经验，通过调整烘房内排潮口的数量、开口大小等措施对烘房内相对湿度进行调控，控制手段和精度相对较粗放。

前人研究大多集中在干燥过程相对湿度变化与干燥速率和产品含水率的关系方面。沈再春[40]提出，主干燥前期相对湿度控制在75%左右，可以避免挂面结膜和酥面现象的发生。陆启玉[39]研究发现，相同温度条件下，相对湿度越低，表面水分的蒸发速度越快。李华伟等[41]研究表明，预干燥阶段的相对湿度为90%±2%时，挂面干燥效果最佳。高飞等[11]研究认为，升温干燥阶段起始相对湿度95%较适宜，恒温干燥阶段和完成干燥阶段适宜的相对湿度分别为75%和60%。王杰等[5]研究表明，随着相对湿度的增加，挂面水分含量、色泽a*值和b*值逐渐增大，L*值和抗弯强度逐渐减小，挂面产品不易弯曲变形。魏益民等[6]研究表明，相对湿度对挂面干燥过程的影响大于温度的影响，特别是在产品质量特性方面。

相对湿度的高、低可直接影响空气的吸水能力，决定挂面表面水分的蒸发速度，从而影响水与面筋蛋白的结合，间接影响面筋网络结构变化[34-35]。Umbach 等[43]研究表明，面团中的水分主要与蛋白质结合，烘焙过程水分从蛋白质转移向淀粉。在较高的水分含量下，面筋蛋白处于革质（leathery）状态，当水分含量超过35%时，面筋蛋白完全水合，面筋形成橡胶状（rubbery），且具有一定黏弹性的聚合物[44]。根据Belton[45]提出的环形-队列模型（loop and train model），面筋蛋白水合程度越高，环状结构区域（loops）越多，面团弹性越大。

3 蛋白质结构与产品质量的构效关系

挂面在制作过程中，通常是面粉加水和面，形成含水量低于35%的面絮，面絮经进一步的醒发、压延，被切成不同规格的湿面条；湿面条经干燥，制得挂面产品。加水主要是对小麦蛋白质起塑化作用，使其可以通过挤压或压延形成面条。在随后的干燥过程中，产品从橡胶状（rubbery）转变为玻璃状（glassy），因而得到稳定的结构[29，46]。在压延、干燥和煮沸过程中，蛋白质通过形成一个结构化网络，最终决定产品的特性或质量。这个网络形成的主要机制可能是SH-SS 交换反应和麦谷蛋白亚基的相互纠缠[48]。

干燥过程中，面筋部分发生了与面包烘焙类似的化学变化。形成的面筋网络结构在很大程度上影响面条表观质量、烹饪损失和食用品质。Wang 等[10]研究表明，面筋含量主要影响挂面干燥中期的干燥速率。意大利面干燥过程中高温使蛋白质发生氧化交联，导致蛋白质网络结构的巨大变化[49]。加热处理提高了蛋白质的连接性，并形成额外的二硫键，从而导致蛋白质聚集增加[50]。当干燥温度从60 ℃提高到90 ℃，导致单体蛋白质减少，而大分子蛋白质聚合物（UPP）含量增加。干燥温度55 ℃以上时，麦谷蛋白亚基主要参与二硫键-游离巯基（disulfide-sulfhydryl）交换反应，产生链间SS 键；温度70℃以上，醇溶蛋白等参与发生类似的反应[30]。

在随后的煮制过程中，淀粉颗粒吸收水分，膨胀和糊化，随着煮制过程，蛋白质提取率迅速减少，表明蛋白质发生进一步的聚合[26，28]。煮熟的面条形成一个以淀粉和蛋白质为主要结构的混合聚合物体系。优质的面条通常可以承受一定的过度煮制，烹调损失较小，产品具有光滑的表面，有一定的紧实度和弹性[47]。烹调损失和表面黏性是由于淀粉过度膨胀引起的，可以利用蛋白质网络结构来预防和阻止。面条煮制质量很大程度上取决于蛋白质网络能否承受煮制过程中淀粉膨胀所带来的破坏[28]。从这个角度看，面条烹调过程，蛋白质聚合交联形成连续的网络结构，与淀粉膨胀对结构有破坏作用之间存在微妙的竞争关系。最佳的蛋白质交联网络应能够包裹一些淀粉颗粒，阻止淀粉膨胀以及渗出，提高煮后面条的紧实度。如果煮制过程蛋白质交联不足，蛋白质就会形成不连续的离散团块，导致煮后面条出现烹饪损失大，面条变软、变黏。然而，过度干燥会导致蛋白质过度交联，煮制过程中蛋白质网络承受淀粉膨胀的能力变弱，这对煮制质量造成不利影响。Bruneel等[26]认为，良好的面条烹调质量取决于干燥过程形成的适当面筋网络结构，以及该网络结构在随后的煮制过程中抵制淀粉糊化膨胀对其造成破坏的能力。

4 小结

面筋蛋白网络结构是挂面质量构成的重要因素。在挂面生产过程中，面筋网络结构逐步形成，贯穿于面条生产的整个过程。干燥过程中面筋蛋白会发生解聚、聚合等一系列的变化，干燥后蛋白质聚合和面筋网络形成程度是决定挂面产品表观质量、烹调损失和食用品质的关键。

温度和相对湿度是挂面干燥过程中影响面筋蛋白网络结构变化的主要工艺条件。其中，温度直接影响面筋蛋白分子结构形成与变性；相对湿度主要通过影响空气的吸水能力和热传导，间接影响面筋蛋白与水结合的能力及其网络结构。干燥过程由于温度、相对湿度工艺条件的改变，可能导致面筋蛋白不恰当的变性聚集，从而使得挂面产品发生变形、劈条、酥条等质量缺陷。目前，有些理论和推测尚缺乏进一步的科学验证。

干燥过程应以蛋白质聚集度达到最佳水平为目标，而不是以达到最大的聚集度为目标。系统研究干燥过程面筋蛋白分子质量及分布、分子链构象及分子尺寸，以及面筋蛋白分子聚集态结构的变化规律，探究这些变化与挂面产品质构特性和感官质量特性的关系，有助于从分子水平探讨挂面干燥过程产品质量形成机理，进一步明确面筋蛋白结构与产品质量的构效关系，为挂面原料选择、干燥工艺设计、工艺控制及稳定产品质量提供理论依据。